本发明涉及自旋流磁化旋转元件，特别是涉及自旋流磁化反转元件，另外，还涉及磁阻效应元件及磁存储器。
本申请基于在2017年2月27日在日本申请的特愿2017-034758号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(gmr)元件及作为非磁性层使用了绝缘层(隧道势垒层，势垒层)的隧道磁阻(tmr)元件。一般而言，与gmr元件相比，tmr元件的元件电阻较高，但磁阻(mr)比比gmr元件的mr比大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头及非易失性随机存取存储器(mram)用的元件，tmr元件备受关注。
在mram中，当夹持绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化的方向变化时，利用tmr元件的元件电阻变化的特性，读写数据。作为mram的写入方式，已知有利用电流制作的磁场进行写入(磁化反转)的方式、及利用沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流而产生的自旋转移转矩(stt)进行写入(磁化反转)的方式。从能量效率的观点考虑时，使用了stt的tmr元件的磁化反转是有效率的，但用于进行磁化反转的反转电流密度较高。从tmr元件的长寿命的观点出发，优选其反转电流密度较低。该点对于gmr元件也一样。
因此，近年来，作为通过与stt不同的机制降低反转电流的手段，利用通过自旋霍尔效应生成的纯自旋流的磁化反转方式备受关注(例如，非专利文献1)。通过自旋霍尔效应产生的纯自旋流感应自旋轨道转矩(sot)，通过sot引起磁化反转。纯自旋流通过向上自旋的电子和向下自旋电子以相同数目相互逆向地流通而产生，电荷的流通相抵。因此，流通于磁阻效应元件的电流为零，期待反转电流密度较小的磁阻效应元件的实现。
根据非专利文献2，报告了通过sot方式的反转电流密度与通过stt方式的反转电流密度为相同程度。但是，当前以sot方式报告的反转电流密度为了实现高集成化及低能耗化是不充分的，存在改善的余地。
另外，作为sot方式的磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线(感应sot产生纯自旋流的配线)所使用的材料，可举出如非专利文献2中所使用的以ta为代表的重金属材料。这样的重金属材料的电阻率较高，因此，在做成薄膜或细线的情况下，耗电量高也成为问题。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：i.m.miron，k.garello，g.gaudin，p.-j.zermatten，m.v.costache，s.auffret，s.bandiera，b.rodmacq，a.schuhl和p.gambardella，nature，476，189(2011)
非专利文献2：s.fukami，t.anekawa，c.zhang和h.ohno，naturenanotechnology，doi：10.1038/nnano.2016.29.
非专利文献3：j.sinova，s.o.valenzuela，j.wunderlich，c.h.back，t.jungwirth，reviewsofmodernphysic，87，1213(2015)
技术实现要素：
发明想要解决的技术问题
本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于，与现有技术相比，降低由sot方式产生的磁化旋转或磁化反转的电流密度，进而也降低耗电量。
用于解决技术问题的手段
本发明人等特别着眼于考虑作为表现sot的原因的各种原理中的、在不同种类的材料的界面产生的界面rashba效应及重金属材料中的自旋霍尔效应，并最终想到使两效果有效地结合并且使用低电阻的材料的结构。
因此，本发明为了解决上述问题，提供以下手段。
(1)本发明的一个方式提供一种自旋流磁化旋转元件，具备：第一铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于作为所述第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的第二方向延伸，且所述第一铁磁性金属层位于其一面上，所述自旋轨道转矩配线为自旋传导层和界面自旋生成层沿所述第一方向交替叠层的结构，所述界面自旋生成层的层数为两层以上，所述自旋轨道转矩配线中，所述界面自旋生成层中的一层最接近于所述第一铁磁性金属层。本发明的一个方式还可以提供一种自旋流磁化旋转元件，具备：第一铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于作为第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的第二方向延伸，且与第一铁磁性金属层接合，自旋轨道转矩配线为自旋传导层和界面自旋生成层沿第一方向交替叠层的结构，界面自旋生成层的层数为两层以上，界面自旋生成层中的一层与第一铁磁性金属层接合。
(2)上述(1)所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，界面自旋生成层的厚度为构成界面自旋生成层的原子的原子半径的2倍以下。
(3)上述(1)或(2)所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，自旋传导层由含有al、si、cu、ag、gaas、及ge中的至少任一种的元素的材料构成。
(4)上述(1)～(3)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，界面自旋生成层由含有mo、ru、rh、pd、ta、w、ir、pt、au或bi中的任意种元素的材料构成。
(5)上述(1)～(4)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，自旋传导层的厚度为自旋传导层具有的自旋扩散长以下的厚度。
(6)上述(1)～(5)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，界面自旋生成层中，处于最接近第一铁磁性金属层的位置的界面自旋生成层的厚度比其它界面自旋生成层的厚度薄。
(7)上述(1)～(6)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，自旋传导层利用夹持界面自旋生成层且不同的材料构成，接近第一铁磁性金属层的自旋传导层的自旋电阻率比远离第一铁磁性金属层的自旋传导层的自旋电阻率小。
(8)上述(1)～(7)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，与不是最接近所述第一铁磁性金属层的其它所述界面自旋生成层相比，最接近所述第一铁磁性金属层的所述界面自旋生成层从所述第一方向观察的截面面积变小。另外，所述(1)～(7)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，与不与第一铁磁性金属层接触的其它界面自旋生成层相比，与第一铁磁性金属层接触的界面自旋生成层从第一方向观察的截面面积变小。
(9)上述(1)～(8)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件中，也可以是，自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。
(10)本发明的一个方式提供一种磁阻效应元件，具备：上述(1)～(9)中任一项所涉及的自旋流磁化旋转元件、磁化的方向被固定的第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层夹持的非磁性体层。
(11)本发明的一个方式提供一种磁存储器，具备多个上述(10)所涉及的磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明的自旋流磁化旋转元件，能够提供一种使界面rashba效应及自旋霍尔效应有效地结合，且通过纯自旋流产生磁化旋转的自旋流磁化旋转元件。
附图说明
图1a是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是自旋流磁化旋转元件的平面图；
图1b是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是图1a的自旋流磁化旋转元件的截面图；
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图；
图3a是用于说明本发明的另一实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是自旋流磁化旋转元件的平面图；
图3b是用于说明本发明的另一实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是图3a的自旋流磁化旋转元件的截面图；
图4a是用于说明本发明的又一实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是自旋流磁化旋转元件的平面图；
图4b是用于说明本发明的又一实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的示意图，是图4a的自旋流磁化旋转元件的截面图；
图5是示意性地表示本发明的一个实施方式所涉及的磁阻效应元件的立体图。
符号说明
1……第一铁磁性金属层、2……自旋轨道转矩配线、3……自旋传导层、4……界面自旋生成层、10……自旋流磁化旋转元件(自旋流磁化反转元件)、100……磁阻效应元件、101……第一铁磁性金属层、102……非磁性层、103……第二铁磁性金属层、104……覆盖层、105……磁阻效应元件部、110……基板、120……自旋轨道转矩配线、130……配线、140……第一电源、150……第二电源
具体实施方式
以下，适宜参照附图详细地说明本发明。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解本发明的特征，方便起见，有时将成为特征的部分放大表示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际不同。以下的说明中示例的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，可在实现本发明效果的范围内适宜变更并实施。本发明的元件中，也可以在实现本发明的效果的范围内具备其它层。
(自旋流磁化旋转元件)
图1a、1b中表示本发明的一个实施方式所涉及的自旋流磁化旋转元件的一例的示意图。图1a为平面图，图1b为以图1a的自旋轨道转矩配线2的宽度方向的中心线即用x-x射线切断的截面图。
图1a、1b所示的自旋流磁化旋转元件10具备：磁化方向变化的第一铁磁性金属层1；沿着相对于作为第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的第二方向延伸，且与第一铁磁性金属层1接合的自旋轨道转矩配线2，自旋轨道转矩配线2为自旋传导层3和界面自旋生成层4沿第一方向交替叠层的结构，界面自旋生成层4的层数为两层以上，界面自旋生成层4中的一层与第一铁磁性金属层接合。
以下，将第一铁磁性金属层1的法线方向或第一铁磁性金属层1和自旋轨道转矩配线2叠层的方向(第一方向)设为z方向，将与z方向垂直且与自旋轨道转矩配线2平行的方向(第二方向)设为x方向，将与x方向及z方向正交的方向(第三方向)设为y方向。此外，将垂直于第一铁磁性金属层1中的与自旋轨道转矩配线2接合的面、或与自旋轨道转矩配线2相对的面的方向设为第一铁磁性金属层1的法线方向。另外，z方向(第一方向)中，将从自旋轨道转矩配线2朝向第一铁磁性金属层1的方向称为z方向上方，将从第一铁磁性金属层1朝向自旋轨道转矩配线2的方向称为z方向下方。
以下，包括图1a、1b，作为自旋轨道转矩配线2沿着相对于作为第一铁磁性金属层1的法线方向的第一方向交叉的方向延伸的结构的例子，说明沿相对于第一方向正交的方向延伸的结构。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件10即，通过纯自旋流的sot效应进行铁磁性金属层的磁化旋转的元件能够在仅通过纯自旋流产生的sot进行铁磁性金属层的磁化反转的磁阻效应元件中使用，在该情况下，特别称为自旋流磁化反转元件。另一方面，本实施方式的自旋流磁化旋转元件也能够在现有的利用stt的磁阻效应元件中用作铁磁性金属层的磁化反转的辅助单元或主力单元。
＜第一铁磁性金属层＞
第一铁磁性金属层1以磁化方向变化的方式包含公知的铁磁性材料。对于第一铁磁性金属层1的进一步的详情，与下述的磁阻效应元件的应用中的第一铁磁性金属层101相关联地说明。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2以流通电流时生成纯自旋流，且感应自旋轨道转矩的方式构成。本实施方式的自旋轨道转矩配线2具有自旋传导层3和界面自旋生成层4沿第一方向交替叠层的结构。
在自旋传导层3与界面自旋生成层4之间的界面上，通过界面rashba效应产生自旋蓄积(向上自旋或向下自旋的一方大量存在的状态)。自旋蓄积产生纯自旋流。
界面rashba效应的详细的机制尚不了解，但如考虑以下。认为在不同种类的材料间的界面中，空间反转对称性被破坏，在法线方向(与界面垂直的方向)上存在电势梯度。在沿着这种法线方向上具有电势梯度的界面流通电流的情况下，即在电子在二维的面内运动的情况下，在与电子的运动方向垂直且面内的方向上，有效磁场作用于自旋，自旋的方向与该有效磁场的方向一致。由此，在界面形成自旋蓄积。而且，该自旋蓄积产生向面外扩散的纯自旋流。
本实施方式中，在上述界面rashba效应的基础上，也利用在与界面自旋生成层4、特别是与第一铁磁性金属层1接合的界面自旋生成层4内产生的自旋霍尔效应，产生纯自旋流。
自旋霍尔效应是在材料中流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿与电流的方向正交的方向感应纯自旋流的现象。
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。图2是将图1a、1b所示的界面自旋生成层4、例如与第一铁磁性金属层1接合的界面自旋生成层4沿着x方向(即xz平面)切断的截面图。基于图2说明通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机制。
如图2所示，当沿界面自旋生成层4的延伸方向流通电流i时，向纸面跟前侧取向的第一自旋s1和向纸面进深侧取向的第二自旋s2分别向与电流正交的方向扭曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)运动(移动)的方向被弯曲这一点上相同，但通常的霍尔效应中，在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力而弯曲运动方向，相对于此，自旋霍尔效应中，由于不存在磁场，仅靠电子移动(仅流通电流)而弯曲移动方向，在这一点上大为不同。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，第一自旋s1的电子数与第二自旋s2的电子数相等，因此，图中朝向上方向的第一自旋s1的电子数与朝向下方向的第二自旋s2的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。不伴随该电流的自旋流特别地称为纯自旋流。
而在铁磁性体中流通电流的情况下，第一自旋s1和第二自旋s2相互向相反方向弯曲，在这一点上是相同的。另一方面，铁磁性体中是第一自旋s1和第二自旋s2的任一项为较多的状态，作为结果，会产生电荷的净流量(产生电压)，在这一点上不同。因此，作为界面自旋生成层4的材料，如下述所说明的，不包含仅由铁磁性体构成的材料，特别地可以列举非磁性的重金属材料。
在此，将第一自旋s1的电子的流动表示为j↑，且将第二自旋s2的电子的流动表示为j↓，将自旋流表示js时，以js＝j↑-j↓定义。图2中，作为纯自旋流，js向图中的向上方向流动。在此，js是极化率为100％的电子的流动。
图1a、1b中，使作为铁磁性体的第一铁磁性金属层1与自旋轨道转矩配线2的上表面接触时，通过界面rashba效应在界面产生的纯自旋流及通过自旋霍尔效应在第一铁磁性金属层1内产生的纯自旋流在自旋轨道转矩配线2内扩散传导，最后到达第一铁磁性金属层1，并扩散流入第一铁磁性金属层1中。即，向第一铁磁性金属层1注入自旋。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件10中，通过设为像这样自旋轨道转矩配线2流通电流生成纯自旋流，且该纯自旋流向与自旋轨道转矩配线2接触的第一铁磁性金属层1扩散的结构，通过该纯自旋流产生的自旋轨道转矩(sot)效应引起第一铁磁性金属层1的磁化旋转。如果sot效应充分大，则第一铁磁性金属层1的磁化进行反转。在该情况下，如上所述，能够将本实施方式的自旋流磁化旋转元件特别地称为自旋流磁化反转元件。
(自旋传导层)
自旋传导层3利用为了降低电阻而电阻率小，且为了将自旋流传导至第一铁磁性金属层1而自旋扩散长度(自旋蓄积消失的距离)较长的材料构成。例如，作为构成自旋传导层3的材料，可举出含有al、si、cu、ag、gaas、ge的至少一种的元素的材料。自旋传导层3的材料也可以作为单体使用，也可以作为合金、化合物等进行组合使用。
自旋传导层3的厚度优选设为该自旋传导层3具有的自旋扩散长以下的厚度。由此，不会丢失自旋信息，能够将自旋流传导至第一铁磁性金属层1。自旋扩散长特别地依赖于所使用的材料。例如，已知单体的cu、ag的自旋扩散长在室温下达到100nm以上。参照非专利文献3，其中报告了单体的cu结晶的自旋扩散长在室温下也达到500μm，单体的ag结晶的自旋扩散长在室温下也达到700μm。因此，能够将自旋传导层3的厚度充分设定成自旋扩散长以下。此外，如非专利文献3所记载，各种材料的自旋扩散长对于本领域技术人员来说是已知的，或者是可推定的，希望留意如果是本领域技术人员，在基于本申请的公开使用各种材料的情况下，能够将自旋传导层的厚度设定成自旋扩散长以下这一点。
(界面自旋生成层)
界面自旋生成层4利用产生较大的自旋轨道转矩(sot)的材料构成。作为这种材料，可举出非磁性的重金属，例如含有mo、ru、rh、pd、ta、w、ir、pt、au、及bi中的至少一种元素的材料，界面自旋生成层4的材料也可以作为单体使用，也可以作为合金、化合物等进行组合使用。
构成界面自旋生成层4的材料(重金属)的自旋扩散长比构成自旋传导层3的材料(配线材料)的自旋扩散长短。因此，为了自旋流不丢失自旋信息而穿过界面自旋生成层4且到达第一铁磁性金属层1，而减薄界面自旋生成层4的厚度。
特别地，界面自旋生成层4的厚度设为构成该界面自旋生成层4的原子的原子半径的2倍以下的厚度。在此，原子半径是指，以通常被本领域技术人员识别的方式，单体的结晶中的最小原子间距离的一半。
于是，原子半径的2倍以下的厚度包含与原子半径的正好2倍的厚度对应的单原子层的厚度的情况和比单原子层的厚度薄的厚度的情况。在此，比单原子层的厚度薄的厚度是指，在该层具有缺陷，即开有孔，作为层整体的平均厚度比原子半径的2倍薄。这种开有孔的界面自旋生成层4中，自旋流容易经由孔传导，且容易产生。换而言之，界面自旋生成层4也可以不构成完全的层，可成为自旋传导层3内所包含的层，例如掺杂于自旋传导层3内的层。在这种极薄的界面自旋生成层4的情况下，界面自旋生成层4由上述元素单体构成。
为了纯自旋流穿过界面自旋生成层4，不仅考虑减薄界面自旋生成层4的厚度的结构，还考虑其它结构。例如，作为界面自旋生成层4的替代结构，考虑并排细线(带)的结构、及网眼状的构造、及机械性地穿孔的结构。这种结构中，纯自旋流能够有效地穿过界面自旋生成层4。特别地，在界面自旋生成层4机械性地穿孔的情况下，能够控制穿孔的位置分布，即能够控制穿过界面自旋生成层4的自旋流的流通，因而优选。
图1a、1b中，通过交替地叠层三层自旋传导层3和三层界面自旋生成层4，形成六层结构(从附图下依次为自旋传导层3、界面自旋生成层4、自旋传导层3、界面自旋生成层4、自旋传导层3、界面自旋生成层4)，第一方向(z方向)上位于最上层的界面自旋生成层4与第一铁磁性金属层1接合。这种六层结构或六层以上的层数结构中，存在两层以上的界面自旋生成层4，有效地增加界面数，增大自旋蓄积，即增大自旋流，因此，能够以较少的电流实现磁化旋转(磁化反转)。
但是，本发明不限于上述那样的六层结构，只要位于最上层的界面自旋生成层4(第一方向(z方向)上位于最上层的界面自旋生成层4)与第一铁磁性金属层1接合，交替叠层的自旋传导层3的层数和界面自旋生成层4的层数就可变更。例如，图3a、3b所示的本发明的另一实施方式中，通过交替叠层两个界面自旋生成层4和一个自旋传导层3，从而形成三层结构(从附图下依次为界面自旋生成层4、自旋传导层3、界面自旋生成层4)。另外，图4a、4b所示的本发明的又一实施方式中，通过交替叠层两个自旋传导层3和两个界面自旋生成层4，从而形成四层结构(从附图下依次为自旋传导层3、界面自旋生成层4、自旋传导层3、界面自旋生成层4)。这样的结构中，通过存在两层以上的界面自旋生成层4，从而也能够增大自旋流。
另外，自旋传导层3和界面自旋生成层4的叠层结构中，多个自旋传导层3也可以不具有全部相同的厚度，同样，多个界面自旋生成层4也可以不具有全部相同的厚度。换而言之，多个自旋传导层3也可以具有不同的厚度，多个界面自旋生成层4也可以具有不同的厚度。例如，在存在多个界面自旋生成层4的情况下，可成为优选使处于最接近第一铁磁性金属层1的位置的界面自旋生成层4(即，第一方向(z方向)上位于最上层的界面自旋生成层4)的厚度比其它界面自旋生成层4的厚度更薄的结构。在此，在多个界面自旋生成层4的厚度全部为原子半径的2倍以下的情况下，一个界面自旋生成层4的厚度比其它界面自旋生成层4的厚度更薄是指，该一个界面自旋生成层4具有更多的缺陷(孔)。由此，促进在位于下层的其它界面自旋生成层4与自旋传导层3的界面产生的纯自旋流穿过位于最上部的界面自旋生成层4，并到达第一铁磁性金属层1。
另外，多个自旋传导层3也可以不利用全部相同的材料构成，同样，多个界面自旋生成层4也可以不利用全部相同的材料构成。换而言之，多个自旋传导层3也可以利用不同的材料构成，多个界面自旋生成层4也可以利用不同的材料构成。例如，可以利用不同的材料构成夹持一个界面自旋生成层4的两个自旋传导层3。在该情况下，以使接近第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3(沿着第一方向(z方向)位于上方的自旋传导层)的自旋电阻率(自旋流的流通难度)比远离第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3(沿着第一方向(z方向)位于下方的自旋传导层)的自旋电阻率更小的方式选择材料。例如，cu具有比ag高的自旋电阻率，因此，用ag构成接近第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3，且用cu构成远离第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3。由此，位于下方的自旋传导层3与界面自旋生成层4的界面处产生的纯自旋流被自旋电阻率较高的材料反射，并朝向上方的第一铁磁性金属层1。
另外，多个自旋传导层3也可以具有不同的面积或截面面积，同样，多个界面自旋生成层4也可以具有不同的面积或截面面积。特别是与第一铁磁性金属层1接触的(或最接近的)界面自旋生成层4从第一方向(z方向)观察的截面面积也可以比不与第一铁磁性金属层1接触的(或不是最接近的)其它界面自旋生成层4的从第一方向(z方向)观察的截面面积更小。特别地，与第一铁磁性金属层1接触的界面自旋生成层4也可以仅存在于第一铁磁性金属层1的下部(z方向下方)。就在第一铁磁性金属层1的下部以外产生的纯自旋流而言，当在界面自旋生成层4的上部没有第一铁磁性金属层1时，由于界面自旋生成层4的自旋扩散长较短因而自旋被散射并消除自旋信息，作为能量浪费。因此，通过与第一铁磁性金属层1接触的界面自旋生成层4仅存在于第一铁磁性金属层1的下部，从而第一铁磁性金属层1的下部以外的自旋传导层3与层间绝缘膜接触，因此，纯自旋流被反射且注入第一铁磁性金属层1。因此，能够提高能量效率。
优选以作为这些层的叠层体的自旋轨道转矩配线2的厚度成为20nm以下的方式设定各自旋传导层3的厚度及各界面自旋生成层4的厚度。自旋轨道转矩配线2的厚度超过20nm且过厚时，自旋轨道转矩配线2与叠层于其上的第一铁磁性金属层1之间的界面粗糙变大，因此，磁阻效应可能不稳定。自旋轨道转矩配线2的厚度的下限值优选为1nm，自旋轨道转矩配线2的厚度更优选为2nm以上且10nm以下，但不限定于此。
自旋流磁化旋转元件10能够还具备接合于自旋轨道转矩配线2的与第一铁磁性金属层1接合的面的相反侧的面的绝缘层。该结构中，在应用于磁阻效应元件或其它用途的情况下，能够防止流通于自旋轨道转矩配线2的电流从与第一铁磁性金属层1接合的面的相反侧的面泄漏，并进一步提高电流集中效果。
上述的实施方式中，说明了将自旋轨道转矩配线与第一铁磁性金属层直接连接的情况，但也可以如后所述，在第一铁磁性金属层与自旋轨道转矩配线之间夹设覆盖层那样的其它层。即，也可以设为如下结构，第一铁磁性金属层位于自旋轨道转矩配线的一面上，在自旋轨道转矩配线中，界面自旋生成层中的一层最接近于第一铁磁性金属层。覆盖层的进一步的详情将与下述的磁阻效应元件的应用中的覆盖层104相关联地进行说明。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件如后所述能够应用于磁阻效应元件。作为用途，不限于磁阻效应元件，也能够应用于其它用途。作为其它用途，例如也能够在各像素配设上述的自旋流磁化旋转元件，并在利用磁光效应空间性地调制入射光的空间光调制器中使用，磁传感器中，为了避免磁铁的矫顽力引起的磁滞的效果，也可以将施加于磁铁的易磁化轴磁场置换成sot。
(磁阻效应元件)
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件具备：本发明的上述实施方式的自旋流磁化旋转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层、被第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
图5是本发明的自旋流磁化旋转元件的应用例，另外，是示意性地表示本发明的一个实施方式所涉及的磁阻效应元件的立体图。此外，图5中，本发明的自旋流磁化旋转元件的特征部分省略图示。
图5所示的磁阻效应元件100具有：本发明的上述实施方式的自旋流磁化旋转元件(第一铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线120)、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层103、被第一铁磁性金属层101及第二铁磁性金属层103夹持的非磁性层102。第一铁磁性金属层101具有与上述第一铁磁性金属层1相同的结构，自旋轨道转矩配线120具有与上述自旋轨道转矩配线2相同的结构。另外，图5所示的磁阻效应元件100也能够具有磁阻效应元件部105(第一铁磁性金属层101、非磁性层102、及第二铁磁性金属层103)和自旋轨道转矩配线120。
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件也能够设为通过具备自旋轨道转矩配线120，仅通过纯自旋流的sot进行磁阻效应元件的磁化反转的结构(以下，有时称为“仅sot”)，也能够设为在利用现有的stt的磁阻效应元件中并用纯自旋流的sot的结构。
以下，包含图5，作为自旋轨道转矩配线120沿相对于磁阻效应元件部105的叠层方向交叉的方向延伸的结构的例子，说明沿正交的方向延伸的结构的情况。
图5中，还表示有用于沿着磁阻效应元件100的叠层方向流通电流的配线130、形成该配线130的基板110。另外，磁阻效应元件100在第一铁磁性金属层101与自旋轨道转矩配线120之间具备覆盖层104。
＜磁阻效应元件部＞
磁阻效应元件部105具有：磁化方向被固定的第二铁磁性金属层103、磁化方向变化的第一铁磁性金属层101、被第二铁磁性金属层103及第一铁磁性金属层101夹持的非磁性层102。
第二铁磁性金属层103的磁化固定为一个方向，第一铁磁性金属层101的磁化的方向相对性地变化，从而磁阻效应元件部105作为磁阻效应元件发挥作用。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型；pseudospinvalve型)的mram的情况下，第二铁磁性金属层的矫顽力比第一铁磁性金属层的矫顽力大，另外，在应用于交换偏置型(自旋阀；spinvalve型)的mram的情况下，第二铁磁性金属层中，通过与反铁磁性层的交换耦合，磁化方向被固定。
另外，在非磁性层22由绝缘体构成的情况下，磁阻效应元件部105是隧道磁阻(tmr：tunnelingmagnetoresistance)元件，在非磁性层22由金属构成的情况下，磁阻效应元件部105是巨磁阻(gmr：giantmagnetoresistance)元件。
作为本实施方式的磁阻效应元件部105，能够使用公知的磁阻效应元件部的结构。例如，各层也可以由多个层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性金属层的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。
第二铁磁性金属层103称为固定层、钉扎层、参照层等，第一铁磁性金属层101称为自由层、随意层、存储层等。
第二铁磁性金属层103及第一铁磁性金属层101也可以是磁化方向为与层平行的面内方向的面内磁化膜，也可以是磁化方向为相对于层垂直的方向的垂直磁化膜的任一个。
第二铁磁性金属层103的材料中能够使用公知的材料。例如能够使用选自cr、mn、co、fe及ni中的金属及含有这些金属的1种以上且显示铁磁性的合金。另外，也可以使用含有这些金属和b、c及n的至少1种以上的元素的合金。具体而言，可举出co-fe及co-fe-b。
另外，为了得到更高的输出，优选使用co2fesi等的霍伊斯勒合金。霍伊斯勒合金包含具有x2yz的化学组成的金属间化合物，x是周期表上co、fe、ni或cu族的过渡金属元素或贵金属元素，y也能够采用mn、v、cr或ti族的过渡金属即x的元素种类，z是iii族～v族的典型元素。例如，可举出co2fesi、co2mnsi或co2mn1-afeaalbsi1-b等。
另外，为了进一步增大第二铁磁性金属层103的相对于第一铁磁性金属层101的矫顽力，作为与非磁性层102接触的面的相反侧的面中与第二铁磁性金属层103接触的层(钉扎层)，也可以设置irmn、ptmn等的反铁磁性材料的层。具体而言，也可以在第二铁磁性金属层103与配线130之间设置这种层。另外，为了使第二铁磁性金属层103的漏磁场不影响第一铁磁性金属层101，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
另外，在将第二铁磁性金属层103的磁化方向设为相对于叠层面垂直的情况下，优选使用co和pt的叠层膜。具体而言，第二铁磁性金属层103能够设为[co(0.24nm)/pt(0.16nm)]6/ru(0.9nm)/[pt(0.16nm)/co(0.16nm)]4/ta(0.2nm)/feb(1.0nm)。
作为第一铁磁性金属层101的材料，可以应用铁磁性材料、特别是软磁性材料。例如能够使用选自cr、mn、co、fe及ni的金属；含有一种以上这些金属的合金；含有这些金属和b、c、及n的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，可举出co-fe、co-fe-b、ni-fe。
在将第一铁磁性金属层101的磁化的方向设为相对于叠层面垂直的情况下，优选将第一铁磁性金属层的厚度设为2.5nm以下。由此，能够在第一铁磁性金属层101与非磁性层102的界面，对第一铁磁性金属层101施加垂直磁各向异性。另外，由于垂直磁各向异性会通过增厚第一铁磁性金属层101的膜厚而效果衰减，因此，第一铁磁性金属层101的膜厚越薄越优选。此外，第一铁磁性金属层的厚度优选设为0.5nm以上，更优选设为0.5nm以上且2.0nm以下，但不限定于此。
非磁性层102能够使用公知的材料。例如，在非磁性层102由绝缘体构成的情况下(即，为隧道势垒层的情况下)，作为其材料，能够使用al2o3、sio2、mg、及mgal2o4等。另外，除此这些材料之外，也能够使用al、si、mg的一部分置换成zn、be等的材料等。这些材料中，mgo及mgal2o4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效率地注入自旋。另外，在非磁性层102由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用cu、au、ag等。
另外，优选在第一铁磁性金属层101的与非磁性层102相反侧的面，形成有如图5所示的覆盖层104。覆盖层104能够抑制来自第一铁磁性金属层101的元素的扩散。另外，覆盖层104还有助于磁阻效应元件部105的各层的结晶取向性。其结果，通过设置覆盖层104，能够使磁阻效应元件部105的第二铁磁性金属层103及第一铁磁性金属层101的磁性稳定化，并使磁阻效应元件部105低电阻化。
优选覆盖层104使用导电性较高的材料。例如能够使用ru、ta、cu、ag、au等。优选覆盖层104的结晶结构与相邻的铁磁性金属层的结晶结构一致，且从面心立方(fcc)结构，六方最密堆积(hcp)结构或体心立方(bcc)结构适当设定。
另外，优选覆盖层104使用选自ag、cu、mg、及al中的任意种。详情进行后述，但在经由覆盖层104连接自旋轨道转矩配线120和磁阻效应元件部105的情况下，优选覆盖层104不会消散从自旋轨道转矩配线120传播的自旋。已知银、铜、镁、及铝等的自旋扩散长为100nm以上，自旋难以消散。
覆盖层104的厚度优选为构成覆盖层104的材料的自旋扩散长以下。如果覆盖层104的厚度为自旋扩散长以下，则能够将从自旋轨道转矩配线120传播的自旋充分传导至磁阻效应元件部105。此外，如果能够将自旋轨道转矩配线的自旋注入第一铁磁性金属层，则也可以将覆盖层104以外的层夹设于第一铁磁性金属层与自旋轨道转矩配线之间。作为这种层，可举出厚度为0.5～2.0nm程度的ag、cu、mg、及al。
＜基板＞
基板110优选平坦性优异。为了得到平坦性优异的表面，作为材料，例如能够使用si、altic等。
也可以在基板110的磁阻效应元件部105侧的面形成基底层(省略图示)。当设置基底层时，能够控制包含叠层于基板110上的第二铁磁性金属层103的各层的结晶取向性、结晶粒径等的结晶性。
基底层优选具有绝缘性。这是为了不消散流通于配线130等的电流。基底层能够使用各种层。例如作为一例，基底层能够使用具有(001)取向的nacl结构，且含有选自ti、zr、nb、v、hf、ta、mo、w、b、al、ce中的至少一种元素的氮化物的层。
作为其它例子，基底层能够使用以xyo3的组成式表示的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物的层。在此，位x包含选自sr、ce、dy、la、k、ca、na、pb、ba中的至少一种元素，位y包含选自ti、v、cr、mn、fe、co、ni、ga、nb、mo、ru、ir、ta、ce、pb中的至少一种元素。
作为其它例子，基底层能够使用具有(001)取向的nacl结构，且包含选自mg、al、ce中的至少一种元素的氧化物的层。
作为其它例子，基底层能够使用具有(001)取向的正方晶结构或立方晶结构，且包含选自al、cr、fe、co、rh、pd、ag、ir、pt、au、mo、w中的至少一种元素的层。
另外，基底层不限于一层，也可以将上述例子的层叠层多层。通过设计基底层的结构，能够提高磁阻效应元件部105的各层的结晶性，并改善磁特性。
＜配线＞
配线130电连接于磁阻效应元件部105的第二铁磁性金属层103，图5中，通过用配线130、自旋轨道转矩配线120、电源(省略图示)构成闭电路，向磁阻效应元件部105的叠层方向流通电流。
配线130只要是导电性较高的材料就没有特别限制。例如能够使用铝、银、铜、金等。
上述的本实施方式中，举出了在磁阻效应元件100中，叠层靠后且配置于远离基板110侧的第一铁磁性金属层101设为磁化自由层，在叠层靠前且配置于接近基板110侧的第二铁磁性金属层103设为磁化固定层(钉扎层)的所谓的底销结构的例子，但磁阻效应元件100的结构没有特别限定，也可以为所谓的顶销结构。
＜电源＞
磁阻效应元件100还具备：沿磁阻效应元件部105的叠层方向流通电流的第一电源140、和向自旋轨道转矩配线120流通电流的第二电源150。
第一电源140与配线130和自旋轨道转矩配线120连接。第一电源140能够控制沿磁阻效应元件100的叠层方向流通的电流。
第二电源150与自旋轨道转矩配线120的两端连接。第二电源150能够控制沿相对于磁阻效应元件部105的叠层方向正交的方向流通的电流，即流通于自旋轨道转矩配线120的电流。
如上所述，沿磁阻效应元件部105的叠层方向流通的电流感应stt。与之相对，流通于自旋轨道转矩配线120的电流感应sot。stt及sot均有助于第一铁磁性金属层101的磁化反转。
这样，通过利用两个电源控制磁阻效应元件部105的叠层方向和在与该叠层方向正交的方向上流通的电流量，能够自由地控制sot和stt相对于磁化反转进行贡献的贡献率。
例如，在不能向器件流通大电流的情况下，能够以相对于磁化反转的能量效率较高的stt成为主要的方式进行控制。即，能够增加从第一电源140流通的电流量，且减少从第二电源150流通的电流量。
另外，例如在需要制作较薄的器件，且不得不减薄非磁性层102的厚度的情况下，要求减少向非磁性层102流通的电流。在该情况下，能够减少从第一电源140流通的电流量，增大从第二电源150流通的电流量，且提高sot的贡献率。
第一电源140及第二电源150能够使用公知的电源。
如上所述，根据本发明的并用stt方式及sot方式的结构时的磁阻效应元件，能够通过从第一电源及第二电源供给的电流量自由地控制stt及sot的贡献率。因此，能够根据器件所要求的性能，自由地控制stt和sot的贡献率，能够作为通用性更高的磁阻效应元件发挥作用。
(制造方法)
本发明的实施方式的自旋流磁化反转元件及具备其的磁阻效应元件的制造方法没有特别限定，能够使用公知的成膜法。就成膜法而言，例如作为物理的气相生长(pvd)法，能够使用电阻加热蒸镀、电子束蒸镀、分子束外延法(mbe)法、离子镀法、离子束沉积法、溅射法等。或者，作为化学气相沉积(cvd)法，也能够使用热cvd法、光cvd法、等离子体cvd法、有机金属气相生长(mocvd)法、原子层堆积(ald)法等。另外，为了形成原子半径的2倍以下的厚度的极薄的界面自旋生成层，也能够使用单原子层掺杂法(德尔塔掺杂法，delta-doping)。以下，通过说明应用了自旋轨道转矩型磁化反转元件的磁阻效应元件的制造方法的一例，从而也兼带自旋轨道转矩型磁化反转元件的制造方法的说明。
首先，在成为支撑体的基板上制作自旋轨道转矩配线。例如使用mbe法，成膜自旋传导层。在其上，例如使用调整成低成膜速率的溅射法形成界面自旋生成层。然后，进一步重复进行成膜自旋传导层的工序，由此，得到自旋传导层和界面自旋生成层交替叠层的叠层体。接下来，使用光刻法等的技术，将自旋轨道转矩配线加工成预定的形状。
而且，自旋轨道转矩配线以外的部分由氧化膜等的绝缘膜覆盖。自旋轨道转矩配线及绝缘膜的露出面优选通过化学机械研磨(cmp)进行研磨。
接下来，制作磁阻效应元件。例如使用溅射法制作磁阻效应元件。在磁阻效应元件为tmr元件的情况下，例如，隧道势垒层通过如下方法形成，即，在第一铁磁性金属层上首先溅射0.4～2.0nm程度的镁、铝、及多个非磁性元素的成为二价阳离子的金属薄膜，通过等离子体氧化或氧导入进行自然氧化，之后进行热处理。
所得到的叠层膜优选进行退火处理。通过反应性溅射形成的层为非晶，需要进行结晶化。例如，在作为铁磁性金属层使用co-fe-b的情况下，b的一部分通过退火处理而脱落并结晶化。
进行退火处理而制造的磁阻效应元件的磁阻比比与不进行退火处理而制造的磁阻效应元件的磁阻相比提高。这认为是由于，通过退火处理，非磁性层的隧道势垒层的结晶尺寸的均匀性及取向性提高。
作为退火处理，优选在ar等的惰性气氛中，以300℃以上且500℃以下的温度加热5分钟以上且100分钟以下的时间之后，在施加了2koe以上且10koe以下的磁场的状态下，以100℃以上且500℃以下的温度加热1小时以上且10小时以下的时间。
作为将磁阻效应元件形成预定的形状的方法，能够利用光刻法等的加工机构。首先，叠层磁阻效应元件之后，在磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线的相反侧的面上涂布抗蚀剂。然后，固化规定的部分的抗蚀剂，并除去不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂进行了固化的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂进行了固化的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
而且，对形成有保护膜的面实施离子研磨、反应性离子刻蚀(rie)等的处理。未形成保护膜的部分被除去，得到规定的形状的磁阻效应元件。
本发明未必限定于上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件的结构及制造方法，可在不脱离本发明宗旨的范围内施加各种变更。
(磁存储器)
本发明的一个实施方式的磁存储器(mram)具备多个本发明的上述实施方式所涉及的磁阻效应元件。
(磁化反转方法)
在本发明的上述实施方式所涉及的磁阻效应元件中进行磁化反转的情况下，优选将流通于自旋轨道转矩配线的电流密度设为低于1×107a/cm2。当流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度过大时，由于流通于自旋轨道转矩配线的电流产生热。当对第二铁磁性金属层施加热时，第二铁磁性金属层的磁化的稳定性消失，有时会产生假定外的磁化反转等。当产生这种假定外的磁化反转时，产生记录的信息被更新的问题。即，为了避免假定外的磁化反转，优选流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度不会过大。如果流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度低于1×107a/cm2，则至少能够避免由于产生的热而产生磁化反转。
就磁化反转方法而言，在本发明的实施方式所涉及的磁阻效应元件中，在并用stt方式及sot方式的结构的情况下，也可以在对自旋轨道转矩配线的电源施加电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流。
sot磁化反转工序和stt磁化反转工序可以同时进行，也可以在预先进行sot磁化反转工序后，再进行stt磁化反转工序。也可以从第一电源140和第二电源150同时供给电流，也可以在从第二电流150供给电流后，再从第一电源140供给电流，但为了更可靠地得到利用了sot的磁化反转的辅助效果，优选在对自旋轨道转矩配线的电源施加电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在从第二电流150供给电流后，再从第一电源140供给电流。
产业上的可利用性
根据本发明的自旋流磁化旋转元件，能够降低磁化旋转所需要的电流密度，进而也能够降低耗电量。