CN116998021A - 磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统 - Google Patents

磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统 Download PDF

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斋藤好昭
池田正二
远藤哲郎
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Tohoku University NUC
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Abstract

本发明提供一种磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统，通过流过重金属层的写入电流，能够实现低电阻，高效地使记录层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。磁阻效应元件(10)包括：重金属层(11)，其通过层叠Ir层(12)和Pt层(13)而成；记录层(16)，其以与重金属层(11)相向的方式设置，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层(18)，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层(17)，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，通过流过重金属层(11)的写入电流，使第1铁磁层的磁化方向反转。

Description

磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统
技术领域
本发明涉及一种磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统。
背景技术
为了实现自旋电子集成电路，信息的写入非常重要。为了在自旋电子中以电的方式使磁化反转，存在使用自旋注入磁化反转的方法，该方法通过使磁隧道结(MagneticTunnel Junction：MTJ)流过电流而使第1铁磁层的磁化反转，该磁隧道结包括：记录层，其包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；阻挡层，其采用绝缘体形成；以及参考层，其包含磁化方向固定的第2铁磁层。另一方面，近年来，为了以电的方式使磁化反转，存在使用自旋轨道矩(Spin Orbit Torque：SOT)诱导磁化反转的方法，使用该方法的MRAM(Magnetic RandomAccess Memory，磁随机存取存储器)元件受到瞩目。
SOT-MRAM元件是在重金属层上设置包含记录层/阻挡层/参考层的MTJ而构成的，通过使电流流过重金属层，因自旋轨道相互作用而诱导自旋流，由自旋流极化后的自旋流入记录层，记录层的磁化发生反转，由此在记录层的磁化方向与参考层的磁化方向平行的状态和反平行的状态之间进行切换，记录数据(专利文献1至3)。
另外，提出了使用SOT-MRAM元件的电子神经元的方案，根据突触电流的统计来决定神经元的磁化方向，使用生成双极电流的作为突触发挥功能的电阻交叉阵列，该双极电流是输入信号的加权和(专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/021468号
专利文献2：国际公开第2016/159017号
专利文献3：国际公开第2019/159962号
专利文献4：美国专利申请公开第2017/0330070号说明书
发明内容
但是，如果在SOT-MRAM元件的重金属层中使用β-W等重金属元素，则因电阻率较高而能够期待写入效率提高，但能耗较大。
因此，本发明的目的在于提供一种磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统，通过流过重金属层的写入电流，能够实现低电阻，高效地使记录层中的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
本发明的构思如下所述。
(1)一种磁阻效应元件，其包括：
重金属层，其通过层叠Ir层和Pt层而成；
记录层，其以与所述重金属层相向的方式设置，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；
参考层，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及
阻挡层，其被所述第1铁磁层和所述第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，
通过流过所述重金属层的写入电流，所述第1铁磁层的磁化方向反转。
(2)在所述(1)记载的磁阻效应元件中，所述重金属层通过反复层叠所述Ir层和所述Pt层而成。
(3)在所述(1)或(2)记载的磁阻效应元件中，所述重金属层中最外侧的所述Pt层与所述记录层形成界面。
(4)在所述(1)至(3)中任一项记载的磁阻效应元件中，所述重金属层的所述Pt层每层均具有比0.6nm长且1.5nm以下的厚度。
(5)在所述(1)至(4)中任一项记载的磁阻效应元件中，所述重金属层的所述Ir层每层均具有0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。
(6)在所述(1)至(5)中任一项记载的磁阻效应元件中，所述重金属层中的所述Pt层和所述Ir层的厚度之比为1：0.5～1：0.8的范围。
(7)在所述(1)记载的磁阻效应元件中，所述重金属层通过将所述Ir层和所述Pt层各层叠一层并且在所述记录层侧和与所述记录层相反的一侧分别设置不同的铁磁层而成。
(8)在所述(1)至(7)中任一项记载的磁阻效应元件中，所述记录层、所述阻挡层和所述参考层的、朝向所述重金属层的层叠方向看到的形状，无论相对于沿所述重金属层内的所述写入电流的方向的哪条线都是非对称的。
(9)在所述(1)至(7)中任一项记载的磁阻效应元件中，所述记录层、所述阻挡层和所述参考层的、朝向所述重金属层的层叠方向看到的形状，相对于沿所述重金属层内的所述写入电流的方向的任一条线都是对称的。
(10)一种磁存储器，其在同一所述重金属层设置有多个所述(1)至(9)中任一项记载的磁阻效应元件，该多个磁阻效应元件分别包括所述记录层、所述阻挡层和所述参考层。
(11)一种人工智能系统，在被输入有电阻交叉开关网络的加权和的电子神经元中使用所述(1)至(7)中任一项记载的磁阻效应元件。
(12)在所述(11)记载的人工智能系统中，在电阻交叉开关网络的交叉点存储器中使用所述磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明，包括：重金属层，其通过层叠Ir层和Pt层而成；记录层，其以与重金属层相向的方式设置，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，因此通过流过重金属层的写入电流，能够实现低电阻，高效地使第1铁磁层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
附图说明
图1是示意性表示本发明的第1实施方式涉及的磁阻效应元件的立体图。
图2是图1所示的磁阻效应元件的剖视图。
图3是用于说明在存储了数据“1”的磁阻效应元件中写入数据“0”的方法的图，示出了磁化的初始状态。
图4是用于说明在存储了数据“1”的磁阻效应元件中写入数据“0”的方法的图，示出了使写入电流流过来写入数据的状态。
图5是用于说明在存储了数据“0”的磁阻效应元件中写入数据“1”的方法的图，示出了磁化的初始状态。
图6是用于说明在存储了数据“0”的磁阻效应元件中写入数据“1”的方法的图，示出了使写入电流流过来写入数据的状态。
图7是用于说明存储在磁阻效应元件中的数据的读取方法的图。
图8是在磁阻效应元件中写入数据的信号的时序图。
图9是本发明的第2实施方式涉及的磁阻效应元件的剖视图。
图10是表示图9所示的磁阻效应元件内的改写的状况的图。
图11是本发明的第3实施方式涉及的磁阻效应元件的剖视图。
图12是表示图11所示的磁阻效应元件内的改写的状况的图。
图13是示意性表示第4实施方式涉及的磁阻效应元件的立体图。
图14是图13所示的第3端子的俯视图。
图15是示意性表示本发明的第5实施方式涉及的磁存储器的立体图。
图16是表示本发明的第6实施方式涉及的AI系统的概略的图。
图17是使用磁阻效应元件的AI系统的一例的电路图。
图18是表示与图17不同的AI系统的概略的图。
图19是本发明的第6实施方式涉及的AI系统的俯视图。
图20是与图19不同的本发明的第6实施方式涉及的AI系统的俯视图。
图21A是制作的第1试样的剖视图。
图21B是制作的第2试样的剖视图。
图21C是制作的第3试样的剖视图。
图21D是制作的第4试样的剖视图。
图21E是制作的第5试样的剖视图。
图21F是制作的第6试样的剖视图。
图21G是制作的第7试样的剖视图。
图21H是制作的第8试样的剖视图。
图21I是制作的比较试样的剖视图。
图21J是制作的第9试样的剖视图。
图22是表示第3试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。
图23是表示第4试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。
图24是表示第5试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。
图25是基于各试样内重金属层的电导率的厚度依赖性求出的电阻率的结果。
图26是表示各试样内自旋产生效率θSH的图。
图27是表示各试样内自旋电导率σSH的图。
图28是相对于各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比的自旋产生效率θSH。
图29是相对于各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比的电阻率ρXX。
图30是相对于各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比的自旋电导率σSH。
图31是表示第9试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。
图32是表示电导率的重金属层厚度依赖性的图。
图33是调查第10试样的Ir/Pt间隔物间的层间磁耦合的结果。
图34是示意性表示作为第11试样而制作的霍尔棒和测量系统的图。
图35A是制作的第11试样的剖视图。
图35B是制作的另一比较试样的剖视图。
图36是表示第11试样、另一比较试样的霍尔电阻的脉冲电流依赖性的图。
附图标记说明
1：衬底
2：缓冲层
10、30、50：磁阻效应元件
11：重金属层
12：Ir层
13：Pt层
14：一个铁磁层
15：另一个铁磁层
16：记录层
17：阻挡层
18：参考层
19：覆盖层
60：磁存储器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。本发明的实施方式中所说明的事项能够在不改变本发明范围的范围内适当地设计变更。
(第1实施方式)
图1是示意性表示本发明的第1实施方式涉及的磁阻效应元件10的立体图，图2是图1所示的磁阻效应元件10的剖视图。本发明的第1实施方式涉及的磁阻效应元件10包括重金属层11、记录层16、阻挡层17和参考层18，记录层16配置于隔着阻挡层17与参考层18相反的一侧、即重金属层11侧，参考层18配置于隔着阻挡层17与重金属层11相反的一侧。由记录层16、阻挡层17和参考层18构成磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)。而且，磁阻效应元件10构成MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存取存储器)元件，通过流过重金属层11的电流(称为“写入电流”)，利用自旋轨道矩(Spin Orbit Torque：SOT)诱导磁化反转，使记录层16内的第1铁磁层的磁化方向反转。
重金属层11通过层叠Ir层12和Pt层13而构成。重金属层11是通过在衬底1上根据需要设置缓冲层2并在其上构成的。优选在重金属层11通过层叠Ir层12和Pt层13而构成的情况下，多个Pt层13中的最外侧、即层叠方向上的最靠记录层16侧的Pt层13与记录层16形成界面。这是由于，在重金属层11中，在记录层16侧设置Pt层13与在记录层16侧设置Ir层相比，自旋霍尔角θSH、电阻率ρ、电导率σSH均更优选。重金属层11也可以是Ir层12和Pt层13各层叠一层的情况。即使在这种情况下，也优选Ir层12设置于衬底1侧，Pt层13设置于与衬底1相反一侧的记录层16侧。另外，也可以是如图1和图2所示的那样，Ir层12和Pt层13分别反复层叠的情况。在Ir层12和Pt层13分别反复层叠多层的情况下，衬底1侧、缓冲层2侧，无论是Pt层13、还是Ir层12均可以。也就是说，只要构成重金属层11的一部分的Ir层12和Pt层13中靠近记录层16的一层是Pt层13即可。
在Ir层12和Pt层13反复层叠的情况下，优选Pt层13每层均具有比0.6nm长且1.5nm以下的厚度。优选Ir层12每层均具有0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。这里，Ir层12是采用Ir(铱)形成的层，Pt层13是采用Pt(铂)形成的层。Ir层12和Pt层13至少设置1、2层以上，以使重金属层11整体为约10nm以下的方式调整叠层层数，例如只要6、7层，对流过电流而言就是足够的。
记录层16包含具有可反转的磁化的第1铁磁层，以与重金属层11的最表面层即Pt层13相向的方式、例如相接的方式设置。记录层16具有0.8nm以上且5.0nm以下的厚度，优选具有1.0nm以上且3.0nm以下的厚度。记录层16也可以沿相对于第1铁磁层垂直的方向磁化。因此，记录层16构成为能够在相对于膜面垂直的方向上磁化反转。此外，“沿垂直方向磁化”包含了可以具有与膜面平行的磁化分量的情况。记录层16也可以相对于第1铁磁膜沿面内方向磁化。因此，记录层16构成为能够相对于膜面在面内方向磁化反转。此外，“沿面内方向磁化”包含了可以具有与膜面垂直的磁化分量的情况。为了在记录层16产生界面磁各向异性，记录层16、即第1铁磁层采用CoFeB、FeB、CoB等形成。在微细的MTJ的区域内使用形状磁各向异性的情况下，可以将CoFeB、FeB、CoB加工成膜厚方向上最长的长度，也可以将这些单层作为记录层。
阻挡层17与记录层16的第1铁磁层相向地形成。优选阻挡层17采用MgO、Al2O3、AlN、MgAlO等绝缘材料形成，特别是采用MgO形成。另外，阻挡层17具有0.1nm以上且2.5nm以下的厚度，优选具有0.5nm以上且1.5nm以下的厚度。
参考层18既可以如图1和图2所示的那样由单层构成，也可以例如具有将铁磁层、非磁性层和铁磁层依序层叠而得到的3层叠层亚铁磁构造。在这种情况下，一个铁磁层的磁化方向和另一个铁磁层的磁化方向是反平行的。在记录层16沿垂直方向磁化的情况下，一个铁磁层的磁化朝向-z方向，另一个铁磁层的磁化朝向+z方向。在记录层16沿面内方向磁化的情况下，一个铁磁层的磁化例如朝向-x方向，另一个铁磁层的磁化朝向+x方向。一个铁磁层、另一个铁磁层的磁化方向只要在xy面内即可。
以使在参考层18的最靠阻挡层17侧的第2铁磁层与阻挡层17的界面产生界面磁各向异性的方式，选择参考层18的最靠阻挡层17侧的第2铁磁层的材质和厚度。这样，使参考层18为叠层亚铁磁构造并且使参考层18的一个铁磁层的磁化和另一个铁磁层的磁化进行反铁磁耦合，由此将参考层18的一个铁磁层的磁化和另一个铁磁层的磁化固定于垂直方向或沿面内方向。也可以通过层间相互作用使参考层18的一个铁磁层的磁化和另一个铁磁层的磁化进行反铁磁耦合，从而将磁化方向固定。此外，参考层18中的第2铁磁层等采用与构成记录层16的铁磁材料等相同的材料构成。
这里，如图1所示，记录层16、阻挡层17和参考层18呈圆柱形状，记录层16、阻挡层17和参考层18的、朝向重金属层11的层叠方向看到的形状、即俯视时的形状，具有相对于穿过圆的中心的线呈线对称的形状，即相对于重金属层11内的写入电流的流动方向的任一条线都是线对称的。
为了防止氧化，覆盖层19可以是例如采用Ta等导电性材料形成的1.0nm左右的层，与参考层18相邻地形成。另外，覆盖层19也可以采用MgO等非磁性层形成，隧道电流流过覆盖层19，电流从第3端子T3流向参考层18。
第1端子T1和第2端子T2在重金属层11的上下任意一侧或者使一方朝下而另一方朝上以隔着包括记录层16/阻挡层17/参考层18的MTJ方式设置。在图示的例子中，第1端子T1设置在重金属层11上，第2端子T2在重金属层11上以隔着包括记录层16/阻挡层17/参考层18的MTJ的方式设置于与第1端子T1相反的一侧。第1端子T1与FET型的第1晶体管Tr1的源极和漏极中的任意一方连接，第1晶体管Tr1的源极和漏极中的任意另一方与第1位线连接，与供给写入电压Vw的电源(写入电源)连接，FET型的第1晶体管Tr1的栅极与字线连接。第2端子T2例如与接地连接。此时，也可以在两者之间设置FET型的第2晶体管Tr2。也可以使第2端子T2经由第2晶体管Tr2与第2位线连接，与第1端子T1和第2端子T2之间的电位差对应地改变写入电流Iw流过的方向。例如，将第1位线设定为高电平、第2位线设定为低电平，使写入电流Iw从第1端子T1流向第2端子T2。相反，将第1位线设定为低电平、第2位线设定为高电平，使写入电流Iw从第2端子T2流向第1端子T1。在读取时，使第2晶体管Tr2截止，以使得读取电流不会流向第2端子T2。
第3端子T3在覆盖层19上以与覆盖层19相接的方式设置。第3端子T3是与记录层16、阻挡层17和参考层18相同的圆柱形状，第3端子T3配置于覆盖层19的上表面，覆盖该上表面的整个面，经由覆盖层19与参考层18电连接。第3端子T3与FET型的第3晶体管Tr3的源极和漏极中的任意一方连接，第3晶体管Tr3的源极和漏极中的任意另一方与第3位线连接，与供给读取电压VRead的电源(读取电源)连接，第3晶体管Tr3的栅极与读取电压线连接。通过使第2晶体管Tr2截止，能够使得电流不流向第2端子T2。
对向图1所示的磁阻效应元件10写入的方法进行说明。在磁阻效应元件10中，根据记录层16和参考层18中夹着阻挡层17彼此相邻的第1铁磁层和第2铁磁层的磁化方向是平行还是反平行，MTJ的电阻发生变化。因此，根据磁化方向是平行的状态还是反平行的状态来分配“0”和“1”这样的1位数据，将数据存储在磁阻效应元件10中。
以下，具体地进行说明。首先，对在存储了数据“1”磁阻效应元件10中写入数据“0”的情况进行说明。在初始状态下，如图3所示，磁阻效应元件10存储了数据“1”，记录层16的磁化M11的方向朝上，参考层18的磁化M12的方向朝下，磁化M11和磁化M12的方向为反平行状态。第1晶体管Tr1和第3晶体管Tr3截止。沿+x方向施加外部磁场H0。在这种状态下，使第1晶体管Tr1导通，对第1端子T1施加写入电压Vw。于是，由于写入电压Vw被设定得比地电压高，所以写入电流Iw从第1端子T1经由重金属层11流向第2端子T2，写入电流Iw从重金属层11的一端部沿+x方向流向另一端部。此时，第3晶体管Tr3截止，因此电流不会从第1端子T1经由MTJ流向第3端子T3。由于写入电流Iw是脉冲电流，所以通过调整第1晶体管Tr1为导通状态的时间，来改变写入电流Iw的脉冲宽度。在写入电流Iw流过重金属层11时，因为自旋轨道相互作用所引起的自旋霍尔效应而在重金属层11内产生自旋流(自旋角运动的流动)，方向彼此相反的自旋分别沿重金属层11的±z方向所对应的方向流动，在重金属层11内自旋产生偏向。而且，通过流过重金属层11的自旋流将朝向一个方向的自旋吸收于记录层16。在记录层16的第1铁磁层中，通过被吸收的自旋使转矩作用于磁化M11，磁化M11因转矩而旋转，朝上的磁化M11反转变成朝下，磁化M11和磁化M12的方向成为平行状态。例如通过沿+x方向施加外部磁场H0，自旋所引起的转矩被抵消，磁化M11成为朝向-z方向的状态。然后，通过使第1晶体管Tr1截止而停止写入电流Iw，将磁化M11固定于-z方向，存储数据“0”。图4示出了该状态。
接着，对在存储了数据“0”的磁阻效应元件10中写入数据“1”的情况进行说明。在初始状态下，如图5所示，磁阻效应元件10存储了数据“0”，记录层16的磁化M11的方向朝下，参考层18的磁化M12的方向朝下，磁化M11和磁化M12的方向为平行状态。第1晶体管Tr1和第3晶体管Tr3截止。沿+x方向施加外部磁场H0。在这种状态下，使第1晶体管Tr1导通，对第1端子T1施加写入电压Vw。于是，由于写入电压Vw被设定得比地电压低，所以写入电流Iw从第2端子T2经由重金属层11流向第1端子T1，写入电流Iw从重金属层11的另一端部沿-x方向流向一端部。此时，由于第3晶体管Tr3截止，所以电流不会从第2端子T2经由MTJ流向第3端子T3。由于写入电流Iw是脉冲电流，所以通过调整第1晶体管Tr1为导通状态的时间，能够改变写入电流Iw的脉冲宽度。在写入电流Iw流过重金属层11时，因为自旋轨道相互作用所引起的自旋霍尔效应而在重金属层11内产生自旋流(自旋角运动的流动)，方向彼此相反的自旋分别沿重金属层11的±z方向所对应的方向流动，在重金属层11内自旋产生偏向。而且，通过流过重金属层11的自旋流使朝向一个方向的自旋流入记录层16。在记录层16的第1铁磁层中，通过流入的自旋使转矩作用于磁化M11，磁化M11因转矩而旋转，朝下的磁化M11反转变成朝上，磁化M11和磁化M12的方向成为反平行状态。例如通过沿+x方向施加外部磁场H0，自旋所引起的转矩被抵消，磁化M11成为朝向+z方向的状态。然后，通过使第1晶体管Tr1截止而停止写入电流Iw，将磁化M11固定于+z方向，存储数据“1”。这样，通过使写入电流Iw流过重金属层11，使记录层16磁化反转，将数据改写。图6示出了该状态。
因此，在磁阻效应元件10中，通过使写入电流Iw在重金属层11的一端部与另一端部之间流过，使记录层16的磁化方向反转，能够写入数据“0”或数据“1”。
此外，在磁阻效应元件10中，也可以在重金属层11的一端部(第1端子T1)与另一端部(第2端子T2)之间施加电压，使写入电流流过重金属层11，并且经由第3端子T3将电压施加于MTJ而使记录层16的铁磁层的磁各向异性减小，由此通过从重金属层11注入的自旋使记录层16的磁化M11发生磁化反转。
接着，参照图7对数据的读取方法进行说明。使第1晶体管Tr1、第3晶体管Tr3截止。首先，将写入电压Vw设定为比读取电压VRead高的电压。接着，读取通过使第1晶体管Tr1和第3晶体管Tr3导通，对第1端子T1施加写入电压Vw，对第3端子T3施加读取电压VRead。由于写入电压Vw被设定得比读取电压VRead高，所以读取电流Ir从第1端子T1按重金属层11、记录层16、阻挡层17、参考层18、覆盖层19、第3端子T3的顺序流动。读取电流Ir以贯穿阻挡层17的方式流动。读取电流Ir由检测器(未图示)进行检测。由于读取电流Ir的大小因MTJ的电阻值而改变，所以能够基于读取电流Ir的大小读取MTJ是平行状态还是反平行状态、即MTJ是存储了数据“0”还是存储了数据“1”。读取电流Ir是脉冲电流，通过调整第3晶体管Tr3导通的时间来调整脉冲宽度。
这里，优选读取电流Ir设定为在读取电流Ir流过MTJ时不会因读取电流Ir而使记录层16发生自旋注入磁化反转程度的较弱的电流。通过适当地调整写入电压Vw和读取电压VRead的电位差，来调整读取电流Ir的大小。另外，优选使第1晶体管Tr1导通来接通写入电压Vw之后，使第3晶体管Tr3导通来接通读取电压VRead。这是由于，能够抑制电流从第3端子T3经由MTJ流向第2端子T2，从而抑制读取电流以外的电流流过MTJ。
然后，在使第3晶体管Tr3截止之后，使第1晶体管Tr1截止。通过使第1晶体管Tr1在第3晶体管Tr3之后截止、即通过将写入电压Vw在读取电压VRead之后断开，能够抑制与读取电压VRead和地电压的电位差对应的电流从第3端子T3经由MTJ和重金属层11流向第2端子T2。因此，磁阻效应元件10能够保护阻挡层17，还能够使阻挡层17进一步变薄，而且也能够抑制记录层16的磁化状态因流过MTJ的电流而发生变化的读取干扰(read disturb)。
对向第1实施方式涉及的磁阻效应元件10写入的另一方法进行说明。此外，由于作为适用于后述的人工智能系统的情况进行说明，所以如后述的图15所示的那样，在同一重金属层11a、11b、11c上设置多个记录层16、阻挡层17和参考层18作为MTJ。作为初始状态，使与重金属层11的第1端子T1连接的第1晶体管Tr1、以及与各MTJ的第3端子T3连接的第3晶体管Tr3全都截止。根据需要，使与第3端子T3连接的第3晶体管Tr3导通，使记录层16的磁各向异性变小。将写入电压Vw设定为正的电压，使与第1端子T1连接的第1晶体管Tr1导通，使写入电流Iw从第1端子T1流向第2端子T2。由此，由于MTJ的磁各向异性常数较小，所以具有垂直磁化的记录层16旋转，易磁化轴未被固定在稳定的方向上。接着，使与各MTJ中的第3端子T3连接的第3晶体管Tr3全都导通而流过写入辅助电流IWA，仅各电流流过的部位被写入。然后，使与各MTJ中的第3端子T3连接的第3晶体管Tr3全都截止，使与第1端子T1连接的第1晶体管Tr1截止。
接着，使写入电压Vw为负的电压，与第1端子T1连接的第1晶体管Tr1导通，使写入电流Iw从第2端子T2流向第1端子T1。如果使记录层16的磁各向异性常数Δ减小为5～15，则在流过写入电流Iw时，具有垂直磁化的记录层16旋转，易磁化轴未被固定在稳定的方向上。然后，使与想要写入数据“1”的MTJ中的第3端子T3连接的第3晶体管Tr3导通，选择要写入的MTJ，在流过写入辅助电流IWA时，具有垂直磁化的记录层16被规定为写入辅助电流IWA的流动方向，通过自旋转移矩使易磁化轴反转为稳定状态。在将本元件用作交叉开关网络(crossbar network)的交叉点存储器的情况下，如果使记录层16的磁各向异性常数Δ减小为5～15，则在流过写入电流Iw时，具有垂直磁化的记录层16旋转，易磁化轴未被固定在稳定的方向上，这将由后述的用于施加磁场的配线来进行写入。此时，由于记录层16的磁各向异性常数Δ为较小的5～15，所以能够用较小的电流磁场进行写入。
图8是在磁阻效应元件中写入数据的信号的时序图。写入电流Iw和写入辅助电流IWA为脉冲状的电流。如图8所示，写入电流Iw的脉冲和写入辅助电流IWA的脉冲是至少一部分在时间上具有重叠的定时。例如，如图8所示，写入电流Iw的脉冲先变成导通，在写入电流Iw的脉冲截止之前，写入辅助电流IWA的脉冲变成导通。然后，写入电流Iw的脉冲变成截止，写入辅助电流IWA的脉冲变成截止。
此外，也可以在将数据“1”一起写入所有的MTJ之后，仅对所选择的MTJ写入数据“0”。另外，读取动作通过如下方式进行：在与第1端子T1连接的第1晶体管Tr1导通之后，使与想要读取的MTJ的第3端子T3连接的第3晶体管Tr3导通，使读取电流Ir流过想要读取的MTJ。读取方法与第1实施方式相同。
本发明的第1实施方式涉及的磁阻效应元件10包括：重金属层11，其通过层叠Ir层12和Pt层13而成；记录层16，其与重金属层11相向，优选设置在重金属层11中的作为最上层的一个Pt层13侧，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层18，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层17，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，由此通过流过重金属层11的写入电流，能够实现低电阻，高效地使记录层16内的第1铁磁层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
此外，通过调整记录层16、阻挡层17和参考层18的俯视时的形状、或者分别调整记录层16和参考层18中的自旋的方向，也能够不使用外部磁场。另外，记录层16、参考层18的磁化方向，无论是面内平行还是面内垂直都能够适用。
(第2实施方式)
图9是本发明的第2实施方式涉及的磁阻效应元件30的剖视图。在第2实施方式中，如图9所示，重金属层11构成为，将Ir层12和Pt层13各层叠一层，并在它们的两侧对应地设置有一个铁磁层14和另一个铁磁层15。此时，一个铁磁层14的磁化M21的方向和另一个铁磁层15的磁化M22的方向均是相反的。即，在衬底1上根据需要设置缓冲层2并在其上设置重金属层11的情况下，在重金属层11的衬底1或缓冲层2侧设置有一个铁磁层14，在记录层16侧设置有另一个铁磁层15。Ir层12和Pt层13各为一层是由于一个铁磁层14和另一个铁磁层15进行反铁磁耦合。
在第2实施方式中，在一个铁磁层14、另一个铁磁层15均是Co等的垂直磁化层的情况下，记录层16和参考层18也优选垂直磁化层。
在第2实施方式中，在使电流流过包含一个铁磁层14和另一个铁磁层15的重金属层11尤其是其中的Ir层12和Pt层13的叠层部分时，由于自旋霍尔效应，一个铁磁层14、另一个铁磁层15内的磁化反转，受到一个铁磁层14、另一个铁磁层15的磁化反转的影响，记录层16发生磁化反转。如图10的左侧所示，通过使写入电流Iw沿+x方向流动，一个铁磁层14的磁化M21和另一个铁磁层15的磁化M22反转，由此记录层16的磁化M11的方向反转。在这种状态下，通过使写入电流Iw沿-x方向流动，一个铁磁层14的磁化M21和另一个铁磁层15的磁化M22反转，由此如图10的右侧所示的那样记录层16的磁化M11的方向反转。
这里，对重金属层11的Ir层12和Pt层13的优选厚度进行说明。例如，在一个铁磁层14和另一个铁磁层15均采用Co构成的情况下，优选Pt层13为0.6nm以上1.0nm以下，此时优选Ir层12为0.45nm以上0.65nm以下、1.3nm以上1.5nm以下。这是由于，一个铁磁层14和另一个铁磁层15进行反铁磁耦合。一个铁磁层14和另一个铁磁层15均优选1nm以下。
第2实施方式涉及的磁阻效应元件30包括：重金属层11，其通过将Ir层12和Pt层13各层叠一层并在它们的上下还层叠一个铁磁层14、另一个铁磁层15而成；记录层16，其与重金属层11相向，经由另一个铁磁层15设置于Pt层13侧，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层18，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层17，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，因此通过流过重金属层11的写入电流，能够实现低电阻，高效地使重金属层11中上下的一个铁磁层14、另一个铁磁层15的磁化方向都反转，由此记录层16内的第1铁磁层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
此外，如图9和图10所示，在重金属层11与记录层16之间设置有第1非磁性层20，将重金属层11和记录层16的晶体结构分离。另外，在与阻挡层17相邻的参考层18的第2铁磁层的与阻挡层17相反的一侧设置有第2非磁性层21，将第2非磁性层21的上下层的晶体结构分离。第1非磁性层20、第2非磁性层21是选自W、Ta、Mo、Hf等中的一个以上的元素。
另外，如图9例示的那样，在隔着第2非磁性层21与第2铁磁层相反的一侧，例如设置有采用(Co/Pt)n/Ir/(Co/Pt)m形成的固定层22，固定并钉扎参考层18的第2铁磁层的磁化M12的方向。在这样的情况下，也可以将包含第2铁磁层和固定层22的结构称为参考层。上述的m、n为任意的自然数。
(第3实施方式)
图11是本发明的第3实施方式涉及的磁阻效应元件30的剖视图。在第3实施方式中，也与第2实施方式同样地，重金属层11构成为：Ir层12和Pt层13各层叠一层，并在它们的两侧对应地设置有一个铁磁层14和另一个铁磁层15。此时，一个铁磁层14的磁化M21的方向和另一个铁磁层15的磁化M22的方向均是相反的。即，在衬底1上根据需要设置缓冲层2并在其上设置重金属层11的情况下，在重金属层11的衬底1或缓冲层2侧设置有一个铁磁层14，在记录层16侧设置有另一个铁磁层15。Ir层12和Pt层13各为一层是由于一个铁磁层14和另一个铁磁层15进行反铁磁耦合。
在第3实施方式中，在一个铁磁层14、另一个铁磁层15均是CoFeB等的水平磁化层的情况下，记录层16和参考层18也优选水平磁化层。
在第3实施方式中，在使电流流过包含一个铁磁层14和另一个铁磁层15的重金属层11尤其是其中的Ir层12和Pt层13的叠层部分时，由于自旋霍尔效应，一个铁磁层14、另一个铁磁层15内的磁化反转，受到一个铁磁层14、另一个铁磁层15的磁化反转的影响，记录层16发生磁化反转。如图12的左侧所示，通过使写入电流Iw沿+x方向流动，一个铁磁层14的磁化M21和另一个铁磁层15的磁化M22反转，由此记录层16的磁化M11的方向反转。在这种状态下，通过使写入电流Iw沿-x方向流动，一个铁磁层14的磁化M21和另一个铁磁层15的磁化M22反转，由此如图12的右侧所示的那样记录层16的磁化M11的方向反转。
这里，重金属层11的Ir层12和Pt层13的优选厚度与第2实施方式是同样的。另外，如图11例示的那样，在隔着第2非磁性层21与第2铁磁层相反的一侧，设置有例如采用(Co/Pt)n/Ir/(Co/Pt)m形成的固定层22，固定并钉扎参考层18的第2铁磁层的磁化M12的方向。在这样的情况下，也可以将包含第2铁磁层和固定层22的结构称为参考层。上述的m、n是任意的自然数。
第3实施方式涉及的磁阻效应元件30包括：重金属层11，其通过将Ir层12和Pt层13各层叠一层并在它们的上下还层叠一个铁磁层14、另一个铁磁层15而成；记录层16，其与重金属层11相向，经由另一个铁磁层15设置于Pt层13侧，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层18，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层17，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，因此通过流过重金属层11的写入电流，能够实现低电阻，高效地使重金属层11中上下的一个铁磁层14和另一个铁磁层15的磁化方向都反转，由此记录层16内的第1铁磁层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
(第4实施方式)
图13是示意性表示第4实施方式涉及的磁阻效应元件50的立体图。图14是图13所示的第3端子T3的俯视图。第4实施方式涉及的磁阻效应元件50与第1实施方式涉及的磁阻效应元件10在以下方面不同。即，记录层16、阻挡层17和参考层18并非圆柱形状，而具有用相对于x轴和y轴倾斜且沿z轴延伸的面5切掉一部分而成的切缺部NA。这样，记录层16、阻挡层17和参考层18的、朝向重金属层11的层叠方向看到的形状、即俯视时的形状，无论相对于重金属层11内的写入电流的流动方向的哪条线都是非对称的。通过设置切缺部NA，易进动的方向得到确定。能够不施加外部磁场而使记录层16的磁化方向反转并维持。此外，构成MTJ的记录层16、阻挡层17、参考层18、覆盖层19、端子等的材料、厚度与第1实施方式是同样的。另外，不仅适用于第1实施方式，还适用于第2实施方式和第3实施方式。
(第5实施方式)
对本发明的第5实施方式涉及的磁存储器60详细地进行说明。图15是示意性表示本发明的第5实施方式涉及的磁存储器60的立体图。第5实施方式涉及的磁存储器60与第1实施方式至第4实施方式不同，构成为多个磁阻效应元件在同一重金属层11a的上下任意一侧、在图示的方式中是在重金属层11a、11b、11c的上侧呈阵列状排列。如图15所示，在一个重金属层11a上并列多个、例如并列磁阻效应元件M11、M12、M13、M14、M15共计5个元件来构成一个单元61。各磁阻效应元件M11至M15通过将记录层16、阻挡层17、参考层18、覆盖层19、端子依序层叠而构成。一个单元61在重金属层11设置有第1共用端子(未图示)、第2共用端子(未图示)，该第1共用端子和第2共用端子隔着多个磁阻效应元件M11～M15设置，第1共用端子与第1晶体管Tr11的源极和漏极中的任意一方连接，以能够施加写入电压的方式设置，第2共用端子与第2晶体管Tr12的源极和漏极中的任意一方连接，例如与地连接。
在本发明的第5实施方式涉及的磁存储器60中，各磁阻效应元件M11、M12、M13、M14、M15也如第1实施方式中参照图1和图2所说明的那样构成为，重金属层11a包括记录层16、阻挡层17和参考层18，记录层16配置于隔着阻挡层17与参考层18相反的一侧、即重金属层11a侧，参考层18配置于隔着阻挡层17与重金属层11a相反的一侧。由记录层16、阻挡层17和参考层18构成磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)。磁阻效应元件M11、M12、M13、M14、M15通过流过重金属层11a的电流(称为“写入电流”)，利用自旋轨道矩诱导磁化反转，使记录层16中的第1铁磁层的磁化方向反转。与第1实施方式同样地与记录层16的形状一致，记录层16、阻挡层17和参考层18具有圆柱形状，围绕俯视时观看的方向(z方向)对称。即，记录层16、阻挡层17和参考层18相对于流过重金属层11a的电流的方向的任一条线呈线对称。这一点在后述的单元62、63中也是同样的。
另外，如图15所示，在第5实施方式涉及的磁存储器60中，在一个重金属层11b上并列多个、例如并列磁阻效应元件M21、M22、M23、M24、M25共计5个元件来构成一个单元62，在一个重金属层11c上并列多个、例如并列磁阻效应元件M31、M32、M33、M34、M35共计5个元件来构成一个单元63，各磁阻效应元件M21至M25、M31至M35通过将记录层16、阻挡层17、参考层18、覆盖层19、端子依序层叠而构成。各单元62、63在对应的重金属层11b、11c设置有第1共用端子(未图示)、第2共用端子(未图示)，该第1共用端子和第2共用端子隔着多个磁阻效应元件M21～M25、M31～M35设置，第1共用端子与第1晶体管Tr21、Tr31的源极和漏极中的任意一方连接，以能够施加写入电压的方式设置，第2共用端子与第2晶体管Tr22、Tr32的源极和漏极中的任意一方连接，例如与地连接。磁存储器60通过将单元61、62、63并列而构成。在第5实施方式中，如图示的那样涉及5×3个磁阻效应元件的阵列，但不限于此，能够适用于将m×n个磁阻效应元件集成而得到的阵列。
第5实施方式涉及的磁存储器60包括在磁阻效应元件M11～M35中写入数据的具有写入电源的写入部(未图示)。写入部通过使写入电流Iw流过重金属层11a、11b、11c，将数据写入磁阻效应元件M11～M35。
磁存储器60包括读取电源和电流检测器(均未图示)，具有从磁阻效应元件M11至M35中读取数据的读取部。读取电源使贯穿阻挡层17的读取电流Ir流过。电流检测器对贯穿阻挡层17的读取电流Ir进行检测，读取被写入磁阻效应元件M11至M35中的数据。
对向磁阻效应元件M11至M35写入数据的方法进行说明。对重金属层11a、11b、11c的第2共用端子T12、T22、T32与地连接的情况进行了说明，但也可以经由第2晶体管Tr12、Tr22、Tr32与地连接。作为初始状态，使与重金属层11a、11b、11c的第1共用端子T11、T21、T31连接的第1晶体管Tr11、Tr21、Tr31、与各MTJ的第3端子T131至T135、T231至T235、T331至T335连接的第3晶体管Tr131至Tr135、Tr231至Tr235、Tr331至Tr335全都截止。首先，使与各MTJ的第3端子T131至T135、T231至T235、T331至T335连接的第3晶体管Tr131至Tr135、Tr231至Tr235、Tr331至Tr335全都导通，使各MTJ的记录层16的磁各向异性变小。接着，将写入电压Vw设定为正的电压，使与第1共用端子T11、T21、T31连接的第1晶体管Tr11、Tr21、Tr31导通，使写入电流Iw从第1共用端子T11、T21、T31流向第2共用端子T12、T22、T32。由此，将数据“0”一起写入所有的MTJ。然后，使与各MTJ的第3端子T131至T135、T231至T235、T331至T335连接的第3晶体管Tr131至Tr135、Tr231至Tr235、Tr331至Tr335全都截止，使与第1共用端子T11、T21、T31连接的第1晶体管Tr11、Tr21、Tr31截止。
然后，使与想要写入数据“1”的MTJ的第3端子(例如T131)连接的第3晶体管Tr131导通来选择要写入的MTJ。然后，使写入电压Vw为负的电压，使与第1共用端子T11连接的第1晶体管Tr11导通，使写入电流Iw从第2共用端子T12流向第1共用端子T11。由于仅使与第3端子T131连接的第3晶体管Tr131导通的MTJ的记录层16的磁各向异性较小，所以产生磁化反转。其结果是，仅对所选择的MTJ写入数据“1”。然后，使导通的第3晶体管(此次是Tr131)截止，使与第1共用端子T11连接的第1晶体管Tr11截止，结束写入动作。
此外，也可以在将数据“1”一起写入所有的MTJ之后，仅对所选择的MTJ写入数据“0”。另外，读取动作通过如下方式进行：在使与想要读取的MTJ的第1共用端子(例如T11)连接的第1晶体管Tr11导通之后，使与想要读取的MTJ的第3端子(例如T132)连接的第3晶体管Tr132导通，使读取电流Ir流过想要读取的MTJ。之后的读取动作与第1实施方式是同样的。
本发明的第5实施方式涉及的磁存储器60包括：记录层16，其经由铁磁层15与通过层叠Ir层12和Pt层13而成的重金属层11相向地设置，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；参考层18，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及阻挡层17，其被第1铁磁层和第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，因此通过流过重金属层11的写入电流，能够实现低电阻，高效地使重金属层11的上下的一个铁磁层14和另一个铁磁层15的磁化方向反转，由此使第1铁磁层的磁化方向反转，而不会降低反转效率。
特别是，由于使重金属层11a、11b、11c的电阻率减小，所以第1共用端子T11、T21、T31与对应的第2共用端子T21、T22、T23之间的所谓配线电阻所引起的电压降减小，对设置在同一重金属层11a、11b、11c的上下任意一侧的各MTJ施加的电压大致相同。另外，由此设置于同一重金属层的磁阻效应元件的数量的限制减小，设计的自由度增加。
在第5实施方式中，不仅仅是如前述的那样通过将多个第1实施方式涉及的磁阻效应元件设置在同一重金属层11a、11b、11c上来构成的情况，也可以如第2实施方式或第3实施方式所述的那样重金属层11构成为在一个铁磁层14与另一个铁磁层15之间设置Ir层12和Pt层13的叠层，在同一重金属层11a、11b、11c设置多个包括记录层16、阻挡层17和参考层18的磁阻效应元件。另外，MTJ不仅仅是圆柱形状的情况，也可以是如第4实施方式所述的那样具有切缺部NA的情况。
(第6实施方式)
图16是概略表示本发明的第6实施方式涉及的AI系统的图。包括：沿一个方向延伸的多条第1配线(S1，···，Sn)、以及沿与该一个方向正交的方向延伸的多条第2配线(B1，···，Bm)，在第1配线(S1，···，Sn)与第2配线(B1，···，Bm)的各交点(交叉点)设置有将第1配线(S1，···，Sn)和第2配线(B1，···，Bm)连接的交叉点存储器(CM11，···，CMmn)。交叉点存储器(CM11，···，CMmn)包括ReRAIM(电阻变化存储器)、PCM(相变存储器)、MTJ等存储元件。这样，设置有电阻交叉开关网络。
第1配线(S1，···，Sn)的一个端部与输入线INPUT连接，另一个端部与电子神经元(NR1，···，NRn)连接。电子神经元(NR1，···，NRn)形成在神经元衬底(SANR1，···，SANRn)上。神经元衬底(SANR1，···，SANRn)由衬底1、缓冲层2和重金属层11的叠层体构成。电子神经元(NR1，···，NRn)是与本发明的第1实施方式至第4实施方式涉及的磁阻效应元件相同的结构。神经元衬底(SANR1，···，SANRn)与输出线OUTPUT连接。
本发明的第1实施方式至第4实施方式涉及的磁阻效应元件10被用于电子神经元(NR1，···，NRn)，电子神经元(NR1，···，NRn)被输入有电阻交叉开关网络的加权和。人工智能(AI)系统构成为将该电阻交叉开关网络作为1级，将其多级连接，前级的电阻交叉开关网络的输出被输入到次级的电阻交叉开关网络。交叉点存储器(CM11，···，CMmn)相当于AI系统的突触。
交叉点存储器(CM11，···，CMmn)将与一对第2配线对应的存储器作为1组来存储数据。例如，在存在来自前级的电阻交叉开关网络的输入时，与输入相对应地，向第2配线B1输入VS，并且向第2配线B2输入-VS。与此相对应地，分别将数据存储在交叉点存储器CM11和交叉点存储器CM21中。交叉点存储器CM31和交叉点存储器CM41以后的交叉点存储器，也根据来自前级的电阻交叉开关网络的输入来存储数据。交叉点存储器(CM11，···，CMm1)设置在同一条第1配线S1上，存储在交叉点存储器(CM11，···，CMm1)中的数据的加权和的信号、即与来自各交叉点存储器(CM11，···，CMm1)的读取电流之和对应的信号被输出并被存储于电子神经元NR1。在另一条第2配线Bm中，也同样地根据来自前级的电阻交叉开关网络的输入，将数据存储在交叉点存储器(CM1n，···，CMmn)中，存储在交叉点存储器(CM1n，···，CMmn)中的数据的加权和的信号被输出并被存储于电子神经元NRn。存储在电子神经元(N1，···，NRn)中的数据被输入至次级的电阻交叉开关网络。
图17是使用磁阻效应元件的AI系统的一例的电路图。具有参考元件REF与作为读取对象的电子神经元NRn串联连接的结构。参考元件REF由与电子神经元NRn同样的磁阻效应元件构成，具有规定的电阻值。参考元件REF经由晶体管TRSIG被输入有电源电压VDD，并且电子神经元NRn与地连接。在输入读取许可信号SIG使晶体管TRSIG导通时，电源电压VDD被输入至参考元件REF。
在上述的结构中，电子神经元NRn存储数据“1”而为高电阻时，来自电子神经元NRn和参考元件REF的连接点的输出变成高电位，经过串联的两个逆变器Inverter，高电位的信号被输入至晶体管TR+VS和晶体管TR-VS，+VS信号和-VS信号被输入至次级的电阻交叉开关网络NWn+1。
在上述的结构中，在电子神经元NRn存储数据“0”而为低电阻时，来自电子神经元NRn和参考元件REF的连接点的输出变成低电位，经过串联的两个逆变器Inverter，低电位的信号被输入至晶体管TR+VS和晶体管TR-VS。其结果是，+VS信号和-VS信号不会被输入至次级的电阻交叉开关网络NWn+1。
这样，使用本发明的实施方式涉及的磁阻效应元件，将前级的电阻交叉开关网络的输出输入至次级的电阻交叉开关网络，构成AI系统。
图18是表示与图17不同的AI系统的概略的图。电子神经元(NR1，···，NRn)是与本发明的实施方式涉及的磁阻效应元件同样的结构，而且，交叉点存储器(CM11，···，CMmn)也是与前述同样的结构。设置有交叉点存储器(CM11，···，CMmn)的第1配线是共用衬底(SA1，···，SAn)，由衬底1、缓冲层2和重金属层11的叠层构成。这样，使用本发明的实施方式涉及的磁阻效应元件，将前级的电阻交叉开关网络的输出输入至次级的电阻交叉开关网络，构成AI系统。
图19是本发明的第6实施方式涉及的AI系统的俯视图。在构成AI系统的磁阻效应元件的阵列中，也可以设置有能够选择规定的行并施加规定的磁场来进行写入的磁场施加电极(CL1，CL2，···)。如图19所示，磁场施加电极(CL1，CL2，···)在一个部分(左侧的部分)中形成俯视时呈半圆弧状的配线。在使写入电流Iw流过重金属配线上要写入的磁阻效应元件所位于的位置时，由于磁阻效应元件的热稳定常数较小，所以成为未规定“1”、“0”的状态。在这种状态时，例如通过使电流沿规定的方向流过磁场施加电极(CL1，CL2···)，根据电流的流动来产生规定方向的磁场，进行写入。
图20是与图19不同的本发明的第6实施方式涉及的AI系统的俯视图。在图20中，磁场施加电极CL1中的半圆弧状的配线部分和磁场施加电极CL2中的半圆弧状的配线部分在配线的延伸方向的两侧交替出现。磁场施加电极CL1和磁场施加电极CL2通过使电流沿规定的方向流过，根据电流的流动产生规定方向的磁场，进行写入。
此外，在图19和图20中，为了明确磁场施加电极(CL1，CL2A···)相对于共用衬底(SA1，···SAn)和交叉点存储器(CM11，CM21，···，CM1n，CM2n)的位置的配置，未示出第2配线等其他的构成部件。
(验证实验)
接着，对本发明的任一实施方式涉及的磁阻效应元件所使用的磁性叠层膜的验证实验的结果进行说明。制作如下所述的试样。图21A至图21H是所制作的试样的剖视图。试样100包括：Si衬底101，其设置有热氧化膜；Ta层102，其设置于热氧化膜上，厚度为0.5nm；CoFeB层103，其设置于Ta层102上，厚度为1.5nm；重金属层104，其通过反复层叠Pt层和Ir层而成；以及Ta层105，其位于重金属层104的最上面，厚度为1.0nm。
在第1试样中，如图21A所示，重金属层104由厚度为0.4nm的Pt层和厚度为0.4nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠2层至10层，以使得重金属层104整体的厚度为1.6nm至8.0nm，分别制作上述试样。
在第2试样中，如图21B所示，重金属层104由厚度为0.6nm的Pt层和厚度为0.6nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至7层，以使得重金属层104整体的厚度为1.2nm至8.4nm，分别制作上述试样。
在第3试样中，如图21C所示，重金属层104由厚度为0.8nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至6层，以使得重金属层104整体的厚度为1.6nm至9.6nm，分别制作上述试样。
在第4试样中，如图21D所示，重金属层104由厚度为1.0nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至5层，以使得重金属层104整体的厚度为1.8nm至9.0nm，分别制作上述试样。
在第5试样中，如图21E所示，重金属层104由厚度为1.2nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至5层，以使得重金属层整体的厚度为2.0nm至10.0nm，分别制作上述试样。
在第6试样中，如图21F所示，重金属层104由厚度为0.8nm的Pt层和厚度为0.6nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至5层，以使得重金属层整体的厚度为1.4nm至7.0nm，分别制作上述试样。
在第7试样中，如图21G所示，重金属层104由厚度为1.0nm的Pt层和厚度为0.6nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至5层，以使得重金属层整体的厚度为1.6nm至8.0nm，分别制作上述试样。
在第8试样中，如图21H所示，重金属层104由厚度为1.2nm的Pt层和厚度为0.6nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至5层，以使得重金属层整体的厚度为1.8nm至9.0nm，分别制作上述试样。
作为比较试样，如图21I所示，重金属层104仅包括1.5nm至7.0nm之间各厚度的Pt层，分别制作上述试样。
关于所制作的各试样，利用SMR法，测量电阻率、自旋霍尔角(自旋产生效率)、自旋电导率。求取电导率(conductance)Gxx(Ω-1)，求出重金属层膜厚t(nm)依赖性。图22是表示第3试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。在第3试样中，是Ta0.5nm/CoFeB1.5nm/(Pt0.8nm/Ir0.8nm)n/Ta(-0)1nm的叠层，n为1～5。重金属层的电阻率ρPtIr为44.56μΩcm。此外，CoFeB的电阻率ρCoFeB为260.5μΩcm。
图23是表示第4试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。第4试样是Ta0.5nm/CoFeB1.5nm/(Pt1.0nm/Ir0.8nm)n/Ta(-0)1nm的叠层，n为1～5。重金属层的电阻率ρPtIr为37.21μΩcm。此外，CoFeB的电阻率ρCoFeB为260.5μΩcm。
图24是表示第5试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。第5试样是Ta0.5nm/CoFeB1.5nm/(Pt1.2nm/Ir0.8nm)n/Ta(-0)1nm的叠层，n为1～5。重金属层的电阻率ρPtIr为36.9992μΩcm。此外，CoFeB的电阻率ρCoFeB为260.5μΩcm。
从图22至图24明确可知，电导率相对于重金属层104的厚度t具有线性关系。另外可知，随着构成叠层膜的Pt层的厚度相对于Ir层的厚度之比(t＿Pt/t＿Ir)增大，重金属层的电阻率ρPtIr减小。
图25是针对第1试样至第5试样基于重金属层104的电导率的厚度依赖性求出的电阻率的结果。还一并示出比较试样的结果、后述的第9试样的结果。从图25可知，Pt层和Ir层的叠层膜的电阻率ρ比Pt单体的电阻率ρ低，作为重金属层，比Pt层单体更优选Pt层和Ir层的叠层。特别是，可知在Pt层/Ir层的厚度比大于1时，电阻率大幅减少。
针对第1试样至第5试样，求出磁性叠层膜的自旋产生效率θSH、自旋电导率σSH。将其结果在图26和图27中示出。图26和图27中也一并示出比较试样的结果、第9试样的结果。图26的横轴将各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比在它们层叠状态下示出，纵轴是自旋产生效率θSH。自旋产生效率θSH在Pt层和Ir层的厚度为0.4/0.4、0.6/0.6时比Pt单层的情况低，但在Pt层和Ir层的厚度为0.8/0.8、1.0/0.8、1.2/0.8时具有与Pt单层相同程度的值。
图27的横轴将各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比在它们的层叠状态下示出，纵轴是自旋电导率σSH。可知自旋电导率σSH在Pt层和Ir层的厚度为0.4/0.4、0.6/0.6时比Pt单层的情况低，但在Pt层和Ir层的厚度为0.8/0.8、1.0/0.8、1.2/0.8时比Pt单层高。
针对第6试样、第7试样和第8试样，也同样地求出自旋产生效率θSH、电阻率ρxx、自旋电导率σSH。将其结果在图28至图30中示出。在图28至图30中，还示出了第3试样至第5试样。各图的横轴是各试样内Pt层和Ir层的各膜厚比，纵轴在图28中是自旋产生效率θSH、在图29中是电阻率ρXX、在图30中是自旋电导率σSH。Ir层为0.8nm的厚度的情况用黑圆(●)标记表示，Ir层为0.6nm的厚度的情况用菱形(◇)标记表示。
基于图28，在Ir层的厚度为0.6nm、0.8nm时，自旋产生效率θSH都会随着Pt层的厚度增大到0.8nm、1.0nm、1.2nm而增加，与由Pt单体构成的情况(约0.1)相比，在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、0.8nm、Pt层的厚度t_Pt为0.8、1.0、1.2nm的范围内，能够得到足够的自旋产生效率θSH。在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、Pt层的厚度t_Pt为0.6nm时，自旋产生效率θSH为约0.07，故不优选。
基于图29，在Ir层的厚度为0.6nm、0.8nm时，电阻率ρxx会随着Pt层的厚度增大到0.8nm、1.0nm、1.2nm而减少，与由Pt单体构成的情况(65μΩcm)相比，在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、0.8nm、Pt层的厚度t_Pt为0.8、1.0、1.2nm的范围内，能够得到较低的电阻率ρxx。在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、Pt层的厚度t_Pt为0.6时，电阻率ρxx为约50μΩcm，故不优选。
基于图30，在Ir层的厚度为0.6nm、0.8nm时，自旋电导率σSH会随着Pt层的厚度增大到0.8nm、1.0nm、1.2nm而增加，与由Pt单体构成的情况(约1.55×105Ω-1m-1)相比，在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、0.8nm、Pt层的厚度t_Pt为0.8、1.0、1.2nm的范围内，能够得到较高的自旋电导率σSH。在Ir层的厚度t_Ir为0.6nm、Pt层的厚度t_Pt为0.6时，自旋电导率σSH为约1.4×105Ω-1m-1，故不优选。
基于以上的验证实验可知如下情况。
1)作为重金属层，通过反复层叠Ir层和Pt层而构成的结构的电阻率比Pt层单体的电阻率小，故优选。这是由于，Pt虽然是低电阻，但晶粒生长较容易，因此在薄膜状态下电阻较高，通过叠层结构能够不降低反转效率地降低电阻率。
2)构成重金属层的Ir层的每层厚度优选为0.6nm以上。
3)构成重金属层的Pt层的每层厚度优选为大于0.6nm。
这是由于，在每层的厚度较薄时，在例如Pt层/Ir层的各厚度分别为0.4nm的情况下，自旋电导率σSH比Pt单体的情况差(参照图27)。
4)优选重金属层中的Pt层和Ir层的厚度之比为1：0.5～1：0.8的范围。
5)优选重金属层整体具有10nm以下的厚度。重金属层的厚度只要是自旋扩散长度的3至4倍左右就足够了，只要能够流过电流，也可以较薄。这是由于，即使超过必需的厚度，也不会对记录层产生影响。
6)构成重金属层的Pt层和Ir层均包含一层，例如也可以是Pt层/Ir层/Pt层或Ir层/Pt层/Ir层。
图21J是所制作的第9试样的剖视图。第9试样100包括：带热氧化膜的Si衬底111；Ta层112，其设置于热氧化膜上，厚度为0.5nm；CoFeB层113，其设置于Ta层112上，厚度为1.5nm；MgO层114，其设置于CoFeB层113上，厚度为1.2nm；重金属层115，其通过反复层叠厚度为1.0nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层而成；CoFeB层116，其设置于重金属层115上，厚度为1.5nm；MgO层117，其设置于CoFeB层116上，厚度为1.5nm；以及Ta层118，其设置于MgO层117上，厚度为1.0nm。重金属层115由厚度为1.0nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层的叠层构成，将Pt/Ir层叠1层至6层，以使得重金属层整体的厚度为1.6nm至9.6nm，分别制作上述试样。
图31是表示第9试样的电导率的重金属层厚度依赖性的图。第9试样是Ta0.5nm/CoFeB1.5nm/MgO1.2nm/(Pt1.0nm/Ir0.8nm)n/CoFeB1.5nm/MgO1.5nm/Ta(-0)1nm。重金属层的电阻率ρPtIr是34.016μΩcm。此外，CoFeB的电阻率ρCoFeB是260.5μΩcm。
也针对第9试样求出了自旋产生效率θSH、自旋电导率σSH。在第9试样中，自旋霍尔产生效率θSH为约0.1，电阻率ρPtIr为35μΩcm，自旋电导率σSH为3.2×105Ω-1m-1，与第4试样相比可知，是作为磁性叠层膜(重金属层)更优选的值。
用第9试样求出的电阻率ρ的值与图25中其他试样的结果相比可知，通过在Pt层和Ir层的叠层结构的上下设置磁性层CoFeB，电阻率减少至35μΩcm而优选。
用第9试样求出的自旋霍尔角θSH的值与图26中第1试样至第5试样的结果相比可知，通过在Pt层和Ir层的叠层结构的上下设置磁性层CoFeB，自旋霍尔角θSH增加至0.108而优选。此外，Ir单层的自旋霍尔角很小，存在0.01这样的报告(PHYSICAL REVIEW B99，134421，2019)。
用第9试样求出的自旋电导率σSH的值与图27中第1试样至第5试样的结果相比可知，通过在Pt层和Ir层的叠层结构的上下设置磁性层CoFeB，自旋电导率σSH增加至3.2×105Ω-1m-1而优选。
从图25至图27可知，第9试样的自旋霍尔产生效率θSH、电阻率ρPtIr、自旋电导率σSH是令人满意的，因此优选在Pt层和Ir层的叠层的上下设置磁性层CoFeB。另外，能够认为通过设置MgO层，与MgO层相邻的Pt层或Ir层具有结晶性。
图32是表示电导率的重金属层厚度依赖性的图。横轴是重金属层的厚度，纵轴是电导率Gxx(Ω-1)。方形(■)标记、菱形(◆)标记、圆形(●)标记的试样分别是CoFeB/MgO/(Pt1.0/Ir0.8)n、(Pt1.0/Ir0.8)n、Pt。可知Pt、(Pt1.0/Ir0.8)n、MgO/(Pt1.0/Ir0.8)n的电阻率分别为64.8μΩcm、37.2μΩcm、34.0μΩcm顺次减小。
如上述示出的那样，还明确了在重金属层的上下设置磁性层时自旋霍尔产生率θSH、自旋电导率σSH的特性得到改善。基于该见解，设想参照图9和图11进行了说明的第2实施方式、第3实施方式涉及的磁阻效应元件。以下，特别是参照图9进行说明。重金属层11通过在Pt层13/Ir层12的上下设置Co的一个铁磁层14、另一个铁磁层15而构成。通常已知在Co/Ir/Co中隔着Ir在Co-Co间会产生较强的反铁磁耦合。但是，Ir的自旋产生效率θSH很小，无法作为重金属使用。而本发明人如上述示出的那样发现用Pt层13/Ir层12能够得到较大的自旋产生效率θSH、自旋电导率σSH。
因此，制作在Pt/Ta基底层上设置Co层、在Co层上顺序设置Ir层和Pt层、在Pt层上设置Co层、并使Pt层为覆盖层的第10试样，对Ir/Pt间隔物间的层间磁耦合进行了调查。此外，Pt层为0.6nm至1.0nm之间，制作多个样品。
图33是调查第10试样的Ir/Pt间隔物间的层间磁耦合的结果，横轴是Ir层的厚度tIr，纵轴是层间耦合力Jex。基于图33，即使隔着Ir/Pt间隔物，也能够确认较强的反铁磁耦合。关于第4试样和第5试样内的Ir/Pt各为1层的自旋产生效率θSH、自旋电导率σSH的特性，可知图26和图27的(Pt1.0/Ir0.8)n、(Pt1.2/Ir0.8)n的值得到改善(这里，n为1以上5以下，包含n为1的情况。)，而且在使用该Co/Ir/Pt/Co电极时，由于在Ir/Pt的上下设置有铁磁层Co，所以如图10所示的那样，在写入电流的方向改变时上下的Co产生反铁磁耦合，因此不会产生漏磁场，Co层内的磁化方向同时反转，随之MTJ的存储层发生磁化反转，从而能够制作出良好的SOT器件。
这里，基于图33，Ir的膜厚优选为进行反铁磁(AIF)耦合的0.45～0.65nm、1.3～1.5nm。Pt层优选为0.6～1.0nm。Co优选为1nm以下。
对重金属层的与记录层的界面是Pt层还是Ir层更优选进行了验证。表1是表示重金属层的与记录层的界面分别是Pt层、Ir层的情况下的自旋产生效率θSH、电阻率ρ(μΩcm)、自旋电导率σSH的表。从表1可知，重金属层的与记录层的界面采用Pt层形成比采用Ir层形成更优选。由此，可以说在前述的各实施方式中优选重金属层11的与记录层侧的界面采用Pt层形成。
(表1)
对重金属层的构造所引起的能耗能够降低多少进行了估算。表2汇总了重金属层的构造所引起的能耗的相对的值。从表2可知，随着Pt层和Ir层的各层的厚度之比成为0.4nm/0.4nm、0.6nm/0.6nm、0.8nm/0.8nm、1.0nm/0.8nm、1.2nm/0.8nm，能耗相对地大幅减少。还可知通过在两侧设置磁性层CoFeB来夹着MgO层，能耗相对地从0.33减少至0.26。
(表2)
重金属层的构造 能耗(相对值)
Pt 1.00
(Pt0.4/Ir0.4)n 1.10
(Pt0.6/Ir0.6)n 0.89
(Pt0.8/Ir0.8)n 0.50
(Pt1.0/Ir0.8)n 0.33
(Pt1.2/Ir0.8)n 0.32
CoFeB/MgO1.2/(Pt1.0/Ir0.8)n/CoFeB 0.26
图34是示意性表示作为第11试样制作的霍尔棒和测量系统的图。图35A是所制作的第11试样的剖视图。如图35A所示，第11试样包括：Si衬底201，其设置有热氧化膜；Ta层202，其设置于热氧化膜上，厚度为3nm；重金属层203，其设置于Ta层202上，通过将厚度为1.0nm的Pt层和厚度为0.8nm的Ir层分别交替地层叠4层而成；Co层204，其设置于重金属层203上，厚度为1.3nm；Ir层205，其设置于Co层204上，厚度为0.6nm；Pt层206，其设置于Ir层205上，厚度为0.6nm；以及Ta层207，其设置于Pt层206上，厚度为3nm。
图35B是所制作的另一比较试样的剖视图。如图35B所示，另一比较试样包括：Si衬底201，其设置有热氧化膜；Ta层202，其设置于热氧化膜上，厚度为3nm；Pt层203a，其设置于Ta层202上，厚度为7.2nm；Co层204，其设置于Pt层203a上，厚度为1.3nm；Ir层205，其设置于Co层204上，厚度为0.6nm；Pt层206，其设置于Ir层205上，厚度为0.6nm；以及Ta层207，其设置于Pt层206上，厚度为3nm。
使用光刻和Ar离子铣削将第11试样和另一比较试样加工成如图34所示那样的霍尔棒。使脉冲电流I沿y方向流动，测量出霍尔电压V。测量出霍尔电阻Rxy(Ω)的脉冲电流I依赖性。此外，Rxy(Ω)＝V/I。
图36是表示第1试样、另一比较试样的霍尔电阻Rxy(Ω)的脉冲电流依赖性的图。横轴是脉冲电流I(mA)，纵轴是霍尔电阻Rxy(Ω)。这是在测量中沿脉冲电流I的方向(度)施加200μ秒的脉冲电流、-26mT的恒定的外部磁场Hex时的结果。由于观测到在沿+方向施加脉冲电流时霍尔电阻Rxy在某个电流值增加、而在沿-方向施加脉冲电流时霍尔电阻Rxy在某个电流值减少，所以可知Co层204的磁矩因脉冲电流而发生磁化反转。
在观察第11试样和另一比较试样的反转电流的绝对值时可知，重金属层203使用Pt层和Ir层的多层膜电极时的反转电流比使用Pt层203a的电极时的反转电流缩小为70％左右。
厚度为7.2nm的Pt的电阻率ρxx的值、以及Pt为1.0nm和Ir为0.8nm的4层叠层(Pt1.0nm/Ir0.8nm)4的电阻率ρxx的值均为ρxx＝37.2μΩcm，因此能够认为反转电流的减少是由于Pt/Ir多层膜的电流的自旋变换效率θSH比Pt层的电流的自旋变换效率θSH大。
构成重金属层的Pt层、Ir层的厚度既可以是Pt层、Ir层每一层的厚度都是恒定的，也可以是Pt层、Ir层每一层的厚度都不同。在各MTJ中，无论是垂直磁化还是面内磁化均可以。
此外，本发明的实施方式涉及的磁阻效应元件，通过使用溅射等依序堆积各元素、在沿要施加磁化方向的方向施加磁场的同时进行热处理来制作。

Claims (12)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，包括：
重金属层，其通过层叠Ir层和Pt层而成；
记录层，其以与所述重金属层相向的方式设置，包含具有可反转的磁化的第1铁磁层；
参考层，其包含磁化方向固定的第2铁磁层；以及
阻挡层，其被所述第1铁磁层和所述第2铁磁层夹着，采用绝缘体形成，
通过流过所述重金属层的写入电流，所述第1铁磁层的磁化方向反转。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层通过反复层叠所述Ir层和所述Pt层而成。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层中最外侧的所述Pt层与所述记录层形成界面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层的所述Pt层每层均具有比0.6nm长且1.5nm以下的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层的所述Ir层每层均具有0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层中的所述Pt层与所述Ir层的厚度比为1：0.5～1：0.8的范围。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述重金属层通过将所述Ir层和所述Pt层各层叠一层并且在所述记录层侧和与所述记录层相反的一侧分别设置不同的铁磁层而成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述记录层、所述阻挡层和所述参考层的、朝向所述重金属层的层叠方向看到的形状，无论相对于沿所述重金属层内的所述写入电流的方向的哪条线都是非对称的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述记录层、所述阻挡层和所述参考层的、朝向所述重金属层的层叠方向看到的形状，相对于沿所述重金属层内的所述写入电流的方向的任一条线都是对称的。
10.一种磁存储器，其特征在于：
在同一所述重金属层设置有多个权利要求1至9中任一项所述的磁阻效应元件，该多个磁阻效应元件分别包括所述记录层、所述阻挡层和所述参考层。
11.一种人工智能系统，其特征在于：
在被输入有电阻交叉开关网络的加权和的电子神经元中使用权利要求1至7中任一项所述的磁阻效应元件。
12.根据权利要求11所述的人工智能系统，其特征在于：
在电阻交叉开关网络的交叉点存储器中使用所述磁阻效应元件。
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