CN111279489B - 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

本发明的自旋轨道转矩型磁阻效应元件(101)具备：第一铁磁性层(1)、第二铁磁性层(2)、位于上述第一铁磁性层与上述第二铁磁性层之间的非磁性层(3)、层叠了上述第一铁磁性层的自旋轨道转矩配线(5)，上述自旋轨道转矩配线沿着相对于上述第一铁磁性层的法线方向即第一方向(Z)交叉的第二方向(X)延伸，上述第一铁磁性层从上述自旋轨道转矩配线侧依次具有第一层叠结构体(10a)和界面磁性层(20)，上述第一层叠结构体是从上述自旋轨道转矩配线侧依次配置铁磁性导电体层(11a)和含氧化物层(12a)的结构体，上述铁磁性导电体层包含铁磁性金属元素，上述含氧化物层包含铁磁性金属元素的氧化物。

Description

自旋轨道转矩型磁阻效应元件及磁存储器
技术领域
本发明涉及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5月31日申请于日本的特愿2018-105392主张优先权，并将其内容在此引用。
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。通常，TMR元件的元件电阻比GMR元件高，且磁阻(MR)比较大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头以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的方向变化时，TMR元件的元件电阻变化的特性，读取和写入数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流制作的磁场进行写入(磁化反转)的方式及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转矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
使用了STT的TMR元件的磁化反转从能量效率的观点考虑是有效的，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。写入电流有时使磁阻效应元件的特性劣化。
因此，近年来，作为不在磁阻效应元件的层叠方向上流通电流而可进行磁化旋转的装置，利用了通过自旋轨道相互作用生成的纯自旋流产生的自旋轨道转矩(SOT)的自旋轨道转矩型磁阻效应元件备受关注(例如，专利文献1)。SOT通过由自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或异种材料的界面中的Rashba效应诱发。用于在磁阻效应元件内诱发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，自旋轨道转矩型磁阻效应元件不需要在磁阻效应元件的层叠方向上流通电流，可期待磁阻效应元件的长寿命化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-216286号公报
发明内容
发明所要解决的课题
为了提高磁阻效应元件的驱动效率，要求降低为了利用SOT使磁化反转所需要的反转电流密度。但是，可以说SOT的反转电流密度与STT的反转电流密度同程度。
本发明是鉴于上述情况而研发的，其目的在于，提供反转电流密度降低的自旋轨道转矩型磁阻效应元件及磁存储器。
用于解决课题的方案
本发明为了解决所述课题，提供以下的方案。
(1)第一方式提供一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其具备：第一铁磁性层；第二铁磁性层；非磁性层，其位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间；自旋轨道转矩配线，其层叠有所述第一铁磁性层，所述自旋轨道转矩配线沿着相对于所述第一铁磁性层的法线方向即第一方向交叉的第二方向延伸，所述第一铁磁性层从所述自旋轨道转矩配线侧依次具有第一层叠结构体和界面磁性层，所述第一层叠结构体是从所述自旋轨道转矩配线侧依次配置有铁磁性导电体层和含氧化物层的结构体，所述铁磁性导电体层包含铁磁性金属元素，所述含氧化物层包含铁磁性金属元素的氧化物。
(2)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，包含于所述含氧化物层的所述氧化物的所述铁磁性金属元素也可以与包含于所述铁磁性导电体层的所述铁磁性金属元素相同。
(3)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，也可以在所述第一层叠结构体与所述界面磁性层之间插入一个以上的层叠有铁磁性导电体层和含氧化物层的第二层叠结构体。
(4)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述第一层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚也可以比所述第二层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚厚。
(5)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述含氧化物层的膜厚也可以为1.0nm以下。
(6)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，也可以为包含于所述含氧化物层的所述氧化物相对于化学计量组成，氧缺损。
(7)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，也可以所述第一铁磁性层具有防扩散层，所述防扩散层位于所述界面磁性层的与所述非磁性层相接的一侧的相反侧的面。
(8)所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述界面磁性层也可以包含选自由Co、Fe、B构成的组的至少一个元素。
(9)第二方式提供一种磁存储器，其具备多个所述方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明，可提供反转电流密度降低的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阻效应元件的一例的截面示意图。
图2是变形例1的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图3是变形例2的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图4是变形例3的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图5是将变形例3的自旋轨道转矩型磁阻效应元件在另一面切断的截面示意图。
图6是变形例4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图7是变形例4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的另一例的截面示意图。
图8是变形例5的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图9是示意性地表示第二实施方式的磁存储器的图。
图10是第二实施方式的磁存储器的主要部分的截面示意图。
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为了容易了解特征，方便起见有时将成为特征的部分扩大表示，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，本发明不限定于此这些，可在实现本发明效果的范围内适当变更并实施。
＜第一实施方式(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)＞
图1是第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的一例的截面示意图。图1是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101具备功能部4和自旋轨道转矩配线5。功能部4具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2、非磁性层3。非磁性层3位于第一铁磁性层1与第二铁磁性层2之间。自旋轨道转矩配线5沿着相对于第一铁磁性层1的法线方向即第一方向交叉的第二方向延伸。自旋轨道转矩配线5层叠第一铁磁性层1。
以下，将第一铁磁性层1的法线方向即第一方向设为z方向，将相对于第一方向正交，且自旋轨道转矩配线5延伸的第二方向设为x方向，将与x方向及z方向均正交的方向设为y方向。
[功能部]
功能部4与通常的磁阻效应元件一样地发挥功能。在非磁性层3由绝缘体构成的情况下，功能部4为与隧道磁阻效应(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件相同的结构。另外，非磁性层3由金属构成的情况为与巨磁阻效应(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的结构。第二铁磁性层2称为固定层或参照层，第一铁磁性层1称为自由层或存储层等。
功能部4通过第二铁磁性层2的磁化固定成一个方向(z方向)，且第一铁磁性层1的磁化的方向相对性地变化而发挥作用。在应用于矫顽力差型(赝自旋阀型；Pseudo spinvalve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层2的矫顽力比第一铁磁性层1的矫顽力增大。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2的磁化通过与反铁磁性层的交换耦合进行固定。
功能部4也可以具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及非磁性层3以外的层。例如，可举出用于固定第二铁磁性层2的磁化方向的反铁磁性层、提高功能部4的结晶性的基底层等。
(第一铁磁性层)
第一铁磁性层1具有第一层叠结构体10a和界面磁性层20。第一铁磁性层1可改变界面磁性层20的磁化方向。第一层叠结构体10a是层叠了铁磁性导电体层11a和含氧化物层12a的结构体。界面磁性层20与非磁性层3相接，铁磁性导电体层11a与自旋轨道转矩配线5相接。
“铁磁性导电体层”
铁磁性导电体层11a包含铁磁性金属元素。铁磁性导电体层11a优选导电性比自旋轨道转矩配线5高。通过提高铁磁性导电体层11a的导电性，在自旋轨道转矩配线5流通的电子容易侵入铁磁性导电体层11a。另外，铁磁性导电体层11a由于含氧化物层12a，结晶结构的对称性瓦解，铁磁性导电体层11a的内场(电子存在的分布)变化。当电子侵入内场变化的铁磁性导电体层11a时，铁磁性导电体层11a中产生的自旋流比内场的对称性未瓦解的情况增加。当在铁磁性导电体层11a内产生的自旋流增加时，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的反转电流密度降低。另外，铁磁性导电体层11a的垂直磁各向异性(PMA)当含氧化物层12a的氧与铁磁性元素耦合时变大。而且，当铁磁性导电体层11a的垂直磁各向异性(PMA)变大时，铁磁性导电体层11a的热稳定性提高。
铁磁性导电体层11a优选利用Co、Fe、Ni、Ga或它们的金属的合金形成。铁磁性导电体层11a的膜厚优选处于0.3nm以上2.0nm以下的范围内。
“含氧化物层”
含氧化物层12a包含铁磁性金属元素的氧化物。含氧化物层12a如果以瓦解铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性的方式形成，则其结构没有特别限制。铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性由于例如含氧化物层12a中的氧缺损量根据面内方向(xy面内)的场所不均匀而被瓦解。另外，通过将含氧化物层12a中的氧缺损量沿着与面内方向(xy面内)正交的法线方向(xz方向或yz方向)设为不均匀，也能够瓦解铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性。另外，通过将含氧化物层12a的一部分设为过量氧的状态，且将面内方向或法线方向的氧量设为不均匀，也可以瓦解结晶结构的对称性。含氧化物层12a例如也可以是仅由氧化物构成的层，也可以是包含铁磁性金属元素和氧化物的层。包含铁磁性金属元素和氧化物的层也可以是氧化物岛状地散布于铁磁性金属元素的结构，也可以是氧化物的粒子分散于铁磁性金属元素的结构。
包含于含氧化物层12a的氧化物的铁磁性金属元素优选与包含于铁磁性导电体层11a的铁磁性金属元素相同。在该情况下，提高含氧化物层12a与铁磁性导电体层11a的紧贴性，容易引起铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性的瓦解。当铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性瓦解时，在铁磁性导电体层11a内的自旋流的产生效率提高。
优选包含于含氧化物层12a的铁磁性金属元素的氧化物的氧相对于化学计量组成缺损。在该情况下，由氧捕集(trap)的电子作为载流子发挥作用，从铁磁性导电体层11a供给的自旋流容易通过含氧化物层12a，自旋流向界面磁性层20的传输效率提高。优选铁磁性金属元素的氧化物的氧相对于化学计量组成在5原子％以上30原子％以下的范围内缺损。
含氧化物层12a的膜厚优选为1.0nm以下。在该情况下，铁磁性导电体层11a与界面磁性层20更坚固地铁磁性耦合，因此，磁化相对于热干扰等的稳定性变高。另外，含氧化物层12a的膜厚较薄时，氧散布，铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性容易瓦解。因此，含氧化物层12a的膜厚优选为原子一层以上。此外，在原子一层的情况下，未成为连续的一样的层，氧化物散布，但在该情况下，也作为含氧化物层处理。
“界面磁性层”
界面磁性层20能够应用铁磁性材料，特别是能够应用软磁性材料。
界面磁性层20例如包含：选自由Cr、Mn、Co、Fe以及Ni构成的组的金属；含有这些金属1种以上的合金；含有这些金属和B、C、以及N的至少1种以上的元素的合金等。界面磁性层20例如为Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。另外，在界面磁性层20为面内磁化膜的情况下，界面磁性层20例如为Co-Ho合金(CoHo2)、Sm-Fe合金(SmFe12)等。
界面磁性层20也可以是Co2FeSi等的霍伊斯勒合金。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为从III族到V族的典型元素。霍伊斯勒合金例如为Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。霍伊斯勒合金具有较高的自旋极化率，能够提高功能部4的MR比。
界面磁性层20优选含有选自由Co、Fe、B构成的组的至少一个元素。界面磁性层20特别优选为Co-Fe-B。在该情况下，能够提高功能部4的MR比。
界面磁性层20的膜厚优选处于0.5nm以上3.0nm以下的范围内。
(非磁性层)
非磁性层3中能够使用公知的材料。
例如，在非磁性层3由绝缘体构成的情况下(为隧道势垒层的情况下)，非磁性层3例如为Al2O3、SiO2、MgO、以及MgAl2O4等。另外，非磁性层3也可以是这些Al、Si、Mg的一部分置换成Zn、Be等的层。它们中，MgO及MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够提高功能部4的MR比。在非磁性层3由金属构成的情况下，非磁性层3例如为Cu、Au、Ag等。另外，在非磁性层3由半导体构成的情况下，非磁性层3例如为Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In，Ga)Se2等。
非磁性层3的膜厚优选处于0.3nm以上3.0nm以下的范围内。
(第二铁磁性层)
第二铁磁性层2的材料能够使用公知的铁磁性材料。铁磁性材料的例子与界面磁性层20的情况相同。第二铁磁性层2也可以使用与界面磁性层20相同的铁磁性材料，也可以使用与界面磁性层20不同的铁磁性材料。
第二铁磁性层2的膜厚优选处于0.5nm以上5.0nm以下的范围内。
[自旋轨道转矩配线]
自旋轨道转矩配线5沿着x方向延伸。自旋轨道转矩配线5位于铁磁性导电体层11a的一面。自旋轨道转矩配线5也可以与铁磁性导电体层11a直接连接，也可以经由其它的层连接。
自旋轨道转矩配线5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制进行说明。
如图1所示，当对自旋轨道转矩配线5的x方向的两端赋予电位差时，沿着x方向流通电流I。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。普通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)方向弯曲的点相同。另一方面，普通的霍尔效应中，在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力使运动方向弯曲，与之相对，自旋霍尔效应中，在不存在磁场，但仅电子移动(仅电流流通)，移动方向弯曲的点大幅不同。为了消除通过自旋霍尔效应产生的第一自旋S1及第二自旋S2的偏在状态，在z方向上产生自旋流。
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，图中朝向上方向的第一自旋S1的电子数和朝向下方向的第二自旋S2的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。特别是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的电子的流通表示为J↑，将第二自旋S2的电子的流通表示为J↓，且将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑-J↓定义。自旋流JS沿着图中的z方向流通。图1中，在自旋轨道转矩配线5的上表面存在第一铁磁性层1。因此，向第一铁磁性层1注入自旋。
自旋轨道转矩配线5利用具有通过电流流通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、金属磷化物的任一项构成。
自旋轨道转矩配线5的主结构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39以上的原子序数较大的非磁性金属。这些非磁性金属中，产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。
电子通常不管其自旋的方向，均向电流的反方向移动。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，自旋霍尔效应强有力地发挥作用。因此，电子的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。当非磁性金属中包含微量的磁性金属时，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。
另一方面，当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5也可以包含拓扑绝缘体。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，通过自旋轨道相互作用产生内部磁场。因此，拓扑绝缘体即使没有外部磁场，也在自旋轨道相互作用的效果中发现新的拓扑相。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。
(自旋轨道转矩型磁阻效应元件的制造方法)
自旋轨道转矩型磁阻效应元件101例如能够通过从自旋轨道转矩配线5侧依次层叠铁磁性导电体层11a、含氧化物层12a、界面磁性层20、非磁性层3、第二铁磁性层2而制造。作为层叠铁磁性导电体层11a、界面磁性层20、非磁性层3、第二铁磁性层2的方法，能够使用溅射法、化学气相生长(CVD)法等的公知的方法。作为层叠含氧化物层12a的方法，例如能够使用：通过溅射法或CVD法形成铁磁性金属膜，接着使得到的铁磁性金属膜氧化的方法；将铁磁性金属和氧化物进行共溅射的方法。
得到的层叠体优选进行退火处理。通过进行退火处理，能够提高各层的结晶性，且提高功能部4的MR比。
作为退火处理，优选在Ar等的不活性气氛中，以300℃以上500℃以下的温度，加热5分钟以上100分钟以下的时间之后，且在施加了2kOe以上10kOe以下的磁场的状态下以100℃以上500℃以下的温度加热1小时以上10小时以下的时间。
设为以上那样的结构的本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101在铁磁性导电体层11a内产生自旋流，因此，能够降低反转电流密度。
图2是变形例1的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。图2是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。图2所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102除了向第一层叠结构体10a与界面磁性层20之间插入第二层叠结构体10b以外，与图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101一样。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
第二层叠结构体10b是层叠了铁磁性导电体层11b和含氧化物层12b的结构体。铁磁性导电体层11b位于含氧化物层12a与含氧化物层12b之间。铁磁性导电体层11b例如与第一层叠结构体10a的含氧化物层12a相接。含氧化物层12b位于铁磁性导电体层11b与界面磁性层20之间。含氧化物层12b例如与界面磁性层20相接。
优选第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚比第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a的膜厚薄。通过使与自旋轨道转矩配线5相接的第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a的膜厚相对于铁磁性导电体层11b相对性地厚，能够将铁磁性导电体层11a设为面内磁化膜。另外，另一方面，通过将远离自旋轨道转矩配线5的第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚相对于铁磁性导电体层11a相对性地薄，能够将铁磁性导电体层11b设为垂直磁化膜。通过使这样磁化的取向方向不同的铁磁性导电体层11a与铁磁性导电体层11b接近，能够将第一铁磁性层1的整体的磁化状态相对于z方向倾斜。当第一铁磁性层1的磁化相对于z方向倾斜时，磁化的对称性瓦解，可进行无磁场磁化反转。优选第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚相对于第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a的膜厚处于50％以上90％以下的范围内。
优选第二层叠结构体10b的含氧化物层12b的膜厚与第一层叠结构体10a的一样，为1.0nm以下。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件102除了在含氧化物层12a与界面磁性层20之间层叠铁磁性导电体层11b及含氧化物层12b以外，能够与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的情况一样地制造。第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b及含氧化物层12b能够与第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a及含氧化物层12a的情况一样地层叠。
设为以上那样的结构的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102不仅在第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a产生自旋流，还在第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b内产生自旋流，因此，能够进一步降低反转电流密度。此外，图2所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102中，在第一层叠结构体10a与界面磁性层20之间插入一个第二层叠结构体10b，但第二层叠结构体10b的数量没有特别限制，也可以设为2个以上。在将2个以上第二层叠结构体10b插入的情况下，优选增厚接近自旋轨道转矩配线5的侧的铁磁性导电体层11b的膜厚。
图3是变形例2的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。图3是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面进行切断的截面。图3所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件103除了第一铁磁性层1具有防扩散层30以外，与图2所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102一样。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件102相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
防扩散层30相接于与界面磁性层20的非磁性层3相接的侧的相反侧的面(图3中下表面)。防扩散层30位于界面磁性层20与第一层叠结构体10a之间。防扩散层30在例如自旋轨道转矩型磁阻效应元件103的制造时进行退火处理时等的高温环境下，抑制包含于界面磁性层20的元素向含氧化物层12b的方向进行元素扩散。
防扩散层30优选包含非磁性元素。非磁性元素例如为Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au。该元素也可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。另外，防扩散层30的厚度优选为构成防扩散层的元素的直径的2倍以上。当要将重金属元素以该程度的厚度成膜时，严格而言，重金属元素岛状地散布。因此，防扩散层30成为上层或下层的一部分与非磁性元素的混合层。
防扩散层30的膜厚优选处于0.3nm以上2.0nm以下的范围内。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件103除了在含氧化物层12b与界面磁性层20之间层叠防扩散层30以外，能够与自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的情况一样地制造。作为层叠防扩散层30的方法，能够使用溅射法、化学气相生长(CVD)法等的公知的方法。
设为以上那样的结构的自旋轨道转矩型磁阻效应元件103在铁磁性导电体层11a内产生自旋流，因此，能够降低反转电流密度。另外，自旋轨道转矩型磁阻效应元件103具有防扩散层30，因此，即使在高温环境下，难以引起包含于界面磁性层20的元素向含氧化物层12b进行元素扩散。因此，含氧化物层12b长期间稳定地存在，自旋轨道转矩型磁阻效应元件103能够长期间稳定地降低反转电流密度。
图4及图5是变形例3的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104的截面示意图。图4是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件104以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。图5是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件104以通过功能部4的x方向的中心的yz平面切断的截面。图4及图5所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104除了功能部4的侧面的形状及自旋轨道转矩配线5的第一面5a的形状不同以外，与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101一样。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
图4及图5所示的功能部4从z方向观察，随着接近自旋轨道转矩配线5，在xy面内变宽。从z方向观察，功能部4的外周长或外径随着接近自旋轨道转矩配线5而变大。另外，从x方向或y方向观察，功能部4的侧面4s相对于xy平面倾斜。侧面4s的相对于xy平面的倾斜角θ也可以根据z方向的高度位置不同而各异，也可以一定。侧面4s的相对于xy平面的倾斜角θ例如随着接近自旋轨道转矩配线5而变小。
功能部4的侧面4s利用第二铁磁性层2、非磁性层3、界面磁性层20、含氧化物层12a、铁磁性导电体层11a各自的侧面2s、3s、20s、12as、11as构成。侧面2s、3s、20s、12as、11as分别相对于xy平面倾斜。侧面2s、3s、20s、12as、11as分别连续，且形成一个侧面4s。这里“连续”是指，以xz平面或yz平面切断的切面中，沿着侧面4s画的切线的倾斜连续地变化或一定。
另外，自旋轨道转矩配线5的第一面5a的z方向的高度位置根据场所不同而各异。第一面5a是自旋轨道转矩配线5的接近功能部4的侧的面。以下，将第一面5a中、z方向上与功能部4重合的部分称为第一面5aA，将不重合的部分称为第一面5aB。第一面5aA位于比第一面5aB靠+z方向。即，第一面5aA处于比第一面5aB远离后述的基板Sub的位置。有时第一面5aB通过将功能部4加工成预定的形状时的离子研磨等，形成于比第一面5aA靠-z方向的位置。
另外，如图5所示，自旋轨道转矩配线5的侧面5s相对于xy平面倾斜。侧面5s与侧面4s例如为不连续。“不连续”是指，在以xz平面或yz平面切断的切面中，沿着侧面5s、4s画的切线的倾斜不连续地变化。将自旋轨道转矩配线5形成为预定的形状之后，存在将功能部4加工成预定的形状的情况和侧面5s与侧面4s成为不连续的情况。
另外，图4及图5中，同时图示包围功能部4及自旋轨道转矩配线5的周围的绝缘层90、91。绝缘层90、91是将多层配线的配线间及元件间进行绝缘的绝缘层。绝缘层90、91例如为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
设为以上那样的结构的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104在铁磁性导电体层11a内产生自旋流，因此，能够降低反转电流密度。另外，铁磁性导电体层11a的侧面11as相对于xy平面倾斜，由此，电流从自旋轨道转矩配线5向铁磁性导电体层11a的流通变得顺畅。即，自旋轨道转矩型磁阻效应元件104能够抑制伴随快速的电流密度的变化的电流的损失。
图6是变形例4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件105的截面示意图。图6是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件105以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。图6所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件105除了功能部4的侧面的形状不同以外，与变形例3的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104一样。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件104相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
图6所示的功能部4从z方向观察，随着接近自旋轨道转矩配线5，在xy面内阶段性地变宽。图6所示的功能部4中由金属构成的第二铁磁性层2、界面磁性层20、铁磁性导电体层11a随着接近自旋轨道转矩配线5，外周长或外径变大。图6所示的功能部4中由金属以外构成的非磁性层3、含氧化物层12a随着接近自旋轨道转矩配线5，外周长或外径变小。
第二铁磁性层2、界面磁性层20、铁磁性导电体层11a的侧面2s、20s、11as例如相对于xy平面以倾斜角θ1倾斜。非磁性层3、含氧化物层12a的侧面3s、12as例如相对于xy平面以倾斜角θ2倾斜。倾斜角θ1、θ2也可以根据z方向的高度位置不同而各异，也可以一定。倾斜角θ1与倾斜角θ2不同。倾斜角θ1例如低于90°，倾斜角θ2例如为90°以上。
功能部4的侧面4s为不连续。各层的侧面2s、3s、20s、12as、11as的分界中，侧面4s为不连续。侧面4s例如在第二铁磁性层2与非磁性层3的分界、非磁性层3与界面磁性层20的分界、界面磁性层20与含氧化物层12a的分界、含氧化物层12a与铁磁性导电体层11a的分界具有高度差。
在形成功能部4的情况下，有时经由掩模从z方向加工之后，从x方向或y方向进行离子研磨(侧铣削)等。当进行侧铣削时，能够缩小功能部4的x方向及y方向的宽度，能够将功能部4的尺寸微细化。侧铣削的进行程度根据构成层的材料不同而各异。大多情况下，金属比非金属柔软，有时金属一方比非金属先进行侧铣削。由于各层的侧铣削的进行程度的不同，功能部4的侧面4s成为不连续。
以上那样构成的自旋轨道转矩型磁阻效应元件105在铁磁性导电体层11a内产生自旋流，因此，能够降低反转电流密度。另外，铁磁性导电体层11a的侧面11as相对于xy平面倾斜，由此，电流从自旋轨道转矩配线5向铁磁性导电体层11a的流通变得顺畅。另外，通过侧面4s不连续，能够提高与绝缘层90的紧贴性。
另外，图7是变形例4的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的另一例的截面示意图。图7是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件105A以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。自旋轨道转矩型磁阻效应元件105A是倾斜角θ2为90°情况的例子。
图8是变形例5的自旋轨道转矩型磁阻效应元件106的截面示意图。图8是将自旋轨道转矩型磁阻效应元件106以通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面切断的截面。图8所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件106除了功能部4与自旋轨道转矩配线5的位置关系不同以外，与图6所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件105一样。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件105相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件106的自旋轨道转矩配线5相对于功能部4处于+z方向的位置。即，自旋轨道转矩配线5处于比功能部4远离后述的基板Sub的位置。
功能部4在+z方向上依次具有第二铁磁性层2、非磁性层3、界面磁性层20、含氧化物层12a、铁磁性导电体层11a。第二铁磁性层2处于比第一铁磁性层1接近后述的基板Sub的位置。有时功能部4称为底销(bottom pin)结构。
自旋轨道转矩配线5层叠于功能部4及绝缘层90的+z方向的位置。自旋轨道转矩配线5的第一面5a及第二面5b根据场所不同，z方向的高度位置不同。第一面5a是自旋轨道转矩配线5的接近功能部4的侧的面，第二面5b是第一面5a的相反侧的面。以下，将第一面5a中、z方向上与功能部4重合的部分称为第一面5aA，将不重合的部分称为第一面5aB。以下，将第二面5b中、z方向上与功能部4重合的部分称为第二面5bA，将不重合的部分称为第二面5bB。第一面5aB位于比第一面5aA靠+z方向。例如根据化学机械研磨(CMP)第一面5a时的研磨速度的不同，第一面5aA相对于第一面5aB向-z方向凹陷。第二面5bB位于比第二面5bA靠+z方向。第二面5b反映第一面5a的形状。
设为以上那样的结构的自旋轨道转矩型磁阻效应元件106即使为底销结构，在铁磁性导电体层11a内也产生自旋流，因此，能够降低反转电流密度。
＜第二实施方式＞
(磁存储器)
图9是磁存储器200的示意图。磁存储器200具备多个第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101(参照图1)。图1与沿着图9的A-A面切断自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的剖视图对应。图9所示的磁存储器200的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101进行3×3的矩阵配置。图9为磁存储器的一例，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的结构、数及配置是任意的。
在自旋轨道转矩型磁阻效应元件101分别连接有一条字线WL1～WL3、一条位线BL1～BL3、一条读出线RL1～RL3。
通过在字线WL1～WL3与位线BL1～BL3之间赋予预定值以上的电压差，向任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的自旋轨道转矩配线5流通电流，并进行写入动作。另外，通过对读出线RL1～RL3与位线BL1～BL3之间赋予预定值以上的电压差，向任意的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的功能部4的层叠方向流通电流，并进行读出动作。通过从这些多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件101读出任意的元件的数据，进行作为磁存储器的活用。
另外，图10是将磁存储器200的主要部分沿着A-A面切断的剖视图。磁存储器200具有自旋轨道转矩型磁阻效应元件101、连接于自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的多个开关元件。
图10所示的开关元件为晶体管Tr。晶体管Tr具有：栅电极G、栅极绝缘膜GI、形成于基板Sub的源极区域S及漏极区域D。基板Sub例如为半导体基板。
晶体管Tr各自与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101、字线WL及位线BL经由导电部Cw电连接。有时导电部Cw可称为例如连接配线、通路配线。导电部Cw包含具有导电性的材料。导电部Cw沿着z方向延伸。
另外，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的功能部4形成有电极80。电极80包含具有导电性的材料。电极80连接于读出线RL。也可以在读出线RL与电极80之间具有开关元件(例如，晶体管)。读出线RL与电极80之间的开关元件例如位于沿着图10的纸面进深方向(-y方向)。
存储元件100与晶体管Tr除了导电部Cw之外，利用绝缘层90电分离。
第二实施方式的磁存储器200具有多个第一实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101。如上述，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101中，反转电流密度分别较小。因此，磁存储器200能够以低耗电量驱动。
符号说明
1…第一铁磁性层，2…第二铁磁性层，3…非磁性层，4…功能部，5…自旋轨道转矩配线，10a…第一层叠结构体，10b…第二层叠结构体，11a、11b…铁磁性导电体层，12a、12b…含氧化物层，20…界面磁性层，30…防扩散层，101、102、103…自旋轨道转矩型磁阻效应元件，200…磁存储器。

Claims (12)

1.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
具备：
第一铁磁性层、
第二铁磁性层、
位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、和
直接层叠有所述第一铁磁性层的自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线沿与第一方向交叉的第二方向延伸，所述第一方向是所述第一铁磁性层的法线方向，
所述第一铁磁性层从所述自旋轨道转矩配线侧起依次具有第一层叠结构体和界面磁性层，
所述第一层叠结构体是从所述自旋轨道转矩配线侧起依次配置有铁磁性导电体层和含氧化物层的结构体，
所述铁磁性导电体层含有铁磁性金属元素，
所述含氧化物层含有铁磁性金属元素的氧化物，
所述含氧化物层中包含的所述氧化物的所述铁磁性金属元素与所述铁磁性导电体层中包含的所述铁磁性金属元素相同。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
在所述第一层叠结构体和所述界面磁性层之间插入有一个以上的从所述自旋轨道转矩配线侧起依次层叠有铁磁性导电体层和含氧化物层的第二层叠结构体。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述第一层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚比所述第二层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚厚。
4.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述含氧化物层中包含的所述氧化物相对于化学计量组成，氧缺损。
5.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
具备：
第一铁磁性层、
第二铁磁性层、
位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、和
直接层叠有所述第一铁磁性层的自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线沿与第一方向交叉的第二方向延伸，所述第一方向是所述第一铁磁性层的法线方向，
所述第一铁磁性层从所述自旋轨道转矩配线侧起依次具有第一层叠结构体和界面磁性层，
所述第一层叠结构体是从所述自旋轨道转矩配线侧起依次配置有铁磁性导电体层和含氧化物层的结构体，
所述铁磁性导电体层含有铁磁性金属元素，
所述含氧化物层含有铁磁性金属元素的氧化物，
在所述第一层叠结构体和所述界面磁性层之间插入有一个以上的从所述自旋轨道转矩配线侧起依次层叠有铁磁性导电体层和含氧化物层的第二层叠结构体。
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，
所述第一层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚比所述第二层叠结构体的所述铁磁性导电体层的膜厚厚。
7.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，
所述含氧化物层中包含的所述氧化物相对于化学计量组成，氧缺损。
8.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
具备：
第一铁磁性层、
第二铁磁性层、
位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、和
直接层叠有所述第一铁磁性层的自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线沿与第一方向交叉的第二方向延伸，所述第一方向是所述第一铁磁性层的法线方向，
所述第一铁磁性层从所述自旋轨道转矩配线侧起依次具有第一层叠结构体和界面磁性层，
所述第一层叠结构体是从所述自旋轨道转矩配线侧起依次配置有铁磁性导电体层和含氧化物层的结构体，
所述铁磁性导电体层含有铁磁性金属元素，
所述含氧化物层含有铁磁性金属元素的氧化物，
所述含氧化物层中包含的所述氧化物相对于化学计量组成，氧缺损。
9.根据权利要求1、5、8中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述含氧化物层的膜厚为1.0nm以下。
10.根据权利要求1、5、8中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述第一铁磁性层具有防扩散层，所述防扩散层位于所述界面磁性层的与所述非磁性层相接的一侧的相反侧的面。
11.根据权利要求1、5、8中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其中，
所述界面磁性层含有选自Co、Fe、B构成的组中的至少一种元素。
12.一种磁存储器，其中，具备多个权利要求1～11中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
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