CN110392932A - 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磁存储器 - Google Patents
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Abstract
该自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备沿着第一方向延伸的自旋轨道转矩配线和层叠于所述自旋轨道转矩配线的第一铁磁性层，所述自旋轨道转矩配线包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种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磁存储器。
本申请基于2018年2月22日在日本申请的日本特愿2018-029737号主张优先权，并在此引用其内容。
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磁阻(GMR)元件、及将绝缘层(隧道势垒层、势垒层)用于非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。通常，TMR元件与GMR元件相比，其元件电阻较高，且磁阻(MR)比较大。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利用当夹持绝缘层的两个铁磁性层的彼此的磁化方向变化时TMR元件的元件电阻变化的特性来读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流产生的磁场进行写入(磁化反转)的方式、或利用沿着磁阻效应元件的层叠方向流通电流而产生的自旋转移矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
从能量效率的观点考虑，使用了STT的TMR元件的磁化反转是有效的，但需要在写入数据时沿着磁阻效应元件的层叠方向流通电流。写入电流有时会使磁阻效应元件的特性劣化。
因此，近年来，通过与STT不同的机理进行磁化反转的、利用通过自旋轨道相互作用生成的自旋流的磁化反转备受关注(例如，非专利文献1)。自旋轨道转矩(SOT)通过由自旋轨道相互作用产生的自旋流或不同种类材料的界面的Rashba效应引起。用于在磁阻效应元件内引起SOT的电流沿着与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向流通。即，不需要沿着磁阻效应元件的层叠方向流通电流，可以期待磁阻效应元件的长寿命化。
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,Nature Nano Tech.(2016).DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
发明内容
发明所要解决的课题
但是，据说当前的元件结构中的SOT产生的反向电流密度与STT产生的反向电流密度为相同程度。产生自旋流的电流的流通不会对磁阻效应元件造成损伤，但从驱动效率的观点来看，要求降低反向电流密度。为了降低反向电流密度，需要更有效地产生自旋流。
本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种能够有效地产生自旋流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磁存储器。
用于解决课题的技术方案
本发明为了解决上述课题，提供以下的技术方案。
(1)第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备：自旋轨道转矩配线，其沿着第一方向延伸；和第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线，所述自旋轨道转矩配线包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物，
在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含L21结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构；在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含C1b结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构。
(2)第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化旋转元件具备：自旋轨道转矩配线，其沿着第一方向延伸；和第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线，所述自旋轨道转矩配线包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物，所述X为选自Fe、Co、Ni、Mn、Re、Ru、Os、Rh、Pd、Ir及Pt中的一种以上的元素，Y为选自Ti、V、Cr、Mo、W、Ta、Mn、Re、Os、Zr、Nb、Hf、Ta、Zn、Cu、Ag、Au、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Ru、Tm、Yb及Lu中的一种以上的与所述X不同的元素，Z为选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb、Mg、Sr及Bi中的一种以上的元素。
(3)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架也可以为包含L21结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构；在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架也可以为包含C1b结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构。
(4)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架也可以为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构；在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架也可以为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构。
(5)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中的所述化合物中，对于将X元素、Y元素及Z元素的最外层电子数相加得到的值，在所述化合物的组成为XYZ的情况下也可以为21以下，在所述化合物的组成为X2YZ的情况下也可以为27以下。
(6)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，所述自旋轨道转矩配线也可以为反铁磁性体。
(7)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，所述化合物中的X元素、Y元素或Z元素也可以包含周期表中的第五周期以上的元素。
(8)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，所述化合物也可以在化学计量组成中以XYZ表示。
(9)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，所述第一铁磁性层也可以包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的铁磁性体，所述X为选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt及Au中的一种以上的元素，所述Y为选自Ti、V、Cr、Mn、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Tm、Yb及Lu中的一种以上的元素，所述Z为选自Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Tl、Pb及Bi中的一种以上的元素。
(10)上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，所述第一铁磁性层也可以包含化学计量组成中以Co2YZ表示的铁磁性体，所述Y为Mn、Fe的至少一者，所述Z为选自Al、Si、Ga及Ge中的一种以上的元素。
(11)第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件具备：上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件；第二铁磁性层，其在所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的位置，与所述第一铁磁性层相对；和非磁性层，其被夹持于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间。
(12)第四实施方式所涉及的磁存储器具备多个上述实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
发明的效果
可以提供能够有效地产生自旋流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磁存储器。
附图说明
图1是第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的截面示意图。
图2A是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图2B是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图2C是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图2D是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图2E是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图2F是构成自旋轨道转矩配线的主骨架的晶体结构的示意图。
图3是第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图4是示意性地表示第三实施方式的磁存储器的图。
具体实施方式
以下，适当参照附图并详细地说明本实施方式。以下的说明中使用的附图为了容易了解特征，方便起见有时将成为特征的部分放大表示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际不同。以下的说明中示例的材料、尺寸等为一个例子，本发明并不限定于这些，可以在实现本发明的效果的范围内适当变更来实施。
“第一实施方式”
图1是示意性地表示第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的截面图。第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件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，将在自旋轨道转矩配线2存在的面内与第一方向正交的方向规定为y方向，将与x方向及y方向都正交的方向规定为z方向进行说明。图1中，z方向与第一铁磁性层1的层叠方向及自旋轨道转矩配线2的厚度方向一致。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2沿着x方向延伸。自旋轨道转矩配线2当流通电流时，通过自旋霍尔效应生成自旋流。自旋霍尔效应是在向配线流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用沿着与电流的方向正交的方向诱发自旋流的现象。对通过自旋霍尔效应产生自旋流的机理进行说明。
如图1所示，当对自旋轨道转矩配线2的x方向的两端赋予电位差时，电流I沿着x方向流通。当流通电流I时，向y方向取向的第一自旋S1和向-y方向取向的第二自旋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)使运动(移动)方向弯曲的方面相同，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使运动方向弯曲，与之相对，自旋霍尔效应中，在虽然不存在磁场，但仅电子移动(仅电流流通)，移动方向就弯曲的方面大为不同。
在自旋轨道转矩配线2为非磁性体(不是铁磁性体的材料)的情况下，第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等。即，图中朝向上方的第一自旋S1的电子数与朝向下方的第二自旋S2的电子数相等。在该情况下，作为电荷的净流量的电流为零。特别地，不伴随该电流的自旋流称为纯自旋流。
在此，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↓，并且将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑-J↓定义。图1中，作为纯自旋流，JS沿着图中的z方向流通。在此，JS是极化率为100％的电子流。
图1中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线2的上表面接触时，自旋流扩散并流入铁磁性体中。即，向第一铁磁性层1注入自旋。
本实施方式的自旋轨道转矩配线2包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物。组成式中，X为选自Fe、Co、Ni、Mn、Re、Ru、Os、Rh、Pd、Ir及Pt中的一种以上的元素，Y为选自Ti、V、Cr、Mo、W、Ta、Mn、Re、Os、Zr、Nb、Hf、Ta、Zn、Cu、Ag、Au、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Ru、Tm、Yb及Lu中的一种以上的与X不同的元素，Z为选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb、Mg、Sr及Bi中的一种以上的元素。
在此，“化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示”是指不限于化合物为化学计量组成的情况，也可以是非化学计量组成。即，在组成式为XYZ的情况下，X元素与Y元素与Z元素的比不需要严格为1:1:1；在组成式为X2YZ的情况下，X元素与Y元素与Z元素的比不需要严格为2:1:1。
该化合物为广义的哈斯勒合金(Heusler alloy)。铁磁性体的哈斯勒合金作为在室温下达成100％的自旋极化率的可能性高的材料进行研究。以XYZ表示的铁磁性的哈斯勒合金作为半哈斯勒合金(Half-Heusler alloy)而为人所知，以X2YZ表示的铁磁性的哈斯勒合金作为全哈斯勒合金(Full Heusler alloy)而为人所知。本说明书中的“广义的哈斯勒合金”是指以XYZ或X2YZ表示的bcc结构为基本的典型的金属间化合物。即，“广义的哈斯勒合金”可以是非磁性体，也可以是铁磁性体，也可以是反铁磁性体。
当自旋轨道转矩配线2包含上述化合物时，自旋轨道转矩配线2中强烈地产生自旋霍尔效应，从自旋轨道转矩配线2注入第一铁磁性层1中的自旋量增加。注入的自旋对第一铁磁性层1的磁化赋予自旋轨道转矩，引起磁化旋转(磁化反转)。
当自旋轨道转矩配线2中有效地产生自旋流(自旋霍尔效应强烈地作用)时，注入第一铁磁性层1的自旋量增加。自旋流由于伴随自旋轨道转矩配线2的结构的内因性的原因和能够从外部施加于自旋轨道转矩配线2的外因性的原因而产生。
作为内因性的原因，有构成自旋轨道转矩配线2的材料造成的影响、由于晶体结构等的对称性的瓦解而产生的内场造成的影响等。作为构成自旋轨道转矩配线2的材料，当使用自旋轨道相互作用强的材料时，有效地产生自旋流。当将构成自旋轨道转矩配线2的结晶设为反演对称性瓦解后的结晶时，产生促进自旋霍尔效应的内场，并有效地产生自旋流。
另一方面，作为外因性的原因，有自旋轨道转矩配线2内所包含的散射因子造成的影响、层叠界面的应变产生的影响、界面Rashba效应等。当杂质等将自旋散射时，自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于流通于自旋轨道转矩配线2的电流的生成效率变高。自旋轨道转矩配线2与其它层的层叠界面歪斜时，产生促进自旋霍尔效应的内场，并有效地产生自旋流。另外，当层叠界面由不同种类的材料构成时，通过界面Rashba效应，有效地产生自旋流。
图2A～图2F是示意性地表示以XYZ或X2YZ的组成式表示的化合物容易选择的晶体结构的图。图2A～图2C是以X2YZ的组成式表示的化合物容易选择的晶体结构，图2D～图2F是以XYZ的组成式表示的化合物容易选择的晶体结构。
图2A为L21结构，图2D为C1b结构，X原子、Y原子、Z原子收纳于规定的位点。L21结构的晶胞由4个面心立方晶格(fcc)构成，去除了其中一个X原子的结构为C1b结构。
图2B为源自L21结构的B2结构，图2E是源自C1b结构的B2结构。这些晶体结构中，X原子收纳于规定的位点，但在Y原子与Z原子之间产生紊乱。图2C为源自L21结构的A2结构，图2F为源自C1b结构的A2结构。这些晶体结构中，在X原子与Y原子与Z原子之间产生紊乱。因此，在以X2YZ的组成式表示的化合物中，以L21结构＞B2结构＞A2结构的顺序结晶性较高，以XYZ的组成式表示的化合物中，以C1b结构＞B2结构＞A2结构的顺序结晶性较高。
对于自旋轨道转矩配线2的主骨架，优选在化合物为X2YZ的情况下，为包含L21结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构，在化合物为XYZ的情况下，为包含C1b结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构。在此“包含……的结构”是指还包括例如L21结构或C1b结构的一部分成为A2结构或B2结构的情况。
图2A～图2F中，在图示的关系上，将X原子、Y原子、Z原子的大小设为大致相同并进行图示，但实际上，X原子、Y原子、Z原子的原子半径不同。如果也包括X原子、Y原子、Z原子的电子云扩展，则各个原子产生的自旋相互作用的大小不同。因此，从通过流通电流I而在自旋轨道转矩配线2内流动的电子(自旋)的位置观察时，受到相互作用的矢量的方向、大小根据位置成为非对称。
另外，以XYZ、X2YZ表示的化合物为3元系以上的化合物，容易产生晶体结构的紊乱(无序)。是由于X原子、Y原子、Z原子彼此相互影响，阻碍向规定位置的迁移。实际上，铁磁性的哈斯勒合金据说理论上能够达成100％的自旋极化率，但未到达至100％可以说是该晶体结构紊乱的影响，该化合物是容易产生无序的化合物。
如上所述，自旋轨道转矩配线2内的对称性的瓦解是产生自旋流的内因性的原因之一。自旋轨道转矩配线2内的对称性的瓦解产生促进自旋霍尔效应的内场，自旋流的产生效率变高。因此，当自旋轨道转矩配线2包含上述化合物时，从自旋轨道转矩配线2向第一铁磁性层1中扩散的自旋量增加，能够对第一铁磁性层1的磁化赋予较大的自旋轨道转矩。
为了进一步促进晶体结构的非对称性，优选的是，在化合物为X2YZ的情况下，自旋轨道转矩配线2的主骨架为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构，在化合物为XYZ的情况下，自旋轨道转矩配线2的主骨架为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构。
化合物中的X元素、Y元素或Z元素优选包含周期表中的第五周期以上的元素，优选为在最外层具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属元素。作为满足其的化合物，例如可以举出Fe2TiSn、NiZrSn等。
通常，当向金属流通电流时，所有的电子不管其自旋的方向，均向与电流相反的方向移动。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其自旋轨道相互作用较大，因此，通过自旋霍尔效应，电子的移动方向依赖于电子的自旋方向，容易产生自旋流。
构成自旋轨道转矩配线2的化合物中，优选将X元素、Y元素及Z元素的最外层电子数相加得到的值，在化合物的组成为XYZ的情况下为21以下，在化合物的组成为X2YZ的情况下为27以下。另外，在化合物的组成为XYZ的情况下，该值更优选为15以上21以下，进一步优选为16以上20以下，特别优选为17以上19以下，最优选为18。另外，在化合物的组成为X2YZ的情况下，该值更优选为21以上27以下，进一步优选为22以上26以下，特别优选为23以上25以下，最优选为24。
作为化合物的组成为XYZ且最外层电子数满足18的化合物，例如可以举出：XYZ(X＝Mn、Re，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Sb、Bi)、XYZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝Mn、Re，Z＝Al、Ga、In)、XYZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、XYZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝V、Nb、Ta，Z＝Sb、Bi)、XYZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Mn、Re，Z＝Mg、Sr)、XYZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Al、Ga、In)、XYZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝V、Ta、Nb，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、XYZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Ti、Zr、Hf，Z＝Sb、Bi)、XYZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Mg、Sr)、XYZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝V、Nb、Ta，Z＝Al、Ga、In)、XYZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝Ti、Zr、Hf，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、XYZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，Z＝Sb、Bi)。另外，这些材料中也可以以不损坏自旋霍尔效应的程度添加至少一种或2种以上的元素。此外，上述的组合也可以是YXZ。在该情况下，B2结构时，X和Z不规则地排列。
作为化合物的组成为X2YZ且最外层电子数满足24的化合物，例如可以举出：X2YZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Mg、Sr)、X2YZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝V、Nb、Ta，Z＝Al、Ga、In)、X2YZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝Ti、Zr、Hf，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、X2YZ(X＝Fe、Ru、Os，Y＝Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，Z＝Sb、Bi)、X2YZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Zn，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、X2YZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Cu、Ag、Au，Z＝Sb、Bi)、X2YZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Ti、Zr、Hf，Z＝Mg、Sr)、X2YZ(X＝Co、Rh、Ir，Y＝Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，Z＝Al、Ga、In)、X2YZ(X＝Mn、Re，Y＝Fe、Ru、Os，Z＝Mg、Sr)、X2YZ(X＝Mn、Re，Y＝Cr、Mo、W，Z＝Si、Ge、Sn、Pb)、X2YZ(X＝Mn、Re，Y＝V、Nb、Ta，Z＝Sb、Bi)、X2YZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝Zn，Z＝Mg、Sr)、X2YZ(X＝Ni、Pd、Pt，Y＝Cu、Ag、Au，Z＝Al、Ga、In)。另外，也可以向这些材料中以不损坏自旋霍尔效应的程度添加至少一种或2种以上的元素。
在化合物的组成为XYZ的情况下，根据洪特规则求得的每个原子的磁矩的大小在最外层电子数为22时成为4μB。另外，在化合物的组成为X2YZ的情况下，根据洪特规则求得的每个原子的磁矩的大小在最外层电子数为28时成为4μB。每个原子的磁矩的大小超过4μB时，可以说呈现较强的铁磁性。另一方面，在化合物的组成为XYZ且最外层电子数为18的情况下，化合物成为完全非磁性体，在化合物的组成为X2YZ且最外层电子数为24的情况下，化合物成为完全非磁性体。通过最外层电子数来特定磁性、非磁性与包含轨道相互作用的第一原理计算的结果大致一致。
在自旋轨道转矩配线2为非磁性体的情况下，如上所述，第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等，作为电荷的净流量的电流成为零。即，如果最外层电子数在上述的范围内，则能够抑制在自旋轨道转矩配线2内伴随自旋流的非意图的电流的产生。另外，如果最外层电子数在上述的范围内，则自旋轨道转矩配线2不会呈现较强的磁性。即，能够抑制自旋轨道转矩配线2产生的磁场对第一铁磁性层1的磁化方向造成影响。
另外，自旋轨道转矩配线2也可以是反铁磁性体。例如可以举出：Ni2MnAl、Ru2MnX(X＝Ge、Sn、Sb、Ga、Si)、Pd2MnX(X＝Al、In)、Ir2MnX(X＝Al、Ga)、Pt2MnX(X＝Al、Ga)、Mn2VX(X＝Al、Si)等。另外，在这些材料中也可以在不损坏反铁磁性特性的程度内添加至少一种或2种以上的元素。
在自旋轨道转矩配线2为反铁磁性体的情况下，能够在自旋轨道转矩配线2与第一铁磁性层1的界面诱导交换磁耦合，能够增强自旋霍尔效应。其结果，有效地产生自旋流。
为了在自旋轨道转矩配线2中引起更强的自旋霍尔效应，化合物的组成优选为XYZ，为了降低自旋轨道转矩配线2的发热，化合物的组成优选为X2YZ。
去除了L21结构(X2YZ：图2A)的晶胞的1个X原子后的结构为C1b结构(XYZ：图2D)。因此，C1b结构与L21结构相比，具有空晶格点。具有空晶格点的C1b结构相比不具有空晶格点的L21结构，电子更难以移动，成为高电阻率材料。高电阻率材料是自旋轨道相互作用较强的材料，有效地产生自旋流。另外，具有空晶格点的C1b结构其晶体结构的稳定性较低。晶体结构不稳定时，容易成为非对称的晶体结构。伴随非对称性的紊乱的内场促进自旋霍尔效应，从而有效地产生自旋流。
自旋轨道转矩配线2如果具有上述化合物作为主构成，则也可以同时包含其它的材料。
例如自旋轨道转矩配线2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。自旋轨道转矩配线2中包含微量的磁性金属时，成为自旋的散射因素。即，自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于流通于自旋轨道转矩配线2的电流的生成效率变高。
另一方面，磁性金属的添加量过大时，产生的自旋流由于添加的磁性金属而散射，作为结果，有时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构成自旋轨道转矩配线2的元素的总摩尔比充分小。说到标准，添加的磁性金属的摩尔比优选为3％以下。
另外，例如自旋轨道转矩配线2也可以包含拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线2的主构成也可以是拓扑绝缘体。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。该物质中存在如自旋轨道相互作用的内部磁场那样的磁场。因此，即使没有外部磁场，由于自旋轨道相互作用的效果也显现新的拓扑相。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演对称性的破坏，能够高效率地生成自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体可以高效率地生成自旋流。
另外，例如自旋轨道转矩配线2也可以成为多层的层叠结构。例如，也可以制成容易诱发自旋霍尔效应的以组成式XYZ表示的第一层和放热性优异的以组成式X2YZ表示的第二层的层叠结构。在该情况下，将容易诱发自旋霍尔效应的第一层配置于第一铁磁性层1侧。
＜第一铁磁性层＞
第一铁磁性层1通过其磁化M1的方向变化而发挥作用。图1中，将第一铁磁性层1设为磁化M1向z方向取向的垂直磁化膜，但也可以设为向xy面内方向取向的面内磁化膜。
对于第一铁磁性层1，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中的金属、含有一种以上的这些金属的合金、含有这些金属与B、C及N的至少一种以上的元素的合金等。具体而言，能够示例Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
另外，第一铁磁性层1中也可以使用铁磁性的哈斯勒合金。具体而言，第一铁磁性层优选为化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的铁磁性体。在此，X为选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt及Au中的一种以上的元素，Y为选自Ti、V、Cr、Mn、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Tm、Yb及Lu中的一种以上的元素，Z为选自Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Tl、Pb及Bi中的一种以上的元素。例如可以举出：Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。
另外，优选第一铁磁性层1包含化学计量组成中以Co2YZ表示的铁磁性体，Y为Mn、Fe的至少一者，Z为选自Al、Si、Ga及Ge中的一种以上的元素。
自旋轨道转矩配线2和第一铁磁性层1的晶体结构一致或类似时，通过外延生长能够制作高品质的第一铁磁性层1。通过第一铁磁性层1的结晶性变高，能够实现较高的自旋极化率。
如上所述，本实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件10中，通过自旋轨道转矩配线2为广义的哈斯勒合金，自旋轨道转矩配线2内的对称性瓦解。对称性的瓦解诱发内场，由于该内场，自旋霍尔效应强烈地作用。其结果，促进自旋极化，注入第一铁磁性层1的自旋量增加。即，根据本实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，能够降低为了使第一铁磁性层1的磁化M1旋转所需的电流密度。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件如后所述能够应用于磁阻效应元件。但是，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，也能够在将上述的自旋流磁化旋转元件配设于各像素，利用磁光效应空间性地调制入射光的空间光调制器中使用，也可以将磁传感器中为了避免磁铁的矫顽力导致的滞后效应而施加于磁铁的易磁化轴的磁场置换成SOT。自旋流磁化旋转元件在磁化反转的情况下，特别地能够称为自旋流磁化反转元件。
＜制造方法＞
对自旋轨道转矩型磁化旋转元件10的制造方法的一个例子进行说明。首先，在基板(省略图示)上层叠成为自旋轨道转矩配线的基础的层。自旋轨道转矩配线包含X元素、Y元素及Z元素。因此，使用包含各个元素的母材，层叠成为自旋轨道转矩配线的基础的层。层叠方法能够使用溅射法、化学气相生长(CVD)法、分子束外延(MBE)法等公知的方法。
接着，对成为自旋轨道转矩配线的基础的层进行退火。在化合物的组成为XYZ的情况下，随着退火温度变高，成为A2结构、B2结构、C1b结构，在化合物的组成为X2YZ的情况下，随着退火温度变高，成为A2结构、B2结构、L21结构。
接着，使用光刻等技术，将成为自旋轨道转矩配线的基础的层加工成自旋轨道转矩配线2。然后，以包围自旋轨道转矩配线2的周围的方式，包覆绝缘层。绝缘层能够使用氧化膜、氮化膜等。
接着，根据需要将绝缘层和自旋轨道转矩配线的表面通过CMP抛光(化学机械抛光(chemical mechanical polishing))进行平坦化。然后，在平坦化后的表面上层叠成为第一铁磁性层的基础的层。最后，使用光刻等技术，对成为第一铁磁性层的基础的层进行加工，由此，得到自旋轨道转矩型磁化旋转元件10。
“第二实施方式”
＜自旋轨道转矩型磁阻效应元件＞
图3是第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20的截面示意图。图3所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20具备自旋轨道转矩型磁化旋转元件10、非磁性层5和第二铁磁性层6。对与第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件10相同的结构省略说明。
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)与通常的磁阻效应元件同样地发挥作用。功能部通过第二铁磁性层6的磁化M6固定在一个方向(z方向)，第一铁磁性层1的磁化M1的方向相对地变化而发挥作用。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层6的矫顽力大于第一铁磁性层1的矫顽力。在应用于交换偏置型(自旋阀；spin valve型)的MRAM的情况下，将第二铁磁性层6的磁化M6通过与反铁磁性层的交换耦合进行固定。
另外，功能部中，在非磁性层5由绝缘体构成的情况下，功能部为与隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件相同的结构，在功能部由金属构成的情况下，功能部为与巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的结构。
功能部的层叠结构能够采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层也可以由多个层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性层6的磁化方向的反铁磁性层等其它层。第二铁磁性层6被称为固定层或参照层，第一铁磁性层1被称为自由层或存储层等。
第二铁磁性层6的材料能够使用公知的材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属及包含一种以上的这些金属且显现铁磁性的合金。也能够使用含有这些金属与B、C、及N的至少一种以上的元素的合金。具体而言，可以举出Co-Fe或Co-Fe-B。
另外，为了得到更高的输出，第二铁磁性层6的材料优选使用Co2FeSi等的哈斯勒合金。哈斯勒合金包含具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物，X为周期表上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的元素种类，Z为第III族至第V族的典型元素。例如，可以举出Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
为了进一步增大第二铁磁性层6相对于第一铁磁性层1的矫顽力，作为与第二铁磁性层6相接的材料，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。进一步，为了使第二铁磁性层6的漏磁场不影响第一铁磁性层1，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
非磁性层5能够使用公知的材料。
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)，作为其材料，能够使用Al2O3、SiO2、MgO、及MgAl2O4等。另外，除了这些之外，还能够使用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为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，能够使用Cu、Au、Ag等。另外，在非磁性层5由半导体构成的情况下，作为其材料，能够使用Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等。
功能部也可以具有其它层。例如，也可以在第一铁磁性层1的与非磁性层5相反侧的面上具有基底层，也可以在第二铁磁性层6的与非磁性层5相反侧的面上具有覆盖层。
配设于自旋轨道转矩配线2与第一铁磁性层1之间的层优选不消散从自旋轨道转矩配线2传导的自旋。例如，已知银、铜、镁、及铝等的自旋扩散长度长至100nm以上，自旋难以消散。
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2传导的自旋充分地传递至第一铁磁性层1。
第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件能够使用由于第一铁磁性层1的磁化M1与第二铁磁性层6的磁化M6的相对角的差异而产生的功能部的电阻值变化，进行数据的记录、读出。第二实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20中，也能够在自旋轨道转矩配线2中有效地产生自旋流，因此，能够降低为了使第一铁磁性层1的磁化M1旋转(反转)所需的电流密度。
“第三实施方式”
＜磁存储器＞
图4是具备多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件20(参照图3)的磁存储器30的俯视图。图3与沿着图4的A-A面切断自旋轨道转矩型磁阻效应元件20的截面图对应。图4所示的磁存储器30中，自旋轨道转矩型磁阻效应元件20进行3×3的矩阵配置。图4为磁存储器的一个例子，自旋轨道转矩型磁阻效应元件20的数量及配置是任意的。
一条字线WL1～WL3、一条位线BL1～BL3、一条引线RL1～RL3分别连接于自旋轨道转矩型磁阻效应元件20。
通过选择施加电流的字线WL1～WL3及位线BL1～BL3，向任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20的自旋轨道转矩配线2流通电流，进行写入操作。另外，通过选择施加电流的引线RL1～RL3及位线BL1～BL3，沿着任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20的层叠方向流通电流，进行读取操作。施加电流的字线WL1～WL3、位线BL1～BL3、及引线RL1～RL3能够根据晶体管等进行选择。即，可以通过从这些多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件20读出任意的元件的数据，进行作为磁存储器的有效地利用。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详细叙述，但本发明不限定于特定的实施方式，可以在权利要求所记载的本发明的宗旨的范围内进行各种变形·变更。
实施例
(实施例1)
制作与图3所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件20相同的结构的元件。
自旋轨道转矩配线2的构成材料：Fe2TiSn
自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构：L21
自旋轨道转矩配线2的截面积：膜厚5nm×线宽250nm
第一铁磁性层1的构成：CoFe
第一铁磁性层1的厚度：3nm
非磁性层5的构成材料：MgO
非磁性层5的厚度：2nm
第二铁磁性层6的构成：CoFe
第二铁磁性层6的厚度：3nm
功能部的俯视形状：将100nm×200nm的短轴作为第一方向的椭圆形
此外，为了提高热稳定性，制成在第二铁磁性层6的上部层叠有Ru(0.42nm)/CoFe(3nm)/IrMn(10nm)的合成结构。
然后，对自旋轨道转矩配线2施加5nsec的脉冲宽度的电流，求得为了使第一铁磁性层1的磁化反转所需的电流密度(反向电流密度)。其结果，实施例1的元件的反向电流密度为9.2×107A/cm2。
(实施例2)
实施例2中，在使自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构为B2结构的方面与实施例1不同。自旋轨道转矩配线2的晶体结构可以通过改变制作时的退火温度来进行变更。实施例2的元件的反向电流密度为8.4×107A/cm2。
(实施例3)
实施例3中，在使自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构为A2结构的方面与实施例1不同。自旋轨道转矩配线2的晶体结构可以通过改变制作时的退火温度来进行变更。实施例3的元件的反向电流密度为7.6×107A/cm2。
(实施例4)
实施例4中，在使构成自旋轨道转矩配线2的材料为NiZrSn，且使自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构为C1b结构的方面与实施例1不同。实施例4的元件的反向电流密度为6.9×107A/cm2。
(实施例5)
实施例5中，在使自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构为B2结构的方面与实施例4不同。自旋轨道转矩配线2的晶体结构可以通过改变制作时的退火温度来进行变更。实施例5的元件的反向电流密度为6.0×107A/cm2。
(实施例6)
实施例6中，在使自旋轨道转矩配线2的主骨架的晶体结构为A2结构的方面与实施例4不同。自旋轨道转矩配线2的晶体结构可以通过改变制作时的退火温度来变更。实施例3的元件的反向电流密度为5.2×107A/cm2。
(比较例1)
比较例1中，在使构成自旋轨道转矩配线2的材料为钨的方面与实施例1不同。比较例1的元件的反向电流密度为1.1×108A/cm2。
将以XYZ表示的化合物用于自旋轨道转矩配线的实施例1～3及将以X2YZ表示的化合物用于自旋轨道转矩配线的实施例4～6的反向电流密度相比比较例1均有所降低。将上述的结果在以下的表1中汇总。此外，表1中，SOT配线是指自旋轨道转矩配线。
[表1]
符号的说明
1 第一铁磁性层
2 自旋轨道转矩配线
5 非磁性层
6 第二铁磁性层
10 自旋轨道转矩型磁化旋转元件
20 自旋轨道转矩型磁阻效应元件
30 磁存储器
M1、M6 磁化
Claims (12)
1.一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
具备：
自旋轨道转矩配线，其沿着第一方向延伸；和
第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物，
在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含L21结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构，
在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含C1b结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构。
2.一种自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
具备：
自旋轨道转矩配线，其沿着第一方向延伸；和
第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的化合物，
所述X为选自Fe、Co、Ni、Mn、Re、Ru、Os、Rh、Pd、Ir及Pt中的一种以上的元素，
所述Y为选自Ti、V、Cr、Mo、W、Ta、Mn、Re、Os、Zr、Nb、Hf、Ta、Zn、Cu、Ag、Au、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Ru、Tm、Yb及Lu中的一种以上的与所述X不同的元素，
所述Z为选自Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb、Mg、Sr及Bi中的一种以上的元素。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含L21结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构，
在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含C1b结构、B2结构、A2结构中的任意种的结构。
4.根据权利要求1或3所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
在所述化合物为X2YZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构，
在所述化合物为XYZ的情况下，所述自旋轨道转矩配线的主骨架为包含B2结构、A2结构中的任意种的结构。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述化合物中，对于将X元素、Y元素及Z元素的最外层电子数相加得到的值，
在所述化合物的组成为XYZ的情况下为21以下，
在所述化合物的组成为X2YZ的情况下为27以下。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线为反铁磁性体。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述化合物中的X元素、Y元素或Z元素包含周期表中的第五周期以上的元素。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述化合物在化学计量组成中以XYZ表示。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述第一铁磁性层包含化学计量组成中以XYZ或X2YZ表示的铁磁性体，
所述X为选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt及Au中的一种以上的元素，
所述Y为选自Ti、V、Cr、Mn、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Fe、Tm、Yb及Lu中的一种以上的元素，
所述Z为选自Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Tl、Pb及Bi中的一种以上的元素。
10.根据权利要求9所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件，其中，
所述第一铁磁性层包含化学计量组成中以Co2YZ表示的铁磁性体，
所述Y为Mn、Fe的至少一者，
所述Z为选自Al、Si、Ga及Ge中的一种以上的元素。
11.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
具备：
权利要求1～10中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化旋转元件；
第二铁磁性层，其在所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的位置，与所述第一铁磁性层相对；和
非磁性层，其被夹持于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间。
12.一种磁存储器，其中，
具备多个权利要求11所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
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