CN109994598A - 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件 - Google Patents

自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其在不增加在自旋轨道转矩配线层流通的电流且不施加外部磁场的情况下能够产生磁化旋转。该自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备沿X方向延伸的自旋轨道转矩配线层和层叠于自旋轨道转矩配线层的第一铁磁性层，第一铁磁性层具有形状各向异性且在X方向具有长轴，在自旋轨道转矩配线层延伸的平面上，第一铁磁性层的易磁化轴相对于X方向以及与X方向正交的Y方向倾斜。

Description

自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应 元件
技术领域
本发明涉及自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件及自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法。
背景技术
已知：在非磁性层使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件中，具有利用电流产生的磁场进行写入(磁化旋转)的方式或利用沿磁阻效应元件的层叠方向通电流而产生的自旋转移转矩(STT)进行写入(磁化旋转)的方式。从能量效率的观点考虑，使用STT的TMR元件的磁化旋转是有效的，但为了进行磁化旋转而在磁阻效应元件的层叠方向施加电流，固而具有会使TMR元件劣化的忧虑。
因此，近年来，作为在沿磁阻效应元件的层叠方向不通电流的情况下而能够进行磁化旋转的方式，利用自旋轨道相互作用而生成的纯自旋流的自旋轨道转矩型磁化旋转元件备受关注。在自旋轨道转矩配线层通电流时，通过自旋轨道相互作用或不同种材料的界面上的Rashba效应而产生纯自旋流。该纯自旋流诱发自旋轨道转矩(SOT)，通过SOT产生配置于自旋轨道转矩配线上的铁磁性体的磁化旋转。纯自旋流通过朝上自旋的电子和朝下自旋电子以相同数目向相反向流动而产生，电荷的流动相抵。因此，向磁阻效应元件流通的旋转电流为零，期待磁阻效应元件的长寿命化。对于自旋轨道转矩型磁化旋转元件而言，在自旋轨道转矩配线流动的电流密度越高，则能够越容易地进行磁化旋转。
对于自旋轨道转矩型磁化旋转元件来说，根据在自旋轨道转矩配线中流动的电流的方向和铁磁性体的易磁化轴的方向的关系，被分类为若干类型。自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备沿X方向延伸的自旋轨道转矩配线层和层叠于其一面的第一铁磁性层。根据该第一铁磁性层的易磁化轴的朝向，被分类为X型磁化旋转元件、Y型磁化旋转元件、以及Z型磁化旋转元件。X型磁化旋转元件在与自旋轨道转矩配线层相同的X方向具有易磁化轴。Y型磁化旋转元件在面内方向上与X方向正交的Y方向具有易磁化轴。Z型磁化旋转元件在与面内方向正交的Z方向(层叠方向)具有易磁化轴。对于X型及Z型的磁化旋转元件而言，磁化旋转所需要的时间短，且能够高速地进行动作。另外，对于X型磁化旋转元件而言，由于自旋轨道转矩配线层以X方向为长轴，因此能够减小Y方向的宽度。因此，X型磁化旋转元件能够比Y型磁化旋转元件在更小的电流下进行磁化反转。但是，对于X型及Z型的磁化旋转元件而言，为了辅助磁化旋转而必须对元件分别施加Z方向及X方向的外部磁场。因此，X型及Z型的磁化旋转元件在能量消耗或集成度的方面存在问题。另一方面，Y型磁化旋转元件的情况下，不需要用于辅助磁化旋转的外部磁场，但由于磁化旋转需要的时间长，Y方向的宽度大，因此具有磁化反转所需要的电流增大这种缺点。
为了解决上述问题，提出了使第一铁磁性层的易磁化轴相对于X方向及Y方向均倾斜的XY型磁化旋转元件(例如，非专利文献1)。图11表示这种XY型磁化旋转元件501。XY型磁化旋转元件501具备自旋轨道转矩配线层502、第一铁磁性层504以及电极506。第一铁磁性层504及电极506层叠于自旋轨道转矩配线层502的一面上，电极506在俯视图中夹持第一铁磁性层504。另外，第一铁磁性层504与在X方向具有长轴的自旋轨道转矩配线层502不同，在俯视图中具有相对于X方向及Y方向倾斜的长轴。第一铁磁性层504的易磁化轴508因形状各向异性在与第一铁磁性层504的长轴平行的方向上取向。
这样构成的XY型磁化旋转元件501由于易磁化轴具有Y方向分量，因此即使不施加外部磁场，也会产生磁化旋转。另外，由于易磁化轴具有X方向分量，因此与Y型磁化旋转元件相比磁化旋转所需要的时间短，且适于高速动作。
[现有技术文献]
[非专利文献]
非专利文献1：S.Fukami，etal.，《自然纳米科技》(Nature Nanotechnology)，DOI：10.1038/NNANO.2016.29Supplement
发明内容
[发明所要解决的技术问题]
然而，图11所示的XY型磁化旋转元件中，由于第一铁磁性层的长轴相对于X方向及Y方向是倾斜的，因此自旋轨道转矩配线层的Y方向的宽度增加。因此，具有如下缺点：即，在自旋轨道转矩配线层流通的电流密度减小，且磁化旋转所需要的电流增大。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供在不增加在自旋轨道转矩配线层流通的电流且不施加外部磁场的情况下能够产生磁化旋转的自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件及自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法。
[用于解决技术问题的技术方案]
本发明者们发现：通过使第一铁磁性层的长轴与自旋轨道转矩配线层的长轴一致，且仅使第一铁磁性层的易磁化轴从自旋轨道转矩配线层的长轴倾斜，就能够减小自旋轨道转矩配线层的宽度，能够在不增大在自旋轨道转矩配线层流通的电流且不施加外部磁场的情况下容易地进行磁化旋转。即，本发明为了解决上述技术问题提供以下方案。
(1)第一方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其具备沿X方向延伸的自旋轨道转矩配线层和层叠于自旋轨道转矩配线层的第一铁磁性层，第一铁磁性层具有形状各向异性且在X方向上具有长轴，在自旋轨道转矩配线层延伸的平面上，第一铁磁性层的易磁化轴相对于X方向以及与X方向正交的Y方向倾斜。
(2)在上述方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，第一铁磁性层可以是HoCo合金、SmFe合金、FePt合金、CoPt合金或CoCrPt合金。
(3)第二方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其具备：上述方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件；配设于第一铁磁性层的与自旋轨道转矩配线层相反的一侧且磁化方向被固定的第二铁磁性层；和配设于第一铁磁性层和第二铁磁性层之间的非磁性层。
(4)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，还具备配设于第一铁磁性层和非磁性层之间的第三铁磁性层。
(5)上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，第一铁磁性层在第一铁磁性层的非磁性层侧的面可以具备防扩散层。
(6)在上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，防扩散层可以含有非磁性重金属。
(7)在上述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，防扩散层可以具有构成防扩散层的元素的离子半径的2倍以下的厚度。
(8)第三方式的制造自旋轨道转矩型磁化旋转元件的方法，其是制造上述方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的方法，其中，至少对于第一铁磁性层，在沿着包含Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行成膜。
(9)上述方式的制造方法，其中，可以包含：至少在成膜第一铁磁性层后，在沿着包含Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行退火的阶段。
(10)第四方式的制造自旋轨道转矩型磁化旋转元件的方法，其是制造上述方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的方法，其中，至少在成膜第一铁磁性层后，在沿着包含Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行退火。
[发明效果]
根据上述方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，能够在不增加在自旋轨道转矩配线层流通的电流且不施加外部磁场的情况下产生磁化旋转。
附图说明
图1是示意性地表示本发明一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的立体图。
图2是示意性地表示图1的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的俯视图。
图3是示意性地表示本发明的一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法的俯视图。
图4是示意性地表示本发明一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的剖视图。
图5是示意性地表示图4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的俯视图。
图6是示意性地表示图4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件处于磁化反转的状态的俯视图。
图7是示意性地表示本发明一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的剖视图。
图8是示意性地表示本发明一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的剖视图。
图9是示意性地表示图8的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的俯视图。
图10是第四实施方式的磁记录阵列的俯视图。
图11是示意性地表示现有的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的俯视图。
图12是示意性地表示自旋轨道转矩型磁化旋转元件的另外的例子的立体图。
符号说明
1…自旋轨道转矩型磁化旋转元件；
2，102，202，302，502…自旋转矩配线层；
4，104，204，304，504…第一铁磁性层；
6，106，206，306，506…电极；
108，208，308，508…第一铁磁性层的易磁化轴；
110，210，310…非磁性层；
112，212，312…第二铁磁性层；
114，314…第二铁磁性层的磁化；
216，316…防扩散层；
318…第三铁磁性层；
320…第三铁磁性层的磁化；
S1…第一自旋；
S2…第二自旋；
I…电流；
JS…纯自旋流。
具体实施方式
以下，适当参照附图对本发明进行详细说明。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，各结构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，可以在起到本发明的效果的范围内适当变更并实施。
(自旋轨道转矩型磁化旋转元件)
图1是示意性地表示本发明一方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的立体图。图2是示意性地表示图1的自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的俯视图。本发明的一方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件1具备：自旋轨道转矩配线层2、层叠配设于自旋轨道转矩配线层2的第一铁磁性层4、夹持第一铁磁性层4且层叠配设于自旋轨道转矩配线层2的电极6。以下，将自旋轨道转矩配线层2的长轴延伸的方向设定为X方向，将在自旋轨道转矩配线层2延伸的面内上与X方向正交的方向设定为Y方向，将与X方向及Y方向均正交的方向设定为Z方向。图1中，第一铁磁性层4的层叠方向为Z方向。第一铁磁性层4具有其长轴沿X方向延伸的形状各向异性。另外，第一铁磁性层4具有沿着相对于X方向及Y方向倾斜的易磁化轴的磁化8。
(自旋轨道转矩配线)
自旋轨道转矩配线层2沿X方向延伸。自旋轨道转矩配线层2连接于第一铁磁性层4的Z方向的一面。自旋轨道转矩配线层2可以直接与第一铁磁性层4连接，也可以经由其它的层连接。
优选介于自旋轨道转矩配线层2和第一铁磁性层4之间的层不消散从自旋轨道转矩配线层2传播的自旋。例如，已知银、铜、镁及铝等的自旋扩散长度较长达100nm以上，自旋难以消散。
另外，优选该层的厚度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层2传播的自旋能够充分地传递到第一铁磁性层4。
自旋轨道转矩配线层2由流通电流时通过自旋霍尔效应而生成自旋流的材料构成。作为该材料，只要是具有在自旋轨道转矩配线层2中生成自旋流的构成的材料即可。因此，不限于由单质的元素构成的材料，也可以是由利用生成自旋流的材料构成的部分和利用不生成自旋流的材料构成的部分构成的材料。
自旋霍尔效应是指如下现象：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第一自旋S1和第二自旋S2向相反方向弯曲，诱发自旋流的现象。对于通常的霍尔效应和自旋霍尔效应而言，运动(移动)电荷(电子)的运动(移动)方向被弯曲这一点上是相同的，但是两者的不同点在于：通常的霍尔效应是在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力而弯曲运动方向，而自旋霍尔效应中不存在磁场仅仅因电子移动(仅电流流通)而弯曲移动方向。
非磁性体(不属于铁磁性体的材料)中第一自旋S1的电子数和第二自旋S2的电子数相等，因此，在图中，朝向自旋轨道转矩配线层2的配设有第一铁磁性层8的面的方向的第一自旋S1的电子数和朝向与第一自旋S1的电子相反的方向的第二自旋S2的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。将该不伴随电流的自旋流特别地称作为纯自旋流。
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。图1中，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。
自旋轨道转矩配线层2也可以含有非磁性的重金属。在此，所谓“重金属”是指具有钇以上的比重的金属。自旋轨道转矩配线层2也可以仅由非磁性的重金属构成。
在该情况下，优选非磁性的重金属是在最外壳具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号大的非磁性金属。这是因为该非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用大。自旋轨道转矩配线2也可以仅由在最外壳具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号大的非磁性金属构成。
通常，金属中流通电流时，对于所有的电子而言，不管其自旋的朝向如何，均向与电流相反的方向移动。相对于此，对于最外壳具有d电子或f电子的原子序号大的非磁性金属而言，由于自旋轨道相互作用大，因此，通过自旋霍尔效应，电子的移动方向依赖于电子的自旋的朝向，容易产生纯自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线层2也可以含有磁性金属。所谓“磁性金属”是指铁磁性金属或反铁磁性金属。这是因为，在非磁性金属中含有微量的磁性金属时，会增强自旋轨道相互作用，能够提高相对于在自旋轨道转矩配线层2中流通的电流的自旋流生成效率。自旋轨道转矩配线层2也可以仅由反铁磁性金属构成。
自旋轨道相互作用由自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场产生，因此，即使在非磁性材料中也会产生纯自旋流。在自旋轨道转矩配线材料中添加微量的磁性金属时，由于磁性金属本身散射流动的电子自旋，因此，自旋流生成效率得到提高。但是，当磁性金属的添加量过大时，由于所产生的自旋流被添加的磁性金属散射，因此，作为结果，减少自旋流的作用变强。因此，优选添加的磁性金属的摩尔比充分小于自旋轨道转矩配线中的自旋生成部的主成分的摩尔比。以标准而言，优选添加的磁性金属的摩尔比为30％以下。
另外，自旋轨道转矩配线层2也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线层2也可以仅由拓扑绝缘体构成。所谓“拓扑绝缘体”是指，其物质内部是绝缘体或高电阻体，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等内部磁场那样的作用。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也会表现新的拓扑相。这就是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘上的反转对称性的破坏，从而能够高效率地生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选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4沿着与X方向正交的Z方向层叠配设在自旋轨道转矩配线层2上。第一铁磁性层4具有其长轴沿着X方向延伸的形状各向异性。另外，第一铁磁性层4在自旋轨道转矩配线层2延伸的平面上具有沿着相对于X方向及Y方向倾斜的方向具有易磁化轴的磁化8。优选第一铁磁性层4含有例如HoCo合金、SmFe合金、FePt合金、CoPt合金、CoCrPt合金。作为第一铁磁性层4的材料，优选为c轴长度比a轴长度短的正方晶的磁性材料。当c轴长度比a轴长度短时，第一铁磁性层4的易磁化轴容易在面内方向上取向。例如，优选Sm－Fe合金(SmFe12)等。另外，当c轴长度比a轴长度长时，第一铁磁性层4的易磁化轴容易在正交于面的方向上取向，然而，通过在磁场中成膜或通过在磁场中进行退火，能够使c轴朝向面内的磁场方向。例如，优选Ho－Co合金(HoCo2)等。由于这些合金磁晶各向异性强，阻尼系数大，因此，难以产生磁化旋转。因此，使用这些材料形成的第一铁磁性层4具有强的数据保持力。
第一铁磁性层4的长轴方向和第一铁磁性层4的易磁化轴的方向不同。该情况下，例如，能够通过以下的方法求出第一铁磁性层4的磁化114的易磁化轴的方向。
第一方法是，配设多个以相同的条件制作的第一铁磁性层4，测定其磁特性的方法。能够使用振动试样型磁力计(VSM)、超导量子干涉仪(SQUID)、物理特性测定装置(PPMS)等测定磁特性。
首先，将多个使长轴一致于一方向的第一铁磁性层4排列成例如阵列状。而且，相对于第一铁磁性层4的元件集合体，从xy面内的规定的方向(基准方向)施加规定磁场，测定第一铁磁性层4的规定方向的磁化。通过聚集多个第一铁磁性层4，元件集合体表现可测定的磁化。在改变施加磁场的角度的情况下，在元件集合体的面内方向的周围的多点进行这一测定。
将规定方向上的磁化的大小作为纵轴，将施加在元件集合体的磁场的相对于基准方向的倾角作为横轴，并进行标绘，由此，求出元件集合体的磁化特性。当第一铁磁性层4是在xy面内各向同性的形状的情况下(例如，俯视图中呈圆形)，所测定的磁化特性绘制正弦曲线。另外，当第一铁磁性层4沿一方向具有长轴，且第一铁磁性层4的易磁化轴的方向和第一铁磁性层4的长轴方向一致的情况下，余弦曲线的形状(图形的各点的倾角)发生变化，但是表示最大磁化的倾角与各向同性形状的情况一致。与此相对，当第一铁磁性层4沿一方向具有长轴，且第一铁磁性层4的易磁化轴的方向和第一铁磁性层4的长轴方向不同的情况下，余弦曲线的形状(图形的各点的倾角)发生变化的同时，表示最大磁化的倾角也发生改变。即，可知：在图形中，当磁化表示峰值的位置的相对于基准方向的倾角和第一铁磁性层4的长轴方向的相对于基准方向的倾角不同的情况下，第一铁磁性层4的长轴方向和第一铁磁性层4的易磁化轴的方向不同。
另外，第二方法是，将自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的电阻值施加在自旋轨道转矩型磁化旋转元件1上并进行测定的方法。对于自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的电阻值，一边改变将规定磁场从xy面内的规定方向(基准方向)施加的角度，一边进行测定。自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的电阻值是第一铁磁性层4的上表面和自旋轨道转矩配线层2的一端之间的电阻值，主要是第一铁磁性层4的电阻值。
将自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的电阻值作为纵轴，将施加在第一铁磁性层4的磁场的相对于基准方向的倾角作为横轴，并进行标绘，由此，求出自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的电阻特性。电阻特性表现出与上述的磁化特性同样的特点。当第一铁磁性层4是在xy面内各向同性的形状的情况下(例如，俯视图中呈圆形)，所测定的电阻特性绘制余弦曲线。另外，当第一铁磁性层4沿一方向具有长轴，且第一铁磁性层4的易磁化轴的方向和第一铁磁性层4的长轴方向一致的情况下，余弦曲线的形状(图形的各点的倾角)发生变化，但是表示最大电阻的倾角与各向同性形状的情况一致。与之相对，当第一铁磁性层4沿一方向具有长轴，且第一铁磁性层4的易磁化轴的方向和第一铁磁性层4的长轴方向不同的情况下，余弦曲线的形状(图形的各点的倾角)发生变化，并且表示最大磁化的倾角也发生改变。即，可知：在图形中，当电阻值表示峰值的位置的相对于基准方向的倾角和第一铁磁性层4的长轴方向的相对于基准方向的倾角不同的情况下，第一铁磁性层4的长轴方向和第一铁磁性层4的易磁化轴的方向不同。
(自旋轨道转矩型磁化旋转元件的原理)
接下来，参照图1及2对自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的原理进行说明。
如图1所示，向自旋轨道转矩配线层2施加电流I时，第一自旋S1和第二自旋S2因自旋霍尔效应而被弯曲。其结果，在Z方向生成纯自旋流JS。
图1中，第一铁磁性层4是沿Z方向层叠配设于自旋轨道转矩配线层上，因此，纯自旋流扩散流入于第一铁磁性层4中。即，自旋注入于第一铁磁性层4。被注入的自旋向第一铁磁性层4的磁化8提供自旋轨道转矩(SOT)，产生磁化旋转。图1及2中，将第一铁磁性层4的磁化8示意性地表示为位于第一铁磁性层4的重心的一个磁化。
当注入于铁磁性层的自旋的朝向和磁化方向正交的情况下，由于产生磁化旋转，因此需要施加外部磁场来打乱磁化的对称性。但是，在图1所示的自旋轨道型磁化旋转元件1中，从自旋轨道转矩配线层2注入于第一铁磁性层4的自旋的朝向在Y方向取向，与此相对，第一铁磁性层4的磁化8的朝向相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜，具有X方向分量及Y方向分量。因此，磁化8具有不与自旋的朝向正交的Y方向分量，因此，在不施加外部磁场的情况下就能够实现磁化旋转。如果不需要施加外部磁场，则能够降低能量消耗，并能够提高元件的集成度。另外，磁化8具有X方向分量，因此，与磁化8在Y方向延伸的情况不同的是，图1所示的自旋轨道型磁化旋转元件1能够减少磁化旋转所需要的时间，适合于高速动作。另外，与图11所示的现有的XY型磁化旋转元件不同，由于第一铁磁性层4的长轴沿着X方向配设，因此，能够减小自旋轨道转矩配线层2的Y方向的宽度。因此，在不会降低电流密度的情况下，即，在不增大电流的情况下，就能够实现XY型磁化旋转元件。
(自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法)
图3是示意性地表示本发明一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法的俯视图。首先，在成为支承体的基板上制作自旋轨道转矩配线层2。能够使用溅射等公知的成膜方法制作自旋轨道转矩配线层2。
接下来，制作第一铁磁性层4。可以使用溅射等公知的成膜方法制作第一铁磁性层1。但是，当对第一铁磁性层4进行简单的成膜，将其设为具有沿着X方向的长轴的形状时，因为形状各向异性，易磁化轴也在X方向延伸，因此，不能够实现XY型磁化旋转元件。因此，如图3所示，在从外部施加具有Y方向分量的磁场By的条件下，进行第一铁磁性层4的成膜。此时，通过形状各向异性及磁场By的作用，第一铁磁性层4的易磁化轴相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜。
另外，在成膜第一铁磁性层4时不施加磁场By，而是在成膜第一铁磁性层4之后，施加具有Y方向分量的磁场By的同时，在规定的温度例如250～400℃的温度进行退火，也能够获得相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜的易磁化轴。另外，也可以采用如下方法：即，在成膜第一铁磁性层4时施加具有Y方向分量的磁场By，在成膜第一铁磁性层4之后，施加具有Y方向分量的磁场By的同时，在规定的温度例如250～400℃的温度进行退火。
(第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图4是示意性地表示本发明第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的剖视图，图5是示意性地表示图4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的俯视图。图6是示意性地表示图4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101处于磁化反转的状态的俯视图。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件101具备自旋轨道转矩型磁化旋转元件、第二铁磁性层112以及非磁性层110。其中，自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备：具有在X方向延伸的长轴的自旋轨道转矩配线层102；和在与X方向垂直的Z方向层叠配设于自旋轨道转矩配线层102的第一铁磁性层104。第二铁磁性层112配设于第一铁磁性层104的与自旋轨道转矩配线层102相反的一侧，第二铁磁性层112的磁化方向是被固定的。非磁性层110配设于第一铁磁性层104和第二铁磁性层112之间。自旋轨道转矩型磁化旋转元件的结构与参照图1及图2所说明的自旋轨道转矩型磁化旋转元件1的结构相同，因此省略其详细说明。
(第二铁磁性层)
自旋轨道转矩型磁阻效应元件101中，第二铁磁性层112的磁化被固定在一方向，并且第一铁磁性层104的磁化方向相对地发生变化，从而发挥其作用。在应用于矫顽力差型(假自旋阀型：Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层112的矫顽力比第一铁磁性层104的矫顽力大。在应用于交换偏置型(自旋阀型：spin valve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合来固定第二铁磁性层112的磁化方向。
另外，由绝缘体构成非磁性层110的情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件；由金属构成非磁性层110的情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101是巨型磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
关于自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的层叠结构，能够采用公知的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的层叠结构。例如，可以由多层构成各个层，也可以具备用于固定第二铁磁性层112的磁化方向的反铁磁性层等其它的层。第二铁磁性层112被称作为固定层或参照层，第一铁磁性层102被称作为自由层或存储层等。
第二铁磁性层112具有沿着X方向的长轴。关于磁化114的方向，能够采用各种方向，例如，如图5所示，可以是与第一铁磁性层104的易磁化轴(沿着磁化108的方向)平行的方向，也可以是沿着X方向的方向。
作为第二铁磁性层112的材料，能够采用公知的材料，能够使用与第一铁磁性层104相同的材料。第一铁磁性层104是面内磁化膜，因此，优选第二铁磁性层112也是面内磁化膜。
另外，为了进一步增加第二铁磁性层112相对于第一铁磁性层104的矫顽力，作为与第二铁磁性层112相接的材料，可以使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料。另外，为了避免第二铁磁性层112的漏磁场对第一铁磁性层102的影响，也可以做成合成铁磁性耦合的结构。
(非磁性层)
关于非磁性层110，能够使用公知的材料。例如，在由绝缘体构成非磁性层110的情况(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的一部分被置换为Zn、Be等的材料等。这些之中，MgO及MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。另外，在由金属构成非磁性层110的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。另外，由半导体构成非磁性层70的情况下，作为其材料，能够使用Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In，Ga)Se2等。
另外，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101中也可以具有其它层。例如，也可以在第一铁磁性层104的与非磁性层110相反侧的面具有基底层，或者，也可以在第二铁磁性层112的与非磁性层110相反侧的面具有覆盖层。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件的原理)
接下来，对自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的原理进行说明。
图5是表示具有第二铁磁性层112的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的俯视图，其中，磁化114沿着磁化108。第一铁磁性层104的磁化108相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜，图5中，磁化108的方向与第二铁磁性层112的磁化114平行且朝向一致。该情况下，第一铁磁性层104和第二铁磁性层112之间的电阻为低电阻状态。
图6是表示自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的俯视图，其中，第一铁磁性层104的磁化108处于向与图5的情况相反方向反转的状态。如在自旋轨道转矩型磁化旋转元件的原理中所述，自旋从自旋轨道转矩配线层102注入于第一铁磁性层104时，磁化108进行旋转而反转。于是，磁化108与第二铁磁性层112的磁化114平行且朝向为相反(反平行)。该情况下，第一铁磁性层104和第二铁磁性层112之间的电阻为高电阻状态。因此，根据磁化108和磁化114的朝向是平行状态还是反平行状态，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101起到作为磁存储器的作用，其保持与第一铁磁性层104和第二铁磁性层112之间的电阻的状态对应的0/1的数据。
此外，在此，以使第二铁磁性层112的磁化114向X方向及Y方向倾斜的情况为例进行了说明。该情况下，第一铁磁性层104的磁化108和第二铁磁性层112的磁化114为完全平行状态或完全反平行状态。即，能够进一步提高自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的MR比。但是，对于第二铁磁性层112的磁化114而言，根据第二铁磁性层112的形状各向异性，也可以沿着X方向。该情况下，第一铁磁性层104的磁化108的X方向分量也能够成为与第二铁磁性层112的磁化114平行或反平行的状态，也能够起到作为磁存储器的作用。
(第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图7是示意性地表示本发明的第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件201的剖视图。在自旋轨道转矩型磁阻效应元件201中，第一铁磁性层204也可以具有防扩散层216。防扩散层216可以设置于第一铁磁性层204的非磁性层210侧的面，也可以设置于第一铁磁性层204的厚度方向的任一部分。在后者的情况下，第一铁磁性层为三层结构包括下层、防扩散层、上层。除此以外的结构与第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同，因此省略详细说明。
(防扩散层)
作为防扩散层216的材料，能够使用非磁性重金属。例如，以实现具有相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜的磁化的第一铁磁性层204的方式，进行退火时，发生从第一铁磁性层204的内部向第二铁磁性层212的元素扩散，有可能导致磁特性劣化。但是，在第一铁磁性层204配设防扩散层216的话，即使是在形成第一铁磁性层及第二铁磁性层之后在高温进行退火的情况下，也能够抑制从第一铁磁性层204的内部向第二铁磁性层212发生元素扩散，不会导致磁特性的劣化。
另外，防扩散层216也可以含有非磁性重金属。对于重金属而言，即使进行退火其元素也难以发生移动，因此，即使是在形成第一铁磁性层及第二铁磁性层之后在高温进行退火的情况下，也会抑制第一铁磁性层204及第二铁磁性层212的元素进行元素扩散。其结果，能够抑制第一铁磁性层204和第二铁磁性层212的磁特性的劣化。
防扩散层216具有构成元素的离子半径的2倍以下的厚度。该程度的厚度的情况下，严格来说，重金属元素被散布为岛状，上层和重金属元素的混合层、或下层和重金属元素的混合层，将成为防扩散层。
(第三实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图8是示意性地表示本发明的第三实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件301的剖视图，图9是示意性地表示图8的自旋轨道转矩型磁阻效应元件301的俯视图。自旋轨道转矩型磁阻效应元件301具备配设于第一铁磁性层304和非磁性层310之间的第三铁磁性层318。除此以外的结构与第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件201相同，因此，省略详细说明。此外，图8中表示的是第一铁磁性层304具有防扩散层316的结构，然而，也可以省略防扩散层316。
作为第三铁磁性层318的材料，能够使用CoFeB、CoB、FeB。另外，第三铁磁性层318具有沿着与第一铁磁性层304的磁化308平行的方向的磁化320。第三铁磁性层318配设于第一铁磁性层304和非磁性层310之间时，第一铁磁性层304和第三铁磁性层318发生磁耦合，能够作为一个磁化进行旋转。因此，通过配设第三铁磁性层318，具有磁阻效应变大的效果。
(第四实施方式的磁记录阵列)
图10是第四实施方式的磁记录阵列400的俯视图。图10所示的磁记录阵列400中，以呈3×3的矩阵的方式配置自旋轨道转矩型磁阻效应元件101。图10是磁记录阵列的一例，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的种类、数量及配置方式是任意的。另外，关于控制部，可以针对所有的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101配置一个控制部，也可以针对每个自旋轨道转矩型磁阻效应元件101设置一个控制部。
在磁壁移动型磁记录元件100上，分别连接有一个字线WL1～3，分别连接有一个位线BL1～3，分别连接有一个引线RL1～3。
通过选择施加电流的字线WL1～3以及位线BL1～3，在任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的第一铁磁性层104流通脉冲电流，进行写入动作。另外，通过选择施加电流的引线RL1～3及位线BL1～3，在任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的层叠方向流通电流，进行读入动作。能够通过晶体管等来选择施加电流的字线WL1～3、位线BL1～3及引线RL1～3。每个自旋轨道转矩型磁阻效应元件101能够记录多值的信息，从而能够实现磁记录阵列的高容量化。
以上，对本发明优选的实施方式进行了详述，但本发明不限定于特定的实施方式，在记载于专利要求的范围内的本发明的主旨的范围内可以进行各种变形、变更。
在此，图12所示的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，第一铁磁性层14在z方向上的俯视图中呈圆形，由于俯视图中的形状为圆形，因此没有形状各向异性。
然而，第一铁磁性层14的磁化18的朝向相对于X方向及Y方向的任一方向均倾斜，具有X方向分量及Y方向分量。因此，磁化18具有不与自旋的朝向正交的Y方向分量，所以，即使是该结构也能够实现在不施加外部磁场的情况下的磁化旋转。即使是没有形状各向异性的情况下，通过在成膜时或退火时施加磁场，也能够自由地设定磁化18的易磁化方向。关于伴随该结构的效果，不仅在自旋轨道转矩型磁化旋转元件中能够起到其效果，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件中也同样地能够起到其效果。

Claims (10)

1.一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
具备：
沿X方向延伸的自旋轨道转矩配线层；和
层叠于所述自旋轨道转矩配线层的第一铁磁性层，
所述第一铁磁性层具有形状各向异性，且在所述X方向上具有长轴，
在所述自旋轨道转矩配线层延伸的平面上，所述第一铁磁性层的易磁化轴相对于所述X方向及与所述X方向正交的Y方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述第一铁磁性层为HoCo合金、SmFe合金、FePt合金、CoPt合金或CoCrPt合金。
3.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
具备：
权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件；
配设于所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线层相反的一侧且磁化方向被固定的第二铁磁性层；和
配设于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层之间的非磁性层。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
还具备：配设于所述第一铁磁性层和所述非磁性层之间的第三铁磁性层。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性层在所述第一铁磁性层的所述非磁性层侧的面具备防扩散层。
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，
所述防扩散层含有非磁性重金属。
7.根据权利要求5或6所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述防扩散层具有构成所述防扩散层的元素的离子半径的2倍以下的厚度。
8.一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法，其中，
制造权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，
至少对于所述第一铁磁性层，在沿包含所述Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行成膜。
9.根据权利要求8所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法，其中，
包含：至少在成膜所述第一铁磁性层后，在沿包含所述Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行退火的阶段。
10.一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件的制造方法，其中，
制造权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，
至少在成膜所述第一铁磁性层后，在沿包含所述Y方向在内的方向施加了磁场的状态下进行退火。
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