磁化旋转元件、磁阻效应元件、半导体元件、磁记录阵列以及磁阻效应元件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种磁化旋转元件、磁阻效应元件、半导体元件、磁记录阵列以及磁阻效应元件的制造方法。

背景技术

作为磁阻效应元件，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、以及对非磁性层使用绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。磁阻效应元件能够应用于磁传感器、高频部件、磁头以及非易失性随机存取存储器(MRAM)。

MRAM是集成有磁阻效应元件的存储元件。MRAM利用磁阻效应元件的电阻随着磁阻效应元件中的夹持非磁性层的两个铁磁性层的互相的磁化的方向的变化而变化的特性，读写数据。铁磁性层的磁化的方向例如利用由电流产生的磁场来控制。另外，铁磁性层的磁化的方向例如利用通过沿磁阻效应元件的层叠方向流动的电流而产生的自旋转移转矩(STT)来控制。

在利用STT重写铁磁性层的磁化的方向的情况下，沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流。写入电流是导致磁阻效应元件的特性劣化的原因。

近年来，一种能够在写入时不需要沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流的方法受到了关注。作为其中一个方法是利用了自旋轨道转矩(SOT)的写入方法(例如，专利文献1)。SOT是由自旋轨道相互作用产生的自旋流或异种材料的界面处的拉什巴效应(Rashbaeffect)感应出的。用于在磁阻效应元件内感应出SOT的电流沿与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向流动。即，不需要沿磁阻效应元件的层叠方向流通电流，从而能够期待磁阻效应元件的长寿命化。

[现有技术文献]

专利文献

专利文献1：日本特开2017-216286号公报

发明内容

[发明想要解决的技术问题]

为了获得较大的SOT，需要将呈现较大的自旋轨道相互作用的材料用于配线。例如，如Ta或W那样的重金属自旋霍尔角较大、且被称为呈现较大的自旋轨道相互作用的材料。但是，这些重金属的电阻较大。当用于写入数据的写入配线的电阻较大时，写入电压会增大。

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种能够降低数据的写入电压的磁化旋转元件、磁阻效应元件、半导体元件、磁记录阵列以及磁阻效应元件的制造方法。

[用于解决技术问题的技术手段]

本发明为了解决上述技术问题，提供以下的技术手段。

(1)第一方式所涉及的磁化旋转元件，其具备：自旋轨道转矩配线；以及第一铁磁性层，其相对于所述自旋轨道转矩配线位于第一方向，并且从所述自旋轨道转矩配线被注入自旋，所述自旋轨道转矩配线在所述第一方向具有：多个自旋产生层、和位于所述多个自旋产生层之间的插入层，所述插入层的电阻率比所述自旋产生层低。

(2)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层包含选自Mg、Al、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Ga、Ge、Ag中的任一元素。

(3)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述自旋产生层包含选自Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任一元素。

(4)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层的厚度为构成所述插入层的材料的自旋扩散长度以下。

(5)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：具有多个所述插入层，所述插入层的层数为6层以下。

(6)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：在从所述第一方向俯视时，所述自旋轨道转矩配线具有：与所述第一铁磁性层重叠的重叠区域、和与所述第一铁磁性层不重叠的非重叠区域，所述插入层夹持所述重叠区域并遍及所述非重叠区域而延伸。

(7)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层的厚度比所述自旋产生层的各自的厚度薄。

(8)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层的厚度为构成所述插入层的元素的结合半径的5倍以下。

(9)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层的厚度为

(10)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述自旋产生层的厚度分别为

(11)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述插入层包含构成所述自旋产生层的元素。

(12)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：在沿所述第一方向及所述自旋轨道转矩配线的长度方向切断的截面中，夹持所述插入层且位于离所述第一铁磁性层较远的自旋产生层的截面积比夹持所述插入层且位于所述第一铁磁性层的附近的自旋产生层的截面积更大。

(13)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。

(14)在上述方式所涉及的磁化旋转元件中，可以为：所述多个自旋产生层中的离所述第一铁磁性层最近的第一自旋产生层的膜厚比其它的自旋产生层的膜厚更厚。

(15)第二方式所涉及的磁化旋转元件，其具备：配线；以及第一铁磁性层，其相对于所述配线位于第一方向，并且，所述配线具备：第一层，其包含选自Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任一元素；以及第二层，其包含选自Mg、Al、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Ga、Ge、Ag中的任一元素，并且，所述第一层在所述第一方向夹持所述第二层。

(16)第三方式所涉及的磁阻效应元件，其具备：上述方式所涉及的磁化旋转元件；第二铁磁性层，其相对于所述磁化旋转元件的所述第一铁磁性层位于所述第一方向；以及非磁性层，其被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持。

(17)第四方式所涉及的半导体元件，其具备：上述方式所涉及的磁阻效应元件；以及与所述磁阻效应元件电连接的开关元件。

(18)在上述方式所涉及的半导体元件中，可以为：所述开关元件是电场效应型晶体管，所述电场效应型晶体管的源极与漏极之间的距离为30nm以下。

(19)第五方式所涉及的半导体元件是磁记录阵列，其具备：多个上述方式所涉及的磁阻效应元件。

(20)第六方式所涉及的磁阻效应元件的制造方法，其具备：成膜工序，其形成依次层叠有第二铁磁性层、非磁性层、第一铁磁性层和第一自旋产生层的层叠体；加工工序，其蚀刻所述层叠体并形成柱状体；以及配线形成工序，其在所述柱状体的第一面依次成膜插入层和自旋产生层，形成自旋轨道转矩配线，并且，所述插入层的电阻率比所述第一自旋产生层及所述自旋产生层低。

(21)在上述方式所涉及的磁阻效应元件的制造方法中，可以为：借助层叠于所述层叠体的第一面的一部分的硬掩模层而进行所述加工工序，在所述配线形成工序之前去除所述硬掩模层，在所述柱状体的第一面露出所述第一自旋产生层。

(22)在上述方式所涉及的磁阻效应元件的制造方法中，可以为：借助层叠于所述层叠体的第一面的一部分的硬掩模层而进行所述加工工序，所述硬掩模层由与所述第一自旋产生层相同的材料构成。

(23)在上述方式所涉及的磁阻效应元件的制造方法中，可以为：所述第一自旋产生层的厚度比所述自旋产生层更厚。

[发明效果]

本实施方式所涉及的磁化旋转元件、磁阻效应元件、半导体元件以及磁记录阵列能够降低数据的写入电压。

附图说明

图1是第一实施方式所涉及的磁记录阵列的模式图。

图2是第一实施方式所涉及的磁记录阵列的主要部分的截面图。

图3是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图4是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件的俯视图。

图5是第一变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图6是第二变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图7是第二变形例所涉及的磁阻效应元件的插入层的俯视图。

图8是第三变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图9是底销结构的磁阻效应元件的其它的例子的截面图。

图10是表示底销结构的磁阻效应元件的制造方法的一例的图。

图11是表示底销结构的磁阻效应元件的制造方法的一例的图。

图12是第四变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图13是第五变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图14是第六变形例所涉及的磁阻效应元件的截面图。

图15是第二实施方式所涉及的磁化旋转元件的截面图。

图16是表示实施例1的自旋轨道转矩配线的配线电阻的图。

图17是表示实施例1的磁阻效应元件的写入电流的图。

图18是表示实施例1的磁阻效应元件的写入电压的图。

图19是表示实施例2的自旋轨道转矩配线的配线电阻的图。

图20是表示实施例2的磁阻效应元件的写入电流的图。

图21是表示实施例2的磁阻效应元件的写入电压的图。

具体实施方式

在下文中，对于本实施方式，一边适当地参照附图一边进行详细说明。对于在以下的说明中使用的附图而言，有时为了便于理解本发明的特征，方便起见，存在将成为特征的部分放大表示的情况，并且各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示出的材料、尺寸等仅作为一例，本发明不限于此，可以在实现本发明的效果的范围内进行适当的改变来予以实施。

首先，对方向进行定义。将之后描述的基板Sub(参照图2)的一个面的一个方向设为x方向，将与x方向正交的方向设为y方向。x方向是之后描述的自旋轨道转矩配线20的延伸方向，并且是自旋轨道转矩配线20的长度方向。z方向是与x方向及y方向正交的方向。z方向是第一方向的一例。在下文中，有时将+z方向表示为“上”，将-z方向表示为“下”。上下方向不一定与重力施加的方向一致。

在本说明书中，“沿x方向延伸”是指：例如，与在x方向、y方向及z方向的各尺寸中的最小的尺寸相比，x方向的尺寸大。沿其它的方向延伸的情况也是相同的。另外，在本说明书中，“连接”是指：不限于物理性地连接的情况。例如，不限于两个层物理性地相接的情况，两个层将其它的层夹持于其间而连接的情况也包括于“连接”的含义中。另外，两个构件电连接的情况也包括于“连接”的含义中。

[第一实施方式]

图1是第一实施方式所涉及的磁记录阵列200的结构图。磁记录阵列200具备：多个磁阻效应元件100、多个写入配线Wp1～Wpn、多个共用配线Cm1～Cmn、多个读取配线Rp1～Rpn、多个第一开关元件110、多个第二开关元件120、和多个第三开关元件130。磁记录阵列200例如能够用于磁存储器等。

写入配线Wp1～Wpn将电源与一个以上的磁阻效应元件100电连接。共用配线Cm1～Cmn是在数据的写入时和读取时使用的配线。共用配线Cm1～Cmn将基准电位与一个以上的磁阻效应元件100电连接。基准电位例如是接地。共用配线Cm1～Cmn可以设置于多个磁阻效应元件100中的各个，也可以遍及多个磁阻效应元件100而设置。读取配线Rp1～Rpn将电源与一个以上的磁阻效应元件100电连接。电源在使用时连接于磁记录阵列200。

图1所示的第一开关元件110、第二开关元件120和第三开关元件130连接于多个磁阻效应元件100中的各个。第一开关元件110连接于磁阻效应元件100的各个与写入配线Wp1～Wpn之间。第二开关元件120连接于磁阻效应元件100的各个与共用配线Cm1～Cmn之间。第三开关元件130连接于磁阻效应元件100的各个与读取配线Rp1～Rpn之间。

当将第一开关元件110和第二开关元件120设为导通(ON)时，写入电流在连接于规定的磁阻效应元件100的写入配线Wp1～Wpn与共用配线Cm1～Cmn之间流动。当将第二开关元件120和第三开关元件130设为导通(ON)时，读取电流在连接于规定的磁阻效应元件100的共用配线Cm1～Cmn与读取配线Rp1～Rpn之间流动。

第一开关元件110、第二开关元件120和第三开关元件130是控制电流的流动的元件。第一开关元件110、第二开关元件120和第三开关元件130例如是晶体管、如双向阈值开关(OTS:Ovonic Threshold Switch)那样的利用结晶层的相变的元件、如金属绝缘体转变(MIT)开关那样的利用能带结构的变化的元件、如齐纳二极管和雪崩二极管那样的利用击穿电压的元件、以及传导性随原子位置的变化而变化的元件。

第一开关元件110、第二开关元件120和第三开关元件130中的任一个均可以由连接于同一配线的磁阻效应元件100共用。例如，在共有第一开关元件110的情况下，在写入配线Wp1～Wpn的上游设置一个第一开关元件110。例如，在共有第二开关元件120的情况下，在共用配线Cm1～Cmn的上游设置一个第二开关元件120。例如，在共有第三开关元件130的情况下，在读取配线Rp1～Rpn的上游设置一个第三开关元件130。

图2是构成第一实施方式所涉及的磁记录阵列200的半导体元件的截面图。图2是将磁阻效应元件100沿xz平面切断的截面，该xz平面穿过在后面描述的自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心。存在将第一开关元件110或第二开关元件120连接于磁阻效应元件100的元件成为半导体元件的情况。

图2所示的第一开关元件110和第二开关元件120是晶体管Tr。第三开关元件130与电极E电连接，并且，例如位于y方向上。晶体管Tr例如是电场效应型的晶体管，并且具有栅电极G、栅绝缘膜GI、形成于基板Sub的源极S和漏极D。基板Sub例如是半导体基板。

晶体管Tr的源极S与漏极D之间的距离例如为30nm以下，优选为20nm以下，更优选为10nm以下。当源极S与漏极D之间的距离变近时，一个晶体管Tr所占的面积变小，与磁记录阵列200的集成度直接相关的晶体管Tr的专有面积变小。另一方面，当源极S和漏极D之间的距离变近时，晶体管Tr的耐电压变小。当晶体管Tr的耐点压较小时，磁阻效应元件100的写入电压变低，需要以较小的写入电压来使磁阻效应元件100工作。例如，在源极S和漏极D之间的距离为大约10nm的情况下，优选使晶体管Tr以0.5V以下的电压工作。

晶体管Tr的各个与磁阻效应元件100经由导电部Cw而电连接。导电部Cw例如被称为连接配线或通孔。导电部Cw包括具有导电性的材料。导电部Cw沿z方向延伸。

对于磁阻效应元件100和晶体管Tr而言，除了导电部Cw之外，被绝缘层90电分离。绝缘层90是将多层配线的配线之间或元件之间绝缘的绝缘层。绝缘层90例如是氧化硅(SiO

电极E由具有导电性的材料构成。电极E例如由透明电极材料构成。电极E例如是氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO

图3是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100的截面图。图4是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100的俯视图。图3是将磁阻效应元件100沿xz平面切断的截面，该xz平面穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心。图4是从z方向俯视磁阻效应元件100的俯视图。

磁阻效应元件100具有电阻变化部10和自旋轨道转矩配线20。电阻变化部10位于自旋轨道转矩配线20的z方向上。电阻变化部10例如层叠于自旋轨道转矩配线20上。电阻变化部10的z方向的电阻值通过从自旋轨道转矩配线20被注入自旋而发生变化。磁阻效应元件100是利用自旋轨道转矩(SOT)的磁性元件，并且存在被称为自旋轨道转矩型磁阻效应元件、自旋注入型磁阻效应元件、自旋流磁阻效应元件的情况。

电阻变化部10在z方向上被自旋轨道转矩配线20与电极E夹持(参照图2)。电阻变化部10是柱状体。如图4所示，电阻变化部10的从z方向的俯视形状例如是在x方向上具有长轴的椭圆。电阻变化部10的从z方向的俯视形状不限于椭圆，例如可以是圆形、矩形等。电阻变化部10的外周长或直径例如随着接近自旋轨道转矩配线20而变大。

电阻变化部10具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3。第一铁磁性层1位于自旋轨道转矩配线20的z方向上。第一铁磁性层1例如与自旋轨道转矩配线20相接，并且层叠于自旋轨道转矩配线20上。第一铁磁性层1中，从自旋轨道转矩配线20被注入自旋。第一铁磁性层1的磁化M1由于被注入的自旋而受到自旋轨道转矩(SOT)，其取向方向发生变化。第二铁磁性层2位于第一铁磁性层1的z方向上。第一铁磁性层1与第二铁磁性层2在z方向上夹持非磁性层3。

第一铁磁性层1和第二铁磁性层2分别具有磁化M1、M2。当被施加规定的外力时，第二铁磁性层2的磁化M2的取向方向比第一铁磁性层1的磁化M1的取向方向更难发生变化。第一铁磁性层1有时被称为磁化自由层，第二铁磁性层2有时被称为磁化固定层、磁化参照层。根据夹持非磁性层3的第一铁磁性层1与第二铁磁性层2的磁化M1、M2的相对角的差异，电阻变化部10的电阻值发生变化。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化M1、M2例如沿x方向取向。

第一铁磁性层1和第二铁磁性层2包含铁磁性体。关于铁磁性体，例如，有如下：选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni的金属；包含一种以上这些金属的合金；以及包含有这些金属与选自B、C和N中的至少一种以上的元素的合金等。铁磁性体例如是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。

第一铁磁性层1和第二铁磁性层2也可以包含惠斯勒合金。惠斯勒合金包含具有XYZ或X

对于电阻变化部10而言，可以为：在第二铁磁性层2的与非磁性层3为相反侧的面，经由间隔层而具有反铁磁性层。第二铁磁性层2、间隔层和反铁磁性层成为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹持非磁性层的两个磁性层构成。通过将第二铁磁性层2与反铁磁性层进行反铁磁性耦合，第二铁磁性层2的矫顽力变得比不具有第二铁磁性层2的情况更大。反铁磁性层例如是IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自Ru、Ir、Rh中的至少一种。

电阻变化部10可以具有除第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3之外的层。例如，可以在自旋轨道转矩配线20与电阻变化部10之间具有基底层。另外，例如，可以在电极E与电阻变化部10之间具有盖层(cap layer)。基底层和盖层提高构成电阻变化部10的各层的结晶性。

自旋轨道转矩配线20位于第一铁磁性层1的z方向上。自旋轨道转矩配线20是配线的一例，并且是用于将数据写入磁阻效应元件100的写入配线。对于自旋轨道转矩配线20而言，在从z方向观察时，例如，x方向的长度比y方向更长，并且沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线20的至少一部分在z方向上与非磁性层3一同夹持第一铁磁性层1。

对于自旋轨道转矩配线20而言，在从z方向俯视时，将与第一铁磁性层1重叠的区域称为重叠区域，将与第一铁磁性层1不重叠的区域称为非重叠区域。重叠区域的z方向的厚度例如比非重叠区域的z方向的厚度更厚。非重叠区域的z方向的厚度例如随着接近重叠区域而变厚。自旋轨道转矩配线20的平均厚度例如为20nm以下。平均厚度是x方向上的位置不同的10个点处的自旋转线转矩配线20的z方向的厚度的平均值。当自旋轨道转矩配线20的平均厚度足够厚时，自旋轨道转矩配线20的表面的平坦性提高，且层叠的第一铁磁性层1的结晶性提高。结晶性高的第一铁磁性层1的矫顽力较大，且磁阻效应元件100的数据的保持稳定性提高。另一方面，当自旋轨道转矩配线20的平均厚度足够薄时，向第一铁磁性层1的自旋注入效率提高。构成自旋轨道转矩配线20的重金属的自旋扩散长度短的情况较多，通过减薄自旋轨道转矩配线20的厚度，从而能够有效地向第一铁磁性层1注入产生的自旋流。当自旋磁道转矩配线20的厚度较薄时，例如，在自旋磁道转矩配线20的远离第一铁磁性层1的部分上产生的自旋流也会在自旋磁道转矩配线20内不扩散而到达第一铁磁性层1。

自旋轨道转矩配线20通过电流I流动时的自旋霍尔效应而产生自旋流，并将自旋注入第一铁磁性层1。自旋轨道转矩配线20例如将仅能够反转第一铁磁性层1的磁化的SOT给予第一铁磁性层1的磁化。自旋霍尔效应是：在流动电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，在与电流的流动方向正交的方向上感应出自旋流的现象。运动(移动)的电荷(电子)在运动(移动)方向上弯曲这一点上，自旋霍尔效应与普通的霍尔效应相同。对于普通的霍尔效应而言，在磁场中运动的带电粒子的运动方向因洛伦兹力而弯曲。相对于此，对于自旋霍尔效应而言，即使不存在磁场，仅通过电子移动(仅通过电流流通)，自旋的移动方向也发生弯曲。

自旋轨道转矩配线20具有自旋产生层20A和插入层20B。自旋轨道转矩配线20是在z方向上层叠有自旋产生层20A和插入层20B的层叠体。自旋产生层20A为两层以上，插入层20B为一层以上。插入层20B在z方向上位于自旋产生层20A之间。自旋产生层20A是第一层的一例，插入层20B是第二层的一例。

自旋产生层20A例如包含非磁性的重金属作为主要成分。重金属是指：具有钇(Y)以上的比重的金属。关于非磁性的重金属，例如，是在最外壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数大的非磁性金属。

自旋产生层20A例如包含选自Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任一元素。关于自旋产生层20A，例如是选自下述材料中的任一种：选自Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任一元素的金属；这些任一元素的合金；这些任一元素的金属间化合物；这些任一元素的金属硼化物；这些任一元素的金属碳化物；这些任一元素的金属硅化物；或这些任一元素的金属磷化物。非磁性的重金属比其它的金属产生更强的自旋轨道相互作用。自旋霍尔效应由自旋轨道相互作用而产生，并且在自旋轨道转矩配线20内容易出现自旋的不均匀，并且容易产生自旋流J

当在自旋产生层20A流动电流I时，沿一个方向取向的第一自旋S1、和沿与第一自旋S1相反的方向取向的第二自旋S2，分别沿与电流I流动的方向正交的方向因自旋霍尔效应而弯曲。例如，沿-y方向取向的第一自旋S1沿+z方向弯曲，沿+y方向取向的第二自旋S2沿-z方向弯曲。

对于非磁性体(不是铁磁性体的材料)而言，由自旋霍尔效应产生的第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等。即，朝向+z方向的第一自旋S1的电子数与朝向-z方向的第二自旋S2的电子数相等。第一自旋S1和第二自旋S2沿消除自旋的不均匀的方向流动。由于在第一自旋S1和第二自旋S2的向z方向的移动中，电荷的流动互相抵消，因此电流量变为零。不伴随电流的自旋流特别地被称为纯自旋流。

如果将第一自旋S1的电子的流动表示为J

自旋产生层20A分别在xy面内扩展。自旋产生层20A的各自的厚度例如为

例如，多个自旋产生层20A中的离第一铁磁性层1最近的第一自旋产生层的膜厚可以比其它的自旋产生层20A的膜厚更厚。当与第一铁磁性层1相接的自旋产生层20A较厚时，第一铁磁性层1的界面磁各向异性变强。

另外，例如，在沿yz平面切断的截面中，可以为：夹持插入层20B且位于离第一铁磁性层1较远的自旋产生层20A的截面积比位于第一铁磁性层1的附近的自旋产生层20A的截面积更大。另外，例如，在沿xz平面切断的截面中，可以为：夹持插入层20B且位于离第一铁磁性层1较远的自旋产生层20A的截面积比位于第一铁磁性层1的附近的自旋产生层20A的截面积更大。由于在位于离第一铁磁性层1较远的自旋产生层20A产生大量的自旋，因此，到达第一铁磁性层1的自旋的量能够增加，并且能够降低使第一铁磁性层1的磁化反转所需要的反转电流密度。

插入层20B位于自旋产生层20A之间。插入层20B的电阻率比自旋产生层20A的电阻率更低。

插入层20B由电传导性比自旋产生层20A更优异的材料构成。插入层20B例如包含选自Mg、Al、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Ga、Ge、Ag中的任一元素。插入层20B例如是选自下述材料中的任一种：选自Mg、Al、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Ga、Ge、Ag中的任一元素的金属；这些任一元素的合金；这些任一元素的金属间化合物；这些任一元素的金属硼化物；这些任一元素的金属碳化物；这些任一元素的金属硅化物；或这些任一元素的金属磷化物。插入层20B例如是单质的Cu、Ag。

对于插入层20B而言，其自旋霍尔角比自旋产生层20A更小，并且与自旋产生层20A相比，难以产生自旋轨道相互作用。即，插入层20B比自旋产生层20A更难产生注入于第一铁磁性层1的自旋。插入层20B也可以包含构成自旋产生层20A的元素。通过使插入层20B包含构成自旋产生层20A的元素，从而能够增加在插入层20B产生的自旋流。

插入层20B例如在xy面内扩展。插入层20B例如夹持重叠区域并遍及非重叠区域之间而沿x方向延伸。由于电流在插入层20B中比在自旋产生层20A中更容易流动，因此确保了向x方向的电流路径，并且在自旋轨道转矩配线20中容易使电流流动。

插入层20B的厚度比自旋产生层20A的各自的厚度薄。插入层20B的厚度优选为比自旋产生层20A的平均厚度的二分之一以下。如上所述，电流在插入层20B中比在自旋产生层20A中更容易流动。在插入层20B和自旋产生层20A的厚度相同的情况下，向插入层20B的分流比大于向自旋产生层20A的分流比。插入层20B与自旋产生层20A相比更难以产生自旋轨道相互作用。即，注入于第一铁磁性层1的自旋的大多数是在自旋产生层20A产生的。当电流的向自旋产生层20A的分流比提高时，注入于第一铁磁性层1的自旋量增加。

插入层20B的厚度例如为构成插入层20B的材料的自旋扩散长度以下。自旋扩散长度是在保存自旋的信息的同时电子能够移动的距离。另外，例如，插入层20B的厚度是构成插入层20B的元素的结合半径的5倍以下。结合半径是构成插入层20B的元素的结晶的再相邻原子间距离的一半的值。关于结合半径，能够根据日本国立研究开发法人物质材料研究组织(NIMS)的数据库(https://crystdb.nims.go.jp/)中记载的晶格的大小来计算。即使是在插入层20B未结晶化的情况下，也能根据晶格的大小来计算结合半径。具体而言，插入层20B的厚度例如为

关于构成插入层20B的元素，也可以是在插入层20B的成膜过程中或成膜之后扩散于自旋产生层20A内。对于扩散于自旋产生层20A内的构成插入层20B的元素而言，例如，以插入层20B为基准分布于Z方向上。即使是在该情况下，构成电阻率低的插入层20B的元素也分散在电流路径即X方向上，因此，电阻降低。作为使插入层20B在成膜过程中扩散的方法，例如，可以在成膜过程中进行基板加热，也可以以高速率进行插入层20B的成膜。基板加热的温度优选为100℃以上，更优选为150℃以上。插入层20B的成膜速率优选为

另外，自旋轨道转矩配线20可以是构成自旋产生层20A的元素与构成插入层20B的元素的复合材料。另外，插入层20B可以是构成自旋产生层20A的元素与构成插入层20B的元素的复合材料。复合材料可以是如合金那样的构成自旋产生层20A的元素与构成插入层20B的元素熔融的状态(合金、金属间化合物等)，也可以是在作为母材的自旋产生层20A的内部以簇(cluster)状分散有由构成插入层20B的元素构成的区域。对于自旋产生层与插入层的复合材料的制作方法而言，例如，可以是如下方法：当对自旋轨道转矩配线进行成膜时，将构成自旋产生层20A的元素和构成插入层20B的元素同时进行溅射，或者，使用混合了构成自旋产生层20A的元素和构成插入层20B的元素的靶材料进行溅射。

关于自旋轨道转矩配线20，除此之外，还可以包含磁性金属。磁性金属是铁磁性金属或反铁磁性金属。非磁性体所包含的微量的磁性金属成为自旋的散射因子。“微量”是指，例如，在构成自旋轨道转矩配线20的元素的总摩尔比的3％以下。当自旋因磁性金属而进行散射，则自旋轨道相互作用增强，并且相对于电流的自旋流的产生效率变高。

自旋轨道转矩配线20可以包含拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是一种物质内部为绝缘体或高电阻器，但在其表面发生自旋极化的金属状态的物质。拓扑绝缘体由于自旋轨道相互作用而产生内部磁场。对于拓扑绝缘体而言，即使是在不存在外部磁场的情况下，也由自旋轨道相互作用的效果而表现新的拓扑相。拓扑绝缘体能够通过强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏而高效率地产生纯自旋流。

拓扑绝缘体例如是SnTe、Bi

接下来，对第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100的操作进行说明。磁阻效应元件100具有数据的写入操作和数据的读取操作。

首先，对将数据记录于磁阻效应元件100的操作进行说明。首先，将连接于要记录数据的磁阻效应元件100的第一开关元件110和第二开关元件120设为导通(ON)。当第一开关元件110和第二开关元件120设为导通(ON)时，写入电流流动于自旋轨道转矩配线20。当写入电流流动于自旋轨道转矩配线20时，产生自旋霍尔效应，并且自旋被注入于第一铁磁性层1。注入于第一铁磁性层1的自旋将自旋轨道转矩(SOT)施加于第一铁磁性层1的磁化M1，改变第一铁磁性层1的磁化M1的取向方向。当将电流的流动方向设为反向时，注入于第一铁磁性层1的自旋的方向变成反向，从而能够自由地对磁化M1的取向方向进行控制。

在第一铁磁性层1的磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2平行的情况下，电阻变化部10的层叠方向的电阻值变小；在第一铁磁性层1的磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2反向平行的情况下，电阻变化部10的层叠方向的电阻值变大。电阻变化部10的层叠方向的电阻值作为数据被记录在磁阻效应元件100中。

接下来，对从磁阻效应元件100读取数据的操作进行说明。首先，将连接于要记录数据的磁阻效应元件100的第一开关元件110或第二开关元件120、和第三开关元件130设为导通(ON)。当将各开关元件这样设定时，读取电流在电阻变化部10的层叠方向上流动。根据欧姆定律，当电阻变化部10的层叠方向的电阻值不同时，所输出的电压也不同。因此，例如，通过读取电阻变化部10的层叠方向的电压，从而能够读取记录于磁阻效应元件100中的数据。

接下来，对磁阻效应元件100的制造方法进行说明。磁阻效应元件100通过各层的层叠工序、以及将各层的一部分加工成规定的形状的加工工序而形成。关于各层的层叠，能够使用溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束蒸镀法(EB蒸镀法)、原子激光沉积法等。关于各层的加工，能够使用光刻法等进行。

首先，在基板Sub的规定的位置，形成掺杂杂质的源极S和漏极D。接下来，在源极S和漏极D之间，形成栅绝缘膜GI和栅电极G。源极S、漏极D、栅绝缘膜GI以及栅电极G构成晶体管Tr。

接下来，以覆盖晶体管Tr的方式形成绝缘层90。另外，在绝缘层90形成开口部，并且在开口部内填充导电体，从而形成导电部Cw。关于写入配线Wp、共用配线Cm，通过如下方法来形成：即，将绝缘层90层叠至规定的厚度之后，在绝缘层90形成沟，并将导电体填充于沟中。

接下来，在绝缘层90和导电部Cw的一个面上，依次层叠配线层、铁磁性层、非磁性层和铁磁性层，并将它们加工成规定的形状，制作自旋轨道转矩配线20、第一磁性层1、非磁性层3和第二铁磁性层2。其它的部分用绝缘层90填埋，最后制作电极，从而得到磁阻效应元件100。

能够使用透射型电子显微镜(TEM)和能量分散型X射线分析(EDS)来观察所制作的自旋轨道转矩配线20的自旋产生层20A和插入层20B。对于沿Y方向薄片化至20nm以下的自旋轨道转矩配线20，当使用直径为1nm以下的电子射线进行EDS成分映射时，能够确认被自旋产生层20A夹持的插入层20B为层状。另一方面，在进行比20nm厚的薄片化的情况下，由于深度方向的成分信息的重叠，导致有时看起来不为层状，而是不均匀的分布。另外，在使用直径比1nm大的电子射线进行观察的情况下，由于相邻的元素的能量重叠，导致有时看起来不为层状，而是不均匀的分布。

对于第一实施方式所涉及的磁记录阵列200和磁阻效应元件100而言，由于自旋轨道转矩配线20具有插入层20B，因此能够降低数据的写入电压。由于插入层20B的电传导性比自旋产生层20A优异，因此通过将插入层20B插入，提高了自旋轨道转矩配线20的电传导性。当自旋轨道转矩配线20的电传导性提高时，即使是在自旋轨道转矩配线20的两端的电位差较小的情况下，也有足够的电流流动于自旋轨道转矩配线20内。第一铁磁性层1的磁化M1是否反转取决于流动于自旋轨道转矩配线20中的电流的电流密度。通过在自旋轨道转矩配线20设置插入层20B，即使是在写入电压较小的情况下，也有足够的电流密度的电流流动于自旋轨道转矩配线20中。

另一方面，如上所述，与自旋产生层20A相比，插入层20B难以产生自旋轨道相互作用，并且注入于第一铁磁性层1的自旋的产生效率低。第一铁磁性层1的磁化M1通过被注入的自旋所施加的转矩而反转。当将插入层20B设置于自旋轨道转矩配线20时，注入于第一铁磁性层1的自旋量减少，并且第一铁磁性层1的磁化M1可能难以反转。通过使插入层20B的厚度比自旋产生层20A的厚度薄，能够抑制在插入层20B流动过剩的电流。通过使大量的电流流动于自旋产生层20A，从而能够确保注入于第一铁磁性层1的自旋量，并且，能够通过插入层20B来减小数据的写入电压。

此外，当数据的写入电压变小时，能够减小使磁阻效应元件100进行工作的晶体管Tr的尺寸。具体而言，晶体管Tr的尺寸是指：源极与漏极之间的距离。在现有的技术水平中，磁记录阵列200中的晶体管Tr的尺寸大于磁阻效应元件100的尺寸。因此，磁记录阵列200的集成度通常取决于晶体管Tr的尺寸。如果能够减小晶体管Tr的尺寸的话，则磁记录阵列200的集成性得到提高。

以上，对第一实施方式的一例进行了详细说明，但是不限于该例，在权利要求书的范围内记载的本发明的要旨的范围内，能够进行各种变形及变更。

(第一变形例)

图5是第一变形例所涉及的磁阻效应元件101的截面图。第一变形例所涉及的磁阻效应元件101与图3所示的磁阻效应元件100的不同之处在于：前者的自旋轨道转矩配线21具有多个插入层20B。对于与图3所示的磁阻效应元件100相同的结构，标注相同的符号，并省略其说明。

自旋轨道转矩配线21具有多个自旋产生层20A和多个插入层20B。多个插入层20B分别插入于自旋产生层20A之间。自旋产生层20A和插入层20B沿z方向交替地层叠。插入层20B的层数例如为2层以上且6层以下。各个插入层20B的厚度可以相同，也可以不同。

图5中所示的插入层20B均夹持重叠区域并遍及非重叠区域之间而沿x方向延伸。例如，对于在插入层20B中的离第一铁磁性层1最远的位置的插入层20B而言，例如，延伸至与自旋轨道转矩配线21的两端的导电部Cw重叠的位置。通过该结构，确保了向x方向的电流路径，并且在自旋轨道转矩配线21中容易使电流流动。

对于第一变形例所涉及的磁阻效应元件101而言，由于具有插入层20B，因此呈现与图3所示的磁阻效应元件100相同的效果。另外，由于插入层20B的层数增加，因此自旋产生层20A与插入层20B的界面的数量增加。当这些界面的数量增加时，通过界面拉什巴效应(Rashba effect)能够降低使第一铁磁性层1的磁化M1进行反转所需要的反转电流密度。

(第二变形例)

图6是第二变形例所涉及的磁阻效应元件102的截面图。第二变形例所涉及的磁阻效应元件102与图3所示的磁阻效应元件100的不同之处在于：前者的自旋轨道转矩配线22的插入层22B具有第一区域R1和第二区域R2。对于与图3所示的磁阻效应元件100相同的结构，标注相同的符号，并省略其说明。

插入层22B具有第一区域R1和第二区域R2。第一区域R1由与上述插入层20B相同的材料构成。第二区域R2由与自旋产生层20A相同的材料构成。

图7是第二变形例所涉及的插入层22B的从z方向观察的俯视图。第一区域R1在xy面内扩展，并且第二区域R2散布在xy面内。第一区域R1与第二区域R2之间的位置关系也可以是与上述相反。

即使插入层22B不是由相同材料构成并且不是在xy面内扩展的均质的层，也具有使电流容易流动的效果。因此，对于第二变形例所涉及的磁阻效应元件102而言，通过具有插入层22B，呈现与图3所示的磁阻效应元件100相同的效果。

尽管示出了第一变形例和第二变形例，但是第一实施方式的变形例不限于这些。例如，磁阻效应元件可以具有底销(bottom-pin)结构。图8是底销结构的磁阻效应元件103的截面图。对于图8所示的磁阻效应元件103而言，电阻变化部10与自旋轨道转矩配线20的位置关系，是将图3所示的磁阻效应元件100中的位置关系反转了形态。

对于磁阻效应元件103而言，在电阻变化部10和绝缘层90上，层叠有自旋轨道转矩配线20。在磁阻效应元件103中，第二铁磁性层2比第一铁磁性层1更靠近基板Sub。磁阻效应元件103只是反转了电阻变化部10与自旋轨道转矩配线20的位置关系，但是进行与图3所示的磁阻效应元件100相同的工作。

图9是底销结构的磁阻效应元件的其它的例子的截面图。对于图9所示的磁阻效应元件103A而言，在电阻变化部10和绝缘层90上，层叠有自旋轨道转矩配线23。自旋轨道转矩配线23具有多个自旋产生层23A和多个插入层23B。在图9中，尽管例示出了插入层23B为多层的情况，但是插入层23B也可以是一层。

在下面的说明中，将多个自旋产生层23A中的最靠近第一铁磁性层1的自旋产生层23A称为“第一自旋产生层23A1”。第一自旋产生层23A1的膜厚比其它的自旋产生层23A的膜厚更厚。当第一自旋产生层23A1的膜厚较厚时，第一铁磁性层1的磁各向异性提高。图9例示出了磁化M1沿xy面内在面内取向的情况，但是，在磁化M1沿z方向垂直取向的情况下，当第一自旋产生层23A1的膜厚较厚时，第一铁磁性层1的磁各向异性特别地得到提高。

对于第一自旋产生层23A1而言，例如，x方向的长度比其它的自旋产生层23A的x方向的长度更短。第一自旋产生层23A1的侧面也可以与电阻变化部10的侧面连续。侧面连续是指：切平面(tangent plane)的倾斜角连续地变化或恒定。

关于图9所示的磁阻效应元件103A，例如，能够通过以下的方法制作。磁阻效应元件103A是经过成膜工序、加工工序和配线形成工序而制造的。

首先，在成膜工序中，如图10所示，从靠近基板Sub的一侧依次以铁磁性层32、非磁性层33、铁磁性层31、导电层34的顺序层叠，以形成层叠体。在加工后，铁磁性层31成为第一铁磁性层1，铁磁性层32成为第二铁磁性层2，非磁性层33成为非磁性层3，导电层34成为第一自旋产生层23A。对于各层，例如，通过溅射进行成膜。然后，在导电层34的上面的一部分上形成硬掩模层35。硬掩模层35可以是与导电层34相同的材料，也可以是与其不同的材料。

接下来，在加工工序中，借助硬掩模层35进行蚀刻，形成柱状体。在硬掩模层35是能够适用于自旋产生层23的材料以外的材料的情况下，去除硬掩模层35。通过去除硬掩模层35，导电层34的一部分成为第一自旋产生层23A。另一方面，在硬掩模层35是能够适用于自旋产生层23的材料的情况下，去除硬掩模层35的全部或一部分。在去除一部分硬掩模层35的情况下，导电层34和硬掩模层35的一部分成为第一自旋产生层23A1；在去除硬掩模层35的全部的情况下，导电层34的一部分成为第一自旋产生层23A1。在加工工序之后，第一自旋产生层23A1露出。

接下来，在配线形成工序中，依次成膜插入层23B、自旋产生层23A。自旋产生层23A的厚度比第一自旋产生层23A1的厚度更薄。在成膜了这些层之后，通过蚀刻而去除y方向的不必要部分，形成自旋轨道转矩配线23。通过以上的步骤，得到磁阻效应元件103A。

另外，例如，在图3中，例示的是磁化M1、M2沿xy面内取向的面内取向的情况，但是，也可以是如图12所示的磁阻效应元件104那样，磁化M1、M2是沿z方向取向的垂直取向。另外，在图3中，例示的是电阻变化部10的俯视形状为沿x方向具有长轴的椭圆的情况，但是，也可以是如图14所示的磁阻效应元件106那样，电阻变化部10的俯视形状为沿倾斜于x方向和y方向的方向具有长轴的椭圆。在图13的情况下，磁化M1、M2容易沿y方向取向；在图14的情况下，磁化M1、M2容易沿倾斜于x方向和y方向的椭圆的长轴方向取向。

[第二实施方式]

图15是第二实施方式所涉及的磁化旋转元件107的截面图。图15是将磁化旋转元件107沿xz平面切断的截面，该xz平面穿过自旋轨道转矩配线20的y方向的宽度的中心。第二实施方式所涉及的磁化旋转元件107与第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100的不同之处在于：前者不具有非磁性层3和第二铁磁性层2。其它的结构与第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100相同，省略相关说明。

磁化旋转元件107对第一铁磁性层1入射光L1，并评价由第一铁磁性层1反射的光L2。当磁化的取向方向由于磁光克尔效应而发生变化时，反射的光L2的偏振状态变化。磁化旋转元件107能够用作利用光L2的偏振状态的差异的光学元件，例如映像显示装置。

除此之外，磁化旋转元件107也能够单独地用作各向异性磁传感器、利用法拉第磁光效应的光学元件等。

第二实施方式所涉及的磁化旋转元件107只是去除了非磁性层3和第二铁磁性层2，但是能够获得与第一实施方式所涉及的磁阻效应元件100相同的效果。

以上，本发明不限于上述的实施方式和变形例。例如，可以将第一实施方式的变形例适用于第二实施方式，也可以将第一实施方式的各个变形例组合起来。

实施例

[实施例1]

在实施例1中，制作了在自旋产生层之间插入了插入层的自旋轨道转矩配线。将自旋轨道转矩配线的厚度设为5nm，插入层的厚度设为0.2nm。将自旋轨道转矩配线的自旋产生层设为由W构成，插入层设为Cu或Ag。并且，在自旋轨道转矩配线的一面层叠CoFeB作为第一铁磁性层。设第一铁磁性层为直径为200nm的圆柱。通过改变插入层的层数，测量自旋轨道转矩配线的配线电阻、用于使第一铁磁性层的磁化进行反转所需的写入电流、以及用于使第一铁磁性层的磁化进行反转所需的写入电压。

图16是表示实施例1的自旋轨道转矩配线的配线电阻的图。图17是表示实施例1的磁阻效应元件的写入电流的图。图18是表示实施例1的磁阻效应元件的写入电压的图。

如图16所示，可以看出：通过在自旋轨道转矩配线设置插入层，从而减小了自旋轨道转矩配线的电阻值。另外，如图17所示，在插入层的层数达到三层为止的情况下，写入电流减少；在插入层的层数超过三层时，写入电流增加。据推测，这是因为：由于在难以产生注入于第一铁磁性层1的自旋的插入层中流动大量的电流，所以，虽然流动于自旋轨道转矩配线的电流量是增加了，但是无法充分确保注入于第一铁磁性层1的自旋的量。另外，如图18所示，通过设置插入层，电流容易流通于自旋轨道转矩配线中，并且写入电压降低。

[实施例2]

在实施例2中，制作了在自旋产生层之间插入了插入层的自旋轨道转矩配线。将自旋轨道转矩配线的厚度设为5nm，并且使插入层的厚度发生变化。将自旋轨道转矩配线的自旋产生层设为由W构成，插入层设为Cu或Ag。插入层的层数设为一层。并且，在自旋轨道转矩配线的一面层叠CoFeB作为第一铁磁性层。设第一铁磁性层为直径为200nm的圆柱。通过改变插入层的膜厚，测量自旋轨道转矩配线的配线电阻、用于使第一铁磁性层的磁化进行反转所需的写入电流、以及用于使第一铁磁性层的磁化进行反转所需的写入电压。

图19是表示实施例2的自旋轨道转矩配线的配线电阻的图。图20是表示实施例2的磁阻效应元件的写入电流的图。图21是表示实施例2的磁阻效应元件的写入电压的图。

如图19所示，可以看出：通过在自旋轨道转矩配线设置插入层，从而减小了自旋轨道转矩配线的电阻值。另外，如图20所示，在插入层的厚度达到规定的厚度为止的情况下，写入电流减少；在插入层的厚度超过规定的厚度时，写入电流增加。在插入层为Cu的情况下，规定的厚度为0.6nm；在插入层为Ag的情况下，规定的厚度为1.0nm。据推测，这是因为：由于在难以产生注入于第一铁磁性层1的自旋的插入层中流动大量的电流，所以，虽然流动于自旋轨道转矩配线的电流量是增加了，但是无法充分确保注入于第一铁磁性层1的自旋的量。另外，如图21所示，通过设置插入层，电流容易流通于自旋轨道转矩配线中，并且写入电压降低。

[符号说明]

1 第一铁磁性层；

2 第二铁磁性层；

3 非磁性层；

10 电阻变化部；

20、21、22、23 自旋轨道转矩配线；

20A、23A 自旋产生层；

23A1 第一自旋产生层；

20B、22B、23B 插入层；

31、32 铁磁性层；

33 非磁性层；

34 导电层；

35 硬掩模层；

90 绝缘层；

100、101、102、103、103A、104、105、106 磁阻效应元件；

107 磁化旋转元件；

110 第一开关元件；

120 第二开关元件；

130 第三开关元件；

200 磁记录阵列；

Cm1～Cmn 共用配线；

Cw 导电部；

D 漏极；

G 栅电极；

GI 栅绝缘膜；

M1、M2 磁化；

Rp1～Rpn 读取配线；

S 源极；

Sub 基板；

Tr 晶体管；

Wp1～Wpn 写入配线。