CN114373780A - 磁畴壁移动元件及磁阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供MR比大且磁畴壁的控制性也高的磁畴壁移动元件及磁阵列。本实施方式的磁畴壁移动元件具备：磁阻效应元件，其从接近基板的一侧起依次具有参照层、非磁性层以及磁畴壁移动层；第一磁化固定层和第二磁化固定层，其分别与所述磁畴壁移动层相接，且相互分开，所述磁畴壁移动层包括包含多个插入层的铁磁性层，所述铁磁性层包含Co及Fe，且具有垂直磁各向异性，在写入时，在所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层之间沿着所述磁畴壁移动层流通写入电流。

Description

磁畴壁移动元件及磁阵列
技术领域
本发明涉及磁畴壁移动元件及磁阵列。
背景技术
代替在微细化上达到了极限的闪存等的下一代非易失性存储器备受瞩目。作为下一代非易失性存储器，例如已知有MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory(磁阻式随机存取存储器))、ReRAM(Resistive Randome Access Memory(阻变存储器))、PCRAM(Phase Change Random Access Memory(相变随机存储器))等。
MRAM在数据记录上利用因磁化的方向的变化而产生的电阻值变化。数据记录由构成MRAM的磁阻变化元件的各个来担负。例如，在专利文献1中记载了一种磁阻变化元件(磁畴壁移动元件)，其通过使第一铁磁性层(磁畴壁移动层)内的磁畴壁移动，而能够记录多值数据。在专利文献1中记载了通过利用与第二铁磁性层组的磁耦合，能够在第一铁磁性层的两端简便地形成磁化固定区域。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2009/122990号
发明内容
能够稳定地体现多种状态的磁畴壁移动元件可用于多种用途。实现稳定地体现多种状态的磁畴壁移动元件的一个方法是增大磁畴壁移动元件的电阻变化幅度(MR比)。当电阻变化幅度增大时，能够在电阻变化幅度之间分配多种状态，能够稳定地体现多种状态。
另外，实现能够稳定地体现多种状态的磁畴壁移动元件的另一种方法是提高磁畴壁移动元件的磁畴壁动作的控制性。当提高了磁畴壁的控制性时，能够在相同的电阻变化幅度上分配多种状态，能够稳定地体现多种状态。
另一方面，难以实现MR比大且磁畴壁的控制性也高的磁畴壁移动元件。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种磁畴壁移动元件及磁阵列，其MR比大，且磁畴壁的控制性也高。
(1)第一方面的磁畴壁移动元件具备：磁阻效应元件，其从接近基板的一侧起依次具有参照层、非磁性层以及磁畴壁移动层；第一磁化固定层和第二磁化固定层，其分别与所述磁畴壁移动层相接，且相互分开，所述磁畴壁移动层包括包含多个插入层的铁磁性层，所述铁磁性层包含Co及Fe，且具有垂直磁各向异性，在写入时，在所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层之间沿着所述磁畴壁移动层流通写入电流。
(2)上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层的厚度不同。
(3)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层分别具有交替层叠的磁耦合层和铁磁性层，所述第一磁化固定层所包含的铁磁性层的层数与所述第二磁化固定层所包含的铁磁性层的层数不同。
(4)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述插入层包含选自MgO、Mg－Al－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。
(5)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述插入层具有呈岛状分散的多个插入区域。
(6)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述插入层中最接近所述非磁性层的第一插入层包含选自W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种，所述第一插入层以外的插入层中的任一层包含MgO或Mg－Al－O。
(7)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述磁畴壁移动层所包含的铁磁性层中最接近所述非磁性层的第一铁磁性层与所述磁畴壁移动层所包含的其它铁磁性层相比，厚度更厚。
(8)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述磁畴壁移动层所包含的插入层中距所述非磁性层最远的插入层与所述磁畴壁移动层所包含的其它插入层相比，厚度更厚。
(9)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层的下表面处于所述磁畴壁移动层的上表面的下方。
(10)上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，还具备垂直磁感应层，所述垂直磁感应层处于所述磁畴壁移动层上。
(11)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述垂直磁感应层包含选自MgO、Mg－Al－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。
(12)在上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，所述垂直磁感应层至少处于所述第一磁化固定层与所述磁畴壁移动层之间、和所述第二磁化固定层与所述磁畴壁移动层之间中的至少一方。
(13)上述方面的磁畴壁移动元件中，也可以是，还具有与所述第一磁化固定层相接的第一导电层、和与所述第二磁化固定层相接的第二导电层，所述第一导电层与形成于所述第一导电层的上表面的凹陷嵌合。
(14)第二方面的磁阵列具备多个上述方面的磁畴壁移动元件。
上述方面的磁畴壁移动元件及磁阵列中，MR比大，且磁畴壁的控制性也高。
附图说明
图1是第一实施方式的磁阵列的结构图。
图2是第一实施方式的磁阵列的特征部分的截面图。
图3是第一实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图4是第一实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图5是第二实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图6是第三实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图7是第四实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图8是第五实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图9是第六实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图10是第六实施方式的磁畴壁移动元件的变形例的截面图。
图11是第七实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
具体实施方式
下面，适当参照附图，对本实施方式进行详细的说明。为了便于理解本发明的特征，以下说明中使用的附图有时为方便起见对特征部分进行放大表示，各构成元件的尺寸比率等有时与实际不同。以下说明中例示的材料、尺寸等是一个例子，本发明不限定于此，可在实现本发明的范围内进行适当变更来实施。
首先，对方向进行定义。x方向及y方向是与下述的基板Sub(参照图2)的一面大致平行的方向。x方向是下述的磁畴壁移动层延伸的方向。y方向是与x方向正交的方向。z方向是从下述的基板Sub朝向磁畴壁移动元件的方向。在本说明书中，有时将+z方向表示为“上”，将-z方向表示为“下”，但这些表达是为方便起见进行的表达，并不是规定重力方向的表达。另外，在本说明书中，所谓“向x方向延伸”，例如意味着x方向的尺寸比x方向、y方向及z方向的各尺寸中的最小的尺寸大。向其他方向延伸的情况也是同样的。
[第一实施方式]
图1是第一实施方式的磁阵列的结构图。磁阵列200具备：多个磁畴壁移动元件100、多个第一配线Wp、多个第二配线Cm、多个第三配线Rp、多个第一开关元件SW1、多个第二开关元件SW2、多个第三开关元件SW3。磁阵列200例如可用于磁存储器、积和运算器、神经形态器件、自旋存储器、磁光学元件。
〈第一配线、第二配线、第三配线〉
第一配线Wp分别是写入配线。第一配线Wp分别将电源和一个以上的磁畴壁移动元件100电连接。电源在使用时与磁阵列200的一端连接。
第二配线Cm分别是公共配线。公共配线是可用于数据的写入时及读出时双方的配线。第二配线Cm分别将基准电位和一个以上的磁畴壁移动元件100电连接。基准电位例如为地线。第二配线Cm可以分别设置于多个磁畴壁移动元件100，也可以遍及多个磁畴壁移动元件100来设置。
第三配线Rp分别是读出配线。第三配线Rp分别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〉
在图1中，在多个磁畴壁移动元件100的各个连接有第一开关元件SW1、第二开关元件SW2、第三开关元件SW3。第一开关元件SW1连接在磁畴壁移动元件100和第一配线Wp之间。第二开关元件SW2连接在磁畴壁移动元件100和第二配线Cm之间。第三开关元件SW3连接在磁畴壁移动元件100和第三配线Rp之间。
当将第一开关元件SW1及第二开关元件SW2设为开启(ON)时，在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第一配线Wp和第二配线Cm之间流通写入电流。当将第二开关元件SW2及第三开关元件SW3设为开启时，在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第二配线Cm和第三配线Rp之间流通读出电流。
第一开关元件SW1、第二开关元件SW2及第三开关元件SW3是控制电流的流通的元件。第一开关元件SW1、第二开关元件SW2及第三开关元件SW3例如是如晶体管、双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)那样利用晶体层相变的元件、如金属绝缘体跃迁(MIT)开关那样利用能带构造变化的元件、如齐纳二极管及雪崩二极管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SW1、第二开关元件SW2、第三开关元件SW3的任一个也可以在连接于相同的配线的磁畴壁移动元件100共用。例如，在共享第一开关元件SW1的情况下，在第一配线Wp的上游(一端)设置一个第一开关元件SW1。例如，在共享第二开关元件SW2的情况下，在第二配线Cm的上游(一端)设置一个第二开关元件SW2。例如，在共享第三开关元件SW3的情况下，在第三配线Rp的上游(一端)设置一个第三开关元件SW3。
图2是第一实施方式的磁阵列200的主要部分的截面图。图2是用通过磁畴壁移动层10的y方向宽度中心的xz平面来切断图1中的一个磁畴壁移动元件100所得的截面。
图2所示的第一开关元件SW1及第二开关元件SW2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SW3与第三配线Rp电连接，例如，在图2中，位于沿y方向偏离的位置。
晶体管Tr的各个和磁畴壁移动元件100经由配线w1、w2电连接。配线w1、w2包含具有导电性的材料。配线w1是沿z方向延伸的通孔配线。配线w2是沿xy面内的任一方向延伸的面内配线。配线w1、w2形成于绝缘层In的开口内。
绝缘层In是使多层配线的配线间或元件间绝缘的绝缘层。磁畴壁移动元件100和晶体管Tr除了配线w1、w2，通过绝缘层In而电分离。绝缘层In例如是氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氧氮化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
在图2中，示出了磁畴壁移动元件100隔着绝缘层In而处于基板Sub的上方的例子，但磁畴壁移动元件100也可以处于基板Sub上。
“磁畴壁移动元件”
图3是用通过磁畴壁移动层10的y方向中心的xz平面来切断磁畴壁移动元件100所得的截面图。图4是从z方向俯视磁畴壁移动元件100所得的俯视图。图中所示的箭头是铁磁性体的磁化的取向方向的一个例子。
磁畴壁移动元件100例如处于担负与第三配线Rp的电连接的电极E上。磁畴壁移动元件100例如具有磁阻效应元件40、第一磁化固定层50和第二磁化固定层60。在第一磁化固定层50连接有第一导电层71，在第二磁化固定层60连接有第二导电层72。第一导电层71及第二导电层72是图2的配线w1的一部分。磁畴壁移动元件100的周围被绝缘层In覆盖。
磁阻效应元件40具备磁畴壁移动层10、非磁性层20和参照层30。磁阻效应元件40从接近基板Sub的一侧起以参照层30、非磁性层20、磁畴壁移动层10的顺序具备。在向磁阻效应元件40写入数据时，在第一磁化固定层50和第二磁化固定层60之间沿着磁畴壁移动层10流通写入电流。在从磁阻效应元件40读出数据时，沿着磁阻效应元件40的z方向施加电流，在电极E和磁畴壁移动层10之间流通读出电流。
磁畴壁移动层10沿着x方向延伸。磁畴壁移动层10在内部具有多个磁区，在多个磁区的边界具有磁畴壁DW。磁畴壁移动层10例如是通过磁状态的变化而可磁记录信息的层。磁畴壁移动层10有时被称为模拟层、磁记录层。
磁畴壁移动层10具有第一区域A1、第二区域A2和第三区域A3。第一区域A1是在从z方向观察时与第一磁化固定层50重叠的区域。第二区域A2是在从z方向观察时与第二磁化固定层60重叠的区域。第三区域A3是磁畴壁移动层10的第一区域A1及第二区域A2以外的区域。第三区域A3例如是在x方向上被第一区域A1和第二区域A2夹着的区域。
第一区域A1的磁化通过第一磁化固定层50的磁化而被固定。第二区域A2的磁化通过第二磁化固定层60的磁化而被固定。所谓磁化被固定，是指在磁畴壁移动元件100的通常动作(没有施加超出设想的外力)下，磁化不翻转。第一区域A1和第二区域A2例如磁化的取向方向是相反的。
第三区域A3是磁化的方向发生变化且磁畴壁DW能够移动的区域。第三区域A3具有第一磁区A3a和第二磁区A3b。第一磁区A3a和第二磁区A3b的磁化的取向方向是相反的。第一磁区A3a和第二磁区A3b的边界是磁畴壁DW。第一磁区A3a的磁化例如向与第一区域A1的磁化相同的方向取向。第二磁区A3b的磁化例如向与相邻的第二区域A2的磁化相同的方向取向。磁畴壁DW原则上在第三区域A3内移动，不会侵入第一区域A1及第二区域A2。
当第三区域A3内的第一磁区A3a和第二磁区A3b的比率发生变化时，磁畴壁DW移动。磁畴壁DW通过在第三区域A3的x方向上流通写入电流而移动。例如，当对第三区域A3施加+x方向的写入电流(例如，电流脉冲)时，电子向与电流相反的-x方向流通，所以磁畴壁DW向-x方向移动。在从第一磁区A3a向第二磁区A3b流通电流的情况下，在第二磁区A3b内自旋偏极后的电子使第一磁区A3a的磁化进行磁化翻转。通过第一磁区A3a的磁化进行翻转，磁畴壁DW向-x方向移动。
磁畴壁移动层10具有铁磁性层11和插入层12。铁磁性层11和插入层12交替地层叠。相邻的铁磁性层11夹着插入层12进行磁接合。
铁磁性层11包含Co及Fe。铁磁性层11例如是CoFe合金。铁磁性层11也可以是包含Co及Fe、和B、C、N中的任一种以上的元素的合金。铁磁性层11例如是Co－Fe－B。
铁磁性层11具有垂直磁各向异性。所谓具有垂直磁各向异性，意味着在与膜面交叉(正交)的方向上具有易磁化轴。铁磁性层11各自的膜厚例如为1.5nm以下。
铁磁性层11例如是厚度为1.5nm以下的包含Co及Fe的合金。包含Co及Fe的合金例如具有比Co和Ni的层叠膜、Co和Pt的层叠膜、Co和Pd的层叠膜等显示垂直磁各向异性的层叠体大的磁阻效应。另外，包含Co及Fe的合金如果厚度为1.5nm以下，则显示较大的磁阻效应。当磁畴壁移动层10的磁阻效应大时，磁畴壁移动元件100的MR比增大。
多个铁磁性层11各自的膜厚、材料等可以相同，也可以不同。
插入层12处于铁磁性层11之间。插入层12通过与铁磁性层11的界面的效应，在铁磁性层11诱发垂直磁各向异性。
插入层12例如包含选自MgO、Mg－A1－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。这些材料使相邻的铁磁性层11增强垂直磁各向异性。在插入层12为MgO或Mg－A1－O的情况下，磁畴壁移动元件100的MR比特别提高。在插入层12为Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种的情况下，磁畴壁移动元件100的电阻值降低且电力消耗降低。另外，在插入层12为Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种的情况下，通过自旋霍尔效应，向铁磁性层11注入自旋，铁磁性层11的磁化容易翻转。Mg－A1－O是Mg和Al的氧化物，意味着与组成比无关。Mg－Al－O例如是尖晶石构造的MgAl2O4。
插入层12的膜厚例如为1nm以下。通过使插入层12的膜厚足够薄来使相邻的铁磁性层11的磁耦合足够强。
多个插入层12各自的材料等可以相同，也可以不同。例如，第一插入层12A也可以包含选自W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种，处于第一插入层12A的上方的插入层12中的任一层也可以包含MgO或Mg－A1－O。第一插入层12A是插入层12中最接近非磁性层20的插入层。磁畴壁移动元件100在制造时从上方开始加工。通过将硬且难以加工的MgO或Mg－A1－O配置在磁畴壁移动层10的上部，MgO或Mg－A1－O作为蚀刻止挡发挥功能。
插入层12也可以是在包含Co、Fe的合金之中分散有如下材料的层，该材料包含例如选自MgO、Mg－A1－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。即，插入层12足够薄(原子数层水平)，也可以不构成完全层。例如，插入层12也可以具有包含选自上述材料组中的任一种的材料在包含Co、Fe的合金之中呈岛状分散的多个插入区域。这些材料能够增强插入层12及与其相邻的铁磁性层11的垂直磁各向异性。插入层12的膜厚例如也可以为1nm以上。在插入层12包含Co、Fe的情况下，即使膜厚较厚，与相邻的铁磁性层11的磁耦合也足够强。
非磁性层20位于磁畴壁移动层10和参照层30之间。非磁性层20层叠于参照层30的一面。
非磁性层20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及这些Al、Si、Mg的一部分被置换为Zn、Be等的材料。这些材料是带隙大且绝缘性优异。在非磁性层20由非磁性的绝缘体构成的情况下，非磁性层20是隧道势垒层。非磁性的金属例如是Cu、Au、Ag等。非磁性的半导体例如是Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In、Ga)Se2等。
非磁性层20的厚度例如为
Figure BDA0003285616200000092
以上，也可以为
Figure BDA0003285616200000091
以上。当非磁性层20的厚度较厚时，磁畴壁移动元件100的电阻面积乘积(RA)增大。磁畴壁移动元件100的电阻面积乘积(RA)优选为1×104Ωμm2以上，更优选为5×104Ωμm2以上。磁畴壁移动元件100的电阻面积乘积(RA)用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(用xy平面切断非磁性层20而成的切断面的面积)的乘积来表示。
参照层30与磁畴壁移动层10一同夹着非磁性层20。参照层30例如处于电极E上。参照层30也可以层叠在基板Sub上。参照层30位于在z方向上与磁畴壁移动层10重叠的位置。参照层30的磁化比磁畴壁移动层10的第三区域A3的磁化更难以翻转。参照层30的磁化在施加了第三区域A3的磁化进行翻转的程度的外力时方向不变化而被固定。参照层30有时被称为磁化固定层。
参照层30包含铁磁性体。参照层30例如在与磁畴壁移动层10之间包含易得到相干隧道效应的材料。参照层30例如包含选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属、含有一种以上这些金属的合金、含有这些金属和B、C及N中的至少一种以上元素的合金等。参照层30例如为Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe。
参照层30例如也可以是惠斯勒合金。惠斯勒合金是半金属，具有较高的自旋极化率。惠斯勒合金是具有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III族至V族的典型元素。作为惠斯勒合金，例如可举出：Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b、Co2FeGe1－cGac等。
另外，参照层30也可以是由铁磁性层、非磁性层构成的合成构造，或者是由反铁磁性层、铁磁性层、非磁性层构成的合成构造。在后者的合成构造中，通过反铁磁性层牢固地保持参照层30的磁化方向。因此，参照层30的磁化难以受到来自外部的影响。在使参照层30的磁化向Z方向取向(将参照层30的磁化设为垂直磁化膜)的情况下，例如优选还具备Co/Ni层叠膜、Co/Pt层叠膜等。
第一磁化固定层50及第二磁化固定层60与磁畴壁移动层10连接。第一磁化固定层50及第二磁化固定层60处于磁畴壁移动层10上。第一磁化固定层50和第二磁化固定层60在x方向上分开。第一磁化固定层50固定第一区域A1的磁化。第二磁化固定层60固定第二区域A2的磁化。
第一磁化固定层50及第二磁化固定层60例如是铁磁性体。第一磁化固定层50及第二磁化固定层60例如可适用与参照层30同样的材料。另外，第一磁化固定层50及第二磁化固定层60不限于铁磁性体。在第一磁化固定层50及第二磁化固定层60不是铁磁性体的情况下，通过在与第一磁化固定层50或第二磁化固定层60重叠的区域使在磁畴壁移动层10流通的电流的电流密度急剧变化，来限制磁畴壁DW的移动，第一区域A1及第二区域A2的磁化得到固定。
另外，如图4所示，例如，第一磁化固定层50及第二磁化固定层60各自的y方向的宽度比磁畴壁移动层10的y方向的宽度宽。通过第一磁化固定层50或第二磁化固定层60和磁畴壁移动层10的边界沿磁畴壁移动层10的y方向延伸，磁畴壁移动层10内的y方向磁特性分布变得均匀。当磁畴壁移动层10内的y方向的磁特性分布变得均匀时，能够抑制磁畴壁DW相对于y方向倾斜。
从z方向观察第一磁化固定层50及第二磁化固定层60的各个的形状例如为矩形。从z方向观察第一磁化固定层50及第二磁化固定层60的各个的形状例如也可以为圆形、椭圆形、长圆形等。
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。磁化曲线例如可使用MOKE(Magneto Optical Kerr Effect)来测定。MOKE的测定是通过利用磁光效应(磁Kerr效应)来进行的测定方法，该磁光效应(磁Kerr效应)是使直线偏振光入射到测定对象物，并引起其偏振光方向的旋转等而产生的。
接下来，对磁畴壁移动元件100的制造方法进行说明。磁畴壁移动元件100通过各层的层叠工序、和将各层的一部分加工成规定形状的加工工序而形成。各层的层叠可使用溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束蒸镀法(EB蒸镀法)、原子激光沉积法等。各层的加工可使用光刻及蚀刻(例如，Ar蚀刻)等来进行。
首先，在电极E及绝缘层In上依次层叠参照层、非磁性层、层叠体、磁化固定层。层叠体从接近电极E的一侧起以铁磁性层、插入层的顺序交替地层叠。接下来，例如通过光刻及蚀刻，去除这些层的x方向及y方向的不需要部分。当去除了不需要部分时，各层被加工成规定的形状，参照层成为参照层30，非磁性层成为非磁性层20，层叠体成为磁畴壁移动层10。接下来，除了磁化固定层中的与磁畴壁移动层10的端部重叠的两个部分，去除磁化固定层的不需要部分。通过该处理，磁化固定层成为第一磁化固定层50和第二磁化固定层60。
接下来，在磁畴壁移动层10、第一磁化固定层50及第二磁化固定层60之上层叠绝缘层In。其后，在绝缘层In的与第一磁化固定层50及第二磁化固定层60重叠的位置形成空穴，通过用导电体填充空穴内，可得到第一导电层71及第二导电层72。通过上述顺序，可得到磁畴壁移动元件100。
第一实施方式的磁畴壁移动元件100以夹着插入层12的方式具有多层包含Co及Fe的铁磁性层11。铁磁性层11的磁化通过与插入层12的界面的效应(界面垂直磁各向异性)、夹着插入层12的铁磁性层11间的磁耦合，显示较强的垂直磁各向异性。因此，磁畴壁移动元件100显示较高的MR比，且磁畴壁DW的控制性优异。
与此相对，例如，当从磁畴壁移动层10去除插入层12时，铁磁性层11的厚度变厚，铁磁性层11不会体现充分的垂直磁各向异性。当为了维持垂直磁各向异性，而使去除了插入层12的磁畴壁移动层10(即，单层的铁磁性层11)的厚度变薄时，磁畴壁移动层10的电阻值变高。其结果，沿着磁畴壁移动层10向x方向流通的电流的一部分经由非磁性层20泄漏到参照层30侧，磁畴壁DW的控制性降低。
另外，磁畴壁移动元件100的参照层30处于比磁畴壁移动层10更靠近基板Sub的一侧。层叠膜越远离基板，平坦性越低，成膜于该层叠膜上的磁性膜的磁化的稳定性降低。参照层30是成为磁阻变化的基准的层，通过提高参照层30的磁化的稳定性，可提高磁畴壁移动元件100的MR比。
另外，磁畴壁移动元件100从基板Sub开始构建而制作。插入层12其材料与铁磁性层11不同，作为制造时的蚀刻止挡发挥功能，防止在铁磁性层11产生损伤。作为结果，能够防止磁畴壁移动层10因蚀刻的损伤而降低MR比。另外，在对磁畴壁移动元件100进行了热处理时，插入层12可防止元素扩散，且防止磁畴壁移动元件100的MR比降低。
“第二实施方式”
图5是用通过磁畴壁移动层10的y方向中心的xz平面切断第二实施方式的磁畴壁移动元件101所得到的截面图。第二实施方式的磁畴壁移动元件101的第一磁化固定层55、第二磁化固定层65的结构与第一实施方式的磁畴壁移动元件100不同。在第二实施方式中，关于与第一实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
第一磁化固定层55具有磁耦合层51和铁磁性层52。磁耦合层51和铁磁性层52交替地层叠。第二磁化固定层65具有磁耦合层61和铁磁性层62。磁耦合层61和铁磁性层62交替地层叠。
铁磁性层52及铁磁性层62可分别使用与参照层30同样的材料。磁耦合层51及磁耦合层61为非磁性层。磁耦合层51及磁耦合层61例如为Ru、Ir、Rh。相邻的铁磁性层52及相邻的铁磁性层62彼此反铁磁性地进行磁耦合。
第一磁化固定层55和第二磁化固定层65的厚度不同。例如，第一磁化固定层55和第二磁化固定层65通过构成的层数的不同而厚度不同。例如，第一磁化固定层55所包含的铁磁性层52的层数与第二磁化固定层65所包含的铁磁性层62的层数不同。例如，第一磁化固定层55所包含的铁磁性层52的层数为2层，第二磁化固定层65所包含的铁磁性层62的层数为1层。
第二实施方式的磁畴壁移动元件101可实现与磁畴壁移动元件100同样的效果。
另外，第二实施方式的磁畴壁移动元件101仅通过在一个方向上施加外部磁场，而能够简单地使第一区域A1和第二区域A2的磁化的取向方向相反。第一磁化固定层55和第二磁化固定层65的厚度不同，饱和磁化量不同。通过利用该饱和磁化量的差异，能够使第一磁化固定层55的磁化的取向方向和第二磁化固定层65的磁化的取向方向相反，第一区域A1和第二区域A2的磁化的取向方向变成相反。
“第三实施方式”
图6是用通过磁畴壁移动层10的y方向中心的xz平面切断第三实施方式的磁畴壁移动元件102所得到的截面图。第三实施方式的磁畴壁移动元件102的第一磁化固定层56、第二磁化固定层66的结构与第二实施方式的磁畴壁移动元件101不同。在第三实施方式中，关于与第二实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
第一磁化固定层56的磁耦合层51和铁磁性层52的层叠顺序与第二实施方式的第一磁化固定层55不同。第二磁化固定层66也是磁耦合层61和铁磁性层62的层叠顺序与第二实施方式的第二磁化固定层65不同。第一磁化固定层56中最靠基板Sub侧的铁磁性层52与磁畴壁移动层10的铁磁性层11直接相接。另外，第二磁化固定层66中最靠基板Sub侧的铁磁性层62与磁畴壁移动层10的铁磁性层11直接相接。
第三实施方式的磁畴壁移动元件102可实现与磁畴壁移动元件101同样的效果。另外，通过磁畴壁移动层10的铁磁性层11和第一磁化固定层56及第二磁化固定层66的铁磁性层52、62直接相接，增强磁畴壁移动层10和第一磁化固定层56及第二磁化固定层66之间的磁连接。其结果，第一区域A1及第二区域A2的磁化被牢固地固定，能够防止磁畴壁DW侵入第一区域A1或第二区域A2。
“第四实施方式”
图7是用通过磁畴壁移动层13的y方向中心的xz平面切断第四实施方式的磁畴壁移动元件103所得到的截面图。第四实施方式的磁畴壁移动元件103的磁畴壁移动层13的结构与第三实施方式的磁畴壁移动元件102不同。在第四实施方式中，关于与第三实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
磁畴壁移动层13具有铁磁性层11和插入层12。铁磁性层11和插入层12交替地层叠。磁畴壁移动层13所包含的铁磁性层11中最接近非磁性层20的第一铁磁性层11A与磁畴壁移动层13所包含的其他铁磁性层11相比，厚度更厚。
第四实施方式的磁畴壁移动元件103可实现与磁畴壁移动元件102同样的效果。
如上所述，磁畴壁移动元件103因为从上方开始加工，所以越接近基板Sub，受损伤的可能性越小。通过将接近基板Sub的一侧的第一铁磁性层11A的厚度加厚，可提高磁畴壁移动元件103的磁畴壁DW的控制性。另外，因为插入层12也作为蚀刻止挡发挥功能，所以通过在磁畴壁移动层13的上部增多插入层12，能够进一步抑制对磁畴壁移动元件103造成的加工损伤。
“第五实施方式”
图8是用通过磁畴壁移动层10的y方向中心的xz平面切断第五实施方式的磁畴壁移动元件104所得到的截面图。第五实施方式的磁畴壁移动元件104的第一磁化固定层57及第二磁化固定层67的结构与第一实施方式的磁畴壁移动元件100不同。在第五实施方式中，关于与第一实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
第一磁化固定层57的一部分插入到磁畴壁移动层10。第一磁化固定层57的下表面57b处于磁畴壁移动层10的第三区域A3的上表面10a的下方。第一磁化固定层57通过在磁畴壁移动层10上层叠绝缘层In，在该绝缘层In上形成槽，在槽内交替地层叠铁磁性层53和磁耦合层54而得到。第一磁化固定层57交替地具有铁磁性层53和磁耦合层54。
第二磁化固定层67的一部分插入到磁畴壁移动层10。第二磁化固定层67的下表面67b处于磁畴壁移动层10的第三区域A3的上表面10a的下方。第二磁化固定层67通过在磁畴壁移动层10上层叠绝缘层In，在该绝缘层In上形成槽，在槽内交替地层叠铁磁性层63和磁耦合层64而得到。第二磁化固定层67交替地具有铁磁性层63和磁耦合层64。
第一磁化固定层57的上表面57a及第二磁化固定层67的上表面67a配合于槽的形状而向z方向凹陷。第一导电层73与上表面57a的凹部嵌合。另外，第二导电层74与上表面67a的凹部嵌合。
铁磁性层53、63由与铁磁性层52、62同样的材料构成。磁耦合层54、64由与磁耦合层51、61同样的材料构成。
第五实施方式的磁畴壁移动元件104可实现与磁畴壁移动元件100同样的效果。
另外，在第五实施方式的磁畴壁移动元件104中，第一磁化固定层57及第二磁化固定层67的一部分相对于磁畴壁移动层10侵入。因此，磁畴壁移动层10和第一磁化固定层57及第二磁化固定层67之间的磁连接牢固，磁化被牢固地固定。
“第六实施方式”
图9是用通过磁畴壁移动层10的y方向中心的xz平面切断第六实施方式的磁畴壁移动元件105所得到的截面图。第六实施方式的磁畴壁移动元件105在还具备垂直磁感应层80的方面与第一实施方式的磁畴壁移动元件100不同。在第六实施方式中，关于与第一实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
垂直磁感应层80处于磁畴壁移动层10上。垂直磁感应层80例如处于磁畴壁移动层10的第三区域A3上。垂直磁感应层80可增强磁畴壁移动层10的铁磁性层11的垂直磁各向异性。垂直磁感应层80例如包含选自MgO、Mg－A1－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。
第六实施方式的磁畴壁移动元件105可实现与磁畴壁移动元件100同样的效果。另外，通过垂直磁感应层80，铁磁性层11的垂直磁各向异性升高，磁畴壁移动元件105相对于来自外部的干扰的稳定性进一步增大。
另外，图10是第六实施方式的磁畴壁移动元件的变形例的截面图。图10所示的磁畴壁移动元件105A在垂直磁感应层81延伸到第一磁化固定层50和磁畴壁移动层10之间及第二磁化固定层60和磁畴壁移动层10之间这方面，与图9所示的磁畴壁移动元件105不同。
垂直磁感应层81至少处于第一磁化固定层50与磁畴壁移动层10之间、和第二磁化固定层60与磁畴壁移动层10之间中的至少一方。当垂直磁感应层81处于第一磁化固定层50或第二磁化固定层60和磁畴壁移动层10之间时，第一区域A1及第二区域A2的磁化稳定性升高，能够抑制向第一区域A1及第二区域A2的磁畴壁DW。垂直磁感应层81的插入于第一磁化固定层50与磁畴壁移动层10之间或第二磁化固定层60与磁畴壁移动层10之间的部分的厚度在能够维持磁畴壁移动层10与第一磁化固定层50之间或磁畴壁移动层10与第二磁化固定层60之间的铁磁性的耦合的范围内优选为比插入层12的厚度厚。另外，垂直磁感应层81的插入于上述之间的部分以外的厚度也可以比插入于它们之间的部分的厚度薄。
“第七实施方式”
图11是用通过磁畴壁移动层14的y方向中心的xz平面切断第七实施方式的磁畴壁移动元件106所得到的截面图。第七实施方式的磁畴壁移动元件106的磁畴壁移动层14的结构与第三实施方式的磁畴壁移动元件102不同。在第七实施方式中，关于与第三实施方式同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
磁畴壁移动层14具有铁磁性层11和插入层12。铁磁性层11和插入层12交替地层叠。磁畴壁移动层13所包含的插入层12中距非磁性层20最远的第二插入层12B与磁畴壁移动层13所包含的其他插入层12相比，厚度更厚。
第七实施方式的磁畴壁移动元件106可实现与磁畴壁移动元件102同样的效果。
如上所述，磁畴壁移动元件106因为从上方开始加工，所以越接近基板Sub，受损伤的可能性越小。通过将远离基板Sub的位置的插入层12的厚度加厚，能够进一步抑制对磁畴壁移动元件106的加工损伤(特别是对较大地影响MR比的铁磁性层11的损伤)。
以上，对本发明优选的实施方式进行了详述，但本发明不局限于这些实施方式。例如，也可以组合各个实施方式的特征结构，还可以在不变更发明的主旨的范围内变更一部分。
符号的说明
10、13、14…磁畴壁移动层、10a、57a、67a…上表面、11、52、53、62、63…铁磁性层、11A…第一铁磁性层、12…插入层、12A…第一插入层、20…非磁性层、30…参照层、40…磁阻效应元件、50、55、56、57…第一磁化固定层、51、54、61、64…磁耦合层、57b、67b…下表面、60、65、66、67…第二磁化固定层、71、73…第一导电层、72、74…第二导电层、80、81…垂直磁感应层、100、101、102、103、104、105…磁畴壁移动元件、200…磁阵列、A1…第一区域、A2…第二区域、A3…第三区域、A3a…第一磁区、A3b…第二磁区、In…绝缘层。

Claims (14)

1.一种磁畴壁移动元件，其中，
具备：
磁阻效应元件，其从接近基板的一侧起依次具有参照层、非磁性层以及磁畴壁移动层；以及
第一磁化固定层和第二磁化固定层，其分别与所述磁畴壁移动层相接，且相互分开，
所述磁畴壁移动层包含铁磁性层，所述铁磁性层包含多个插入层，
所述铁磁性层包含Co及Fe，且具有垂直磁各向异性，
在写入时，在所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层之间沿着所述磁畴壁移动层流通写入电流。
2.根据权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层的厚度不同。
3.根据权利要求1或2所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层分别具有交替层叠的磁耦合层和铁磁性层，
所述第一磁化固定层所包含的铁磁性层的层数与所述第二磁化固定层所包含的铁磁性层的层数不同。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述插入层包含选自MgO、Mg－Al－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述插入层具有呈岛状分散的多个插入区域。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述插入层中最接近所述非磁性层的第一插入层包含选自W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种，
所述第一插入层以外的插入层中的任一层包含MgO或Mg－Al－O。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述磁畴壁移动层所包含的铁磁性层中最接近所述非磁性层的第一铁磁性层与所述磁畴壁移动层所包含的其它的铁磁性层相比，厚度更厚。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述磁畴壁移动层所包含的插入层中距所述非磁性层最远的插入层与所述磁畴壁移动层所包含的其它的插入层相比，厚度更厚。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层的下表面处于所述磁畴壁移动层的上表面的下方。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
还具备垂直磁感应层，
所述垂直磁感应层处于所述磁畴壁移动层上。
11.根据权利要求10所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述垂直磁感应层包含选自MgO、Mg－Al－O、Mg、W、Mo、Ta、Pd、Pt中的任一种。
12.根据权利要求10或11所述的磁畴壁移动元件，其中，
所述垂直磁感应层至少处于所述第一磁化固定层与所述磁畴壁移动层之间、和所述第二磁化固定层与所述磁畴壁移动层之间中的至少一方。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的磁畴壁移动元件，其中，
还具有与所述第一磁化固定层相接的第一导电层、和与所述第二磁化固定层相接的第二导电层，
所述第一导电层与形成于所述第一导电层的上表面的凹陷嵌合。
14.一种磁阵列，其中，
具备多个权利要求1～13中任一项所述的磁畴壁移动元件。
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