[发明专利]磁性体与BiSb的层叠构造的制造方法、磁阻存储器、纯自旋注入源

说明书

磁阻存储器的单元(2)包括包含磁化自由层(12)的MTJ元件(10)和纯自旋注入源(20)。纯自旋注入源(20)包含与磁化自由层(12)连接的BiSb层。通过使面内电流在BiSb层中流动而能够进行磁化自由层(12)的磁化反转。

技术领域

本发明涉及磁阻存储器。

背景技术

近年，消耗功率少的非易失性存储器的开发正在积极进行，其中磁阻存储器(MRAM)非常有前景。MRAM除了非易失性之外，还显示了10ns级的高速动作、极高的耐久性(写入次数10¹⁶次以上)等非常优秀的特性。因此，若将MRAM不仅作为主存储器，还作为非易失性存储器内置在集成电路中，则可期待通过功率门控效果而能够使集成电路的消耗功率削减90％。

在第一代的MRAM的存储元件(MTJ：磁隧道结)中使用基于磁场的磁化反转法。但，基于磁场的磁化反转的能量消耗量较大。在2000年代作为第二代写入技术，研究开发了自旋注入磁化反转法，并从2012年左右实用化。在自旋注入磁化反转技术中，从MTJ元件的固定磁性层向自由磁性层注入自旋极化电流，通过自旋转移转矩(STT：Spin transfertorque)来引起磁化反转。使用该技术的MRAM被称为STT-MRAM。在自旋注入磁化反转中，通过自旋极化电流来注入下一个自旋流I_S。自旋流I_S是单位时间的自旋角动量的流量。

I_S＝(h_bar/2e)PI

h_bar：普朗克常数h/2π

e：元电荷

I：电流

P：磁性电极材料的自旋极化率

P的上限是1，通常是P～0.5程度。由此式可知，在自旋注入磁化反转技术中，自旋流不会超过这是因为各电子具有只能搬运h_bar/2的自旋角动量的物理极限。MRAM具有非易失性，在待机中不消耗能量，但留有在写入数据时会比SRAM等存储器消耗大一个数量级的能量的课题。另外，因为大的写入电流需要大的驱动晶体管，所以难以增加MRAM的容量。

图1是说明使用纯自旋流的磁化反转方式的概要的图。使自旋轨道相互作用强的材料与强磁性层连接。使电流I流过该层时，纯自旋流I_S在垂直方向上流动。这样的现象被称为自旋霍尔效应。在纯自旋流密度J_S与电流密度J之间成立J_S＝(h_bar/2e)·θ_shJ这一关系。在此，θ_sh是反映自旋轨道相互作用的强度的参数，也被称为自旋霍尔角。由此，在纯自旋流I_S与电流I之间，以下关系成立。

I_S＝(h_bar/2e)·(L/t_N)θ_shI

也就是说，各电子能够有效地产生(L/t_N)θ_sh的自旋。如能够实现(L/t_N)θ_sh》1，则可知基于纯自旋流的磁化反转比通常的自旋注入磁化反转的效率优良。因为通常是(L/t_N)～5-10，所以若能够使用θ_sh＞1的自旋霍尔材料，则能够使MRAM元件的磁化反转所需要的电流及功率降低一数量级。另外，在纯自旋流注入磁化反转方式中，因为能够快一数量级左右地高速地进行磁化反转，所以能够使写入能量削减两数量级。使用基于自旋霍尔效应的纯自旋流注入的MRAM被称为自旋轨道矩SOT(Spin-orbit-torque)MRAM。

[在先技术文献]

[非专利文献]