CN108011039A - 自旋轨道转矩型磁化反转元件及磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，能够容易进行磁化反转。该自旋轨道转矩型磁化反转元件具有：铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其与所述铁磁性金属层接合；界面应变供给层，其与所述自旋轨道转矩配线的与所述铁磁性金属层相反侧的面接合。

Description

自旋轨道转矩型磁化反转元件及磁存储器
技术领域
本发明涉及自旋轨道转矩型磁化反转元件及磁存储器。
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)元件及使用绝缘层(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元件备受关注。
MRAM利用夹着绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化方向发生变化时，TMR元件的元件电阻变化这种特性来读写数据。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、利用通过在磁阻效应元件的层叠方向上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。
从能效的观点来考虑时，使用了STT的TMR元件的磁化反转是高效的，但用于进行磁化反转的反转电流密度高。从TMR元件的长寿命的观点来看，希望该反转电流密度低。这一点对GMR元件来说也同样。
因此，近年来，作为降低反转电流的手段，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被关注(例如，非专利文献1)。该机理虽然还不十分明确，但认为通过自旋轨道相互作用或不同类型材料的界面的Rashba效应而产生的纯自旋流会诱发自旋轨道转矩(SOT)，产生磁化反转。
纯自旋流是通过向上自旋的电子和向下自旋的电子彼此同数量地向相反方向流动而产生的，电荷的流动相互抵消。因此，向磁阻效应元件流动的电流为零，磁阻效应元件期待长寿命化。
另外，可以说SOT的磁化反转因Rashba效应而需要的电流密度也与STT的磁化反转所需要的反转电流密度同等(例如，非专利文献2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：S.Fukami，T.Anekawa，C.Zhang and H.Ohno，NatureNanotechnology，DOI：10.1038/NNANO.2016.29.
非专利文献2：S.Emori，T.Nan，A.M.Belkessam，X.Wang，A.D.Matyushov，C.J.Babroski，Y.Gao，H.Lin and N.X.Sun，Physical Review B(2016).DOI：10.1103/PhysRevB.93.180402.
非专利文献3：国立研究开发法人物质·材料研究机构，“AtomWork”，[平成28年10月13日检索]，网址〈URL：http：//crystdb.nims.go.jp/〉.
非专利文献4：Yibin Xu，Masayoshi Yamazaki，and PierreVillars.InorganicMaterials Database for Exploring the Nature ofMaterial.JPn.J.Appl.Phys.50(2011)11RHO2.
发明所要解决的课题
但是，为了仅由SOT进行磁化反转，认为需要从外部施加磁场等而赋予磁化反转的契机。这是因为仅由要体现的SOT难以对磁化赋予充分的转矩。因此，要求体现更大的SOT。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其能够容易地进行磁化反转。
用于解决课题的技术方案
虽然SOT的体现原因还不十分明确，但认为大体上具有内因和外因。
内因是由构成自旋轨道转矩配线的材料自身引起的。例如具有：由自旋轨道转矩配线所使用的材料类型引起的内因、由自旋轨道转矩配线的晶体结构引起的内因。
另一方面，外因由从外部施加的作用引起，是内因以外的原因。例如具有：由自旋轨道转矩配线所含的杂质等散乱因子引起的外因、由自旋轨道转矩配线和其他层的界面引起的外因等。
本发明人员在种种体现原因中着重于由自旋轨道转矩配线和其他层的界面引起的原因。发现通过对界面赋予应变，能够在自旋轨道转矩配线内产生“由应变产生的内场”，能够体现更大的SOT。
在使用了STT的TMR元件等中，通常是在晶体界面上以不产生应变的方式进行晶体生长。这是为了减小TMR元件的层叠方向的电阻值，且减小施加于TMR元件的偏压。这样，对晶体界面赋予应变的是在利用自旋的元件中通常要回避的结构，是打开自旋轨道转矩型磁化反转元件的新方向性的结构。
(1)第一方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件具有：铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其与所述铁磁性金属层接合；界面应变供给层，其与所述自旋轨道转矩配线的与所述铁磁性金属层相反侧的面接合。
(2)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线和所述界面应变供给层的晶格不匹配度也可以为5％以上。
(3)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线和所述界面应变供给层的晶格不匹配度也可以为5％以上10％以下。
(4)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线也可以具有fcc结构，所述界面应变供给层也可以具有NaCl结构、刚玉结构或金红石结构中的任一种。
(5)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线也可以具有bcc结构，所述界面应变供给层也可以具有NaCl结构、刚玉结构、金红石结构或尖晶石结构中的任一种。
(6)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线也可以具有hcp结构，所述界面应变供给层也可以具有刚玉结构。
(7)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述界面应变供给层也可以为绝缘体。
(8)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述界面应变供给层也可以为厚度1nm以下的导体。
(9)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线的厚度也可以为构成自旋轨道转矩配线的材料的自旋扩散长度的2倍以下的厚度。
(10)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以为在所述铁磁性金属层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的面上还具有非磁性层、和磁化方向被固定的固定层的结构。
(11)第二方式的磁存储器具有上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
发明效果
根据本发明，能够提供一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其能够容易使铁磁性层的磁化方向反转。
附图说明
图1是本实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件的示意图；
图2是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图；
图3是沿着y方向剖切本实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件所得的剖面示意图；
图4是示意性地表示具有NaCl结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图5是示意性地表示具有NaCl结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图6是示意性地表示具有金红石结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图7是示意性地表示具有金红石结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图8是示意性地表示具有刚玉结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图9是示意性地表示具有刚玉结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图10是示意性地表示具有刚玉结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图11是示意性地表示具有尖晶石结构的界面应变供给层和自旋轨道转矩配线的接合界面的图；
图12是表示本实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件的另一例的示意图。
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…磁阻效应元件
20…自旋轨道转矩配线
30…界面应变供给层
100、101…自旋轨道转矩型磁化反转元件
S1…第一自旋
S2…第二自旋
I…电流
Js…纯自旋流
A…A格点
B…B格点
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，在附图的说明中，在同一元件上附带同一符号，省略重复的说明。
(自旋轨道转矩型磁化反转元件)
图1是示意性表示第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图。
第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件100具有：磁阻效应元件10、自旋轨道转矩配线20、界面应变供给层30。
下面，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方向都垂直的第二方向设为y方向。
〈磁阻效应元件〉
磁阻效应元件10具有：磁化方向变化的第一铁磁性金属层1、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层2、由第一铁磁性金属层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通过第二铁磁性金属层2的磁化被单向地固定，且第一铁磁性金属层1的磁化方向相对地变化而发挥功能。在应用于矫顽力差异型(伪自旋阀型；Pseudospin 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，第一铁磁性金属层通过与反铁磁性层的交换耦合，磁化方向被固定。
另外，磁阻效应元件10在非磁性层3由绝缘体构成的情况下，为隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层3由金属构成的情况下，为巨大磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
磁阻效应元件的层叠结构可采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层可以由多个层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性金属层2的磁化方向的反铁磁性层等其他层。第二铁磁性金属层2被称为固定层或参照层，第一铁磁性金属层1被称为自由层或存储层等。
作为第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的材料，可使用铁磁性材料。
例如可举出：选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属、含有一种以上选自该组中的金属的合金、或含有选自该组中的一或多个金属和B、C、及N中的至少一种以上的元素的合金。具体地说，可例示Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe。
另外，作为第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的材料，可使用Co2FeSi等哈斯勒合金。哈斯勒合金的自旋极化率高，可实现高MR比。哈斯勒合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物。X在元素周期表上为Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素。Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属，也可取X的元素类型。
Z为III族～V族的典型元素。例如可举出：Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
在将第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的磁化方向制成相对于层叠面垂直的情况下，优选将铁磁性材料设为3nm以下。在与非磁性层3的界面上，能够对第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2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一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的膜厚而衰减，所以第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的膜厚越薄越好。
另外，为了进一步加大第二铁磁性金属层2的相对于第一铁磁性金属层1的矫顽力，作为与第二铁磁性金属层2接触的材料，也可以使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料。进而，为了不使第二铁磁性金属层2的漏磁场影响到第一铁磁性金属层1，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
进而，在将第二铁磁性金属层2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，第二铁磁性金属层2可从非磁性层3侧起依次设为FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6。
作为非磁性层3，可使用公知的材料。
例如，在非磁性层3由绝缘体构成的情况(隧道势垒层的情况)下，作为其材料，可使用A12O3、SiO2、MgO及MgAl2O4等。除此之外，也可使用A1、Si、Mg的一部分被替换为Zn、Be等而成的材料等。其中，因为MgO或MgA12O4是能够实现相干隧道的材料，所以能够高效地将自旋注入。
在非磁性层3由金属构成的情况下，作为其材料，可使用Cu、Au、Ag等。
另外，磁阻效应元件10也可以具有其他层。例如，可以在第二铁磁性金属层2的与非磁性层3相反侧的面上具有盖层，也可以在第一铁磁性金属层1的与非磁性层3相反侧的面上具有基底层。
配设于自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10之间的层优选不使从自旋轨道转矩配线20传播的自旋散失。例如，银、铜、镁及铝等的自旋扩散长度长达100nm以上，可知自旋难以散失。
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传播的自旋充分地传递到磁阻效应元件10。
由构成磁阻效应元件10的第一铁磁性金属层1、非磁性层3及第二铁磁性金属层2构成的层叠体为柱状的形状。层叠体的俯视形状可取圆形、四边形、三角形、多边形等种种形状。从磁化的热稳定性方面来看，优选为对称性优异的圆形，在磁化反转的难易度方面来看，优选为单向地具有各向异性的椭圆、长方形等。
层叠体的最大径优选为80nm以下，更优选为60nm以下，进一步优选为30nm以下。这里，所谓最大径，在层叠体为俯视圆形的情况下，为直径，在具有各向异性的情况下，为长轴径。
当最大径为80nm以下时，难以在铁磁性金属层中形成磁畴结构，不需要考虑铁磁性金属层的不同于自旋极化的成分。进而，如果为30nm以下，则会在铁磁性金属层中成为单一的磁畴结构，磁化反转速度及概率得到改善。另外，在小型化后的磁阻效应元件中，特别是低电阻化的需求强烈。
〈自旋轨道转矩配线〉
自旋轨道转矩配线20与第一铁磁性金属层1的z方向的一面连接。
自旋轨道转矩配线20可以与第一铁磁性金属层1直接连接，也可以经由其他层而连接。
自旋轨道转矩配线20由在电流通过时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20中生成纯自旋流的结构的材料足够。因此，不局限于由单体的元素构成的材料，也可以为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构成的材料等。
自旋霍尔效应是在对材料流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用而在与电流的流向正交的方向上诱发纯自旋流的现象。
图2是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图。图2是沿着x方向剖切图1所示的自旋轨道转矩配线20所得的剖面图。下面，基于图2对通过自旋霍尔效应而产生纯自旋流的机理进行说明。
如图2所示，当在自旋轨道转矩配线20的延伸方向上流通电流1时，向纸面进深侧取向的第一自旋S1和向纸面跟前侧取向的第二自旋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)方向弯曲这一点上共同，但通常的霍尔效应是在磁场中运动的带电粒子受洛仑兹力而使运动方向弯曲的，与此相对，在自旋霍尔效应中，虽然不存在磁场，但仅靠电子移动(仅电流流动)就可使移动方向弯曲，两者在这一点上大大地不同。
在非磁性体(非铁磁性体的材料)中，由于第一自旋S1的电子数和第二自旋S2的电子数相等，因此在图中朝向上方向的第一自旋S1的电子数和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被特别地称为纯自旋流。
在向铁磁性体中流通电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2在彼此向相反方向弯曲这一点上是相同的。另一方面，在铁磁性体中中，第一自旋S1和第二自旋S2都是多的状态，作为结果，在导致产生电荷的净流量(导致产生电压)这一点上不同。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。
这里，当将第一自旋S1的电子流表示为J↑、将第二自旋S2的电子流表示为J↓、将自旋流表示为Js时，就用Js＝J↑－J↓来定义。在图2中，作为纯自旋流，Js向图中的上方向流动。这里，Js是极化率为100％的电子流。
在图1中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线20的上表面接触时，纯自旋流就向铁磁性体中扩散而流入。即，向磁阻效应元件10注入自旋。
自旋轨道转矩配线20也可以不含有非磁性重金属。这里，重金属是按照具有钇以上的比重的金属的意思来使用的。自旋轨道转矩配线20也可以仅由非磁性的重金属构成。
在这种情况下，非磁性重金属优选为在最外层具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号较大的非磁性金属。这是因为这种非磁性金属在产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用上较大。自旋轨道转矩配线20也可以仅由在最外层具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号较大的非磁性金属构成。
通常，当向金属流通电流时，所有的电子不管其自旋方向如何，都向与电流相反的方向运动，与此相对，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，所以电子运动的方向会因自旋霍尔效应而依赖于电子的自旋方向，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或重金属等杂质。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杂质时，自旋轨道相互作用增强，能够提高相对于向自旋轨道转矩配线20流通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。
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固有的内场而产生的，所以在非磁性材料中，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杂质时，磁性金属自身会使流动的电子自旋散乱，所以自旋流生成效率提高。但是，当磁性金属的添加量过大时，所产生的纯自旋流就会因被添加的磁性金属而散乱，所以作为结果，自旋流减少的作用增强。因此，要添加的磁性金属的摩尔比优选比自旋轨道转矩配线的纯自旋生成部的主要成分的摩尔比充分小。总而言之，被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，但在其表面产生了自旋极化后的金属状态的物质。在物质内部具有自旋轨道相互作用之类的像内部磁场一样的东西。因此，即使没有外部磁场，也会因自旋轨道相互作用的效应而体现新的拓扑相。这就是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘的反转对称性的破坏，能够高效地生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，优选为例如：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。
自旋轨道转矩配线20的厚度优选为构成自旋轨道转矩配线的材料的自旋扩散长度的2倍以下的厚度。如果是自旋扩散长度的2倍左右，则自旋就能够维持其信息。即，后述的在界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的界面上产生的自旋也能够有助于第一铁磁性金属层的磁化反转。
〈界面应变供给层〉
界面应变供给层30是对构成自旋轨道转矩配线20的晶体的晶体结构赋予应变的层。界面应变供给层30设置于自旋轨道转矩配线20的与磁阻效应元件10相反侧。界面应变供给层30在从z方向看时，至少一部分与磁阻效应元件10重叠。自旋轨道转矩配线20相对于界面应变供给层30进行异质外延生长。
图3是在沿着y方向剖切了自旋轨道转矩型磁化反转元件100的剖面中，示意性地表示磁阻效应元件10的第一铁磁性金属层1和界面应变供给层30的z方向的原子排列L的图。
磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20的界面的彼此的晶体结构相匹配。因此，能够实现磁阻效应元件10的第一铁磁性金属层1和非磁性层3的晶格匹配，能够增大磁阻效应元件10的MR比。
与此相对，在界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的界面中，在彼此的晶体结构上设有不匹配度。因此，在自旋轨道转矩配线20内，晶体结构以缓和该晶格应变的方式被打乱，在自旋轨道转矩配线20内形成内场。
引起SOT的Rashba效应是因界面及自旋轨道转矩配线20内部的空间对称性的破坏而产生的现象。因此，当在界面上设有应变且在自旋轨道转矩配线20内形成内场时，自旋霍尔效应就增大。即，向第一铁磁性金属层1注入的自旋量增大，第一铁磁性金属层1的磁化易反转。
界面应变供给层30优选与自旋轨道转矩配线20的晶格不匹配度为5％以上，更优选为5％以上10％以下。
“晶格不匹配度”是在晶体界面中表示两个晶体的匹配状态的指标。晶格不匹配度越大，彼此的晶体越不匹配，在晶体界面上彼此的晶体晶格越发生应变。通常，可以说当晶格不匹配度低于5％时，即使具有晶体界面，也会按照下层的晶体结构发生外延生长。
晶格不匹配度的算法因界面应变供给层30及自旋轨道转矩配线20采取什么样的晶体结构而不同。
例如，在界面应变供给层30具有NaC1结构的情况下，作为边发生界面应变边进行晶体生长的自旋轨道转矩配线20的晶体结构，考虑采用fcc结构、bcc结构。
图4及图5是示意性地表示界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的接合界面的图。如图4及图5所示，在界面应变供给层30具有NaC1结构的情况下，A格点和B格点以交替地制作正方形的方式排列。即，界面应变供给层30的晶格常数成为aNaCl。
如图4所示，在自旋轨道转矩配线20为fcc结构的情况下，在立方晶即NaC1结构上，立方晶即fcc结构以使彼此的单位晶格的边一致的方式生长。在图4中，自旋轨道转矩配线20的单位晶格用虚线图示。以下，将这种晶体生长称为“Cubic on Cbic(ConC)生长”。
在ConC生长中，因为以使彼此的单位晶格的边一致的方式生长，所以晶格不匹配度用下式(1)表示。此外，在式(1)中，afcc是具有fcc结构的界面应变供给层30的晶格常数。
【公式1】
与此相对，如图5所示，在自旋轨道转矩配线20为bcc结构的情况下，在立方晶即NaC1结构上，立方晶即bcc结构以使彼此的单位晶格进行45°面内旋转的方式生长。在图5中，自旋轨道转矩配线20的单位晶格用虚线图示。以下，将这种晶体生长称为“Rotate45(R45)生长”。
在R45生长中，界面应变供给层30的单位晶格的边与自旋轨道转矩配线20的单位晶格的对角线相对应。因此，晶格不匹配度用下式(2)表示。此外，在式(2)中，abcc是具有bcc结构的界面应变供给层30的晶格常数。
【公式2】
作为构成采取NaC1结构的界面应变供给层30的材料，具有氧化镁(MgO)、氧化铁(FeO)、氧化钒(VO)、氧化锰(MnO)、氧化钴(CoO)、氧化镍(Nio)等。
作为采取fcc结构的自旋轨道转矩配线20，可举出：铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)等。另外，作为采取bcc的自旋轨道转矩配线20，可举出：钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)等。这些材料例如在第一铁磁性金属层1使用铁(Fe)的情况下，与第一铁磁性金属层1的晶格匹配性均优异。
另外，在界面应变供给层30具有金红石结构的情况下，也可用与NaCl结构同样的公式来表示晶格不匹配度。在界面应变供给层30具有金红石结构的情况下，作为边发生界面应变边进行晶体生长的自旋轨道转矩配线20的晶体结构，也考虑采用fcc结构、bcc结构。
图6及图7是示意性地表示界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的接合界面的图。如图6及图7所示，在界面应变供给层30具有金红石结构的情况下，在从z方向看时，由配置于正方形的各顶点及中央的A格点和包围中央的A格点的四个B格点形成一个单位晶格。即，界面应变供给层30的晶格常数成为aruti。
如图6所示，在自旋轨道转矩配线20具有fcc结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上进行ConC生长。
因此，当设具有fcc结构的界面应变供给层30的晶格常数为afcc时，下式(3)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式3】
另外，如图7所示，在自旋轨道转矩配线20为bcc结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上进行R45生长。
因此，当设具有bcc结构的界面应变供给层30的晶格常数为abcc时，下式(4)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式4】
作为构成采取金红石结构的界面应变供给层30的材料，具有：二氧化钛(TiO2)、二氧化锰(MnO2)、二氧化钌(RuO2)、二氧化锡(SnO2)等。其中，二氧化锰(MnO2)因晶格不匹配度处于适当的范围内，而能够产生适度的晶格应变。
另外，界面应变供给层30具有刚玉结构的情况存在。作为边在刚玉结构上发生界面应变边进行晶体生长的自旋轨道转矩配线20的晶体结构，考虑采用fcc结构、bcc结构、hcp结构。
图8、图9及图10是示意性地表示界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的接合界面的图。如图8、图9及图10所示，在界面应变供给层30具有刚玉结构的情况下，单位晶格成为连结四个A格点的平行四边形。即，界面应变供给层30的晶格常数成为acor。
如图8所示，在自旋轨道转矩配线20为fcc结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上向＜111＞方向进行晶体生长。因此，自旋轨道转矩配线20的与界面应变供给层30相匹配的面为(111)面。
Fcc结构的(111)面的配置为三角形状的原子以最密状态进行排列。
该三角形的一个边与单位晶格afcc的对角线的长度相等。因此，fcc结构的(111)面的三角形和刚玉结构的具有周期性的结构的对应关系成为晶格不匹配度。在刚玉结构中，如图8所示，连接A格点的三角形具有周期性。即，下式(5)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式5】
另一方面，如图9所示，在自旋轨道转矩配线20为bcc结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上向＜110＞方向进行晶体生长。因此，自旋轨道转矩配线20的与界面应变供给层30相匹配的面为(110)面。
bcc结构的(110)面的原子排列为长方形状。该长方形的长边与单位晶格abcc的对角线的长度相等。因此，bcc结构的(110)面的长方形和刚玉结构的具有周期性的结构的对应关系成为晶格不匹配度。如图9所示，在刚玉结构中，连接在中央具有A格点的四个A格点所得的长方形具有周期性。即，下式(6)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式6】
另外，如图10所示，在自旋轨道转矩配线20为hcp结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上向＜0001＞方向进行晶体生长。因此，自旋轨道转矩配线20的与界面应变供给层30相匹配的面为(0001)面。
hcp结构的(0001)面的原子排列为六方最密状。该六边形的一个边为单位晶格ahcp。另一方面，在刚玉结构中，连接A格点而制作的六边形具有周期性。因此，hcp结构的(0001)面的六边形和在刚玉结构中具有周期性的六边形的一致度成为晶格不匹配度。即，下式(7)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式7】
作为采取hcp结构的自旋轨道转矩配线20，可举出钛(Ti)等。作为构成采取刚玉结构的界面应变供给层30的材料，具有：氧化铝(A12O3)、三氧化二钛(Ti2O3)、三氧化二钒(V2O3)、三氧化二铬(Cr2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)、三氧化二镓(Ga2O3)、三氧化二钌(Rh2O3)等。
另外，界面应变供给层30具有尖晶石结构的情况。作为边在尖晶石结构上发生界面应变边进行晶体生长的自旋轨道转矩配线20的晶体结构，考虑采用bcc结构。
图11是示意性地表示界面应变供给层30和自旋轨道转矩配线20的接合界面的图。如图11所示，在界面应变供给层30具有尖晶石结构的情况下，单位晶格成为连结四个A格点的四边形。界面应变供给层30的晶格常数成为aspinel。
如图11所示，在自旋轨道转矩配线20为bcc结构的情况下，自旋轨道转矩配线20在界面应变供给层30上进行R45生长。在尖晶石结构的情况下，单位晶格因为重复形成有单位晶格的4分之1大小的正方形，所以单位晶格的4分之1大小的正方形和界面应变供给层30的一致度成为晶格不匹配度。即，下式(8)成为表示晶格不匹配度的公式。
【公式8】
界面应变供给层30优选为绝缘体。如果界面应变供给层30为绝缘体，则在自旋轨道转矩配线20流通的电流不会向界面应变供给层30漏出。纯自旋流通过在自旋轨道转矩配线20内流动的电流而产生。通过将界面应变供给层30设为绝缘体，能够对自旋轨道转矩配线20施加足够的电流。
另一方面，如果界面应变供给层30的厚度为1nm以下，则界面应变供给层30也可以为导体。这里，导体是指具有1mΩcm以下的电阻率的导体。如界面应变供给层30的厚度足够薄，则不能在界面应变供给层30流通许多电流，能够在自旋轨道转矩配线20流通足够量的电流。
作为能够用于界面应变供给层30的导体，可举出氮化物等。例如可使用具有六边形结构的Ta2N、具有NaCl结构的TaN等。例如，Ta2N的电阻率为198μΩcm(0.198mΩcm)。
如上所述，本实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件通过设置界面应变供给层30，能够在自旋轨道转矩配线20内形成内场。即，通过Rashba效应，能够使自旋霍尔效应增大，能够使向第一铁磁性金属层1注入的自旋量增加。即，即使是较小的反转电流密度，也能够供给足够的自旋，能够使第一铁磁性金属层1的磁化反转。
这种自旋轨道转矩型磁化反转元件100能够用于磁存储器、高频磁性器件等。
(制造方法)
自旋轨道转矩型磁化反转元件可利用溅射法等成膜技术和光刻法等形状加工技术而得到。
首先，在成为支承体的基板上，制作界面应变供给层及自旋轨道转矩配线。
通过溅射等公知的成膜手段对构成自旋轨道转矩配线的金属进行成膜。接着，利用光刻法等技术，将自旋轨道转矩配线加工成规定的形状。
然后，自旋轨道转矩配线以外的部分用氧化膜等绝缘膜来覆盖。自旋轨道转矩配线及绝缘膜的露出面优选通过化学机械抛光(CMP)来抛光。
接着，制作磁阻效应元件。磁阻效应元件可利用溅射等公知的成膜手段来制作。在磁阻效应元件为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程度的成为镁、铝及多个非磁性元素的二价阳离子的金属薄膜，然后进行等离子体氧化或通过导入氧而实现的自然氧化，其后进行热处理而形成。作为成膜法，除溅射法以外，还可举出：蒸镀法、激光消融法、MBE法等。
所得到的层叠膜优选进行退火处理。通过反应性溅射而形成的层为非晶层，需要结晶化。例如，在使用Co－Fe－B作为铁磁性金属层的情况下，通过退火处理而去掉B的一部分来结晶化。
进行了退火处理而制造出的磁阻效应元件10与不进行退火处理而制造出的磁阻效应元件10相比，MR比提高。认为这是因为通过退火处理，非磁性层3的隧道势垒层的晶体尺寸的均匀性及取向性均有所提高。
作为退火处理，优选在Ar等惰性气氛中，在300℃以上500℃以下的温度下，加热5分钟以上100分钟以下的时间，然后在施加有2kOe以上10kOe以下的磁场的状态下，在100℃以上500℃以下的温度下，加热1小时以上10小时以下的时间。
作为将磁阻效应元件制成规定形状的方法，可利用光刻法等加工手段。首先，将磁阻效应元件层叠，然后在磁阻效应元件的与自旋轨道转矩配线相反侧的面上，涂布抗蚀剂。然后，使规定部分的抗蚀剂固化，去除不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂固化后的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂固化后的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
然后，对形成有保护膜的面实施离子铣、反应性离子蚀刻(RIE)等处理。未形成有保护膜的部分被去除，得到规定形状的磁阻效应元件。
本发明不必局限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，在不脱离本发明宗旨的范围内，可加以种种变更。
例如，自旋轨道转矩型磁化反转元件不必具有磁阻效应元件10，也可以采用在自旋轨道转矩配线20上设有铁磁性金属层单体的结构。
图12是示意性地表示第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件的另一例的图。图12所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件101具有：磁化方向变化的第一铁磁性金属层1、自旋轨道转矩配线20、界面应变供给层30。
自旋轨道转矩型磁化反转元件101的第一铁磁性金属层1的磁化通过由从自旋轨道转矩配线20供给的纯自旋流产生的SOT，进行磁化反转。另外，因为界面应变供给层30设置于自旋轨道转矩配线20的与第一铁磁性金属层1相反侧的面，所以能够将更多的自旋注入到第一铁磁性金属层1内。即，能够以较小的反转电流密度使第一铁磁性金属层1的磁化反转。
图12所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件101能够用作利用克尔效应或法拉第效应的磁性光学元件。
另外，界面应变供给层也可以不设置于自旋轨道转矩配线的与铁磁性金属层相反侧。例如，如果第一铁磁性金属层的磁化方向也可以发生应变，则也可以在自旋轨道转矩配线和第一铁磁性金属层之间设置界面应变供给层。另外，也可以不设置界面应变供给层，而是仅使自旋轨道转矩配线和第一铁磁性金属层之间的界面发生应变。但是，在这种情况下，克尔效应等磁光效应及磁阻效应元件的MR比就会下降。
【实施例】
(晶格不匹配度的算出)
分别变更自旋轨道转矩配线所使用的材料和界面应变供给层所使用的材料，每一种材料都求出晶格不匹配度。
各自材料的晶格常数通过实测及计算来求出。在计算上，使用非专利文献3的格点而求出。此外，非专利文献3的格点基于非专利文献4而制作。
首先，选择具有NaC1结构的材料作为界面应变供给层。变更与此相对的自旋轨道转矩配线，基于式(1)及式(2)，求出各自的晶格不匹配度。在自旋轨道转矩配线为fcc结构的情况下，设为ConC生长，在bcc结构的情况下，设为R45生长。将其结果表示在表1中。
【表1】
接着，选择具有金红石结构的材料作为界面应变供给层。变更与此相对的自旋轨道转矩配线，基于式(3)及式(4)，求出求各自的晶格不匹配度。在自旋轨道转矩配线为fcc结构的情况下，设为ConC生长，在bcc结构的情况下，设为R45生长。将其结果表示在表2中。
【表2】
接着，选择具有刚玉结构的材料作为界面应变供给层。变更与之相对的自旋轨道转矩配线，基于式(5)、式(6)及式(7)，求出各自的晶格不匹配度。将其结果表示在表3中。
【表3】
接着，选择具有尖晶石结构、纤锌矿型结构、六边形结构的材料作为界面应变供给层。变更与之相对的自旋轨道转矩配线。关于尖晶石结构，基于式(8)，求出晶格不匹配度。
纤锌矿型结构及六边形结构的原子配置为俯视六边形状。因此，设为其晶格常数和fcc结构的(111)面的具有周期结构的六边形的一个边、bcc结构的(110)面的具有周期结构的六边形的一个边或hcp结构的晶格常数一致，求出晶格不匹配度。将其结果表示在表4中。
【表4】
(反转电流密度的测定)
从表1～表4所示的材料类型的组合中，测定几个组合的反转电流密度。反转电流密度通过磁阻效应元件的电阻值发生了变化时的电流除以沿y方向剖切了自旋轨道转矩配线时的截面积而求出。反转电流密度以磁化从平行状态变成反平行状态时的值和从反平行状态变成平行状态时的值的绝对值的平均值来求出。
电流通过在自旋轨道转矩配线的两端连接有直流电流源而流动。电流设为脉冲宽度为0.5秒的脉冲电流。电流量通过与自旋轨道转矩配线的两端连接的直流电流计来测定。磁阻效应元件的电阻值变化通过将自旋轨道转矩配线相对于磁阻效应元件设为下部电极，然后在与自旋轨道转矩配线相反侧设置上部电极，利用4端子法进行测定。在上部电极和下部电极间连接有直流电流源和直流电压计。
测定反转电流密度的自旋轨道转矩型磁化反转元件采用如下所述的结构。
首先，在基板上使界面应变供给层生长20nm。此外，在界面应变供给层为导体的情况下，使膜厚发生了变化后的TaN或Ta2N生长。基板采用单晶基板，以使界面应变供给层能够进行外延生长。如表5所示，单晶的种类按照界面应变供给层所使用的材料来选择。
接着，在界面应变供给层上，将构成自旋轨道转矩配线的材料成膜10nm。其后，将利用光刻法而成膜的膜加工成宽度200nm长度1000nm的长方形状，制作出自旋轨道转矩配线。在利用光刻法而消除了的部分，形成SiO2作为绝缘体，对自旋轨道转矩配线及绝缘体进行CMP抛光，制作出平坦面。
接着，在所制作出的平坦面上，成膜0.9nm厚的Fe作为第一铁磁性金属层，成膜1.6nm厚的MgO作为非磁性层，成膜1.3nm厚的CoFeB作为第二铁磁性金属层，依次成膜3nm厚的Ru和5nm厚的Ta作为盖层。其后，利用光刻法和Ar离子铣，制作出直径100nm的圆柱状的磁阻效应元件。
从表1～4所示的组合中，选择几个自旋轨道转矩型磁化反转元件的界面歪供给层及自旋轨道转矩配线的材料，测定出反转电流密度，将结果表示在表5中。另外，作为比较例1，也测定出不具有界面应变供给层时的反转电流密度，同时也将结果表示在表5中。
【表5】
如表5所示，导入了界面应变供给层的实施例1～22的反转电流密度均比不具有界面应变供给层的比较例1小。即，通过将界面应变供给层导入，第一铁磁性金属层的磁化易反转。不管界面应变供给层及自旋轨道转矩配线的晶体结构如何，该倾向均已被确认。
另外，如实施例6、实施例14、实施例18、实施例21及实施例22所示，在晶格不匹配度大的(晶格大大地应变)情况下，反转电流密度比实施例1大。另外，如实施例7所示，在晶格不匹配度小的(晶格比较匹配)情况下，反转电流密度也比实施例1大。即，可以说晶格不匹配度特别优选为5％以上10％以下的范围。
另外，当将实施例8～12进行比较时，反转电流密度从具有导电性的TaN的厚度超过1.0nm的边增大。认为是因为随着界面应变供给层的厚度增大，在界面应变供给层流通的电流量增大，在自旋轨道转矩配线流通的电流量相对地下降。
(晶体结构的测定)
因为当自旋轨道转矩配线及磁阻效应元件形成在界面应变供给层上时，不能确认晶体结构，所以界面应变供给层的晶体结构需要另外制作试样来确认。
作为晶体结构确认用的试样，准备在表5所示的各单晶基板上依次层叠有20nm的界面应变供给层、10nm的Ta层的试样。然后，测定该试样的X射线衍射(XRD)，并测定晶体结构。XRD进行垂直面测定(out of plane XRD)和面内测定(in plane XRD)。
另外，同时使用透射型电子显微镜(TEM)，直接确认原子排列。在透射型电子显微镜(TEM)像中，能够确认自旋轨道转矩配线及界面应变供给层的构成晶体的原子，确认从原子的排列起进行异质外延生长。
另外，由进行异质外延生长可知，自旋轨道转矩配线和界面应变供给层的晶格偏离了理论晶格常数，发生了应变。确认难以从TEM像中定量地判断产生了哪种程度的应变，但从自旋轨道转矩配线和界面应变供给层的晶格常数的差别来判断，晶体在界面上发生了应变。进而，在对通过TEM像的傅立叶变换而得到的斑点像以仅剩下垂直面方向的原子排列的斑点的方式进行了逆向傅立叶变换所得的像中，当原子连续排列时，就可得到线是由自旋轨道转矩配线和界面应变供给层连接的像。但是，在由本实施例得到的TEM像中，可确认线是由自旋轨道转矩配线和界面应变供给层的界面的一部分断开的，这可确认为是表示应变的错配位错。

Claims (17)

1.一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其具有：
铁磁性金属层，其磁化方向变化；
自旋轨道转矩配线，其与所述铁磁性金属层接合；以及
界面应变供给层，其与所述自旋轨道转矩配线的与所述铁磁性金属层相反侧的面接合。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线和所述界面应变供给层的晶格不匹配度为5％以上。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线和所述界面应变供给层的晶格不匹配度为5％以上且10％以下。
4.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有fcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构或金红石结构的任一种。
5.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有fcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构或金红石结构的任一种。
6.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有fcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构或金红石结构的任一种。
7.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有bcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构、金红石结构或尖晶石结构的任一种。
8.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有bcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构、金红石结构或尖晶石结构的任一种。
9.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有bcc结构，
所述界面应变供给层具有NaCl结构、刚玉结构、金红石结构或尖晶石结构的任一种。
10.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有hcp结构，
所述界面应变供给层具有刚玉结构。
11.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有hcp结构，
所述界面应变供给层具有刚玉结构。
12.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有hcp结构，
所述界面应变供给层具有刚玉结构。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述界面应变供给层为绝缘体。
14.根据权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述界面应变供给层为厚度1nm以下的导体。
15.根据权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线的厚度为构成自旋轨道转矩配线的材料的自旋扩散长度的2倍以下的厚度。
16.根据权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
在所述铁磁性金属层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的面上还具有非磁性层、和磁化方向被固定的固定层。
17.一种磁存储器，其使用权利要求1～12中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
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