特開 2024-118080 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024118080

(43)【公開日】2024-08-30

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/20 20230101AFI20240823BHJP

   H10N 50/80 20230101ALI20240823BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

H10N50/20

H10N50/80 Z

H10B61/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024270

(22)【出願日】2023-02-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】小村 英嗣

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119BB01

4M119BB03

4M119CC05

4M119CC10

4M119DD07

4M119DD08

4M119DD17

4M119DD22

4M119DD32

4M119DD47

4M119EE03

4M119JJ03

4M119JJ04

4M119KK18

5F092AB07

5F092AC08

5F092AC12

5F092AC26

5F092AD25

5F092BB10

5F092BB17

5F092BB22

5F092BB23

5F092BB24

5F092BB31

5F092BB34

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB37

5F092BB38

5F092BB42

5F092BB43

5F092BB44

5F092BB53

5F092BB55

5F092BC03

5F092BC07

5F092FA09

(57)【要約】      （修正有）

【課題】外部磁場の影響を受けにくく、動作への悪影響の少ない磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
【解決手段】周囲が絶縁層９０で覆われている磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒを有する磁気メモリ２００であって、磁気抵抗効果素子１００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接続された積層体１０と、前記積層体の前記スピン軌道トルク配線が接する面と反対側の面に接続されたマスク層３０と、前記積層体の周囲を少なくとも囲むシールド層４０と、を備える。前記シールド層の少なくとも一部は、前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層の周囲を、前記積層体の積層方向から見て前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層から離間した位置で囲む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に接続された積層体と、
前記積層体の前記スピン軌道トルク配線が接する面と反対側の面に接続されたマスク層と、
前記積層体の周囲を少なくとも囲むシールド層と、を備え、
前記シールド層の少なくとも一部は、前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層の周囲を、前記積層体の積層方向から見て前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層から離間した位置で囲む、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記シールド層は、前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層の周囲を囲む壁部と、前記マスク層と対向し前記マスク層の一面の少なくとも一部を覆う蓋部と、を備える、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記蓋部の少なくとも一部は、前記積層方向から見て、前記積層体と重なる位置にある、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記蓋部の少なくとも一部は、前記マスク層と接している、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記マスク層と前記シールド層とを繋ぐ接続部をさらに有し、
前記マスク層は、軟磁性体を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を含む、磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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電流を流す。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。

【0005】

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（例えば、特許文献１）。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。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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－２１６２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

スピン軌道トルクは、外部磁場、環境温度等の影響を受けやすく、環境によって特性が変化しやすい。スピン軌道トルクを利用した書き込みは、外部磁場の影響を低減することが求められる。外部磁場の影響を低減する手段の一つとして磁気シールドがある。磁気シールドは、内部の素子への外部磁場の影響を低減する。しかしながら、スピン軌道トルクを利用するスピン軌道トルク型の磁気抵抗効果素子の場合、磁気シールドが動作に悪影響を及ぼす場合がある。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、外部磁場の影響の受けにくく、動作に悪影響を及ぼしにくい磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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。

【0010】

（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線と、積層体と、マスク層と、シールド層と、を備える。積層体は、前記スピン軌道トルク配線に接続されている。マスク層は、前記積層体の前記スピン軌道トルク配線が接する面と反対側の面に接続されている。シールド層は、前記積層体の周囲を少なくとも囲む。前記シールド層の少なくとも一部は、前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層の周囲を、前記積層体の積層方向から見て前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層から離間した位置で囲む。

【0011】

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記シールド層は、前記スピン軌道トルク配線及び前記マスク層の周囲を囲む壁部と、前記マスク層と対向し前記マスク層の一面の少なくとも一部を覆う蓋部と、を備えてもよい。

【0012】

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記蓋部の少なくとも一部は、前記積層方向から見て、前記積層体と重なる位置にあってもよい。

【0013】

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記蓋部の少なくとも一部は、前記マスク層と接していてもよい。

【0014】

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記マスク層と前記シールド層とを繋ぐ接続部をさらに有してもよい。前記マスク層は、軟磁性体を含む。

【0015】

（６）第２の態様にかかる磁気メモリは、上記態様に係る磁気抵抗効果素子を含む。

【発明の効果】

【0016】

本開示にかかる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、外部磁場の影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。

【図2】第１実施形態にかかる磁気メモリの特徴部分の断面図である。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図6】比較例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図7】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図8】第２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。

【図9】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図10】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図11】第３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。

【図12】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図13】第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図14】第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

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、スピン軌道トルク配線２０の長手方向である。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、各層が積層される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。

【0020】

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。また本明細書での「接続」は電気的な接続も含む。

【0021】

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００の構成図である。磁気メモリ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。磁気メモリ２００は、例えば、磁気抵抗効果素子１００がアレイ状に配列されている。

【0022】

それぞれの書き込み配線ＷＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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。それぞれの読出し配線ＲＬ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、使用時に磁気メモリ２００に接続される。

【0023】

それぞれの磁気抵抗効果素子１００は、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のそれぞれに接続されている。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。

【0024】

所定の第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。書き込み電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００にデータが書き込まれる。所定の第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。読出し電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００からデータが読み出される。

【0025】

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。

【0026】

図１に示す磁気メモリ２００は、同じ読出し配線ＲＬ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に設けられていてもよい。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。

【0027】

図２は、第１実施形態に係る磁気メモリ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。

【0028】

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方向の異なる位置にある。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。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。ソースＳとドレインＤの位置関係は、反転していてもよい。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

【0029】

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、第１ビア配線５０又は第２ビア配線６０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及びトランジスタＴｒと共通配線ＣＬとはそれぞれ、ビア配線Ｗ１で接続されている。ビア配線Ｗ１は、例えば、ｚ方向に延びる。読出し配線ＲＬは、電極Ｅを介して積層体１０に接続されている。ビア配線Ｗ１、電極Ｅは、導電性を有する材料を含む。

【0030】

第１ビア配線５０は、磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０に接続されている。第２ビア配線６０は、第１ビア配線５０と異なる位置で、磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０に接続されている。ｚ方向から見て、第１ビア配線５０と第２ビア配線６０とは、積層体１０をｘ方向に挟む。第１ビア配線５０及び第２ビア配線６０は、導電性を有する材料を含む。

【0031】

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９０で覆われている。絶縁層９０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９０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。

【0032】

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、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の別の断面図である。図４は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の中心を通る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は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た平面図である。

【0033】

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とマスク層３０とシールド層４０とを備える。積層体１０、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０とシールド層４０との間は、絶縁層９０で充填されている。

【0034】

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。

【0035】

磁気抵抗効果素子１００は、データを記録、保存する素子である。磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０のｚ方向の抵抗値でデータを記録する。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を印加し、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。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、積層体１０のｚ方向に読出し電流を印加することで読み出すことができる。

【0036】

積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０に接続されている。図３に示す積層体１０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。

【0037】

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の側面は、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。

【0038】

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と下地層４とキャップ層５とを備える。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。

【0039】

第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と面する。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０と直接接してもよいし、下地層４を介して間接的に接してもよい。第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。

【0040】

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１強磁性層１は磁化自由層と言われる。

【0041】

第１強磁性層１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。

【0042】

第１強磁性層１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。

【0043】

第２強磁性層２は、非磁性層３を挟んで、第１強磁性層１と対向する。第２強磁性層２は、強磁性体を含む。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２強磁性層２は、磁化固定層、磁化参照層と言われる。図３に示す積層体１０は、磁化固定層が基板Ｓｕｂから離れた側にあり、トップピン構造と呼ばれる。

【0044】

第２強磁性層２を構成する材料として、第１強磁性層１を構成する材料と同様のものが用いられる。

【0045】

第２強磁性層２は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）でもよい。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は、二つの磁性層とこれらに挟まれるスペーサ層とを有してもよい。二つの強磁性層が反強磁性カップリングすることで、第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。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。

【0046】

非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２とに挟まれる。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。

【0047】

下地層４は、例えば、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０との間にある。下地層４は、無くてもよい。

【0048】

下地層４は、例えば、バッファ層とシード層とを含む。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、バッファ層上に形成される。

【0049】

バッファ層は、例えば、例えば、Ｔａ（単体）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＣｕＮ（窒化銅）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＮｉＡｌ（ニッケルアルミニウム）である。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒである。

【0050】

キャップ層５は、第２強磁性層２上にある。キャップ層５は、例えば、第２強磁性層２の磁気異方性を強める。キャップ層５は、例えば、第２強磁性層２の垂直磁気異方性を強める。キャップ層５は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。キャップ層５の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

【0051】

積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３、下地層４及びキャップ層５以外の層を有してもよい。

【0052】

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、第１ビア配線５０と第２ビア配線６０との間を、スピン軌道トルク配線２０に沿ってｘ方向に流れる。

【0053】

スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道相互作用及び界面ラシュバ効果によってスピン流を誘起し、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。

【0054】

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。

【0055】

例えば、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、一方向に偏極した第１スピンと、第１スピンと反対方向に偏極した第２スピンとが、それぞれ電流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方向に偏極した第１スピンは、進行方向であるｘ方向から＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に偏極した第２スピンは、進行方向であるｘ方向から－ｚ方向に曲げられる。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

スピン軌道トルク配線２０は、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、金属窒化物のいずれかを含む。

【0059】

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、原子番号が３９以上の重金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、トポロジカル絶縁体からなる群から選択される何れかを含む。またスピン軌道トルク配線２０は、磁性材料を含んでもよい。

【0060】

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。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。

【0061】

マスク層３０は、積層体１０のスピン軌道トルク配線２０が接する面と反対側の面に接続されている。マスク層３０は、例えば、積層体１０のキャップ層５上にある。マスク層３０は、電極Ｅと積層体１０に挟まれる。

【0062】

マスク層３０は、製造時にスピン軌道トルク配線２０を加工する際に用いられるハードマスクの一部である。マスク層３０の外形は、スピン軌道トルク配線２０の外形と略一致する。マスク層３０は、スピン軌道トルク配線２０と対向する。例えば、マスク層３０のｘ方向の長さは、スピン軌道トルク配線２０の第１面の長さと略一致する。第１面は、スピン軌道トルク配線２０のマスク層３０側の面である。

【0063】

マスク層３０は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ、窒化物（例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＮ）、酸化物（例えばＳｉＯ_２）を含む。マスク層３０は、シールド層４０と同じ材料でもよい。

【0064】

シールド層４０は、積層体１０の周囲を少なくとも囲む。シールド層４０は、積層体１０への外部磁場の侵入を防ぐ。シールド層４０は、磁気シールドである。

【0065】

シールド層４０の少なくとも一部は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。シールド層４０は、ｚ方向から見てスピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と離間する。シールド層４０は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と同じ高さ位置において、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間する。シールド層４０は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の外側にある。シールド層４０は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を環状に囲む。環状のシールド層４０に沿って環状電流が流れることで、磁気シールド効果が高まる。

【0066】

シールド層４０とスピン軌道トルク配線２０との距離は、０より大きい。シールド層４０とスピン軌道トルク配線２０との距離は、例えば、３０ｎｍ以下である。シールド層４０とスピン軌道トルク配線２０との距離が離れすぎないことで、磁気メモリ２００の集積性を高めることができる。シールド層４０の内周のｘ方向の距離は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の長さより長い。シールド層４０の内周のｙ方向の距離は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅より長い。

【0067】

シールド層４０は、磁気遮断性の高い公知の材料を含む。シールド層４０は、例えば、Ｎｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、ＦｅＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金との軟磁性体材料である。

【0068】

シールド層４０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０、積層体１０及びマスク層３０が存在する階層に亘って存在する。シールド層４０のｚ方向の下端は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の下面より下方にある。シールド層４０のｚ方向の上端は、例えば、マスク層３０の上面より上方にある。

【0069】

次いで、磁気メモリ２００の製造方法について説明する。磁気メモリ２００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、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ことができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

【0070】

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。基板Ｓｕｂは、トランジスタＴｒが形成された市販の半導体回路基板を用いてもよい。

【0071】

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することでビア配線Ｗ１、第１ビア配線５０及び第２ビア配線６０が形成される。書き込み配線ＷＬ、共通配線ＣＬは、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

【0072】

次いで、絶縁層９０、第１ビア配線５０及び第２ビア配線６０の一面に、スピン軌道トルク配線２０となる層、積層体１０となる層を順に積層する。そして積層体１０を所定の形状に加工し、積層体１０の周囲を絶縁層９０で覆う。次いで、マスク層３０を積層体１０及び絶縁層９０上に形成する。マスク層３０を介して、スピン軌道トルク配線２０となる層を所定の形状に加工する。ついで、マスク層３０の周囲を絶縁層９０で覆い、絶縁層９０の周囲にシールド層４０を形成する。このような手順で、磁気抵抗効果素子１００が得られる。

【0073】

第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、シールド層４０がスピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間した位置で、積層体１０を囲むことで、シールド層４０が磁気抵抗効果素子１００の動作に悪影響を及ぼすことを抑制できる。

【0074】

図６は、比較例に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。比較例に係る磁気抵抗効果素子１０１は、シールド層４１が配置されている位置が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。

【0075】

シールド層４１は、積層体１０の周囲を囲む。シールド層４１は、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と重なっており、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲んでいない。積層体１０への外部磁場の影響を低減するためには、図６に示すように、積層体１０の近傍にシールド層４１を配置することが効果的である。シールド層４１と積層体１０との距離が離れる程、漏れ磁場等の侵入するリスクが高まるためである。

【0076】

しかしながら、図６に示す位置にシールド層４１を配置すると、スピン軌道トルク配線２０とシールド層４１との間、及び、マスク層３０とシールド層４１との間にキャパシタンスが生じる。この場合、スピン軌道トルク配線２０に沿って流れる書き込み電流の流れが、乱される。これらの間のキャパシタンスが小さい場合は、書き込み電流の一部がシールド層４１及びマスク層３０を介して迂回する場合もある。このような書き込み電流は、磁気抵抗効果素子１０１の適切な動作を阻害する。

【0077】

これに対し、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間した位置にシールド層４０を配置している。そのため、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、書き込み電流がシールド層４０を介して迂回する等の不適切な動作を起こしにくい。シールド層４０は、シールド層４１より積層体１０から離れた位置に配置されることになるが、シールド層４０は積層体１０を囲むため、十分外部磁場の影響を低減できる。

【0078】

「第２実施形態」
図７は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図７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１０２を切断した断面である。図８は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の別の断面図である。図８は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０２を切断した断面である。図９は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２をｚ方向から見た平面図である。

【0079】

磁気抵抗効果素子１０２は、シールド層４２の形状が磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０２において、磁気抵抗効果素子１００と同じ構成は同じ符号を付し、説明を省く。

【0080】

シールド層４２は、積層体１０の周囲を少なくとも囲む。シールド層４２の少なくとも一部は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。シールド層４２は、ｚ方向から見てスピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と離間し、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の外側にある。シールド層４２には、シールド層４０と同様の材料が用いられる。

【0081】

シールド層４２は、壁部４２Ａと蓋部４２Ｂとを有する。壁部４２Ａは、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。壁部４２Ａは、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間する。蓋部４２Ｂは、マスク層３０と対向しマスク層３０の一面の少なくとも一部を覆う。蓋部４２Ｂは開口を有し、開口内に電極Ｅが形成されている。開口は、ｚ方向から見て、積層体１０と重なる位置にある。

【0082】

第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。またシールド層４２が蓋部４２Ｂを有することで、積層体１０への外部磁場の影響をより低減できる。

【0083】

「第３実施形態」
図１０は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３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１０３を切断した断面である。図１１は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の別の断面図である。図１１は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０３を切断した断面である。図１２は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３をｚ方向から見た平面図である。

【0084】

磁気抵抗効果素子１０３は、シールド層４３の形状が磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０３において、磁気抵抗効果素子１００と同じ構成は同じ符号を付し、説明を省く。

【0085】

シールド層４３は、積層体１０の周囲を少なくとも囲む。シールド層４３の少なくとも一部は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。シールド層４３は、ｚ方向から見てスピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と離間し、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の外側にある。シールド層４３には、シールド層４０と同様の材料が用いられる。

【0086】

シールド層４３は、壁部４３Ａと蓋部４３Ｂとを有する。壁部４３Ａは、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。壁部４３Ａは、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間する。蓋部４３Ｂは、マスク層３０と対向しマスク層３０の一面の少なくとも一部を覆う。蓋部４３Ｂの少なくとも一部は、ｚ方向から見て、積層体１０と重なる位置にある。積層体１０の上面は、例えば、蓋部４３Ｂで覆われている。蓋部４２Ｂは開口を有し、開口内に電極Ｅが形成されている。開口は、ｚ方向から見て、積層体１０と重ならない位置にある。

【0087】

第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。またシールド層４３が蓋部４３Ｂを有することで、積層体１０への外部磁場の影響をより低減できる。また積層体１０の直上の位置に蓋部４３Ｂがあることで、積層体１０への外部磁場の侵入をより抑制できる。

【0088】

「第４実施形態」
図１３は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４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平面で磁気抵抗効果素子１０４を切断した断面である。第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４のｙｘ断面図及びｚ方向からの平面図は、図８、図９と同様である。

【0089】

第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、接続部７０を有する点が、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２と異なる。磁気抵抗効果素子１０４において、磁気抵抗効果素子１０２と同じ構成は同じ符号を付し、説明を省く。

【0090】

接続部７０は、マスク層３０とシールド層４２とを繋ぐ。接続部７０は、例えば、マスク層３０の上面に接続されている。この場合、マスク層３０は、軟磁性体を含む。接続部７０は、例えば、シールド層４２と同様の材料を含む。

【0091】

第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２と同様の効果を奏する。またマスク層３０とシールド層４２とが接続部７０で接続されることで、マスク層３０とシールド層４２と接続部７０が一体となって磁気シールドの機能を果たし、積層体１０への外部磁場の侵入をより抑制できる。

【0092】

「第５実施形態」
図１４は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５の断面図である。図１４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。

【0093】

第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５は、シールド層４４の形状が磁気抵抗効果素子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と同じ構成は同じ符号を付し、説明を省く。

【0094】

シールド層４４は、積層体１０の周囲を少なくとも囲む。シールド層４４の少なくとも一部は、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。シールド層４４は、ｚ方向から見てスピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０と離間し、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の外側にある。シールド層４４には、シールド層４０と同様の材料が用いられる。

【0095】

シールド層４４は、壁部４４Ａと蓋部４４Ｂとを有する。壁部４４Ａは、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０の周囲を囲む。壁部４４ＢＡは、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０及びマスク層３０から離間する。蓋部４４Ｂは、マスク層３０と対向しマスク層３０の一面の少なくとも一部を覆う。蓋部４４Ｂは、マスク層３０と接する。この場合、マスク層３０は、軟磁性体を含む。

【0096】

第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２と同様の効果を奏する。

【0097】

ここまで、いくつかの実施形態を例示し、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。

【符号の説明】

【0098】

１ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
４ 下地層
５ キャップ層
１０ 積層体
２０ スピン軌道トルク配線
３０ マスク層
４０、４１、４２、４３ シールド層
４２Ａ、４３Ａ 壁部
４２Ｂ、４３Ｂ 蓋部
５０ 第１ビア配線
６０ 第２ビア配線
７０ 接続部
９０ 絶縁層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４ 磁気抵抗効果素子
２００ 磁気メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】