CN111512456B - 铁磁性层叠膜、自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

铁磁性层叠膜、自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件和磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明的铁磁性层叠膜包括多个第一磁性层、至少一个第二磁性层和至少一个第一非磁性层，第一磁性层与第二磁性层或第一非磁性层交替层叠，构成第一磁性层的材料与构成第二磁性层的材料不同，上述第一磁性层、上述第一非磁性层和上述第二磁性层是在上述第一磁性层与上述第一非磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合，并且是在上述第一磁性层与上述第二磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合。

Description

铁磁性层叠膜、自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件和磁存 储器
技术领域
本发明涉及铁磁性层叠膜，另外还涉及具有这种铁磁性层叠膜的自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件和磁存储器。本发明基于2018年2月27日申请的特愿2018-033101号主张优先权，并将其内容引用于此。
背景技术
已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件和使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)作为非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。一般来说，TMR元件的元件电阻比GMR元件d高，但磁阻(MR)比比GMR元件的MR比大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头以及非易失性磁阻随机存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
MRAM利用夹着绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化方向变化时TMR元件的元件电阻发生变化的特性，进行数据的读写。作为MRAM的写入方式，已知利用电流所形成的磁场进行写入(磁化反转)的方式和利用在磁阻元件的层叠方向上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视角考虑时是有效的，但在写入数据时需要在磁阻效应元件的层叠方向上流通电流。有时写入电流会使磁阻效应元件的特性劣化。
另外，近年来需求MRAM的高集成化。为了实现MRAM的高集成化，需要使TMR元件小型化。但是，当将TMR元件小型化时，磁化的稳定性降低。当磁化的稳定性降低时，受到热等的影响，有时数据被无意的改写。在MRAM中不允许这种无意的数据改写，期望热稳定性高。
另一方面，近年来，作为通过与STT不同的机理降低反转电流的方法，利用了通过自旋霍尔效应生成的纯自旋流的磁化反转方式也备受关注(例如非专利文献1)。SOT(自旋轨道转矩)由于通过自旋轨道相互作用产生的自旋流、不同种类材料的界面处的Rashba效应、结晶结构中的反转对称性的崩塌等而被引发。用于在磁阻效应元件内引发SOT的电流在与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向上流通。即，不需要在磁阻效应元件的层叠方向上流通电流，能够期待磁阻效应元件的长寿命化。
根据非专利文献1，报道了SOT方式产生的反转电流密度与STT方式产生的反转电流密度为同等程度。但是，目前在SOT方式中报道的反转电流密度对于实现高集成化和低能耗化是不够的，存在改善的余地。
另外，例如非专利文献2中的记载，作为SOT方式的磁阻效应元件用的垂直磁化膜，还使用将铁磁性层与非磁性层交替层叠而成的铁磁性层叠膜(例如[Co/Pt]n)或将两种铁磁性层交替层叠而成的铁磁性层叠膜(例如[Co/Ni]n)。这种铁磁性层叠膜也在STT方式的磁阻效应元件中使用。
将铁磁性层与非磁性层交替层叠而成的铁磁性层叠膜虽然具有高的磁各向异性，但饱和磁化低。另一方面，将两种铁磁性层交替层叠而成的铁磁性层叠膜虽然具有高的饱和磁化，但磁各向异性低。为了呈现高的热稳定性，希望磁各向异性和饱和磁化都高。
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，NatureNanotechnology(2016).DOI：10.1038/NNANO.2016.29。
非专利文献2：S.Fukami，C.Zhang，S.DuttaGupta，A.Kurekov and H.Ohno，Naturematerials(2016).DOI：10.1038/NMAT4566。
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种降低反转电流密度并且提高热稳定性的新的铁磁性层叠膜。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明提供以下方案。
(1)本发明的第一方式的铁磁性层叠膜，包括多个第一磁性层、至少一个第二磁性层和至少一个第一非磁性层，上述第一磁性层与上述第二磁性层或上述第一非磁性层交替层叠，构成上述第一磁性层的材料与构成上述第二磁性层的材料不同，上述第一磁性层、上述第一非磁性层和上述第二磁性层是在上述第一磁性层与上述第一非磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合，并且是在上述第一磁性层与上述第二磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合。
(2)在上述方式的铁磁性层叠膜中，可以上述第一磁性层由含有Co和Fe中的一方或双方的铁磁性材料构成，上述第二磁性层由含有Ni的铁磁性材料构成，上述第一非磁性层由含有Ti、Zr、Hf、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的至少一种的非磁性材料构成。
(3)在上述方式的铁磁性层叠膜中，可以上述第一磁性层由含有Co和Fe中的一方或双方的铁磁性材料构成，上述第二磁性层由含有Ni的铁磁性材料构成，上述第一非磁性层由含有V、Cr、Mo、Ta和W中的至少一种的非磁性材料构成。
(4)在上述方式的铁磁性层叠膜中，可以上述第一磁性层与上述第二磁性层或上述第一非磁性层交替层叠的层叠顺序为相对于与上述铁磁性层叠膜的膜面垂直的第一方向非对称的层叠顺序。
(5)在上述方式的铁磁性层叠膜中，可以具有至少一个通过上述第一磁性层、上述第二磁性层、上述第一磁性层、上述第一非磁性层和上述第一磁性层依次在上述第一方向上层叠而成的非对称的五层结构。
(6)在上述方式的铁磁性层叠膜中，可以上述第一非磁性层中的至少一个比上述多个第一磁性层和上述至少一个第二磁性层的任一层都厚。
(7)本发明的第二方式的自旋流磁化旋转元件，其包括上述任一方式的铁磁性层叠膜和自旋轨道转矩配线，上述自旋轨道转矩配线在相对于与上述铁磁性层叠膜的膜面垂直的第一方向交叉的第二方向上延伸，位于上述铁磁性层叠膜的上述第一方向。
(8)本发明的第三方式的磁阻效应元件，其包括上述方式的自旋流磁化旋转元件、磁化的方向被固定的固定层和夹持于上述铁磁性层叠膜与上述固定层之间的非磁性间隔层。
(9)本发明的其它方式的磁阻效应元件包括上述任一方式的铁磁性层叠膜作为磁化方向被固定的固定层，还包括自由层、和夹持于上述铁磁性层叠膜与上述自由层之间的非磁性间隔层。
(10)如上述(9)的方式的磁阻效应元件，可以在上述铁磁性层叠膜与上述非磁性间隔层之间还包括反铁磁性耦合层和界面铁磁性金属层。
(11)在上述方式的磁阻效应元件中，上述反铁磁性耦合层可以含有Ru、Rh或Ir。
(12)在上述方式的磁阻效应元件中，上述铁磁性层叠膜的磁化可以为垂直磁化。
(13)在上述方式的磁阻效应元件中，上述铁磁性层叠膜的磁化可以相对于膜层叠方向倾斜。
(14)本发明的第四方式的磁存储器，其具有多个上述任一方式的磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明的铁磁性层叠膜，能够降低反转电流密度并且提高热稳定性。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图2是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图3是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图4是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图5是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图6是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图7是表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。
图8A是用于说明本发明的一个实施方式的自旋流磁化旋转元件的概况的平面示意图。
图8B是用于说明本发明的一个实施方式的自旋流磁化旋转元件的概况的截面示意图。
图9是用于说明自旋霍尔效应的示意图。
图10是表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的截面结构的一例的示意图。
图11是表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的截面结构的一例的示意图。
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明本发明的实施方式的优选例。以下的说明中所使用的附图中，为了容易理解本发明的实施方式的特征，方便起见有时将特征部分放大并示意性地表示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际情况不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等是一例，本发明不限定于这些，在能够实现其效果的范围内，可对数、数值、量、比率、特性等适当变更实施。本发明的实施方式的元件中，在实现本发明效果的范围内，可以具有其它的层。
(铁磁性层叠膜)
图1表示本发明的一个实施方式的铁磁性层叠膜的截面结构的一例的示意图。以下的说明中，为了方便，将铁磁性层叠膜的膜面的面垂直方向或层叠方向作为第一方向(z方向，厚度方向)，将与第一方向垂直且沿着铁磁性层叠膜的长边方向的方向作为第二方向(x方向，长度方向)，将与第一方向和第二方向均正交的方向作为第三方向(y方向，宽度方向)。
图1所示的铁磁性层叠膜10包括多个第一磁性层1、至少一个第二磁性层2和至少一个第一非磁性层3，第一磁性层1与第二磁性层2或第一非磁性层3交替层叠。
＜第一磁性层＞
第一磁性层1由铁磁性材料构成。构成第一磁性层1的铁磁性材料能够使用公知的材料。作为构成第一磁性层1的材料，例如可以举出常温下的单质结晶结构呈现六方最密堆积(hcp)结构或面心立方晶格(fcc)的钴(Co)等的金属、或者常温下的单质结晶结构呈现体心立方晶格(bcc)结构的铁(Fe)等的金属。这些金属可以以呈现上述结晶结构的单质使用，这些金属也可以以含有一种以上且呈现铁磁性的合金(例如Co-Fe合金)或化合物的形态使用。
＜第二磁性层＞
第二磁性层2由与构成第一磁性层1的铁磁性材料不同的铁磁性材料构成。构成第二磁性层2的铁磁性材料也可以使用公知的材料。作为构成第二磁性层2的材料，例如可以举出常温下的单质结晶结构呈现面心立方晶格(fcc)结构的镍(Ni)、或者常温下的单质结晶结构为六方最密堆积(hcp)结构的钆(Gd)等的金属。这些金属可以以呈现上述结晶结构的单质使用，这些金属也可以以含有一种以上且呈现铁磁性的合金或化合物的形态使用。特别是选择构成第二磁性层2的铁磁性材料，使得在第二磁性层2与第一磁性层1接触形成界面时产生界面磁各向异性。特别优选选择构成第二磁性层2的铁磁性材料以赋予沿着铁磁性层叠膜10的面垂直方向的垂直磁各向异性。例如第一磁性层1/第二磁性层2的组合可以为Co/Ni、Fe/Ni、Co/Gd、Ni/Co、Ni/Fe等，优选为Co/Ni、Fe/Ni、Co/Gd，是有效的，更优选为Co/Ni，但并不限定于这些。
＜第一非磁性层＞
第一非磁性层3由非磁性材料构成。特别是选择构成第一非磁性层3的非磁性材料，使得在第一非磁性层3与第一磁性层1接触形成界面时产生界面磁各向异性。特别优选选择构成第一非磁性层3的非磁性材料以赋予沿着铁磁性层叠膜10的面垂直方向的垂直磁各向异性。构成这种第一非磁性层3的非磁性材料也可以使用公知的材料。构成第一非磁性层3的非磁性材料可以举出常温下的单质结晶结构呈现hcp结构的金属、常温下的单质结晶结构呈现fcc结构的金属、或者常温下的单质结晶结构呈现bcc结构的金属等。常温下的单质结晶结构呈现hcp结构的金属例如有钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钌(Ru)等，常温下的单质结晶结构呈现fcc结构的金属例如有铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)等，常温下的单质结晶结构呈现bcc结构的金属例如有钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)等。这些金属可以以呈现上述结晶结构的单质使用，这些金属也可以以含有一种以上的铁磁性的合金或化合物的形态使用。
在构成铁磁性层叠膜10的第一磁性层1、第二磁性层2和第一非磁性层3全部统一成含有呈现fcc结构或hcp结构的金属的情况下(能够任意选择，例如Co/Ni/Co/Pt/Co或Co/Ni/Co/Pd/Co)，实现铁磁性层叠膜10中的结晶的匹配性，对于降低反转电流密度和提高热稳定性而言能够获得高的效果。另一方面，在铁磁性层叠膜10含有呈现bcc结构的金属的情况(例如第一非磁性层3含有呈现bcc结构的W的情况)下，与晶相中呈现bcc结构的Co-Fe-B/MgO/Co-Fe-B等组合，在使用铁磁性层叠膜10时，容易实现结晶的匹配性，能够抑制因加热而引起的垂直磁各向异性的降低。
第一磁性层1、第二磁性层2、第一非磁性层3的厚度没有特别限定，例如可以分别具有0.2～3.0nm的厚度。另外，所存在的多个第一磁性层1也可以不全都具有相同的厚度。关于这一点，第二磁性层2或第一非磁性层3存在多个的情况下也一样。即，所存在的多个第二磁性层2或第一非磁性层3可以不全都具有相同的厚度。根据一个实施方式，第一非磁性层3中的至少一个比多个第一磁性层和至少一个第二磁性层的任一层都厚。关于该结构的优点，以下对于自旋流磁化反转元件更详细地进行说明。
图1所示的铁磁性层叠膜10为沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1的五层结构(三层第一磁性层1、一层第二磁性层、一层第一非磁性层)的层叠顺序。图1所示的铁磁性层叠膜10中，第一磁性层1与第二磁性层2或第一非磁性层3的任一层交替层叠。作为这种层叠例，可图举出Co/Ni/Co/Pt(或Pd)/Co。
在图1所示的例子中，第一磁性层1和第一非磁性层3接合的界面部分呈现高的磁各向异性。另一方面，第一磁性层1和第二磁性层2接合的界面部分呈现高的饱和磁化。因此，作为铁磁性层叠膜10整体，兼备高的磁各向异性和高的饱和磁化，能够提高热稳定性。
另外，在图1所示的例子中，第一磁性层1与第二磁性层2或第一非磁性层3交替层叠的层叠顺序相对于铁磁性层叠膜的膜面垂直的第一方向(z方向)是非对称的。即，从第一非磁性层3观察，沿着第一方向(z方向)的上结构部分(从第一非磁性层3观察依次为第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1)与下结构部分(第一磁性层)是非对称的。另外，即使在从中心的第一磁性层1观察的情况下，上结构部分(从中心的第一磁性层1观察依次为第二磁性层/第一磁性层1)与下结构部分(从中心的第一磁性层1观察依次为第一非磁性层3/第一磁性层1)也是非对称的。如以下详细说明的那样，具有这种非对称结构的铁磁性层叠膜10在SOT方式的自旋流磁化旋转元件中使用时可成为有用的结构，能够降低反转电流密度。
本实施方式的铁磁性层叠膜不限定于图1所示那样的五层结构和非对称的结构。本实施方式的铁磁性层叠膜还可以根据期望的应用和特性具有第一磁性层1与第二磁性层2或第一非磁性层3的任一层交替层叠的其它的结构。例如，图2是表示本实施方式的铁磁性层叠膜11的截面结构的另一例的示意图。图2所示的铁磁性层叠膜11具有沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1的七层结构(可以任意选择，例如Co/Pt/Co/Pt/Co/Ni/Co)。该铁磁性层叠膜11与图1的铁磁性层叠膜10一样，从中心的第一非磁性层3观察，上结构部分与下结构部分是非对称的。
图3是表示本实施方式的九层结构的铁磁性层叠膜12的截面结构的另一例的示意图。在图3所示的铁磁性层叠膜12中，形成沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1的层叠顺序(可以任意选择，例如Co/Ni/Co/Ni/Co/Pt/Co/Ni/Co)。在图3所示的铁磁性层叠膜12中，从仅包含一层的第一非磁性层3观察或者从中心的第一磁性层1观察，上结构部分与下结构部分都是非对称的。
图4是表示本实施方式的九层结构的铁磁性层叠膜13的截面结构的另一例的示意图。在图4的铁磁性层叠膜13中，形成沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1的层叠顺序(能够任意选择，例如Co/[Ni/Co/Pt/Co]2)的层叠顺序。这种层叠结构可以看作具有[Ni/Co/Pt/Co]作为重复单位，可以扩展成比九层更多层的Co/[Ni/Co/Pt/Co]n(n为大于2的重复数)。
图5是表示本实施方式的九层结构的铁磁性层叠膜14的截面结构的又一例的示意图。在图5的铁磁性层叠膜中，形成沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1的层叠顺序(可以任意选择，例如Co/Pt/Co/Pt/Co/Ni/Co/Pt/Co)。在这样仅具有一层第二磁性层2的结构中，第一磁性层1和第二磁性层2接合的界面部分也呈现高的饱和磁化，并且第一磁性层1和第一非磁性层3接合的界面部分呈现高的磁各向异性，能够提高热稳定性。
[变形例]
另外，本实施方式的铁磁性层叠膜的变形例中，多个第一磁性层1可以不全由相同的材料构成。也就是说，构成一个或几个第一磁性层1的材料可以不同于构成其它的第一磁性层1的材料。换言之，多个第一磁性层1中的一个或几个可以使用与构成其它的第一磁性层1的材料不同的材料。在此，在将由与构成其它的第一磁性层1的材料不同的材料构成的一个或几个层作为第三磁性层4时，材料可以从上述的材料中任意选择，例如可以第一磁性层1使用Co、第三磁性层4使用Fe，或者第一磁性层1使用Fe、第三磁性层4使用Co。图6和图7是表示本实施方式的铁磁性层叠膜的变形例的一例的示意图。图6所示的铁磁性层叠膜15具有沿着第一方向(z方向)从上起依次为第一磁性层1/第二磁性层2/第三磁性层4/第一非磁性层3/第一磁性层1的五层结构(可以任意选择，例如Co/Ni/Fe/Pt(或Pd)/Co)。图7所示的铁磁性层叠膜16具有沿着第一方向(z方向)从上起依次为第三磁性层4/第二磁性层2/第一磁性层1/第一非磁性层3/第一磁性层1的五层结构(可以任意选择，例如Fe/Ni/Co/Pt/Co)。
同样，在第二磁性层2或第一非磁性层3存在多个的情况下，多个第二磁性层2可以不全由相同的材料构成，另外，多个第一非磁性层3也可以不全由相同的材料构成。例如，也可以对于多个第二磁性层2中的一个或几个层使用与构成其它的第二磁性层2的材料不同的材料。另外，也可以对于多个第一非磁性层3中的一个或几个层变更构成其它的第一非磁性层的材料。
铁磁性层叠膜例如可以用于自旋流磁化旋转元件。具体而言，在具有自旋流磁化旋转元件的磁阻效应元件中用作自由层。在将铁磁性层叠膜用作自由层的情况下，为了增大磁阻效应，可以在铁磁性层叠膜与非磁性间隔层之间插入Co-Fe-B合金等追加的铁磁性金属膜。另外，也可以在上述铁磁性层叠膜与上述追加的铁磁性金属膜之间插入将铁磁性层叠膜和追加的铁磁性金属膜的结晶生长切断的非磁性插入层。另外，更广泛而言，上述铁磁性层叠膜也可以用作SOT方式或STT方式等的磁阻效应元件普通的固定层。以下，对使用这些本实施方式的铁磁性层叠膜的元件的实施方式进行说明。
(自旋流磁化旋转元件)
图8表示本发明的一个实施方式的自旋流磁化旋转元件的一例的概况的示意图。图8A是俯视图，图8B是沿图8A的自旋轨道转矩配线120的宽度方向的中心线X-X线切断的截面图。
图8所示的自旋流磁化旋转元件100具有：磁化方向变化的铁磁性层叠膜110；和沿着相对于作为铁磁性层叠膜110的面垂直方向的第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸、且位于铁磁性层叠膜110的第一方向的自旋轨道转矩配线120。其中，在图8中，铁磁性层叠膜110与自旋轨道转矩配线120接合表示，但也可以在铁磁性层叠膜110与自旋轨道转矩配线120之间还包含其它的层等。另外，图8B中还表示了使铁磁性层叠膜110的磁化旋转时用于向自旋轨道转矩配线120通电的电源130。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件100、即通过自旋流所带来的SOT效应进行铁磁性体的磁化旋转的元件，能够在仅通过自旋流所带来的SOT进行铁磁性体的磁化反转的磁阻效应元件中使用。本说明书中将通过自旋流所带来的SOT效应进行铁磁性体的磁化旋转的元件特别称为自旋流磁化反转元件。另一方面，本实施方式的自旋流磁化旋转元件在现有的利用STT的磁阻效应元件中也可以作为铁磁性体的磁化反转的辅助部件或主力部件使用。
＜铁磁性层叠膜＞
铁磁性层叠膜110为上述本发明的铁磁性层叠膜，例如图1～图7所示的铁磁性层叠膜10～16的任一种，优选为图1～图3所示的铁磁性层叠膜10～12那样的非对称的铁磁性层叠膜。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线120由在流通电流时通过自旋霍尔效应生成自旋流并引发自旋轨道转矩的材料构成。换言之，自旋轨道转矩配线120的材料只要是在自旋轨道转矩配线120中生成自旋流的结构的材料即可。因此，自旋轨道转矩配线120的材料不限于由单质的元素构成的材料，也可以是包括由生成自旋流的材料构成的部分和由不生成自旋流的材料构成的部分的材料等。
自旋霍尔效应是在向材料流通电流时基于自旋轨道相互作用沿着与电流方向正交的方向引发纯自旋流的现象。
图9是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图。图9是将图8A和图8B的自旋轨道转矩配线120沿着x方向切断的示意图。基于图9说明通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机理。
如图9所示，在自旋轨道转矩配线120的延伸方向上流通电流I时，向纸面外侧取向的第一自旋S1和向纸面内侧取向的第二自旋S2分别向与电流正交的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)的运动(移动)方向弯曲这一点上是相同的，但通常的霍尔效应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，与之相对，自旋霍尔效应不存在磁场仅电子移动(仅流通电流)时移动方向弯曲，在这一点上存在很大差异。
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，作为电荷的净流量的电流为零。不伴有该电流的自旋流特别地称为纯自旋流。
在铁磁性体中流通电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2向彼此相反的方向弯曲这一点是相同的。另一方面，铁磁性体中为第一自旋S1和第二自旋S2的任一方多的状态。因此，在铁磁性体中流通电流的情况下，结果产生电荷的净流量(产生电压)，与非磁性体中流通电流的情况不同。因此，作为自旋轨道转矩配线120的材料，优选非磁性体。
自旋轨道转矩配线120的非磁性体可以含有非磁性的重金属。在此，重金属以具有钇以上的比重的金属的意义使用。自旋轨道转矩配线120可以仅由非磁性的重金属构成。
在该情况下，非磁性的重金属优选最外层具有d电子或f电子的、原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属。这是因为最外层具有d电子或f电子的、原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用大的缘故。自旋轨道转矩配线120可以仅由最外层具有d电子或f电子的原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属构成。作为这种非磁性金属，例如可以举出Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au和Bi等。
通常，向金属流通电流时，所有的电子均向电流的相反方向移动而与其自旋方向无关。与之相对，最外层具有d电子或f电子的原子序数较大的非磁性金属由于自旋轨道相互作用大，所以由于自旋霍尔效应，电子移动的方向依赖于电子的自旋方向，容易产生纯自旋流Js。
在此，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。在图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方流动。在此，JS为极化率为100％的电子流。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件100中，通过如上所述形成在自旋轨道转矩配线120中流通电流以生成自旋流，并且该自旋流向与自旋轨道转矩配线120接触的铁磁性层叠膜110扩散的结构，通过该自旋流所带来的自旋轨道转矩(SOT)效应引起铁磁性层叠膜110的磁化旋转。如果SOT效应足够大，则铁磁性层叠膜110的磁化反转。将铁磁性层叠膜110的磁化反转的本实施方式的自旋流磁化旋转元件特别地称为自旋流磁化反转元件。
另外，在本实施方式的自旋流磁化旋转元件100中，在铁磁性层叠膜110中也能够引发SOT。即，在向自旋轨道转矩配线120流通电流时，电流也流入与自旋轨道转矩配线120接合的铁磁性层叠膜110。铁磁性层叠膜110具有至少一个第一非磁性层3，该第一非磁性层3可以含有Pt、Pd、Ag、Mo等自旋轨道相互作用较强的重金属。因此，在第一非磁性层3中产生自旋流。另外，铁磁性层叠膜110例如可以具有图1～3所示的非对称的结构。第一非磁性层3中产生的自旋流在非对称的结构中扩散时，产生引起磁化旋转的追加的自旋轨道转矩效应。因此，在本实施方式的自旋流磁化旋转元件100中，与仅在自旋轨道转矩配线120中产生自旋轨道转矩效应的情况相比，能够进一步降低反转电流。
在一个实施方式中，如上所述，铁磁性层叠膜110所包括的第一非磁性层3中的至少一个比多个第一磁性层1和至少一个第二磁性层2的任一层都厚。通过这种结构，电流流入铁磁性层叠膜110中时，在第一非磁性层3中流通得最多，另外，厚的第一非磁性层3内所含的重金属的量增大，因而能够有效地生成自旋流。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件能够如后所述那样适用于磁阻效应元件。但是，作为用途，不限于磁阻效应元件，也能够适用于其它的用途。作为其它的用途，例如，还可以用于将自旋流磁化旋转元件配设于各像素、利用磁光效应在空间上对入射光进行调制的空间光调制器，在磁传感器中为了避免磁体的矫顽力引起的磁滞效应，也可以将施加于磁体的易磁化轴的磁场置换成SOT，但并不限定于此。
(磁阻效应元件)
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件具备本实施方式的自旋流磁化旋转元件100。
图10示意性地表示具有本实施方式的自旋流磁化旋转元件100的一个实施方式的磁阻效应元件200的截面结构。
图10所示的磁阻效应元件200具有：本实施方式的自旋流磁化旋转元件100、磁化方向被固定的固定层230、夹持于铁磁性层叠膜110与固定层230之间的非磁性间隔层240。在此，自旋流磁化旋转元件具有铁磁性层叠膜110和自旋轨道转矩配线120，因此，也可以换言之，图10所示的磁阻效应元件200具有后述的磁阻效应元件部205和自旋轨道转矩配线120。
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件200具有自旋轨道转矩配线120，由此，也能够形成为仅通过自旋流所带来的SOT进行磁阻效应元件的磁化反转的结构，还能够形成为在现有的利用STT的磁阻效应元件中并用自旋流所带来的SOT的结构。
在图10中，还表示了用于向磁阻效应元件200的层叠方向流通电流的配线250和用于制作磁阻效应元件200的基板260。
＜磁阻效应元件部＞
磁阻效应元件部205具有：作为磁化方向变化的自由层(也称为free层、存储层、记录层等)使用的本实施方式的铁磁性层叠膜110、磁化方向被固定的固定层230(也称为pin层、pinned层等)、和夹持于铁磁性层叠膜110与固定层230之间的非磁性间隔层240。
在磁阻效应元件部205中，固定层230的磁化被固定在一个方向，铁磁性层叠膜110的磁化的方向相对地发生变化。在应用于矫顽力差型(伪自旋阀型：Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，固定层230的矫顽力比自由层(铁磁性层叠膜110)的矫顽力大。在应用于交换偏置型(自旋阀：spin valve型)的MRAM的情况下，固定层230通过与追加的反铁磁性层的交换耦合而使得磁化方向被固定。
另外，在非磁性间隔层240由绝缘体构成的情况下，磁阻效应元件部205为隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件。在非磁性间隔层240由金属构成的情况下，为巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
作为本实施方式所具备的磁阻效应元件部205，能够使用公知的磁阻效应元件部的结构。磁阻效应元件部205不限定于该例，例如，铁磁性层叠膜110以外的各层也可以由多层构成，还可以具有用于将固定层230的磁化方向固定的反铁磁性层等的其它的层。
作为自由层的铁磁性层叠膜110优选为具有与膜面垂直的磁化的垂直磁化膜。因此，固定层230优选构成为磁化的方向相对于层为垂直方向的垂直磁化膜。
另外，铁磁性层叠膜110的磁化即使相对于膜层叠方向倾斜也是有效的。如果作为自由层使用的铁磁性层叠膜110的磁化的方向倾斜，在用作SOT、STT时，能够降低磁化反转电流值。即，能够降低磁化反转所需要的电流。另外，即使在用作SOT时，如果铁磁性层叠膜110的磁化的方向倾斜，也能够实现无磁场下的磁化反转。
固定层230的材料能够使用公知的材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、以及含有一种以上这些金属且呈现铁磁性的合金。另外，还能够使用含有这些金属和B、C及N中的至少1种以上元素的合金。具体而言，作为固定层230的材料，可以举出Co-Fe或Co-Fe-B等。
另外，作为固定层230的材料，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等惠斯勒合金。惠斯勒合金是在X、Y、Z分别如下所述的情况下，含有具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物的合金。在此，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，也可以取X的元素种类。Z是从III族到V族的典型元素。即，作为惠斯勒合金的例子，可以举出Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等，但不限定于这些。
另外，为了进一步增大固定层230的相对于铁磁性层叠膜110的矫顽力，作为在与非磁性间隔层240接触的面的相反侧的面上与固定层230接触的层(pinning层)，也可以使用IrMn、PtMn等反铁磁性材料的层。另外，为了不使固定层230的漏磁场影响到铁磁性层叠膜110，还可以形成为合成铁磁性耦合的结构。
非磁性间隔层240能够使用公知的材料。例如，在非磁性间隔层240由绝缘体构成的情况(即为隧道势垒层的情况)下，作为其材料，能够使用Al2O3、SiO2、MgO和MgAl2O4等。另外，除了这些材料之外，也可以使用Al、Si、Mg的一部分置换成Zn、Be等的材料等。这些材料中，MgO和MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。另外，在非磁性间隔层240由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
另外，磁阻效应元件部205可以进一步具有其它的层。例如，可以在铁磁性层叠膜110的与非磁性间隔层240相反一侧的表面具有基底层。另外，也可以在固定层230的与非磁性间隔层240相反一侧的表面具有覆盖层，但不限定于这些。
＜配线＞
配线250与固定层230电连接。例如，在图10中，由配线250、自旋轨道转矩配线120和电源(省略图示)构成闭合电路，在磁阻效应元件部205的层叠方向上流通电流。
配线250只要是导电性高的材料就没有特别限制。配线250例如能够使用铝、银、铜、金等，但不限定于这些材料。
＜基板＞
基板260优选平坦性优异。即，如果其它的条件相同，相比于凹凸较大的基板，更优选凹凸较小的基板。基板260为了得到平坦性优异的表面，作为材料，例如能够使用Si、AlTiC等。
在磁阻效应元件部205的自旋轨道转矩配线120侧的表面可以形成基底层(省略图示)。在设置基底层时，能够控制层叠于基板260上的各层的结晶取向性、结晶粒径等的结晶性。
基底层能够使用各种材料。例如作为一例，基底层能够使用具有(001)取向的NaCl结构、且含有选自Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中的至少一种元素的氮化物的层。
作为另一例，基底层能够使用由XYO3的组成式表示的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物的层。在此，位点X含有选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素，位点Y含有选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。
作为另一例，基底层能够使用具有(001)取向的NaCl结构、且含有选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物的层。
作为另一例，基底层能够使用具有(001)取向的正方晶结构或立方晶结构、且含有选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中的至少一种元素的层。
另外，基底层不限于一层，也可以将上述示例的层多层层叠。通过设计基底层的结构，能够提高各层的结晶性，改善磁特性。
另外，如上所述，为了增大磁阻效应，可以在上述铁磁性层叠膜110与非磁性间隔层240之间插入Co-Fe-B合金等的追加的铁磁性金属膜。另外，也可以在上述铁磁性层叠膜110与上述追加的铁磁性金属膜之间插入将上述铁磁性层叠膜110和上述追加的铁磁性金属膜的结晶生长切断的非磁性插入层。磁阻效应元件部205的结构例如为从接近配线250的一侧起依次为铁磁性层叠膜110/非磁性插入层/追加的铁磁性金属膜/非磁性间隔层240/固定层230，但不限定于这些。
图中表示的磁阻效应元件表示固定层230位于远离基板260一侧(附图上部)的所谓的上固定(top pin)结构，但磁阻效应元件的结构没有特别限定，也可以是固定层位于接近基板一侧(附图下部)的底固定(bottom pin)结构。
(另一实施方式的磁阻效应元件)
在具有上述自旋流磁化旋转元件的磁阻效应元件中，将本实施方式的铁磁性层叠膜用作自由层。但是，本实施方式的铁磁性层叠膜也能够用作磁阻效应元件的固定层。此外，作为将本实施方式的铁磁性层叠膜用作固定层的磁阻效应元件，考虑现有的仅利用STT方式的元件。另一方面，上述图10所示的将本实施方式的铁磁性层叠膜用作自由层时的磁阻效应元件200，仅为SOT方式、或者为并用STT方式和SOT方式的方式均可。
图11概括性地表示将这种本实施方式的铁磁性层叠膜用作固定层时的磁阻效应元件300的截面结构的一例的示意图。图11表示固定层位于附图下部的底固定结构，但也可以是固定层位于附图上部的上固定结构。
在本实施方式中，磁阻效应元件300具有：用作磁化方向被固定的固定层的铁磁性层叠膜310、磁化方向变化的自由层320、和夹持于铁磁性层叠膜与固定层之间的非磁性间隔层330。铁磁性层叠膜310、自由层320、非磁性间隔层330与适当添加的层一起形成磁阻效应元件部305。
在图11中，图示了磁阻效应元件部305还任意地具有反铁磁性耦合层340和界面铁磁性金属层350的情况。另外，图11中还表示了与铁磁性层叠膜310电连接的第一配线(下部配线)360和与自由层320电连接的第二配线(上部配线)370。
＜铁磁性层叠膜＞
铁磁性层叠膜310用作磁化被固定的固定层。铁磁性层叠膜310是上述的实施方式的铁磁性层叠膜。即，铁磁性层叠膜310例如为图1～图7所示的铁磁性层叠膜10～16的任一种，可以是图1所示的铁磁性层叠膜10，也可以是图2所示的铁磁性层叠膜11。如上所述，在将磁阻效应元件应用于矫顽力差型(伪自旋阀型：Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，固定层的矫顽力比自由层的矫顽力大。在此，用作固定层的铁磁性层叠膜310兼备高的磁各向异性和高的饱和磁化。另外，用作固定层的铁磁性层叠膜310的保持力优异，并且热稳定性优异。
在具有本实施方式的铁磁性层叠膜作为固定层的磁阻效应元件中，也能够使用公知的磁阻效应元件的结构。例如，铁磁性层叠膜310以外的各层也能够使用由多层构成的结构。
用作固定层的铁磁性层叠膜310优选为具有与膜面垂直的磁化的垂直磁化膜。因此，自由层320也构成为磁化方向为相对于层垂直的方向的垂直磁化膜。用作固定层的铁磁性层叠膜310的磁化为垂直磁化时，不需要使用利用了反铁磁性体的固定层，因此，能够耐受350℃以上的热处理，得到高的磁阻效应，因而优选。
此外，铁磁性层叠膜310的磁化的方向也优选相对于膜层叠方向倾斜。用作SOT的固定层的铁磁性层叠膜310的磁化的方向相对于膜层叠方向倾斜时，从铁磁性层叠膜310向自由层320的漏磁场倾斜，能够实现无磁场下的磁化反转。
作为自由层320的材料，能够应用铁磁性材料。另外，作为自由层320的材料，特别优选应用软磁性材料。自由层的材料例如能够使用：选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属；含有这些金属中的一种以上的合金；含有这些金属和B、C及N中的至少1种以上元素的合金等，但不限定于这些材料。自由层320可以举出上述材料中的Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe，特别优选为Co-Fe-B。
非磁性间隔层330的材料与上述非磁性间隔层240的材料相同。非磁性间隔层330的材料例如优选为MgO。
磁阻效应元件部305还具有反铁磁性耦合层340和界面铁磁性金属层350，可以形成合成反铁磁性(SAF)结构。在这种SAF结构中，铁磁性层叠膜310和界面铁磁性金属层350隔着反铁磁性耦合层340通过RKKY相互作用进行反铁磁性耦合，这两个铁磁性体的磁化的方向彼此反平行。
反铁磁性耦合层340为非磁性层。构成反铁磁性耦合层的材料例如为非磁性金属Ru、Rh或Ir。
界面铁磁性金属层350为铁磁性层，也称为参照层。构成界面铁磁性金属层350的材料可以与构成自由层320的材料相同。构成界面铁磁性层350的材料优选为Co-Fe-B。
第一配线(下部配线)360与铁磁性层叠膜310电连接。第二配线(上部配线)370与自由层320电连接。在图11中，第一配线360、第二配线370和电源(省略图示)构成闭合电路，在磁阻效应元件305的层叠方向上流通电流。
第一配线360只要为导电性高的材料即可，没有特别限定。第一配线360例如可以为铝、银、铜、金等。
第二配线370也只要为导电性高的材料即可，没有特别限定。第二配线370能够使用与第一配线360同样的材料，第一配线360的材料和第二配线370的材料可以是相同的材料。在第一配线360的材料和第二配线370的材料相同的情况下，磁阻效应元件300例如仅通过现有的STT方式进行磁化反转。作为代替实施方式，也可以将第二配线370构成为上述那样的自旋轨道转矩配线，在磁阻效应元件300中利用SOT方式的磁化反转。
(铁磁性层叠膜的制造方法)
本实施方式的铁磁性层叠膜的制造方法没有特别限定，能够使用公知的成膜法。成膜法例如可以使用作为物理气相生长(PVD)法的电阻加热蒸镀、电子束蒸镀、分子束外延(MBE)法、离子镀法、离子束沉积法、溅射法等。或者还可以使用作为化学气相生长(CVD)法的热CVD法、光CVD法、等离子CVD法、有机金属气相生长(MOCVD)法、原子层堆积(ALD)法等。
所得到的铁磁性层叠膜优选进行退火处理。通过反应性溅射形成的层为非晶，需要进行结晶化。
与不进行退火处理而制得的铁磁性层叠膜相比，进行了退火处理而制得的铁磁性层叠膜的磁阻比提高。
作为退火处理，优选在Ar等不活泼气氛中以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，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。
作为将铁磁性层叠膜制成预定形状的方法，没有特别限定，能够利用光刻等加工方法。首先将铁磁性层叠膜层叠之后，在其上涂布抗蚀剂。然后，将预定部分的抗蚀剂固化，并除去不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂固化了的部分成为铁磁性层叠膜的保护膜。抗蚀剂固化了的部分与最终得到的铁磁性层叠膜的形状一致。
然后，对形成有保护膜的表面实施离子研磨、反应性离子蚀刻(RIE)等处理。未形成保护膜的部分被除去，得到预定形状的铁磁性层叠膜。
本发明并不限定于上述实施方式的构成和制造方法，在不脱离本发明宗旨的范围内能够实施各种变更，也可以将各种实施方式组合实施。
(磁存储器)
本实施方式的磁存储器(MRAM)具有多个本实施方式的磁阻效应元件。
符号说明
1…第一磁性层，2…第二磁性层，3…第一非磁性层，4…第三磁性层，10、11、12、13、14、15、16、110、310…铁磁性层叠膜，100…自旋流磁化旋转元件，120…自旋轨道转矩配线，130…电源，200、300…磁阻效应元件，205、305…磁阻效应元件部，230…固定层，240、330…非磁性间隔层，250…配线，260…基板，320…自由层，340…反铁磁性耦合层，350…界面铁磁性金属层，360…第一配线，370…第二配线。

Claims (13)

1.一种自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
包括：铁磁性层叠膜；和
自旋轨道转矩配线，其在相对于与所述铁磁性层叠膜的膜面垂直的第一方向交叉的第二方向上延伸，位于所述铁磁性层叠膜的所述第一方向，
所述铁磁性层叠膜包括多个第一磁性层、至少一个第二磁性层和至少一个第一非磁性层，
所述第一磁性层与所述第二磁性层或所述第一非磁性层交替层叠，构成所述第一磁性层的材料与构成所述第二磁性层的材料不同，
所述第一磁性层、所述第一非磁性层和所述第二磁性层是在所述第一磁性层与所述第一非磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合，并且是在所述第一磁性层与所述第二磁性层之间产生界面磁各向异性的材料组合。
2.根据权利要求1所述的自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
所述第一磁性层由含有Co和Fe中的一方或双方的铁磁性材料构成，
所述第二磁性层由含有Ni的铁磁性材料构成，
所述第一非磁性层由含有Ti、Zr、Hf、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的至少一种的非磁性材料构成。
3.根据权利要求1所述的自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
所述第一磁性层由含有Co和Fe中的一方或双方的铁磁性材料构成，
所述第二磁性层由含有Ni的铁磁性材料构成，
所述第一非磁性层由含有V、Cr、Mo、Ta和W中的至少一种的非磁性材料构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
所述第一磁性层与所述第二磁性层或所述第一非磁性层交替层叠的层叠顺序为相对于与所述铁磁性层叠膜的膜面垂直的第一方向非对称的层叠顺序。
5.根据权利要求4所述的自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
具有至少一个通过所述第一磁性层、所述第二磁性层、所述第一磁性层、所述第一非磁性层和所述第一磁性层依次在所述第一方向上层叠而成的非对称的五层结构。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的自旋流磁化旋转元件，其特征在于：
所述第一非磁性层中的至少一个比所述多个第一磁性层和所述至少一个第二磁性层的任一层都厚。
7.一种磁阻效应元件，其特征在于，包括：
权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化旋转元件；
磁化的方向被固定的固定层；和
夹持于所述铁磁性层叠膜与所述固定层之间的非磁性间隔层。
8.一种磁阻效应元件，其特征在于：
包括权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化旋转元件作为磁化方向被固定的固定层，
还包括自由层、和夹持于所述铁磁性层叠膜与所述自由层之间的非磁性间隔层。
9.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于：
在所述铁磁性层叠膜与所述非磁性间隔层之间还包括反铁磁性耦合层和界面铁磁性金属层。
10.根据权利要求9所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述反铁磁性耦合层含有Ru、Rh或Ir。
11.根据权利要求7～10中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述铁磁性层叠膜的磁化为垂直磁化。
12.根据权利要求7～10中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述铁磁性层叠膜的磁化相对于层叠方向倾斜。
13.一种磁存储器，其特征在于：
具有多个权利要求7～12中任一项所述的磁阻效应元件。
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