CN115039235A - 磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列、高频器件及磁化旋转元件的制造方法 - Google Patents

磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列、高频器件及磁化旋转元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本实施方式的磁化旋转元件具备：自旋轨道转矩配线(20)；第一铁磁性层(1)，其层叠于上述自旋轨道转矩配线；和低电阻层(30)，其层叠于从上述自旋轨道转矩配线的层叠方向观察与第一铁磁性层不重叠的区域，上述自旋轨道转矩配线具有第一区域(21)、第二区域(22)以及第三区域(23)，从上述层叠方向观察，上述第一区域与上述第一铁磁性层重叠，从上述层叠方向观察，上述第二区域与上述第一铁磁性层及上述低电阻层不重叠，且位于上述第一区域和上述第三区域之间，从上述层叠方向观察，上述第三区域与上述低电阻层重叠，上述低电阻层比上述自旋轨道转矩配线电阻率低，上述低电阻层比上述自旋轨道转矩配线厚度薄。

Description

磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列、高频器件及磁化 旋转元件的制造方法
技术领域
本发明涉及磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列、高频器件及磁化旋转元件的制造方法。
背景技术
作为磁阻效应元件，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、及在非磁性层上使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。磁阻效应元件可以应用于磁传感器、高频部件、磁头及非易失性随机存储器(MRAM)。
MRAM为集成有磁阻效应元件的存储元件。MRAM中，利用如果磁阻效应元件中的夹持非磁性层的两个铁磁性层的相互磁化方向发生变化则磁阻效应元件的电阻发生变化的特性而读写数据。铁磁性层的磁化方向例如利用电流产生的磁场进行控制。还例如，铁磁性层的磁化方向利用通过电流沿磁阻效应元件的层叠方向流通而产生的自旋转移转矩(STT)进行控制。
在利用STT改写铁磁性层的磁化方向的情况下，写入电流沿磁阻效应元件的层叠方向流通。写入电流成为磁阻效应元件的特性劣化的原因。
近年来，在写入时也可以不使电流沿磁阻效应元件的层叠方向流通的方法备受关注。其中一种方法为利用自旋轨道转矩(SOT)的写入方法(例如专利文献1)。SOT通过由自旋轨道相互作用产生的自旋流或异种材料的界面上的Rashba效应被诱发。用于在磁阻效应元件内诱发SOT的电流沿与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向流通。即，电流无需沿磁阻效应元件的层叠方向流通，期待磁阻效应元件的长寿命化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/090739号
发明内容
发明想要解决的问题
为了得到大的SOT，需要将显示出大的自旋轨道相互作用的材料用于配线中。例如，Ta或W等的重金属被称为自旋霍尔角大且显示出大的自旋轨道相互作用的材料。但是，这些重金属的电阻大，成为发热源。配线中产生的热在写入数据时具有辅助磁化旋转的效果，但是另一方面使配线劣化，根据情况还有时会切断配线。
例如，专利文献1所记载的元件中，自旋轨道转矩配线具有低电阻部。但是，专利文献1所记载的元件中，自旋轨道转矩配线的长度方向的大多部分仅由低电阻部构成，产生的热沿配线的长度方向移动。如果自旋轨道转矩配线的自旋流产生部产生的热经由低电阻部沿配线的长度方向释放，则在写入数据时不能得到辅助磁化旋转的效果，另外，配线有时因热积存于细的配线中而劣化。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列及高频器件，其能够一边抑制配线中的发热，一边使得数据的写入容易。另外，其目的还在于提供其制造方法。
用于解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明提供了以下手段。
(1)第一方式的磁化旋转元件具备：自旋轨道转矩配线；第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线；和低电阻层，其层叠于从所述自旋轨道转矩配线的层叠方向观察与第一铁磁性层不重叠的区域，所述自旋轨道转矩配线具有第一区域、第二区域以及第三区域，从所述层叠方向观察，所述第一区域与所述第一铁磁性层重叠，从所述层叠方向观察，所述第二区域与所述第一铁磁性层及所述低电阻层不重叠，且位于所述第一区域和所述第三区域之间，从所述层叠方向观察，所述第三区域与所述低电阻层重叠，所述低电阻层比所述自旋轨道转矩配线电阻率低，所述低电阻层比所述自旋轨道转矩配线厚度薄。
(2)在上述方式的磁化旋转元件中，也可以是，所述低电阻层的所述第一铁磁性层侧的第一端的膜厚比所述低电阻层的位于远离所述第一铁磁性层的位置的第二端的膜厚薄。
(3)上述方式的磁化旋转元件可以还具备氧化物层，其与所述第一铁磁性层的侧面及所述自旋轨道转矩配线的所述第二区域相接。
(4)在上述方式的磁化旋转元件中，所述氧化物层可以为构成所述低电阻层的材料的氧化物。
(5)在上述方式的磁化旋转元件中，所述低电阻层可以含有选自由Be、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Au中的任意种作为主成分。
(6)在上述方式的磁化旋转元件中，所述低电阻层可以还含有原子序数大于钇的元素作为副成分。
(7)在上述方式的磁化旋转元件中，也可以是，在所述自旋轨道转矩配线的沿着长度方向及所述层叠方向的截面上，所述低电阻层不连续。
(8)上述方式的磁化旋转元件可以还具备凸部，其具有导电性，在从所述层叠方向观察远离所述第二区域和所述第三区域的边界的位置，从所述低电阻层突出。
(9)在上述方式的磁化旋转元件中，所述凸部的顶点可以位于低于所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相接的面的相反侧的面的位置。
(10)也可以是，在上述方式的磁化旋转元件的与所述自旋轨道转矩配线的长度方向正交的截面上，所述凸部和所述低电阻层的合计面积大于所述自旋轨道转矩配线的面积。
(11)在上述方式的磁化旋转元件中，所述自旋轨道转矩配线可以含有构成所述低电阻层的元素。
(12)在上述方式的磁化旋转元件中，所述自旋轨道转矩配线中的构成所述低电阻层的元素的浓度可以按所述第三区域、所述第二区域、所述第一区域的顺序降低。
(13)上述方式的磁化旋转元件可以具备覆盖所述低电阻层的第二氧化物层。
(14)第二方式的磁阻效应元件还具备：上述方式的磁化旋转元件；依次层叠于所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的面的非磁性层和第二铁磁性层。
(15)第三方式的磁记录阵列具有多个上述方式的磁阻效应元件。
(16)第四方式的高频器件具有上述方式的磁阻效应元件。
(17)第五方式的磁化旋转元件的制造方法具有：将配线层和磁性层依次层叠的工序；将所述磁性层加工成希望的形状，并形成第一铁磁性层的工序；在所述配线层上层叠电阻低于所述配线层的导电层的工序；层叠覆盖所述配线层、所述第一铁磁性层、所述导电层的层间绝缘层的工序；经由所述层间绝缘层将所述配线层及所述导电层加工成希望的形状，并形成自旋轨道转矩配线及低电阻层的工序。
(18)上述方式的磁化旋转元件的制造方法可以还具备：在层叠所述导电层后，蚀刻附着于所述第一铁磁性层的侧壁的导电材料的工序。
(19)上述方式的磁化旋转元件的制造方法可以还具备：在层叠所述导电层后，将附着于所述第一铁磁性层的侧壁的导电材料氧化的工序。
发明效果
本实施方式的磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列及高频器件能够一边抑制配线中的发热，一边使得数据的写入容易。
附图说明
图1是第一实施方式的磁记录阵列的示意图。
图2是第一实施方式的磁记录阵列的特征部的截面图。
图3是第一实施方式的磁阻效应元件的截面图。
图4是第一实施方式的磁阻效应元件的俯视图。
图5是第二实施方式的磁阻效应元件的截面图。
图6是第三实施方式的磁阻效应元件的截面图。
图7是第三实施方式的磁阻效应元件的俯视图。
图8是第一变形例的磁阻效应元件的俯视图。
图9是第二变形例的磁阻效应元件的俯视图。
图10是第四实施方式的磁阻效应元件的截面图。
图11是第四实施方式的磁阻效应元件的另一截面图。
图12是第五实施方式的磁阻效应元件的截面图。
图13是第六实施方式的磁化旋转元件的截面图。
图14是高频器件的一例的示意图。
符号说明
1 第一铁磁性层
2 第二铁磁性层
3 非磁性层
20 自旋轨道转矩配线
21 第一区域
22 第二区域
23 第三区域
30、31、32、33 低电阻层
30a 第一端
30b 第二端
50 氧化物层
60 凸部
70 第二氧化物层
100、101、102、103、104、105、106 磁阻效应元件
107 磁化旋转元件
200 磁记录阵列
201 高频器件
具体实施方式
下面，适当地参照附图对本实施方式进行详细说明。以下说明中使用的附图中，为了使特征容易理解，为方便起见有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。以下说明中例示的材料、尺寸等仅为一例，本发明并不限定于此，在发挥本发明的效果的范围内，可以适当地变更并实施。
首先，对方向进行定义。将后述的基板Sub(参照图2)的一面的一个方向设为x方向、将与x方向正交的方向设为y方向。x方向为后述的自旋轨道转矩配线20延伸的方向，且为自旋轨道转矩配线20的长度方向。z方向为与x方向及y方向正交的方向。z方向为层叠方向的一例。下面，有时将+z方向表现为“上”、-z方向表现为“下”。上下未必与施加重力的方向一致。
在本说明书中，“沿x方向延伸”是指例如x方向、y方向及z方向的各尺寸中x方向的尺寸大于最小尺寸。沿其它方向延伸的情况也同样。另外，在本说明书中，“连接”不限定于物理连接的情况。例如，不限于两层物理相接的情况，两层间将其它层夹于其间而连接的情况也包含于“连接”中。另外，两个部件电连接的情况也包含于“连接”中。
“第一实施方式”
图1是第一实施方式的磁记录阵列200的结构图。磁记录阵列200具备多个磁阻效应元件100、多个写入配线Wp1～Wpn、多个共用配线Cm1～Cmn、多个读取配线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。磁记录阵列200可以利用于例如磁存储器等。
写入配线Wp1～Wpn将电源和一个以上的磁阻效应元件100电连接。共用配线Cm1～Cmn为在写入数据时及读取数据时两方都使用的配线。共用配线Cm1～Cmn将基准电位和一个以上的磁阻效应元件100电连接。基准电位例如接地。共用配线Cm1～Cmn可以设置于多个磁阻效应元件100中的各自上，也可以遍及多个磁阻效应元件100而设置。读取配线Rp1～Rpn将电源和一个以上的磁阻效应元件100电连接。电源在使用时与磁记录阵列200连接。
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与各磁阻效应元件100连接。第一开关元件110连接于磁阻效应元件100和写入配线Wp1～Wpn之间。第二开关元件120连接于磁阻效应元件100和共用配线Cm1～Cmn之间。第三开关元件130连接于磁阻效应元件100和读取配线Rp1～Rpn之间。
如果使第一开关元件110及第二开关元件120为ON，则写入电流在与规定的磁阻效应元件100连接的写入配线Wp1～Wpn和共用配线Cm1～Cmn之间流通。如果使第二开关元件120及第三开关元件130为ON，则读取电流在与规定的磁阻效应元件100连接的共用配线Cm1～Cmn和读取配线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为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例如为如晶体管、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)及雪崩二极管(avalanche 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可以均由与相同配线连接的磁阻效应元件100共用。例如，在共用第一开关元件110的情况下，在写入配线Wp1～Wpn的上游设置一个第一开关元件110。例如，在共用第二开关元件120的情况下，在共用配线Cm1～Cmn的上游设置一个第二开关元件120。例如，在共用第三开关元件130的情况下，在读取配线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记录阵列200的特征部的截面图。图2是将磁阻效应元件100沿穿过后述的自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断的截面。
图2所示的第一开关元件110及第二开关元件120为晶体管Tr。第三开关元件130与电极E电连接，例如位于图2的y方向。晶体管Tr例如为场效应型的晶体管，具有栅电极G、和形成于栅极绝缘膜GI和基板Sub的源极S及漏极D。基板Sub例如为半导体基板。
晶体管Tr和磁阻效应元件100经由导电部41、42和连接配线Cw电连接。另外，晶体管Tr和写入配线Wp或共用配线Cm通过连接配线Cw连接。连接配线Cw有时被称为例如通孔配线。连接配线Cw包含具有导电性的材料。连接配线Cw例如沿z方向延伸。
磁阻效应元件100及晶体管Tr的周围被绝缘层In覆盖。绝缘层In为将多层配线的配线间或元件间绝缘的层间绝缘层。绝缘层In例如为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
图3是第一实施方式的磁阻效应元件100的截面图。图4是第一实施方式的磁阻效应元件100的俯视图。图3是沿穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断磁阻效应元件100的截面。图4是磁阻效应元件100的自z方向的俯视图。
磁阻效应元件100具备层叠体10、自旋轨道转矩配线20、低电阻层30、导电部41、和导电部42、电极E。层叠体10的z方向的电阻值通过从自旋轨道转矩配线20向层叠体10注入自旋而变化。磁阻效应元件100为利用自旋轨道转矩(SOT)的磁性元件，有时被称为自旋轨道转矩型磁阻效应元件、自旋注入型磁阻效应元件、自旋流磁阻效应元件。
层叠体10层叠于自旋轨道转矩配线20上。在层叠体10和自旋轨道转矩配线20之间也可以具有其它层。层叠体10在z方向上被自旋轨道转矩配线20和电极E夹持。层叠体10为柱状体。层叠体10的自z方向的俯视形状例如为圆形、椭圆形、四边形。
层叠体10具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2以及非磁性层3。第一铁磁性层1例如与自旋轨道转矩配线20相接，且层叠于自旋轨道转矩配线20上。自旋从自旋轨道转矩配线20被注入至第一铁磁性层1。第一铁磁性层1的磁化通过注入的自旋而接收自旋轨道转矩(SOT)，取向方向发生变化。第二铁磁性层2位于第一铁磁性层1的z方向。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2在z方向上夹持非磁性层3。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2分别具有磁化。第二铁磁性层2的磁化在施加规定的外力时，与第一铁磁性层1的磁化相比，取向方向难以发生变化。有时第一铁磁性层1被称为磁化自由层，第二铁磁性层2被称为磁化固定层、磁化参照层。层叠体10根据夹持非磁性层3的第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的相对角度的不同，从而电阻值发生变化。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2包含铁磁性体。铁磁性体例如为选自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中的至少一种以上的元素的合金等。铁磁性体例如为Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Ho合金、Sm-Fe合金、Fe-Pt合金、Co-Pt合金、CoCrPt合金。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2也可以包含惠斯勒合金。惠斯勒合金含有具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物。X在周期表上为Co、Fe、Ni或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种类，Z为III族～V族的典型元素。惠斯勒合金例如为Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。惠斯勒合金具有高的自旋极化率。
层叠体10也可以在第二铁磁性层2的与非磁性层3相反侧的面经由间隔层具有反铁磁性层。第二铁磁性层2、间隔层、反铁磁性层为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹持非磁性层的两个磁性层构成。通过第二铁磁性层2和反铁磁性层进行反铁磁性耦合，从而第二铁磁性层2的矫顽力大于不具有反铁磁性层的情况。反铁磁性层例如为IrMn、PtMn等。间隔层例如含有选自Ru、Ir、Rh中的至少一种。
层叠体10也可以具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及非磁性层3以外的层。例如，在自旋轨道转矩配线20和层叠体10之间也可以具有基底层。基底层可以提高构成层叠体10的各层的结晶性。
自旋轨道转矩配线20例如与层叠体10的一面相接。自旋轨道转矩配线20为配线的一例，且为用于向磁阻效应元件100写入数据的写入配线。自旋轨道转矩配线20例如从z方向观察，x方向的长度比y方向长，沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线20的至少一部分在z方向上与非磁性层3一同夹持第一铁磁性层1。
自旋轨道转矩配线20通过电流I流通时的自旋霍尔效应产生自旋流，向第一铁磁性层1注入自旋。自旋轨道转矩配线20例如将能够使第一铁磁性层1的磁化反转的分量的自旋轨道转矩(SOT)赋予第一铁磁性层1的磁化。自旋霍尔效应为在电流流通的情况下基于自旋轨道相互作用，在与电流流通的方向正交的方向上感应自旋流的现象。在运动(移动)的电荷(电子)的运动(移动)方向被弯曲这一点上，自旋霍尔效应与通常的霍尔效应相同。就通常的霍尔效应而言，在磁场中运动的带电粒子的运动方向因洛伦兹力弯曲。与此相对，自旋霍尔效应中，即使不存在磁场，自旋的移动方向仅因电子移动(仅电流流通)也弯曲。
例如，如果电流在自旋轨道转矩配线20中流通，则沿一个方向取向的第一自旋和沿与第一自旋相反的方向取向的第二自旋分别在与电流I的流通方向正交的方向上通过自旋霍尔效应而弯曲。例如，沿-y方向取向的第一自旋在+z方向上弯曲，沿+y方向取向的第二自旋在-z方向上弯曲。
就非磁性体(不是铁磁性体的材料)而言，通过自旋霍尔效应产生的第一自旋的电子数量和第二自旋的电子数量相等。即，朝向+z方向的第一自旋的电子数量和朝向-z方向的第二自旋的电子数量相等。第一自旋和第二自旋沿消除自旋的不均匀分布的方向流通。在第一自旋及第二自旋的向z方向的移动中，电荷的流通相互抵消，因此，电流量成为零。特别地，不伴随电流的自旋流被称为纯自旋流。
将第一自旋的电子的流通表示为J↑、第二自旋的电子的流通表示为J↓、自旋流表示为JS时，通过JS＝J↑-J↓进行定义。自旋流JS在z方向上产生。第一自旋从自旋轨道转矩配线20注入到第一铁磁性层1。
自旋轨道转矩配线20包含具有通过电流I流通时的自旋霍尔效应产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任意种。
自旋轨道转矩配线20例如含有非磁性的重金属作为主成分。重金属是指具有钇(Y)以上的比重的金属。非磁性的重金属例如为在最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数大的非磁性金属。自旋轨道转矩配线20例如由Hf、Ta、W构成。非磁性的重金属与其它金属相比，自旋轨道相互作用产生得强。自旋霍尔效应通过自旋轨道相互作用而产生，自旋容易在自旋轨道转矩配线20内不均匀分布，容易产生自旋流JS。
除此以外，自旋轨道转矩配线20还含有磁性金属。磁性金属为铁磁性金属或反铁磁性金属。非磁性体中所含的微量的磁性金属成为自旋的散射因子。微量例如为构成自旋轨道转矩配线20的元素的总摩尔比的3％以下。如果自旋因磁性金属而散射，则自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于电流的生成效率变高。
自旋轨道转矩配线20也可以包含拓扑绝缘体。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。拓扑绝缘体通过自旋轨道相互作用而产生内部磁场。拓扑绝缘体即使没有外部磁场，也通过自旋轨道相互作用的效果而表现出新的拓扑相。拓扑绝缘体能够通过强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏而高效率地生成纯自旋流。
拓扑绝缘体例如为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。
自旋轨道转矩配线20也可以含有构成后述的低电阻层30的元素。如果自旋轨道转矩配线20含有构成低电阻层30的元素，则自旋轨道转矩配线20的电阻值减小，自旋轨道转矩配线20的发热被抑制。在自旋轨道转矩配线20含有构成低电阻层30的元素的情况下，其浓度例如按后述的第三区域23、第二区域22、第一区域21的顺序升高。产生注入第一铁磁性层1的自旋的第一区域21内的构成低电阻层30的元素的浓度与其它区域相比优选相对较低。
自旋轨道转矩配线20被区分成第一区域21、第二区域22以及第三区域23。第一区域21为从z方向观察与第一铁磁性层1重叠的区域。第二区域22为从z方向观察与第一铁磁性层1和低电阻层30均不重叠的区域。第三区域23为从z方向观察与低电阻层30重叠的区域。例如，按第一区域21、第二区域22、第三区域23的顺序位于第一铁磁性层1的附近。第二区域22例如位于第一区域21和第三区域23之间。
自旋轨道转矩配线20的厚度例如随着远离第一铁磁性层1而朝向规定值逐渐减小。第一区域21的厚度比第二区域22的厚度厚，第二区域22的厚度比第三区域23的厚度厚。
低电阻层30在自旋轨道转矩配线20上扩展。低电阻层30位于从z方向观察与层叠体10不重叠的区域。
低电阻层30比自旋轨道转矩配线20电阻率低。低电阻层30例如含有选自Be、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Au中的任意种作为主成分。主成分是指占构成低电阻层30的材料中的50％以上。低电阻层30例如为选自Be、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Au中的任意种单体金属或合金。
低电阻层30也可以进一步含有具有钇(Y)以上的比重的元素作为副成分。副成分与主成分相比存在比少，例如占构成低电阻层30的材料中的20％以下的比例。如果低电阻层30含有重金属，则能够抑制低电阻层30的迁移。另外，通过自旋霍尔效应，能够增加由低电阻层30产生的自旋量。
低电阻层30比自旋轨道转矩配线20厚度薄。低电阻层30的第一端30a的膜厚比第二端30b的膜厚薄。低电阻层30的第一端30a为低电阻层30的第一铁磁性层1侧的端部。第二端30b为低电阻层30的与第一端30a相反侧的端部，且为低电阻层30的位于远离第一铁磁性层1的位置的端部。低电阻层30的膜厚随着远离第一端30a而朝向一定值逐渐变厚。
低电阻层30的厚度例如为构成低电阻层30的元素的结合半径的5倍以下。结合半径为构成低电阻层30的元素的结晶的次相邻原子间距离的一半的值。结合半径可以根据日本国立研究开发法人物质材料研究机构(NIMS)的数据库(https://crystdb.nims.go.jp/)所记载的晶格的大小进行计算。即使低电阻层30未结晶化，结合半径也根据晶格的大小进行计算。具体而言，低电阻层30的厚度例如为
Figure BDA0003775745420000121
以下。
导电部41和导电部42在从z方向俯视时，在x方向上夹持层叠体10。导电部41、42例如与连接配线Cw连接。导电部41、42由导电性优异的材料构成。导电部41、42例如含有选自Ag、Cu、Co、Al、Au中的任一种。
电极E位于层叠体10的与自旋轨道转矩配线20相反的一侧。电极E例如与层叠体10的第二铁磁性层2相接。电极E由具有导电性的材料构成。电极E例如含有选自Al、Cu、Ta、Ti、Zr、NiCr、氮化物(例如TiN、TaN、SiN)中的任意种。电极E例如为NiCr和Ta的层叠体。电极E可以作为层叠体10的盖层(cap layer)发挥作用。另外，电极E也可以作为用于磁阻效应元件100的制造过程的硬掩模发挥作用。
电极E例如可以由透明电极材料构成。电极E例如也可以为铟锌氧化物(IZO)、铟-锡氧化物(ITO)、氧化锡(SnO2)、氧化锑-氧化锡类(ATO)、氧化锌(ZnO)、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟(In2O3)等。当电极E为透明时，容易从外部读取第一铁磁性层1或第二铁磁性层2的磁化的取向方向。
接下来，对磁阻效应元件100的制造方法进行说明。磁阻效应元件100的制造方法例如具有第一层叠工序、第一加工工序、第二层叠工序、第一绝缘工序、以及第二加工工序。
首先，在第一层叠工序之前，准备层叠层叠膜的基体。首先，在基板Sub的规定位置掺杂杂质，形成源极S、漏极D。接着，在源极S和漏极D之间形成栅极绝缘膜GI、栅电极G。源极S、漏极D、栅极绝缘膜GI及栅电极G成为晶体管Tr。
接着，以覆盖晶体管Tr的方式形成一定厚度的绝缘层。另外，在绝缘层上形成开口部，通过向开口部内填充导电体而形成连接配线Cw。写入配线Wp、共用配线Cm通过在将绝缘层层叠至规定的厚度后，在绝缘层上形成沟，向沟内填充导电体而形成。
接着，进一步层叠覆盖这些的一定厚度的绝缘层。而且，通过在与连接配线Cw重叠的位置形成开口，并填充导电体，从而得到导电部41、42。导电部41、42例如使用比连接配线Cw硬的材料。将绝缘层和导电部41、42的表面进行化学机械研磨(CMP)。通过在导电部41、42使用硬的材料，表面的平坦性提高。
接着，进行第一层叠工序。在第一层叠工序中，在绝缘层In、导电部41、42露出于表面的基体上依次层叠配线层、磁性层、非磁性层和磁性层。各层例如通过溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束沉积法(EB沉积法)、原子激光沉积法进行层叠。
接着，进行第一加工工序。在第一加工工序中，将由磁性层、非磁性层、磁性层构成的层叠膜加工成希望的形状，并形成层叠体10。磁性层成为第一铁磁性层1或第二铁磁性层2，非磁性层成为非磁性层3。加工通过例如光刻等公知的方法进行。去除层叠膜的一部分，并露出配线层。在加工层叠膜时，位于与层叠体10不重叠的位置的配线层的表面的一部分被蚀刻。
接着，进行第二层叠工序。在第二层叠工序中，在配线层上层叠电阻比配线层低的导电层。导电层例如通过溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束沉积法(EB沉积法)、原子激光沉积法来进行层叠。导电层例如通过层叠体10的阴影效应从而层叠于距层叠体10一定距离的配线层上。
也可以在第二层叠工序之后，蚀刻附着于层叠体10的侧壁的导电材料。蚀刻例如从相对于z方向倾斜的倾斜方向进行。通过蚀刻，去除附着于层叠体10的侧壁的导电材料。通过去除导电材料，能防止第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的短路。另外，通过去除附着于第一铁磁性层1的侧壁的导电材料，从而能够抑制热向导电材料的流动及热经由低电阻层30向x方向的流动。
另外，也可以在第二层叠工序之后，将附着于层叠体10的侧壁的导电材料氧化。通过氧化，附着于层叠体10的侧壁的导电材料的导电性降低。通过导电性降低，能防止第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的短路。另外，通过降低附着于第一铁磁性层1的侧壁的导电材料的导电性，从而能够抑制热向导电材料的流动及热经由低电阻层30向x方向的流动。也可以并用导电材料的蚀刻处理和氧化处理。
接着，进行第一绝缘工序。在第一绝缘工序中，层叠覆盖配线层、层叠体10及导电层的层间绝缘层。层间绝缘层例如通过溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束沉积法(EB沉积法)、原子激光沉积法进行层叠。
接着，进行第二加工工序。在第二加工工序中，将经由层间绝缘层沿面内方向扩展的配线层及导电层加工成规定的形状，并切断面内方向的连接。加工例如通过光刻等公知的方法进行。配线层通过加工而成为自旋轨道转矩配线20，导电层通过加工而成为低电阻层30。
接着，进行第二绝缘工序。在第二绝缘工序中，用绝缘体填充在第二加工工序中为了切断配线层及导电层而形成的开口。通过这样的步骤，可得到第一实施方式的磁记录阵列200。
接下来，对第一实施方式的磁阻效应元件100的动作进行说明。磁阻效应元件100有数据的写入动作和数据的读取动作。
首先，对将数据记录于磁阻效应元件100的动作进行说明。首先，使与想记录数据的磁阻效应元件100相连的第一开关元件110及第二开关元件120为ON。如果使第一开关元件110及第二开关元件120为ON，则写入电流在自旋轨道转矩配线20中流通。如果写入电流在自旋轨道转矩配线20中流通，则产生自旋霍尔效应，自旋被注入第一铁磁性层1。注入第一铁磁性层1的自旋对第一铁磁性层1的磁化施加自旋轨道转矩(SOT)，改变第一铁磁性层1的磁化的取向方向。如果使电流的流通方向相反，则注入第一铁磁性层1的自旋的方向相反，因此，磁化的取向方向能够自由控制。
层叠体10的层叠方向的电阻值在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化平行的情况下变小，在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化反平行的情况下变大。作为层叠体10的层叠方向的电阻值，在磁阻效应元件100中记录数据。
接下来，对从磁阻效应元件100读取数据的动作进行说明。首先，使与想记录数据的磁阻效应元件100相连的第一开关元件110或第二开关元件120和第三开关元件130为ON。如果这样设定各开关元件，则读取电流沿层叠体10的层叠方向流通。如果层叠体10的层叠方向的电阻值根据欧姆法则而不同，则输出的电压不同。因此，例如通过读取层叠体10的层叠方向的电压，从而能够读取记录于磁阻效应元件100的数据。
第一实施方式的磁阻效应元件100能够一边抑制配线中的发热，一边使数据的写入容易。下面，对其原因进行具体说明。
自旋轨道转矩配线20大多含有重金属。重金属的电阻大，成为发热源。自旋轨道转矩配线20中产生的热成为自旋轨道转矩配线20劣化的原因。另一方面，自旋轨道转矩配线20中产生的热降低了写入时的第一铁磁性层1的磁化的稳定性，并使数据容易写入。
从z方向观察自旋轨道转矩配线20的第一铁磁性层1和位于导电部41、42的x方向的中点的位置特别容易积存热。其原因在于，中点距作为排热路径的电极E及导电部41、42远。
低电阻层30将容易积存热的第三区域23内产生的热向导电部41、42传递。即，如果在第三区域23上有低电阻层30，则第三区域23的发热被抑制，自旋轨道转矩配线20的劣化被抑制。
与此相对，在第一区域21及第二区域22上没有低电阻层30。因此，第一区域21及第二区域22内产生的热经由电极E沿z方向传递。通过第一区域21及第二区域22内产生的热不易沿x方向流动，第一铁磁性层1的磁化的稳定性降低，数据的写入变得容易。
另外，通过低电阻层30的厚度比自旋轨道转矩配线20的厚度薄，能够抑制第一区域21及第二区域22内产生的热过量地沿x方向流动。
另外，通过低电阻层30的厚度随着远离第一铁磁性层1而变厚，从而能够进一步控制自旋轨道转矩配线20的排热方向。
“第二实施方式”
图5是第二实施方式的磁阻效应元件101的截面图。图5是在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上切断磁阻效应元件101的截面。
第二实施方式的磁阻效应元件101具备氧化物层50，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对磁阻效应元件101中与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
氧化物层50与层叠体10的侧面及自旋轨道转矩配线20的第二区域22相接。氧化物层50至少与第一铁磁性层1的侧面和第二区域22的上表面相接。氧化物层50例如为构成低电阻层30的材料的氧化物。如上所述，氧化物层50例如通过在第二层叠工序之后将导电材料氧化而形成。
第二实施方式的磁阻效应元件101可得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，氧化物层50防止第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的短路。另外，在构成低电阻层30的材料的氧化物和导体的界面产生Rashba效应，注入第一铁磁性层1的自旋量增加。
“第三实施方式”
图6是第三实施方式的磁阻效应元件102的截面图。图6是在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上切断磁阻效应元件101的截面。图7是第三实施方式的磁阻效应元件102的俯视图。
第三实施方式的磁阻效应元件102中，低电阻层31的形状与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对磁阻效应元件101中与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
低电阻层31在沿着xz平面切断的切断面上不连续。低电阻层31例如在xy面内呈岛状散落。如果使成膜低电阻层31时的设计厚度充分薄，则构成低电阻层31的原子呈岛状晶粒生长，并成为低电阻层31。
第三实施方式的磁阻效应元件102可得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，通过低电阻层31在x方向上不连续，能够抑制热沿x方向传递。因此，能够一边抑制配线中的发热，一边使数据的写入更加容易。
另外，图8是第一变形例的磁阻效应元件103的俯视图。图9是第二变形例的磁阻效应元件104的俯视图。磁阻效应元件103、104为第三实施方式的磁阻效应元件102的变形例。
图8所示的低电阻层32及图9所示的低电阻层33均在沿着xz平面切断的切断面上不连续。低电阻层32为具有多个开口的连续膜。低电阻层33由形成为带状的多个膜构成。在任意的情况下都能够抑制热沿x方向传递，并可得到与第三实施方式的磁阻效应元件102同样的效果。
“第四实施方式”
图10是第四实施方式的磁阻效应元件105的截面图。图10是在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上切断磁阻效应元件105的截面。
第四实施方式的磁阻效应元件105具备凸部60，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对磁阻效应元件105中与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
凸部60在从z方向观察远离第二区域22和第三区域23的边界的位置，从低电阻层30沿z方向突出。凸部60具有导电性。
凸部60包含具有导电性的材料，例如由与低电阻层30相同的材料构成。在低电阻层30和凸部60由相同材料构成的情况下，通过以下步骤定义凸部60。在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上，从低电阻层30的第一端30a依次求出低电阻层30的上表面的切线的斜率。在切线的斜率的绝对值减小或一定的情况下，比切点靠第一铁磁性层1侧的区域为低电阻层30。另一方面，在切线的斜率的绝对值开始增加的情况下，比该切点远离第一铁磁性层1的一侧的区域由低电阻层30和凸部60构成。低电阻层30和凸部60的边界线为将切线的斜率的绝对值正要开始增加之前的切点和第二端30b的上端相连的直线。
凸部60的顶点例如位于第一铁磁性层1的低于与自旋轨道转矩配线20相接的面的相反侧的面的位置。
另外，图11是第四实施方式的磁阻效应元件105的另一截面图。图11是沿着图10中的A-A线的yz切断面。如图11所示，凸部60和低电阻层30的合计面积例如大于自旋轨道转矩配线20的面积。另外，凸部60的y方向的宽度比低电阻层30的y方向的宽度窄，低电阻层30的y方向的宽度比自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度窄。
第四实施方式的磁阻效应元件105可得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，通过在与容易积存热的第三区域23重叠的位置具有凸部60，从而能够提高第三区域23内产生的热的排热性。另外，通过凸部60的高度为一定值以下，能够减少通过辐射从第一铁磁性层1到达凸部60的热，并能够抑制热沿x方向传递。因此，能够一边抑制配线中的发热，一边使数据的写入更加容易。
“第五实施方式”
图12是第五实施方式的磁阻效应元件106的截面图。图12是在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上切断磁阻效应元件106的截面。
第五实施方式的磁阻效应元件106具备第二氧化物层70，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对磁阻效应元件106中与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
第二氧化物层70覆盖低电阻层30。第二氧化物层70层叠于低电阻层30上。第二氧化物层70例如为构成低电阻层30的材料的氧化物。如上所述，第二氧化物层70例如能够通过在第二层叠工序之后将导电材料氧化而形成。
第五实施方式的磁阻效应元件106可得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，在构成低电阻层30的材料的氧化物和导体的界面产生Rashba效应，并且注入第一铁磁性层1的自旋量增加。
“第六实施方式”
图13是第六实施方式的磁化旋转元件107的截面图。图13是在穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心的xz平面上切断磁化旋转元件107的截面。
第六实施方式的磁化旋转元件107不具有非磁性层3和第二铁磁性层2，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对磁化旋转元件107中与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
磁化旋转元件107为自旋元件的一例。磁化旋转元件107例如对第一铁磁性层1入射光，并对由第一铁磁性层1反射的光进行评价。如果磁化的取向方向根据磁光克尔效应而变化，则反射的光的偏向状态改变。磁化旋转元件107例如可以用作利用光的偏向状态的不同的例如图像显示装置等光学元件。
此外，磁化旋转元件107也可以单独用作各向异性磁传感器、利用磁法拉第效应的光学元件等。
第六实施方式的磁化旋转元件107仅除去了非磁性层3及第二铁磁性层2，可以得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。
至此，基于第一实施方式至第六实施方式对本发明的优选方式进行了例示，但本发明不限于这些实施方式。例如，也可以将各实施方式中的特征结构应用于其它实施方式。另外，对使用磁阻效应元件作为磁存储器的例子进行了说明，但也可以应用于磁阻效应元件高频器件。
图14为高频器件201的一例。高频器件201具有磁阻效应元件100、输入端口90、线路91、92、直流电源93、电感器94、电容器95、以及输出端口96。
线路91将磁阻效应元件100和输出端口96相连。线路92从线路91分支，经由电感器94及直流电源93到达接地Gd。直流电源93、电感器94、电容器95可以使用公知的器件。电感器94截除电流的高频分量，通过电流的不变分量。电容器95通过电流的高频分量，截除电流的不变分量。电感器94配设于想抑制高频电流的流通的部分，电容器95配设于想抑制直流电流的流通的部分。
如果从输入端口90对自旋轨道转矩配线20施加交流电流或交流磁场，则第一铁磁性层1的磁化进行进动运动。就第一铁磁性层1的磁化而言，在施加于第一铁磁性层1的高频电流或高频磁场的频率位于第一铁磁性层1的铁磁性谐振频率附近的情况下强力振动，在施加于第一铁磁性层1的高频电流或高频磁场的频率远离第一铁磁性层1的铁磁性谐振频率的频率下几乎不振动。将该现象称为铁磁性谐振现象。
层叠体10的电阻值通过第一铁磁性层1的磁化的振动而变化。直流电源93对层叠体10施加直流电流。直流电流沿层叠体10的层叠方向流通。直流电流通过线路91、92、磁阻效应元件100向接地Gd流通。层叠体10的电位根据欧姆法则而变化。高频信号根据层叠体10的电位的变化(电阻值的变化)从输出端口96输出。

Claims (19)

1.一种磁化旋转元件，其中，
具备：
自旋轨道转矩配线；
第一铁磁性层，其层叠于所述自旋轨道转矩配线；和
低电阻层，其层叠于从所述自旋轨道转矩配线的层叠方向观察与第一铁磁性层不重叠的区域，
所述自旋轨道转矩配线具有第一区域、第二区域以及第三区域，
从所述层叠方向观察，所述第一区域与所述第一铁磁性层重叠，
从所述层叠方向观察，所述第二区域与所述第一铁磁性层及所述低电阻层不重叠，且位于所述第一区域和所述第三区域之间，
从所述层叠方向观察，所述第三区域与所述低电阻层重叠，
所述低电阻层比所述自旋轨道转矩配线电阻率低，
所述低电阻层比所述自旋轨道转矩配线厚度薄。
2.根据权利要求1所述的磁化旋转元件，其中，
所述低电阻层的所述第一铁磁性层侧的第一端的膜厚比所述低电阻层的位于远离所述第一铁磁性层的位置的第二端的膜厚薄。
3.根据权利要求1或2所述的磁化旋转元件，其中，
还具备氧化物层，其与所述第一铁磁性层的侧面及所述自旋轨道转矩配线的所述第二区域相接。
4.根据权利要求3所述的磁化旋转元件，其中，
所述氧化物层为构成所述低电阻层的材料的氧化物。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁化旋转元件，其中，
所述低电阻层含有选自Be、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Au中的任意种作为主成分。
6.根据权利要求5所述的磁化旋转元件，其中，
所述低电阻层还含有具有钇以上的比重的元素作为副成分。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁化旋转元件，其中，
在所述自旋轨道转矩配线的沿着长度方向及所述层叠方向的截面上，所述低电阻层不连续。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁化旋转元件，其中，
还具备凸部，其具有导电性，在从所述层叠方向观察远离所述第二区域和所述第三区域的边界的位置，从所述低电阻层突出。
9.根据权利要求8所述的磁化旋转元件，其中，
所述凸部的顶点位于低于所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相接的面的相反侧的面的位置。
10.根据权利要求8或9所述的磁化旋转元件，其中，
在所述自旋轨道转矩配线的与长度方向正交的截面上，所述凸部和所述低电阻层的合计面积大于所述自旋轨道转矩配线的面积。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的磁化旋转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线含有构成所述低电阻层的元素。
12.根据权利要求11所述的磁化旋转元件，其中，
所述自旋轨道转矩配线中的构成所述低电阻层的元素的浓度按所述第三区域、所述第二区域、所述第一区域的顺序降低。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的磁化旋转元件，其中，
具备覆盖所述低电阻层的第二氧化物层。
14.一种磁阻效应元件，其中，
还具备：
权利要求1～13中任一项所述的磁化旋转元件；以及
依次层叠于所述第一铁磁性层的与所述自旋轨道转矩配线相反侧的面的非磁性层和第二铁磁性层。
15.一种磁记录阵列，其中，
所述磁记录阵列具备多个权利要求14所述的磁阻效应元件。
16.一种高频器件，其中，
所述高频器件具有权利要求14所述的磁阻效应元件。
17.一种磁化旋转元件的制造方法，其中，
具有：
将配线层和磁性层依次层叠的工序；
将所述磁性层加工成希望的形状，并形成第一铁磁性层的工序；
在所述配线层上层叠电阻低于所述配线层的导电层的工序；
层叠覆盖所述配线层、所述第一铁磁性层、所述导电层的层间绝缘层的工序；以及
经由所述层间绝缘层将所述配线层及所述导电层加工成希望的形状，并形成自旋轨道转矩配线及低电阻层的工序。
18.根据权利要求17所述的磁化旋转元件的制造方法，其中，
还具备：在层叠所述导电层后，蚀刻附着于所述第一铁磁性层的侧壁的导电材料的工序。
19.根据权利要求17或18所述的磁化旋转元件的制造方法，其中，
还具备：在层叠所述导电层后，将附着于所述第一铁磁性层的侧壁的导电材料氧化的工序。
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