磁阻效应元件的制作方法

1.本发明涉及磁阻效应元件。


背景技术：

2.磁阻效应元件是层叠方向的电阻值因磁阻效应而变化的元件。磁阻效应元件具备两个铁磁性层和被它们夹持的非磁性层。在非磁性层中使用导体的磁阻效应元件被称为巨磁阻(gmr)元件，在非磁性层中使用绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的磁阻效应元件被称为隧道磁阻(tmr)元件。磁阻效应元件能够应用于磁传感器、高频零件、磁头及非易失性随机存取存储器(mram)等多种用途(例如，专利文献1及2)。例如，专利文献3中记载有一种利用通过在磁阻效应元件的层叠方向上流过电流而产生的自旋传递转矩(stt)来控制磁化的朝向的方法。该方法被称为自旋注入磁化反转方式。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利第5586028号公报
6.专利文献2：日本专利第5988019号公报
7.专利文献3：日本特开第2015-156501号公报


技术实现要素：

8.发明所要解决的技术问题
9.为了使磁化反转容易，期望减小磁化反转所需的能量。
10.本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够以少的能量进行磁化反转的磁阻效应元件。
11.用于解决技术问题的技术方案
12.第一方面的磁阻效应元件具备层叠体和绝缘层。层叠体具备第一铁磁性层、第二铁磁性层以及非磁性层。绝缘层覆盖层叠体的侧面的至少一部分。第一铁磁性层具有第一非氮化区域和第一氮化区域。第一氮化区域比第一非氮化区域靠近所述绝缘层。第一氮化区域含有氮。
13.发明效果
14.本发明的磁阻效应元件能够以少的能量进行磁化反转。
附图说明
15.图1是第一实施方式的磁阻效应元件的剖视图。
16.图2是第一实施方式的磁阻效应元件的俯视图。
17.图3是第一变形例的磁阻效应元件的剖视图。
18.图4是第二变形例的磁阻效应元件的剖视图。
19.图5是第三变形例的磁阻效应元件的剖视图。
20.图6是应用例1的磁记录元件的剖视图。
21.图7是应用例2的磁记录元件的剖视图。
22.图8是应用例3的磁记录元件的剖视图。
23.图9是应用例4的磁畴壁移动元件的剖视图。
24.图10是应用例5的高频器件的剖视图。
25.附图标记说明
[0026]1…
第一铁磁性层
[0027]
1a
…
第一非氮化区域
[0028]
1b
…
第一氮化区域
[0029]2…
第二铁磁性层
[0030]
2a
…
第二非氮化区域
[0031]
2b
…
第二氮化区域
[0032]3…
非磁性层
[0033]
3a
…
第三非氮化区域
[0034]
3b
…
第三氮化区域
[0035]5…
层叠体
[0036]6…
绝缘层
[0037]
6b
…
氮化区域
[0038]8…
自旋轨道转矩配线
[0039]
10、11、12
…
磁阻效应元件
[0040]
21
…
电阻测定器
[0041]
22
…
电源
[0042]
23
…
测定部
[0043]
24
…
第一磁化固定层
[0044]
25
…
第二磁化固定层
[0045]
26
…
直流电源
[0046]
27
…
电感器
[0047]
28
…
电容器
[0048]
29
…
输出端口
[0049]
30、31
…
配线
[0050]
100、101、102
…
磁记录元件
[0051]
103
…
磁畴壁移动元件
[0052]
104
…
高频器件
[0053]
dw
…
磁畴壁
[0054]
al
…
第一磁区
[0055]
a2
…
第二磁区
具体实施方式
[0056]
下面，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。在以下的说明中使用的附图中，
为了使本实施方式的特征容易理解，有时为了方便而放大表示成为特征的部分，有时各结构要素的尺寸比率等与实际不同。在以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限于这些，能够在不变更其主旨的范围内适当地变更而实施。
[0057]
图1是第一实施方式的磁阻效应元件10的剖视图。图2是第一实施方式的磁阻效应元件10的俯视图。
[0058]
下面，将层叠各层的层叠方向称为z方向，将各层扩展的方向且面内方向的位置方向称为x方向，将与x方向正交的方向称为y方向。
[0059]
图1所示的磁阻效应元件10具有层叠体5和绝缘层6。层叠体5的俯视形状例如为圆形。层叠体5的俯视形状不限于圆形，也可以是矩形、椭圆形、卵形等。绝缘层6覆盖层叠体5的侧面的至少一部分。绝缘层6例如包围层叠体5的周围。
[0060]
磁阻效应元件10具备第一铁磁性层1、第二铁磁性层2以及非磁性层3。磁阻效应元件10将第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的相对角的变化作为电阻值变化输出。
[0061]
第一铁磁性层1包含铁磁性体。第一铁磁性层1的磁化例如比第二铁磁性层2的磁化易动。在施加了规定的外力的情况下，第二铁磁性层2的磁化的朝向不变(恒定)，第一铁磁性层1的磁化的朝向发生变化。第一铁磁性层1为磁化自由层。
[0062]
第一铁磁性层1具有第一非氮化区域1a和第一氮化区域1b。第一氮化区域1b位于比第一非氮化区域1a靠外侧。第一氮化区域1b比第一非氮化区域1a靠近绝缘层6。第一氮化区域1b例如是包围第一非氮化区域1a的周围的环状的区域。
[0063]
第一非氮化区域1a是不含氮的区域。不含氮意味着通过使用有透射型电子显微镜(tem)的能量分散型x射线分光法检测的氮量为检测限以下。第一非氮化区域1a例如是具有导电性的铁磁性体。
[0064]
第一非氮化区域1a例如含有：选自cr、mn、co、fe及ni中的金属、含有一种以上的这些金属的合金、含有这些金属和b、c及n中的至少一种以上的元素的合金等。第一非氮化区域1a例如是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。
[0065]
第一非氮化区域1a也可以是惠斯勒合金。惠斯勒合金含有具有xyz或x2yz的化学组成的金属间化合物。x在周期表上是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x的元素种类，z是iii～v族的典型元素。惠斯勒合金例如是co2fesi、co2fege、co2fega、co2mnsi、co2mn
1-a
feaalbsi
1-b
、co2fege
1-c
gac等。惠斯勒合金具有高的自旋极化率。
[0066]
第一氮化区域1b是含有氮的铁磁性体。第一氮化区域1b具有导电性。如果第一氮化区域1b被氮化，则与第一氮化区域1b未被氮化的情况相比，饱和磁化降低。即，第一铁磁性层1变得容易磁化反转。
[0067]
第一氮化区域1b例如含有与第一非氮化区域1a相同的材料和氮元素。第一氮化区域1b例如是与第一非氮化区域1a相同材料的氮化物或氮氧化物。第一氮化区域1b具有导电性。
[0068]
第一氮化区域1b例如是含有选自ni、co、fe中的一种以上的元素的氮化物或氮氧化物。ni、co、fe中的任一种氮化物具有共价键。这些氮化物防止第一铁磁性层1和绝缘层6
之间的元素的相互扩散，并且维持第一铁磁性层1的导电性。
[0069]
第一氮化区域1b的宽度w1例如为3nm以下。第一氮化区域1b例如位于比距第一铁磁性层1的外侧面3nm内侧的位置靠外侧。
[0070]
第二铁磁性层2包含铁磁性体。第二铁磁性层2的磁化在施加了规定的外力的情况下，第二铁磁性层2的磁化的朝向不变。第二铁磁性层2是磁化固定层。
[0071]
第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的矫顽力差例如可以通过第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的厚度来控制。例如，如果将第一铁磁性层1的厚度设为比第二铁磁性层2的厚度薄，则第一铁磁性层1的矫顽力变得比第二铁磁性层2的矫顽力小。
[0072]
另外，也可以通过将第二铁磁性层2设为合成反铁磁性结构(saf结构)来提高矫顽力。合成反铁磁性结构由夹着非磁性层的两个磁性层构成。例如，第二铁磁性层2也可以是包含铁磁性层、间隔层及铁磁性层的层叠体。通过构成saf结构的两个铁磁性层反铁磁性耦合，与非saf结构的情况相比，第二铁磁性层2的矫顽力变大。构成saf结构的磁性层例如含有铁磁性体，也可以含有irmn、ptmn等反铁磁性体。间隔层例如含有选自ru、ir、rh中的至少一种。
[0073]
第二铁磁性层2具有第二非氮化区域2a和第二氮化区域2b。第二氮化区域2b位于比第二非氮化区域2a靠外侧。第二氮化区域2b比第二非氮化区域2a靠近绝缘层6。第二氮化区域2b例如是包围第二非氮化区域2a的周围的环状的区域。
[0074]
第二非氮化区域2a是不含氮的区域。第二非氮化区域2a例如是具有导电性的铁磁性体。第二非氮化区域2a能够使用与第一非氮化区域1a相同的材料。第二非氮化区域2a也可以是与第一非氮化区域1a相同的组合物。
[0075]
第二氮化区域2b是含有氮的铁磁性体。第二氮化区域2b具有导电性。如果第二氮化区域2b被氮化，则与第二氮化区域2b未被氮化的情况相比，来自第二氮化区域2b的漏磁场变小，能够降低对第一铁磁性层1施加的不需要的偏置磁场。
[0076]
第二氮化区域2b例如含有与第二非氮化区域2a相同的材料和氮元素。第二氮化区域2b例如是与第二非氮化区域2a相同材料的氮化物或氮氧化物。第二氮化区域2b例如具有导电性。
[0077]
第二氮化区域2b例如是含有选自ni、co、fe中的一种以上的元素的氮化物或氮氧化物。ni、co、fe中的任一种氮化物具有共价键。这些氮化物防止第二铁磁性层2和绝缘层6之间的元素的相互扩散，并且维持第二铁磁性层2的导电性。
[0078]
第二氮化区域2b的宽度w2例如为3nm以下。第二氮化区域2b例如位于比距第二铁磁性层2的外侧面3nm内侧的位置靠外侧。第二氮化区域2b的宽度w2例如比第一氮化区域1b的宽度w1窄。如果被氮化的区域窄，则铁磁性层的饱和磁化不易降低。如果满足上述关系，则能够确保作为磁化固定层的第二铁磁性层2的磁化稳定性，并且降低作为磁化自由层的第一铁磁性层1的反转电流密度。
[0079]
非磁性层3被夹在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间。非磁性层3例如厚度在0.5nm以上且10nm以下的范围内。非磁性层3阻碍第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁耦合。
[0080]
非磁性层3具有第三非氮化区域3a和第三氮化区域3b。第三氮化区域3b位于比第三非氮化区域3a靠外侧。第三氮化区域3b比第三非氮化区域3a靠近绝缘层6。第三氮化区域
3b例如是包围第三非氮化区域3a的周围的环状的区域。
[0081]
第三非氮化区域3a是不含氮的区域。第三非氮化区域3a例如是非磁性体。
[0082]
第三非氮化区域3a也可以是导电体、半导体、绝缘体。
[0083]
在第三非氮化区域3a为金属的情况下，作为其材料例如是含有选自cu、au、ag、al、cr中的任一种元素的金属或合金。在第三非氮化区域3a为半导体的情况下，作为其材料，能够使用si、ge、cuinse2、cugase2、cu(in、ga)se2等。
[0084]
在第三非氮化区域3a为绝缘体的情况下，作为其材料，例如含有由mgo、al2o3、ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中的任一种。在由ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中，a为mg和zn中的至少一种，b为al、ga、in中的至少一种。由ab2o4表示的尖晶石结构氧化物例如是mgal2o4。在非磁性层3为绝缘体的情况下，非磁性层3被称为隧道势垒层。
[0085]
第三氮化区域3b是含有氮的非磁性体。如果第三氮化区域3b被氮化，则在第三非氮化区域3a为氧化物的情况下，能够防止氧向绝缘层6扩散。
[0086]
第三氮化区域3b例如含有与第三非氮化区域3a相同的材料和氮元素。第三氮化区域3b例如是与第三非氮化区域3a相同材料的氮氧化物。
[0087]
第三氮化区域3b的宽度w3例如比第一氮化区域1b的宽度w1及第二氮化区域2b的宽度w2宽。第一氮化区域1b的磁各向异性比第一非氮化区域1a低，第二氮化区域2b的磁各向异性比第二非氮化区域2a低。因此，通过第一氮化区域1b及第二氮化区域2b的电流的自旋极化率低。如果第三氮化区域3b比第一氮化区域1b及第二氮化区域2b朝向内侧突出，则能够降低向第一铁磁性层1施加自旋极化率低的自旋极化电流。
[0088]
层叠体5也可以具有上述的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2、非磁性层3以外的层。例如，可以在层叠体5的层叠面的下方具有基底层，也可以在层叠体5的上部具有盖层。基底层及盖层提高第一铁磁性层1及第二铁磁性层2的结晶的取向性。基底层例如是具有(001)取向的nacl结构的化合物。具有nacl结构的化合物例如是含有选自ti、zr、nb、v、hf、ta、mo、w、b、al、ce中的至少一种元素的氮化物或含有选自mg、al、ce中的至少一种元素的氧化物。盖层例如也可以包含含有ru、ir、ta、ti、al、au、ag、pt、cu、cr、mo、w及pd中的一种以上的金属元素、这些金属元素的合金或这些金属元素中的两种以上的材料的层叠体。另外，在第一铁磁性层1和非磁性层3之间或第二铁磁性层2和非磁性层3之间也可以具有缓冲层。缓冲层例如是nial层。缓冲层提高这些界面的晶格匹配性。
[0089]
绝缘层6覆盖层叠体5的周围。绝缘层6是使多层配线的配线间、元件间绝缘的绝缘层。绝缘层6例如是氧化硅(sio
x
)、氮化硅(sin
x
)、碳化硅(sic)、氮化铬(crn)、碳氮化硅(sicn)、氧氮化硅(sion)、氧化铝(al2o3)、氧化铝硅(alsio)、氧化锆(zro
x
)、氧化镁(mgo)、氮化铝(aln)、氧化钽(tao)、氧化钛(tio)等。
[0090]
绝缘层6也可以在与层叠体5相接的部分具有氮化区域6b。氮化区域6b例如是上述的氮化物、氮氧化物等。氮化区域6b具有绝缘性。
[0091]
接着，对磁阻效应元件10的制造方法进行说明。首先，准备成为成膜的基底的基板。基板可以具有结晶性，也可以是非晶质。作为具有结晶性的基板，例如有金属氧化物单晶、单晶硅、蓝宝石单晶。作为非晶质的基板，例如有带热氧化膜的单晶硅、玻璃、陶瓷、石英。
[0092]
接着，在基板上依次层叠成为第二铁磁性层2的铁磁性层、成为非磁性层3的非磁
性层、成为第一铁磁性层1的铁磁性层。成为第二铁磁性层2的层可以在基板上直接成膜，也可以经由绝缘层等在基板的上方成膜。各层例如通过溅射法、化学气相沉积法、蒸镀法、激光烧蚀法、分子束外延(mbe)法而成膜。
[0093]
接着，在这些层叠膜的上部的一部分形成保护膜。而且，经由保护膜将层叠膜加工成规定的形状。加工能够通过光刻、离子研磨等方法而进行。层叠膜通过加工而成为层叠体5，层叠体5的侧面露出。
[0094]
接着，进行氮等离子体处理。在进行氮等离子体处理时，层叠体5的侧面被氮化，形成第一氮化区域1b、第二氮化区域2b、第三氮化区域3b。
[0095]
在控制第一氮化区域1b、第二氮化区域2b、第三氮化区域3b的宽度w1、w2、w3时，不一次性加工层叠膜，而按顺序加工第一铁磁性层1、非磁性层3、第二铁磁性层2。通过在每次除去各层时进行氮等离子体处理，能够控制第一氮化区域1b、第二氮化区域2b、第三氮化区域3b的宽度w1、w2、w3。例如，通过一边进行元素分析一边进行研磨处理，例如能够在仅除去成为第一铁磁性层1的铁磁性层的时刻停止加工。
[0096]
另外，在此，对通过进行氮等离子体处理来形成氮化区域的方法进行了说明，但也可以通过使进行研磨处理的气体、例如氩(ar)、氪(kr)、氙(xe)中含有氮来同时进行研磨和氮化。
[0097]
接着，用绝缘层6填埋层叠体5的周围。绝缘层6例如通过溅射法、化学气相沉积法、蒸镀法而成膜。
[0098]
接着，对层叠体5进行退火。退火的温度例如为300℃以下，例如为250℃以上且300℃以下。
[0099]
如果对层叠体进行退火，则第一铁磁性层1及第二铁磁性层2的结晶化推进。另外，第一氮化区域1b、第二氮化区域2b、第三氮化区域3b的一部分的氮向绝缘层6扩散，形成氮化区域6b。通过这样的步骤，能够制作第一实施方式的磁阻效应元件10。
[0100]
本实施方式的磁阻效应元件10通过第一铁磁性层1具有第一氮化区域1b，能够降低第一铁磁性层1的饱和磁化，能够减小使第一铁磁性层1的磁化反转所需的能量。例如，磁阻效应元件10使第一铁磁性层1的磁化反转所需的反转电流密度低。
[0101]
另外，本实施方式的磁阻效应元件10通过第二铁磁性层2具有第二氮化区域2b，能够降低对第一铁磁性层1施加的不需要的偏置磁场。
[0102]
另外，本实施方式的磁阻效应元件10通过非磁性层3具有第三氮化区域3b，能够防止绝缘层6和非磁性层3之间的元素的相互扩散，能够提高磁阻效应元件10的mr比。
[0103]
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但各实施方式中的各结构及它们的组合等为一例，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行结构的追加、省略、置换及其它变更。
[0104]
图3是第一变形例的磁阻效应元件11的剖视图。磁阻效应元件11与磁阻效应元件10的不同之处在于，非磁性层3不具有第三氮化区域3b。在磁阻效应元件11中，对与磁阻效应元件10相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
[0105]
非磁性层3与上述的第三非氮化区域3a相同。非磁性层3例如含有由mgo、al2o3、ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中的任一种。在该情况下，绝缘层6的氮化区域6b形成于与第一铁磁性层1及第二铁磁性层2相邻的部分。
[0106]
第一变形例的磁阻效应元件11实现与第一实施方式的磁阻效应元件10同样的效果。
[0107]
图4是第二变形例的磁阻效应元件12的剖视图。磁阻效应元件12与磁阻效应元件10的不同之处在于，非磁性层3不具有第三氮化区域3b，第二铁磁性层2不具有第二氮化区域2b。在磁阻效应元件12中，对与磁阻效应元件10相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
[0108]
非磁性层3与上述的第三非氮化区域3a相同。非磁性层3例如含有由mgo、al2o3、ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中的任一种。第二铁磁性层2与上述的第二非氮化区域2a相同。在该情况下，绝缘层6的氮化区域6b形成于与第一铁磁性层1相邻的部分。
[0109]
第二变形例的磁阻效应元件12实现与第一实施方式的磁阻效应元件10同样的效果。
[0110]
图5是第三变形例的磁阻效应元件13的剖视图。磁阻效应元件13的层叠体5的剖面形状与磁阻效应元件10不同。在磁阻效应元件13中，对与磁阻效应元件10相同的结构标注相同的符号，并省略说明。
[0111]
层叠体5的周长从上表面朝向下表面逐渐变大。在xz剖面中，层叠体5的侧面相对于z方向倾斜。
[0112]
第三变形例的磁阻效应元件13实现与第一实施方式的磁阻效应元件10同样的效果。
[0113]
上述的磁阻效应元件10可以用于多种用途。磁阻效应元件10例如能够应用于磁头、磁传感器、磁存储器、高频滤波器等中。
[0114]
接着，对本实施方式的磁阻效应元件的应用例进行说明。此外，在以下的应用例中，使用磁阻效应元件10，但磁阻效应元件不限于此。
[0115]
图6是应用例1的磁记录元件100的剖视图。图6是沿着层叠方向切断磁阻效应元件10的剖视图。图6同时图示磁阻效应元件10的电极e1、e2。
[0116]
如图6所示，磁记录元件100具有磁头mh和磁记录介质w。在图6中，将磁记录介质w延伸的一方向设为x方向，将与x方向垂直的方向设为y方向。xy面与磁记录介质w的主面平行。将连结磁记录介质w和磁头mh的方向即相对于xy平面垂直的方向设为z方向。
[0117]
磁头mh的空气轴承面(air bearing surface：介质对置面)s与磁记录介质w的表面对置。磁头mh在从磁记录介质w离开一定距离的位置沿着磁记录介质w的表面向箭头﹢x和箭头-x的方向移动。磁头mh具有作为磁传感器发挥作用的磁阻效应元件10和磁记录部(未图示)。电阻测定器21经由电极e1、e2测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
[0118]
磁记录部对磁记录介质w的记录层w1施加磁场，决定记录层w1的磁化的朝向。即，磁记录部进行磁记录介质w的磁记录。磁阻效应元件10读取通过磁记录部写入的记录层w1的磁化的信息。
[0119]
磁记录介质w具有记录层w1和衬里层w2。记录层w1是进行磁记录的部分，衬里层w2是使写入用的磁通再次回流至磁头mh的磁路(磁通的通路)。记录层w1将磁信息作为磁化的朝向记录。
[0120]
磁阻效应元件10的第一铁磁性层1例如是磁化自由层。因此，在空气轴承面s露出的第一铁磁性层1受记录于对置的磁记录介质w的记录层w1上的磁化的影响。例如，在图6
中，受记录层w1的朝向﹢z方向的磁化的影响，第一铁磁性层1的磁化的方向朝向﹢z方向。在该情况下，作为磁化固定层的第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的朝向变得平行。
[0121]
在此，第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的朝向平行的情况下的电阻与第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的朝向反平行的情况下的电阻不同。平行的情况下的电阻值和反平行的情况下的电阻值的差越大，磁阻效应元件10的mr比越大。
[0122]
本实施方式的磁阻效应元件10中，第一铁磁性层1容易磁化反转。因此，能够灵敏地读取记录层w1的磁化的状态。
[0123]
磁头mh的磁阻效应元件10的形状没有特别限制。例如，为了避免磁记录介质w的漏磁场对磁阻效应元件10的第一铁磁性层1的影响，也可以将第一铁磁性层1设置于远离磁记录介质w的位置。
[0124]
图7是应用例2的磁记录元件101的剖视图。图7是沿着层叠方向切断磁记录元件101的剖视图。
[0125]
如图7所示，磁记录元件101具有磁阻效应元件10、电源22以及测定部23。电源22在磁阻效应元件10的层叠方向上赋予电位差。电源22例如是直流电源。测定部23测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
[0126]
当通过电源22在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间产生电位差时，电流沿磁阻效应元件10的层叠方向流过。电流在通过第二铁磁性层2时进行自旋极化，成为自旋极化电流。自旋极化电流经由非磁性层3到达第一铁磁性层1。第一铁磁性层1的磁化受到自旋极化电流带来的自旋传递转矩(stt)而磁化反转。通过第一铁磁性层1的磁化的朝向和第二铁磁性层2的磁化的朝向的相对角变化，磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值发生变化。磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值由测定部23读出。即，图7所示的磁记录元件101是自旋传递转矩(stt)型的磁记录元件。
[0127]
图7所示的磁记录元件101因为第一铁磁性层1容易磁化反转，所以能够降低反转电流密度，能够减少数据的写入所需的能量。
[0128]
图8是应用例3的磁记录元件102的剖视图。图8是沿着层叠方向切断磁记录元件102的剖视图。
[0129]
如图8所示，磁记录元件102具有磁阻效应元件10、自旋轨道转矩配线8、电源22以及测定部23。自旋轨道转矩配线8例如与第一铁磁性层1相接。自旋轨道转矩配线8沿面内方向的一方向延伸。电源22与自旋轨道转矩配线8的第一端和第二端连接。在俯视时，第一端和第二端夹着磁阻效应元件10。电源22沿着自旋轨道转矩配线8流过写入电流。测定部23测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
[0130]
当通过电源22而在自旋轨道转矩配线8的第一端和第二端之间产生电位差时，电流在自旋轨道转矩配线8的面内方向上流动。自旋轨道转矩配线8具有通过电流流动时的自旋孔效应而产生自旋流的功能。自旋轨道转矩配线8例如含有具有通过电流流动时的自旋孔效应产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任一种。例如，配线包含具有在最外壳具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号的非磁性金属。
[0131]
当电流在自旋轨道转矩配线8的面内方向上流动时，通过自旋轨道相互作用产生自旋孔效应。自旋孔效应是移动的自旋在与电流的流动方向正交的方向上弯曲的现象。自
旋孔效应在自旋轨道转矩配线8内产生自旋的不均匀，且在自旋轨道转矩配线8的厚度方向上引起自旋流。自旋通过自旋流从自旋轨道转矩配线8注入第一铁磁性层1。
[0132]
注入到第一铁磁性层1中的自旋向第一铁磁性层1的磁化赋予自旋轨道转矩(sot)。第一铁磁性层1受到自旋轨道转矩(sot)而磁化反转。通过第一铁磁性层1的磁化的朝向和第二铁磁性层2的磁化的朝向的相对角变化，磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值发生变化。磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值由测定部23读出。即，图8所示的磁记录元件102是自旋轨道转矩(sot)型的磁记录元件。
[0133]
图8所示的磁记录元件102因为第一铁磁性层1容易磁化反转，所以能够降低反转电流密度，能够减少数据的写入所需的能量。
[0134]
图9是应用例4的磁畴壁移动元件(磁畴壁移动型磁记录元件)的剖视图。磁畴壁移动元件103具有磁阻效应元件10、第一磁化固定层24以及第二磁化固定层25。磁阻效应元件10由第一铁磁性层1、第二铁磁性层2以及非磁性层3构成。在图9中，将第一铁磁性层1延伸的方向设为x方向，将与x方向垂直的方向设为y方向，将相对于xy平面垂直的方向设为z方向。
[0135]
第一磁化固定层24及第二磁化固定层25与第一铁磁性层1的第一端和第二端连接。第一端和第二端在x方向上夹着第二铁磁性层2及非磁性层3。
[0136]
第一铁磁性层1是能够通过内部的磁状态的变化来磁记录信息的层。第一铁磁性层1在内部具有第一磁区a1和第二磁区a2。第一铁磁性层1中的与第一磁化固定层24或第二磁化固定层25在z方向上重叠的位置的磁化在一方向上固定。与第一磁化固定层24在z方向上重叠的位置的磁化例如在﹢z方向上固定，与第二磁化固定层25在z方向上重叠的位置的磁化例如在-z方向上固定。其结果，在第一磁区a1和第二磁区a2的边界形成磁畴壁dw。第一铁磁性层1能够在内部具有磁畴壁dw。图9所示的第一铁磁性层1的第一磁区a1的磁化m
a1
在﹢z方向取向，第二磁区a2的磁化m
a2
在-z方向取向。
[0137]
磁畴壁移动元件103能够根据第一铁磁性层1的磁畴壁dw的位置而多值或连续地记录数据。记录于第一铁磁性层1的数据在施加了读出电流时作为磁畴壁移动元件103的电阻值变化被读出。
[0138]
第一铁磁性层1中的第一磁区a1和第二磁区a2的比率随着磁畴壁dw移动而变化。第二铁磁性层2的磁化例如是与第一磁区a1的磁化m
a1
相同的方向(平行)，与第二磁区a2的磁化m
a2
相反的方向(反平行)。如果磁畴壁dw向﹢x方向移动，从z方向俯视时与第二铁磁性层2重叠的部分处的第一磁区a1的面积变大，则磁畴壁移动元件103的电阻值变低。相反，如果磁畴壁dw向-x方向移动，从z方向俯视时与第二铁磁性层2重叠的部分处的第二磁区a2的面积变大，则磁畴壁移动元件103的电阻值变高。
[0139]
通过在第一铁磁性层1的x方向上流过写入电流或施加外部磁场，磁畴壁dw移动。例如，当沿第一铁磁性层1的﹢x方向施加写入电流(例如，电流脉冲)时，电子向与电流相反的-x方向流动，因此磁畴壁dw向-x方向移动。在电流从第一磁区a1朝向第二磁区a2流动时，在第二磁区a2自旋极化的电子使第一磁区a1的磁化m
a1
磁化反转。通过第一磁区a1的磁化m
a1
磁化反转，磁畴壁dw向-x方向移动。
[0140]
图9所示的磁畴壁移动元件103因为第一铁磁性层1容易磁化反转，所以能够降低反转电流密度，能够减少数据的写入所需的能量。
[0141]
图10是应用例5的高频器件104的示意图。如图10所示，高频器件104具有磁阻效应元件10、直流电源26、电感器27、电容器28、输出端口29以及配线30、31。
[0142]
配线30将磁阻效应元件10和输出端口29相连。配线31从配线30分支，经由电感器27及直流电源26到达接地g。直流电源26、电感器27、电容器28可以使用公知的器件。电感器27截断电流的高频分量，使电流的不变分量通过。电容器28使电流的高频分量通过，截断电流的不变分量。电感器27配设于要抑制高频电流的流动的部分，电容器28配设于要抑制直流电流的流动的部分。
[0143]
当对磁阻效应元件10中所包含的铁磁性层施加交流电流或交流磁场时，第一铁磁性层1的磁化进行旋进运动。第一铁磁性层1的磁化在对第一铁磁性层1施加的高频电流或高频磁场的频率在第一铁磁性层1的铁磁性共振频率的附近时强烈振动，在远离第一铁磁性层1的铁磁性共振频率的频率下几乎不振动。将该现象称为铁磁性共振现象。
[0144]
磁阻效应元件10的电阻值根据第一铁磁性层1的磁化的振动而变化。直流电源26对磁阻效应元件10施加直流电流。直流电流在磁阻效应元件10的层叠方向上流动。直流电流通过配线30、31、磁阻效应元件10向接地g流动。磁阻效应元件10的电位根据欧姆定律而变化。根据磁阻效应元件10的电位的变化(电阻值的变化)，从输出端口29输出高频信号。
[0145]
图10所示的高频器件104因为第一铁磁性层1容易磁化反转，所以能够降低反转电流密度，能够高效率地发送高频信号。

技术特征：
1.一种磁阻效应元件，其中，具备：层叠体，其具备第一铁磁性层、第二铁磁性层以及非磁性层；和绝缘层，其覆盖所述层叠体的侧面的至少一部分，所述非磁性层处于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层之间，所述第一铁磁性层具有第一非氮化区域和比所述第一非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第一氮化区域。2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述第二铁磁性层具有第二非氮化区域和比所述第二非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第二氮化区域。3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述第一氮化区域是含有选自ni、co、fe中的一种以上的元素的氮化物或氮氧化物。4.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其中，所述第二氮化区域是含有选自ni、co、fe中的一种以上的元素的氮化物或氮氧化物。5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述非磁性层含有由mgo、al2o3、ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中的任一种，在由所述ab2o4表示的尖晶石结构氧化物中，a为mg和zn中的至少一种，b为al、ga、in中的至少一种。6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述非磁性层具有第三非氮化区域和比所述第三非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第三氮化区域。7.根据权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，所述第三氮化区域是含有构成所述非磁性层的元素的氮氧化物。8.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述绝缘层在与所述层叠体相接的部分含有氮化物。9.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述第一氮化区域的宽度为3nm以下。10.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其中，所述第二氮化区域的宽度为3nm以下。11.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述第二铁磁性层具有第二非氮化区域和比所述第二非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第二氮化区域，所述第二氮化区域的宽度比所述第一氮化区域的宽度窄。12.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述第二铁磁性层具有第二非氮化区域和比所述第二非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第二氮化区域，所述非磁性层具有第三非氮化区域和比所述第三非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第三氮化区域，所述第一氮化区域和所述第二氮化区域各自的宽度比所述第三氮化区域的宽度窄。

技术总结
本发明提供一种磁阻效应元件。该磁阻效应元件具备：层叠体，其具备第一铁磁性层、第二铁磁性层以及非磁性层；和绝缘层，其覆盖所述层叠体的侧面的至少一部分且包含绝缘体，所述第一铁磁性层具有第一非氮化区域和比所述第一非氮化区域靠近所述绝缘层且含有氮的第一氮化区域。化区域。化区域。


技术研发人员：中田胜之 佐佐木智生
受保护的技术使用者：TDK株式会社
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/9/26