JP6551594B1 - 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
Description
図8に示す磁気抵抗効果素子100Aは、磁化固定層1と磁化自由層2とそれらの層に挟まる非磁性層3とを備える機能部10と、スピン軌道トルク配線(SOT配線)20とを備える。符号5はビア、符号6は層間絶縁層である。機能部は非磁性層がトンネルバリアの場合、MTJに相当する。
<第1実施形態>
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スピン軌道トルクの延在方向に沿って切った断面模式図である。図2は、図1に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルクの延在方向に直交する面で切った断面模式図である。なお、図2においては、層間絶縁層6は図示を省略した。
図1に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子100は、磁化方向が固定された第1強磁性層1と、磁化方向が変化する第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とが積層された機能部10と、機能部10の積層方向に対して交差する第1方向に延在し、第2強磁性層2に接合されたスピン軌道トルク配線20と、第1方向に延在すると共に、積層方向からの平面視においてスピン軌道トルク配線20と少なくとも一部が重なるように配置し、さらに積層方向において、スピン軌道トルク配線20から、機能部10の積層方向の厚さの2倍以下の距離で離間して設けられたヒートシンク層30と、を備えている。
ヒートシンク層30はスピン軌道トルク配線20に近接した方がよいとはいえ、以下の通り、放熱以外の観点で近接に限界もある。すなわち、スピン軌道トルク配線20に対して機能部10側に配置する場合は、第2強磁性層の上面に接合された状態が最も近接した配置となる。この場合、ヒートシンク層30とスピン軌道トルク配線20との離間距離は、機能部10の積層方向の厚さと同じになる。一方、ヒートシンク層30をスピン軌道トルク配線20よりも先に形成するような場合(図5参照)、平坦性を確保するために近接するにも限度があり、用いる材料にもよるが、20nm〜50nm程度が下限と考えられる。
機能部10は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。第1強磁性層1は磁化固定層や参照層、第2強磁性層2は磁化自由層や記憶層などと呼ばれる。
CoFe合金またはCoFeB合金いずれの膜厚も0.2〜1.0nm程度とすることが好ましい。
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強磁性層2の一面に位置する。スピン軌道トルク配線20は、第2強磁性層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。
ヒートシンク層30は、スピン軌道トルク配線20の延在方向と同じくx方向に延在すると共に、機能部10の積層方向であるz方向からの平面視においてスピン軌道トルク配線20と少なくとも一部が重なるように配置し、さらにz方向において、スピン軌道トルク配線20の上面20aから、機能部10の積層方向の厚さと同じ距離で離間して設けられている。図1に示す例では、ヒートシンク層30を機能部10の第1強磁性層の上面に接合する構成としており、ヒートシンク層30とスピン軌道トルク配線20との間の離間距離Tは機能部10の厚みに等しい。
ここで、スピン軌道トルク配線20とヒートシンク層30との距離Tとは、機能部10の積層方向であるz方向において、スピン軌道トルク配線20及びヒートシンク層30の対向する面間の距離をいう。図1に示す例では、スピン軌道トルク配線20の上面20aとヒートシンク層30の下面30aとの距離である。
ここで、ビア5と機能部10との積層方向(z方向)に直交する面内の距離LV-Mとは、ビアの側面及び機能部の側面がスピン軌道トルク配線20の上面20aに対して垂直に立設する場合、図1を参照して説明すると、ビア5Aの側面5Aaと機能部10の側面10Aとの間の距離をいう。ビア5Aの側面5Aa及び機能部10の側面10Aの一方、又は両方がスピン軌道トルク配線20の上面20aに対して垂直ではない場合(例えば、下側の断面積が大きくなっているような形状(末広がりの形状)の場合)には、ビアの側面と機能部の側面の距離のうち、最短の距離を距離LV-Mとする。
スピン軌道トルク配線20で発生した熱をヒートシンク層30に直接逃がすのに効果的な長さだからである。
スピン軌道トルク配線20で発生した熱がヒートシンク層30に伝達しやすくなるからである。
図4は、第2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についてyz面に平行な面で切った断面模式図である。
図4に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200は、第1実施形態におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と比べると、第1方向であるx方向に交差する方向(図4の例では、z方向)に延在すると共に、ヒートシンク層と接続し、さらに積層方向に直交する面(xy面)に平行な方向であるy方向からの平面視においてスピン軌道トルク配線と少なくとも一部が重なるように配置するサイドヒートシンク層を備える点が異なる。
第2実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子では、スピン軌道トルク配線の側面側にもヒートシンク層(サイドヒートシンク層)を備えることにより、排熱効果が向上する。
以下では、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と共通する構成については説明を省略する場合がある。
両側に備える構成において、それらのサイドヒートシンク層は同じ構成(材料、各種寸法)であってもよいし、異なる構成であってもよい。
この構成とすることにより、スピン軌道トルク配線20で発生した熱が、機能部10を介さずに、サイドヒートシンク層40を経由して逃げやすくなる。
ここで、サイドヒートシンク層40とスピン軌道トルク配線20との積層方向(z方向)に直交する面内の距離Dとは、サイドヒートシンク層40の内側面40aとスピン軌道トルク配線20の側面20baとの距離をいう。なお、サイドヒートシンク層40Aの内側面40Aaとスピン軌道トルク配線20の側面20baとの距離と、サイドヒートシンク層40Bの内側面40Baとスピン軌道トルク配線20の側面20bbとの距離とが異なる場合には、いずれの距離も距離Tよりも小さいことが好ましい。
そのため、サイドヒートシンク層40は、x方向においてはLV-M/2の位置を含むように配置すると排熱効果が向上する。
サイドヒートシンク層40の材料としてフェライトを用いた場合には、機能部10の第1強磁性層1及び第2強磁性層2に影響を与える外部の磁場を遮断する効果も奏する。
図5は、第3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yz面で切った断面模式図である。
図5に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子300は、第1実施形態におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と比べると、ヒートシンク層がスピン軌道トルク配線を挟んで機能部が配置する側の反対側に配置する構成である点が異なる。
ヒートシンク層を機能部10がない側に配置する構成とすることにより、第1実施形態におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と比べると、ヒートシンク層の配置位置に自由度が増し、ヒートシンク層を、許容範囲の平坦性を確保できる限りにおいて、スピン軌道トルク配線に近接した配置することができる。この近接できる距離について目安を例示すると、30nm程度である。
以下では、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と共通する構成については説明を省略する場合がある。
図6は、第6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yz面で切った断面模式図である。
図6に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子400は、第3実施形態におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と比べると、第1方向であるx方向に交差する方向(図6の例では、z方向)に延在すると共に、ヒートシンク層130と接続し、さらに積層方向に直交する面に平行な方向であるy方向からの平面視においてスピン軌道トルク配線20と少なくとも一部が重なるように配置するサイドヒートシンク層140(140A、140B)を備える点が異なる。
第4実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子では、スピン軌道トルク配線の側面側にもヒートシンク層(サイドヒートシンク層)を備えることにより、排熱効果が向上する。
以下では、第1〜第3実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と共通する構成については説明を省略する場合がある。
両側に備える構成において、それらのサイドヒートシンク層は同じ構成(材料、各種寸法)であってもよいし、異なる構成であってもよい。
この構成とすることにより、スピン軌道トルク配線20で発生した熱が、機能部10を介さずに、サイドヒートシンク層40から逃げやすくなる。
ここで、サイドヒートシンク層40とスピン軌道トルク配線20との積層方向(z方向)に直交する面(xy面)に平行な方向の距離Dは、サイドヒートシンク層140の内側面140aとスピン軌道トルク配線20の側面20baとの距離をいう。なお、サイドヒートシンク層140Aの内側面140Aaとスピン軌道トルク配線20の側面20baとの距離と、サイドヒートシンク層140Bの内側面140Baとスピン軌道トルク配線20の側面20bbとの距離とが異なる場合には、いずれの距離も距離Tよりも小さいことが好ましい。
サイドヒートシンク層140の材料としてフェライトを用いた場合には、機能部10の第1強磁性層1及び第2強磁性層2に影響を与える外部の磁場を遮断する効果も奏する。外部磁場の遮断効果を高めるためには、機能部10の側面10Aを覆うように配置することが好ましい。特に磁化自由層である第2強磁性層2は磁化固定層である第1強磁性層1よりも敏感に外部磁場の影響を受けるので、サイドヒートシンク層140は少なくともる第2強磁性層2の側面を覆うように配置することが好ましい。すなわち、サイドヒートシンク層140(140A、140B)の上面140b(140Ab、140Bb)が、機能部10の積層方向(z方向)において、第2強磁性層2と非磁性層3の界面よりも上側に配置する構成であることが好ましい。
また、サイドヒートシンク層としては、スピン軌道トルク配線20との位置関係で、スピン軌道トルク配線20の側面の両側に配置するもの(サイドヒートシンク層140A、140B)を示した。
本発明の磁気メモリは、上述のいずれかの磁気抵抗効果素子を複数備えている。
本発明の磁気メモリは、磁気抵抗効果素子以外の構成としては公知のものを用いることができる。
上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子はいずれも公知の技術を用いて製造することができるが、以下にその製造例を示す。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子100の製造方法の一例について、図2を参照して説明する。
まず、スピン軌道トルク配線20側から順に、スピン軌道トルク配線20を形成することになる膜、第2強磁性層2を形成することになる膜、及び、非磁性層3を形成することになる膜、第1強磁性層1を形成することになる膜を積層して積層膜を形成する。各層の積層方法としては、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法等の公知の方法を用いることができる。
次いで、CMP研磨(chemical mechanical polishing)により平坦化し、第1強磁性層1を露出させることで、機能部10を形成する。
その後、加工された積層体を覆うように層間絶縁層6を形成することになる膜を積層する。
次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いてヒートシンク層30を形成するための穴をあけ、ヒートシンク層30を埋めて、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子100を製造することができる。
図2に示す例では、その後、電極7を形成する。電極7は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子400の製造方法の一例について、図6を参照して説明する。
まず、ヒートシンク層130側から順に、ヒートシンク層130を形成することになる膜、層間絶縁膜(図示せず)を形成することになる膜、スピン軌道トルク配線20を形成することになる膜、第2強磁性層2を形成することになる膜、及び、非磁性層3を形成することになる膜、第1強磁性層1を形成することになる膜を積層して積層膜を形成する。各層の積層方法としては、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法等の公知の方法を用いることができる。
その後、加工された積層体を覆うように層間絶縁層(図示せず)を形成することになる膜を積層する。
次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いてサイドヒートシンク層140を形成するための穴をあけ、サイドヒートシンク層140を埋める。
次いで、CMP研磨(chemical mechanical polishing)により平坦化し、第1強磁性層1を露出させることで機能部10を形成すると共に、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子400を製造することができる。
図6に示す例では、その後、電極7を形成する。電極7は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。
2 第2強磁性層
3 非磁性層
5、5A、5B ビア
10 機能部
20 スピン軌道トルク配線
30、30A、30B、130、130A、130B ヒートシンク層
40、40A、40B、140、140A、1304 サイドヒートシンク層
Claims (17)
- 磁化方向が固定された第1強磁性層と、磁化方向が変化する第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が積層された機能部と、
前記機能部の積層方向に対して交差する第1方向に延在し、前記第2強磁性層に接合されたスピン軌道トルク配線と、
前記第1方向に延在すると共に、前記積層方向からの平面視において前記スピン軌道トルク配線と少なくとも一部が重なるように配置し、さらに前記積層方向において、スピン軌道トルク配線から、前記機能部の積層方向の厚さの2倍以下の距離で離間して設けられたヒートシンク層と、
を備えたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 前記スピン軌道トルク配線と前記ヒートシンク層の前記積層方向の距離をTとし、前記スピン軌道トルク配線に接続するビアと前記機能部との前記積層方向に直交する面内の距離をLV-Mとしたときに、前記距離Tと前記距離LV-Mの間に、T<LV-M/2、の関係を有する、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。
- 前記ヒートシンク層が、前記第1強磁性層の、前記非磁性層との接合面の反対側の面に接合されている、請求項1又は2のいずれかに記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記ヒートシンク層が、前記スピン軌道トルク配線を挟んで前記機能部が配置する側の反対側に配置する、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。
- 前記積層方向に延在すると共に、前記ヒートシンク層と接続し、さらに前記積層方向に直交する面に平行な方向からの平面視において前記スピン軌道トルク配線と少なくとも一部が重なるように配置するサイドヒートシンク層を備える、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。
- 前記サイドヒートシンク層と前記スピン軌道トルク配線との前記積層方向に直交する面に平行な方向の距離が、前記スピン軌道トルク配線と前記ヒートシンク層の前記積層方向の距離よりも小さい、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。
- 前記サイドヒートシンク層の材料が、Ta、NiCr、Ti、SiN、TiN、フェライト、Ni、及び、Feからなる群から選択された少なくとも1つを含む、請求項5又は6のいずれかに記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記サイドヒートシンク層と前記スピン軌道トルク配線との間に介在する層の材料が、Si、Ta、Al、Mg、Si、及び、Tiからなる群から選択された少なくとも1つを含む酸化物・窒化物である、請求項5〜7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。
- 前記ヒートシンク層の材料が、Ta、NiCr、Ti、SiN、TiN、フェライト、Ni、及び、Feからなる群から選択された少なくとも1つを含む、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気抵抗効果素子。
- 前記ヒートシンク層と前記スピン軌道トルク配線との間に介在する層の材料が、Si、Ta、Al、Mg、Si、及び、Tiからなる群から選択された少なくとも1つを含む酸化物・窒化物である、請求項1〜9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。
- 前記積層方向からの平面視において、前記ヒートシンクの前記第1方向の幅がスピン軌道トルク配線に接続された互いに対向するビア間の距離よりも小さい、請求項1〜10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。
- 請求項1〜11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ていることを特徴とする磁気メモリ。
- 磁化方向が固定された第1強磁性層と、磁化方向が変化する第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が積層された機能部と、
前記機能部の積層方向に対して交差する第1方向に延在し、前記第2強磁性層に接合されたスピン軌道トルク配線と、
前記第1方向に延在すると共に、前記積層方向からの平面視において前記スピン軌道トルク配線と少なくとも一部が重なるように配置し、さらに前記積層方向において、スピン軌道トルク配線から、前記機能部の積層方向の厚さの2倍以下の距離で離間して設けられたヒートシンク層と、
前記積層方向に延在すると共に、前記ヒートシンク層と接続し、さらに前記積層方向に直交する面に平行な方向からの平面視において前記スピン軌道トルク配線と少なくとも一部が重なるように配置するサイドヒートシンク層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 前記サイドヒートシンク層の材料が、Ta、NiCr、Ti、SiN、TiN、フェライト、Ni、及び、Feからなる群から選択された少なくとも1つを含む、請求項13に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記サイドヒートシンク層と前記スピン軌道トルク配線との間に介在する層の材料が、Si、Ta、Al、Mg、Si、及び、Tiからなる群から選択された少なくとも1つを含む酸化物・窒化物である、請求項13または14に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 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強磁性層とに挟まれた非磁性層と、を備えた記憶部と、
前記非磁性層とともに前記第2強磁性層を挟み、且つ電流が流れた場合に前記第2強磁性層にスピン流を供給可能な材料を含んで構成された第1配線と、
前記第1配線とともに前記記憶部を挟み且つ前記記憶部よりも熱伝導性の高い材料を含んで構成されたヒートシンク層と、
前記記憶部とともに前記ヒートシンク層を挟む第1電極と、
を備え、
所定の方向から平面視して、前記第1電極の幅は、前記記憶部の幅よりも大きく、前記ヒートシンク層の幅よりも小さい、記憶素子。 - 前記ヒートシンク層の材料が、Ta、NiCr、Ti、SiN、TiN、フェライト、Ni、及び、Feからなる群から選択された少なくとも1つを含む、請求項16に記載の記憶素子。
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