(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性誘電体層と、
前記強磁性誘電体層と接合界面を形成する金属層と、
前記金属層に設けられた一対の電極と
を有し、
前記強磁性誘電体層中で強磁性誘電体材質電子状態での電流伝導が生ずることなく、前記接合界面に沿って前記金属層中の少なくとも前記接合界面側を流れる電流に生じる磁気抵抗効果を利用した磁気センサ。
【請求項２】
前記強磁性誘電体層が、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなる請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記金属層が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる金属層である請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
メモリセル選択トランジスタと磁気記憶部とからなるメモリセルを備えた磁気記憶装置であって、
前記メモリセル選択トランジスタのドレイン電極にその一端が接続する金属層と、
前記金属層と接合界面を形成する強磁性誘電体層と、
前記金属層の他端に接続された電極を有し、
前記強磁性誘電体層中で強磁性誘電体材質電子状態での電流伝導が生ずることなく、前記接合界面に沿って前記金属層中の少なくとも前記接合界面側を流れる電流に生じる磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を、前記メモリセルの磁気記憶部とした磁気記憶装置。
【請求項５】
前記強磁性誘電体層が、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなる請求項４に記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
前記金属層が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる金属層である請求項４または請求項５に記載の磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ及び磁気記憶装置に関するものであり、特に、強磁性体としてスピン緩和定数の小さな強磁性誘電体を用いて強磁性体に電流を流すことなく磁気情報を感知するための構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気ヘッドや磁気センサには、外部から磁場を印加すると物質の電気抵抗が変化する磁気抵抗効果や、電流と垂直方向に電圧が生じる異常ホール効果が用いられている。現在、磁気抵抗効果としては、金属系の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）、或いは、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）などが用いられている。【０００３】
例えば、ＧＭＲ素子においては、ＧＭＲ素子に流れるセンス電流の担い手となる電子のスピン方向、即ち、アップスピンかダウンスピンかによりフリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向との違いの影響を受けて変化する現象を利用するものである。【０００４】
近年、このような磁気ヘッドや磁気センサと同様の素子構造を用いて磁性体の磁化の方向に情報を担わせることによって磁気メモリセルを構成する所謂ＭＲＡＭが注目を集めている。【０００５】
このような磁気メモリセルにおいては、情報の読み出しを磁気抵抗効果を用いて行い、書き込みを磁場印加やスピン注入磁化反転を用いて実現している（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。【０００６】
このような磁気ヘッドや磁気センサ或いは磁気メモリにおいては、磁気情報の担い手となる磁性体として金属磁性体を用いているため、情報の読み出し或いは磁気メモリセルへの情報の書き込みは磁性体に直接電流を流すことによって実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０５３３７号公報
【特許文献２】特開２００７−０５９８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、金属磁性体に直接電流を流した場合には、電流による加熱、化学変化、或いは、エレクトロマイグレーションなどが発生し、これが素子劣化の大きな要素となるという問題がある。【０００９】
また、磁気抵抗効果の大きなＴＭＲ素子の場合には、高抵抗のトンネル接合部に電流を流すため、素子ノイズが大きくなるという問題もある。【００１０】
さらに、金属磁性体はスピン緩和定数αが大きいので、スピンＲＡＭ等において書き込みが困難になり、書き込みのためのしきい電流が大きくなるという問題もある。【００１１】
したがって、本発明は、強磁性体に電流を流すことなく、磁気情報を感知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、磁気センサであって、強磁性誘電体層と、前記強磁性誘電体層と接合界面を形成する金属層と、前記金属層に設けられた一対の電極とを有し、前記強磁性誘電体層中で強磁性誘電体材質電子状態での電流伝導が生ずることなく、前記接合界面に沿って前記金属層中の少なくとも前記接合界面側を流れる電流に生じる磁気抵抗効果を利用する。
【００１３】
このように、強磁性誘電体層とスピン軌道相互作用が可能な金属層との接合界面を形成した場合、強磁性誘電体層との接合界面に沿って前記金属層中の少なくとも前記接合界面側を流れる電流に生じるスピン軌道相互作用と界面磁気散乱の相乗効果により、強磁性誘電体層に電流を流すことなく金属層部分で磁気抵抗効果を発生させることができる。【００１４】
また、強磁性誘電体層に電流を流さない結果、電流による加熱、化学変化、或いは、エレクトロマイグレーションなどが発生しないので、素子劣化を大幅に低減することができる。【００１５】
この場合、強磁性誘電体層としては、入手が容易で且つスピン緩和定数の小さなＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）を用いることが望ましい。また、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）はフェリ磁性構造を有しているので、特に積層フェリ構造を構成しなくても熱的に安定な磁気抵抗効果素子を実現することができる。【００１６】
また、強磁性誘電体層とスピン軌道相互作用が可能な金属層としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかを用いることが望ましい。これらの元素はスピン軌道相互作用が大きいので、強磁性誘電体層との界面において、スピン軌道相互作用と界面磁気散乱を効率的に発生することができる。【００１７】
また、本発明は、メモリセル選択トランジスタと磁気記憶部とからなるメモリセルを有する磁気記憶装置であって、前記強磁性誘電体層と、前記強磁性誘電体層と接合界面を形成する金属層と、前記金属層に設けられた一対の電極とを有し、前記強磁性誘電体層中で強磁性誘電体材質電子状態での電流伝導が生ずることなく、接合界面に沿って前記金属層中の少なくとも前記接合界面側を流れる電流に生じる磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を、前記メモリセルの磁気記憶部とする。
【００１８】
このように、強磁性誘電体層とスピン軌道相互作用が可能な金属層との接合界面を形成した磁気抵抗効果素子を磁気記憶部として用いることによって、強磁性誘電体層に電流を流すことなく情報の読み出しや情報の書き込みが可能になる。【００１９】
また、書き込み時のしきい電流は強磁性体のスピン緩和定数に比例するが、強磁性体としてスピン緩和定数の小さな強磁性誘電体を用いているので、しきい電流を著しく低減することができる。また、電流を流す部分は低抵抗の金属層部分であるので、素子の電圧ノイズも低減することができる。【００２０】
特に、強磁性誘電体層として、スピン緩和定数の小さなＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット〔Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）〕を用いることにより、スピン注入磁化反転の効率を向上することができる。因に、しきい電流は数μＡ〜十μＡ程度になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、強磁性誘電体層とスピン軌道相互作用が可能な金属層との接合界面に沿って金属層中の少なくとも接合界面側を流れる電流に生じるスピン軌道相互作用と界面磁気散乱を利用しているので、強磁性誘電体層に電流を流すことなく磁気抵抗効果を発生させることができ、それによって、電流に起因する素子劣化を大幅に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の磁気センサの概念的構成図である。
【図２】ＹＩＧ（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）の結晶構造図である。
【図３】本発明の実施の形態の磁気センサの磁気抵抗ΔＲの磁場角度依存性の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の磁気センサの磁気抵抗ΔＲの磁場角度依存性の経時変化の説明図である。
【図５】磁気抵抗効果の物質依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施例１の磁気センサの概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例２の磁気記憶装置のメモリセル部の概念的断面図である。
【図８】本発明の実施例２の磁気記憶装置のメモリセル部の等価回路図である。
【図９】本発明の実施例２の磁気記憶装置の書き込み方法の説明図である。
【図１０】本発明の実施例２の磁気記憶装置の読み出し方法の説明図である。
【図１１】本発明の実施例３の磁気記憶装置のメモリセル部の概念的断面図である。
【図１２】本発明の実施例４の磁気記憶装置のメモリセル部の概念的構成図である。
【図１３】本発明の実施例４の磁気記憶装置のメモリセル部の等価回路図である。
【図１４】本発明の実施例４の磁気記憶装置の書き込み方法の説明図である。
【図１５】本発明の実施例４の磁気記憶装置の読み出し方法の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
ここで、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の磁気センサの概念的構成図である。ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）等の単結晶基板１１上にＹ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなる強磁性誘電体層１２を設け、その上に、スピン軌道相互作用を有する金属層１３、典型的には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用が大きな元素からなる金属層１３を設け、この金属層１３の両端に出力端子１４１，１４２を設けたものである。ここで、θは外部磁場Ｈの電流Ｉ対する角度である。なお、この場合の金属層１３は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用が大きな元素からなる単体でも、これらの合金でも良く、さらには、これらの単体或いは合金に不純物をドープしたものでも良い。【００２４】
なお、強磁性誘電体層１２の厚さは界面におけるスピン軌道相互作用と界面磁気散乱が起こる厚さであれば薄い方が望ましいが、強磁性誘電体層１２が強磁性体としての特性を発現するためには約５ｎｍ程度の膜厚が必要になる。【００２５】
また、金属層の厚さは、金属層を流れる電流中の界面におけるスピン軌道相互作用と界面磁気散乱による磁気抵抗効果の寄与を大きくするためには薄い方が望ましいが、あまり薄すぎると高抵抗になるので、５〜２０ｎｍ程度の厚さが望ましい。【００２６】
図２は、ＹＩＧ（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）の結晶構造図であり、結晶構造としては立方晶であり、磁気構造としてはフェリ磁性であるため磁気特性が熱的に安定である。また、ＹＩＧにおける磁気イオンはＦｅ3+のみであり、単位格子当たりＦｅ↑（アップスピン）は２４個、Ｆｅ↓（ダウンスピン）は１６個存在する。したがって、ＹＩＧは単位格子当たりＦｅ８個分の磁気モーメントを持つことになる。なお、他のＦｅイオンは反強磁性的に結合している。【００２７】
なお、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２の場合には、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２におけるＦｅ原子の占めるサイトをＧａ原子でランダムに置換した構造となり、Ｇａ組成比ｘに応じて磁気モーメントを持つＦｅ原子の数は減少する。【００２８】
また、強磁性誘電体層１２の成膜方法としては、スパッタ法、ＭＯＤ法（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ：有機金属塗布熱分解法）、或いは、ゾル−ゲル法のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体層の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。【００２９】
例えば、ＭＯＤ法を用いる場合には、例えば、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用い、１５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させたのち、電気炉中において、例えば、５５０℃で５分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。次いで、電気炉中において、７５０℃で１〜２時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてＹＩＧ層とすれば良い。【００３０】
ここで、金属層１３に電流を流した場合に、強磁性誘電体層１２と金属層１３との接合界面において、スピン軌道相互作用と界面磁気散乱との相乗効果により金属層１３側で強磁性誘電体層１２における磁化情報に基づく磁気抵抗効果が発生する。ここでは、磁気抵抗効果を、出力端子１４１ ，１４２に発生する電圧を読み取ることで強磁性誘電体層１２に印加した外部磁界を測定する。【００３１】
この時、電子のスピン状態と強磁性誘電体層１２の磁化方向とが同じであれば散乱されて高抵抗状態となる。一方、電子のスピン状態と強磁性誘電体層１２の磁化方向とが直交方向であればあまり散乱されず低抵抗状態となる。【００３２】
図３は本発明の実施の形態の磁気センサの磁気抵抗ΔＲの磁場角度依存性の説明図であり、ここでは、出力端子１４１，１４２間の電圧Ｖが一定になる状態で金属層１３に電流を流して抵抗値を測定した。なお、この場合の素子サイズは１ｍｍ×５ｍｍであり、また、強磁性誘電体層１２としては厚さが、５ｎｍのＹＩＧを用い、金属層１３としては厚さが５ｎｍのＰｔを用いて測定した。【００３３】
図３（ａ）は、外部磁場Ｈを２００〔Ｏｅ〕から−２００〔Ｏｅ〕まで変化させた場合と、逆に、外部磁場Ｈを−２００〔Ｏｅ〕から２００〔Ｏｅ〕まで変化させた場合の抵抗変化ΔＲを示しており、ヒステリシス特性を反映して若干ずれた結果を示している。また、外部磁場Ｈの電流方向に対する角度θを０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°、９０°に変化させて測定を行った。【００３４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の結果をθ＝０°の値ΔＲ０で規格化した抵抗変化ΔＲ／ΔＲ０の磁場角度依存性を纏めたもので、理論的に予測されるｃｏｓ２θの曲線に乗っていることが示された。【００３５】
図４は本発明の実施の形態の磁気センサの磁気抵抗ΔＲの磁場角度依存性の経時変化の説明図であり、作成した資料を真空保管容器中で数カ月放置した後に測定した磁気抵抗ΔＲの磁場角度依存性である。図４（ａ）は、外部磁場Ｈを１５０〔Ｏｅ〕から−１５０〔Ｏｅ〕まで変化させた場合と、逆に、外部磁場Ｈを−１５０〔Ｏｅ〕から１５０〔Ｏｅ〕まで変化させた場合の抵抗変化ΔＲを示しており、ヒステリシス特性を反映して若干ずれた結果を示している。図３（ａ）との対比から明らかなように、抵抗変化が大きくなっていることが確認された。図４（ｂ）は、図３（ａ）の結果をθ＝０°の値ΔＲ０で規格化した抵抗変化ΔＲ／ΔＲ０の磁場角度依存性を纏めたもので、ここでも、θが０°〜３６０°の範囲において、理論的に予測されるｃｏｓ２θの曲線に乗っていることが示された。【００３６】
次に、図５を参照して、磁気抵抗効果の物質依存性を説明する。図５（ａ）は、ＧＧＧ結晶とＰｔとの接合界面における磁気抵抗効果の説明図であり、ＧＧＧは強磁性特性を有していないので抵抗変化は見られなかった。【００３７】
図５（ｂ）は、ＹＩＧ結晶とＣｕとの接合界面における磁気抵抗効果の説明図であり、Ｃｕはｆ軌道を有しておらず、スピン軌道相互作用が小さいので抵抗変化は見られなかった。【００３８】
以上の結果から、本発明の原理により強磁性体層に電流を流さないで磁気抵抗効果を得るためには、金属層としてはスピン軌道相互作用が大きな元素を主たる成分とする金属層であることが必須であり、且つ、強磁性体層として強磁性誘電体層を用いることが必須であることが確認された。【００３９】
このような磁気抵抗効果は、従来の磁気抵抗効果と同様に、磁気ヘッドや磁気メモリにも応用が可能であり、特に、強磁性体層に電流は流れないので、電流に起因する素子劣化が発生することがない。
【実施例１】
【００４０】
次に、図６を参照して、本発明の実施例１の磁気センサを説明する。図６は本発明の実施例１の磁気センサの概念的構成図であり、図６（ａ）は概念的平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。ＧＧＧ単結晶基板２１上にスパッタ法を用いて厚さが、例えば、５ｎｍのＹ３Ｆｅ５Ｏ１２組成のＹＩＧ層２２を形成し、その上に厚さが、例えば、５ｎｍのＰｔ膜をマスクスパッタ法で堆積してＰｔ層２３とする。【００４１】
次いで、１ｍｍ×５ｍｍのサイズに切り出したのち、Ｐｔ層２３の長手方向の両端に出力端子２４１，２４２を設けることで、本発明の実施例１の磁気センサの基本構成が完成する。なお、この場合のＹＩＧ層２２は単結晶層であっても多結晶層であっても構わない。【００４２】
この磁気センサをステップ的に回転させながら磁気抵抗変化測定することによって、外部磁界Ｈの磁界方向を感度良く検出することができる。或いは、この磁気センサを複数個用い、所定の角度で配置することによって、一度の測定によって外部磁界Ｈの磁界方向を感度良く検出することができる。
【実施例２】
【００４３】
次に、図７乃至図１０を参照して、磁気センサの応用例である本発明の実施例２の磁気記憶装置を説明する。図７は、本発明の磁気記憶装置のメモリセル部の概略的断面図である。図７に示すように、ｐ型シリコン基板３１を選択酸化することによって素子分離絶縁膜３２を形成したのち、素子分離絶縁膜３２で囲まれた素子形成領域にゲート絶縁膜３３を介してワード線３４となるＷＳｉからなるゲート電極を形成する。【００４４】
次いで、ゲート電極をマスクとしてＰ等のイオンを注入してｎ+ 型ソース領域３５及びｎ+ 型ドレイン領域３６を形成することによってメモリセル選択トランジスタ３０となる。なお、何方をソース領域といい何方をドレイン領域というかは相対的なものであり、呼称を逆にしても良い。また、図７は概念的構成を示すものであるので、技術思想と直接の関連のないサイドウォール、エクステンション領域或いはポケット領域等の詳細な構成は説明を省略する。【００４５】
次いで、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）−ＮＳＧ膜からなる第１層間絶縁膜３７を形成したのち、ｎ+ 型ソース領域３５及びｎ+ 型ドレイン領域３６に達するコンタクトホールを形成する。次いで、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ３８，３９を形成する。【００４６】
次いで、例えば、全面にＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体４０及びｎ+ 型ソース領域３５に接続するソース線４１を形成する。なお、この場合のソース線４１は実際にはワード線３４と直交する方向に延在する。次いで、再び、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜からなる第２層間絶縁膜４２を形成したのち、接続導体４０に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ４３を形成する。【００４７】
次いで、全面に厚さが、例えば、５ｎｍのＰｔ膜を堆積させたのちパターニングすることによって、金属層４５を形成する。次いで、マスクスパッタ法を用いて金属層４５上に、例えば、ＹＩＧ層４６及びＩｒＭｎからなる反強磁性層４７を順次形成して磁気抵抗効果素子４４とする。このＩｒＭｎからなる反強磁性層４７の成膜に際して、ＹＩＧ層４６の長軸方向に対して傾斜するように磁場を印加して、ＹＩＧ層４６の磁化方向を長手方向に対して傾斜させる。但し、スピン注入により磁化反転が可能な程度の磁場強度とする。【００４８】
次いで、再び、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜からなる第３層間絶縁膜４８を形成したのち、金属層４５に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ４９を形成する。【００４９】
次いで、全面に、ＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮを堆積させたのちパターニングしてビット線５０をワード線３４と直交する方向に形成することによって本発明の実施例２の磁気記憶装置の基本構成が完成する。なお、実際には、Ｗプラグ３８とＷプラグ３９を設ける位置は紙面の奥行き方向において互いにずれており、ソース線４１とビット線５０は互いに平行に延在している。【００５０】
図８は本発明の実施例２の磁気記憶装置のメモリセル部の等価回路図である。図８に示すように、磁気抵抗効果素子４４はメモリセル選択トランジスタ３０とビット線５０との間に接続されるとともに、ビット線５０とソース線４１との間に双方向性書込／読出電圧発生器５１が接続されて、その電流方向に応じた情報を磁気情報として磁気抵抗効果素子４４に書き込む。【００５１】
また、ビット線５０は他端に参照電圧ＶＲｅｆが入力されたセンスアンプ５２に接続されており、ソース線４１を接地した状態で磁気抵抗効果素子４４を流れる電流をビット線５０を介してセンスアンプ５２で検出して磁気情報を読み出す。【００５２】
図９は、本発明の実施例２の磁気記憶装置の書き込み方法の説明図である。図９（ａ）は“０”の書き込み方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１を０Ｖとし、ビット線５０をＶｗｒとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に電流を流す。その結果、スピンホール効果によって発生する純スピン流をＹＩＧ層４６に注入して、そのスピンの向きによりＹＩＧ層４６の磁化方向を反強磁性層により規定された磁化方向に揃えることによって“０”が書き込まれる。【００５３】
図９（ｂ）は“１”の書き込み方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１をＶｗｒとし、ビット線５０を０Ｖとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に“０”の書き込みの場合と逆方向の電流を流してスピンホール効果によって発生する純スピン流がＹＩＧ層４６に注入される。【００５４】
この時、純スピン流のスピンの向きは、“０”の書き込みの場合と反対方向となるので、ＹＩＧ層４６の磁化方向が長軸方向を基準として逆方向に傾斜することによって“１”が書き込まれることになる。なお、この様な書き込み時の電流は、強磁性体としてスピン緩和定数の小さなＹＩＧを用いているので１０μＡ以下の低電流での書き込みが可能になる。【００５５】
図１０は、本発明の実施例２の磁気記憶装置の読み出し方法の説明図である。なお、この場合の読出電圧Ｖｒｅａｄは、誤書込が発生しないように書込電圧Ｖｗｒより充分低い電圧に設定する必要がある。【００５６】
図１０（ａ）は“０”の読み出し方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１を０Ｖとし、ビット線５０をＶｒｅａｄとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に電流を流す。その結果、スピンホール効果によって発生する純スピン流のスピンの向きはＹＩＧ層４６の磁化方向に対して散乱されにくい方向となる。したがって、ＹＩＧ／金属層界面で電子はあまり散乱されずに低抵抗状態となり、それをセンスアンプ５２で検出することによって、“０”が読み出されることになる。【００５７】
図１０（ｂ）は“１”の読み出し方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１を０Ｖとし、ビット線５０をＶｒｅａｄとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に電流を流す。その結果、スピンホール効果によって発生する純スピン流のスピンの向きはＹＩＧ層４６の磁化方向に対して散乱されやすい方向となる。したがって、ＹＩＧ／金属層界面で電子が散乱されて高抵抗状態となり、それをセンスアンプ５２で検出することによって、“１”が読み出されることになる。【００５８】
このように、本発明の実施例２においては、磁気抵抗効果素子として、ＹＩＧ層４６と金属層４５との接合界面を利用しているので、素子構造が多層膜構造を前提としているＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に比べて簡単になり、製造工程を低減することができる。【００５９】
また、本発明の実施例２においては強磁性体層に電流は流さないので、磁気抵抗効果素子が電流に起因する現象により素子劣化を起こすことがなく、したがって、高耐久性化が可能になる。【００６０】
さらに、本発明の実施例２においては電流を流すのは低抵抗の金属層４５であるので、多層膜の積層方向に電流を流すＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に比べて素子ノイズを大幅に低減することも可能になる。
【実施例３】
【００６１】
次に、図１１を参照して、磁気センサの応用例である本発明の実施例３の磁気記憶装置を説明する。図１１は、本発明の磁気記憶装置のメモリセル部の概略的断面図である。図１１に示すように、ｐ型シリコン基板３１を選択酸化することによって素子分離絶縁膜３２を形成したのち、素子分離絶縁膜３２で囲まれた素子形成領域にゲート絶縁膜３３を介してワード線３４となるＷＳｉからなるゲート電極を形成する。【００６２】
次いで、ゲート電極をマスクとしてＰ等のイオンを注入してｎ+ 型ソース領域３５及びｎ+ 型ドレイン領域３６を形成することによってメモリセル選択トランジスタ３０となる。ここでも、技術思想と直接の関連のないサイドウォール、エクステンション領域或いはポケット領域等の詳細な構成は説明を省略する。【００６３】
次いで、例えば、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜からなる厚い第１層間絶縁膜３７を形成したのち、ｎ+ 型ソース領域３５及びｎ+ 型ドレイン領域３６に達するコンタクトホールを形成する。次いで、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ３８，３９を形成する。なお、実際には、Ｗプラグ３８とＷプラグ３９を設ける位置は紙面の奥行き方向において互いにずれている。【００６４】
次いで、例えば、全面にＰｔ膜を堆積させたのちパターニングすることによって、Ｗプラグ３８に接続する金属層５３とＷプラグ３９に接続するソース線５４を形成する。この時、金属層５３とソース線５４はワード線３４と直交するように互いに平行に形成されるが、図示の都合上、ソース線５４は部分として示している。【００６５】
次いで、金属層５３のみ選択的に、例えば、５ｎｍの厚さに薄層化したのち、マスクスパッタ法を用いて金属層５３上に厚さが、例えば、ＹＩＧ層４６及びＩｒＭｎからなる反強磁性層４７を順次形成して磁気抵抗効果素子４４とする。このＩｒＭｎからなる反強磁性層４７の成膜に際して、ＹＩＧ層４６の長軸方向に対して傾斜するように磁場を印加して、ＹＩＧ層４６の磁化方向を長手方向に対して傾斜させる。【００６６】
次いで、再び、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜からなる第２層間絶縁膜４２を形成したのち、金属層５３に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ４９を形成する。【００６７】
次いで、全面に、ＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮを堆積させたのちパターニングしてビット線５０をワード線３４と直交する方向に形成することによって本発明の実施例３の磁気記憶装置の基本構成が完成する。【００６８】
この本発明の実施例３の磁気記憶装置の動作原理は上記の実施例２の磁気記憶装置と同様であるが、本発明の実施例３においては磁気抵抗効果素子を構成する金属層とソース線とを同じ層準位のＰｔによって構成しているので、多層構造を一層分省略することができる。
【実施例４】
【００６９】
次に、図１２乃至図１５を参照して、磁気センサの応用例である本発明の実施例４の磁気記憶装置を説明する。図１２は、本発明の磁気記憶装置のメモリセル部の概略的構成図であり、図１２（ａ）は平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＡ-Ａ′を結ぶ断面図である。図１２に示すように、基本的構造は図７に示した本発明の実施例２と全く同様であるが、書き込み線を別途設けて読み出しと書き込みを分離したものである。      【００７０】
上記の実施例２と全く同様の工程により、例えば、５ｎｍのＰｔ膜を堆積させたのちパターニングすることによって、金属層４５までを形成する。次いで、マスクスパッタ法を用いて金属層４５上に例えば、ＹＩＧ層４６、ＩｒＭｎからなる反強磁性層４７及びＴａキャップ層５３を順次形成して磁気抵抗効果素子４４とする。このＩｒＭｎからなる反強磁性層４７の成膜に際して、ＹＩＧ層４６の長軸方向に対して傾斜するように磁場を印加して、ＹＩＧ層４６の磁化方向を長手方向に対して傾斜させる。但し、スピン注入により磁化反転が可能な程度の磁場強度とする。【００７１】
次いで、再び、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜からなる第３層間絶縁膜４８を形成したのち、金属層４５に達するコンタクトホールとＴａキャップ層５３に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをＴａＮを介してＷで埋め込むことによってＷプラグ４９，５４を形成する。【００７２】
次いで、全面に、ＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮを堆積させたのち、図１２（ｂ）に示すようにパターニングしてＷプラグ５３に接続するビット線５０とＷプラグ４９に接続する書き込み線５５をワード線３４と直交する方向に形成することによって本発明の実施例４の磁気記憶装置の基本構成が完成する。【００７３】
図１３は本発明の実施例４の磁気記憶装置のメモリセル部の等価回路図である。図１２に示すように、磁気抵抗効果素子４４はメモリセル選択トランジスタ３０とビット線５０及び書き込み線５５との間に接続される。また、ビット線５０及び書き込み線とソース線４１との間に双方向性書込／読出電圧発生器５１が接続されて、その電流方向に応じた情報を磁気情報として磁気抵抗効果素子４４に書き込む。【００７４】
また、ビット線５０は他端に参照電圧ＶＲｅｆが入力されたセンスアンプ５２に接続されており、ソース線４１を接地した状態で磁気抵抗効果素子４４を積層方向に流れる電流をビット線５０を介してセンスアンプ５２で検出して磁気情報を読み出す。【００７５】
図１４は、本発明の実施例４の磁気記憶装置の書き込み方法の説明図である。図１４（ａ）は“０”の書き込み方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１を０Ｖとし、書き込み線５５をＶｗｒとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に電流を流す。その結果、スピンホール効果によって発生する純スピン流をＹＩＧ層４６に注入して、そのスピンの向きによりＹＩＧ層４６の磁化方向を反強磁性層により規定された磁化方向に揃えることによって“０”が書き込まれる。【００７６】
図１４（ｂ）は“１”の書き込み方法の説明図であり、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１をＶｗｒとし、書き込み線を０Ｖとすることによって、磁気抵抗効果素子４４を構成する金属層４５に“０”の書き込みの場合と逆方向の電流を流してスピンホール効果によって発生する純スピン流がＹＩＧ層４６に注入される。【００７７】
この時、純スピン流のスピンの向きは、“０”の書き込みの場合と反対方向となるので、ＹＩＧ層４６の磁化方向が長軸方向を基準として逆方向に傾斜することによって“１”が書き込まれることになる。なお、この様な書き込み時の電流は、強磁性体としてスピン緩和定数の小さなＹＩＧを用いているので１０μＡ以下の低電流での書き込みが可能になる。【００７８】
図１５は、本発明の実施例４の磁気記憶装置の読み出し方法の説明図であり、図１５（ａ）は“０”の読み出し方法の説明図であり、また、図１５（ｂ）は“１”の読み出し方法の説明図である。いずれの場合も、双方向性書込／読出電圧発生器５１により、ソース線４１を０Ｖとし、ビット線５０をＶｒｅａｄとすることによって、磁気抵抗効果素子４４の積層方向に電流を流す。この場合、従来のＭＲＡＭと同様に、ＹＩＧ層４６の磁化方向に応じて抵抗が異なるので、“０”或いは“１”が読み出されることになる。なお、ＹＩＧ層４６の厚さ分が付加抵抗となる。【００７９】
このように、本発明の実施例４においても、磁気抵抗効果素子として、ＹＩＧ層４６と金属層４５との接合界面を利用しているので、素子構造が多層膜構造を前提としているＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に比べて簡単になり、製造工程を低減することができる。【００８０】
また、本発明の実施例４においては、読み出しは従来のＭＲＡＭと同じ手法を採用しているので、十分な感度で情報を読み出すことができる。【００８１】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明したが、本発明は実施の形態及び各実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各実施例においては、金属層としてＰｔを用いているが、Ｐｔに限られるものではなく、Ｐｔと同様にスピン軌道相互作用の大きなＰｄや、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉや、その他のｆ軌道を有する元素或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を用いても良い。さらには、単体金属である必要はなく、これらの合金でも良い。また、これらの単体金属或いは合金、或いは、これらの単体金属或いは合金とＣｕ、Ａｌ，Ｓｉ等との合金を用いても良く、さらには、これらに不純物を添加したものを用いても良い。【００８２】
また、上記の実施例２或いは実施例３においては、ＹＩＧ層に磁化方向のバイアスするためにＩｒＭｎ等の反強磁性層を設けているが、ＣｏＦｅＢ等の金属強磁性体を用いても良い。【００８３】
また、上記の各実施例においては、強磁性誘電体として、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）を用いているが、純粋なＹ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２に限られるものではなく、ＢｉやＳｉ等の不純物をドープしたものでも良い。さらには、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２以外の他のガーネットフェライト等の強磁性誘電体を用いても良い。さらには、ＣｏＯ／Ｆｅ２Ｏ３等のＭＯ／Ｆｅ２Ｏ３（ＭはＣｏ，Ｎｉ等）スピネルフェライト、ＢａＦe１２Ｏ１９等のＭＦe１２Ｏ１９（Ｍは、Ｂａ，Ｓｒ等）の六方晶フェライトを用いても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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