CN110462814A - 自旋元件及磁存储器 - Google Patents
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Abstract
一种自旋元件(100)，其具备：元件部，其包含第一铁磁性层(1)；通电部(5)，从第一铁磁性层(1)的层叠方向(Z方向)观察，其沿第一方向(X方向)延伸且面向第一铁磁性层(1)；电流路径(10)(10A、10B)，其从上述通电部(5)至半导体电路(30)(30A、30B)，在中途具有电阻调整部(11)(11A、11B)，电阻调整部(11)的电阻值比上述通电部(5)的电阻值大，构成电阻调整部(11)的材料的体积电阻率的温度系数比上述通电部(5)的材料的体积电阻率的温度系数小。
Description
技术领域
本发明涉及一种自旋元件及磁存储器。本申请要求2018年3月8日在日本申请的日本特愿2018－042135号的优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
已知一种由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件、及在非磁性层使用绝缘层(隧道阻挡层、阻挡层)的隧道磁阻(TMR)元件。它们作为磁性传感器、高频部件、磁头及非易失性随机存取存储器(MRAM)用的元件而受到瞩目。
MRAM利用如下特性对数据进行读写：如果夹着绝缘层的两个铁磁性层的磁化方向发生变化，则GMR元件或TMR元件的元件电阻发生变化。作为MRAM的写入方式，已知一种利用电流形成的磁场进行写入(磁化反转)的方式或利用使电流沿磁阻效应元件的层叠方向流通而产生的自旋转移矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
使用STT的TMR元件的磁化反转虽然从能源效率的观点来看高效，但用于产生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，理想的是该反转电流密度低。在这一点上，GMR元件也同样。
因此，近年来，一种与STT不同的机制的利用自旋轨道转矩(SOT)的磁化反转作为降低反转电流的技术方案而受到瞩目。例如，非专利文献1中记载了一种利用SOT的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。SOT通过由自旋霍尔效应产生的纯自旋流、或不同材料的界面的界面Rashba效应诱发。用于在磁阻效应元件内诱发SOT的电流沿与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向流通。因此，SOT－MRAM无需使电流流向TMR元件的隧道阻挡层，能够期待延长磁阻效应元件的寿命。
另外，有助于磁化反转的自旋经由TMR元件和自旋轨道转矩(SOT)配线层的接合面而被导入。TMR元件的铁磁性体通过SOT配线中流通的电流的电流密度而确定是否进行磁化反转。使铁磁性体的磁化反转所需的电流密度被称为临界电流密度。
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
发明要解决的课题
在此，自旋轨道转矩配线的电阻值根据温度而发生变动。如果电阻值发生变动，则在施加相同电压时自旋轨道转矩配线中流通的电流的电流密度发生变动。自旋轨道转矩配线中流通的电流的电流密度的变动为写入概率降低、回跳的原因。另外，这种现象不限于利用自旋轨道转矩(SOT)的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，在利用磁畴壁的移动的磁畴壁移动型磁记录元件中也同样。
本发明是鉴于上述问题而创建的，其目的在于提供一种不同温度域的动作稳定性提高了的自旋元件及磁存储器。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明提供了如下技术方案。
(1)第一方式提供了一种自旋元件，其具备：元件部，其包含第一铁磁性层；通电部，从所述第一铁磁性层的层叠方向观察，其沿第一方向延伸且面向所述第一铁磁性层；电流路径，其从所述通电部至半导体电路，在中途具有电阻调整部，所述电阻调整部的电阻值比所述通电部的电阻值大，构成所述电阻调整部的材料的体积电阻率的温度系数比构成所述通电部的材料的体积电阻率的温度系数小。
(2)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，所述多个电阻调整部分具有第一电阻调整部和第二电阻调整部，所述第一电阻调整部配置于所述通电部的所述第一方向的第一端部和第一半导体电路之间的电流路径，所述第二电阻调整部配置于所述通电部的所述第一方向的第二端部和第二半导体电路之间的电流路径。
(3)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，从所述层叠方向俯视，所述电阻调整部容纳于所述通电部的外形的范围内，所述多个电阻调整部分中的至少一个沿所述第一方向延伸。
(4)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，从所述层叠方向俯视，所述多个电阻调整部分中的至少一个配置于所述通电部的外形的范围外，配置于所述外形的范围外的电阻调整部分沿与所述层叠方向正交的面内方向扩展。
(5)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述多个电阻调整部分均沿所述第一方向延伸，所述多个电阻调整部分中的至少一部分配置于与所述通电部不同的深度位置。
(6)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述电阻调整部由选自由Ni－Cr、铂铑合金、铬镍合金、因科罗伊镍铬铁合金及不锈钢构成的组中的材料构成。
(7)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述通电部为对所述第一铁磁性层的磁化赋予自旋轨道转矩，使所述第一铁磁性层的磁化旋转的自旋轨道转矩配线，所述元件部由第一铁磁性层构成。
(8)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述通电部为对所述第一铁磁性层的磁化赋予自旋轨道转矩，使所述第一铁磁性层的磁化旋转的自旋轨道转矩配线，所述元件部从靠近所述通电部的位置开始依次具有第一铁磁性层、非磁性层、第二铁磁性层。
(9)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述通电部为具备磁畴壁的磁记录层，所述元件部从靠近所述磁记录层的位置开始依次具有非磁性层、第一铁磁性层。
(10)第二方式提供了一种磁存储器，其具备多个第一方式的自旋元件。
发明效果
根据本发明的自旋元件，即使在不同的温度域也能够稳定地动作。
附图说明
图1是示意性表示第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是图1所示的包含自旋轨道转矩型磁化旋转元件的结构的示意剖视图；
图3是第二实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的示意俯视图；
图4A是第二实施方式的变形例的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的示意俯视图；
图4B是从图4A的箭头A的方向观察到的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的示意侧视图；
图5是第三实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件的示意俯视图；
图6是示意性表示本发明的一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的立体图；
图7是示意性表示第五实施方式的磁畴壁移动型磁记录元件的立体图；
图8是示意性表示第五实施方式的磁畴壁移动型磁记录元件的剖视图；
图9是第六实施方式的磁记录阵列的俯视图。
具体实施方式
下面，适当地参照附图对本实施方式进行详细说明。为了使本发明的特征易懂，为方便起见，在如下说明中使用的附图有时放大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。在如下说明中示例的材料、尺寸等仅为一例，本发明不限于此，在实现本发明的效果的范围内可以适当地变更并实施。
(自旋轨道转矩型磁化旋转元件)
第一实施方式
图1是示意性表示本发明的第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100的立体图。自旋轨道转矩型磁化旋转元件为自旋元件的一例。
自旋轨道转矩型磁化旋转元件100具有第一铁磁性层1、自旋轨道转矩配线5、电流路径10(10A、10B)。自旋轨道转矩配线5为通电部的一例。第一铁磁性层1为元件部的一例。在图1中同时示出了与自旋轨道转矩型磁化旋转元件100连接的半导体电路30。从与第一铁磁性层1的层叠方向(Z方向)观察，自旋轨道转矩配线5沿第一方向(X方向)延伸。即，从Z方向俯视，自旋轨道转矩配线5在X方向上具有长轴。自旋轨道转矩配线5面向第一铁磁性层1。在此，面向是指相互相向的关系，两层可以接触，在其间也可以具有其它层。电流路径10(10A、10B)将自旋轨道转矩配线5和半导体电路30(第一半导体电路30A、第二半导体电路30B)之间电连接。电流路径10(10A、10B)在中途具备电阻调整部11(第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B)。电阻调整部11的电阻值比自旋轨道转矩配线5的电阻值大。构成电阻调整部11的材料的体积电阻率的温度系数比构成自旋轨道转矩配线5的材料的体积电阻率的温度系数小。
半导体电路30为用于使电流在自旋轨道转矩配线5中流通而设置的电路，例如为晶体管(参照图2)。半导体电路30位于自旋轨道转矩型磁化旋转元件100的外部。
图2是除了图1所示的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100以外，追加了半导体电路30的一例的剖视图。图2所示的半导体电路30具有晶体管30A(源电极/漏电极S/D、栅电极G)、晶体管30B(源电极/漏电极S/D、栅电极G)、与其连接的通孔121A、121B、位线BL1、BL2。
如果接通晶体管30A、30B，对位线BL1、BL2之间施加规定的电位差，则电流在位线BL1和位线BL2之间流通。例如，电流依次流通于位线BL1、通孔121A、晶体管30A、通孔21A－2、第一电阻调整部11A、通孔21A－1，供给到自旋轨道转矩配线5的第一端部5a。另外，与此相反，电流也可以依次流通于位线BL2、通孔121B、晶体管30B、通孔21B－2、第二电阻调整部11B、通孔21B－1，供给到自旋轨道转矩配线5的第二端部5b。
如果电流在自旋轨道转矩配线5中流通，则在自旋轨道转矩配线5内可以生成纯自旋流。纯自旋流经由第一铁磁性层1和自旋轨道转矩配线5的接合面1a而将自旋向第一铁磁性层1供给。所供给的自旋对第一铁磁性层1的磁化赋予自旋轨道转矩(SOT)。
在本说明书中，“电流路径”是指电流流通的路径。本说明书中的“电流路径”例如以通孔或配线为代表。另一方面，本说明书中的“电流路径”不包含寄生电容或寄生电感引起的电流路径、在绝缘体中流通的微小电流的电流路径。通孔为多层配线中将下层的配线和上层的配线电连接的连接区域。通孔通过对层间绝缘膜进行蚀刻而开设通路孔，将金属材料嵌入该通路孔而形成。在本说明书中，有时将通孔和配线统称为通孔配线。本说明书中的“电流路径”包含由通孔配线和电阻调整部构成的情况、和由通孔配线、电阻调整部及除此以外的结构构成的情况。
在本说明书中，“元件外部的半导体电路”是指在遵循从自旋轨道转矩配线(通电部)连接的电流路径时，最先到达的半导体电路。换言之，本说明书中的“半导体电路”是指在电流路径上距自旋轨道转矩配线最近的半导体电路。因此，在图1所示的例子中，自旋轨道转矩配线和半导体电路之间的电流路径10A、10B为配置于自旋轨道转矩配线5和晶体管30A之间的通孔21A－1、第一电阻调整部11A及通孔21A－2、或配置于自旋轨道转矩配线5和晶体管30B之间的通孔21B－1、第二电阻调整部11B及通孔21B－2。因此，通孔121A或通孔121B不包含于“自旋轨道转矩配线和半导体电路之间的电流路径”。
<第一铁磁性层>
第一铁磁性层1由铁磁性体构成。作为构成第一铁磁性层1的铁磁性材料，例如可使用选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属、包含一种以上这些金属的合金、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等。具体而言，可举出Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe等。
构成第一铁磁性层1的材料也可以为哈斯勒合金(Heusler alloy)。哈斯勒合金为半金属，具有高的自旋极化率。哈斯勒合金为具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物。在周期表上，X为Co、Fe、Ni或Cu族过渡金属元素或贵金属元素。Y为Mn、V、Cr或Ti族过渡金属或X元素种类。Z为III族至V族的典型元素。作为哈斯勒合金，例如可举出Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b、Co2FeGe1－cGac等。
第一铁磁性层1可以为在xy面内方向上具有易磁化轴的面内磁化膜，也可以为在z方向上具有易磁化轴的垂直磁化膜。另外，易磁化轴也可以相对于Z方向倾斜。
在将第一铁磁性层1的易磁化轴设为z方向(设为垂直磁化膜)的情况下，优选将第一铁磁性层1的膜厚设为2.5nrn以下，更优选设为2.0nm以下。另外，为了确保充分的磁化量，第一铁磁性层1的膜厚优选为1.0nm以上。如果使第一铁磁性层1的膜厚薄，则第一铁磁性层1受到第一铁磁性层1和其它层的界面的影响而具有垂直磁各向异性(界面垂直磁各向异性)。
<自旋轨道转矩配线>
自旋轨道转矩配线5沿X方向延伸。自旋轨道转矩配线5面向第一铁磁性层1的Z方向的一面。自旋轨道转矩配线5可以与第一铁磁性层1直接连接，也可以经由其它层连接。
优选的是，介于自旋轨道转矩配线5和第一铁磁性层1之间的层由难以使从自旋轨道转矩配线5传播的自旋散逸的材料构成。例如，已知银、铜、镁及铝等的自旋扩散长度长达100nm以上，自旋难以散逸。
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。只要层的厚度为自旋扩散长度以下，就能够将从自旋轨道转矩配线5传播的自旋充分地传播到第一铁磁性层1。
自旋轨道转矩配线5由当电流流通时通过自旋霍尔效应可以生成自旋流的材料构成。作为该材料，只要为在自旋轨道转矩配线5中可以生成自旋流的结构的材料即可。因此，不限于由单个元素构成的材料，也可以为由通过可以生成自旋流的材料构成的部分、和通过不能生成自旋流的材料构成的部分构成的材料。
自旋霍尔效应是一种在使电流在配线中流通的情况下，基于自旋轨道相互作用，在与电流的方向正交的方向上诱发自旋流的现象。当电流在配线中流通时，沿一方向取向的第一自旋和沿第一自旋的相反方向取向的第二自旋分别向与电流正交的方向弯曲。在消除第一自旋及第二自旋的偏在的方向上诱发自旋流。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)方向这一点上共同。另一方面，通常的霍尔效应为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，自旋霍尔效应在虽然不存在磁场，但是仅通过电子移动(仅通过电流流通)也可以弯曲移动方向这一点上，大不相同。
非磁性体(不为铁磁性体的材料)的第一自旋的电子数和第二自旋的电子数相等。因此，朝向自旋轨道转矩配线5的配设第一铁磁性层1的第一面的第一自旋的电子数和朝向第一面的相反方向的第二自旋S2的电子数相等。在该情况下，电荷的流通相互抵消，电流量为零。特别是，不伴随该电流的自旋流被称为纯自旋流。
如果将第一自旋的电子的流通表示为J↑，将第二自旋的电子的流通表示为J↓，将自旋流表示为Js，则可以通过Js＝J↑－J↓进行定义。Js作为纯自旋流沿一方向流通。在此，Js为极化率100％的电子的流通。
自旋轨道转矩配线5的主结构优选为非磁性重金属。在此，重金属以具有钇以上的比重的金属的意思而使用。自旋轨道转矩配线5也可以仅由非磁性重金属构成。
非磁性重金属优选为在最外层具有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。非磁性重金属的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5也可以仅由在最外层具有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构成。
一般而言，电子与其自旋的方向无关地沿与电流相反的方向移动。与此相对，在最外层具有d电子或f电子的原子序数大的非磁性金属的自旋轨道相互作用大，自旋霍尔效应强力地作用。因此，电子的移动方向与电子的自旋的方向相关。因此，在这些非磁性重金属中容易产生自旋流Js。
另外，自旋轨道转矩配线5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。如果非磁性金属中含有微量磁性金属，则成为自旋的散射因子。如果自旋散射，则自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于自旋轨道转矩配线5中流通的电流的生成效率提高。自旋轨道转矩配线5也可以仅由反铁磁性金属构成。
因为自旋轨道相互作用通过自旋轨道转矩配线的物质固有的内场产生，所以即使非磁性材料也可以产生纯自旋流。如果向自旋轨道转矩配线中添加微量磁性金属，则磁性金属将流通的电子(自旋)散射。其结果，自旋轨道转矩配线5的自旋流的生成效率提高。但是，如果磁性金属的添加量过多，则产生的自旋流通过添加的磁性金属而被散射，因此作为结果有时自旋流减少的作用增强。因此，优选的是，与自旋轨道转矩配线中的自旋生成部的主成分的摩尔比相比，添加的磁性金属的摩尔比足够小。标准而言，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5也可以包含拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线5也可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是一种物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面出现产生自旋极化的金属状态的物质。在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表现出一种新的拓扑相。其为拓扑绝缘体，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。这些拓扑绝缘体可以高效地生成自旋流。
<电阻调整部>
电阻调整部11位于自旋轨道转矩配线和半导体电路之间的电流路径10的中途。换言之，电阻调整部11为作为自旋轨道转矩配线5和半导体电路30之间的电流路径10的一部分构成电流路径10的部件。
电阻调整部11也可以由一个部分构成。例如，在图1、图2中，也可以仅由第一电阻调整部11A或仅由第二电阻调整部11B构成。另外，电阻调整部11也可以由分离配置的多个电阻调整部分构成。例如，如图1及图2所示，多个电阻调整部分也可以具有第一电阻调整部11A和第二电阻调整部11B。在电阻调整部11由多个电阻调整部分构成的情况下，相邻的电阻调整部分通过通孔配线连接。
在图1及图2所示的例子中，电阻调整部11由分离配置的两个电阻调整部分构成，但电阻调整部11也可以由三个以上的电阻调整部分构成。
在电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成的情况下，电阻调整部整体的电阻值的设计自由度高。另一方面，在电阻调整部由一个部分构成的情况下，容易制作。
另外，在图1及图2所示的例子中，电阻调整部11(第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B)经由通孔与自旋轨道转矩配线5连接。电阻调整部11不限于该情况，也可以不经由通孔而直接与自旋轨道转矩配线5连接。
另外，在图1及图2所示的例子中，第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B经由通孔21A－1、通孔21B－1分别电连接于自旋轨道转矩配线5的长边方向即X方向的第一端部5a、第二端部5b。第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B也可以直接或间接连接于第一端部5a、第二端部5b以外。
另外，在图1及图2所示的例子中，电阻调整部11(第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B)为将相当于通常的通孔配线的配线的部件置换为电阻调整部的部件，但可以为将相当于通孔的部件置换为电阻调整部的部件，也可以为置换构成除通孔配线以外的电流路径的部件的部件。
电阻调整部11的电阻值比自旋轨道转矩配线5的电阻值大。
在此，电阻值通过R＝ρL/A(R电阻值、ρ电阻率、L长度、A截面积)式表示。电阻值可以通过改变电阻率(体积电阻率)、长度、截面积中的一个或两个以上而自由设计。
另外，构成电阻调整部11的材料的体积电阻率的温度系数比构成自旋轨道转矩配线5的材料的体积电阻率的温度系数小。
在此，在本说明书中，“体积电阻率的温度系数”为当将0℃下的体积电阻率设为ρ0、将100℃下的体积电阻率设为ρ100时，作为α0，100＝{(ρ100－ρ0)/ρ0}×100而算出的值。
自旋轨道转矩型磁化旋转元件100具备电阻调整部11，由此，能够稳定地对自旋轨道转矩配线供给适度的电流值。由此，能够防止写入电流的减小导致的写入概率的降低或电流增加导致的回跳。
作为电阻调整部11的材料，例如可以使用选自由Ni－Cr、铂铑合金、铬镍合金、因科罗伊镍铬铁合金及不锈钢构成的组中的材料。
这些材料的100℃时的体积电阻率相对于0℃时的体积电阻率的变化率(上述定义的温度系数)小，均为15％以下，除铂铑合金外为10％以下，Ni－Cr、铬镍合金及因科罗伊镍铬铁合金为4％以下。
第二实施方式
图3是从Z方向观察到的本发明的第二实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200的示意俯视图。
下面，对第二实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200的特征进行说明。对与第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100重复的结构标注相同的标号，省略其说明。
在自旋轨道转矩型磁化旋转元件200中，电阻调整部12由分离配置的两个电阻调整部分12A、12B构成。从Z方向俯视，电阻调整部12容纳于自旋轨道转矩配线5的外形5A的范围内。两个电阻调整部分12A、12B沿与自旋轨道转矩配线5的延伸方向相同的X方向延伸。
当电阻调整部12容纳于自旋轨道转矩配线5的外形5A的范围内时，能够密集地配置自旋轨道转矩型磁化旋转元件，元件整体的集成度提高。另外，因为电阻调整部12沿自旋轨道转矩配线5的延伸方向(X方向)延伸且长，所以能够使电阻调整部12的电阻增大。
在图3所示的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200中，为构成电阻调整部12的两个电阻调整部分12A、12B均沿与自旋轨道转矩配线5的延伸方向相同的X方向延伸的结构，但也可以为仅一方沿X方向延伸的结构。即使在该情况下，也能够使其中一个电阻调整部分的电阻增大。
图4A是第二实施方式的变形例的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200A的示意俯视图。图4B是从箭头A的方向观察图4A的示意侧视图。
该变形例的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200A在于不同的深度位置具有多个沿与自旋轨道转矩配线的延伸方向相同的X方向延伸的电阻调整部分这一点上，与图3所示的结构不同。
具体而言，电阻调整部分12A具有两个电阻调整部分。电阻调整部分12A－1和电阻调整部分12A－2位于不同的深度位置。同样，电阻调整部分12B具有两个电阻调整部分。在图4B中，两个电阻调整部分位于与电阻调整部分12A－1及电阻调整部分12A－2重叠的位置。即，电阻调整部12由四个电阻调整部分构成。
在深度方向上相邻的电阻调整部分(例如，电阻调整部分12A－1、12A－2)通过通孔连接。
在图4A及图4B所示的例子中，电阻调整部分为四个，但可以为三个，也可以为五个以上。另外，电阻调整部分无需对称设置。另外，电阻调整部分也可以配置于三层以上的不同的深度位置。当将各深度数为一层时，图3所示的例子中电阻调整部分为一层，图4所示的例子为两层。
与仅设置于一层的结构相比，通过将构成电阻调整部的电阻调整部分设置于两个以上的深度(即，两层以上)，电阻的长度长。即，能够使电阻调整部整体的电阻值增大。
在其它的实施方式中，也可以应用在不同的深度(不同层)具备构成电阻调整部的电阻调整部分的结构。
第三实施方式
图5是从Z方向观察到的第三实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件300的示意俯视图。
下面，对第三实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件300的特征进行说明。对与第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100或第二实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件200、200A重复的结构标注相同的标号，省略其说明。
在自旋轨道转矩型磁化旋转元件300中，电阻调整部13由分离配置的两个电阻调整部分13A、13B构成。从层叠方向(Z方向)俯视，电阻调整部分13A、13B的至少一部分配置于自旋轨道转矩配线5的外形5A的范围外。两个电阻调整部分13A、13B沿与层叠方向(Z方向)正交的面内方向(XY面内)扩展。
在此，从层叠方向(Z方向)俯视，构成电阻调整部的电阻调整部分配置于自旋轨道转矩配线5的外形5A的范围外是指即使该电阻调整部分的一部分配置于自旋轨道转矩配线的外形的范围外即可。例如，图5所示的电阻调整部分13A由第一部分13A－1和第二部分13A－2构成。第一部分13A－1为与通孔23A－1连接且沿Y方向延伸的部分。第二部分13A－2为从第一部分13A－1的不与通孔23A－1连接的一侧的端部开始沿X方向延伸的部分。第二部分13A－2配置于自旋轨道转矩配线的外形的范围外。第一部分13A－1的一部分(实线的部分)配置于外形的范围外，但其余部分(虚线的部分)配置于外形的范围内。同样，电阻调整部分13B由第一部分13B－1和第二部分13B－2构成。第一部分13B－1为与通孔23B－1连接且沿Y方向延伸的部分。第二部分13B－2为从第一部分13B－1的不与通孔23B－1连接的一侧的端部开始沿X方向延伸的部分。第二部分13B－2配置于自旋轨道转矩配线的外形的范围外。第一部分13B－1的一部分(实线的部分)配置于外形的范围外，但其余部分(虚线的部分)配置于外形的范围内。
与配置于外形5A的范围内的结构相比，在从层叠方向(Z方向)俯视为构成电阻调整部的电阻调整部分13A、13B配置于自旋轨道转矩配线5的外形5A的范围外的结构的情况下，从配置于自旋轨道转矩配线5的正下的通孔增长在外形5A的范围外露出的部分(在图5的例子中为第一部分13A－1或第二部分13B－2)的量。即，能够使电阻调整部整体的电阻值增大。
即使在第三实施方式的自旋轨道转矩型磁化旋转元件中，也可以在不同的深度(不同层)具备多个构成电阻调整部的电阻调整部分。
第四实施方式
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图6是示意性表示第四实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件500的立体图。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件500具有第一铁磁性层1、非磁性层2、第二铁磁性层3、自旋轨道转矩配线5、电流路径10(10A、10B)。自旋轨道转矩配线5为通电部的一例。将第一铁磁性层1、非磁性层2及第二铁磁性层3组合的结构20为元件部的一例。在图6中同时示出了与自旋轨道转矩型磁阻效应元件500连接的半导体电路30。从与第一铁磁性层1的层叠方向(Z方向)观察，自旋轨道转矩配线5沿第一方向(X方向)延伸。自旋轨道转矩配线5面向第一铁磁性层1。非磁性层2面向第一铁磁性层1的自旋轨道转矩配线5的相反侧的面。第二铁磁性层3面向非磁性层2的第一铁磁性层1的相反侧的面。电流路径10(10A、10B)将自旋轨道转矩配线5和半导体电路30(第一半导体电路30A、第二半导体电路30B)之间电连接。电流路径10(10A、10B)在中途具备电阻调整部11(第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B)。电阻调整部11的电阻值比自旋轨道转矩配线5的电阻值大。构成电阻调整部11的材料的体积电阻率的温度系数比构成自旋轨道转矩配线5的材料的体积电阻率的温度系数小。
将第一铁磁性层1、非磁性层2及第二铁磁性层3组合的结构20为通常的磁阻效应元件的结构，在结构20中可以应用通常的磁阻效应元件具备的层结构。
<第二铁磁性层>
自旋轨道转矩型磁阻效应元件500通过第二铁磁性层3的磁化沿一方向固定，第一铁磁性层1的磁化的方向相对变化而发挥作用。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型、Pseudospin valve型)MRAM的情况下，设为第二铁磁性层3的矫顽力比第一铁磁性层1的矫顽力大。在应用于交换偏置型(自旋阀型、spin valve型)MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合而将第二铁磁性层3的磁化方向固定。
另外，在非磁性层2由绝缘体构成的情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件500为隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层2由金属构成的情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件500为巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件500的层叠结构可以采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层可以由多个层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性层3的磁化方向的反铁磁性层等其它层。第二铁磁性层3相当于固定层或参考层，第一铁磁性层1相当于称为自由层或存储层等的层。
第二铁磁性层3的材料中可以使用公知的材料，也可以使用与第一铁磁性层1同样的材料。因为第一铁磁性层1为面内磁化膜，所以第二铁磁性层3也优选为面内磁化膜。
另外，为了使第二铁磁性层3相对于第一铁磁性层1的矫顽力较大，也可以使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料作为与第二铁磁性层3相接的材料。而且，为了使第二铁磁性层3的漏磁场不影响第一铁磁性层1，可以用作合成铁磁性耦合的结构。
<非磁性层>
非磁性层2中可以使用公知的材料。例如，在非磁性层2由绝缘体构成的情况下(为隧道阻挡层的情况下)，作为其材料，可以使用Al2O3、SiO2、MgO及MgAl2O4等。另外，除此以外也可以使用Al、Si、Mg的一部分置换为Zn、Be等的材料等。其中，因为MgO或MgAl2O4为能够实现相干隧道的材料，所以能够高效注入自旋。另外，在非磁性层2由金属构成的情况下，作为其材料可以使用Cu、Au、Ag等。而且，在非磁性层2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。
第五实施方式
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)
图7是示意性表示第五实施方式的磁畴壁移动型磁记录元件600的立体图。图8是示意性表示第五实施方式的磁畴壁移动型磁记录元件600的剖视图。
磁畴壁移动型磁记录元件600具有第一铁磁性层1、非磁性层4、磁记录层5'、电流路径10(10A、10B)。磁记录层5'为通电部的一例。将第一铁磁性层1和非磁性层4组合的结构40为元件部的一例。在图7及图8中同时示出了与磁畴壁移动型磁记录元件600连接的半导体电路30。除通电部为磁记录层5'，元件部为结构40这一点外，与上述实施方式同样，省略关于同样的结构的说明。
从与第一铁磁性层1的层叠方向(Z方向)观察，磁记录层5'沿第一方向(X方向)延伸。磁记录层5'面向第一铁磁性层1。非磁性层4位于第一铁磁性层1和磁记录层5'之间。电流路径10(10A、10B)将磁记录层5'和半导体电路30(第一半导体电路30A、第二半导体电路30B)之间电连接。电流路径10(10A、10B)在中途具备电阻调整部11(第一电阻调整部11A、第二电阻调整部11B)。电阻调整部11的电阻值比磁记录层5'的电阻值大。构成电阻调整部11的材料的体积电阻率的温度系数比构成磁记录层5'的材料的体积电阻率的温度系数小。
磁记录层5'在内部具有磁畴壁DW。磁畴壁DW为相互具有相反方向的磁化的两个磁区的边界。磁畴壁移动型磁记录元件600根据磁记录层5'的磁畴壁DW的位置将数据记录为多值。磁记录层5'中记录的数据作为第一铁磁性层1和磁记录层5'的层叠方向的电阻值变化而被读出。
当使电流流向磁记录层5'时，磁畴壁DW移动。如果磁畴壁DW的位置发生变化，则磁记录层5'的磁化状态发生变化。磁畴壁移动型磁记录元件600将伴随夹着非磁性层4的两个磁性体(第一铁磁性层1和磁记录层5')的磁化的相对角度的变化的电阻值变化作为数据而输出。
磁记录层5'由磁性体构成。构成磁记录层5'的磁性体可以使用与第一铁磁性层1同样的磁性体。另外，磁记录层5'优选具有选自由Co、Ni、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge、Ga构成的组中的至少一个元素。例如可举出Co和Ni的层叠膜、Co和Pt的层叠膜、Co和Pd的层叠膜、MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料。MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料等铁氧磁性体的饱和磁化小，能够降低移动磁畴壁DW所需的阈值电流。另外，Co和Ni的层叠膜、Co和Pt的层叠膜、Co和Pd的层叠膜的矫顽力大，能够抑制磁畴壁DW的移动速度。
至此，作为自旋元件的具体例，示例了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、磁畴壁移动型磁记录元件。它们在于写入数据时使写入电流流向沿与第一铁磁性层1交叉的方向延伸的通电部(自旋轨道转矩配线5、磁记录层5')这一点上共同。自旋元件只要为在写入数据时使写入电流流向沿与元件部交叉的方向延伸的通电部的元件即可，不限于这些元件。
第六实施方式
(磁存储器)
第六实施方式的磁存储器具备多个自旋元件。具备多个本发明的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
图9是第六实施方式的磁记录阵列700的俯视图。图9所示的磁记录阵列700配置为自旋轨道转矩型磁化旋转元件100为3×3的矩阵。图9为磁记录阵列的一例，也可以以其它自旋元件代替自旋轨道转矩型磁化旋转元件100，另外，自旋元件的数量及配置任意。
在自旋轨道转矩型磁化旋转元件100分别连接有一根字线WL1～3、一根位线BL1～3、一根读出线RL1～3。
通过选择施加电流的字线WL1～3及位线BL1～3，使电流在任意的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100的自旋轨道转矩配线5中流通，进行写入动作。另外，通过选择施加电流的读出线RL1～3及位线BL1～3，使电流沿任意的自旋轨道转矩型磁化旋转元件100的层叠方向流通，进行读取动作。施加电流的字线WL1～3、位线BL1～3及读取线RL1～3可以根据晶体管等进行选择。
如上所述，对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明不限于特定的实施方式，在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内可以进行各种变形、变更。
附图标记说明
1 第一铁磁性层
2、4 非磁性层
3 第二铁磁性层
5 自旋轨道转矩配线
5' 磁记录层
10、10A、10B 电流路径
11、12、13 电阻调整部
11A 第一电阻调整部
11B 第二电阻调整部
30 半导体电路
20、40 结构(元件部)
100、200、200A、300 自旋轨道转矩型磁化旋转元件
500 自旋轨道转矩型磁阻效应元件
600 磁畴壁移动型磁记录元件
700 磁记录阵列
Claims (10)
1.一种自旋元件，其具备：
元件部，其包含第一铁磁性层；
通电部，从所述第一铁磁性层的层叠方向观察，其沿第一方向延伸且面向所述第一铁磁性层；
电流路径，其从所述通电部至半导体电路，在中途具有电阻调整部，
所述电阻调整部的电阻值比所述通电部的电阻值大，
构成所述电阻调整部的材料的体积电阻率的温度系数比构成所述通电部的材料的体积电阻率的温度系数小。
2.根据权利要求1所述的自旋元件，其中，
所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，
所述多个电阻调整部分具有第一电阻调整部和第二电阻调整部，
所述第一电阻调整部配置于所述通电部的所述第一方向的第一端部和第一半导体电路之间的电流路径，
所述第二电阻调整部配置于所述通电部的所述第一方向的第二端部和第二半导体电路之间的电流路径。
3.根据权利要求1或2所述的自旋元件，其中，
所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，
从所述层叠方向俯视，所述电阻调整部容纳于所述通电部的外形的范围内，
所述多个电阻调整部分中的至少一个沿所述第一方向延伸。
4.根据权利要求1或2所述的自旋元件，其中，
所述电阻调整部由分离配置的多个电阻调整部分构成，
从所述层叠方向俯视，所述多个电阻调整部分中的至少一个配置于所述通电部的外形的范围外，
配置于所述外形的范围外的电阻调整部分沿与所述层叠方向正交的面内方向扩展。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的自旋元件，其中，
所述多个电阻调整部分均沿所述第一方向延伸，
所述多个电阻调整部分中的至少一部分配置于与所述通电部不同的深度位置。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的自旋元件，其中，
所述电阻调整部由选自由Ni－Cr、铂铑合金、铬镍合金、因科罗伊镍铬铁合金及不锈钢构成的组中的材料构成。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋元件，其中，
所述通电部为对所述第一铁磁性层的磁化赋予自旋轨道转矩，使所述第一铁磁性层的磁化旋转的自旋轨道转矩配线，
所述元件部由第一铁磁性层构成。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋元件，其中，
所述通电部为对所述第一铁磁性层的磁化赋予自旋轨道转矩，使所述第一铁磁性层的磁化旋转的自旋轨道转矩配线，
所述元件部从靠近所述通电部的位置开始依次具有第一铁磁性层、非磁性层、第二铁磁性层。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋元件，其中，
所述通电部为具备磁畴壁的磁记录层，
所述元件部从靠近所述磁记录层的位置开始依次具有非磁性层、第一铁磁性层。
10.一种磁存储器，其具备多个权利要求1～9中任一项所述的自旋元件。
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