JP2022073039A - スピン素子、磁気アレイ及びスピン素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動作効率の高いスピン素子、磁気アレイ及びスピン素子の製造方法を提供する。【解決手段】このスピン素子は、第１方向に延びる配線と、前記配線上に積層され、第１強磁性層を含む積層体と、前記積層体上に積層され、前記第１方向と交差する第２方向に延びる読出し配線と、を備え、前記読出し配線の前記積層体側の第１面の前記第１方向の幅は、前記積層体の前記読出し配線側の第２面の前記第１方向の幅以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、スピン素子、磁気アレイ及びスピン素子の製造方法に関する。

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子である。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、二つの磁性膜の磁化の向きの相対角の違いによって変化する。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の抵抗値をデータとして記録する。

磁気抵抗変化を利用したスピン素子の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子（例えば、特許文献１）や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子（例えば、特許文献２）に注目が集まっている。これらのスピン素子は、トランジスタ等の半導体素子と配線で接続されて制御される。

特開２０１７－１１２３５８号公報 特許第５４４１００５号公報

スピン素子に用いられる配線は、材料が制限される場合がある。例えば、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の場合は、強磁性層に多くのスピンを注入するために、配線に重金属を用いる場合が多い。また例えば、磁壁移動型磁気記録素子の場合は、配線が磁性膜である必要がある。これらの配線は、使用できる材料に制限があることもあり、発熱源となりやすい。一方で、これらの配線で生じる熱を効率的に排熱するために、他の配線等を近接させると配線間にキャパシタンスが生じ、書き込み電流の一部が漏洩し、書き込み効率が低下する場合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、動作効率の高いスピン素子、磁気アレイ及びスピン素子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の態様にかかるスピン素子は、第１方向に延びる配線と、前記配線上に積層され、第１強磁性層を含む積層体と、前記積層体上に積層され、前記第１方向と交差する第２方向に延びる読出し配線と、を備え、前記読出し配線の前記積層体側の第１面の前記第１方向の幅は、前記積層体の前記読出し配線側の第２面の前記第１方向の幅以下である。

（２）上記態様にかかるスピン素子において、前記積層体の側壁と前記読出し配線の側壁とが連続してもよい。

（３）上記態様にかかるスピン素子は、前記配線に接続された第１導電層と第２導電層とをさらに備え、前記第１導電層と前記第２導電層とは、積層方向から見て、前記積層体を挟み、前記第１導電層と前記積層体との前記第１方向の距離は、前記積層体の前記積層方向の厚さより短くてもよい。

（４）上記態様にかかるスピン素子において、前記読出し配線は、積層方向から見て、前記積層体と重なる位置で狭窄していてもよい。

（５）上記態様にかかるスピン素子は、前記配線に接続された第１導電層と第２導電層とをさらに備え、前記第１導電層と前記第２導電層とは、積層方向から見て前記積層体を挟み、前記積層体の前記第１方向の幅は、前記第１導電層と前記積層体との前記第１方向の距離より広くてもよい。

（６）上記態様にかかるスピン素子は、前記積層体の側壁及び前記読出し配線の側壁に接する絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、ＡｌＮ又はＭｇＯであってもよい。

（７）上記態様にかかるスピン素子は、前記配線に接続された書き込み配線と共通配線とをさらに備え、前記書き込み配線と前記共通配線とのうち少なくとも一方は、積層方向から見て、前記読出し配線と重なる部分を有してもよい。

（８）上記態様にかかるスピン素子において、前記読出し配線は、前記第１方向の幅が、前記第１面及び前記第１面と対向する第２面より狭い部分を有してもよい。

（９）上記態様にかかるスピン素子において、前記読出し配線の積層方向の厚みは、前記読出し配線の前記第１方向の幅より狭くてもよい。

（１０）上記態様にかかるスピン素子は、前記積層体の側壁及び前記読出し配線の側壁が積層方向に対して傾斜していてもよい。

（１１）上記態様にかかるスピン素子において、前記積層体は、前記配線に近い側から順に、前記第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を有してもよい。

（１２）上記態様にかかるスピン素子において、前記積層体は、前記配線に近い側から順に、非磁性層、前記第１強磁性層を有してもよい。

（１３）第２の態様にかかる磁気アレイは、上記態様にかかるスピン素子を複数備えてもよい。

（１４）第３の態様にかかるスピン素子の製造方法は、配線層と強磁性層を含む積層膜を順に積層する工程と、前記配線層及び前記積層膜を同時に加工し、第１方向に延びる、配線及び積層構造体を形成する工程と、前記配線及び前記積層構造体の側面を絶縁層で被覆する工程と、前記絶縁層及び前記積層構造体上に、第２配線層を積層する工程と、前記積層構造体及び前記第２配線層を同時に加工し、積層体及び前記第１方向と交差する第２方向に延びる読出し配線とする工程と、を有する。

本発明にかかるスピン素子及び磁気アレイは、動作効率の高い。また本発明にかかるスピン素子の製造方法は、動作効率に優れたスピン素子を簡便に作製できる。

第１実施形態にかかる磁気アレイの回路図である。 第１実施形態にかかる磁気アレイの特徴部分の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気アレイの特徴部分の平面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を説明するための図である。 第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２実施形態にかかる磁壁移動素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁化回転素子の断面図である。

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、例えば、第１導電層３１から第２導電層３２へ向かう方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、第２方向の一例である。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、スイッチング素子等を介して接続している場合も「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アレイ２００の構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線ＷＬと、複数の共通配線ＣＬと、複数の読出し配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、複数の第２スイッチング素子Ｓｗ２と、複数の第３スイッチング素子Ｓｗ３とを備える。磁気アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。磁気抵抗効果素子１００は、スピン素子の一例である。

書き込み配線ＷＬはそれぞれ、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ＣＬはそれぞれ、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ＣＬはそれぞれ、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ＣＬ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。読出し配線ＲＬはそれぞれ、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、使用時に磁気アレイ２００に接続される。

それぞれの磁気抵抗効果素子１００はそれぞれ、第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２、第３スイッチング素子Ｓｗ３に接続されている。第１スイッチング素子Ｓｗ１は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線ＷＬとの間に接続されている。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、磁気抵抗効果素子１００のと共通配線ＣＬとの間に接続されている。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘る読出し配線ＲＬに接続されている。

第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２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ＷＬと共通配線ＣＬとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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ＣＬと読出し配線ＲＬとの間に読み出し電流が流れる。

第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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。

図１に示す磁気アレイ２００は、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００が第３スイッチング素子Ｓｗ３を共用している。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に設けてもよい。またそれぞれの磁気抵抗効果素子１００に第３スイッチング素子Ｓｗ３を設け、第１スイッチング素子Ｓｗ１又は第２スイッチング素子Ｓｗ２を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。

図２は、第１実施形態に係る磁気アレイ２００の特徴部分の断面図である。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Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、読出し配線ＲＬ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、ビア配線Ｖ、第１導電層３１及び第２導電層３２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ＷＬ又は共通配線ＣＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖ、第１導電層３１及び第２導電層３２は、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｖ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絶縁層である。絶縁層Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。

図３は、第１実施形態に係る磁気アレイ２００の特徴部分の平面図である。読出し配線ＲＬは、第１方向と交差する第２方向に延びる。読出し配線ＲＬは、例えば、ｙ方向に延びる。書き込み配線ＷＬ及び共通配線ＣＬは、例えば、ｘ方向に延びる。書き込み配線ＷＬ及び共通配線ＣＬは、ｙ方向に延びていてもよい。

読出し配線ＲＬは、例えば、ｚ方向から見て書き込み配線ＷＬと共通配線ＣＬとのうち少なくとも一方と重なる部分を有する。ｚ方向から見て読出し配線ＲＬと書き込み配線ＷＬ又は共通配線ＣＬとが重なる部分を以下、交差点ＣＰと称する。交差点ＣＰでは、読出し配線ＲＬと書き込み配線ＷＬ又は共通配線ＣＬとの間に絶縁層Ｉｎがあり、読出し配線ＲＬと書き込み配線ＷＬ又は共通配線ＣＬとは互いに絶縁されている。一方で、読出し配線ＲＬと書き込み配線ＷＬ又は共通配線ＣＬとは、交差点ＣＰにおいて、絶縁層Ｉｎを介した熱のやり取りを行う。磁気アレイ２００が交差点ＣＰを有すると、排熱効率が向上する。

また読出し配線ＲＬは、ｚ方向から見て、狭窄部Ｎを有してもよい。狭窄部Ｎは、ｚ方向から見て積層体１０と重なる位置にある。詳細は後述するが積層体１０と重なる位置において読出し配線ＲＬのｘ方向の幅には制限がある。読出し配線ＲＬの幅を狭窄部Ｎ以外の部分で広げることで、電流及び熱の滞留を防ぎ、排熱効率を高めることができる。

図４及び図５は、磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図４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り、図５は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図５において第１導電層３１及び第２導電層３２は、ｘ方向にずれた位置にあり、点線で示す。

磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と第１導電層３１と第２導電層３２とを備える。スピン軌道トルク配線２０は、配線の一例である。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。読出し配線ＲＬは、積層体１０上に積層されている。第１導電層３１及び第２導電層３２は、スピン軌道トルク配線２０に接続されている。第１導電層３１、第２導電層３２のそれぞれとスピン軌道トルク配線２０との間に絶縁層を有していてもよい。第１導電層３１と第２導電層３２とは、ｚ方向から見て、積層体１０を挟む位置にある。

磁気抵抗効果素子１００の周囲には絶縁層４０がある。絶縁層４０は、絶縁層Ｉｎの一部である。読出し配線ＲＬの側壁ＲＬｓ及び積層体１０の側壁１０ｓｘ、１０ｓｙに接する絶縁層４０は、高熱伝導性を有することが好ましい。高熱伝導性を有する絶縁体は、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＮである。絶縁層４０が高熱伝導性を有すると、絶縁層４０を介してスピン軌道トルク配線２０で生じた熱を読出し配線ＲＬに伝導でき、磁気抵抗効果素子１００の排熱効率が向上する。

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、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と読出し配線ＲＬ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、四角形である。

積層体１０は、例えば、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とキャップ層４とを、スピン軌道トルク配線２０に近い側から順に有する。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Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属の場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

キャップ層４は、第２強磁性層２を保護する。キャップ層４は、第２強磁性層２からの原子の拡散を抑制する。キャップ層４は、積層体１０の各層の結晶配向性にも寄与する。第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化は、キャップ層４があると安定化し、積層体１０のＭＲ比が向上する。

キャップ層４は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒから選択される１つ以上の元素を含む金属でも、ＭｇＯ等の酸化物でもよい。

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。

積層体１０の厚さＨ_１０は、例えば、第１導電層３１と積層体１０とのｘ方向の距離Ｌ１より厚い。積層体１０の厚さＨ_１０は、例えば、第２導電層３２と積層体１０とのｘ方向の距離Ｌ２より厚い。換言すると、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は、例えば、積層体１０の厚さＨ_１０より短い。距離Ｌ１と距離Ｌ２とは一致しても異なってもよい。距離Ｌ１、Ｌ２が短いと、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を読出し配線ＲＬ、第１導電層３１又は第２導電層３２に効率的に排熱できる。

また積層体１０のｘ方向の幅Ｗ_１０は、例えば、距離Ｌ１より広い。また積層体のｘ方向の幅Ｗ_１０は、例えば、距離Ｌ２より広い。スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との接触面積を広くすることで、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を効率的に排熱できる。

積層体１０の側壁１０ｓｘ、１０ｓｙは、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。側壁１０ｓｘは、積層体１０のｘ方向の側壁であり、側壁１０ｓｙは、積層体１０のｙ方向の側壁である。

スピン軌道トルク配線２０は配線の一例である。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。書き込み電流は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向に流れる。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のｘ方向及びｙ方向の側壁は、ｚ方向に対して傾斜してもよい。スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の側壁２０ｓは、積層体１０のｙ方向の側壁１０ｓｙと連続する。側壁が連続するとは、側壁に接する接平面のｘｙ平面に対する傾斜角が連続的に変化する又は一定であることを意味する。

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、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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓ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Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇからなる群から選択される少なくとも一つを含む。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、これらの元素の単体金属からなる。これらの元素は、熱伝導性に優れ、磁気抵抗効果素子１００の放熱性が向上する。

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く、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。

読出し配線ＲＬは、例えば、ｙ方向に延びる。読出し配線ＲＬは、積層体１０と比較して熱容量が大きく、熱を逃がしやすい。読出し配線ＲＬは、導電体からなる。後述するように、読出し配線ＲＬは、製造時にマスクとしても機能するため、硬い材料であることが好ましい。読出し配線ＲＬは、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕである。

読出し配線ＲＬの積層体１０側の第１面ＲＬａのｘ方向の幅Ｗ_ＲＬａは、積層体１０の読出し配線ＲＬ側の第２面１０ｂのｘ方向の幅Ｗ_１０ｂ以下である。図４では、幅Ｗ_ＲＬａと幅Ｗ_１０ｂとが一致する例を示したが、幅Ｗ_ＲＬａは、幅Ｗ_１０ｂより短くてもよい。幅Ｗ_ＲＬａが幅Ｗ_１０ｂ以下であると、読出し配線ＲＬとスピン軌道トルク配線２０とが対向せず、これらの間のキャパシタンスが大きくなることを抑制できる。配線間のキャパシタンスが大きいと、パルス電流の一部が漏洩し、高速動作を行うことが難しくなる。

読出し配線ＲＬの厚さＨ_ＲＬは、例えば、読出し配線ＲＬのｘ方向の幅Ｗ_ＲＬａより短い。読出し配線ＲＬの厚さＨ_ＲＬが厚いと、読出し配線ＲＬの抵抗が下がり、熱容量が大きくなる。また積層体１０を加工する際に、積層体１０へのダメージを抑制できる。

読出し配線ＲＬのｘ方向の側壁ＲＬｓは、ｚ方向に対して傾斜してもよい。読出し配線ＲＬは、例えば、第１面ＲＬａから第２面ＲＬｂに向かってｘ方向の幅が狭くなっている。読出し配線ＲＬのｘ方向の側壁ＲＬｓは、例えば、積層体１０のｘ方向の側壁１０ｓｘと連続する。

次いで、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の製造方法について、図６～図９を例に説明する。図６～図９は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の製造方法の一例を説明するための図である。図６～図９はそれぞれ、平面図と断面図とを同時に示している。

図６に示すように、第１導電層３１、第２導電層３２及び絶縁層Ｉｎ上に、配線層８０と積層膜９０とを順に成膜する。積層膜９０は、例えば、強磁性層９１、非磁性層９３、強磁性層９２、キャップ層９４からなり、この順で成膜される。各層の積層は、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等を用いる。

次いで図７に示すように、配線層８０及び強磁性層９１、非磁性層９３、強磁性層９２、キャップ層９４からなる積層膜９０をｘ方向及びｙ方向に同時に加工する。加工は、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングで行うことができる。配線層８０は、加工によりスピン軌道トルク配線２０となる。積層膜９０は、ｘ方向及びｙ方向に加工され、積層構造体９０Ａとなる。配線層８０と積層膜９０が同時に加工されることで、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の側壁２０ｓと、積層体１０のｙ方向の側壁１０ｓｙと、が連続する。積層構造体９０Ａは、例えば、強磁性層９１Ａ、非磁性層９３Ａ、強磁性層９２Ａ、キャップ層９４Ａからなる。そして、積層構造体９０Ａの周囲を絶縁層４０で埋める。絶縁層４０及び積層構造体９０Ａの上面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化される。

次いで図８に示すように、絶縁層４０及び積層構造体９０Ａ上に、配線層９５が積層される。配線層９５は、ｘｙ面内に広がる。

次いで図９に示すように、配線層９５及び積層構造体９０Ａをｘ方向に同時に加工し、不要部を除去する。配線層９５は、ｘ方向の不要部が除かれることで、ｙ方向に延びる読出し配線ＲＬとなる。また積層構造体９０Ａは、積層体１０となる。配線層９５と積層構造体９０Ａとが同時に加工されることで、積層体１０のｘ方向の側壁１０ｓｘと、読出し配線ＲＬのｘ方向の側壁ＲＬｓと、が連続する。

以上のような手順で、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００を作製できる。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、読出し配線ＲＬがマスクとなって積層体１０が加工される。その結果、積層体１０と読出し配線ＲＬとの間に、マスクがハードマスク層として残ることがない。積層体１０と読出し配線ＲＬとの間にハードマスク層が存在すると、ハードマスク層の分だけスピン軌道トルク配線２０と読出し配線ＲＬとの距離が離れ、スピン軌道トルク配線２０から読出し配線ＲＬへ熱が逃げにくくなる。これに対し、読出し配線ＲＬがマスクを兼ねると、スピン軌道トルク配線２０と読出し配線ＲＬとの距離が近くなり、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を効率的に逃がすことができる。

また読出し配線ＲＬがマスクとなると、必然的に、読出し配線ＲＬの積層体１０側の第１面ＲＬａのｘ方向の幅Ｗ_ＲＬａは、積層体１０の読出し配線ＲＬ側の第２面１０ｂのｘ方向の幅Ｗ_１０ｂ以下となる。そのため、読出し配線ＲＬとスピン軌道トルク配線２０とが対向せず、これらの間のキャパシタンスが大きくなることを抑制できる。

以上、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の一例を示したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

図１０は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図１０は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図１０において、図４と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。

図１０に示す読出し配線ＲＬ１は、ｘｚ断面形状が、図４に示す読出し配線ＲＬと異なる。読出し配線ＲＬ１は、ｘ方向にくびれてる。読出し配線ＲＬ１は、ｘ方向の幅が第１面ＲＬ１ａ及び第２面ＲＬ１ｂより狭い部分を有する。読出し配線ＲＬ１がｘ方向にくびれを有すると、読出し配線ＲＬ１とスピン軌道トルク配線２０との間のキャパシタンスが大きくなることを抑制できる。

「第２実施形態」
図１１は、第２実施形態に係る磁壁移動素子１１０の断面図である。磁壁移動素子１１０は、スピン素子の一例である。磁壁移動素子１１０は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００を置き換える。

磁壁移動素子１１０は、磁壁ＤＷの移動により抵抗値が変化する素子である。磁壁移動素子１１０は、磁壁移動層５０と積層体１１と第１導電層３１と第２導電層３２とを有する。磁壁移動層５０は、配線の一例である。積層体１１は、磁壁移動層５０に近い側から非磁性層３、第１強磁性層１、キャップ層４を有する。この場合、第１強磁性層１は、磁化固定層である。

磁壁移動層５０は、磁性層である。磁壁移動層５０は、強磁性体を含む。磁壁移動層５０を構成する磁性体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅが挙げられる。

磁壁移動層５０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁壁移動層５０は、内部に２つの磁区を有し、これらの磁区の境界が磁壁ＤＷである。

磁壁移動層５０は、第１実施形態におけるスピン軌道トルク配線２０に対応し、積層体１１は、第１実施形態における積層体１０に対応する。磁壁移動層５０及び積層体１１と他の構造体との関係は、第１実施形態と同様である。

例えば、読出し配線ＲＬの積層体１１側の第１面ＲＬａのｘ方向の幅Ｗ_ＲＬａは、積層体１１の読出し配線ＲＬ側の第２面１１ｂのｘ方向の幅Ｗ_１１ｂ以下である。

積層体１１の厚さＨ_１１は、例えば、第１導電層３１と積層体１１とのｘ方向の距離Ｌ１より厚い。積層体１０の厚さＨ_１１は、例えば、第２導電層３２と積層体１１とのｘ方向の距離Ｌ２より厚い。

また積層体１１のｘ方向の幅Ｗ_１１は、例えば、距離Ｌ１より広い。また積層体のｘ方向の幅Ｗ_１１は、例えば、距離Ｌ２より広い。積層体１１のｘ方向の側壁１１ｓｘは、読出し配線ＲＬのｘ方向の側壁ＲＬｓと連続し、積層体１１のｙ方向の側壁は、磁壁移動層５０のｙ方向の側壁と連続する。

第２実施形態に係る磁壁移動素子１１０は、磁壁移動層５０で生じた熱を効率的に排熱でき、かつ、読出し配線ＲＬ１と磁壁移動層５０との間のキャパシタンスが大きくなることを抑制できる。

「第３実施形態」
図１２は、第３実施形態に係る磁化回転素子１２０の断面図である。磁化回転素子１２０は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１２０は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００を置き換える。

磁化回転素子１２０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１２０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１２０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。

磁化回転素子１２０は、スピン軌道トルク配線２０と積層体１２と第１導電層３１と第２導電層３２とを有する。積層体１２は、スピン軌道トルク配線２０に近い側から第１強磁性層１、キャップ層４を有する。

積層体１２は、第１実施形態における積層体１０に対応する。積層体１２と他の構造体との関係は、第１実施形態と同様である。

この場合、読出し配線ＲＬは、例えば、透明電極材料からなる。透明電極材料は、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（ＳｎＯ_２）、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（Ｉｎ_２Ｏ_３）等である。

例えば、読出し配線ＲＬの積層体１２側の第１面ＲＬａのｘ方向の幅Ｗ_ＲＬａは、積層体１２の読出し配線ＲＬ側の第２面１２ｂのｘ方向の幅Ｗ_１２ｂ以下である。

積層体１２の厚さＨ_１２は、例えば、第１導電層３１と積層体１２とのｘ方向の距離Ｌ１より厚い。積層体１２の厚さＨ_１２は、例えば、第２導電層３２と積層体１２とのｘ方向の距離Ｌ２より厚い。

また積層体１２のｘ方向の幅Ｗ_１２は、例えば、距離Ｌ１より広い。また積層体のｘ方向の幅Ｗ_１２は、例えば、距離Ｌ２より広い。積層体１２のｘ方向の側壁１２ｓｘは、読出し配線ＲＬのｘ方向の側壁ＲＬｓと連続し、積層体１２のｙ方向の側壁は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の側壁と連続する。

第３実施形態に係る磁化回転素子１２０は、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を効率的に排熱でき、かつ、読出し配線ＲＬ１とスピン軌道トルク配線２０との間のキャパシタンスが大きくなることを抑制できる。

ここまで、第１実施形態から第３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。

１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…非磁性層、４…キャップ層、１０，１１，１２…積層体、１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ…第２面、１０ｓｘ，１０ｓｙ，１１ｓｘ，１２ｓｘ，２０ｓ，ＲＬｓ…側壁、２０…スピン軌道トルク配線、３１…第１導電層、３２…第２導電層、４０…絶縁層、５０…磁壁移動層、８０，９５…配線層、９０…積層膜、９０Ａ…積層構造体、９１，９１Ａ，９２，９２Ａ…強磁性層、９３，９３Ａ…非磁性層、９４，９４Ａ…キャップ層、１００，１０１…磁気抵抗効果素子、１１０…磁壁移動素子、１２０…磁化回転素子、２００…磁気アレイ、ＣＬ…共通配線、ＣＰ…交差点、ＤＷ…磁壁、Ｉｎ…絶縁層、Ｎ…狭窄部、ＲＬ，ＲＬ１…読出し配線、ＲＬａ，ＲＬ１ａ…第１面、ＲＬｂ，ＲＬ１ｂ…第２面、ＷＬ…書き込み配線

Claims (14)

1. 第１方向に延びる配線と、
   前記配線上に積層され、第１強磁性層を含む積層体と、
   前記積層体上に積層され、前記第１方向と交差する第２方向に延びる読出し配線と、を備え、
   前記読出し配線の前記積層体側の第１面の前記第１方向の幅は、前記積層体の前記読出し配線側の第２面の前記第１方向の幅以下である、スピン素子。
2. 前記積層体の側壁と前記読出し配線の側壁とが連続する、請求項１に記載のスピン素子。
3. 前記配線に接続された第１導電層と第２導電層とをさらに備え、
   前記第１導電層と前記第２導電層とは、積層方向から見て、前記積層体を挟み、
   前記第１導電層と前記積層体との前記第１方向の距離は、前記積層体の前記積層方向の厚さより短い、請求項１又は２に記載のスピン素子。
4. 前記読出し配線は、積層方向から見て、前記積層体と重なる位置で狭窄している、請求項１～３のいずれか一項に記載のスピン素子。
5. 前記配線に接続された第１導電層と第２導電層とをさらに備え、
   前記第１導電層と前記第２導電層とは、積層方向から見て前記積層体を挟み、
   前記積層体の前記第１方向の幅は、前記第１導電層と前記積層体との前記第１方向の距離より広い、請求項１～４のいずれか一項に記載のスピン素子。
6. 前記積層体の側壁及び前記読出し配線の側壁に接する絶縁層をさらに備え、
   前記絶縁層は、ＡｌＮ又はＭｇＯである、請求項１～５のいずれか一項に記載のスピン素子。
7. 前記配線に接続された書き込み配線と共通配線とをさらに備え、
   前記書き込み配線と前記共通配線とのうち少なくとも一方は、積層方向から見て、前記読出し配線と重なる部分を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載のスピン素子。
8. 前記読出し配線は、前記第１方向の幅が、前記第１面及び前記第１面と対向する第２面より狭い部分を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のスピン素子。
9. 前記読出し配線の積層方向の厚みは、前記読出し配線の前記第１方向の幅より狭い、請求項１～８のいずれか一項に記載のスピン素子。
10. 前記積層体の側壁及び前記読出し配線の側壁が積層方向に対して傾斜している、請求項１～９のいずれか一項に記載のスピン素子。
11. 前記積層体は、前記配線に近い側から順に、前記第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のスピン素子。
12. 前記積層体は、前記配線に近い側から順に、非磁性層、前記第１強磁性層を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のスピン素子。
13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載のスピン素子を複数備える、磁気アレイ。
14. 配線層と強磁性層を含む積層膜を順に積層する工程と、
    前記配線層及び前記積層膜を同時に加工し、第１方向に延びる、配線及び積層構造体を形成する工程と、
    前記配線及び前記積層構造体の側面を絶縁層で被覆する工程と、
    前記絶縁層及び前記積層構造体上に、第２配線層を積層する工程と、
    前記積層構造体及び前記第２配線層を同時に加工し、積層体及び前記第１方向と交差する第２方向に延びる読出し配線とする工程と、を有する、スピン素子の製造方法。

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