(57)【要約】【課題】発熱によるスピン軌道トルク配線層の断線、特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを提供する。【解決手段】本発明のスピン流磁化反転素子１００は、一方向に延在するスピン軌道トルク配線層１０１と、スピン軌道トルク配線層の第１面１０１ａに形成された第１強磁性層１０２と、スピン軌道トルク配線層の表面のうち、第１強磁性層側１０２と反対側の第２面１０１ｂに形成された第１絶縁層１０３と、を備え、第１絶縁層１０３が、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいる。【選択図】図１
2019047118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、
前記スピン軌道トルク配線層の第１面に形成された第１強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第１強磁性層側と反対側の第２面に形成された第１絶縁層と、を備え、
前記第１絶縁層が、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいることを特徴とするスピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記スピン軌道トルク配線層の前記第２面以外のいずれかの面に、窒化シリコンを主成分として含む第２絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記第１絶縁層が、窒化シリコンを主成分として含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記窒化ホウ素、または窒化アルミニウムが粒を形成し、前記第１絶縁膜の内部に複数分布していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項５】
前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第１絶縁層側と反対側の面および前記第２絶縁層側と反対側の面に、放熱層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項６】
前記放熱層が金属窒化物を主成分として含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子における前記第１強磁性層の表面のうち、前記スピン軌道トルク配線層と反対側の部分に、さらに、非磁性層、第２強磁性層が順に形成されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第２の強磁性層の表面のうち前記非磁性層側と反対側の面に、ＭｇＯあるいはスピネル構造を有するＡＢ２Ｏ４（Ａ＝Ｍｇ、又はＺｎ、Ｂ＝Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎ）を含む、キャップ層が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１絶縁層の表面のうち前記スピン軌道トルク配線層側と反対側の面に、さらに、半導体素子が形成されていることを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気メモリが、内蔵メモリとしてＬＳＩ基板に搭載されていることを特徴とする磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスに関する。
【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、および、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）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して電気抵抗が高いが、その磁気抵抗（ＭＲ）比はＧＭＲ素子より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッドおよび不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
【０００３】
これらの磁気抵抗効果素子は、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層の磁化方向と他方の強磁性層の磁化方向のなす角度に応じて、電気抵抗が変化する特性を利用して、データを読み書きすることができる。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込みを行う（磁化反転させる）方式や、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込みを行う（磁化反転させる）方式が知られている。ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転は、エネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。ＴＭＲ素子の耐久性を向上させるためには、この反転電流密度は低いことが好ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
【０００４】
近年、スピン軌道相互作用して生成される純スピン流を利用した磁化反転も、応用上可能であると提唱されている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用した純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Ｓｐｉｎ  Ｏｒｂｉｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）を誘起し、ＳＯＴによる磁化反転を引き起こす。純スピン流は、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが、同数で互いに逆向きに流れることによって生成されるものであり、純スピン流に伴った電荷の流れは相殺されている。そのため、磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、純スピン流によって磁気抵抗効果素子がダメージを受けることはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−３８８１５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，  Ｃ．Ｚｈａｎｇ，  Ｓ．ＤｕｔｔａＧｕｐｔａ，  Ａ．Ｋｕｒｅｎｋｏｖ  ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，  Ｎａｔｕｒｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （２０１６）．  ＤＯＩ：  １０．１０３８／ＮＭＡＴ４５６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子は、純スピン流を発生させるために、一方向に延在するスピン軌道トルク配線層を有している。スピン軌道トルク配線層は主に重金属元素で構成されているが、長い形状を有するために電気抵抗が高く、電流に伴った発熱量が多くなる。スピン軌道トルク配線層での発熱は、それ自身の断線を引き起こすことがあり、また、強磁性層の磁化反転を容易にする反面、非磁性層を劣化させたり、低融点金属からなる配線層を溶解させたり、固定層の磁化を不安定にする等の特性劣化を引き起こす。
【０００８】
放熱性の高い元素として知られる窒化ホウ素を、強磁性層の側壁として用いる構成が、特許文献１で開示されている。しかしながら、上述したように、ＳＯＴを利用したスピン流磁化反転素子では、スピン軌道トルク配線層が発熱源の一つとなっているため、強磁性層の側壁の放熱性を高めたとしても、スピン軌道トルク配線層の発熱を十分抑えることが難しい。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発熱によるスピン軌道トルク配線層の断線、特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイス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】
【００１０】
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。
【００１１】
（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、一方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、前記スピン軌道トルク配線層の第１面に形成された第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第１強磁性層側と反対側の第２面に形成された第１絶縁層と、を備え、前記第１絶縁層が、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいる。
【００１２】
（２）上記（１）に記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層の前記第２面以外のいずれかの面に、窒化シリコンを主成分として含む第２絶縁層が形成されていてもよい。
【００１３】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子において、前記第１絶縁層が、窒化シリコンを主成分として含むことが好ましい。
【００１４】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記窒化ホウ素、または窒化アルミニウムが粒を形成し、前記第１絶縁膜の内部に複数分布していることが好ましい。
【００１５】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第１絶縁層側と反対側の面および前記第２絶縁層側と反対側の面に、放熱層が形成されていることが好ましい。
【００１６】
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記放熱層が金属窒化物を主成分として含むことが好ましい。
【００１７】
（７）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子における前記第１強磁性層の表面のうち、前記スピン軌道トルク配線層と反対側の部分に、さらに、非磁性層、第２強磁性層が順に形成されてなる。
【００１８】
（８）上記（７）に記載の磁気抵抗効果素子において、前記第２の強磁性層の表面のうち前記非磁性層側と反対側の面に、ＭｇＯあるいはスピネル構造を有するＡＢ２Ｏ４（Ａ＝Ｍｇ、又はＺｎ、Ｂ＝Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎ）を含む、キャップ層が設けられていることが好ましい。
【００１９】
（９）上記（７）または（８）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記第１絶縁層の表面のうち前記スピン軌道トルク配線層側と反対側の面に、さらに、半導体素子が形成されていることが好ましい。
【００２０】
（１０）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（７）〜（９）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子を備えている。
【００２１】
（１１）本発明の一態様に係る磁気デバイスは、上記（１０）に記載の磁気メモリが、内蔵メモリとしてＬＳＩ基板に搭載されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、スピン流磁化反転素子を構成するスピン軌道トルク配線層の表面の一部が、窒化ホウ素を含むことによって放熱性が高められた第１絶縁層で被覆されている。そのため、スピン軌道トルク配線層に大きい電流が流れた場合であっても、電流に伴って発生した熱を、この第１絶縁層を経由して外部に効率よく放出させることができる。したがって、本発明によれば、発熱によるスピン軌道トルク配線層の断線、特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構成を、模式的に示す斜視図である。
【図２】スピンホール効果について説明するための模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を、模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造過程における、被処理体の断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る磁気メモリの構成を、模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の変形例１に係るスピン流磁化反転素子の構成を、模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明について、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、本発明の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等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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
【００２５】
［第１実施形態］
（スピン流磁化反転素子）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子１００の構成を模式的に示す斜視図である。スピン流磁化反転素子１００は、一方向Ｄ１に延在するスピン軌道トルク配線層１０１と、スピン軌道トルク配線層の第１面１０１ａに形成された第１強磁性層１０２と、スピン軌道トルク配線層１０１の表面のうち、第１強磁性層側１０２と反対側の第２面１０１ｂに形成された第１絶縁層１０３と、を備えている。
【００２６】
スピン流磁化反転素子１００は、純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して強磁性層の磁化反転を行う素子であって、後述する磁気抵抗効果素子等に組み込んで用いることができる。一方、スピン流磁化反転素子１００は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において、強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。また、スピン流磁化反転素子１００は、異方性磁気センサー、磁気カー効果または磁気ファラデー効果を利用した光学素子として、単独で用いることもできる。
【００２７】
第１強磁性層１０２は、強磁性を有する公知の材料、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を１種類以上含む強磁性合金等からなる。また、第１強磁性層１０２は、これらの金属と、Ｂ、Ｃ、およびＮのうち、少なくとも１種類以上の元素とを含む合金（具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ）等からなる場合もある。
【００２８】
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、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、または、Ｘと同じ元素であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等が挙げられる。
【００２９】
第１強磁性層１０２は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔのうち少なくとも１つを含む挿入層（不図示）を、内部に有することが好ましい。挿入層は、Ｂを吸収する機能を有しているため、第１強磁性層１０２からスピン軌道トルク配線層１０１へのＢの拡散を防ぎ、スピン軌道トルク配線層１０１の組成比が乱れるのを防ぐことができる。挿入層は、その界面磁気異方性により第１強磁性層１０２に垂直磁気異方性を付与することができる。
【００３０】
さらに、挿入層は、磁気抵抗効果に大きく寄与する第１強磁性層の下地層にもなり得る。アモルファス化または微結晶化したスピン軌道トルク配線層上から結晶配向するより、挿入層を介して第１強磁性層１０２が結晶配向した方が、磁気抵抗効果をあげることができる。
【００３１】
挿入層は、第１強磁性層１０２中のどの位置にあってもよく、また、スピン軌道トルク配線層１０１との界面にあってもよく、その厚さは０．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
図２は、図１のスピン軌道トルク配線層１０１で生じるスピンホール効果について説明するための模式図であり、スピン軌道トルク配線層１０１をｘ方向に沿って切断した際の断面図である。図２に基づき、スピンホール効果によって純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
【００３３】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線層１０１の延在方向（−ｘ方向）に電流Ｉを流すと、−ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と＋ｙ方向に配向した第２スピンＳ２は、それぞれ電流Ｉの向きと直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは、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共通する。ところが、通常のホール効果は磁場が存在する場合のみ発生するのに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、空間反転対称性の崩れから生じる内場によって電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で発生する点で大きく異なる。
【００３４】
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は、特に純スピン流と呼ばれる。
【００３５】
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点については同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。したがって、スピン軌道トルク配線層１０１の材料として、強磁性体だけからなるものは用いられない。
【００３６】
ここで、第１スピンＳ１のスピンの流れをＪ↑、第２スピンＳ２のスピンの流れをＪ↓とすると、スピン流ＪＳは、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図２においては、純スピン流として、スピン流ＪＳが図中の上方向に流れる。ここでは、スピン流ＪＳを、分極率が１００％の純スピンの流れとして表している。
【００３７】
図１に示すように、スピン軌道トルク配線層１０１の上面に強磁性体（第１強磁性層１０２）を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む（スピンが注入される）。
【００３８】
本実施形態に係るスピン流磁化反転素子１００は、このようにスピン軌道トルク配線層１０１に電流を流して純スピン流を発生させ、その純スピン流を、スピン軌道トルク配線層１０１に接する第１強磁性層１０２に拡散させることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果に伴った、第１強磁性層１０２の磁化反転を引き起こすものである。
【００３９】
純スピン流の発生効率の観点から、スピン軌道トルク配線層１０１の材料としては、最外殻にｄ電子またはｆ電子を有し、スピン軌道相互作用が大きい原子番号３９以上の重金属元素を含むもの（合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物等）であることが好ましい。原子番号が小さい金属に電流を流した場合、すべての内部電子が各々のスピンの向きによらず、電流と逆向きに動く。これに対して、最外殻にｄ電子またはｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属に電流を流した場合、スピン軌道相互作用が大きいために、スピンホール効果によって、電子の動く方向が各々のスピンの向きに依存し、純スピン流が発生しやすい。
【００４０】
第１絶縁層１０３は、少なくとも窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいる。第１絶縁層１０３は、例えば、イオンビーム法で窒化ホウ素、または窒化アルミニウムと他に含有させる元素とを同時にスパッタリングすることによって形成することができる。
【００４１】
なお、第１絶縁層１０３は、窒化ホウ素を主成分として含むものである場合には、絶縁性が若干低く、一般的な半導体プロセスを適用した製造が困難である。低温または気相法で合成した窒化ホウ素は、無秩序な積層構造となりやすく、窒化ホウ素が粒成長するため、窒化ホウ素の粒同士の間に空隙を生じ、これが十分な絶縁性を有さない理由となる。また、緻密な窒化ホウ素を製造するためには、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）とアンモニアを高温で反応させる方法等が知られているが、この反応によって磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化する原因となることもある。特に、ＴＭＲ素子ではトンネル電流を生じさせる非磁性トンネルバリア層が化学的な影響を受け、出力特性が著しく劣化することが懸念される。
【００４２】
窒化ホウ素を主成分として含む第１絶縁層１０３を用いることは、不可能ではないが、上記の事情から、通常は用いられない。そのため、第１絶縁層１０３は、さらに窒化シリコンを主成分として含んでいることが好ましい。この場合、第１絶縁層１０３における窒化ホウ素の面積含有率は、３％以上３０％以下であることが好ましい。また、主成分である窒化シリコンの面積含有率は７０％以上９７％以下であることが好ましく、７５％以上９０％以下であることがより好ましい。
【００４３】
窒化ホウ素の面積含有率は、大きくなり過ぎると絶縁特性が劣化し、スピン軌道トルク配線層１０１の絶縁層としての機能を果たさなくなる。したがって、窒化ホウ素の粒の周りが、主に窒化シリコンに接し、十分な絶縁特性を保持する必要がある。なお、第１絶縁層１０３における窒化ホウ素の面積含有率は、スピン流磁化反転素子１００の断面をＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によってマッピングし、第１絶縁層１０３においてホウ素が含まれている部分と、シリコンが含まれている部分との面積比からも求めることができる。
【００４４】
第１絶縁層１０３は、窒化アルミニウムを主成分として含むものである場合には、絶縁性が良く、一般的な半導体プロセスにも適用しやすい。例えば、窒素ガスを用いた反応性イオンビームスパッタリング法や窒化アルミニウムターゲットを用いた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などで成膜することによって形成することができる。
【００４５】
窒化シリコンを主成分として含ませる場合の第１絶縁層１０３は、例えば、イオンビーム法で窒化シリコンと窒化ホウ素とを同時にスパッタリングすることによって形成することができる。
【００４６】
形成された第１絶縁層１０３では、主成分である窒化シリコンの膜中に、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムが粒径０．５〜１０ｎｍ程度の複数の粒を形成し、スピン軌道トルク配線層１０１との界面１０３ａと略平行な方向にほぼ均一に分布（点在）している。第１絶縁層１０３の界面１０３ａと略垂直な方向においては、少なくともスピン軌道トルク配線層１０１と接する界面１０３ａの近傍（５ｎｍ程度の範囲）に分布していればよく、界面１０３ａから遠ざかるにつれて、粒の濃度が連続的または断続的に下がるように分布していてもよい。
【００４７】
第１絶縁層１０３は、粒状の窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含むことにより、熱処理を行った際のスピン軌道トルク配線層１０１との密着度を維持することができ、膜剥がれの発生を抑えることができる。これは、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムは熱膨張率が低いため、金属元素を含むスピン軌道トルク配線層１０１と第１絶縁層１０３との間に温度差が生じても、両者の密着性が大きく変化しないためである。
【００４８】
（磁気抵抗効果素子）
図３は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０の構成を、模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子１１０は、図１のスピン流磁化反転素子１００において、第１強磁性層１０２の上に、少なくとも非磁性層１０４と、第２強磁性層１０５と、が順に積層された構造を有している。以下では、第１強磁性層１０２を磁化の向きを変化させることができる自由層として、第２強磁性層１０５を磁化の向きが固定されている固定層として、説明する。
【００４９】
非磁性層１０４には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層１０４が絶縁体からなる場合、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、および、ＭｇＡｌ２Ｏ４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、ＭｇＡｌ２Ｏ４は、コヒーレントトンネルを実現する材料であるため、スピンを効率よく注入することができる。また、非磁性層１０４が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００５０】
磁気抵抗効果素子１１０は、非磁性層１０４が絶縁体からなる場合には、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に相当し、非磁性層１０４が金属からなる場合には、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に相当する。
【００５１】
第２強磁性層１０５は、強磁性を有する公知の材料（好ましくは軟磁性材料）、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を１種類以上含む強磁性合金等からなる。また、第２強磁性層１０５は、これらの金属と、Ｂ、Ｃ、およびＮのうち、少なくとも１種類以上の元素とを含む合金（具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ）等からなる場合もある。
【００５２】
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、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、または、Ｘと同じ元素であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等が挙げられる。
【００５３】
第２強磁性層１０５の材料として、第１強磁性層１０２の材料より保磁力の大きいものを選択することにより、第２強磁性層１０５は、第１強磁性層１０２に比べて磁化反転し難くなる。この場合には、第２強磁性層１０５を磁化固定層とし、第１強磁性層１０２を磁化自由層として扱うことができる。
【００５４】
第２強磁性層１０５の材料として、第１強磁性層１０２の材料と保磁力の同じものを選択する場合には、第２強磁性層１０５の表面または内部にピニング層を設け、第２強磁性層１０５の磁化を固定する。ピニング層としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層が挙げられる。第２強磁性層１０５の磁化が、反強磁性層の磁化との交換結合によって、より強く固定されることになるため、この場合にも、第２強磁性層１０５は、第１強磁性層１０２に比べて磁化反転し難くなる。
【００５５】
さらに、第２強磁性層１０５は、磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔを含む積層膜とすることが好ましい。具体的な層構成としては、例えば、［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）を挙げることができる。（）内の数値は膜厚を示している。
【００５６】
第２強磁性層１０５は、各層の表面に対して、磁化方向が平行な面内磁化膜であってもよいし、垂直な垂直磁化膜であってもよい。
【００５７】
第２強磁性層１０５の表面のうち、非磁性層１０４と反対側（図１では第２強磁性層１０３の上側）の部分には、酸化物、例えば、ＭｇＯあるいはスピネル構造を有するＡＢ２Ｏ４（ＡはＭｇ、Ｚｎのいずれか、ＢはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれか）を含む、キャップ層１０６が設けられていることが好ましい。
【００５８】
第２強磁性層１０５が垂直磁化膜である場合には、第２強磁性層１０５と非磁性層１０４との界面において、第２強磁性層１０５中の磁性元素と非磁性層１０４中の酸素元素とが結合することによって垂直磁化が発生する。キャップ層１０６が設けられている場合には、さらに、第２強磁性層１０５とキャップ層１０６との界面において、第２強磁性層１０５中の磁性元素とキャップ層１０６中の酸素元素とが結合することによっても垂直磁化が発生する。つまり、キャップ層１０６は、第２強磁性層１０５の垂直方向（積層方向）Ｄ２の磁化を補強する役割を担っている。
【００５９】
さらに、キャップ層１０５の表面のうち、第２強磁性層１０５と反対側（図１ではキャップ層１０６の上側）の部分には、Ｔａ等の重金属元素あるいはＴｉＮ、ＴａＮ等の硬度の高い元素からなるマスク層１０７が設けられていてもよい。このマスク層１０７は、エッチングする際に磁気抵抗効果素子として残す部分を保護する役割を担っている。
【００６０】
マスク層１０７は、重金属元素で構成されているため、削れやすいレジストと異なり、削れ過ぎることを考慮する必要がない分、より薄く形成することができる。したがって、磁気抵抗効果素子の集積度を高めて製造する場合であっても、エッチング時のマスク層によるシャドー効果の影響を回避することができる。なお、磁気抵抗効果素子の集積度を高くしない場合には、マスク層にレジストを用いてもよい。
【００６１】
重金属元素で構成されるマスク層１０７は、ホウ素を吸収しやすいため、例えば第１強磁性層１０２、第２強磁性層１０５にホウ素が含まれている場合に、そのホウ素をマスク層１０７に誘導し、他の部分への拡散を抑えることができる。
【００６２】
第１強磁性層１０２、非磁性層１０４、第２強磁性層１０５の外周部は、第２絶縁層１０８で被覆されていてもよい。その場合の第２絶縁層１０８は、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮ等の窒化物を主成分とする膜で構成されていることが好ましい。ここで主成分とは第２絶縁層１０８が窒化物を７０％以上９７％以下含有することを意味することが好ましい。
【００６３】
キャップ層１０６中の酸化物は、アニール処理によって酸素が欠損した状態になりやすく、欠損部分を補うように、周囲の膜が酸素を含むものである場合、そこから酸素を奪う傾向にある。その結果として、酸素を奪われた周囲の膜の電気伝導性が高くなり、電気的な特性が設計値からずれてしまうことになる。ところが、本実施形態において、キャップ層１０６の外周部を被覆する第２絶縁層１０８は、窒化物を主成分とする膜で構成されているため、このような問題を回避することができる。
【００６４】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
磁気抵抗効果素子１１０の製造方法の一例について、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００６５】
まず、図４（ａ）に示すように、基材１０の一面１０ａに、物理的気相成長（ＰＶＤ）法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の成膜法を用いて、第１絶縁層、スピン軌道トルク配線層、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、キャップ層、マスク層を構成するそれぞれの膜１０３Ａ、１０１Ａ、１０２Ａ、１０４Ａ、１０５Ａ、１０６Ａ、１０７Ａを、順に形成する。物理的気相成長法としては、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等が挙げられる。化学的気相成長法としては、例えば、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等が挙げられる。なお、磁気抵抗効果素子１１０を、所定の機能を有する半導体素子の上に形成する場合には、半導体素子が基材１０との役割を果たすことになる。
【００６６】
第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層で構成される機能部をＴＭＲ素子とする場合、非磁性層はトンネルバリア層となる。トンネルバリア層は、例えば以下の手順で形成する。まず、第１強磁性層上にスパッタリングを行うことにより、最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、アルミニウム、および複数の非磁性元素の二価の陽イオンからなる金属薄膜を形成する。続いて、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後に熱処理を行うことによってトンネルバリア層が得られる。
【００６７】
反応性スパッタで形成した層はアモルファスであり、結晶化する必要があるため、得られた機能部は、アニール処理することが好ましい。
【００６８】
アニール処理して得られる機能部は、アニール処理しないで得られる機能部と比較して、磁気抵抗比が向上する。これはアニール処理によって、非磁性層（トンネルバリア層）の結晶サイズの均一性および配向性が向上するためであると考えられる。
【００６９】
アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度範囲で５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。
【００７０】
次に、図４（ｂ）に示すように、形成した５つの膜１０２Ａ、１０４Ａ、１０５Ａ、１０６Ａ、１０７Ａを、フォトリソグラフィー法、イオンミリング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等を用いて不要な部分を除去することにより、所望の形状となるように加工する。
【００７１】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、スピン軌道トルク配線層１０１、第１強磁性層１０２、非磁性層１０４、第２強磁性層１０５、キャップ層１０６、マスク層１０７の露出している部分が被覆されるように、窒化シリコンを主成分として含む第２絶縁層１０８を形成する。この処理によって、スピン軌道トルク配線層の第２面以外のいずれかの面に、窒化シリコンを主成分として含む第２絶縁層が形成されることになる。
【００７２】
さらに、形成した第２絶縁層１０８の最表面を、ＣＭＰ処理を行って平坦化する。このＣＭＰ処理は、第２絶縁層１０８の最表面をマスク層１０７が露出するまで（図４（ｃ）の破線の位置まで）行ってもよいが、マスク層１０７上にシリコン窒化膜が残った状態で止めてもよい。
【００７３】
上述した工程を経ることによって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１１０を得ることができる。ここで用いた基材１０については、磁気抵抗効果素子１１０の用途に応じて除去してもよいし、残しておいてもよい。
【００７４】
（磁気メモリ）
磁気抵抗効果素子１１０は、第１強磁性層１０２の磁化方向と第２強磁性層１０５の磁化方向のなす角度に応じて、素子抵抗が変化する特性を利用して、データを読み書きする磁気メモリとして動作させることができる。この場合、磁気メモリとその周辺回路等の動作を実行する半導体素子は、集積度を高める観点から、第１絶縁層１０３側（図３では第１絶縁層１０３の下側）に形成されているのが好ましい。
【００７５】
図５に示すように、磁気メモリ１２０は、各磁気抵抗効果素子１１０の一方の配線層同士がソース線（ビット線）ＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３、・・・で連結され、他方の配線層同士がワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・で連結されている。このような磁気メモリを、内蔵メモリとしてＬＳＩ基板に複数搭載することにより、磁気抵抗効果素子１１０間の距離に比例する遅延の影響を軽減させた磁気デバイスを得ることができる。
【００７６】
以上のように、本実施形態では、スピン流磁化反転素子を構成するスピン軌道トルク配線層の表面の一部が、窒化ホウ素を含むことによって放熱性が高められた第１絶縁膜で被覆されている。そのため、スピン軌道トルク配線層に大きい電流が流れた場合であっても、電流に伴って発生した熱を、この第１絶縁膜を経由して外部に効率よく放出させることができる。したがって、本実施形態によれば、発熱による特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを得ることができる。
【００７７】
（変形例１）
図６は、本実施形態の変形例１に係るスピン流磁化反転素子１３０の構成を、模式的に示す斜視図である。
【００７８】
上述した本実施形態のスピン流磁化反転素子１００においては、第２絶縁層１０８での熱伝導が格子振動によるものに限られるため、第２絶縁層１０８自体の放熱性は低い。これに対し、変形例１のスピン流磁化反転素子１３０では、第２絶縁層１３８が絶縁性を維持できる範囲で薄く形成され、その上に、さらに金属窒化物等の金属性の材料からなる放熱層１３９が形成されており、放熱性の高い構造を有している。
金属窒化物を主成分として含む放熱層１３９では、金属窒化物の面積含有率が７０％以上１００％以下であることが好ましく、７５以上９７以下であることがより好ましい。また、金属窒化物として具体的には、窒化シリコンや窒化アルミニウムなどを用いることができる。
【００７９】
放熱層１３９の形状、大きさ等について限定されることはないが、放熱量を多くする観点から、第２絶縁層１３８の被覆される面積が大きくなるほど好ましい。放熱層１３９以外の構成については、それぞれ、のスピン流磁化反転素子１００の構成と同様となっている。
【符号の説明】
【００８０】
１００、１３０・・・スピン流磁化反転素子
１０１、１３１・・・スピン軌道トルク配線層
１０１ａ、１３１ａ・・・第１面
１０１ｂ、１３１ｂ・・・第２面
１０２、１３２・・・第１強磁性層
１０３、１３３・・・第１絶縁層
１０３ａ、１３３ａ・・・界面
１０４、１３４・・・非磁性層
１０５、１３５・・・第２強磁性層
１０６、１３６・・・キャップ層
１０７、１３７・・・マスク層
１０８、１３８・・・第２絶縁層
１１０・・・磁気抵抗効果素子
１２０・・・磁気メモリ
１３９・・・放熱層
Ｄ１・・・延在方向
Ｄ２・・・積層方向
【図１】
2019047118.tif 000003
【図２】
2019047118.tif 000004
【図３】
2019047118.tif 000005
【図４】
2019047118.tif 000006
【図５】
2019047118.tif 000007
【図６】
2019047118.tif 000008