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CN113314169B - 磁存储器 - Google Patents

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CN113314169B CN202110489722.8A CN202110489722A CN113314169B CN 113314169 B CN113314169 B CN 113314169B CN 202110489722 A CN202110489722 A CN 202110489722A CN 113314169 B CN113314169 B CN 113314169B
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Abstract

本发明目的在于，提供一种能够降低反转电流且能够提高集成度的磁存储器，具备：多个磁阻效应元件，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层、磁化方向变化的第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层，并保持信息；多个第一控制元件，其控制信息的读入，在多个第一铁磁性金属层每一层连接有一个；多个自旋轨道转矩配线，其沿相对于磁阻效应元件的层叠方向交叉的第一方向延伸，在第二铁磁性金属层的每一层接合一个；多个第二控制元件，其控制流经自旋轨道转矩配线的电流，在自旋轨道转矩配线的每一个第一连接点连接一个；第三控制元件，其分别连接于多个自旋轨道转矩配线的第二连接点，控制信息的写入。

Description

磁存储器
本申请是申请日为2017年10月25日、申请号为201711057038.2、发明名称为磁存 储器的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及磁存储器。
背景技术
已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件及非磁性层中使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。一般而言，与GMR元件相比，TMR元件的元件电阻较高，但磁阻(MR)比比GMR元件大。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头及非挥发性随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
当夹持绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化的朝向变化时，MRAM利用TMR元件的元件电阻变化的特性读写数据。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、或利用沿磁阻效应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。
另外，近年来，MRAM要求高集成化(例如，参照专利文献1)。为了提高MRAM的集成度，需要使TMR元件小型化。但是，当使TMR元件小型化时，磁化的稳定性降低。磁化稳定性的降低成为热等的影响引起的数据改写的原因(例如，专利文献2)。MRAM以数据的长期保存为目的，不允许任意改写数据。
作为提高磁化的稳定性的方法，考虑增大铁磁性层体积的方法、提高铁磁性层的磁各向异性能量的方法。但是，磁各向异性能量是材料固有的，依赖于铁磁性层所使用的材料及铁磁性层与其它层的界面状态。为了实现数据的长期保存，要求将铁磁性层的体积设为规定的尺寸以上。因此，难以忽视这些限制来增大磁各向异性能量。此外，铁磁性层为薄膜，体积与面积为大致同值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-207469号公报
专利文献2：日本特开2011-138604号公报
非专利文献
非专利文献1：I.M.Miron，K.Garello，G.Gaudin，P.-J.Zermatten，M.V.Costache，S.Auffret，S.Bandiera，B.Rodmacq，A.Schuhl，和P.Gambardella，Nature，476，189(2011)。
发明内容
发明所要解决的技术问题
自旋转移转矩(STT)的大小根据沿磁阻效应元件的层叠方向流动的电流的电流密度而决定。因此，为了通过STT进行磁化反转，要求电流密度为规定的值以上。另一方面，提高磁阻效应元件的热稳定性需要“规定的尺寸以上的面积”。因此，为了驱动通过STT进行磁化反转的元件，需要沿磁阻效应元件的层叠方向流通“规定的值以上的电流密度”乘以“规定的尺寸以上的面积”后得到的电流量的电流。
但是，当一个TMR元件或GMR元件中流通的电流量变多时，会对元件的寿命造成影响。例如，TMR元件的绝缘层产生绝缘破坏，元件不能记录数据。
另外，当一个TMR元件或GMR元件中流通的电流量变多时，作为MRAM整体需要的电流量变大。例如，在将元件并联连接的情况下，MRAM整体中需要“一个元件所需要的电流量”ד元件数”的总电流。
另外，当向一个TMR元件或GMR元件流经的电流量变多时，反转电流(漏电流)增加，需要防止该漏电流的电路结构。由此，集成电路的集成率降低。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种磁存储器，其能够降低反转电流，并能够提高集成度。
用于解决技术问题的手段
(1)为了达成上述目的，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200)具备：多个磁阻效应元件(10)，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层(1)、磁化方向变化的第二铁磁性金属层(2)、被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层(3)，并保持信息；多个第一控制元件(读出用控制元件110)，其控制上述信息的读入，并在多个上述第一铁磁性金属层的每一层连接一个；多个自旋轨道转矩配线(20)，其沿相对于上述磁阻效应元件的层叠方向即第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，并在上述第二铁磁性金属层的每一层接合一个自旋轨道转矩配线；多个第二控制元件(元件选择用控制元件120)，其控制上述自旋轨道转矩配线中流通的电流，并在上述自旋轨道转矩配线的每一各第一连接点(电阻22的另一端)连接有一个第二控制元件；第三控制元件(写入用控制元件130)，其分别连接于多个上述自旋轨道转矩配线的第二连接点(电阻21的另一端)，并控制上述信息的写入。
(2)为了达成上述目的，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200A)具备：多个磁阻效应元件(10)，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层(1)、磁化方向变化的第二铁磁性金属层(2)、和被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层(3)，并保持信息；第一控制元件(读出用控制元件110)，其分别连接于多个上述第一铁磁性金属层，并控制上述信息的读入；多个自旋轨道转矩配线(20)，其沿相对于上述磁阻效应元件的层叠方向即第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，并在上述第二铁磁性金属层的每一层接合有一个自旋轨道转矩配线；多个第二控制元件(元件选择用控制元件120)，其控制上述自旋轨道转矩配线中流通的电流，在上述自旋轨道转矩配线的每一个第一连接点(电阻22的另一端)连接一个第二控制元件；多个第三控制元件(写入用控制元件130)，其控制上述信息的写入，在上述自旋轨道转矩配线的每一个第二连接点(电阻21的另一端)连接一个第三控制元件。
(3)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，与上述磁阻效应元件(10)的上述第一方向(z方向)垂直的面上的长轴也可以为上述第二方向(x方向)。
(4)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200)中，上述第一控制元件(读出用控制元件110)和上述第二控制元件(元件选择用控制元件120)也可以在与上述第一方向(z方向)和上述第二方向(x方向)交叉的第三方向(y方向)上接近配置。
(5)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200A)中，上述第二控制元件(元件选择用控制元件120)和上述第三控制元件(写入用控制元件130)也可以在与上述第一方向(z方向)和上述第二方向(x方向)交叉的第三方向(y方向)上接近配置。
(6)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，在存储1比特的上述信息所需的空间区域(面积)中，在将电路结构上的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，上述第三方向(y方向)的长度也可以为8F。
(7)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，在存储1比特的上述信息所需的空间区域(面积)中，在将电路结构上的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，电路结构所需的上述第二方向(x方向)和上述第三方向(y方向)的平面的面积为16F2～1056F2。
(8)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，在上述第二控制元件(元件选择用控制元件120)及上述第三控制元件(写入用控制元件130)中流通的最大电流也可以比上述第一控制元件(读出用控制元件110)中流通的最大电流大。
(9)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，上述磁阻效应元件(10)的电阻值也可以比与上述磁阻效应元件相接的上述自旋轨道转矩配线(20)层的电阻值高。
(10)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，上述第一控制元件(读出用控制元件110)的电阻也可以比上述磁阻效应元件(10)的电阻小。
(11)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，上述磁阻效应元件(10)也可以在上述第二方向(x方向)上以等间隔配置。
(12)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，存储1比特的上述信息所需的区域也可以在上述第二方向(x方向)上以等间隔接近配置。
(13)另外，本发明的一个方式所涉及的磁存储器(200或200A)中，存储1比特的上述信息所需的区域也可以在上述第三方向(y方向)上以等间隔配置。
(14)另外，本发明的一个方式的磁存储器(200B)中，也可以设置与上述磁阻效应元件10相接的绝缘层(181)，且设置用于在夹着上述绝缘层与上述磁阻效应元件的磁化方向垂直的方向上施加磁场的磁场提供配线(182)。
发明效果
根据本发明的一个方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件，能够降低反转电流，并能够提高集成度。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的磁存储器的一个例子的电路图；
图2是三维地配置第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件、读出用控制元件、元件选择用控制元件、以及自旋轨道转矩配线时的立体图；
图3是表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件所使用的控制元件的主要部分的立体示意图；
图4是用于说明配置第一实施方式所涉及的一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图；
图5是表示用于提高第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的集成性的配置的图；
图6是实施方式所涉及的磁存储器中的2比特份的集成电路的配置图像；
图7是第二实施方式的磁存储器的一个例子的电路图；
图8是三维地配置第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件、元件选择用控制元件、读出用控制元件、以及自旋轨道转矩配线时的立体图；
图9是三维地配置第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件、元件选择用控制元件、写入用控制元件、自旋轨道转矩配线、及磁场提供配线时的变形例的立体图；
图10是用于说明配置图9所示的一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图；
图11是示意性地表示自旋轨道转矩型磁阻效应元件的立体图；
图12是用于说明自旋霍尔效应的示意图；
图13是使用了STT的自旋转移转矩型磁阻效应元件的示意图；
图14是比较例的磁阻效应元件不具有形状各向异性时的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的示意图；
图15是从z方向观察第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图；
图16是表示光掩模的形状与从z方向观察所得到的磁阻效应元件的平面形状的对应关系的图。
符号说明
200、200A、200B……磁存储器，1……第一铁磁性金属层，2……第二铁磁性金属层，3……非磁性层，10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、11、12、13、14、15……磁阻效应元件，20、20a、20b、20c、20d……自旋轨道转矩配线，21、21a、21b、21c、21d、22、22a、22b、22c、22d……电阻，100、100a、100b、100c、100d、102……自旋轨道转矩型磁阻效应元件，101……自旋转移转矩型磁阻效应元件，110、110a、110b、110c、110d……读出用控制元件，120、120a、120b、120c、120d……元件选择用控制元件，130、130a、130b、130c、130d……写入用控制元件，T……控制元件，S……源电极，D……漏电极，C……通道，151～157、171～173、181……配线，161……贯通通路，191……绝缘层，192……磁场提供配线
具体实施方式
以下，参照附图说明实施方式。以下的说明中使用的附图为了容易理解本发明的特征，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不同。为了容易理解实施方式的特征，为了方便，以下的说明中使用的附图有时会将成为特征的结构的一部分抽出。以下说明中示例的材料、尺寸等为一例，实施方式不限定于这些，可以在实现本发明效果的范围内适当变更并实施。
＜第一实施方式＞
说明磁存储器200的电路例。后面对自旋轨道转矩型磁阻效应元件的动作原理等进行叙述。
图1是第一实施方式所涉及的磁存储器200的一个电路图的例子。图1中，将磁阻效应元件10的层叠方向设为z方向，将自旋轨道转矩配线20延伸的第一方向设为x方向，将与z方向及x方向均正交的第二方向设为y方向。
图1所示的磁存储器200具备：自旋轨道转矩(Spin-Orbit Torques；SOT)型磁阻效应元件100(100a、100b、100c、100d)、读出用控制元件110(110a、110b、110c、110d；第一控制元件)、元件选择用控制元件120(120a、120b、120c、120d；第二控制元件)、以及写入用控制元件130(130a、130c；第三控制元件)。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100a具备磁阻效应元件10a及自旋轨道转矩配线20a。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b具备磁阻效应元件10b及自旋轨道转矩配线20b。
磁阻效应元件10a具备：磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1、磁化方向变化的第二铁磁性金属层2、以及被夹持于第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2的非磁性层3。自旋轨道转矩配线20a具备电阻21a及电阻22a。磁阻效应元件10b具备：第一铁磁性金属层1、第二铁磁性金属层2以及非磁性层3。自旋轨道转矩配线20b具备电阻21b及电阻22b。另外，自旋轨道转矩配线20沿相对于磁阻效应元件10的层叠方向(即第一方向，z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，且与第二铁磁性金属层2接合。另外，磁存储器200中，与磁阻效应元件10的第一方向(z方向)垂直的面的长轴为第二方向(x方向)。
以下的说明中，未特定自旋轨道转矩型磁阻效应元件100a、100b、100c和100d中的一个的情况称为自旋轨道转矩型磁阻效应元件100。未特定读出用控制元件110a、110b、110c和110d中的一个的情况称为读出用控制元件110。未特定元件选择用控制元件120a、120b、120c和120d中的一个的情况称为元件选择用控制元件120。未特定写入用控制元件130(130a、130c)中的一个的情况称为写入用控制元件130。未特定磁阻效应元件10a和10b中的一个的情况称为磁阻效应元件10。未特定自旋轨道转矩配线20a和20b中的一个的情况称为自旋轨道转矩配线20。
[磁存储器200的连接关系]
在此，说明磁存储器200的连接关系。
读出用控制元件110a具备：漏电极D、通道C(均称为栅电极G)、源电极S。漏电极D与连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S与磁阻效应元件10a的第一铁磁性金属层1连接。
磁阻效应元件10a的第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20a接合，并连接于电阻21a与电阻22a之间的中间连接点。
电阻21a的一端(与中间连接点相反侧的端部，以下称为“第二连接点”)连接于写入用控制元件130a的源电极S、自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b具备的自旋轨道转矩配线20b的电阻21b的第二连接点、和与基准电位连接的端子。
电阻22a的一端(与中间连接点相反侧的端部，以下称为“第一连接点”)连接于元件选择用控制元件120a的漏电极D。
元件选择用控制元件120a中，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S连接于元件选择用控制元件120b的源电极S和读出数据的读出端子。
写入用控制元件130a中，漏电极D与连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
读出用控制元件110b中，漏电极D与连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S连接于磁阻效应元件10b的第一铁磁性金属层1。
磁阻效应元件10b的第二铁磁性金属层2连接于电阻21b与电阻22b之间的中间连接点。
电阻22b的第一连接点连接于元件选择用控制元件120b的漏电极D。
元件选择用控制元件120b的通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
此外，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100c、100d)、读出用控制元件110(110c、110d)、元件选择用控制元件120(120c、120d)、以及写入用控制元件130c的连接关系与自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a、100b)、读出用控制元件110(110a、110b)、元件选择用控制元件120(120a、120b)、以及写入用控制元件130a的连接关系一样。
磁阻效应元件10的电阻值也可以比与磁阻效应元件10相接的自旋轨道转矩配线20的电阻值高。根据这种结构，难以从自旋轨道转矩配线向磁阻效应元件流通电流。其结果，由自旋轨道转矩配线供给的自旋量变大，能够通过较少的电流进行磁化反转。
另外，磁存储器200中，也可以使读出用控制元件110的电阻值比磁阻效应元件10的电阻值小。通过做成这种结构，读入时的磁阻(Magnetic Resistance；MR)变大，能够降低读入错误。
自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a、100b、100c和100d)，是利用了自旋轨道转矩的磁阻效应元件，并且是保持数据的元件。
读出用控制元件110(110a、110b、110c和110d)、元件选择用控制元件120(120a、120b、120c和120d)、以及写入用控制元件130(130a和130c)分别是FET(场效应晶体管，Field-Effect Transistor)等的开关元件。
图1所示的电路图为一个例子，并不限于此。例如，磁阻效应元件10也可以在纵方向为两个以上，也可以在横方向为两个以上。例如，横方向为三个，还可以具备磁阻效应元件10e和磁阻效应元件10f。在该情况下，写入用控制元件130a的源电极S经由连接于磁阻效应元件10e的电阻22与第二铁磁性金属层2连接，写入用控制元件130b的源电极S经由连接于磁阻效应元件10f的电阻22与第二铁磁性金属层2连接。
[读出动作时的漏电流、写入动作时的漏电流]
接下来，说明磁存储器200中的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a和100b)、读出用控制元件110(110a和110b)、元件选择用控制元件120(120a和120b)、以及写入用控制元件130a的动作。
首先，说明读入数据时的动作例。
在向自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b读入数据时，读出用控制元件110b和元件选择用控制元件120b被控制为接通状态。此时，其它控制元件为切断状态。在数据的读入时，可以从读出用控制元件110b向磁阻效应元件10b的层叠方向流通电流，并能够读出磁阻效应元件10b的电阻值变化。
在此，从读出用控制元件110b的漏极供给的电流值为1mA的情况下，在磁阻效应元件10b流通1mA的电流，且该电流的大部分能从元件选择用控制元件120b读出。在自旋轨道转矩配线20b的电阻21b侧流通约0.13[nA(纳安)]。这样，在横方向上靠近的元件选择用控制元件120a流通约1.7[pA(皮安)]的漏电流。即，本实施方式的磁存储器200在读入时的漏电流极少。
接下来，说明数据的写入时的动作例。
在向自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b写入数据时，元件选择用控制元件120b和写入用控制元件130a被控制为接通状态，从写入用控制元件130a的源极向自旋轨道转矩配线20b流通电流。此时，其它控制元件为切断状态。由此，能够进行磁阻效应元件10b的第二铁磁性金属层2的磁化反转(写入)。
在此，在从写入用控制元件130a的源极流通的电流值为1mA的情况下，在自旋轨道转矩配线20b流通大致1mA的电流。在横方向上接近的元件选择用控制元件120a中流通的漏电流仅为约1.7[pA]。即，本实施方式的磁存储器200在写入时的电流泄漏极少。
[集成度]
接下来，说明集成度。
图1所示的磁存储器200中，例如写入用控制元件130a能够跨过多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a、100b)，并一起设置至集成基板的端部等。换而言之，图1所示的磁存储器200中，写入用控制元件130a不会对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a、100b)的集成性造成较大的影响。因此，可以说对集成电路的集成性造成影响的一个单位单元由一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件构成。两个控制元件是磁存储器200中的读出用控制元件110和元件选择用控制元件120。
以往，认为使用了SOT的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中分别需要三个控制元件，但通过上述那样配置，能够将对集成性造成影响的控制元件收纳至两个。
接下来，说明将磁存储器200做成集成电路时的结构例和配置例。
图2是三维地配置第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100、读出用控制元件110、元件选择用控制元件120、及自旋轨道转矩配线20时的立体图。图2中，将磁阻效应元件10的层叠方向设为z方向，将自旋轨道转矩配线20延伸的第一方向设为x方向，将与z方向及x方向的任一者均正交的第二方向设为y方向。另外，图2中，符号151～符号157分别表示设于各层的配线。另外，符号161表示将配线和配线连接的贯通通路。
此外，图2所示的配置例为一个例子，不限于此。
如图2所示，磁阻效应元件10与自旋轨道转矩配线20接合。
磁阻效应元件10的第一铁磁性金属层1经由配线151～配线153和贯通通路161，与读出用控制元件110连接。
自旋轨道转矩配线20的一端(第一连接点)经由配线154和贯通通路161与元件选择用控制元件120连接，另一端(第二连接点)经由贯通通路161与配线155连接。此外，在配线155上连接有写入用控制元件130(图1)。
如图2所示，集成化的磁存储器200在磁阻效应元件10的z方向的下方配置有读出用控制元件110和元件选择用控制元件120。集成化的磁存储器200的写入用控制元件130与共用位连接。比特为信息的单位，在实施方式中，将能够读出·写入1比特的信息的电路结构设为一个集合。
如图2所示，磁存储器200中，元件选择用控制元件120和写入用控制元件130在与第一方向(z方向)和第二方向(x方向)交叉的第三方向(y方向)上靠近配置。
磁存储器200中，在元件选择用控制元件120及写入用控制元件130中流通的最大电流也可以比在读出用控制元件110中流通的最大电流大。
图2中，将读出用控制元件110的x方向的长度以与元件选择用控制元件120相同的长度表示，但读出用控制元件110的x方向的长度只要为加上了配线156、绝缘空间量和配线153的x方向的长度即可。例如，将电路结构中的长度的最小加工尺寸设为F时，读出用控制元件110的x方向的最小的长度为3F。另外，读出用控制元件110的y方向的最小的长度为3F。由此，能够使读出用控制元件110比其它控制元件更小地构成。
接下来，研究一个单位单元的大小。
一个单位单元可以根据一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件来决定。因此，如何配置这些元件成为问题。另外，需要估计为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件恰当地工作所需要的各个元件尺寸。
首先，估计为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件恰当地工作所需要的各个元件尺寸。
在使用了自旋转移转矩(Spin Transfer Torque；STT)的SRAM(Static RandamAccess Memory，以下称为“STT-SRAM”)中，作为一个例子，可使用直径90nm的圆柱状的磁阻效应元件。在该情况下，从层叠方向观察磁阻效应元件时的截面面积成为(90/2)2×π＝6361nm2。具有该尺寸的截面面积的磁阻效应元件即使受到热干扰等的影响，也能够稳定地保持数据10年时间。
为了稳定地保持数据所需要的磁阻效应元件的截面面积在本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中也相等。因此，作为从层叠方向观察磁阻效应元件时的截面面积，需要为6300nm2程度。该截面面积在x方向的长度为L1且y方向的长度为L2的立方体形状的磁阻效应元件中对应于“x方向的长度L1”乘以“y方向的长度L2”的值。
x方向的长度L1和y方向的长度L2能够任意地设定。可以说现状的半导体中的最小加工尺寸(feature size：F)为7nm。在该情况下，y方向的长度L2最低也为7nm，x方向的长度成为900nm。除此以外，还可以如以下的表1所示设定x方向的长度L1及y方向的长度L2。任意情况下均为(y方向的长度L2)×(x方向的长度L1)≒6300nm2，并能够稳定地保持数据。
表1是表示改变了磁阻效应元件10的x方向的长度L1及y方向的长度L2时分别需要的电流量的表。任意一项电流量均是与具有同程度的数据保持性的STT-SRAM的磁化反转所需的400μA相比充分小的值。
【表1】
另外，如表1所示，在为了存储1比特的信息所需要的空间区域(面积)中，在将电路结构中的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，电路结构所需要的第二方向(x方向)和第三方向(y方向)的平面的面积的最大值为1056F2。另外，假定能够将磁阻效应元件减少至元件的能够微细化的尺寸，磁阻效应元件能够以1F2制作。控制元件的最小尺寸能够以3F2制作，控制元件需要至少两个。因此，在控制元件排列的方向上需要7F2。作为将构成的单元彼此分开的区域，至少在第二方向(x方向)和第三方向(y方向)分别需要1F2，因此，为了存储1比特的信息所需要的空间区域(面积)成为(1+1)×(7+1)F2，且需要16F2。即，第二方向(x方向)和第三方向(y方向)的平面的面积的最小值为16F2。
另一方面，为了用作存储元件，需要能够改写数据。
STT-SRAM中为了反转磁阻效应元件的磁化(改写数据)，需要“磁阻效应元件的截面面积”乘以“磁化反转所需要的电流密度”的电流量。例如，当将该电流量设为400μA时，磁化反转所需要的电流密度成为400μA/6361nm2＝6.2×106A/cm2。
本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中，为了改写数据，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积(WH)”的电流。
由于磁阻效应元件的截面面积相等，因此，“磁化反转所需要的电流密度”与为了使STT-SRAM中的磁阻效应元件进行磁化反转所需要的电流密度不会大幅变化。即，能够设为6.2×106A/cm2。
另外，“自旋轨道转矩配线20的截面面积(WH)”可以如以下决定。自旋轨道转矩配线20的宽度W需要为磁阻效应元件10的y方向的长度L2以上。另外，自旋轨道转矩配线20的厚度H根据自旋轨道转矩配线20的宽度W不同而不同，但为了流通充分的电流，需要10nm左右。
即，本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100中改写数据所需要的最小电流成为“磁化反转所需要的电流密度”乘以“y方向的长度L2(＝自旋轨道转矩配线20的宽度W)”和“自旋轨道转矩配线20的厚度H”的值。
另一方面，磁化反转所需要的电流的控制可以通过各个控制元件进行。换而言之，各个控制元件需要仅流通磁化反转所需要的电流的能力。即，可以根据磁化反转所需要的电流量估计各个控制元件所需要的元件尺寸。
图3是表示第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件所使用的控制元件的主要部分的立体示意图。读出用控制元件110、元件选择用控制元件120以及写入用控制元件130中能够使用相同的元件，因此，以下，作为控制元件T进行说明。如图3所示，控制元件T具有源电极S、漏电极D和通道C。
将源电极S的宽度、漏电极D的宽度以及源电极S与漏电极D的距离以最小加工尺寸F固定时，决定能够在源电极S与漏电极D间流通的每单位宽度Wa的规定的电流量。在将单位宽度设为1μm的情况下，作为一个例子，规定的电流量成为0.5mA。在该情况下，如表1所示的实施例1那样，如果磁化反转所需要的反转电流为4μA，则控制元件的宽度Wc需要设为8μm以上。表1中还表示了其它例子的需要的控制元件的宽度Wc。
如上所述，可以根据为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及两个控制元件T恰当地工作所需要的各个元件尺寸。接下来，研究如何配置一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件T。
图4是用于说明为了配置第一实施方式所涉及的一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件和两个控制元件所需要的单元尺寸的图。
将自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的大小以最小加工尺寸标准化表示时，x方向的长度L1成为n1F，y方向的长度L2成为n2F。n1及n2为设计值，但具有如表1所示那样的相对关系。
另一方面，为了确保源电极的宽度、漏电极的宽度、以及源电极与漏电极间的通道区域，控制元件T的一边的长度需要为3F。与之相对，另一边的长度n3F根据通道C中流通的电流量决定(参照表1)。
将这些元件配设于规定的区域R内。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和控制元件T不需要在同一平面上加工，从z方向观察可以重叠。与之相对，控制元件T在配线等的处理关系上，沿y方向并联地接近配置。
在存在于同一平面的接近的元件间，需要用于避免元件彼此的短路的空间。该空间中至少需要相应于最小加工尺寸F的间隔。这样，作为集成电路的单位单元，y方向上需要8F量的宽度。即，在为了存储1比特的上述信息所需要的空间区域(面积)中，在将电路结构中的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，第三方向(y方向)的长度为8F。
集成电路的单位单元的x方向上，需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)或控制元件T的x方向的长度(n3F)的任一较大的一方以上的大小。作为实际制作贯通通路的空间(2F)、确保邻接的元件间的距离的空间(1F)，需要自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)或控制元件T的x方向的长度(n3F)的任一较大的一方的值上加上3F的量的宽度。
如表1所示，在除实施例11以外的大部分情况下，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的x方向的长度(n1F)决定集成电路的单位单元所需要的x方向的大小。
这样，集成电路的单位单元所需要的单元面积成为8F×{(n1F或n3F)+3}。在此，“n1F或n3F”可以选择任一较大的一方。改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积如表1中所示。
单元面积随着磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n1F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)之差越大而变得越大。其理由是由于，如图4所示，未形成元件的死区DS增加。即，从集成性的观点来看，磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n1F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)之差越小越好。此外，如图5所示，也可以以弥补死区DS的方式，配设自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及控制元件T，并提高集成度。
图5是表示用于提高第一实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的集成性的配置的图。图5所示的例子是配置了3组自旋轨道转矩型磁阻效应元件100及控制元件T的例子。
如图5所示，磁存储器200中，磁阻效应元件10也可以在第二方向(x方向)及第三方向(y方向)中的至少一个方向以等间隔来配置。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，如图5所示，磁存储器200中，存储1比特的信息所需要的区域也可以在第二方向(x方向)上以等间隔接近配置。由此，根据本实施方式，可以提高集成度。
另外，如图5所示，磁存储器200中，存储1比特的信息所需要的区域也可以在第三方向(y方向)上以等间隔配置。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
图6是本实施方式的磁存储器200中的2比特份的集成电路的配置图像。图6的坐标系与图2一样。图2中，将由图1所示的电路中的与磁阻效应元件10a和磁阻效应元件10b相关的电路构成的2比特份的集成电路的配置例表示为图像。
如图6所示，显示在死区中能够将各配线、各贯通通路、各控制元件配置于各层的空间。通过这样配置，以xy平面观察时，能够以图5中说明那样进行配置。
另外，图6所示的例子也是读出用控制元件110的大小比元件选择用控制元件120的大小小的例子。
另外，图6中作为控制元件，是将元件选择用控制元件120和写入用控制元件130装入单位单元，并根据图1的电路图的结构。如图6所示，连接三个控制元件的配线不会相互短路地环绕。即，可知考虑立体结构图5所示的控制元件的配置也可能。此外，确认到即使在根据图1的电路图的情况下(省略图示)，也能够采用立体结构。
另一方面，从减小反转电流量的观点出发，即使磁阻效应元件10的x方向的宽度L1(n2F)与控制元件T的x方向的长度(n3F)的差变大，也优选减小磁阻效应元件10的y方向的宽度L2(n2F)。
在此，表2中表示了将最小加工尺寸F做成10nm并进行了同样的研究的结果，表3中表示了将最小加工尺寸F做成28nm并进行了同样的研究的结果。表2及表3中，均能够确认到与表1的结果相同的结果。
【表2】
【表3】
此外，比较例1～5(表3)中，磁阻效应元件的y方向的宽度L2比x方向的宽度L1大，磁化反转所需要的反转电流量较大。另外，集成电路的单元面积的x方向的宽度引起控制元件的大小，集成度变差。
另外，表1～表3所示的例子在10年间、持续保持的条件下计算信息(数据)。
在将MRAM用于缓存等的情况下，保持信息的时间较短。因此，作为一个例子，将保持信息的时间为1秒的情况的例子示于表4～表6中。
表4是表示保持信息的时间为1秒时的改变了磁阻效应元件10的x方向的长度L1及y方向的长度L2的情况下分别需要的电流量的表。
表4是最小加工尺寸F为7nm，且与表1对应的表。任意电流量均是与具有同程度的数据保持性的STT-MRAM的磁化反转所需要的400μA相比充分小的值。
【表4】
表5是表示保持信息的时间为1秒时的改变磁阻效应元件10的x方向的长度L1及y方向的长度L2的情况下分别需要的电流量的表。表5是最小加工尺寸F为10nm，且与表2对应的表。
【表5】
表6是表示保持信息的时间为1秒时的改变磁阻效应元件10的x方向的长度L1及y方向的长度L2的情况下分别需要的电流量的表。表6是最小加工尺寸F为28nm，且与表3对应的表。表5及表6中均能够确认到与表4的结果相同的结果。
【表6】
如以上，本实施方式的磁存储器200具备：多个磁阻效应元件10，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1、磁化方向变化的第二铁磁性金属层2、被第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2夹持的非磁性层3，并保持信息(数据)；多个第一控制元件(读出用控制元件110)，其控制信息的读入，并在多个第一铁磁性金属层1的每层连接一个该第一控制元件；多个自旋轨道转矩配线20，其沿相对于磁阻效应元件10的层叠方向的第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，并在第二铁磁性金属层2的每层接合一个该自旋轨道转矩配线20；多个第二控制元件(元件选择用控制元件120)，其控制自旋轨道转矩配线20中流通的电流，并在自旋轨道转矩配线20的每一个第一连接点(电阻22的另一端)连接一个该第二控制元件；第三控制元件(写入用控制元件130)，其与多个自旋轨道转矩配线20的第二连接点(电阻21的另一端)分别连接，并控制信息的写入。
根据该结构，本实施方式的磁存储器200能够降低反转电流。由此，根据本实施方式，可以提高集成度。
另外，本实施方式的磁存储器200A难以从自旋轨道转矩配线向磁阻效应元件流通电流，从自旋轨道转矩配线层供给的自旋量变大，并能够以较少的电流进行磁化反转。
另外，本实施方式的磁存储器200能够增大读入时的磁阻，并减少读入错误。
另外，本实施方式的磁存储器200能够将对集成性造成影响的控制元件收纳至两个。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，本实施方式的磁存储器200能够使读出用控制元件110比其它控制元件更小地构成。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
＜第二实施方式＞
第一实施方式中，说明了写入用控制元件130共通设于看作基体时以横方向排列的多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的例子。本实施方式中，说明读出用控制元件110共通设于看作基体时以纵方向排列的多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的例子。
图7是第二实施方式的磁存储器200A的一个例子的电路图。图7中，将磁阻效应元件10的层叠方向设为z方向，将自旋轨道转矩配线20延伸的第一方向设为x方向，将与z方向及x方向均正交的第二方向设为y方向。
图7所示的磁存储器200A具备：自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a、100b、100c和100d)、读出用控制元件110(110a、110b；第一控制元件)、元件选择用控制元件120(120a、120b、120c和120d；第二控制元件)、及写入用控制元件130(130a、130b、130c和130d；第三控制元件)。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100a具备磁阻效应元件10a以及自旋轨道转矩配线20a。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b具备磁阻效应元件10b以及自旋轨道转矩配线20b。对具有与第一实施方式的磁存储器200相同功能的功能部使用相同的符号。自旋轨道转矩配线20沿相对于磁阻效应元件10的层叠方向的第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，且与第二铁磁性金属层2接合。在磁存储器200A中，与磁阻效应元件10的第一方向(z方向)垂直的面中的长轴为第二方向(x方向)。
[磁存储器200A的连接关系]
在此，说明磁存储器200A的连接关系。
读出用控制元件110a具备：漏电极D、通道C和源电极S。漏电极D与连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S与磁阻效应元件10a的第一铁磁性金属层1和磁阻效应元件10c的第一铁磁性金属层1连接。
磁阻效应元件10a的第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20a接合，并连接于电阻21a与电阻22a之间。
电阻21a的第二连接点连接于写入用控制元件130a的源电极S。
电阻22a的第一连接点连接于元件选择用控制元件120a的漏电极D。
元件选择用控制元件120a中，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S连接于元件选择用控制元件120b的源电极S和读出数据的读出端子。
写入用控制元件130a中，漏电极D与写入用控制元件130b的漏电极D和连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
读出用控制元件110b中，漏电极D与连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S连接于磁阻效应元件10b的第一铁磁性金属层1和磁阻效应元件10d的第一铁磁性金属层1。
磁阻效应元件10b的第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20b接合，且连接于电阻21b与电阻22b之间的中间连接点。
电阻22b的第二连接点连接于写入用控制元件130b的源电极S。
电阻22b的第一连接点连接于元件选择用控制元件120b的漏电极D。
元件选择用控制元件120b的通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
写入用控制元件130b的通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
磁阻效应元件10c的第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20c接合，并连接于电阻21c与电阻22c之间的中间连接点。
电阻21c的第二连接点连接于写入用控制元件130c的源电极S。
电阻22c的第一连接点连接于元件选择用控制元件120c的漏电极D。
元件选择用控制元件120c中，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接，源电极S与元件选择用控制元件120d的源电极S和读出数据的读出端子连接。
写入用控制元件130c中，漏电极D与写入用控制元件130d的漏电极D和连接于未图示的电源的端子连接，通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
磁阻效应元件10d的第二铁磁性金属层2与自旋轨道转矩配线20d接合，并连接于电阻21d与电阻22d之间的中间连接点。
电阻21d的第二连接点与写入用控制元件130d的源电极S连接。
电阻22d的第一连接点与元件选择用控制元件120d的漏电极D连接。
元件选择用控制元件120d的通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
写入用控制元件130d的通道C与连接于未图示的控制装置的端子连接。
磁阻效应元件10的电阻值也可以比与磁阻效应元件10相接触的自旋轨道转矩配线20层的电阻值高。根据这种结构，难以从自旋轨道转矩配线向磁阻效应元件流通电流。其结果，由自旋轨道转矩配线层供给的自旋量变大，并能够通过较少的电流进行磁化反转。
另外，磁存储器200中，也可以使读出用控制元件110的电阻值比磁阻效应元件10的电阻值小。通过设为这种结构，读入时的磁阻变大，能够降低读入错误。
图7所示的电路图为一个例子，不限于此。例如，磁阻效应元件10也可以在纵方向上为两个以上，也可以在横方向上为两个以上。例如，也可以在纵方向上为三个，且还具备磁阻效应元件10e和磁阻效应元件10f。在该情况下，读出用控制元件110a的源电极S与磁阻效应元件10e的第一铁磁性金属层1连接，读出用控制元件110b的源电极S与磁阻效应元件10f的第一铁磁性金属层1连接。
[读出动作时的漏电流，写入动作时的漏电流]
接下来，说明磁存储器200A中的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a和100b)、读出用控制元件110(110a和110b)、元件选择用控制元件120(120a和120b)、以及写入用控制元件130(130a和130b)的动作。
首先，说明读入数据时的动作例。
在向自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b读入数据时，读出用控制元件110b和元件选择用控制元件120b被控制为接通状态。此时，其它控制元件为切断状态。在数据的读入时，能够从读出用控制元件110b向磁阻效应元件10b的层叠方向流通电流，并能够读出磁阻效应元件10b的电阻值变化。
在此，从读出用控制元件110b的漏极供给的电流值为1mA的情况下，元件选择用控制元件120b成为接通状态的磁阻效应元件10b中流通大致1mA的电流，元件选择用控制元件120d成为切断状态的磁阻效应元件10d中不流通电流。因此，在横方向上接近元件选择用控制元件120b中向元件选择用控制元件120a的漏电流为大致0[A]。即，本实施方式的磁存储器200A在读入时的漏电流为大致0[A]。
接下来，说明数据的写入时的动作例。
在向自旋轨道转矩型磁阻效应元件100b写入数据时，元件选择用控制元件120b和写入用控制元件130b被控制为接通状态，从写入用控制元件130b的源极向自旋轨道转矩配线20b流通电流。此时，其它的控制元件为切断状态。由此，可以进行磁阻效应元件10b的第二铁磁性金属层2的磁化反转(写入)。
在此，在写入用控制元件130b的源极中流通的电流值为1mA的情况下，磁阻效应元件10中流通约0.976mA的电流。纵方向上接近的磁阻效应元件10d中流通的漏电流仅为约0.8pA。另外，元件选择用控制元件120a和写入用控制元件130a被控制成切断状态，因此，横方向上接近的磁阻效应元件10a中流通的漏电流仅为约1.7pA。即，本实施方式的磁存储器200A在写入时的漏电流极少。
[集成度]
接下来，说明集成度。
在图7所示的磁存储器200A中，例如读出用控制元件110a可以跨过多个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a和100c)，集中设置至集成基板的端部等。换而言之，图7所示的磁存储器200A中，读出用控制元件110a不会对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100(100a和100c)的集成性造成较大的影响。
因此，可以说对集成电路的集成性造成影响的一个单位单元由一个自旋轨道转矩型磁阻效应元件100和两个控制元件构成。两个控制元件是磁存储器200A中的元件选择用控制元件120和写入用控制元件130。
本实施方式中，通过上述那样配置，也能够将对集成性造成影响的控制元件收纳至两个。
接下来，说明将磁存储器200A做成集成电路时的结构例和配置例。
图8是三维地配置第二实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100、元件选择用控制元件120、写入用控制元件130、及自旋轨道转矩配线20时的立体图。此外，坐标系与图2一样。图8中，符号171～符号174分别表示设于各层的配线。符号161表示将配线和配线连接的贯通通路。
图8所示的配置例为一个例子，不限于此。
如图8所示，磁阻效应元件10与自旋轨道转矩配线20接合。
磁阻效应元件10中，第一铁磁性金属层1与配线171连接。另外，如图7所示配线171与接近的多个磁阻效应元件10连接。此外，在配线171上连接有读出用控制元件110(图7)。
自旋轨道转矩配线20的一端经由配线172和贯通通路161而与元件选择用控制元件120(图7)连接，另一端经由配线173和贯通通路161与写入用控制元件130(图7)连接。
如图8所示，集成化的磁存储器200A中，在磁阻效应元件10的z方向的下方配置有元件选择用控制元件120和写入用控制元件130。集成化的磁存储器200A的读出用控制元件110连接于共用位。
如图8所示，磁存储器200A中，元件选择用控制元件120和写入用控制元件130在与第一方向(z方向)和第二方向(x方向)交叉的第三方向(y方向)上接近配置。
磁存储器200A中，元件选择用控制元件120及写入用控制元件130中流通的最大电流也可以比读出用控制元件110中流通的最大电流大。
图8中，将读出用控制元件110的x方向的长度以与元件选择用控制元件120相同的长度表示，但读出用控制元件110的x方向的长度只要为加上了配线156、绝缘空间量和配线153的x方向的长度即可。例如，将电路结构中的长度的最小加工尺寸设为F时，读出用控制元件110的x方向的最小的长度为3F。另外，读出用控制元件110的y方向的最小的长度为3F。由此，能够使读出用控制元件110比其它控制元件更小地构成。
如图8所示，在存在于同一平面的相邻的元件间，需要用于避免元件彼此的短路的空间。该空间中需要最小加工尺寸F量的间隔。即，作为集成电路的单位单元，y方向上需要8F量的宽度。
第二实施方式的磁存储器200A的集成电路能够与第一实施方式中使用图4和图5进行说明的电路同样地构成。
因此，磁存储器200A中，磁阻效应元件10也可以在第二方向(x方向)及第三方向(y方向)中的至少一个方向以等间隔配置。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，磁存储器200A中，存储1比特的信息所需要的区域也可以在第二方向(x方向)上以等间隔接近配置。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，磁存储器200A中，存储1比特的信息所需要的区域也可以在第三方向(y方向)上以等间隔配置。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
如以上所述，本实施方式的磁存储器200A具备：多个磁阻效应元件10，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1、磁化方向变化的第二铁磁性金属层2、被第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2夹持的非磁性层3，并保持信息(数据)；第一控制元件(读出用控制元件110)，其与多个第一铁磁性金属层1分别连接，控制信息的读入；多个自旋轨道转矩配线20，其沿相对于磁阻效应元件10的层叠方向即第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)延伸，在第二铁磁性金属层2的每一层接合一个自旋轨道转矩配线20；多个第二控制元件(元件选择用控制元件120)，其控制自旋轨道转矩配线20中流通的电流，在自旋轨道转矩配线20的每一个第一连接点(电阻22的另一端)连接一个第二控制元件；多个第三控制元件(写入用控制元件130)，其控制信息的写入，在自旋轨道转矩配线20的每一个第二连接点(电阻21的另一端)连接一个第三控制元件。
根据该结构，本实施方式的磁存储器200A如上所述，可以降低反转电流(漏电流)。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，本实施方式的磁存储器200A难以从自旋轨道转矩配线向磁阻效应元件流通电流，从自旋轨道转矩配线供给的自旋量变大，能够以较少的电流进行磁化反转。
另外，本实施方式的磁存储器200A能够增大读入时的磁阻，减少读入错误。
另外，本实施方式的磁存储器200A能够将对集成性造成影响的控制元件收纳至两个。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
另外，本实施方式的磁存储器200A能够使读出用控制元件110比其它控制元件更小地构成。由此，根据本实施方式，能够提高集成度。
＜第三实施方式＞
在此，说明将实施方式的磁存储器应用于磁场辅助SOT-MRAM的例子。
图9是三维地配置第三实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100、写入用控制元件130、元件选择用控制元件120、自旋轨道转矩配线20、以及磁场提供配线192时的变形例的立体图。本实施方式中，写入用控制元件130和元件选择用控制元件120的通道的朝向为x方向。此外，坐标系与图2一样。图9中，符号181～符号183分别表示设于各层的配线。符号161表示将配线和配线连接的贯通通路。符号191为绝缘层。符号192是用于按照与磁阻效应元件10的磁化方向垂直的方向施加磁场的磁场提供配线。
图9所示的配置例为一个例子，不限于此。
如图9所示，在自旋轨道转矩配线20接合有磁阻效应元件10。
磁阻效应元件10的第一铁磁性金属层1与配线181连接。在配线181与磁场提供配线192之间形成有绝缘层191。另外，在配线181连接有读出用控制元件110。向配线181通电时，写入用控制元件130和元件选择用控制元件120成为接通状态，由此，进行写入动作。
自旋轨道转矩配线20的一端经由贯通通路161与元件选择用控制元件120连接，另一端经由贯通通路161与写入用控制元件130连接。在元件选择用控制元件120上连接有配线182。在写入用控制元件130上连接有配线183。
图9所示的例子中，表示了在磁阻效应元件10的z方向的上部配置连接读出用控制元件110的配线181，并在磁阻效应元件10的z方向的下部配置写入用控制元件130和元件选择用控制元件120的例子，但不限于此。
也可以在磁阻效应元件10的z方向的上部配置连接写入用控制元件130的配线183，在磁阻效应元件10的z方向的下部配置元件选择用控制元件120和读出用控制元件110。
根据图9的结构，与图2等的结构相比，能够简单地连接磁阻效应元件10和各控制元件，因此，能够以低成本制作磁存储器200B。
图9所示的集成化的磁存储器200B与图8所示的磁存储器200A一样，在磁阻效应元件10的z方向的下方配置有元件选择用控制元件120和写入用控制元件130。集成化的磁存储器200B的读出用控制元件110连接于共用位。
图9所示的结构为一个例子，也可以与图2或图8的宗旨同样地配置。由此，本实施方式中，也能够得到与第一实施方式及第二实施方式相同的效果。
第一实施方式或第二实施方式中，将控制元件沿y方向并联配置，但也能够以与图9同样的宗旨将控制元件T沿x方向并联配置。
在此，参照图9并使用图10说明为配置磁存储器200B所需要的单元尺寸。
如图10所示，各元件的大小不会变化。另一方面，通过配置变化，设置两个控制元件所需要的x方向的宽度会变化。两个控制元件所需要的x方向的宽度成为各元件的x方向的宽度(3F)的2倍加上元件间的距离(n4F)的值。元件间的距离最短需要F，因此，两个控制元件所需要的x方向的宽度最低也需要7F以上。另外，为了确保与相邻的单位单元的间隔，需要1F，因此，需要8F以上。
该8F的大小根据两个控制元件的大小(3×3)、控制元件彼此的间隔(1)、与相邻的单元的空间(1)而构成。因此，自旋轨道转矩配线的长度最低成为7F。为了向自旋轨道转矩配线流通面内的电流，需要从下接触的贯通通路161(1)的2F量的空间，并在该内侧设置磁阻效应元件。因此，7F的自旋轨道转矩配线所允许的磁阻效应元件的尺寸成为5F。另一方面，在磁阻效应元件的尺寸成为5F以下的情况下，自旋轨道转矩配线的长度需要7F量。在磁阻效应元件的尺寸为5F以上的情况下，自旋轨道转矩配线的长度需要为磁阻效应元件的尺寸加上3F(1+2)的量。
y方向的长度为控制元件(1)与单元间的空间(1)，因此，如果在根据需要的电流估计的尺寸上加上1F，则成为y方向的长度。该结果，x方向的长度需要最低8F。
表7中示出将最小加工尺寸F设为7nm，从而改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积，表8中示出将最小加工尺寸F设为10nm，从而改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积，表9中表示将最小加工尺寸F设为28nm，从而改变磁阻效应元件的形状时所需要的单元面积。如表7～表9所示，控制元件的通道的方向和MTJ的长轴正交的组合一方的集成度变高。另外，表7～表9所示的例子在10年间持续保持的条件下计算信息(数据)。
【表7】
【表8】
【表9】
如以上所述，本实施方式的磁存储器200B设置与磁阻效应元件10相接的绝缘层181，并设置用于夹着绝缘层且向与磁阻效应元件的磁化方向垂直的方向施加磁场的磁场提供配线182。
由此，根据本实施方式，能够将第一实施方式的磁存储器200或第二实施方式的磁存储器200A的一部分应用于磁场辅助SOT-MRAM。
该结果，根据本实施方式，与第一实施方式及第二实施方式一样，能够降低反转电流，并能够提高集成化。
＜自旋轨道转矩型磁阻效应元件100、磁阻效应元件10的说明＞
针对自旋轨道转矩型磁阻效应元件100进行说明。
图11是示意性地表示自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的立体图。
如图11所示，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100具备磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20。此外，图11的坐标与图2一样。
接下来，说明磁阻效应元件10。
磁阻效应元件10具备：磁化方向被固定的第一铁磁性金属层1、磁化方向变化的第二铁磁性金属层2、被第一铁磁性金属层1及第二铁磁性金属层2夹持的非磁性层3。
磁阻效应元件10通过第一铁磁性金属层1的磁化固定于一个方向，且第二铁磁性金属层2的磁化的朝向相对性地变化而发挥作用。在应用于矫顽力差型(准自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory；磁阻存储器)的情况下，使第一铁磁性金属层1的矫顽力比第二铁磁性金属层2的矫顽力大。在应用于交换偏置型(自旋阀；spin alve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合固定磁阻效应元件的第一铁磁性金属层1的磁化。
另外，就磁阻效应元件10而言，在非磁性层3由绝缘体构成时，是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层3由金属构成时，是巨大磁阻(GMR：GiantMagnetoresistance)元件。
磁阻效应元件10的层叠结构可以采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层也可以由多层构成，也可以具备用于固定第一铁磁性金属层1的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。第一铁磁性金属层1称为固定层或参照层，第二铁磁性金属层2称为自由层或存储层等。
第一铁磁性金属层1的材料可以使用公知的材料。第一铁磁性金属层1的材料能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有一种以上这些金属且呈现铁磁性的合金。另外，第一铁磁性金属层1的材料也能够使用含有这些金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，可举出Co-Fe及Co-Fe-B。另外，第一铁磁性金属层1的材料中，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等的Heusler合金。Heusler合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X是周期表上Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或上述X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。第一铁磁性金属层1的材料可举出例如Co2FeSi、Co2MnSi及Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
另外，为了进一步增大第一铁磁性金属层1相对于第二铁磁性金属层2的矫顽力，与第一铁磁性金属层1相接的材料中，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。另外，为了使第一铁磁性金属层1的漏磁场不影响第二铁磁性金属层2，第一铁磁性金属层1与第二铁磁性金属层2的结构也可以是合成铁磁性耦合的结构。
另外，在将第一铁磁性金属层1的磁化的朝向设为相对于层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第一铁磁性金属层1可以从非磁性层3侧依次设为FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6。
作为第二铁磁性金属层2的材料，能够应用铁磁性材料、特别是软磁性材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属；含有1种以上这些金属的合金；含有这些金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，可举出Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
第二铁磁性金属层2的磁化的朝向沿z方向(相对于层叠面垂直)取向。通过第二铁磁性金属层2的磁化的朝向沿z方向取向，可以缩小磁阻效应元件10的大小。第二铁磁性金属层2的磁化的朝向受到构成第二铁磁性金属层2的结晶结构及第二铁磁性金属层2的厚度的影响。优选将第二铁磁性金属层2的厚度设为2.5nm以下。垂直磁各向异性通过增厚第二铁磁性金属层2的膜厚而衰减效果，因此，第二铁磁性金属层2的膜厚越薄越好。
非磁性层3可以使用公知的材料。
例如，在非磁性层3由绝缘体构成的情况下(为隧道势垒层的情况)，作为其材料，可以使用Al2O3、SiO2、MgO、及MgAl2O4等。另外，除了这些材料以外，还能够使用Al、Si、Mg的一部分置换成Zn、Be等的材料等。这些材料中，MgO及MgAl2O4均是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。
在非磁性层3由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
另外，磁阻效应元件10也可以具有其它层。例如，也可以在第二铁磁性金属层2的非磁性层3的相反侧的面具有基底层，也可以在第一铁磁性金属层1的非磁性层3的相反侧的面具有覆盖层。
配设于自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10之间的层优选不耗散从自旋轨道转矩配线20传播的自旋。例如，已知银、铜、镁、及铝等的自旋扩散长度长为100nm以上，且难以耗散自旋。
另外，配设于自旋轨道转矩配线20和磁阻效应元件10之间的层的厚度优选为构成层的物质的自旋扩散长度以下。如果该层的厚度为自旋扩散长度以下，则能够将从自旋轨道转矩配线20传播的自旋充分传播至磁阻效应元件10。
接下来，针对自旋轨道转矩配线20进行说明。
自旋轨道转矩配线20沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线20与第二铁磁性金属层2的z方向的一个面连接。自旋轨道转矩配线20也可以与第二铁磁性金属层2直接连接，也可以经由其它层连接。
自旋轨道转矩配线20由流经电流时通过自旋霍尔效应生成纯自旋流的材料构成。作为该材料，只要是在自旋轨道转矩配线20中生成纯自旋流的结构的材料即可。因此，不限于由单体的元素构成的材料，也可以是由利用生成纯自旋流的材料构成的部分和利用不生成纯自旋流的材料构成的部分构成的材料等。在此，自旋霍尔效应是在材料中流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿与电流的朝向正交的方向感应纯自旋流的现象。
在此，参照图12，说明通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机制。
图12是用于说明自旋霍尔效应的示意图。另外，图12是将图11所示的自旋轨道转矩配线20沿着x方向切断的截面图。
如图12所示，当沿自旋轨道转矩配线20的延伸方向流通电流I时，向纸面进深侧取向的第一自旋S1和向纸面跟前侧取向的第二自旋S2分别向与电流正交的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)弯曲运动(移动)方向的点上相同，但通常的霍尔效应中，在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力而弯曲运动方向，与之相对，因为不存在磁场，因此仅因电子移动(仅电流流通)而移动方向弯曲，在这一点上大为不同。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等，因此，图中朝向上方向的第一自旋S1的电子数与朝向下方向的第二自旋S2的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。特别地，将不伴随该电流的自旋流称为纯自旋流。
在铁磁性体中流通电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2相互向相反方向弯曲这一点相同。另一方面，铁磁性体中，第一自旋S1和第二自旋S2的任一项为较多的状态，作为结果，产生电荷的净流量(产生电压)这一点不同。因此，作为自旋轨道转矩配线20的材料，不包含仅由铁磁性体构成的材料。
在此，将第一自旋S1的电子的流动表示为J↑，将第二自旋S2的电子的流动表示为J↓，并将自旋流表示JS时，以JS＝J↑-J↓定义。图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方向流动。在此，JS是极化率为100％的电子的流动。
返回图11，继续说明自旋轨道转矩配线20。
图11中，当使铁磁性体与自旋轨道转矩配线20的上表面接触时，纯自旋流扩散流入在铁磁性体中。即，向磁阻效应元件10注入自旋。
自旋轨道转矩配线20也可以含有非磁性的重金属。在此，所谓重金属，用于表示具有钇以上的比重的金属的意义。自旋轨道转矩配线20也可以仅由非磁性的重金属构成。在该情况下，优选为非磁性的重金属为在最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属。这是由于该非磁性金属的产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。自旋轨道转矩配线20也可以仅由最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数较大的非磁性金属构成。一般而言，金属中流通电流时，所有的电子不管其自旋的朝向，均向与电流相反的方向移动，相对于此，最外壳中具有d电子或f电子的原子序数较大的非磁性金属中，自旋轨道相互作用较大，因此，通过自旋霍尔效应，电子的移动方向依赖于电子的自旋的朝向，容易产生纯自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线20也可以含有磁性金属。磁性金属是指，铁磁性金属或反铁磁性金属。这是由于当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用增强，能够提高相对于在自旋轨道转矩配线20中流通的电流的自旋流生成效率。自旋轨道转矩配线20也可以仅由反铁磁性金属构成。
自旋轨道相互作用由自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场产生，因此，即使在非磁性材料中也产生纯自旋流。当对自旋轨道转矩配线材料添加微量的磁性金属时，会将磁性金属本身流通的电子自旋散射，因此，自旋流生成效率提高。但是，磁性金属的添加量过于增大时，产生的纯自旋流由于添加的磁性金属而被散射，因此，作为结果，自旋流减少的作用变强。因此，优选添加的磁性金属的摩尔比比自旋轨道转矩配线中的纯自旋生成部的主成分的摩尔比充分小。以标准而言，添加的磁性金属的摩尔比优选为3％以下。
另外，自旋轨道转矩配线20也可以含有拓扑绝缘体。自旋轨道转矩配线20也可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面产生自旋极化了的金属状态的物质。物质中具有自旋轨道相互作用等内部磁场那样的作用。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也会表现新的拓扑相。这是拓扑绝缘体，通过较强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏，从而能够高效率地生成纯自旋流。作为拓扑绝缘体，例如，优选为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。
此外，图11所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的结构为一个例子，不限于此。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100也可以具有磁阻效应元件10和自旋轨道转矩配线20以外的结构要素。自旋轨道转矩型磁阻效应元件100也可以具有例如作为支撑体的基板等。基板优选平坦性优异，作为材料，可以使用例如Si、AlTiC等。
[自旋轨道转矩型磁阻效应元件的原理]
接下来，参照图11说明自旋轨道转矩型磁阻效应元件的原理。
如图11所示，当对自旋轨道转矩配线20施加电流I1时，沿z方向产生纯自旋流JS。在自旋轨道转矩配线20的z方向上配设有磁阻效应元件10。因此，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10的第二铁磁性金属层2注入自旋。注入的自旋向第二铁磁性金属层2的磁化赋予自旋轨道转矩，并产生磁化反转。
磁阻效应元件10的磁化反转依赖于注入的自旋的量。自旋的量由流经自旋轨道转矩配线20的电流I1的电流密度Ic1决定。流经自旋轨道转矩配线20的电流I1的电流密度Ic1是流经自旋轨道转矩配线20的电流除以与电流的流动方向正交的面的面积的值。因此，图11中，电流密度Ic1＝I1/WH。在此，W为自旋轨道转矩配线20的y方向的长度(宽度)，H为自旋轨道转矩配线20的z方向的厚度。该电流密度Ic1不具有磁阻效应元件的x方向的长度L1的成分，而由自旋轨道转矩配线20决定。因此，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100可以不依赖于磁阻效应元件10的面积(从z方向观察得到的面积)地设定动作所需要的电流量。
图13是使用了STT的自旋转移转矩型磁阻效应元件101的示意图。图13的坐标系与图11一样。自旋转移转矩型磁阻效应元件101具有磁阻效应元件11、第一配线30、第二配线40。第一配线30及第二配线40能够使用任意的导体。
当在第一配线30与第二配线40之间赋予电位差时，沿磁阻效应元件11的层叠方向流通电流I2。电流I2产生STT，使第二铁磁性金属层2的磁化反转。
STT的大小由沿磁阻效应元件11的层叠方向流通的电流I2的电流密度Ic2决定。沿磁阻效应元件11的层叠方向流通的电流I2的电流密度Ic2是沿磁阻效应元件11的层叠方向流通的电流I2除以与电流的流通方向正交的面的面积(磁阻效应元件11的截面面积S)的值。因此，图13中，电流密度Ic2＝I2/S。
该电流密度Ic2具有作为参数的磁阻效应元件11的截面面积S。因此，自旋转移转矩型磁阻效应元件101的动作所需要的电流量依赖于磁阻效应元件11的面积(从z方向观察的面积)。
磁阻效应元件11的截面面积S较小时，第二铁磁性金属层2的磁化由于热干扰等的影响进行磁化反转的概率变高。因此，从磁记录的稳定性的观点出发，磁阻效应元件11的截面面积S需要为规定的大小以上。即，为了使自旋转移转矩型磁阻效应元件101进行动作，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“能够稳定地维持磁化的面积”的电流量。
与之相对，为了使本实施方式所涉及的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100进行动作，需要“磁化反转所需要的电流密度”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积”的电流量。“自旋轨道转矩配线20的截面面积”能够任意地设定。因此，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100能够缩小动作所需要的电流的总量。
在此，如图11所示，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的磁阻效应元件10具有形状各向异性。磁阻效应元件10的x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长。通过将自旋轨道转矩型磁阻效应元件100设为这种结构，能够进一步缩小动作所需要的电流的总量。
接着，说明能够进一步缩小动作所需要的电流的总量的原因。
图14是比较例的磁阻效应元件12不具有形状各向异性时的自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的示意图。图14的坐标系与图11一样。图14所示的磁阻效应元件12的x方向的长度L1’与y方向的长度(宽度)L2’相等。即，从z方向观察磁阻效应元件12为正方形。
一般而言，在限定的空间内导入限定的尺寸的部件的情况下，对称性较高的部件一方能够高效地配设。因此，当要提高MRAM的集成度时，通常要提高磁阻效应元件的对称性。即，可用作集成部件的磁阻效应元件可选择从z方向观察时对称性较高的正方形(参照图13)或圆形。
为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件102动作，需要“磁化反转所需要的电流密度Ic3”乘以“自旋轨道转矩配线20的截面面积(W’H)”的电流I3。即，I3＝Ic3×W’H成立。
磁阻效应元件10(图11)、磁阻效应元件12(图14)的层结构均相同，因此，电流密度Ic1和电流密度Ic3大致一致。为了确保热稳定性，当考虑需要将磁阻效应元件的面积设为相等时，需要磁阻效应元件12增长y方向的长度L2’，随之，自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度W’也变宽。即，自旋轨道转矩型磁阻效应元件102的y方向的宽度W’比自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的y方向的宽度W宽。即，为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件100动作所需要的电流I1比为了使自旋轨道转矩型磁阻效应元件102动作所需要的电流I3小。
从该观点考虑时，磁阻效应元件10的宽度W越窄越好。例如，优选能够通过光刻等的加工技术进行的最小的宽度。另外，自旋轨道转矩配线20的厚度H也越薄越好，但为了流通充分的电流量，优选具有10nm以上的厚度。
此外，假定当自旋轨道转矩配线20的截面面积变小时，电阻变大。但是，自旋轨道转矩配线20为金属，不能假定电阻对元件的动作造成影响的程度变大。如通过STT进行磁化反转的TMR元件那样，与在隧道势垒层中流通电流的情况相比时，电阻增加量微小。
从z方向观察与自旋轨道转矩配线20的磁阻效应元件10重叠的部分的电阻值优选比磁阻效应元件10的电阻值小。在此，“磁阻效应元件10的电阻值”是沿磁阻效应元件的z方向流通电流时的电阻值。另外，在磁阻效应元件为TMR的情况下，隧道势垒层的电阻占据磁阻效应元件10的电阻值的大部分。通过将电阻值设为这种关系，能够抑制流经自旋轨道转矩配线20的电流I1在磁阻效应元件10内流通。即，能够使流经自旋轨道转矩配线20的电流I1更高效地有助于纯自旋流的产生。
另外，当磁阻效应元件10具有形状各向异性时，还具有第二铁磁性金属层2的磁化反转容易的优点。当第二铁磁性金属层2的磁化向z方向取向时，为了通过SOT进行磁化旋转，需要赋予磁化旋转的契机。磁化旋转的契机能够通过施加外部磁场等实现。但是，当在元件外部设置磁场的产生源时，自旋轨道转矩型磁阻效应元件100整体的尺寸变大。因此，通过对磁阻效应元件10赋予形状各向异性，即使在无磁场的环境下也能够产生磁化旋转的契机。
当磁阻效应元件10具有形状各向异性时，磁阻效应元件10的长轴方向(长度L1方向)和短轴方向(长度L2方向)上，反磁场的大小不同。即，反磁场的大小产生分布。反磁场是通过产生于磁性体的端部的磁极在铁磁性体内部产生的反方向的磁场。因此，反磁场的大小随着磁极的极化率越大，磁极间的距离越短而变得越大。在图11所示的磁阻效应元件10的情况下，短轴方向(长度L2方向)的反磁场的大小比长轴方向(长度L1方向)的反磁场的大小大。反磁场产生第二铁磁性金属层的磁化开始进行磁化旋转时要返回最初状态的恢复力。恢复力是相对于磁化旋转的反作用，恢复力越大，磁化越难以旋转。
因此，沿着长轴方向的旋转方向(以下，称为第一旋转方向)和沿着短轴方向的旋转方向(以下，称为第二旋转方向)中，第二铁磁性金属层2的磁化的旋转容易度不同。磁化旋转时受到的恢复力的大小比短轴方向一方大。因此，就磁化而言，与沿着第二旋转方向旋转相比，沿着第一旋转方向旋转更容易旋转。即，第一旋转方向成为磁化反转容易方向。从如图14所示那样的从z方向观察的俯视图为正方形的磁阻效应元件12不具有磁化反转容易方向。另外，为了确保热稳定性，考虑需要使磁阻效应元件的面积相等时，磁阻效应元件10的x方向的长度L1比磁阻效应元件12的x方向的长度L1’长。即，为了使磁阻效应元件10进行磁化反转所需要的能量比为了使磁阻效应元件12进行磁化反转所需要的能量小。
在此，磁阻效应元件10的长轴方向的长度L1优选为10nm以上且60nm以下，短轴方向的长度L2优选比L1小。磁阻效应元件10的大小较大时，在第二铁磁性金属层2内形成磁区。形成磁区时，第二铁磁性层的磁化的稳定性降低。另外，磁阻效应元件10的长轴方向的长度优选为短轴方向的长度的2倍以上，更优选为4倍以上。如果磁阻效应元件10的长轴方向与短轴方向的比为该范围内，则可充分得到由反磁场产生的恢复力的不同。
图15是从z方向观察本实施方式的自旋轨道转矩型磁阻效应元件的图。图15(a)与从z方向观察图11所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件100的图相对应。就磁阻效应元件的形状而言，只要x方向的长度L1比y方向的长度(宽度)L2长就没有特别限制。也可以如图15(a)所示的磁阻效应元件10那样为长方形状，也可以如图15(b)所示的磁阻效应元件13那样为椭圆形状。
另外，也可以如图15(c)所示的磁阻效应元件14那样，从z方向观察的平面形状具有内切的椭圆区域E，且在该椭圆区域E的x方向的外侧具有外部区域A。通过确保外部区域A，能够增大磁阻效应元件14的面积。磁阻效应元件14的面积变大时，磁化的稳定性变高，可以避免由于热干扰等产生磁化反转。
另外，也可以如图15(d)所示的磁阻效应元件15那样，磁阻效应元件10的长轴相对于自旋轨道转矩配线20的延伸方向(x方向)仅倾斜角度θ。
如上所述，磁化反转容易方向形成为磁阻效应元件10的长轴方向。即，磁阻效应元件15中，磁化反转容易方向具有y方向的成分。
在此，通过自旋霍尔效应在自旋轨道转矩配线20内产生的自旋沿着自旋轨道转矩配线20的外表面取向。即，从自旋轨道转矩配线20向磁阻效应元件10注入的自旋向y轴方向取向。即，自旋最有效地有助于在y方向上具有成分的磁化的磁化反转。
即，通过磁阻效应元件15的磁化反转容易方向具有y方向的成分，磁化能够强烈受到沿y方向作用的SOT的影响。即，SOT对磁化反转有效地进行作用，即使不施加外部磁场等的外力，也能够使磁化反转。
如图15所示，一方向上具有各向异性的磁阻效应元件能够通过光刻等制作。
图16是表示光掩模PM的形状与得到的磁阻效应元件10的来自z方向的平面形状的对应关系的图。如图16(a)所示，在一个光掩模PM的形状为四方形的情况下，磁阻效应元件10的平面形状也成为椭圆等的形状。这是由于，通过光掩模PM后的光的一部分扩散，从而使抗蚀剂固化。另外由于，离子铣等的刻蚀处理中，成为角的部分容易进行刻蚀。
另外，如图15(c)所示，在椭圆区域E的外侧形成外部区域A的情况下，将光掩模的形状设为图16(b)及图16(c)所示的形状。图16(b)所示的光掩模PM1具有能够内切椭圆的长方形区域Re和位于长方形区域Re的角部Ed的突出区域Pr1。另外，图16(c)所示的光掩模PM2具有能够内切椭圆的长方形区域Re和位于长方形区域Re的长边部Sd的突出区域Pr2。图16(b)及(c)中的长方形区域Re与图16(a)所示的光掩模对应。
如图16(b)所示，在角部Ed设置突出区域Pr1时，能够延迟刻蚀处理中的角部Ed的刻蚀的进行。其结果，能够如图15(c)所示那样形成外部区域A。另外，当如图16(c)所示那样在边部Sd设置突出区域Pr2时，能够进一步增大刻蚀处理中的长边部Sd与角部Ed的刻蚀速度差。其结果，能够如图15(c)所示那样形成外部区域A。
另外，作为其它方法，也可以使用激光等的具有指向性的光进行点曝光。例如，使用负性抗蚀剂，仅对要固化的部分照射光，将抗蚀剂加工成规定的形状。在该情况下也一样，即使在曝光的斑点的形状为四方形的情况下，得到的形状也成为椭圆形。
另外，如图15(a)所示，在将磁阻效应元件10的从z方向观察得到的平面形状设为长方形状的情况下，分成两次加工磁阻效应元件10。即，分开进行：将具有第一铁磁性金属层、非磁性层及第二铁磁性金属层的层叠体沿第一方向加工的第一工序；将沿第一方向加工后的层叠体沿与第一方向交叉的第二方向加工的第二工序。
此外，图11～图16所示的图中，为了容易理解原理及结构，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及形状等有时与实际不同。另外，图11～图16所示的图中，为了容易理解原理及结构，为了方便，选取成为特征的结构的一部分。

Claims (13)

1.一种磁存储器，其具备：
多个磁阻效应元件，其分别具备磁化方向被固定的第一铁磁性金属层、磁化方向变化的第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；
多个自旋轨道转矩配线，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第一控制元件，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第二控制元件，其分别连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的一端的第一连接点；及
第三控制元件，其连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的另一端的第二连接点，
所述多个自旋轨道转矩配线分别与所述多个磁阻效应元件的所述第二铁磁性金属层接合，
所述第一控制元件小于所述第二控制元件。
2.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述第一控制元件小于所述第三控制元件。
3.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述第一控制元件和所述第二控制元件在与作为所述磁阻效应元件的层叠方向的第一方向和作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向交叉的第三方向上排列。
4.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述第二控制元件中流通的最大电流比所述第一控制元件中流通的最大电流大。
5.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述磁阻效应元件的电阻值比与所述磁阻效应元件接触的所述自旋轨道转矩配线层的电阻值高。
6.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述第一控制元件的电阻比所述磁阻效应元件的电阻小。
7.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
所述多个磁阻效应元件中的若干个在作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向上排列。
8.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
存储1比特的信息所需的区域在作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向上排列。
9.根据权利要求1所述的磁存储器，其中，
存储1比特的信息所需的区域在与作为所述磁阻效应元件的层叠方向的第一方向和作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向交叉的第三方向上排列。
10.一种磁存储器，其中，
具备：
多个磁阻效应元件，其分别具备第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；
多个自旋轨道转矩配线，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第一控制元件，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；及
多个第二控制元件，其分别连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的一端的第一连接点，
所述第一控制元件小于所述第二控制元件，
所述第一控制元件和所述第二控制元件在与作为所述磁阻效应元件的层叠方向的第一方向和作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向交叉的第三方向上排列，
在存储1比特的信息所需的空间区域中，在将电路结构中的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，所述第三方向的长度为8F。
11.一种磁存储器，其中，
具备：
多个磁阻效应元件，其分别具备第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；
多个自旋轨道转矩配线，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第一控制元件，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；及
多个第二控制元件，其分别连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的一端的第一连接点，
所述第一控制元件小于所述第二控制元件，
所述第一控制元件和所述第二控制元件在与作为所述磁阻效应元件的层叠方向的第一方向和作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向交叉的第三方向上排列，
在存储1比特的信息所需的空间区域中，在将电路结构中的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，电路结构所需的所述第二方向和所述第三方向的平面的面积为16F2～1056F2。
12.一种磁存储器，其中，
具备：
多个磁阻效应元件，其分别具备第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；
多个自旋轨道转矩配线，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第一控制元件，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；及
多个第二控制元件，其分别连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的一端的第一连接点，
所述第一控制元件小于所述第二控制元件，
设置有与所述磁阻效应元件接触的绝缘层，并设置有用于夹着所述绝缘层而在垂直于所述磁阻效应元件的磁化方向的方向上施加磁场的磁场提供配线。
13.一种磁存储器，其具备：
多个磁阻效应元件，其分别具备第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、以及被第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层夹持的非磁性层；
多个自旋轨道转矩配线，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；
多个第一控制元件，其分别连接于所述多个磁阻效应元件；及
多个第二控制元件，其分别连接于作为所述多个自旋轨道转矩配线各自的一端的第一连接点，
所述第一控制元件和所述第二控制元件在与作为所述磁阻效应元件的层叠方向的第一方向和作为所述自旋轨道转矩配线延伸的方向的第二方向交叉的第三方向上排列，
在存储1比特的信息所需的空间区域中，在将电路结构中的长度的最小加工尺寸的单位设为F的情况下，所述第三方向的长度为8F。
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