自旋元件及储备池元件的制作方法

1.本发明涉及一种自旋元件及储备池元件(reservoir element)。


背景技术：

2.目前，下一代非易失性存储器代替在小型化中已经看到了极限的闪存等备受关注。例如，已知mram(magnetoresistive random access memory，磁阻式随机存取存储器)、reram(resistance randome access memory，电阻随机存取存储器)、pcram(phase change random access memory，相变随机存取存储器)等作为下一代非易失性存储器。
3.mram是使用磁阻效应元件的存储器元件。磁阻效应元件的电阻值根据两个磁性膜的磁化方向的相对角度的不同而变化。mram记录磁阻效应元件的电阻值作为数据。
4.利用磁阻变化的自旋元件中，利用自旋轨道转矩(sot)的自旋轨道转矩型磁阻效应元件(例如，专利文献1)、或利用磁畴壁的移动的磁畴壁移动型磁记录元件(例如，专利文献2)备受关注。这些自旋元件通过配线与晶体管等半导体元件连接而进行控制。例如，专利文献3中记载了一种通过在半导体装置中的配线上形成势垒金属膜来提高配线的耐电迁移性的技术。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2017
‑
216286号公报
8.专利文献2：日本专利第5441005号公报
9.专利文献3：日本特开2016
‑
21530号公报


技术实现要素：

10.发明想要解决的技术问题
11.用于自旋元件的配线有时材料受限。例如，在自旋轨道转矩型磁阻效应元件的情况下，为了在铁磁性层中注入很多自旋，经常在配线中使用重金属。另外，例如，在磁畴壁移动型磁记录元件的情况下，配线需要是磁性膜。因此，构成自旋元件的配线的材料和连接元件间的配线的材料不同，电位集中于这些的连接部分。电位的局部集中成为配线劣化的原因。
12.本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种自旋元件及储备池元件，其抑制异种材料间的元素扩散，且抑制配线的劣化。
13.用于解决技术问题的手段
14.(1)第一方式提供一种自旋元件，其具备：配线；层叠体，其层叠于所述配线上，包含第一铁磁性层；第一导电部和第二导电部，从层叠方向俯视时，该第一导电部和第二导电部夹着所述第一铁磁性层；以及第一中间层，其在所述第一导电部和所述配线之间与所述配线相接，构成所述第一中间层的第二元素相对于构成所述配线的第一元素的扩散系数比构成所述第一导电部的第三元素相对于所述第一元素的扩散系数小，或者，所述第二元素
相对于所述第一元素的扩散系数比所述第三元素相对于所述第一元素的扩散系数小。
15.(2)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一元素、所述第二元素及所述第三元素是互不相同的元素，所述第一元素是选自au、hf、mo、pt、w、ta中的任一个，所述第二元素是选自co、al、ag、au、mo、hf、pt、w、ta中的任一个，所述第三元素是选自ag、cu、co、al、au中的任一个。
16.(3)第二方式提供一种自旋元件，其具备：配线；层叠体，其层叠于所述配线上，包含第一铁磁性层；第一导电部和第二导电部，从层叠方向俯视时，该第一导电部和第二导电部夹着所述第一铁磁性层；以及第一中间层，其在所述第一导电部和所述配线之间与所述配线相接，所述配线包含选自au、hf、mo、pt、w、ta中的任一个作为第一元素，所述第一中间层包含第二元素，所述第一导电部包含第三元素，所述第一元素、所述第二元素、所述第三元素是规定元素。
17.(4)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一中间层的周长比所述第一导电部的周长小，从所述层叠方向俯视时，所述第一中间层内包于所述第一导电部。
18.(5)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一中间层的周长比所述第一导电部的周长小，从所述层叠方向俯视时，所述第一中间层的几何中心比所述第一导电部的几何中心靠近所述第一铁磁性层。
19.(6)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一中间层的侧面和所述第一导电部的侧面连续。
20.(7)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述配线随着从所述第一铁磁性层侧的第一面朝向与所述第一面相反的第二面，周长变长。
21.(8)在上述方式的自旋元件中，也可以是，在与所述配线延伸的第一方向及所述层叠方向正交的第二方向上，所述配线的宽度比所述第一中间层的在所述第二方向上的宽度窄。
22.(9)在上述方式的自旋元件中，也可以是，具备在所述第二导电部和所述配线之间与所述配线相接的第二中间层，构成所述第二中间层的第五元素相对于所述第一元素的扩散系数比构成所述第二导电部的第四元素相对于所述第一元素的扩散系数小，或者，所述第四元素相对于所述第五元素的扩散系数比所述第四元素相对于所述第一元素的扩散系数小。
23.(10)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述层叠体由所述第一铁磁性层构成，所述配线是具有通过电流流通时的自旋霍尔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、金属磷化物中的任意种。
24.(11)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述层叠体从靠近所述配线的一侧开始包含所述第一铁磁性层、非磁性层及第二铁磁性层，所述配线是具有通过电流流通时的自旋霍尔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、金属磷化物中的任意种。
25.(12)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一中间层和所述第一铁磁性层的最短距离为所述第一元素的自旋扩散长的五倍以下。
26.(13)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述第一元素和所述第二元素的自旋霍尔角的符号相同。
27.(14)在上述方式的自旋元件中，也可以是，所述层叠体从靠近所述配线的一侧开始包含非磁性层和所述第一铁磁性层，所述配线是能够在内部具有磁畴壁的铁磁性层。
28.(15)第三方式提供一种储备池元件，其具备：多个上述方式的自旋元件；自旋传导层，其连接多个所述自旋元件的所述第一铁磁性层。
29.发明效果
30.上述方式的自旋元件及储备池元件的配线不易劣化。
附图说明
31.图1是第一实施方式的磁记录阵列的示意图。
32.图2是第一实施方式的磁记录阵列的特征部的截面图。
33.图3是第一实施方式的自旋元件的截面图。
34.图4是第一实施方式的自旋元件的俯视图。
35.图5是第一变形例的自旋元件的截面图。
36.图6是第一变形例的自旋元件的俯视图。
37.图7是第二变形例的自旋元件的截面图。
38.图8是第二变形例的自旋元件的俯视图。
39.图9是第三变形例的自旋元件的截面图。
40.图10是第二实施方式的自旋元件的截面图。
41.图11是第三实施方式的自旋元件的截面图。
42.图12是第四实施方式的储备池元件的立体图。
43.符号说明
44.1、4
……
第一铁磁性层；2
……
第二铁磁性层；3、5
……
非磁性层；10、11
……
层叠体；20、21
……
配线；20a
……
第一面；20b
……
第二面；21a
……
第一磁区；21b
……
第二磁区；30
……
第一导电部；40
……
第二导电部；50、51、52
……
第一中间层；60、61、62
……
第二中间层；70
……
自旋传导层；90、91、92
……
绝缘层；100、101、102、103、105
……
磁阻效应元件；104
……
磁化旋转元件；106
……
储备池元件；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；c1、c2、c3、c4
……
中心；cm1～cmn
……
共通配线；cw
……
导电部；d
……
漏极；e
……
导电层；g
……
栅电极；gi
……
栅极绝缘膜；rp1～rpn
……
读出配线；s
……
源极；sub
……
基板；tr
……
晶体管；wp1～wpn
……
写入配线
具体实施方式
45.下面，适当地参照附图对本实施方式进行详细说明。就以下说明中使用的附图而言，为了容易理解特征，为方便起见，有时扩大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。以下说明中示例的材料、尺寸等仅为一例，本发明不限于此，在实现本发明的效果的范围内，可以适当地变更并实施。
46.首先，对方向进行定义。将后述的基板sub(参照图2)的一面的一个方向设为x方向，将与x方向正交的方向设为y方向。x方向是后述的配线20延伸的方向，且是配线20的长度方向。x方向是第一方向的一例。y方向是第二方向的一例。z方向是与x方向及y方向正交的方向。z方向是层叠方向的一例。下面，有时将 z方向表现为“上”，将
‑
z方向表现为“下”。
上下不一定与施加重力的方向一致。
47.本说明书中，“沿x方向延伸”是指例如x方向、y方向及z方向的各尺寸中x方向的尺寸比最小尺寸大。沿其它方向延伸的情况也同样。
[0048]“第一实施方式”[0049]
图1是第一实施方式的磁记录阵列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、多个共通配线cm1～cmn、多个读出配线rp1～rpn、多个第一开关元件110、多个第二开关元件120及多个第三开关元件130。磁记录阵列200可以用于例如磁存储器等。磁阻效应元件100是自旋元件的一例。
[0050]
写入配线wp1～wpn将电源和一个以上的磁阻效应元件100电连接。共通配线cm1～cmn是在写入数据时及读出数据时使用的配线。共通配线cm1～cmn将基准电位和一个以上的磁阻效应元件100电连接。基准电位例如是接地电位。共通配线cm1～cmn可以分别设置于多个磁阻效应元件100，也可以跨及多个磁阻效应元件100而设置。读出配线rp1～rpn将电源和一个以上的磁阻效应元件100电连接。电源在使用时与磁记录阵列200连接。
[0051]
图1所示的第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130与各磁阻效应元件100连接。第一开关元件110连接于磁阻效应元件100和写入配线wp1～wpn之间。第二开关元件120连接于磁阻效应元件100和共通配线cm1～cmn之间。第三开关元件130连接于磁阻效应元件100和读出配线rp1～rpn之间。
[0052]
如果使第一开关元件110及第二开关元件120为on，则写入电流在与规定的磁阻效应元件100连接的写入配线wp1～wpn和共通配线cm1～cmn之间流通。如果使第二开关元件120及第三开关元件130为on，则读出电流在与规定的磁阻效应元件100连接的共通配线cm1～cmn和读出配线rp1～rpn之间流通。
[0053]
第一开关元件110、第二开关元件120及第三开关元件130是控制电流流通的元件。第一开关元件110、第二开关元件120及第三开关元件130例如是像晶体管、双向阈值开关(ots：ovonic threshold switch)那样利用结晶层的相变化的元件、像金属绝缘体转变(mit)开关那样利用带结构的变化的元件、像齐纳二极管(zener diode)及雪崩击穿二极管(avalanche breakdown diode)那样利用击穿电压的元件、传导性随着原子位置的变化而变化的元件。
[0054]
第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130中的任一个可以由连接于相同配线的磁阻效应元件100共用。例如，在共享第一开关元件110的情况下，将一个第一开关元件110设置于写入配线wp1～wpn的上游。例如，在共享第二开关元件120的情况下，将一个第二开关元件120设置于共通配线cm1～cmn的上游。例如，在共享第三开关元件130的情况下，将一个第三开关元件130设置于读出配线rp1～rpn的上游。
[0055]
图2是第一实施方式的磁记录阵列200的主要部分的截面图。图2是将磁阻效应元件100用通过后述的配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。
[0056]
图2所示的第一开关元件110及第二开关元件120是晶体管tr。第三开关元件130与导电层e电连接，位于例如图2的y方向。晶体管tr例如是场效应型晶体管，具有栅电极g、栅极绝缘膜gi、以及形成于基板sub的源极s及漏极d。基板sub例如是半导体基板。
[0057]
晶体管tr和磁阻效应元件100经由第一导电部30及第一中间层50或第二导电部40及第二中间层60而电连接。另外，晶体管tr和写入配线wp或共通配线cm通过导电部cw连接。
第一导电部30、第二导电部40及导电部cw有时被称为例如连接配线、通孔配线。第一导电部30、第二导电部40及导电部cw例如z方向沿延伸。
[0058]
磁阻效应元件100及晶体管tr的周围被绝缘层90覆盖。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
x
)、氮化硅(sin
x
)、碳化硅(sic)、氮化铬、碳氮化硅(sicn)、氮氧化硅(sion)、氧化铝(al2o3)、氧化锆(zro
x
)等。
[0059]
图3是第一实施方式的磁阻效应元件100的截面图。图4是第一实施方式的磁阻效应元件100的俯视图。图3是将磁阻效应元件100沿通过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。
[0060]
磁阻效应元件100具备层叠体10、配线20、第一导电部30、第二导电部40、第一中间层50及第二中间层60。绝缘层91和绝缘层92是绝缘层90的一部分。层叠体10的z方向的电阻值通过将自旋从配线20注入到层叠体10中而变化。磁阻效应元件100是利用自旋轨道转矩(sot)的自旋元件，有时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。另外，配线20有时被称为自旋轨道转矩配线。
[0061]
层叠体10层叠于配线20上。在层叠体10和配线20之间也可以具有其它层。层叠体10在z方向上被配线20和导电层e夹持。层叠体10是柱状体。从z方向俯视层叠体10时，其形状例如为圆形、椭圆形、四边形。
[0062]
层叠体10具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及非磁性层3。第一铁磁性层1例如与配线20相接，层叠于配线20上。将自旋从配线20注入到第一铁磁性层1中。第一铁磁性层1的磁化通过注入的自旋接受自旋轨道转矩(sot)，且取向方向变化。第二铁磁性层2位于第一铁磁性层1的z方向。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2在z方向上夹着非磁性层3。
[0063]
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2分别具有磁化。与第一铁磁性层1的磁化相比，第二铁磁性层2的磁化在施加规定外力时取向方向不易变化。有时第一铁磁性层1被称为磁化自由层，第二铁磁性层2被称为磁化固定层、磁化参照层。就层叠体10而言，电阻值根据夹着非磁性层3的第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的相对角度的不同而变化。
[0064]
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2包含铁磁性体。铁磁性体例如是选自cr、mn、co、fe及ni中的金属、包含一种以上这些金属的合金、包含这些金属和b、c及n中的至少一种以上元素的合金等。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。
[0065]
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2也可以包含惠斯勒合金(heusler alloy)。惠斯勒合金包含具有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、或者cu族过渡金属元素或贵金属元素，y是mn、v、cr、或者ti族过渡金属或x的元素种类，z是从iii族到v族的典型元素。惠斯勒合金是例如co2fesi、co2fege、co2fega、co2mnsi、co2mn1‑
a
fe
a
al
b
si1‑
b
、co2fege1‑
c
ga
c
等。惠斯勒合金具有高自旋极化率。
[0066]
层叠体10在与第二铁磁性层2的非磁性层3相反侧的面上也可以经由间隔层(spacer layer)具有反铁磁性层。第二铁磁性层2、间隔层、反铁磁性层为合成反铁磁性结构(saf结构)。合成反铁磁性结构由夹着非磁性层的两个磁性层构成。第二铁磁性层2和反铁磁性层反铁磁性耦合，从而第二铁磁性层2的矫顽力比不具有反铁磁性层的情况大。反铁磁性层是例如irmn、ptmn等。间隔层包含例如选自ru、ir、rh中的至少一个。
[0067]
层叠体10也可以具有除第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及非磁性层3以外的层。例
如，在配线20和层叠体10之间也可以具有基底层。基底层提高了构成层叠体10的各层的结晶性。
[0068]
配线20例如与层叠体10的一面相接。配线20是用于将数据写入磁阻效应元件100的写入配线。配线20沿x方向延伸。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。配线20的距基板sub远的第一面20a的面积比例如与第一面20a相反的第二面20b的面积小。配线20随着例如从第一面20a朝向第二面20b，周长变长。
[0069]
配线20通过电流i流通时的自旋霍尔效应产生自旋流，将自旋注入到第一铁磁性层1中。配线20对第一铁磁性层1的磁化施加例如能够使第一铁磁性层1的磁化反转的量的自旋轨道转矩(sot)。自旋霍尔效应是在电流流通的情况下，基于自旋轨道相互作用在与电流流通的方向正交的方向上感应自旋流的现象。在使运动(移动)的电荷(电子)运动(移动)方向弯曲这一点上，自旋霍尔效应与通常的霍耳效应共同。就通常的霍耳效应而言，在磁场中运动的带电粒子的运动方向被洛伦兹力弯曲。与此相对，就自旋霍尔效应而言，即使不存在磁场，自旋移动方向也会仅因为电子移动(电流流通)而弯曲。
[0070]
例如，如果电流在配线20中流通，则沿一个方向取向的第一自旋和沿与第一自旋相反的方向取向的第二自旋分别通过自旋霍尔效应而向与电流i流通的方向正交的方向弯曲。例如，沿
‑
y方向取向的第一自旋向 z方向弯曲，沿 y方向取向的第二自旋向
‑
z方向弯曲。
[0071]
就非磁性体(不是铁磁性体的材料)而言，通过自旋霍尔效应产生的第一自旋的电子数和第二自旋的电子数相等。即，朝向 z方向的第一自旋的电子数和朝向
‑
z方向的第二自旋的电子数相等。第一自旋和第二自旋向消除自旋偏聚的方向流通。由于在第一自旋及第二自旋向z方向的移动中，电荷的流通相互抵消，所以电流量为零。特别地，不伴随电流的自旋流被称为纯自旋流。
[0072]
如果将第一自旋的电子的流通表示为j
↑
、将第二自旋的电子的流通表示为j
↓
、将自旋流表示为js，则通过js＝j
↑
‑
j
↓
进行定义。在z方向上产生自旋流js。将第一自旋从配线20被注入到第一铁磁性层1中。
[0073]
配线20包含具有通过电流i流通时的自旋霍尔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。
[0074]
配线20包含例如非磁性重金属作为主要元素。主要元素是构成配线20的元素中比例最高的元素。构成配线20的主要元素是第一元素。
[0075]
第一元素例如是具有钇(y)以上的比重的重金属。就非磁性重金属而言，例如在最外层壳具有d电子或f电子的原子序数为39以上的原子序数大，产生的自旋轨道相互作用强。自旋霍尔效应通过自旋轨道相互作用而产生，自旋容易偏聚于配线20内，容易产生自旋流js。第一元素例如是选自au、hf、mo、pt、w、ta中的任一个。
[0076]
除第一元素外，配线20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。非磁性体中包含的微量的磁性金属为自旋的散射因子。微量例如是指构成配线20的元素的总摩尔比的3％以下。如果自旋通过磁性金属散射，则自旋轨道相互作用增强，自旋流相对于电流的生成效率变高。
[0077]
配线20也可以包含拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是虽然物质内部为绝缘体或高电阻体，但是是在其表面产生自旋极化的金属状态的物质。拓扑绝缘体通过自旋轨道相互作用
而产生内部磁场。拓扑绝缘体即使不存在外部磁场也会通过自旋轨道相互作用的效果而表现出新的拓扑相。拓扑绝缘体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能够高效率地生成纯自旋流。
[0078]
拓扑绝缘体是例如snte、bi
1.5
sb
0.5
te
1.7
se
1.3
、tibise2、bi2te3、bi1‑
x
sb
x
、(bi1‑
x
sb
x
)2te3等。拓扑绝缘体可以高效率地生成自旋流。
[0079]
从z方向俯视时，第一导电部30及第二导电部40在x方向上夹持层叠体10。第一导电部30及第二导电部40是连接磁阻效应元件100和晶体管tr的配线。
[0080]
第一导电部30及第二导电部40由导电性优异的材料构成。构成第一导电部30的主要元素是第三元素。构成第二导电部40的主要元素是第四元素。第三元素及第四元素例如是选自ag、cu、co、al、au中的任一个。第三元素和第四元素可以相同，也可以不同。
[0081]
第一中间层50位于配线20和第一导电部30之间。第二中间层60位于配线20和第二导电部40之间。图3所示的第一中间层50的侧面与第一导电部30的侧面连续，第二中间层60的侧面与第二导电部40的侧面连续。例如，在第一导电部30及第一中间层50形成于绝缘层91上开设的一个开口内的情况下，这些侧面连续。
[0082]
第一中间层50防止第三元素从第一导电部30向配线20扩散，第二中间层60防止第四元素从第二导电部40向配线20扩散。第一中间层50及第二中间层60分别是防止元素扩散的防扩散层。构成第一中间层50的主要元素是第二元素。构成第二中间层60的主要元素是第五元素。第二元素及第五元素例如是选自co、al、ag、au、mo、hf、pt、w、ta中的任一个。第二元素和第五元素可以相同，也可以不同。
[0083]
为了防止第三元素向配线20扩散，第二元素相对于第一元素及第三元素满足第一关系或第二关系。第二元素也可以满足第一关系和第二关系两者。
[0084]
第一关系使第二元素相对于第一元素的扩散系数比第三元素相对于第一元素的扩散系数小。在此，“第二元素相对于第一元素的扩散系数”是指第二元素在由第一元素构成的材料中的的扩散系数。其它元素也同样。在磁阻效应元件不具有第一中间层50的情况下，第一导电部30和配线20相接。在该情况下，第三元素向配线20扩散。与此相对，就具有第一中间层50的磁阻效应元件100而言，第一中间层50和配线20相接。第二元素比第三元素难以向配线20扩散。因此，通过将第一中间层50设置于第一导电部30和配线20之间，能够降低元素向配线20的扩散。另外，第一中间层50和配线20的连接部具有角ed，电流容易集中于角ed。通过在包含难以扩散的第二元素的第一中间层50上形成角ed，从而能进一步降低元素向配线20的扩散。
[0085]
满足第一关系的第一元素、第二元素及第三元素的组合有例如以下组合。在第一元素是au且第三元素是cu的情况下，将第二元素设为选自ag、co、hf中的任一个。在第一元素是au且第三元素是ag的情况下，将第二元素设为co或hf。在第一元素是au且第三元素是co的情况下，将第二元素设为hf。在第一元素是hf且第三元素是co的情况下，将第二元素设为al。在第一元素是mo且第三元素是co的情况下，将第二元素设为w。在第一元素是pt且第三元素是al的情况下，将第二元素设为选自au、ag、co中的任一个。在第一元素是pt且第三元素是au的情况下，将第二元素设为ag或co。在第一元素是pt且第三元素是ag的情况下，将第二元素设为co。在第一元素是ta且第三元素是al的情况下，将第二元素设为hf。在第一元素是w且第三元素是co的情况下，将第二元素设为选自hf、mo中的任一个。
[0086]
在上述中，第一元素、第二元素及第三元素的组合特别地可以为以下组合。
[0087]
第一元素是pt、第二元素是au、第三元素是al。
[0088]
第一元素是pt、第二元素是ag、第三元素是al。
[0089]
第一元素是pt、第二元素是co、第三元素是al。
[0090]
第一元素是w、第二元素是mo、第三元素是co。
[0091]
第二关系使第三元素相对于第二元素的扩散系数比第三元素相对于第一元素的扩散系数小。即，在第一导电部30和第一中间层50相接的情况下第三元素向第一中间层50扩散的量比在第一导电部30和配线20相接的情况下第三元素向配线20扩散的量少。因此，通过将第一中间层50设置于第一导电部30和配线20之间，能够使第三元素的扩散量减少。
[0092]
满足第二关系的第一元素、第二元素及第三元素的组合有例如以下组合。在第一元素是au且第三元素是ag的情况下，将第二元素设为pt。在第一元素是au且第三元素是co的情况下，将第二元素设为选自pt、mo、w中的任一个。在第一元素是hf且第三元素是co的情况下，将第二元素设为选自au、pt、mo、w中的任一个。在第一元素是mo且第三元素是co的情况下，将第二元素设为w。在第一元素是pt且第三元素是al的情况下，将第二元素设为ta或hf。在第一元素是pt且第三元素是co的情况下，将第二元素设为mo或w。在第一元素是ta且第三元素是al的情况下，将第二元素设为hf。
[0093]
特别地，在上述中，第一元素、第二元素及第三元素的组合也可以为以下组合。
[0094]
第一元素是pt、第二元素是ta、第三元素是al。
[0095]
第一元素是pt、第二元素是hf、第三元素是al。
[0096]
第一元素是pt、第二元素是mo、第三元素是co。
[0097]
第一元素是pt、第二元素是w、第三元素是co。
[0098]
同样，为了防止第四元素向配线20扩散，第五元素相对于第一元素及第四元素满足第三关系或第四关系。第五元素也可以满足第三关系和第四关系两者。
[0099]
第三关系使第五元素相对于第一元素的扩散系数比第四元素相对于第一元素的扩散系数小。第四关系使第四元素相对于第五元素的扩散系数比第四元素相对于第一元素的扩散系数小。
[0100]
第一中间层50的y方向的宽度w50及第二中间层60的y方向的宽度w60例如比配线20的y方向的宽度宽。如果配线20和第一中间层50或第二中间层60的接触面积增加，则能够抑制热在第一导电部30和第一中间层50的界面及第二导电部40和第二中间层60的界面蓄积。热促进元素扩散。通过高效地排出界面的热，从而能够抑制第一导电部30及第二导电部40的电迁移。
[0101]
将第一中间层50和第一铁磁性层1的最短距离l1设为例如构成配线20的第一元素的自旋扩散长的五倍以下。第二中间层60和第一铁磁性层1的最短距离l2也满足例如同样的关系。如果最短距离l1、l2满足上述关系，则第一中间层50或第二中间层60中产生的自旋的一部分到达第一铁磁性层1，辅助第一铁磁性层1的磁化反转。为了将同一方向的自旋注入到第一铁磁性层1中，使例如构成配线20的第一元素和构成第一中间层50的第二元素的自旋霍尔角的符号相同。出于同样的理由，也可以使构成配线20的第一元素和构成第二中间层60的第五元素的自旋霍尔角的符号相同。
[0102]
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
层叠工序和将各层的一部分加工成规定形状的加工工序而形成。各层的层叠可以使用溅射法、化学气相沉积(cvd)法、电子束蒸镀(eb蒸镀法)、原子激光沉积法等。各层的加工可以使用光刻等进行。
[0103]
首先，在基板sub的规定位置掺杂杂质，形成源极s、漏极d。接着，在源极s和漏极d之间形成栅极绝缘膜gi、栅电极g。源极s、漏极d、栅极绝缘膜gi及栅电极g成为晶体管tr。
[0104]
接着，以覆盖晶体管tr的方式形成绝缘层91。另外，在绝缘层91上形成开口部，通过将导电体填充于开口部内而形成第一导电部30、第二导电部40、第一中间层50、第二中间层60及导电部cw。在将绝缘层91层叠至规定厚度后，在绝缘层91上形成槽，通过将导电体填充于槽内而形成写入配线wp、共通配线cm。
[0105]
接着，通过化学机械研磨(cmp)使绝缘层91、第一中间层50及第二中间层60的表面平坦化，将配线层、铁磁性层、非磁性层、铁磁性层依次层叠。接着，将配线层加工成规定形状。配线层通过加工成规定形状而成为配线20。接着，将形成于配线层上的层叠体加工成规定形状，形成层叠体10，由此能够制作磁阻效应元件100。
[0106]
接下来，对第一实施方式的磁阻效应元件100的动作进行说明。磁阻效应元件100有数据的写入动作和数据的读出动作。
[0107]
首先，对将数据记录于磁阻效应元件100的动作进行说明。首先，使与想要记录数据的磁阻效应元件100连接的第一开关元件110及第二开关元件120为on。如果使第一开关元件110及第二开关元件120为on，则在配线20中流通写入电流。如果在配线20中流通写入电流，则产生自旋霍尔效应，自旋被注入到第一铁磁性层1中。注入到第一铁磁性层1中的自旋对第一铁磁性层1的磁化施加自旋轨道转矩(sot)，改变第一铁磁性层1的磁化的取向方向。如果使电流的流通方向相反，则注入到第一铁磁性层1中的自旋的方向相反，因此能够自由控制磁化的取向方向。
[0108]
在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化平行的情况下，层叠体10的层叠方向的电阻值小，在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化反平行的情况下，层叠体10的层叠方向的电阻值大。作为层叠体10的层叠方向的电阻值，将数据记录到磁阻效应元件100中。
[0109]
接下来，对从磁阻效应元件100中读出数据的动作进行说明。首先，使与想要记录数据的磁阻效应元件100连接的第一开关元件110或第二开关元件120和第三开关元件130为on。如果这样设定各开关元件，则读出电流沿层叠体10的层叠方向流通。如果按照欧姆定律层叠体10的层叠方向的电阻值不同，则输出的电压不同。因此，通过读出例如层叠体10的层叠方向的电压，能够读出记录在磁阻效应元件100中的数据。
[0110]
如上所述，就第一实施方式的磁阻效应元件100而言，通过构成各部分的第一元素、第二元素及第三元素满足规定关系(第一关系或第二关系)，能够降低元素向不同层的扩散。向其它层扩散的元素在施加电流时与电子发生碰撞，成为电迁移的原因。通过降低元素扩散，可抑制第一导电部30及第二导电部40的劣化。
[0111]
以上示出了第一实施方式的一例，但本发明不限于该例。
[0112]
图5是第一变形例的磁阻效应元件101的截面图。图6是第一变形例的磁阻效应元件101的俯视图。图5是将磁阻效应元件101沿通过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。
[0113]
第一变形例的磁阻效应元件101中，第一中间层51的侧面和第一导电部30的侧面不连续，且第二中间层61的侧面和第二导电部40的侧面不连续，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。对与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
[0114]
第一中间层51的周长比第一导电部30小，第二中间层61的周长比第二导电部40小。从z方向俯视时，第一中间层51内包于第一导电部30，第二中间层61内包于第二导电部40。第一导电部30及第二导电部40与晶体管tr连接，因此尺寸为从微米到毫米数量级。与此相对，层叠体10的尺寸为从纳米到微米尺寸。第一中间层51及第二中间层61相对于第一导电部30及第二导电部40小，从而容易调整它们尺寸上的不同。另外，有多个电流容易集中的角ed，从而能够抑制电流局部集中于一处。
[0115]
图7是第二变形例的磁阻效应元件102的截面图。图8是第二变形例的磁阻效应元件102的俯视图。图7是将磁阻效应元件102沿通过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。
[0116]
第二变形例的磁阻效应元件102中，第一导电部30的中心c1和第一中间层52的中心c2错开，且第二导电部40的中心c3和第二中间层62的中心c4错开，在这一点上与第一变形例的磁阻效应元件101不同。对与磁阻效应元件101同样的结构标注同样的符号，并省略说明。此外，在此示出了层叠体10、第一导电部30、第一中间层52、第二导电部40、第二中间层62的俯视形状为圆形的例子，而在不为圆形的情况下，将“中心”替换为“几何中心”。
[0117]
第一中间层52的周长比第一导电部30小，第二中间层62的周长比第二导电部40小。从z方向观察，第一中间层52的中心c2位于比第一导电部30的中心c1更靠层叠体10的附近，第二中间层62的中心c4位于比第二导电部40的中心c3更靠层叠体10的附近。第一中间层52的中心c2与层叠体的中心的距离比第一导电部30的中心c1与层叠体10的中心的距离短，第二中间层62的中心c4与层叠体的中心的距离比第二导电部40的中心c3与层叠体10的中心的距离短。
[0118]
因为第一导电部30及第二导电部40与晶体管tr连接，所以不能自由变更第一导电部30和第二导电部40的距离。例如，晶体管tr规定了最小加工尺寸(feature size)，难以使第一导电部30和第二导电部40的距离接近最小加工尺寸以下。第一中间层52及第二中间层62位于与晶体管tr不同的层，可以自由变更位置关系。如果使第一中间层51及第二中间层62接近层叠体10，则配线20的长度变短。配线20包含重金属，容易发热。通过使发热源小，能够进一步抑制元素向其他层扩散。
[0119]
图9是第三变形例的磁阻效应元件103的截面图。图9是将磁阻效应元件103沿通过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。
[0120]
第三变形例的磁阻效应元件103中，第二导电部40和配线20之间没有第二中间层60，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。第一中间层50防止配线20和第一导电部30之间的元素扩散。
[0121]“第二实施方式”[0122]
图10是第二实施方式的磁化旋转元件104的截面图。图10是将磁阻效应元件100沿通过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断后的截面。第二实施方式的磁化旋转元件104中，不具有非磁性层3及第二铁磁性层2，在这一点上与第一实施方式的磁阻效应元件
[0135]
图12是第四实施方式的储备池元件106的立体图。储备池元件106具备多个磁化旋转元件104和连接多个磁化旋转元件104的第一铁磁性层1彼此的自旋传导层70。自旋传导层70由例如非磁性导电体构成。自旋传导层70传播从第一铁磁性层1渗出的自旋流。
[0136]
储备池元件是用于神经形态元件中的一个即储备池计算机的元件。神经形态元件是通过神经网络模仿人的大脑的元件。神经形态元件例如用作辨识机。辨识机例如辨识(图像辨识)输入的图像并分类。
[0137]
储备池元件106将输入的输入信号转换为其它信号。在储备池元件106内，信号仅相互作用，并不学习。如果输入信号彼此相互作用，则输入信号非线性地变化。即，输入信号保有原来的信息，同时转换为其它信号。输入信号通过在储备池元件106内彼此相互作用，随着时间的经过而变化。就储备池元件106而言，与多个神经元对应的第一铁磁性层1彼此相互连接。因此，例如，在某时刻t从神经元输出的信号有时在某时刻t 1返回到原来的神经元。在神经元中，能够进行根据时刻t及时刻t 1的信号的处理，并能够回归地处理信息。
[0138]
自旋传导层70例如是金属或半导体。用于自旋传导层70的金属例如是包含选自cu、ag、al、mg、zn中的任意元素的金属或合金。用于自旋传导层70的半导体例如是选自si、ge、gaas、c中的任意元素的单体或合金。可举出例如si、ge、si
‑
ge化合物、gaas、石墨烯等。
[0139]
如果电流i在配线20中流通，则自旋注入到第一铁磁性层1中，对第一铁磁性层1的磁化施加自旋轨道转矩。如果对配线20施加高频电流，则注入到第一铁磁性层1中的自旋的方向变化，第一铁磁性层1的磁化振动。
[0140]
自旋流从第一铁磁性层1到达自旋传导层70。因为第一铁磁性层1的磁化振动，所以在自旋传导层70中流通的自旋流也与磁化对应地振动。蓄积于第一铁磁性层1和自旋传导层70的界面的自旋作为自旋流在自旋传导层70内传播。
[0141]
两个第一铁磁性层1的磁化各自产生的自旋流在自旋传导层70内合流，并发生干涉。自旋流的干涉对各第一铁磁性层1的磁化的振动造成影响，两个第一铁磁性层1的磁化的振动发生共振。两个磁化的振动相位同步或错开半波长(π)。
[0142]
如果停止对配线20施加电流i，则第一铁磁性层1的磁化振动停止。共振后的第一铁磁性层1的磁化平行或反平行。在两个振动相位同步的情况下，两个磁化方向对齐并平行。在两个振动相位错开半波长(π)的情况下，两个磁化方向相反，成为反平行。
[0143]
在两个第一铁磁性层1的磁化平行的情况下，储备池元件106的电阻值比反平行的情况小。就储备池元件106而言，例如，在储备池元件106的电阻值大的情况下(两个磁化反平行的情况下)输出“1”的信息，在储备池元件106的电阻值小的情况下(两个磁化平行的情况下)输出“0”的信息。
[0144]
输入到配线20中的电流i具有各种信息。例如，电流i的频率、电流密度、电流量等。另一方面，储备池元件106输出“1”“0”信息作为电阻值。即，第一实施方式的储备池元件106将多个第一铁磁性层1的磁化振动转换为自旋流，在自旋传导层70内进行干涉，从而转换信息。
[0145]
第四实施方式的储备池元件106也可得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，可选择与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的变形例。
[0146]
如上所述，基于第一实施方式至第四实施方式示出了本发明的优选方式，但本发明不限于这些实施方式。例如，也可以将各实施方式中的特征结构应用于其它实施方式。