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公開番号2025056688
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-08
出願番号2023212929
出願日2023-12-18
発明の名称磁気素子、磁気メモリ、高周波発振器およびその製造方法
出願人国立研究開発法人産業技術総合研究所
代理人
主分類H10B 61/00 20230101AFI20250331BHJP()
要約【課題】スピンホール効果が高く、その上に形成する磁気トンネル接合を有する積層体との適合性が高い新規な材料からなる配線層を有する磁気素子、磁気メモリ、高周波発振器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本開示では、タングステンと添加元素Xとを含むアモルファス構造の配線層11と、上記配線層上に磁気トンネル接合を有する積層体12と、を備える磁気素子10、磁気メモリおよび高周波発振器が提供される。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
タングステンと添加元素Ｘとを含むアモルファス構造の配線層と、
前記配線層上に磁気トンネル接合を有する積層体と、を備える磁気素子。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
前記配線層の前記添加元素Ｘの含有量は、５ａｔ％以上５０ａｔ％以下である、請求項１記載の磁気素子。
【請求項３】
前記添加元素Ｘは、Ｂ、ＰおよびＣの少なくとも一つの元素ＮＭを含む、請求項１記載の磁気素子。
【請求項４】
前記配線層の前記元素ＮＭの含有量は、５ａｔ％以上５０ａｔ％以下である、請求項３記載の磁気素子。
【請求項５】
前記添加元素Ｘは、ＴａおよびＭｏの少なくとも一つの金属元素Ｍと、Ｂ、ＰおよびＣの少なくとも一つの元素ＮＭとを含む、請求項１記載の磁気素子。
【請求項６】
前記配線層の前記添加元素Ｘにおける前記元素ＮＭの含有量は、１０ａｔ％以上５０ａｔ％以下である、請求項５記載の磁気素子。
【請求項７】
前記磁気トンネル接合を有する積層体は、磁化自由層を含み、
前記磁化自由層の磁化の方向は、当該磁気素子の外部から磁界を印加しない場合に、該磁化自由層の膜面に平行または垂直である、請求項１記載の磁気素子。
【請求項８】
前記磁化自由層は、前記配線層上に直接、または前記配線層以外の材料を含む薄膜を介して形成されてなる、請求項７記載の磁気素子。
【請求項９】
前記薄膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｏ－Ｏ、Ｆｅ－Ｏ、Ｎｉ－Ｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕのうち少なく１つの金属元素または酸化物を含む、請求項８記載の磁気素子。
【請求項１０】
請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気素子を備える、磁気メモリ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気素子、磁気メモリおよび高周波発振器に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
近年における情報量の爆発的な増大により、電源を断った状態にて情報保持可能な不揮発性メモリに注目が集まっている。不揮発性メモリとして、微小磁石の磁化を情報媒体とした磁気ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ（ＭＲＡＭ））がある。ＭＲＡＭにおけるメモリセル構造の代表例として記録素子である磁気トンネル接合（ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＪ））に直接電流印加するスピン移行トルク型磁気抵抗素子（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、情報書き込みに大電流を高抵抗のＭＴＪに印加する必要がある。読み出し・書込み経路が同一であることから書き換え耐性に問題がある。また、誤り書き込みを防ぐため、高速動作が困難である。
【０００４】
これらの問題点を解決する新たなＭＲＡＭ構造として、ＭＴＪに直接電流を印加せずに情報書き込みを行うスピン軌道トルク型磁気メモリ素子（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、ＳＴＴ－ＭＲＡＭに対して耐久性が高く、高速動作が可能である利点であり、大規模集積回路におけるキャッシュメモリへの応用が期待されている。
【０００５】
ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、情報書き込みの際に、ＭＴＪに接合する配線層のスピンホール効果を用いる。スピンホール効果は、配線層に電流を流した際に、電流方向に対して直交方向にスピン角運動量の流れ（いわゆるスピン流）が生じる現象である。配線層に用いるスピンホール材料として、白金（Ｐｔ）やタングステン（Ｗ）が挙げられる（例えば、非特許文献３～５、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特表２０２２－５０７８４１号公報
特開２０２１－１５０６３９号公報
【非特許文献】
【０００７】
Y. Huai, AAPPS Bull., vol. 18, 633 (2008)
L. Liu, et al., Science, vol. 336, pp555-558, (2012)
I. M. Miron, et al., Nature, vol. 476, pp189-193, (2012)
C. F. Pai, et al., Appl. Phys. Lett., vol. 101, 12404, (2012)
S. Shi, et al., Phys. Rev. Appl. 9, 011002 (2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
配線層に用いる材料として白金は、その上に形成するＭＴＪの結晶構造との適合性が乏しく、磁気抵抗効果が劣ってしまう。配線層に用いる材料として用いるタングステンは、Ａ１５構造を有したβ相（いわゆるβ－Ｗ）が、高いスピンホール効果を有し、ＳＯＴ－ＭＲＡＭを形成した際にＭＴＪの磁気抵抗効果を維持可能であることから、配線層のスピンホール材料として有力視されている。しかしながら、β－Ｗは準安定状態であるので、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの半導体プロセスにおける熱処理耐性が劣っているという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、スピンホール効果が高く、その上に形成する磁気トンネル接合を有する積層体との適合性が高い新規な材料からなる配線層を有する磁気素子、磁気メモリ、高周波発振器およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、タングステンと添加元素Ｘとを含むアモルファス構造の配線層と、上記配線層上に磁気トンネル接合を有する積層体と、を備える磁気素子、磁気メモリおよび高周波発振器が提供される。
（【００１１】以降は省略されています）

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