磁阻效应元件、磁存储器、磁化反转方法及自旋流磁化反转元件 |
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| 申请号 | CN201680068515.2 | 申请日 | 2016-11-25 | 公开(公告)号 | CN108292702A | 公开(公告)日 | 2018-07-17 |
| 申请人 | TDK株式会社; | 发明人 | 佐佐木智生; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 磁阻效应 元件，在该磁阻效应元件中，具备：磁阻效应元件，其具有固定了磁化方向的第一 铁 磁性 金属层、和磁化方向可变的第二 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层；自旋轨道转矩配线，其沿相对于该磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向延伸，并与上述第二铁磁性金属层接合，在上述磁阻效应元件和上述自旋轨道转矩配线接合的部分，流通于上述磁阻效应元件的 电流 和流通于上述自旋轨道转矩配线的电流合流或被分配。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁阻效应元件，其具备： |
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| 说明书全文 | 磁阻效应元件、磁存储器、磁化反转方法及自旋流磁化反转元件 技术领域[0002] 本申请要求基于2015年11月27日在日本申请的特愿2015-232334号、2016年3月16日在日本申请的特愿2016-53072号、2016年3月18日在日本申请的特愿2016-56058号、2016年10月27日在日本申请的特愿2016-210531号、2016年10月27日在日本申请的特愿2016-210533号的优先权，并在此引用其内容。 背景技术[0003] 已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件及使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)作为非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。通常，TMR元件虽然元件电阻比GMR元件高，但TMR元件的磁阻(MR)比大于GMR元件的MR比。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元件备受注目。 [0005] 在利用磁场的方式中，当元件尺寸小时，就会在能够流经细配线的电流中存在不能进行写入之类的问题。 [0006] 与此相对，在利用自旋转移力矩(STT)的方式中，一个铁磁性层(固定层、参照层)使电流自旋极化，该电流的自旋移至另一个铁磁性层(自由层、记录层)的磁化，通过其时产生的力矩(STT)进行写入(磁化反转)，具有元件尺寸越小，写入所需要的电流越小的优点。 [0007] 现有技术文献 [0009] 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，and P.Gambardella,Nature,476,189(2011). 发明内容[0010] 发明所要解决的技术问题 [0011] 从能效的视点考虑，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高。 [0012] 从TMR元件的长寿命的观点来出发，该反转电流密度优选越低越好。这一点对于GMR元件也同样。 [0013] 因此，在TMR元件及GMR元件中的任一个磁阻效应元件中，都希望降低该磁阻效应元件中流通的电流密度。 [0014] 近年来，也提倡利用通过自旋轨道相互作用而生成的纯自旋流的磁化反转在应用上成为可能(例如，非专利文献1)。通过自旋轨道相互作用而产生的纯自旋流能够诱发自旋轨道转矩(SOT)，通过SOT的大小，来引起磁化反转。纯自旋流是通过向上自旋电子和向下自旋电子以同数相互反向地流动而产生的，因为电荷的流动相互抵消，所以作为在磁阻效应元件内流通的电流为零。如果仅仅通过该纯自旋流就能够进行磁化反转，就会因电流为零而能够实现磁阻效应元件的长寿命化。或者，认为如果在磁化反转上也能够利用STT，且能够利用基于纯自旋流的SOT，则能够降低用于STT的电流至利用基于纯自旋流的SOT的分量，并能够实现磁阻效应元件的长寿命化。也认为在利用STT及SOT双方的情况下，利用SOT的比例越高，越能够实现磁阻效应元件的长寿命化。 [0015] 本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器，其利用由纯自旋流产生的磁化反转。另外，其目的在于，提供一种磁化反转方法，其利用纯自旋流，进行磁阻效应元件的磁化反转。 [0016] 本发明为解决上述技术问题而提供以下技术方案。 [0017] (1)本发明的一个实施方式的磁阻效应元件具备：磁阻效应元件，其具有固定了磁化方向的第一铁磁性金属层、和磁化方向可变的第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；自旋轨道转矩配线，其沿相对于该磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向延伸，与上述第二铁磁性金属层接合，在上述磁阻效应元件和上述自旋轨道转矩配线接合的部分，流通于上述磁阻效应元件的电流和流通于上述自旋轨道转矩配线的电流合流或被分配。 [0018] (2)在上述(1)所述的磁阻效应元件中，上述自旋轨道转矩配线也可以在最外层含有具有d电子或f电子的原子序号为39以上的非磁性金属。 [0019] (3)在上述(1)或(2)所述的磁阻效应元件中，上述自旋轨道转矩配线也可以由纯自旋流生成部和低电阻部构成，其中，纯自旋流生成部由生成纯自旋流的材料构成，低电阻部由电阻比该纯自旋流生成部小的材料构成，该纯自旋流生成部的至少一部分与上述第二铁磁性金属层相接。 [0020] (4)在上述(1)～(3)中任一项所述的磁阻效应元件中，上述自旋轨道转矩配线也可以含有磁性金属。 [0021] (5)在上述(1)～(4)中任一项所述的磁阻效应元件中，也可以在上述自旋轨道转矩配线和上述第二铁磁性金属层之间具有覆盖层，将上述自旋轨道转矩配线和上述第二铁磁性金属层经由上述覆盖层接合。 [0022] (6)在上述(1)～(5)中任一项所述的磁阻效应元件中，上述自旋轨道转矩配线也可以具有与上述第二铁磁性金属层的侧壁接合的侧壁接合部。 [0024] (8)本发明的一个实施方式的磁化反转方法中，在(1)～(6)中任一项所述的磁阻效应元件中，流通于上述自旋轨道转矩配线的电流密度低于1×107A/cm2。 [0025] (9)本发明的一个实施方式的磁化反转方法在上述(1)～(6)中任一项所述的磁阻效应元件中，在对上述自旋轨道转矩配线的电源施加了电流后，对上述磁阻效应元件的电源施加电流。 [0026] (10)本发明的一个实施方式的自旋流磁化反转元件具备：磁化方向可变的第二铁磁性金属层、沿相对于上述第二铁磁性金属层的法线方向交叉的方向延伸且与上述第二铁磁性金属层接合的自旋轨道转矩配线， [0027] 上述自旋轨道转矩配线由纯自旋流生成部和低电阻部构成，其中，纯自旋流生成部由生成纯自旋流的材料构成，低电阻部由电阻比该纯自旋流生成部小的材料构成，该纯自旋流生成部的至少一部分与上述第二铁磁性金属层相接。 [0028] 发明效果 [0030] 图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的立体图； [0031] 图2是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图； [0032] 图3是用于对自旋轨道转矩配线的一个实施方式进行说明的示意图，(a)是截面图，(b)是俯视图； [0033] 图4是用于对自旋轨道转矩配线的其它实施方式进行说明的示意图，(a)是截面图，(b)是俯视图； [0034] 图5是用于对自旋轨道转矩配线的其它实施方式进行说明的示意图，(a)是截面图，(b)是俯视图； [0035] 图6是用于对自旋轨道转矩配线的其它实施方式进行说明的示意图，(a)是截面图，(b)是俯视图； [0036] 图7是用yz平面切断本发明的一个实施方式的磁阻效应元件所得的截面示意图； [0037] 图8是用yz平面切断本发明的另一实施方式的磁阻效应元件所得的截面示意图； [0038] 图9是用yz平面切断本发明的另一实施方式的磁阻效应元件的截面示意图； [0039] 图10是示意性地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的立体图； [0040] 图11是示意性地表示本发明的一个实施方式的自旋流磁化反转元件的立体图； [0041] 图12是示意性地表示本发明的另一个实施方式的自旋流磁化反转元件的立体图。 [0042] 符号说明 [0043] 1……第二铁磁性金属层 [0044] 2……自旋轨道转矩配线 [0045] 10……基板 [0046] 20……磁阻效应元件 [0047] 21……第一铁磁性金属层 [0048] 22……非磁性层 [0049] 23……第二铁磁性金属层 [0050] 23’……接合部(第二铁磁性金属层侧) [0051] 24……覆盖层 [0052] 24’……接合部(覆盖层侧) [0053] 30……配线 [0054] 40、50、51、52……自旋轨道转矩配线 [0055] 40’……接合部(自旋轨道转矩配线侧) [0056] 41、41A、41B……自旋流生成部 [0057] 42A、42B、42C……低电阻部 [0058] 100、200、300……磁阻效应元件 [0059] 101……自旋流磁化反转元件 [0060] I……电流 [0061] S1……向上自旋 [0062] S2……向下自旋 [0063] M21、M23……磁化 [0064] I1……第一电流路径 [0065] I2……第二电流路径 [0066] 110……第一电源 [0067] 120……第二电源 具体实施方式[0068] 下面，适当参照附图对本发明进行详细说明。为了便于理解本发明的特征，下面的说明所使用的附图有时为方便起见而放大表示成为特征的部分，各构成元件的尺寸比率等往往与实际不同。下面的说明中所例示的材料、尺寸等只是一个例子，本发明不局限于此，可在实现本发明的效果的范围内适当进行变更来实施。 [0069] (磁阻效应元件) [0070] 图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的立体图。 [0071] 本发明的一个实施方式的磁阻效应元件100具有：磁阻效应元件20、沿相对于该磁阻效应元件20的层叠方向交叉的方向延伸且与磁阻效应元件20接合的自旋轨道转矩配线40。 [0072] 在包含图1的下述内容中，作为自旋轨道转矩配线沿相对于磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向延伸的结构的例子，对沿正交的方向延伸的结构的情况进行说明。 [0073] 在图1中，也图示有：用于使电流沿磁阻效应元件20的层叠方向流通的配线30、形成该配线30的基板10和覆盖层。 [0074] 下面，以磁阻效应元件20的层叠方向为z方向，以与z方向垂直且与自旋轨道转矩配线40平行的方向为x方向，以与x方向及z方向正交的方向为y方向。 [0075] ＜磁阻效应元件＞ [0076] 磁阻效应元件20具有：固定了磁化方向的第一铁磁性金属层21、磁化方向可变的第二铁磁性金属层23、以及被第一铁磁性金属层21及第二铁磁性金属层23夹持的非磁性层22。 [0077] 通过第一铁磁性金属层21的磁化被固定在一个方向上，且第二铁磁性金属层23的磁化方向相对地变化，从而作为磁阻效应元件20发挥作用。在应用于矫顽力差异型(伪自旋阀型；Pseudo spin valve型)MRAM的情况下，第一铁磁性金属层的矫顽力比第二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；spin valve型)MRAM的情况下，在第一铁磁性金属层中，通过与反铁磁性层的交换耦合，固定磁化的方向。 [0078] 另外，磁阻效应元件20在非磁性层22由绝缘体构成的情况下，是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层22由金属构成的情况下，是巨磁阻(GMR： Giant Magnetoresistance)元件。 [0079] 作为本发明具备的磁阻效应元件，可使用公知的磁阻效应元件的结构。例如，各层可以由多个层构成，也可以具备用于固定第一铁磁性金属层的磁化方向的反铁磁性层等其它层。 [0080] 第一铁磁性金属层21被称为固定层或参照层，第二铁磁性金属层23被称为自由层或存储层等。 [0081] 第一铁磁性金属层21及第二铁磁性金属层23可以是磁化方向为平行于层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。 [0082] 作为第一铁磁性金属层21的材料，可使用公知的材料。例如可使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属及含有一种以上这些金属且显示铁磁性的合金。另外，也可使用含有这些金属和B、C、及N中至少一种以上的元素的合金。具体地说，可举出Co-Fe、Co-Fe-B。 [0083] 另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等哈斯勒合金。哈斯勒合金含有具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X为周期表上的Co、Fe、Ni、或者Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或者Ti族的过渡金属，也可取X的元素种类，Z为III族～V族的典型元素。例如可举出：Co2FeSi、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。 [0084] 另外，为了进一步增大第一铁磁性金属层21相对于第二铁磁性金属层23的矫顽力，作为与第一铁磁性金属层21相接的材料，也可以使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料。进而，为了不使第一铁磁性金属层21的漏磁场影响到第二铁磁性金属层23，也可以采用合成铁磁性耦合的结构。 [0085] 进而，在将第一铁磁性金属层21的磁化方向制成相对于层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体地说，第一铁磁性金属层21可设为[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。 [0086] 作为第二铁磁性金属层23的材料，可使用铁磁性材料，特别是软磁性材料。例如可使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属、含有一种以上这些金属的合金、含有这些金属和B、C、及N中至少一种以上的元素的合金等。具体地说，可举出Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。 [0087] 在将第二铁磁性金属层23的磁化方向制成相对于层叠面垂直的情况下，优选将第二铁磁性金属层的厚度设为2.5nm以下。可在第二铁磁性金属层23和非磁性层22的界面上对第二铁磁性金属层23施加垂直磁各向异性。另外，因为垂直磁各向异性的效果会因加厚第二铁磁性金属层23的膜厚而衰减，所以第二铁磁性金属层23的膜厚优选越薄越好。 [0088] 作为非磁性层22，可使用公知的材料。 [0089] 例如，在非磁性层22由绝缘体构成的情况(为隧道势垒层的情况)下，作为其材料，可使用Al2O3、SiO2、Mg、及MgAl2O4O等。除此以外，也可使用Al、Si、Mg的一部分替换为Zn、Be等的材料等。其中，MgO或MgAl2O4是可实现相干隧道的材料，所以能够高效地注入自旋。 [0090] 另外，在非磁性层22由金属构成的情况下，作为其材料，可使用Cu、Au、Ag等。 [0091] 另外，如图1所示，优选在第二铁磁性金属层23的与非磁性层22相反侧的表面上形成有覆盖层24。覆盖层24能够抑制来自第二铁磁性金属层23的元素的扩散。另外，覆盖层24也有助于磁阻效应元件20的各层的晶体取向性。其结果是，通过设置覆盖层24，能够使磁阻效应元件20的第一铁磁性金属层21及第二铁磁性金属层23的磁性稳定化，且能够使磁阻效应元件20低电阻化。 [0093] 另外，作为覆盖层24，优选使用选自银、铜、镁、及铝中的任一个。详细情况后面进行描述，但在经由覆盖层24将自旋轨道转矩配线40和磁阻效应元件20连接的情况下，优选覆盖层24不使从自旋轨道转矩配线40传播的自旋耗散。以及银、铜、镁、及铝等自旋扩散长度长达100nm以上，自旋难以耗散。 [0094] 覆盖层24的厚度优选为构成覆盖层24的物质的自旋扩散长度以下。如果覆盖层24的厚度为自旋扩散长度以下，则能够使从自旋轨道转矩配线40传播的自旋充分地传递到磁阻效应元件20。 [0095] ＜自旋轨道转矩配线＞ [0096] 自旋轨道转矩配线沿相对于磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向延伸。自旋轨道转矩配线与使电流沿相对于磁阻效应元件的层叠方向正交的方向流通于该自旋轨道转矩配线的电源电性连接，与该电源一同作为向磁阻效应元件注入纯自旋流的自旋注入单元而发挥功能。 [0097] 自旋轨道转矩配线40可以直接与第二铁磁性金属层23连接，也可以如图1所示，经由其它层例如覆盖层24而与第二铁磁性金属层23连接。 [0098] 自旋轨道转矩配线由当通以电流时就通过自旋霍尔效应而生成纯自旋流的材料构成。作为这种材料，只要是在自旋轨道转矩配线中生成纯自旋流的结构的材料就足够。因此，不局限于由单体的元素构成的材料，也可以为由由生成纯自旋流的材料构成的部分和由不生成纯自旋流的材料构成的部分的材料构成的材料。 [0099] 所谓自旋霍尔效应，指的是在对材料通以电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，在与电流的方向正交的方向上诱发纯自旋流的现象。 [0100] 图2是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图。基于图2，对通过自旋霍尔效应而生出纯自旋流的机理进行说明。 [0101] 如图2所示，当沿自旋轨道转矩配线40的延伸方向通以电流I时，向上自旋S+(S1)和向下自旋S-(S2)就分别向与电流正交的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)使运动(移动)方向弯曲这方面相同，但通常的霍尔效应是在磁场中运动的带电粒子受洛伦兹力而使运动方向弯曲，而与此相对，在自旋霍尔效应中，虽然不存在磁场，但仅通过电子移动(仅通过电流流动)就会使移动方向弯曲，两者在这方面大大地不同。 [0102] 在非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，由于向上自旋S+的电子数和向下自旋S-的电子数相等，因此在图中，向上的向上自旋S+的电子数和向下的向下自旋S-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被特别地称为纯自旋流。 [0103] 与此相对，在向铁磁性体中通以电流的情况下，也是向上自旋电子和向下自旋电子彼此向相反方向弯曲，在这方面相同，但在铁磁性体中，因为向上自旋电子和向下自旋电子中的某一个为较多的状态，所以作为结果，产生了电荷的净流量(产生了电压)，在这一点上不同。因此，作为自旋轨道转矩配线的材料，不包括仅由铁磁性体构成的材料。 [0104] 这里，当将向上自旋S+的电子流表示为J↑、将向下自旋S-的电子流表示为J↓、将自旋流表示为JS时，由JS＝J↑-J↓来定义。在图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方方向流动。这里，JS是极化率为100％的电子流。 [0105] 在图2中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线40的上表面接触时，纯自旋流就会扩散而流入铁磁性体中。 [0106] 在本发明中，通过设为这样对自旋轨道转矩配线通以电流而生成纯自旋流，且该纯自旋流向与自旋轨道转矩配线相接的第二铁磁性金属层扩散的结构，在现有的利用STT的磁阻效应元件中，也可用作铁磁性金属层的磁化反转的辅助机构或主力机构，也可用于仅通过基于纯自旋流的SOT而进行铁磁性金属层的磁化反转的新型磁阻效应元件中。 [0107] 作为辅助磁化反转的方法，已知有施加外部磁场的方法、施加电压的方法、加热的方法及利用物质变形的方法。但是，在施加外部磁场的方法、施加电压的方法及加热的方法的情况下，需要在外部重新设置配线、发热源等，元件构成复杂化。另外，在利用物质的变形的方法的情况下，难以在使用方式中控制一旦产生的变形，不能控制性良好地进行磁化反转。 [0108] 自旋轨道转矩配线40也可以含有非磁性的重金属。在此，重金属用作表示具有钇以上的比重的金属的意思。自旋轨道转矩配线40也可以仅由非磁性的重金属构成。 [0109] 在这种情况下，非磁性的重金属优选为在最外层具有d电子或f电子的原子序号为39以上的原子序号较大的非磁性金属。这是由于这种非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大的缘故。自旋轨道转矩配线40也可以仅由在最外层具有d电子或f电子的原子序号为39以上的原子序号较大的非磁性金属构成。 [0110] 通常，当对金属通以电流时，所有的电子就不管其自旋的方向如何，都向与电流相反的方向移动，与此相对，在最外层具有d电子或f电子的原子序号较大的非磁性金属因为自旋轨道相互作用较大，所以通过自旋霍尔效应，电子的移动方向会依赖于电子的自旋方向，易产生纯自旋流JS。 [0111] 另外，自旋轨道转矩配线40也可以含有磁性金属。磁性金属指的是铁磁性金属、或反铁磁性金属。这是因为，当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用就增强，能够提高相对于自旋轨道转矩配线40中流通的电流的自旋流生成效率。自旋轨道转矩配线40也可以仅由反铁磁性金属构成。 [0112] 因为自旋轨道相互作用是通过自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场而产生的，所以即使是非磁性材料，也会产生纯自旋流。当在自旋轨道转矩配线材料中添加微量的磁性金属时，磁性金属自身就会使流动的电子自旋散射，所以自旋流生成效率提高。但是，当磁性金属的添加量过度增大时，所产生的纯自旋流就会因所添加的磁性金属而散射，所以作为结果，自旋流减少的作用增强。因此，能添加的磁性金属的摩尔比优选充分小于自旋轨道转矩配线中的纯自旋生成部的主成分的摩尔比。总而言之，能添加的磁性金属的摩尔比优选为3％以下。 [0113] 另外，自旋轨道转矩配线40也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线40也可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是指虽然物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面产生了自旋极化后的金属状态的物质。在物质中具有自旋轨道相互作用这种像内部磁场那样的东西。因此，即使无外部磁场，也会因自旋轨道相互作用的效果而表现新的拓扑相。这就是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏，能够高效率地生成纯自旋流。 [0114] 作为拓扑绝缘体，例如优选SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。 [0115] ＜基板＞ [0116] 基板10优选平坦性优异。为了得到平坦性优异的表面，作为材料，例如可使用Si、AlTiC等。 [0117] 在基板10的磁阻效应元件20侧的表面上，也可以形成有基底层(图示略)。当设置基底层时，能够控制在基板10上层叠的包含第一铁磁性金属层21在内的各层的晶体取向性、晶体粒径等结晶性。 [0118] 基底层优选具有绝缘性。这是为了在配线30等中流通的电流不耗散。作为基底层，可使用各种材料。 [0119] 例如，作为一个例子，基底层可使用具有(001)取向后的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层。 [0120] 作为其它例子，基底层可使用由ABO3的组成式表示的(002)取向后的钙钛矿系导电性氧化物层。这里，位点A含有选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素，位点B含有选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。 [0121] 作为其它例子，基底层可使用具有(001)取向后的NaCl结构，且含有选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物层。 [0122] 作为其它例子，基底层可使用具有(001)取向后的正方晶结构或立方晶结构且含有选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中的至少一种元素的层。 [0123] 另外，基底层不限于一层，也可以层叠多层上述之例的层。通过设计基底层的结构，能够提高磁阻效应元件20的各层的结晶性，且能够改善磁特性。 [0124] ＜配线＞ [0125] 配线30与磁阻效应元件20的第一铁磁性金属层21电连接，在图1中，由配线30、自旋轨道转矩配线40、电源(图示略)构成闭合回路，电流沿磁阻效应元件20的层叠方向流动。 [0126] 配线30只要是导电性高的材料即可。例如可使用铝、银、铜、金等。 [0127] 图3～图6是用于对自旋轨道转矩配线的实施方式进行说明的示意图，(a)是截面图，(b)是俯视图。 [0128] 在本发明的磁阻效应元件中，即使是仅通过基于纯自旋流的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”结构)，在利用现有STT的磁阻效应元件中，即使是同时使用基于纯自旋流的SOT的结构(以下，有时称为“并用STT及SOT”结构)，在自旋轨道转矩配线中流通的电流(以下，有时称为“SOT反转电流”)也是伴随电荷的流动的通常的电流，所以一旦通以电流就产生焦耳热。 [0129] 图3～图6所示的自旋轨道转矩配线的实施方式是通过上述材料以外的结构来降低由SOT反转电流产生的焦耳热的结构的例子。 [0130] 在“并用STT及SOT”结构中，作为为进行本发明的磁阻效应元件的磁化反转而流通的电流，除为利用STT效应而直接在磁阻效应元件中流通的电流(以下，有时称为“STT反转电流”)以外，还有为利用SOT效应而在自旋轨道转矩配线中流通的电流(“SOT反转电流”)。任一种电流都是伴随电荷的流动的通常的电流，所以一旦通以电流就产生焦耳热。 [0131] 在该结构中，因为同时使用基于STT效应的磁化反转和基于SOT效应的磁化反转，所以与仅通过STT效应而进行磁化反转的结构相比，STT反转电流被降低，但会消耗SOT反转电流程度的能量。 [0132] 作为可生成纯自旋流的材料的重金属的电阻比用作通常的配线的金属大。 [0133] 因此，在降低基于SOT反转电流的焦耳热的观点上，自旋轨道转矩配线比起都仅由可生成纯自旋流的材料构成来，更优选具有电阻小的部分。即，在该观点上，自旋轨道转矩配线优选由下述部分构成：由生成纯自旋流的材料构成的部分(自旋流生成部)、和由电阻小于该自旋流生成部的材料构成的部分(低电阻部)。 [0134] 自旋流生成部只要由可生成纯自旋流的材料构成即可，例如，也可以是由多种材料部分构成的结构等。 [0135] 低电阻部可使用通常的用作配线的材料。例如可使用铝、银、铜、金等。低电阻部只要由电阻小于自旋流生成部的材料构成即可，例如，也可以采用由多种材料部分构成的结构等。 [0136] 此外，在低电阻部也可以生成纯自旋流。在这种情况下，自旋流生成部和低电阻部的区別是：由本说明书中作为自旋流生成部及低电阻部的材料而记载的材料构成的部分可区别为自旋流生成部或低电阻部。另外，生成纯自旋流的主要部分以外的部分，即，电阻比其主要部分还小的部分可作为低电阻部而与自旋流生成部区別开来。 [0137] 自旋流生成部也可以含有非磁性的重金属。在这种情况下，只要限量地含有可生成纯自旋流的重金属即可。进而，在这种情况下，自旋流生成部是可生成纯自旋流的重金属比自旋流生成部的主成分充分小的浓度区域，或者，可生成纯自旋流的重金属优选为主成分例如为90％以上。这种情况下的重金属优选为可生成纯自旋流的重金属100％是在最外层具有d电子或f电子的原子序号为39以上的非磁性金属。 [0138] 这里，可生成纯自旋流的重金属比自旋流生成部的主成分充分小的浓度区域例如指的是：例如在以铜为主成分的自旋流生成部，以摩尔比计重金属的浓度为10％以下。在构成自旋流生成部的主成分由上述的重金属以外的物质构成的情况下，自旋流生成部所含的重金属的浓度以摩尔比计优选为50％以下，进一步优选为10％以下。这些浓度区域是能有效地得到电子的自旋散射效果的区域。在重金属的浓度较低的情况下，原子序号比重金属还小的轻金属成为主成分。此外，在这种情况下，假设重金属不与轻金属形成合金，而是在轻金属中无序地分散有重金属的原子。在轻金属中，因为自旋轨道相互作用较弱，所以难以通过自旋霍尔效应而生成纯自旋流。但是，在电子穿过轻金属中的重金属时，即使是轻金属和重金属的界面，也有自旋散射的效果，所以即使在重金属的浓度较低的区域，也能够高效地产生纯自旋流。当重金属的浓度超过50％时，虽然重金属中的自旋霍尔效应的比例增大，但轻金属和重金属的界面效应会下降，所以综合效果减小。因此，优选为能够期待充分的界面效应的程度的重金属的浓度。 [0139] 另外，在上述的自旋轨道转矩配线含有磁性金属的情况下，自旋轨道转矩配线中的自旋流生成部可由反铁磁性金属构成。反铁磁性金属能够得到与重金属为100％在最外层具有d电子或f电子的原子序号为39以上的非磁性金属的情况同等的效果。反铁磁性金属例如优选为IrMn、PtMn，更优选为对热稳定的IrMn。 [0140] 另外，在上述的自旋轨道转矩配线含有拓扑绝缘体的情况下，自旋轨道转矩配线的自旋流生成部可由拓扑绝缘体构成。作为拓扑绝缘体，例如优选为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效地生成自旋流。 [0141] 为了使由自旋轨道转矩配线生成的纯自旋流有效地扩散到磁阻效应元件中，需要使自旋流生成部的至少一部分与第二铁磁性金属层接触。在具备覆盖层的情况下，需要使自旋流生成部的至少一部分与覆盖层接触。图3～图6所示的自旋轨道转矩配线的实施方式都是自旋流生成部的至少一部分与第二铁磁性金属层接触的结构。 [0142] 在图3所示的实施方式中，自旋轨道转矩配线40采用的是与第二铁磁性金属层的接合部40’都由自旋流生成部41构成，且自旋流生成部41夹在低电阻部42A、42B之间的结构。 [0143] 这里，在自旋流生成部和低电阻部电并联地配置的情况下，在自旋轨道转矩配线中流通的电流按与自旋流生成部及低电阻部的电阻的大小的反比的比例流经各部分。 [0144] 从相对于SOT反转电流的纯自旋流生成效率的观点出发，为了使流经自旋轨道转矩配线的电流全都流经自旋流生成部，自旋流生成部和低电阻部无电并联配置的部分，全部都是电串联配置。 [0145] 图3～图6所示的自旋轨道转矩配线在从磁阻效应元件的层叠方向俯视时，都是自旋流生成部和低电阻部无电并联配置的部分的结构，在具有(a)所示的截面的结构中，是相对于SOT反转电流的纯自旋流生成效率最高的结构。 [0146] 图3所示的自旋轨道转矩配线40采用的是如下结构，即，在从磁阻效应元件20的层叠方向俯视时，其自旋流生成部41以包含第二铁磁性金属层23的接合部23’的方式重叠，且其厚度方向仅由自旋流生成部41构成，在电流流动的方向上，低电阻部42A、42B以夹着自旋流生成部41的方式而配置。作为图3所示的自旋轨道转矩配线的变形例，在从磁阻效应元件的层叠方向俯视时，自旋流生成部以与第二铁磁性金属层的接合部重合的方式进行重叠，除此以外，具有与图3所示的自旋轨道转矩配线相同的结构。 [0147] 图4所示的自旋轨道转矩配线40采用的是如下结构，即，在从磁阻效应元件20的层叠方向俯视时，其自旋流生成部41与第二铁磁性金属层23的接合部23’的一部分重叠，且其厚度方向仅由自旋流生成部41构成，在电流流动的方向上，低电阻部42A、42B以夹着自旋流生成部41的方式配置。 [0148] 图5所示的自旋轨道转矩配线40采用的是如下结构，即，在从磁阻效应元件20的层叠方向俯视时，其自旋流生成部41以包含第二铁磁性金属层23的接合部23’的方式重叠，且在其厚度方向上，从第二铁磁性金属层侧起，依次层叠有自旋流生成部41和低电阻部42C，在电流流动的方向上，低电阻部42A、42B以夹着自旋流生成部41及低电阻部42C层叠的部分的方式进行配置。作为图5所示的自旋轨道转矩配线的变形例，在从磁阻效应元件的层叠方向俯视时，自旋流生成部以与第二铁磁性金属层的接合部重合的方式重叠，除此以外，具有与图5所示的自旋轨道转矩配线相同的结构。 [0149] 图6所示的自旋轨道转矩配线40采用的是如下结构，即，自旋流生成部41由第一自旋流生成部41A、第二自旋流生成部41B和低电阻部42A、42B构成，所述第一自旋流生成部41A形成于第二铁磁性金属层侧的整个一面；所述第二自旋流生成部41B层叠在第一自旋流生成部上，在从磁阻效应元件20的层叠方向俯视时，以包含第二铁磁性金属层23的接合部 23’的方式重叠，且其厚度方向仅由自旋流生成部构成；所述低电阻部42A、42B在电流流动的方向上以夹着第二自旋流生成部41B的方式配置。作为图6所示的自旋轨道转矩配线的变形例，在从磁阻效应元件的层叠方向俯视时，第二自旋流生成部以与第二铁磁性金属层的接合部重合的方式重叠，除此以外，具有与图6所示的自旋轨道转矩配线相同的结构。 [0150] 在图6所示的结构中，因为自旋流生成部41和低电阻部42相接的面积大，所以构成自旋流生成部41的原子序号较大的非磁性金属和构成低电阻部42的金属的密合性高。 [0151] 本发明的磁阻效应元件可利用公知的方法来制造。下面，对图3～图6所示的磁阻效应元件的制造方法进行说明。 [0152] 首先，磁阻效应元件20例如可使用磁控溅射装置来形成。在磁阻效应元件20为TMR元件的情况下，例如，隧道势垒层通过先在第一铁磁性金属层上溅射0.4～2.0nm程度的铝及多个非磁性元素的成为二价阳离子的金属薄膜，然后进行等离子体氧化或基于导入氧的自然氧化，其后进行热处理来形成。作为成膜法，除磁控溅射法以外，还可使用蒸镀法、激光消融法、MBE法等薄膜制作法。 [0153] 在进行了磁阻效应元件20的成膜及形状的形成以后，优选先形成自旋流生成部41。这是为了高效地制成能够尽可能地抑制纯自旋流从自旋流生成部41向磁阻效应元件20散射的结构。 [0154] 在进行了磁阻效应元件20的成膜及形状的形成以后，用抗蚀剂等填埋加工后的磁阻效应元件20的周围，从而形成包含磁阻效应元件20的上表面在内的面。这时，优选将磁阻效应元件20的上表面平坦化。通过进行平坦化，能够抑制自旋流生成部41和磁阻效应元件20的界面上的自旋散射。 [0155] 接着，在平坦化后的磁阻效应元件20的上表面，将自旋流生成部41的材料进行成膜。成膜可使用溅射等。 [0157] 接着，利用溅射等，将构成低电阻部42的材料形成膜，通过剥离抗蚀剂等，制作自旋轨道转矩配线40。在自旋流生成部41的形状复杂的情况下，也可以分多次进行抗蚀剂或保护膜的形成、和自旋流生成部41的成膜。 [0158] 图7是用yz平面切断本发明的一个实施方式的磁阻效应元件所得的截面示意图。 [0159] 基于图7，对本发明的一个实施方式的磁阻效应元件100的作用进行说明。 [0160] 如图7所示，在磁阻效应元件100中有两种电流。一个是沿其层叠方向流经磁阻效应元件20，且流经自旋轨道转矩配线40及配线30的电流I1(STT反转电流)。在图7中，电流I1依次流经自旋轨道转矩配线40、磁阻效应元件20、配线30。在这种情况下，电子依次流经配线30、磁阻效应元件20、自旋轨道转矩配线40。 [0161] 另一个是沿自旋轨道转矩配线40的延伸方向流动的电流I2(SOT反转电流)。 [0162] 电流I1和电流I2相互交叉(正交)，在磁阻效应元件20和自旋轨道转矩配线40接合的部分(符号24’表示的是磁阻效应元件20(覆盖层24)侧的接合部，符号40’表示的是自旋轨道转矩配线40侧的接合部)，将流经磁阻效应元件20的电流和流经自旋轨道转矩配线40的电流合流，或进行分配。 [0163] 通过通以电流I1，第一铁磁性金属层(固定层)21的具有朝向与磁化相同的方向的自旋的电子在维持自旋方向的状态下从第一铁磁性金属层(固定层)21穿过非磁性层22，该电子以将第二铁磁性金属层(自由层)23的磁化M23的方向相对于第一铁磁性金属层(固定层)21的磁化M21的方向反转而平行的方式作用转矩(STT)。 [0164] 另一方面，电流I2对应于图2所示的电流I。即，当通以电流I2时，向上自旋S+和向下自旋S-就分别向自旋轨道转矩配线40的端部弯曲，产生纯自旋流Js。纯自旋流Js被诱发在与电流I2流动的方向垂直的方向上。即，在图的z轴方向或x轴方向上产生纯自旋流Js。在图7中，仅图示有有助于第二铁磁性金属层23的磁化方向的z轴方向的纯自旋流Js。 [0165] 通过在自旋轨道转矩配线40中在图的跟前侧流通电流I2而产生的纯自旋流Js经由覆盖层24而扩散流入到第二铁磁性金属层23内，所流入的自旋会给第二铁磁性金属层23的磁化M23带来影响。即，在图7中，通过朝向-x方向的自旋流入到第二铁磁性金属层23内，来施加要引发朝向+x方向的第二铁磁性金属层23的磁化M23的磁化反转的转矩(SOT)。 [0166] 如上所述，对由流经第一电流路径I1的电流产生的STT效应施加基于由流经第二电流路径I2的电流产生的纯自旋流Js的SOT效应，从而使第二铁磁性金属层23的磁化M23进行磁化反转。 [0167] 当仅通过STT效应就要使第二铁磁性金属层23的磁化反转时(即，仅使电流I1流通)，需要对磁阻效应元件20施加规定的电压以上的电压。TMR元件的通常的驱动电压比较小为数V以下，但非磁性层22是数nm左右的非常薄的膜，有时会发生绝缘破坏。通过持续对非磁性层22进行通电，会概率性地破坏非磁性层的较弱的部分(膜质差，膜厚薄等)。 [0168] 与此相对，本发明的“并用STT及SOT”结构时的磁阻效应元件除利用STT效应以外，还利用SOT效应。由此，能够减小对磁阻效应元件施加的电压，且也能够减小流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度。通过减小对磁阻效应元件施加的电压，能够实现元件的长寿命化。另外，通过减小流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度，能够避免能量效率显著下降。 [0169] 流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度优选低于1×107A/cm2。当流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度过大时，就会因流经自旋轨道转矩配线的电流而产生热量。当热量施加于第二铁磁性金属层时，就会失去第二铁磁性金属层的磁化的稳定性，有时产生意想不到的磁化反转等。当产生了这种意想不到的磁化反转时，就会产生改写所记录的信息之类的问题。即，为了避免意想不到的磁化反转，流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度优选不要过大。如果流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度低于1×107A/cm2，则至少能够避免因产生的热量而产生磁化反转。 [0170] 图8是表示本发明的其它实施方式的磁阻效应元件的图。 [0171] 在图8所示的磁阻效应元件200中，自旋轨道转矩配线50除具有在磁阻效应元件20的层叠方向上具备的上表面接合部51(相当于上述的自旋轨道转矩配线40)以外，还具有与第二铁磁性金属层23的侧壁接合的侧壁接合部52。 [0172] 当电流流经自旋轨道转矩配线50时，除由上表面接合部51生成的纯自旋流Js以外，还由侧壁接合部52生成纯自旋流Js’。 [0173] 因此，不仅纯自旋流Js从磁阻效应元件20的上表面经由覆盖层24而流入到第二铁磁性金属层23内，而且纯自旋流Js’也从第二铁磁性金属层23的侧壁流入，因此SOT效应增强。 [0174] 图9是表示本发明的其它实施方式的磁阻效应元件的图。 [0175] 在图9所示的磁阻效应元件300中，在基板10侧具有自旋轨道转矩配线40。在这种情况下，作为固定层的第一铁磁性金属层23和作为自由层的第二铁磁性金属层24的层叠顺序与图1所示的磁阻效应元件100相反。 [0176] 这样，本发明的磁阻效应元件可以如该结构那样为上销结构，也可以为如图1所示的下销结构。 [0177] 在图9所示的磁阻效应元件300中，依次层叠有基板10、自旋轨道转矩配线40、第二铁磁性金属层23、非磁性层22、第一铁磁性金属层21、覆盖层24、配线30。因为第二铁磁性金属层23比第一铁磁性金属层21先层叠，所以受晶格变形等影响的可能性比磁阻效应元件100低。其结果是，在磁阻效应元件300中，提高了第二铁磁性金属层23的垂直磁各向异性。 当第二铁磁性金属层23的垂直磁各向异性升高时，能够提高磁阻效应元件的MR比。 [0178] 图10是表示在图1所示的磁阻效应元件100中使电流沿磁阻效应元件20的层叠方向流动的第一电源110、和使电流流经自旋轨道转矩配线40的第二电源120的图。 [0179] 第一电源110与配线30和自旋轨道转矩配线40连接。第一电源110能够控制沿磁阻效应元件100的层叠方向流动的电流。 [0180] 第二电源120与自旋轨道转矩配线40的两端连接。第二电源120能够控制沿相对于磁阻效应元件20的层叠方向正交的方向流动的电流即流经自旋轨道转矩配线40的电流。 [0181] 如上所述，沿磁阻效应元件20的层叠方向流动的电流诱发STT。与此相对，流经自旋轨道转矩配线40的电流诱发SOT。STT及SOT都有助于第二铁磁性金属层23的磁化反转。 [0182] 这样，通过利用两个电源来控制沿磁阻效应元件20的层叠方向、和沿垂直于该层叠方向的方向流动的电流量，能够自由地控制SOT和STT对磁化反转作出贡献的贡献率。 [0183] 例如，在不能对设备通以大电流的情况下，能够主要控制相对于磁化反转的能量效率高的STT。即，能够增大从第一电源110流动的电流量，且减小从第二电源120流动的电流量。 [0184] 另外，例如在需要制作较薄的设备且不得不减薄非磁性层22的厚度的情况下，要求减小流经非磁性层22的电流。在这种情况下，能够减小从第一电源110流动的电流量，增大从第二电源120流动的电流量，提高SOT的贡献率。 [0185] 第一电源110及第二电源120可使用公知的电源。 [0186] 如上所述，根据本发明的一个实施方式的磁阻效应元件，通过从第一电源及第二电源供给的电流量，能够自由地控制STT及SOT的贡献率。因此，能够根据设备所要求的性能，自由地控制STT和SOT的贡献率，能够作为通用性高的磁阻效应元件发挥功能。 [0187] (磁存储器) [0188] 本发明的磁存储器(MRAM)具备多个本发明的磁阻效应元件。 [0189] (磁化反转方法) [0190] 本发明的一个实施方式的磁化反转方法是在本发明的磁阻效应元件中流经自旋轨道转矩配线的电流密度设为低于1×107A/cm2的方法。 [0191] 当流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度过大时，就会因自旋轨道转矩配线中流通的电流而产生热量。当向第二铁磁性金属层施加热量时，就会失去第二铁磁性金属层的磁化的稳定性，有时产生意想不到的磁化反转等。当产生了这种意想不到的磁化反转时，就会产生改写所记录的信息的问题。即，为了避免意想不到的磁化反转，优选流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度不要过大。如果流经自旋轨道转矩配线的电流的电流密度低于1×107A/cm2，则至少能够避免因产生的热量而产生磁化反转。 [0192] 本发明的一个实施方式的磁化反转方法是在本发明的磁阻效应元件中，在对自旋轨道转矩配线的电源施加了电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流的方法。 [0193] 辅助工序和磁化反转工序可以同时进行，也可以在事先进行了辅助工序后，追加磁化反转工序。即，在图7所示的磁阻效应元件200中，可以从第一电源110和第二电源120同时供给电流，也可以在从第二电流120供给了电流后，进一步从第一电源110供给电流，但为了更可靠地得到利用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了电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在从第二电流120供给了电流后，进一步从第一电源110供给电流。 [0194] (自旋流磁化反转元件) [0195] 图11表示的是本发明的一个实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图11(a)是俯视图，图11(b)是用图11(a)的自旋轨道转矩配线2的宽度方向的中心线即X-X线进行切断所得的截面图。 [0196] 本发明的一个实施方式的自旋流磁化反转元件即图1所示的自旋流磁化反转元件101具备：磁化方向可变的第二铁磁性金属层1、沿相对于第二铁磁性金属层1的法线方向即第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸且与第二铁磁性金属层1的第一面1a接合的自旋轨道转矩配线2。 [0197] 这里，自旋轨道转矩配线2和第二铁磁性金属层1的接合可以“直接”接合，也可以如上所述，经由覆盖层那样的“其它层”接合，如果是由自旋轨道转矩配线2产生的纯自旋流流入到第二铁磁性金属层1内的结构，则不限定于自旋轨道转矩配线和第一铁磁性金属层的接合(连接或耦合)的做法。 [0198] 如图12所示，自旋轨道转矩配线2可制成如下结构，即，由由生成纯自旋流的材料构成的纯自旋流生成部2A、和由电阻小于该纯自旋流生成部的材料构成的低电阻部2B构成，该纯自旋流生成部的至少一部分与第二铁磁性金属层1相接。 [0199] 图12所示的结构是将图3所示的自旋轨道转矩配线的结构应用于本发明的自旋流磁化反转元件的例子。在本发明的自旋流磁化反转元件上可应用图4～图6所示的自旋轨道转矩配线的结构。 [0200] 作为本发明自旋流磁化反转元件的应用例，主要可举出磁阻效应元件。因此，在本发明的自旋流磁化反转元件具备的构成元件中，与上述的磁阻效应元件等构成元件同等的元件都可应用。 |
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