(57)【要約】横方向構造を有し、有機半導体材料の非磁性体スペーサ層３を備えた磁気抵抗装置１１は、追加の電極１９を設けることを可能とする。この電極１９により、スイッチ機能が装置１１内に集積される。好ましくは、導電体層１３、２３は強磁性体層１、２の保護のために設けられている。磁気抵抗装置１１は、ＭＲＡＭ装置として作用するようにアレイ状に集積されるのに適している。
2005501404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体スペーサ層によって相互接続され、磁気抵抗効果をもたらす第１の磁性体層および第２の磁性体層を搭載する基板を備え、
前記第１および第２の磁性体層は、前記基板上で横方向に離隔してパターニングされており、前記スペーサ層は鎖状分子構造を有する半導体材料を含むことを特徴とする磁気抵抗装置。
【請求項２】
前記スペーサ層の材料は、有機半導体材料であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗装置。
【請求項３】
前記スペーサ層の材料は、ナノワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗装置。
【請求項４】
前記第１および第２の磁性体層と前記スペーサ層との間に設けられた導電体層をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗装置。
【請求項５】
前記導電体層と前記スペーサ層との間に設けられたトンネルバリア層をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗装置。
【請求項６】
前記第1および第２の磁性体層は、前記スペーサ層と前記基板との間に設けられていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の磁気抵抗装置。
【請求項７】
前記第１および第２の磁性体層の間に位置付けられた前記スペーサ層の領域内の電荷分布に作用するように設けられ、誘電体層によって前記スペーサ層から離隔された電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗装置。
【請求項８】
前記スペーサ層の有機半導体材料は、該スペーサ層を導電性にするようにドーピングされていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗装置。
【請求項９】
前記第１および第２の磁性体層が強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された磁気抵抗装置からなるアレイを備えた磁気メモリを設けた電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非磁性体スペーサ層によって分離されており、磁気抵抗効果をもたらす第１および第２の磁性体層を搭載した基板を備えた磁気抵抗装置に関する。
【０００２】
本発明は、また、磁気抵抗装置からなるアレイを含む磁気メモリを備えた電子装置に関する。
【背景技術および発明の要旨】
【０００３】
磁気抵抗装置は、ＷＯ−Ａ−００／１００２４により公知である。この装置内の第１の磁性体層は、いわゆるフリー層（free layer）であることが好ましく、第２の磁性体層は、いわゆる固着層（pinned layer）、即ち、反強磁性体層との磁気交換相互作用（magnetic exchange interaction）のために大きな一軸方向の異方性を有する層である。第１および第２の磁性体層は、ともに強磁性体である。フリー層の磁化の向きは、固着層の磁化の向きを変更するために必要とされる磁界の強度よりも弱い強度、好ましくはかなり弱い強度の磁界を与えることによって変更し得る。従って、固着層は、好ましくは、実質的に磁化の向きが固定されており、一方、フリー層の磁化の向きは、外部から与えられた磁界によって極めて容易に変更し得る。フリー層の磁化の向きの変更は、磁気抵抗装置の抵抗を変化させる。この装置で生じる効果は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果またはスピン−トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果のいずれかである。ＧＭＲ効果を利用する装置では、非磁性体スペーサ層が金属である。ＴＭＲ効果を利用する装置では、非磁性体スペーサ層が、例えば、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁物である。このスペーサ層は、第１および第２の強磁性体層の間において電子の量子力学的なトンネリングをかなり大きな確率で可能とする。
【０００４】
これらの磁気抵抗装置の特性は、異なる仕方で利用されている。それらは、発展型ハードディスクの薄膜ヘッドに用いられ得る。また、単体または組み込まれた不揮発性メモリ装置のような磁気メモリ装置が、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果に基づいて構成され得る。このようなメモリ装置の例としては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）装置がある。更なる用途としては、センサ素子がある。このようなセンサは、例えば、アンチブロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）に用いられる。
【０００５】
公知の磁気抵抗装置は、その製造が複雑であることであることにおいて不利である。この装置は、積層構造として、あるいは、横型構造として提供され得る。積層は、スペーサ層がほんの数ナノメートルと非常に薄くなければならないという点で不利である。横型構造は、第１および第２の磁性体層の間の距離が非常に小さく、例えば、ほんの約１０ナノメートルにしなければならない点で不利である。もし、スペーサ層の膜厚がより厚ければ、あるいは、もし、第１および第２の磁性体層の相互距離がより大きければ、測定可能なほどの磁気抵抗効果は得ることができないであろう。
【０００６】
従って、本発明の第１の目的は、スペーサ層がより微小な寸法を有し、最初の段落で言及したような磁気抵抗装置を提供することである。
【０００７】
本発明の第１の目的は、基板上に第１および第２の層がパターニングされかつ横方向に離隔されており、スペーサ層が鎖状分子構造（a chain-like molecular structure）を有する半導体材料を含むことで達成される。
【０００８】
本発明による磁気抵抗装置の第１の特徴は、その横型構造にある。その有利な点は、スペーサ層の膜厚が装置の動作とほとんど関連しておらず、その代わりに、磁気抵抗効果は、第１および第２の磁性体層の間の距離に強く依存していることである。フォトリソグラフィまたは他のリソグラフィ技術（例えば、ソフトリソグラフィ）が所望の距離を得るために用いられ得る。
【０００９】
本発明による磁気抵抗装置の第２の特徴は、そのスペーサ層が鎖状分子構造を有する半導体材料を含むことである。このような鎖状であって主として一次元分子構造において、電荷搬送は近隣の原子と相互作用することによって妨害される。これは、格子内の空孔（vacancies）を介さず、非局在化電子構造を介して最初に生じると考えられる。その結果、スピンの拡散長がより長くなる。これは、磁気抵抗効果を引き起こす電子のスピンが、従来の無機材料の場合よりもずっと長くそれら本来の方向を維持していることを意味する。
【００１０】
これは、第１および第２の磁性体層の間の距離を数ナノメートルよりも大きくし得るという有利な効果を有する。それは、好ましくは、５０〜５００ナノメートルの範囲にあり、特に、約１００ナノメートルであることが好ましい。このような距離は、例えば、電子ビーム（e-beam）リソグラフィを用いて得ることができる。さらに、２つの磁性体層の間に位置付けられたスペーサ層の領域の電気抵抗は、室温における測定可能な磁気抵抗効果を充分に得ることができるほどに小さい。その上限は、鎖状分子構造に用いられる材料のスピン拡散長に依存し、この距離が短いほど、磁気抵抗効果が大きくなる。明確さのために、前述の距離は、第１および第２の磁性体層の互いに対向する側面間の最短距離として決定される。
【００１１】
ＧａＡｓ基板内の電子スピンの転送に関するレポートが、J.M. Kikkawa and D.D. Awschalom, Nature 397, 139(1999)によって発行されている。このレポートは、巨大磁気抵抗システムおよびスピンバルブ（spin-valve）トランジスタに関してこの転送を検討しているが、いずれの磁気抵抗装置をも提供していない。さらに、その転送は、１．６Ｋの温度で研究されており、いずれの集積回路にも利用することができない温度である。さらに、基板としてスペーサ層の存在が他の素子との集積の妨げとなる。本発明による磁気抵抗装置において、半導体が分離層として、好ましくは、製造プロセスの最後において設けられる。よって、標準的なＳｉ技術が製造工程に対して利用可能である。
【００１２】
本発明による装置の利点は、半導体材料が容易かつ比較的安価な別の方法によっても堆積され得ることである。化学気相堆積法（ＣＶＤ）や超高真空内におけるＭＢＥ堆積法のような高価な方法がII−VI族およびIII−V族の半導体に用いられることを要するが、スピンコーティング、ディップコーティングまたは気相堆積が、本発明の任意の半導体材料を堆積するために標準的な条件のもとで用いられてもよい。さらに、半導体材料が、導電性の磁性体層を堆積した後に、最後の機能層として与えられ得る。
【００１３】
本発明による装置の他の利点としては、装置を柔軟（flexible）にすることができることである。液体内でプロセス可能な層である場合、半導体は柔軟であり、柔軟な基板上に堆積させることができる。この装置内の磁性体層は、装置の柔軟性に支障を与えないほどに充分に薄い。設けられる他の層は磁性体層を柔軟にするように選択され得る。
【００１４】
第１の実施形態において、スペーサ層の材料は有機半導体材料である。この材料は、半導体性であり、あるいは、導電性である。有機材料は、一般に用いられる無機材料よりも、スピン偏極転送（spin-polarized transport）に関して好ましい構造および組成を有しているので、この材料は有機である。π−共役有機組織においてｐ−レベル（p-levels）のみが非局在化され、その結果、電荷転送を主として引き起こす。それらの波動関数は、原子核の部分においてゼロであり、最小の超微細相互作用（a minimal hyperfine interaction）につながる。後者は、スピンフリップを引き起こす２つの主なプロセスのうちの１つである。２番目のものは、関連する原子核の質量とともに増加するスピン軌道相互作用（spin-orbit coupling）である。後者は、有機組織において比較的小さく、特に、最も重い原子がＣまたはＮである組織において比較的小さい。しかしながら、有機材料における電荷キャリアは長いスピン拡散長を有し、これは異なる材料の間でかなり変化し得る。
【００１５】
有機半導体材料は、それ自体、公知であり、気相堆積法、スピンコーティング、印刷、および、他の液体プロセス技術によって設けることができる。液体プロセスのために、有機半導体材料は、処理材料として、あるいは、処理促進側鎖（processing-enhancing side chains）の混合物または含有物として与えられ得る。
【００１６】
第２の実施形態では、スペーサ層の半導体材料は、ナノワイヤである。ナノワイヤは、例えば、シリコン、炭素、ＩｎＰ、ＧａＡｓからなり、極細の半導体材料からなるワイヤである。ナノワイヤは、ドーピングされることができ、きわめて優れた半導体特性を示し、それ自体は、Gudliksen et. al, Nature 415(2002), 617-620により公知である。それらは、例えば、ＣＶＤ反応器内で成長させることによって、あるいは、所望の材料からなる半導体基板をエッチングすることによって別々に生成させることができる。
【００１７】
ナノワイヤの好適な形態は、カーボンナノチューブであり、これは低スピン軌道相互作用を有する。
【００１８】
ナノワイヤは、例えば、有機溶媒などの液体内で設けることができ、必要な場合には、電気的手段または化学的手段を用いて位置合わせすることができる。例えば、適切に固着させるために単分子層で位置付けられ、あるいは、モノワイヤがマイクロ流体（microfluidic）搬送によって位置付けられるチャネルで位置付けられる。特に、ナノワイヤによって、一般にはより一層、第１および第２の層は相互に噛合った構造を形成するためにパターニングされ得る。
【００１９】
本発明による磁気抵抗装置の実施形態において、導電体層は磁性体層と非磁性体スペーサ層との間に設けられている。この導電体層は、製造時または製造後に、磁性体層の酸化を防止するために設けられている。このような保護がない場合には、磁性体層の全面が酸化され、それにより、磁性体層とスペーサ層との適切な接触が得られなくなってしまう。適切な接触は接触抵抗を低減させ、また、酸化膜内で別に生じるスピンフリップ散乱（spin flip scattering）をも低減させる。導電体層は、好ましくは、金を含み、プラチナ、タングステン、銅、窒化チタンおよび窒化タンタルなどの他の材料を含んでいてもよい。本実施形態は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびそれらの合金のような非常に酸素に敏感な磁性体層に特に適している。
【００２０】
本実施形態の第１の利点は、横型装置の製造が簡単であることである。半分完成された装置は、磁性体層の破壊という結果をもたらすことなしに、真空環境から取り出すことができる。このことは、磁性体層、スペーサ層および他の層として用いられる異なる種類の材料を堆積するために異なる機械を使用することを可能とする。
【００２１】
本実施形態の第２の利点は、有機材料からなるスペーサ層が任意の種類のコーティングまたは印刷プロセスによって堆積され得ることである。コーティングプロセスの例としては、スピンコーティングおよびディップコーティングがある。印刷プロセスの例としては、インクジェットプリンティングがある。磁性体層の真空中での堆積を印刷と組み合せることは、印刷が真空中で実行できないので、実現可能ではないと思われる。さらに、導電体層なしには、印刷およびコーティングにおいて用いられる溶媒(代表的には有機溶媒)は磁性体層に到達してしまうであろう。これは、磁性体層に悪影響をもたらす。印刷およびコーティングプロセスは、気相堆積法およびスパッタ堆積法以上に、安価で容易に制御できる点で有利である。
【００２２】
他の実施形態においては、トンネルバリア層が磁性体層と導電体層との間に設けられている。これは、有機スペーサ層の抵抗が総抵抗に与える影響が、磁性体層の抵抗がそれに与える影響よりも大きい場合に特に好ましい。これは、システム内において２つの磁性体電極の間のスペーサ層が低導電性を有するところのシステムの一般的なケースに関してE.I. Rashba (Physical Review B62, 16267(2000))によって説明されているように、磁性体層から注入される電流のスピン偏極を改善する。好ましくは、トンネルバリア層は、例えば、１〜３ｎｍの膜厚を有するＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層である。
【００２３】
さらに他の実施形態において、磁性体層は、非磁性体層と基板との間に設けられている。これは、磁性体層がスペーサ層より前に堆積されることを意味する。有機層は一般に様々な化学物質から影響を受け易いので、他の層の一番上の層上にこのような層を堆積することが最も現実的である。例えば、有機層は、磁性体層をパターニングするために一般的に用いられるエッチング組成物から影響を受け易い。
【００２４】
有機半導体材料は、それを導電性材料として作用させるようにドーピングされてもよい。このような材料の具体例としては、ドープトポリ（３、４−エチルレンジオキシチオフェン（3,4-ethylenedioxythiophenes））、ポリアニリンおよびポリアセチレンである。代替的に、導電性パーティクルまたは粒子で満たされたポリマが用いられ得る。有機半導体の具体例としては、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリピロール、ポリチエニレン−ビニレン（polythienylene-vinylenes）、ポリフェニレン−ビニレン（polyphenylene-vinylenes）、ポリフラニレン−ビニレン（polyfuranylene-vinylenes）、これらの組成物のコポリマ、ペンタセン、オリゴチオフェン、ポリアリラミン（polyarylamines）およびテトラアシノキノジメタン−テトラチアフルバリン（tetracyanoquinodimethane-tetrathiafulvalene）のような電荷転送合成物である。代替的に、これらの化合物の置換された誘導体を用いてもよい。適切な置換基の例としては、アルキレンジオキシ群などのアルキルおよびアルコキシ群、並びに、サイクリック群を含む。好適には、置換基群は、１〜１０個の炭素原子からなる炭素鎖を有する。適切かつ好適な材料は、ポリ−３−アルキルチオフェン、ペンタセンおよびオリゴチオフェンを含む。
【００２５】
有利な実施形態において、半導体材料は、ドーピングされており、電極は、第１および第２の磁性体層の間における電荷転送が電極への適切な電圧印加によって変更し得るようにスペーサ層と接触している。本実施形態による磁気抵抗装置は、いわゆるジョンソンスピンスイッチ装置（Johnson spin-switch device）である。
【００２６】
もし、有機半導体材料がドーピングされておらず、または、半導体材料として作用させるために故意にドーピングされていない場合には、電極（“ゲート”）が設けられてもよい。このゲートは、第１および第２の磁性体層の間に位置付けられているスペーサ層の領域内の電荷分布に作用する意図で設けられている。この電極は、誘電体材料から成る層によって有機半導体から分離されている。この電極は、スペーサ層の第１の面または第２の面のいずれの側に設けられていてもよい。
【００２７】
本実施形態において、磁気抵抗装置は、３端子装置であり、電界効果トランジスタに類似する。この装置は、前述の第３の電極を用いてオンまたはオフに切り替えることができる。もし、この装置がオンに切り替えられた場合には、磁気抵抗効果が測定され得る。このスイッチ機能が組み込まれているので、いずれの独立したトランジスタもスイッチとして作用する必要がない。例えば、このようなスイッチは、ＭＲＡＭ装置の動作に必要である。従って、本実施形態によって、個別のトランジスタおよび組立品に対するコストを実質的に低減させることが達成される。
【００２８】
単一の装置に強磁性体および無機半導体材料を組み合せることによって単一の装置にスイッチング機能と磁気抵抗機能とを集積することを目的とする提案は、例えば、Datta and Das (Appl. Phys. Lett. 56, 665(1990))によって公知である。しかしながら、この公知の提案は完全に架空のものである。
【００２９】
第１および第２の磁性体電極を有する１つの磁気抵抗素子からスペーサ層を通して他へ流れるすべてのリークに対処することは、特にゲートを備えた形態において、また、ゲートを有しない形態であっても重要である。よって、有利な実施形態において、有機材料からなるスペーサ層は、これに対処する構造（relief-structured）となっている。スペーサ層の構成は、様々な方法、例えば、光化学的に、あるいは、印刷によって実現され得る。
【００３０】
本発明による装置における磁性体層は、一般には、強磁性体である。しかしながら、磁性体層のうちの少なくとも１層が反強磁性体であることを排除するものではない。
【００３１】
最初の段落で言及した種類の電子装置は、Teharani et al., Journal of Applied Physics, 85(1999), 5822によって公知である。この公知の電子装置は、ＭＲＡＭ装置であり、多数の同一のＧＭＲ素子が、実質的に同一のセルからなるマトリックスの状態になるように基板上に集積されている。このマトリックスは、一般に、ワード線およびビット線と呼ばれる、平行な水平電流線と垂直電流線とを含み、その交差位置に磁気抵抗装置を有する。セルに書き込まれたデジタル情報を読み出すために、特定のセルをアドレス指定する好ましい方法は、水平電流線の端子と垂直電流線の端子との間に電位差を与え、その結果流れる電流を測定することである。測定した電流が２つの関連したラインの交差位置にある磁気抵抗装置を通してのみ流れ、より複雑な（comples）経路を介して他の素子を通過していないことを確実にするために、高いオン／オフ比率（on/off ratio）を有するトランジスタまたはダイオードが各磁気抵抗装置に組み込まれている。
【００３２】
公知の電子装置の不利な点としては、個々のダイオードまたはトランジスタが必要であるために、ＭＲＡＭの製造コストが比較的高くなることである。本発明の第２の目的は、磁気抵抗装置が簡単に集積され、最初の段落で記載したような電子装置を提供することである。
【００３３】
本発明の第２の目的、即ち、改良型磁気メモリを備えた電子装置を提供することは、本発明による磁気抵抗装置が提供されることで実現される。この電子装置は、本発明による個々の磁気抵抗装置の総ての利点および特に低廉な製造コストという利点を持つ。さらに、本発明による磁気抵抗装置は柔軟にすることができる。従って、本発明による磁気抵抗装置は、携帯型で、柔軟性のあるかつ高価でない電子装置に用いるのに非常に適している。これらの具体例としては、スマートカード、トランスポンダなどである。
【００３４】
公知の電子装置において、ワード線およびビット線が個々の磁気抵抗装置をアドレス指定するために必要である。これらの互いに交差するワード線およびビット線のうち、一方は、磁気抵抗装置の下に存在し、他方はその上に存在し、例えば、スペーサ層の第１の面および第２の面に存在する。しかしながら、ワード線およびビット線の両方が基板内に存在すれば有利である。このような基板は、多層セラミック基板または多層積層板でよい。代替的には、それは、集積回路内にまたは表面に設けられた多層相互接続構造である。当業界における当業者によって理解されるように、本発明のＭＲＡＭは、ワード線およびビット線の隣に、または、それに代えて他の配線を含めてもよい。この具体例としては、P.K. Naji et al., Proceedings of the IEEE International Solid-State Circuits Conference, p.122-123 (2001)に記載された離散的なトランジスタおよび離散的な磁気抵抗装置を有する手段である。
【００３５】
本発明による磁気抵抗装置にはゲート電極が設けられていることが好ましい。しかしながら、これは必須ではない。その横型構造のために、磁気抵抗装置は、有効な方法で半導体装置の相互接続構造内に組み込まれ得る。
【００３６】
本発明による磁気抵抗装置のこれらおよび他の特徴は、以下に記載されている実施形態に関して解明され、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図面は、模式図であり、スケールどおりには記載されていない。また、総じて、類似の構成要素には同様の参照番号が付されている。第１の強磁性体層１がフリー層であり、第２の強磁性体層２が固着層である装置が実施形態として提供されている。しかしながら、磁気抵抗装置の分野における当業者に知られる他の実施形態も実施可能である。これらの実施形態は、当業者にとって既知の技術によって、本発明のシステム内に集積され得る。例えば、総てのセンサシステムやデータ格納システムが、チップ上に形成されまたは堆積された磁気抵抗装置の層（layers）を有する１つの半導体集積回路に組み込まれ得る。前述の層は、ＩＣの製造工程の終段階で形成または堆積されることが好ましい。この終段階において、ＩＣの部分は平坦化され、その上に強磁性体層が成長され、または、堆積される。有機材料からなる非磁性体スペーサ層が堆積される。信号処理ロジック回路を含むＩＣの部分へ磁気抵抗装置の信号を転送するために、ボンディングによるまたは構造を介した適切な接続が形成されている。本発明による代替的な、均等な実施形態が、本発明の真の範囲から逸脱することなく着想かつ実施化することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されることは当業者にとって明らかである。
【００３８】
図１は、従来の磁気抵抗装置１０を模式的に示した断面図である。公知の磁気抵抗装置１０は、第１のフリー強磁性体層１、金属製非磁性体スペーサ層３、第２の固着された強磁性体層２および反強磁性体材料からなる固定層５からなる積層を備え、この積層１０は、基板４（例えば、グラス、シリコンなどの半導体材料またはＡｌ２Ｏ３などのセラミック材料）上に設けられている。
【００３９】
第１および第２の強磁性体層１、２は、公知の方法で形成することができる。これらは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの合金などの強磁性金属を含む。代替的に、これらは、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｆｅ３Ｏ４またはＣｒＯ２などの半金属強磁性体を含んでいてもよい。好ましくは、第１の強磁性体層は固着され、第２の強磁性体層はフリーである。適切な固着をもたらすために、固着された強磁性体層は、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−ＭｎまたはＮｉＯなどの反強磁性体材料からなる固定層、あるいは、Ｔｂ−Ｆｅなどの強磁性体層とバイアス交換（exchangebiased）されることが好ましい。代替的に、人工的反強磁性体（an artificial antiferromagnet）（一般にＡＡＦとよばれている）が固着強磁性体層として設けられてもよい。このＡＡＦは、材料選択および層の膜厚によって、強磁性体層の磁化方向が外部磁場なしに逆平行となるように交換結合を有する非磁性体層および強磁性体層を交互に備えた層構造である。第２の強磁性層（Ｆ２）を固定するさらにより好ましい構造は、反強磁性体層（ＡＦ）およびＡＡＦの組合せである。ＡＡＦは、非強磁性体スペーサ層によって分離されたその２つの強磁性体層から成ることが好ましく、非強磁性体スペーサ層はこれら２つの層を反強磁性的に強く結合させる。即ち、この層構造は、ＡＦ／ＡＡＦ／Ｆ２である。
【００４０】
ＧＭＲ効果により、電極の磁化が平行または逆平行となる構成における抵抗は異なる。ＧＭＲ装置の業界における当業者に知られているように、記憶状態（‘１’または‘０’）は磁気抵抗装置の抵抗を測定することによって決定することができる。この目的のために、読出しまたは検出電流Ｉｒと印加電圧との関係が測定される。
【００４１】
図２は、本発明による磁気抵抗装置の第１の実施形態を模式的に示す断面図である。本発明において、非磁性体スペーサ層３は第１の面３１および反対側に第２の面３２を有し、その第１の面３１において、スペーサ層はフリー強磁性体層１および固着された強磁性体層２と接触しており、その両方の強磁性体層１、２はパターニングされている。磁気抵抗装置１１は、横型構造である。この特定の実施形態において、基板４は、スペーサ層３の第２の面３２側に存在している。非磁性体スペーサ層は有機半導体材料から形成されている。Ｉｒ−Ｍｎからなる反強磁性体固着層２９は第２の強磁性体層２の上面に設けられている。
【００４２】
具体例として、磁気抵抗装置１１は、ポリイミドからなる基板４と、約１０ナノメートルの膜厚および約５００×２０００ナノメートルの大きさを有し、合金Ｃｏ９０Ｆｅ１０（以下単に、ＣｏＦｅという）からなるフリー強磁性体層１と、７〜５０ナノメートルの膜厚を有するポリチエニレン−ビニレンからなる非磁性体スペーサ材料３と、約１０ナノメートルの膜厚および約５００×２０００ナノメートルの大きさを有するＣｏＦｅからなる固着強磁性体層２とを備えている。フリー強磁性体層１と固着強磁性体層２との間の距離９は、２００ナノメートルである。
【００４３】
この装置は、基板４上にポリチエニレン−ビニレンの前駆体ポリマからの非磁性体スペーサ層３をスピンコーティングし、それをポリチエニレン−ビニレンに変換することによって製造される。この堆積および変換は、有機ディスプレイや有機トランジスタのような有機デバイスの分野における当業者に知られている。続いて、スペーサ層３を有する基板４は、磁性体スパッタリング装置内に導入され、約１０−７Ｔｏｒｒの気圧の中で、まず３ｎｍの厚さのＡｕ層が、次に、ＣｏＦｅ層が０．２ｎｍ／ｓの堆積速度で蒸着される。次に、レジスト層が堆積され、そのレジスト層は、露光／イリディエート（irridiated）され、現像される。ＣｏＦｅ層は、パターンに従ってエッチングされ、これにより、第１の強磁性体層１を形成する。続いて、他のＣｏＦｅ層およびＩｒ−Ｍｎ層が蒸着される。これらの層は、第２の強磁性体層２および固定層２９を形成するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングされる。希硫酸（dilute sulphuric acid）のような酸性物質がそのエッチング工程に適している。
【００４４】
代替的に、例えば、市販されているノボラックフォトレジストＨＰＲ５０４のようなレジスト層を、ポリチエニレン−ビニレンからなるスペーサ層３上にスピンコーティングしてもよい。ノボラックレジスト層は、５０ｎｍの膜厚のドライフィルムを生成するために１分間１００℃に熱する。次に、ノボラックは、ＵＶ光線に曝されることによってパターニングされ、開口部を生成するために塩基水溶液ＰＤ５２３を用いて現像する。続いて、基板４の構造、スペーサ層３およびノボラックパターンは、ＣｏＦｅ層を堆積するためにスパッタリング装置へ搬送され、そこで第１および第２の強磁性体層１、２を形成する。そのＣｏＦｅの上に、端子を提供するためにＣｕが堆積される。Ｃｕの堆積後、ノボラック上の過剰のＣｏＦｅおよびＣｕが、そのノボラックを洗浄することによって除去される。代替的に、その構造は研磨されてもよい。
【００４５】
図３は、本発明による磁気抵抗装置の第２の実施形態を模式的に示した断面図である。この特定の実施形態において、強磁性体層１、２および基板４は、スペーサ層３の第１の面３１側に設けられている。保護コーティング膜１５は第２の面３２側に設けられている。
【００４６】
強磁性体層１、２は基板４上に設けられている。基板４は、コンタクトをも含み、そのコンタクトによって磁気抵抗装置は電力供給源に接続されている。金からなる導電性コーティング膜１３が、スペーサ層の第１の面３１において、強磁性体層１、２の両方の表面上に３ｎｍの膜厚で設けられている。導電性コーティング膜１３は、１０−７Ｔｏｒｒの気圧中でスパッタ堆積法を用いて堆積される。このコーティングは、空気または他の酸化剤による酸化から強磁性体層１、２を保護する。導電性コーティング膜１３の上面上において、非磁性体スペーサ層３は７〜５０ｎｍの膜厚で設けられる。本実施形態において、スペーサ層３は、有機半導体材料ポリ−３−ヘキシルチオフェンを含む。絶縁層１４および保護ブラックコーティング膜１５がスペーサ層３の第２の面３２側に設けられている。保護ブラックコーティング膜１５は、酸素および光の影響から有機半導体材料を保護する。この保護ブラックコーティング膜１５は、例えば、カーボンインクを含む。
【００４７】
この装置の製造において、基板４を含む構造、パターニング前の層１、２を含む強磁性体層、および、導電性コーティング層１３は、低圧環境から取り出される。有機材料からなるスペーサ層３、ポリイミドなどからなる絶縁層１４、および、保護ブラックコーティング膜１５が、次に、その上に堆積される。
【００４８】
図４は、本発明による磁気抵抗装置の第３の実施形態を模式的に示す断面図である。この特定の実施形態において、“ゲート”電極１９は、第１および第２の強磁性体層１、２の間に位置付けられているスペーサ層３の領域内の電荷分布に作用するように設けられている。本実施形態において、スペーサ層は、ドーピングされておらず、または、意図的にドーピングされていない。この特定の実施形態において、基板４は、スペーサ層３の第２の面３２側に存在する。ゲート電極１９は、基板４とスペーサ層３との間に設けられている。ゲート電極１９は、誘電体層１８によってスペーサ層３から分離されている。第１および第２の強磁性体層１、２は、スペーサ層３の第１の面３１側に設けられている。第１および第２の強磁性体層１、２は、導電体層１３、２３によってスペーサ層３および基板４から保護されている。第１の強磁性体層１は、ワード線２５に接続されている。第２の強磁性体層２は、グランド線２４に接続されている。グランド線２４およびワード線２５は、好ましくは、相互に直交する方向へ延在している。これらは、複数の磁気抵抗装置１１とともにアレイ状に設けられている。ゲート電極１９は、基板４を介してビット線に接続されている。グランド線２４とワード線２５との間の空間は、寄生容量結合を制限するために、低誘電率を有する誘電体材料によって充填されている。
【００４９】
図５は、本発明による磁気抵抗装置の第４の実施形態を模式的に示した断面図である。この特定の実施形態において、ゲート電極１９は、第１および第２の強磁性体層１、２の間に位置付けられたスペーサ層３の領域内の電荷分布に作用するように設けられている。本実施形態において、スペーサ層は、ドーピングされておらず、または、意図的にドーピングされていない。本実施形態において、強磁性体層１、２および基板４は、スペーサ層３の第１の面３１側に設けられている。ゲート電極１９は、スペーサ層３の第２の面３２側に設けられている。ゲート電極１９は、誘電体層１８によってスペーサ層３から保護されている。強磁性体層は、導電体層１３、２３によってスペーサ層３および基板４から保護されている。トンネルバリア層２１は、導電体層１３と強磁性体層１、２との間に設けられている。トンネルバリア層２１は、１．５ｎｍの膜厚を有する。導電体層１３は、３ｎｍの膜厚を有する。導電体層２３は、２０ｎｍの膜厚を有する。これは、保護膜としてのみ機能するだけでなく、ビア２６および相互接続配線２５へのコンタクトパッドとしても機能する。第１の強磁性体層１は、基板４中またはその表面上に設けられたワード線２５に接続されている。第２の強磁性体層２は、基板４内の直交相互接続配線領域２６を介してグランド線２４に接続されている。グランド線２４およびワード線２５は、好ましくは、互いに直交する方向に延在している。それらは、複数の磁気抵抗装置１１とともにアレイ状に設けられている。ゲート電極１９はビット線に接続されている。ゲート電極１９とグランド線２４との間の空間は、誘電体材料によって充填されている。
【００５０】
さらに他の実施形態（図示せず）において、ゲート電極１９、並びに、グランド線２４およびワード線２５への接続が総て基板４内に設けられており、この場合において、本実施形態は多層相互接続構造である。相互接続構造は、表面において複数のトランジスタが定められた半導体基板、特に、シリコン基板上に設けられている。絶縁層１４および保護コーティング層１５は、スペーサ層３上に設けられている。絶縁層１４は、保護膜としても作用する。保護コーティング膜は、例えば、エポキシ樹脂からなる従来のＩＣパッケージによって被覆される。
【００５１】
要するに、本発明は、追加の電極を設けることを可能とする有機半導体材料からなる非磁性体スペーサ層を備え、横型構造を有する磁気抵抗装置を提供する。この電極によって、この装置にスイッチング機能が与えられる。好ましくは、導電体層は、強磁性体層（１、２）の保護膜として設けられている。磁気抵抗装置はＭＲＡＭ装置として作用するためにアレイ状に集積されるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術に従った磁気抵抗装置を模式的に示す断面図。
【図２】本発明による第１の実施形態を模式的に示す断面図。
【図３】本発明による第２の実施形態を模式的に示す断面図。
【図４】本発明による第３の実施形態を模式的に示す断面図。
【図５】本発明による第４の実施形態を模式的に示す断面図。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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