(57)【要約】【課題】  高い集積度を有し、低い消費電力で高速な動作が可能で、かつ不揮発性を有する半導体デバイスを実現するために、スピン−電荷を利用した磁性膜構造体とその製造方法、並びに該構造体を備えた半導体装置とその装置の動作方法を提供する。【解決手段】  下部磁性膜４２と、下部磁性膜４２上に形成されたトンネリング膜４４と、トンネリング膜４４上に形成された上部磁性膜４５とを備え、下部および上部磁性膜４２、４５の磁化方向が逆である場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜であることを特徴とする磁性膜構造体。【選択図】      図１
2006049901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部磁性膜と、
前記下部磁性膜上に形成されたトンネリング膜と、
前記トンネリング膜上に形成された上部磁性膜と、
を備え、
前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、磁化方向が互いに逆の場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜であることを特徴とする多用途磁性膜構造体。
【請求項２】
前記上部磁性膜は、前記トンネリング膜上に順次に積層された第１強磁性膜と、第２強磁性膜とを備えることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項３】
前記上部磁性膜は、磁場により完全にスピン分極されるハーフメタル強磁性膜であることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項４】
前記上部磁性膜上にキャッピング層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項５】
前記第１強磁性膜の磁化方向は、前記第２強磁性膜によって付与された磁化方向に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項６】
前記下部磁性膜は、前記トンネリング膜と接触する第１強磁性膜と、前記第１強磁性膜の下に形成された第２強磁性膜とを備えることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項７】
前記下部磁性膜は、磁場により完全にスピン分極されるハーフメタル強磁性膜であることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項８】
前記下部磁性膜の下にシード層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項９】
前記磁性膜構造体のサイズは１００μｍ角よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の多用途磁性膜構造体。
【請求項１０】
基板上に酸化膜を形成する第１ステップと、
前記酸化膜上に下部磁性膜を形成する第２ステップと、
前記下部磁性膜上にトンネリング膜を形成する第３ステップと、
前記トンネリング膜上に、前記下部磁性膜のスピン分極率とは異なるスピン分極率を有する上部磁性膜を形成する第４ステップと、
前記上部磁性膜上にキャッピング層を形成する第５ステップと、
前記キャッピング層と、前記上部磁性膜と、前記トンネリング膜と、前記下部磁性膜とを所定のサイズで順次にパターニングする第６ステップと
を含むことを特徴とする多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記第２ステップ前に、前記酸化膜上にシード層をさらに形成することを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記第２ステップは、前記酸化膜が形成された前記基板の温度を少なくとも５００℃から６００℃に保持した状態で、前記酸化膜上にスピン分極率が前記上部磁性膜より高い強磁性膜を積層するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記下部磁性膜は、スピン分極率が前記上部磁性膜より低い強磁性膜で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記下部磁性膜は、２枚の強磁性膜を順次に積層することで形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記上部磁性膜は、２枚の強磁性膜を順次に積層することで形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１６】
前記下部磁性膜は、スピン分極率が８０％から１００％であるハーフメタル強磁性膜で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１７】
前記上部磁性膜は、スピン分極率が８０％から１００％であるハーフメタル強磁性膜で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多用途磁性膜構造体の製造方法。
【請求項１８】
基板と、前記基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたデータ保存手段とを備える半導体メモリ装置において、
前記データ保存手段は、
下部磁性膜と、
前記下部磁性膜上に形成されたトンネリング膜と、
前記トンネリング膜上に形成された上部磁性膜と
を備え、
前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、磁化方向が互いに逆である場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜であることを特徴とする半導体メモリ装置。
【請求項１９】
前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の何れか一方は、ハーフメタル強磁性膜であることを特徴とする請求項１８に記載の半導体メモリ装置。
【請求項２０】
前記データ保存手段のサイズは１００μｍ角よりも小さいことを特徴とする請求項１８に記載の半導体メモリ装置。
【請求項２１】
基板と、前記基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたデータ保存手段とを備え、前記データ保存手段は、順次に積層された下部磁性膜と、トンネリング膜と、上部磁性膜とを備え、前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、磁化方向が互いに逆である場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜である半導体メモリ装置の動作方法において、
前記スイッチング素子をオフにした状態で、前記データ保存手段に与えられた方向に磁場を印加し、前記データ保存手段にデータを記録することを特徴とする半導体メモリ装置の動作方法。
【請求項２２】
前記スイッチング素子をオンにした状態で、前記データ保存手段のオフセット電圧を測定し、前記データ保存手段に記録されたデータを読むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体メモリ装置の動作方法。
【請求項２３】
前記スイッチング素子をオンにした状態で、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の磁化方向が同一になるように前記データ保存手段に磁場を印加する第１ステップと、前記データ保存手段から流れる一定値以上の電流が存在するか否かを検出する第２ステップとによって、前記データ保存手段に記録されたデータを読み込むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体メモリ装置の動作方法。
【請求項２４】
前記第２ステップで一定値以上の電流が検出された場合には、前記第１ステップで磁化状態が変化した前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の何れかの磁性膜における磁化状態を、変化前の状態に戻すことを特徴とする請求項２３に記載の半導体メモリ素子の動作方法。
【請求項２５】
前記第１ステップで印加した磁場と逆方向に磁場を印加して、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜のうち磁化状態が変化した磁性膜の磁化状態を、変化前の状態に戻すことを特徴とする請求項２４に記載の半導体メモリ装置の動作方法。
【請求項２６】
前記スイッチング素子をオフにした状態で、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の磁化方向を同一にし、前記データ保存手段に記録されたデータを消去することを特徴とする請求項２１に記載の半導体メモリ装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン−電荷（spin-charge）を利用した磁性膜構造体とその製造方法、並びに該構造体を備えた半導体メモリ装置などの半導体装置とその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術は急速に発展しており、それに伴い半導体デバイスの集積度もまた急速に高まっている。理想的な半導体デバイスとは、高い集積度を有し、低い消費電力で高速な動作が可能で、かつ不揮発性を有するものである。現行の半導体デバイスは、消費電力が高く、これにより生じる発熱が問題となっている。超伝導体を利用することによってこの問題を解決できるが、超伝導体の利用は商用化されておらず、きわめて限られた分野にだけに超伝導体を利用しているのが現状である。半導体デバイスは発熱するほど、その動作速度が低下する。
【０００３】
一方、不揮発性については、フラッシュメモリがかなり以前から広く使われており、磁気ＲＡＭ（magnetic random access memory）やＳＯＮＯＳ（Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon）メモリのような不揮発性メモリの登場もあり、半導体デバイスの不揮発性は非常に改善されている。
【０００４】
しかし、現行の半導体デバイスは、それでも前記の理想的な半導体デバイスからは程遠いのが実情である。そのため、前記理想的な半導体デバイスにより近い新しい半導体デバイスの開発が要求されている。この要求により、電子のスピンを利用した半導体デバイスが注目を浴びている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする第１の技術的課題は、前記理想的な半導体デバイスをより容易に実現するための多用途の磁性膜構造体を提供することである。
本発明が解決しようとする第２の技術的課題は、前記磁性膜構造体の製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする第３の技術的課題は、前記磁性膜構造体を備える半導体メモリ装置を提供することである。
本発明が解決しようとする第４の技術的課題は、前記半導体メモリ装置の動作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記第１の技術的課題を解決するために、本発明は、下部磁性膜と、前記下部磁性膜上に形成されたトンネリング膜と、前記トンネリング膜上に形成された上部磁性膜とを備え、前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、互いに磁化方向が逆の場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜であることを特徴とする多用途磁性膜構造体を提供する。
また、前記上部磁性膜は、前記トンネリング膜上に順次に積層された第１磁性膜と、第２強磁性膜とを備え、前記上部磁性膜または前記下部磁性膜は、磁場により完全にスピン分極されるハーフメタル強磁性膜（half metal ferromagnetic layer）であり、前記第１強磁性膜の磁化方向は、前記第２強磁性膜によって付与された方向に固定される。
さらに、前記下部磁性膜は、前記トンネリング膜と接触する第１強磁性膜と、前記第１強磁性膜の下に形成された第２強磁性膜とを備え、前記磁性膜構造体のサイズは１００μｍ角より小さい。
【０００７】
前記第２の技術的課題を解決するために、本発明は、基板上に酸化膜を形成する第１ステップと、前記酸化膜上に下部磁性膜を形成する第２ステップと、前記下部磁性膜上にトンネリング膜を形成する第３ステップと、前記トンネリング膜上に、前記下部磁性膜のスピン分極率とは異なるスピン分極率を有する上部磁性膜を形成する第４ステップと、前記上部磁性膜上にキャッピング層を形成する第５ステップと、前記キャッピング層と、前記上部磁性膜と、前記トンネリング膜と、前記下部磁性膜とを所定のサイズで順次にパターニングする第６ステップを含むことを特徴とする多用途磁性膜構造体の製造方法を提供する。
また、前記第２ステップ前に、前記酸化膜上にシード層をさらに形成でき、前記第２ステップは、前記酸化膜が形成された前記基板の温度を少なくとも５００℃に保持した状態で、前記酸化膜上にスピン分極率が前記上部磁性膜より高い強磁性膜を積層するステップを含み、前記下部磁性膜は、スピン分極率が前記上部磁性膜より低い強磁性膜でも高い強磁性膜でも形成される。
さらに、前記上部磁性膜または前記下部磁性膜は、２枚の強磁性膜を順次に積層して形成され、前記上部磁性膜または前記下部磁性膜は、スピン分極率が８０％〜１００％であるハーフメタル強磁性膜される。
【０００８】
前記第３の技術的課題を解決するために、本発明は、基板と、前記基板に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたデータ保存手段とを備える半導体メモリ装置において、前記データ保存手段は、下部磁性膜と、前記下部磁性膜上に形成されたトンネリング膜と、前記トンネリング膜上に形成された上部磁性膜とを備え、前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、互いに磁化方向が逆である場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜であることを特徴とする半導体メモリ装置を提供する。
また、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の何れか一方は、スピン分極率が異なり、スピン分極率の高い磁性膜は、ハーフメタル強磁性膜であり、前記データ保存手段のサイズは１００μｍ角より小さく、前記スイッチング素子は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【０００９】
前記第４の技術的課題を解決するために、本発明は、基板と、前記基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたデータ保存手段とを備え、前記データ保存手段は、順次に積層された下部磁性膜と、トンネリング膜と、上部磁性膜とを備え、前記下部磁性膜および前記上部磁性膜は、磁化方向が互いに逆である場合に、相互間に電気化学的な電位差を生じる強磁性膜である半導体メモリ装置の動作方法において、前記スイッチング素子をオフにした状態で、前記データ保存手段に与えられた方向に磁場を印加し、前記データ保存手段にデータを記録することを特徴とする半導体メモリ装置の動作方法を提供する。
また、前記データを記録した後に、前記スイッチング素子をオンにした状態で、前記データ保存手段のオフセット電圧を測定し、前記データ保存手段に記録されたデータを読み込む。あるいは、前記スイッチング素子をオンにした状態で、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の磁化方向が同一になるように前記データ保存手段に磁場を印加する第１ステップおよび前記データ保存手段から流れる一定値以上の電流が存在するか否かを検出する第２ステップによって、前記データ保存手段に記録されたデータを読み込む。
後者の場合、一定値以上の電流が検出される場合、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜のうちから前記第１ステップで磁化状態が変化された磁性膜の磁化状態を初期の状態に戻す。
このとき、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の何れかの変化した磁性膜の磁化状態を、前記第１ステップで印加された磁場と方向が逆である磁場を印加して、初期の状態に戻すことができる。
さらに、前記スイッチング素子をオフにした状態で、前記上部磁性膜および前記下部磁性膜の磁化方向を同一にし、前記データ保存手段に記録されたデータを消去できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明よれば、デバイスの駆動電圧を数ｍＶ程度に下げることができるため、消費電力を低減することができ、電力による発生する熱量も減らすことができる。したがって、デバイスの動作速度も改善する。また、磁性膜構造体のサイズが非常に小さいために、デバイスの集積度を高めることができる。また、磁性膜構造体は、自身に電位差を有することができるために、磁性膜構造体を集積して新しいバッテリを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係るスピン−電荷を利用した磁性膜構造体とその製造方法、並びにそれを備える半導体装置と該装置の動作方法とを添付図面を参照して詳細に説明する。なお、図面に示す層や領域の厚さは、以下の説明を明確にするために誇張して示している。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る磁性膜構造体の断面図である。まず、電子スピン状態の電気化学的な電位差によってスピン−電荷が現れる磁性膜構造体について説明する。
図１に示す磁性膜構造体３０は、サイズが１０μｍ角程度である。しかし、この構造体のサイズは、それよりも大きくても、あるいは小さくてもよい。磁性膜構造体３０は、下部磁性膜４２と、トンネリング膜４４と、上部磁性膜４５とを備える。さらに、前記下部磁性膜４２の下にシード層４０が存在し、上部磁性膜４５の上に保護用キャッピング層４９が存在する。
【００１３】
下部磁性膜４２は、第１条件（２０ｍＴｏｒｒ、５００℃）下で形成され、第１電子スピン状態密度を有し、外部磁場が印加される場合にすべての電子が所定の方向にスピン分極されるホイスラー合金（Heusler alloy）やハーフメタル強磁性膜（例えばＣｏ2ＭｎＳｉ膜）から形成されることが好ましい。しかし、前記ホイスラー合金やハーフメタル強磁性膜と同様な他の強磁性膜から形成されてもよい。下部磁性膜４２は、Ｃｏ2ＭｎＳｉ膜から形成されている場合には、厚さは４７ｎｍ程度となるが、それより厚くても、あるいは薄くてもよい。下部磁性膜４２が他のハーフメタル強磁性膜から形成されている場合には、厚さは４７ｎｍ程度であるか、あるいは異っていてもよい。図面の下部磁性膜４２内に実線で示した矢印は、外部磁場により生じる下部磁性膜４２の磁化方向、すなわちスピン分極方向を表す。そして、点線矢印は、前記外部磁場の方向が逆になったときの下部磁性膜４２の磁化方向を表す。トンネリング膜４４は、電子がトンネリングされる所定の厚さの酸化膜で形成される。例えば、トンネリング膜４４がアルミニウム酸化膜（ＡｌＯx）から形成される場合、厚さは約２ｎｍとなる。トンネリング膜４４は酸化膜ではなく、絶縁膜で形成されてもよいが、このときの厚さは、酸化膜から形成された場合と異なる場合がある。上部磁性膜４５は、順次に形成された第１強磁性膜４６および第２強磁性膜４８から構成される。第１強磁性膜４６は、磁化方向または電子のスピン分極方向が所定の方向に固定されている第２電子スピン状態密度を有する固着層（pinned layer）である。第１強磁性膜４６もやはり下部磁性膜４２と同様に電子が所定の方向にスピン分極される。
【００１４】
しかし、第１強磁性膜４６の電子のスピン分極は、下部磁性膜４２の電子のスピン分極とは異なり、全部が同じ方向ではない。すなわち、第１強磁性膜４６のほとんどの電子は、所定の方向にスピン分極されるが、一部の電子は、前記所定の方向と逆方向にスピン分極する。外部に現れる第１強磁性膜４６の磁化方向は、その内部のほとんどの電子におけるスピン分極方向になる。第１強磁性膜４６内に図示した矢印は、第１強磁性膜４６の磁化方向を表す。この矢印は、第１強磁性膜４６の大部分の電子が有するスピン分極を表す。したがって、外部には、第１強磁性膜４６が図示した矢印方向に磁化されているように現れるが、第１強磁性膜４６内の少数の電子の磁化方向は、この矢印の逆方向となる。第１強磁性膜４６は、例えばコバルト鉄（ＣｏＦｅ）膜で形成されてよい。第２強磁性膜４８は、第１強磁性膜４６の磁化方向を固定させるピンニング膜（pinning layer）であり、反強磁性膜である。第２強磁性膜４８は、例えば所定の厚さのイリジウムマンガン膜（ＩｒＭｎ）で形成される。第１強磁性膜４６は、交換結合（exchange coupling）により第２強磁性膜４８により固着される。したがって、第１強磁性膜４６および第２強磁性膜４８の磁化方向は同一になる。第１強磁性膜４６がＩｒＭｎ膜であるとき、その厚さは１５．５ｎｍ程度であるが、他の膜であるときは、異なる厚さになる場合もある。キャッピング層４９は、第２強磁性膜４８の酸化を防止するためのものであり、例えば６０ｎｍの厚さを有するルテニウム（Ｒｕ）で形成される。下部磁性膜４２の下に設けられたシード層４０は、下部磁性膜４２の成長のためのものであり、順次に積層されたタンタル（Ｔａ）層およびＲｕ層を含む。前記Ｔａ層の厚さは約４２ｎｍで、前記Ｒｕ層の厚さは約９．５ｎｍとなる。
【００１５】
下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６とが、電子スピン状態密度が異なる状態でトンネリング膜４４を挟んで接触すると、双方の膜の間に電気化学的な電位差が生じる。この電気化学的な電位差によって、図５に示すように、第１強磁性膜４６のスピンダウン状態の電子がトンネリング膜４４を通過して下部磁性膜４２に移動する。この過程で、トンネリング膜４４を通過した第１強磁性膜４６のスピンダウン状態の電子は、スピンアップ状態に変わる。結果的に、第１強磁性膜４６から下部磁性膜４２に電子が移動し、下部磁性膜４２のトンネリング膜４４と接する界面に負電荷（−）が蓄積され、第１強磁性膜４６のトンネリング膜４４と接する界面には正電荷（＋）が蓄積される。これにより、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に電位差が発生する。この電位差は、磁性膜構造体３０の外部から所定のオフセット電圧を印加することにより取り除くことは可能である。したがって、前記オフセット電圧で磁性膜構造体３０から測定される電流値は０になる。それゆえ、前記オフセット電圧を印加することで下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間の電位差が取り除かれるため、前記電位差が下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間の電気化学的な電位差によって生じることを考慮すれば、前記オフセット電圧を測定することで前記電気化学的な電位差を直接測定できる。
【００１６】
また、磁性膜構造体３０の内部に前記電位差が存在するため、磁性膜構造体３０から電荷を引き出すことが可能であり、それゆえ磁性膜構造体３０を電源として使用することができる。
磁性膜構造体３０の内部に存在する前記電位差は、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが互いに逆である結果であり、下部磁性膜４２の磁化方向は、外部から磁場を印加して決定できるので、磁性膜構造体３０を集積して充電用電源、すなわち二次電池として使用できる。磁性膜構造体３０を電源として使用しようとする場合、複数の磁性膜構造体３０が直列に連結された集積体を電源として使用できる。また、このような集積体を並列に接続して電源を構成することもできる。
【００１７】
一方、磁性膜構造体３０を電源として使用する場合には、下部磁性膜４２の磁化方向は、外部磁場により変わる。したがって、磁性膜構造体３０を充電した後、すなわち下部磁性膜４２の磁化方向が第１強磁性膜４６の磁化方向と逆になるように下部磁性膜４２に磁場を印加した後に、外部磁場により下部磁性膜４２の磁化状態が影響を受けないように、磁性膜構造体３０の外部および／または内部に磁界遮蔽手段（図示せず）を設けてよい。前記磁界遮蔽手段は、磁性膜構造体３０の充電用に除去可能に設けられることが好ましい。
【００１８】
次に、図１に示した磁性膜構造体３０の物理的特性を、添付図面を参照して説明する。図２は、図１の磁性膜構造体に、−０．６Ｖ〜＋０．６Ｖのバイアス電圧を印加したときの磁性膜構造体の抵抗の変化および磁気抵抗（ＭＲ）の変化を示している。
図２で、第１ライン（Ｇ１）は、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体において、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが逆の場合の磁性膜構造体の抵抗変化を表す。第２ライン（Ｇ２）は、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体において、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが同じである場合の磁性膜構造体３０の抵抗変化を表す。第３ライン（Ｇ３）は、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体３０の磁気抵抗変化を表す。第１ラインＧ１、第２ラインＧ２、第３ラインＧ３を参照すれば、本発明の磁性膜構造体の抵抗と磁気抵抗は、０ｍＶ付近で大きく変化することが分かる。
【００１９】
図３は、これらの現象をさらに具体的に示している。図３は、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体に電圧を印加したとき、具体的にはバイアス電圧を＋０．３Ｖから−０．２ｍＶに低下させたときの磁性膜構造体の抵抗および磁気抵抗の変化を示している。図３において、参照シンボル「□」は、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体の下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが同一であるときの抵抗（以下、第１抵抗）（Ｒ（Ｐ））の変化を表し、参照シンボル「○」は、前記磁化方向が逆であるときの抵抗（以下、第２抵抗）（Ｒ（ＡＰ））の変化を表す。また、参照シンボル「△」は、磁気抵抗変化を表す。
【００２０】
図３を参照すると、０ｍＶと０．１ｍＶ（１００μＶ）との間のバイアス電圧で、前記第１抵抗および前記第２抵抗の変化と前記磁気抵抗の変化とに特異性が現れていることが分かる。
具体的に、バイアス電圧が０．１ｍＶ（１００μＶ）に達するまでは、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体の前記第１抵抗および前記第２抵抗と前記磁気抵抗は、徐々に増加する。そして、バイアス電圧が０．１ｍＶを過ぎると磁性膜構造体３０の前記第２抵抗及び前記磁気抵抗は、大きく増加し始める。
【００２１】
このとき、磁性膜構造体３０の前記第１抵抗は大きく変化しない。バイアス電圧が０．０５０ｍＶ（５０μＶ）に近づくにつれて、磁性膜構造体３０の前記第２抵抗及び前記磁気抵抗は、急激に増加して図３のグラフ領域を外れる。このときにも、磁性膜構造体３０の前記第１抵抗は、大きく変わらない。磁性膜構造体３０の前記第１抵抗の急激な変化は、０ｍＶ近くで現れる。しかし、前記第１抵抗の変化の度合いは、前記第２抵抗の変化の度合いに比べてはるかに小さい。本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体３０に印加されるバイアス電圧が０．０５０ｍＶ（５０μＶ）に近づくと、磁性膜構造体３０の前記第２抵抗は、突然ゼロ以下になり、大きい絶対値を有する負の値となる。このように、前記第２抵抗の変化に特異性が現れる場合にも、前記第１抵抗は、大きく変化せずに、特異性は現れない。磁性膜構造体３０に印加されるバイアス電圧が０ｍＶに比べて低くなると、前記第２抵抗は急激に大きくなり、その値は０になる。前記第２抵抗が大きい絶対値を有する負の値からゼロに達するバイアス電圧で、前記第１抵抗の変化に特異性が現れる。しかし、前記のように、前記第１抵抗の変化に現れる特異性は、前記第２抵抗の変化に現れる特異性に比べてそれ程大きくない。
【００２２】
したがって、前記第２抵抗の変化の度合いと前記第１抵抗の変化の度合いとを比較すると、前記第１抵抗の変化は無視することができる。前記第１抵抗の値は変化が現れ、少しの間負の値になっていて、バイアス電圧が０ｍＶになると再びゼロになり、その後バイアス電圧が負電圧になると再び正の値となる。前記第２抵抗も、バイアス電圧が０ｍＶでゼロになっていて、バイアス電圧が負に電圧になるとゼロより若干大きい正の値となる。この状態は、バイアス電圧が負の方向にさらに小さくなってもそのまま保持される。磁性膜構造体３０の前記磁気抵抗の変化は、前記第２抵抗の変化とほぼ同様である。
【００２３】
このように、本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体３０は、０ｍＶと０．１ｍＶとの間のバイアス電圧で、前記第２抵抗が急激に変化する特異性が現れるのに対し、前記第１抵抗は、前記第２抵抗の変化の特異性に相当するほど変化しない。このように、０ｍＶと０．１ｍＶとの間のバイアス電圧で、磁性膜構造体３０の前記磁気抵抗は、図３に示すように、少なくとも２００％以上であり、特に前記第２抵抗の変化に特異性が現れるバイアス電圧では、測定範囲を外れるほどの大きい値となる。磁性膜構造体３０がこのように、大きい磁気抵抗を有することは、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に形成された電位差によるものと考えられる。
【００２４】
本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体３０は、バイアス電圧０．３ｍＶ以下で、十分な磁気抵抗値を得ることができるので、磁性膜構造体３０を備えた半導体装置の消費電力は、大きく減少することになる。
【００２５】
図４は、図３の第１ポイント（Ｐ１）における、磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗の変化を示している。第１ポイント（Ｐ１）で、バイアス電圧は約０．０８８ｍＶ（８８μＶ）であり、磁気抵抗比は、約１９７％である。
図５は、図３の第２ポイント（Ｐ２）における、磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗の変化を示している。第２ポイント（Ｐ２）で、バイアス電圧は、約０．０１６ｍＶ（１６μＶ）であり、磁気抵抗は約−４１％である。
図６は、図３の第３ポイント（Ｐ３）における、磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗の変化を示している。第３ポイント（Ｐ３）で、バイアス電圧は約−０．０８９ｍＶ（−８９μＶ）であり、磁気抵抗は約−１０％である。
図７は、図３の第４ポイント（Ｐ４）における、磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗の変化を示している。第４ポイント（Ｐ４）で、バイアス電圧は約−０．１７１ｍＶ（−１７１μＶ）であり磁気抵抗は約−２％である。
【００２６】
次の表１は、図３を参照して磁性膜構造体３０に印加されるバイアス電圧に対する磁性膜構造体３０の磁気抵抗比を示したものである。
【００２７】
【表１】
2006049901.tif 000003
【００２８】
図８は、磁性膜構造体３０に表１に記載されたバイアス電圧が印加されるとき、外部磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗変化を示している。
図８で、参照シンボル「□」は、磁性膜構造体３０にバイアス電圧６４μｍが印加された状態での外部磁場に対する磁性膜構造体３０の抵抗変化を表し、以下同様に参照シンボル「○」は７０μｍ、参照シンボル「△」は７６μＶである。さらに、参照シンボル「▽」は８８μＶ、参照シンボル「◇」は９８μＶ、参照シンボル「左向きの▲」は１０６μＶ、参照シンボル「右向きの△」は１１７μＶ、残りの参照シンボルのうち中黒の六角形は１２６μＶ、五角形の参照シンボルは１３７μＶである。
【００２９】
図９は、５５μＶのバイアス電圧で、磁気抵抗比が最大約３６０％の磁性膜構造体３０の磁場変化に対する抵抗変化を示している。
図９を参照すると、磁場が０より大きいときに、磁性膜構造体３０の抵抗は最も低く、磁場が０より小さくなると磁性膜構造体３０の抵抗は急増し、最低値よりも６倍以上大きくなることが分かる。
【００３０】
一方、磁性膜構造体３０にバイアス電圧を印加するには、以下の２つの方法がある。
第１の方法は、図１０に示すように、第１強磁性膜４６から下部磁性膜４２に電流が流れるように（実際には、電子は下部磁性膜４２から第１強磁性膜４６に移動する）磁性膜構造体３０にバイアス電圧を印加する。第２の方法は、図１１のように前記の第１の方法と逆である。
【００３１】
図１２および図１３は、磁性膜構造体３０の電圧−電流特性を示している。
図１２は、前記第１の方法によって磁性膜構造体３０にバイアス電圧を印加したときの電圧−電流特性を示し、図１３は、前記第２の方法によって磁性膜構造体３０にバイアス電圧を印加したときの電圧−電流特性を示している。
図１２で、第１ライン（Ｇ１１）は、磁性膜構造体３０の下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが同一であるときに測定した電圧−電流特性を表す。そして、第２ライン（Ｇ２２）は、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが逆であるときに測定した電圧−電流特性を表す。
【００３２】
図１２の第１ラインＧ１１および第２ラインＧ２２を参照すれば、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが同じである場合（以下、第１の場合）、バイアス電圧が０ｍＶのときに電流も０になる。しかし、下部磁性膜４２の磁化方向と第１強磁性膜４６の磁化方向とが逆である場合（以下、第２の場合）、バイアス電圧が０ｍＶのときに電流は０にならない。前記第２の場合で、電流はバイアス電圧が約−０．５０ｍＶのときに０になる。すなわち、前記第２の場合における電流が０になるバイアス電圧は、前記第１の場合に比べてマイナス側に−０．０５０ｍＶ程度シフトする。
磁性膜構造体３０の材料特性は、磁性膜構造体３０を構成する物質や磁性膜構造体３０のサイズや磁性膜構造体３０の温度によって変わる。したがって、前記第２の場合に現れるバイアス電圧のシフト量も、やはり下部磁性膜４２および／または第１強磁性膜４６を構成する物質によって変わり、かつ前記膜４２，４６のサイズおよび／または温度によっても変わる。この事実は、電流が０になるバイアス電圧が右側にシフトする場合を示す図１３においてもそのまま適用できる。
【００３３】
図１３で、第１ライン（Ｇ３１）は、前記第１の場合の電圧−電流特性を示しており、図１２の第１ライン（Ｇ１１）と同一であることが分かる。図１３の第２ライン（Ｇ３２）は、前記第２の場合での電圧−電流特性を示している。図１３の第２ライン（Ｇ３２）を参照すると、磁性膜構造体３０が前記第２の場合にあり、磁性膜構造体３０に、図１０に示したような方法でバイアス電圧が印加されたとき、電流は０ｍＶではなく、それより大きいバイアス電圧、例えば０．０５０ｍＶ（５０μＶ）で０になる。すなわち、電流が０になるバイアス電圧はプラス側にシフトする。結果として、磁性膜構造体３０が前記第２の場合であるときは、バイアス電圧を何れの方法で印加しても、電流が０になるバイアス電圧がシフトする方向が異なるものの、バイアス電圧のシフト現象は現れる。
【００３４】
磁性膜構造体３０が前記第２の場合であるとき、電流が０になるバイアス電圧のシフト現象が現れるのは、磁性膜構造体３０の下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に電気化学的電位によって電位差が生じるためである。すなわち、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に前記電位差が存在する場合、磁性膜構造体３０に０ｍＶのバイアス電圧を印加しても、磁性膜構造体３０の電流は０にならず、前記磁性膜構造体３０から前記電位差に基づいた電流が計測される。
しかし、前記電位差に相当する大きさのバイアス電圧（以下、シフト電圧）を磁性膜構造体３０に印加すると、前記電位差を生ずる下部磁性膜４２の界面および第１強磁性膜４６の界面に存在する電荷が消え、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に電位差が存在しない。すなわち、前記シフト電圧と前記電位差とが相殺されるので、前記シフト電圧で磁性膜構造体３０から計測される電流は０になる。
このように、前記シフト電圧によって、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間の電位差は除去され、磁性膜構造体３０の電流は０になるので、前記シフト電圧はそのままオフセット電圧になる。
【００３５】
磁性膜構造体３０のオフセット電圧は、磁性膜構造体３０が前記第１の場合にあるときに電流が０になるバイアス電圧と、磁性膜構造体３０とが前記第２の場合にあるときに電流が０になるバイアス電圧、すなわち前記シフト電圧との差によって定義される。しかしながら、図１２および図１３に示すように、磁性膜構造体３０が前記第１の場合にあるときに電流が０になるバイアス電圧は、０ｍＶに非常に近いので、０ｍＶとみなすことができる。これにより、前記シフト電圧を磁性膜構造体３０のオフセット電圧とみなすことができる。
【００３６】
磁性膜構造体３０の下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に存在する電位差は、下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間の電気化学的な電位差に起因する。そのため、前記オフセット電圧の測定値は、まさしく下部磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間の前記電気化学的な電位差を直接測定した値と同じになる。
前記オフセット電圧で電流は０になるので、電流、電圧および抵抗の関係式（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）では、抵抗の値は無限大になる。そのゆえ、磁性膜構造体３０が前記第２の場合であるときに、バイアス電圧が前記オフセット電圧に近づくと磁性膜構造体３０の抵抗変化および磁気抵抗変化にそれぞれ特異性が現れる（図３参照）。また、磁性膜構造体３０のオフセット電圧は、磁性膜構造体３０のサイズと関係して変化する。具体的には、磁性膜構造体３０のサイズが大きくなるほどオフセット電圧は小さくなり、サイズがある値以上になると、磁性膜構造体３０の電圧−電流特性には電圧シフト現象が現れない。電圧シフト現象が現れないことは、オフセット電圧が０であることを意味する。
【００３７】
この現象は、図１４から図１７で確認することができる。
図１４から図１７は、磁性膜構造体３０の下部磁性膜４２が第２条件（２０ｍＴｏｒｒ、６００℃）で形成されたものであり、磁性膜構造体３０のサイズが１０μｍ×１０μｍであるとき（図１４）、３０μｍ×３０μｍであるとき（図１５）、５０μｍ×５０μｍであるとき（図１６）および１００μｍ×１００μｍであるとき（図１７）にそれぞれ測定した結果を示している。図１４から図１７で、参照シンボル「□」は、磁性膜構造体３０が前記第１の場合にあるとき測定された電圧−電流特性を表し、参照シンボル「○」は、磁性膜構造体３０が前記第２の場合にあるとき測定された電圧−電流特性を表す。
【００３８】
図１４から図１７を参照して説明すると、磁性膜構造体３０のサイズが１０μｍ×１０μｍであるとき、および３０μｍ×３０μｍであるときには、オフセット電圧は約２７μＶであることが分かる。しかし、前記サイズが５０μｍ×５０μｍになると前記オフセット電圧は、図１６に示すように、約１４μＶと小さくなる。そして、前記サイズが１００μｍ×１００μｍになると、図１７に示すように、オフセット電圧は０μＶとなる。一方、図１の磁性膜構造体３０に抵抗が接続される場合の電圧−電流特性を図１８に示す。図１８を参照すると、磁性膜構造体３０に抵抗が接続された場合にも、前記抵抗体が接続されていないときよりは小さいが、オフセット電圧が現れることが分かる。
【００３９】
次に、前記オフセット電圧の温度依存性について説明する。
理論的に、図１に示した磁性膜構造体３０のオフセット電圧と温度との間に次の数式１が成立する。
【００４０】
【数１】
2006049901.tif 000004
【００４１】
上記の式で、Ｉｅは電子流であり、η、ＡおよびＣは、それぞれスピン偏向電流、断面積および電流度（current degree）である。
数式（１）から、オフセット電圧（Ｖｄ）は、絶対温度（Ｔ）の１／４乗に反比例することが分かる。
【００４２】
本発明者は、磁性膜構造体３０の温度依存性が実際に数式（１）を満足するかどうかを検証するために、磁性膜構造体３０のオフセット電圧をフォノン散乱（phonon scattering）が支配的である５０Ｋから３００Ｋで測定した。その測定結果を図１９に示す。図１９を参照すると、温度（Ｔ）が５０Ｋから３００Ｋの範囲であるときには、オフセット電圧はＴ-1/4に反比例したことが分かる。しかし、残留抵抗効果が支配的である５Ｋでは、反比例しなかった。図１９の結果より、磁性膜構造体３０の温度（Ｔ）が低くても、５０Ｋ〜３００Ｋの範囲内にあるときは、オフセット電圧の温度依存性に関する理論と実験結果は正確に一致することが分かる。
【００４３】
前記の物理的特性を有する図１の磁性膜構造体３０において、ハーフメタル強磁性膜４２と上部磁性膜４５の位置を反転させてもよい。例えば、図２０に示すように、ハーフメタル強磁性膜４２がトンネリング膜４４上に存在し、上部磁性膜４５がトンネリング膜４４下に存在する。このとき、上部磁性膜４５の第１強磁性膜４６がトンネリング膜４４と接触し、第２強磁性膜４８は第１強磁性膜４６下に位置する。
【００４４】
次に、図１の磁性膜構造体３０の製造方法について説明する。
図２１を参照して説明すると、基板３６（例えばシリコン基板）上に薄い絶縁膜３８を形成する。絶縁膜３８は、酸化膜または非酸化膜で形成してよい。基板３６がシリコン基板であるとき、絶縁膜３８はシリコン酸化膜で形成することが好ましいが、必要ならば、他の酸化膜で形成することもできる。前記シリコン酸化膜は、熱成長法で成長させて形成する。絶縁膜３８上にシード層４０を形成する。シード層４０は、下部磁性膜４２の成長を助け、均一な厚さのトンネリング膜４４を形成するために、ハーフメタル強磁性膜４２の表面をさらに滑らかに形成するためのものである。あるいは、下部磁性膜４２を絶縁膜３８の上に直接形成してもよい。下部磁性膜４２は、所定の化合物強磁性膜、例えばハーフメタル強磁性膜で形成されることが好ましい。本製造方法の説明では、下部磁性膜４２をハーフメタル強磁性膜４２として記述する。図１の磁性膜構造体３０が磁気ＲＡＭの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層として使用される場合、ハーフメタル強磁性膜４２は、外部磁場により磁化方向、すなわちスピン分極が変わる自由層として使用される。
【００４５】
次に、シード層４０は、スパッタリング法で形成することが好ましいが、他の積層方法でも形成可能である。シード層４０は、第１シード層４０ａおよび第２シード層４０ｂを順次に積層して形成可能である。シード層４０は、磁性層、非磁性層または磁性層と非磁性層とが結合された層として形成可能である。シード層４０を非磁性層で形成する場合、第１シード層４０ａおよび第２シード層４０ｂは、それぞれ例えばＴａ層およびＲｕ層から形成可能である。この場合、第１シード層４０ａは、例えば４２ｎｍの厚さに形成し、第２シード層４０ｂは、例えば９．５ｎｍの厚さに形成してよい。第１および第２シード層４０ａ、４０ｂを他の物質層で形成する場合、第１シード層４０ａおよび第２シード層４０ｂの厚さは、前記の厚さと異なってよい。
【００４６】
このように、シード層４０を形成した後、シード層４０上にハーフメタル強磁性膜４２を積層する。ハーフメタル強磁性膜４２は下部磁性膜である。ハーフメタル強磁性膜４２は、８０％〜１００％で、かつ上部磁性膜よりも大きいスピン分極率を有する強磁性膜で形成されることが好ましい。このようなハーフメタル強磁性膜４２は、例えばＣｏ2ＭｎＳｉ膜で形成可能である。Ｃｏ2ＭｎＳｉは、ホイスラー合金であるが、バンド構造から推定するとハーフメタル強磁性膜であることがわかる。ハーフメタル強磁性膜４２がＣｏ2ＭｎＳｉ膜である場合には、ハーフメタル強磁性膜４２は、所定の厚さ、例えば４７ｎｍに形成してよい。しかし、ハーフメタル強磁性膜４２がＣｏ2ＭｎＳｉ膜でない他の物質膜である場合には、ハーフメタル強磁性膜４２の厚さは異なってもよい。優れた結晶性を有するハーフメタル強磁性膜４２を形成するために、ハーフメタル強磁性膜４２を形成するときに、基板３６を所定の温度以上、例えば５００℃以上、好ましくは５００℃〜６００℃で形成する。ハーフメタル強磁性膜４２は、低い圧力、例えば５×１０-8ｔｏｒｒ下で形成することが好ましい。ハーフメタル強磁性膜４２は、蒸着の間前記の温度および圧力条件を保持できる蒸着設備、例えばスパッタリング設備で形成可能である。
【００４７】
一方、シード層４０とハーフメタル強磁性膜４２とをスパッタリング法で形成する場合には、シード層４０とハーフメタル強磁性膜４２は、同一のスパッタリング設備で所定の場所に形成可能である。また、ハーフメタル強磁性膜４２を形成するとき、これに関連した変数、例えばＲＦパワーや圧力を調節し、ハーフメタル強磁性膜４２の表面粗度を下げることができる。このようにすることで、ハーフメタル強磁性膜４２上に均一な厚さのトンネリング膜４４を形成することができる。前記のようにハーフメタル強磁性膜４２を形成した後、その上にトンネリング膜４４を形成する。トンネリング膜４４は、酸化膜、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）のようなアルミニウム酸化膜で形成してよく、あるいは非酸化膜で形成してもよい。トンネリング膜４４をアルミニウム酸化膜で形成する場合には、トンネリング膜４４は、１．５ｎｍほどの厚さに形成してよい。しかし、トンネリング膜４４をアルミニウム酸化膜以外の酸化膜または非酸化膜で形成する場合には、トンネリング膜４４を前記と異なる厚さに形成してよい。
【００４８】
また、トンネリング膜４４をアルミニウム酸化膜で形成する場合には、トンネリング膜４４は、シード層４０およびハーフメタル強磁性膜４２と同様に、スパッタリング設備を利用して形成可能である。具体的には、スパッタリング設備で、前記のようにハーフメタル強磁性膜４２を形成した後に、前記スパッタリング設備を常温まで冷却する。その後、冷却した前記スパッタリング設備で、ハーフメタル強磁性膜４２上にＡｌ膜を所定の厚さに蒸着する。次に、前記蒸着されたＡｌ膜をプラズマ酸化工程を用いて酸化させることにより、ハーフメタル強磁性膜４２上にアルミニウム酸化膜が形成される。前記プラズマ酸化工程は、前記スパッタリング設備で実施することが好ましいが、他の設備を利用してもよい。前記プラズマ酸化工程を前記スパッタリング設備で実施する場合、前記スパッタリング設備の内部は、前記酸化工程が完了するまで純粋酸素雰囲気と１５０ｍＴｏｒｒの圧力とを保持する。
【００４９】
このように、トンネリング膜４４を形成した後、トンネリング膜４４上に上部磁性膜４５を形成する。上部磁性膜４５は、下部磁性膜であるハーフメタル強磁性膜４２よりも小さいスピン分極率を有する強磁性膜で形成されることが好ましい。このような上部磁性膜４５は、前記のスパッタリング設備を利用して形成可能であるが、他の蒸着設備を利用することもできる。上部磁性膜４５は、第１強磁性膜４６および第２強磁性膜４８を順次に積層することで形成する。第１強磁性膜４６は、第２強磁性膜４８により磁化方向が所定の方向に固定されている強磁性膜である。第１強磁性膜４６は、ＣｏＦｅ膜で形成可能であるが、他の強磁性物質膜で形成することもできる。第１強磁性膜４６は、使用する物質によってその厚さが異なることもある。例えば、第１強磁性膜４６をＣｏＦｅ膜で形成する場合には、第１強磁性膜４６は、７．５ｎｍの厚さに形成してよいが、他の物質膜で形成する場合には、これより薄く、あるいは厚くてもよい。第２強磁性膜４８は、第１強磁性膜４６の磁化方向を固定させるピン膜である。第２強磁性膜４８は、単一膜または複数膜で形成してよい。第２強磁性膜４８を単一膜で形成する場合には、第２強磁性膜４８は、反強磁性膜を利用して所定厚さに形成可能であるが、例えばＩｒＭｎ膜を利用して１５．５ｎｍの厚さに形成可能である。第２強磁性膜４８を複数膜で形成する場合、第２強磁性膜４８は、導電膜と前記導電膜の上下部に備わった磁性膜を含む反強磁性膜で形成可能である。第１強磁性膜４６の磁化方向は、交換バイアス効果または反強磁性膜を介した層間カップリングにより固定される。
【００５０】
前記のように、上部磁性膜４５を形成した後、上部磁性膜４５の酸化、特に第２強磁性膜４８の酸化を防止するために、上部磁性膜４５上にキャッピング層４９を形成する。キャッピング層４９は、常温に保持されたスパッタリング設備で形成することが好ましいが、他の蒸着設備で形成してもよい。キャッピング層４９を前記スパッタリング設備で形成する場合には、キャッピング層４９は、上部磁性膜４５を形成した後、所定の位置に形成可能である。キャッピング層４９は、例えばＲｕ層を用いて６０ｎｍの厚さに形成してよいが、使われる物質が異なる場合には異なってもよい。
また、前記製造方法において、下部磁性膜であるハーフメタル磁性膜４２と上部磁性膜４５との形成位置を交換することが可能である。その場合、上部磁性膜４５は前記の特性を有するハーブメタル強磁性膜４２になり、ハーフメタル強磁性膜４２は前記の特性を有する上部磁性膜４５になる。
【００５１】
次に、キャッピング層４９上にキャッピング層４９の所定領域を画定する感光膜パターン（Ｍ１）を形成する。キャッピング層４９の感光膜パターン（Ｍ１）により画定された領域のサイズは、１０μｍ×１０μｍ程度が好ましいが、前記のオフセット電圧が観測できるサイズまで拡張してよい。例えば、前記画定された領域のサイズは、３０μｍ×３０μｍまたは５０μｍ×５０μｍ以上まで拡張してよい。また、前記オフセット電圧が観測できるならば、前記画定された領域のサイズは必ずしも正方形である必要はない。したがって、前記画定された領域のサイズの縦方向および横方向の辺の長さは異なることもありうる。さらに、感光膜パターン（Ｍ１）をエッチングマスクとして使用し、感光膜パターン（Ｍ１）周囲のキャッピング層４９をエッチングする。このエッチングは、基板３６が露出されるまで実施する。前記エッチング後に感光膜パターン（Ｍ１）を除去する。これにより、図２２に示したように、基板３６上に図１の磁性膜構造体３０が形成される。
【００５２】
図２３は、前記の製造方法で形成された磁性膜構造体３０の断面を示している透過電子顕微鏡写真である。図２３を参照すれば、トンネリング膜４４が均一な厚さに形成されていることが分かる。
【００５３】
次に、図１の磁性膜構造体３０を備えた半導体装置、特に半導体メモリ装置について説明する。
図２４は、図１の磁性膜構造体３０がＭＴＪ層として使われている本発明の実施形態に係る磁気ＲＡＭ（以下、磁気ＲＡＭ）を示している。
図２４を参照して説明すると、磁気ＲＡＭは、半導体基板７０に導電性不純物がドーピングされた第１不純物領域７２および第２不純物領域７４が形成されている。半導体基板７０の第１不純物領域７２および第２不純物領域７４の間に、チャンネル領域７５が形成されている。第１不純物領域７２はソース領域またはドレイン領域になる。第２不純物領域７４もまた同様である。第１不純物領域７２および第２不純物領域７４間のチャンネル領域７５上に、ゲート積層物７６が形成されている。ゲート積層物７６は、ゲート絶縁膜（図示せず）と、ゲート電極（図示せず）と、ゲートスペーサ（図示せず）とを備える。半導体基板７０と、第１不純物領域７２および第２不純物領域７４と、チャンネル領域７５と、ゲート積層物７６とで、ＦＥＴを構成している。半導体基板７０上に、第１不純物領域７２および第２不純物領域７４と、ゲート積層物７６とを覆う層間絶縁層７８が形成されている。層間絶縁層７８内に第１不純物領域７２を露出させるコンタクトホール８０が形成されている。コンタクトホール８０には、導電性プラグ８２が充填されている。導電性プラグ８２と第１不純物領域７２とは、接触抵抗を下げるためにオーミック接触していることが好ましい。層間絶縁層７８上には、パッド導電層８４が形成されており、該導電層８４は導電性プラグ８２に接続されている。パッド導電層８４は、ゲート積層物７６の上側に広がっている。
【００５４】
パッド導電層８４とゲート積層物７６との間の層間絶縁層７８に、ディジットライン７７が内在している。ディジットライン７７は、後述のＭＴＪ層８６にデータを記録するための磁場を発生させるために用いられる。パッド導電層８４上に、ＭＴＪ層８６が存在する。ＭＴＪ層８６は、ディジットライン７７の上側に形成されていることが好ましい。また、ＭＴＪ層８６は、図１の磁性膜構造体３０であることが好ましい。層間絶縁層７８上にパッド導電層８４とＭＴＪ層８６とを覆う層間絶縁層８８が形成されている。層間絶縁層８８にＭＴＪ層８６が露出されるビアホール９０が形成されている。ビアホール９０は、導電性プラグ９１で充填されている。層間絶縁層８８上に、導電性プラグ９１に接続されたビットライン９２が形成されている。ビットライン９２は、ディジットライン７７と共にＭＴＪ層８６にデータを記録することに用いられる。すなわち、ビットライン９２とディジットライン７７とに流れる電流の方向を調節することにより、ＭＴＪ層８６のハーフメタル強磁性膜（図１の４２参照）の磁化方向を調節できる。前記磁気ＲＡＭは、通常の磁気ＲＡＭ製造工程により形成可能である。ただし、ＭＴＪ層８６は、前記の磁性膜構造体３０の製造方法で形成することが好ましい。
【００５５】
次に、図２４に示した磁気ＲＡＭの動作方法について説明する。このとき、データ貯蔵手段である磁気ＲＡＭのＭＴＪ層８６は、図２０に示したようにハーフメタル強磁性膜４２がトンネリング膜４４上に形成されていることを前提とする。
【００５６】
（書き込み）
図２４を参照して説明すると、ディジットライン７７とビットライン９２とに、所定の方向の電流が流れる。このとき、ディジットライン７７とビットライン９２とから磁場が発生し、かかる磁場（以下、外部磁場）により、ＭＴＪ層８６の自由層であるハーフメタル強磁性膜４２の電子のスピン分極が前記外部磁場方向に整列され、その結果、外部的には、ハーフメタル強磁性膜４２が前記磁場方向に磁化されているように現れる。
図２５は、前記外部磁場の方向が第１強磁性膜４６の磁化方向と同じ方向である場合を示し、図２６は逆である場合を示している。
図２５に図示したように、前記外部磁場によりハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向が第１強磁性膜４６の磁化方向と同一になった場合、本発明の磁気ＲＡＭにデータ「０」が記録されたといえる。
【００５７】
また、図２６に示すように、前記外部磁場によりハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向が、第１強磁性膜４６の磁化方向と逆になる場合、磁気ＲＡＭにデータ「１」が記録される。データ「０」と「１」は、相互に逆方向に記録される。磁気ＲＡＭにデータ「１」が記録された場合、図１の磁性膜構造体３０の説明で述べた理由により、トンネリング膜４４と接する第１強磁性膜４６の界面に正電荷（＋）が集まり、トンネリング膜４４と接するハーフメタル強磁性膜４２の界面に負電荷（−）が集まる。その結果、磁気ＲＡＭにデータ「１」が記録される場合には、ハーフメタル強磁性膜４２と第１強磁性膜４６との間に電位差が生じる。
【００５８】
（読み取り）
図２５に示すように、磁気ＲＡＭにデータ「０」が記録された場合は、トランジスタがターンオンし、ＭＴＪ層８６の抵抗を測定してＭＴＪ層８６に記録されたデータが「０」であることを読み取ることができる。
図２６の状態で、磁気ＲＡＭにデータ「１」が記録された場合は、以下の３種類の方法でＭＴＪ層８６に記録されたデータ「１」を読み取ることができる。第１の方法として、ＭＴＪ層８６の抵抗を測定する。第２の方法として、シフト電圧、すなわちオフセット電圧を測定する。第３の方法として、ハーフメタル強磁性膜４２と第１強磁性膜４６との電位差による電流を測定する。前記第３の方法でデータ「１」を読み取る場合には、前記外部磁場を利用してハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向を第１強磁性膜４６と同じ方向に反転させる。ハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向が第１強磁性膜４６と同じ方向に反転される場合、トンネリング膜４４と接するハーフメタル強磁性膜４２および第１強磁性膜４６の界面に集まっていた電荷がスイッチング素子であるトランジスタを介して流れるようになるので、前記トランジスタの第２不純物領域７４に接続されたセンサアンプにより電流が検出される。ただし、前記第３の方法でデータ「１」を読んだ後には、トンネリング膜４４と接するハーフメタル強磁性膜４２および第１強磁性膜４６の界面で電荷がなくなるので、元来のデータ「１」を保持するために、データ「１」を読んだ後には、ハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向を第１強磁性膜４６の磁化方向と逆方向になるように反転させる。これは、前記外部磁場の方向を反転させることによって行われる。
【００５９】
（消去）
図２４で、スイッチング素子のトランジスタをオフにした後、ハーフメタル強磁性膜４２と第１強磁性膜４６の磁化方向を同一にする。すなわち、ハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向を反転させて第１強磁性膜４６の磁化方向と同一にする。ハーフメタル強磁性膜４２の磁化方向は、ビットライン９２およびディジットライン７７から発生する磁場により反転させることができる。
【００６０】
図１に示した磁性膜構造体３０は、他の半導体装置に適用することも可能である。図２７は、図１の磁性膜構造体３０が磁気ヘッド１００の磁気センサ１１０に使われた例を示している。図２７で、参照番号１２０は、磁性記録体を表し、参照符号Ｄ１からＤ５は、磁性記録体１２０の領域を表す。図２７を参照して説明すると、磁性記録体１２０に記録されたデータを読むために、ヘッド１００の磁気センサ１１０が磁性記録体１２０に近接すると、磁気センサ１１０のハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、磁性記録体１２０の第１から第５ドメイン（Ｄ１、・・・、Ｄ５）の磁化方向に影響される。例えば、磁気センサ１１０のハーフメタル強磁性膜１１０ａの初期磁化方向とピニング膜１１０ｃの磁化方向とが図面上で左側であり、第１から第５ドメイン（Ｄ１、・・・、Ｄ５）の磁化方向がそれぞれ右側、右側、左側、右側および左側の状態であり、磁気センサ１１０が第１ドメイン（Ｄ１）から第５ドメイン（Ｄ５）方向に移動する場合、ハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、第１ドメイン（Ｄ１）上で反転されて右側になる。これにより、磁気センサ１１０の抵抗が増加する。第２ドメイン（Ｄ２）上でハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、右側で保持され、第３ドメイン（Ｄ３）上でハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、左に再び反転される。したがって、ハーフメタル強磁性膜１１０ａが第３ドメイン（Ｄ３）上に位置するとき、磁気センサ１１０の抵抗は低くなる。磁気センサ１１０が第４ドメイン（Ｄ４）上にくるとき、ハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、再び右に反転されて磁気センサ１１０の抵抗は再び増加する。磁気センサ１１０が第４ドメイン（Ｄ４）を過ぎて第５ドメイン（Ｄ５）上にくるとき、ハーフメタル強磁性膜１１０ａの磁化方向は、また左側に反転されるので、磁気センサ１１０の抵抗は低くなる。
【００６１】
このように、磁性記録体１２０の各ドメインの磁化方向によって磁気センサ１１０の抵抗は変化するので、これを利用して磁性記録体１２０の各ドメインの磁化状態、すなわち磁性記録体１２０の各領域に記録されたデータを読み出すことができる。
【００６２】
前記のように、磁性膜構造体は、外部磁場により磁化方向が変わるハーフメタル強磁性膜の磁化方向と、所定の磁化方向に決定された強磁性膜の磁化方向とが逆であるときに、前記２枚の強磁性膜の電気化学的な電位差により、電荷が前記２枚の強磁性膜の対向する面に発生する。これにより、前記２枚の強磁性膜の間に電位差が形成されて、磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線の値だけシフトされる。すなわち、電圧−電流特性曲線でオフセット電圧が観測される。そして、前記オフセット電圧付近で前記磁性膜構造体の磁気抵抗比は急増する。
【００６３】
本発明の磁性膜構造体を利用すれば、低い電圧で高い磁気抵抗比を得ることができる。したがって、この磁性膜構造体を半導体メモリ装置、例えば磁気ＲＡＭに利用することにより、消費電力を低減することができ、さらに高い磁気抵抗比により、データを明確、かつ正確に読み取ることできる。また、磁性膜構造体は、サイズが小さいほど効果が優れるので、本発明の磁性膜構造体が適用された半導体装置（例えばロジック素子）は、集積度が高まり、かつ消費電力が低減する。また、磁性膜構造体は、自身に電位差が存在し、この電位差は、外部磁場によりハーフメタル強磁性膜の磁化方向を、磁化方向が固定されている強磁性膜の磁化方向と逆方向に変えることにより、常に生成可能である。したがって、本発明の磁性膜構造体を集積して充電用バッテリとして使用することができる。
【００６４】
以上、前記の説明で多くの事項を具体的に記載しているが、これらは発明の範囲を限定するものではなく、例示であることに留意されたい。例えば、本発明が属する技術分野の当業者ならば、図１または図２０に示した磁性膜構造体３０をロジック素子、例えばインバータなどに応用できるであろう。また、Ｓｉ以外の他の半導体構成品、例えばＧｅを含むハーフメタル強磁性膜に使用できるであろうし、Ｃｏの代わりに銅を含むハーフメタル強磁性膜にも使用できるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、データ記録および再生に必要な記録媒体が使われる電子製品、例えばコンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ、ＧＰＳ、電子計算機、カムコーダ、デジタルカメラ、デジタル家電製品などに適用可能である、また電源などにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の１実施形態に係る磁性膜構造体の断面図である。
【図２】図１に示した磁性膜構造体に印加されるバイアス電圧が−０．６Ｖ〜＋０．６Ｖまで変化する場合に、前記磁性膜構造体の抵抗の変化を表したグラフである。
【図３】抵抗と磁気抵抗比の非対称性が現れるバイアス電圧（−０．２ｍＶ〜＋０．３ｍＶ）で、図１の磁性膜構造体の抵抗変化を表したグラフである。
【図４】図３の第１ポイント（Ｐ１）で、図１の磁性膜構造体の磁場による抵抗の変化を表したグラフである。
【図５】図３の第２ポイント（Ｐ２）で、図１の磁性膜構造体の磁場による抵抗の変化を表したグラフである。
【図６】図３の第３ポイント（Ｐ３）で、図１の磁性膜構造体の磁場による抵抗の変化を表したグラフである。
【図７】図３の第４ポイント（Ｐ４）で、図１の磁性膜構造体の磁場による抵抗の変化を表したグラフである。
【図８】磁場に対する図１の磁性膜構造体の抵抗の変化を、印加される複数のバイアス電圧をパラメータにして示すグラフである。
【図９】磁場に対する図１の磁性膜構造体の抵抗の変化を、バイアス電圧が５５ｍＶの場合について表したグラフである。
【図１０】図１の磁性膜構造体にバイアス電圧を印加する方法を示した断面図である。
【図１１】図１の磁性膜構造体にバイアス電圧を印加する方法を示した断面図である。
【図１２】図１０に示すようにバイアス電圧が印加された図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性を表したグラフである。
【図１３】図１１に図示すようにバイアス電圧が印加された図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性を表したグラフである。
【図１４】下部磁性膜（ハーフメタル強磁性膜）が第２条件（２０ｍＴｏｒｒ、６００℃）で形成され、サイズが１０μｍ×１０μｍである図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線を表す。
【図１５】下部磁性膜（ハーフメタル強磁性膜）が第２条件（２０ｍＴｏｒｒ、６００℃）で形成され、サイズが３０μｍ×３０μｍである図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線を表す。
【図１６】下部磁性膜（ハーフメタル強磁性膜）が第２条件（２０ｍＴｏｒｒ、６００℃）で形成され、サイズが５０μｍ×５０μｍである図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線を表す。
【図１７】下部磁性膜（ハーフメタル強磁性膜）が第２条件（２０ｍＴｏｒｒ、６００℃）で形成され、サイズが１００μｍ×１００μｍである図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線を表す。
【図１８】抵抗体が接続された図１の磁性膜構造体の電圧−電流特性曲線を表す。
【図１９】図１の磁性膜構造体の絶対温度変化によるオフセット電圧の変化を表したグラフである。
【図２０】図１の磁性膜構造体で、下部磁性膜と上部磁性膜の位置を変えた場合を表した断面図である。
【図２１】図１の磁性膜構造体の製造方法を表した概略断面図である。
【図２２】図１の磁性膜構造体の製造方法を表した概略断面図である。
【図２３】図２１および図２２に示した製造方法で形成された図１の磁性膜構造体のトンネリング膜の厚さ均一性を示している透過電子顕微鏡写真である。
【図２４】図２０の磁性膜構造体がＭＴＪ層として用いられた、本発明の１実施形態に係る磁気ＲＡＭの断面図である。
【図２５】図２４の磁気ＲＡＭで、トンネリング膜の上下部の磁性膜の磁化方向が同じであるＭＴＪ層の断面図である。
【図２６】図２５の磁気ＲＡＭで、トンネリング膜上下部の磁性膜の磁化方向が逆であるＭＴＪ層の断面図である。
【図２７】図１の磁性膜構造体が磁気センサとして使われた例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
３０    磁性膜構造体
４０    シード層
４２    下部磁性膜
４４    トンネリング膜
４５    上部磁性膜
４６    第１強磁性膜
４８    第２強磁性膜
４９    保護用キャッピング膜
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２３】
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