CN110419116B - 自旋元件的稳定化方法及自旋元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方式所涉及的自旋元件的稳定化方法，在具备沿第一方向延伸的通电部和叠层于上述通电部的一面且包含铁磁性体的元件部的自旋元件中，沿上述通电部的上述第一方向，在规定温度中以脉冲施加总时间成为规定时间以上的方式，施加规定电流值以上的电流脉冲。

Description

自旋元件的稳定化方法及自旋元件的制造方法
技术领域
本发明涉及自旋元件的稳定化方法及自旋元件的制造方法。
背景技术
作为利用了基于两个铁磁性层的磁化的相对角的变化的电阻值变化(磁阻变化)的元件，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)元件等。
近年来，利用了磁阻变化的自旋元件中，利用了自旋轨道转矩(SOT)的自旋轨道转矩型磁阻效应元件及利用了磁壁的移动的磁壁移动型磁记录元件备受关注。
例如，非专利文献1中记载有自旋轨道转矩型磁阻效应元件。SOT由通过自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或不同种类的材料的界面中的Rashba效应而感应。用于在磁阻效应元件内感应SOT的电流流向与磁阻效应元件的叠层方向交叉的方向。不需要向磁阻效应元件的叠层方向流通电流，期待磁阻效应元件的长寿命化。
另外，例如，专利文献1中记载有磁壁移动型磁记录元件。磁壁移动型磁记录元件通过移动磁记录层内的磁壁，电阻值变化成为阶段性地变化。通过电阻值阶段性地变化，可进行多值的数据记录。另外，可进行非“0”、“1”的数字的数据记录，而是模拟的数据记录。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5441005号公报
非专利文献
非专利文献1
S.Fukami，T.Anekawa，C.Zhang和H.Ohno，《自然-纳米技术(Nature Nano Tec)》(2016).DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
发明内容
发明想要解决的技术问题
这些自旋元件以电阻值低的低电阻状态和电阻值高的高电阻状态为基准，记录数据。为了提高数据的稳定性，要求自旋元件的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值一定。
本发明是鉴于上述情况而完成的，提供一种能够将低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化的自旋元件的稳定化方法以及使用了该方法的自旋元件的制造方法。
用于解决技术问题的手段
本发明人等进行了专门研究，结果发现，低电阻状态及高电阻状态下的电阻值在自旋元件中进行初次的写入动作时和多次的写入动作后不同。在产品实际出货的观点上，该差可成为问题。例如，可产生在出货时设为“0”、“1”的数据记录的阈值的数据在用户的使用过程中变动等的问题。例如，为了实现可半永久性地写入的元件，要求保证1015次程度的写入。在使用过程中，成为基准的阈值变动时，记录的数据的可靠性降低。
因此，专门研究的结果，本发明人等发现，写入次数超过规定的条件时，低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。一般认为，当对配线施加多次电流时，电阻值由于迁移等而变高(配线劣化)。但是，此次的结果是通过对通电部按照规定的条件施加规定量的电流，从而电阻值稳定化的结果，令人惊讶。
即本发明为了解决上述技术问题，提供以下手段。
(1)第一方式所涉及的自旋元件的稳定化方法，在具备沿第一方向延伸的通电部和叠层于所述通电部的一面且包含铁磁性体的元件部的自旋元件中，沿所述通电部的所述第一方向，在规定温度中以脉冲施加总时间成为规定时间以上的方式，根据以下的关系式(1)施加规定电流值以上的电流脉冲。
Figure GDA0001794596330000021
所述通式(1)中，t为所述规定时间，A为1以上的系数，Q为所述通电部的活化能量，kB为玻耳兹曼常数，T’为构成所述通电部的材料的熔点，ΔT为所述规定温度与室温之差(其中，在没有所述规定温度与所述室温之差的情况下，ΔT＝1)，IC为磁化反转所需要的反转临界电流值，I为所述规定电流值。
(2)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述规定温度为室温，所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.1倍以上，所述规定时间为0.1秒以上。
(3)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述规定温度为室温，所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.2倍以上，所述规定时间为0.01秒以上。
(4)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述规定温度比室温高，所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.1倍以上，在将所述规定温度与所述室温之差设为ΔT时，所述规定时间为0.1×(1/ΔT)2秒以上。
(5)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述电流脉冲的脉冲宽度为10nsec以下。
(6)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，构成所述通电部的元素的活化能量为200kJ/mol以上。
(7)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述通电部为自旋轨道转矩配线，所述元件部具备第一铁磁性层、第二铁磁性层以及被它们夹持的非磁性层。
(8)上述方式的自旋元件的稳定化方法中，也可以是，所述通电部为具备磁壁的磁记录层，所述元件部从所述磁记录层侧起具备非磁性层和第三铁磁性层。
(9)第二方式所涉及的自旋元件的制造方法，具有：在沿第一方向延伸的通电部的一面上形成包含铁磁性体的元件部的工序；根据上述方式的自旋元件的稳定化方法，向所述通电部通电脉冲电流的工序。
发明效果
根据本实施方式的自旋元件的稳定化方法及制造方法，能够将低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。
附图说明
图1是作为本实施方式的自旋元件的一例的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图2是作为本实施方式的自旋元件的一例的磁壁移动型磁记录元件的截面示意图。
图3是对实施例1的自旋轨道转矩型磁阻效应元件多次施加写入电流的结果。
图4是对实施例1的自旋轨道转矩型磁阻效应元件多次施加写入电流的结果。
图5是对实施例2的自旋轨道转矩型磁阻效应元件多次施加写入电流的结果。
图6是对实施例3的自旋轨道转矩型磁阻效应元件多次施加写入电流的结果。
符号说明
1、11……元件部
1A、11A……第一铁磁性层
1B……第二铁磁性层
1C、11B……非磁性层
2……自旋轨道转矩配线
3……第一电极
4……第二电极
10……自旋轨道转矩型磁阻效应元件
12……磁记录层
12A……磁壁
12B……第一磁区
12C……第二磁区
20……磁壁移动型磁记录元件
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明本实施方式。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解特征，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、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，可在实现本发明效果的范围内适当变更并实施。
本实施方式的自旋元件的稳定化方法是对规定的自旋元件，以满足规定关系的方式施加电流脉冲的方法。首先，说明规定的自旋元件的例子。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图1是作为本实施方式的自旋元件的一例的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的截面示意图。图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10具备元件部1和自旋轨道转矩配线(通电部)2。在元件部1夹着自旋轨道转矩配线2的的位置，具备具有导电性的第一电极3及第二电极4。
以下，将通电部延伸的第一方向作为x方向，将元件部1的叠层方向(第二方向)作为z方向，将与x方向及z方向均正交的方向规定为y方向进行说明。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线2连接于元件部1的z方向的一面。自旋轨道转矩配线2也可以与元件部1直接连接，也可以经由其它层连接。
自旋轨道转矩配线2由电流I流通时，通过自旋霍尔效应生成自旋流的材料构成。作为该材料，只要是在自旋轨道转矩配线2中生成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，也可以是由利用容易生成自旋流的材料构成的部分和利用难以生成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I的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿着与电流I的方向正交的方向感应自旋流的现象。对通过自旋霍尔效应产生自旋流的机制进行说明。
对自旋轨道转矩配线2的两端赋予电位差时，沿着自旋轨道转矩配线2流通电流I。流通电流I时，沿一个方向取向的第一自旋S1和沿与第一自旋S1相反的方向取向的第二自旋S2分别向与电流正交的方向弯曲。例如，第一自旋S1相对于行进方向向z方向扭曲，第二自旋S2相对于行进方向向-z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)方向的点相同。另一方面，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，即使不存在磁场，仅通过电子移动(仅流通电流)自旋的移动方向就弯曲，在这一点上大幅不同。
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+z方向的第一自旋S1的电子数与朝向-z方向的第二自旋S2的电子数相等。在该情况下，电荷的流通相互相抵，电流量成为零。不伴随电流的自旋流特别地被称为纯自旋流。
将第一自旋S1的电子的流通表示为J↑，将第二自旋S2的电子的流通表示为J↓，将自旋流表示JS时，以JS＝J↑-J↓定义。自旋流JS沿图中的z方向流通。图1中，在自旋轨道转矩配线2的上表面存在后述的第一铁磁性层1A。因此，向第一铁磁性层1A注入自旋。
自旋轨道转矩配线2利用具有通过流通电流时的自旋霍尔效应产生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、金属磷化物的任一种构成。
自旋轨道转矩配线2的主要构成优选为非磁性的重金属。在此，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电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属。这些非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。
电子一般不管其自旋的方向，均与电流逆向地移动。与之相对，在最外壳具有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，较强地作用自旋霍尔效应。因此，电子移动的方向依赖于电子的自旋的方向。因此，这些非磁性的重金属中容易产生自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线2也可以含有磁性金属。磁性金属是指铁磁性金属或反铁磁性金属。当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，成为自旋的散射因子。当自旋散射时，自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于电流的生成效率变高。自旋轨道转矩配线2的主要构成也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于增大时，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的元素的总摩尔比充分小。添加的磁性金属的摩尔比优选为整体的3％以下。
自旋轨道转矩配线2也可以含有拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面产生有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，能够高效率地生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体可高效率地生成自旋流。
＜元件部＞
元件部1具备第一铁磁性层1A、第二铁磁性层1B、以及被它们夹持的非磁性层1C。元件部1沿着与自旋轨道转矩配线2交叉的第二方向(z方向)叠层。
元件部1通过第一铁磁性层1A的磁化M1A和第二铁磁性层1B的磁化M1B的相对角进行变化，从而电阻值进行变化。第二铁磁性层1B的磁化M1B固定于一个方向(z方向)，第一铁磁性层1A的磁化M1A的方向相对于磁化M1B相对性地变化。有时第二铁磁性层1B标记为固定层、参照层等，第一铁磁性层1A标记为自由层、记录层等。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层1B的矫顽力比第一铁磁性层1A的矫顽力更大。在应用于交换偏置型(自旋阀；spin valve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1B的磁化M1B。
就元件部1而言，在非磁性层1C由绝缘体构成的情况下，为与隧道磁阻效应(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件相同的结构，在由金属构成的情况下，为与巨磁阻效应(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的结构。
元件部1的叠层结构能够采用公知的磁阻效应元件的叠层结构。例如，各层也可以由多层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性层1B的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。第二铁磁性层1B称为固定层或参照层，第一铁磁性层1A称为自由层或存储层等。
第一铁磁性层1A及第二铁磁性层1B也可以是磁化M1A、M1B的易磁化轴向z方向取向的垂直磁化膜，也可以是易磁化轴向xy面内方向取向的面内磁化膜。另外，磁化M1A、M1B也可以相对于X方向、Y方向、Z方向的任一项或全部倾斜。
第一铁磁性层1A及第二铁磁性层1B可应用铁磁性材料。例如可以使用选自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，可以例示Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。另外，在第一铁磁性层1A为面内磁化膜的情况下，例如优选使用Co-Ho合金(CoHo2)、Sm-Fe合金(SmFe12)等。
当第一铁磁性层1A及第二铁磁性层1B中使用Co2FeSi等的霍伊斯勒合金(heusleralloys)时，能够更强地表现磁阻效应。霍伊斯勒合金包含具有XYZ或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族的过渡金属或X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如可举出：Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。
也可以在第二铁磁性层1B上叠层IrMn、PtMn等的由反铁磁性材料构成的层。通过设为合成铁磁性耦合的结构，能够减轻第二铁磁性层1B的漏磁场对第一铁磁性层1A造成的影响。
非磁性层1C中可以使用公知的材料。例如，在非磁性层1C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、MgO、及MgAl2O4等。除了这些材料以外，也可以使用Al、Si、Mg的一部分置换成Zn、Be等的材料等。这些之中，MgO及MgAl2O4为能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。在非磁性层1C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1C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。
元件部1也可以具有其它层。也可以在第一铁磁性层1A的非磁性层1C的相反侧的面具有基底层。配设于自旋轨道转矩配线2和第一铁磁性层1A之间的层优选不耗散从自旋轨道转矩配线2传播的自旋。例如，已知银、铜、镁、以及铝等的自旋扩散长度长为100nm以上，难以耗散自旋。优选该层的厚度为构成层的物质的自旋扩散长以下，如果层的厚度为自旋扩散长以下，则能够将从自旋轨道转矩配线2传播的自旋充分传播至第一铁磁性层1A。
(磁壁移动型磁记录元件)
图2是作为本实施方式的自旋元件的一例的磁壁移动型磁记录元件20的截面示意图。图2所示的磁壁移动型磁记录元件20具备元件部11和磁记录层(通电部)12。在磁记录层12的夹持元件部11的位置具备具有导电性的第一电极3及第二电极4。
＜元件部＞
元件部11具备第一铁磁性层11A和非磁性层11B。第一铁磁性层11A及非磁性层11B能够使用与图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10相同的材料。
＜磁记录层＞
磁记录层12沿x方向延伸。磁记录层12在内部具有磁壁12A。磁壁12A为具有相互相反方向的磁化的第一磁区12B与第二磁区12C的分界。图2所示的磁壁移动型磁记录元件20中，第一磁区12B具有沿+x方向取向的磁化，第二磁区12C具有沿-x方向取向的磁化。
磁壁移动型磁记录元件20根据磁记录层12的磁壁12A的位置不同，以多个值记录数据。记录于磁记录层12的数据作为第一铁磁性层11A及磁记录层12的叠层方向的电阻值变化被读取。当磁壁12A移动时，磁记录层12中的第一磁区12B和第二磁区12C的比率变化。第一铁磁性层11A的磁化与第一磁区12B的磁化为同方向(平行)，与第二磁区12C的磁化为相反方向(反平行)。磁壁12A沿x方向移动，且从z方向观察与第一铁磁性层11A重叠的部分的第一磁区12B的面积扩大时，磁壁移动型磁记录元件20的电阻值变低。相反，磁壁12A沿-x方向移动，且从z方向观察与第一铁磁性层11A重叠的部分的第二磁区12C的面积扩大时，磁壁移动型磁记录元件20的电阻值变高。磁壁移动型磁记录元件20的电阻值在电连接于第一铁磁性层11A的上部电极与第一电极3或第二电极4之间测定。
磁壁12A通过沿磁记录层12的延伸方向流通电流或施加外部磁场而进行移动。例如，当从第一电极3向第二电极4施加电流脉冲时，第一磁区12B向第二磁区12C的方向扩展，磁壁12A向第二磁区12C的方向移动。即，通过设定流通于第一电极3及第二电极4的电流的方向、强度，可控制磁壁12A的位置，并向磁壁移动型磁记录元件20写入数据。
磁记录层12由磁性体构成。构成磁记录层12的磁性体可以使用与第一铁磁性层11A相同的磁性体。另外，磁记录层12优选具有选自Co、Ni、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge、Ga中的至少一种元素。例如可举出：Co与Ni的叠层膜、Co与Pt的叠层膜、Co与Pd的叠层膜、MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料。MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料等的亚铁磁材料的饱和磁化较小，能够降低用于移动磁壁所需要的阈值电流。另外，Co与Ni的叠层膜、Co与Pt的叠层膜、Co与Pd的叠层膜的矫顽力较大，能够抑制磁壁的移动速度。
至此，说明了规定的自旋元件的具体例。自旋轨道转矩型磁阻效应元件10和磁壁移动型磁记录元件20在写入数据时向沿与元件部1、11交叉的方向延伸的通电部2、12流通写入电流这一点上相同。自旋元件只要在写入数据时向沿与元件部交叉的方向延伸的通电部流通写入电流，就不限于自旋轨道转矩型磁阻效应元件10及磁壁移动型磁记录元件20。
＜自旋元件的稳定化方法＞
本实施方式的自旋元件的稳定化方法中，沿着通电部的x方向，在规定温度中以脉冲施加总时间成为规定时间以上的方式，基于以下的关系式(1)施加规定电流值以上的电流脉冲。
Figure GDA0001794596330000101
通式(1)中，t为规定时间。规定时间与向通电部流通电流的总时间相对应，通过将电流脉冲的脉冲宽度和电流脉冲的施加次数相乘而求得。A为1以上的系数，Q为通电部的活化能量，kB为玻耳兹曼常数，T’为构成通电部的材料的熔点。ΔT为规定温度与室温之差，规定温度与自旋元件的周围的环境温度相对应，室温对应于25℃。但是，在环境温度为25℃的情况下，(1/ΔT)2看作1。IC为磁化反转所需要的反转临界电流值。在此，就反转临界电流值而言，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的情况下，是指元件部1的第一铁磁性层1A通过由向自旋轨道转矩配线2流通的电流产生的自旋流而进行磁化反转的电流值，在磁壁移动型磁记录元件20的情况下，是指通过由流通于铁磁性体的电流产生的自旋转移转矩，磁记录层12的磁化进行反转且磁壁12A开始移动的电流值。I为规定电流值，即施加的电流脉冲的电流值。
以满足上述的关系式(1)的方式施加脉冲电流时，自旋元件的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。认为当对通电部施加电流时，存在于通电部的孔隙、缺损等的加工损伤及氧吸附等被除去，引起通电部的配线电阻稳定化。
上述的关系式(1)基于发展了阿伦纽斯模型(Arrhenius model)的艾林模型(Eyring model)导出。阿伦纽斯模型是理论地求得从正常状态经由活性状态到达其它状态时的过程的模型，艾林模型是理论地求得利用阿伦纽斯模型下施加外因性的应力项时的反应过程的模型。在自旋元件的情况下，施加于通电部的电流、环境温度成为应力项，得到上述的关系式(1)。
将上述的关系式(1)引入具体的事例时，在自旋元件暴露的环境温度(规定温度)为室温的情况下，将施加的规定电流值设为反转临界电流值的1.1倍以上时，向通电部流通电流的总时间(规定时间，电流脉冲的脉冲宽度×电流脉冲的施加次数)优选为0.1秒以上，更优选为1.0秒以上。另外，在将施加的规定电流值设为反转临界电流值的1.2倍以上的情况下，向通电部流通电流的总时间(规定时间，电流脉冲的脉冲宽度×电流脉冲的施加次数)优选为0.01秒以上，更优选为0.1秒以上。在此，反转临界电流值是指，用于使构成元件部的铁磁性体(第一铁磁性层1A)磁化反转所需要的电流值。
另外，在自旋元件暴露的环境温度(规定温度)比室温高的情况下，优选将施加的规定电流值设为反转临界电流值的1.1倍以上，且将向通电部流通电流的总时间(规定时间，电流脉冲的脉冲宽度×电流脉冲的施加次数)设为0.1秒×(1/ΔT)2以上。ΔT为环境温度与室温之差。通过提高自旋元件暴露的环境温度，可进行加速试验，并能够缩短向通电部流通电流的总时间。
在使自旋元件稳定化时，施加于通电部的电流脉冲的脉冲宽度优选为10nsec以下。当电流脉冲的脉冲宽度较长时，通电部容易发热。通电部大幅发热时，通电部受到损伤。认为是由于在通电部产生过度的迁移。
另外，构成通电部的元素的活化能量Q优选为200kJ/mol以上。如关系式(1)所示，活化能量越大，越难以产生电子迁移。能够避免在通电部产生过度的电子迁移，且通电部的整体电阻变高。
＜自旋元件的制造方法＞
本实施方式的自旋元件的制造方法具有：在沿第一方向延伸的通电部的一个面上形成包含铁磁性体的元件部的工序；根据上述的自旋元件的稳定化方法，向通电部通电脉冲电流的工序。
在自旋轨道转矩型磁阻效应元件10(图1)的情况下，和在磁壁移动型磁记录元件(图2)的情况下，自旋元件均能够使用光刻法等的技术进行制作。
例如，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件的情况下，通过以下的顺序进行制作。首先，在基板上打开贯通孔，利用导电体填充贯通孔，由此，制作第一电极3及第二电极4。接着，将成为形成通电部的自旋轨道转矩配线2的基底的层进行叠层，使用光刻法的技术，在配线上进行加工。最后，将成为第一铁磁性层1A的基底的层、成为非磁性层1C的基底的层、以及成为第二铁磁性层1B的基底的层重合地叠层，使用光刻法的技术加工元件部1。
在磁壁移动型磁记录元件20的情况下，仅制作元件部11时叠层的层的结构不同。因此，能够通过与上述的工序同样的顺序制作磁壁移动型磁记录元件20。
自旋元件也可以单独地制作，也可以在晶圆上一并制作多个元件。从制造效率的观点来看，优选在晶圆上一并制作多个元件。
接着，根据上述的自旋元件的稳定化方法，对通电部通电脉冲电流。通电脉冲电流也可以在存在多个元件的晶圆的状态下进行，也可以在将制作于晶圆上的各元件进行芯片化后进行。为了提高制造效率，优选在晶圆的状态下对各元件施加脉冲电流，为了抑制发热，优选对存在于晶圆上的各元件依次施加脉冲电流。
如上所述，根据本实施方式的自旋元件的稳定化方法，能够将自旋元件的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。另外，通过在制造过程中设置本实施方式的自旋元件的稳定化方法，能够向市场提供低电阻状态及高电阻状态下的电阻值自出货阶段就稳定化了的自旋元件，并能够提高产品的可靠性。
以上，详细叙述了本发明优选的实施方式，但本发明不限定于特定的实施方式，可在权利要求书内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)
制作图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10。具体而言，在设置有由Au构成的第一电极3及第二电极4的基板上叠层成为自旋轨道转矩配线2的层。作为成为自旋轨道转矩配线2的层，将Ta叠层5nm。然后，通过光刻法将成为自旋轨道转矩配线2的层加工成配线状，制作自旋轨道转矩配线2。自旋轨道转矩配线2的y方向的宽度为0.2μm，x方向的长度为0.7μm。构成自旋轨道转矩配线2的Ta的活化能量为414kJ/mol。
接下来，将自旋轨道转矩配线2的周围利用由SiO2构成的层间绝缘膜掩埋，在其上叠层成为第一铁磁性层1A的基底的层、成为非磁性层1C的基底的层、成为第二铁磁性层1B的基底的层。然后，通过光刻法进行加工，将规定的形状的元件部1制作于自旋轨道转矩配线2的x方向的中央的位置。
元件部1的具体的结构设为以下。
第一铁磁性层1A：CoFeB，1.0nm
非磁性层1C：MgO，2.5nm
第二铁磁性层1B：CoFeB，1.0nm
为了进一步提高热稳定性，在第二铁磁性层1B上叠层Ru(0.42nm)和[Co(0.4nm)/Pt(0.8nm)]n，并设为合成结构。
最后，将元件部1的侧面利用由SiO2构成的层间绝缘膜进行掩埋，在元件部1的第二铁磁性层1B上叠层作为上部电极的Au。
在通过上述的顺序制作的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的第一电极3与第二电极4之间施加脉冲电流。施加脉冲电流时的环境温度设为室温。施加的脉冲电流中，将电流密度设为5.26×107A/cm2，将脉冲宽度设为10nsec。为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的第一铁磁性层1A的磁化反转所需要的反转临界电流密度为4.70×107A/cm2。即，施加的脉冲电流设为反转临界电流的1.12倍。
然后，测定第一铁磁性层1A与第一电极3之间的电阻值变化。测定中，测定写入次数的位数变化时的最初的100次。另外，超过1×1011次后，每1011次测定最初的100次。将其结果示于图3及图4中。图3是进行1×106次～1×1010次写入的结果，图4是进行1×1010次～1×1011次写入的结果。如图3所示，在进行了1×108次写入的时点，自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。在进行了1×108次写入的时点，向通电部施加脉冲电流的总时间为“1×108次”ד10nsec”＝1秒。这些电阻值的上限值及下限值即使在进行了1×1012次写入的时点也不会大幅变动。
(实施例2)
实施例2中，将施加的脉冲电流的电流密度设为5.68×107A/cm2，且将脉冲宽度设为10nsec，在这一点上与实施例1不同。即，施加的脉冲电流设为反转临界电流的1.21倍。
而且，测定了第一铁磁性层1A与第一电极3之间的电阻值变化。测定中，测定写入次数的位数变化时的最初的100次。将其结果示于图5中。图5是进行了1×106次～1×1010次写入的结果。如图5所示，在进行了1×107次写入的时点，自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。在进行了1×107次写入的时点，对通电部施加脉冲电流的总时间为“1×107”ד10nsec”＝0.1秒。
(实施例3)
实施例3中，将自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的周围的环境温度设为80℃，在这一点上与实施例1不同。施加的脉冲电流的电流密度及脉冲宽度设为与实施例1相同。即，施加的脉冲电流设为反转临界电流的1.12倍。
而且，每次写入时测定第一铁磁性层1A与第一电极3之间的电阻值变化。测定中，测定写入次数的位数变化时的最初的100次。将其结果表示于图6。图6是进行了1×104次～1×108次写入的结果。如图6所示，在进行了1×105次写入的时点，自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的低电阻状态及高电阻状态下的电阻值稳定化。在进行了1×105次写入的时点，对通电部施加脉冲电流的总时间为“1×105”ד10nsec”＝0.001秒。

Claims (10)

1.一种自旋元件的稳定化方法，其中，
在具备沿第一方向延伸的通电部和叠层于所述通电部的一个面且包含铁磁性体的元件部的自旋元件中，
沿所述通电部的所述第一方向，在规定温度中以脉冲施加总时间成为规定时间以上的方式，根据以下的关系式(1)施加规定电流值以上的电流脉冲；
Figure FDA0001794596320000011
所述通式(1)中，
t为所述规定时间，
A为1以上的系数，
Q为所述通电部的活化能量，
kB为玻耳兹曼常数，
T’为构成所述通电部的材料的熔点，
ΔT为所述规定温度与室温之差，其中，在没有所述规定温度与所述室温之差的情况下，ΔT＝1，
IC为磁化反转所需的反转临界电流值，
I为施加的所述规定电流值。
2.根据权利要求1所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述规定温度为室温，
所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.1倍以上，
所述规定时间为0.1秒以上。
3.根据权利要求1所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述规定温度为室温，
所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.2倍以上，
所述规定时间为0.01秒以上。
4.根据权利要求1所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述规定温度比室温高，
所述规定电流值为所述反转临界电流值的1.1倍以上，
在将所述规定温度与所述室温之差设为ΔT时，所述规定时间为0.1×(1/ΔT)2秒以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述电流脉冲的脉冲宽度为10nsec以下。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
构成所述通电部的元素的活化能量为200kJ/mol以上。
7.根据权利要求5所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
构成所述通电部的元素的活化能量为200kJ/mol以上。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述通电部为自旋轨道转矩配线，所述元件部具备第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被它们夹持的非磁性层。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的自旋元件的稳定化方法，其中，
所述通电部为具备磁壁的磁记录层，所述元件部从所述磁记录层侧起具备非磁性层和第三铁磁性层。
10.一种自旋元件的制造方法，具有：
在沿第一方向延伸的通电部的一个面上形成包含铁磁性体的元件部的工序；以及
根据权利要求1～9中任一项所述的自旋元件的稳定化方法，向所述通电部通电脉冲电流的工序。
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