磁性元件、磁存储器、储备池元件、识别器及磁性元件的制造方法

摘要

该磁性元件具备：第一铁磁性层；和第一配线，其在第一方向上与所述第一铁磁性层面对面，所述第一配线具有：配线部，其在与所述第一方向不同的第二方向上延伸；和扩宽部，其从所述第一方向观察，与所述第二方向交叉的第三方向的宽度比所述配线部宽，所述配线部的所述第三方向的中心位置与所述第一铁磁性层的所述第三方向的中心位置不同。

说明书

技术领域

本发明涉及磁性元件、磁存储器、储备池元件、识别器及磁性元件的制造方法。

背景技术

磁阻效应元件正在期待在磁传感器、高频零件、磁头及非易失性随机存取存储器(MRAM)中的应用。

磁阻效应元件将夹着非磁性层的两个铁磁性层彼此的磁化方向的变化作为元件的电阻变化而输出。磁阻效应元件控制铁磁性层的磁化方向，并记录数据。作为控制磁化方向的方法，已知利用电流产生的磁场的方式、利用在磁阻效应元件的层叠方向上流动电流时产生的自旋传递转矩(STT)的方式。利用STT的方式需要在贯通非磁性层的方向上赋予电位差，有时会给非磁性层造成损伤。

近年来，作为控制磁化方向的新方式，研究出了一种利用自旋轨道转矩(SOT)的方式(例如，专利文献1)。SOT通过因自旋轨道相互作用而产生的自旋流或异种材料的界面上的拉什巴效应，被诱发在铁磁性层内。通过SOT作用于铁磁性层内的磁化，磁化发生反转。当在与铁磁性层的层叠方向交叉的方向上流动电流时，产生自旋流及拉什巴效应。利用SOT的方式可避免在非磁性层及铁磁性层的层叠方向上流动较大的写入电流，能够抑制对非磁性层等的损伤。

另一方面，使用了SOT的写入方式据说需要通过元件的结构来打乱利用外部磁场进行磁化反转的磁化的对称性(例如，非专利文献1)。例如，在铁磁性层的磁化沿铁磁性层的层叠方向(z方向)取向的情况下，要求向配线所延伸的方向(x方向)施加磁场。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-216286号公报

非专利文献

非专利文献1：S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,NatureNanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.

发明内容

发明所要解决的问题

当另外设置外部磁场的发生源时，会导致元件尺寸的大型化或制造工艺的复杂化。通过元件结构，不施加外部磁场就能够进行磁化反转，但存在反转电流密度变大之类的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种能够容易进行磁化反转的磁性元件、磁存储器、储备池元件、识别器及磁性元件的制造方法。

用于解决问题的技术手段

本公开为了解决上述问题，提供以下技术方案。

(1)第一方式的磁性元件具备：第一铁磁性层；和第一配线，其在第一方向上与所述第一铁磁性层面对面，所述第一配线具有：配线部，其在与所述第一方向不同的第二方向上延伸；和扩宽部，其从所述第一方向观察，与所述第二方向交叉的第三方向的宽度比所述配线部宽，所述配线部的所述第三方向的中心位置与所述第一铁磁性层的所述第三方向的中心位置不同。

(2)上述方式的磁性元件中，也可以是，还具有盖层，该盖层从所述第一方向观察，面向所述扩宽部的不与所述配线部重叠的第一区域，所述盖层含有包含构成所述扩宽部的元素的氧化物、氮化物、硫化物、氟化物中的任意者。

(3)在上述方式的磁性元件中，也可以是，所述扩宽部的自旋电阻为所述配线部的自旋电阻以下。

(4)在上述方式的磁性元件中，也可以是，所述扩宽部包含与所述配线部不重叠的第一区域和重叠的第二区域，所述第二区域的厚度比所述第一区域的厚度薄。

(5)在上述方式的磁性元件中，也可以是，所述配线部具有从所述第一方向观察在所述第二方向上隔开间隔的第一部分和第二部分。

(6)在上述方式的磁性元件中，也可以是，还具备在所述第二方向和所述第三方向中的至少一个方向上夹着所述第一铁磁性层的第一磁性体和第二磁性体。

(7)在上述方式的磁性元件中，也可以是，所述第一配线包含具有通过电流流动时的自旋霍尔效应而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者。

(8)上述方式的磁性元件中，也可以是，还具备：第二铁磁性层，其位于所述第一铁磁性层的与所述第一配线相反侧；和非磁性层，其位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间。

(9)第二方式的磁存储器具备上述方式的磁性元件和连接多个所述磁性元件各者的配线。

(10)第三方式的储备池元件具备上述方式的磁性元件和连接所述多个磁性元件的所述第一铁磁性层的自旋传导层。

(11)第四方式的识别器具备上述方式的储备池元件和向所述储备池元件输入数据的多个传感器。

(12)第四方式的磁性元件的制造方法具有：在层叠膜的一部分形成可溶解的掩模层的工序；经由所述掩模层来对层叠膜进行加工，形成磁阻效应元件的工序；在所述掩模层和所述磁阻效应元件的周围形成绝缘层的工序；和去除所述掩模层，并在去除了所述掩模层的部分局部地形成导电层的工序。

(13)在第三方式的磁性元件的制造方法中，所述掩模层也可以是选自由Si、SiO

发明效果

根据上述方式的磁性元件、磁存储器、储备池元件及识别器，能够容易使磁性层的磁化反转。另外，根据上述方式的磁性元件的制造方法，在工业上能够容易制作可容易使磁性层的磁化反转的磁性元件。

附图说明

图1是第一实施方式的磁性元件的立体图。

图2是第一实施方式的磁性元件的剖视图。

图3是第一实施方式的磁性元件的俯视图。

图4是用于对第一实施方式的磁性元件的制造方法进行说明的剖视图。

图5是用于对第一实施方式的磁性元件的制造方法进行说明的剖视图。

图6是用于对第一实施方式的磁性元件的制造方法进行说明的剖视图。

图7是用于对第一实施方式的磁性元件的制造方法进行说明的剖视图。

图8是用于对第一实施方式的磁性元件的制造方法进行说明的剖视图。

图9是第一变形例的磁性元件的剖视图。

图10是第二变形例的磁性元件的立体图。

图11是第三变形例的磁性元件的剖视图。

图12是第四变形例的磁性元件的剖视图。

图13是第二实施方式的磁记录阵列的示意图。

图14是第二实施方式的磁记录阵列的主要部分的剖视图。

图15是第三实施方式的神经形态元件的概念图。

图16是第三实施方式的储备池元件的示意图。

具体实施方式

下面，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。为了便于理解特征，以下说明中使用的附图有时为方便起见而放大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等往往与实际不同。以下说明中例示的材料、尺寸等是一个例子，本发明不限定于此，可在实现本发明效果的范围内适当变更而实施。

首先，对方向进行定义。+x方向是后述的第一配线20延伸的一个方向。－x方向是与+x方向相反的方向。在不将+x方向和－x方向区别开来的情况下，简称为“x方向”。x方向是第二方向的一个例子。+y方向是与x方向正交的一个方向。－y方向是与+y方向相反的方向。在不将+y方向和－y方向区别开来的情况下，简称为“y方向”。y方向是第三方向的一个例子。+z方向是后述的磁阻效应元件10的各层层叠的方向。－z方向是与+z方向相反的方向。在不将+z方向和－z方向区别开来的情况下，简称为“z方向”。z方向是第一方向的一个例子。以下，有时将+z方向表述为“上”，将－z方向表述为“下”。上下不一定与重力作用的方向一致。

在本说明书中，所谓“在x方向上延伸”，例如是指x方向的尺寸比x方向、y方向及z方向的各尺寸中的最小尺寸还大。在其他方向上延伸的情况也是同样的。在本说明书中，所谓“连接”，不限定于物理连接的情况，也包含电连接的情况。在本说明书中，所谓“面向”，不限定于两个部件相互接触的情况，也包含在两个部件之间存在其他部件的情况。

[第一实施方式]

图1是第一实施方式的磁性元件100的立体图。图2是第一实施方式的磁性元件100的剖视图。图2是用穿过磁阻效应元件10的x方向的中心的yz平面来剖切磁性元件100所得的剖视图。图3是第一实施方式的磁性元件100的俯视图。

磁性元件100例如具有磁阻效应元件10、第一配线20、第一磁性体31、第二磁性体32和绝缘层41、42、43。磁性元件100是利用自旋轨道转矩(SOT)进行磁化旋转的元件，有时称为自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁化反转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件。磁性元件100有时也作为根据磁化的取向方向来存储信息的存储元件发挥功能。

磁阻效应元件10面向第一配线20。磁阻效应元件10例如是从z方向俯视时为圆形的柱状体。磁阻效应元件10的从z方向俯视时的形状不限于圆形，例如也可以是椭圆形、矩形等。磁阻效应元件10的外周长或直径例如随着远离第一配线20而增大。磁阻效应元件10的侧面10s例如相对于z方向朝向x方向或y方向倾斜。

磁阻效应元件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面向第一配线20。第二铁磁性层2例如面向后述的电极60(参照图14)。非磁性层3被夹在第一铁磁性层1与第二铁磁性层2之间。

第一铁磁性层1和第二铁磁性层2分别具有磁化。第二铁磁性层2的磁化在施加了规定的外力时，取向方向比第一铁磁性层1的磁化更难以发生变化。第一铁磁性层1往往被称为自由磁化层，第二铁磁性层2往往被称为固定磁化层、参考磁化层。磁阻效应元件10的电阻值根据夹着非磁性层3的第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的相对角的差异而变化。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化例如向z方向或xy面内的任意方向取向。

第一铁磁性层1和第二铁磁性层2包含铁磁性体。铁磁性体例如是选自由Cr、Mn、Co、Fe和Ni构成的组中的金属、含有这些金属中的一种的合金、含有这些金属与B、C和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。

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

磁阻效应元件10也可以在第二铁磁性层2的与非磁性层3相反侧的面上隔着间隔层具有反铁磁性层。第二铁磁性层2、间隔层、反铁磁性层成为合成反铁磁性构造(SAF构造)。合成反铁磁性构造由夹着非磁性层的两个磁性层构成。通过第二铁磁性层2和反铁磁性层进行反铁磁性耦合，第二铁磁性层2的矫顽力比不具有反铁磁性层的情况大。反铁磁性层例如是IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自由Ru、Ir、Rh构成的组中的至少一种。

磁阻效应元件10也可以具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3以外的层。

第一配线20在x方向上延伸。例如，从z方向观察，第一配线20的x方向的长度比y方向长。第一配线20面向磁阻效应元件10的第一铁磁性层1。第一配线20的至少一部分在z方向上与非磁性层3一同夹着第一铁磁性层1。

第一配线20包含具有通过流动电流I时的自旋霍尔效应而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者。第一配线20有时被称为自旋轨道转矩配线。

自旋霍尔效应是在流动电流时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诱发自旋流的现象。自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)会使运动(移动)方向弯曲这方面与通常的霍尔效应共通。通常的霍尔效应是在磁场中运动的带电粒子的运动方向因洛伦兹力而弯曲的。与此相对，自旋霍尔效应即使不存在磁场，仅通过电子移动(仅流动电流)，自旋的移动方向都会弯曲。

第一配线20通过流动电流I时的自旋霍尔效应而产生自旋流。当在第一配线20中流动电流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分别通过自旋霍尔效应而向与电流I的流动方向正交的方向弯曲。例如，沿+y方向取向的第一自旋S1向－z方向弯曲，沿－y方向取向的第二自旋S2向+z方向弯曲。

非磁性体(非铁磁性体的材料)的因自旋霍尔效应而产生的第一自旋S1的电子数和第二自旋S2的电子数相等。即，朝向－z方向的第一自旋S1的电子数和朝向+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向消除自旋的不均匀分布的方向流动。在第一自旋S1及第二自旋S2向z方向的移动中，因为电荷的流动相互抵消，所以电流量成为零。不伴随电流的自旋流被特别地称为纯自旋流。

当将第一自旋S1的电子的流动表示为J

第一配线20具有配线部21和扩宽部22。配线部21是第一配线20的一部分。配线部21在x方向上延伸。配线部21例如连接两个通孔配线Cw(参照图14)。配线部21的y方向的侧面例如相对于z方向倾斜。

扩宽部22例如在z方向上位于配线部21与第一铁磁性层1之间。从z方向观察，扩宽部22的y方向的宽度w22比配线部21的宽度w21宽。配线部21的y方向的宽度w21不管在x方向的什么位置都大致恒定。在从z方向俯视时，扩宽部22向y方向突出。扩宽部22例如位于与磁阻效应元件10在z方向上重叠的位置。在从z方向俯视时，扩宽部22具有不与配线部21重叠的第一区域22A和与配线部21重叠的第二区域22B。配线部21面向第二区域22B。

配线部21的y方向的中心位置21c与第一铁磁性层1的y方向的中心位置1c不同。中心位置21c、1c都是在从z方向俯视时的宽度的中心。另外，配线部21的重心和第一铁磁性层1的重心在y方向上位于不同的位置。第一配线20在y方向上为非对称。第一配线20的厚度因y方向的位置而不同。第一配线20的厚度在第一区域22A和第二区域22B的y方向的边界位置发生很大变化。第一配线20的+z方向的第一面在第一区域22A和第二区域22B的y方向的边界位置具有台阶(拐点)。

第一配线20的主成分优选为非磁性重金属。重金属是指具有钇(Y)以上的比重的金属。非磁性重金属优选为在最外层具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号较大的非磁性金属。第一配线20例如为Hf、Ta、W。非磁性重金属的自旋轨道相互作用比其他金属强。自旋霍尔效应是通过自旋轨道相互作用而产生的，容易在第一配线20内发生自旋的不均匀分布，容易产生自旋流J

第一配线20也可以含有磁性金属。磁性金属是铁磁性金属或反铁磁性金属。非磁性体所含的微量磁性金属成为自旋的散射因子。所谓微量，例如是构成第一配线20的元素的总摩尔比的3％以下。当自旋因磁性金属而散射时，自旋轨道相互作用增强，相对于电流而言的自旋流的生成效率就升高。

第一配线20也可以含有拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体但在其表面产生了已经自旋偏极的金属状态的物质。

拓扑绝缘体通过自旋轨道相互作用，会产生内部磁场。拓扑绝缘体即使没有外部磁场，也会因自旋轨道相互作用的效应而出现新的拓扑相。拓扑绝缘体通过较强的自旋轨道相互作用和边缘的反转对称性的破坏，能够高效地生成纯自旋流。

拓扑绝缘体例如是SnTe、Bi

配线部21和扩宽部22也可以含有不同的材料。扩宽部22的自旋电阻例如为配线部21的自旋电阻以下。自旋电阻是定量地表示自旋流的流动难易度(自旋弛豫的难易度)的量。自旋电阻Rs用Rs＝ρλ/A来定义。λ是材料的自旋扩散长度，ρ是材料的电阻率，A是材料的截面积。在非磁性体中，在截面积A相等的情况下，通过自旋电阻率即ρλ的值，来确定自旋电阻的大小。

在自旋电阻不同的物质的界面中，会产生自旋流的反射(返回)。即，从自旋电阻小的材料向自旋电阻大的材料仅注入自旋流的一部分。当扩宽部22的自旋电阻比配线部21的自旋电阻小时，能够有效地向第一铁磁性层1供给自旋。

另外，例如，配线部21和扩宽部22在自旋霍尔角的极性方面是不同的。“自旋霍尔角”是自旋霍尔效应的强度的指标之一，表示要产生的自旋流相对于沿着第一配线20流动的电流的转换效率。当自旋霍尔角的极性不同时，第一自旋S1及第二自旋S2的z方向上的移动方向相反。通过使自旋霍尔角的极性不同的物质接触，能够提高向第一铁磁性层1注入自旋的效率。

第一磁性体31及第二磁性体32位于将第一铁磁性层1夹在x方向和y方向中的至少一个方向上的位置。第一磁性体31及第二磁性体32含有磁性体。第一磁性体31及第二磁性体32例如是永久磁铁，例如是Co－Cr－Pt、Nd－Fe－B、Sm－Co、Ho－Fe、Sm－Fe的合金或铁氧体等铁磁性氧化物。在第一磁性体31与第二磁性体32之间产生磁场。在第一磁性体31及第二磁性体32在x方向上夹着第一铁磁性层1的情况下，第一磁性体31及第二磁性体32对第一铁磁性层1在x方向上施加磁场。在第一磁性体31及第二磁性体32在y方向上夹着第一铁磁性层1的情况下，第一磁性体31及第二磁性体32对第一铁磁性层1在y方向上施加磁场。

第一磁性体31及第二磁性体32是对第一铁磁性层1施加磁场的磁场施加机构的一个例子。磁场施加机构只要能够对第一铁磁性层1施加磁场即可，不限于第一磁性体31及第二磁性体32。例如，磁场施加机构也可以是能够对施加磁场强度进行可变控制的电磁铁型、带线型。另外，也可以对第一铁磁性层1施加电场来变成磁场。

绝缘层41、42、43是使多层配线的配线间或元件间绝缘的绝缘层。绝缘层41、42、43例如是氧化硅(SiO

接下来，对磁性元件100的制造方法进行说明。磁性元件100的制造方法具有在层叠膜的一部分形成可溶解的掩模层的工序、经由掩模层对层叠膜进行加工而形成磁阻效应元件的工序、在掩模层及磁阻效应元件的周围形成绝缘层的工序、去除掩模层且在去除了掩模层的部分局部地形成导电层的工序。

首先，如图4所示，将铁磁性层80、非磁性层81、铁磁性层82、导电层83依次层叠起来，层叠成层叠体。各层的成膜例如使用溅射法、化学气相沉积法等。铁磁性层80是成为第二铁磁性层2的基础的层，非磁性层81是成为非磁性层3的基础的层，铁磁性层82是成为第一铁磁性层1的基础的层，导电层83是成为第一配线20的扩宽部22的基础的层。各层的材料与形成后的膜的材料同样。

接下来，在层叠体的一部分依次层叠第一掩模84和第二掩模85。各层的成膜例如使用溅射法、化学气相沉积法等。第一掩模84可溶解在化学溶液中。第一掩模84例如是Si、SiO

接下来，如图5所示，经由第一掩模84及第二掩模85对层叠体进行加工。层叠体例如通过离子铣削等来加工。第二掩模85例如在层叠体加工的同时被去除。第二掩模85的一部分也可以残留。在第二掩模85残留的情况下，所残留的第二掩模85例如通过化学机械抛光(CMP)来去除。层叠体通过加工而成为磁阻效应元件10。通过使用第一掩模84及第二掩模85，磁阻效应元件10的xy面内的尺寸微细化。在从z方向俯视时，磁阻效应元件10及扩宽部22例如被加工成圆形、椭圆形。

接下来，如图5所示，在磁阻效应元件10、扩宽部22及第一掩模84的周围依次层叠绝缘层41、磁性层30、绝缘层42。磁性层30成为第一磁性体31及第二磁性体32。第一磁性体31及第二磁性体32通过绝缘层41与磁阻效应元件10电绝缘。

接下来，如图6所示，溶解去除第一掩模84。第一掩模84根据第一掩模84的材料，选择化学溶液。通过去除第一掩模84，形成由绝缘层41及扩宽部22围成的凹部。

接下来，如图6所示，以凹部的一部分露出的方式形成抗蚀剂86。接下来，经由抗蚀剂86形成导电膜。在没有形成抗蚀剂86的部分成膜的导电膜成为配线部21。配线部21的z方向的表面例如通过基于抗蚀剂86的阴影效应而倾斜。然后，在去除了抗蚀剂86之后，通过用绝缘层43覆盖配线部21，得到图2所示的磁性元件100。

另外，如图7所示，在溶解第一掩模84形成了凹部之后，也可以从相对于z方向倾斜的斜方向进行溅射，在凹部形成导电膜211。通过从斜方向进行溅射，在凹部的一部分形成导电膜211。

接下来，如图8所示，在与导电膜211重叠的位置层叠沿x方向延伸的导电膜212。导电膜211、212成为第一配线20的配线部21。然后，通过用绝缘层43覆盖配线部21，得到图2所示的磁性元件100。

接下来，对磁性元件100的功能进行说明。磁性元件100能够容易地使第一铁磁性层1的磁化反转。另外，磁性元件100即使不施加外部磁场(即使在无磁场环境下)，也能够稳定地进行磁化反转。

磁性元件100因为配线部21的y方向的中心位置和第一铁磁性层1的y方向的中心位置不同，所以向第一铁磁性层1注入的自旋的强度的y方向的对称性被破坏。当向第一铁磁性层1注入的自旋的强度的y方向的对称性被破坏时，能够对第一铁磁性层1的磁化赋予磁化反转的契机，磁化反转变得容易。其结果是，即使在无磁场下也能够使磁化反转。

当对第一配线20施加电流I时，向第一铁磁性层1注入自旋。所注入的自旋对第一铁磁性层1的磁化赋予自旋轨道转矩，产生磁化反转。

从第一配线20向第一铁磁性层1注入的自旋的方向在y方向上取向。在第一铁磁性层1的磁化方向不朝向y方向的情况下，要注入的自旋的方向和第一铁磁性层1的磁化方向是正交的。所注入的自旋对第一铁磁性层1的磁化赋予自旋轨道转矩。自旋轨道转矩以使第一铁磁性层1的磁化从初始状态倾斜90°的方式发挥作用。

在向第一铁磁性层1注入的自旋的强度在y方向的任意位置都相同的情况下，磁化从倾斜了90°的状态开始反转的概率和回到初始状态的概率在理论上分别成为50％。

与此相对，在向第一铁磁性层1注入的自旋的强度在第一铁磁性层1的y方向的各位置都不同的情况下，第一铁磁性层1的磁化受到的自旋轨道转矩的大小在y方向的各位置都不相同。即，磁化受到的力的平衡在y方向上是紊乱的。

磁化一边发生岁差运动一边进行磁化反转。磁化的岁差运动受自旋轨道转矩的影响而放大。当磁化受到的自旋轨道转矩的大小在第一铁磁性层1的y方向的各位置都不相同时，岁差运动被打乱。当岁差运动紊乱时，磁化从倾斜了90°的状态开始反转的概率和回到原始状态的概率的平衡被打乱。其结果是，磁化容易选择一种状态，磁化反转稳定化。

磁化受到的y方向的力的平衡也能够通过外部磁场的施加而紊乱，但磁性元件100在构造上来打乱y方向的力的平衡。

另外，在第一配线20流动的电流I在从配线部21到达扩宽部22时，急剧地在y方向上扩散。其结果是，在扩宽部22，电流也有y方向的成分。当电流在y方向上游动时，向第一铁磁性层1注入沿x方向取向的自旋。其结果是，第一铁磁性层1的磁化受到的自旋轨道转矩的平衡在xy面内更加紊乱，第一铁磁性层1的磁化反转变得更容易。

以上对第一实施方式的磁性元件100之一例进行了详细描述，但可在不脱离本发明主旨的范围内进行结构的附加、省略、替换、及其他变更。

(第一变形例)

图9是第一变形例的磁性元件101的剖视图。图9是用穿过磁阻效应元件10的x方向的中心的yz平面剖切磁性元件101所得的剖视图。第一变形例的磁性元件101在具有盖层50这方面与图2所示的磁性元件100不同。其他结构与磁性元件100同样，关于同样的结构，标注同样的符号，省略说明。

盖层50面向扩宽部22的一部分。盖层50面向第一区域22A的第一面22Aa。另一方面，盖层50不面向第二区域22B的第一面22Ba。从z方向观察，第一区域22A是扩宽部22的不与配线部21重叠的部分，第二区域22B是扩宽部22的与配线部21重叠的部分。第一面22Aa、22Ba都是扩宽部22的远离磁阻效应元件10的一侧的面。

盖层50含有包含构成扩宽部22的元素的氧化物、氮化物、硫化物、氟化物中的任意者。盖层50是Ta

另外，从第一区域22A向第一铁磁性层1注入的自旋的量比从第二区域22B向第一铁磁性层1注入的自旋的量少。这是因为第二区域22B与配线部21接触且有许多电流流动。盖层50在与第一区域22A之间形成界面，通过由该界面产生的拉什巴效应，具有使第一区域22A的自旋流增大之类的效果。另外，盖层50优选为绝缘体，因拉什巴效应而产生的自旋流难以流入盖层50，主要具有使第一区域22A的自旋流增大之类的效果。通过增大来自相对难以将自旋注入的第一区域22A的自旋的供给量，能够容易进行第一铁磁性层1的磁化反转。

另外，盖层也可以形成于配线部21的+z方向的表面。在这种情况下，面向第一区域22A的盖层50和面向配线部21的盖层的z方向的高度位置是不同的。面向第一区域22A的盖层50位于比面向配线部21的盖层更靠近第一铁磁性层1的位置。因为盖层通过界面效应来消除晶体变形，所以盖层和其他层的距离越近，提高结晶性的效果越高。

(第二变形例)

图10是第二变形例的磁性元件102的立体图。第二变形例的磁性元件102在配线部23由在x方向上隔开间隔的两个部分构成这方面与图1所示的磁性元件100不同。其他结构与磁性元件100同样，关于同样的结构，标注同样的符号，省略说明。

磁性元件102具备磁阻效应元件10和第一配线26。第一配线26具有扩宽部22和配线部23。配线部23在x方向上延伸。配线部23具有第一部分231和第二部分232。从z方向观察，第一部分231和第二部分232在与扩宽部22重叠的位置且在x方向上相互隔开间隔。配线部23也可以说是被分割为第一部分231和第二部分232。第一部分231及第二部分232均与扩宽部22连接。

在第一配线26中沿x方向流动的电流按第一部分231、扩宽部22、第二部分232的顺序或按第二部分232、扩宽部22、第一部分231的顺序流动。扩宽部22的z方向的厚度例如比第一部分231及第二部分232的厚度薄。扩宽部22的电流密度比第一部分231及第二部分232的电流密度大。通过使第一部分231和第二部分232在面向第一铁磁性层1的位置隔开间隔，能够提高流向扩宽部22的电流的电流密度。第一铁磁性层1的磁化在超过了规定的电流密度的时间点被赋予足够的转矩，进行磁化反转。通过提高扩宽部22的电流密度，能够容易进行第一铁磁性层1的磁化反转。

(第三变形例)

图11是第三变形例的磁性元件103的剖视图。图11是用穿过磁阻效应元件10的x方向的中心的yz平面剖切磁性元件103所得的剖视图。第三变形例的磁性元件103在扩宽部25和配线部24的位置关系方面与图2所示的磁性元件100不同。其他结构与磁性元件100同样，关于同样的结构，标注同样的符号，省略说明。

磁性元件103具备磁阻效应元件10和第一配线27。第一配线27具有配线部24和扩宽部25。配线部24在x方向上延伸。从z方向观察，扩宽部25从配线部24向y方向突出。扩宽部25包含在z方向上不与配线部24重叠的第一区域25A和在z方向上与配线部24重叠的第二区域25B。第一区域25A的第一面25Aa比第二区域25B的第一面25Ba更靠+z方向。第二区域25B的厚度h2比第一区域25A的厚度h1薄。扩宽部25在第一区域25A和第二区域25B的边界具有台阶。台阶例如是在图6的层叠配线部21之前且在去除扩宽部22的表面氧化膜时形成的。

配线部24面向第二区域25B。配线部24和第一铁磁性层1的距离(第二区域25B的厚度h2)越近，从配线部24向第一铁磁性层1供给的自旋的量越增加。

(第四变形例)

图12是第四变形例的磁性元件104的剖视图。第四变形例的磁性元件104在不具有非磁性层3及第二铁磁性层2这方面与图1所示的磁性元件100不同。其他结构与磁性元件100同样，关于同样的结构，标注同样的符号，省略说明。

磁性元件104能够单独地用作各向异性磁传感器、利用了磁克尔效应或磁法拉第效应的光学元件。

第四变形例的磁性元件104除了不具有非磁性层3及第二铁磁性层2以外，其余均与磁性元件100同样，能够提高数据的写入效率。

例示了几个例子对第一实施方式的磁性元件进行了具体说明。这些例子只是磁性元件的一个例子而已，磁性元件不限定于这些例子。例如，也可以将第一变形例至第四变形例的特征结构组合在一起。

[第二实施方式]

第一实施方式的磁性元件100、101、102、103、104例如能够用作磁记录阵列。图13是第二实施方式的磁记录阵列300的结构图。

磁记录阵列300具备多个磁性元件100、多个写入配线Wp1～Wpn、多个公共配线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、多个第三开关元件130。磁记录阵列300例如能够用于磁存储器等。

写入配线Wp1～Wpn将电源和一个以上的磁性元件100电连接。公共配线Cm1～Cmn是在数据的写入时及读出时双方都使用的配线。公共配线Cm1～Cmn将基准电位和一个以上的磁性元件100电连接。基准电位例如是接地。公共配线Cm1～Cmn可以对于多个磁性元件100分别设置，也可以遍布多个磁性元件100地设置。读出配线Rp1～Rpn将电源和一个以上的磁性元件100电连接。电源在使用时与磁记录阵列300连接。

图13所示的第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130与多个磁性元件100分别连接。第一开关元件110连接在各个磁性元件100与写入配线Wp1～Wpn之间。第二开关元件120连接在各个磁性元件100与公共配线Cm1～Cmn之间。第三开关元件130连接在各个磁性元件100与读出配线Rp1～Rpn之间。

当将第一开关元件110及第二开关元件120设为ON(接通)时，在与规定的磁性元件100连接的写入配线Wp1～Wpn和公共配线Cm1～Cmn之间流动写入电流。当将第二开关元件120及第三开关元件130设为ON(接通)时，在与规定的磁性元件100连接的公共配线Cm1～Cmn和读出配线Rp1～Rpn之间流动读出电流。

第一开关元件110、第二开关元件120及第三开关元件130都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及第三开关元件130例如都是如晶体管、双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)那样利用了晶体层的相变的元件、如金属绝缘体转变(MIT)开关那样利用了能带构造的变化的元件、如齐纳二极管及雪崩二极管那样利用了击穿电压的元件、传导率随着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、第三开关元件130中的任意者可以由与同一配线连接的磁性元件100共用。例如，在共享第一开关元件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，在共享第二开关元件120的情况下，在公共配线Cm1～Cmn的上游设置一个第二开关元件120。例如，在共享第三开关元件130的情况下，在读出配线Rp1～Rpn的上游设置一个第三开关元件130。

图14是构成磁记录阵列300的半导体装置200的剖视图。图14是用穿过后述的第一配线20的y方向的宽度中心的xz平面剖切磁性元件100所得的剖视图。半导体装置200具有磁性元件100、与磁性元件100连接的多个开关元件(第一开关元件110、第二开关元件120、第三开关元件130)。第三开关元件130不存在于图14所示的剖面上，而是位于例如纸面进深方向(－y方向)。第三开关元件130与在y方向上延伸的电极60电连接。电极60是导体，例如是Cu、Al。

图14所示的第一开关元件110及第二开关元件120是晶体管Tr。晶体管Tr具有栅极电极G、栅极绝缘膜GI、形成于基板Sub的源极区域S及漏极区域D。基板Sub例如是半导体基板。

各个晶体管Tr与磁性元件100之间经由多个通孔配线Cw电连接。通孔配线Cw包含具有导电性的材料。通孔配线Cw在z方向上延伸。

磁性元件100和晶体管Tr除了通孔配线Cw以外，还通过绝缘层40而电分离。绝缘层40是使多层配线的配线间或元件间绝缘的绝缘层。绝缘层41、42、43是绝缘层40的一部分。

第二实施方式的磁记录阵列300包含第一实施方式的磁性元件100。各个磁性元件100容易进行磁化反转，能够减小反转电流密度。其结果是，能够降低磁记录阵列300的电力消耗。磁性元件100例如也可以采用变形例以外的磁性元件。

[第三实施方式]

第一实施方式的磁性元件100、101、102、103、104例如能够用作储备池元件。储备池元件是神经形态元件之一即用于储备池计算机的元件。神经形态元件是通过神经网络来模仿人脑的元件。神经形态元件例如被用作识别器。识别器例如对所输入的图像进行识别(图像识别)而分类。

图15是第三实施方式的神经形态元件500的概念图。神经形态元件500具有输入部401、储备池元件400、输出部402。输入部401及输出部402与储备池元件400连接。

神经形态元件500由储备池元件400对从输入部401输入的信号进行压缩，然后由输出部402对压缩后的信号进行加权(学习)，将信号输出到外部。

输入部401将从外部输入的信号传递给储备池元件400。输入部401例如包含多个传感器。多个传感器感知神经形态元件500的外部信息，将信息作为信号输入到储备池元件400。信号可以将外部信息的变化按时效连续地输入到储备池元件400，也可以按规定的时域进行分割后再输入到储备池元件400。

储备池元件400具有多个芯片Cp。多个芯片Cp是相互作用的。向储备池元件400输入的信号具有许多信息。信号具有的许多信息通过多个芯片Cp相互作用，被压缩成必要的信息。压缩后的信号被传递到输出部402。储备池元件400不进行学习。即，多个芯片Cp仅仅是分别相互作用，不对在多个芯片Cp之间传递的信号进行加权。

输出部402从储备池元件400的芯片Cp接收信号。输出部402进行学习。输出部402通过学习对来自各芯片Cp的每个信号进行加权。输出部402例如包含非易失性存储器。非易失性存储器例如是磁阻效应元件。输出部402向神经形态元件500的外部输出信号。

神经形态元件500通过由储备池元件400对数据进行压缩，且由输出部402对数据进行加权，来提高问题的答案正确率。

另外，神经形态元件500在电力消耗方面优异。在神经形态元件500中，学习仅由输出部402进行。学习是用于调节从各芯片Cp传递的信号的权重的。信号的权重根据信号的重要度来确定。当随时调节信号的权重时，芯片Cp间的电路变成激活状态。激活状态的电路越多，神经形态元件500的电力消耗越大。神经形态元件500只要仅由最终阶段的输出部402学习即可，电力消耗优异。

图16是第三实施方式的储备池元件的立体图。储备池元件400具备通孔配线Cw、第一配线20、第一铁磁性层1、自旋传导层410。

自旋传导层410例如连接多个第一铁磁性层1之间。自旋传导层410例如由非磁性导电体构成。自旋传导层410传播从第一铁磁性层1渗出的自旋流。

自旋传导层410例如是金属或半导体。自旋传导层410中所使用的金属例如是包含选自由Cu、Ag、Al、Mg、Zn构成的组中的任意种元素的金属或合金。自旋传导层410中所使用的半导体例如是选自由Si、Ge、GaAs、C构成的组中的任意种元素的单体或合金。例如可举出Si、Ge、Si－Ge化合物、GaAs、石墨烯等。

当在第一配线20流动电流I时，向第一铁磁性层1注入自旋，对第一铁磁性层1的磁化施加自旋轨道转矩。当对第一配线20施加高频电流时，向第一铁磁性层1注入的自旋的方向发生变化，第一铁磁性层1的磁化开始振动。

自旋流从第一铁磁性层1到达自旋传导层410。因为第一铁磁性层1的磁化正在振动，所以在自旋传导层410中流动的自旋流也与磁化对应地进行振动。蓄积于第一铁磁性层1和自旋传导层410的界面上的自旋作为自旋流在自旋传导层410内进行传播。

两个第一铁磁性层1的磁化分别产生的自旋流在自旋传导层410内进行汇合且进行干扰。自旋流的干扰会影响各个第一铁磁性层1的磁化振动，两个第一铁磁性层1的磁化振动会发生共振。两个磁化振动的相位同步或偏离半波长(π)。

当向第一配线20施加的电流I停止时，第一铁磁性层1的磁化振动就停止。共振后的第一铁磁性层1的磁化成为平行或反平行。在两个振动的相位同步的情况下，两个磁化的方向一致且平行。在两个振动的相位偏离了半波长(π)的情况下，两个磁化的方向变成反向，成为反平行。

在两个第一铁磁性层1的磁化平行的情况下，储备池元件400的电阻值比反平行的情况小。储备池元件400例如在储备池元件400的电阻值较大的情况(两个磁化为反平行的情况)下，将“1”的信息输出，在较小的情况(两个磁化为平行的情况)下，将“0”的信息输出。

向第一配线20输入的电流I具有各种各样的信息。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400将“1”、“0”的信息作为电阻值而输出。即，第一实施方式的储备池元件400通过将多个第一铁磁性层1的磁化的振动转换为自旋流，并在自旋传导层410内进行干扰，来压缩信息。第一铁磁性层1与图15的芯片Cp对应。

第三实施方式的神经形态元件500包含第一实施方式的磁性元件100。各个磁性元件100都容易进行磁化反转，能够减小反转电流密度。其结果是，能够降低神经形态元件500的电力消耗。磁性元件100例如也可以采用变形例以外的磁性元件。

符号说明

1 第一铁磁性层

1c、21c 中心位置

2 第二铁磁性层

3 非磁性层

10 磁阻效应元件

20、26、27 第一配线

21、23、24 配线部

22、25 扩宽部

22A、25A 第一区域

22B、25B 第二区域

31 第一铁磁性体

32 第二铁磁性体

40、41、42、43 绝缘层

50 盖层

60 电极

80、82 铁磁性层

81 非磁性层

83 导电层

84 第一掩模

85 第二掩模

86 抗蚀剂

100、101、102、103、104 磁性元件

110 第一开关元件

120 第二开关元件

130 第三开关元件

200 半导体装置

211、212 导电膜

231 第一部分

232 第二部分

300 磁记录阵列

400 储备池元件

401 输入部

402 输出部

410 自旋传导层

500 神经形态元件

w21、w22 宽度