CN111095530B - 磁性体与BiSb的层叠构造的制造方法、磁阻存储器、纯自旋注入源 - Google Patents
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Abstract
磁阻存储器的单元(2)包括包含磁化自由层(12)的MTJ元件(10)和纯自旋注入源(20)。纯自旋注入源(20)包含与磁化自由层(12)连接的BiSb层。通过使面内电流在BiSb层中流动而能够进行磁化自由层(12)的磁化反转。
Description
技术领域
本发明涉及磁阻存储器。
背景技术
近年，消耗功率少的非易失性存储器的开发正在积极进行，其中磁阻存储器(MRAM)非常有前景。MRAM除了非易失性之外，还显示了10ns级的高速动作、极高的耐久性(写入次数1016次以上)等非常优秀的特性。因此，若将MRAM不仅作为主存储器，还作为非易失性存储器内置在集成电路中，则可期待通过功率门控效果而能够使集成电路的消耗功率削减90％。
在第一代的MRAM的存储元件(MTJ：磁隧道结)中使用基于磁场的磁化反转法。但，基于磁场的磁化反转的能量消耗量较大。在2000年代作为第二代写入技术，研究开发了自旋注入磁化反转法，并从2012年左右实用化。在自旋注入磁化反转技术中，从MTJ元件的固定磁性层向自由磁性层注入自旋极化电流，通过自旋转移转矩(STT：Spin transfertorque)来引起磁化反转。使用该技术的MRAM被称为STT-MRAM。在自旋注入磁化反转中，通过自旋极化电流来注入下一个自旋流IS。自旋流IS是单位时间的自旋角动量的流量。
IS＝(hbar/2e)PI
hbar：普朗克常数h/2π
e：元电荷
I：电流
P：磁性电极材料的自旋极化率
P的上限是1，通常是P～0.5程度。由此式可知，在自旋注入磁化反转技术中，自旋流不会超过这是因为各电子具有只能搬运hbar/2的自旋角动量的物理极限。MRAM具有非易失性，在待机中不消耗能量，但留有在写入数据时会比SRAM等存储器消耗大一个数量级的能量的课题。另外，因为大的写入电流需要大的驱动晶体管，所以难以增加MRAM的容量。
图1是说明使用纯自旋流的磁化反转方式的概要的图。使自旋轨道相互作用强的材料与强磁性层连接。使电流I流过该层时，纯自旋流IS在垂直方向上流动。这样的现象被称为自旋霍尔效应。在纯自旋流密度JS与电流密度J之间成立JS＝(hbar/2e)·θshJ这一关系。在此，θsh是反映自旋轨道相互作用的强度的参数，也被称为自旋霍尔角。由此，在纯自旋流IS与电流I之间，以下关系成立。
IS＝(hbar/2e)·(L/tN)θshI
也就是说，各电子能够有效地产生(L/tN)θsh的自旋。如能够实现(L/tN)θsh》1，则可知基于纯自旋流的磁化反转比通常的自旋注入磁化反转的效率优良。因为通常是(L/tN)～5-10，所以若能够使用θsh＞1的自旋霍尔材料，则能够使MRAM元件的磁化反转所需要的电流及功率降低一数量级。另外，在纯自旋流注入磁化反转方式中，因为能够快一数量级左右地高速地进行磁化反转，所以能够使写入能量削减两数量级。使用基于自旋霍尔效应的纯自旋流注入的MRAM被称为自旋轨道矩SOT(Spin-orbit-torque)MRAM。
[在先技术文献]
[非专利文献]
非专利文献1：“Conversion of pure spin current to charge current inamorphous bismuth”，J.Appl.Phys.115，17C507(2014)
非专利文献2：“Transport and spin conversion of multicarriers insemimetal bismuth”，Phys.Rev.B 93,174428(2016)
非专利文献3：“Tunable Giant Spin Hall Conductivities in a Strong Spin-Orbit Semimetal:Bi1-xSbx”，Phys.Rev.Lett.114，107201(2015)
发明内容
[发明要解决的课题]
作为自旋霍尔材料，对重金属的Pt、W、Ta等进行了研究。因为这些材料是金属，所以虽然传导率高达105Ω-1m-1级以上，但θsh不高于0.1级。另一方面，近年被瞩目的拓扑绝缘体为θsh～2-3，非常高，但传导率低至103～104Ω-1m-1级，因此在用于MRAM时电流会流向其他金属层而不流向拓扑绝缘体，所以并不实用。
本发明是在这样的状况下完成的，其一种方案的示例性的目的在于提供一种具有较大的自旋霍尔角的自旋霍尔材料及使用了它的磁阻存储器。
[用于解决技术课题的技术方案]
本发明的一个方案涉及磁阻存储器。磁阻存储器包括：包含磁化自由层的MTJ(磁隧道结)元件；包含与磁化自由层连接的BiSb层的纯自旋注入源。构成为使面内电流在BiSb层中流动，而能够进行磁化自由层的磁化反转。
根据本方案，能够削减写入电流及写入功率。
BiSb层也可以是结晶化的。通过形成结晶化的BiSb层，并通过BiSb层非常高的自旋霍尔角，能够进一步提高磁阻存储器的性能。
本发明的另一方案涉及磁阻存储器的制造方法。该制造方法包括：形成磁化自由层的步骤；形成包含BiSb层的纯自旋注入源的步骤。在基板温度200～250℃的条件下制膜BiSb层。
本发明的另一方案涉及磁性体与BiSb层的层叠构造的制造方法。在该方法中，在基板温度200～250℃的条件下制膜BiSb层。
通过在该条件下制膜，能够形成具有良好结晶性的BiSb层，进而能够提供具有较大的自旋角的自旋霍尔材料。
[发明效果]
根据本发明的一种方案，能够提供具有较大的自旋角的自旋霍尔材料。
附图说明
图1是说明利用纯自旋流的磁化反转方式的概要的图。
图2的(a)～图2的(d)是上段表示磁性层与BiSb的层叠构造的剖视图，下段表示高能电子射线衍射像(RHEED)(下段)的图。
图3是表示一实施例的MnGa/BiSb层叠构造的剖视图(上段)及RHEED(下段)的图。
图4是表示图3的MnGa/BiSb层叠构造的磁特性的图。
图5是表示图3的MnGa/BiSb层叠构造的X射线衍射光谱的图。
图6的(a)、图6的(b)是表示制作的BiSb薄膜(厚度10nm)的电导率σ的温度依赖性的图。
图7是一实施例的MnGa/BiSb层叠构造的剖视图及俯视图。
图8的(a)是表示使电流在MnGa/BiSb层叠构造的端子I+与I-之间流动时的磁滞的图。图8的(b)是表示MnGa的法线方向的保磁力的变化量与在BiSb中流动的电流密度JNM的关系的图。
图9是一实施例的MnGa/BiSb层叠构造的剖视图及俯视图。
图10是表示在面内使电流在该结的端子I+与I-之间流动时的法线方向的磁滞的图。
图11的(a)、图11的(b)是表示对与图9相同的样品，在面内施加外部磁场时的法线方向的磁滞的图。
图12是表示纯自旋注入源的材料的常温自旋霍尔角θsh、电导率σ及自旋霍尔传导率σsh的图。
图13的(a)、图13的(b)是表示MnGa(3nm)/BiSb(5nm)结中的基于脉冲电流的磁化反转的图。
图14是示意地表示SOT-MRAM的单元的构造的图。
图15是双端子的SOT-RAM的概念图。
图16的(a)、图16的(b)是示意地表示双端子SOT-MRAM的单元的构造的图。
具体实施方式
(概要)
本公开着眼于可兼具重金属的高传导性及拓扑绝缘体的高自旋霍尔角的BiSb。以往已知BiSb这种材料本身，但对其的研究仅限于非晶态(Amorphous)。例如，在以前的研究中，存在针对在NiFe上制膜的Bi层的报告，但对非晶态Bi的自旋摩尔角进行评价的结果，只有非常小的θsh＝0.02(非专利文献1)或0.00012(非专利文献2)。另外，在BiSb与磁性膜的界面上，存在不具有磁性的死区层(デッド層)，从而也有可能使磁性层的磁特性显著降低，这也成为阻碍进一步的研究的主要原因。
另外，关于自旋霍尔效应的性能，使用通过电导率σ与自旋霍尔角θsh的乘积而计算的自旋霍尔传导率的σsh＝(hbar/2e)·σ×θsh这一指标。但是，在理论计算中，结晶化的BiSb的σsh最大只能得到4.9×104·(hbar/2e)Ω-1m-1(非专利文献3)。因此，至今认为θsh最大也只能得到0.5程度。
根据这些报告，通过BiSb得到较大的自旋霍尔角被认为是无希望的，实际上追随以往研究的研究已经中断了。
虽然有否定性的以往研究，但本发明人等考虑若能在磁性金属上形成高品质的结晶化的BiSb，是否就能够实现高电导率和高自旋霍尔角。如这些能够兼具，则对于磁阻存储器来说可成为较大的突破。
以下，对磁性体上的BiSb的制膜方法进行说明，并对其纯自旋注入磁化反转的性能的评价结果进行说明。
(1)BiSb的制膜
相对于BiSb合金是六方晶的结晶构造，用于MRAM的磁性金属大致都具有正方晶的结晶构造，所以在这些磁性金属层上是否能够使具有良好的结晶性的BiSb结晶化并不显而易见。因此，首先调查在磁性材料上的BiSb的制膜条件。
图2的(a)～图2的(d)是上段表示磁性层与BiSb的层叠构造的剖视图，下段表示高能电子射线衍射像(RHEED)(下段)的图。
对于BiSb结晶的生长，使用分子束外延生长法(MBE)。因为这能够从不同的源极蒸镀Bi与Sb，所以易于调整Bi与Sb的组成。另一方面，在使BiSb的组成固定而无需特别改变的情况下，也能够使用由溅射法决定的组成的BiSb靶来进行BiSb的制膜。为了在MBE法及溅射法中得到良好的BiSb结晶膜，需要将基板温度设定为200℃～250℃。
图2的(a)是在10nm的MnGa磁性层上，在基板温度100℃的条件下使10nm的Bi层生长的构造体。图2的(b)是在10nm的MnGa磁性层上，在基板温度200℃的条件下使30nm的Bi层生长的构造体。图2的(c)是在10nm的MnGa磁性层上，在基板温度250℃的条件下使20nm的BiSb层生长的构造体。图2的(d)是在10nm的MnGa磁性层上，在基板温度250℃的条件下使20nm的Sb层生长的构造体。生长速度均是2nm/min。RHEED是在膜厚为2nm时测定的。
如图2的(a)所示，在基板温度100℃时RHEED较暗，如图2的(b)所示，在基板温度200℃时能够观测到明显的条纹的RHEED像。另外，如图2的(c)和图2的(d)所示，使基板温度为250℃时进行制膜也能够观测到明显的条纹，可知能够形成高品质的BiSb。另外，由X射线解析可知BiSb取向(012)。根据以上的结果，可知若在基板温度200℃以上时进行制膜则能够在正方晶的磁性金属上制造高品质的BiSb。
图3是表示一实施例的MnGa/BiSb层叠构造(也称为MnGa/BiSb结)的剖视图(上段)及RHEED(下段)的图。在该实施例中，首先在制造垂直磁化的MnGa磁性薄膜3nm后，在基板温度250℃下制造10nm的Bi0.99Sb0.1。RHEDD是在磁性层(MnGa)3nm、重金属层(BiSb)1nm、5nm、10nm的制膜后取得的。能够在MnGa与BiSb的界面上观测到非常清晰的条纹的衍射像，另外，虽然随着BiSb的膜厚变厚而RHEED的强度降低，但不会消失。可知该结果是在MnGa与BiSb的界面上，无偏析地得到非常平坦的界面。
图4是表示图3的MnGa/BiSb层叠构造的磁特性的图。因为在MnGa之上制造BiSb，也能得到与单膜的MnGa同等的磁特性，故可知在MnGa与BiSb的界面上不存在磁性死区层。
图5是表示图3的MnGa/BiSb层叠构造的X射线衍射光谱的图。测定对象是在成膜垂直磁化的MnGa磁性薄膜10nm后，在基板温度250度下，使20nm的BiSb成膜的构造。可知在正方晶的MnGa上成膜的BiSb膜是(012)取向。
另外，如图5所示，可知因为MnGa的磁性膜是正方晶，所以在其上成膜的BiSb是(012)取向。由此利用四次对称的结晶构造(正方晶或立方晶)的基底层，(012)取向非常有助于产生超巨大的自旋霍尔效应。
(2)BiSb的特性评价
(2.1)电导率
图6的(a)、图6的(b)是表示制作的BiSb薄膜(厚度10nm)的电导率σ的温度依赖性的图。在图6的(a)和图6的(b)中组分比不同，在图6的(a)中表示Bi0.92Sb0.08的样品的特性。在常温下得到σBiSb＝3.8×105Ω-1m-1。另外，由越低温、电导率σ越高可知，具有金属的传导特性。
另外，在图6的(b)中表示Bi0.89Sb0.111的样品的特性。在该样品中虽然电导率低，但在常温下得到σBiSb＝1.1×105Ω-1m-1。薄至10nm的BiSb薄膜的电导率是1×105Ω-1m-1～4×105Ω-1m-1，平均得到σBiSb～2.5×105Ω-1m-1。该值比其他拓扑绝缘体Bi3Se2(5×104Ω-1m-1)、(Bi、Sb)3Se2(2.2×104Ω-1m-1)高一数量级，与一般被用于MRAM的金属、例如Ta(5.2×105Ω-1m-1)、或CoFeB(6×105Ω-1m-1)接近。
(2.2)自旋霍尔角
下面，对BiSb的自旋霍尔角的评价结果进行说明。图7是一实施例的MnGa/BiSb层叠构造的剖视图及俯视图。该层叠构造包括厚度3nm的垂直磁化MnGa和厚度10nm的BiSb，具有100μm×50μm的元件尺寸。在该实施例中，因为磁化完全垂直，所以从BiSb注入的纯自旋流产生面内的有效磁场HSO。因该面内有效磁场而具有减弱法线方向的保磁力的效果。
图8的(a)是表示使电流在MnGa/BiSb层叠构造的端子I+与I-之间流动时的磁滞的图。磁滞能够通过测定基于端子V+与V-之间产生的异常霍尔效应的霍尔电压来评价。如图所示，可知随着面内电流密度变大，法线方向的保磁力减少。这反映基于纯自旋流的有效磁场HSO的效果。
图8的(b)是表示法线方向的保磁力的减少量ΔHC的BiSb所流过的电流密度JNM的关系的图。为了参考，也表示出由MnGa(3nm)和Ta(5nm)构成的层叠构造的数据。由该图可知，关于每单位电流密度的保磁力的变化量ΔHC/JNM，在BiSb的情况下为3.7kG/(MA/cm2)，而Ta为0.35kG/(MA/cm2)。由该比较可知，BiSb发挥非常强的自旋霍尔效应。
如上所述，在以往研究中，对磁性层上的非晶态Bi的自旋霍尔角进行评价的结果，只有非常小的θsh＝0.02或0.00012(非专利文献1、2)。另外根据理论计算而求得的BiSb的σsh最大也止步于4.9×104Ω-1m-1程度，因此，认为自旋霍尔角θsh最大也只是0.5程度。
图9是一实施例的MnGa/BiSb层叠构造的剖视图及俯视图。该层叠构造是具有面内磁化成分的厚度3nm的MnGa与厚度10nm的BiSb层叠，并被加工为100μm×50μm的元件的构造。在该实施例中，在磁化具有面内成分时，基于纯自旋流注入的有效磁场HSO具有法向成分，因此具有增强保磁力的效果。图10是表示在面内使电流在该结的端子I+与I-之间流动时的法线方向的磁滞的图。法线方向的磁滞能够通过测定基于端子V+与V-之间产生的异常霍尔效应的霍尔电压来评价。如该图所示，可知随着面内电流密度变大，法线方向的保磁力增大。这反映出有效磁场HSO的法线方向的效果。
图11的(a)、图11的(b)是表示对与图9相同的样品，在面内施加外部磁场时的法线方向的磁滞的图。在该实施例中，能够更易于理解地观测到有效磁场HSO的法向成分的效果。
在图11的(a)中表示正电流、在图11的(b)中表示负的电流流动时的测定结果。在图11的(a)中，在面内磁化成分朝向右方时(面内外部磁场为正时)HSO朝向上方，因此法线方向磁化成分为正，但在面内磁化成分朝向左方时(面内外部磁场为负时)，有效磁场HSO的法向成分朝向下方，因此法线方向磁化成分为负。
在图11的(b)中因为使相反方向的电流流动，所以纯自旋流也按相反方向注入，相对于图11的(a)，有效磁场HSO的法向成分与法线方向磁化成分表示出相反的行为。根据这些结果，能够确认基于BiSb的纯自旋流注入效果。
下面对自旋霍尔效应的强度进行定量地评价。在图10中，保磁力的变化量ΔHC直接与HSO对应。也就是说，HSO＝ΔHC。在本发明中，纯自旋流还能够通过以下的式(1)计算。
JS＝MMnGatMnGaΔHC…(1)
在此，MMnGa＝250emu/cc是MnGa的磁化，tMnGa＝3nm是MnGa磁性层的厚度。进而，自旋霍尔角能够通过以下的式(2)计算。
θSH＝(2e/hbar)·JS/JBiSb…(2)
JBiSb是在BiSb中流动的电流密度，能够通过以下的式(3)计算。
JBiSb＝IBiSb/W·tBiSb
＝(W·tBiSb)-1·σBiSbtBiSb/(σBiSbtBiSb+σMnGatMnGa)I
＝(W·tBiSb)-1·σBiSbtBiSb/(σBiSbtBiSb+σMnGatMnGa)×W(tBiSb+tMnGa)J
＝σBiSb(tBiSb+tMnGa)/(σBiSbtBiSb+σMnGatMnGa)J…(3)
例如，在J＝1.38×106A/cm2时，由σBiSb＝2.5×105Ω-1m-1、σMnGa＝5×105Ω-1m-1、tMnGa＝3nm、tBiSb＝10nm，得到JBiSb＝1.12×106A/cm2。另一方面，根据该电流密度中的HSO＝ΔHC＝3.1kOe＝3100Oe，达到HSO/JBiSb＝2770Oe/(MA/cm2)。可知该值比以往研究的重金属Ta、Pt的5-10Oe/(A/cm2)大数百倍。实际使用式(1)和式(2)对各电流值中的BiSb的自旋霍尔角进行计算的结果，得到θsh＝52的平均值。该值远远大于在MRAM中常用的Ta(θsh＝0.15)、Pt(θsh＝0.08)。另一方面，该值比理论计算的θsh＝0.5大100倍左右，因此认为存在与理论计算中假设的机理不同的机理，其有助于BiSb的巨大的自旋霍尔效应。
图12是表示纯自旋注入源的材料的常温自旋霍尔角θsh、电导率σ及自旋霍尔传导率σsh＝(hbar/2e)·θsh×σ的图。由该比较也可知BiSb显示出压倒性地高的自旋霍尔传导率1.3×107(hbar/2e)Ω-1m-1。另外，该值比理论计算的预测值4.9×104(hbar/2e)Ω-1m-1大200倍以上。
(2.3)超低电流磁化反转的实际验证
由图12可知，根据BiSb的自旋霍尔角比其他材料高的情况，认为能够以非常低的电流密度进行磁化反转。
在MnGa/BiSb的接合中，以超低电流密度进行磁化反转。图13的(a)、图13的(b)是表示MnGa(3nm)/BiSb(5nm)结中的基于脉冲电流的磁化反转的图。图13的(a)是在将外部磁场向面内的左方向(负)施加而使磁化向左倾斜的状态下，进行基于施加100毫秒的脉冲电流的磁化反转时的测定结果。由该图可知，若增加正电流则磁化从向上反转为向下，若增加负的电流则磁化从向下反转为向上。
另外，图13的(b)是在将外部磁场向面内的右方向(正)施加而使磁化向右倾斜的状态下，进行基于施加电流的磁化反转时的测定结果。由该图可知，若增加正电流则磁化从向下反转为向上，若增加负的电流则磁化从向上反转为向下。也就是说，根据磁化的倾斜方向，基于电流的磁化反转的方向相反。这与纯自旋注入磁化反转的性质一致。
另一方面，也应着眼于磁化反转所需的电流密度非常小、为J＝1.5×106A/cm2的情况。为了进行比较，需要在MnGa(3nm)/Ta(5nm)结中使J＝1.1×108A/cm2，在MnGa(3nm)/IrMn(4nm)结中使J＝1.5×108A/cm2，在MnGa(2.5nm)/Pt(2nm)中使J＝5.0×107A/cm2。在该实施例中，证实了基于BiSb的巨大的自旋霍尔效应的超低电流密度磁化反转。
(3)对SOT-MRAM的应用
图14的(a)、图14的(b)是示意地表示SOT-MRAM的单元2的构造的图。参照图14的(a)。SOT-MRAM的单元2包括MTJ(Magnetic Tunnel Junction：磁隧道结)元件10、纯自旋注入源20、写入晶体管30、及读取晶体管31。MTJ元件10具有磁化自由层12、隧道层14、磁化固定层16的层叠构造。纯自旋注入源20具备与磁化自由层12连接的纯自旋注入源20。磁化自由层12例如能够使用MnGa，但不限于此，也能够使用其他强磁性金属。例如也可以是Co、Fe等单元素的磁性金属，CoFe、NiFe、MnAl、MnGe、FePt等二元合金，CoFeB或CoMnSi等三元合金及包含其的多层构造。磁化固定层16也相同。隧道层14是绝缘膜，优选使用MgO，但也可以使用AlO等其他材料。
纯自旋注入源20包含上述BiSb层。即，磁化自由层12与纯自旋注入源20的BiSb层的结，可作为上述实施例的层叠构造来把握。
在作为纯自旋注入源20的BiSb层中，介由写入晶体管30而连接有未图示的电源(驱动器)，在写入晶体管30变为导通时，脉冲状的电流Ic在BiSb层的面内方向(x方向)上流动，由此自旋流IS在法线方向(z方向)上流动，由此产生磁化自由层12的磁化反转而写入数据。
图14的(b)的SOT-MRAM是将图14的(a)的构造上下反转的构造。
最后对使用BiSb的SOT-MRAM的性能进行评价。作为示例而假设TDK公司制造的MRAM元件在使用5nm的BiSb作为纯自旋注入源的情况下，/>元件所需的磁化反转的电流为2.2μA。而在以往的自旋注入磁化反转法中需要24μA。因此，若将BiSb用于SOT-MRAM，则与STT-MRAM相比能够将写入电流及写入功率削减到1/10倍。另外，因为SOT-MRAM能比STT-MRAM快10倍地写入，所以能够使BiSb的SOT-MRAM的写入能量比STT-MRAM小1/100倍。
另外，通过使写入电流缩小，配线的可靠性提高。进而因为无需使写入电流直接流向MTJ元件，所以元件的寿命延长。另外，因为能够增加MTJ元件的电阻、减少读取电流，所以也能够削减读取功率。因为通过使写入电流减小，能够使驱动晶体管缩小1/10倍程度，所以能够提高集成率而增加存储器的容量。
(4)存储器单元的双端子化
BiSb具有基于拓扑表面态的二维电流占主导的特性。利用该特性，在安装具有垂直磁化膜的SOT-RAM的情况下，能够进行双端子化。
图15是双端子的SOT-RAM的概念图。在通常的SOT-RAM中，如图14所示，因为面内的写入路径与法线方向的读取路径不同，所以需要三端子、也就是说需要2个晶体管30、31。另外，在磁化为垂直的情况下，需要在面内施加偏置磁场。另一方面，若利用BiSb，则如图15所示能够使用垂直的电流路径40来写入。这是因为使电流在垂直方向上流动，在BiSb中也必定成为面内电流42，所以能够通过自旋霍尔效应来注入纯自旋流。其结果，写入用和读取用中能够兼用晶体管32，能够进行双端子化。进而，因为在元件中电流垂直地流动，所以自旋转移矩也有效，不施加面内偏置磁场也能够进行磁化反转。
图16的(a)、图16的(b)是示意地表示双端子SOT-MRAM的单元2A的构造的图。参照图16的(a)。SOT-MRAM的单元2A包括MTJ(Magnetic Tunnel Junction：磁隧道结)元件10、纯自旋注入源20、写入/读取晶体管32。相对于在图14的(a)、图14的(b)中纯自旋注入源20接地(与地线连接)，在图16的(a)、图16的(b)中，MnGa磁性薄膜10的磁化固定层16接地。图16的(b)的SOT-MRAM是将图16的(a)的构造上下反转的构造。
在实施方式中，作为BiSb纯自旋注入源的用途而说明了MRAM，但不限于此，也可利用于使用磁性层的进动运动的微波发生器等需要纯自旋注入源的任何用途。
[附图标记说明]
2 单元
10 MTJ元件
12 磁化自由层
14 隧道层
16 磁化固定层
20 纯自旋注入源
30 写入晶体管
[工业可利用性]
本发明能够利用于磁阻存储器。
Claims (9)
1.一种磁阻存储器，其特征在于，包括：
包含磁化自由层的MTJ(磁隧道结)元件，以及
包含介由界面与所述磁化自由层连接的具有拓扑表面态并由于所述拓扑表面态而具有大于0.5的自旋霍尔角的拓扑绝缘体的BiSb层、所述界面与所述BiSb层的结晶生长方向垂直的纯自旋注入源；
使面内电流在所述BiSb层内流动，并沿所述界面的法线方向向所述磁化自由层供给所述自旋流，能够进行所述磁化自由层的磁化反转。
2.如权利要求1所述的磁阻存储器，其特征在于，
所述BiSb层具有基于拓扑表面态的自旋霍尔效应，将由该自旋霍尔效应产生的纯自旋流向所述磁化自由层、沿所述界面的法线方向地供给，能够通过与基于所述纯自旋流的注入的自旋极化方向和所述自由磁化层的磁化方向正交的自旋轨道矩的成分而作用于所述磁化自由层。
3.如权利要求1或2所述的磁阻存储器，其特征在于，
所述BiSb层具有(012)取向。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的磁阻存储器，其特征在于，
利用所述BiSb层的拓扑表面态，单元被双端子化。
5.如权利要求4所述的磁阻存储器，其特征在于，
不进行面内偏置磁场的施加。
6.一种磁阻存储器的制造方法，其特征在于，包括：
形成磁化自由层的步骤，以及
形成包含BiSb层的纯自旋注入源的步骤；
所述BiSb层具有(012)取向。
7.一种向磁性体注入纯自旋流的纯自旋注入源，其特征在于，
包含介由界面与所述磁性体连接的具有拓扑表面态并由于所述拓扑表面态而具有大于0.5的自旋霍尔角的拓扑绝缘体的BiSb层，所述界面与所述BiSb层的结晶生长方向垂直，根据在所述BiSb层中流动的面内电流，而沿所述界面的法线方向向所述磁性体供给纯自旋流。
8.如权利要求7所述的纯自旋注入源，其特征在于，
所述BiSb层结晶化了。
9.一种磁阻存储器，其中，包括：
包含磁化自由层的MTJ(磁隧道结)元件，以及包含与所述磁化自由层连接的BiSb层的纯自旋注入源；
利用立方晶构造的基底层，以使所述BiSb层具有(012)取向。
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