JPWO2019230352A1 - スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

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Abstract

このスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第1強磁性層と、第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に位置する非磁性層と、前記第1強磁性層が積層されたスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は前記第1強磁性層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性層は、第1積層構造体と界面磁性層とを、前記スピン軌道トルク配線側から順に有し、前記第1積層構造体は、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが、前記スピン軌道トルク配線側から順に配置された構造体であり、前記強磁性導電体層は、強磁性金属元素を含み、前記無機化合物含有層は、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む。

Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関するものである。この出願は、2018年5月31日に日本に出願された特願2018−105394号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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)素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、TMR素子は、GMR素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗(MR)比が大きい。そのため、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、TMR素子に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TMR素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、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、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さずに磁化回転を可能とする手段として、スピン軌道相互作用により生成された純スピン流によるスピン軌道トルク(SOT)を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に注目が集まっている(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純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、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、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。
特開2017−216286号公報
磁気抵抗効果素子の駆動効率を高めるためには、SOTを利用して磁化を反転させるために必要な反転電流密度を低減することが求められている。しかしながら、SOTによる反転電流密度はSTTによる反転電流密度と同程度であると言われている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反転電流密度が低減したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
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の態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第1強磁性層と、第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に位置する非磁性層と、前記第1強磁性層が積層されたスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は前記第1強磁性層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性層は、第1積層構造体と界面磁性層とを、前記スピン軌道トルク配線側から順に有し、前記第1積層構造体は、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが、前記スピン軌道トルク配線側から順に配置された構造体であり、前記強磁性導電体層は、強磁性金属元素を含み、前記無機化合物含有層は、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む。
(2)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記第1積層構造体と前記界面磁性層との間に、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが積層された第2積層構造体が、1つ以上挿入されていてもよい。
(3)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記第1積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚が、前記第2積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚よりも厚くなっていてもよい。
(4)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記無機化合物含有層の膜厚が1.0nm以下の膜厚であってもよい。
(5)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記第1強磁性層は、拡散防止層を有し、前記拡散防止層は、前記界面磁性層の前記非磁性層に接する側とは反対側の面に位置していてもよい。
(6)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記界面磁性層は、Co、Fe、Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含んでいてもよい。
(7)第2の態様に係る磁気メモリは、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
本発明によれば、反転電流密度が低減したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することが可能となる。
第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。 変形例1に係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。 変形例2に係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。 変形例3に係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。 変形例3に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を別の面で切断した断面模式図である。 変形例4に係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。 変形例4に係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。 変形例5に係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2実施形態に係る磁気メモリを模式的に示した図である。 第2実施形態に係る磁気メモリの要部の断面模式図である。
以下、本実施形態の好ましい例について、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実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。図1は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をスピン軌道トルク配線5のy方向中心を通るxz平面で切断した断面を示す。図1に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、機能部4及びスピン軌道トルク配線5を備える。機能部4は、第1強磁性層1と、第2強磁性層2と、第1強磁性層1と第2強磁性層2との間に位置する非磁性層3と、を有する。スピン軌道トルク配線5は、第1強磁性層1の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延びる。スピン軌道トルク配線5は、第1強磁性層1を積層している。
本明細書において、第1強磁性層1の面直方向である第1方向をz方向、第1方向に対して直交し、かつスピン軌道トルク配線5が延びる第2方向をx方向、x方向及びz方向のいずれにも直交する方向をy方向とする。
[機能部]
機能部4は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部4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)素子となる。また、非磁性層3が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1強磁性層1の磁化M1と第2強磁性層2の磁化M2の相対角の違いに応じて、機能部4はz方向の抵抗値が変化する。第2強磁性層2の磁化M2は、所定の外力が印加された際に第1強磁性層1の磁化よりも配向方向が変化しにくい。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4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4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。その他の層は、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4の結晶性を高める下地層等である。
(第1強磁性層)
第1強磁性層1は、第1積層構造体10aと、界面磁性層20とを有する。第1強磁性層1は、界面磁性層20の磁化方向が変化可能とされている。第1積層構造体10aは、強磁性導電体層11aと無機化合物含有層12aとが積層した構造体である。界面磁性層20は、非磁性層3と無機化合物含有層12aとの間に位置する。界面磁性層20は、例えば、非磁性層3に接している。強磁性導電体層11aは、スピン軌道トルク配線5と無機化学化合物含有層12aとの間に位置する。強磁性誘電体層11aは、例えば、スピン軌道トルク配線5に接している。
「強磁性導電体層」
強磁性導電体層11aは、強磁性金属元素を含む。強磁性導電体層11aは、スピン軌道トルク配線5よりも導電性が高いことが好ましい。強磁性導電体層11aの導電性がスピン軌道トルク配線5の導電性より高いと、スピン軌道トルク配線5を流れる電子が強磁性導電体層11aに侵入しやすい。また、強磁性導電体層11aは、無機化合物含有層12aによって、結晶構造の対象性が崩れている。結晶構造の対称性の崩れは、強磁性導電体層11aの内場(電子が存在する分布)の対称性を崩す。強磁性導電体層1aの内場は、強磁性導電体層11aが単体で存在する状態から変化している。そのため、強磁性導電体層11aに電子が侵入すると強磁性導電体層11aで発生するスピン流が、内場の対称性が崩れていない場合と比較して、増加する。強磁性導電体層11a内で発生するスピン流が増加すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の反転電流密度が低減する。また、強磁性導電体層11aの垂直磁気異方性(PMA)は無機化合物含有層12aのアニオン成分と強磁性元素とが結合すると大きくなる。そして、強磁性導電体層11aの垂直磁気異方性(PMA)が大きくなると、強磁性導電体層11aの熱安定性が向上する。
強磁性導電体層11aは、Co、Fe、Ni、Gaあるいはこれらの金属の合金から形成されていることが好ましい。強磁性導電体層11aの膜厚は、0.3nm以上2.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
「無機化合物含有層」
無機化合物含有層12aは、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む。無機化合物含有層12aは、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性を崩すように形成されていれば、その構成は特に制限はない。強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性は、例えば、無機化合物含有層12aにおけるアニオン成分欠損量が面内方向(xy面内)の場所によって不均一であることにより崩れる。また無機化合物含有層12aにおけるアニオン成分欠損量を面内方向(xy面内)と直交する面直方向(xz方向又はyz方向)に不均一にすることでも、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性を崩すことができる。さらに、無機化合物含有層12aの一部を過剰アニオン成分の状態とし、面内方向又は面直方向のアニオン成分量を不均一にすることで、結晶構造の対称性を崩してもよい無機化合物含有層12aは、無機化合物のみからなる層であってもよいし、強磁性金属元素と無機化合物とを含む層であってもよい。強磁性金属元素と無機化合物とを含む層は、強磁性金属元素に無機化合物が島状に点在する構造であってもよいし、強磁性金属元素に無機化合物の粒子が分散した構造であってもよい。
無機化合物含有層12aの無機化合物に含まれるカチオン成分は、強磁性金属であることが好ましく、強磁性導電体層11aに含まれる強磁性金属元素と同じであることが特に好ましい。この場合、無機化合物含有層12aと強磁性導電体層11aとの密着性が向上し、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性の崩れが起こりやすくなる。強磁性導電体層11aの結晶構造の対称性が崩れると、強磁性導電体層11a内でのスピン流の発生効率が向上する。カチオン成分は、例えば、Co、Fe、Ni、Gaである。
無機化合物含有層12aに含まれる無機化合物は、化学量論組成に対してアニオン成分(C4−、N3−、S2−)が欠損していることが好ましい。この場合、強磁性導電体層11aから供給されるスピン流が無機化合物含有層12aを通りやすくなり、界面磁性層20へのスピン流の伝達効率が向上する。無機化合物は、化学量論組成に対して、アニオン成分が5原子%以上30原子%以下の範囲内で欠損していることが好ましい。
無機化合物含有層12aの膜厚は、1.0nm以下であることが好ましい。この場合、強磁性導電体層11aと界面磁性層20とがより強く強磁性結合するので、熱擾乱等に対する磁化の安定性が高まる。また、無機化合物含有層12aの膜厚が薄いとアニオン成分が点在することになり、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性を崩しやすくなる。このため、無機化合物含有層12aの膜厚は、原子一層分以上であることが好ましい。なお、原子一層分の場合は、連続した一様な層にはならず、無機化合物が点在することになるが、この場合も無機化合物含有層として扱う。
「界面磁性層」
界面磁性層20は、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。
界面磁性層20は、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含む。界面磁性層20は例えば、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feを例示できる。また界面磁性層20が面内磁化膜の場合、界面磁性層20は、例えば、Co−Ho合金(CoHo)、Sm−Fe合金(SmFe12)等である。
界面磁性層20は、CoFeSi等のホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金は、XYZまたはXYZ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。ホイスラー合金は、例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1−aFeAlSi1−b、CoFeGe1−cGa等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、機能部4のMR比を高めることができる。
界面磁性層20は、Co、Fe、Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。界面磁性層20は、Co−Fe−Bであることが特に好ましい。この場合、機能部4のMR比を高めることができる。
界面磁性層20の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
(非磁性層)
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)、非磁性層3は、例えば、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等である。また、非磁性層3は、これらのAl、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換されたものも用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlは機能部4のMR比を高くできる。非磁性層3が金属からなる場合、非磁性層3は、例えば、Cu、Au、Ag等である。さらに、非磁性層3が半導体からなる場合、非磁性層3は、例えば、Si、Ge、CuInSe、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se等である。
非磁性層3の膜厚は、0.3nm以上3.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
(第2強磁性層)
第2強磁性層2の材料には公知の強磁性材料を用いることができる。強磁性材料の例は、界面磁性層20の場合と同じである。第2強磁性層2は、界面磁性層20と同じ強磁性材料を用いてもよいし、界面磁性層20と異なる強磁性材料を用いてもよい。
第2強磁性層2の膜厚は、0.5nm以上5.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
[スピン軌道トルク配線]
スピン軌道トルク配線5は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線5は、強磁性導電体層11aの一面に位置する。スピン軌道トルク配線5は、強磁性導電体層11a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。
スピン軌道トルク配線5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成する。スピンホール効果とは、配線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。
図1に示すように、スピン軌道トルク配線5のx方向の両端に電位差を与えるとx方向に沿って電流Iが流れる。電流Iが流れると、+y方向に配向した第1スピンS1と−y方向に配向した第2スピンS2はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。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)方向を曲げられるのに必要な条件が異なる。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いのに電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。スピンホール効果によって生じる第1スピンS1及び第2スピンS2の偏在状態を解消するために、z方向にスピン流が生じる。
非磁性体(強磁性体ではない材料)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、図中で上方向に向かう第1スピンS1の電子数と下方向に向かう第2スピンS2の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
ここで、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Jと表すと、JS=J−Jで定義される。スピン流J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5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。
スピン軌道トルク配線5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。
スピン軌道トルク配線5の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻に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非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流Jが発生しやすい。
またスピン軌道トルク配線5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。
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5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。トポロジカル絶縁体にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこでトポロジカル絶縁体は、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。すなわち、トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くても内部から表面への方向の電子状態の対称性が乱される。トポロジカル絶縁体は、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純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、TlBiSe、BiTe、Bi1−xSb、(Bi1−xSbTe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。
(スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法)
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、例えば、スピン軌道トルク配線5側から、強磁性導電体層11a、無機化合物含有層12a、界面磁性層20、非磁性層3、第2強磁性層2をこの順に積層することによって製造することができる。以下、本明細書においてスピン軌道トルク配線5上に積層された層を総称して積層体という場合がある。強磁性導電体層11a、界面磁性層20、非磁性層3、第2強磁性層2を積層する方法としては、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法などの公知の方法を用いることができる。無機化合物含有層12aを積層する方法としては、例えば、スパッタリング法やCVD法により、強磁性金属膜を形成し、次いで得られた強磁性金属膜を炭化、窒化または硫化させる方法、強磁性金属と無機化合物とをコスパッタリングする方法を用いることができる。
得られた積層体は、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理を行うことによって、各層の結晶性が向上し、機能部4のMR比を高めることができる。
アニール処理としては、Arなどの不活性雰囲気中で、300℃以上500℃以下の温度で、5分以上100分以下の時間加熱した後、2kOe以上10kOe以下の磁場を印加した状態で、100℃以上500℃以下の温度で、1時間以上10時間以下の時間加熱することが好ましい。
以上のような構成とされた本実施形態のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、強磁性導電体層11a内でスピン流が発生するので、反転電流密度を低減させることができる。
図2は、変形例1に係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。図2は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。図2に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102は、第1積層構造体10aと界面磁性層20との間に第2積層構造体10bが挿入されていること以外は、図1に示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と同様である。このため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
第2積層構造体10bは、強磁性導電体層11bと無機化合物含有層12bとが積層した構造体である。強磁性導電体層11bは、無機化合物含有層12aと無機化合物含有層12bとの間に位置する。強磁性導電体層11bは、例えば、第1積層構造体10aの無機化合物含有層12aと接している。無機化合物含有層12bは、界面磁性層20に接している。
第2積層構造体10bの強磁性導電体層11bの膜厚は、第1積層構造体10aの強磁性導電体層11aの膜厚よりも薄いことが好ましい。スピン軌道トルク配線5に接する第1積層構造体10aの強磁性導電体層11aの膜厚を、強磁性導電体層11bに対して相対的に厚くすることによって、強磁性導電体層11aを面内磁化膜とすることができる。また、一方でスピン軌道トルク配線5から離れた第2積層構造体10bの強磁性導電体層11bの膜厚を、強磁性導電体層11aに対して相対的に薄くすることによって、強磁性導電体層11bの磁化を垂直磁化とすることができる。このように磁化の配向方向の異なる強磁性導電体層11aと強磁性導電体層11bとを近接させることにより、第1強磁性層1の全体の磁化状態をz方向に対して傾けることができる。第1強磁性層1の磁化方向がz方向に対して傾くと、磁化の対称性が崩れ、無磁場磁化反転が可能となる。第2積層構造体10bの強磁性導電体層11bの膜厚は、第1積層構造体10aの強磁性導電体層11aの膜厚に対して50%以上90%以下の範囲内にあることが好ましい。
第2積層構造体10bの無機化合物含有層12bの膜厚は、第1積層構造体10aの場合と同様に、1.0nm以下であることが好ましい。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102は、無機化合物含有層12aと界面磁性層20との間に、強磁性導電体層11b及び無機化合物含有層12bを積層すること以外は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の場合と同様にして製造することができる。第2積層構造体10bの強磁性導電体層11b及び無機化合物含有層12bは、第1積層構造体10aの強磁性導電体層11a及び無機化合物含有層12aの場合と同様にして積層することができる。
以上のような構成とされたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102は、第1積層構造体10aの強磁性導電体層11aに加えて、第2積層構造体10bの強磁性導電体層11b内にてスピン流が発生するので、反転電流密度をより低減させることができる。なお、図2に示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102においては、第1積層構造体10aと界面磁性層20との間に1つの第2積層構造体10bが挿入されているが、第2積層構造体10bの数は特には制限なく、2つ以上としてもよい。第2積層構造体10bを2つ以上挿入する場合は、スピン軌道トルク配線5に近い側の強磁性導電体層11bの膜厚を厚くすることが好ましい。
図3は、変形例2に係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。図3は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。図3に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103は、第1強磁性層1が拡散防止層30を有していること以外は、図2に示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102と同様である。このため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
拡散防止層30は、界面磁性層20の非磁性層3に接する側とは反対側の面(図3では下面)に接している。拡散防止層30は、例えば、界面磁性層20と第2積層構造体10bとの間に位置する。拡散防止層30は、例えば、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103の製造時においてアニール処理を行ったときなどの高温環境下において、界面磁性層20に含まれる元素が無機化合物含有層12bの方向に元素拡散することを抑制する。
拡散防止層30は、非磁性元素を含むことが好ましい。非磁性元素は、例えばMo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Auである。拡散防止層30は、これらの元素の1種を単独で含んでいてもよいし、2種以上を組合せて含んでいてもよい。また、拡散防止層30の厚さは、拡散防止層30を構成する元素の直径の2倍以上であることが好ましい。重金属元素をこの程度の厚さで成膜しようとすると重金属元素は、厳密には島状に点在する。従って、拡散防止層30は、上層又は下層の一部と非磁性元素との混合層となる。
拡散防止層30の膜厚は、0.3nm以上2.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103は、無機化合物含有層12bと界面磁性層20との間に、拡散防止層30を積層すること以外は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子102の場合と同様にして製造することができる。拡散防止層30を積層する方法としては、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法などの公知の方法を用いることができる。
以上のような構成とされたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103は、強磁性導電体層11a内でスピン流が発生するので、反転電流密度を低減させることができる。またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103は、拡散防止層30を有するので、高温環境下においても界面磁性層20に含まれる元素が無機化合物含有層12bに元素拡散することが起こりにくい。このため、無機化合物含有層12bが長期間にわたって安定するので、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子103は、長期間にわたって安定して反転電流密度を低減させることができる。
図4及び図5は、変形例3に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104の断面模式図である。図4は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104をスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。図5は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104を機能部4のx方向の中心を通るyz平面で切断した断面である。図4及び図5に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104は、機能部4の側面の形状及びスピン軌道トルク配線5の第1面5aの形状が異なること以外は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と同様である。このため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図4及び図5に示す機能部4は、z方向から見て、スピン軌道トルク配線5に近づくに従い、xy面内に広がっている。z方向から見て、機能部4の外周長または外径は、スピン軌道トルク配線5に近づくに従い、大きくなる。またx方向又はy方向から見て、機能部4の側面4sは、xy平面に対して傾斜している。側面4sのxy平面に対する傾斜角θは、z方向の高さ位置によって異なっていても、一定でもよい。側面4sのxy平面に対する傾斜角θは、例えば、スピン軌道トルク配線5に近づくにつれて小さくなる。
機能部4の側面4sは、第2強磁性層2、非磁性層3、界面磁性層20、無機化合物含有層12a、強磁性導電体層11aのそれぞれの側面2s、3s、20s、12as、11asによって構成される。側面2s、3s、20s、12as、11asは、それぞれxy平面に対して傾斜する。側面2s、3s、20s、12as、11asは、それぞれ連続し、一つの側面4sを形成する。ここで「連続」とは、xz平面又はyz平面で切断した切断面において、側面4sに沿って引いた接線の傾きが一定である、又は、連続的に変化することをいう。
またスピン軌道トルク配線5の第1面5aは、場所によってz方向の高さ位置が異なる。第1面5aは、スピン軌道トルク配線5の機能部4に近い側の面である。以下、第1面5aのうち、z方向において機能部4と重なる部分を第1面5aAと称し、重ならない部分を第1面5aBと称する。第1面5aAは、第1面5aBより+z方向に位置する。すなわち、第1面5aAは、第1面5aBより後述する基板Subから離れた位置にある。第1面5aBは、機能部4を所定の形状に加工する際のイオンミリング等により、第1面5aAより−z方向の位置に形成される場合がある。
また図5に示すように、スピン軌道トルク配線5の側面5sは、xy平面に対して傾斜する。側面5sと側面4sとは、例えば、不連続である。「不連続」とは、xz平面又はyz平面で切断した切断面において、側面5s、4sに沿って引いた接線の傾きが連続的に変化しないことを言う。スピン軌道トルク配線5を所定の形状に加工した後に、機能部4を所定の形状に加工する場合、側面5sと側面4sとは不連続になる場合がある。
また図4及び図5では、機能部4及びスピン軌道トルク配線5の周囲を囲む絶縁層90、91を同時に図示した。絶縁層90、91は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層90、91は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)、窒化クロム、炭窒化シリコン(SiCN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)等である。
以上のような構成とされたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104は、強磁性導電体層11a内でスピン流が発生するので、反転電流密度を低減させることができる。また強磁性導電体層11aの側面11asがxy平面に対して傾斜していることで、スピン軌道トルク配線5から強磁性導電体層11aへの電流の流れがスムーズになる。すなわち、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104は、急激な電流密度の変化に伴う電流のロスを抑制できる。
図6は、変形例4に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105の断面模式図である。図6は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105をスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。図6に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105は、機能部4の側面の形状が異なること以外は、変形例3にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104と同様である。このため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子104と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図6に示す機能部4は、z方向から見て、スピン軌道トルク配線5に近づくに従い、段階的にxy面内に広がっている。図6に示す機能部4のうち金属により構成される第2強磁性層2、界面磁性層20、強磁性導電体層11aは、スピン軌道トルク配線5に近づくに従い、外周長又は外径が大きくなる。図6に示す機能部4のうち金属以外により構成される非磁性層3、無機化合物含有層12a、スピン軌道トルク配線5に近づくに従い、外周長又は外径が小さくなる。
第2強磁性層2、界面磁性層20、強磁性導電体層11aの側面2s、20s、11asは、例えば、xy平面に対して傾斜角θ1で傾斜する。非磁性層3、無機化合物含有層12aの側面3s、12asは、例えば、xy平面に対して傾斜角θ2で傾斜する。傾斜角θ1、θ2は、z方向の高さ位置によって異なっていても、一定でもよい。傾斜角θ1と傾斜角θ2とは、異なる。傾斜角θ1は、例えば90°未満であり、傾斜角θ2は例えば90°以上である。
機能部4の側面4sは、不連続である。各層の側面2s、3s、20s、12as、11asの境界において、側面4sは不連続である。側面4sは、例えば、第2強磁性層2と非磁性層3との境界、非磁性層3と界面磁性層20との境界、界面磁性層20と無機化合物含有層12aとの境界、無機化合物含有層12aと強磁性導電体層11aとの境界において、段差を有する。
機能部4を形成する場合に、マスクを介してz方向から加工の後に、x方向またはy方向からイオンミリング(サイドミリング)等を行う場合がある。サイドミリングを行うと、機能部4のx方向及びy方向の幅を小さくでき、機能部4のサイズを微細化できる。サイドミリングの進行度は、層を構成する材料によって異なる。金属は非金属より柔らかい場合が多く、金属の方が非金属よりサイドミリングが進行する場合がある。各層のサイドミリングの進行度の違いにより、機能部4の側面4sは、不連続になる。
以上のような構成とされたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105は、強磁性導電体層11a内でスピン流が発生するので、反転電流密度を低減させることができる。また強磁性導電体層11aの側面11asがxy平面に対して傾斜していることで、スピン軌道トルク配線5から強磁性導電体層11aへの電流の流れがスムーズになる。さらに、側面4sが不連続であることで、絶縁層90との密着性を高めることができる。
また図7は、変形例4に係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7は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105Aをスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105Aは、傾斜角θ2が90°の場合の例である。
図8は、変形例5に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子106の断面模式図である。図8は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子106をスピン軌道トルク配線5のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面である。図8に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子106は、機能部4とスピン軌道トルク配線5との位置関係が異なること以外は、図6に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105と同様である。このため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子105と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子106は、スピン軌道トルク配線5が機能部4に対して+z方向の位置にある。すなわち、スピン軌道トルク配線5は、機能部4より後述する基板Subから離れた位置にある。
機能部4は、第2強磁性層2、非磁性層3、界面磁性層20、無機化合物含有層12a、強磁性導電体層11aを+z方向に順に有する。第2強磁性層2は、第1強磁性層1より後述する基板Subに近い位置にある。機能部4は、ボトムピン構造と言われる場合がある。
スピン軌道トルク配線5は、機能部4及び絶縁層90の+z方向の位置に積層されている。スピン軌道トルク配線5の第1面5a及び第2面5bは、場所によってz方向の高さ位置が異なる。第1面5aは、スピン軌道トルク配線5の機能部4に近い側の面であり、第2面5bは第1面5aと反対側の面である。以下、第1面5aのうち、z方向において機能部4と重なる部分を第1面5aAと称し、重ならない部分を第1面5aBと称する。以下、第2面5bのうち、z方向において機能部4と重なる部分を第2面5bAと称し、重ならない部分を第2面5bBと称する。第1面5aBは、第1面5aAより+z方向に位置する。第1面5aを例えば化学機械研磨(CMP)する際の研磨スピードの違いにより、第1面5aAは第1面5aBに対して−z方向に凹む。第2面5aBは、第2面5aAより+z方向に位置する。第2面5bは、第1面5aの形状を反映する。
以上のような構成とされたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子106は、ボトムピン構造であっても、強磁性導電体層11a内でスピン流が発生するので、反転電流密度を低減させることができる。
<第2実施形態>
(磁気メモリ)
図9は、磁気メモリ200の模式図である。磁気メモリ200は、第1実施形態のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101(図1参照)を複数備える。図1は、図9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101を切断した断面図の一部に対応する。図9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101が3×3のマトリックス配置をしている。図9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101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101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。
ワードラインWL1〜WL3とビットラインBL1〜BL3との間に所定値以上の電圧差を与えることで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101のスピン軌道トルク配線5に電流が流れ、書き込み動作が行われる。またリードラインRL1〜RL3とビットラインBL1〜BL3との間に所定値以上の電圧差を与えることで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の機能部4の積層方向に電流が流れ、読み出し動作を行う。これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101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。
また図10は、図9に示す磁気メモリ200の要部をA−A面に沿って切断した断面図である。磁気メモリ200は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101に接続された複数のスイッチング素子とを有する。
図10に示すスイッチング素子は、トランジスタTrである。トランジスタTrは、ゲート電極Gと、ゲート絶縁膜GIと、基板Subに形成されたソース領域S及びドレイン領域Dと、を有する。基板Subは、例えば、半導体基板である。
トランジスタTrのそれぞれとスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101、ワードラインWL及びビットラインBLとは、導電部Cwを介して、電気的に接続されている。導電部Cwは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。導電部Cwは、導電性を有する材料を含む。導電部Cwは、z方向に延びる。
またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の機能部4には電極80が形成されている。電極80は、導電性を有する材料を含む。電極80は、リードラインRLに接続される。リードラインRLと電極80との間に、スイッチング素子(例えば、トランジスタ)を有してもよい。リードラインRLと電極80との間のスイッチング素子は、図10における紙面奥行き方向(−y方向)に例えば位置する。
記憶素子100とトランジスタTrとは、導電部Cwを除いて、絶縁層90によって電気的に分離されている。
第2実施形態に係る磁気メモリ200は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101を複数有する。上述のように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、それぞれ反転電流密度が小さい。したがって、磁気メモリ200は、低消費電力で駆動できる。
1…第1強磁性層、2…第2強磁性層、3…非磁性層、4…機能部、5…スピン軌道トルク配線、10a…第1積層構造体、10b…第2積層構造体、11a、11b…強磁性導電体層、12a、12b…無機化合物含有層、20…界面磁性層、30…拡散防止層、101、102、103,104,105,106…スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、200…磁気メモリ

Claims (7)

  1. 第1強磁性層と、
    第2強磁性層と、
    前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に位置する非磁性層と、
    前記第1強磁性層が積層されたスピン軌道トルク配線と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第1強磁性層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、
    前記第1強磁性層は、第1積層構造体と界面磁性層とを、前記スピン軌道トルク配線側から順に有し、
    前記第1積層構造体は、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが、前記スピン軌道トルク配線側から順に配置された構造体であり、
    前記強磁性導電体層は、強磁性金属元素を含み、
    前記無機化合物含有層は、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  2. 前記第1積層構造体と前記界面磁性層との間に、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが積層された第2積層構造体が、1つ以上挿入されている、請求項1に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第1積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚が、前記第2積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚よりも厚い、請求項2に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  4. 前記無機化合物含有層の膜厚が1.0nm以下である、請求項1〜3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。
  5. 前記第1強磁性層は、拡散防止層を有し、前記拡散防止層は、前記界面磁性層の前記非磁性層に接する側とは反対側の面に位置する、請求項1〜4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。
  6. 前記界面磁性層は、Co、Fe、Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む、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気抵抗効果素子。
  7. 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気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。
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