WO2021181651A1 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび磁化回転素子の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a magnetized rotating element, a magnetoresistive element, a magnetic recording array, a high frequency device, and a magnetized rotating element.
- Giant magnetoresistive (GMR) elements consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the non-magnetic layer are magnetic resistance.
- TMR tunnel magnetoresistive
- insulating layer tunnel barrier layer, barrier layer
- Magnetoresistive elements can be applied to magnetic sensors, high frequency components, magnetic heads and non-volatile random access memory (MRAM).
- MRAM is a storage element in which a magnetoresistive element is integrated.
- the MRAM reads and writes data by utilizing the characteristic that the resistance of the magnetoresistive sensor changes when the directions of magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer in the magnetoresistive element change.
- the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled by using, for example, a magnetic field generated by an electric current. Further, for example, the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled by utilizing the spin transfer torque (STT) generated by passing a current in the stacking direction of the magnetoresistive element.
- STT spin transfer torque
- a write current flows in the stacking direction of the magnetoresistive element.
- the write current causes deterioration of the characteristics of the magnetoresistive element.
- SOT spin-orbit torque
- Patent Document 1 a writing method using spin-orbit torque (SOT) (for example, Patent Document 1).
- SOT is induced by the spin current generated by spin-orbit interaction or the Rashba effect at the interface of dissimilar materials.
- the current for inducing SOT in the magnetoresistive element flows in the direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive element. That is, it is not necessary to pass a current in the stacking direction of the magnetoresistive element, and it is expected that the life of the magnetoresistive element will be extended.
- the spin-orbit torque wiring has a low resistance portion.
- many parts in the length direction of the spin-orbit torque wiring are composed of only low resistance parts, and the generated heat is transferred in the length direction of the wiring. If the heat generated in the spin flow generating part of the spin-orbit torque wiring escapes in the length direction of the wiring through the low resistance part, the effect of assisting the magnetization rotation at the time of writing data cannot be obtained, and the heat is generated in the thin wiring. The wiring may deteriorate due to the accumulation of.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetization rotating element, a magnetoresistive element, a magnetic recording array, and a high-frequency device capable of facilitating data writing while suppressing heat generation in wiring.
- the purpose is to do.
- Another object of the present invention is to provide a method for producing the same.
- the present invention provides the following means for solving the above problems.
- the magnetizing rotating element according to the first aspect is the first strong when viewed from the stacking direction of the spin-orbit torque wiring, the first ferromagnetic layer laminated on the spin-orbit torque wiring, and the spin-orbit torque wiring.
- the spin-orbit torque wiring includes a low resistance layer laminated in a region that does not overlap with the magnetic layer, and the spin-orbit torque wiring has a first region, a second region, and a third region, and the first region is in the stacking direction.
- the second region overlaps with the first ferromagnetic layer and the second region does not overlap with the first ferromagnetic layer and the low resistance layer when viewed from the stacking direction, and the first region and the third region do not overlap with each other.
- the third region is located between the regions and overlaps with the low resistance layer when viewed from the stacking direction.
- the low resistance layer has a resistance lower than that of the spin-orbit torque wiring, and the low resistance layer is It is thinner than the spin-orbit torque wiring.
- the film thickness of the first end of the low resistance layer on the side of the first ferromagnetic layer is located at a position far from the first ferromagnetic layer of the low resistance layer. It may be thinner than the film thickness at the two ends.
- the magnetization rotating element according to the above aspect may further include an oxide layer in contact with the side surface of the first ferromagnetic layer and the second region of the spin-orbit torque wiring.
- the oxide layer may be an oxide of a material constituting the low resistance layer.
- the low resistance layer is composed of a group consisting of Be, Na, Mg, Al, Ca, Co, Cu, Zn, Mo, Rh, Ag, Ir, and Au as main components. It may contain any of the selected.
- the low resistance layer may further contain an element having an atomic number larger than that of yttrium as a sub-component.
- the low resistance layer may be discontinuous in a cross section along the length direction and the stacking direction of the spin-orbit torque wiring.
- the magnetization rotating element according to the above aspect protrudes from the low resistance layer at a position away from the boundary between the second region and the third region when viewed from the stacking direction, and has a convex portion having conductivity. You may also prepare for it.
- the apex of the convex portion may be located at a position lower than the surface of the first ferromagnetic layer opposite to the surface in contact with the spin-orbit torque wiring.
- the combined area of the convex portion and the low resistance layer is larger than the area of the spin orbit torque wiring. You may.
- the spin-orbit torque wiring may contain an element constituting the low resistance layer.
- the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a second oxide layer covering the low resistance layer.
- the magnetoresistive element according to the second aspect includes the magnetization rotating element according to the above aspect and a non-magnetic layer sequentially laminated on the surface of the first ferromagnetic layer opposite to the spin orbit torque wiring. A second ferromagnetic layer is further provided.
- the magnetic recording array according to the third aspect has a plurality of magnetoresistive elements according to the above aspect.
- the high frequency device according to the fourth aspect has the magnetoresistive sensor according to the above aspect.
- the method for manufacturing a magnetizing rotating element is a step of laminating a wiring layer and a magnetic layer in order, and a step of processing the magnetic layer into a desired shape to form a first ferromagnetic layer.
- the method for manufacturing a magnetizing rotating element according to the above aspect may further include a step of etching the conductive material adhering to the side wall of the first ferromagnetic layer after laminating the conductive layers.
- the method for manufacturing a magnetizing rotating element according to the above aspect may further include a step of oxidizing the conductive material adhering to the side wall of the first ferromagnetic layer after laminating the conductive layers.
- the magnetization rotating element, magnetoresistive effect element, magnetic recording array, and high-frequency device according to the present embodiment can facilitate data writing while suppressing heat generation in wiring.
- the x direction is the direction in which the spin-orbit torque wiring 20 described later extends, and is the length direction of the spin-orbit torque wiring 20.
- the z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction.
- the z direction is an example of the stacking direction.
- the + z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction may be expressed as “down”. The top and bottom do not always coincide with the direction in which gravity is applied.
- connection means that, for example, the dimension in the x direction is larger than the minimum dimension among the dimensions in the x direction, the y direction, and the z direction. The same applies when extending in other directions.
- connection is not limited to the case of being physically connected. For example, not only when two layers are physically in contact with each other, but also when two layers are connected with another layer in between is included in “connection”. The case where the two members are electrically connected is also included in the "connection".
- FIG. 1 is a block diagram of the magnetic recording array 200 according to the first embodiment.
- the magnetic recording array 200 includes a plurality of magnetoresistive elements 100, a plurality of write wirings Wp1 to Wpn, a plurality of common wirings Cm1 to Cmn, a plurality of read wirings Rp1 to Rpn, and a plurality of first switching elements 110.
- a plurality of second switching elements 120 and a plurality of third switching elements 130 are provided.
- the magnetic recording array 200 can be used for, for example, a magnetic memory.
- the write wirings Wp1 to Wpn electrically connect the power supply and one or more magnetoresistive elements 100.
- Common wirings Cm1 to Cmn are wirings used both when writing data and when reading data.
- the common wirings Cm1 to Cmn electrically connect the reference potential and one or more magnetoresistive elements 100.
- the reference potential is, for example, ground.
- the common wirings Cm1 to Cmn may be provided in each of the plurality of magnetoresistive elements 100, or may be provided across the plurality of magnetoresistive elements 100.
- the readout wirings Rp1 to Rpn electrically connect the power supply and one or more magnetoresistive elements 100.
- the power supply is connected to the magnetic recording array 200 during use.
- the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 shown in FIG. 1 are connected to the respective magnetoresistive element 100.
- the first switching element 110 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the write wirings Wp1 to Wpn.
- the second switching element 120 is connected between the magnetoresistive element 100 and the common wirings Cm1 to Cmn.
- the third switching element 130 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the read wirings Rp1 to Rpn.
- a write current flows between the write wirings Wp1 to Wpn connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the common wirings Cm1 to Cmn.
- a read current flows between the common wirings Cm1 to Cmn connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the read wirings Rp1 to Rpn.
- the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 are elements that control the flow of current.
- the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 are, for example, a transistor, an element such as an Ovonic Threshold Switch (OTS) that utilizes a phase change of a crystal layer, and a metal insulator transition.
- OTS Ovonic Threshold Switch
- An element such as a (MIT) switch that utilizes a change in band structure, an element that utilizes a breakdown voltage such as a Zener diode and an avalanche diode, and an element whose conductivity changes as the atomic position changes.
- any one of the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 may be shared by the magnetoresistive effect element 100 connected to the same wiring.
- one first switching element 110 is provided upstream of the write wirings Wp1 to Wpn.
- one second switching element 120 is provided upstream of the common wirings Cm1 to Cmn.
- one third switching element 130 is provided upstream of the read wirings Rp1 to Rpn.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of a feature portion of the magnetic recording array 200 according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a cross section of the magnetoresistive element 100 cut along the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 described later in the y direction.
- the first switching element 110 and the second switching element 120 shown in FIG. 2 are transistors Tr.
- the third switching element 130 is electrically connected to the electrode E and is located, for example, in the y direction of FIG.
- the transistor Tr is, for example, a field effect transistor, and has a gate electrode G, a gate insulating film GI, a source S formed on the substrate Sub, and a drain D.
- the substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate.
- the transistor Tr and the magnetoresistive sensor 100 are electrically connected via the conductive portions 41 and 42 and the connection wiring Cw. Further, the transistor Tr and the write wiring Wp or the common wiring Cm are connected by the connection wiring Cw.
- the connection wiring Cw is sometimes referred to as via wiring, for example.
- the connection wiring Cw contains a material having conductivity.
- the connection wiring Cw extends in the z direction, for example.
- the periphery of the magnetoresistive sensor 100 and the transistor Tr is covered with an insulating layer In.
- the insulating layer In is an interlayer insulating layer that insulates between the wirings of the multilayer wiring and between the elements.
- the insulating layer In includes, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), and aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ) and the like.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a plan view of the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a cross section of the magnetoresistive element 100 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- FIG. 4 is a plan view of the magnetoresistive sensor 100 from the z direction.
- the magnetoresistive effect element 100 includes a laminate 10, a spin-orbit torque wiring 20, a low resistance layer 30, a conductive portion 41, a conductive portion 42, and an electrode E.
- the resistance value of the laminated body 10 in the z direction changes when spin is injected into the laminated body 10 from the spin-orbit torque wiring 20.
- the magnetoresistive element 100 is a magnetic element using spin orbit torque (SOT), and may be referred to as a spin orbit torque type magnetoresistive element, a spin injection type magnetoresistive element, or a spin current magnetic resistance effect element. ..
- the laminated body 10 is laminated on the spin-orbit torque wiring 20. Another layer may be provided between the laminate 10 and the spin-orbit torque wiring 20.
- the laminate 10 is sandwiched between the spin-orbit torque wiring 20 and the electrode E in the z direction.
- the laminated body 10 is a columnar body.
- the plan view shape of the laminated body 10 from the z direction is, for example, a circle, an ellipse, or a quadrangle.
- the laminated body 10 has a first ferromagnetic layer 1, a second ferromagnetic layer 2, and a non-magnetic layer 3.
- the first ferromagnetic layer 1 is in contact with, for example, the spin-orbit torque wiring 20 and is laminated on the spin-orbit torque wiring 20.
- Spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20.
- the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives spin-orbit torque (SOT) due to the injected spin, and the orientation direction changes.
- SOT spin-orbit torque
- the second ferromagnetic layer 2 is in the z direction of the first ferromagnetic layer 1.
- the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwich the non-magnetic layer 3 in the z direction.
- the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 each have magnetization.
- the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is less likely to change in the orientation direction than the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 when a predetermined external force is applied.
- the first ferromagnetic layer 1 is called a magnetization free layer
- the second ferromagnetic layer 2 is sometimes called a magnetization fixed layer or a magnetization reference layer.
- the resistance value of the laminated body 10 changes according to the difference in the relative angles of magnetization between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwiching the non-magnetic layer 3.
- the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 include a ferromagnetic material.
- the ferromagnetic material is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing at least one of these metals, and at least one of these metals and B, C, and N. It is an alloy containing the above elements.
- the ferromagnetic material is, for example, Co—Fe, Co—Fe—B, Ni—Fe, Co—Ho alloy, Sm—Fe alloy, Fe—Pt alloy, Co—Pt alloy, CoCrPt alloy.
- the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 may contain a Whistler alloy.
- Heusler alloy contains an intermetallic compound with XYZ or X 2 YZ chemical composition.
- X is a transition metal element or noble metal element of Group Co, Fe, Ni, or Cu on the periodic table
- Y is a transition metal of Group Mn, V, Cr or Ti, or an elemental species of X
- Z is a group III. It is a typical element of Group V.
- the Whisler alloy is, for example, Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Ga c and the like. Whisler alloys have a high spin polarizability.
- the laminate 10 may have an antiferromagnetic layer on the surface of the second ferromagnetic layer 2 opposite to the non-magnetic layer 3 via a spacer layer.
- the second ferromagnetic layer 2, the spacer layer, and the antiferromagnetic layer have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure).
- the synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a non-magnetic layer.
- the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer 2 and the antiferromagnetic layer increases the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 as compared with the case without the antiferromagnetic layer.
- the antiferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like.
- the spacer layer contains, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, Rh.
- the laminated body 10 may have a layer other than the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, and the non-magnetic layer 3.
- a base layer may be provided between the spin-orbit torque wiring 20 and the laminated body 10. The base layer enhances the crystallinity of each layer constituting the laminated body 10.
- the spin-orbit torque wiring 20 is in contact with, for example, one surface of the laminated body 10.
- the spin-orbit torque wiring 20 is an example of wiring, and is a writing wiring for writing data to the magnetoresistive effect element 100.
- the spin-orbit torque wiring 20 has a length in the x direction longer than the y direction when viewed from the z direction, and extends in the x direction. At least a part of the spin-orbit torque wiring 20 sandwiches the first ferromagnetic layer 1 together with the non-magnetic layer 3 in the z direction.
- the spin-orbit torque wiring 20 generates a spin current by the spin Hall effect when the current I flows, and injects spin into the first ferromagnetic layer 1.
- the spin orbit torque wiring 20 gives, for example, a spin orbit torque (SOT) capable of reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
- SOT spin orbit torque
- the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction in which a current flows, based on the spin-orbit interaction when a current is passed.
- the spin Hall effect is common to the normal Hall effect in that the moving (moving) charge (electron) can bend the moving (moving) direction.
- the first spin oriented in the ⁇ y direction is bent in the + z direction
- the second spin oriented in the + y direction is bent in the ⁇ z direction.
- the number of electrons in the first spin and the number of electrons in the second spin generated by the spin Hall effect are equal. That is, the number of electrons in the first spin in the + z direction is equal to the number of electrons in the second spin in the ⁇ z direction.
- the first spin and the second spin flow in the direction of eliminating the uneven distribution of spins. In the movement of the first spin and the second spin in the z direction, the charge flows cancel each other out, so that the amount of current becomes zero.
- a spin current without an electric current is particularly called a pure spin current.
- the electron flow of the first spin is J ⁇
- the electron flow of the second spin is J ⁇
- the spin current JS occurs in the z direction.
- the first spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20.
- the spin orbit torque wiring 20 is any one of metals, alloys, intermetal compounds, metal borides, metal carbides, metal silices, and metal phosphors having a function of generating a spin flow by the spin Hall effect when the current I flows. including.
- the spin-orbit torque wiring 20 contains, for example, a non-magnetic heavy metal as a main component.
- Heavy metal means a metal having a specific density of yttrium (Y) or more.
- the non-magnetic heavy metal is, for example, a non-magnetic metal having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having an atomic number of 39 or more and a large atomic number.
- the spin-orbit torque wiring 20 is composed of, for example, Hf, Ta, and W.
- Non-magnetic heavy metals have stronger spin-orbit interaction than other metals. The spin Hall effect is generated by the spin-orbit interaction, and the spins are likely to be unevenly distributed in the spin-orbit torque wiring 20, and the spin current JS is likely to be generated.
- the spin-orbit torque wiring 20 may also contain a magnetic metal.
- the magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal.
- a small amount of magnetic metal contained in the non-magnetic material becomes a spin scattering factor.
- the trace amount is, for example, 3% or less of the total molar ratio of the elements constituting the spin-orbit torque wiring 20.
- the spin-orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
- a topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistor, but a metallic state in which spin polarization occurs on the surface thereof.
- an internal magnetic field is generated by spin-orbit interaction.
- Topological insulators develop a new topological phase due to the effect of spin-orbit interaction even in the absence of an external magnetic field. Topological insulators can generate pure spin currents with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and breaking of inversion symmetry at the edges.
- Topological insulators include, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , Bi 1-x Sb x , (Bi 1-x Sb x ) 2 For example, Te 3 .
- Topological insulators can generate spin currents with high efficiency.
- the spin-orbit torque wiring 20 may contain elements constituting the low resistance layer 30 described later.
- the spin-orbit torque wiring 20 contains an element constituting the low resistance layer 30, the resistance value of the spin-orbit torque wiring 20 decreases, and the heat generation of the spin-orbit torque wiring 20 is suppressed.
- the concentration thereof is, for example, higher in the order of the third region 23, the second region 22, and the first region 21, which will be described later. It is preferable that the concentration of the element constituting the low resistance layer 30 in the first region 21 that produces the spin to be injected into the first ferromagnetic layer 1 is relatively lower than that in the other regions.
- the spin-orbit torque wiring 20 is divided into a first region 21, a second region 22, and a third region 23.
- the first region 21 is a region that overlaps with the first ferromagnetic layer 1 when viewed from the z direction.
- the second region 22 is a region that does not overlap with the first ferromagnetic layer 1 or the low resistance layer 30 when viewed from the z direction.
- the third region 23 is a region that overlaps with the low resistance layer 30 when viewed from the z direction.
- the first region 21, the second region 22, and the third region 23 are located near the first ferromagnetic layer 1 in this order.
- the second region 22 is, for example, between the first region 21 and the third region 23.
- the thickness of the spin-orbit torque wiring 20 gradually decreases toward a predetermined value as the distance from the first ferromagnetic layer 1 increases.
- the thickness of the first region 21 is thicker than the thickness of the second region 22, and the thickness of the second region 22 is thicker than the thickness of the third region 23.
- the low resistance layer 30 spreads on the spin-orbit torque wiring 20.
- the low resistance layer 30 is in a region that does not overlap with the laminated body 10 when viewed from the z direction.
- the resistivity of the low resistance layer 30 is lower than that of the spin-orbit torque wiring 20.
- the low resistance layer 30 includes, for example, any one selected from the group consisting of Be, Na, Mg, Al, Ca, Co, Cu, Zn, Mo, Rh, Ag, Ir, and Au as the main component.
- the main component means that it occupies 50% or more of the materials constituting the low resistance layer 30.
- the low resistance layer 30 is, for example, any simple substance metal or alloy selected from the group consisting of Be, Na, Mg, Al, Ca, Co, Cu, Zn, Mo, Rh, Ag, Ir, and Au.
- the low resistance layer 30 may further contain an element having a specific gravity of yttrium (Y) or higher as a subcomponent.
- the sub-component has a smaller abundance ratio than the main component, and occupies, for example, 20% or less of the materials constituting the low resistance layer 30.
- the low resistance layer 30 contains a heavy metal, the migration of the low resistance layer 30 can be suppressed. Further, the spin Hall effect can increase the amount of spin generated in the low resistance layer 30.
- the low resistance layer 30 is thinner than the spin-orbit torque wiring 20.
- the film thickness of the first end 30a of the low resistance layer 30 is thinner than the film thickness of the second end 30b.
- the first end 30a of the low resistance layer 30 is an end of the low resistance layer 30 on the first ferromagnetic layer 1 side.
- the second end 30b is an end portion of the low resistance layer 30 opposite to the first end 30a, and is an end portion of the low resistance layer 30 located far from the first ferromagnetic layer 1.
- the film thickness of the low resistance layer 30 gradually increases toward a constant value as the distance from the first end 30a increases.
- the thickness of the low resistance layer 30 is, for example, 5 times or less the bond radius of the elements constituting the low resistance layer 30.
- the bond radius is a value that is half the distance between the rear-adjacent atoms of the crystal of the element constituting the low resistance layer 30.
- the bond radius can be calculated from the size of the crystal lattice described in the database (https://crystdb.nims.go.jp/) of the National Institute for Materials Science (NIMS). Even if the low resistance layer 30 is not crystallized, the bond radius is calculated from the size of the crystal lattice.
- the thickness of the low resistance layer 30 is, for example, 10 ⁇ or less.
- the conductive portion 41 and the conductive portion 42 sandwich the laminated body 10 in the x direction in a plan view from the z direction.
- the conductive portions 41 and 42 are connected to, for example, the connection wiring Cw.
- the conductive portions 41 and 42 are made of a material having excellent conductivity.
- the conductive portions 41 and 42 include, for example, any one selected from the group consisting of Ag, Cu, Co, Al, and Au.
- the electrode E is on the side opposite to the spin-orbit torque wiring 20 of the laminated body 10.
- the electrode E is in contact with, for example, the second ferromagnetic layer 2 of the laminated body 10.
- the electrode E is made of a conductive material.
- the electrode E includes, for example, any one selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ti, Zr, NiCr, and nitrides (eg TiN, TaN, SiN).
- the electrode E is, for example, a laminate of NiCr and Ta.
- the electrode E may function as a cap layer of the laminated body 10. Further, the electrode E may function as a hard mask used in the manufacturing process of the magnetoresistive sensor 100.
- the electrode E may be made of, for example, a transparent electrode material.
- the electrode E is, for example, indium zinc oxide (IZO), indium-tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide system (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide. (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ) and the like may be used.
- IZO indium zinc oxide
- ITO indium-tin oxide
- SnO 2 tin oxide
- ATO antimony oxide-tin oxide system
- ZnO zinc oxide
- FTO indium oxide
- In 2 O 3 indium oxide
- the method for manufacturing the magnetoresistive sensor 100 includes, for example, a first laminating step, a first processing step, a second laminating step, a first insulating step, and a second processing step.
- first laminating step prepare a base for laminating the laminated film.
- impurities are doped at a predetermined position on the substrate Sub to form the source S and the drain D.
- a gate insulating film GI and a gate electrode G are formed between the source S and the drain D.
- the source S, drain D, gate insulating film GI, and gate electrode G serve as transistors Tr.
- an insulating layer having a certain thickness is formed so as to cover the transistor Tr. Further, a connection wiring Cw is formed by forming an opening in the insulating layer and filling the opening with a conductor.
- the write wiring Wp and the common wiring Cm are formed by laminating an insulating layer to a predetermined thickness, forming a groove in the insulating layer, and filling the groove with a conductor.
- an insulating layer having a certain thickness covering them is further laminated. Then, by forming an opening at a position overlapping the connection wiring Cw and filling the conductor, the conductive portions 41 and 42 can be obtained.
- the conductive portions 41 and 42 for example, a material harder than the connection wiring Cw is used.
- the surfaces of the insulating layer and the conductive portions 41 and 42 are chemically mechanically polished (CMP). By using a hard material for the conductive portions 41 and 42, the flatness of the surface is enhanced.
- the first laminating step is performed.
- the wiring layer, the magnetic layer, the non-magnetic layer, and the magnetic layer are laminated in this order on the base in which the insulating layer In and the conductive portions 41 and 42 are exposed on the surface.
- Each layer is laminated by, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), or an atomic laser deposit method.
- the first processing step is performed.
- the laminated film composed of the magnetic layer, the non-magnetic layer, and the magnetic layer is processed into a desired shape to form the laminated body 10.
- the magnetic layer becomes the first ferromagnetic layer 1 or the second ferromagnetic layer 2, and the non-magnetic layer becomes the non-magnetic layer 3.
- the processing is performed by a known method such as photolithography. A part of the laminated film is removed to expose the wiring layer. A part of the surface of the wiring layer that does not overlap with the laminated body 10 is etched when the laminated film is processed.
- the second laminating process is performed.
- a conductive layer having a lower electrical resistance than the wiring layer is laminated on the wiring layer.
- the conductive layer is laminated by, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), or an atomic laser deposit method.
- the conductive layer is laminated on the wiring layer separated from the laminated body 10 by a certain distance due to the shadow effect of the laminated body 10, for example.
- the conductive material adhering to the side wall of the laminated body 10 may be etched. Etching is performed, for example, from an oblique direction inclined with respect to the z direction. The conductive material adhering to the side wall of the laminated body 10 is removed by etching. By removing the conductive material, a short circuit between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 is prevented. Further, by removing the conductive material adhering to the side wall of the first ferromagnetic layer 1, the flow of heat in the x direction through the conductive material and the low resistance layer 30 can be suppressed.
- the conductive material adhering to the side wall of the laminated body 10 may be oxidized. Oxidation reduces the conductivity of the conductive material attached to the side wall of the laminate 10. By reducing the conductivity, a short circuit between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 is prevented. Further, by lowering the conductivity of the conductive material attached to the side wall of the first ferromagnetic layer 1, it is possible to suppress the flow of heat in the x direction through the conductive material and the low resistance layer 30.
- the etching treatment and the oxidation treatment of the conductive material may be used in combination.
- the first insulation step is performed.
- the interlayer insulating layer covering the wiring layer, the laminate 10, and the conductive layer is laminated.
- the interlayer insulating layer is laminated by, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), or an atomic laser deposit method.
- the second processing process is performed.
- the wiring layer and the conductive layer spreading in the in-plane direction are processed into a predetermined shape via the interlayer insulating layer, and the connection in the in-plane direction is cut.
- the processing is performed by a known method such as photolithography.
- the wiring layer becomes a spin-orbit torque wiring 20 by processing, and the conductive layer becomes a low resistance layer 30 by processing.
- the second insulation step is performed.
- the openings formed for cutting the wiring layer and the conductive layer in the second processing step are filled with an insulator.
- the magnetoresistive sensor 100 has a data writing operation and a data reading operation.
- the operation of recording data on the magnetoresistive sensor 100 will be described.
- the first switching element 110 and the second switching element 120 connected to the magnetoresistive element 100 for which data is to be recorded are turned on.
- a write current flows through the spin-orbit torque wiring 20.
- a spin Hall effect occurs, and spin is injected into the first ferromagnetic layer 1.
- the spin injected into the first ferromagnetic layer 1 adds a spin orbital torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 to change the orientation direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
- SOT spin orbital torque
- the direction of the spin injected into the first ferromagnetic layer 1 is reversed, so that the orientation direction of magnetization can be freely controlled.
- the resistance value of the laminated body 10 in the stacking direction is small when the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 are parallel, and the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are small. It becomes large when the magnetization of 2 is antiparallel. Data is recorded in the magnetoresistive element 100 as the resistance value in the stacking direction of the laminated body 10.
- the operation of reading data from the magnetoresistive sensor 100 will be described.
- the first switching element 110 or the second switching element 120 connected to the magnetoresistive element 100 for which data is to be recorded and the third switching element 130 are turned on.
- a read current flows in the stacking direction of the laminated body 10. If the resistance value of the laminated body 10 in the stacking direction is different according to Ohm's law, the output voltage will be different. Therefore, for example, by reading the voltage in the stacking direction of the laminated body 10, the data recorded in the magnetoresistive sensor 100 can be read out.
- the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment can facilitate data writing while suppressing heat generation in wiring. The reason for this will be specifically described below.
- the spin-orbit torque wiring 20 often contains heavy metals. Heavy metals have high electrical resistance and become a heat source. The heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 causes deterioration of the spin-orbit torque wiring 20. On the other hand, the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 lowers the stability of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 at the time of writing, and makes it easier to write data.
- Heat is particularly likely to accumulate at the position corresponding to the midpoint of the first ferromagnetic layer 1 of the spin-orbit torque wiring 20 and the conductive portions 41 and 42 in the x direction when viewed from the z direction. This is because the midpoint is far from the electrodes E and the conductive portions 41 and 42, which are heat exhaust paths.
- the low resistance layer 30 transfers the heat generated in the third region 23 where heat tends to accumulate to the conductive portions 41 and 42. That is, when the low resistance layer 30 is provided on the third region 23, heat generation in the third region 23 is suppressed, and deterioration of the spin-orbit torque wiring 20 is suppressed.
- the heat generated in the first region 21 and the second region 22 is transmitted in the z direction via the electrode E. Since the heat generated in the first region 21 and the second region 22 is less likely to flow in the x direction, the stability of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is lowered, and data can be easily written.
- the thickness of the low resistance layer 30 is thinner than the thickness of the spin-orbit torque wiring 20, it is possible to prevent the heat generated in the first region 21 and the second region 22 from excessively flowing in the x direction.
- the thickness of the low resistance layer 30 becomes thicker as the distance from the first ferromagnetic layer 1 increases, so that the heat exhaust direction of the spin-orbit torque wiring 20 can be more controlled.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 101 according to the second embodiment.
- FIG. 5 is a cross section of the magnetoresistive element 101 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- the magnetoresistive element 101 according to the second embodiment is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it includes an oxide layer 50.
- the same components as those of the magnetoresistive element 100 in the magnetoresistive element 101 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the oxide layer 50 is in contact with the side surface of the laminated body 10 and the second region 22 of the spin-orbit torque wiring 20.
- the oxide layer 50 is in contact with at least the side surface of the first ferromagnetic layer 1 and the upper surface of the second region 22.
- the oxide layer 50 is, for example, an oxide of a material constituting the low resistance layer 30. As described above, the oxide layer 50 can be formed, for example, by oxidizing the conductive material after the second laminating step.
- the magnetoresistive sensor 101 according to the second embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, the oxide layer 50 prevents a short circuit between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. Further, a Rashba effect occurs at the interface between the oxide of the material constituting the low resistance layer 30 and the conductor, and the amount of spin injected into the first ferromagnetic layer 1 increases.
- FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment.
- FIG. 6 is a cross section of the magnetoresistive element 101 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- FIG. 7 is a plan view of the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment.
- the shape of the low resistance layer 31 of the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment is different from that of the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
- the same components as those of the magnetoresistive element 100 in the magnetoresistive element 101 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the low resistance layer 31 is discontinuous in the cut surface cut along the xz plane.
- the low resistance layers 31 are scattered in an island shape in the xy plane, for example. If the design thickness for forming the low resistance layer 31 is sufficiently thin, the atoms constituting the low resistance layer 31 grow in an island shape and become the low resistance layer 31.
- the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, since the low resistance layer 31 is discontinuous in the x direction, it is possible to suppress heat transfer in the x direction. Therefore, it is possible to more easily write data while suppressing heat generation in the wiring.
- FIG. 8 is a plan view of the magnetoresistive sensor 103 according to the first modification.
- FIG. 9 is a plan view of the magnetoresistive sensor 104 according to the second modification.
- the magnetoresistive sensor 103 and 104 are modification examples of the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment.
- the low resistance layer 32 shown in FIG. 8 and the low resistance layer 33 shown in FIG. 9 are both discontinuous in the cut surface cut along the xz plane.
- the low resistance layer 32 is a continuous film having a plurality of openings.
- the low resistance layer 33 is composed of a plurality of films formed in a band shape. In either case, heat transfer can be suppressed in the x direction, and the same effect as that of the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment can be obtained.
- FIG. 10 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 105 according to the fourth embodiment.
- FIG. 10 is a cross section of the magnetoresistive element 105 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- the magnetoresistive element 105 according to the fourth embodiment is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it includes a convex portion 60.
- the same components as those of the magnetoresistive element 100 in the magnetoresistive element 105 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the convex portion 60 projects from the low resistance layer 30 in the z direction at a position away from the boundary between the second region 22 and the third region 23 when viewed from the z direction.
- the convex portion 60 has conductivity.
- the convex portion 60 includes a material having conductivity, and is made of, for example, the same material as the low resistance layer 30.
- the convex portion 60 is defined by the following procedure. In the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction, the slope of the tangent line of the upper surface of the low resistance layer 30 is obtained in order from the first end 30a of the low resistance layer 30. When the absolute value of the slope of the tangent is reduced or constant, the region on the first ferromagnetic layer 1 side of the contact is the low resistance layer 30.
- the region far from the first ferromagnetic layer 1 from the contact point is composed of the low resistance layer 30 and the convex portion 60.
- the boundary line between the low resistance layer 30 and the convex portion 60 is a straight line connecting the contact point immediately before the absolute value of the inclination of the tangent line starts to increase and the upper end of the second end 30b.
- the apex of the convex portion 60 is located, for example, lower than the surface of the first ferromagnetic layer 1 opposite to the surface in contact with the spin-orbit torque wiring 20.
- FIG. 11 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 105 according to the fourth embodiment.
- FIG. 11 is a yz cut surface along the line AA in FIG.
- the combined area of the convex portion 60 and the low resistance layer 30 is larger than, for example, the area of the spin-orbit torque wiring 20.
- the width of the convex portion 60 in the y direction is narrower than the width of the low resistance layer 30 in the y direction, and the width of the low resistance layer 30 in the y direction is narrower than the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- the magnetoresistive sensor 105 according to the fourth embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, by having the convex portion 60 at a position overlapping with the third region 23 where heat tends to be accumulated, it is possible to enhance the heat exhaust property of the heat generated in the third region 23. Further, when the height of the convex portion 60 is not more than a certain value, the heat from the first ferromagnetic layer 1 to the convex portion 60 due to radiation can be reduced, and the heat transfer in the x direction can be suppressed. Therefore, it is possible to more easily write data while suppressing heat generation in the wiring.
- FIG. 12 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 106 according to the fifth embodiment.
- FIG. 12 is a cross section of the magnetoresistive element 106 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- the magnetoresistive element 106 according to the fifth embodiment is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it includes a second oxide layer 70.
- the same components as those of the magnetoresistive element 100 in the magnetoresistive element 106 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the second oxide layer 70 covers the low resistance layer 30.
- the second oxide layer 70 is laminated on the low resistance layer 30.
- the second oxide layer 70 is, for example, an oxide of a material constituting the low resistance layer 30.
- the second oxide layer 70 can be formed, for example, by oxidizing the conductive material after the second laminating step.
- the magnetoresistive sensor 106 according to the fifth embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, a Rashba effect occurs at the interface between the oxide of the material constituting the low resistance layer 30 and the conductor, and the amount of spin injected into the first ferromagnetic layer 1 increases.
- FIG. 13 is a cross-sectional view of the magnetization rotating element 107 according to the sixth embodiment.
- FIG. 13 is a cross section of the magnetization rotating element 107 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
- the magnetizing rotating element 107 according to the sixth embodiment is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it does not have the non-magnetic layer 3 and the second ferromagnetic layer 2.
- the same components as those of the magnetoresistive element 100 in the magnetization rotating element 107 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the magnetizing rotating element 107 is an example of a spin element.
- the magnetizing rotating element 107 evaluates, for example, light incident on the first ferromagnetic layer 1 and reflected by the first ferromagnetic layer 1.
- the magnetizing rotating element 107 can be used, for example, as an optical element such as an image display device that utilizes a difference in the deflection state of light.
- the magnetization rotating element 107 can be used alone as an anisotropic magnetic sensor, an optical element utilizing the magnetic Faraday effect, and the like.
- the magnetizing rotating element 107 according to the sixth embodiment only removes the non-magnetic layer 3 and the second ferromagnetic layer 2, and can obtain the same effect as the magnetoresistive effect element 100 according to the first embodiment.
- FIG. 14 is an example of the high frequency device 201.
- the high frequency device 201 includes a magnetoresistive element 100, an input port 90, lines 91 and 92, a DC power supply 93, an inductor 94, a capacitor 95, and an output port 96.
- the line 91 connects the magnetoresistive element 100 and the output port 96.
- the line 92 branches from the line 91 and reaches the ground Gd via the inductor 94 and the DC power supply 93.
- Known DC power supplies 93, inductors 94, and capacitors 95 can be used.
- the inductor 94 cuts the high frequency component of the current and allows the invariant component of the current to pass through.
- the capacitor 95 passes a high frequency component of the current and cuts an invariant component of the current.
- the inductor 94 is arranged in a portion where the flow of high-frequency current is desired to be suppressed, and the capacitor 95 is arranged in a portion where the flow of direct current is desired to be suppressed.
- the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 undergoes a aging motion.
- the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 vibrates strongly when the frequency of the high-frequency current or high-frequency magnetic field applied to the first ferromagnetic layer 1 is close to the ferromagnetic resonance frequency of the first ferromagnetic layer 1. 1 It does not vibrate very much at a frequency far from the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic layer 1. This phenomenon is called a ferromagnetic resonance phenomenon.
- the resistance value of the laminated body 10 changes due to the vibration of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
- the direct current power supply 93 applies a direct current to the laminated body 10.
- the direct current flows in the stacking direction of the laminated body 10.
- the direct current flows through the lines 91 and 92 and the magnetoresistive element 100 to the ground Gd.
- the potential of the laminate 10 changes according to Ohm's law.
- a high-frequency signal is output from the output port 96 in response to a change in the potential of the laminate 10 (change in resistance value).
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Abstract
本実施形態に係る磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線(20)と、前記スピン軌道トルク配線に積層された第1強磁性層(1)と、前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第1強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層(30)と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、第1領域(21)と第2領域(22)と第3領域(23)とを有し、前記第1領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層と重なり、前記第2領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第1領域と前記第3領域との間にあり、前記第3領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄い。
Description
本発明は、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび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)素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。磁気抵抗効果素子は、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)への応用が可能である。
MRAMは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。MRAMは、磁気抵抗効果素子における非磁性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、磁気抵抗効果素子の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。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用して制御する。
STTを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に書き込み電流が流れる。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。
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、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れる。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。
大きなSOTを得るためには、大きなスピン軌道相互作用を示す材料を配線に用いる必要がある。例えば、TaやWのような重金属は、スピンホール角が大きく、大きなスピン軌道相互作用を示す材料と言われている。しかしながら、これらの重金属は電気抵抗が大きく、発熱源となる。配線で生じた熱は、データを書き込み時に磁化回転をアシストするという効果を有する一方で、配線を劣化させ、場合によっては配線を切断する場合もある。
例えば、特許文献1に記載の素子は、スピン軌道トルク配線が低抵抗部を有する。しかしながら、特許文献1に記載の素子は、スピン軌道トルク配線の長さ方向の多くの部分が低抵抗部のみからなり、発生した熱が配線の長さ方向に移動する。スピン軌道トルク配線のスピン流発生部で生じた熱が低抵抗部を介して配線の長さ方向に逃げると、データの書き込み時に磁化回転をアシストするという効果が得られず、また細い配線に熱が溜まることで配線が劣化する場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ及び高周波デバイスを提供することを目的とする。またその製造方法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の態様にかかる磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層された第1強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第1強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、第1領域と第2領域と第3領域とを有し、前記第1領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層と重なり、前記第2領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第1領域と前記第3領域との間にあり、前記第3領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄い。
(2)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層の前記第1強磁性層側の第1端の膜厚は、前記低抵抗層の前記第1強磁性層から遠い位置にある第2端の膜厚より薄くてもよい。
(3)上記態様にかかる磁化回転素子は、前記第1強磁性層の側面及び前記スピン軌道トルク配線の前記第2領域に接する酸化物層をさらに備えてもよい。
(4)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記酸化物層は、前記低抵抗層を構成する材料の酸化物であってもよい。
(5)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層は、主成分としてBe、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Auからなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
(6)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層は、副成分としてイットリウムより原子番号が大きい元素をさらに含んでもよい。
(7)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の長さ方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記低抵抗層は不連続でもよい。
(8)上記態様にかかる磁化回転素子は、前記積層方向から見て前記第2領域と前記第3領域との境界から離れた位置で、前記低抵抗層から突出し、導電性を有する凸部をさらに備えてもよい。
(9)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記凸部の頂点は、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より低い位置にあってもよい。
(10)上記態様にかかる磁化回転素子の前記スピン軌道トルク配線の長さ方向と直交する断面において、前記凸部と前記低抵抗層とを合わせた面積は、前記スピン軌道トルク配線の面積より大きくてもよい。
(11)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記低抵抗層を構成する元素を含んでもよい。
(12)上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線における前記低抵抗層を構成する元素の濃度は、前記第3領域、前記第2領域、前記第1領域の順で薄くてもよい。
(13)上記態様にかかる磁化回転素子は、前記低抵抗層を覆う第2酸化物層をさらに備えてもよい。
(14)第2の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、前記第1強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に順に積層された非磁性層と第2強磁性層とをさらに備える。
(15)第3の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数有する。
(16)第4の態様にかかる高周波デバイスは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を有する。
(17)第5の態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、配線層と磁性層とを順に積層する工程と、前記磁性層を所望の形状に加工し、第1強磁性層を形成する工程と、前記配線層上に、前記配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する工程と、前記配線層、前記第1強磁性層、前記導電層を覆う層間絶縁層を積層する工程と、前記層間絶縁層を介して、前記配線層及び前記導電層を所望の形状に加工し、スピン軌道トルク配線及び低抵抗層を形成する工程と、を有する。
(18)上記態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、前記導電層を積層した後に、前記第1強磁性層の側壁に付着した導電材料をエッチングする工程をさらに備えてもよい。
(19)上記態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、前記導電層を積層した後に、前記第1強磁性層の側壁に付着した導電材料を酸化する工程をさらに備えてもよい。
本実施形態にかかる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ及び高周波デバイスは、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる。
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。
まず方向について定義する。後述する基板Sub(図2参照)の一面の一方向をx方向、x方向と直交する方向をy方向とする。x方向は、後述するスピン軌道トルク配線20が延びる方向であり、スピン軌道トルク配線20の長さ方向である。z方向は、x方向及びy方向と直交する方向である。z方向は、積層方向の一例である。以下、+z方向を「上」、-z方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
本明細書で「x方向に延びる」とは、例えば、x方向、y方向、及びz方向の各寸法のうち最小の寸法よりもx方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また2つの部材が電気的に接続されている場合も「接続」に含まれる。
「第1実施形態」
図1は、第1実施形態にかかる磁気記録アレイ200の構成図である。磁気記録アレイ200は、複数の磁気抵抗効果素子100と、複数の書き込み配線Wp1~Wpnと、複数の共通配線Cm1~Cmnと、複数の読み出し配線Rp1~Rpnと、複数の第1スイッチング素子110と、複数の第2スイッチング素子120と、複数の第3スイッチング素子130とを備える。磁気記録アレイ200は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。
図1は、第1実施形態にかかる磁気記録アレイ200の構成図である。磁気記録アレイ200は、複数の磁気抵抗効果素子100と、複数の書き込み配線Wp1~Wpnと、複数の共通配線Cm1~Cmnと、複数の読み出し配線Rp1~Rpnと、複数の第1スイッチング素子110と、複数の第2スイッチング素子120と、複数の第3スイッチング素子130とを備える。磁気記録アレイ200は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。
書き込み配線Wp1~Wpnは、電源と1つ以上の磁気抵抗効果素子100とを電気的に接続する。共通配線Cm1~Cmnは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。共通配線Cm1~Cmnは、基準電位と1つ以上の磁気抵抗効果素子100とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Cm1~Cmnは、複数の磁気抵抗効果素子100のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子100に亘って設けられてもよい。読み出し配線Rp1~Rpnは、電源と1つ以上の磁気抵抗効果素子100とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ200に接続される。
図1に示す第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120、第3スイッチング素子130は、それぞれの磁気抵抗効果素子100に接続されている。第1スイッチング素子110は、磁気抵抗効果素子100と書き込み配線Wp1~Wpnとの間に接続されている。第2スイッチング素子120は、磁気抵抗効果素子100と共通配線Cm1~Cmnとの間に接続されている。第3スイッチング素子130は、磁気抵抗効果素子100と読み出し配線Rp1~Rpnとの間に接続されている。
第1スイッチング素子110及び第2スイッチング素子120をONにすると、所定の磁気抵抗効果素子100に接続された書き込み配線Wp1~Wpnと共通配線Cm1~Cmnとの間に書き込み電流が流れる。第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130をONにすると、所定の磁気抵抗効果素子100に接続された共通配線Cm1~Cmnと読み出し配線Rp1~Rpnとの間に読み出し電流が流れる。
第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130は、電流の流れを制御する素子である。第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120及び第3スイッチング素子130は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ(OTS:Ovonic Threshold Switch)のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移(MIT)スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
第1スイッチング素子110、第2スイッチング素子120、第3スイッチング素子130のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子100で、共用してもよい。例えば、第1スイッチング素子110を共有する場合は、書き込み配線Wp1~Wpnの上流に一つの第1スイッチング素子110を設ける。例えば、第2スイッチング素子120を共有する場合は、共通配線Cm1~Cmnの上流に一つの第2スイッチング素子120を設ける。例えば、第3スイッチング素子130を共有する場合は、読み出し配線Rp1~Rpnの上流に一つの第3スイッチング素子130を設ける。
図2は、第1実施形態に係る磁気記録アレイ200の特徴部の断面図である。図2は、磁気抵抗効果素子100を後述するスピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で切断した断面である。
図2に示す第1スイッチング素子110及び第2スイッチング素子120は、トランジスタTrである。第3スイッチング素子130は、電極Eと電気的に接続され、例えば、図2のy方向に位置する。トランジスタTrは、例えば電界効果型のトランジスタであり、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S及びドレイン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と磁気抵抗効果素子100とは、導電部41、42と接続配線Cwとを介して、電気的に接続されている。またトランジスタTrと書き込み配線Wp又は共通配線Cmとは、接続配線Cwで接続されている。接続配線Cwは、例えば、ビア配線と言われることがある。接続配線Cwは、導電性を有する材料を含む。接続配線Cwは、例えば、z方向に延びる。
磁気抵抗効果素子100及びトランジスタTrの周囲は、絶縁層Inで覆われている。絶縁層Inは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する層間絶縁層である。絶縁層Inは、例えば、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)、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(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrOx)等である。
図3は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子100の断面図である。図4は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子100の平面図である。図3は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子100を切断した断面である。図4は、磁気抵抗効果素子100のz方向からの平面図である。
磁気抵抗効果素子100は、積層体10とスピン軌道トルク配線20と低抵抗層30と導電部41、導電部42と電極Eとを備える。積層体10のz方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線20から積層体10にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子100は、スピン軌道トルク(SOT)を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。
積層体10は、スピン軌道トルク配線20上に積層されている。積層体10とスピン軌道トルク配線20との間には、他の層を有してもよい。積層体10は、z方向に、スピン軌道トルク配線20と電極Eとに挟まれる。積層体10は、柱状体である。積層体10のz方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。
積層体10は、第1強磁性層1と第2強磁性層2と非磁性層3とを有する。第1強磁性層1は、例えば、スピン軌道トルク配線20と接し、スピン軌道トルク配線20上に積層されている。第1強磁性層1にはスピン軌道トルク配線20からスピンが注入される。第1強磁性層1の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク(SOT)を受け、配向方向が変化する。第2強磁性層2は、第1強磁性層1のz方向にある。第1強磁性層1と第2強磁性層2は、z方向に非磁性層3を挟む。
第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、それぞれ磁化を有する。第2強磁性層2の磁化は、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1強磁性層1は磁化自由層と言われ、第2強磁性層2は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体10は、非磁性層3を挟む第1強磁性層1と第2強磁性層2との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。
第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、強磁性体を含む。強磁性体は、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である。強磁性体は、例えば、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Ho合金、Sm-Fe合金、Fe-Pt合金、Co-Pt合金、CoCrPt合金である。
第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、ホイスラー合金を含んでもよい。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む。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、Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
積層体10は、第2強磁性層2の非磁性層3と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第2強磁性層2、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造(SAF構造)となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第2強磁性層2と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第2強磁性層2の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、IrMn,PtMn等である。スペーサ層は、例えば、Ru、Ir、Rhからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
積層体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、スピン軌道トルク配線20と積層体10との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体10を構成する各層の結晶性を高める。
スピン軌道トルク配線20は、例えば、積層体10の一面に接する。スピン軌道トルク配線20は配線の一例であり、磁気抵抗効果素子100にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン軌道トルク配線20は、例えば、z方向から見てx方向の長さがy方向より長く、x方向に延びる。スピン軌道トルク配線20の少なくとも一部は、z方向において、非磁性層3と共に第1強磁性層1を挟む。
スピン軌道トルク配線20は、電流I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、第1強磁性層1にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線20は、例えば、第1強磁性層1の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク(SOT)を第1強磁性層1の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果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。
例えば、スピン軌道トルク配線20に電流が流れると、一方向に配向した第1スピンと、第1スピンと反対方向に配向した第2スピンとが、それぞれ電流Iの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、-y方向に配向した第1スピンが+z方向に曲げられ、+y方向に配向した第2スピンが-z方向に曲げられる。
非磁性体(強磁性体ではない材料)は、スピンホール効果により生じる第1スピンの電子数と第2スピンの電子数とが等しい。すなわち、+z方向に向かう第1スピンの電子数と-z方向に向かう第2スピンの電子数とは等しい。第1スピンと第2スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第1スピン及び第2スピンのz方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、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スピンの電子の流れをJ↑、第2スピンの電子の流れを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、z方向に生じる。第1スピンは、スピン軌道トルク配線20から第1強磁性層1に注入される。
スピン軌道トルク配線20は、電流I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を含む。
スピン軌道トルク配線20は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。重金属は、イットリウム(Y)以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、例えば、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。スピン軌道トルク配線20は、例えば、Hf、Ta、Wからなる。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、スピン軌道トルク配線20内にスピンが偏在しやすく、スピン流JSが発生しやすくなる。
スピン軌道トルク配線20は、この他に、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、スピン軌道トルク配線20を構成する元素の総モル比の3%以下である。スピンが磁性金属により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は、物質内部が絶縁体又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は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。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。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は、例えば、SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3などである。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。
スピン軌道トルク配線20は、後述する低抵抗層30を構成する元素を含んでもよい。スピン軌道トルク配線20が低抵抗層30を構成する元素を含むと、スピン軌道トルク配線20の抵抗値が下がり、スピン軌道トルク配線20の発熱が抑制される。スピン軌道トルク配線20が低抵抗層30を構成する元素を含む場合、その濃度は、例えば後述する第3領域23、第2領域22、第1領域21の順に濃い。第1強磁性層1に注入するスピンを生み出す第1領域21における低抵抗層30を構成する元素の濃度は、他の領域より相対的に薄いことが好ましい。
スピン軌道トルク配線20は、第1領域21と第2領域22と第3領域23とに区分される。第1領域21は、z方向から見て、第1強磁性層1と重なる領域である。第2領域22は、z方向から見て、第1強磁性層1とも低抵抗層30とも重ならない領域である。第3領域23は、z方向から見て、低抵抗層30と重なる領域である。例えば、第1領域21、第2領域22、第3領域23の順に、第1強磁性層1の近くにある。第2領域22は、例えば、第1領域21と第3領域23との間にある。
スピン軌道トルク配線20の厚みは、例えば、第1強磁性層1から離れるに従い、所定値に向かって漸近的に薄くなる。第1領域21の厚さは、第2領域22の厚さより厚く、第2領域22の厚さは、第3領域23の厚さより厚い。
低抵抗層30は、スピン軌道トルク配線20上に広がる。低抵抗層30は、z方向から見て積層体10と重ならない領域にある。
低抵抗層30は、スピン軌道トルク配線20より抵抗率が低い。低抵抗層30は、例えば、主成分としてBe、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Auからなる群から選択されるいずれかを含む。主成分とは、低抵抗層30を構成する材料のうちの50%以上を占めることを意味する。低抵抗層30は、例えば、Be、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Auからなる群から選択されるいずれかの単体金属又は合金である。
低抵抗層30は、副成分としてイットリウム(Y)以上の比重を有する元素をさらに含んでもよい。副成分とは、主成分より存在比が少なく、例えば、低抵抗層30を構成する材料のうちの20%以下の割合を占める。低抵抗層30が重金属を含むと、低抵抗層30のマイグレーションを抑制できる。またスピンホール効果により低抵抗層30で生じるスピン量を増やすことができる。
低抵抗層30は、スピン軌道トルク配線20より厚みが薄い。低抵抗層30の第1端30aの膜厚は、第2端30bの膜厚より薄い。低抵抗層30の第1端30aは、低抵抗層30の第1強磁性層1側の端部である。第2端30bは、低抵抗層30の第1端30aと反対側の端部であり、低抵抗層30の第1強磁性層1から遠い位置にある端部である。低抵抗層30の膜厚は、第1端30aから離れるに従い、一定値に向かって徐々に厚くなる。
低抵抗層30の厚みは、例えば、低抵抗層30を構成する元素の結合半径の5倍以下である。結合半径は、低抵抗層30を構成する元素の結晶の再隣接原子間距離の半分の値である。結合半径は、国立研究開発法人物質材料研究機構(NIMS)のデータベース(https://crystdb.nims.go.jp/)に記載の結晶格子の大きさから算出できる。低抵抗層30が結晶化していなくても、結合半径は結晶格子の大きさから算出する。低抵抗層30の厚さは、具体的には例えば、10Å以下である。
導電部41と導電部42とは、z方向からの平面視で、積層体10をx方向に挟む。導電部41、42は、例えば、接続配線Cwに接続されている。導電部41、42は、導電性の優れる材料からなる。導電部41、42は、例えば、Ag、Cu、Co、Al、Auからなる群から選択されるいずれか一つを含む。
電極Eは、積層体10のスピン軌道トルク配線20と反対側にある。電極Eは、例えば、積層体10の第2強磁性層2に接する。電極Eは、導電性を有する材料からなる。電極Eは、例えば、Al、Cu、Ta、Ti、Zr、NiCr、窒化物(例えばTiN、TaN、SiN)からなる群から選択される何れかを含む。電極Eは、例えば、NiCrとTaとの積層体である。電極Eは、積層体10のキャップ層として機能してもよい。また電極Eは、磁気抵抗効果素子100の製造過程に用いられるハードマスクとして機能してもよい。
電極Eは、例えば、透明電極材料からなってもよい。電極Eは、例えば、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、インジウム-スズ酸化物(ITO)、酸化スズ(SnO2)、酸化アンチモン-酸化スズ系(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム(In2O3)等でもよい。電極Eが透明であると、第1強磁性層1又は第2強磁性層2の磁化の配向方向を外部から読み取りやすくなる。
次いで、磁気抵抗効果素子100の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子100の製造方法は、例えば、第1積層工程と、第1加工工程と、第2積層工程と、第1絶縁工程と、第2加工工程と、を有する。
まず第1積層工程の前に、積層膜を積層するベースを準備する。まず基板Subの所定の位置に、不純物をドープしソースS、ドレインDを形成する。次いで、ソースSとドレインDとの間に、ゲート絶縁膜GI、ゲート電極Gを形成する。ソースS、ドレインD、ゲート絶縁膜GI及びゲート電極GがトランジスタTrとなる。
次いで、トランジスタTrを覆うように一定の厚みの絶縁層を形成する。また絶縁層に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで接続配線Cwが形成される。書き込み配線Wp、共通配線Cmは、絶縁層を所定の厚みまで積層した後、絶縁層に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
次いで、これらを覆う一定の厚みの絶縁層をさらに積層する。そして接続配線Cwと重なる位置に開口を形成し、導電体を充填することで、導電部41、42が得られる。導電部41、42は、例えば、接続配線Cwより硬い材料を用いる。絶縁層と導電部41、42との表面を化学機械研磨(CMP)する。導電部41、42に硬い材料を用いることで、表面の平坦性が高まる。
次いで、第1積層工程を行う。第1積層工程では、表面に絶縁層In、導電部41,42が露出したベース上に、配線層、磁性層、非磁性層、磁性層を順に積層する。各層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)、原子レーザデポジッション法で積層される。
次いで、第1加工工程を行う。第1加工工程では、磁性層、非磁性層、磁性層からなる積層膜を所望の形状に加工し、積層体10を形成する。磁性層は第1強磁性層1又は第2強磁性層2となり、非磁性層は非磁性層3となる。加工は、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の方法で行う。積層膜の一部は除去され、配線層が露出する。積層体10と重ならない位置にある配線層の表面の一部は、積層膜を加工する際に、エッチングされる。
次いで、第2積層工程を行う。第2積層工程では、配線層上に、配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する。導電層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)、原子レーザデポジッション法で積層される。導電層は、例えば、積層体10のシャドー効果によって積層体10から一定距離離れた配線層上に積層される。
第2積層工程の後に、積層体10の側壁に付着した導電材をエッチングしてもよい。エッチングは、例えば、z方向に対して傾斜した斜め方向から行う。エッチングにより積層体10の側壁に付着した導電材が除去される。導電材が除去されることで、第1強磁性層1と第2強磁性層2との短絡が防止される。また第1強磁性層1の側壁に付着した導電材を除去することで、導電材及び低抵抗層30を介したx方向への熱の流れを抑制できる。
また第2積層工程の後に、積層体10の側壁に付着した導電材を酸化してもよい。酸化により積層体10の側壁に付着した導電材の導電性が低下する。導電性が低下することで、第1強磁性層1と第2強磁性層2との短絡が防止される。また第1強磁性層1の側壁に付着した導電材の導電性を低くすることで、導電材及び低抵抗層30を介したx方向への熱の流れを抑制できる。導電材のエッチング処理と酸化処理とを、併用してもよい。
次いで、第1絶縁工程を行う。第1絶縁工程では、配線層、積層体10及び導電層を覆う層間絶縁層を積層する。層間絶縁層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)、原子レーザデポジッション法で積層される。
次いで、第2加工工程を行う。第2加工工程では、層間絶縁層を介して、面内方向に広がる配線層及び導電層を所定の形状に加工し、面内方向の繋がりを切断する。加工は、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の方法で行う。配線層は、加工によりスピン軌道トルク配線20となり、導電層は、加工により低抵抗層30となる。
次いで、第2絶縁工程を行う。第2絶縁工程では、第2加工工程で配線層及び導電層を切断するために形成した開口を絶縁体で充填する。このような手順で、第1実施形態にかかる磁気記録アレイ200が得られる。
次いで、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子100の動作について説明する。磁気抵抗効果素子100は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。
まずデータを磁気抵抗効果素子100に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子100に繋がる第1スイッチング素子110及び第2スイッチング素子120をONにする。第1スイッチング素子110及び第2スイッチング素子120をONにすると、スピン軌道トルク配線20に書き込み電流が流れる。スピン軌道トルク配線20に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第1強磁性層1に注入される。第1強磁性層1に注入されたスピンは、第1強磁性層1の磁化にスピン軌道トルク(SOT)を加え、第1強磁性層1の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第1強磁性層1に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。
積層体10の積層方向の抵抗値は、第1強磁性層1の磁化と第2強磁性層2の磁化とが平行の場合に小さく、第1強磁性層1の磁化と第2強磁性層2の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体10の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子100にデータが記録される。
次いで、データを磁気抵抗効果素子100から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子100に繋がる第1スイッチング素子110又は第2スイッチング素子120と、第3スイッチング素子130をONにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体10の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体10の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体10の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子100に記録されたデータを読み出すことができる。
第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子100は、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる。以下、この理由について具体的に説明する。
スピン軌道トルク配線20は、重金属を含む場合が多い。重金属は、電気抵抗が大きく、発熱源となる。スピン軌道トルク配線20で生じた熱は、スピン軌道トルク配線20の劣化の原因となる。一方で、スピン軌道トルク配線20で生じた熱は、書き込み時における第1強磁性層1の磁化の安定性を低下させ、データを書き込みやすくする。
z方向から見てスピン軌道トルク配線20の第1強磁性層1と導電部41,42とのx方向の中点にあたる位置は、特に熱が溜まりやすい。中点は、排熱経路である電極E及び導電部41,42から遠いためである。
低抵抗層30は、熱が溜まりやすい第3領域23で生じた熱を導電部41、42へ伝える。すなわち、第3領域23上に低抵抗層30があると、第3領域23の発熱が抑制され、スピン軌道トルク配線20の劣化が抑制される。
これに対し、第1領域21及び第2領域22上には、低抵抗層30がない。そのため、第1領域21及び第2領域22で生じた熱は、電極Eを介して、z方向に伝わる。第1領域21及び第2領域22で生じた熱がx方向に流れにくくなることで、第1強磁性層1の磁化の安定性が低下し、データの書き込みが容易になる。
また低抵抗層30の厚みが、スピン軌道トルク配線20の厚みより薄いことで、第1領域21及び第2領域22で生じた熱が、過剰にx方向に流れることを抑制できる。
また低抵抗層30の厚みが、第1強磁性層1から離れるに従い厚くなることで、スピン軌道トルク配線20の排熱方向をより制御できる。
「第2実施形態」
図5は、第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子101の断面図である。図5は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子101を切断した断面である。
図5は、第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子101の断面図である。図5は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子101を切断した断面である。
第2実施形態にかかる磁気抵抗効果素子101は、酸化物層50を備える点が、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と異なる。磁気抵抗効果素子101において磁気抵抗効果素子100と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
酸化物層50は、積層体10の側面及びスピン軌道トルク配線20の第2領域22に接する。酸化物層50は、少なくとも第1強磁性層1の側面と第2領域22の上面と接する。酸化物層50は、例えば、低抵抗層30を構成する材料の酸化物である。酸化物層50は、上述のように、例えば、第2積層工程の後に導電材を酸化することで形成できる。
第2実施形態にかかる磁気抵抗効果素子101は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と同様の効果が得られる。また酸化物層50は、第1強磁性層1と第2強磁性層2との短絡を防ぐ。また低抵抗層30を構成する材料の酸化物と導体との界面には、ラシュバ効果が生じ、第1強磁性層1に注入されるスピン量が増える。
「第3実施形態」
図6は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子102の断面図である。図6は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子101を切断した断面である。図7は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子102の平面図である。
図6は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子102の断面図である。図6は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子101を切断した断面である。図7は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子102の平面図である。
第3実施形態にかかる磁気抵抗効果素子102は、低抵抗層31の形状が、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と異なる。磁気抵抗効果素子101において磁気抵抗効果素子100と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
低抵抗層31は、xz平面に沿って切断した切断面において、不連続である。低抵抗層31は、例えば、xy面内に島状に点在している。低抵抗層31を成膜する際の設計厚みが十分薄いと、低抵抗層31を構成する原子は島状に粒成長し、低抵抗層31となる。
第3実施形態にかかる磁気抵抗効果素子102は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と同様の効果が得られる。また低抵抗層31がx方向に不連続であることで、熱がx方向に伝わることを抑制できる。そのため、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みをより容易にすることができる。
また図8は、第1変形例に係る磁気抵抗効果素子103の平面図である。図9は、第2変形例に係る磁気抵抗効果素子104の平面図である。磁気抵抗効果素子103,104は、第3実施形態にかかる磁気抵抗効果素子102の変形例である。
図8に示す低抵抗層32及び図9に示す低抵抗層33は、いずれもxz平面に沿って切断した切断面において、不連続である。低抵抗層32は、複数の開口を有する連続膜である。低抵抗層33は、帯状に形成された複数の膜からなる。いずれの場合でも、熱がx方向に伝わることを抑制でき、第3実施形態にかかる磁気抵抗効果素子102と同様の効果が得られる。
「第4実施形態」
図10は、第4実施形態に係る磁気抵抗効果素子105の断面図である。図10は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子105を切断した断面である。
図10は、第4実施形態に係る磁気抵抗効果素子105の断面図である。図10は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子105を切断した断面である。
第4実施形態にかかる磁気抵抗効果素子105は、凸部60を備える点が、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と異なる。磁気抵抗効果素子105において磁気抵抗効果素子100と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
凸部60は、z方向から見て、第2領域22と第3領域23との境界から離れた位置で、低抵抗層30からz方向に突出する。凸部60は、導電性を有する。
凸部60は、導電性を有する材料を含み、例えば低抵抗層30と同じ材料からなる。低抵抗層30と凸部60とが同じ材料からなる場合は、以下の手順で凸部60を定義する。スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面において、低抵抗層30の第1端30aから順に、低抵抗層30の上面の接線の傾きを求める。接線の傾きの絶対値が減少または一定である場合は、接点より第1強磁性層1側の領域は低抵抗層30である。一方で、接線の傾きの絶対値が増加し始めた場合は、その接点より第1強磁性層1から遠い側の領域は低抵抗層30と凸部60からなる。低抵抗層30と凸部60との境界線は、接線の傾きの絶対値が増加し始める直前の接点と第2端30bの上端とを繋ぐ直線である。
凸部60の頂点は、例えば、第1強磁性層1のスピン軌道トルク配線20と接する面と反対側の面より低い位置にある。
また図11は、第4実施形態にかかる磁気抵抗効果素子105の別の断面図である。図11は、図10におけるA-A線に沿ったyz切断面である。図11に示すように、凸部60と低抵抗層30とを合わせた面積は、例えば、スピン軌道トルク配線20の面積より大きい。また凸部60のy方向の幅は低抵抗層30のy方向の幅より狭く、低抵抗層30のy方向の幅はスピン軌道トルク配線20のy方向の幅より狭い。
第4実施形態にかかる磁気抵抗効果素子105は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と同様の効果が得られる。また熱が溜まりやすい第3領域23と重なる位置に凸部60があることで、第3領域23で生じた熱の排熱性を高めることができる。また凸部60の高さが一定値以下であることで、輻射により第1強磁性層1から凸部60に至る熱を低減し、熱がx方向に伝わることを抑制できる。そのため、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みをより容易にすることができる。
「第5実施形態」
図12は、第5実施形態に係る磁気抵抗効果素子106の断面図である。図12は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子106を切断した断面である。
図12は、第5実施形態に係る磁気抵抗効果素子106の断面図である。図12は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁気抵抗効果素子106を切断した断面である。
第5実施形態にかかる磁気抵抗効果素子106は、第2酸化物層70を備える点が、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と異なる。磁気抵抗効果素子106において磁気抵抗効果素子100と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
第2酸化物層70は、低抵抗層30を覆う。第2酸化物層70は、低抵抗層30上に積層されている。第2酸化物層70は、例えば、低抵抗層30を構成する材料の酸化物である。第2酸化物層70は、上述のように、例えば、第2積層工程の後に導電材を酸化することで形成できる。
第5実施形態にかかる磁気抵抗効果素子106は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と同様の効果が得られる。また低抵抗層30を構成する材料の酸化物と導体との界面には、ラシュバ効果が生じ、第1強磁性層1に注入されるスピン量が増える。
「第6実施形態」
図13は、第6実施形態に係る磁化回転素子107の断面図である。図13は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁化回転素子107を切断した断面である。
図13は、第6実施形態に係る磁化回転素子107の断面図である。図13は、スピン軌道トルク配線20のy方向の幅の中心を通るxz平面で磁化回転素子107を切断した断面である。
第6実施形態にかかる磁化回転素子107は、非磁性層3と第2強磁性層2とを有さない点が、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と異なる。磁化回転素子107において磁気抵抗効果素子100と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
磁化回転素子107は、スピン素子の一例である。磁化回転素子107は、例えば、第1強磁性層1に対して光を入射し、第1強磁性層1で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子107は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。
この他、磁化回転素子107は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。
第6実施形態にかかる磁化回転素子107は、非磁性層3及び第2強磁性層2を除いただけであり、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子100と同様の効果を得ることができる。
ここまで、第1実施形態から第6実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。また磁気抵抗効果素子を磁気メモリとして用いる例を説明したが、磁気抵抗効果素子高周波デバイスに適用してもよい。
図14は、高周波デバイス201の一例である。高周波デバイス201は、磁気抵抗効果素子100と入力ポート90と線路91、92と直流電源93とインダクタ94とコンデンサ95と出力ポート96とを有する。
線路91は、磁気抵抗効果素子100と出力ポート96とを繋ぐ。線路92は、線路91から分岐し、インダクタ94及び直流電源93を介し、グラウンドGdへ至る。直流電源93、インダクタ94、コンデンサ95は、公知のものを用いることができる。インダクタ94は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ95は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ94は高周波電流の流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ95は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。
入力ポート90からスピン軌道トルク配線20に交流電流または交流磁場を印加すると、第1強磁性層1の磁化は歳差運動する。第1強磁性層1の磁化は、第1強磁性層1に印加される高周波電流又は高周波磁場の周波数が、第1強磁性層1の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に強く振動し、第1強磁性層1の強磁性共鳴周波数から離れた周波数ではあまり振動しない。この現象を強磁性共鳴現象という。
積層体10の抵抗値は、第1強磁性層1の磁化の振動により変化する。直流電源93は、積層体10に直流電流を印加する。直流電流は、積層体10の積層方向に流れる。直流電流は、線路91,92、磁気抵抗効果素子100を通りグラウンドGdへ流れる。積層体10の電位は、オームの法則に従い変化する。積層体10の電位の変化(抵抗値の変化)に応じて高周波信号が出力ポート96から出力される。
1 第1強磁性層
2 第2強磁性層
3 非磁性層
20 スピン軌道トルク配線
21 第1領域
22 第2領域
23 第3領域
30、31、32、33 低抵抗層
30a 第1端
30b 第2端
50 酸化物層
60 凸部
70 第2酸化物層
100、101、102、103、104、105、106 磁気抵抗効果素子
107 磁化回転素子
200 磁気記録アレイ
201 高周波デバイス
2 第2強磁性層
3 非磁性層
20 スピン軌道トルク配線
21 第1領域
22 第2領域
23 第3領域
30、31、32、33 低抵抗層
30a 第1端
30b 第2端
50 酸化物層
60 凸部
70 第2酸化物層
100、101、102、103、104、105、106 磁気抵抗効果素子
107 磁化回転素子
200 磁気記録アレイ
201 高周波デバイス
Claims (19)
- スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に積層された第1強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第1強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、第1領域と第2領域と第3領域とを有し、
前記第1領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層と重なり、
前記第2領域は、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第1領域と前記第3領域との間にあり、
前記第3領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄い、磁化回転素子。 - 前記低抵抗層の前記第1強磁性層側の第1端の膜厚は、前記低抵抗層の前記第1強磁性層から遠い位置にある第2端の膜厚より薄い、請求項1に記載の磁化回転素子。
- 前記第1強磁性層の側面及び前記スピン軌道トルク配線の前記第2領域に接する酸化物層をさらに備える、請求項1又は2に記載の磁化回転素子。
- 前記酸化物層は、前記低抵抗層を構成する材料の酸化物である、請求項3に記載の磁化回転素子。
- 前記低抵抗層は、主成分としてBe、Na、Mg、Al、Ca、Co、Cu、Zn、Mo、Rh、Ag、Ir、Auからなる群から選択されるいずれかを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 前記低抵抗層は、副成分としてイットリウム以上の比重を有する元素をさらに含む、請求項5に記載の磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の長さ方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記低抵抗層は不連続である、請求項1~6のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 前記積層方向から見て前記第2領域と前記第3領域との境界から離れた位置で、前記低抵抗層から突出し、導電性を有する凸部をさらに備える、請求項1~7のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 前記凸部の頂点は、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より低い位置にある、請求項8に記載の磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の長さ方向と直交する断面において、前記凸部と前記低抵抗層とを合わせた面積は、前記スピン軌道トルク配線の面積より大きい、請求項8又は9に記載の磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、前記低抵抗層を構成する元素を含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線における前記低抵抗層を構成する元素の濃度は、前記第3領域、前記第2領域、前記第1領域の順で薄い、請求項11に記載の磁化回転素子。
- 前記低抵抗層を覆う第2酸化物層をさらに備える、請求項1~12のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 請求項1~13のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
前記第1強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に順に積層された非磁性層と第2強磁性層とをさらに備える、磁気抵抗効果素子。 - 請求項14に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気記録アレイ。
- 請求項14に記載の磁気抵抗効果素子を有する、高周波デバイス。
- 配線層と磁性層とを順に積層する工程と、
前記磁性層を所望の形状に加工し、第1強磁性層を形成する工程と、
前記配線層上に、前記配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する工程と、
前記配線層、前記第1強磁性層、前記導電層を覆う層間絶縁層を積層する工程と、
前記層間絶縁層を介して、前記配線層及び前記導電層を所望の形状に加工し、スピン軌道トルク配線及び低抵抗層を形成する工程と、を有する、磁化回転素子の製造方法。 - 前記導電層を積層した後に、前記第1強磁性層の側壁に付着した導電材料をエッチングする工程をさらに備える、請求項17に記載の磁化回転素子の製造方法。
- 前記導電層を積層した後に、前記第1強磁性層の側壁に付着した導電材料を酸化する工程をさらに備える、請求項17又は18に記載の磁化回転素子の製造方法。
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CN202080095332.6A CN115039235A (zh) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | 磁化旋转元件、磁阻效应元件、磁记录阵列、高频器件及磁化旋转元件的制造方法 |
JP2022505684A JP7168123B2 (ja) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび磁化回転素子の製造方法 |
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WO2019138778A1 (ja) * | 2018-01-10 | 2019-07-18 | 国立大学法人東北大学 | 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ |
-
2020
- 2020-03-13 JP JP2022505684A patent/JP7168123B2/ja active Active
- 2020-03-13 CN CN202080095332.6A patent/CN115039235A/zh active Pending
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