CN109545954B - 自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够减少磁化反转所需要的反转电流密度的自旋流磁化反转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器。该自旋流磁化反转元件具有：沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线；和在与上述自旋轨道转矩配线交叉的第二方向层叠的第一铁磁性层，上述第一铁磁性层具有多个铁磁性结构层和夹在相邻的铁磁性结构层间的至少1层插入层，夹着上述多个铁磁性结构层中的至少1个铁磁性结构层的层的自旋霍尔角的极性不同。

Description

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器
技术领域
本发明涉及自旋流磁化反转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器。
背景技术
作为磁阻效应元件，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)元件及作为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，TMR元件与GMR元件相比，元件电阻高，磁阻(MR)比大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头和非易失性随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
在夹着绝缘层的两个铁磁性层的相互磁化的朝向变化时，TMR元件的元件电阻发生变化，MRAM利用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。
从能量的有效的观点考虑时，使用了STT的TMR元件的磁化反转是有效的，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，优选该反转电流密度低。该点对于GMR元件也一样。
因此，近年来，利用与STT不同的机制进行磁化反转的、利用由自旋轨道相互作用生成的纯自旋流的磁化反转备受关注(例如，非专利文献1)。该机制尚不明确，但考虑是由自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或种类不同的材料界面中的Rashba效应诱发自旋轨道转矩(SOT)，根据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相同数量相互反方向流动而产生，电荷的流动相抵。因此，磁阻效应元件中流通的电流为零，能够实现磁阻效应元件的长寿命化。
例如，在专利文献1中公开了，利用SOT进行写入(磁化反转)的磁阻存储器。专利文献1中公开的磁阻存储器利用由自旋霍尔效应注入的自旋导致的SOT，使功能性磁耦合层的磁化反转，进一步而言，使与功能性磁耦合层磁耦合的记录层的磁化反转。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2014/0312441号说明书非专利文献
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,Nat ure,476,189(2011).
发明内容
发明所要解决的课题
但是，利用SOT使磁化反转所需要的反转电流密度与利用STT使磁化反转所需要的反转电流密度可以是同程度的。利用SOT的元件具有：不需要在磁阻效应元件的层叠方向上流通，因此能够抑制对磁阻效应元件产生损伤的优点。另一方面，为了提高元件的驱动效率，谋求降低利用SOT使磁化反转所需要的反转电流密度。
本发明是鉴于上述事情而完成的发明，其目的在于提供能够减少磁化反转所需要的反转电流密度的自旋流磁化反转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器。
用于解决课题的方法
本发明的发明人发现：在具有自旋轨道转矩配线的SOT方式的磁阻效应元件中，沿着自旋轨道转矩配线流通的电流的一部分侵入铁磁性金属层内。因此，研究了在铁磁性金属层内也插入用于产生自旋霍尔效应的层，使产生SOT的自旋较多地发生。而且，发现通过控制插入层的自旋霍尔角的极性，能够避免或减少消除SOT的情况。
即，本发明为了解决上述课题，提供以下的方案。
(1)第一方式涉及的自旋流磁化反转元件具有：沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线；和在与上述自旋轨道转矩配线交叉的第二方向层叠的第一铁磁性层，上述第一铁磁性层具有多个铁磁性结构层和夹在相邻的铁磁性结构层间的至少1层插入层，夹着上述多个铁磁性结构层中的至少1个铁磁性结构层的层的自旋霍尔角的极性不同。
(2)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件中，夹着上述铁磁性结构层的层可以是上述自旋轨道转矩配线和上述插入层。
(3)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件中，上述自旋轨道转矩配线和上述多个插入层的自旋霍尔角的极性可以在层叠方向上交替地不同。
(4)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件中，在上述自旋轨道转矩配线和上述多个插入层中，具有正的极性的自旋霍尔角的层可以主要具有属于第8族、第9族、第10族、第11族和第12族中任意族的金属元素，具有负的极性的自旋霍尔角的层可以主要具有属于第3族、第4族、第5族、第6族和第7族中任意族的金属元素。
(5)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件的上述多个铁磁性结构层中，相邻的至少2个铁磁性结构层可以进行反铁磁性耦合。
(6)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件的上述多个铁磁性结构层的磁化可以在与上述第一方向和上述第二方向正交的第三方向上取向。
(7)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件，在上述多个铁磁性结构层中，与上述自旋轨道转矩配线最接近的铁磁性结构层可以比其他铁磁性结构层薄。
(8)上述方式涉及的自旋流磁化反转元件的上述多个铁磁性结构层中，磁化在相同方向取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量可以与磁化在相反方向取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量相等。
(9)第二方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件具有：上述方式涉及的自旋流磁化反转元件；在上述第一铁磁性层中的在与上述自旋轨道转矩配线连接的面的相反侧的面层叠的非磁性层；夹着上述第一铁磁性层和上述非磁性层的第二铁磁性层。
(10)第三方式涉及的磁存储器具有多个上述方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
发明效果
能够提供能够减少磁化反转所需要的反转电流密度的自旋流磁化反转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器。
附图说明
图1是示意地表示第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面图。
图2是自旋轨道转矩配线和插入层的自旋霍尔角的极性相等的自旋流磁化反转元件的截面示意图。
图3是示意地表示铁磁性结构层为垂直磁化膜时的例子的自旋流磁化反转元件的图。
图4是示意地表示铁磁性结构层为面内磁化膜、磁化在x方向上取向时的例子的自旋流磁化反转元件的图。
图5是示意地表示铁磁性结构层为面内磁化膜，磁化在y方向上取向时的例子的自旋流磁化反转元件的图。
图6是第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面示意图。
图7是第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的其他例子的截面示意图。
图8是第三实施方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图9是具有多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件的磁存储器的俯视图。
符号说明
1 第一铁磁性层
1Aa、1Ab、1Ac 铁磁性结构层
1Ba、1Bb 插入层
2 自旋轨道转矩配线
5 非磁性层
6 第二铁磁性层
10、10A、10B、10C、10D、10E、10F、11、20、21、22 自旋流磁化反转元件
30 功能部
100 自旋轨道转矩型磁阻效应元件
200 磁存储器
S1 第一自旋
S2 第二自旋
具体实施方式
以下，在本实施方式中，适当参照附图进行详细地说明。以下的说明中使用的附图为了容易理解本发明的特征，方便而言，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。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，能够在实现本发明的效果的范围内适当变更而实施。
(自旋流磁化反转元件)
“第一实施方式”
图1是示意地表示第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面图。第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10具有第一铁磁性层1和自旋轨道转矩配线2。
以下，将自旋轨道转矩配线2延伸的第一方向规定为x方向，将第一铁磁性层1的层叠方向(第二方向)规定为z方向，将与x方向和z方向都正交的方向规定为y方向进行说明。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2在x方向上延伸。自旋轨道转矩配线2与第一铁磁性层1的z方向的一面连接。自旋轨道转矩配线2可以与第一铁磁性层1直接连接，也可以经由其他的层连接。
自旋轨道转矩配线2由在电流流通时能够通过自旋霍尔效应生成纯自旋流的材料构成。自旋轨道转矩配线2不限于由单体的元素构成的材料，也可以是包括由容易生成纯自旋流的材料构成的部分和由难以生成纯自旋流的材料构成的部分的自旋轨道转矩配线等。
所谓自旋霍尔效应是在材料中流通电流的情况下，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。对通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机制进行说明。
如图1所示，在自旋轨道转矩配线2的x方向的两端赋予电位差时，沿x方向流通电流。电流流通时，在－y方向上取向的第一自旋S1与在+y方向上取向的第二自旋S2分别在与电流正交的方向上扭曲。另外，在图1中，作为第一自旋S1向第一铁磁性层1侧扭曲的例子而图示的，但扭曲的方向可以是反方向。即，可以是第一自旋S1向－z方向扭曲、第二自旋向+z方向扭曲的构成。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)方向的方面相同。另一方面，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扭曲运动方向，相对于此，在自旋霍尔效应中，即使不存在磁场，但只由于电子移动(只由于电流流通)扭曲自旋的移动方向，在这方面有很大不同。
在非磁性体(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。
在铁磁性体中流通电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2相互向相反方向扭曲，在这方面相同。另一方面，在铁磁性体中，第一自旋S1和第二自旋S2的任一个是较多的状态，作为结果，产生电荷的净流量(产生电压)，在这方面不同。因此，作为自旋轨道转矩配线2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↑，将第二自旋S2的电子的流动表示为J↓，将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑－J↓定义。纯自旋流JS在图中的z方向上流动。在此，JS是极化率为100％的电子的流动。
在图1中，在使铁磁性体与自旋轨道转矩配线2的上面接触时，纯自旋流扩散流入铁磁性体中。即，向第一铁磁性层1注入自旋。
自旋轨道转矩配线2能够由具有通过流通电流时的自旋霍尔效应产生纯自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中任意种构成。
自旋轨道转矩配线2的主结构优选为非磁性的重金属。在此，所谓重金属，是指具有钇以上的比重的金属。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以上的原子序数大的非磁性金属。这些非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用大。
通常，金属中流通电流时，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，最外壳具有d电子或f电子的原子序数大的非磁性金属中，自旋轨道相互作用大，产生的自旋霍尔效应强烈作用。因此，在为最外壳具有d电子或f电子的原子序数大的非磁性金属的情况下，电子的移动方向依赖于电子的自旋的朝向。即，这些非磁性金属不容易产生纯自旋流Js。
另外，自旋轨道转矩配线2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。非磁性金属包含微量的磁性金属时，成为自旋的散射因数。自旋散射时，自旋轨道相互作用被增强，相对电流的自旋流的生成效率变高。自旋轨道转矩配线2的主结构可以仅由反铁磁性金属构成。
另一方面，磁性金属的添加量过多时，产生的纯自旋流被添加的磁性金属散射，作为结果，有时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构成自旋轨道转矩配线的元素的总摩尔比充分小。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2也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线2的主结构也可以是拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是指物质内部为绝缘体或者高电阻体但其表面产生自旋极化的金属状态的物质。该物质中通过自旋轨道相互作用产生内部磁场。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，优选例如SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1－xSbx、(Bi1－xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。
＜第一铁磁性层＞
第一铁磁性层的磁化的朝向接受从自旋轨道转矩配线2注入的自旋导致的SOT而变化。第一铁磁性层具有多个铁磁性结构层和夹在相邻的铁磁性结构层间的至少1层插入层。图1所示的第一铁磁性层1具有2个铁磁性结构层1Aa、1Ab和夹在它们间的插入层1Ba。
[铁磁性结构层]
作为构成第一铁磁性层1的铁磁性结构层1Aa、1Ab的材料，能够适用铁磁性材料、特别是软磁性材料。可以使用例如选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含1种以上的这些金属的合金、包含这些金属与B、C、和N中的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，可以列举Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe。
为了得到更高的输出，铁磁性结构层1Aa、1Ab可以使用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是元素周期表上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族的过渡金属或X的元素种，Z为III族至V族的典型元素。例如，可以列举Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b、Co2FeGe1－cGac等。
铁磁性结构层1Aa、1Ab的膜厚分别优选为1.5nm以下，更优选为1.0nm以下。在使铁磁性结构层1Aa、1Ab的膜厚变薄时，在铁磁性结构层1Aa、1Ab与插入层1Ba或自旋轨道转矩配线2的界面，能够向铁磁性结构层1Aa、1Ab附加垂直磁各向异性(界面垂直磁各向异性)。即，能够使铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化的朝向相对于层叠面而垂直。界面垂直磁各向异性通过使铁磁性结构层的膜厚变厚而使效果衰减。
另外，铁磁性结构层1Aa、1Ab的膜厚薄时，能够减少通过SOT使铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化反转所需要的反转电流密度。SOT产生的反转电流密度与铁磁性金属层的膜厚成比例。
多个铁磁性结构层1Aa、1Ab中，优选与自旋轨道转矩配线2最接近的铁磁性结构层1Aa比其他的铁磁性结构层1Ab薄。详细的情况后述，在自旋流磁化反转元件10中产生自旋流的是自旋轨道转矩配线2和插入层1Ba。在自旋轨道转矩配线2中流通的电流量比在插入层1Ba中流通的电流量多，由自旋轨道转矩配线2产生的自旋流比由插入层1Ba产生自旋流多。另外，如上所述，SOT产生的反转电流密度与铁磁性金属层的膜厚成比例，膜厚薄的层容易磁化反转。即，通过使注入最多的自旋的层变薄，事先容易进行磁化反转，能够更加减少反转电流密度。
[插入层]
插入层1Ba是生成自旋流的层(自旋流生成层)。在图1中，插入层1Ba夹着自旋轨道转矩配线2和铁磁性结构层1Aa。
插入层1Ba的自旋霍尔角的极性与自旋轨道转矩配线2的自旋霍尔角的极性不同。在自旋霍尔效应中，第一自旋S1和第二自旋S2向相互相反方向扭曲。第一自旋S1具有向z方向扭曲的情况和向－z方向扭曲的情况。表示其的是“自旋霍尔角的极性”。将向z方向扭曲的情况作为正的极性，将向－z方向扭曲的情况作为负的极性。自旋霍尔角的极性可以根据构成自旋轨道转矩配线2和插入层1Ba的材料种、添加元素种、添加元素量等设定。
另外，“自旋霍尔角”是自旋霍尔效应的强度的指标之一，表示相对沿自旋轨道转矩配线2流通的电流产生的自旋流的变换效率。即，自旋霍尔角的绝对值越大，第一自旋S1或第二自旋S2注入第一铁磁性层1越多。
插入层1Ba可以使用与自旋轨道转矩配线2所使用的材料相同的材料。在这些材料中，选择与自旋轨道转矩配线2的自旋霍尔角的极性不同的材料。例如，在自旋轨道转矩配线2具有正的极性的自旋霍尔角时，插入层1Ba主要含有成为负的极性的自旋霍尔角的材料。
为了使自旋轨道转矩配线2或插入层1Ba成为具有正的极性的自旋霍尔角的层，优选主要使用属于第8族、第9族、第10族、第11族和第12族中任意族的金属元素。另外，为了使自旋轨道转矩配线2或插入层1Ba成为具有负的极性的自旋霍尔角的层，优选主要使用属于第3族、第4族、第5族、第6族和第7族中任意族的金属元素。例如自旋轨道转矩配线2主要含有Ta且具有负的极性的自旋霍尔角的情况下，使主要构成插入层1Ba的材料为具有正的极性的自旋霍尔角的Ru。
插入层1Ba的膜厚优选为0.3～2.0nm。低于0.3nm的厚度是切断1原子层的膜厚。因此，难以制作均质的层。另外，厚度超过2.0nm时，担心铁磁性结构层1Aa、1Ab间的磁耦合被切断，第一铁磁性层1不会作为一个铁磁性体发挥作用。
＜动作原理＞
基于图1对第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10的动作原理进行说明。沿自旋轨道转矩配线2流通电流时，由于自旋霍尔效应，第一自旋S1和第二自旋S2向相互相反方向扭曲，产生自旋流。自旋轨道转矩配线2具有正的极性的自旋霍尔角的情况下，第一自旋S1被注入第一铁磁性层1的铁磁性结构层1Aa。
第一铁磁性层1由金属构成，因此在自旋轨道转矩配线2中流通的电流的一部分侵入第一铁磁性层1内。侵入的电流沿插入层1Ba流通。沿插入层1Ba流通电流时，在插入层1Ba内也通过自旋霍尔效应，第一自旋S1和第二自旋S2向相互相反方向扭曲，产生自旋流。插入层1Ba具有与自旋轨道转矩配线2不同的极性(例如、负的极性)的自旋霍尔角。因此，插入层1Ba中的第一自旋S1和第二自旋S2向自旋轨道转矩配线2中的第一自旋S1和第二自旋S2的反方向扭曲。插入层1Ba具有负的极性的自旋霍尔角的情况下，第一自旋S1被注入铁磁性结构层1Aa，第二自旋S2被注入铁磁性结构层1Ab。
即，如图1所示，从自旋轨道转矩配线2和插入层1Ba向铁磁性结构层1Aa注入第一自旋S1。注入铁磁性结构层1Aa的自旋量增加时，大的SOT作用于铁磁性结构层1Aa的磁化，容易使铁磁性结构层1Aa的磁化进行磁化反转。铁磁性结构层1Aa与铁磁性结构层1Ab磁耦合，因此在铁磁性结构层1Aa的磁化进行反转时，铁磁性结构层1Ab的磁化也进行反转。
相对于此，图2是自旋轨道转矩配线2与插入层1Ba的自旋霍尔角的极性相等的自旋流磁化反转元件11的截面示意图。在自旋霍尔角的极性相等时，从自旋轨道转矩配线2向铁磁性结构层1Aa注入的自旋(例如、第一自旋S1)的朝向与从插入层1Ba注入的自旋(例如、第二自旋S2)的朝向相反。通过产生第一自旋S1的SOT使铁磁性结构层1Aa的磁化旋转的旋转方向与通过产生第二自旋S2的SOT使铁磁性结构层1Aa的磁化旋转的旋转方向是反方向的。即，相互的力抵消，阻碍有效的磁化反转。
如上所述，第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10通过自旋霍尔角的极性不同的层夹着铁磁性结构层1Aa，由此能够使该铁磁性结构层的磁化有效地反转。另外，其他的铁磁性结构层因为与该铁磁性构成磁耦合，所以有效地进行磁化反转。其结果，作为第一铁磁性层1整体，磁化的朝向有效地变化。即，利用第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10，能够以少的电流量表现大的SOT，能够减少反转电流密度。
目前，只基于增加注入的自旋量的方面进行研究，进一步而言，基于与铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化的取向方向的关系，对磁化反转方式的不同进行说明。
铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化的取向方向大致分为在z方向取向的垂直取向和在xy面内取向的面内取向。另外，即使在xy面内取向中，也具有在与注入的自旋的朝向正交的x方向取向的情况和在与注入的自旋的朝向平行的y方向取向的情况。
图3是示意地表示铁磁性结构层1Aa、1Ab为垂直磁化膜时的例子的自旋流磁化反转元件的图。图3(a)所示的自旋流磁化反转元件10A中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行铁磁性耦合，图3(b)所示的自旋流磁化反转元件10B中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行反铁磁性耦合。
在图3(a)和图3(b)的任意情况下，注入的自旋的朝向(±y方向)与铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化M1Aa、M1Ab的取向方向(z方向)正交。因此，利用注入的自旋产生的SOT作用使磁化M1Aa、M1Ab向着±y方向旋转90°的力。磁化M1Aa通过SOT接受到向－y方向旋转90°的力，磁化M1Ab通过SOT接受到向+y方向旋转90°的力。也就是说，即使在铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行铁磁性耦合的情况下，即使在进行反铁磁性耦合的情况下，SOT作用于使向z方向取向的磁化M1Aa、M1Ab翻转的方向。翻转成90°的磁化以磁场的力进行反转。这里所述的磁场可以是从外部机构施加的磁场，也可以是从交换耦合、形状磁各向异性产生的有效磁场，还可以是来自参照层的漏磁场。
也就是说，注入铁磁性结构层1Aa的自旋(第一自旋S1)和注入铁磁性结构层1Ab的自旋(第二自旋S2)的朝向是反方向的情况没有问题。注入铁磁性结构层1Aa的自旋(第一自旋S1)产生使磁化M1Aa向－y方向旋转的力，进行磁化反转，注入的铁磁性结构层1Ab的自旋(第一自旋S1)产生使磁化M1Ab向+y方向旋转的力，进行磁化反转。这与铁磁性结构层1Aa、1Ab是进行铁磁性耦合还是进行反铁磁性耦合无关。
图4是示意地表示铁磁性结构层1Aa、1Ab为面内磁化膜，磁化M1Aa、M1Ab在x方向上取向时的例子的自旋流磁化反转元件的图。图4(a)所示的自旋流磁化反转元件10C中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行铁磁性耦合，图4(b)所示的自旋流磁化反转元件10D中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行反铁磁性耦合。
在该情况下，注入的自旋的朝向(±y方向)与铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化M1Aa、M1Ab的取向方向(x方向)正交。因此，利用注入的自旋产生的SOT作用使磁化M1Aa、M1Ab向着±y方向旋转90°的力。因此，注入铁磁性结构层1Aa的自旋(第一自旋S1)和注入铁磁性结构层1Ab的自旋(第二自旋S2)的朝向是反方向的情况没有问题。注入铁磁性结构层1Aa的自旋(第一自旋S1)产生使磁化M1Aa向－y方向旋转的力，进行磁化反转，注入铁磁性结构层1Ab的自旋(第一自旋S1)产生使磁化M1Ab向+y方向旋转的力，进行磁化反转。这与铁磁性结构层1Aa、1Ab是进行铁磁性耦合还是进行反铁磁性耦合无关。
图5是示意地表示铁磁性结构层1Aa、1Ab为面内磁化膜，磁化M1Aa、M1Ab在y方向上取向时的例子的自旋流磁化反转元件的图。图5(a)所示的自旋流磁化反转元件1E中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行铁磁性耦合，图5(b)所示的自旋流磁化反转元件10F中，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行反铁磁性耦合。
该情况下，注入的自旋的朝向(±y方向)与铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化M1Aa、M1Ab的取向方向(y方向)一致。因此，磁化反转的行为与上述的2个参数不同。
如图5(a)所示，向具有在+y方向上取向的磁化M1Aa的铁磁性结构层1Aa注入在－y方向上取向的自旋(第一自旋S1)。注入的自旋作用使在+y方向上取向的磁化M1Aa旋转180°的力(SOT)。因此，铁磁性结构层1Aa的磁化M1Aa在－y方向上磁化反转。该情况下，因为只以旋转的力进行反转，所以能够以无磁场进行磁化反转。另一方面，向具有在+y方向取向的磁化M1Ab的铁磁性结构层1Ab注入在+y方向上取向的自旋(第二自旋S2)。注入的自旋向维持在+y方向上取向的磁化M1Ab的方向作用力(SOT)。
这样，在图5(a)的构成的情况下，注入铁磁性结构层1Aa的自旋(第一自旋S1)和注入铁磁性结构层1Ab的自旋(第二自旋S2)的朝向是反方向的情况成为问题。在铁磁性结构层1Aa中，SOT作用于促进磁化M1Aa的磁化反转的方向，但在铁磁性结构层1Ab中，SOT作用于阻碍磁化M1Ab的磁化反转的方向。
另一方面，铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行磁耦合。由于磁耦合改变磁化的朝向的力比由于SOT改变磁化的朝向的力大。铁磁性结构层1Aa的磁化M1Aa如果进行磁化反转，由于SOT多少阻碍磁化M1Ab的磁化反转，即使如此铁磁性结构层1Ab的磁化M1Ab也进行磁化反转。也就是说，在图5(a)的构成的情况下，作为第一铁磁性层1整体容易进行磁化反转。
相对于此，在图5(b)所示的自旋流磁化反转元件10F中，向具有在y方向上取向的磁化M1Aa的铁磁性结构层1Aa注入在－y方向上取向的自旋(第一自旋S1)。另外，向具有在－y方向取向的磁化M1Ab的铁磁性结构层1Ab注入在+y方向取向的自旋(第二自旋S2)。即，在任意的铁磁性结构层1Aa、1Ab中，作用使磁化M1Aa、M1Ab旋转180°的力(SOT)。
铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化M1Aa、M1Ab无论在哪个方向取向的情况下(图3～图5)，都优选铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行反铁磁性耦合。通过进行反铁磁性耦合，能够抑制来自第一铁磁性层1的漏磁场。另外，磁化M1Aa、M1Ab在y方向上取向的情况下，能够特别减少反转电流密度，因此更优选铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行反铁磁性耦合。
如上所述，第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10A～10F中，注入铁磁性结构层1Aa、1Ab的自旋的朝向和注入铁磁性结构层1Aa、1Ab的磁化M1Aa、M1Ab的朝向无论是处于何种关系的情况，都能够促进磁化反转。即，利用第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10A～10F，能够以少的电流量实现大的SOT，能够减少反转电流密度。
另外，关于第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件，第一铁磁性层1在内部具有多个界面。即，第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件也作用通过界面Rashba效应产生的自旋流，因此更有效地产生磁化反转。
对界面Rashba效应的详细机制还不清楚，但考虑如下。在种类不同的材料间的界面中，空间反转对称性被破坏，被视为在垂直方向存在电势梯度。沿着这样的在垂直方向有电势梯度的界面流通电流时，也就是说，电子在2维的面内进行运动时，在与电子的运动方向垂直并且为面内的方向，有效磁场作用于自旋。而且，其有效磁场的方向与自旋的朝向一致。由此，在界面形成自旋蓄积。而且，该自旋蓄积产生在面外扩散的纯自旋流。该纯自旋流也有助于磁化反转。
第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件能够适用于非易失性随机存取存储器(MRAM)、高频部件、磁传感器等。另外，例如可以单独作为磁各向异性传感器、和利用了磁克尔效应或磁法拉第效应的光学元件而使用。
(自旋流磁化反转元件)
“第二实施方式”
图6是第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件20的截面示意图。第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件20中，插入层1Ba、1Bb为2层，在这方面，与第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10不同。其他的构成与第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10相同，关于相同的构成标注相同的符号，省略说明。
关于图6所示的自旋流磁化反转元件20，自旋轨道转矩配线2、插入层1Ba、1Bb的自旋霍尔角的极性在层叠方向上交替地不同。因此，注入各铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac的自旋的朝向一致。因此，无论在哪个铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac中都能够有效地进行磁化反转。
各铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac与相邻的铁磁性结构层进行磁耦合。因此，注入全部的铁磁性结构层的自旋的朝向可以不一致。图7是第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的其他例子的截面示意图。
关于图7(a)所示的自旋流磁化反转元件21，夹着铁磁性结构层1Aa的自旋轨道转矩配线2和插入层1Ba的自旋霍尔角的极性不同。因此，铁磁性结构层1Aa的磁化有效地进行反转。铁磁性结构层1Ab、1Ac的磁化通过与铁磁性结构层1Aa的磁耦合有效地进行反转。
另外，关于图7(b)所示的自旋流磁化反转元件22，夹着铁磁性结构层1Ab的两个插入层1Ba、1Bb的自旋霍尔角的极性不同。因此，铁磁性结构层1Ab的磁化有效地进行反转。铁磁性结构层1Aa、1Ac的磁化通过与铁磁性结构层1Aa的磁耦合有效地进行反转。
在第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件20中，铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac的磁化的取向方向没有特别限定。相邻的铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac间的磁耦合可以是铁磁性耦合也可以是反铁磁性耦合。另外，例如，可以是铁磁性结构层1Aa和铁磁性结构层1Ab进行铁磁性耦合，也可以是铁磁性结构层1Ab和铁磁性结构层1Ac进行反铁磁性耦合。
铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac的磁化的朝向在y方向上取向时，优选相邻的铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac中的至少2个铁磁性结构层进行反铁磁性耦合。
另外，在多个铁磁性结构层中，优选在相同方向磁化取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量与在相反方向磁化取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量相等。例如，铁磁性结构层1Aa、1Ac的磁化在相同方向取向，铁磁性结构层1Ab的磁化在相反方向取向时，优选满足(H1Aa×t1Aa)+(H1Ac×t1Ac)＝H1Ab×t1Ab的关系。在此，H1Aa、H1Ab、H1Ac为各铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac的饱和磁化，t1Aa、t1Ab、t1Ac为各铁磁性结构层1Aa、1Ab、1Ac的膜厚。通过满足上述关系，能够抑制来自第一铁磁性层1的漏磁场。
如上所述，关于第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件20，利用自旋霍尔角的极性不同的层，夹着至少1层铁磁性结构层，由此能够使该铁磁性结构层的磁化有效地反转。另外，其他的铁磁性结构层与该铁磁性构成进行磁耦合，因此有效地进行磁化反转。其结果，作为第一铁磁性层1整体，磁化的朝向有效地变化。即，利用第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件20，能够以少的电流量实现大的SOT，能够减少反转电流密度。
在图6和图7中，以插入层1Ba、1Bb为2层的情况为例进行了说明，但插入层的数量可以多于2层。该情况也优选满足上述的关系。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
“第三实施方式”
图8是第三实施方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的截面示意图。图8所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100具有第一实施方式涉及的自旋流磁化反转元件10、非磁性层5和第二铁磁性层6。自旋流磁化反转元件10可以作为第二实施方式涉及的自旋流磁化反转元件。关于与第一实施方式的自旋流磁化反转元件10相同的构成，省略说明。
层叠有第一铁磁性层1、非磁性层5和第二铁磁性层6的层叠体(功能部30)与通常的磁阻效应元件同样发挥功能。功能部30通过第二铁磁性层6的磁化被固定在一个方向(z方向)，第一铁磁性层1的磁化的朝向相对变化而发挥功能。这里，作为功能部30的电阻值变化而输出依赖于夹着非磁性层5的2个铁磁性层的磁化的相对角，因此第一铁磁性层1的磁化的朝向是指最接近非磁性层5侧的铁磁性结构层1Ab的磁化的朝向。
在应用于顽磁力差型(伪自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层6的顽磁力比第一铁磁性层1的顽磁力大。在应用于交换偏置型(自旋阀；spinvalve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合固定第二铁磁性层6的磁化M6。
另外，关于功能部30，在非磁性层5由绝缘体构成的情况下，是与隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件相同的构成，在由金属构成的情况下，是与巨大磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的构成。
功能部30的层叠构成能够采用公知的磁阻效应元件的层叠构成。例如，各层可以由多个层构成，也可以具有用于固定第二铁磁性层6的磁化方向的反铁磁性层等的其他层。第二铁磁性层6被称为固定层和参照层，第一铁磁性层1被称为自由层和记忆层等。
第二铁磁性层6的材料可以使用公知的材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni的金属和含有1种以上这些金属且表现铁磁性的合金。也可以使用含有这些金属和选自B、C以及N中的至少1种以上的元素的合金。具体而言，可以列举Co－Fe和Co－Fe－B。
另外，为了得到更高的输出，优选第二铁磁性层6的材料使用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在周期表上是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X的元素种，Z为III族至V族的典型元素。例如可以列举Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b、Co2FeGe1－cGac。
为了使第二铁磁性层6相对于第一铁磁性层1的顽磁力更大，作为与第二铁磁性层6相接的材料，可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。进一步而言，为了使第二铁磁性层6的漏磁场不影响第一铁磁性层1，可以制成合成铁磁性耦合的结构。
非磁性层5可以使用公知的材料。
例如，在非磁性层5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，可以使用Al2O3、SiO2、MgO和MgAl2O4。另外，除了这些以外，还可以适用Al、Si、Mg的一部分被置换成Zn、Be等的材料等。在这些中，MgO和MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此能够有效地注入自旋。在非磁性层5由金属构成的情况下，作为其材料，可以使用Cu、Au、Ag等。进一步而言，在非磁性层5由半导体构成的情况下，作为其材料，可以使用Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In，Ga)Se2等。
功能部30可以具有其他的层。在第一铁磁性层1的与非磁性层5相反侧的面可以具有基底层。配设在自旋轨道转矩配线2与第一铁磁性层1之间的层优选不耗散从自旋轨道转矩配线2传播的自旋。已知例如银、铜、镁和铝等的自旋扩散长度长达100nm以上，难以耗散自旋。
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。层的厚度如果为自旋扩散长度以下，能够充分地将从自旋轨道转矩配线2传播的自旋传递给第一铁磁性层1。
第三实施方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100具有上述的自旋流磁化反转元件，因此能够使第一铁磁性层1的磁化的朝向有效地反转。即，利用第三实施方式涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100，能够以少的电流量实现大的SOT，能够减少反转电流密度。
(制造方法)
上述的自旋流磁化反转元件和具有其的磁阻效应元件的制造方法没有特别限定，可以使用公知的成膜法。关于成膜法，例如作为物理的气相沉积(PVD)法，可以使用电阻加热蒸镀、电子束蒸镀、分子射线外延(MBE)法、离子镀膜法、离子束沉积法、溅射法等。另外，作为化学的气相沉积(CVD)法，也可以使用热CVD法、光CVD法、等离子体CVD法、有机金属气相沉积(MOCVD)法、原子层堆积(ALD)法等。另外，为了形成极薄(原子半径的2倍以下)的插入层，也能够使用单原子层掺杂法(δ掺杂法)。
自旋轨道转矩配线2和第一铁磁性金属层1例如可以使用磁控溅射装置进行成膜。成膜后，在要制作自旋流磁化反转元件的部分设置抗蚀剂或保护膜，采用离子铣法或反应性离子蚀刻(RIE)法除去不需要部分。
关于自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的功能部30，在为TMR元件时，可以使用由氧化物构成的靶(target)层叠非磁性层5，也可以在层叠金属层后通过氧化制作非磁性层5。在层叠金属层后进行氧化时，在第一铁磁性金属层上最初溅射0.4～2.0nm左右的成为镁、铝和多个非磁性元素的二价的阳离子的金属薄膜。而且，通过等离子体氧化或氧导入进行自然氧化，通过之后的热処理形成非磁性层5。
所得到的层叠膜(功能部30)优选进行退火处理。利用反应性溅射形成的层为非结晶的，需要结晶化。例如，作为铁磁性金属层使用Co－Fe－B时，B的一部分通过退火处理而脱出进行结晶化。
进行退火处理而制造的磁阻效应元件与不进行退火处理而制造的磁阻效应元件相比，磁阻比提高。认为是由于通过退火处理，非磁性层5的结晶尺寸的均匀性和取向性提高。
作为退火处理，优选在Ar等的不活性气氛中，以300℃以上500℃以下的温度，加热5分钟以上100分钟以下的时间后，在施加2kOe以上10kOe以下的磁场的状态下，以100℃以上500℃以下的温度，加热1小时以上10小时以下的时间。
作为使功能部30成为规定的形状的方法，可以利用光刻法等的加工方法。首先，层叠成为功能部30的层后，在成为功能部30的层的与自旋轨道转矩配线2相反侧的面涂敷抗蚀剂。然后，将规定的部分的抗蚀剂硬化，除去不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂硬化的部分成为功能部30的保护膜。抗蚀剂硬化的部分与最终得到的功能部30的形状略一致。
然后，在形成保护膜的面实施离子铣、反应性离子蚀刻(RIE)等的处理。没有形成保护膜的部分被除去，能够得到规定的形状的磁阻效应元件。
“第四实施方式”
＜磁存储器＞
图9是具有多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(图8参照)的磁存储器200的俯视图。图8对应沿着图9中的A－A面切断自旋轨道转矩型磁阻效应元件100而得到的截面图。关于图9所示的磁存储器200，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100进行3×3的矩阵配置。图9是磁存储器的一例，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的数量和配置是任意的。
1根字线WL1～3、1根源线SL1～3、1根引线RL1～3分别与自旋轨道转矩型磁阻效应元件100连接。
通过选择施加电流的字线WL1～3和源线SL1～3，向任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的自旋轨道转矩配线2流通电流，进行写入动作。另外，通过选择施加电流的引线RL1～3和源线SL1～3，向任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的功能部60的层叠方向流通电流，进行读入动作。通过晶体管等能够选择施加电流的字线WL1～3、源线SL1～3和引线RL1～3。即，通过从这些多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100读出任意的元件的数据，能够作为磁存储器而利用。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明并不限定于特定的实施方式，在请求保护的范围内记载的本发明的要旨的范围内可以进行各种变形和变更。

Claims (15)

1.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，
具有：
沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线，所述第一方向为电流流动的方向；和
在与所述自旋轨道转矩配线交叉的第二方向上层叠的第一铁磁性层，
所述第一铁磁性层具有多个铁磁性结构层和夹在相邻的铁磁性结构层间的至少1层插入层，
所述多个铁磁性结构层中的至少1个铁磁性结构层中，将所述铁磁性结构层夹于其间的层的自旋霍尔角的极性彼此不同，
将所述多个铁磁性结构层的一个夹于其间的所述自旋轨道转矩配线和所述插入层，自旋霍尔角的极性彼此不同，
所述多个铁磁性结构层的磁化的方向，在所述第一方向或所述第二方向上取向。
2.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
所述自旋轨道转矩配线和所述多个插入层的自旋霍尔角的极性在层叠方向上交替地不同。
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和所述多个插入层中，
具有正的极性的自旋霍尔角的层主要具有属于第8族、第9族、第10族、第11族和第12族中的任意族的金属元素，
具有负的极性的自旋霍尔角的层主要具有属于第3族、第4族、第5族、第6族和第7族中的任意族的金属元素。
4.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，相邻的至少2个铁磁性结构层进行反铁磁性耦合。
5.如权利要求2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，相邻的至少2个铁磁性结构层进行反铁磁性耦合。
6.如权利要求3所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，相邻的至少2个铁磁性结构层进行反铁磁性耦合。
7.如权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，与所述自旋轨道转矩配线最接近的铁磁性结构层比其他铁磁性结构层薄。
8.如权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，磁化在相同方向上取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量与磁化在相反方向上取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量相等。
9.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，
具有：
沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线，所述第一方向为电流流动的方向；和
在与所述自旋轨道转矩配线交叉的第二方向上层叠的第一铁磁性层，
所述第一铁磁性层具有多个铁磁性结构层和夹在相邻的铁磁性结构层间的多个插入层，
所述多个铁磁性结构层中的至少1个铁磁性结构层中，将所述铁磁性结构层夹于其间的层的自旋霍尔角的极性彼此不同，
所述自旋轨道转矩配线和所述多个插入层的自旋霍尔角的极性在层叠方向上交替地不同。
10.如权利要求9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和所述多个插入层中，
具有正的极性的自旋霍尔角的层主要具有属于第8族、第9族、第10族、第11族和第12族中的任意族的金属元素，
具有负的极性的自旋霍尔角的层主要具有属于第3族、第4族、第5族、第6族和第7族中的任意族的金属元素。
11.如权利要求9所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，相邻的至少2个铁磁性结构层进行反铁磁性耦合。
12.如权利要求9～11中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，与所述自旋轨道转矩配线最接近的铁磁性结构层比其他铁磁性结构层薄。
13.如权利要求9～11中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述多个铁磁性结构层中，磁化在相同方向上取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量与磁化在相反方向上取向的铁磁性结构层的饱和磁化和膜厚的积的总量相等。
14.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其特征在于，
具有：
权利要求1～13中任一项所述的自旋流磁化反转元件；
在所述第一铁磁性层中的与所述自旋轨道转矩配线相接的面的相反侧的面上层叠的非磁性层；和
夹着所述第一铁磁性层和所述非磁性层的第二铁磁性层。
15.一种磁存储器，其特征在于，
具有多个权利要求14所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
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