CN116157863A - 磁元件和集成装置 - Google Patents

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Abstract

本实施方式的磁元件具备配线层和与所述配线层相接的第一铁磁性层，所述配线层包括晶质的第一层、和位于所述第一铁磁性层与所述第一层之间的非晶的第二层。

Description

磁元件和集成装置
技术领域
本发明涉及磁元件和集成装置。
本申请以2020年10月2日在日本申请的特愿2020-167660号为基础要求优先权，将其内容援引于此。
背景技术
作为磁阻效应元件，已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件、以及使用绝缘层(隧道势垒层、势垒层)作为非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。磁阻效应元件能够应用于磁传感器、高频部件、磁头和非易失性随机访问存储器(MRAM)。
MRAM是由磁阻效应元件集成得到的存储元件。MRAM利用当磁阻效应元件中夹持非磁性层的二个铁磁性层彼此的磁化方向变化时，磁阻效应元件的电阻会发生变化这一特性，进行数据读写。
例如，专利文献1记载了一种利用自旋轨道转矩(SOT)来改变磁阻效应元件的电阻的方法。SOT是由于自旋轨道相互作用产生的自旋流或异种材料界面上的拉什巴效应引发的。用于在磁阻效应元件内引发SOT的电流在与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向上流动。不需要使电流在磁阻效应元件的层叠方向上流动，有望延长磁阻效应元件的寿命。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/090733号
发明内容
发明要解决的技术问题
使用了自旋轨道转矩的磁阻效应元件通过使铁磁性层的磁化反转来记录数据。铁磁性层的磁化在施加的电流的电流密度为临界电流密度以上时发生反转。若磁化反转所需的临界电流密度增大，则元件的功耗增大。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种功耗小的磁元件和集成装置。
解决问题的技术手段
本发明为了解决上述问题，提供以下技术方案。
(1)第一方式的磁元件具备配线层、和与所述配线层相接的第一铁磁性层，所述配线层具备晶质的第一层、和位于所述第一铁磁性层与所述第一层之间的非晶的第二层。
(2)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第一层的电阻率比所述第二层的电阻率低。
(3)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第二层含有Ta、W、Ti、Ag中的至少一种元素。
(4)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第二层含有Fe、Co、Mn中的至少一种元素。
(5)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第二层含有B或C中的任意元素。
(6)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第二层含有氮化物，所述氮化物包含选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W中的至少一种元素。
(7)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第二层的膜厚为4nm以下。
(8)在上述方式的磁元件中，可以是，所述第一层的膜厚为4nm以下。
(9)在上述方式的磁元件中，可以是，所述配线层的第一方向上的长度比其他方向上的长度长，所述第一层的所述第一方向上的长度比所述第二层的所述第一方向上的长度长。
(10)在上述方式的磁元件中，可以是，所述配线层的第一方向上的长度比其他方向上的长度长，所述第二层的所述第一方向上的长度比所述第一层的所述第一方向上的长度长。
(11)在上述方式的磁元件中，可以是，还具备第二铁磁性层和非磁性层，所述非磁性层被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持。
(12)在上述方式的磁元件中，可以是，还具备第一磁化固定层、和第二磁化固定层，所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层分别在夹持所述第一铁磁性层的位置与所述配线层相接，所述第一铁磁性层在内部具有磁畴壁。
(13)第二方式的磁元件具备配线层、和与所述配线层相接的第一铁磁性层，所述配线层包括第一层和位于所述第一铁磁性层与所述第一层之间的第二层，所述第一层在使用透射型电子显微镜(TEM)进行纳米束电子衍射(NBD)时能够得到衍射图案，所述第二层在使用透射型电子显微镜(TEM)进行纳米束电子衍射(NBD)时不能得到衍射图案。
(14)第二方式的集成装置具有多个上述方式的磁元件。
发明效果
本实施方式的磁阻效应元件和磁存储器的功耗小。
附图说明
图1是第一实施方式的集成装置的电路图。
图2是第一实施方式的集成装置的截面图。
图3是第一实施方式的磁元件的截面图。
图4是第一实施方式的磁元件的特征部分的截面图。
图5是第一变形例的磁元件的截面图。
图6是第二实施方式的磁元件的截面图。
图7是第三实施方式的磁元件的截面图。
图8是第二变形例的磁元件的截面图。
具体实施方式
下面适当参照附图对本实施方式进行详细说明。在以下说明所使用的附图中，为了使特征易于理解，有时为方便起见将特征部分放大表示，各结构要素的尺寸比例等有时与实际的不同。以下说明中例示的材料、尺寸等只是一例，本发明并不限定于此，能够在发挥本发明效果的范围内适当变更来实施。
首先对方向进行定义。令后述基板Sub(参照图2)的一面的一个方向为x方向，基板Sub的一面的一个方向中与x方向正交的方向为y方向。x方向是配线层20延伸的方向，是第一方向的一个例子。z方向是与x方向和y方向正交的方向。z方向是层叠方向的一个例子。以下有时将+z方向表述为“上”，将-z方向表述为“下”。上下并不必须与重力的作用方向一致。
本说明书中“在x方向上延伸”意味着，x方向的尺寸大于x方向、y方向和z方向的各尺寸中最小的尺寸。在其他方向上延伸的情况也是同样的。另外，本说明书中“连接”并不限定于物理地连接。例如，不限于两个层物理地相接的情况，在两个层之间夹持其他层连接的情况下也包含于“连接”内。另外，2个部件电连接的情况也包含于“连接”内。
第一实施方式
图1是第一实施方式的集成装置200的电路图。集成装置200包括多个磁阻效应元件100、多个写入配线Wp、多个共通配线Cm、多个读取配线Rp、多个第一开关元件Sw1、多个第二开关元件Sw2和多个第三开关元件Sw3。集成装置200例如能够用于磁记录阵列、磁存储器等。磁阻效应元件100是磁元件的一个例子。
写入配线Wp各自与电源和1个以上的磁阻效应元件100电连接。共通配线Cm各自是数据写入时和读取时这两种情况下使用的配线。共通配线Cm与基准电位和1个以上的磁阻效应元件100电连接。基准电位例如是地电位。共通配线Cm可以对多个磁阻效应元件100分别设置，也可以对多个磁阻效应元件100共同设置。读取配线Rp各自与电源和1个以上的磁阻效应元件100电连接。电源在使用时与集成装置200连接。
第一开关元件Sw1、第二开关元件Sw2、第三开关元件Sw3例如与一个磁阻效应元件100分别连接。第一开关元件Sw1连接在磁阻效应元件100与写入配线Wp之间。第二开关元件Sw2连接在磁阻效应元件100与共通配线Cm之间。第三开关元件Sw3连接在磁阻效应元件100与读取配线Rp之间。
当使规定的第一开关元件Sw1和第二开关元件Sw2导通(ON)时，写入电流在与规定的磁阻效应元件100连接的写入配线Wp与共通配线Cm之间流动。当使规定的第二开关元件Sw2和第三开关元件Sw3导通(ON)时，读取电流在与规定的磁阻效应元件100连接的共通配线Cm与读取配线Rp之间流动。
第一开关元件Sw1、第二开关元件Sw2和第三开关元件Sw3是控制电流流动的元件。第一开关元件Sw1、第二开关元件Sw2和第三开关元件Sw3例如是晶体管、双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)等利用了结晶层的相变的元件，金属绝缘体转变(MIT)开关等利用了能带结构的变化的元件，齐纳二极管和雪崩二极管等利用了击穿电压的元件，以及导电性随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均可以由连接于相同配线的磁阻效应元件100共用。例如，在共用第一开关元件Sw1的情况下，在写入配线Wp的上游设置一个第一开关元件Sw1。例如，在共用第二开关元件Sw2的情况下，在共通配线Cm的上游设置一个第二开关元件Sw2。例如，在共用第三开关元件Sw3的情况下，在读取配线Rp的上游设置一个第三开关元件Sw3。
图2是第一实施方式的集成装置200的截面图。图2是用通过后述配线层20的y方向上的宽度中心的xz平面切断磁阻效应元件100而得的截面。
图2所示的第一开关元件Sw1和第二开关元件Sw2是晶体管Tr。第三开关元件Sw3与电极E1电连接，例如位于图2的y方向。晶体管Tr例如是场效应型晶体管，具有栅极电极G、栅极绝缘膜GI以及形成于基板Sub的源极S和漏极D。基板Sub例如是半导体基板。
晶体管Tr与磁阻效应元件100经由配线w以及电极E2、E3电连接。并且，晶体管Tr与写入配线Wp或共通配线Cm通过配线w连接。配线w有时例如称作连接配线、导孔配线、层间配线。配线w和电极E2、E3包含具有导电性的材料。配线w例如在z方向上延伸。
磁阻效应元件100和晶体管Tr的周围被绝缘体In覆盖。绝缘体In是使多层配线的配线间、元件间绝缘的绝缘体。绝缘体In例如是氧化硅(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3是用xz平面切断磁阻效应元件100而得的截面。
磁阻效应元件100例如具有层叠体10和配线层20。磁阻效应元件100是利用了自旋轨道转矩(SOT)的磁性元件，有时称作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从靠近基板Sub的一侧起依次具有第一铁磁性层1、非磁性层3、第二铁磁性层2。层叠体10被层叠在配线层20上。层叠体10在z方向上被配线层20与电极E1夹持。层叠体10是柱状体。层叠体10从上表面朝向下表面逐渐扩幅。层叠体10从z方向观察的俯视形状例如是圆形、椭圆形、四边形。
第一铁磁性层1和第二铁磁性层2包含铁磁性体。铁磁性体例如是选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni的金属、包含这些金属的1种以上的合金、包含这些金属以及B、C和N中的至少1种元素的合金等。铁磁性体例如是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和第二铁磁性层2可以包含惠斯勒合金。惠斯勒合金是具有XYZ或X2YZ的化学成分的金属间化合物。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。惠斯勒合金例如是Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。惠斯勒合金具有高自旋极化率。
第一铁磁性层1和第二铁磁性层2例如是易磁化轴为z方向的垂直磁化膜。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2例如也可以是易磁化轴在xy面内的任意方向取向的面内磁化膜。
第二铁磁性层2的磁化与第一铁磁性层1的磁化相比，在施加了规定的外力时，取向方向不容易变化。第二铁磁性层2被称作磁化固定层、磁化参考层，第一铁磁性层1被称作磁化自由层。层叠体10具有磁化固定层位于远离基板Sub的一侧的顶销(top-pin)结构。在层叠体10中，根据夹持非磁性层3的第一铁磁性层1的磁化与第二铁磁性层2的磁化的相对角度的不同，电阻值发生变化。
非磁性层3由非磁性体构成。在非磁性层3为绝缘体的情况下(为隧道势垒层的情况下)，作为其材料能够使用Al2O3、SiO2、MgO和MgAl2O4等。另外，除了这些之外还能够使用将Al、Si、Mg的一部分置换为Zn、Be等得到的材料等。在这些之中，MgO和MgAl2O4由于是能够实现相干隧道的材料，所以能够高效地注入自旋。在非磁性层3为金属的情况下，作为其材料能够使用Cu、Au、Ag等。另外，在非磁性层3为半导体的情况下，作为其材料能够使用Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等。
层叠体10可以具有第一铁磁性层1、非磁性层3、第二铁磁性层2以外的层。例如，在第二铁磁性层2的与非磁性层3相反的一侧的面，可以具有间隔层和第三铁磁性层。由于第二铁磁性层2与第三铁磁性层磁耦合，第二铁磁性层2的磁化稳定性能够提高。第二铁磁性层、间隔层、第三铁磁性层构成合成反铁磁结构(SAF结构)。第三铁磁性层能够使用与第一铁磁性层1同样的材料。第三铁磁性层例如优选为仅由Co/Ni、Co/Pt等的磁性膜形成的垂直磁化膜，或由磁性膜与非磁性膜的多层膜形成的垂直磁化膜。间隔层包含例如选自Ru、Ir、Rh的至少一种。另外，在第一铁磁性层1的下表面可以具有基底层。基底层用于提高构成层叠体10的各层的结晶性。
配线层20与第一铁磁性层1相接。配线层20利用电流流动时的自旋霍尔效应产生自旋流，将自旋注入第一铁磁性层1。配线层20被称作自旋轨道转矩配线。配线层20例如对第一铁磁性层1的磁化提供能够使第一铁磁性层1的磁化反转的自旋轨道转矩(SOT)。当配线层20中流动的电流的电流密度为临界电流密度以上时，第一铁磁性层1的磁化发生反转。
自旋霍尔效应是在流通了电流的情况下基于自旋轨道相互作用，在与电流的流动方向正交的方向上引发自旋流的现象。自旋霍尔效应在能够使运动(移动)电荷(电子)的运动(移动)方向弯曲这一点上，与通常的霍尔效应相通。在通常的霍尔效应中，磁场中运动的带电粒子的运动方向因洛伦兹力而弯曲。对此，在自旋霍尔效应中，即使不存在磁场，仅靠电子移动(仅有电流流动)也能够使自旋的移动方向弯曲。
例如，当电流在配线层20中流动时，在一个方向上取向的第一自旋和在与第一自旋相反的方向上取向的第二自旋各自因自旋霍尔效应而向着与电流的流动方向正交的方向弯曲。例如，在+y方向上取向的第一自旋朝向+z方向，在-y方向上取向的第二自旋朝向-z方向。
在非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，因自旋霍尔效应而产生的第一自旋的电子数与第二自旋的电子数相等。即，朝向+z方向的第一自旋的电子数与朝向-z方向的第二自旋的电子数相等。第一自旋和第二自旋在消除自旋的不均匀分布的方向上流动。在第一自旋和第二自旋的z方向上的移动中，电荷的流动彼此抵消，电流量为0。不伴随电流的自旋流被特别称作纯自旋流。
将第一自旋的电子流动表示为J↑，第二自旋的电子流动表示为J↓，自旋流表示为JS，自旋流JS由JS＝J↑-J↓定义。自旋流JS在z方向上产生。
配线层20的例如x方向和y方向的侧面相对于z方向倾斜。配线层20的上表面例如比下表面面积窄。配线层20的上表面的x方向的宽度例如比下表面的x方向的宽度窄。
配线层20具有第一层21和第二层22。第一层21的x方向上的长度比第二层22的x方向上的长度长。第二层22位于第一层21与第一铁磁性层1之间。
第一层21为晶质。即，第一层21由晶质材料构成。第一层21只要具有结晶性即可，可以是单晶也可以是由晶粒集合得到的多晶。关于是否“具有结晶性”，例如能够根据在使用透射型电子显微镜(TEM)进行纳米束电子衍射(NBD)时，是否能够确认到衍射图案来判断。衍射图案是对经过薄片化的薄片试料照射直径缩小为1nm左右的电子射线，使电子射线透射衍射而得到的电子像。衍射图案是对晶格进行傅立叶变换而得的，能够观察到有效的晶格常数的变化和晶体对称性的变化。
第二层22为非晶。即，第二层22由非晶材料构成。第二层22在使用透射型电子显微镜(TEM)进行纳米束电子衍射(NBD)时无法确认到衍射图案。无法确认到衍射图案意味着衍射光斑不是规则排列的。
图4是第一实施方式的磁阻效应元件100的特征部分的截面图。图4是将第一层21、第二层22和第一铁磁性层1的界面附近扩大了的图。图4中将构成各层的原子用“〇(圆)”来图示。
第一层21具有结晶性。只要晶体生长不是完全均匀的，就会产生晶粒间界等，第一层21与第二层22的界面S1会变得凹凸。第一层21通常由溅射等成膜，因此难以使晶体生长完全均匀。
第二层22成膜在第一层21上。第二层22是非晶，以填埋界面S1的凹凸的方式成膜。其结果，第一铁磁性层1与第二层22的界面S2比第一层21与第二层22的界面S1平坦。
第一层21包含具有能够利用电流流动时的自旋霍尔效应来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者。
第一层21例如作为主成分包含非磁性的重金属。重金属意味着具有钇(Y)以上的比重的金属。非磁性的重金属例如是最外层具有d电子或f电子的原子序数39以上的原子序数较大的非磁性金属。第一层21例如由Hf、Ta、W构成。非磁性的重金属与其他金属相比能够较强地产生自旋轨道相互作用。自旋霍尔效应由自旋轨道相互作用产生，在第一层21内自旋容易分布得不均匀，容易产生自旋流JS。
第一层21也可以包含磁性金属。磁性金属是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是自旋的散射因子。微量指的是，例如占构成第一层21的元素的总摩尔比的3％以下。当自旋因磁性金属而散射时自旋轨道相互作用得到增强，相对于电流的自旋流的生成效率提高。
第一层21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其表面产生自旋极化的金属状态的物质。拓扑绝缘体会因自旋轨道相互作用产生内部磁场。拓扑绝缘体即使不存在外部磁场也能够因自旋轨道相互作用的效应而表现出新的拓扑相。拓扑绝缘体能够利用强自旋轨道相互作用和边缘的反演对称性破缺来高效地生成纯自旋流。
拓扑绝缘体例如是SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。拓扑绝缘体能够高效地生成自旋流。
第一层21的电阻可以比详情后述的第二层22的电阻低。例如，第一层21的电阻可以是第二层22的电阻的2/3倍以下、1/2倍以下。由于配线层20具有这样的第一层21和第二层22，在第一层21中流通比第二层22大的电流，产生较大的焦耳热。因此，从第一层21经由第二层22向着第一铁磁性层1在层叠方向上形成热流。热与自旋彼此相互产生影响，在热流的作用下，容易从配线层20向第一铁磁性层1注入自旋。即，能够以较小的电流使第一铁磁性层1的磁化容易地反转。
第二层22只要是具有导电性的材料即可。第二层22例如包含Ta、W、Ti、Ag中的至少一种元素。这些金属元素不容易发生晶粒生长，容易平坦地成膜。另外，这些元素的自旋轨道相互作用较强，能够高效地从第二层22向第一铁磁性层1注入自旋。另外，第二层22例如可以包含Ag、Cu、Mg、Al中的至少一种元素。这些元素的自旋扩散长度较长，在第二层22自旋不容易散失。
另外，第二层22可以包含Fe、Co、Mn中的至少一种元素，也可以包含B和C中的任意元素。由于第二层22包含与第一铁磁性层1同样的元素，能够在第二层22产生较强的自旋轨道相互作用，能够高效地生成纯自旋流。
另外，第二层22可以含有氮化物，该氮化物包含选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W的组中的至少一种元素。第二层22在含有包含属于该组的元素的氮化物的情况下，不仅作为自旋传导层发挥作用，还作为自旋生成层发挥作用。即，当电流在第二层22的面内方向流动时，通过较大的自旋霍尔效应产生较大的自旋轨道转矩。包含属于该组的元素的氮化物与重金属相比电阻低，导电性优良。因此，在使用了含有这些氮化物的第二层22的情况下，能够在维持配线层20的自旋生成效率的同时降低电阻。
第一层21的膜厚例如为10nm以下，优选6nm以下。第一层21的膜厚例如为1nm以上。当第一层21的膜厚足够薄时，能够提高在配线层20内流动的电流的电流密度。
第二层22的膜厚例如为4nm以下。第二层22的膜厚例如为1个原子层以上，为1nm以上。由于第二层22的膜厚为第二层22的自旋扩散长度以下，能够高效地将第一层21中产生的自旋注入第一铁磁性层1。
接着对磁阻效应元件100的制造方法进行说明。磁阻效应元件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。各层的层叠能够使用溅射法、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。各层的加工能够使用光刻、蚀刻等进行。
首先，在绝缘体In、电极E2、E3上依次层叠作为第一层21的导电层、作为第二层22的导电层。绝缘体In和电极E2、E3的层叠面例如通过化学机械研磨(CMP)而平坦化。通过将作为第一层21的导电层和作为第二层22的导电层加工成规定形状，得到第一层21和第二层22。
在成膜第二层22时，例如相比成膜第一层21时提高真空度，或降低成膜功率。在成膜第二层22时，也可以例如相比成膜第一层21时提高真空度并且降低成膜功率。当真空度降低或成膜功率增大时，晶体生长在发生晶粒生长的同时推进，容易形成颗粒状的晶体。相反地，若提高真空度、降低成膜功率，则膜生长变得缓慢，界面S2的平坦性提高。
接着，在第二层22上依次成膜铁磁性层、非磁性层、铁磁性层。之后，通过将它们加工成规定形状，成为第一铁磁性层1、非磁性层3、第二铁磁性层2，得到层叠体10。之后，通过在层叠体10上成膜电极E1，得到磁阻效应元件100。
接着对磁阻效应元件100的动作进行说明。磁阻效应元件100存在写入动作和读取动作。
对向磁阻效应元件100写入数据的动作进行说明。首先，使与想要写入数据的磁阻效应元件100连接的第一开关元件Sw1和第二开关元件Sw2导通(ON)。当第一开关元件Sw1和第二开关元件Sw2导通(ON)时，电流在配线层20中流动。
当电流在配线层20中流动时，通过自旋霍尔效应使第一自旋被注入第一铁磁性层1。第一铁磁性层1的磁化受到因第一自旋注入而产生的自旋轨道转矩而反转。由于第一铁磁性层1的磁化方向发生变化，与第二铁磁性层2的磁化的相对角度发生变化，层叠体10的电阻值发生变化。磁阻效应元件100基于层叠体10的电阻值存储数据。于是，通过上述步骤结束了对磁阻效应元件100的数据写入。
对从磁阻效应元件100读取数据的动作进行说明。首先，使与想要读取数据的磁阻效应元件100连接的第三开关元件Sw3和第二开关元件Sw2导通(ON)。当第三开关元件Sw3和第二开关元件Sw2导通(ON)时，读取电流在层叠体10的z方向上流动。
层叠体10的电阻值在第一铁磁性层1的磁化与第二铁磁性层2的磁化平行的情况下和反向平行的情况下不同。在第一铁磁性层1的磁化与第二铁磁性层2的磁化平行的情况下，磁阻效应元件100的电阻值降低，在第一铁磁性层1的磁化与第二铁磁性层2的磁化反向平行的情况下，磁阻效应元件100的电阻值升高。磁阻效应元件100的电阻值基于欧姆定律作为电位差输出。于是，通过上述步骤结束了从磁阻效应元件100的数据读取。
第一实施方式的磁阻效应元件100中，通过具有第二层22将界面S2平坦化。使第一铁磁性层1的磁化反转的临界电流密度较强地受界面S2的影响。这是因为，被注入第一铁磁性层1的自旋会受到界面的拉什巴效应等的影响。当界面S2平坦时，能够抑制例如临界电流密度的元件内偏差以及元件间偏差。元件内偏差指的是，在一个磁阻效应元件100内局部地产生磁化容易反转的部位。元件间偏差指的是，多个磁阻效应元件100各自的磁化反转难易度存在偏差。当临界电流密度的偏差较小时，不需要为了进行可靠地写入而提高必要的临界电流密度，能够减小磁阻效应元件100的功耗。
(第一变形例)
图5是第一变形例的磁阻效应元件101的截面图。图5是用xz平面切断磁阻效应元件101而得的截面。图5所示的磁阻效应元件101中构成要素的位置关系与磁阻效应元件100不同。
磁阻效应元件101中，层叠体10相比配线层20位于基板Sub一侧。在层叠体10中，作为磁化固定层的第二铁磁性层2位于基板Sub附近。该结构能够称作底销(bottom-pin)结构。bottom-pin结构与top-pin结构相比各层的磁化稳定性较高。
配线层20从靠近层叠体10一侧起依次具有第二层22、第一层21。第一层21位于第二层22上。第二层22的x方向上的长度比第一层21的x方向上的长度长。第二层22位于第一层21与第一铁磁性层1之间。
由于第二层22位于第一层21与第一铁磁性层1之间，在第一层21与第一铁磁性层1之间形成了平坦的界面。其结果是，第一变形例的磁阻效应元件101能够发挥与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。
第一实施方式的集成装置例如能够用于磁存储器等。
第二实施方式
第二实施方式的集成装置与第一实施方式的集成装置的不同点在于，代替磁阻效应元件100具有磁化旋转元件110。其他结构与第一实施方式的集成装置200相同，因此省略说明。
图6是第二实施方式的磁化旋转元件110的截面图。图6是用xz平面切断磁化旋转元件110而得的截面。磁化旋转元件110与第一实施方式的磁阻效应元件100的不同点在于，不具有非磁性层3和第二铁磁性层2。其他结构与第一实施方式的磁阻效应元件100相同。
磁化旋转元件110是磁元件的一个例子。在磁化旋转元件110中，例如对第一铁磁性层1入射光，并评价被第一铁磁性层1反射后的光。当克尔磁光效应导致磁化的取向方向变化时，反射后的光的偏振状态发生变化。磁化旋转元件110例如能够用作利用了光的偏振状态的不同的例如影像显示装置等的光学元件。
这之外，磁化旋转元件110还能够单独地用作各向异性磁传感器、利用了法拉第磁光效应的光学元件等。
第二实施方式的磁化旋转元件110仅是除去了非磁性层3和第二铁磁性层2，能够得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。
第三实施方式
图7是第三实施方式的磁畴壁移动元件120的截面图。图7是用xz平面切断磁畴壁移动元件而得的截面。
磁畴壁移动元件120具有层叠体30、配线层40、第一磁化固定层50和第二磁化固定层60。磁畴壁移动元件120是磁元件的一个例子。磁畴壁移动元件120是电阻值随着磁畴壁DW的移动而变化的元件。
层叠体30具有第一铁磁性层31、第二铁磁性层32和非磁性层33。
第一铁磁性层31包含铁磁性体。构成第一铁磁性层31的磁性体能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni的金属、包含这些金属的1种以上的合金、包含这些金属以及B、C和N中的至少1种元素的合金等。具体而言，能够列举Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
第一铁磁性层31是能够通过内部磁状态的变化来对信息进行磁记录的层。第一铁磁性层31具有磁化固定的第一区域A1和第二区域A2，以及磁畴壁DW能够移动的第三区域A3。
第一区域A1是在z方向上与第一磁化固定层50重叠的区域。第一区域A1的磁化MA1被第一磁化固定层50固定。第二区域A2是在z方向上与第二磁化固定层60重叠的区域。第二区域A2的磁化MA2被第二磁化固定层60固定。第一区域A1的磁化MA1的取向方向与第二区域A2的磁化MA2的取向方向不同。
第三区域A3在内部具有第一磁畴A3a和第二磁畴A3b。第一磁畴A3a的磁化MA3a和第二磁畴A3b的磁化MA3b例如在相反方向上取向。第一磁畴A3a与第二磁畴A3b的边界为磁畴壁DW。第一铁磁性层1能够在内部具有磁畴壁DW。
磁畴壁移动元件120能够利用磁畴壁DW的位置将数据记录为多个值或连续记录。记录于第一铁磁性层31的数据，在施加了读取电流时作为磁畴壁移动元件120的电阻值变化被读取。
磁畴壁DW通过在第一铁磁性层31的x方向流通写入电流，或施加外部磁场而移动。例如，当在第一铁磁性层31的+x方向施加写入电流(例如电流脉冲)时，由于电子向相反的-x方向流动，因此磁畴壁DW向-x方向移动。在电流从第一磁畴A3a向第二磁畴A3b流动的情况下，第二磁畴A3b中自旋极化的电子使第一磁畴A3a的磁化发生磁化反转。由于第一磁畴A3a发生磁化反转，磁畴壁DW向-x方向移动。
第二铁磁性层32和非磁性层33各自与第一实施方式的第二铁磁性层2和非磁性层3相同。
配线层40具有第一层41和第二层42。配线层40与第一铁磁性层31相接，在x方向上被第一磁化固定层50与第二磁化固定层60夹持。第一层41和第二层42各自与第一实施方式的第一层21和第二层22相同。
配线层40利用电流流动时的自旋霍尔效应产生自旋流，将自旋注入第一铁磁性层1。配线层40例如对第一铁磁性层1的磁化提供自旋轨道转矩(SOT)。由从配线层40注入的自旋而产生的自旋轨道转矩(SOT)辅助磁畴壁DW的移动。第一铁磁性层1的磁畴壁DW受到自旋轨道转矩(SOT)而变得容易运动。
第一磁化固定层50和第二磁化固定层60与第一铁磁性层相接。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使第一区域A1的磁化固定。第二磁化固定层60使第二区域A2的磁化固定。
第一磁化固定层50和第二磁化固定层60各自从z方向观察的形状例如为矩形。第一磁化固定层50和第二磁化固定层60各自从z方向观察的形状例如也可以为圆形、椭圆形、卵形(oval)等。
第一磁化固定层50和第二磁化固定层60例如包含铁磁性体。第一磁化固定层50具有铁磁性层51、53和间隔层52。间隔层52位于铁磁性层51与铁磁性层53之间。第二磁化固定层60具有铁磁性层61、63和间隔层62。间隔层62位于铁磁性层61与铁磁性层63之间。
铁磁性层51、53、61、63能够使用与第二铁磁性层2同样的材料。间隔层52、62是非磁性体。间隔层52、62例如是Ru、Ir、Rh。铁磁性层51与铁磁性层53以及铁磁性层61与铁磁性层63各自反铁磁耦合。
另外，第一磁化固定层50和第二磁化固定层60不限于铁磁性体。在第一磁化固定层50和第二磁化固定层60不是铁磁性体的情况下，在与第一磁化固定层50或第二磁化固定层60重叠的区域，第一铁磁性层1中流动的电流的电流密度急剧地发生变化，由此磁畴壁DW的移动受到限制，第一区域A1和第二区域A2的磁化被固定。
第三实施方式的磁畴壁移动元件120中，通过具有第二层42将配线层20与第一铁磁性层1的界面平坦化。其结果，从配线层40注入第一铁磁性层1的自旋量的偏差减小。另外，表面的凹凸是妨碍磁畴壁DW移动的主要原因之一(pinning site，钉扎点)，通过将界面平坦化，磁畴壁DW的移动变得顺畅。于是，磁畴壁移动元件120能够以较小的功耗驱动。
(第二变形例)
图8是第二变形例的磁畴壁移动元件121的截面图。图8是用xz平面切断磁畴壁移动元件121而得的截面。图8所示的磁畴壁移动元件121中构成要素的位置关系与磁畴壁移动元件120不同。
磁畴壁移动元件121中，层叠体30相比配线层40位于基板Sub一侧。在层叠体30中，作为磁化固定层的第二铁磁性层32位于基板Sub附近。该结构能够称作bottom-pin结构。bottom-pin结构与top-pin结构相比各层的磁化稳定性较高。
配线层40从靠近层叠体30一侧起依次具有第二层42、第一层41。第一层41位于第二层42上。第二层42的x方向上的长度比第一层41的x方向上的长度长。第二层42位于第一层41与第一铁磁性层31之间。
由于第二层42位于第一层41与第一铁磁性层31之间，在第一层41与第一铁磁性层31之间形成了平坦的界面。其结果是，第二变形例的磁畴壁移动元件121能够发挥与第三实施方式的磁畴壁移动元件120同样的效果。
第三实施方式的集成装置能够应用于模拟元件、自旋存储器、神经形态器件。
例如，神经形态器件是利用神经网络模仿人类大脑的元件。神经形态器件人工地模仿人类大脑中的神经元与突触的关系。
神经形态器件例如具有层级状配置的芯片(大脑中的神经元)和将它们之间连接的传递单元(大脑中的突触)。神经形态器件通过由传递单元(突触)进行学习，能够提高问题的正确率。学习指的是从信息中寻找将来可能会使用的知识，在神经形态器件中是对输入的数据附加权重。
各突触进行数学乘积累加运算。第一实施方式至第三实施方式的磁记录阵列能够通过将磁阻效应元件或磁化旋转元件排列成阵列状，来进行乘积累加运算。例如，在磁阻效应元件的读取线路中流通电流，输出所输入的电流与磁阻效应元件的电阻的乘积，进行乘积运算。当将多个磁阻效应元件用共通配线连接时，乘积运算通过共通配线求和，进行累加运算。于是，第三实施方式的磁记录阵列能够作为乘积累加运算器应用于神经形态器件。
以上基于第一实施方式至第三实施方式对本发明的优选方式进行了例示，但本发明并不限定于这些实施方式。例如，能够将各实施方式的特征性结构应用于其他实施方式。
附图标记说明
1、31…第一铁磁性层；2、32……第二铁磁性层；3、33……非磁性层；10、30……层叠体；20、40……配线层；21、41……第一层；22、42……第二层；50……第一磁化固定层；60……第二磁化固定层；100、101……磁阻效应元件；110……磁化旋转元件；120、121……磁畴壁移动元件；200……集成装置；DW……磁畴壁

Claims (14)

1.一种磁元件，其中，
具备：配线层、和与所述配线层相接的第一铁磁性层，
所述配线层具备：
晶质的第一层；和
非晶的第二层，其位于所述第一铁磁性层与所述第一层之间。
2.如权利要求1所述的磁元件，其中，
所述第一层的电阻率比所述第二层的电阻率低。
3.如权利要求1或2所述的磁元件，其中，
所述第二层含有Ta、W、Ti、Ag中的至少一种元素。
4.如权利要求1或2所述的磁元件，其中，
所述第二层含有Fe、Co、Mn中的至少一种元素。
5.如权利要求1～4中任一项所述的磁元件，其中，
所述第二层含有B或C中的任意元素。
6.如权利要求1～5中任一项所述的磁元件，其中，
所述第二层含有氮化物，所述氮化物包含选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W中的至少一种元素。
7.如权利要求1～6中任一项所述的磁元件，其中，
所述第二层的膜厚为4nm以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的磁元件，其中，
所述第一层的膜厚为10nm以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的磁元件，其中，
所述配线层的第一方向上的长度比其他方向上的长度长，
所述第一层的所述第一方向上的长度比所述第二层的所述第一方向上的长度长。
10.如权利要求1～8中任一项所述的磁元件，其中，
所述配线层的第一方向上的长度比其他方向上的长度长，
所述第二层的所述第一方向上的长度比所述第一层的所述第一方向上的长度长。
11.如权利要求1～10中任一项所述的磁元件，其中，
还具备：第二铁磁性层、和非磁性层，
所述非磁性层被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持。
12.如权利要求1～11中任一项所述的磁元件，其中，
还具备：第一磁化固定层、和第二磁化固定层，
所述第一磁化固定层和所述第二磁化固定层分别在夹持所述第一铁磁性层的位置与所述配线层相接，
所述第一铁磁性层在内部具有磁畴壁。
13.一种磁元件，其中，
具备：配线层、和与所述配线层相接的第一铁磁性层，
所述配线层具备：第一层、和位于所述第一铁磁性层与所述第一层之间的第二层，
所述第一层在使用透射型电子显微镜进行纳米束电子衍射时，能够得到衍射图案，
所述第二层在使用透射型电子显微镜进行纳米束电子衍射时，不能得到衍射图案，
其中，所述透射型电子显微镜为TEM，所述纳米束电子衍射为NBD。
14.一种集成装置，其中，
具有：多个权利要求1～13中任一项所述的磁元件。
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