CN108292705B - 自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器 - Google Patents

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明的自旋流磁化反转元件中，具备：磁化方向可变的第二铁磁性金属层(1)；向相对于上述第二铁磁性金属层(1)的垂直于平面的方向交叉的方向延伸，且接合于上述第二铁磁性金属层(1)的自旋轨道力矩配线(2)，上述自旋轨道力矩配线层(2)的、接合于上述第二铁磁性金属层(1)的接合部分的自旋电阻比上述第二铁磁性金属层(1)的自旋电阻大。

Description

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器
技术领域
本发明涉及自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器。
本申请基于2015年11月27日申请于日本的专利申请2015-232334号、2016年3月16日申请于日本的专利申请2016-53072号、2016年3月18日申请于日本的专利申请2016-56058号、2016年10月27日申请于日本的专利申请2016-210531号、2016年10月27日申请于日本的专利申请2016-210533号主张优先权，且将其内容在此引用。
背景技术
已知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。一般而言，TMR元件的元件电阻比GMR元件的元件电阻高，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。
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元件的叠层方向流通电流而产生的自旋转移力矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
利用磁场的方式中，存在元件尺寸较小时，在能够流通于较细的配线的电流下不能写入的问题。
与之相对，利用自旋转移力矩(STT)的方式中，一铁磁性层(固定层，参照层)使电流进行自旋极化，该电流的自旋转换成另一铁磁性层(自由层，记录层)的磁化，通过此时产生的力矩(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。
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，and P.Gambardella，Nature，476，189(2011).
非专利文献2：T.Kimura，J.Hamrle，Y.Otani，Phys.Rev.B72(1)，014461(2005).
非专利文献3：S.Takahashi and S.Maekawa，Phys.Rev.B67(5)，052409(2003).
非专利文献4：J.Bass and W.P.Pratt Jr.，J.Phys.Cond.Matt.19，183201(2007).
发明所要解决的课题
使用了STT的TMR元件的磁化反转从能量效率的观点考虑时是有效率的，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来看，优选该反转电流密度较低。这一点对于GMR元件也一样。
因此，TMR元件及GMR元件的任意磁阻效应元件中，均优选降低流通于该磁阻效应元件的电流密度。
近年来，建议利用了自旋轨道相互作用而生成的纯自旋流的磁化反转也能够在应用上进行(例如，非专利文献1)。自旋轨道相互作用的纯自旋流能够诱发自旋轨道力矩(SOT)，并通过SOT的大小引起磁化反转。纯自旋流通过向上自旋的电子和向下自旋电子以相同数量相互反向地流通而产生，电荷的流通相抵，因此，电流为零。如果能够仅通过该纯自旋流进行磁化反转，流通磁阻效应元件的电流为零，因此，能够实现磁阻效应元件的长寿命化。或，认为如果STT也能够用于磁化反转，且利用纯自旋流的SOT，则能够将STT所使用的电流降低利用纯自旋流的SOT的量，能够实现磁阻效应元件的长寿命化。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。
利用SOT的研究只是就绪，进行具体的应用时存在各种课题，但现状是尚未充分认识还存在什么样的课题。
利用SOT的磁化反转通过如下产生，即，在磁化方向可变的铁磁性金属层(自由层)接合了由产生纯自旋流的材料构成的部件(例如，层或膜。以下，有时称为“自旋流产生部件”)的构造中，通过向该部件流通电流而产生纯自旋流，该纯自旋流从与铁磁性金属层的接合部分向铁磁性金属层中扩散(注入)而产生。此时，由于自旋流产生部件与铁磁性金属层的自旋电阻的大小的不同(不匹配)，担心注入的自旋流从铁磁性金属层向自旋流产生部件返回的影响。这样逆流的自旋流的量无助于铁磁性金属层中的磁化的反转。因此，研究降低这样逆流的自旋流的量的结构，并想到本发明。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于，提供一种在降低了从铁磁性金属层(自由层)向自旋轨道力矩配线的纯自旋流的逆流的状态下，利用纯自旋流的磁化反转的磁阻效应元件及磁存储器。
用于解决课题的方案
本发明为了解决所述课题，提供以下方案。
(1)本发明的一个方式提供一种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；自旋轨道力矩配线，其向与所述第二铁磁性金属层的法线方向的方向交叉的方向延伸，且接合于所述第二铁磁性金属层，所述自旋轨道力矩配线层的、接合于所述第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比所述第二铁磁性金属层的自旋电阻大。
(2)所述(1)所记载的自旋流磁化反转元件中，所述自旋轨道力矩配线层也可以具有由产生自旋流的材料构成的自旋流产生部和导电部，自旋流产生部的一部分构成所述接合部分。
(3)所述(1)或(2)的任一项所记载的自旋流磁化反转元件中，所述导电部的电阻率也可以是所述自旋流产生部的电阻率以下。
(4)所述(1)～(3)中任一项所记载的自旋流磁化反转元件中，所述自旋流产生部也可以由选自钨、钼、铌及含有至少一种以上的这些金属的合金的材料构成。
(5)所述(1)～(4)中任一项所记载的自旋流磁化反转元件中，所述自旋轨道力矩配线也可以具有与所述第二铁磁性金属层的侧壁的一部分接触的侧壁接合部。
(6)本发明的一个方式提供一种磁阻效应元件，其具备：所述(1)～(5)中任一项所记载的自旋流磁化反转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层、被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
(7)所述(1)～(6)中任一项所记载的磁阻效应元件中，所述第二铁磁性金属层在叠层方向上与所述第一铁磁性金属层相比位于下方。
(8)本发明的一个方式提供一种磁存储器，其具备多个所述(1)～(6)中任一项所记载的磁阻效应元件。
磁化反转方法是所述(6)或(7)任一项所记载的磁阻效应元件的磁化反转方法，能够将流通于所述自旋轨道力矩配线的电流密度设为低于1×107A/cm2。
发明效果
根据本发明的自旋流磁化反转元件，能够在降低了从铁磁性金属层(自由层)向自旋轨道力矩配线的纯自旋流的逆流的状态下，利用纯自旋流进行磁化反转。
附图说明
图1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；
图2用于说明自旋霍尔效应的示意图；
图3用于说明使用了面内自旋阀结构的非局部的测定的立体图；
图4是用于说明通过四端子法进行的电阻率的测定的立体图；
图5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；
图6是用于说明自旋轨道力矩配线的一个实施方式的示意图，(a)是剖面图，(b)是平面图；
图7是用于说明自旋轨道力矩配线的另一实施方式的示意图，(a)是剖面图，(b)是平面图；
图8是用于说明自旋轨道力矩配线的另一实施方式的示意图，(a)是剖面图，(b)是平面图；
图9是用于说明自旋轨道力矩配线的另一实施方式的示意图，(a)是剖面图，(b)是平面图；
图10是将本发明的一个实施方式的磁阻效应元件以yz平面进行切断的剖面示意图；
图11是将本发明的另一实施方式的磁阻效应元件以yz平面进行切断的剖面示意图；
图12是将本发明的另一实施方式的磁阻效应元件以yz平面进行切断的剖面示意图；
图13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。
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明本发明。以下的说明中使用的附图为了容易理解本发明的特征，为了方便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，本发明不限定这些，能够在实现本发明的效果的范围内适当变更并实施。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。
(自旋流磁化反转元件)
图1表示本发明的一个实施方式的自旋流磁化反转元件的一例的示意图。图1(a)是平面图，图1(b)是以图1(a)的自旋轨道力矩配线2的宽度方向的中心线即X-X线进行切断的剖面图。
就本发明的一个方式的自旋流磁化反转元件而言，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；向与第二铁磁性金属层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，且接合于第二铁磁性金属层1的第一面1a的自旋轨道力矩配线2，自旋轨道力矩配线2的至少接合于第二铁磁性金属层1的接合部分的自旋电阻比第二铁磁性金属层1的自旋电阻大。
在此，自旋轨道力矩配线2与第二铁磁性金属层1的接合也可以“直接”接合，也可以如后述覆盖层那样的“经由其它层”接合，如果是自旋轨道力矩配线2中产生的纯自旋流流入第二铁磁性金属层1的结构，则自旋轨道力矩配线与第一铁磁性金属层的接合(连接或结合)的方法没有限定。
作为第二铁磁性金属层1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Cr、Mn、Co、Fe及Ni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。
在将第二铁磁性金属层1的磁化方向相对于叠层面设为垂直的情况下，优选将第二铁磁性金属层的厚度设为2.5nm以下。后述的磁阻效应元件中，能够在第二铁磁性金属层1与非磁性层22(参照图5)的界面，对第二铁磁性金属层1附加垂直磁各向异性。另外，垂直磁各向异性由于增厚第二铁磁性金属层1的膜厚而效果衰减，因此，第二铁磁性金属层1的膜厚越薄越好。
＜自旋轨道力矩配线＞
自旋轨道力矩配线向与第二铁磁性金属层的法线方向交叉的方向延伸。自旋轨道力矩配线电连接于电源，该电源使向与第二铁磁性金属层的法线方向正交的方向(自旋轨道力矩配线的延伸方向)的电流流通于该自旋轨道力矩配线，且自旋轨道力矩配线与该电源一起作为向第二铁磁性金属层注入纯自旋流的自旋注入装置发挥作用。
自旋轨道力矩配线由电流流通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，只要是在自旋轨道力矩配线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。
自旋霍尔效应是在向材料流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，按照与电流的方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。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，当向自旋轨道力矩配线2的延伸方向流通电流I时，向上自旋S+(S1)和向下自旋S-(S2)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)弯曲运动(移动)方向的点上相同，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，与之相对，自旋霍尔效应中，不存在磁场，仅通过电子进行移动(仅电流流通)弯曲移动方向，在该点上大幅不同。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，向上自旋S+的电子数与向下自旋S-的电子数相等，因此，图中朝向上方向的向上自旋S+的电子数与朝向下方向的向下自旋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特别称为纯自旋流。
与之相对，在铁磁性体中流通电流的情况下，向上自旋电子与向下自旋电子相互向相反方向弯曲的点相同，但铁磁性体中，向上自旋电子和向下自旋电子的任一项为较多的状态，因此，作为结果，在产生电荷的净流量的(产生电压)点上不同。因此，作为自旋轨道力矩配线的材料，不包含仅由铁磁性体构成的材料。
在此，当将向上自旋S+的电子的流通表示为J↑，将向下自旋S-的电子的流通表示为J↓，将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑-J↓定义。图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方向流通。在此，JS为极化率100％的电子的流通。
图2中，将使铁磁性体与自旋轨道力矩配线2的上表面接触时，纯自旋流扩散并流入铁磁性体中。
本发明中，通过设为这样向自旋轨道力矩配线流通电流且生成纯自旋流，该纯自旋流向与自旋轨道力矩配线连接的第二铁磁性金属层扩散的结构，通过该纯自旋流产生的自旋轨道力矩(SOT)效应有助于作为自由层的第二铁磁性金属层的磁化反转。
后述的本发明的磁阻效应元件即通过纯自旋流产生的SOT效应进行铁磁性金属层的磁化反转的磁阻效应元件也能够用作通过纯自旋流产生的SOT效应辅助利用现有的STT的磁化反转的元件，或纯自旋流产生的SOT效应的磁化反转为主，并对利用现有的STT的磁化反转进行辅助的元件，或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新的磁阻效应元件。
此外，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、施加热的方法及利用物质形变的方法。但是，在施加外部磁场的方法、施加电压的方法及施加热的方法的情况下，需要在外部重新设置配线、发热源等，元件结构复杂化。另外，在利用物质的形变的方法情况下，难以在使用方式中控制暂时产生的形变，不能控制性良好地进行磁化反转。
本发明的自旋流磁化反转元件中，自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比第二铁磁性金属层的自旋电阻大。通过该结构，降低从自旋轨道力矩配线层向第二铁磁性金属层扩散注入时的、从第二铁磁性金属层向自旋轨道力矩配线的自旋流返回。
(自旋电阻，自旋电阻率)
自旋电阻是定量性地表示自旋流的流通容易度(自旋缓和的难度)的量。非专利文献2中公开有自旋电阻的理论性的处理。在自旋电阻不同的物质的界面，产生自旋流的反射(返回)。即从自旋电阻较小的材料向自旋电阻较大的材料仅注入自旋流的一部分。
自旋电阻Rs以下式定义(参照非专利文献3)。
[数1]
Figure BDA0001671715660000081
在此，λ为材料的自旋扩散长，ρ为材料的电阻率，A为材料的截面面积。
非磁性体中，在截面面积A相等的情况下，式(1)中，由作为自旋电阻率的ρλ的值决定自旋电阻的大小。
因此，本发明的磁阻效应元件中，如果是相同尺寸的自旋轨道力矩配线，则使用自旋电阻率较大的材料，其降低自旋流的逆流的效果较大。
本发明的自旋流磁化反转元件中，在第二铁磁性体金属层由例如铁(Fe)或铁系的合金构成的情况下，自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比铁(Fe)或铁系的合金的自旋电阻大。通过该结构，能够降低自旋流从第二铁磁性金属层向自旋轨道力矩配线逆流的效果。
本发明的自旋流磁化反转元件中，以降低从第二铁磁性金属层向自旋轨道力矩配线的自旋流逆流的效果的观点出发，优选构成自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的材料的自旋电阻率较大。
在此，降低自旋流从第二铁磁性金属层向自旋轨道力矩配线逆流的效果的效果较大的材料不是仅由自旋扩散长决定，而由与电阻率的积决定，应留意这一点。
表1中表示作为纯自旋流产生材料已知的多个非磁性体及作为铁磁性体的铁(Fe)的电阻率及自旋扩散长、和由它们的积得到的自旋电阻率。Fe是作为磁阻效应元件的铁磁性金属层的材料使用的典型性的铁磁性材料。
非磁性体的电阻率及自旋扩散长通过后述的方法算出，Fe的各参数是基于非专利文献4的值。
[表1]
Figure BDA0001671715660000091
表1所示的非磁性体中可知，特别是钨(W)、钼(Mo)、铌(Ni)及Mo与Fe的合金比Fe的自旋电阻率大，以降低自旋流从第二铁磁性金属层向自旋轨道力矩配线逆流的效果的观点出发，优选作为构成自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的材料。
(自旋扩散长)
自旋流依赖于距离d与自旋扩散长λ的比，根据exp(-d/λ)指数函数性地衰减。自旋扩散长λ为物质固有的常数，是自旋流的大小成为1/e的距离。
材料的自旋扩散长也能够通过各种方法进行估计。例如，已知有非局部的方法、利用自旋泵浦效应的方法、利用Hanle效应的方法等。
表1中表示的非磁性体的自旋扩散长通过在室温下进行非局部自旋阀测定而得到。以下，说明其详情。
使用了面内自旋阀结构(在铁磁性体与非磁性体的界面不是隧道接合的情况下)的非局部测定中，通过求解扩散方程式，自旋输出(非局部自旋阀信号)的大小ΔV如以下的式(2)那样表示(非专利文献3)。
[数2]
Figure BDA0001671715660000101
在此，
以Q＝RSF/RSN定义，RSN、RSF分别是以RSN＝λN/(ANσN)，RSF＝λF/{(1-σF 2)(AFσF)}定义的非磁性体、铁磁性体的自旋电阻，
λN、λF分别是非磁性体、铁磁性体的自旋扩散长，
AN、AF分别是非磁性体、铁磁性体的自旋流流通的区域的截面面积，
σN、σF分别是非磁性体、铁磁性体的电导率，
αF是铁磁性体的自旋极化率，
d是两个铁磁性体细线间的距离。
如图3所示，面内自旋阀结构具有在分开配置的两个铁磁性体细线12、13架桥一个非磁性体细线14的结构。
在一铁磁性体细线12和参照电极15之间施加直流电流，且测定另一铁磁性体细线13与参照电极16之间的电压。此时，施加磁场使两个铁磁性体细线的磁化进行反转。元件的形状(尺寸)不同，因此，通过形状各向异性的效果，反转磁场不同，因此，通过磁场区域，铁磁性体细线的磁化方向能够形成平行和反平行。能够根据平行时和反平行时的电压的差求得自旋输出的电阻。
以7nm～1μm之间的至少5个种类以上测定铁磁性体细线间距离d。为了提高精度，需要根据自旋扩散长的大小决定铁磁性体细线间距离d的数。非局部测定中，过于缩小铁磁性体细线间距离d时，噪声变大，因此，不能更小。因此，自旋扩散长较小时，在指数函数的末端部分进行测定，但如果增加测定的点即，铁磁性体细线间距离d的数，则提高测定精度。
将铁磁性体细线间距离设为横轴，且纵轴中图示自旋输出ΔV，根据式(2)的拟合，求得各非磁性体的自旋扩散长。
表1中的Mo、W及MoFe合金将铁磁性体细线间距离d从25nm起每5nm逐渐增大并采取5点。另外，Nb将铁磁性体细线间距离d从7nm起每1nm逐渐增大并采取20点。另外，Pd将铁磁性体细线间距离d从7nm起每1nm逐渐增大并采取40点。另外，Pt将铁磁性体细线间距离d从7nm起每1nm逐渐增大并采取100点。此外，由于制造装置的制约，还不能得到7nm以上的分辨率。上述的铁磁性体细线间距离d的变化是设计上的值。但是，通过测量充分的数的测定点数，统计性地补全设计值与实际的值的误差。
对于如Pt或Pd那样自旋扩散长较短的情况，通常通过利用自旋泵浦效应的方法、利用Hanle效应的方法求得。
上述的测定中，通过在铁磁性体与非磁性体的界面不具有隧道绝缘膜的结构进行，但也可以通过具有隧道绝缘膜的结构进行。例如，通过使用由MgO构成膜的作为隧道绝缘膜，通过相干隧道可得到更大的输出ΔV。
(电阻率)
如图4所示，通过普通的四端子法进行测定。对参照电极间施加直流电流，测定铁磁性体细线间的电压下降。另外，为了避免元件的不均及误差，根据铁磁性体细线间的距离不同的元件的多个结果求得非磁性体细线的电阻率。具体而言，将铁磁性体细线间的距离设为横轴，纵轴中图示电阻，根据其倾斜度求得电阻率。
表1中的Mo及W将铁磁性体细线间距离d采取5点。另外，Nb将铁磁性体细线间距离d采取20点。另外，Pd将铁磁性体细线间距离d采取40点。另外，Pt将铁磁性体细线间距离d采取100点。
以下，以自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比第二铁磁性金属层的自旋电阻大为前提，说明可构成自旋轨道力矩配线的材料。
自旋轨道力矩配线也可以包含非磁性的重金属。在此，重金属以具有钇以上的比重的金属的意义使用。自旋轨道力矩配线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层具有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，该非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。自旋轨道力矩配线2也可以仅由在最外层具有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。
通常，向金属流通电流时，所有的电子不管其自旋的方向，均向电流的反方向移动，与之相对，在最外层具有d电子或f电子的原子序数较大的非磁性金属的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方向，容易产生纯自旋流JS。
另外，自旋轨道力矩配线也可以包含磁性金属。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，能够提高相对于流通于自旋轨道力矩配线的电流的自旋流生成效率。自旋轨道力矩配线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力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。当向自旋轨道力矩配线材料添加微量的磁性金属时，磁性金属本身散射流通的电子自旋，因此，自旋流生成效率提高。但是，当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，优选添加的磁性金属的摩尔比比自旋轨道力矩配线中的纯自旋生成部的主成分的摩尔比充分小。以标准而言，优选添加的磁性金属的摩尔比为3％以下。
另外，自旋轨道力矩配线也可以包含拓扑绝缘体。自旋轨道力矩配线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极化的金属状态的物质。物质中具有自旋轨道相互作用之类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。其为拓扑绝缘体，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，能够以高效率生成纯自旋流。
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以高效率生成自旋流。
以下，作为本发明的自旋流磁化反转元件的应用例，举例说明主要应用于磁阻效应元件的情况。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，例如也能够在将自旋流磁化反转元件配设为各像素，在利用磁光效应空间地调制入射光的空间光调制器中使用，磁传感器中，为了避免磁体的矫顽力引起的磁滞的效果，也可以将施加于磁体的易磁化轴磁场置换成自旋流磁化反转元件。
(磁阻效应元件)
图5是发明的自旋流磁化反转元件的应用例，且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。
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件100具备：磁阻效应元件部20；向相对于该磁阻效应元件部20的叠层方向交叉的方向延伸，且与磁阻效应元件部20(第二铁磁性金属层23)接合的自旋轨道力矩配线40，上述自旋轨道力矩配线层的、至少接合于上述第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比上述第二铁磁性金属层的自旋电阻大。也能够说本发明的一个实施方式的磁阻效应元件100是具有本发明的自旋流磁化反转元件101、磁化方向被固定的第一铁磁性金属层21、非磁性层22的结构。
包含图5，以下，作为自旋轨道力矩配线向相对于磁阻效应元件部的叠层方向交叉的方向延伸的结构的例子，说明向正交的方向延伸的结构的情况。
图5中还表示有用于向磁阻效应元件部20的叠层方向流通电流的配线30、形成该配线30的基板10、覆盖层24。
以下，将磁阻效应元件部20的叠层方向设为z方向，将与z方向垂直且与自旋轨道力矩配线40平行的方向设为x方向，将与x方向及z方向正交的方向设为y方向。
图5所示的例子中，在第二铁磁性金属层23上形成有自旋轨道力矩配线层40，但也可以以相反的顺序形成。
＜磁阻效应元件部＞
磁阻效应元件部20具有：磁化方向被固定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、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。
第一铁磁性金属层21的磁化固定为一方向，第二铁磁性金属层23的磁化的方向相对性地变化，由此，作为磁阻效应元件部20发挥作用。在应用于矫顽力差型(疑似自旋阀型；Pseudo spin valve型)的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)的MRAM的情况下，第一铁磁性金属层中，通过与反铁磁性层的交换结合，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20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，磁阻效应元件部20是巨大磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
作为本发明具备的磁阻效应元件部，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一铁磁性金属层的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。
第一铁磁性金属层21称为固定层或参照层，第二铁磁性金属层23称为自由层或存储层等。
第一铁磁性金属层21及第二铁磁性金属层23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项。
第一铁磁性金属层21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的金属及含有1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是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属，也能够采用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21的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接触的材料，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21的漏磁场不影响第二铁磁性金属层23，也可以设为合成铁磁性耦合结构。
另外，在将第一铁磁性金属层21的磁化方向相对于叠层面设为垂直的情况下，优选使用Co和Pt的叠层膜。具体而言，第一铁磁性金属层21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)。
非磁性层22中能够使用公知的材料。
例如，在非磁性层22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、Mg、及MgAl2O4O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22由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
另外，优选在第二铁磁性金属层23的非磁性层22的相反侧的面，如图5所示那样形成有覆盖层24。覆盖层24能够抑制从第二铁磁性金属层23的元素的扩散。另外，覆盖层24还有助于磁阻效应元件部20的各层的结晶取向性。其结果，通过设置覆盖层24，能够使磁阻效应元件部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，并使磁阻效应元件部20低电阻化。
优选覆盖层24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24的结晶结构与相邻的铁磁性金属层的结晶结构一致，且根据fcc构造、hcp构造或bcc构造适当设定。
另外，优选覆盖层24使用选自银、铜、镁及铝的任意材料。详情进行后述，但在经由覆盖层24连接自旋轨道力矩配线40和磁阻效应元件部20的情况下，优选覆盖层24不会消散从自旋轨道力矩配线40传播的自旋。已知银、铜、镁、及铝等的自旋扩散长长为100nm以上，自旋难以消散。
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以下。如果覆盖层24的厚度为自旋扩散长以下，则能够将从自旋轨道力矩配线40传播的自旋充分传至磁阻效应元件部20。
＜基板＞
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，例如能够使用Si、AlTiC等。
也可以在基板10的磁阻效应元件部20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10上的第二铁磁性金属层21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。这是由于，为了不消散流通于配线30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，点位X包含选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba的组的至少一种元素，点Y包含选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb的组的至少一种元素。
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的组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20的各层的结晶性，并改善磁特性。
＜配线＞
配线30电连接于磁阻效应元件部20的第二铁磁性金属层21，图5中，通过配线30、自旋轨道力矩配线40、电源(省略图示)构成闭电路，向磁阻效应元件部20的叠层方向流通电流。
配线30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。
以下，参照图6～图9，以自旋轨道力矩配线层的、至少接合于第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻比第二铁磁性金属层的自旋电阻大为前提，说明自旋轨道力矩配线可采取的结构。
图6～图9是用于说明自旋轨道力矩配线的实施方式的示意图，(a)是剖面图，(b)是平面图。
本发明的磁阻效应元件中，即使是仅通过纯自旋流的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”结构)，即使是利用现有的STT的磁阻效应元件中并用纯自旋流的SOT的结构(以下，有时称为“STT及SOT并用”结构)，流通于自旋轨道力矩配线的电流为伴随电荷的流通的通常的电流，因此，当流通电流时，均产生焦耳热。
图6～图9所示的自旋轨道力矩配线的实施方式是通过上述的材料以外的结构，降低流通于自旋轨道力矩配线的电流产生的焦耳热的结构的例子。
“STT及SOT并用”结构中，作为为了本发明的磁阻效应元件部的磁化反转而流通的电流，除了为了利用STT效应而向磁阻效应元件部直接流通的电流(以下，有时称为“STT反转电流”。)以外，还具有为了利用SOT效应而流通于自旋轨道力矩配线的电流(以下，有时称为“SOT反转电流”。)。任意电流均是伴随电荷的流通的通常的电流，当流过电流时产生焦耳热。
该结构中，并用STT效应的磁化反转和SOT效应的磁化反转，因此，与仅通过STT效应进行磁化反转的结构相比，STT反转电流降低，但消耗SOT反转电流的量的能量。
作为容易生成纯自旋流的材料的重金属的电阻率比用作通常的配线的金属的电阻率高。
因此，以降低SOT反转电流产生的焦耳热的观点来看，与自旋轨道力矩配线全部仅由可生成纯自旋流的材料构成相比，优选具有电阻率较小的部分。即，以该观点来看，自旋轨道力矩配线优选利用由生成纯自旋流的材料构成的部分(自旋流产生部)和电阻率较小的导电部构成。导电部优选由电阻率比该自旋流产生部小的材料构成。
自旋流产生部只要由可生成纯自旋流的材料构成即可，例如也可以是由多个种类的材料部分构成的结构等。
导电部能够使用用作通常配线的材料。例如能够使用铝、银、铜、金等。导电部只要由电阻率比自旋流产生部小的材料构成即可，例如也可以是由多个种类的材料部分构成的结构等。
此外，导电部中也可以生成纯自旋流。在该情况下，就自旋流产生部与导电部的区分而言，由本说明书中作为自旋流产生部及导电部的材料记载的材料构成的部分能够作为自旋流产生部或导电部进行区分。另外，生成纯自旋流的主要部以外的部分，且电阻率比其主要部小的部分能够作为导电部，与自旋流产生部进行区分。
自旋流产生部也可以含有非磁性的重金属。在该情况下，只要有限地含有可生成纯自旋流的重金属即可。另外，在该情况下，自旋流产生部优选为可生成纯自旋流的重金属比自旋流产生部的主成分充分少的浓度区域，或可生成纯自旋流的重金属为主成分例如90％以上。此时的重金属优选为可生成纯自旋流的重金属在最外层具有d电子或f电子的原子序数39以上的非磁性金属100％。
在此，可生成纯自旋流的重金属比自旋流产生部的主成分充分少的浓度区域是指例如，以铜为主成分的自旋流产生部中，以摩尔比计，重金属的浓度为10％以下。在构成自旋流产生部的主成分由上述的重金属以外构成的情况下，自旋流产生部所包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。这些浓度区域是有效地得到电子的自旋散射的效果的区域。在重金属的浓度较低的情况下，原子序数比重金属小的轻金属成为主成分。此外，在该情况下，假定重金属不形成与轻金属的合金，轻金属中，重金属的原子无秩序地分散。在轻金属中，自旋轨道相互作用较弱，因此，难以通过自旋霍尔效应生成纯自旋流。但是，电子通过轻金属中的重金属时，即使在轻金属与重金属的界面，也具有自旋散射的效果，因此，即使在重金属的浓度较低的区域，也能够高效率地产生纯自旋流。当重金属的浓度超过50％时，重金属中的自旋霍尔效应的比例变大，但轻金属与重金属的界面的效果降低，因此，综合性的效果减少。因此，优选能够期待充分的界面效果的程度的重金属的浓度。
另外，在上述的自旋轨道力矩配线含有磁性金属的情况下，能够将自旋轨道力矩配线中的自旋流产生部由反铁磁性金属构成。反铁磁性金属能够得到与重金属在最外层具有d电子或f电子的原子序数39以上的非磁性金属100％的情况相同的效果。反铁磁性金属优选为例如IrMn及PtMn，更优选相对于热稳定的IrMn。
另外，在上述的自旋轨道力矩配线包含拓扑绝缘体的情况下，能够将自旋轨道力矩配线的自旋流产生部由拓扑绝缘体构成。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以高效率生成自旋流。
为了自旋轨道力矩配线中生成的纯自旋流有效地向磁阻效应元件部扩散，需要自旋流产生部的至少一部分接合于第二铁磁性金属层。在具备覆盖层的情况下，需要自旋流产生部的至少一部分接合于覆盖层。
本发明的磁阻效应元件中，自旋轨道力矩配线层必须具有接合于第二铁磁性金属层的接合部分，但接合于第二铁磁性金属层的接合部分也可以是自旋流产生部的至少一部分。
图6～图9所示的自旋轨道力矩配线的实施方式全部是自旋流产生部的至少一部分接合于第二铁磁性金属层的结构。
图6所示的实施方式中，自旋轨道力矩配线40是与第二铁磁性金属层23的接合面40’全部由自旋流产生部41构成，且自旋流产生部41被导电部42A、42B夹持的结构。
此外，自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40B是指由图6(a)的双点划线表示的部分，且自旋轨道力矩配线中，从叠层方向以平面看与第二铁磁性金属层重叠的部分(还包含厚度方向的部分)。即，图6(b)中，从一表面40a(参照图6(a))到另一表面40b(参照图6(a))在厚度方向上偏离时包围将由双点划线表示的第二铁磁性金属层23投影至平面图的部分的部分是自旋轨道力矩配线的接合部分。图6所示的自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40B全部由自旋流产生部41构成。即，接合部分40B是自旋流产生部41的一部分。
在此，自旋轨道力矩配线与第二铁磁性金属层的接合也可以进行“直接”接合，也可以如后述覆盖层那样的“经由其它层”接合，只要是自旋轨道力矩配线中产生的纯自旋流流入第二铁磁性金属层的结构，自旋轨道力矩配线与第二铁磁性金属层的接合(连接或结合)方法就没有限定。
在此，这些自旋流产生部和导电部电并联地配置的情况下，流通于自旋轨道力矩配线的电流按照自旋流产生部及导电部的电阻的大小的反比例的比例划分并在各个部分流通。
以相对于SOT反转电流的纯自旋流生成效率的观点来看，为了流通于自旋轨道力矩配线的电流全部在自旋流产生部流通，自旋流产生部和导电部电并联地配置的部分不存在，全部进行电串联地配置。
图6～图9所示的自旋轨道力矩配线是以从磁阻效应元件部的叠层方向的平面看，自旋流产生部和导电部电并联地配置的部分消失的结构，具有(a)中表示的截面的结构中，是相对于SOT反转电流的纯自旋流生成效率最高的结构的情况。
图6所示的自旋轨道力矩配线40为如下结构，即，从磁阻效应元件部20的叠层方向平面看，其自旋流产生部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产生部41构成，在电流的流通的方向上导电部42A、42B以夹持自旋流产生部41的方式配置。作为图6所示的自旋轨道力矩配线的变形例，从磁阻效应元件部的叠层方向平面看，自旋流产生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所示的自旋轨道力矩配线相同的结构。
图7所示的自旋轨道力矩配线40为如下结构，从磁阻效应元件部20的叠层方向平面看，其自旋流产生部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产生部41构成，在电流的流通的方向上，导电部42A、42B以夹持自旋流产生部41的方式配置。
此外，自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BB是指由图7(a)的双点划线表示的部分，且自旋轨道力矩配线中，从叠层方向平面看与第二铁磁性金属层重叠的部分(也包含厚度方向的部分)。图7所示的自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BB由自旋流产生部41的全部和导电部42A、42B的一部分构成。
图8所示的自旋轨道力矩配线40为如下结构，从磁阻效应元件部20的叠层方向平面看，其自旋流产生部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，自旋流产生部41和导电部42C从第二铁磁性金属层侧依次叠层，在电流的流通的方向上，导电部42A、42B以夹持自旋流产生部41及导电部42C叠层的部分的方式配置。作为图8所示的自旋轨道力矩配线的变形例，从磁阻效应元件部的叠层方向平面看，自旋流产生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8所示的自旋轨道力矩配线相同的结构。
此外，自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BBB是指由图8(a)的双点划线表示的部分，且自旋轨道力矩配线中从叠层方向平面看与第二铁磁性金属层重合的部分(也包含厚度方向的部分)。图8所示的自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BBB全部由自旋流产生部41构成。即，接合部分40BBB是自旋流产生部41的一部分。
图9所示的自旋轨道力矩配线40为如下结构，即，自旋流产生部41由形成于第二铁磁性金属层侧的一面整体的第一自旋流产生部41A；叠层于第一自旋流产生部上，从磁阻效应元件部20的叠层方向平面看，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产生部构成的第二自旋流产生部41B；在电流的流通的方向上，以夹持第二自旋流产生部41B的方式配置的导电部42A、42B构成。作为图9所示的自旋轨道力矩配线的变形例，从磁阻效应元件部的叠层方向平面看，第二自旋流产生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9所示的自旋轨道力矩配线相同的结构。
图9所示的结构中，自旋流产生部41和导电部42接触的面积变大，因此，构成自旋流产生部41的原子序数较大的非磁性金属与构成导电部42的金属的密合性高。
此外，自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BBBB是指由图9(a)的双点划线表示的部分，且自旋轨道力矩配线中从叠层方向平面看与第二铁磁性金属层重合的部分(也包含厚度方向的部分)。图9所示的自旋轨道力矩配线40的、接合于第二铁磁性金属层23的接合部分40BBBB全部由自旋流产生部41构成。即，接合部分40BBBB是自旋流产生部41的一部分。
本发明的磁阻效应元件能够使用公知的方法进行制造。以下，说明图6～图9中图示的磁阻效应元件的制造方法。
首先，磁阻效应元件部20能够使用例如磁控溅射装置形成。在磁阻效应元件部20为TMR元件的情况下，例如，在第一铁磁性金属层上首先溅射0.4～2.0nm程度的铝、及成为多个非磁性元素的二价阳离子的金属薄膜，通过等离子氧化或氧导入进行自然氧化，并通过之后的热处理形成隧道势垒层。作为成膜法，除了磁控溅射法以外，能够使用蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等的薄膜制作法。
优选进行磁阻效应元件部20的成膜及形状的形成之后，首先形成自旋流产生部41。这是由于，通过设为尽可能抑制从自旋流产生部41向磁阻效应元件部20进行纯自旋流的散射的结构，就能够带来高效率化。
进行磁阻效应元件部20的成膜及形状的形成之后，利用抗蚀剂等填埋加工后的磁阻效应元件部20的周围，形成包含磁阻效应元件部20的上表面的面。此时，优选将磁阻效应元件部20的上表面平坦化。通过进行平坦化，能够抑制自旋流产生部41和磁阻效应元件部20的界面的自旋散射。
接着，在平坦化的磁阻效应元件部20的上表面成膜自旋流产生部41的材料。成膜能够使用溅射等。
接着，在要制作自旋流产生部41的部分设置抗蚀剂或保护膜，使用离子研磨法或反应性离子蚀刻(RIE)法除去不要部分。
接着，通过溅射等成膜构成导电部42的材料，并剥离抗蚀剂等，由此，制作自旋轨道力矩配线40。在自旋流产生部41的形状复杂的情况下，也可以将抗蚀剂或保护膜的形成和自旋流产生部41的成膜分成数次形成。
自旋轨道力矩配线层也可以在接合于第二铁磁性金属层的部分的至少一部分具有狭窄部。狭窄部是以与自旋轨道力矩配线层的延伸方向(长边方向)正交的截面切断的截面面积比狭窄部以外的部分的截面面积小的部分。流通于自旋轨道力矩配线层的电流的电流密度在该狭窄部变高，高密度的纯自旋流流入第二铁磁性金属层。
图10是将本发明的一个实施方式的磁阻效应元件以yz平面切断的剖面示意图。
基于图10，说明磁阻效应元件100为“STT及SOT并用”结构时的作用。
如图10所示，磁阻效应元件100中具有两种电流。一个是沿其叠层方向流通磁阻效应元件20，并在自旋轨道力矩配线40及配线30流通的电流I1(STT反转电流)。图10中，电流I1按照自旋轨道力矩配线40、磁阻效应元件20、配线30的顺序流通。在该情况下，电子按照配线30、磁阻效应元件20、自旋轨道力矩配线40的顺序流通。
另一个是按照自旋轨道力矩配线40的延伸方向流通的电流I2(SOT反转电流)。
电流I1和电流I2相互交叉(正交)，磁阻效应元件20和自旋轨道力矩配线40接合的部分(符号24’表示磁阻效应元件20(覆盖层24)侧的接合部，符号40’表示自旋轨道力矩配线40侧的接合部)中，流通于磁阻效应元件20的电流和流通于自旋轨道力矩配线40的电流合流或分配。
通过流通电流I1，具有朝向与第二铁磁性金属层(固定层)21的磁化相同的方向的自旋的电子在从第二铁磁性金属层(固定层)21维持自旋的方向的状态下，通过非磁性层22，该电子以将第一铁磁性金属层(自由层)23的磁化M23的方向相对于第二铁磁性金属层(固定层)21的磁化M21的方向进行反转且平行的方式作用力矩(STT)。
另一方面，电流I2与图2所示的电流I对应。即，流通电流I2时，向上自旋S+和向下自旋S-分别向自旋轨道力矩配线40的端部弯曲并产生纯自旋流Js。纯自旋流Js在与电流I2的流通的方向垂直的方向上诱发。即，在图中的z轴方向或x轴方向上产生纯自旋流Js。图10中，仅图示有有助于第一铁磁性金属层23的磁化方向的z轴方向的纯自旋流Js。
在自旋轨道力矩配线40中通过向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向第一铁磁性金属层23扩散流入，流入的自旋对第一铁磁性金属层23的磁化M23造成影响。即，图10中，朝向-x方向的自旋流入第一铁磁性金属层23，由此，施加引起朝向+x方向的第一铁磁性金属层23的磁化M23的磁化反转的力矩(SOT)。
如以上，对通过流通于第一电流路径I1的电流而产生的STT效应，施加通过流通于第二电流路径I2的电流而产生的纯自旋流Js的SOT效应，使第一铁磁性金属层23的磁化M23进行磁化反转。
仅通过STT效应要使第一铁磁性金属层23的磁化进行反转时(即，仅向电流I1流通电流)，需要对磁阻效应元件20施加预定的电压以上的电压。TMR元件的一般的驱动电压较小为几V以下，但非磁性层22为数nm程度的非常薄的膜，有时产生绝缘破坏。通过向非磁性层22继续通电，非磁性层的较弱的部分(膜质差，膜厚较薄等)随机地被破坏。
本发明的“STT及SOT并用”结构时的磁阻效应元件除了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，且也能够减小流通于自旋轨道力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，通过减小流通于自旋轨道力矩配线的电流的电流密度，能够避免能量效率显著降低。
优选流通于自旋轨道力矩配线的电流的电流密度低于1×107A/cm2。当流通于自旋轨道力矩配线的电流的电流密度过大时，由于流通于自旋轨道力矩配线的电流，产生热。当热施加于第一铁磁性金属层时，失去第一铁磁性金属层的磁化的稳定性，有时产生预料外的磁化反转等。当产生这种预料外的磁化反转时，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力矩配线的电流的电流密度不会过大。如果流通于自旋轨道力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。
图11是表示本发明的另一“STT及SOT并用”结构的磁阻效应元件的例子的图。
图11所示的磁阻效应元件200中，自旋轨道力矩配线50除了具有具备在磁阻效应元件20的叠层方向的上表面接合部51(相当于上述的自旋轨道力矩配线40)以外，还具有接合于第一铁磁性金属层23的侧壁的侧壁接合部52。
当向自旋轨道力矩配线50流通电流时，不仅生成在上表面接合部51中生成的纯自旋流Js，在侧壁接合部52还生成纯自旋流Js’。
因此，纯自旋流Js不仅从磁阻效应元件20的上表面经由覆盖层24流入第一铁磁性金属层23，而且纯自旋流Js’还从第一铁磁性金属层23的侧壁流入，因此，SOT效应增强。
图12是表示本发明的另一实施方式的磁阻效应元件的图。
图12所示的磁阻效应元件300中，在基板10侧具有自旋轨道力矩配线40。在该情况下，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的叠层顺序与图1所示的磁阻效应元件100相反。
图12所示的磁阻效应元件300中，以基板10、自旋轨道力矩配线40、第一铁磁性金属层23、非磁性层22、第二铁磁性金属层21、覆盖层24、配线30的顺序叠层。第一铁磁性金属层23比第三铁磁性金属层21先叠层，因此，受到晶格应变等的影响的可能性比磁阻效应元件100低。其结果，磁阻效应元件300中，提高第一铁磁性金属层23的垂直磁各向异性。第一铁磁性金属层23的垂直磁各向异性变高时，能够提高磁阻效应元件的MR比。
图13是表示图1所示的磁阻效应元件100中、按照磁阻效应元件20的叠层方向流通电流的第一电源110和向自旋轨道力矩配线40流通电流的第二电源120的图。
图5及图13所示的本实施方式的磁阻效应元件100中，举出了叠层在后且配置于远离基板10的侧的第二铁磁性金属层23设为磁化自由层，叠层在前且配置于接近基板10的侧的第二铁磁性金属层21设为磁化固定层(扎钉层)的所谓的底扎钉结构的例子，但磁阻效应元件100的结构没有特别限定，也可以所谓的顶扎钉结构。
第一电源110与配线30和自旋轨道力矩配线40连接。第一电源110能够控制在磁阻效应元件100的叠层方向上流通的电流。
第二电源120与自旋轨道力矩配线40的两端连接。第二电源120能够控制在相对于磁阻效应元件20的叠层方向正交的方向上流通的电流即流通于自旋轨道力矩配线40的电流。
如上述，流通于磁阻效应元件20的叠层方向的电流诱发STT。与之相对，流通于自旋轨道力矩配线40的电流诱发SOT。STT及SOT均有助于第一铁磁性金属层23的磁化反转。
这样，通过利用两个电源控制磁阻效应元件20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110流通的电流量，且减少从第二电源120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22的厚度的情况下，要求减少向非磁性层22流通的电流。在该情况下，能够减少从第一电源110流通的电流量，增大从第二电源120流通的电流量，且提高SOT的贡献率。
第一电源110及第二电源120能够使用公知的电源。
如上述，根据本发明的“STT及SOT并用”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。
(磁存储器)
本发明的磁存储器(MRAM)具备多个本发明的磁阻效应元件。
(磁化反转方法)
磁化反转方法为，在本发明的磁阻效应元件中，流通于自旋轨道力矩配线的电流密度设为低于1×107A/cm2。
流通于自旋轨道力矩配线的电流的电流密度过大时，由于流通于自旋轨道力矩配线的电流，产生热。热施加于第一铁磁性金属层时，失去第一铁磁性金属层的磁化的稳定性，且有时产生预料外的磁化反转等。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，为了避免预料外的磁化反转，优选流通于自旋轨道力矩配线的电流的电流密度不会过大。如果流通于自旋轨道力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。
磁化反转方法在本发明的磁阻效应元件中，在“STT及SOT并用”结构的情况下，也可以在对自旋轨道力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磁化反转工序也可以同时进行，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。即，图13所示的磁阻效应元件100中，也可以从第一电源110和第二电源120同时供给电流，也可以从第二电流120供给电流后，再从第一电源110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，优选在对自旋轨道力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120供给电流后，再从第一电源110供给电流。
符号说明
1…第二铁磁性金属层、2…自旋轨道力矩配线、10…基板、20…磁阻效应元件、21…第一铁磁性金属层、22…非磁性层、23…第二铁磁性金属层、23’…接合部(第二铁磁性金属层侧)、24…覆盖层、24’…接合部(覆盖层侧)、30…配线、40、50、51、52…自旋轨道力矩配线、40B…接合部分、40’…接合部(自旋轨道力矩配线侧)、41、41A、41B…自旋流产生部、42A、42B、42C…低电阻部、100、200、300…磁阻效应元件、101…自旋流磁化反转元件、I…电流、S+…向上自旋、S-…向下自旋、M21、M23…磁化、I1…第一电流路径、I2…第二电流路径、110…第一电源、120…第二电源。

Claims (20)

1.一种自旋流磁化反转元件，其具备：
磁化方向可变的第二铁磁性金属层；以及
自旋轨道转矩配线，其向与所述第二铁磁性金属层的法线方向交叉的方向延伸，且接合于所述第二铁磁性金属层，
所述自旋轨道转矩配线的、接合于所述第二铁磁性金属层的接合部分的自旋电阻Rs比所述第二铁磁性金属层的自旋电阻Rs大，
所述自旋电阻Rs由以下的式(1)定义，在所述式(1)中，λ为材料的自旋扩散长，ρ为材料的电阻率，A为材料的截面面积，
Figure FDA0003158392270000011
2.根据权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有由产生自旋流的材料构成的自旋流产生部和导电部，
自旋流产生部的一部分构成所述接合部分。
3.根据权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述导电部的电阻率为所述自旋流产生部的电阻率以下。
4.根据权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋流产生部由选自钨、钼、铌及含有至少一种以上的这些金属的合金的材料构成。
5.根据权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有与所述第二铁磁性金属层的侧壁的一部分相接的侧壁接合部。
6.根据权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有与所述第二铁磁性金属层的侧壁的一部分相接的侧壁接合部。
7.根据权利要求3所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有与所述第二铁磁性金属层的侧壁的一部分相接的侧壁接合部。
8.根据权利要求4所述的自旋流磁化反转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线具有与所述第二铁磁性金属层的侧壁的一部分相接的侧壁接合部。
9.一种磁阻效应元件，其具备：
权利要求1所述的自旋流磁化反转元件；
磁化方向被固定的第一铁磁性金属层；以及
被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
10.一种磁阻效应元件，其具备：
权利要求2所述的自旋流磁化反转元件；
磁化方向被固定的第一铁磁性金属层；以及
被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
11.一种磁阻效应元件，其具备：
权利要求3所述的自旋流磁化反转元件；
磁化方向被固定的第一铁磁性金属层；以及
被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
12.一种磁阻效应元件，其具备：
权利要求4所述的自旋流磁化反转元件；
磁化方向被固定的第一铁磁性金属层；以及
被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
13.一种磁阻效应元件，其具备：
权利要求5所述的自旋流磁化反转元件；
磁化方向被固定的第一铁磁性金属层；以及
被所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
14.根据权利要求9所述的磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层在叠层方向上与所述第二铁磁性金属层相比位于下方。
15.根据权利要求10所述的磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层在叠层方向上与所述第二铁磁性金属层相比位于下方。
16.根据权利要求11所述的磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层在叠层方向上与所述第二铁磁性金属层相比位于下方。
17.根据权利要求12所述的磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层在叠层方向上与所述第二铁磁性金属层相比位于下方。
18.根据权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性金属层在叠层方向上与所述第二铁磁性金属层相比位于下方。
19.一种磁存储器，其具备多个权利要求9所述的磁阻效应元件。
20.一种磁存储器，其具备多个权利要求14所述的磁阻效应元件。
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