CN108011038B - 自旋轨道转矩型磁阻效应元件及其制造方法 - Google Patents

自旋轨道转矩型磁阻效应元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种磁记录性优异且磁化反转所需的电流量小的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。该自旋轨道转矩型磁阻效应元件具备：磁阻效应元件，其具有磁化方向被固定的第一铁磁性金属层、磁化方向变化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，其沿相对于上述磁阻效应元件的层叠方向交叉的第一方向延伸，与上述第二铁磁性金属层接合，上述第二铁磁性金属层的磁化的朝向为上述磁阻效应元件的层叠方向，上述第二铁磁性金属层具有形状各向异性，沿着上述第一方向的长度比沿着与上述第一方向及上述层叠方向正交的第二方向的长度更长。

Description

自旋轨道转矩型磁阻效应元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及自旋轨道转矩型磁阻效应元件及其制造方法。
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大磁阻(GMR)元件、及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。
MRAM利用夹持绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化的朝向变化时TMR元件的元件电阻变化这样的特性，读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流形成的磁场进行写入(磁化反转)的方式、及利用沿磁阻效应元件的层叠方向流过电流而产生的自旋转移转矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
近年来，MRAM要求高集成化(例如，参照专利文献1)。为了提高MRAM的集成度，需要使TMR元件小型化。但是，当使TMR元件小型化时，磁化的稳定性降低。磁化稳定性的降低成为热等的影响引起的数据改写的原因(例如，专利文献2)。MRAM为了数据的长期保存，不允许任意改写数据。
作为提高磁化的稳定性的方法，考虑增大铁磁性层体积的方法、提高铁磁性层的磁各向异性能量的方法。但是，磁各向异性能量是材料固有的，依赖于铁磁性层所使用的材料及铁磁性层与其它层的界面状态。为了实现数据的长期保存，要求将铁磁性层的体积设为规定的尺寸以上。因此，难以忽视这些限制来增大磁各向异性能量。此外，铁磁性层为薄膜，体积与面积为大致同值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-207469号公报
专利文献2：日本特开2011-138604号公报
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，and P.Gambardella，Nature，476，189(2011).
发明内容
发明所要解决的技术问题
自旋转移转矩(STT)的大小根据沿磁阻效应元件的层叠方向流动的电流的电流密度决定。因此，为了通过STT进行磁化反转，要求电流密度为规定的值以上。另一方面，提高磁阻效应元件的热稳定性需要“规定的尺寸以上的面积”。因此，为了驱动通过STT进行磁化反转的元件，需要沿磁阻效应元件的层叠方向流过“规定的值以上的电流密度”乘以“规定的尺寸以上的面积”得到的电流量的电流。
但是，当流过一个TMR元件或GMR元件的电流量变多时，对元件的寿命造成影响。例如，TMR元件的绝缘层产生绝缘破坏，元件不能记录数据。
另外，当流过一个TMR元件或GMR元件的电流量变多时，作为MRAM整体需要的电流量变大。例如，在将元件并联连接的情况下，MRAM整体中需要“一个元件所需要的电流量”ד元件数”的总电流。
本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于，提供一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其磁记录性优异，且磁化反转所需要的电流量较小。
用于解决技术问题的手段
近年来，已知有利用了通过自旋轨道相互作用或种类不同的材料的界面中的Rashba效应产生的纯自旋流的磁化反转(例如，非专利文献1)。通过自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或种类不同的材料的界面中的Rashba效应诱发自旋轨道转矩(SOT)，通过SOT引起磁化反转。纯自旋流通过向上的自旋电子和向下的自旋电子以同数相互反方向流动而产生，电荷的流动相抵。因此，流过磁阻效应元件的电流为零。
本发明人等发现，当使用这种利用了SOT的磁阻效应元件时，不沿磁阻效应元件的层叠方向施加电流，元件的驱动所需要的电流量不依赖于磁阻效应元件的大小。并且，发现了能够降低利用SOT的磁阻效应元件的磁化反转所需要的电流量的结构。
即，本发明为了解决上述技术问题，提供以下的手段。
(1)第一方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件具备：磁阻效应元件，其具有磁化方向被固定的第一铁磁性金属层、磁化方向变化的第二铁磁性金属层、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，其沿相对于上述磁阻效应元件的层叠方向交叉的第一方向延伸，与上述第二铁磁性金属层接合，上述第二铁磁性金属层的磁化的朝向为上述磁阻效应元件的层叠方向，上述第二铁磁性金属层具有形状各向异性，沿着上述第一方向的长度比沿着与上述第一方向及上述层叠方向正交的第二方向的长度更长。
(2)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，上述磁阻效应元件也可以具有：椭圆区域，其与从上述层叠方向观察上述磁阻效应元件所得的平面形状内切；外部区域，其位于比上述椭圆区域更靠上述第一方向的外侧的位置。
(3)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，上述磁阻效应元件从上述层叠方向观察也可以为长方形。
(4)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，上述磁阻效应元件的沿着上述第一方向的长度也可以为60nm以下。
(5)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，也可以将上述自旋轨道转矩配线的上述第二方向的端部设为第一端部及第二端部，作为上述磁阻效应元件的上述第二方向的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，将接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，上述第一端部和上述第三端部的距离及上述第二端部和上述第四端部的距离分别大于0，且至少任一方为上述自旋轨道转矩配线的自旋扩散长度以下。
(6)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，上述第一端部和上述第三端部的距离也可以与上述第二端部和上述第四端部的距离不同。
(7)第二方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法是制造上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，其中，具有：形成具有上述第一铁磁性金属层和上述非磁性层及上述第二铁磁性金属层的层叠体的工序；将上述层叠体沿一个方向进行加工的工序；以及将上述沿一个方向加工后的上述层叠体沿与上述一个方向交叉的另一个方向加工的工序。
(8)第三方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法是制造上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，其中，具有：形成具有上述第一铁磁性金属层、上述非磁性层及上述第二铁磁性金属层的层叠体的工序；在上述层叠体的一面形成掩模的工序，其中，上述掩模具有：从上述层叠体的层叠方向观察能够内切椭圆的长方形区域，和位于上述长方形区域的角部或长边部且从上述长方形区域突出的突出区域；以及经由上述掩模加工上述层叠体的工序。
发明效果
根据上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，能够提高磁记录的长期稳定性，并能够缩小磁化反转所需要的电流量。
根据上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，能够容易地得到磁记录性优异且磁化反转所需要的电流量较小的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的立体图。
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。
图3是使用了STT的自旋转移转矩型磁阻效应元件的示意图。
图4是磁阻效应元件不具有形状各向异性时的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的示意图。
图5是从z方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图。
图6是从x方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图。
图7是表示光掩模的形状与得到的磁阻效应元件的来自z方向的平面形状的对应关系的图。
图8是用于说明长方形状的磁阻效应元件的制作顺序的示意图。
图9是示意性地表示将本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻化元件集成多个所得的集成电路的图。
图10是示意性地表示将本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻化元件集成多个所得的集成电路的图。
图11是表示本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件所使用的控制元件的主要部分的立体示意图。
图12是用于说明为了配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图。
图13是表示根据图12的配置而配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件及两个控制元件时的单位单元的元件结构的立体示意图。
图14是表示用于提高本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的集成性的配置的图。
图15是用于说明为了配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图。
图16是表示根据图15的配置而配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件及两个控制元件时的单位单元的元件结构的立体示意图。
符号说明
1…第一铁磁性金属层，2…第二铁磁性金属层，3…非磁性层，10、11、12、13、14、15…磁阻效应元件，20…自旋轨道转矩配线，30…第一配线，40…第二配线，50…绝缘体，100、102…自旋轨道转矩型磁阻效应元件，101…自旋转移转矩型磁阻效应元件，110…读出用控制元件，120…元件选择用控制元件，130…写入用控制元件，T…控制元件，S…源电极，D…漏电极，C…沟道，e1…第一端部，e2…第二端部，e3…第三端部，e4…第四端部，S1…第一自旋，S2…第二自旋，I…电流，Js…纯自旋流，PM…光掩模
具体实施方式
以下，适当参照图详细地说明本发明。关于以下的说明中使用的附图，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，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。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，能够在实现本发明效果的范围内适当变更并实施。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图1是示意性地表示第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的立体图。
第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100具有磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20。
以下，将磁阻效应元件10的层叠方向设为z方向，将自旋轨道转矩配线20延伸的第一方向设为x方向，将与z方向及x方向均正交的第二方向设为y方向。
〈磁阻效应元件〉
磁阻效应元件10具有：磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1，磁化方向变化的第二铁磁性金属层2，以及被第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2夹持的非磁性层3。
磁阻效应元件10通过第一铁磁性金属层1的磁化固定在一方向上，且第二铁磁性金属层2的磁化的朝向相对性地变化，而发挥作用。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使磁阻效应元件的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。在应用于交换偏置型(自旋阀；spinv alve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合而固定磁阻效应元件的第一铁磁性金属层的磁化。
就磁阻效应元件10而言，在非磁性层3由绝缘体构成时，是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层3由金属构成时，是巨大磁阻(GMR：GiantMagnetoresistance)元件。
磁阻效应元件的层叠结构能够采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层也可以由多层结构，也可以具备用于固定第一铁磁性金属层1的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。第一铁磁性金属层1称为固定层或参照层，第二铁磁性金属层2称为自由层或存储层等。
第一铁磁性金属层1的材料能够使用公知的材料。例如，能够使用选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属及含有一种以上这些金属且呈现铁磁性的合金。另外，也能够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等的豪斯勒合金。豪斯勒合金包含具有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是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或上述X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如，可举出Co2FeSi、Co2MnSi及Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
另外，为了进一步增大第一铁磁性金属层1相对于第二铁磁性金属层2的矫顽力，作为与第一铁磁性金属层1相接的材料，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。另外，为了使第一铁磁性金属层1的漏磁场不影响第二铁磁性金属层2，也可以制成合成铁磁性耦合的构造。
另外，在使第一铁磁性金属层1的磁化的朝向相对于层叠面为垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第一铁磁性金属层1能够从非磁性层3侧起依次为FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6。
作为第二铁磁性金属层2的材料，能够应用铁磁性材料、特别是软磁性材料。例如，能够使用选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属；含有1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。
第二铁磁性金属层2的磁化的朝向沿z方向(相对于层叠面垂直)取向。通过第二铁磁性金属层2的磁化的朝向沿z方向取向，能够缩小磁阻效应元件10的大小。第二铁磁性金属层2的磁化的朝向受到构成第二铁磁性金属层2的结晶结构及第二铁磁性金属层2的厚度的影响。优选将第二铁磁性金属层2的厚度制成2.5nm以下。垂直磁各向异性由于增厚第二铁磁性金属层2的膜厚而衰减效果，因此，第二铁磁性金属层2的膜厚越薄越好。
非磁性层3能够使用公知的材料。
例如，在非磁性层3由绝缘体构成的情况下(为隧道势垒层的情况下)，作为其材料，能够使用Al2O3、SiO2、MgO及MgAl2O4等。另外，除了这些材料以外，还能够使用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均是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。
在非磁性层3由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
另外，磁阻效应元件10也可以具有其它层。例如，也可以在第二铁磁性金属层2的非磁性层3的相反侧的面具有基底层，也可以在第一铁磁性金属层1的非磁性层3的相反侧的面具有覆盖层。
配设于自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10之间的层优选不耗散从自旋轨道转矩配线20传播的自旋。例如，已知银、铜、镁及铝等的自旋扩散长度长为100nm以上，不容易耗散自旋。
另外，该层的厚度优选为构成层的物质的自旋扩散长度以下。如果层的厚度为自旋扩散长度以下，则能够将从自旋轨道转矩配线20开始传播的自旋充分传播至磁阻效应元件10。
〈自旋轨道转矩配线〉
自旋轨道转矩配线20沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线20与第二铁磁性金属层2的z方向的一面连接。自旋轨道转矩配线20也可以与第二铁磁性金属层2直接连接，也可以经由其它层连接。
自旋轨道转矩配线20由流过电流时通过自旋霍尔效应生成纯自旋流的材料构成。作为该材料，只要是在自旋轨道转矩配线20中生成纯自旋流的结构的材料即可。因此，不限于由单体的元素构成的材料，也可以是由利用生成纯自旋流的材料构成的部分、和利用不生成纯自旋流的材料构成的部分构成的材料等。
自旋霍尔效应是在材料中流过电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿与电流的朝向正交的方向诱发纯自旋流的现象。
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。图2是将图1所示的自旋轨道转矩配线20沿着x方向切断的剖视图。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，当沿自旋轨道转矩配线20的延伸方向流过电流1时，向纸面进深侧取向的第一自旋S1和向纸面前面侧取向的第二自旋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)扭曲运动(移动)方向的点相同，但通常的霍尔效应中，在磁场中运动的荷电粒子受到洛伦兹力而扭曲运动方向，与之相对，自旋霍尔效应中，为了不存在磁场，仅电子移动(仅流过电流)而使移动方向扭曲，在这点上有很大不同。
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称为纯自旋流。
在铁磁性体中流过电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2相互向相反方向扭曲这一点相同。另一方面，铁磁性体中，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，产生电荷的净流量(产生电压)，这一点不同。因此，作为自旋轨道转矩配线20的材料，不包含仅由铁磁性体构成的材料。
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向图中的上方向流动。在此，JS是极化率为100％的电子的流动。
图1中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线20的上面接触时，纯自旋流扩散流入到铁磁性体中。即，向磁阻效应元件10注入自旋。
自旋轨道转矩配线20也可以含有非磁性的重金属。在此，所谓重金属，以具有钇以上的比重的金属的意义使用。自旋轨道转矩配线20也可以仅由非磁性的重金属构成。
在该情况下，非磁性的重金属优选为在最外壳具有d电子或f电子的原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属。这是由于，该非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。自旋轨道转矩配线20也可以仅由最外壳具有d电子或f电子的原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属构成。
一般而言，金属中流过电流时，所有的电子不管其自旋的朝向，均向电流的反方向移动，相对于此，最外壳中具有d电子或f电子的原子序数较大的非磁性金属中，自旋轨道相互作用较大，因此，通过自旋霍尔效应，电子的移动的方向依赖于电子的自旋的朝向，容易产生纯自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线20也可以含有磁性金属。磁性金属是指，铁磁性金属或反铁磁性金属。这是由于，当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用增强，能够增高相对于流过自旋轨道转矩配线20的电流的自旋流生成效率。自旋轨道转矩配线20也可以仅由反铁磁性金属构成。
自旋轨道相互作用通过自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场产生，因此，非磁性材料中也产生纯自旋流。当在自旋轨道转矩配线材料中添加微量的磁性金属时，将磁性金属本身流过的电子自旋散射，因此，自旋流生成效率提高。但是，磁性金属的添加量过于增大时，产生的纯自旋流由于添加的磁性金属而散射，因此，作为结果，自旋流减少的作用变强。因此，添加的磁性金属的摩尔比优选比自旋轨道转矩配线中的纯自旋生成部的主成分的摩尔比充分小。以目标而言，添加的磁性金属的摩尔比优选为3％以下。
另外，自旋轨道转矩配线20也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线20也可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体但在其表面产生自旋偏极的金属状态的物质。物质中具有自旋轨道相互作用这样的内部磁场那样的物质。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也体现新的拓扑相。其是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘的反转对称性的破坏，能够高效率地生成纯自旋流。
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率地生成自旋流。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件100也可以具有磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20以外的结构要素。例如，也可以具有基板等作为支撑体。基板优选平坦性优异，作为材料，能够使用例如Si、AlTiC等。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件的原理)
接着，对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的动作原理进行说明，并且对磁阻效应元件10的具体的结构及磁阻效应元件10与自旋轨道转矩配线20的关系进行说明。
如图1所示，当对自旋轨道转矩配线20施加电流I1时，沿z方向产生纯自旋流JS(参照图2)。在自旋轨道转矩配线20的z方向上配设有磁阻效应元件10。因此，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10的第二铁磁性金属层2注入自旋。注入的自旋向第二铁磁性金属层2的磁化赋予自旋轨道转矩(SOT)，产生磁化反转。
磁阻效应元件10的磁化反转依赖于注入的自旋的量。自旋的量由流过自旋轨道转矩配线20的电流I1的电流密度Ic1决定。流过自旋轨道转矩配线20的电流I1的电流密度Ic1是流过自旋轨道转矩配线20的电流除以与电流的流动方向正交的面的面积所得的值。因此，图1中，电流密度Ic1＝I1/WH。在此，W为自旋轨道转矩配线20的y方向的长度(宽度)，H为自旋轨道转矩配线20的z方向的厚度。
该电流密度Ic1不具有磁阻效应元件的x方向的长度L1的成分，而由自旋轨道转矩配线20决定。这一点是应备受关注的点。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100能够不依赖于磁阻效应元件10的面积(从z方向观察的面积)而设定动作所需要的电流量。
图3是使用了STT的自旋转移转矩型磁阻效应元件101的示意图。自旋转移转矩型磁阻效应元件101具有磁阻效应元件11、第一配线30、第二配线40。第一配线30及第二配线40能够使用任意的导体。
当在第一配线30与第二配线40之间赋予电位差时，沿磁阻效应元件11的层叠方向流过电流I2。电流I2产生STT，使第二铁磁性金属层2的磁化反转。
STT的大小由沿磁阻效应元件11的层叠方向流动的电流I2的电流密度Ic2决定。沿磁阻效应元件11的层叠方向流动的电流I2的电流密度Ic2是沿磁阻效应元件11的层叠方向流动的电流I2除以与电流的流动方向正交的面的面积(磁阻效应元件11的截面面积S)所得的值。因此，图3中，电流密度Ic2＝I2/S。
该电流密度Ic2具有作为参数的磁阻效应元件11的截面面积S。因此，自旋转移转矩型磁阻效应元件101的动作所需要的电流量依赖于磁阻效应元件11的面积(从z方向观察的面积)。
磁阻效应元件11的截面面积S较小时，第二铁磁性金属层2的磁化由于热干扰等的影响进行磁化反转的概率变高。因此，从磁记录的稳定性的观点来看，磁阻效应元件11的截面面积S需要为规定的大小以上。即，为了使自旋转移转矩型磁阻效应元件101进行动作，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“能够稳定地维持磁化的面积”所得的电流量。
与之相对，为了使本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100进行动作，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积”所得的电流量。“自旋轨道转矩配线20的截面面积”能够任意地设定。因此，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100能够减小动作所需要的电流的总量。
在此，如图1所示，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的第二铁磁性金属层2具有形状各向异性。第二铁磁性金属层2的x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2更长。通过将自旋轨道转矩型磁阻效应元件100制成这种结构，能够进一步缩小动作所需要的电流的总量。以下，说明其原因。
图4是磁阻效应元件12的第二铁磁性金属层2不具有形状各向异性时的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的示意图。图4所示的磁阻效应元件12中的第二铁磁性金属层2的x方向的长度L1’与y方向的长度(宽度)L2’相等。即，磁阻效应元件12从z方向观察为正方形。
一般而言，在限定的空间内导入限定的尺寸的部件的情况下，对称性较高的部件能够更高效地配设。因此，当要提高MRAM的集成度时，通常要提高磁阻效应元件的对称性。即，可用作集成部件的磁阻效应元件可选择从z方向观察对称性较高的正方形(参照图4)或圆形。
为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件102动作，需要“磁化反转所需要的电流密度Ic3”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积(W’H)”所得的电流I3。即，I3＝Ic3×W’H成立。
在此，如上述，为了使图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100动作，需要“磁化反转所需要的电流密度Ic1”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积(WH)”所得的电流I1。即，I1＝Ic1×WH成立。
磁阻效应元件10、12的层结构均相同，因此，电流密度Ic1和电流密度Ic3大致一致。为了确保热稳定性，当考虑需要将磁阻效应元件的面积设为相等时，需要磁阻效应元件12增长y方向的长度L2’，随之，自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度W’也变宽。即，自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的y方向的宽度W’比自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的y方向的宽度W更宽。即，为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100动作所需要的电流I1比为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件102动作所需要的电流I3更小。
从该观点考虑时，磁阻效应元件10的宽度W越窄越好。但是，当考虑现状的光刻等的加工技术时，7nm为极限。另外，自旋轨道转矩配线20的厚度H也越薄越好，但为了流过充分的电流量，优选具有10nm以上的厚度。
此外，假定当自旋轨道转矩配线20的截面面积变小时，电阻变大。但是，自旋轨道转矩配线20为金属，不能假定电阻增大到对元件的动作造成影响的程度。如通过STT进行磁化反转的TMR元件那样，与向隧道势垒层流过电流的情况相比时，电阻增加量为微量。
从z方向观察与自旋轨道转矩配线20的磁阻效应元件10重叠的部分的电阻值优选比磁阻效应元件10的电阻值小。在此，“磁阻效应元件10的电阻值”是沿磁阻效应元件的z方向流过电流时的电阻值。另外，在磁阻效应元件为TMR的情况下，隧道势垒层的电阻占据磁阻效应元件10的电阻值的大部分。通过将电阻值设为这种关系，能够抑制流过自旋轨道转矩配线20的电流I1在磁阻效应元件10内流动。即，能够使流过自旋轨道转矩配线20的电流I1更高效地有助于纯自旋流的产生。
另外，当磁阻效应元件10中的第二铁磁性金属层2具有形状各向异性时，还具有第二铁磁性金属层2的磁化反转容易的优点。当第二铁磁性金属层2的磁化向z方向取向时，为了通过SOT进行磁化旋转，需要赋予磁化旋转的契机。磁化旋转的契机能够通过施加外部磁场等实现。但是，当在元件外部设置磁场的产生源时，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100整体的尺寸变大。因此，通过对磁阻效应元件10赋予形状各向异性，即使在无磁场的环境下也能够产生磁化旋转的契机。
当磁阻效应元件10中的第二铁磁性金属层2具有形状各向异性时，磁阻效应元件10的长轴方向(长度L1方向)和短轴方向(长度L2方向)上，反磁场的大小不同。即，反磁场的大小产生分布。
反磁场是通过产生于磁性体的端部的磁极在铁磁性体内部产生的反方向的磁场。因此，随着磁极的极化率越大，磁极间的距离越短，反磁场的大小越大。在图1所示的磁阻效应元件10的情况下，短轴方向(长度L2方向)的反磁场的大小比长轴方向(长度L1方向)的反磁场的大小更大。
反磁场产生第二铁磁性金属层的磁化开始进行磁化旋转时要返回最初状态的恢复力。恢复力是相对于磁化旋转的反作用，恢复力越大，磁化越难以旋转。
因此，沿着长轴方向的旋转方向(以下，称为第一旋转方向)和沿着短轴方向的旋转方向(以下，称为第二旋转方向)中，第二铁磁性金属层2的磁化的旋转容易度不同。磁化旋转时受到的恢复力的大小比短轴方向更大。因此，就磁化而言，与沿着第二旋转方向旋转相比，沿着第一旋转方向旋转更容易旋转。即，第一旋转方向成为磁化反转容易的方向。
如图3所示，从z方向观察的平面视图为正方形的磁阻效应元件12不具有磁化反转容易的方向。另外，为了确保热稳定性，考虑需要使磁阻效应元件的面积相等时，磁阻效应元件10的x方向的长度L1比磁阻效应元件12的x方向的长度L1’更长。即，为了使磁阻效应元件10进行磁化反转所需要的能量比为了使磁阻效应元件12进行磁化反转所需要的能量更小。
在此，磁阻效应元件10的长轴方向的长度L1优选为10nm以上60nm以下，短轴方向的长度L2优选比L1小。磁阻效应元件10的大小较大时，在第二铁磁性金属层2内形成磁区。形成磁区时，第二铁磁性层的磁化的稳定性降低。另外，磁阻效应元件10的长轴方向的长度优选为短轴方向的长度的2倍以上，更优选为4倍以上。如果磁阻效应元件10的长轴方向与短轴方向的比为该范围内，则可充分得到反磁场引起的恢复力的差异。
图5是从z方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图。图5(a)与从z方向观察图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的图对应。就磁阻效应元件的形状而言，只要x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长就没有限制。也可以如图5(a)所示的磁阻效应元件10那样为长方形状，也可以如图5(b)所示的磁阻效应元件13那样为椭圆形状。
另外，也可以如图5(c)所示的磁阻效应元件14那样，构成为从z方向观察的平面形状具有内切的椭圆区域E，且在该椭圆区域E的x方向的外侧具有外部区域A。通过确保外部区域A，能够增大磁阻效应元件14的面积。磁阻效应元件14的面积变大时，磁化的稳定性变高，避免由于热干扰等产生磁化反转。
另外，也可以如图5(d)所示的磁阻效应元件15那样，磁阻效应元件10的长轴相对于自旋轨道转矩配线20的延伸方向(x方向)倾斜角度θ。
如上述，磁化反转容易的方向形成为磁阻效应元件10的长轴方向。即，磁阻效应元件15中，磁化反转容易的方向具有y方向的成分。
在此，通过自旋霍尔效应在自旋轨道转矩配线20内产生的自旋沿着自旋轨道转矩配线20的外表面取向。即，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10注入的自旋向y轴方向取向。即，自旋最有效地有助于y方向上具有成分的磁化的磁化反转。
即，通过磁阻效应元件15的磁化反转容易的方向具有y方向的成分，磁化能够强烈受到沿y方向作用的SOT的影响。即，SOT对磁化反转有效地进行作用，即使不施加外部磁场等的外力，也能够使磁化反转。
图6是从x方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图。图6(a)与从x方向观察图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的图对应。图6(a)中，自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10的y方向的端部间距离在两侧一致。即，以下的关系成立。
将自旋轨道转矩配线20的y方向的两个端部设为第一端部e1和第二端部e2。另外，将磁阻效应元件10的y方向的两个端部设为第三端部e3和第四端部e4。在此，第三端部e3为第一端部e1侧的端部，第四端部e4为第二端部e2侧的端部。第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2相等。
优选第一端部e1和第三端部e3间的距离D1及第二端部e2和第四端部e4间的距离D2分别比0大，至少任一方为自旋轨道转矩配线20的自旋扩散长度以下。
自旋轨道转矩配线20中流过电流时，在第一端部e1和第三端部e3间及第二端部e2和第四端部e4间也产生纯自旋流。在这些区域产生的自旋如果在自旋扩散长度以下的距离的范围内，则就能够传播。因此，如果第一端部e1和第三端部e3间的距离D1及第二端部e2和第四端部e4间的距离D2比0大，则这些区域中产生的自旋也能够用于磁化的旋转。另外，如果这些距离为自旋轨道转矩配线20的自旋扩散长度以下，则能够将产生的自旋全部用于磁化反转。
另外，图6(b)是从x方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的另一例的图。图6(b)中，第一端部e1和第三端部e3间的距离D1比第二端部e2与第四端部e4间的距离D2大。即，第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2不同。
在第一端部e1和第三端部e3间产生的自旋的总量比在第二端部e2和第四端部e4间产生的自旋的总量多。产生的自旋均向磁阻效应元件10供给时，磁阻效应元件10的第三端部e3侧比第四端部e4侧供给的自旋的量更多。即，关于要使磁阻效应元件10的磁化旋转的SOT的大小，对称性在y方向上崩溃。
如上述，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10注入的自旋向y轴方向取向。即，自旋最有效地有助于y方向上具有成分的磁化反转。因此，当对磁阻效应元件10的磁化施加的SOT的大小的对称性在y方向上崩溃时，磁化反转更容易。其结果，SOT有效地作用于磁化反转，即使不施加外部磁场等的外力，也能够使磁化反转。
根据本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，能够进一步缩小动作所需要的电流的总量。因此，将集成化的元件与规定容量的电源连接时，能够向更多的元件分配电流。
另外，本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件不需要沿磁阻效应元件的层叠方向流过电流。因此，能够使磁阻效应元件的寿命长寿命化。
另外，本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件随着磁阻效应元件的形状各向异性，产生反磁场的分布。其结果，能够在磁阻效应元件形成磁化反转容易的方向，并容易地进行磁化反转。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法)
接着，对自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法进行说明。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件能够使用溅射法等的成膜技术和光刻等的形状加工技术得到。
首先，在成为支撑体的基板上制作自旋轨道转矩配线。将构成自旋轨道转矩配线的金属通过溅射等的公知的成膜方法进行成膜。接着，使用光刻等技术，将自旋轨道转矩配线加工成规定的形状。自旋轨道转矩配线以外的部分利用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。
接着，制作磁阻效应元件。磁阻效应元件能够使用溅射等的公知的成膜方法制作。在磁阻效应元件为TMR元件的情况下，例如，就隧道势垒层而言，在第二铁磁性金属层上首先溅射成为0.4～2.0nm程度的镁、铝及多个非磁性元素的二价阳离子的金属薄膜，进行等离子氧化或通过氧导入的自然氧化，并通过之后的热处理而形成。作为成膜法，除了溅射法以外，还可举出蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等。
作为将磁阻效应元件制成规定的形状的方法，能够利用光刻等加工方法。首先，层叠磁阻效应元件后，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，使规定的部分的抗蚀剂固化，除去不要部分的抗蚀剂。抗蚀剂固化的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂固化的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
然后，在形成了保护膜的面上实施离子铣、反应性离子蚀刻(RIE)等处理。除去未形成保护膜的部分，得到规定形状的磁阻效应元件。
在此，具体地说明使抗蚀剂固化成规定形状的方法。
首先，作为第一个方法，有使用掩模使抗蚀剂感光的方法。例如，使用正性抗蚀剂，在要固化的部分上配设光掩模。于是，通过经由光掩模进行曝光，能够将抗蚀剂加工成规定的形状。
磁阻效应元件为了高集成化而要求元件尺寸的微细化。因此，磁阻效应元件的尺寸有时接近曝光的分辨率极限。在该情况下，如图7所示，将加工成四边形状的光掩模PM组合多个，使抗蚀剂固化成规定的形状。一个光掩模PM的1边以现有的技术水平能够缩小至数nm程度。
图7是表示光掩模PM的形状与得到的磁阻效应元件13的来自z方向的平面形状的对应关系的图。如图7(a)所示，在一个光掩模PM的形状为四边形的情况下，磁阻效应元件13的平面形状也成为椭圆等形状。这是由于，通过光掩模PM后的光局部扩散而使抗蚀剂固化。还由于，离子铣等的蚀刻处理中，成为角的部分容易进行蚀刻。
另外，如图5(c)所示，在椭圆区域E的外侧形成外部区域A的情况下，将光掩模的形状制成图7(b)及图7(c)所示的形状。图7(b)所示的光掩模PM1具有能够内切椭圆的长方形区域Re和向长方形区域Re的角部Ed突出的突出区域Pr1。另外，图7(c)所示的光掩模PM2具有能够内切椭圆的长方形区域Re和向长方形区域Re的长边部Sd突出的突出区域Pr2。图7(b)及(c)中的长方形区域Re与图7(a)所示的光掩模对应。
如图7(b)所示，在角部Ed设置突出区域Pr1时，能够延迟蚀刻处理中的角部Ed的蚀刻的进行。其结果，如图5(c)所示，能够形成外部区域A。另外，如图7(c)所示，在边部Sd设置突出区域Pr2时，能够进一步增大蚀刻处理中的长边部Sd与角部Ed的蚀刻速度差。其结果，如图5(c)所示，能够形成外部区域A。
另外，作为其它方法，也可以使用激光等的具有指向性的光进行斑点曝光。例如，使用负性抗蚀剂，仅对要固化的部分照射光，将抗蚀剂加工成规定的形状。在该情况下也一样，在曝光的斑点的形状为四边形的情况下，得到的形状也成为椭圆形。
如上述，即使在光掩模PM的形状为四边形的情况下，磁阻效应元件13的形状也成为椭圆等的不具有边缘的形状。因此，如图5(a)所示，在将磁阻效应元件10的来自z方向的平面形状制成长方形状的情况下，需要时间。
在将磁阻效应元件10的来自z方向的平面形状制成长方形状的情况下，分成两次加工磁阻效应元件10。即，分开进行：将具有第一铁磁性金属层和非磁性层及第二铁磁性金属层的层叠体沿一个方向加工的第一工序；和将沿一个方向加工后的层叠体沿与一个方向交叉的另一个方向加工的第二工序。
图8是用于说明长方形状的磁阻效应元件的制作顺序的示意图。如图8(a)所示，在自旋轨道转矩配线20和绝缘体50的一面依次层叠第二铁磁性金属层2、非磁性层3、第一铁磁性金属层1，得到层叠体。
接着，将得到的层叠体沿一个方向加工。一个方向能够选择任意方向。例如，也可以设为自旋轨道转矩配线20延伸的x方向，也可以设为与x方向正交的y方向，也可以设为从x方向及y方向的任一方向倾斜的方向。
层叠体的加工能够采用使用了光刻的方法、使用了激光等的方法等的公知的加工方法。加工后的层叠体在一个方向具有某程度的长度，因此，能够直接反映光掩模的形状等。即，层叠体能够沿x方向直线状地加工。
接着，将得到的层叠体沿另一个方向加工。另一个方向能够选择与一个方向交叉的任意方向。图8(c)中，沿相对于自旋轨道转矩配线20延伸的x方向正交的y方向进行加工。
向另一个方向的加工也能够采用使用了光刻的方法、使用了激光等的方法等的公知的加工方法。向另一个方向的加工时，也能够使用另一个方向上具有某程度的长度的光掩模等，因此，能够使光掩模等的形状等直接反映到加工后的形状。即，层叠体能够沿y方向直线状地加工。
这样，通过分为两个阶段进行加工，能够将磁阻效应元件10的从z方向观察时的平面形状制成长方形状。
而且，也可以利用绝缘体覆盖得到的磁阻效应元件10的外侧面。绝缘体能够使用氧化膜、氮化膜等的公知的绝缘体。
目前为止，说明了依次制作自旋轨道转矩配线和磁阻效应元件的方法。另一方面，也可以同时制作自旋轨道转矩配线和磁阻效应元件。
首先，在面上依次层叠构成自旋轨道转矩配线的金属层及构成磁阻效应元件的各层。接着，将自旋轨道转矩配线及磁阻效应元件通过光刻进行一次加工。一次加工中，自旋轨道转矩配线和磁阻效应元件的向第一方向的加工同时结束。然后，通过沿与第一方向不同的第二方向加工磁阻效应元件，得到自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
本发明未必限定于上述实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的结构及制造方法，能够在不脱离本发明宗旨的范围内加入各种变更。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件的集成性)
接着，说明本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的集成性。
〈电路结构〉
图9及图10是示意性地表示将自旋轨道转矩型磁阻效应元件100集成多个的集成电路的图。图9所示的集成电路200及图10所示的集成电路201中，写入时及读入时的漏电流极少，均作为元件充分发挥作用。在图9及图10的电路上，将自旋轨道转矩配线20图示为电阻21、22。
图9所示的集成电路200及图10所示的集成电路201中，在一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100上连接有读出用控制元件110、元件选择用控制元件120、写入用控制元件130。这些控制元件可使用FET(field-effect transistor)等的公知的晶体管等。
使读出用控制元件110和元件选择用控制元件120动作(设为“ON”状态)时，能够沿磁阻效应元件10的层叠方向流过电流，能够读出磁阻效应元件10的电阻值变化。另外，使写入用控制元件130和元件选择用控制元件120动作(设为“ON”状态)时，能够向自旋轨道转矩配线20流过电流，能够进行磁阻效应元件10的第二铁磁性金属层2的磁化反转(写入)。
图9所示的集成电路200中，写入用控制元件130能够跨过多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100，并汇总设置至集成基板的端部等。换而言之，图9所示的集成电路200中，写入用控制元件130不会对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的集成性造成较大的影响。
同样，图10所示的集成电路201中，读出用控制元件110能够跨过多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100，并汇总设置至集成基板的端部等。换而言之，读出用控制元件110不会对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的集成性造成较大的影响。
因此，可以说对集成电路的集成性造成影响的一个单位单元由一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件构成。就两个控制元件而言，在图9所示的集成电路200中，是读出用控制元件110和元件选择用控制元件120，在图10所示的集成电路201中，是元件选择用控制元件120和写入用控制元件130。
以往，认为使用了SOT的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中分别需要三个控制元件，但能够通过配置不同将对集成性造成影响的控制元件收纳两个。
〈单位单元尺寸的研究〉
接着，对一个单位单元的大小进行研究。一个单位单元由一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件决定。因此，将这些元件如何配置成为问题。另外，需要估计为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件恰当地动作所需要的各个元件尺寸。
首先，估计为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件恰当地动作所需要的各个元件尺寸。
“自旋轨道转矩型磁阻效应元件的尺寸”
使用了自旋转移转矩的SRAM(Static Randam Access Memory，以下称为“STT-SRAM”)中，作为一例，可使用直径90nm的圆柱状的磁阻效应元件。在该情况下，从层叠方向观察磁阻效应元件时的截面面积成为(90/2)2×π＝6361nm2。具有该尺寸的截面面积的磁阻效应元件即使受到热干扰等的影响，也能够10年间稳定地保持数据。
为了稳定地保持数据所需要的磁阻效应元件的截面面积在本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中也相等。因此，作为从层叠方向观察磁阻效应元件时的截面面积，需要为6300nm2程度。该截面面积在图1中对应于“x方向的长度L1”乘以“y方向的长度L2”所得的值。
x方向的长度L1和y方向的长度L2能够任意设定。可以说现状的半导体中的最小加工尺寸(feature size：F)为7nm。因此，y方向的长度L2最低也为7nm，在该情况下，x方向的长度成为900nm。除此以外，还如以下的表1所示，能够设定x方向的长度L1及y方向的长度L2。任意一项均为“y方向的长度L2”דx方向的长度L1”≒6300nm2，能够稳定地保持数据。
另一方面，为了用作存储元件，需要能够改写数据。
STT-SRAM中，为了使磁阻效应元件的磁化反转(改写数据)，需要“磁阻效应元件的截面面积”乘以“磁化反转所需要的电流密度”所得的电流量。例如，当将该电流量设为400μA时，磁化反转所需要的电流密度为400μA/6361nm2＝6.2×106A/cm2。
本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中，为了改写数据，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积(WH)”所得的电流。
由于磁阻效应元件的截面面积相等，因此，“磁化反转所需要的电流密度”与为了使STT-SRAM中的磁阻效应元件进行磁化反转所需要的电流密度不会大幅变化。即，能够设为6.2×106A/cm2。
“自旋轨道转矩配线20的截面面积(WH)”如以下决定。自旋轨道转矩配线20的宽度W需要为磁阻效应元件10的y方向的长度L2以上。另外，自旋轨道转矩配线20的厚度H根据自旋轨道转矩配线20的宽度W不同也不同，但为了流过充分的电流，需要10nm程度。
即，本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中改写数据所需要的最小电流成为“磁化反转所需要的电流密度”乘以“y方向的长度L2(＝自旋轨道转矩配线20的宽度W)”和“自旋轨道转矩配线20的厚度H”所得的值。
表1中表示改变磁阻效应元件10的x方向的长度L1及y方向的长度L2时的各自中所需要的电流量。任意电流量均是具有同程度的数据保持性的比STT-SRAM的磁化反转所需要的400μA充分小的值。
【表1】
Figure BDA0001443816550000221
“控制元件的尺寸”
另一方面，磁化反转所需要的电流的控制通过各个控制元件进行。换而言之，各个控制元件需要流过磁化反转所需要的电流的能力。即，能够根据磁化反转所需要的电流量估计各个控制元件所需要的元件尺寸。
图11是表示本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件所使用的控制元件的主要部分的立体示意图。读出用控制元件110、元件选择用控制元件120及写入用控制元件130能够使用相同的元件，因此，以下，作为控制元件T进行说明。如图11所示，控制元件T具有源电极S、漏电极D、沟道C。
将源电极S的宽度、漏电极D的宽度及源电极S与漏电极D的距离以最小加工尺寸F固定时，能够流过源电极S与漏电极D间的每单位宽度Wa的规定的电流量确定。在将单位宽度设为1μm的情况下，作为一例，规定的电流量为0.5mA。在该情况下，如表1所示的实施例1那样，如果磁化反转所需要的反转电流为4μA，则控制元件的宽度Wc需要设为8μm以上。表1中还表示了其它例子的需要的控制元件的宽度Wc。
如上述，能够根据为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件T恰当地动作所需要的各个元件尺寸。接着，研究如何配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件T。
“各元件的配置：第一配置”
图12是用于说明配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图。
将自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的大小以最小加工尺寸表示时，x方向的长度L1为n1F，y方向的长度L2为n2F。n1及n2为设计值，但具有表1所示那样的相对关系。
另一方面，为了确保源电极的宽度、漏电极的宽度及源电极与漏电极间的沟道区域，控制元件T的一边的长度需要为3F。与之相对，另一边的长度n3F根据流过沟道C的电流量决定(参照表1)。
将这些元件配设于规定的区域R内。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和控制元件T不需要在同一平面上加工，使其从z方向观察能够重叠。与之相对，考虑到配线等的布置，使控制元件T沿y方向并列。
图13是表示根据图12的配置而配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件及两个控制元件时的单位单元的元件结构的立体示意图。图13中，作为控制元件，将元件选择用控制元件120和写入用控制元件130装入单位单元，且是根据图10的电路图的构造。如图13所示，连接三个控制元件的配线被布置成不会相互短路。即，可知图12所示的控制元件的配置即使考虑立体结构也是可能的。此外，即使在根据图9的电路图的情况下(图视省略)，也确认到能够采用立体结构。
如图12及图13所示，在存在于同一平面的邻接的元件间，需要用于避免元件彼此的短路的空间。该空间中需要最小加工尺寸F量的间隔。即，作为集成电路的单位单元，y方向上需要8F量的宽度。
集成电路的单位单元的x方向需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)或控制元件T的x方向的长度(n3F)的任一较大的一方以上的大小。作为实际制作贯通通路B(参照图12)的空间(2F)、确保邻接的元件间的距离的空间(1F)，需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)或控制元件T的x方向的长度(n3F)的任一较大的一方的值加上3F的量的宽度。
在此，贯通通路B的尺寸假定在一方向上需要最小加工尺寸量F。但是，现实制作贯通通路B所需要的尺寸根据制造商的使用不同而各异。因此，在为了制作贯通通路B所需要的尺寸不同的情况下，需要在x方向上加上将该尺寸放大2倍的值。放大2倍是由于需要两个贯通通路。另外，对于y方向，在从z方向观察不能将贯通通路B与控制元件重叠的情况下，也需要将这样的尺寸量加上8F。
此外，贯通通路尺寸的追加对单元面积的绝对值造成影响，但不会对相对关系造成影响。因此，即使使用假定的数值进行计算，大小关系也不会变化。
如表1所示，在除实施例11以外的大部分情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)决定集成电路的单位单元所需要的x方向的大小。
如上述，集成电路的单位单元所需要的单元面积为8F×{(n1F或n3F)+3}。在此，“n1F或n3F”选择任一较大的一方。改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积在表1中表示。
单元面积随着磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n1F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)的差越大而越大。这是由于，如图12所示，未形成元件的死区DS增加。即，从集成性的观点来看，磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n1F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)的差越小越好。此外，如图14所示，也可以以弥补死区DS的方式，配设自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及控制元件T，提高集成度。
另一方面，优选从缩小反转电流量的观点来看，即使磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n2F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)的差变大，也优选减小磁阻效应元件10的y方向的宽度L2(n2F)。
另外，表2中表示将最小加工尺寸F设为10nm并进行同样的研究的结果，表3中表示将最小加工尺寸F设为28nm并进行同样的研究的结果。表2及表3中也能够确认到同样的结果。
【表2】
Figure BDA0001443816550000251
【表3】
Figure BDA0001443816550000252
此外，比较例1～5中，磁阻效应元件的y方向的宽度L2比x方向的宽度L1大，磁化反转所需要的反转电流量较大。另外，集成电路的单元面积的x方向的宽度由控制元件的大小引起，集成度变差。
“各元件的配置：第二配置”
上述的第一配置中，沿y方向并列配置控制元件，但也能够沿x方向并列配置控制元件T。
图15是用于说明为了配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图。图16是表示根据图15的配置而配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件及两个控制元件时的单位单元的元件结构的立体示意图。
图16中，作为控制元件，将元件选择用控制元件120和写入用控制元件130装入单位单元，且是根据图10的电路图的构造。如图16所示，连接三个控制元件的配线被布置成不会相互短路。即，可知图16所示的控制元件的配置即使考虑立体结构也是可能的。此外，即使在根据图9的电路图的情况下(图视省略)，也确认到能够采用立体结构。
如图15所示，各元件的大小不变化。另一方面，通过配置变化，设置两个控制元件所需要的x方向的宽度变化。两个控制元件所需要的x方向的宽度成为各元件的x方向的宽度(3F)的2倍加上元件间的距离(n4F)的值。元件间的距离最短需要F，因此，两个控制元件所需要的x方向的宽度最低需要7F以上。另外，为了确保与相邻的单位单元的间隔，需要1F，因此，需要8F以上。
即，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度加上贯通通路量的空间(2F)及单元间的空间(F)的值(n1F+2F+F)比控制元件T的x方向的最小长度(8F)大的情况下，集成电路的单位单元的x方向上需要前者(n1F+2F+F)的大小。另一方面，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度加上两个贯通通路量的空间的值(n1F+2F)比控制元件T的x方向的最小长度(8F)小的情况下，在集成电路的单位单元的x方向上需要后者(8F)的大小。
与之相对，在集成电路的单位单元的y方向上需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的y方向的长度(n2F)或控制元件T的y方向的长度(n3F)的任一较大的一方以上的大小。作为实际确保邻接的元件间的距离的空间(1F)，需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的y方向的长度(n2F)或控制元件T的y方向的长度(n3F)的任一较大的一方的值加上F的量的宽度。
因此，集成电路的单位单元所需要的单元面积为{(n1F+2F+F)或8F}×{(n2F+F)或(n3F+F)}。该单元面积的测定计算中的“或”是分别选择任一较大的一方。
表4中表示将最小加工尺寸F定为7nm且改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积，表5中表示将最小加工尺寸F定为10nm且改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积，表6中表示将最小加工尺寸F定为28nm且改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积。此外，各元件的尺寸不会变化，因此，集成电路的单元尺寸以外的值与表1～表3一致。
【表4】
Figure BDA0001443816550000271
【表5】
Figure BDA0001443816550000272
【表6】
Figure BDA0001443816550000273

Claims (14)

1.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其具备：
磁阻效应元件，其具有磁化方向被固定的第一铁磁性金属层、磁化方向变化的第二铁磁性金属层、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；以及
自旋轨道转矩配线，其沿相对于所述磁阻效应元件的层叠方向交叉的第一方向延伸，并与所述第二铁磁性金属层接合，
所述第二铁磁性金属层的磁化的朝向为所述磁阻效应元件的层叠方向，
所述第二铁磁性金属层具有形状各向异性，沿着所述第一方向的长度比沿着与所述第一方向及所述层叠方向正交的第二方向的长度更长。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件具有：椭圆区域，其与从所述层叠方向观察所述磁阻效应元件所得的平面形状内切；外部区域，其位于比所述椭圆区域更靠所述第一方向的外侧的位置。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件从所述层叠方向观察为长方形。
4.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件的沿着所述第一方向的长度为60nm以下。
5.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
将所述自旋轨道转矩配线的所述第二方向上的端部设为第一端部及第二端部，
作为所述磁阻效应元件的所述第二方向上的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，将接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，
所述第一端部和所述第三端部的距离及所述第二端部和所述第四端部的距离分别大于0，且至少任一方为所述自旋轨道转矩配线的自旋扩散长度以下。
6.根据权利要求5所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述第一端部和所述第三端部的距离与所述第二端部和所述第四端部的距离不同。
7.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
将所述自旋轨道转矩配线的所述第二方向上的端部设为第一端部及第二端部，
作为所述磁阻效应元件的所述第二方向上的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，将接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，
所述第一端部和所述第三端部的距离及所述第二端部和所述第四端部的距离分别大于0。
8.根据权利要求7所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件的长轴相对于所述第一方向倾斜角度θ。
9.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件的从层叠方向观察的平面形状是不具有边缘的形状。
10.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层、所述非磁性层以及所述第二铁磁性金属层的3个平面形状从层叠方向观察重叠。
11.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
从层叠方向观察所述磁阻效应元件时的截面面积为6300nm2以上。
12.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述磁阻效应元件的所述第一方向的第一长度L1为82nm以上且900nm以下，
所述磁阻效应元件的所述第二方向的第二长度L2为7nm以上且77nm以下，
所述第一长度与所述第二长度的积L1×L2为6300nm2以上。
13.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，是权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，其中，具有：
形成具有所述第一铁磁性金属层、所述非磁性层及所述第二铁磁性金属层的层叠体的工序；
将所述层叠体沿一个方向进行加工的工序；以及
将沿所述一个方向加工后的所述层叠体沿与所述一个方向交叉的另一个方向加工的工序。
14.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，是权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法，其中，具有：
形成具有所述第一铁磁性金属层、所述非磁性层及所述第二铁磁性金属层的层叠体的工序；
在所述层叠体的一面形成掩模的工序，其中，所述掩模具有：从所述层叠体的层叠方向观察能够内切椭圆的长方形区域，和位于所述长方形区域的角部或长边部且从所述长方形区域突出的突出区域；以及
经由所述掩模加工所述层叠体的工序。
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