JP6686990B2 - スピン軌道トルク型磁化反転素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(スピン軌道トルク型磁化反転素子)
図1は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化反転素子100は、磁気抵抗効果素子10と、スピン軌道トルク配線20と、2つのビア配線30とを有する。
以下、ビア配線30がスピン軌道トルク配線20から延在する鉛直方向をz方向、スピン軌道トルク配線20が延在する第1の方向をx方向、z方向及びx方向のいずれにも直交する第2の方向をy方向とする。
磁気抵抗効果素子10は、磁化方向が固定された第1強磁性金属層1と、磁化方向が変化する第2強磁性金属層2と、第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2に挟持された非磁性層3とを有する。
例えば、非磁性層3が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、Ga2O3及び、MgAl2O4等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。さらに、MgAl2O4のMgがZnに置換された材料や、AlがGaやInに置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4は他の層との格子整合性が高い。
非磁性層3が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Ag等を用いることができる。また、Ag−SnやAg−Mgなどの合金も用いることができる。さらに、非磁性層3が半導体からなる場合、その材料としては、Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等を用いることができる。
スピン軌道トルク配線20は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線20は、第2強磁性金属層2のz方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線20は、第2強磁性金属層2に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
ビア配線30は、スピン軌道トルク配線20の第2強磁性金属層2と反対側の面からスピン軌道トルク配線20と交差する方向に延在する。図1では、スピン軌道トルク配線20の鉛直方向に延在する。ビア配線30のスピン軌道トルク配線20と反対側の端部は、半導体回路に接続される。ビア配線30が接続される半導体回路には、例えば、トランジスタ、抵抗素子、キャパシタ等が接続される。
例えば、層間絶縁部31が酸化シリコンの場合は、ビア配線30に窒化バナジウムを用いることができる。
また例えば、層間絶縁部31が酸化ジルコニウムの場合は、ビア配線30にNb、V及びAlからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部31が窒化シリコンの場合は、ビア配線30にNb、Zr及びAlからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部31に窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかの場合は、ビア配線30にTi又はZrを含む窒化物を用いることができる。
スピン軌道トルク型磁化反転素子100は、スピン軌道トルク配線20から注入されたスピンが誘起するスピン軌道トルク(SOT)により第2強磁性金属層2の磁化の向きを制御する。
図3は、第2実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子101の断面模式図である。図3に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子101は、スピン軌道トルク配線20とビア配線30との間に平坦化層32が形成されている点が、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と異なる。図3において、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図4は、第3実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子102の要部を拡大した断面模式図である。図4に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子102は、スピン軌道トルク配線21が2層になっている点が、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と異なる。図4において、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図5は、第4実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子103の断面模式図である。図5に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子103は、磁気抵抗効果素子11の断面が、第1強磁性金属層1から第2強磁性金属層2に向かって拡幅している点が、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と異なる。図5において、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図6は、第5実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子104の断面模式図である。図6に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子104は、非磁性層3と第1強磁性金属層1とを有さない点が、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と異なる。図6において、第1実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子100と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図1に示すように、ビア配線30と磁気抵抗効果素子10とがz方向から見て一部で重畳するように配設されたスピン軌道トルク型磁化反転素子100を作製した。
比較例1では、図8に示すように、ビア配線30と磁気抵抗効果素子10とがz方向から見て一部で重畳しないスピン軌道トルク型磁化反転素子105を作製した。
Claims (10)
- 磁化方向が変化する強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に延在し、半導体回路に接続される2つのビア配線と、
前記ビア配線と前記スピン軌道トルク配線との間に平坦化層と、を備え、
前記2つのビア配線の前記第1の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第1の方向における幅より短く、
前記平坦化層がTi又はTaを含む窒化物である、スピン軌道トルク型磁化反転素子。 - 磁化方向が変化する強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に延在し、半導体回路に接続される2つのビア配線と、を備え、
前記2つのビア配線の前記第1の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第1の方向における幅より短く、
前記強磁性金属層が積層される積層面において、前記2つのビア配線と、前記2つのビア配線の間を絶縁する層間絶縁部とのビッカース硬度差が3GPa以下である、スピン軌道トルク型磁化反転素子。 - 前記ビア配線と前記スピン軌道トルク配線との間に平坦化層をさらに備える、請求項2に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
- 前記平坦化層がTi又はTaを含む窒化物である、請求項3に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
- 前記強磁性金属層が積層される積層面において、前記2つのビア配線と、前記2つのビア配線の間を絶縁する層間絶縁部とのビッカース硬度差が3GPa以下である、請求項1に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、積層方向に積層構造を有し、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層側の第1層の抵抗値は、前記ビア配線側の第2層の抵抗値より低い、請求項1〜5のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。 - 前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、前記強磁性金属層に対して磁化の向きが固定された磁化固定層とをさらに備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
- 前記強磁性金属層を積層方向から平面視した際の面積が、前記磁化固定層を積層方向から平面視した際の面積より大きい、請求項7に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子を複数備える磁気メモリ。
- 磁化方向が変化する強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に平坦化層を介して延在し、半導体回路に接続される2つのビア配線と、を備え、
前記2つのビア配線の前記第1の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第1の方向における幅より短く、
前記平坦化層がTi又はTaを含む窒化物である、スピン軌道トルク型磁化反転素子。
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