自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器制造技术

本发明专利技术涉及自旋流磁化反转元件。该自旋流磁化反转元件具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于第1铁磁性金属层的法线方向即第1方向交叉的第2方向延伸，且与第1铁磁性金属层接合；自旋轨道转矩配线具有与第1铁磁性金属层接合的自旋传导层，与自旋传导层接合且与第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层层叠的结构。

Spin Current Magnetization Inversion Element, Magnetoresistance Effect Element and Magnetic Memory

The invention relates to a spin current magnetization inversion element. The spin current magnetization inversion element has: the first ferromagnetic metal layer, its magnetization direction changes; the spin orbit torque wiring, which extends along the normal direction relative to the first ferromagnetic metal layer, i.e. the second direction intersecting in the first direction, and joins with the first ferromagnetic metal layer; the spin orbit torque wiring has a spin conduction layer joined with the first ferromagnetic metal layer, and a spin conduction layer with the spin conduction layer. The spin bonded to the opposite side of the first ferromagnetic metal layer forms a laminated structure.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器
本专利技术涉及自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器。本申请基于2017年3月29日申请于日本的专利申请2017-064871号主张优先权，且将其内容在此引用。
技术介绍
已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨大磁阻(GMR)元件及使用了绝缘层(隧道势垒层，势垒层)作为非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。一般而言，TMR元件的元件电阻比GMR元件的元件电阻高，但TMR元件的磁阻(MR)比大于GMR元件的MR比。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头及非易失性磁阻随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。MRAM利用夹持绝缘层的两个铁磁性层的彼此的磁化方向变化时而TMR元件的元件电阻变化的特性，来读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流产生的磁场进行写入(磁化反转)的方式及利用沿磁阻元件的层叠方向流通电流而产生的自旋转移转矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。使用了STT的TMR元件的磁化反转从能量效率的视点考虑时是有效率的，但用于进行磁化反转的反转电流密度较高。从TMR元件的长寿命的观点来看，希望该反转电流密度较低。这点对于GMR元件也一样。因此，近年来，作为通过与STT不同的机制降低反转电流的方法，利用了通过自旋霍尔效应生成的纯自旋流的磁化反转备受关注(例如，非专利文献1)。通过自旋霍尔效应产生的纯自旋流诱发自旋轨道转矩(SOT)，并通过SOT引起磁化反转。纯自旋流通过向上自旋的电子和向下自旋电子以相同数量相互反向地流通而产生，电荷的流通相抵，因此，流通于磁阻效应元件的电流为零，期待反转电流密度较小的磁阻效应元件的实现。非专利文献1报道了SOT方式的反转电流密度与STT方式的反转电流密度大致相同。然而，目前在SOT方式中报告的反转电流密度不足以实现高集成度和低能耗。为了进一步降低反向电流密度，必须使用产生高自旋霍尔效应的材料。因此，需要一种结构，其除了作为以重金属为首的自旋生成层产生的体(bulk)效应而产生的自旋霍尔效应之外，在不同材料之间的界面处产生的Rashba效应也能有效获得。此外，作为用于SOT方式的磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线(诱发SOT使纯自旋流产生的配线)的材料，可以举出以非专利文献1中所用的Ta为首的重金属材料。这样的重金属材料具有高电阻率，因此形成薄膜或细线时，功耗高也成为问题。此外，在目前使用的自旋轨道转矩配线材料中，与自旋轨道转矩配线接合的铁磁性金属层的晶格匹配难以实现。现有技术文献非专利文献1S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,andH.Ohno,NatureNanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.J.Sinova,S.O.Valenzuela,J.Wunderlich,C.H.Back,T.Jungwirth,ReviewsofModernPhysic,87,1213(2015)
技术实现思路
专利技术所要解决的课题本专利技术正是鉴于上述问题而完成的。本专利技术目的在于提供一种能够有效地获得自旋霍尔效应和界面Rashba效应，并且能够降低功耗的低电阻自旋轨道转矩配线。用于解决课题的方案在被认为是导致SOT产生的原因的各种原理中，本专利技术人特别注意在不同材料之间的界面处产生的界面Rashba效应和重金属材料中的大自旋霍尔效应，构思了组合有这两个效应并且采用低阻抗的材料的结构。因此，为了解决上述课题，本专利技术提供以下方案。(1)本专利技术的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于第1铁磁性金属层的法线方向即第1方向交叉的第2方向延伸，且与第1铁磁性金属层接合；其中，自旋轨道转矩配线具有与第1铁磁性金属层接合的自旋传导层，和与自旋传导层接合且与第1铁磁性金属层相反侧的面接合的自旋生成层层叠而成的结构。(2)在上述(1)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层的膜厚度t1与自旋生成层的膜厚度t2的比率t1/t2可以设计为成为自旋传导层的电阻率ρ1与自旋生成层的电阻率ρ2的比率ρ1/ρ2以下。(3)在上述(1)或(2)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层可以由包含Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge中的至少任一种元素的材料构成。(4)在上述(1)或(2)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层可以是具有空间群Pm-3m的对称性的NiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi，或者具有空间群Fm-3m的对称性的AlN、TaN、YBi、TiC、TiN的任一种的立方晶结构。(5)在上述(1)～(4)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋生成层可以由包含Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任意元素的材料构成。(6)在上述(1)～(5)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层的厚度可以为自旋传导层具有的自旋扩散长度以下的厚度。(7)在上述(1)～(6)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层和第1铁磁性金属层的晶格失配度可以在5％以内。(8)在上述(1)～(7)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋轨道转矩配线的厚度可以为20nm以下。(9)在上述(1)～(8)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，在自旋轨道转矩配线的两端具有低电阻电极，低电阻电极和第1铁磁性金属层的相对的侧面之间的距离可以为自旋传导层的自旋扩散长度以下。(10)本专利技术的一个实施方式涉及的磁阻效应元件具备上述(1)～(9)中任一项所述的自旋流磁化反转元件、磁化方向被固定的第2铁磁性金属层、被第1铁磁性金属层和第2铁磁性金属层夹持的非磁性体层。(11)本专利技术的一个实施方式涉及的磁存储器具备多个上述(10)所述的磁阻效应元件。专利技术效果根据本专利技术的自旋流磁化反转元件，能够有效地获取界面Rashba效应和自旋霍尔效应两种效果，并且能够降低功耗。附图说明图1A是用于说明本专利技术的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的平面示意图。图1B是用于说明本专利技术的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面示意图。图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。图3A是用于说明本专利技术的另一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的平面示意图。图3B是用于说明本专利技术的另一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面示意图。图4是示意性地示出本专利技术的一个实施方式涉及的磁阻效应元件的立体图。符号说明1......第1铁磁性金属层；2......自旋轨道转矩配线；3......自旋传导层；4......自旋生成层；5......低电阻电极；10......自旋流磁化反转元件；100......磁阻效应元件；101......第1铁磁性金属层；102......非磁性层；103......第2铁磁性金属层；104......覆盖层；105......磁阻效应元件部；110......基板；120......自旋轨道转矩配线；130......配线；140......第1电源；150......第2电源具体实施方式以下，适当参照附图详细地说明本专利技术。以下的说明中使用的附图为了容易理解本专利技术的特征，为了方便有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等有时与实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；以及自旋轨道转矩配线，其沿着相对于作为所述第1铁磁性金属层的法线方向的第1方向交叉的第2方向延伸，且与所述第1铁磁性金属层接合，所述自旋轨道转矩配线具有与所述第1铁磁性金属层接合的自旋传导层、和与所述自旋传导层接合且与所述第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层层叠而成的结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.29 JP 2017-0648711.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；以及自旋轨道转矩配线，其沿着相对于作为所述第1铁磁性金属层的法线方向的第1方向交叉的第2方向延伸，且与所述第1铁磁性金属层接合，所述自旋轨道转矩配线具有与所述第1铁磁性金属层接合的自旋传导层、和与所述自旋传导层接合且与所述第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层层叠而成的结构。2.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层的膜厚度t1与所述自旋生成层的膜厚度t2的比率t1/t2设计为成为所述自旋传导层的电阻率ρ1与所述自旋生成层的电阻率ρ2的比率ρ1/ρ2以下。3.如权利要求1或2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层由包含Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge中的至少任一种元素的材料构成。4.如权利要求1或2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层是具有空间群Pm-3m的对称性的NiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi，或者具有空间群Fm-3m的对称性的AlN、TaN、YBi、T...

【专利技术属性】
技术研发人员：盐川阳平，佐佐木智生，川野朋美，佐贯稔，
申请(专利权)人：TDK株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP