(57)【要約】【課題】電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子を提供する。【解決手段】層間絶縁層１０１の上に形成された下部スピン状態可変層１０２及び絶縁層１２２と、これらの上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に形成されたスピン状態固定層１０４と、この上に形成されたトンネル絶縁層１０５と、この上に形成された上部スピン状態可変層１０６及び絶縁層１２６と、これらの上に形成された層間絶縁層１０７を備える。任意の投影面に対し、下部スピン状態可変層１０２をスピン状態固定層１０４の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、同様に上記投影面に対して上部スピン状態可変層１０６を投影した射影である第２領域とが一致していない。【選択図】  図１
2006114697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１電子スピン状態のスピン状態固定層と、
前記基板の上に形成され、前記第１電子スピン状態とこれとは異なる方向の第２電子スピン状態とを各々選択的にとり得る第１スピン状態可変層及び第２スピン状態可変層と、
前記スピン状態固定層と前記第１スピン状態可変層及び前記第２スピン状態可変層との間に形成されてトンネル電流が流れるトンネル絶縁層と
を少なくとも備え、
前記第１スピン状態可変層，前記スピン状態固定層，前記第２スピン状態可変層は、導電性材料から構成され、
任意の投影面に対し、前記第１スピン状態可変層を前記スピン状態固定層の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、前記投影面に対して前記第２スピン状態可変層を前記法線方向に投影した射影である第２領域とは一致しない
ことを特徴とする能動素子。
【請求項２】
請求項１記載の能動素子において、
前記スピン状態固定層は、トンネル絶縁層を介して前記第１スピン状態可変層の上に配置され、
前記第２スピン状態可変層は、トンネル絶縁層を介して前記スピン状態固定層の上に配置されている
ことを特徴とする能動素子。
【請求項３】
請求項２記載の能動素子において、
前記第１領域と前記第２領域とは、一部が重なっていることを特徴とする能動素子。
【請求項４】
請求項２記載の能動素子において、
前記第２領域は、前記第１領域の内側に位置することを特徴とする能動素子。
【請求項５】
請求項１記載の能動素子において、
前記第１スピン状態可変層と前記第２スピン状態可変層とは、互いに所定距離離間し、前記スピン状態固定層の上に同一の前記トンネル絶縁層を介して配置されていることを特徴とする能動素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の能動素子において、
前記第１スピン状態可変層，前記第２スピン状態可変層，及び前記スピン状態固定層は、強磁性を有する金属元素から構成されたものであることを特徴とする能動素子。
【請求項７】
請求項６記載の能動素子において、
前記第１スピン状態可変層，前記第２スピン状態可変層，及び前記スピン状態固定層は、前記金属元素が不純物として添加された半導体から構成されたものであることを特徴とする能動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピン状態を制御してトンネル電流を流すことでアンド回路を実現する能動素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、記憶保持動作が必要なダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）に代わり、不揮発かつ低エネルギーで動作する新たな構成のメモリ素子の開発が盛んに行われている。例えば、強誘電体メモリ、磁気ランダムアクセスメモリ、相変化メモリなどがある。いずれにおいても、大規模なメモリが量産される状況となっていないが、材料から素子構造の研究など多くの研究が進行している。この中で、磁気ランダムアクセスメモリや相変化メモリなどは、薄い絶縁層を挾む両側の層における電子スピンの状態（方向）により、絶縁層を流れるトンネル電流の状態を制御することを利用した新たなメモリ素子である（非特許文献１参照）。
【０００３】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】T.Miyazaki, N.Tezuka, "Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Reprinted fom J.Magn. Magn. Mater. 139(1995) L231-L234, pp.76-79.
【非特許文献２】秋山稔，米国半導体電子工学教育委員会編「トランジスタ論理回路」，産業図書、１９６８年出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した電子スピンの状態とトンネル電流との関係は、メモリ素子に限らず、他の形態の素子への適用可能性を有している。例えば、一般にＡＮＤ回路は、４個のトランジスタで構成されるＮＡＮＤ回路に２個のトランジスタで構成されるインバータを付加して構成しているため、最小で６個のトランジスタを必要とし（非特許文献２参照）、論理回路の微細化を困難にしている。このような論理回路の一部に、前述したような不揮発性メモリの特性を利用した新たな素子を導入することで、論理回路をプログラマブルなものにし、より少ない素子数でＡＮＤ回路を実現するなど、これまでにない機能を、より低エネルギーでより大規模に形成可能とすることが期待されている。
【０００５】
従って、本発明は、電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る能動素子は、基板の上に形成された第１電子スピン状態のスピン状態固定層と、基板の上に形成され、第１電子スピン状態とこれとは異なる方向の第２電子スピン状態とを各々選択的にとり得る第１スピン状態可変層及び第２スピン状態可変層と、スピン状態固定層と第１スピン状態可変層及び第２スピン状態可変層との間に形成されてトンネル電流が流れるトンネル絶縁層とを少なくとも備え、第１スピン状態可変層，スピン状態固定層，第２スピン状態可変層は、導電性材料から構成され、任意の投影面に対し、第１スピン状態可変層をスピン状態固定層の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、投影面に対して第２スピン状態可変層を法線方向に投影した射影である第２領域とは一致しないようにしたものである。本能動素子では、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との両方を第１電子スピン状態とすると、各トンネル絶縁層における電子のトンネル確率が高くなり、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との間により多くの電流が流れるようになる。
【０００７】
上記能動素子において、スピン状態固定層は、トンネル絶縁層を介して第１スピン状態可変層の上に配置され、第２スピン状態可変層は、トンネル絶縁層を介してスピン状態固定層の上に配置されていればよい。また、第１領域と第２領域とは、一部が重なっていてもよく、第２領域は、第１領域の内側に位置していてもよい。また、上記能動素子において、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層とは、互いに所定距離離間し、スピン状態固定層の上に同一のトンネル絶縁層を介して配置されていてもよい。
【０００８】
上記能動素子において、第１スピン状態可変層，第２スピン状態可変層，及びスピン状態固定層は、強磁性を有する金属元素から構成すればよい。また、第１スピン状態可変層，第２スピン状態可変層，及びスピン状態固定層は、金属元素が不純物として添加された半導体から構成してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、本発明によれば、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との両方を第１電子スピン状態とすることで、第１スピン状態可変層と第２スピン状態可変層との間の電流が制御できるので、電子スピンの状態によるトンネル電流の制御を利用した新たな能動素子の提供できるようになるという優れた効果が得られる。また、例えば、第１スピン状態可変層の電子スピンの状態を制御する手段が、前述した法線方向に投影される第２スピン状態可変層の第２領域以外に配置された状態とすることができる。これは、第１スピン状態可変層の電子スピンの状態を制御する手段による第２スピン状態可変層への影響が、抑制されることを意味する。このことにより、第１スピン状態可変層の電子スピンの状態を制御する手段の配置の自由度が向上し、素子製造プロセスの簡素化が期待でき、素子のさらなる微細化が期待できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この能動素子は、例えば、シリコンの酸化物からなる層間絶縁層１０１の上に形成された下部スピン状態可変層１０２及び絶縁層１２２と、これらの上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に形成されたスピン状態固定層１０４とを備える。層間絶縁膜１０１は、図示していない半導体などからなる所定の基板の上に形成され、基板の上には、トランジスタやメモリ素子などの他の素子も形成されている。
【００１１】
また、図１に示す能動素子は、スピン状態固定層１０４の上に形成されたトンネル絶縁層１０５と、トンネル絶縁層１０５の上に形成された上部スピン状態可変層１０６及び絶縁層１２６と、これらの上に形成された層間絶縁層１０７とを備える。下部スピン状態可変層１０２には、層間絶縁層１０１の一部まで貫通するプラグ１０８が接続され、図示していない配線層に接続している。また、上部スピン状態可変層１０６は、層間絶縁層１０７を貫通するプラグ１０９により、層間絶縁層１０７の上に形成された配線１１０に接続している。
【００１２】
また、層間絶縁層１０７の上には、上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線１１１が形成されている。スピン制御配線１１１は、図１の紙面に垂直な方向に延在する配線である。スピン制御配線１１１に流す電流の方向を変えることで、上部スピン状態可変層１０６の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことでスピン制御配線１１１の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、上部スピン状態可変層１０６に影響するように、スピン制御配線１１１を上部スピン状態可変層１０６に近づけて配置すればよい。従って、スピン制御配線１１１は、層間絶縁層１０７を貫通するように配置されていてもよい。
【００１３】
図示していないが、下部スピン状態可変層１０２の層間絶縁層１０１側にも同様に、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線が形成されている。このスピン制御配線も、図１の紙面に垂直な方向に延在する配線であり、スピン制御配線に流す電流の方向を変えることで、下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きを変化させることができる。上記スピン制御配線は、下部スピン状態可変層１０２の層間絶縁層１０１側に配置されるものであり、絶縁層１２２の層間絶縁層１０１側には配置されない。
【００１４】
下部スピン状態可変層１０２及び上部スピン状態可変層１０６は、２つの異なる電子スピン状態を備え、電子スピンの向きを変化させることができる導電性を有する層であり、例えば、強磁性体金属から構成することができる。また、スピン状態固定層１０４は、電子スピンの状態が固定された導電性を有する層であり、例えば、強磁性体金属から構成することができる。上述した強磁性体金属としては、例えば、鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、ストロンチウム、サマリウム、ネオジウム、クロムなどがある。
【００１５】
強磁性体金属から構成された層は、電子スピンの状態（方向）が制御可能であり、強磁性体金属から構成された下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６とは、例えば磁場を印加することで、電子スピンの向きが可変（変化）する層である。電子スピンの向きは、スピン注入により可変することも可能である。スピン注入は、強磁性体から半導体，超伝導体などの非磁性体に電子を流入させた際、スピン偏極した電子が偏極度を保ったまま流入する現象である。
【００１６】
一方、スピン状態固定層１０４は、下部スピン状態可変層１０２，上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの状態によらず、電子スピンの向きが常に一定とされた層である。例えば、強磁性体金属から構成されたスピン状態固定層１０４は、下部スピン状態可変層１０２，上部スピン状態可変層１０６における電子スピン状態の変化による影響を受けず、かつ、トンネル電流が流れる範囲の厚さに形成されていればよい。
【００１７】
また、トンネル絶縁層１０３，１０５は、酸化アルミニウムや酸化シリコンなどから構成され、電子がトンネル効果によって透過できる程度に薄く形成されている。トンネル絶縁層１０３，１０５は、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化プラセオジウムなどから構成してもよい。
【００１８】
図１に示す能動素子において、例えば、下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との電子スピンの向きが同じ（平行な）場合と異なる（反平行な）場合とで、これらに挾まれたトンネル絶縁層１０３をトンネル効果により電子が透過する状態（トンネル確率）が異なる。下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間の電気抵抗を測定すると、２つの層の電子スピンの向きが同じ場合と異なる場合とで、抵抗値が数％から数十％異なって観測される。
【００１９】
下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きとスピン状態固定層１０４の電子スピンの向きとが平行な状態では、トンネル絶縁層１０３を電子のトンネル確率が増加し、２つの層の電子スピンが反平行な場合に比較し、より多くの電流が流れるようになる。これらの関係は、スピン状態固定層１０４とトンネル絶縁層１０５と上部スピン状態可変層１０６との間でも同様である。
【００２０】
ここで、下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きとスピン状態固定層１０４の電子スピンの向きとが反対（反平行）の場合に、トンネル絶縁層１０３を挾んで下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間に流れるトンネル電流の電流値を基準とする。この基準に対し、まず、下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４における電子スピンの向きの変化により、下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間に流れるトンネル電流の大きさが、予め定められた規定値以下であるとき論理値Ｉ１を０とし、予め定められた規定値を超えるとき論理値Ｉ１を１とする。
【００２１】
また、スピン状態固定層１０４、上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの向きの変化により、スピン状態固定層１０４と上部スピン状態可変層１０６との間に流れるトンネル電流の大きさが、規定値以下であるとき論理値Ｉ２を０とし、規定値を超えるとき論理値Ｉ２を１とする。また、下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４、上部スピン状態可変層１０６における電子スピンの向きの変化により、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に流れるトンネル電流の大きさが、規定値以下であるとき論理値Ｉ３を０とし、規定値を超えるとき論理値Ｉ３を１とする。論理値Ｉ３に対応する電流は、プラグ１０８とプラグ１０９（配線１１０）との間に流れる電流である。
【００２２】
上述した構成の等価回路は、図２に示されるようになる。図２に示すように、下部スピン状態可変層１０２及びスピン状態固定層１０４の間と、スピン状態固定層１０４及び上部スピン状態可変層１０６の間との両方に電流が流れる状態のときに、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に電流が流れるようになる。
【００２３】
上述したＩ１，Ｉ２，Ｉ３で示す各層の間に電流が流れる状態（論理値）は、図３に示すように、各層における電子スピンの方向（状態）に対応している。図３に示すことからも明らかなように、図１に示す能動素子によれば、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態と上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態との制御を２つの入力とし、下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６の間に流れるトンネル電流の状態を出力としたアンド回路が構成できる。
【００２４】
言い換えると、図１に示す能動素子によれば、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御する手段と、スピン制御配線１１１を含む上部スピン状態可変層１０６の電子スピン状態を制御する手段とを用いれば、上部スピン状態可変層１０６と下部スピン状態可変層１０２との間を流れる電流を制御するアンド回路が実現できる。
【００２５】
加えて、図１に示す能動素子では、任意の投影面に対し、下部スピン状態可変層１０２をスピン状態固定層１０４の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、同様に上記投影面に対して上部スピン状態可変層１０６を投影した射影である第２領域とが一致していない。なお、上記投影面は、当然ではあるが、スピン状態固定層１０４の平面に対して垂直な面は除かれる。例えば、第１領域及び第２領域は、スピン状態固定層１０４の平面に平行な投影面に対して下部スピン状態可変層１０２及び上部スピン状態可変層１０６を上記法線方向に投影した射影である。
【００２６】
加えて、図１に示す能動素子では、第１領域と第２領域とは、一部が重なっている。第１領域と第２領域とは、図１に示す能動素子においては、プラグ１０９の下方領域において一部が重なっている。従って、例えば、スピン制御配線１１１による磁場が、下部スピン状態可変層１０２に影響し難い状態となっている。同様に、図示しない下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線による磁場は、上部スピン状態可変層１０６に影響し難い状態となっている。
【００２７】
このため、図１に示す能動素子によれば、上記第１領域と第２領域とが一致している場合に比較して、配線１１０やスピン制御配線１１１などの配置の自由度を向上させることができる。このことにより、素子製造プロセスの簡素化が期待でき、加えて、素子のさらなる微細化が期待できる。また、スピン制御配線による対応するスピン状態可変層への影響の度合いを細かく制御する必要がないので、スピン状態の制御がより容易になる。また、スピン注入などにより電子スピンの向きを可変する場合においても、図１に示す能動素子によれば、スピン注入をする位置などの自由度が向上する。
【００２８】
次に、本発明の他の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この能動素子は、例えば、シリコンの酸化物からなる層間絶縁層１０１の上に形成された下部スピン状態可変層１０２と、この上の一部領域に形成されたトンネル絶縁層４０３と、トンネル絶縁層４０３の上に形成されたスピン状態固定層４０４とを備える。層間絶縁膜１０１は、図示していない半導体などからなる所定の基板の上に形成され、基板の上には、トランジスタやメモリ素子などの他の素子も形成されている。
【００２９】
また、図４に示す能動素子は、スピン状態固定層４０４の上に形成されたトンネル絶縁層４０５と、トンネル絶縁層４０５の上に形成された上部スピン状態可変層４０６と、この上に形成された層間絶縁層４０７とを備える。下部スピン状態可変層１０２の他の領域の上には、配線４０８が形成されている。上部スピン状態可変層４０６は、層間絶縁層４０７を貫通するプラグ４０９により、層間絶縁層４０７の上に形成された配線４１０に接続している。
【００３０】
また、層間絶縁層４０７の上には、上部スピン状態可変層４０６の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線４１１が形成されている。スピン制御配線４１１は、図４の紙面に垂直な方向に延在する配線である。スピン制御配線４１１に流す電流の方向を変えることで、上部スピン状態可変層４０６の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことでスピン制御配線４１１の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、上部スピン状態可変層４０６に影響するように、スピン制御配線４１１を上部スピン状態可変層４０６に近づけて配置すればよい。従って、スピン制御配線４１１は、層間絶縁層４０７を貫通するように配置されていてもよい。
【００３１】
一方、下部スピン状態可変層１０２の他の領域上には、配線４０８が接続し、また、下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線４１２が形成されている。スピン制御配線４１２も、図４の紙面に垂直な方向に延在する配線であり、スピン制御配線４１２に流す電流の方向を変えることで、下部スピン状態可変層１０２の電子スピンの向きを変化させることができる。
【００３２】
下部スピン状態可変層１０２及び上部スピン状態可変層４０６は、２つの異なる電子スピン状態を備え、電子スピンの向きを変化させることができる導電性を有する層であり、図１に示した能動素子の、下部スピン状態可変層１０２及び上部スピン状態可変層１０６と同様である。従って、図４に示す能動素子も、図１に示す能動素子と同様に、スピン制御配線４１２を含む下部スピン状態可変層１０２の電子スピン状態を制御する手段と、スピン制御配線４１１を含む上部スピン状態可変層４０６の電子スピン状態を制御する手段とを用いれば、上部スピン状態可変層４０６と下部スピン状態可変層１０２との間を流れる電流が制御可能である。従って、図４に示す能動素子によっても、例えばアンド回路が実現可能である。
【００３３】
加えて、図４に示す能動素子においても、任意の投影面に対し、下部スピン状態可変層１０２をスピン状態固定層４０４の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、同様に上記投影面に対して上部スピン状態可変層４０６を投影した射影である第２領域とが一致していない。また、図４に示す能動素子では、第２領域が、第１領域の内側に位置する状態で、第１領域と第２領域とは、一部が重なっている。従って、例えば、スピン制御配線４１２による磁場が、上部スピン状態可変層４０６に影響し難い状態となっている。
【００３４】
従って、図４に示す能動素子によれば、上記第１領域と第２領域とが一致している場合に比較して、配線４０８，４１０やスピン制御配線４１０，４１２などの配置の自由度を向上させることができる。また、スピン制御配線による対応するスピン状態可変層への影響の度合いを細かく制御する必要がないので、スピン状態の制御がより容易になる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施の形態について図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。図５は、本実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この能動素子は、例えば、シリコンの酸化物からなる層間絶縁層１０１の上に形成された下部スピン状態可変層５０２及び絶縁層５２２と、これらの上に形成されたトンネル絶縁層１０３と、トンネル絶縁層１０３の上に形成されたスピン状態固定層１０４とを備える。層間絶縁膜１０１は、図示していない半導体などからなる所定の基板の上に形成され、基板の上には、トランジスタやメモリ素子などの他の素子も形成されている。
【００３６】
また、図５に示す能動素子は、スピン状態固定層１０４の上に形成されたトンネル絶縁層１０５と、トンネル絶縁層１０５の上に形成された上部スピン状態可変層５０６及び絶縁層５２６と、これらの上に形成された層間絶縁層１０７とを備える。下部スピン状態可変層５０２には、層間絶縁層１０１の一部まで貫通するプラグ１０８が接続され、図示していない配線層に接続している。また、上部スピン状態可変層５０６は、層間絶縁層１０７を貫通するプラグ１０９により、層間絶縁層１０７の上に形成された配線１１０に接続している。
【００３７】
また、層間絶縁層１０７の上には、上部スピン状態可変層５０６の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線１１１が形成されている。スピン制御配線１１１は、図５の紙面に垂直な方向に延在する配線である。スピン制御配線１１１に流す電流の方向を変えることで、上部スピン状態可変層５０６の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことでスピン制御配線１１１の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、上部スピン状態可変層５０６に影響するように、スピン制御配線１１１を上部スピン状態可変層５０６に近づけて配置すればよい。従って、スピン制御配線１１１は、層間絶縁層１０７を貫通するように配置されていてもよい。
【００３８】
図示していないが、下部スピン状態可変層５０２の層間絶縁層１０１側にも同様に、下部スピン状態可変層５０２の電子スピン状態を制御するためのスピン制御配線が形成されている。このスピン制御配線も、図５の紙面に垂直な方向に延在する配線であり、スピン制御配線に流す電流の方向を変えることで、下部スピン状態可変層５０２の電子スピンの向きを変化させることができる。上記スピン制御配線は、下部スピン状態可変層５０２の層間絶縁層１０１側に配置されるものであり、絶縁層５２２の層間絶縁層１０１側には配置されない。
【００３９】
以上に説明したことから明らかなように、図５に示す能動素子は、図１に示す能動素子とほぼ同様であり、任意の投影面に対し、下部スピン状態可変層５０２をスピン状態固定層１０４の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、同様に上記投影面に対して上部スピン状態可変層５０６を投影した射影である第２領域とが一致していない。ただし、図５に示す能動素子は、図１に示す能動素子とは異なり、第１領域と第２領域とに、重なる領域がない。
【００４０】
次に、本発明の他の実施の形態について図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この能動素子は、例えば、シリコンの酸化物からなる層間絶縁層１０１の上に形成されたスピン状態固定層６０４と、この上に形成されたトンネル絶縁層６０３とを備える。層間絶縁膜１０１は、図示していない半導体などからなる所定の基板の上に形成され、基板の上には、トランジスタやメモリ素子などの他の素子も形成されている。
【００４１】
また、図６に示す能動素子は、スピン状態固定層６０４の上に形成されたトンネル絶縁層６０３と、トンネル絶縁層６０３の上に離間して形成された２つのスピン状態可変層６０２，６０６と、スピン状態可変層６０２，６０６の上に形成された絶縁層６０７とを備える。スピン状態可変層６０２は、層間絶縁層６０７を貫通するプラグ６０９により、層間絶縁層６０７の上に形成された配線６１０に接続している。同様に、スピン状態可変層６０６は、層間絶縁層６０７を貫通するプラグ６０８により、層間絶縁層６０７の上に形成された配線６１２に接続している。
【００４２】
また、スピン状態可変層６０２の上には、層間絶縁層６０７を介してスピン制御配線６１１が形成され、スピン状態可変層６０６の上には、層間絶縁層６０７を介してスピン制御配線６１３が形成されている。各スピン制御配線６１１，６１３は、図６の紙面に垂直な方向に延在する配線である。スピン制御配線６１１に流す電流の方向を変えることで、スピン状態可変層６０２の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことでスピン制御配線６１１の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、スピン状態可変層６０２に影響するように、スピン制御配線６１１をスピン状態可変層６０２に近づけて配置すればよい。従って、スピン制御配線６１１は、層間絶縁層６０７を貫通するように配置されていてもよい。
【００４３】
同様に、スピン制御配線６１３に流す電流の方向を変えることで、スピン状態可変層６０６の電子スピンの向きを変化させることができる。電流を流すことでスピン制御配線６１３の延在方向を法線とする面内に生じる磁場が、スピン状態可変層６０６に影響するように、スピン制御配線６１３をスピン状態可変層６０６に近づけて配置すればよい。従って、スピン制御配線６１１と同様に、スピン制御配線６１３も、層間絶縁層６０７を貫通するように配置されていてもよい。
【００４４】
なお、スピン状態可変層６０２，６０６は、図１，４，５に示した各スピン状態可変層と同様であり、２つの異なる電子スピン状態を備え、電子スピンの向きを変化させることができる導電性を有する層である。また、スピン状態可変層６０２とスピン状態可変層６０６とは、トンネル絶縁層６０３の上に置いて分離絶縁層６２０により分離されている。ただし、図６に示す能動素子では、スピン状態可変層６０２−トンネル絶縁層６０３−スピン状態固定層６０４−スピン状態可変層６０６の経路で上述した電流が流れる。
【００４５】
このように、図６に示す能動素子では、スピン状態固定層６０４の上に共通とされたトンネル絶縁層６０３を介し、２つのスピン状態可変層が同一の面上に配置されている。従って、図６に示す能動素子においても、任意の投影面に対し、スピン状態可変層６０２をスピン状態固定層６０４の平面の法線方向に投影した射影である第１領域と、同様に上記投影面に対してスピン状態可変層６０６を投影した射影である第２領域とが一致していない。また、図６に示す能動素子では、第１領域と第２領域とが重ならない。
【００４６】
このように構成された図６に示す能動素子も、図１に示す能動素子と同様に、スピン制御配線６１１を含むスピン状態可変層６０２の電子スピン状態を制御する手段と、スピン制御配線６１３を含むスピン状態可変層６０６の電子スピン状態を制御する手段とを用いれば、スピン状態可変層６０２とスピン状態可変層６０６との間を流れる電流が制御可能である。従って、図６に示す能動素子によっても、例えばアンド回路が実現可能である。
【００４７】
また、図６に示す能動素子においても、スピン制御配線６１１による磁場が、スピン状態可変層６０６に影響し難い状態となっている。同様に、スピン制御配線６１３による磁場は、スピン状態可変層６０２に影響し難い状態となっている。従って、図６に示す能動素子においても、スピン状態固定層６０４の平面の法線方向に投影されるスピン状態可変層６０６の領域と、上記法線方向に投影されるスピン状態可変層６０２の領域とが一致している場合に比較して、配線６１０，６１２やスピン制御配線６１１，６１３などの配置の自由度を向上させることができる。
【００４８】
このことにより、素子製造プロセスの簡素化が期待でき、加えて、素子のさらなる微細化が期待できる。また、スピン制御配線による対応するスピン状態可変層への影響の度合いを細かく制御する必要がないので、スピン状態の制御がより容易になる。また、スピン注入などにより電子スピンの向きを可変する場合においても、図６に示す能動素子によれば、スピン注入をする位置などの自由度が向上する。
【００４９】
なお、図１，図４〜図６に示す各素子は、強磁性を示す元素を不純物として含む半導体材料からスピン状態可変層及びスピン状態固定層が構成されていてもよく、同様の作用効果が得られる。例えば、シリコン，ゲルマニウム，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＺｎＯ，ＧａＮなどの半導体材料に、前述した強磁性を示す元素を不純物として導入して用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態における能動素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図２】下部スピン状態可変層１０２とスピン状態固定層１０４との間，スピン状態固定層１０４と上部スピン状態可変層１０６との間，下部スピン状態可変層１０２と上部スピン状態可変層１０６との間に、トンネル電流が流れる状態の等価的な回路を示す構成図である。
【図３】下部スピン状態可変層１０２，スピン状態固定層１０４，上部スピン状態可変層１０６の各層における電子スピンの向きと、論理値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３との関係を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における能動素子の他の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における能動素子の他の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における能動素子の他の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１…層間絶縁層、１０２…下部スピン状態可変層、１０３…トンネル絶縁層、１０４…スピン状態固定層、１０５…トンネル絶縁層、１０６…上部スピン状態可変層、１０７…層間絶縁層、１０８，１０９…プラグ、１１０…配線、１１１…スピン制御配線、１２２，１２６…絶縁層。
【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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