CN113130736B - 自旋轨道转矩型磁化反转元件、磁存储器及高频磁性器件 - Google Patents

自旋轨道转矩型磁化反转元件、磁存储器及高频磁性器件 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种能够容易地磁化反转的自旋轨道转矩型磁化反转元件。该自旋轨道转矩型磁化反转元件具备：铁磁性金属层，其磁化方向变化；和自旋轨道转矩配线，其沿相对于上述铁磁性金属层的层叠方向交叉的第一方向延伸并与上述铁磁性金属层接合，在从上述第一方向观察时，以穿过上述铁磁性金属层的第二方向上的中心的轴为基准，上述自旋轨道转矩配线在上述第二方向为非对称，其中上述第二方向正交于上述第一方向及上述层叠方向。

Description

自旋轨道转矩型磁化反转元件、磁存储器及高频磁性器件
(本申请是申请日为2017年10月24日、申请号为201710999831.8、发明名称为“自旋轨道转矩型磁化反转元件、磁存储器及高频磁性器件”的专利申请的分案申请。)
技术领域
本发明涉及自旋轨道转矩型磁化反转元件、磁存储器及高频磁性器件。
背景技术
已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件及在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。一般而言，与GMR元件相比，TMR元件的元件电阻较高，但磁阻(MR)比比GMR元件大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头及非挥发性随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
当夹持绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化的朝向变化时，MRAM利用TMR元件的元件电阻变化的特性读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流产生的磁场进行写入(磁化反转)的方式、或利用沿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。
从能量的效率的视点考虑，使用了STT的TMR元件的磁化反转是有效的，但用于进行磁化反转的反转电流密度高。从TMR元件的长寿命的观点出发，优选该反转电流密度较低。该点对于GMR元件也一样。
因此，近年来，作为降低反转电流的方法，利用了通过自旋轨道相互作用生成的纯自旋流的磁化反转备受关注(例如，非专利文献1)。其机理尚未充分了解，但认为通过自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或不同种类的材料的界面中的Rashba效应感应自旋轨道转矩(SOT)，并产生磁化反转。纯自旋流通过朝上自旋的电子和朝下自旋的电子以相同数目相互反方向地流动而产生，电荷的流动相抵。因此，向磁阻效应元件流通的电流为零，可期待磁阻效应元件的长寿命化。
另一方面，可以说利用了SOT的磁化反转中，需要打乱磁化反转的磁化的对称性(例如，参照专利文献1及非专利文献2)。作为打乱磁化对称性的方法，记载有施加外部磁场的方法、及在磁阻效应元件的面内方向改变磁各向异性的大小的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2015/0129995号说明书
非专利文献
非专利文献1：I.M.Miron，K.Garello，G.Gaudin，P.-J.Zermatten，M.V.Costache，S.Auffret，S.Bandiera，B.Rodmacq，A.Schuhl和P.Gambardella，Nature，476，189(2011)。
非专利文献2：Guoqiang Yu,et al.，Nature Nanotechnology，DOI:10.1038/NNANO.2014.94.
发明所要解决的技术问题
但是，为了施加外部磁场，需要磁场的产生源。额外设置磁场的产生源，会导致包含自旋轨道转矩型磁化反转元件的集成电路的集成度的降低。
另外，非专利文献2中记载了，改变作为非磁性层的氧化膜的面内方向的氧浓度。但是，非专利文献2所记载的方法需要由氧化膜构成的非磁性层，并且不能在TMR元件以外的用途中使用。因此，通用性低，不能用于GMR元件、利用了克尔效应(Kerr effect)或法拉第效应的磁光学器件。
另外，如非专利文献2所记载，若当磁阻化元件具有的磁各向异性的大小在面内方向不同，则施加非意图的外力(外部磁场、热等)时，磁各向异性较小的部分的磁化进行反转的可能性变高。非意图的磁化的反转成为数据的噪声，并阻碍数据的长期保存。特别是在磁阻效应元件的铁磁性体的大小为能够形成磁壁的大小的情况下，磁各向异性较小的部分的磁化反转还引起其它部分的磁化反转，并有可能会改写数据。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够容易地磁化反转的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
用于解决技术问题的手段
本发明人等发现，通过对从自旋轨道转矩配线注入的自旋的强度赋予对称性，就能够提供能够容易地磁化反转的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
即，本发明为了解决上述技术问题，提供以下的手段。
(1)第一方式提供一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其具备：铁磁性金属层，其磁化方向变化；和自旋轨道转矩配线，其沿相对于上述铁磁性金属层的层叠方向交叉的第一方向延伸，并与上述铁磁性金属层接合，在从上述第一方向观察时，以穿过上述铁磁性金属层的第二方向上的中心的轴为基准，上述自旋轨道转矩配线在上述第二方向为非对称，其中上述第二方向正交于上述第一方向及上述层叠方向。
(2)上述方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以将上述自旋轨道转矩配线的上述第二方向上的端部设为第一端部及第二端部，作为上述铁磁性金属层的上述第二方向的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，上述第一端部和上述第三端部的距离与上述第二端部和上述第四端部的距离不同。
(3)上述方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以上述第一端部和上述第三端部的距离及上述第二端部和上述第四端部的距离分别大于0，且至少任一者的距离为上述自旋轨道转矩配线的自旋扩散长度以下。
(4)第二方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以是从所述第一方向观察，以上述轴为基准，上述自旋轨道转矩配线在上述第二方向上的第一端部侧的第一区域的面积与第二端部侧的第二区域的面积不同。
(5)第三方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以是上述自旋轨道转矩配线以上述轴为基准，构成上述第二方向上的第一端部侧的第一部分的材料与构成第二端部侧的第二部分的材料不同。
(6)上述方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以是上述第一部分由金属构成，上述第二部分由半导体或绝缘体构成。
(7)第四方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，也可以是在从上述第一方向观察时，上述自旋轨道转矩配线向上述第二方向倾斜。
(8)上述方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件也可以在上述铁磁性金属层的与上述自旋轨道转矩配线相反侧的面上还具有非磁性层和磁化方向被固定的固定层。
(9)本发明的一个方式提供一种磁存储器，其使用了上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
(10)本发明的一个方式提供一种高频磁性器件，其使用了上述方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
发明效果
根据上述方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件，能够容易地反转铁磁性层的磁化的朝向。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图；
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图；
图3是将第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件沿着y方向切断的截面图；
图4是示意性地表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的另一例的立体图；
图5是示意性地表示第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图；
图6是将第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件沿着y方向切断的截面图；
图7是示意性地表示第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图；
图8是将第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件沿着y方向切断的截面图；
图9是示意性地表示第四实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图；
图10是将第四实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件沿着y方向切断的截面图；
图11是表示本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的制造方法的一例的图；
图12是表示光掩模PM的形状与得到的磁阻效应元件13的从z方向观察得到的平面形状的对应关系的图。
符号说明
1……第一铁磁性金属层；2……第二铁磁性金属层；3……非磁性层；10……磁阻效应元件；20、21、22、23……自旋轨道转矩配线；50……绝缘体；100、101、102、103、104……自旋轨道转矩型磁化反转元件；e1……第一端部；e2……第二端部；e3……第三端部；e4……第四端部；S1……第一自旋；S2……第二自旋；I……电流；Js……纯自旋流
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明本发明。为了容易理解本发明的特征，为了方便，以下的说明中使用的附图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。以下的说明中示例的材料、尺寸等为一个例子，本发明不限定于这些，可以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
(自旋轨道转矩型磁化反转元件)
图1是示意性地表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的立体图。
第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100具有磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20。
以下，将磁阻效应元件10的层叠方向设为z方向，将自旋轨道转矩配线20延伸的第一方向设为x方向，将与z方向及x方向均正交的第二方向设为y方向。
＜磁阻效应元件＞
磁阻效应元件10具有：磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1、磁化方向变化的第二铁磁性金属层2、以及被第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2夹持的非磁性层3。
磁阻效应元件10通过第一铁磁性金属层1的磁化固定于一个方向，且第二铁磁性金属层2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(准自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，使磁阻效应元件的第一铁磁性金属层的矫顽力比第二铁磁性金属层的矫顽力大。在应用于交换偏置型(自旋阀；spin valve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合固定磁阻效应元件中的第一铁磁性金属层的磁化。
就磁阻效应元件10而言，在非磁性层3由绝缘体构成的情况下，是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层3由金属构成的情况下，是巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
磁阻效应元件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，各层也可以是由多层构成的层，也可以具备用于固定第一铁磁性金属层1的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。第一铁磁性金属层1称为固定层或参照层，第二铁磁性金属层2称为自由层或存储层等。
第一铁磁性金属层1的材料可以使用公知的材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属及含有一种以上这些金属且显示铁磁性的合金。另外，也能够使用含有这些金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，可举出Co-Fe或Co-Fe-B。
另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等的Heusler合金。Heusler合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，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族的过渡金属或上述X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如，可举出Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
另外，为了进一步增大第一铁磁性金属层1相对于第二铁磁性金属层2的矫顽力，作为与第一铁磁性金属层1接触的材料，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。进一步，为了使第一铁磁性金属层1的漏磁场不影响第二铁磁性金属层2，也可以做成合成铁磁性耦合的结构。
另外，在将第一铁磁性金属层1的磁化的方向设为相对于层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第一铁磁性金属层1可以设为从非磁性层3侧依次为FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6。
作为第二铁磁性金属层2的材料，可以应用铁磁性材料，特别是软磁性材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属；含有1种以上这些金属的合金；含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，可举出Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
在将第二铁磁性金属层2的磁化的方向设为相对于层叠面垂直的情况下，优选将第二铁磁性金属层2的厚度设为2.5nm以下。在第二铁磁性金属层2与非磁性层3的界面，可以对第二铁磁性金属层2附加垂直磁各向异性。另外，由于垂直磁各向异性会通过增厚第二铁磁性金属层2的膜厚而效果衰减，因此，第二铁磁性金属层2的膜厚越薄越好。
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)，作为其材料，可以使用Al2O3、SiO2、MgO及MgAl2O4等。另外，除了这些材料以外，还能够使用Al、Si、Mg的一部分被置换成Zn、Be等的材料等。这些之中，MgO及MgAl2O4均是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。
在非磁性层3由金属构成的情况下，作为其材料，可以使用Cu、Au、Ag等。
另外，磁阻效应元件10也可以具有其它层。例如，也可以在第二铁磁性金属层2的与非磁性层3相反侧的面具有基底层，也可以在第一铁磁性金属层1的与非磁性层3相反侧的面具有覆盖层。
配设于自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10之间的层优选不散逸从自旋轨道转矩配线20传播的自旋。例如，已知银、铜、镁、及铝等的自旋扩散长度长为100nm以上，且自旋难以散逸。
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。如果层的厚度为自旋扩散长度以下，则能够将从自旋轨道转矩配线20传播的自旋充分传播至磁阻效应元件10。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线20沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线20与第二铁磁性金属层2的z方向的一个面连接。自旋轨道转矩配线20可以与第二铁磁性金属层2直接连接，也可以经由其它层连接。
自旋轨道转矩配线20由流通电流时会通过自旋霍尔效应生成纯自旋流的材料构成。作为该材料，只要是能在自旋轨道转矩配线20中生成纯自旋流的结构的材料即可。因此，不限于是由单体的元素构成的材料，也可以是由利用生成纯自旋流的材料构成的部分和利用不生成纯自旋流的材料构成的部分构成的材料等。
自旋霍尔效应是在材料中流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿与电流的朝向正交的方向感应纯自旋流的现象。
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。图2是将图1所示的自旋轨道转矩配线20沿着x方向切断的截面图。基于图2说明通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机制。
如图2所示，当沿自旋轨道转矩配线20的延伸方向流通电流I时，向纸面进深侧取向的第一自旋S1和向纸面跟前侧取向的第二自旋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)弯曲运动(移动)方向的点相同，但通常的霍尔效应中，在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力而会弯曲运动方向，与之相对，自旋霍尔效应中，因为不存在磁场，因此仅因电子移动(仅电流流通)而移动方向弯曲，在这一点上大为不同。
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的电子数与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。特别地，将不伴随该电流的自旋流称为纯自旋流。
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相互向相反方向弯曲这一点相同。另一方面，铁磁性体中，第一自旋S1和第二自旋S2的任一项为较多的状态，作为结果，产生电荷的净流量(产生电压)这一点不同。因此，作为自旋轨道转矩配线20的材料，不包含仅由铁磁性体构成的材料。
在此，将第一自旋S1的电子的流动表示为J↑，将第二自旋S2的电子的流动表示为J↓，并将自旋流表示JS时，以JS＝J↑-J↓定义。图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方向流动。在此，JS是极化率为100％的电子的流动。
图1中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线20的上表面接触时，纯自旋流扩散流入到铁磁性体中。即，向磁阻效应元件10注入自旋。
自旋轨道转矩配线20也可以含有非磁性的重金属。在此，所谓重金属，用于表示具有钇以上的比重的金属的意义。自旋轨道转矩配线20也可以仅由非磁性的重金属构成。
在该情况下，优选为非磁性的重金属为在最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属。这是由于该非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。自旋轨道转矩配线20也可以仅由最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属构成。
一般而言，金属中流通电流时，所有的电子不管其自旋的朝向，均向与电流相反的方向移动，相对于此，最外壳中具有d电子或f电子的原子序数较大的非磁性金属中，自旋轨道相互作用较大，因此，通过自旋霍尔效应，电子的移动方向依赖于电子的自旋的朝向，容易产生纯自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线20也可以含有磁性金属。磁性金属是指，铁磁性金属或反铁磁性金属。这是由于当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用增强，能够提高相对于在自旋轨道转矩配线20中流通的电流的自旋流生成效率。自旋轨道转矩配线20也可以仅由反铁磁性金属构成。
自旋轨道相互作用由自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场产生，因此，即使在非磁性材料中也产生纯自旋流。当对自旋轨道转矩配线材料添加微量的磁性金属时，会将磁性金属本身流通的电子自旋散射，因此，自旋流生成效率提高。但是，磁性金属的添加量过于增大时，产生的纯自旋流由于添加的磁性金属而被散射，因此，作为结果，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自旋轨道转矩配线中的纯自旋生成部的主成分的摩尔比充分小。以标准而言，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20也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线20也可以仅由拓扑绝缘体构成。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了的金属状态的物质。物质中具有自旋轨道相互作用等内部磁场那样的作用。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也会表现新的拓扑相。这是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏，从而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)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。
自旋轨道转矩型磁化反转元件100也可以具有磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20以外的结构要素。例如，也可以具有基板等作为支撑体。基板优选平坦性优异，作为材料，可以使用例如Si、AlTiC等。
(磁阻效应元件与自旋轨道转矩配线的关系)
图3是将第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100沿着y方向切断的截面图。如图3所示，自旋轨道转矩配线20以穿过第二铁磁性金属层2的y方向的中心的轴C为基准在y方向为非对称。在此，“第二铁磁性金属层2的y方向的中心”是指第二铁磁性金属层2的自旋轨道转矩配线20侧的面的y方向的中心，“轴”是指从其中心沿z方向延伸的直线。
如图3所示，第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100中，从自旋轨道转矩配线20的y方向的一端到轴的距离与另一端到轴的距离不同。即，以下的关系成立。
将自旋轨道转矩配线20的y方向的两个端部设为第一端部e1和第二端部e2。另外，将磁阻效应元件10的y方向的两个端部设为第三端部e3和第四端部e4。在此，第三端部e3为第一端部e1侧的端部，第四端部e4为第二端部e2侧的端部。第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2不同。
在第二端部e2和第四端部e4间产生的自旋的总量比在第一端部e1和第三端部e3间产生的自旋的总量多。产生的自旋均向磁阻效应元件10供给时，磁阻效应元件10的第四端部e4侧一方比第三端部e3侧被供给的自旋流的强度更大。即，向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度在y方向上对称性崩溃。
向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度的y方向的对称性崩溃时，可以对第二铁磁性金属层2的磁化赋予磁化反转的契机，磁化反转变得容易。其结果，即使在无磁场下，也能够进行磁化反转。以下，说明其原因。
如图1所示，当对自旋轨道转矩配线20施加电流I时，沿z方向产生纯自旋流Js。在自旋轨道转矩配线20的z方向上配设有磁阻效应元件10。因此，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10的第二铁磁性金属层2注入自旋。注入的自旋对第二铁磁性金属层2的磁化赋予自旋轨道转矩(SOT)，产生磁化反转。
图1所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件100中，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10注入的自旋的朝向在y方向上取向。因此，第二铁磁性金属层2的磁化的朝向未朝向y方向时，注入的自旋的朝向与第二铁磁性金属层2的磁化的朝向正交，理论上磁化未受到注入的自旋的影响。
第二铁磁性金属层2的磁化具有沿着xy面内取向的面内取向和向相对于xy面内垂直的z方向取向的垂直取向的两种模式。近年来，随着磁阻效应元件10的小型化不断发展，向z方向取向的垂直取向为主流。另外，即使在面内取向的情况下，为了沿y方向固定第二铁磁性金属层2的磁化的朝向，需要对第二铁磁性金属层2的形状赋予各向异性等的操作。
因此，即使在第二铁磁性金属层2的磁化朝向z方向或x方向的情况下，也要求能够稳定地进行磁化反转。即使在第二铁磁性金属层2的磁化朝向z方向或x方向的情况下，为了稳定地进行磁化反转，也需要在磁化反转的初期赋予磁化反转的契机。
向第二铁磁性金属层2供给的自旋流的强度的向y方向的对称性的打乱产生由自旋流生成的SOT的大小向y方向的差。该向y方向的SOT的大小之差成为磁化反转的契机。
第二铁磁性金属层2的磁化一边引起岁差运动一边进行磁化反转。磁化的岁差运动受到SOT的影响而放大，最终产生磁化反转。即，如果能够赋予磁化的岁差运动的契机，则之后，借助岁差运动的援助，磁化进行反转。即，赋予磁化的岁差运动的契机为磁化反转的关键。
第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100以轴C为基准，自旋轨道转矩配线20的形状在y方向为非对称。因此，向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度的向y方向的对称性崩溃，可以对第二铁磁性金属层2的磁化赋予磁化反转的契机。其结果，第二铁磁性金属层2的磁化的磁化反转变得容易。
以往，通过外部磁场的施加实现该磁化反转的契机。与之相对，第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件100通过注入的自旋流的强度的向y方向的对称性的打乱而赋予契机。即，即使在无磁场下也能够进行磁化反转。
在此，第一端部e1和第三端部e3间的距离D1及第二端部e2和第四端部e4间的距离D2分别比0大，优选至少任一方的距离为自旋轨道转矩配线20的自旋扩散长度以下。
自旋轨道转矩配线20中流通电流时，在第一端部e1和第三端部e3间及第二端部e2和第四端部e4间也产生纯自旋流。在这些区域产生的自旋如果是在自旋扩散长度以下的距离内，则就能够传播。因此，如果第一端部e1和第三端部e3间的距离D1及第二端部e2和第四端部e4间的距离D2比0大，则这些区域中产生的自旋也能够用于磁化的旋转。另外，如果这些距离为自旋轨道转矩配线20的自旋扩散长度以下，则能够将产生的自旋完全用于磁化反转。
另外，优选磁阻效应元件10的x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长。利用了SOT的磁阻效应元件10的磁化反转依赖于被注入的自旋的量。自旋的量根据在自旋轨道转矩配线20流通的电流I的电流密度Ic决定。
流通于自旋轨道转矩配线20的电流I的电流密度Ic是将流通于自旋轨道转矩配线20的电流除以与电流的流动方向正交的面的面积的值。因此，图1中，电流密度Ic＝I/WH。在此，W为自旋轨道转矩配线20的y方向的长度(宽度)，H为自旋轨道转矩配线20的z方向的厚度。
在此，为了减小在自旋轨道转矩配线20流通的电流量，需要减小自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度W或自旋轨道转矩配线20的z方向的厚度H。
自旋轨道转矩配线20的宽度W需要比磁阻效应元件10的y方向的长度(宽度)L2大。因此，为了缩短自旋轨道转矩配线20的宽度W，优选磁阻效应元件10的y方向的长度(宽度)L2较短。
另一方面，当磁阻效应元件10的截面积较小时，第二铁磁性金属层2的磁化由于热干扰等的影响而进行磁化反转的概率变高。因此，为了稳定地保持磁化，磁阻效应元件10的面积需要某种程度以上的大小。
磁阻效应元件10的x方向的长度L1没有特别限制，因此，通过使x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长，从而能够缩短磁阻效应元件10的y方向的长度(宽度)L2，并能够确保磁阻效应元件10的面积。另外，通过磁阻效应元件10的y方向的长度(宽度)L2变短，从而能够相对性地缩短自旋轨道转矩配线20的宽度W，能够缩小为了驱动自旋轨道转矩型磁化反转元件100所需要的电流量。
在此，当磁阻效应元件10的x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长时，在面内取向的情况下，第二铁磁性金属层2的磁化容易向x方向取向。这是由于，x方向的长度L1与y方向的长度(宽度)L2不同，因此，反磁场中产生分布。
如上所述，向x方向取向的磁化中，磁化的朝向与注入的自旋的朝向正交，并且理论上磁化不受被注入的自旋的影响。但是，根据本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100，即使第二铁磁性金属层2的磁化向x方向取向，也能够容易地进行磁化反转。因此，不需要考虑第二铁磁性金属层2的磁化的取向状态，可以自由地设定磁阻效应元件10的形状。
这种自旋轨道转矩型磁化反转元件100可以用于磁存储器、高频磁性器件等。
另外，自旋轨道转矩型磁化反转元件100可以用作利用了克尔效应或法拉第效应的磁光学元件。
在该情况下，未必一定需要具有磁阻效应元件10，铁磁性金属层单体也可以设于自旋轨道转矩配线20上。
图4是示意性地表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的另一个例子的图。图4所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件101具有磁化方向改变的铁磁性金属层2’和自旋轨道转矩配线20。
自旋轨道转矩型磁化反转元件101的铁磁性金属层2’即使在无磁场下也能够进行磁化反转。因此，可以用作利用了克尔效应或法拉第效应的磁光学元件。
如上所述，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，自旋轨道转矩配线的位置相对于磁阻效应元件的轴向y方向偏离。因此，能够打乱供给的自旋流的强度的y方向的对称性，产生生成磁化反转的契机。其结果，磁化反转变得容易，即使在无磁场下，也能够进行磁化反转。
第二实施方式
图5是示意性地表示第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件102的图。图5所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件102中，自旋轨道转矩配线21的形状与第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100不同。其它的结构与第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100相同，并对相同的结构标注相同的符号。
图6是将第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件102沿着y方向切断的截面示意图。图6所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件中，第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2相等。
另一方面，如图6所示，第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件102中，以轴C为基准，y方向的第一端部e1侧的第一区域21A的面积与第二端部e2侧的第二区域21B的面积不同。
在第二端部e2和第四端部e4间产生的自旋的总量比在第一端部e1和第三端部e3间产生的自旋的总量多。在产生的自旋均向磁阻效应元件10供给时，磁阻效应元件10的第四端部e4侧一方变得比第三端部e3侧供给的自旋流的强度更大。即，向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度的对称性在y方向上崩溃。
因此，供给的自旋流的强度的y方向的对称性被打乱，能够产生生成磁化反转的契机。
在此，自旋流的强度之差由于可以通过自旋扩散在沿z方向上不与磁阻效应元件10重叠的部分产生的自旋而产生。因此，更严格而言，优选自旋轨道转矩配线20的第一端部e1和第三端部e3间的区域21Aa的面积与第二端部e2和第四端部e4间的区域21Ba的面积不同。
另外，图6中，图示了第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2相等的情况，但这些距离也可以不同。
如上所述，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件以磁阻效应元件的轴为分界，自旋轨道转矩配线的面积在一端侧和另一端侧不同。因此，供给的自旋流的强度的y方向的对称性被打乱，能够产生生成磁化反转的契机。其结果，磁化反转变得容易，即使在无磁场下，也能够进行磁化反转。
第三实施方式
图7是示意性地表示第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件103的图。图7所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件103中，自旋轨道转矩配线22的结构与第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100不同。其它的结构与第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100相同，并对相同的结构标注相同的符号。
图8是将第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件103沿着y方向切断的截面示意图。图8所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件103中，第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2相等。
另一方面，如图7及图8所示，自旋轨道转矩配线22中，以轴C为基准，构成y的方向的第一端部e1侧的第一部分22A的材料与构成第二端部e2侧的第二部分22B的材料不同。在此，“构成第一部分22A的材料与构成第二部分22B的材料不同”不是指不能含有相同的材料。只要第二部分22B整体相对于第一部分22A整体具有不同的部分即可。
第一部分22A及第二部分22B中，可以使用第一实施方式中表示的自旋轨道转矩配线20的材料。通过第一部分22A和第二部分22B由不同的材料构成，能够在第一部分22A中产生的自旋流的强度与第二部分22B中产生的自旋流的强度之间产生差。即，能够打乱y方向的对称性。
另外，作为第一部分22A与第二部分22B的组合，优选将第一部分22A做成金属，将第二部分22B做成半导体或绝缘体。例如，能够将第一部分22A做成非磁性的重金属，并将第二部分22B做成拓扑绝缘体。
在金属中和在半导体或绝缘体中，电流的流通容易度不同。因此，当沿x方向流通电流时，大部分电流在第一部分22A流通。即，在从第一部分22A向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度与从第二部分22B向第二铁磁性金属层2注入的自旋流的强度之间赋予显著的差，能够打乱y方向的对称性。
另外，图8中，图示了第一端部e1和第三端部e3间的距离D1与第二端部e2和第四端部e4间的距离D2相等的情况，但这些距离也可以不同。
如上所述，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件以磁阻效应元件的轴为分界，构成自旋轨道转矩配线的材料不同。因此，供给的自旋流的强度的y方向的对称性被打乱，能够产生生成磁化反转的契机。其结果，磁化反转变得容易，即使在无磁场下，也能够进行磁化反转。
第四实施方式
图9是示意性地表示第四实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件104的图。图9所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件104中，自旋轨道转矩配线23的形状与第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件100不同。其它的结构与第一实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件100相同，并对相同的结构标注相同的符号。
图10是将第四实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件104沿着y方向切断的截面示意图。从x方向观察时，图10所示的自旋轨道转矩型磁化反转元件104沿y方向倾斜。
因此，如图10所示，第四实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件104以轴C为基准，y方向的第一端部e1侧的区域的面积与第二端部e2侧的区域的面积不同。因此，供给的自旋流的强度的y方向的对称性被打乱，能够产生生成磁化反转的契机。
另外，在第二铁磁性金属层2的磁化为垂直取向的情况下，第二铁磁性金属层2的磁化相对于第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20的界面垂直地取向。即，磁化取向的朝向相对于z方向沿y方向倾斜。
磁化反转的第二铁磁性金属层2的磁化本身具有y方向的成分时，更容易受到供给的自旋流的影响。即，能够更容易地进行第二铁磁性金属层的磁化反转。
此外，第二实施方式～第四实施方式中，与第一实施方式同样，只要具有铁磁性金属层即可，也可以未必具有磁阻效应元件10。
(自旋轨道转矩型磁化反转元件的制造方法)
接下来，说明自旋轨道转矩型磁化反转元件的制造方法。
自旋轨道转矩型磁化反转元件可以使用溅射法等的成膜技术和光刻等的形状加工技术得到。
首先，在成为支撑体的基板上制作自旋轨道转矩配线。将构成自旋轨道转矩配线的金属通过溅射等的公知的成膜方法进行成膜。接下来，使用光刻等技术，将自旋轨道转矩配线加工成规定的形状。
图6所示那样的形状通过在成为梯形上底的部分再次涂布抗蚀剂后，进行刻蚀处理等，从而使端部倾斜。另外，通过保持角度进行刻蚀处理，从而可以由阴影效果而使端部倾斜。
于是，自旋轨道转矩配线以外的部分用氧化膜等的绝缘膜覆盖。自旋轨道转矩配线及绝缘膜的露出面优选通过化学机械研磨(CMP)进行研磨。图10所示那样的形状可以通过使研磨面倾斜而得到。
接下来，制作磁阻效应元件。磁阻效应元件可以使用溅射等的公知的成膜方法来制作。在磁阻效应元件为TMR元件的情况下，例如，就隧道势垒层而言，在第二铁磁性金属层上首先溅射成为0.4～2.0nm左右的镁、铝及多个非磁性元素的二价阳离子的金属薄膜，并通过等离子氧化或氧导入而进行自然氧化，并通过之后的热处理而形成隧道势垒层。另外，也可以以目标组成的氧化物为靶材，形成隧道势垒层。作为成膜法，除了溅射法以外，还可举出蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等。
作为将磁阻效应元件设为规定的形状的方法，可以利用光刻等加工方法。首先，层叠磁阻效应元件后，在磁阻效应元件的与自旋轨道转矩配线相反侧的面涂布抗蚀剂。然后，使规定的部分的抗蚀剂固化，除去不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂固化的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂固化的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
于是，在形成了保护膜的表面上实施离子铣削、反应性离子蚀刻(RIE)等处理。除去未形成保护膜的部分，并得到规定形状的磁阻效应元件。
在此，具体地说明使抗蚀剂固化成规定形状的方法。
首先，作为第一个方法，具有使用掩模来感光抗蚀剂的方法。例如，使用正性抗蚀剂，在要固化的部分上配设光掩模。然后，通过经由光掩模进行曝光，从而能够将抗蚀剂加工成规定的形状。
为了高集成化而要求磁阻效应元件的元件尺寸的微细化。因此，磁阻效应元件的尺寸有时会接近曝光的分辨率极限。在该情况下，组合多个加工成四方形状的光掩模PM，从而使抗蚀剂固化成规定的形状。以现有的技术水平一个光掩模PM的1边可以缩小至数nm程度。
另一方面，如图12所示，即使在一个光掩模PM的形状为四方形的情况下，磁阻效应元件的平面形状有时也不直接成为四方形。图12是表示光掩模的形状与得到的磁阻效应元件的来自z方向的平面形状的对应关系的图。如图12(a)所示，即使在一个光掩模PM的形状为四方形的情况下，磁阻效应元件10的平面形状成为椭圆等的形状。这是由于，通过光掩模之后的光的一部分扩散将抗蚀剂固化。还由于在离子铣削等的刻蚀处理中，成为角的部分容易进行刻蚀。
另外，图12(b)所示的光掩模PM1具有能够内切椭圆的长方形区域Re和位于长方形区域Re的角部Ed的突出区域Pr1，图12(c)所示的光掩模PM2具有能够内切椭圆的长方形区域Re和位于长方形区域Re的长边部Sd的突出区域Pr2。
如图12(b)所示，在角部Ed设置突出区域Pr1时，能够延迟刻蚀处理中的角部Ed的刻蚀的进行。另外，如图12(c)所示，在边部Sd设置突出区域Pr2时，能够进一步增大刻蚀处理中的长边部Sd与角部Ed的刻蚀速度差。这样对刻蚀速度赋予差时，能够制作具有从层叠方向观察内切于平面形状的椭圆区域E和位于比椭圆区域E更外侧的外部区域A的磁阻效应元件。
另外，作为其它方法，也可以使用激光等的具有指向性的光进行点曝光。例如，使用负性抗蚀剂，仅对要固化的部分照射光，将抗蚀剂加工成规定的形状。在该情况下也一样，即使在曝光的斑点的形状为四方形的情况下，得到的形状也可能不成为四方形。
如上所述，即使在光掩模P形状为四方形的情况下，磁阻效应元件的形状有时也成为椭圆等的不具有边缘的形状。因此，如图1所示，将磁阻效应元件10的从z方向观察的平面形状做成长方形状的情况需要进行设计。
在将磁阻效应元件10的从z方向观察的平面形状设为长方形状的情况下，分成两次加工磁阻效应元件10。即，分开进行：将具有第一铁磁性金属层和非磁性层和第二铁磁性金属层的层叠体沿第一方向加工的第一工序；和将沿第一方向加工后的层叠体沿与第一方向交叉的第二方向加工的第二工序。
图11是用于说明长方形状的磁阻效应元件的制作顺序的示意图。如图11(a)所示，在自旋轨道转矩配线20和绝缘体50的一面依次层叠第二铁磁性金属层2、非磁性层3、第一铁磁性金属层1，并得到层叠体。
接下来，将得到的层叠体沿第一方向加工。第一方向能够选择任意方向。例如，也可以设为自旋轨道转矩配线20延伸的x方向，也可以设为与x方向正交的y方向，也可以设为从x方向及y方向的任一方向倾斜的方向。
层叠体的加工可以采用使用了光刻的方法、使用了激光等的方法等的公知的加工方法。加工后的层叠体在第一方向上具有某种程度的长度，因此，能够直接反映光掩模的形状等。即，层叠体能够沿x方向直线状地加工。
接下来，将得到的层叠体沿第二方向加工。第二方向可以选择与第一方向交叉的任意方向。图11(c)中，是沿相对于自旋轨道转矩配线20延伸的x方向正交的y方向进行加工。
向第二方向的加工也可以采用使用了光刻的方法、使用了激光等的方法等的公知的加工方法。向第二方向的加工时，也可以使用在第二方向上具有某程度的长度的光掩模等，因此，可以使光掩模等的形状等直接反映成加工后的形状。即，层叠体能够沿y方向直线状地加工。
这样，通过分成两个阶段进行加工，能够将磁阻效应元件10的从z方向观察时的平面形状做成长方形状。
而且，也可以用绝缘体覆盖所得到的磁阻效应元件10的外侧面。绝缘体可以使用氧化膜、氮化膜等的公知的绝缘体。
本发明未必限定于上述实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁化反转元件的结构及制造方法，可以在不脱离本发明宗旨的范围内施加各种变更。

Claims (12)

1.一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其具备：
铁磁性金属层，其磁化方向变化；和
自旋轨道转矩配线，其沿相对于所述铁磁性金属层的层叠方向交叉的第一方向延伸，与所述铁磁性金属层接合，
在将正交于所述第一方向以及所述层叠方向的第二方向上的所述自旋轨道转矩配线的端部的一方设为第一端部，并将另一方设为第二端部时，
从所述第一方向观察，所述自旋轨道转矩配线的所述第一端部侧的侧壁和所述第二端部侧的侧壁的倾斜角度不同，
在从所述第一方向观察所述自旋轨道转矩型磁化反转元件的沿着所述第二方向的截面时，以穿过所述铁磁性金属层的所述第二方向的中心的轴为基准，将所述自旋轨道转矩配线的所述第一端部侧的区域作为第一区域，并将所述自旋轨道转矩配线的所述第二端部侧的区域作为第二区域，所述第一区域的面积与所述第二区域的面积不同。
2.一种自旋轨道转矩型磁化反转元件，其具备：
铁磁性金属层，其磁化方向变化；和
自旋轨道转矩配线，其沿相对于所述铁磁性金属层的层叠方向交叉的第一方向延伸，与所述铁磁性金属层接合，
从所述第一方向观察，所述自旋轨道转矩配线的上表面的宽度比所述自旋轨道转矩配线的底面的宽度窄，
在将正交于所述第一方向以及所述层叠方向的方向设为第二方向，将所述第二方向上的所述自旋轨道转矩配线的端部的一方设为第一端部，并将另一方设为第二端部时，
在从所述第一方向观察所述自旋轨道转矩型磁化反转元件的沿着所述第二方向的截面时，以穿过所述铁磁性金属层的所述第二方向的中心的轴为基准，将所述自旋轨道转矩配线的所述第一端部侧的区域作为第一区域，并将所述自旋轨道转矩配线的所述第二端部侧的区域作为第二区域，所述第一区域的面积与所述第二区域的面积不同。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
将所述自旋轨道转矩配线的所述第二方向的端部设为第一端部及第二端部，
作为所述铁磁性金属层的所述第二方向的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，将接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，
所述第一端部和所述第三端部的距离与所述第二端部和所述第四端部的距离不同。
4.根据权利要求2所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
将所述自旋轨道转矩配线的第二方向的端部设为第一端部及第二端部，
作为所述铁磁性金属层的所述第二方向的端部，将接近第一端部的一侧的端部设为第三端部，将接近第二端部的一侧的端部设为第四端部，此时，
所述第一端部和所述第三端部的距离与所述第二端部和所述第四端部的距离不同。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述第一端部和所述第三端部的距离以及所述第二端部和所述第四端部的距离分别大于0，且至少任一者的距离为所述自旋轨道转矩配线的自旋扩散长度以下。
6.根据权利要求4所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述第一端部和所述第三端部的距离以及所述第二端部和所述第四端部的距离分别大于0，且至少任一者的距离为所述自旋轨道转矩配线的自旋扩散长度以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
关于所述自旋轨道转矩配线，以所述轴为基准，构成作为所述第二方向的所述第一端部侧的部分的第一部分的材料与构成作为所述第二端部侧的部分的第二部分的材料不同。
8.根据权利要求7所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
所述第一部分由金属构成，所述第二部分由半导体或绝缘体构成。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
在从所述第一方向观察时，所述自旋轨道转矩配线向所述第二方向倾斜。
10.根据权利要求1～6中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件，其中，
在所述铁磁性金属层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的面上，还具有非磁性层、和磁化方向被固定的固定层。
11.一种磁存储器，其使用权利要求1～10中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
12.一种高频磁性器件，其使用权利要求1～10中任一项所述的自旋轨道转矩型磁化反转元件。
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