JP7020173B2 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及びスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法 - Google Patents

スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及びスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及びスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法に関する。
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。これらは、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、注目が集まっている。
ＭＲＡＭは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。
そこで近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、非特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じたスピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
I.M.Miron,K.Garello,G.Gaudin,P.-J.Zermatten,M.V.Costache,S.Auffret,S.Bandiera,B.Rodmacq,A.Schuhl,and P.Gambardella,Nature,476,189(2011).
重金属等を含む所定のスピン軌道トルク配線に電流を流すと、多くのスピンが強磁性体内に注入され、大きなＳＯＴが誘起される。一方で、スピン軌道トルク配線は、一般に配線として用いられる銅配線、アルミニウム配線等と比較して熱伝導性に劣る。そのため、スピン軌道トルク配線に接続された強磁性体の温度が高くなり、強磁性体の磁化安定性が低下する。強磁性体の磁化安定性の低下は、磁気抵抗効果素子において書込みエラーの原因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、排熱性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、排熱性に優れる素子構成を見出した。
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。
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１方向に延在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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との接続部における第１面より前記第２方向に突出する凸部を有する。
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記凸部は前記第１強磁性層の周囲を囲んでいてもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記凸部の前記第１強磁性層側の側面が、前記第１面から前記凸部の頂部に向かって、前記第１強磁性層から離れる向きに傾斜していてもよい。
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記凸部の位置において、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と反対側の面に、挿入層を有していてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線が、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選択される１種以上の元素を含んでいてもよい。
（６）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備え、前記第１強磁性層と前記非磁性層と前記第２強磁性層とが磁気抵抗効果を発現する機能部をなす。
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記凸部と前記機能部との最短距離が、前記機能部の高さ以下であってもよい。
（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記凸部と前記機能部との最短距離が、前記機能部の高さと前記凸部の高さの差分以上であってもよい。
（９）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記凸部の高さが、前記機能部の高さ以下であってもよい。
（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記機能部の側壁を保護する層間絶縁膜をさらに備え、前記層間絶縁膜が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｈｆからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物または窒化物であってもよい。
（１１）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
（１２）第４の態様にかかるスピン軌道型磁化回転素子の製造方法は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、基板上に保護層を積層し、少なくとも前記凸部となる位置を残して前記保護層を除去する工程と、前記保護層上に、スピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、前記強磁性層上の一部に犠牲層を形成しエッチングする工程と、を有する。
（１３）第５の態様にかかるスピン軌道型磁化回転素子の製造方法は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、前記凸部及び前記第１強磁性層となる部分を被覆する犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を介してエッチングする工程と、を有する。
（１４）第６の態様にかかるスピン軌道型磁化回転素子の製造方法は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、前記第１強磁性層となる部分を被覆する保護層を形成した後、不要部を除去し、前記第１強磁性層を形成する工程と、前記スピン軌道トルク配線となる層及び前記第１強磁性層を被覆する絶縁層を被覆する工程と、前記スピン軌道トルク配線となる層と同じ材料を積層し、前記スピン軌道トルク配線となる層の厚みを増やす工程と、を有する。
排熱性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供できる。
第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の平面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示した図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示した図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示した図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示した図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリの模式図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の断面模式図である。図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３からなる機能部１０と、スピン軌道トルク配線２０とを備える。図１では、第１電極３１、第２電極３２及び基板４０を同時に図示している。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延びる第１方向をｘ方向、第１強磁性層１の積層方向（第２方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。
＜機能部＞
機能部１０は、一般の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。機能部１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。第２強磁性層２は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
機能部１０は、第２強磁性層２の磁化が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層２の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層２の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。
機能部１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、第２強磁性層２の磁化方向を固定するための反強磁性層、機能部１０の結晶性を高める下地層等が挙げられる。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅを例示できる。また第１強磁性層１が面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ－Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２）、Ｓｍ－Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）等を用いることが好ましい。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等が挙げられる。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、機能部のＭＲ比を高めることができる。
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
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、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。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を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＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。スピンホール効果とは、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流が流れる。電流が流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して－ｚ方向に曲げられる。
通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２０の上面には第１強磁性層１が存在する。そのため、第１強磁性層１にスピンが注入される。
本実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２０は、図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１との接続部における第１面２０ａよりｚ方向に突出する凸部２２を有する。
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。
スピンホール効果を強く発現し、スピン流の発生量を増やすためには、スピン軌道トルク配線２０には、スピン軌道相互作用の大きい材料を用いることが好ましい。大きなスピン軌道相互作用を発現する材料として、重金属、高比抵抗材料等が知られている。ここで、重金属とは、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい金属を意味する。
スピン軌道トルク配線２０に重金属、高比抵抗材料を用いると、スピン軌道トルク配線２０の導電性が低下する。その結果、スピン軌道トルク配線２０に電流を流すと、スピン軌道トルク配線２０はジュール熱により発熱する。スピン軌道トルク配線２０が発熱すると、第１強磁性層１の磁化安定性が低下し、第１強磁性層１の磁化が意図しない磁化回転（反転）を起こし、機能部１０が適切に機能しなくなる。
スピン軌道トルク配線２０が凸部２２を有すると、凸部２２から機能部１０への熱放射が促進される。機能部１０の主構成は金属であり、機能部１０の上部には機能部１０の抵抗値変化を読み出すための上部電極（図示略）が接続されている。そのため、機能部１０は、排熱性に優れる。スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を、凸部２２を介して、排熱性に優れる機能部１０に伝えることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００全体の排熱効率が高まる。
図２は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の平面模式図である。図２に示す凸部２２は、機能部１０の周囲を囲んでいる。凸部２２が機能部１０の周囲を囲むと、凸部２２から機能部１０への熱放射がより促進される。その結果、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００全体の排熱効率がより高まる。
図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００において、凸部２２と機能部１０の最短距離Ｄは機能部１０の高さｈ１０以下である。凸部２２と機能部１０が十分近づくことで、凸部２２から機能部１０へ熱を効率的に伝えることができる。機能部１０の高さは一例として３６ｎｍであり、凸部２２と機能部１０の最短距離Ｄは３６ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以下であることがより好ましい。
一方で、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００において、凸部２２と機能部１０の最短距離Ｄは、機能部１０の高さｈ１０と凸部２２の高さｈ２２との差分以上である。凸部２２の高さｈ２２とは、凸部２２の頂部２２ａから第１面２０ａの延在面に下した垂線の長さを意味する。凸部２２と機能部１０との距離が近すぎると、凸部２２と機能部１０とが短絡してしまう可能性が高まる。凸部２２と機能部１０の最短距離Ｄは５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましい。
また図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００において、凸部２２の高さｈ２２は、機能部１０の高さｈ１０以下である。凸部２２の高さｈ２２が高いと、凸部２２と機能部１０との間のスペースを形成するのが難しくなり、製造プロセスが限定される。凸部２２の高さｈ２２は、機能部１０の高さｈ１０の半分以下であることが好ましく、１／３以下であることがより好ましい。具体的には、凸部２２の高さｈ２２は、１８ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以下であることがより好ましい。
図１に示す凸部２２の機能部１０側の側面２２ｂは、第１面２０ａから凸部２２の頂部２２ａに向かって、機能部１０から離れる向きに傾斜している。側面２２ｂが所定の方向に傾斜することで、凸部２２と機能部１０との短絡を抑制できる。
スピン軌道トルク配線２０は、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。これらの元素は、スピンホール効果を強く発現し、多くのスピン流の発生でき、かつ、熱伝導性にも優れる。
またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れによりスピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
図１においてスピン軌道トルク配線２０は、凸部２２の位置における第１強磁性層１と反対側の面に挿入層２４を有する。挿入層２４によりスピン軌道トルク配線２０の一部が盛り上がり、凸部２２が形成されている。
挿入層２４は、熱伝導性に優れる材料により構成されていることが好ましい。例えば、アルミニウム、金、銀、銅等を用いることができる。挿入層２４を構成する材料は金属に限られず、絶縁体でもよい。
＜第１電極、第２電極＞
第１電極３１及び第２電極３２は、平面視で機能部１０を挟む位置に設けられる。第１電極３１と第２電極３２との間に電位差を与えることで、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れる。第１電極及び第２電極３２は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔａ、ＴｉＮ及びＴａＮからなる群のいずれかを含むことが好ましい。これらの材料は熱伝導性に優れ、スピン軌道トルク配線２０に蓄積された熱を効率的に排熱できる。
第１電極３１及び第２電極３２は、熱伝導の妨げとなる酸化物を介さずにスピン軌道トルク配線２０と直接接続されていることが好ましい。
＜基板＞
基板４０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００によれば、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を、凸部２２を介して機能部１０へ効率的に排熱することができる。その結果、第１強磁性層１の磁化安定性が高まり、第１強磁性層１の磁化が意図しない磁化回転（反転）を起こすことが抑制される。すなわち、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のデータの信頼性が高まる。
ここまで本実施形態の一例について詳述したが、本実施形態はこの例に限定されるものではなく、種々の変形・変更が可能である。
例えば、図３は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、挿入層２４を有さない点が、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、スピン軌道トルク配線２１の厚みがｘ方向に異なっている。スピン軌道トルク配線２１の厚みは、機能部１０との接続部において薄い。スピン軌道トルク配線２１を流れる電流は、機能部１０との接続部において電流密度が高くなり、多くのスピン流を生み出すことができる。
また例えば、図４は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２は、層間絶縁膜５０を有する点が、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。層間絶縁膜５０は、機能部１０の側壁に設けられている。
層間絶縁膜５０を設けることで、凸部２２と機能部１０との間で熱を運ぶ過程が熱伝導になる。熱伝導は、熱放射よりも多くの熱を運ぶことができる。また層間絶縁膜５０は、凸部２２と機能部１０の短絡を抑制する。
層間絶縁膜５０は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｈｆからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物または窒化物であることが好ましい。これらの材料を含む層間絶縁膜５０は、絶縁性と熱伝導性に優れる。
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法）
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、いくつかの方法で作製できる。
＜第１の製造方法＞
図５は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を模式的に示した図である。第１の製造方法は、基板上に保護層を積層し、少なくとも凸部となる位置を残して保護層を除去する工程と、保護層上に、スピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、強磁性層上の一部に犠牲層を形成しエッチングする工程と、を有する。
まず基板４０上に保護層６０を積層する（図５（ａ））。保護層６０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の挿入層２４となるため、挿入層２４に用いることができる材料からなる。保護層６０は、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等を用いることができる。以下積層される各層も同様の方法で積層できる。
次いで、保護層６０上にレジスト６１を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、第１電極３１及び第２電極３２を設ける箇所に開口部を形成する（図５（ｂ））。開口部に導電性材料を充填し、第１電極３１及び第２電極３２を形成する。その後、保護層６０を残してレジスト６１を除去する（図５（ｃ））。
次いで、機能部１０を形成する箇所を残してレジスト６２を塗布し（図５（ｄ））、機能部が形成される位置における保護層６０を除去する。保護層６０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００における凸部となる位置にのみ残り、挿入層２４となる（図５（ｅ））。
そして挿入層２４が形成された基板４０上に、スピン軌道トルク配線となる層６３と強磁性層６４と非磁性層６５と強磁性層６６とを順に積層する。スピン軌道トルク配線となる層６３、強磁性層６４、非磁性層６５および強磁性層６６は、挿入層２４の形状を反映し、凹凸を有する（図５（ｆ））。
最後に、強磁性層６６の機能部１０を形成する位置に犠牲層６７を形成し（図５（ｇ））、不要部をエッチングする（図５（ｈ））。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。スピン軌道トルク配線となる層６３、強磁性層６４、非磁性層６５および強磁性層６６は、犠牲層６７により保護された部分のみが残り、スピン軌道トルク配線２０及び機能部１０が形成される。この手順により図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が得られる。
図６は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を模式的に示した図である。図６に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１電極３１及び第２電極３２が紙面鉛直方向に延在する配線である点が、図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法と異なる。
まず基板４０を準備し（図６（ａ））、レーザー、リソグラフィー等により溝を形成する。次いで、基板４０上にシード膜７１を積層する。シード膜７１は、溝の内部にも形成される。シード膜７１と基板との間には、バリアメタル層を形成してもよい。バリアメタル層は、第１電極３１及び第２電極３２から基板４０への構成元素の拡散を防ぐ。
次いで、シード膜７１をシードとして、金属メッキを行う。メッキする金属は、第１電極３１及び第２電極３２として用いられるものを使う。不要な金属メッキを除去して、基板４０を露出する（図６（ｃ））。
次いで、基板４０上に保護層７０を積層し（図６（ｄ））、レジスト７２を用いたフォトリソグラフィー技術を用いて、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００における凸部となる位置にのみ保護層７０を残し、挿入層２４を形成する（図６（ｅ））。
そして挿入層２４が形成された基板４０上に、スピン軌道トルク配線となる層７３と強磁性層７４と非磁性層７５と強磁性層７６とを順に積層する。スピン軌道トルク配線となる層７３、強磁性層７４、非磁性層７５および強磁性層７６は、挿入層２４の形状を反映し、凹凸を有する（図６（ｆ））。
最後に、強磁性層７６の機能部１０を形成する位置に犠牲層７７を形成し（図６（ｇ））、不要部をエッチングする（図６（ｈ））。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。スピン軌道トルク配線となる層７３、強磁性層７４、非磁性層７５および強磁性層７６は、犠牲層７７により保護された部分のみが残り、スピン軌道トルク配線２０及び機能部１０が形成される。
＜第２の製造方法＞
図７は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を模式的に示した図である。第２の製造方法は、基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、凸部及び第１強磁性層となる部分を被覆する犠牲層を形成する工程と、犠牲層を介してエッチングする工程と、を有する。
まず基板４０上に保護層８０を積層する（図７（ａ））。次いで、保護層８０上にレジスト８１を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、第１電極３１及び第２電極３２を設ける箇所に開口部を形成する（図７（ｂ））。開口部に導電性材料を充填し、第１電極３１及び第２電極３２を形成する。その後、保護層８０を含めてレジスト８１を除去する（図７（ｃ））。
次いで、第１電極３１及び第２電極３２が形成された基板４０上に、スピン軌道トルク配線となる層８３と強磁性層８４と非磁性層８５と強磁性層８６とを順に積層する（図７（ｄ））。
次いで、スピン軌道トルク配線２０の凹部となる箇所にレジスト８７を設け、犠牲層８８をその上から積層する（図７（ｅ））。レジスト８７を除去することで、スピン軌道トルク配線２０の凸部２２となる位置にのみ、犠牲層８８が残る（図７（ｆ））。またスピン軌道トルク配線２０の機能部１０が形成される位置に、別の犠牲層８９を形成する（図７（ｇ））。
最後に、犠牲層８８、８９を介して不要部をエッチングする（図７（ｈ））。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。スピン軌道トルク配線となる層８３、強磁性層８４、非磁性層８５および強磁性層８６は、犠牲層８８、８９により保護された部分のみが残り、スピン軌道トルク配線２０及び機能部１０が形成される。この手順により図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１が得られる。
＜第３の製造方法＞
図８は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を模式的に示した図である。第３の製造方法は、基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、第１強磁性層となる部分を被覆する保護層を形成した後、不要部を除去し、第１強磁性層を形成する工程と、スピン軌道トルク配線となる層及び第１強磁性層を被覆する絶縁層を被覆する工程と、スピン軌道トルク配線となる層と同じ材料を積層し、スピン軌道トルク配線となる層の厚みを増やす工程と、を有する。
まず基板４０上に保護層９０を積層する（図８（ａ））。次いで、保護層９０上にレジスト９１を塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて、第１電極３１及び第２電極３２を設ける箇所に開口部を形成する（図８（ｂ））。開口部に導電性材料を充填し、第１電極３１及び第２電極３２を形成する。その後、保護層９０を含めてレジスト９１を除去する（図８（ｃ））。
次いで、第１電極３１及び第２電極３２が形成された基板４０上に、スピン軌道トルク配線となる層９３と強磁性層９４と非磁性層９５と強磁性層９６とを順に積層する（図８（ｄ））。
次いで、強磁性層９６の機能部１０を形成する位置に保護層９７を形成し、不要部をエッチングする。エッチングは、スピン軌道トルク配線となる層９３に至るまで行い、機能部１０が形成される（図８（ｅ））。
スピン軌道トルク配線となる層９３および保護層９７上に絶縁層９８を積層する（図８（ｆ））。次いで、機能部１０および保護層９７の側面を除いて、絶縁層９８を除去する（図８（ｇ））。
次いで、スピン軌道トルク配線となる層と同じ材料を積層し、スピン軌道トルク配線となる層９３の厚みを増やす。また同時に、スピン軌道トルク配線となる層９３上に、層間絶縁膜となる絶縁膜９９を積層する（図８（ｈ））。
最後に、スピン軌道トルク配線となる層９３を配線形状に整え、機能部１０を露出させる（図８（ｉ））。この手順により凸部が傾斜しないスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が得られる。
「第２実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図９は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。図９に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点のみが、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、上述のように磁気抵抗効果素子として用いることができる。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、単独でも異方性磁気センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０の第１強磁性層１及びスピン軌道トルク配線２０には、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００における第１強磁性層１と同様の構成、材料が用いられる。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法において非磁性層及び第２強磁性層を積層していないだけであり、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を利用して作製できる。
「第３実施形態」
（磁気メモリ）
図１０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（図１参照）を備える磁気メモリ２００の模式図である。図１は、図１０におけるＡ－Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を切断した断面図に対応する。図１０に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１０は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の構成、数及び配置は任意である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１～ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１～ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１～ＲＬ３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１～ＲＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の機能部１０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３、ビットラインＢＬ１～ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１～ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
１０ 機能部
２０、２１ スピン軌道トルク配線
２０ａ 第１面
２２ 凸部
２２ａ 頂部
２２ｂ 側面
２４ 挿入層
３１ 第１電極
３２ 第２電極
４０ 基板
５０ 層間絶縁膜
１００、１０１、１０２ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子

Claims (13)

  1. 第１方向に延在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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との接続部における第１面より前記第２方向に突出する凸部を有し、
    前記凸部は前記第１強磁性層の周囲を囲んでいる、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  2. 前記凸部の前記第１強磁性層側の側面が、前記第１面から前記凸部の頂部に向かって、前記第１強磁性層から離れる向きに傾斜している、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  3. 前記スピン軌道トルク配線の前記凸部の位置において、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と反対側の面に、挿入層を有する、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  4. 前記スピン軌道トルク配線が、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選択される１種以上の元素を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備え、
    前記第１強磁性層と前記非磁性層と前記第２強磁性層とが磁気抵抗効果を発現する機能部をなす、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  6. 前記凸部と前記機能部との最短距離が、前記機能部の高さ以下である、請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  7. 第１方向に延在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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、
    を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との接続部における第１面より前記第２方向に突出する凸部を有し、
    前記第１強磁性層と前記非磁性層と前記第２強磁性層とが磁気抵抗効果を発現する機能部をなし、
    前記凸部と前記機能部との最短距離が、前記機能部の高さと前記凸部の高さの差分以上である、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  8. 前記凸部の高さが、前記機能部の高さ以下である、請求項５から７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  9. 前記機能部の側壁を保護する層間絶縁膜をさらに備え、
    前記層間絶縁膜が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｈｆからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物または窒化物である、請求項５から８のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  10. 請求項５から９のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた、磁気メモリ。
  11. 請求項１から４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、
    基板上に保護層を積層し、少なくとも前記凸部となる位置を残して前記保護層を除去する工程と、
    前記保護層上に、スピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、
    前記強磁性層上の一部に犠牲層を形成しエッチングする工程と、を有するスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。
  12. 請求項１から４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、
    基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、
    前記凸部及び前記第１強磁性層となる部分を被覆する犠牲層を形成する工程と、
    前記犠牲層を介してエッチングする工程と、を有するスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。
  13. 第１方向に延在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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との接続部における第１面より前記第２方向に突出する凸部を有するスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法であって、
    基板上にスピン軌道トルク配線となる層と強磁性層とを順に積層する工程と、
    前記第１強磁性層となる部分を被覆する保護層を形成した後、不要部を除去し、前記第１強磁性層を形成する工程と、
    前記スピン軌道トルク配線となる層及び前記第１強磁性層を被覆する絶縁層を被覆する工程と、
    前記スピン軌道トルク配線となる層と同じ材料を積層し、前記スピン軌道トルク配線となる層の厚みを増やす工程と、を有するスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。
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