CN111480240B - 自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明的自旋轨道转矩型磁阻效应元件具备：第一铁磁性层；第二铁磁性层；位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层；以及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相对于作为所述第一铁磁性层的法线方向的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无机化合物层的结构体，所述铁磁性导电体层包含铁磁性金属元素，所述含无机化合物层包含选自碳化物、氮化物、硫化物中的至少一种无机化合物。

Description

自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器
技术领域
本发明涉及一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器。本申请基于2018年5月31日在日本申请的日本特愿2018-105394号主张优先权，并将其内容引用至此。
背景技术
作为磁阻效应元件已知有由铁磁性层与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元件与GMR元件相比元件电阻较高，且磁阻(MR)比较大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头和非易失性随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
MRAM利用夹持绝缘层的两个铁磁性层的相互的磁化方向改变时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，已知有利用由电流产生的磁场来进行写入(磁化反转)的方式或者利用在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)来进行写入(磁化反转)的方式。
使用了STT的TMR元件的磁化反转当从能源的效率的观点考虑时是有效率的，但是需要在写入数据时沿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，作为不沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流而能够磁化旋转的装置，利用了通过由自旋轨道相互作用产生的纯自旋流引起的自旋轨道转矩(SOT)的自旋轨道转矩型磁阻效应元件备受关注(例如，非专利文献1)。SOT是由通过自旋轨道相互作用而产生的纯自旋流或不同种类的材料的界面处的拉什巴效应所引起的。用于在磁阻效应元件内引起SOT的电流沿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使电流沿磁阻效应元件的层叠方向流通，并且可以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
发明所要解决的技术问题
为了提高磁阻效应元件的驱动效率，寻求降低利用SOT来使磁化反转所需的反向电流密度。然而，已知根据SOT的反向电流密度与根据STT的反向电流密度为相同程度。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种降低了反向电流密度的自旋轨道转矩型磁阻效应元件以及磁存储器。
用于解决技术问题的技术手段
本发明为了解决上述问题，提供以下的技术手段。
(1)第一实施方式所涉及的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；位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层；以及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相对于作为所述第一铁磁性层的法线方向的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无机化合物层的结构体，所述铁磁性导电体层包含铁磁性金属元素，所述含无机化合物层包含选自碳化物、氮化物、硫化物中的至少一种无机化合物。
(2)在上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，在所述第一层叠结构体与所述界面磁性层之间可以插入有一个以上的层叠有铁磁性导电体层和含无机化合物层的第二层叠结构体。
(3)在上述实施方式所涉及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。
(4)在上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述含无机化合物层的膜厚可以为1.0nm以下的膜厚。
(5)在上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述第一铁磁性层可以具有防扩散层，所述防扩散层可以位于所述界面磁性层的与所述非磁性层相接一侧为相反侧的面上。
(6)在上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，所述界面磁性层可以包含选自Co、Fe、B中的至少一种元素。
(7)第二实施方式所涉及的磁存储器，其具备多个上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种降低了反向电流密度的自旋轨道转矩型磁阻效应元件以及磁存储器。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及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所涉及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所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的一例的截面示意图。
图4是变形例3所涉及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所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件沿另一面切断的截面示意图。
图6是变形例4所涉及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所涉及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所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的截面示意图。
图9是示意性地示出第二实施方式所涉及的磁存储器的图。
图10是第二实施方式所涉及的磁存储器的主要部分的截面示意图。
符号的说明：
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…含无机化合物层；20…界面磁性层；30…防扩散层；101、102、103、104、105、106…自旋轨道转矩型磁阻效应元件；200…磁存储器。
具体实施方式
在下文中，一边适当参照附图一边对本实施方式的优选例进行详细地说明。在以下的说明中使用的附图，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，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，能够在实现本发明的效果的范围内适当变更而实施。
<第一实施方式(自旋轨道转矩型磁阻效应元件)>
图1是第一实施方式所涉及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示出了将自旋轨道转矩型磁阻效应元件沿通过自旋轨道转矩配线5的y方向的中心的xz平面截取的截面。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和位于第一铁磁性层1与第二铁磁性层2之间的非磁性层3。自旋轨道转矩配线5沿相对于作为第一铁磁性层1的法线方向的第一方向交叉的第二方向延伸。自旋轨道转矩配线5层叠有第一铁磁性层1。
在本说明书中，将作为第一铁磁性层1的法线方向的第一方向设定为z方向，将与第一方向垂直并且自旋轨道转矩配线5延伸的第二方向设定为x方向，将正交于x方向和z方向中的任一者的方向设定为y方向。
[功能部]
功能部4发挥与通常的磁阻效应元件相同的功能。在非磁性层3由绝缘体构成的情况下，功能部4成为隧道磁阻效应(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件。另外，在非磁性层3由金属构成的情况下，功能部4是与巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的结构。根据第一铁磁性层1的磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2的相对角的差异，功能部4的z方向的电阻值变化。在施加有规定的外力时，第二铁磁性层2的磁化M2相比第一铁磁性层1的磁化更难以改变取向方向。第二铁磁性层2被称为固定层或参照层，第一铁磁性层1被称为自由层或记忆层等。
功能部4通过第二铁磁性层2的磁化被固定于一个方向(z方向)，并且第一铁磁性层1的磁化方向相对地变化而起作用。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型；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，通过与反铁磁性层的交换耦合来固定第二铁磁性层2的磁化。
功能部4也可以具有除了第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3以外的层。其它的层例如是用于将第二铁磁性层2的磁化方向固定的反铁磁性层和用于提高功能部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能够使界面磁性层20的磁化方向变化。第一层叠结构体10a是层叠有铁磁性导电体层11a和含无机化合物层12a的结构体。界面磁性层20位于非磁性层3与含无机化合物层12a之间。界面磁性层20例如与非磁性层3相接。铁磁性导电体层11a位于自旋轨道转矩配线5与含无机化合物层12a之间。铁磁性导电体层11a与例如自旋轨道转矩配线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。当铁磁性导电体层11a的导电性高于自旋轨道转矩配线5的导电性时，流过自旋轨道转矩配线5的电子容易侵入铁磁性导电体层11a。另外，通过含无机化合物层12a而破坏了铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性。结晶结构的对称性的破坏会破坏铁磁性导电体层11a的内场(存在电子的分布)的对称性。铁磁性导电体层1a的内场从铁磁性导电体层11a单独存在的状态开始变化。因此，当电子侵入铁磁性导电体层11a时，与内场的对称性不被破坏的情况相比，铁磁性导电体层11a中产生的自旋流增加。当铁磁性导电体层11a中产生的自旋流增加时，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的反向电流密度降低。另外，当含无机化合物层12a的阴离子成分与铁磁性元素结合时，铁磁性导电体层11a的垂直磁各向异性(PMA)变大。并且，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优选由Co、Fe、Ni、Ga或这些金属的合金形成。铁磁性导电体层11a的膜厚优选在0.3nm以上且2.0nm以下的范围内。
[含无机化合物层]
含无机化合物层12a包含选自碳化物、氮化物、硫化物中的至少一种无机化合物。含无机化合物层12a只要是以破坏铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性的方式形成，则对其结构没有特别的限制。例如，含无机化合物层12a中的阴离子成分缺乏量根据面内方向(xy面内)的位置而不均匀，由此铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性被破坏。另外，通过使含无机化合物层12a中的阴离子成分缺乏量在与面内方向(xy面内)正交的法线方向(xz方向或yz方向)不均匀，也可以破坏铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性。进一步，通过使含无机化合物层12a的一部分为过量阴离子成分的状态，并且使面内方向或法线方向的阴离子成分量为不均匀，从而可以破坏结晶结构的对称性。含无机化合物层12a可以是仅由无机化合物构成的层，也可以是包含铁磁性金属元素和无机化合物的层。包含铁磁性金属元素和无机化合物的层可以是无机化合物岛状地散布于铁磁性金属元素中的结构，也可以是无机化合物的颗粒分散于铁磁性金属元素中的结构。
含无机化合物层12a的无机化合物中所包含的阳离子成分优选为铁磁性金属，特别优选与铁磁性导电体层11a中所包含的铁磁性金属元素相同。在该情况下，含无机化合物层12a与铁磁性导电体层11a的紧贴性提高，并且容易引起铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性的破坏。当铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性破坏时，铁磁性导电体层11a内的自旋流的产生效率提高。阳离子成分例如为Co、Fe、Ni、Ga。
含无机化合物层12a中所含的无机化合物，相对于化学计量组成，优选欠缺阴离子成分(C4-、N3-、S2-)。在该情况下，从铁磁性导电体层11a供给的自旋流容易通过含无机化合物层12a，并且自旋流向界面磁性层20的传输效率提高。无机化合物相对于化学计量组成，优选在5原子％以上且30原子％以下的范围内欠缺阴离子成分。
含无机化合物层12a的膜厚优选为1.0nm以下。在该情况下，由于铁磁性导电体层11a和界面磁性层20更强地铁磁性耦合，因此，相对于热干扰等的磁化的稳定性提高。另外，当含无机化合物层12a的膜厚薄时阴离子成分散布，由此容易丧失铁磁性导电体层11a的结晶结构的对称性。因此，含无机化合物层12a的膜厚优选为一层原子厚度以上。此外，在一层原子厚度的情况下，不成为连续均匀的层，而是无机化合物散布，但是在该情况下也当作含无机化合物层。
[界面磁性层]
界面磁性层20可以适用铁磁性材料，特别是软磁性材料。
界面磁性层20，例如，包含选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含一种以上的这些金属的合金、包含有这些金属与B、C和N中的至少一种以上的元素的合金等。界面磁性层20，例如，可以例示出Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。另外，在界面磁性层20是面内磁化膜的情况下，界面磁性层20，例如是Co-Ho合金(CoHo2)、Sm-Fe合金(SmFe12)等。
界面磁性层20也可以是Co2FeSi等Heusler合金。Heusler合金包含化学组成为XYZ或X2YZ的金属间化合物，并且X是元素周期表中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是第III族至第V族的典型元素。Heusler合金，例如是Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。Heusler合金具有高的自旋极化率，并且可以提高功能部4的MR比。
界面磁性层20优选包含选自Co、Fe、B中的至少一种元素。界面磁性层20特别优选Co-Fe-B。在该情况下，可以提高功能部4的MR比。
界面磁性层20的膜厚优选在0.5nm以上且3.0nm以下的范围内。
(非磁性层)
非磁性层3可以使用公知的材料。
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例如是Al2O3、SiO2、MgO和MgAl2O4等。另外，非磁性层3也可以适用这些Al、Si、Mg的一部分被置换成Zn、Be等而成的材料。在这些中，MgO或MgAl2O4可以提高功能部4的MR比。在非磁性层3由金属构成的情况下，非磁性层3例如是Cu、Au、Ag等。进一步，在非磁性层3由半导体构成的情况下，非磁性层3例如是Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等。
非磁性层3的膜厚优选在0.3nm以上且3.0nm以下的范围内。
(第二铁磁性层)
第二铁磁性层2的材料可以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的膜厚优选在0.5nm以上且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的一个面。自旋轨道转矩配线5可以直接连接于铁磁性导电体层11a，也可以经由其它的层而连接。
自旋轨道转矩配线5在电流流通时通过自旋霍尔效应生成自旋流。自旋霍尔效应是在配线中流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿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，当在自旋轨道转矩配线5的x方向的两端赋予电位差时，电流I沿x方向流动。当电流I流动时，在+y方向上取向的第一自旋S1与在-y方向上取向的第二自旋S2分别在与电流正交的方向上弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在会使运动(移动)的电荷(电子)的运动(移动)方向弯曲的方面相同。另一方面，通常的霍尔效应与自旋霍尔效应使运动(移动)的电荷(电子)的运动(移动)方向弯曲所需要的条件不同。在通常的霍尔效应中，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，相对于此，在自旋霍尔效应中，不存在磁场，却只由于电子移动(只由于电流流通)就使移动方向弯曲，在这方面有很大不同。为了消除由自旋霍尔效应产生的第一自旋S1和第二自旋S2的不均匀状态，在z方向上产生自旋流。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)的第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等，因此，在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。因此，作为净电荷流的电流为零。特别地将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↓、将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑-J↓定义。自旋流JS在图中的z方向上流动。在图1中，第一铁磁性层1存在于自旋轨道转矩配线5的上表面。因此，自旋注入第一铁磁性层1。
自旋轨道转矩配线5可以由具有在电流流通时通过自旋霍尔效应而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、金属磷化物中的任意种构成。
自旋轨道转矩配线5的主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。这些非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用大。
电子通常不管其自旋的方向，均向电流的反方向移动。对此，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，自旋霍尔效应强烈地作用。因此，电子移动的方向取决于电子的自旋方向。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。自旋散射时，自旋轨道相互作用被增强，相对于电流的自旋流的生成效率变高。
另一方面，当磁性金属的添加量过多时，产生的自旋流被添加的磁性金属散射，作为结果，有时自旋流减少的作用变强。因此，添加的磁性金属的摩尔比优选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也可以含有拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或者高电阻体，并且是在其表面产生自旋极化的金属状态的物质。在拓扑绝缘体中通过自旋轨道相互作用而产生内部磁场。因此，拓扑绝缘体即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也体现新的拓扑相。即，拓扑绝缘体即使没有外部磁场，从内部到表面的方向的电子状态的对称性也会紊乱。拓扑绝缘体通过强的自旋轨道相互作用和边缘处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，优选例如SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够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，例如可以通过从自旋轨道转矩配线5侧起，依次层叠铁磁性导电体层11a、含无机化合物层12a、界面磁性层20、非磁性层3、第二铁磁性层2来制造。以下，在本说明书中有时将层叠于自旋轨道转矩配线5上的层统称为层叠体。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，可以使用溅射法、化学气相沉积(CVD)法等公知的方法。作为层叠含无机化合物层12a的方法，例如，可以使用通过溅射法或CVD法形成铁磁性金属膜，然后使所得到的铁磁性金属膜碳化、氮化、或硫化的方法、将铁磁性金属和无机化合物共溅射的方法。
所得到的层叠体优选进行退火处理。通过进行退火处理，各层的结晶性提高，并且可以提高功能部4的MR比。
作为退火处理，优选：在Ar等的惰性气氛中，在300℃以上且500℃以下的温度下加热了5分钟以上且100分钟以下的时间之后，在施加有2kOe以上且10kOe以下的磁场的状态下，在100℃以上且500℃以下的温度下加热1小时以上且10小时以下的时间。
由于如上所述构成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，可以使反向电流密度降低。
图2是变形例1所涉及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沿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除了在第一层叠结构体10a和界面磁性层20之间插入有第二层叠结构体10b之外，其余与图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同的结构赋予相同的符号，并省略说明。
第二层叠结构体10b是层叠有铁磁性导电体层11b和含无机化合物层12b的结构体。铁磁性导电体层11b位于含无机化合物层12a与含无机化合物层12b之间。铁磁性导电体层11b例如与第一层叠结构体10a的含无机化合物层12a相接。含无机化合物层12b与界面磁性层20相接。
第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚优选比第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a的膜厚薄。通过将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相对地加厚，从而可以使铁磁性导电体层11a为面内磁化膜。另外，另一方面，通过将从自旋轨道转矩配线5分离的第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚，相对于铁磁性导电体层11a相对地减薄，从而可以使铁磁性导电体层11b的磁化为垂直磁化。通过这样使磁化的取向方向不同的铁磁性导电体层11a和铁磁性导电体层11b接近，可以将第一铁磁性层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的磁化方向相对于z方向倾斜时，磁化的对称性破坏，成为能够无磁场磁化反转。第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b的膜厚优选相对于第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a的膜厚在50％以上且90％以下的范围内。
第二层叠结构体10b的含无机化合物层12b的膜厚与第一层叠结构体10a的情况同样地，优选为1.0nm以下。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件102，除了在含无机化合物层12a和界面磁性层20之间层叠铁磁性导电体层11b和含无机化合物层12b之外，其余可以与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的情况同样地制造。第二层叠结构体10b的铁磁性导电体层11b和含无机化合物层12b可以与第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a和含无机化合物层12a的情况同样地层叠。
由于如上所述构成的本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102除了在第一层叠结构体10a的铁磁性导电体层11a，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，可以使反向电流密度进一步降低。此外，在图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和界面磁性层20之间插入有一个第二层叠结构体10b，但是对第二层叠结构体10b的数量没有特别的限制，也可以是2个以上。在插入2个以上的第二层叠结构体10b的情况下，优选使靠近自旋轨道转矩配线5一侧的铁磁性导电体层11b的厚度变厚。
图3是变形例2所涉及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沿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之外，其余与图2所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102相同。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件102相同的结构赋予相同的符号，并省略说明。
防扩散层30接触于与界面磁性层20的非磁性层3相接一侧为相反侧的面(在图3中为下表面)。防扩散层30，例如位于界面磁性层20和第二层叠结构体10b之间。例如，在制造自旋轨道转矩型磁阻效应元件103时进行退火处理的时候等的高温环境下，防扩散层30抑制界面磁性层20中所包含的元素在含无机化合物层12b的方向上元素扩散。
防扩散层30优选包含非磁性元素。非磁性元素例如是Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au。防扩散层30可以单独地包含这些元素的一种，也可以组合地包含两种以上。另外，防扩散层30的厚度优选为构成防扩散层30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，重金属元素严格地岛状散布。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的膜厚优选在0.3nm以上且2.0nm以下的范围内。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件103除了在含无机化合物层12b与界面磁性层20之间层叠防扩散层30之外，其余可以与自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的情况同样地制造。作为层叠防扩散层30的方法，可以使用溅射法、化学气相沉积(CVD)法等公知的方法。
由于如上所述构成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，可以使反向电流密度降低。另外，由于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，界面磁性层20中所包含的元素也难以元素扩散至含无机化合物层12b。因此，由于含无机化合物层12b长时间稳定，因此，自旋轨道转矩型磁阻效应元件103可以在长时间内稳定并且使反向电流密度降低。
图4和图5是变形例3所涉及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沿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沿通过功能部4的x方向的中心的yz平面切断的截面。图4和图5所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104除了功能部4的侧面的形状和自旋轨道转矩配线5的第一面5a的形状不同之外，其余与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101相同的结构赋予相同的符号，并省略说明。
从z方向观察，图4和图5所示的功能部4随着接近自旋轨道转矩配线5而在xy面内扩展。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可以根据z方向的高度位置而不同，也可以是恒定的。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由第二铁磁性层2、非磁性层3、界面磁性层20、含无机化合物层12a、铁磁性导电体层11a的各自的侧面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分别连续并形成一个侧面4s。在此，“连续”是指在沿xz平面或yz平面切断的截面中，沿侧面4s画出的切线的斜率是恒定的或者连续地变化。
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位置而不同。第一面5a是自旋轨道转矩配线5的靠近功能部4一侧的面。在下文中，在第一面5a中，将在z方向与功能部4重叠的部分称为第一面5aA，将不重叠的部分称为第一面5aB。第一面5aA相比第一面5aB位于+z方向。即，第一面5aA位于比第一面5aB远离后述的基板Sub的位置。在将功能部4加工成规定的形状时，通过离子铣削等，存在第一面50aB形成于相比第一面50aA为-z方向的位置的情况。
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和侧面4s，例如是不连续的。“不连续”是指在沿xz平面或yz平面切断的截面中，沿侧面5s、4s画出的切线的斜率不连续地变化。在将自旋轨道转矩配线5加工成规定的形状之后，在将功能部4加工成规定的形状的情况下，存在侧面5s和侧面4s不连续的情况。
另外，在图4和图5中，同时示出了围绕功能部4和自旋轨道转矩配线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或元件间绝缘的绝缘层。绝缘层90、91例如是氧化硅(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。
由于如上所述构成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，可以使反向电流密度降低。另外，铁磁性导电体层11a的侧面11as相对于xy平面倾斜，由此从自旋轨道转矩配线5流向铁磁性导电体层11a的电流流动变得顺畅。即，自旋轨道转矩型磁阻效应元件104能够抑制伴随急剧的电流密度的变化的电流损耗。
图6是变形例4所涉及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沿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的侧面的形状不同之外，其余与变形例3所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件104相同。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件104相同的结构赋予相同的符号，并省略说明。
从z方向观察，图6所示的功能部4随着接近自旋轨道转矩配线5而阶段性地在xy面内扩展。图6所示的功能部4中的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，其外周长或外径变大。图6所示的功能部4中的由金属以外构成的非磁性层3、含无机化合物层12a，随着接近自旋轨道转矩配线5，其外周长或外径变小。
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、含无机化合物层12a的侧面3s、12as，例如相对于xy平面以倾斜角θ2倾斜。倾角θ1、θ2可以根据z方向的高度位置而不同，也可以是恒定的。倾斜角θ1和倾斜角θ2不同。倾斜角θ1例如小于90°，倾斜角θ2例如为90°以上。
功能部4的侧面4s是不连续的。在各层的侧面2s、3s、20s、12as、11as的边界处，侧面4s是不连续的。侧面4s例如在第二铁磁性层2与非磁性层3的边界、非磁性层3与界面磁性层20的边界、界面磁性层20与含无机化合物层12a的边界、含无机化合物层12a与铁磁性导电体层11a的边界处具有高低差。
在形成功能部4的情况下，在经由掩模而从z方向加工之后，存在从x方向或y方向进行离子铣削(侧铣)等的情况。当进行侧铣时，可以减小功能部4的x方向和y方向的宽度，并且可以使功能部4的尺寸微细化。侧铣的进度根据构成层的材料而不同。金属通常比非金属软，从而存在金属比非金属侧铣的进度大的情况。由于各层的侧铣的进度的差异，功能部4的侧面4s变得不连续。
由于如上所述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，可以使反向电流密度降低。另外，铁磁性导电体层11a的侧面11as相对于xy平面倾斜，由此，从自旋轨道转矩配线5流向铁磁性导电体层11a的电流流动变得顺畅。进一步，通过侧面4s不连续，从而可以提高与绝缘层90的紧贴性。
另外，图7是变形例4所涉及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沿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°的情况的例子。
图8是变形例5所涉及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沿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的位置关系不同之外，其余与图6所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件105相同。因此，对与自旋轨道转矩型磁阻效应元件105相同的结构赋予相同的符号，并省略说明。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件106中，自旋轨道转矩配线5相对于功能部4位于+z方向。即，自旋轨道转矩配线5位于比功能部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、含无机化合物层12a、铁磁性导电体层11a。第二铁磁性层2位于比第一铁磁性层1靠近后述的基板Sub的位置。功能部4有时被称为底销结构。
自旋轨道转矩配线5层叠于功能部4和绝缘层90的+z方向的位置。自旋轨道转矩配线5的第一面5a和第二面5b的z方向的高度位置根据位置而不同。第一面5a是自旋轨道转矩配线5的靠近功能部4一侧的面，第二面5b是与第一面5a为相反侧的面。在下文中，在第一面5a中，将在z方向与功能部4重叠的部分称为第一面5aA，将不重叠的部分称为第一面5aB。在下文中，在第二面5b中，将在z方向与功能部4重叠的部分称为第二面5bA，将不重叠的部分称为第二面5bB。第一面5aB相比第一面5aA位于+z方向。由于对第一面5a进行例如化学机械抛光(CMP)时的抛光速度的差异，第一面5aA相对于第一面5aB凹向-z方向。第二面5aB相比第二面5aA位于+z方向。第二面5b反映第一面5a的形状。
即使如上所述构成的自旋轨道转矩型磁阻效应元件106是底销结构，由于在铁磁性导电体层11a内产生自旋流，因此，也可以使反向电流密度降低。
<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对应于沿着图9中的A-A面切断了自旋轨道转矩型磁阻效应元件101而得到的截面图的一部分。图9所示的磁存储器200中，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是磁存储器的一例，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101的结构、数量和配置是任意的。
在自旋轨道转矩型磁阻效应元件101，分别连接有1根字线WL1～WL3、1根位线BL1～BL3、1根引线RL1～RL3。
通过在字线WL1～WL3和位线BL1～BL3之间赋予规定值以上的电压差，从而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，进行写入动作。另外，通过在引线RL1～RL3和位线BL1～BL3之间赋予规定值以上的电压差，从而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，进行读取动作。通过从这些多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件101读出任意元件的数据，从而能够作为磁存储器有效地利用。
另外，图10是将图9所示的磁存储器200的主要部分沿A-A面切断的截面图。磁存储器200具有自旋轨道转矩型磁阻效应元件101和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所示的开关元件是晶体管Tr。晶体管Tr具有栅电极G、栅绝缘膜GI以及形成于基板Sub的源极区域S和漏极区域D。基板Sub例如是半导体基板。
晶体管Tr的各个与自旋轨道转矩型磁阻效应元件101、字线WL和位线BL经由导电部Cw而电连接。导电部Cw例如有时被称为连接配线、贯通配线。导电部Cw包含具有导电性的材料。导电部Cw沿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连接于引线RL。在引线RL与电极80之间，也可以具有开关元件(例如，晶体管)。引线RL与电极80之间的开关元件例如位于图10中的纸面进深方向(-y方向)。
除去导电部Cw以外，存储元件100和晶体管Tr被绝缘层90电分离。
第二实施方式所涉及的磁存储器200具有多个第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件101。如上所述，自旋轨道转矩型磁阻效应元件101分别反向电流密度小。因此，可以以低功耗来驱动磁存储器200。

Claims (5)

1.一种自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其特征在于，
具备：
第一铁磁性层；
第二铁磁性层；
位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层；以及
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相对于作为所述第一铁磁性层的法线方向的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无机化合物层的结构体，
所述自旋轨道转矩配线直接连接于所述铁磁性导电体层，
所述铁磁性导电体层包含铁磁性金属元素，
所述含无机化合物层包含选自碳化物、氮化物、硫化物中的至少一种无机化合物，
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无机化合物层的第二层叠结构体插入于所述第一层叠结构体与所述界面磁性层之间，
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。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其特征在于，
所述含无机化合物层的膜厚为1.0nm以下。
3.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其特征在于，
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一侧为相反侧的面上。
4.根据权利要求1或2所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，其特征在于，
所述界面磁性层包含选自Co、Fe、B中的至少一种元素。
5.一种磁存储器，其特征在于，
具备多个权利要求1～4中任一项所述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件。
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