CN113659071B - 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器 - Google Patents

自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN113659071B
CN113659071B CN202110928639.6A CN202110928639A CN113659071B CN 113659071 B CN113659071 B CN 113659071B CN 202110928639 A CN202110928639 A CN 202110928639A CN 113659071 B CN113659071 B CN 113659071B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spin
layer
ferromagnetic metal
metal layer
interface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110928639.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113659071A (zh
Inventor
盐川阳平
佐佐木智生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to CN202110928639.6A priority Critical patent/CN113659071B/zh
Publication of CN113659071A publication Critical patent/CN113659071A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113659071B publication Critical patent/CN113659071B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本发明的磁阻效应元件，具备：自旋流磁化旋转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层、夹持于自旋流磁化旋转元件的第一铁磁性金属层与第二铁磁性金属层之间的非磁性体层、以及基板，在基板的第二铁磁性金属层侧的面形成基底层，基底层是选自：包含从Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中选择的至少一种元素的氮化物的层；以组成式XYO3表示的钙钛矿型导电性氧化物的层；包含从Mg、Al、Ce选择的至少一种元素的氧化物的层；以及，包含从Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中选择的至少一种元素的层；中的至少一种。

Description

自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
(本申请是申请日为2018年1月26日、申请号为201880001531.9、 发明名称为“自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器”的专 利申请的分案申请。)
技术领域
本发明涉及自旋流磁化旋转元件，尤其是涉及自旋流磁化旋转元 件，另外，还涉及磁阻效应元件及磁存储器。本申请基于在2017年2 月27日申请于日本的特愿2017－034757号主张优先权，并将其内容 引用于此。
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型磁阻(GMR) 元件及作为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，与GMR元件比较，TMR元件的元件电阻较 高，但磁阻(MR)比比GMR元件的MR比大。因此，作为磁传感器、 高频零件、磁头及非易失性磁性随机存储器(MRAM)用的元件，TMR 元件备受关注。
在MRAM中，利用当夹持绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化方向 变化时TMR元件的元件电阻会发生变化的特性来读写数据。作为 MRAM的写入方式，已知有：利用电流引起的磁场进行写入(磁化反 转)的方式，以及利用沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流时产生的 自旋转移矩(STT,Spin Transfer Torque)进行写入(磁化反转)的 方式。从能量效率的观点考虑，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较高。从TMR元件的长寿命的观点考虑，优选该反转电流密度较低。这一点对于GMR元件也是一样的。
因此，近年来，作为通过与STT不同的机制降低反转电流的方案， 利用通过自旋霍尔效应生成的纯自旋流的磁化反转方式备受关注(例 如，非专利文献1)。通过自旋霍尔效应产生的纯自旋流诱发自旋轨道 转矩(SOT)，通过SOT引起磁化反转。纯自旋流是由向上自旋的电子 和向下的自旋电子以相同数量相互逆向地流通而产生的，电荷的流通 相抵。因此，流通于磁阻效应元件中的电流为零，期待能够实现反转电流密度小的磁阻效应元件。
非专利文献2中报道了，SOT方式的反转电流密度与STT方式的 反转电流密度为相同程度。但是，对于当前以SOT方式报道的反转电 流密度而言，在用以实现高集成及低能耗方面尚不充分，存在改善的 余地。
另外，作为SOT方式的磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线(诱发 SOT产生纯自旋流的配线)所使用的材料，举出了如非专利文献2中 使用那样的以Ta为代表的重金属材料。而这样的重金属材料的电阻率 较高，因此，在设计为薄膜或细线的情况下，其耗电量高也成为问题。
[现有技术文献]
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，《自然》(Nature)，476，189(2011)
非专利文献2：S.Fukami，T.Anekawa，C.Zhang，和H.Ohno，《自 然纳米技术》(Nature Nanotechnology)，DOI：10.1038/NNANO.2016.29.
非专利文献3：J.Sinova，S.O.Valenzuela，J.Wunderlich， C.H.Back，T.Jungwirth，《现代物理评论》(Reviews of Modern Physic)， 87，1213(2015)
发明内容
[发明所要解决的技术问题]
本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于，与现有技术相比， 降低SOT方式的磁化旋转或磁化反转的电流密度，并进一步降低耗电 量。
[用于解决技术问题的技术方案]
本发明者们在作为体现SOT的原因而考虑的各种原理中，特别着 眼于研究在不同种类的材料的界面产生的界面拉什巴效应(Rashba effect)，并最终想到为了有效地利用界面拉什巴效应而增加界面数量，并且使用低电阻的材料的结构。
因此，本发明为了解决上述问题而提供以下的方案。
(1)本发明的一方式的自旋流磁化旋转元件具备：第一铁磁性金 属层，其磁化方向可变；及自旋轨道转矩配线，其向与第一方向交叉 的第二方向延伸，且所述第一铁磁性金属层位于其一面上，其中，所 述第一方向是所述第一铁磁性金属层的法线方向，所述自旋轨道转矩配线为将自旋传导层和界面自旋产生层沿所述第一方向交替层叠的构 造，在所述自旋轨道转矩配线上，所述自旋传导层中的一个最接近于 所述第一铁磁性金属层。另外，本发明的一实施方式的自旋流磁化旋 转元件也可以是如下结构，即，具备：第一铁磁性金属层，其磁化方 向可变；自旋轨道转矩配线，其向与第一方向交叉的第二方向延伸， 并与第一铁磁性金属层接合；其中，所述第一方向是第一铁磁性金属层的法线方向，自旋轨道转矩配线为将自旋传导层和界面自旋产生层 沿第一方向交替层叠的构造，自旋传导层中的一个与第一铁磁性金属 层接合。
(2)在上述(1)的自旋流磁化旋转元件中，也可以是：界面自 旋产生层的厚度为构成界面自旋产生层的原子的原子半径的2倍以 下。
(3)在上述(1)或(2)的自旋流磁化旋转元件中，也可以是： 自旋传导层由含有Al、Si、Cu、Ag、Ga、As、Ge中的至少任一种元 素的材料构成。
(4)在上述(1)～(3)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：界面自旋产生层由含有Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、 Au、或Bi中的任意的元素的材料构成。
(5)在上述(1)～(4)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：自旋传导层的厚度为自旋传导层具有的自旋扩散长度以下的 厚度。
(6)在上述(1)～(5)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：自旋轨道转矩配线含有2层以上的界面自旋产生层。
(7)在上述(1)～(6)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：界面自旋产生层中，位于最接近第一铁磁性金属层的界面自 旋产生层的厚度比其它界面自旋产生层的厚度薄。
(8)在上述(1)～(7)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：自旋传导层夹着界面自旋产生层且由不同的材料构成，接近 于第一铁磁性金属层的自旋传导层的自旋电阻率小于远离第一铁磁性 金属层的自旋传导层的自旋电阻率。
(9)在上述(1)～(8)中任一项的自旋流磁化旋转元件中，也 可以是：自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。
(10)本发明的一实施方式的磁阻效应元件具备：上述(1)～(9) 中任一项的自旋流磁化旋转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属 层、以及夹持于第一铁磁性金属层与第二铁磁性金属层之间的非磁性 体层。
(11)本发明的一实施方式的磁存储器具备多个上述(10)所述 的磁阻效应元件。
[发明效果]
根据本发明的自旋流磁化旋转元件，能够提供一种有效地利用界 面拉什巴效应产生纯自旋流的磁化旋转的自旋流磁化旋转元件。
附图说明
图1A是用于说明本发明的一实施方式的自旋流磁化旋转元件的 示意图，是自旋流磁化旋转元件的俯视图。
图1B是用于说明本发明的一实施方式的自旋流磁化旋转元件的 示意图，是图1A的自旋流磁化旋转元件的剖视图。
图2A是用于说明本发明的其他实施方式的自旋流磁化旋转元件 的示意图，是自旋流磁化旋转元件的俯视图。
图2B是用于说明本发明的其他实施方式的自旋流磁化旋转元件 的示意图，是图2A的自旋流磁化旋转元件的剖视图。
图3是示意地表示本发明的一实施方式的磁阻效应元件的立体图。
具体实施方式
下面，一边适当地参照附图一边对本发明进行详细说明。在以下 的说明中使用的附图中，为了容易理解本发明的特征，方便起见，有 时将成为特征的部分放大表示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际 不同。在以下的说明中例示的材料、尺寸等仅为一例，本发明不局限 于这些，在起到本发明的效果的范围内，可以在进行适当的变更之后予以实施。在本发明的元件中，在起到本发明的效果的范围内，也可 以具备其他的层。
(自旋流磁化旋转元件)
图1A、图1B是表示本发明的一实施方式的自旋流磁化旋转元件 的一例的示意图。图1A是俯视图，图1B为以图1A的自旋轨道转矩 配线2的宽度方向的中心线即X－X线切断的剖视图。
图1A、图1B所示的自旋流磁化旋转元件10具备：第一铁磁性金 属层1，其磁化方向可变；以及，自旋轨道转矩配线2，其向与第一方 向(该第一方向是第一铁磁性金属层的法线方向)交叉的第二方向延 伸，并与第一铁磁性金属层1接合；其中，自旋轨道转矩配线2为将 自旋传导层3和界面自旋产生层4沿第一方向交替层叠的构造，自旋 传导层3中的一个与第一铁磁性金属层接合。
以下，将第一铁磁性金属层1的法线方向或第一铁磁性金属层1 和自旋轨道转矩配线2层叠的方向(第一方向)设为z方向，将与z 方向垂直且与自旋轨道转矩配线2平行的方向(第二方向)设为x方 向，将与x方向及z方向正交的方向(第三方向)设为y方向。此外，将垂直于第一铁磁性金属层1的“与自旋轨道转矩配线2接合的面” 或“与自旋轨道转矩配线2相对的面”的方向，设为第一铁磁性金属 层1的法线方向。另外，将z方向(第一方向)中，从自旋轨道转矩配线2朝向第一铁磁性金属层1的方向称为z方向上方，从将第一铁 磁性金属层1朝向自旋轨道转矩配线2的方向称为z方向下方。
在以下说明(包括图1A、图1B)中，以自旋轨道转矩配线2向 与第一铁磁性金属层1的法线方向即第一方向交叉的方向延伸的结构 为例，对于向与第一方向正交的方向延伸的结构进行说明。
本实施方式的自旋流磁化旋转元件10(即，通过纯自旋流的SOT 效应进行铁磁性金属层的磁化旋转的元件)能够在仅通过纯自旋流的 SOT进行铁磁性金属层的磁化反转的磁阻效应元件中使用，该情况下， 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 元件能够在现有技术的利用STT的磁阻效应元件中用作铁磁性金属层 的磁化反转的辅助单元或主力单元。
＜第一铁磁性金属层＞
第一铁磁性金属层1包含公知的铁磁性材料以使磁化方向可变。 关于第一铁磁性金属层1的更多的详细内容，将与下述的磁阻效应元 件的应用中的第一铁磁性金属层101联系起来进行说明。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2被构成为，当电流流动时产生纯自旋流，引 起自旋轨道转矩。本实施方式的自旋轨道转矩配线2具有将自旋传导 层3和界面自旋产生层4沿第一方向交替层叠的构造。
在自旋传导层3和界面自旋产生层4之间的界面，通过界面拉什 巴效应产生自旋蓄积(向上自旋或向下自旋中的一方大量存在的状 态)。自旋蓄积产生纯自旋流。
尚不清楚界面拉什巴效应的详细的机理，但认为如下。认为：在 不同种类的材料间的界面中，空间反转对称性被破坏，在法线方向(与 界面垂直的方向)上存在有电势梯度。在电流沿着在这样的法线方向 上存在电势梯度的界面流动的情况下，即，当电子在二维面内运动的 情况下，在与电子的运动方向垂直的且面内的方向上，有效磁场作用 于自旋，自旋的方向与该有效磁场的方向对齐。由此，在界面上形成 有自旋蓄积。而且，该自旋蓄积产生向面外扩散的纯自旋流。
在图1A、图1B中，当作为铁磁性体的第一铁磁性金属层1与自 旋轨道转矩配线2的上表面接触时，在界面中产生的纯自旋流扩散传 播到自旋轨道转矩配线2内，最后到达第一铁磁性金属层1，并扩散流 入到第一铁磁性金属层1中。即，向第一铁磁性金属层1注入自旋。
在本实施方式的自旋流磁化旋转元件10中，通过具有这样的结构， 在自旋轨道转矩配线2上流动电流并生成纯自旋流，该纯自旋流扩散 到与自旋轨道转矩配线2接触的第一铁磁性金属层1，从而能够通过其 纯自旋流的自旋轨道转矩(SOT)效应而引起第一铁磁性金属层1的 磁化旋转。如果SOT效应足够大，则引起第一铁磁性金属层1的磁化 反转。该情况下。如上所述，能够将本实施方式的自旋流磁化旋转元件称为自旋流磁化反转元件。
(自旋传导层)
自旋传导层3由电阻率小(为了降低电阻)且自旋扩散长度(自 旋蓄积消失的距离)长(为了将自旋流传导至第一铁磁性金属层1)的 材料构成。例如，作为构成自旋传导层3的材料，可以举出包含Al、 Si、Cu、Ag、Ga、As、Ge中的至少一种元素的材料。自旋传导层3的材料可以使用单质，也可以以合金、化合物等的形态组合使用。
自旋传导层3的厚度优选为该自旋传导层3具有的自旋扩散长度 以下的厚度。由此，能够不丢失自旋信息，并将自旋流传递至第一铁 磁性金属层1。自旋扩散长度尤其依赖于所使用的材料。例如，已知单 质的Cu、Ag的自旋扩散长度在室温中达到100nm以上。非专利文献 3中报道了：单质的Cu结晶的自旋扩散长度在室温下达到500μm，单 质的Ag结晶的自旋扩散长度在室温下达到700μm。因此，能够将自旋 传导层3的厚度充分地设定为自旋扩散长度以下。另外，需要引起注 意的点如下：如非专利文献3所记载，各种材料的自旋扩散长度对于 本领域技术人员来说是已知的，或是能够推测的，只要是本领域技术人员，则基于本申请说明书的公开内容，在使用各种材料的情况下， 能够将自旋传导层的厚度设定为自旋扩散长度以下。
(界面自旋产生层)
界面自旋产生层4由产生较大的自旋轨道转矩(SOT)的材料构 成。作为这样的材料，可举出非磁性的重金属，例如，包含Mo、Ru、 Rh、Pd、Ta，W、Ir、Pt、Au、及Bi中的至少一种元素的材料，界面 自旋产生层4的材料可以使用单质，也可以以合金、化合物等的形态 组合使用。
构成界面自旋产生层4的材料(重金属)比构成自旋传导层3的 材料(配线材料)的自旋扩散长度短。因此，为了不使自旋流丢失自 旋信息而穿过界面自旋产生层4到达第一铁磁性金属层1，界面自旋产 生层4的厚度设为较薄。
特别是，将界面自旋产生层4的厚度设为构成该界面自旋产生层4 的原子的原子半径的2倍以下的厚度。这里，所谓“原子半径”是指， 如本领域技术人员通常所知的那样，在单质的结晶中的最小原子间距 离的一半。
于是，原子半径的2倍以下的厚度包括：恰好与原子半径的2倍 的厚度对应的单原子层的厚度的情况；和比单原子层的厚度薄的厚度 的情况。在这里，“比单原子层的厚度薄的厚度”是指在该层存在缺陷， 即，空穴呈打开状态，层整体的平均厚度比原子半径的2倍薄的情况。 在这样的空穴打开的界面自旋产生层4中，自旋流经由空穴容易传导， 且容易产生。换而言之，界面自旋产生层4也可以不构成完整的层，可以是在自旋传导层3内含有的层，例如，掺杂于自旋传导层3内的 层。在这样的极薄的界面自旋产生层4的情况下，界面自旋产生层4 由上述元素单质构成。
为了使纯自旋流穿过界面自旋产生层4，不仅要考虑减薄界面自旋 产生层4的厚度的结构，还考虑其他的结构。例如，作为界面自旋产 生层4的替代结构，可以考虑并排细线(带)的结构、网状的结构、 机械地进行穿孔的结构。即使在这样的构造中，纯自旋流也能够有效地穿过界面自旋产生层4。特别是，在对界面自旋产生层4机械地进行 穿孔的情况下，能够控制穿孔的位置分布，即，能够控制穿过界面自 旋产生层4的自旋流的流动，所以优选。
在图1A、图1B中，通过交替层叠3层自旋传导层3和2层界面 自旋产生层4，形成5层结构(从附图下方依次为自旋传导层3、界面 自旋产生层4、自旋传导层3、界面自旋产生层4、自旋传导层3)，在 第一方向(z方向)上位于最上层的自旋传导层3与第一铁磁性金属层1接合。在这样的5层结构或其以上的层数的结构(例如7层结构)中， 存在2层以上的界面自旋产生层4，有效地增加了界面数量，增大了自 旋蓄积(即自旋流)，因此，能够以较少的电流实现磁化旋转(磁化反 转)。
但是，本发明不局限于上述那样的5层结构，只要位于最上层的 自旋传导层3中的一个(第一方向(z方向)上位于最上层的自旋传导 层3)与第一铁磁性金属层1接合，则可以改变交替层叠的自旋传导层 3的数量和界面自旋产生层4的数量。即，自旋轨道转矩配线2具备至 少一个自旋传导层3和至少一个界面自旋产生层4，只要自旋传导层3 中的一个与第一铁磁性金属层1接合(或最近接)即可。例如，图2A、 图2B所示的本发明的其他实施方式中，通过交替层叠两个自旋传导层 3和一个界面自旋产生层4，形成3层结构(从附图下方依次为自旋传 导层3、界面自旋产生层4、自旋传导层3)。而且，一个自旋传导层3(在第一方向(z方向)位于最上层的自旋传导层3)与第一铁磁性金 属层1接合。
另外，在自旋传导层3和界面自旋产生层4的层叠结构中，多个 自旋传导层3也可以不具有全都相同的厚度，同样地，多个界面自旋 产生层4也可以不具有全都相同的厚度。换而言之，多个自旋传导层3 也可以具有不同的厚度，多个界面自旋产生层4也可以具有不同的厚 度。例如，在存在多个界面自旋产生层4的情况下，优选的结构如下：即，处于最接近第一铁磁性金属层1的位置的界面自旋产生层4(即， 多个界面自旋产生层4中，第一方向(z方向)上位于最上部的界面自 旋产生层4)的厚度比其他界面自旋产生层4的厚度薄。在这里，多个 界面自旋产生层4的厚度全部为原子半径的2倍以下的情况下，“一个 界面自旋产生层4的厚度比其他界面自旋产生层4的厚度薄”是指一 个界面自旋产生层4具有更多的缺陷(空穴)。由此，促进在位于下层 的其他界面自旋产生层4与自旋传导层3的界面中产生的纯自旋流穿 过位于最上层的界面自旋产生层4，并在其上的自旋传导层3传导，到 达第一铁磁性金属层1。
进一步，多个自旋传导层3也可以不是由全都相同的材料构成， 同样，多个界面自旋产生层4也可以不是由全都相同的材料构成。换 而言之，多个自旋传导层3也可以由不同的材料构成，多个界面自旋 产生层4也可以由不同的材料构成。例如，可以由不同的材料来构成夹持一个界面自旋产生层4的两个自旋传导层3。该情况下，以使接近 于第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3(沿着第一方向(z方向) 位于上方的自旋传导层)的自旋电阻率(自旋流的流动难度)比远离 第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3(沿着第一方向(z方向) 位于下方的自旋传导层)的自旋电阻率小的方式选择材料。例如，Cu 具有比Ag高的自旋电阻率，因此，由Ag构成接近于第一铁磁性金属层1的一方的自旋传导层3，由Cu构成远离第一铁磁性金属层1的一 方的自旋传导层3。由此，在位于下方的自旋传导层3与界面自旋产生 层4的界面中产生的纯自旋流被自旋电阻率的高的材料反射，并朝向 上方的第一铁磁性金属层1。
各个自旋传导层3的厚度及各个界面自旋产生层4的厚度优选被 设定为，使这些层的层叠体即自旋轨道转矩配线2的厚度成为20nm以 下。当自旋轨道转矩配线2的厚度超过20nm即过厚时，自旋轨道转矩 配线2与层叠于其上的第一铁磁性金属层1之间的界面粗糙变大，因 此，磁阻效应有可能不稳定。自旋轨道转矩配线2的厚度优选为1nm 以上，更优选为2nm以上且10nm以下，但不限定于此。
自旋流磁化旋转元件10还可以进一步具备绝缘层，该绝缘层接合 于自旋轨道转矩配线2的与第一铁磁性金属层1接合的面的相反侧的 面。该结构中，在应用于磁阻效应元件或其他的用途的情况下，能够防止流通于自旋轨道转矩配线2的电流从与第一铁磁性金属层1接合 的面的相反侧的面泄漏，能够进一步提高电流集中效果。
在上述的实施方式中，说明了自旋轨道转矩配线与第一铁磁性金 属层直接连接的情况，但也可以如以下所述，在第一铁磁性金属层和 自旋轨道转矩配线之间，设置覆盖层这样的其他层。即，也可以设为 如下结构：即，第一铁磁性金属层位于自旋轨道转矩配线的一面上， 在自旋轨道转矩配线中，自旋传导层中的一个最近于第一铁磁性金属层。关于覆盖层的进一步详情内容，将与下述的磁阻效应元件的应用 中的覆盖层104联系起来进行说明。
如下所述，本实施方式的自旋流磁化旋转元件能够应用于磁阻效 应元件。作为其用途，不局限于磁阻效应元件，也能够应用于其他用途。作为其他用途，例如，也可以是：将上述的自旋流磁化旋转元件 设置于各像素，在利用磁光效应而对入射光进行空间上的调制的空间 光调制器中使用；在磁传感器中，为了避免磁铁的矫顽力引起的磁滞 效应，也可以将施加于磁铁的易磁化轴的磁场置换成SOT。
(磁阻效应元件)
本发明的一实施方式的磁阻效应元件具备：本发明的上述实施方 式的自旋流磁化旋转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层、以 及被第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层夹持的非磁性层。
图3是本发明的自旋流磁化旋转元件的应用例，并且，是示意地 表示本发明的一实施方式的磁阻效应元件的立体图。此外，图3中， 省略了本发明的自旋流磁化旋转元件的特征部分的图示。
图3所示的磁阻效应元件100具有：本发明的上述实施方式的自 旋流磁化旋转元件(第一铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线120)、 磁化方向被固定的第二铁磁性金属层103、夹持于第一铁磁性金属层 101与第二铁磁性金属层103之间的非磁性层102。第一铁磁性金属层 101具有与上述第一铁磁性金属层1相同的结构，自旋轨道转矩配线 120具有与上述自旋轨道转矩配线2相同的结构。另外，图3所示的磁 阻效应元件100也可以具有磁阻效应元件部105(第一铁磁性金属层 101、非磁性层102、及第二铁磁性金属层103)和自旋轨道转矩配线 120。
本发明的一实施方式的磁阻效应元件可以是如下结构：即，通过 具备自旋轨道转矩配线120，仅通过纯自旋流的SOT进行磁阻效应元 件的磁化反转的结构(以下，有时称为“仅SOT”)；也可以是如下结 构：即，在现有技术的利用STT的磁阻效应元件中并用纯自旋流的SOT 的结构。
在包括图3的以下说明中，作为自旋轨道转矩配线120沿相对于 磁阻效应元件部105的层叠方向交叉的方向延伸的结构的例，对于沿 正交的方向延伸的结构的情况进行说明。
图3中，还表示用于沿磁阻效应元件100的层叠方向流通电流的 配线130和形成该配线130的基板110。另外，磁阻效应元件100在第 一铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线120之间具备覆盖层104。
＜磁阻效应元件部＞
磁阻效应元件部105具有：磁化方向被固定的第二铁磁性金属层 103、磁化方向可变的第一铁磁性金属层101、以及被第二铁磁性金属 层103及第一铁磁性金属层101夹持的非磁性层102。
第二铁磁性金属层103的磁化被固定为一方向，第一铁磁性金属 层101的磁化的方向相对性地发生变化，由此，磁阻效应元件部105 发挥作为磁阻效应元件的作用。在应用于矫顽力差型(假自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，第二铁磁性金属层的矫顽 力比第一铁磁性金属层的矫顽力大，另外，在应用于交换偏置型(自 旋阀；spinvalve型)的MRAM的情况下，在第二铁磁性金属层中， 通过与反铁磁性层的交换耦合，磁化方向被固定。
另外，由绝缘体构成非磁性层102的情况下，磁阻效应元件部105 为隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件；在由金属构 成非磁性层102的情况下，磁阻效应元件部105为巨型磁阻(GMR： Giant Magnetoresistance)元件。
作为本实施方式的磁阻效应元件部105，能够使用公知的磁阻效应 元件部的结构。例如，各层也可以由多层构成，也可以具备用于固定 第二铁磁性金属层的磁化方向的反铁磁性层等的其他层。
第二铁磁性金属层103被称为固定层、钉扎层、参照层等，第一 铁磁性金属层101被称为自由层、随意层、存储层等。
第二铁磁性金属层103及第一铁磁性金属层101也可以是面内磁 化膜(其磁化方向为与层平行的面内方向)，也可以是垂直磁化膜(其 磁化方向为相对于层垂直的方向)。
关于第二铁磁性金属层103的材料，可以使用公知的材料。例如， 能够使用从Cr、Mn、Co、Fe及Ni中选择的金属以及包含一种以上这 些金属的表现铁磁性的合金。另外，能够使用包含这些金属和从B、C 及N选择的至少一种以上的元素的合金。具体而言，可以举出Co－Fe 及Co－Fe－B。
另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等的霍伊斯勒合金。 霍伊斯勒合金包含具有以X2YZ表示的化学组成的金属间化合物，其 中，X是周期表上Co、Fe、Ni或Cu族的过度金属元素或贵金属元素； Y是Mn、V、Cr或Ti族的过度金属，也能够使用X的元素种类；Z是III族到V族的典型元素。例如，可举出有Co2FeSi、Co2MnSi及Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b等。
另外，为了进一步增大第二铁磁性金属层103的相对于第一铁磁 性金属层101的矫顽力，作为在与非磁性层102接合的面的相反侧的 面上与第二铁磁性金属层103接合的层(钉扎层，pinning layer)，也可 以设置IrMn，PtMn等的反铁磁性材料的层。具体而言，也可以在第二 铁磁性金属层103和配线130之间设置这样的层。进一步，为了避免 第二铁磁性金属层103的漏磁场对第一铁磁性金属层101的影响，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
进一步，在将第二铁磁性金属层103的磁化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，可以将第二铁磁性金属层103设为[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。
作为第一铁磁性金属层101的材料，能够应用铁磁性材料，特别 是软磁性材料。例如，能够使用：从Cr、Mn、Co、Fe及Ni中选择的 金属；包含一种以上这些金属的合金；以及，包含这些金属和从B、C、 及N中选择的至少一种以上的元素的合金等。具体而言，可举出Co －Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe。
在将第一铁磁性金属层101的磁化方向设为相对于层叠面垂直的 情况下，优选将第一铁磁性金属层的厚度设为2.5nm以下。由此，能 够在第一铁磁性金属层101与非磁性层102的界面，对第一铁磁性金 属层101施加垂直磁各向异性。另外，在增大第一铁磁性金属层101 的膜厚时垂直磁各向异性的效果会逐渐减小，因此，第一铁磁性金属层101的膜厚优选为薄。此外，第一铁磁性金属层的厚度优选为0.5nm 以上，更优选为0.5nm以上且2.0nm以下，但不限定于此。
关于非磁性层102，能够使用公知的材料。例如，在由绝缘体构成 非磁性层102的情况下(即，当非磁性层102为隧道势垒层的情况下)， 作为该材料，能够使用Al2O3、SiO2、Mg及MgAl2O4等。另外，除此 之外，也能够使用将Al、Si、Mg的一部分置换成Zn、Be等的材料等。在这些中，MgO及MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够 高效率地注入自旋。另外，在由金属构成非磁性层102的情况下，作 为该材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
另外，如图3所示，优选在第一铁磁性金属层101的与非磁性层 102的相反侧的面形成有覆盖层104。覆盖层104能够抑制来自第一铁 磁性金属层101的元素的扩散。另外，覆盖层104还有助于磁阻效应 元件部105中的各层的结晶取向性。其结果，通过设置覆盖层104，能 够使磁阻效应元件部105的第二铁磁性金属层103及第一铁磁性金属 层101的磁性稳定，并能够实现磁阻效应元件部105的低电阻化。
优选在覆盖层104中使用导电性高的材料。例如，能够使用Ru、 Ta、Cu、Ag、Au等。关于覆盖层104的结晶结构，优选以与邻接的铁 磁性金属层的结晶结构一致的方式，从面心立方(fcc)结构、密排六 方(hcp)结构、或体心立方(bcc)结构中适当地选择而设定。
另外，优选在覆盖层104中使用从Ag、Cu、Mg及Al中选择的任 意元素。关于其详细内容将在后面进行说明，但在经由覆盖层104连 接自旋轨道转矩配线120和磁阻效应元件部105的情况下，优选覆盖层104不会消散从自旋轨道转矩配线120传播的自旋。已知银、铜、镁及铝等的自旋扩散长度较长达100nm以上，自旋难以消散。
优选覆盖层104的厚度为构成覆盖层104的材料的自旋扩散长度 以下。如果覆盖层104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120传播的自旋充分传导至磁阻效应元件部105。此外，如果能够将自旋轨道转矩配线的自旋注入于第一铁磁性金属层，则也 可以将覆盖层104以外的层设置于第一铁磁性金属层和自旋轨道转矩 配线之间。作为这样的层，可以举出厚度为0.5～2.0nm程度的Ag、 Cu、Mg及Al。
＜基板＞
优选基板110的平坦性是优异的。为了得到平坦性优异的表面， 作为其材料，例如，能够使用Si、AlTiC等。
也可以在基板110的磁阻效应元件部105侧的面形成基底层(省 略图示)。当设置基底层时，能够控制包括层叠于基板110上的第二铁 磁性金属层103在内的各个层的结晶取向性、结晶粒径等的结晶性。
基底层优选具有绝缘性。这是为了使流通于配线130等的电流不 消散。关于基底层，能够使用各种层。例如，作为一例，基底层能够 使用如下所述的层：即，具有(001)取向的NaCl结构，且包含从Ti、 Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中选择的至少一种元素的 氮化物的层。
作为其他例，基底层能够使用以组成式XYO3表示的(002)取向 的钙钛矿型导电性氧化物的层。在此，X包含从Sr、Ce、Dy、La、K、 Ca、Na、Pb、Ba中选择的至少一种元素；Y包含从Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中选择的至少一种 元素。
作为其他例，基底层能够使用如下所述的层：即，具有(001)取 向的NaCl结构，且包含从Mg、Al、Ce选择的至少一种元素的氧化物 的层。
作为其他例，基底层能够使用如下所述的层：即，具有(001)取 向的正方晶结构或立方晶结构，且包含从Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、 Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中选择的至少一种元素的层。
另外，基底层不局限于一层，也可以将上述举例的层层叠多层。 通过设计基底层的结构，能够提高磁阻效应元件部105的各层的结晶 性，并改善磁特性。
＜配线＞
配线130与磁阻效应元件部105的第二铁磁性金属层103电连接， 图3中，通过配线130、自旋轨道转矩配线120及电源(省略图示)构 成闭合电路，向磁阻效应元件部105的层叠方向流通电流。
关于配线130，只要是导电性高的材料就没有特别的限制。例如， 能够使用铝、银、铜、金等。
在上述的本实施方式中，举出了所谓的“底钉扎(bottom-pin)结 构”的例：即，在磁阻效应元件100中，层叠后置、且配置于远离基 板110侧的第一铁磁性金属层101为磁化自由层，层叠前置、且配置于接近基板110侧的第二铁磁性金属层103为磁化固定层(引脚层)。 但对于磁阻效应元件100的结构没有特别的限制，也可以是所谓的“顶 钉扎(top-pin)结构”。
＜电源＞
磁阻效应元件100还具备：沿磁阻效应元件部105的层叠方向流 通电流的第一电源140、和向自旋轨道转矩配线120流通电流的第二电 源150。
第一电源140与配线130和自旋轨道转矩配线120连接。第一电 源140能够控制沿磁阻效应元件100的层叠方向流通的电流。
第二电源150与自旋轨道转矩配线120的两端连接。第二电源150 能够控制沿相对于磁阻效应元件部105的层叠方向正交的方向流通的 电流，即向自旋轨道转矩配线120流通的电流。
如上所述，沿磁阻效应元件部105的层叠方向流通的电流诱发 STT。与此相对，向自旋轨道转矩配线120流通的电流诱发SOT。STT 及SOT均有助于第一铁磁性金属层101的磁化反转。
这样，通过利用两个电源分别控制在磁阻效应元件部105的层叠 方向和在与该层叠方向平行的方向上流通的电流量，能够自由地控制 SOT和STT对于磁化反转进行贡献的贡献率。
例如，在不能够向器件流通大电流的情况下，能够以对于磁化反 转的能量效率高的STT为主的方式进行控制。即，能够增加由第一电 源140流通的电流量，减少由第二电源150流通的电流量。
另外，例如，在需要制作较薄的器件，且不得不减薄非磁性层102 的厚度的情况下，要求减少向非磁性层102流通的电流。该情况下， 能够减少由第一电源140流通的电流量，增大由第二电源150流通的 电流量，提高SOT的贡献率。
作为第一电源140及第二电源150，能够使用公知的电源。
如上所述，根据本发明的并用STT方式及SOT方式的结构的情况 下的磁阻效应元件，能够通过从第一电源及第二电源供给的电流量自 由地控制STT及SOT的贡献率。因此，能够根据器件所要求的性能， 自由地控制STT和SOT的贡献率，能够作为通用性高的磁阻效应元件 发挥其作用。
(制造方法)
对于本发明的实施方式的自旋流磁化反转元件及具备其的磁阻效 应元件的制造方法，没有特别的限制，能够使用公知的成膜法。关于 成膜法，例如，作为物理气相沉积(PVD)法，能够使用如下方法： 电阻加热蒸镀、电子束蒸镀、分子束外延法(MBE)法、离子电镀法、 离子束沉积法、溅射法等。或者，作为化学气相沉积(CVD)法，也能够使用如下方法：热CVD法、光CVD法、等离子体CVD法、有机 金属气相沉积(MOCVD)法、原子层堆积(ALD)法等。进一步，为 了形成原子半径的2倍以下的厚度这样极薄的界面自旋产生层，也能 够使用单原子层掺杂法(德尔塔掺杂(Delta-dopping)法)。以下，说明 应用了自旋轨道转矩型磁化反转元件的磁阻效应元件的制造方法的一 例，由此，也兼带自旋轨道转矩型磁化反转元件的制造方法的说明。
首先，在成为支撑体的基板上制作自旋轨道转矩配线。例如，使 用MBE法成膜自旋传导层。在其上，使用例如调整成低成膜速率的溅 射法形成界面自旋产生层。然后，进一步重复进行成膜自旋传导层的 工序，由此，得到自旋传导层和界面自旋产生层交替层叠的层叠体。 接着，使用光刻法等技术，将自旋轨道转矩配线加工成规定的形状。
而且，对于自旋轨道转矩配线以外的部分，由氧化膜等的绝缘膜 进行覆盖。对于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。
接着，制作磁阻效应元件。例如，使用溅射法制作磁阻效应元件。 在磁阻效应元件为TMR元件的情况下，例如，隧道势垒层通过如下方 法形成：即，在第一铁磁性金属层上首先溅射0.4～2.0nm程度的镁、 铝、及多个非磁性元素的成为二价阳离子的金属薄膜，通过等离子体 氧化或氧导入进行自然氧化，之后进行热处理。
优选对所得到的层叠膜进行退火处理。通过反应性溅射法形成的 层为非晶质，需要进行结晶化。例如，在作为铁磁性金属层使用Co－ Fe－B的情况下，B的一部分通过退火处理而脱落并结晶化。
与不进行退火处理所制造的磁阻效应元件相比，进行退火处理所 制造的磁阻效应元件的磁阻比得到提高。其理由认为如下：即，通过 退火处理，非磁性层的隧道势垒层的结晶大小的均匀性及取向性得到 提高的缘故。
作为退火处理，优选如下方式：在氩气等的惰性氛围中，以300℃ 以上且500℃以下的温度，加热5分钟以上且100分钟以下的时间之后， 在施加了2kOe以上且10kOe以下的磁场的状态下，以100℃以上且 500℃以下的温度，加热1小时以上且10小时以下的时间。
作为将磁阻效应元件形成为规定的形状的方法，能够利用光刻法 等的加工手段。首先，在将磁阻效应元件进行层叠之后，在磁阻效应 元件的与自旋轨道转矩配线的相反侧的面上，涂布抗蚀剂。然后，固 化规定部分的抗蚀剂，除去不需要部分的抗蚀剂。抗蚀剂被固化的部 分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂被固化的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
而且，对形成有保护膜的面实施离子研磨、反应性离子蚀刻(RIE) 等的处理。除去没有形成有保护膜的部分，得到规定形状的磁阻效应 元件。
本发明未必限定于上述实施方式的自旋轨道转矩型磁化反转元件 的结构及制造方法，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以实施各种变 更。
(磁存储器)
本发明的一实施方式的磁存储器(MRAM)具备多个本发明的上 述实施方式的磁阻效应元件。
(磁化反转方法)
在本发明的上述实施方式的磁阻效应元件中进行磁化反转的情况 下，优选将向自旋轨道转矩配线流通的电流密度设为低于1×107A/ cm2。当向自旋轨道转矩配线流通的电流的电流密度过大时，由于流通 于自旋轨道转矩配线的电流而产生热。当热施加于第二铁磁性金属层 时，第二铁磁性金属层的磁化的稳定性会消失，有时会产生意外的磁 化反转等。当产生这样的意外的磁化反转时，会产生所记录的信息被改写的问题。即，为了避免意外的磁化反转，优选使流通于自旋轨道 转矩配线的电流的电流密度不会过大。如果流通于自旋轨道转矩配线 的电流的电流密度低于1×107A/cm2时，则至少能够避免由产生的热而产生磁化反转。
关于磁化反转方法，在本发明的实施方式的磁阻效应元件中，在 并用STT方式及SOT方式的结构的情况下，在对自旋轨道转矩配线的 电源施加电流之后，也可以对磁阻效应元件的电源施加电流。
SOT磁化反转工序和STT磁化反转工序可以同时进行，也可以在 先进行SOT磁化反转工序之后再进行STT磁化反转工序。可以由第一 电源140和第二电源150同时供给电流，也可以由第二电源150供给 电流后，再由第一电源140供给电流，但为了更可靠地得到利用了SOT 的磁化反转的辅助效果，优选在对自旋轨道转矩配线的电源施加了电 流之后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在由第二电源150 供给电流之后，再由第一电源140供给电流。
[产业上的利用可能性]
根据本发明的自旋流磁化旋转元件，能够降低磁化旋转所需要的 电流密度，进一步也能够降低耗电量。
[符号说明]
1…第一铁磁性金属层、2…自旋轨道转矩配线、3…自旋传导层、 4…界面自旋产生层、10…自旋流磁化旋转元件(自旋流磁化反转元件)、100…磁阻效应元件、101…第一铁磁性金属层、102…非磁性层、 103…第二铁磁性金属层、104…覆盖层、105…磁阻效应元件部、110… 基板、120…自旋轨道转矩配线、130…配线、140…第一电源、150… 第二电源。

Claims (13)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，
具备：自旋流磁化旋转元件、磁化方向被固定的第二铁磁性金属层、夹持于所述自旋流磁化旋转元件的第一铁磁性金属层与所述第二铁磁性金属层之间的非磁性体层、以及基板，
在所述基板的所述第二铁磁性金属层侧的面形成基底层，
所述基底层是选自：
包含从Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中选择的至少一种元素的氮化物的层；
以组成式XYO3表示的钙钛矿型导电性氧化物的层，在此，X包含从Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中选择的至少一种元素，Y包含从Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中选择的至少一种元素；
包含从Mg、Al、Ce选择的至少一种元素的氧化物的层；以及，
包含从Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中选择的至少一种元素的层；
中的至少一种，
所述自旋流磁化旋转元件具备：
第一铁磁性金属层，其磁化方向可变；及
自旋轨道转矩配线，其向与第一方向交叉的第二方向延伸，且所述第一铁磁性金属层位于其一面上，其中，所述第一方向是所述第一铁磁性金属层的法线方向，
所述自旋轨道转矩配线为将自旋传导层和界面自旋产生层沿所述第一方向层叠的构造，
在所述自旋轨道转矩配线中，所述自旋传导层中的一个最接近于所述第一铁磁性金属层，
所述自旋传导层的厚度为所述自旋传导层具有的自旋扩散长度以下的厚度，
所述界面自旋产生层的厚度为构成所述界面自旋产生层的原子的原子半径的2倍以下。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋传导层由含有Al、Si、Cu、Ag、Ga、As、及Ge中的至少任一种元素的材料构成。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述界面自旋产生层由含有Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、或Bi中的任意的元素的材料构成。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋轨道转矩配线包含2层以上的所述界面自旋产生层。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述界面自旋产生层中，位于最接近所述第一铁磁性金属层的位置的所述界面自旋产生层的厚度比其它所述界面自旋产生层的厚度薄。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋传导层夹着所述界面自旋产生层且由不同的材料构成，
接近于所述第一铁磁性金属层的所述自旋传导层的自旋电阻率小于远离所述第一铁磁性金属层的所述自旋传导层的自旋电阻率。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。
8.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋传导层由含有Al、Si、Cu、Ag、Ga、As、及Ge中的至少任一种元素的材料构成。
9.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述界面自旋产生层由含有Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、或Bi中的任意的元素的材料构成。
10.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述界面自旋产生层中，位于最接近所述第一铁磁性金属层的位置的所述界面自旋产生层的厚度比其它所述界面自旋产生层的厚度薄。
11.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋传导层夹着所述界面自旋产生层且由不同的材料构成，
接近于所述第一铁磁性金属层的所述自旋传导层的自旋电阻率小于远离所述第一铁磁性金属层的所述自旋传导层的自旋电阻率。
12.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。
13.一种磁存储器，其特征在于，
具备多个权利要求1～12中任一项所述的磁阻效应元件。
CN202110928639.6A 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器 Active CN113659071B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110928639.6A CN113659071B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017034757 2017-02-27
JP2017-034757 2017-02-27
CN201880001531.9A CN108886062B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
CN202110928639.6A CN113659071B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
PCT/JP2018/002516 WO2018155078A1 (ja) 2017-02-27 2018-01-26 スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880001531.9A Division CN108886062B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113659071A CN113659071A (zh) 2021-11-16
CN113659071B true CN113659071B (zh) 2024-04-09

Family

ID=63252693

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880001531.9A Active CN108886062B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
CN202110928639.6A Active CN113659071B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880001531.9A Active CN108886062B (zh) 2017-02-27 2018-01-26 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10593868B2 (zh)
JP (2) JP6450058B1 (zh)
CN (2) CN108886062B (zh)
WO (1) WO2018155078A1 (zh)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11250897B2 (en) 2017-02-27 2022-02-15 Tdk Corporation Spin current magnetization rotational element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
WO2018155077A1 (ja) 2017-02-27 2018-08-30 Tdk株式会社 スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP6450058B1 (ja) 2017-02-27 2019-01-09 Tdk株式会社 スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US11875832B2 (en) 2018-09-05 2024-01-16 Keio University Spintronics device, magnetic memory, and electronic apparatus
US10862022B2 (en) 2018-12-06 2020-12-08 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with magnetically coupled assist layers and methods of operating the same
US10811596B2 (en) 2018-12-06 2020-10-20 Sandisk Technologies Llc Spin transfer torque MRAM with a spin torque oscillator stack and methods of making the same
US10797227B2 (en) 2018-12-06 2020-10-06 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with a negative magnetic anisotropy assist layer and methods of operating the same
US10726892B2 (en) * 2018-12-06 2020-07-28 Sandisk Technologies Llc Metallic magnetic memory devices for cryogenic operation and methods of operating the same
US11756600B2 (en) 2019-02-06 2023-09-12 Tdk Corporation Spin-orbit torque magnetization rotational element, spin-orbit torque magnetoresistive effect element, and magnetic memory
JP7096198B2 (ja) * 2019-04-26 2022-07-05 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子
KR20210020482A (ko) 2019-08-14 2021-02-24 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치
JP2021090041A (ja) * 2019-11-26 2021-06-10 Tdk株式会社 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、半導体素子、磁気記録アレイ及び磁気抵抗効果素子の製造方法
JPWO2021140934A1 (zh) * 2020-01-10 2021-07-15
US11316104B2 (en) * 2020-03-13 2022-04-26 International Business Machines Corporation Inverted wide base double magnetic tunnel junction device
WO2022102122A1 (ja) * 2020-11-16 2022-05-19 Tdk株式会社 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US11793001B2 (en) 2021-08-13 2023-10-17 International Business Machines Corporation Spin-orbit-torque magnetoresistive random-access memory
US11915734B2 (en) 2021-08-13 2024-02-27 International Business Machines Corporation Spin-orbit-torque magnetoresistive random-access memory with integrated diode
JP2023067488A (ja) * 2021-11-01 2023-05-16 株式会社日立ハイテク 磁気抵抗効果素子、および磁気抵抗効果センサ

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001352112A (ja) * 2000-06-07 2001-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド
JP2002123915A (ja) * 2000-10-16 2002-04-26 Alps Electric Co Ltd スピンバルブ型薄膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッド及び浮上式磁気ヘッド並びにスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法
JP2007059927A (ja) * 2002-03-28 2007-03-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
JP2007299992A (ja) * 2006-05-01 2007-11-15 Toshiba Corp スピンｆｅｔ
CN103069564A (zh) * 2010-09-17 2013-04-24 株式会社东芝 磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器
JP2014045196A (ja) * 2012-08-26 2014-03-13 Samsung Electronics Co Ltd スイッチングに基づいたスピン軌道相互作用を使用する磁気トンネルリング接合と、磁気トンネルリング接合を利用するメモリを提供するための方法及びシステム
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器
WO2016021468A1 (ja) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置
CN105830155A (zh) * 2013-12-17 2016-08-03 高通股份有限公司 用于垂直磁性隧道结(mtj)的混合合成反铁磁层
CN106463610A (zh) * 2014-06-18 2017-02-22 英特尔公司 具有可调强度的耦合自旋霍尔纳米振荡器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006005277A (ja) * 2004-06-21 2006-01-05 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子
JP4693450B2 (ja) * 2005-03-22 2011-06-01 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP2009146512A (ja) * 2007-12-14 2009-07-02 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気ヘッド及び磁気記録装置
FR2963152B1 (fr) * 2010-07-26 2013-03-29 Centre Nat Rech Scient Element de memoire magnetique
FR2963153B1 (fr) 2010-07-26 2013-04-26 Centre Nat Rech Scient Element magnetique inscriptible
KR101457511B1 (ko) 2011-08-18 2014-11-04 코넬 유니버시티 스핀 홀 효과 자기 장치, 방법, 및 적용
EP2909644B1 (en) * 2012-10-19 2017-08-16 Cambridge Enterprise Limited Electronic devices
JP6143051B2 (ja) * 2012-10-19 2017-06-07 国立大学法人東北大学 スピントロニクスデバイス
WO2014115518A1 (ja) * 2013-01-24 2014-07-31 日本電気株式会社 熱電変換素子及びその製造方法
US8963222B2 (en) * 2013-04-17 2015-02-24 Yimin Guo Spin hall effect magnetic-RAM
US9076954B2 (en) * 2013-08-08 2015-07-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic memories switchable using spin accumulation and selectable using magnetoelectric devices
WO2015174240A1 (ja) * 2014-05-12 2015-11-19 国立研究開発法人産業技術総合研究所 結晶配向層積層構造体、電子メモリ及び結晶配向層積層構造体の製造方法
JP6778866B2 (ja) * 2015-03-31 2020-11-04 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置、製造方法、動作方法、及び集積回路
WO2017155510A1 (en) 2016-03-07 2017-09-14 Intel Corporation Spin and charge interconnects with rashba effects
JP6450058B1 (ja) 2017-02-27 2019-01-09 Tdk株式会社 スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001352112A (ja) * 2000-06-07 2001-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド
JP2002123915A (ja) * 2000-10-16 2002-04-26 Alps Electric Co Ltd スピンバルブ型薄膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッド及び浮上式磁気ヘッド並びにスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法
JP2007059927A (ja) * 2002-03-28 2007-03-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
JP2007299992A (ja) * 2006-05-01 2007-11-15 Toshiba Corp スピンｆｅｔ
CN103069564A (zh) * 2010-09-17 2013-04-24 株式会社东芝 磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器
JP2014045196A (ja) * 2012-08-26 2014-03-13 Samsung Electronics Co Ltd スイッチングに基づいたスピン軌道相互作用を使用する磁気トンネルリング接合と、磁気トンネルリング接合を利用するメモリを提供するための方法及びシステム
CN105830155A (zh) * 2013-12-17 2016-08-03 高通股份有限公司 用于垂直磁性隧道结(mtj)的混合合成反铁磁层
CN106463610A (zh) * 2014-06-18 2017-02-22 英特尔公司 具有可调强度的耦合自旋霍尔纳米振荡器
WO2016021468A1 (ja) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器

Also Published As

Publication number Publication date
US20190131517A1 (en) 2019-05-02
US10593868B2 (en) 2020-03-17
CN108886062B (zh) 2021-09-03
CN108886062A (zh) 2018-11-23
CN113659071A (zh) 2021-11-16
JP6450058B1 (ja) 2019-01-09
WO2018155078A1 (ja) 2018-08-30
JPWO2018155078A1 (ja) 2019-02-28
JP6607302B2 (ja) 2019-11-20
JP2019068086A (ja) 2019-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113659071B (zh) 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
US10854258B2 (en) Spin current magnetization rotational element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
US20210375682A1 (en) Spin-current magnetization reversal element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
JP7024204B2 (ja) スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
CN109427966B (zh) 自旋流磁化反转元件、磁存储器
US10276785B2 (en) Spin current magnetization rotational element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
US11222919B2 (en) Spin current magnetization rotational element, spin-orbit torque magnetoresistance effect element, and magnetic memory
US11250897B2 (en) Spin current magnetization rotational element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
CN111512456B (zh) 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
JP2020155606A (ja) スピン流磁化反転素子及び磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant