CN109427966A

CN109427966A - 自旋流磁化反转元件、磁存储器

Info

Publication number: CN109427966A
Application number: CN201810997206.4A
Authority: CN
Inventors: 盐川阳平; 佐佐木智生
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: US10651366B2; CN109427966B; US20190074430A1; JP2019046976A

Abstract

本发明的所涉及的自旋流磁化反转元件(100)具备：第1铁磁性金属层(101)，其能够改变磁化的方向；自旋轨道转矩配线层(102)，其接合于第1铁磁性金属层(101)并且在相对于第1铁磁性金属层(101)的法线方向交叉的方向上延伸，自旋轨道转矩配线层(102)包含B、C、Si、P中的至少一种轻元素L、以及Ar、Kr、Xe中的至少一种稀有气体元素。

Description

自旋流磁化反转元件、磁存储器

技术领域

本发明涉及自旋流磁化反转元件和磁存储器。

本申请对在2017年9月1日申请的日本专利申请第2017-168935号主张优选权并在此援用其内容。

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：Giant MagnetoResistance)元件、以及在非磁性层中使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。一般来说，TMR元件与GMR元件相比元件电阻高且其磁阻(MR)比大于GMR。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头以及非易失性随机存取存储器(MRAM)用元件，TMR备受关注。

如果夹持绝缘层的两个铁磁性层的彼此的磁化的方向变化，则TMR元件的元件电阻会变化，MRAM就是利用该特性来读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流所产生的磁场来进行写入(磁化反转)的方式、或利用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力矩(STT：spin transfer torque)来进行写入(磁化反转)的方式。从能量效率的观点出发，使用了STT的TMR元件的磁化反转为有效，但是用于磁化反转的反转电流密度高。为了提高TMR元件的耐久性，优选该反转电流密度较低。这一点对于GMR元件来说也同样。

因此，近年来，作为以与STT不同的机理降低反转电流的手段，利用了由自旋轨道相互作用而生成的纯自旋流的磁化反转备受瞩目(例如非专利文献1)。由自旋轨道相互作用而产生的纯自旋流或者在异种材料的界面上的Rashba效应诱发自旋轨道转矩(SOT)并且由SOT而引起磁化反转。另外，即使是通过在异种材料的界面上的Rashba效应而产生的纯自旋流，也会引起由同样的SOT引起的磁化反转。但是，关于这些机理至今仍未得到明确。纯自旋流是一种通过朝上自旋的电子和朝下自旋的电子以相同数量朝相互相反的方向流动而产生的自旋流，并且电荷的流动被抵消。因此，流到磁阻效应元件的电流为零，并且不会给磁阻效应元件带来损伤。

但是，在非专利文献1中报告有在现有的元件结构中的由SOT引起的反转电流密度与由STT引起的反转电流密度为相同程度。产生纯自旋流的电流的流动不会给磁阻效应元件带来损伤，但是从驱动效率的观点出发，要求降低反转电流密度。为了降低反转电流密度而有必要更加有效地使纯自旋流发生。在非专利文献2中，公开有作为纯自旋流发生的构件的自旋轨道转矩配线的电阻率越大则纯自旋流的发生效率变得越高。如果纯自旋流的发生效率高，则能够将用于使磁化反转的电流密度(反转电流密度)抑制到较小，为了实现该结果，需要增大自旋轨道转矩配线的电阻率的技术。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：S.Fukami，C.Zhang，S.Dutta Gupta，A.Kurenkov和H.Ohno，《自然材料(Nature materials)》，(2016)，DOI：10.1038/NMAT4566

非专利文献2：M.H.Nguyen，D.C.Ralph，R.A.Buhrman，《物理评论快报(PhysicalReview Letters)》，116，126601(2016)，DOI：10.1103

发明内容

发明想要解决的技术问题

本发明是鉴上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种能够有效地使纯自旋流发生并且降低反转电流密度的自旋流磁化反转元件、磁存储器。

解决技术问题的手段

本发明为了解决上述技术问题而提供了以下所述手段。

(1)本发明的一个实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件具备：第1铁磁性金属层，其能够改变磁化的方向；自旋轨道转矩配线层，接合于所述第1铁磁性金属层并且在相对于所述第1铁磁性金属层的法线方向交叉的方向上延伸，所述自旋轨道转矩配线层包含B、C、Si、P中的至少一种轻元素、以及Ar、Kr、Xe中的至少一种稀有气体元素。

(2)在上述(1)所述的自旋流磁化反转元件中，在所述第1铁磁性金属层的内部或者所述第1铁磁性金属层与所述自旋轨道转矩配线层之间，可以在内部具有包含Ta、W、Mo、Cr、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt中的至少一种元素的插入层。

(3)上述(1)或者(2)的任一项所述的自旋流磁化反转元件中，可以在所述自旋轨道转矩配线层的内部包含氧和氮中的至少一种。

(4)上述(1)～(3)的任一项所述的自旋流磁化反转元件中，与所述自旋轨道转矩配线层夹持所述第1铁磁性金属层且在与所述自旋轨道转矩配线层的相反侧，依次在所述第1铁磁性金属层上层叠非磁性层、第2铁磁性金属层。

(5)本发明的一个形态所涉及的磁存储器具备多个上述(1)～(4)中任一项所述的自旋流磁化反转元件。

发明效果

本发明的自旋轨道转矩配线层通过包含B、C、Si、P中的至少一种轻元素，从而其晶体结构的基本骨架变形且周期结构崩散，非晶化(amorphization)或者微晶化。进一步，本发明的自旋轨道转矩配线层通过包含Ar、Kr、Xe中的至少一种稀有气体元素，从而在内部产生晶界并且B、C、Si、P变得容易晶界扩散，并成为有助于(促进)由轻元素导致的自旋轨道转矩配线层的非晶化或者微晶化的结构。因此，本发明的自旋轨道转矩配线层成为与不包含该轻元素以及稀有气体元素的情况相比电阻率更高，并且更容易产生纯自旋流的状态。因此，在使用其来使本发明的自旋流磁化反转元件工作的情况下，能够降低用于使第1铁磁性金属层的磁化反转的电流的密度(反转电流密度)。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的第1实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件结构的图，(a)是平面图，(b)是截面图。

图2是用于说明自旋霍尔效应(spin Hall effect)的示意图。

图3是示意性地表示本发明的第2实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件的结构的立体图。

图4是表示相对于本发明的第2实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件的EDX(能量色散X射线分析)的结果的图表。

符号说明

100、200……自旋流磁化反转元件

101、201……第1铁磁性金属层

101A……插入层

102、202……自旋轨道转矩配线层

203……非磁性层

204……第2铁磁性金属层

205……配线层

206……磁阻效应元件

207……第1电源

208……第2电源

209……基板

D1……功能部的层叠方向

D2……自旋轨道转矩配线层的长边方向

I……电流

Js……自旋流

L……轻元素

S1……第1自旋

S2……第2自旋

具体实施方式

以下，适当参照附图针对本发明进行详细说明。以下的说明中所使用的附图中，为了容易理解本发明的特征而有时候会从方便起见放大表示成为特征的部分，各个构成要素的尺寸比例等与实际会有所不同。在以下的说明中所例示的材料和尺寸等是一个例子，本发明并不限定于这些，可以在能够获得本发明的效果的范围内进行适当变更来实施。在本发明的元件中，可以在获得本发明的效果的范围内具备其他层。

[第1实施方式]

图1是示意性地表示本发明的第1实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件100的结构的图，自旋流磁化反转元件100具备：能够改变磁化的方向的第1铁磁性金属层101、接合于第1铁磁性金属层101的一面并且在相对于第1铁磁性金属层101的法线方向(z方向)交叉的方向上延伸的自旋轨道转矩配线层102。在此，例示了自旋轨道转矩配线层102在与第1铁磁性金属层101的法线方向垂直的方向(x方向)上延伸的情况。

图1(a)是从第1铁磁性金属层101侧观察自旋流磁化反转元件100的情况下的平面图。图1(b)是平行于第1铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线层102的层叠方向切断自旋流磁化反转元件100的情况下的截面图。

自旋流磁化反转元件100是一种利用由纯自旋流引起的自旋轨道转矩(SOT)来进行铁磁性金属层的磁化反转的元件，并且能够编入到磁阻效应元件等中来使用。另外，自旋流磁化反转元件100在利用现有的STT的磁阻效应元件中也能够作为铁磁性金属层的磁化反转的协助手段或者主要手段来使用。

第1铁磁性金属层101被称作为自由层(free layer)等，是由具有铁磁性的公知材料(优选为软磁性材料)例如选自Cr、Mn、Co、Fe、Ni中的金属以及包含一种以上这些金属的铁磁性合金等构成。另外，第1铁磁性金属层10也有时会由包含这些金属和B、C以及N中的至少一种以上元素的合金(具体地来说是Co-Fe或Co-Fe-B)等构成。

另外，为了获得更加高的输出而优选使用Co₂FeSi等哈斯勒合金(Heusleralloy)。哈斯勒合金包含具有X₂YZ的化学组成的金属间化合物，X在化学元素周期表中是Co、Fe、Ni、或者Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或者Ti族的过渡金属并且也可以采用X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如，可以列举Co₂FeSi、Co₂MnSi或Co₂Mn_1-aFe_aAl_bSi_1-b等。

第1铁磁性金属层101优选在内部具有包含Ta、W、Mo、Cr、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt中的至少一种的插入层101A。插入层101A具有吸收B的功能，因此能够防止B从第1铁磁性金属层101向自旋轨道转矩配线层102扩散，并且能够防止自旋轨道转矩配线层102的组成比发生混乱。

进一步，插入层101A可以通过其界面磁各向异性来对第1铁磁性金属层101赋予垂直磁各向异性。

进一步，插入层101A也可以成为较大程度上有助于磁阻效应的第1铁磁性金属层的基底层。第1铁磁性金属层101经由插入层101A进行结晶取向，相较于从非晶化或者微晶化了的自旋轨道转矩配线层上进行结晶取向更能够提高磁阻效应。

插入层101A可以处于第1铁磁性金属层101中的任何位置，另外，也可以处于与自旋轨道转矩配线层102的界面，其厚度优选为0.1nm以上且2.5nm以下。

自旋轨道转矩配线层102可由具有由流过电流时的自旋霍尔效应而产生纯自旋流的功能的合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任意种构成。

图2是用于说明在图1的自旋轨道转矩配线层102中产生的自旋霍尔效应的示意图，并且是沿着x方向切断自旋轨道转矩配线层102时的截面图。基于图2，针对由自旋霍尔效应产生纯自旋流的机理进行说明。

如图2所示，如果在自旋轨道转矩配线层102的延伸方向(-x方向)上流过电流I，则在-y方向上进行取向的第1自旋S1和在+y方向上进行取向的第2自旋S2分别向与电流I的方向相垂直的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)的运动(移动)方向会弯曲这一点上是共通的。但是，通常的霍尔效应仅在磁场存在的情况下发生，相对于此，自旋霍尔效应即使在磁场不存在的情况下，通过由空间反转对称性的崩解而产生的内场仅由电子移动(仅以电流流过)就可发生，在这一点上有很大不同。

在非磁性体(不是铁磁体的材料)中，因为第1自旋S1的电子数与第2自旋S2的电子数相等，所以在图中朝向上方向的第1自旋S1的电子数与朝向下方向的第2自旋S2的电子数相等。因此，作为净电荷流动的电流为零。该不伴随该电流的自旋流被特别地称作纯自旋流。

在铁磁体中流通电流的情况在第1自旋S1和第2自旋S2以互相相反方向进行弯曲这一点上是相同的。另一方面，在铁磁体中是第1自旋S1和第2自旋S2的任一者较多的状态，作为结果产生净电荷的流动(产生了电压)，在这一点上有所不同。因此，作为自旋轨道转矩配线层102的材料不包含仅由铁磁性体构成的材料。

在此，如果将第1自旋S1的自旋的流动表示为J_↑；将第2自旋S2的自旋的流动表示为J_↓；并将自旋流表示为J_s的话，则以J_s＝J_↑-J_↓进行定义。在图2中，作为纯自旋流的J_s在图中的向上方向上进行流动。在此，J_s为极化率100％的纯自旋的流动。

如图1所示，如果使铁磁体接触于自旋轨道转矩配线层102的上表面的话，则纯自旋流扩散并流入到铁磁性体中。即，自旋被注入到第1铁磁性金属层101。

本实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件100就这样通过使电流流到自旋轨道转矩配线层102从而产生纯自旋流，并使该纯自旋流在与自旋轨道转矩配线层102接触的第1铁磁性金属层101扩散，从而就会引起伴随于由该纯自旋流引发的自旋轨道转矩(SOT)效应的第1铁磁性金属层101的磁化反转。

从纯自旋流的发生效率的观点出发，作为自旋轨道转矩配线层102的材料，优选使用在最外层具有d电子或者f电子并且自旋轨道相互作用大的原子序号为39以上的重金属元素。在原子序号小的金属中流动电流的情况下，全部的内部电子不管各个自旋的朝向而在与电流相反的方向上移动。相对于此，在最外层具有d电子或者f电子的原子序号大的非磁性金属中流动电流的情况下，自旋轨道相互作用大，因此电子的移动方向由自旋霍尔效应而依赖于各个自旋的朝向，并且容易产生纯自旋流。

本实施方式所涉及的自旋轨道转矩配线层102具有以Pt等的重金属元素的结晶结构作为基本骨骼，并且含有B、C、Si、P等中的至少1个轻元素L、以及Ar、Kr、Xe等中的至少一种稀有气体元素(未图示)作为添加元素的结构。

上述轻元素以及稀有气体元素的添加可以使用公知的方法例如离子注入法、等离子体掺杂法、激光掺杂法、同时溅射法、离子枪辅助成膜法等来进行。

在各个掺杂法中，轻元素的注入容易，但是有可能会产生侵入深度的限制或注入元素的浓度分布。从自旋流生成的观点出发，可以产生该浓度分布。在使用了合金靶材的溅射法中，可以没有浓度分布地添加轻元素。但是，因为如果添加轻元素的话则合金靶材会变脆，所以对于添加量会有产生限制的可能性，例如通过使用重金属元素靶材和轻元素靶材的同时溅射法并调整各溅射条件，从而就能够调整添加量。

进一步，通过增加在溅射时所使用的稀有气体的量，从而能够添加稀有气体，但是通过将所使用的稀有气体增加到2种(Ar+Kr)从而就能够更加有效地进行添加。

再有，通过使用在溅射时一边照射Ar、Kr、Xe等的等离子(plasma ion)一边进行成膜的离子枪辅助成膜法，从而能够进一步添加稀有气体。

包含于自旋轨道转矩配线层102的轻元素的比率优选为5atm％以上且50atm％以下。

在轻元素的含有比率为5atm％以上的情况下，自旋轨道转矩配线层102的构成材料没有合金化就成为金属间化合物，并且变得容易在晶界偏析B、C、Si、P。因此，自旋轨道转矩配线层102的微晶化被进一步促进，并且电阻率会增大。

在轻元素的含有比率为10atm％以上的情况下，自旋轨道转矩配线层102的构成材料的一部分会发生合金化，并且自旋轨道转矩配线层102的电阻率会进一步增大。

自旋轨道转矩配线层102优选包含原子半径大的元素(氧和氮等)中的至少一种。在此情况下，因为晶界产生于自旋轨道转矩配线层102内并且B、C、Si、P变得容易晶界扩散，所以能够进一步促进非晶化和微晶化。

如以上所述，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩配线层102通过包含B、C、Si、P中的至少一种轻元素，从而其晶体结构的基本骨架变形且周期结构崩解，并且非晶化或者微晶化。进一步，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩配线层102通过包含Ar、Kr、Xe中的任意一种稀有气体元素，从而在内部产生晶界并且B、C、Si、P变得容易晶界扩散，并成为有助于(促进)由轻元素引起的自旋轨道转矩配线层102的非晶化或者微晶化的结构。因此，自旋轨道转矩配线层102与不包含该轻元素以及稀有气体元素的情况相比电阻率更高，并成为容易产生纯自旋流的状态。因此，在使用其来使本实施方式的自旋流磁化反转元件100工作的情况下，能够降低用于使第1铁磁性金属层101的磁化反转的电流的密度(反转电流密度)。

[第2实施方式]

图3是示意性地表示本发明的第2实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件200结构的立体图。自旋流磁化反转元件200通过依次将第1铁磁性金属层201、非磁性层203、第2铁磁性金属层204和配线层205层叠于自旋轨道转矩配线层202上而形成。进一步具备使电流在由上述3个层201、203、204构成的磁阻效应元件206的层叠方向D1上流动的第1电源207、使电流在自旋轨道转矩配线层202的长边方向D2上流动的第2电源208。磁阻效应元件206经由配线层205被基板209支撑。

自旋流磁化反转元件200既可以仅利用电流在自旋轨道转矩配线层202中流动而发生的SOT来使第1铁磁性金属层201的磁化的反转工作，又可以通过并用该SOT和通过电流在磁阻效应元件206流动而发生的STT来使第1铁磁性金属层201的磁化的反转工作。

在非磁性层203是由绝缘体构成的情况下，磁阻效应元件206相当于隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层203是由金属构成的情况下，磁阻效应元件206相当于巨磁阻(GMR：Giant Magneto Resistance)元件。

磁阻效应元件206是通过第2铁磁性金属层204的磁化被固定于一个方向并且第1铁磁性金属层201的磁化的朝向相对性地变化来发挥功能的。在适用于矫顽力差型(准自旋阀型：pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，将第2铁磁性金属层204的矫顽力调整到大于第1铁磁性金属层201的矫顽力。另外，在适用于交换偏置型(自旋阀型：spin valve型)的MRAM的情况下，由与反铁磁性层的交换耦合来固定第2铁磁性金属层204的磁化。

本实施方式的第1铁磁性金属层201和自旋轨道转矩配线层202分别具有与第1实施方式的第1铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线层102相同的结构。因此，即使在本实施方式的自旋流磁化反转元件200中，也能够获得与第1实施方式的自旋流磁化反转元件100相同等的效果。

第2铁磁性金属层204以及第1铁磁性金属层201既可以是磁化方向相对于各层的表面为平行的面内磁化膜，又可以是磁化方向相对于各层的表面垂直的垂直磁化膜。

在第2铁磁性金属层204的材料中可以使用公知的材料，例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe以及Ni的金属、以及包含这些金属中的一种以上并且显示铁磁性的合金。另外，也可以使用包含这些金属和B、C及N中的至少一种以上的元素的合金。例如，可以列举Co-Fe或Co-Fe-B。

另外，为了获得更高的输出而优选使用Co₂FeSi等哈斯勒合金(Heusler alloy)。哈斯勒合金包含具有X₂YZ的化学组成的金属间化合物，X在化学元素周期表中是Co、Fe、Ni、或Cu族过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属元素，也可以除去X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如，可以列举Co₂FeSi、Co₂MnSi、Co₂Mn_1-aFe_aAl_bSi_1-b等。

另外，为了进一步增大第2铁磁性金属层204相对于第1铁磁性金属层201的矫顽力，也可以在第2铁磁性金属层104之上使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料的层作为钉扎层(pinning layer)。进一步，为了使第2铁磁性金属层204的漏磁场不影响到第1铁磁性金属层201，也可以做成合成铁磁耦合的结构。

进一步，在使第2铁磁性金属层204的磁化的朝向相对于层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第2铁磁性金属层204可以做成[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。括号内的数值表示膜厚。

在使第1铁磁性金属层201的磁化的朝向相对于层叠面垂直的情况下，优选将第1铁磁性金属层201的厚度控制在2.5nm以下。在维持附加到第1铁磁性金属层201的垂直磁各向异性之上，第1铁磁性金属层201优选越薄越好。

在非磁性层203中可以使用公知的材料。例如，在非磁性层203由绝缘体构成的情况下，作为其材料可以使用Al₂O₃、SiO₂、MgO以及MgAl₂O₄等。另外，除了这些之外，还可以使用Al、Si、Mg的一部分被Zn和Be等置换的材料等。在这些之中，MgO或MgAl₂O₄是能够实现相干隧道(coherent tunnel)的材料，因此能够有效地注入自旋。另外，在非磁性层203是由金属构成的情况下，作为其材料可以使用Cu、Au、Ag等。

基板209优选在平坦性方面优异，作为其材料，例如能够使用Si、Al、Ti、C等。

在基板209与配线层205之间，也可以形成基底层(省略图示)。通过设置基底层，从而能够控制构成磁阻效应元件206的各层的结晶性(结晶取向性、晶体粒径等)。

为了使流到配线层205的电流不散逸，基底层优选具有绝缘性。作为基底层，作为例子之一可以使用具有(001)取向的NaCl结构，且包含选自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，基底层中可以使用以XYO₃的组成式表示的(002)取向的钙钛矿类导电性氧化物的层。在此，X位含有选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素，Y位含有选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。

作为其他例子，在基底层中可以使用具有(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。

作为其他例子，在基底层中可以使用具有(001)取向的四方晶结构或者立方晶结构，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。

另外，基底层没有必要是单层，也可以是层叠了多层上述层的层叠体。通过设计基底层的结构，从而就能够提高磁阻效应元件206的各层的结晶性，并且能够改善磁特性。

配线层205被电连接于第2铁磁性金属层204，如图3所示，由配线层205和自旋轨道转矩配线层202以及第1电源207构成了闭电路，并且以在磁阻效应元件206的层叠方向上流通电流的方式构成。

作为配线层205的材料，只要是导电性高的材料即可，例如可以使用Al、Ag、Cu、Au等。

在上述的实施方式中例举了所谓底销(bottom pin)结构的例子，即，在磁阻效应元件206中，层叠顺序靠后且配置于离基板209较远的一侧的第1铁磁性金属层201被作为磁化自由层，层叠顺序靠前且配置于接近于基板209的一侧的第2铁磁性金属层204被作为磁化固定层(销钉层)，不过，磁阻效应元件206的结构并没有特别的限定，也可以是所谓顶销(top pin)结构。

作为第1电源207以及第2电源208的材料，可以使用公知的材料。第1电源207被连接于配线层205和自旋轨道转矩配线层202。第1电源207能够控制在磁阻效应元件206的层叠方向D1上流通的电流。第2电源208被连接于在自旋轨道转矩配线层202的长边方向D2上的两端。第2电源208能够控制在垂直于磁阻效应元件206的层叠方向D1的方向D2上流通的电流。

如上所述，在磁阻效应元件206的层叠方向D1上流过的电流诱发STT，在自旋轨道转矩配线202的长边方向D2上流过的电流诱发SOT。STT以及SOT都有助于第1铁磁性金属层201的磁化反转。

通过使用第1电源207和第2电源208分别调节流过磁阻效应元件206的电流量和流过自旋轨道转矩配线层202的电流量，从而能够自由地控制SOT和STT贡献率。

例如，在不能在装置中流通大电流的情况下，进行控制以使对磁化反转的能量效率高的STT主要发挥贡献。即，增加由第1电源207提供的电流量，并减少由第2电源208提供的电流量。另外，例如有必要制作薄的装置，在不得不减薄非磁性层203厚度的情况下寻求减少在非磁性层203中流通的电流。在此情况下，减少由第1电源207提供的电流量，增加由第2电源208提供的电流量，从而提高SOT的贡献率。

如以上所述，通过由以能够并用STT方式以及SOT方式的形式构成的本实施方式的磁阻效应元件，能够通过从第1电源207以及第2电源208提供的电流量来自由地控制STT以及SOT的贡献率。因此，本实施方式的自旋流磁化反转元件200可根据装置所要求的性能自由地控制STT以及SOT的贡献率，并且能够作为泛用性广的磁阻效应元件来发挥功能。

除了以上所述的之外，本实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件200还能够适用于例如空间光调制器以及磁传感器等。在适用于空间光调制器的情况下，将上述自旋流磁化反转元件配设于各个像素，从而能够利用磁光学效应来空间性地调制入射光。在适用于传感器的情况下，为了避免由磁铁的矫顽力引起的磁滞(hysteresis)的影响，也可以将施加到磁铁的易磁化轴的磁场发生源置换为自旋轨道转矩配线。

(制造方法)

本发明的自旋流磁化反转元件以及具备该元件的磁阻效应元件的制造方法并没有特别的限定，可以使用物理气相沉积(PVD)法以及化学气相沉积(CVD)法等公知的成膜法。作为物理气相沉积法例如可以使用电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、分子束外延(MBE：molecular beam epitaxy)法、离子电镀法、离子束沉积(ion beam deposition)法、溅射法等。作为化学气相沉积(CVD)法，例如能够使用热CVD法、光CVD法、等离子体CVD法、有机金属气相沉积(MOCVD)法、原子层沉积(ALD)法等。以下通过就具备自旋流磁化反转元件的磁阻效应元件的制造方法的一个例子进行说明，从而也兼带说明自旋流磁化反转元件的制造方法。

首先，使用例如溅射法来将自旋轨道转矩配线层的膜形成于成为支撑体的基板上。接下来，使用光刻等技术来将已形成的自旋轨道转矩配线层的膜加工成规定的形状。

然后，自旋轨道转矩配线层以外的部分例如使用CVD法而被氧化膜等的绝缘膜覆盖。或者，也可以对自旋轨道转矩配线层的表面实施氧化或者氮化，并且将绝缘层或者高电阻层形成于自旋轨道转矩配线层的表面。在此情况下，至少被高电阻化了的自旋轨道转矩配线层的表面被氧化膜等的绝缘膜覆盖。自旋轨道转矩配线层、绝缘膜(绝缘层、高电阻层)的露出面优选通过化学机械研磨(CMP)法来进行研磨。

接下来，例如使用溅射法来依次将第1铁磁性金属层、非磁性层、第2铁磁性金属层层叠于自旋轨道转矩配线层上，并形成磁阻效应元件的功能部。在功能部为TMR元件的情况下，例如隧道势垒层(tunnel barrier layer)可通过以下所述工序获得，即，在第1铁磁性金属层上通过溅射法来形成最初为0.4～2.0nm程度的镁、铝、以及由多个非磁性元素的二价阳离子构成的金属薄膜，进行等离子体氧化或由氧的导入引起的自然氧化，然后实行热处理。

以反应性溅射形成的层因为是非晶并且有必要进行结晶化，所以所获得的功能部优选实行退火处理。例如，在作为铁磁性金属层使用Co-Fe-B的情况下，B的一部分由退火处理而退出到外部进行结晶化。

经退火处理而制造得到的功能部与不经退火处理而制造得到的功能部相比，磁阻比提高。这被认为是由于通过退火处理而提高了非磁性层(隧道势垒层)的结晶尺寸的均匀性以及取向性。

作为退火处理，优选在Ar等惰性气体氛围中以300℃以上且500℃以下的温度范围加热5分钟以上且100分钟以下的时间之后，以施加2kOe以上且10kOe以下的磁场的状态在100℃以上且500℃以下的温度条件下加热1小时以上且10小时以下。

作为将磁阻效应元件加工成规定形状的方法，可以利用光刻等加工手段。首先，在层叠了磁阻效应元件之后，将抗蚀层涂布于与磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线层相反侧的面上。然后，固化规定部分的抗蚀层，除去不需要部分的抗蚀层。抗蚀层发生固化的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀层发生固化的部分与最终获得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磨削、反应性离子刻蚀(RIE)等处理。没有形成保护膜的部分被除去，并获得规定形状的磁阻效应元件。

本发明并不一定限定于上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的结构以及制造方法，可以在不脱离本发明宗旨的范围内增加各种各样的变更。

(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)

对于本发明的磁阻效应元件来说，磁化反转方法中，自旋轨道转矩配线层中流通的电流的电流密度可被设定为小于1×10⁷A/cm²。如果自旋轨道转矩配线层中流通的电流的电流密度过大，则由自旋轨道转矩配线层中流通的电流会产生热。如果对第2铁磁性金属层施加热，则会失去第2铁磁性金属层的磁化的稳定性，并且有可能发生预料之外的磁化反转等的情况。如果发生了这样的预料之外的磁化反转，则会产生记录的信息被改写的问题。即，为了避免预料之外的磁化反转，优选流到自旋轨道转矩配线层的电流的电流密度不会变得过大。如果流到自旋轨道转矩配线层的电流的电流密度小于1×10⁷A/cm²，则能够至少避免由所发生的热产生磁化反转。

对于本发明的磁阻效应元件来说，磁化反转方法中合并使用STT方式以及SOT方式的构成的情况下，也可以在对自旋轨道转矩配线层的电源施加电流之后，对磁阻效应元件的电源施电流加。

SOT磁化反转工序和STT磁化反转工序即可以同时进行，也可以事先进行了SOT磁化反转工序之后增加实行STT磁化反转工序。既可以同时从第1电源207和第2电源208供给电流，又可以在从第2电源208供给电流之后再从第1电源207供给电流，但是为了更加切实地获得利用了SOT的磁化反转的辅助效应，优选在对自旋轨道转矩配线层的电源施加电流之后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在从第2电源208供给电流之后，再从第1电源207供给电流。

实施例

以下通过实施例来进一步明确本发明的效果。另外，本发明并不限定于以下的实施例，可以在不变更其宗旨的范围内作适当变更来实施。

＜实施例1＞

通过上述的方法制作了具备本发明的自旋流磁化反转元件的磁阻效应元件。首先，在使用溅射法在基底基板上形成基底层之后，一边照射使用了离子枪辅助法的Ar离子，一边以使用了Ar的溅射法来形成由Pt构成的自旋轨道转矩配线层。继续使用离子注入法，对于加工好的自旋轨道转矩配线层添加了作为轻元素的B(10atm％)。

接下来，使用溅射法在包含有轻元素B以及稀有气体元素Ar的自旋轨道转矩配线层上依次层叠第1铁磁性金属层、非磁性层、第2铁磁性金属层，并形成磁阻元件的功能部。作为第1铁磁性金属层的材料，使用了CoFeB。作为非磁性体的材料，使用了MgO。作为第2铁磁性金属层的材料，使用了CoFeB/Ru/[Co/Pt]n。在300℃温度条件下对形成好的功能部实行120分钟的退火处理。之后，加工成规定形状。

另外，为了确认各元素的添加量，在用TEM(透射型电子显微镜)进行截面观察之后，使用EDX(能量色散X射线分析)来确认组成分布。将组成分布的图表示于图4中。从EDX的结果，能够确认到B和Ar被添加于自旋轨道转矩配线层。

接下来，在第2铁磁金属配线层上重叠板状配线层的至少一部分，并用粘结剂等固定。进一步，分别将第1电源的一端侧电连接于自旋轨道转矩配线层，并将第1电源的另一端侧电连接于第2铁磁性金属层。另外，分别将第2电源的一端侧电连接于自旋轨道转矩配线层的一端侧，并将第2电源的另一端侧电连接于自旋轨道转矩配线层的另一端侧。通过以上所述形式，从而获得磁阻效应元件的试样。

＜实施例2＞

除了对自旋轨道转矩配线层添加C作为轻元素之外，其余均以与实施例1相同的方法制作了磁阻效应元件的试样。

＜实施例3＞

除了对自旋轨道转矩配线层添加Si作为轻元素并使用Kr离子枪辅助法之外，其余均以与实施例1相同的方法制作了磁阻效应元件的试样。

＜实施例4＞

除了对自旋轨道转矩配线层添加P作为轻元素并使用了Xe离子枪辅助法之外，其余均以与实施例1相同的方法制作了磁阻效应元件的试样。

＜比较例1＞

除了不对自旋轨道转矩配线层添加轻元素之外，其余均以与实施例1相同的方法制作了磁阻效应元件的试样。

对于实施例1～4以及比较例1中获得的磁阻效应元件的试样来说，关于包含于自旋轨道转矩配线层的轻元素、自旋轨道转矩配线层的电阻率以及工作时的反转电流密度，都示于表1中。

另外，电阻率测定通过将Pt的膜厚固定为10nm，加工几根粗细不同的细线，由4端子测定来进行实测。不添加稀有气体的Pt的电阻率为29.7μΩ·cm。

[表1]

可以了解到与不添加轻元素的自旋轨道转矩配线层(比较例1)相比，添加了B、C、Si、P作为轻元素的自旋轨道转矩配线层(实施例1～4)的电阻率都相对增大，成为纯自旋流容易发生的状态，作为其结果，能够降低相对于第1铁磁性金属层的磁化的反转电流密度。

Claims

1.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于：

具备：

第1铁磁性金属层，其能够改变磁化的方向；和

自旋轨道转矩配线层，其接合于所述第1铁磁性金属层并在相对于所述第1铁磁性金属层的法线方向交叉的方向上延伸，

所述自旋轨道转矩配线层包含B、C、Si、P中的至少一种轻元素、以及Ar、Kr、Xe中的至少一种稀有气体元素。

2.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

在所述第1铁磁性金属层的内部或者所述第1铁磁性金属层与所述自旋轨道转矩配线层之间具有包含Ta、W、Mo、Cr、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt中的至少一种元素的插入层。

3.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

在所述自旋轨道转矩配线层的内部包含氧和氮中的至少一种。

4.如权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

5.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

与所述自旋轨道转矩配线层夹持所述第1铁磁性金属层且在与所述自旋轨道转矩配线层的相反侧，依次在所述第1铁磁性金属层上层叠非磁性层、第2铁磁性金属层。

6.如权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

7.如权利要求3的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

8.如权利要求4的自旋流磁化反转元件，其特征在于：

9.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求1所述的自旋流磁化反转元件。

10.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求2所述的自旋流磁化反转元件。

11.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求3所述的自旋流磁化反转元件。

12.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求4所述的自旋流磁化反转元件。

13.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求5所述的自旋流磁化反转元件。

14.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求6所述的自旋流磁化反转元件。

15.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求7所述的自旋流磁化反转元件。

16.一种磁存储器，其特征在于：

具备多个权利要求8所述的自旋流磁化反转元件。