CN113793896A

CN113793896A - 磁畴壁移动元件及磁存储阵列

Info

Publication number: CN113793896A
Application number: CN202110565671.2A
Authority: CN
Inventors: 芦田拓也; 柴田龙雄
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-12-14
Also published as: US20210376229A1; US11963461B2

Abstract

本发明提供一种可靠性高的磁畴壁移动元件及磁存储阵列。本实施方式的磁畴壁移动元件从靠近基板的一侧起依次层叠有第一铁磁性层、非磁性层、第二铁磁性层，从层叠方向俯视，在沿着与所述第一铁磁性层延伸的第一方向正交的第二方向切断的切断面上，所述第一铁磁性层的所述第二方向的最短宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

Description

磁畴壁移动元件及磁存储阵列

技术领域

本发明涉及一种磁畴壁移动元件及磁存储阵列。

背景技术

取代在微细化中可见极限的闪存等的下一代非易失性存储器备受关注。作为下一代非易失性存储器，已知例如MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻式随机存取存储器)、ReRAM(Resistance Randome Access Memory，阻变式存储器)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory，相变随机存储器)等。

MRAM将由于磁化的方向的变化而产生的电阻值变化用于数据存储。数据存储由构成MRAM的磁阻变化元件分别承担。例如，在专利文献1中记载了将写入电流和读出电流的路径分开的3端子型的磁阻效应元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利第6275806号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

有时在微细化磁阻效应元件时进行称为减薄(slimming)的处理。减薄是对磁阻效应元件的侧面照射离子束，并减小磁阻效应元件的俯视面积的处理。然而，如果离子束照射到露出的金属面，则有时金属的一部分飞散，再次附着到磁阻效应元件的侧壁。附着到磁阻效应元件的侧壁的杂质使构成磁阻效应元件的铁磁性体的磁特性劣化。另外，附着的杂质也成为磁阻效应元件的泄漏的原因。附着于磁阻效应元件的侧壁的杂质会降低磁阻效应元件的可靠性。

本发明鉴于上述问题而完成，提供一种可靠性高的磁阻效应元件及磁存储阵列。

用于解决技术问题的手段

(1)第一方式的磁畴壁移动元件从靠近基板的一侧起依次层叠有第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层，从层叠方向俯视，在沿着与所述第一铁磁性层延伸的第一方向正交的第二方向切断的切断面上，所述第一铁磁性层的所述第二方向的最短宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

(2)在上述方式的磁畴壁移动元件的沿着所述层叠方向及所述第二方向的切断面上，所述第一铁磁性层的侧面可以相对于所述层叠方向倾斜。

(3)在上述方式的磁畴壁移动元件的沿着所述层叠方向及所述第二方向的切断面上，所述第一铁磁性层的侧面可以具有第一倾斜面和第二倾斜面，第一倾斜面从所述第一铁磁性层的靠近所述基板的一侧的下端朝向所述第一铁磁性层的所述第二方向的中央倾斜，第二倾斜面从所述第一铁磁性层的远离所述基板的一侧的上端朝向所述第一铁磁性层的所述第二方向的中央倾斜。

(4)在上述方式的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一铁磁性层的所述非磁性层侧的第一面的所述第二方向的宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

(5)在上述方式的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度成为最短的位置处于比所述第一铁磁性层的所述层叠方向的中央更靠所述非磁性层侧。

(6)在上述方式的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一铁磁性层的所述第二方向的最长宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

(7)在上述方式的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一铁磁性层的远离所述非磁性层的一侧的第二面的所述第二方向的宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度长。

(8)在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述非磁性层的厚度也可以是

以上。

(9)在上述方式的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述非磁性层的铣削速率比所述第一铁磁性层的铣削速率慢。

(10)就上述方式的磁畴壁移动元件而言，也可以是，在所述第一铁磁性层的与所述非磁性层相反侧还具备基底层，所述基底层的铣削速率比所述第一铁磁性层慢。

(11)也可以是，上述方式的磁畴壁移动元件的所述第一铁磁性层包含构成所述基底层的元素，关于所述元素的丰度，在所述层叠方向上处于比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度最短的位置更靠所述基底层侧的第一区域比在所述层叠方向上处于比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度最短的位置更靠所述非磁性层侧的第二区域浓。

(12)就上述方式的磁畴壁移动元件也可以具有沿所述第一方向夹着所述非磁性层且经由所述基底层与所述第一铁磁性层电连接的第一导电部和第二导电部，所述第一导电部及所述第二导电部各自的所述第二方向的宽度比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度宽，所述基底层的铣削速率比所述第一导电部及所述第二导电部的铣削速率慢。

(13)上述方式的磁畴壁移动元件也可以在所述第二铁磁性层的所述第二方向的侧方还具备与所述第二铁磁性层不同的金属层。

(14)第二方式的磁存储阵列具有多个上述方式的磁畴壁移动元件。

发明效果

上述方式的磁畴壁移动元件及磁存储阵列的可靠性优异。

附图说明

图1是第一实施方式的磁存储阵列的结构图。

图2是第一实施方式的磁存储阵列的特征部的截面图。

图3是第一实施方式的磁畴壁移动元件的xz截面图。

图4是第一实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。

图5是第一实施方式的磁畴壁移动元件的x方向的中央处的yz截面图。

图6是第一实施方式的磁畴壁移动元件的第一导电部中的yz截面图。

图7是用于对制作第一实施方式的磁畴壁移动元件时的减薄进行说明的示意图。

图8是第一变形例的磁畴壁移动元件的x方向的中央处的yz截面图。

图9是第二变形例的磁畴壁移动元件的x方向的中央处的yz截面图。

图10是第三变形例的磁畴壁移动元件的x方向的中央处的yz截面图。

图11是第一实施方式的磁畴壁移动元件的xz截面图。

图12是第一实施方式的磁畴壁移动元件的x方向的中央处的yz截面图。

符号说明

10、70……第一铁磁性层

10a、70a……第一面

10b、70b……第二面

20、80……第二铁磁性层

30……非磁性层

40……基底层

51……第一导电部

52……第二导电部

60……金属层

100、101、102、103、110……磁畴壁移动元件

200……磁存储阵列

L10max……最长宽度

L10min……最短宽度

L30……宽度

R1……第一区域

R2……第二区域

s1……第一倾斜面

s2……第二倾斜面

s3……倾斜面

具体实施方式

以下，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。在以下的说明中使用的附图为了使本发明的特征易于理解，有时便宜地放大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不被它们限制，能够在实现本发明的效果的范围内适当地变更而实施。

首先，对方向定义。x方向及y方向是与后述的基板Sub(参照图2)的一面大致平行的方向。x方向是后述的第一铁磁性层10延伸的方向，是从后述的第一导电部51朝向第二导电部52的方向。y方向是与x方向正交的方向。z方向是从后述的基板Sub朝向磁畴壁移动元件100的方向。z方向是层叠方向的一例。另外，在本说明书中，“沿x方向延伸”是指例如x方向的尺寸比x方向、y方向及Z方向的各尺寸中最小的尺寸大。沿其它方向延伸的情况也同样。

[第一实施方式]

图1是第一实施方式的磁存储阵列的结构图。磁存储阵列200具备多个磁畴壁移动元件100、多个第一配线Wp1～Wpn、多个第二配线Cm1～Cmn、多个第三配线Rp1～Rpn、多个第一开关元件110、多个第二开关元件120以及多个第三开关元件130。磁存储阵列200例如能够用于磁存储器、乘法累加器(multiplier accumulator)、神经形态(neuromorphic)器件。

〈第一配线、第二配线、第三配线〉

第一配线Wp1～Wpn是写入配线。第一配线Wp1～Wpn将电源和一个以上的磁畴壁移动元件100电连接。电源在使用时与磁存储阵列200的一端连接。

第二配线Cm1～Cmn是共用配线。共用配线是能够用于数据的写入时及读出时双方的配线。第二配线Cm1～Cmn将基准电位和一个以上的磁畴壁移动元件100电连接。基准电位例如是地线。第二配线Cm1～Cmn可以设置于多个磁畴壁移动元件100中的每一个，也可以遍及多个磁畴壁移动元件100而设置。

第三配线Rp1～Rpn是读出配线。第三配线Rp1～Rpn将电源和一个以上的磁畴壁移动元件100电连接。电源在使用时与磁存储阵列200的一端连接。

〈第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件〉

图1所示的第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130与多个磁畴壁移动元件100中的每一个连接。第一开关元件110连接于磁畴壁移动元件100中的每一个和第一配线Wp1～Wpn之间。第二开关元件120连接于磁畴壁移动元件100中的每一个和第二配线Cm1～Cmn之间。第三开关元件130连接于磁畴壁移动元件100中的每一个和第三配线Rp1～Rpn之间。

如果将第一开关元件110及第二开关元件120设为ON，则写入电流在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第一配线Wp1～Wpn和第二配线Cm1～Cmn之间流通。如果将第一开关元件110及第三开关元件130设为ON，则读出电流在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第二配线Cm1～Cmn和第三配线Rp1～Rpn之间流通。

第一开关元件110、第二开关元件120及第三开关元件130是控制电流的流通的元件。第一开关元件110、第二开关元件120及第三开关元件130例如是晶体管、像双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)那样利用结晶层的相变化的元件、像金属绝缘体转变(MIT)开关那样利用能带结构的变化的元件、像齐纳二极管(Zener Diode)及雪崩击穿二极管(avalanche breakdown diode)那样利用击穿电压的元件、传导性随着原子位置的变化而变化的元件。

第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130中的任一个也可以在与相同配线连接的磁畴壁移动元件100中共用。例如，在共享第一开关元件110的情况下，在第一配线Wp1～Wpn的上游设置一个第一开关元件110。例如，在共享第二开关元件120的情况下，在第二配线Cm1～Cmn的上游设置一个第二开关元件120。例如，在共享第三开关元件130的情况下，在第三配线Rp1～Rpn的上游设置一个第三开关元件130。

图2是第一实施方式的磁存储阵列200的特征部的截面图。图2是以穿过第一铁磁性层10的y方向的宽度的中心的xz平面切断图1中的一个磁畴壁移动元件100的截面。

图2所示的第一开关元件110及第二开关元件120是晶体管Tr。晶体管Tr具有栅极电极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例如是半导体基板。第三开关元件130与电极E电连接，例如，位于纸面进深方向(+y方向)。

晶体管Tr中的每一个和磁畴壁移动元件100经由配线W电连接。配线W包含具有导电性的材料。配线W例如沿z方向延伸。配线W例如是形成于绝缘层In的开口部的通孔配线。

磁畴壁移动元件100和晶体管Tr除去配线W，通过绝缘层In而电分离。绝缘层In是使多层配线的配线之间或元件之间绝缘的绝缘层。绝缘层In是例如氧化硅(SiO_x)、氮化硅(SiN_x)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO_x)等。

“磁畴壁移动元件”

图3是以穿过第一铁磁性层10的y方向的中心的xz平面切断磁畴壁移动元件100的截面图。图4是从z方向俯视磁畴壁移动元件100的图。图5是以穿过磁畴壁移动元件100的x方向的中央的yz平面切断磁畴壁移动元件100的截面图。图5是沿着图4的A-A线切断磁畴壁移动元件100的截面。图6是以穿过磁畴壁移动元件100的第一导电部51的yz平面切断磁畴壁移动元件100的截面图。图6是沿着图4的B-B线切断磁畴壁移动元件100的截面。

磁畴壁移动元件100例如具有第一铁磁性层10、第二铁磁性层20、非磁性层30、基底层40、第一导电部51以及第二导电部52。例如，从靠近基板Sub的一侧起依次层叠有第一铁磁性层10、非磁性层30、和第二铁磁性层20。也可以在第一铁磁性层10和非磁性层30之间及非磁性层30和第二铁磁性层20之间插入其它层。在向磁畴壁移动元件100写入数据时，使写入电流在第一导电部51和第二导电部52之间的第一铁磁性层10中流通。在从磁畴壁移动元件100读出数据时，使读出电流在第一导电部51或第二导电部52和第二铁磁性层20之间流通。

“第一铁磁性层”

第一铁磁性层10沿x方向延伸。第一铁磁性层10通入写入电流。第一铁磁性层10例如是从z方向俯视时x方向为长轴、y方向为短轴的矩形。第一铁磁性层10例如处于比第二铁磁性层20靠基板Sub侧。写入电流沿着第一铁磁性层10从第一导电部51朝向第二导电部52或从第二导电部52朝向第一导电部51流动。

第一铁磁性层10是能够通过内部的磁状态的变化对信息进行磁存储的层。第一铁磁性层10有时被称为磁存储层、磁畴壁移动层。

如图3所示，第一铁磁性层10例如具有磁化固定区域11、12和磁畴壁移动区域13。磁畴壁移动区域13例如沿x方向被两个磁化固定区域11、12夹着。

磁化固定区域11是从z方向观察与第一铁磁性层10的第一导电部51重叠的区域。磁化固定区域12是从z方向观察与第一铁磁性层10的第二导电部52重叠的区域。磁化固定区域11、12的磁化M₁₁、M₁₂与磁畴壁移动区域13的磁化M_13A、M_13B相比，不易磁化反转，即使施加磁畴壁移动区域13的磁化M_13A、M_13B反转的阈值的外力，也不磁化反转。因此，磁化固定区域11、12的磁化M₁₁、M₁₂可以说相对于磁畴壁移动区域13的磁化M_13A、M_13B固定。

磁化固定区域11的磁化M₁₁和磁化固定区域12的磁化M₁₂沿不同的方向取向。磁化固定区域11的磁化M₁₁和磁化固定区域12的磁化M₁₂例如沿相反方向取向。磁化固定区域11的磁化M₁₁例如沿+z方向取向，磁化固定区域12的磁化M₁₂例如沿-z方向取向。

磁畴壁移动区域13由第一磁区13A和第二磁区13B构成。第一磁区13A与磁化固定区域11相邻。第一磁区13A的磁化M_13A受磁化固定区域11的磁化M₁₁的影响，例如，沿与磁化固定区域11的磁化M₁₁相同的方向取向。第二磁区13B与磁化固定区域12相邻。第二磁区13B的磁化M_13B受磁化固定区域12的磁化M₁₂的影响，例如，沿与磁化固定区域12的磁化M₁₂相同的方向取向。因此，第一磁区13A的磁化M_13A和第二磁区13B的磁化M_13B沿不同的方向取向。第一磁区13A的磁化M_13A和第二磁区13B的磁化M_13B例如沿相反方向取向。

第一磁区13A和第二磁区13B的边界是磁畴壁DW。磁畴壁DW在磁畴壁移动区域13内移动。磁畴壁DW原则上不侵入磁化固定区域11、12。

在磁畴壁移动区域13中，磁畴壁DW通过使写入电流沿磁畴壁移动区域13的x方向流通而移动。例如，如果对磁畴壁移动区域13施加+x方向的写入电流(例如，电流脉冲)，则电子向与电流相反的-x方向流动，因此，磁畴壁DW向-x方向移动。在电流从第一磁区13A朝向第二磁区13B流动的情况下，在第二磁区13B中自旋极化的电子使第一磁区13A的磁化M_13A进行磁化反转。通过第一磁区13A的磁化M_13A进行磁化反转，从而磁畴壁DW向-x方向移动。在磁畴壁移动区域13中，如果磁畴壁移动，则第一磁区13A和第二磁区13B的比率变化。

在磁畴壁移动区域13中，如果磁畴壁DW移动，第一磁区13A和第二磁区13B的比率变化，则磁畴壁移动元件100的电阻根据第一磁区13A和第二磁区13B的比率变化。另外，如果使磁畴壁DW的位置阶段性移动，则磁畴壁移动元件100的电阻值阶段性变化，如果使磁畴壁DW的位置连续移动，则磁畴壁移动元件100的电阻值连续变化。电阻值阶段性变化的磁畴壁移动元件100适于处理多值的数据。电阻值连续变化的磁畴壁移动元件100适于处理模拟的数据。

如图5及图6所示，第一铁磁性层10的y方向的最短宽度L10min比非磁性层30的y方向的宽度L30短。非磁性层30的y方向的宽度L30是y方向的宽度的平均值，在例如y方向的宽度根据z方向的位置而变化的情况下，是指它们的平均值。

图5及图6所示的第一铁磁性层10的y方向的宽度根据z方向的位置而不同。例如，第一铁磁性层10的第一面10a和第二面10b的y方向的宽度不同。第一面10a是第一铁磁性层10的非磁性层30侧的面。第二面10b是第一铁磁性层10的与第一面10a相反侧的面。

图5及图6所示的第一面10a的y方向的宽度与非磁性层30的y方向的宽度L30相同。图5及图6所示的第一铁磁性层10的y方向的宽度随着从第一面10a朝向第二面10b而变窄，在到达最短宽度L10min后变宽。成为最短宽度L10min的位置例如比第一铁磁性层10的z方向的中央靠非磁性层30侧。图5及图6所示的第一铁磁性层10的y方向的宽度在第二面10b上最长。图5及图6所示的第二面10b的y方向的宽度比非磁性层30的y方向的宽度L30长。第一铁磁性层10的y方向的最长宽度L10max例如比非磁性层30的y方向的宽度L30长。

图5及图6所示的第一铁磁性层10的y方向的侧面相对于z方向向y方向倾斜。第一铁磁性层10的y方向的侧面可以区分成第一倾斜面s1和第二倾斜面s2。第一倾斜面s1是以第一铁磁性层10的侧面的基板Sub侧的下端为基准朝向第一铁磁性层10的y方向中央倾斜的倾斜面。第二倾斜面s2是以第一铁磁性层10的侧面的非磁性层30侧的上端为基准朝向第一铁磁性层10的y方向中央倾斜的倾斜面。第二倾斜面s2相对于第一倾斜面s1悬伸(overhang)。

第一倾斜面s1和第二倾斜面s2夹着第一铁磁性层10的侧面的切线相对于z方向的倾斜度成为零的拐点p1。拐点p1处于比非磁性层30的y方向的端部更靠内侧。第一铁磁性层10的y方向的侧面例如相对于从非磁性层30的y方向的端部沿z方向下降的假想面凹陷。

第一铁磁性层10由磁性体构成。第一铁磁性层10优选具有选自Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge、Ga中的至少一种元素。作为用于第一铁磁性层10的材料，例如可举出Co和Ni的层叠膜、Co和Pt的层叠膜、Co和Pd的层叠膜、MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料。MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料等铁氧磁性体(ferrimagnet)的饱和磁化小，移动磁畴壁DW所需的阈值电流变小。另外，Co和Ni的层叠膜、Co和Pt的层叠膜、Co和Pd的层叠膜的矫顽力大，磁畴壁DW的移动速度慢。

第一铁磁性层10也可以包含构成基底层40的元素。就元素的丰度而言，例如，在z方向上处于比第一铁磁性层10成为最短宽度L10min的位置更靠基底层40侧的第一区域R1比在z方向上处于比第一铁磁性层10成为最短宽度L10min的位置更靠非磁性层30侧的第二区域R2浓。

“非磁性层”

非磁性层30例如与第一铁磁性层10相接。非磁性层30处于第一铁磁性层10上。非磁性层30处于第一铁磁性层10和第二铁磁性层20之间。

非磁性层30例如由非磁性的绝缘体、半导体或金属构成。非磁性的绝缘体例如是Al₂O₃、SiO₂、MgO、MgAl₂O₄及它们的Al、Si、Mg的一部分被Zn、Be等取代的材料。这些材料的带隙大，绝缘性优异。在非磁性层30由非磁性的绝缘体构成的情况下，非磁性层30是隧道势垒层。非磁性的金属为例如Cu、Au、Ag等。非磁性的半导体例如为Si、Ge、CuInSe₂、CuGaSe₂、Cu(In,Ga)Se₂等。

非磁性层30的铣削速率例如比第一铁磁性层10的铣削速率慢。铣削速率是对于干式蚀刻的铣削速率。在干式蚀刻中例如使用离子束蚀刻。在离子束蚀刻中，在以几百～几kV的电压加速的铣削中，例如能够使用Ar、Kr、Xe等稀有气体元素或其离子。在非磁性层30是氧化物的情况下，与作为金属的第一铁磁性层10相比，铣削速率通常较慢。

非磁性层30的厚度优选为

以上，更优选为

以上。如果非磁性层30的厚度厚，则磁畴壁移动元件100的电阻面积积(RA)变大。磁畴壁移动元件100的电阻面积积(RA)优选为1×10⁴Ωμm²以上，更优选为1×10⁵Ωμm²以上。磁畴壁移动元件100的电阻面积积(RA)由一个磁畴壁移动元件100的元件电阻和磁畴壁移动元件100的元件截面积(以xy平面切断非磁性层30的切断面的面积)的积表示。

另外，由于非磁性层30的厚度厚的情况和减薄时的与其它层的铣削速率的不同，从而存在杂质容易再次附着到非磁性层30的侧壁的趋势。如果控制非磁性层30的y方向的宽度L30和第一铁磁性层10的y方向的最短宽度L10min的关系，则即使在非磁性层30的厚度厚的情况下，也能够抑制杂质向非磁性层30的侧壁的再次附着。

“第二铁磁性层”

第二铁磁性层20位于非磁性层30上。第二铁磁性层20具有沿一个方向取向的磁化M₂₀。第二铁磁性层20的磁化M₂₀在被施加规定的外力时与磁畴壁移动区域13的磁化M_13A、M_13B相比，不易进行磁化反转。规定的外力是例如通过外部磁场施加于磁化的外力或通过自旋极化电流施加于磁化的外力。第二铁磁性层20有时被称为磁化固定层、磁化参照层。

由于第二铁磁性层20的磁化和磁畴壁移动区域13的磁化M_13A、M_13B的相对角的不同，从而磁畴壁移动元件100的电阻值变化。第一磁区13A的磁化M_13A为例如与第二铁磁性层20的磁化M₂₀相同的方向(平行)，第二磁区13B的磁化M_13B为例如与第二铁磁性层20的磁化M₂₀相反的方向(反平行)。如果从z方向俯视与第二铁磁性层20重叠的部分中的第一磁区13A的面积扩大，则磁畴壁移动元件100的电阻值降低。相反地，如果从z方向俯视与第二铁磁性层20重叠的部分中的第二磁区13B的面积扩大，则磁畴壁移动元件100的电阻值升高。

第二铁磁性层20包含铁磁性体。第二铁磁性层20例如包含在和第一铁磁性层10之间容易获得相干隧道效应的材料。第二铁磁性层20包含例如选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属、包含一种以上这些金属的合金、以及包含这些金属和B、C及N中的至少一种以上的元素的合金等。第二铁磁性层20例如是Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。

第二铁磁性层20例如也可以是赫斯勒合金(Heusler alloy)。赫斯勒合金是半金属，具有高的自旋极化率。赫斯勒合金是具有XYZ或X₂YZ的化学组成的金属间化合物，X在周期表上是Co、Fe、Ni、或者Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或者Ti族的过渡金属或X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。作为赫斯勒合金，可举出例如Co₂FeSi、Co₂FeGe、Co₂FeGa、Co₂MnSi、Co₂Mn_1-aFe_aAl_bSi_1-b、Co₂FeGe_1-cGa_c等。

在将第二铁磁性层20的易磁化轴设为z方向(设为垂直磁化膜)的情况下，第二铁磁性层20的膜厚优选设为1.5nm以下，更优选设为1.0nm以下。如果减薄第二铁磁性层20的膜厚，则在第二铁磁性层20和其它层(非磁性层30)的界面上，对第二铁磁性层20附加垂直磁各向异性(界面垂直磁各向异性)，第二铁磁性层20的磁化容易沿z方向取向。

在将第二铁磁性层20的易磁化轴设为z方向(设为垂直磁化膜)的情况下，优选将第二铁磁性层20设为选自Co、Fe、Ni中的铁磁性体和选自Pt、Pd、Ru、Rh中的非磁性体的层叠体，更优选将选自Ir、Ru的中间层插入到层叠体的任一位置。如果将铁磁性体和非磁性体层叠，则能够附加垂直磁各向异性，通过插入中间层，第二铁磁性层20的磁化容易沿z方向取向。

也可以在第二铁磁性层20的与非磁性层30相反的侧的面上经由间隔层设置反铁磁性层。第二铁磁性层20、间隔层、反铁磁性层成为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹着非磁性层的两个磁性层构成。通过第二铁磁性层20和反铁磁性层进行反铁磁性耦合，与没有反铁磁性层的情况相比，第二铁磁性层20的矫顽力变大。反铁磁性层例如为IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自Ru、Ir、Rh中的至少一个。

基底层40处于第一铁磁性层10的与非磁性层30相反侧。基底层40也可以仅处于沿z方向与磁畴壁移动区域13重叠的位置。

基底层40由非磁性体构成。基底层40例如规定第一铁磁性层10的晶体结构。与基底层40的晶体结构相比，第一铁磁性层10的结晶性提高，第一铁磁性层10的磁化的取向性提高。基底层40的晶体结构例如是无定形、(001)取向的NaCl结构、由ABO₃的组成式表示的(002)取向的钙钛矿结构、(001)取向的四方晶结构或立方晶结构。

基底层40是导体或绝缘体。基底层40优选为导体。在基底层40是导体的情况下，基底层40的厚度优选比第一铁磁性层10的厚度薄。基底层40例如包含Ta、Ru、Pt、Ir、Rh、W、Pd、Cu、Au、Cu。基底层40例如是Ta层、Pt层、Ta层和Pt层的层叠体。

基底层40的铣削速率例如比第一铁磁性层10慢。另外，基底层40的铣削速率例如比第一导电部51、第二导电部52慢。例如，基底层40包含选自Al、Cr、Mg、Ta、Ti、W中的一种以上的元素，第一铁磁性层10包含选自Co、Fe、Ni、Pt、Pd、Ir、Rh中的一种以上的元素，在第一导电部51及第二导电部52是包含选自Au、Cu、Ru的一种以上的元素的合金或层叠体的情况下满足上述关系。具体而言，例如，可举出基底层是Ta或Ta和Pt的层叠膜、第一铁磁性层10是Co和Pt的层叠膜、第一导电部51及第二导电部52是Au的情况。

基底层40的厚度例如在xy面内大致恒定。基底层40的平均厚度例如为

以下。平均厚度是在沿x方向以等间隔将基底层40分割成十份的各份的x方向的位置处测定的基底层40的厚度的平均值。

“第一导电部及第二铁磁性部”

第一导电部51及第二导电部52与第一铁磁性层10电连接。第一导电部51及第二导电部52例如如图6所示经由基底层40连接。第一导电部51及第二导电部52也可以与第一铁磁性层10直接连接。第一导电部51例如与第一铁磁性层10的第一端部连接，第二导电部52例如与第一铁磁性层10的第二端部连接。第一导电部51及第二导电部52例如是配线W和第一铁磁性层10的连接部。

第一导电部51及第二导电部52是柱状体。从z方向俯视，图4所示的第一导电部51及第二导电部52的形状为矩形。第一导电部51及第二导电部52的从z方向的俯视形状不论，也可以是圆形、椭圆形、不定形。第一导电部51及第二导电部52的y方向的宽度例如比第一铁磁性层10、非磁性层30的y方向的宽度宽。第一导电部51及第二导电部52的上表面例如被蚀刻，相对于xy平面凹陷。

第一导电部51及第二导电部52由具有导电性的材料构成。第一导电部51及第二导电部52例如包含磁性体。第一导电部51及第二导电部52例如包含选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属、包含一种以上这些金属的合金、以及包含这些金属和B、C及N中的至少一种以上的元素的合金等。第一导电部51及第二导电部52为例如Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe等。另外，第一导电部51及第二导电部52在将易磁化轴设为z方向(设为垂直磁化膜)的情况下，优选将第一导电部51及第二导电部52设为选自Co、Fe、Ni中的铁磁性体和选自Pt、Pd、Ru、Rh中的非磁性体的层叠体。另外，第一导电部51及第二导电部52也可以是合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹着非磁性层的两个磁性层构成。两个磁性层各自的磁化固定，固定的磁化的方向相反。

在第一导电部51包含磁性体的情况下，第一导电部51的磁化M₅₁沿一个方向取向。磁化M₅₁例如沿+z方向取向。第一导电部51固定磁化固定区域11的磁化M₁₁。第一导电部51的磁化M₅₁和磁化固定区域11的磁化M₁₁例如沿相同方向取向。

在第二导电部52包含磁性体的情况下，第二导电部52的磁化M₅₂沿与第一导电部51的磁化M₅₁相反的方向取向。磁化M₅₂例如沿-z方向取向。在该情况下，第二导电部52固定磁化固定区域12的磁化M₁₂，第二导电部52的磁化M₅₂和磁化固定区域12的磁化M₁₂例如沿相同方向取向。

磁畴壁移动元件100的各层的磁化的方向例如可通过测定磁化曲线来确认。磁化曲线例如能够使用MOKE(Magneto Optical Kerr Effect，磁光克尔效应)测定。基于MOKE的测定是通过使直线偏光入射至测定对象物，并使用发生该偏光方向的旋转等的磁光效应(磁Kerr效应)来进行的测定方法。

接着，对磁存储阵列200的制造方法进行说明。磁存储阵列200通过各层的层叠工序和将各层的一部分加工成规定的形状的加工工序而形成。各层的层叠能够使用溅射法、化学气相生长(CVD)法、电子束蒸发法(EB蒸发法)、原子激光沉积法等。各层的加工能够使用光刻法等进行。

首先，在基板Sub的规定的位置掺杂杂质，形成源极区域S和漏极区域D。接着，在源极区域S和漏极区域D之间形成栅极绝缘膜GI和栅极电极G。源极区域S、漏极区域D、栅极绝缘膜GI及栅极电极G成为晶体管Tr。

接着，以覆盖晶体管Tr的方式形成绝缘层In。另外，通过在绝缘层In形成开口部并在开口部内填充导电体而形成配线W。第一配线Wp和第二配线Cm通过在将绝缘层In层叠到规定的厚度后在绝缘层In形成槽，并在槽中填充导电体而形成。

第一导电部51及第二导电部52例如能够通过在绝缘层In及配线W的一面层叠铁磁性层并将成为第一导电部51及第二导电部52的部分以外的部分除去而形成。除去的部分例如由绝缘层In填埋。

接着，在第一导电部51、第二导电部52及绝缘层In上依次层叠基底层40、第一铁磁性层10及非磁性层30。而且，在非磁性层30上的一部分形成抗蚀剂。接着，通过经由抗蚀剂从z方向进行干式蚀刻，从而加工基底层40、第一铁磁性层10和非磁性层30。加工后的层叠体的yz截面形状为矩形或梯形。

接着，瞄准层叠体的第一铁磁性层10，从斜方向照射离子束。通过离子束的照射，第一铁磁性层10朝向层叠体的y方向的中央凹陷。之后，在与第一铁磁性层10重叠的位置层叠第二铁磁性层20。

最后，通过减小离子束相对于xy平面的照射角，并从层叠体的横方向照射离子束，将层叠体整体减薄。通过减薄将层叠体微细化。最后，通过用绝缘层In填埋层叠体的周围，获得磁畴壁移动元件100。

第一实施方式的磁畴壁移动元件100在减薄时，杂质难以再次附着到非磁性层30的侧面。使用图7对其理由进行说明。图7是用于对制作第一实施方式的磁畴壁移动元件100时的减薄进行说明的示意图。

如上所述，在减薄时，从y方向对由基底层40、第一铁磁性层10、非磁性层30及第二铁磁性层20构成的层叠体照射离子束IB。难以与y方向平行地照射离子束IB，离子束IB从相对于xy平面向z方向稍微倾斜的方向照射。例如，如果向第一铁磁性层10照射离子束IB，则第一铁磁性层10中所含的金属颗粒作为颗粒pt飞散。

就第一实施方式的磁畴壁移动元件100而言，由于第一铁磁性层10的y方向的最短宽度L10min比非磁性层30的y方向的宽度L30短，所以非磁性层30成为罩，能够抑制颗粒pt再次附着到非磁性层30的侧壁。

另外，如果第一铁磁性层10具有第二倾斜面s2，则第二倾斜面s2相对于第一倾斜面s1悬伸，因此，能够进一步抑制颗粒pt到达非磁性层30的侧壁。另外，如果第一铁磁性层10的y方向的宽度成为最短的位置处于比第一铁磁性层10的z方向的中央更靠非磁性层30侧，则靠近非磁性层30的部分朝向内侧凹陷，并能够进一步抑制颗粒pt到达非磁性层30的侧壁。

另外，如果使非磁性层30及基底层40的铣削速率比第一铁磁性层10慢，则越推进减薄，第一铁磁性层10的侧面越相对于非磁性层30及基底层40的侧面向内侧进入。因此，非磁性层30成为罩，能够进一步抑制颗粒pt再次附着到非磁性层30的侧壁。另外，如果使基底层40的铣削速率比第一导电部51及第二导电部52的铣削速率慢，则基底层40成为罩，能够进一步抑制从第一导电部51或第二导电部52飞散的颗粒pt到达非磁性层30的侧壁。

另外，如果第一铁磁性层10包含构成基底层40的元素，则能够减少从第一铁磁性层10飞散的颗粒pt的量。另外，通过使第一区域R1的构成基底层40的元素的丰度比第二区域R2浓，能够抑制来自容易确保颗粒pt到达非磁性层30的路径的第一区域R1的颗粒pt的产生。

附着有颗粒而形成的杂质降低磁畴壁移动元件100的MR比，根据情况使第一铁磁性层10和第二铁磁性层20短路。因为第一实施方式的磁畴壁移动元件100能够减少杂质向非磁性层30的侧壁的附着，所以可靠性高。

以上，对第一实施方式的磁存储阵列200及磁畴壁移动元件100的一例进行了详述，但第一实施方式的磁存储阵列200及磁畴壁移动元件100在本发明的主旨的范围内能够进行各种变形和变更。

(第一变形例)

图8是第一变形例的磁畴壁移动元件101的x方向的中央处的yz截面图。磁畴壁移动元件101的第一铁磁性层10的侧面的形状与磁畴壁移动元件100不同。在磁畴壁移动元件101中，对与磁畴壁移动元件100相同的结构标注相同的符号，并省略说明。

图8所示的第一铁磁性层10的y方向的侧面是相对于z方向向y方向倾斜的倾斜面s3。倾斜面s3是以第一铁磁性层10的侧面的非磁性层30侧的上端为基准以远离第一铁磁性层10的y方向中央的方式倾斜的倾斜面。

图8所示的第一面10a的y方向的宽度比非磁性层30的y方向的宽度L30短。图8所示的第一铁磁性层10的y方向的宽度随着从第一面10a朝向第二面10b而变宽。图8所示的第一铁磁性层10的y方向的宽度在第一面10a上最短，在第二面10b上最长。

就第一变形例的磁畴壁移动元件101而言，第一铁磁性层10的y方向的侧面的一部分处于比非磁性层30更靠内侧。因此，非磁性层30成为檐，能够抑制从第一铁磁性层10飞散的颗粒pt再次附着到非磁性层30的侧壁。

(第二变形例)

图9是第二变形例的磁畴壁移动元件102的x方向的中央处的yz截面图。磁畴壁移动元件102的第一铁磁性层10的侧面的形状与磁畴壁移动元件100不同。在磁畴壁移动元件102中，对与磁畴壁移动元件100相同的结构标注相同的符号并省略说明。

第二变形例的磁畴壁移动元件102在第一铁磁性层10的y方向的宽度在第二面10b上成为最长的点上与磁畴壁移动元件100相同，但在第二面10b的y方向的宽度比非磁性层30的y方向的宽度L30短的点上不同。就第二变形例的磁畴壁移动元件102而言，例如，第一铁磁性层10的y方向的最长宽度L10max比非磁性层30的y方向的宽度L30短。

就第二变形例的磁畴壁移动元件102而言，第一铁磁性层10的y方向的侧面处于比非磁性层30靠内侧。因此，非磁性层30成为檐，能够抑制从第一铁磁性层10飞散的颗粒pt再次附着到非磁性层30的侧壁。

(第三变形例)

图10是第三变形例的磁畴壁移动元件103的x方向的中央处的yz截面图。就磁畴壁移动元件103而言，在第二铁磁性层20的侧面具有金属层60的点与磁畴壁移动元件100不同。在磁畴壁移动元件103中，对与磁畴壁移动元件100相同的结构标注相同的符号并省略说明。

金属层60例如处于第二铁磁性层20的y方向的侧方。金属层60例如与第二铁磁性层20的y方向的侧面相接。也可以在第二铁磁性层20和金属层60之间存在另外的层。另外的层例如是氧化膜。

金属层60未与第二铁磁性层20连续。未连续是指能够通过透射电子显微镜确认界面。金属层60与第二铁磁性层20不同。与第二铁磁性层20不同是指材质或组成不同。金属层60可以是非磁性体，也可以是磁性体。

第三变形例的磁畴壁移动元件103可获得与第一实施方式的磁畴壁移动元件100相同的效果。另外，由于金属层60朝向比第一铁磁性层10靠外侧突出，从而磁畴壁移动元件103的散热性提高。

“第二实施方式”

图11是以穿过第一铁磁性层70的y方向的中心的xz平面切断第二实施方式的磁畴壁移动元件110的截面图。图12是以穿过磁畴壁移动元件110的x方向的中央的yz平面切断磁畴壁移动元件110的截面图。从z方向观察的第二实施方式的磁畴壁移动元件110的俯视图与图4相同。

磁畴壁移动元件110例如具有第一铁磁性层70、第二铁磁性层80、非磁性层30、基底层40、第一导电部51以及第二导电部52。在磁畴壁移动元件110中，对与第一实施方式相同的结构标注相同的符号。第一铁磁性层70位于比第二铁磁性层0更靠基板Sub侧。

在向磁畴壁移动元件110写入数据时，使写入电流在第一导电部51和第二导电部52之间的第二铁磁性层80中流通。在从磁畴壁移动元件100读出数据时，使读出电流在第一导电部51或第二导电部52和第一铁磁性层70之间流通。

第一铁磁性层70具有沿一个方向取向的磁化M₇₀。第一铁磁性层70是磁化固定层和磁化参照层。第一铁磁性层70在功能上与第一实施方式的第二铁磁性层20同等。磁畴壁移动元件110是磁化固定层处于基板Sub侧的底销结构。第一铁磁性层70能够使用与第二铁磁性层20相同的材料。第一铁磁性层70也可以包含构成基底层40的元素。

在第二铁磁性层80中通入写入电流。第二铁磁性层80在功能上与第一实施方式的第一铁磁性层10相同。第二铁磁性层80能够使用与第一铁磁性层10相同的材料。

第二铁磁性层80是能够通过内部的磁状态的变化对信息进行磁存储的层。第二铁磁性层80有时被称为磁存储层、磁畴壁移动层。第二铁磁性层80具有磁化固定区域81、82和磁畴壁移动区域83。磁化固定区域81的磁化M₈₁和磁化固定区域82的磁化M₈₂沿相反方向取向。磁畴壁移动区域83具有第一磁区83A和第二磁区83B。第一磁区83A和第二磁区83B的边界是磁畴壁DW。磁化M_83A和磁化M_84A夹着磁畴壁DW沿相反方向取向。

如图12所示，第一铁磁性层70的y方向的最短宽度L70min比非磁性层30的y方向的宽度L30短。第一铁磁性层70的y方向的宽度根据z方向的位置而不同。例如，第一铁磁性层70的第一面70a和第二面70b的y方向的宽度不同。第一铁磁性层70的y方向的宽度随着从第一面10a朝向第二面10b而变窄，在到达最短宽度L70min后变宽。成为最短宽度L70min的位置例如比第一铁磁性层10的z方向的中央更靠非磁性层30侧。第一铁磁性层70的y方向的最长宽度L70max例如比非磁性层30的y方向的宽度L30长。

第一铁磁性层70的y方向的侧面例如相对于z方向向y方向倾斜。可以将第一铁磁性层70的y方向的侧面区分为第一倾斜面s1和第二倾斜面s2。第一铁磁性层70的y方向的侧面例如相对于从非磁性层30的y方向的端部沿z方向下降的假想面凹陷。

非磁性层30的铣削速率例如比第一铁磁性层70的铣削速率慢。基底层40的铣削速率例如比第一铁磁性层70慢。

就第二实施方式的磁畴壁移动元件110而言，因为第一铁磁性层70的y方向的最短宽度L70min比非磁性层30的y方向的宽度L30短，所以非磁性层30成为罩，能够抑制颗粒pt再次附着到非磁性层30的侧壁。第二实施方式的磁畴壁移动元件110实现与第一实施方式的磁畴壁移动元件100相同的效果。另外，第二实施方式的磁畴壁移动元件110可选择与第一实施方式相同的变形例。

以上，对本发明的优选的实施方式分别进行了详述。各个实施方式及变形例中的特征性的结构也可以分别组合。

Claims

1.一种磁畴壁移动元件，其特征在于，

从靠近基板的一侧起依次层叠有第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层，

从层叠方向俯视，在沿着与所述第一铁磁性层延伸的第一方向正交的第二方向切断的切断面上，

所述第一铁磁性层的所述第二方向的最短宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

2.根据权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

在沿着所述层叠方向及所述第二方向的切断面上，所述第一铁磁性层的侧面相对于所述层叠方向倾斜。

3.根据权利要求2所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

在沿着所述层叠方向及所述第二方向的切断面上，所述第一铁磁性层的侧面具有第一倾斜面和第二倾斜面，

第一倾斜面从所述第一铁磁性层的靠近所述基板的一侧的下端朝向所述第一铁磁性层的所述第二方向的中央倾斜，

第二倾斜面从所述第一铁磁性层的远离所述基板的一侧的上端朝向所述第一铁磁性层的所述第二方向的中央倾斜。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述第一铁磁性层的所述非磁性层侧的第一面的所述第二方向的宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度最短的位置处于比所述第一铁磁性层的所述层叠方向的中央更靠所述非磁性层侧。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述第一铁磁性层的所述第二方向的最长宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度短。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述第一铁磁性层的远离所述非磁性层的一侧的第二面的所述第二方向的宽度比所述非磁性层的所述第二方向的宽度长。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述非磁性层的厚度为

以上。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述非磁性层的铣削速率比所述第一铁磁性层的铣削速率慢。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

在所述第一铁磁性层的与所述非磁性层相反侧还具备基底层，

所述基底层的铣削速率比所述第一铁磁性层慢。

11.根据权利要求10所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

所述第一铁磁性层包含构成所述基底层的元素，

关于所述元素的丰度，在所述层叠方向上处于比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度最短的位置更靠所述基底层侧的第一区域比在所述层叠方向上处于比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度最短的位置更靠所述非磁性层侧的第二区域浓。

12.根据权利要求10或11所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

具有在所述第一方向夹着所述非磁性层且经由所述基底层与所述第一铁磁性层电连接的第一导电部和第二导电部，

所述第一导电部及所述第二导电部各自的所述第二方向的宽度比所述第一铁磁性层的所述第二方向的宽度宽，

所述基底层的铣削速率比所述第一导电部及所述第二导电部的铣削速率慢。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的磁畴壁移动元件，其特征在于，

在所述第二铁磁性层的所述第二方向的侧方还具备与所述第二铁磁性层不同的金属层。

14.一种磁存储阵列，其具有多个权利要求1～13中任一项所述的磁畴壁移动元件。