(57)【要約】【課題】  半導体素子を用いずに、強磁性金属膜を用いて、ゲート電圧の印加により電流を確実に制御することができる、高性能の３端子素子を提供する。【解決手段】  強磁性金属膜と、前記強磁性金属膜の上に誘電体膜を介してゲート電極が配置された積層構造を備える３端子素子であって、ゲート電極は、ギャップを挟んで周期的に配置され、強磁性金属膜の誘電体膜側の界面における垂直磁気異方性が、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で異なる変調構造を有する。変調構造は、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で、強磁性金属膜の膜厚を変調させることや、強磁性金属膜の誘電体膜側の界面の周期的変調構造により、実現する。【選択図】図１
2019096800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性金属膜と、前記強磁性金属膜の上に誘電体膜を介してゲート電極が配置された積層構造を備え、
前記ゲート電極は、ギャップを挟んで周期的に配置され、
前記強磁性金属膜の前記誘電体膜側の界面における垂直磁気異方性が、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で異なる変調構造を有することを特徴とする、３端子素子。
【請求項２】
前記強磁性金属膜の膜厚が、前記ゲート電極下の領域と前記ギャップ下の領域で異なることを、特徴とする請求項１記載の３端子素子。
【請求項３】
前記強磁性金属膜は、前記誘電体膜側の界面において、前記ゲート電極下の領域と前記ギャップ下の領域で異なる材料の膜と接することを特徴とする、請求項１又は２記載の３端子素子。
【請求項４】
前記ゲート電極下の領域において、前記強磁性金属膜は前記誘電体膜と接し、前記ギャップ下の領域において、前記強磁性金属膜は第１の介在膜と接することを特徴とする、請求項３項記載の３端子素子。
【請求項５】
前記ゲート電極下の領域において、前記強磁性金属膜と前記誘電体膜の間に、第２の介在膜を有すること特徴とする、請求項３項記載の３端子素子。
【請求項６】
前記強磁性金属膜は、前記ギャップ下の領域に位置するイオンインプランテーション領域を備えることを特徴とする、請求項１又は２記載の３端子素子。
【請求項７】
前記ギャップに、少なくともゲート電極を互いに絶縁分離する分離領域を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の３端子素子。
【請求項８】
前記強磁性金属膜は、ナノワイヤであり、周期的に並ぶ複数のゲート電極と交差することを特徴とする、請求項１記載の３端子素子。
【請求項９】
前記強磁性金属膜に電流を流すためのソース端子とドレイン端子を備えることを特徴とする、請求項１記載の３端子素子。
【請求項１０】
周期的に配置された隣合うゲート電極に、交互に極性の異なる電圧を印加することを特徴とする、請求項１記載の３端子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング機能等に適する、強磁性金属膜を用いた３端子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トランジスタはデータ処理回路の主たる構成要素であり、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（以下、「ＭＯＳＦＥＴ」ともいう。）が集積回路に多用されている。図１５に、ＭＯＳＦＥＴの模式図を示す。図１５のＭＯＳＦＥＴは、ｐ−Ｓｉ基板１１と、金属酸化物からなるゲート誘電体１４と、ゲート電極１５と、ドレイン電極１３の金属層と、ドレイン電極下の高濃度ドープＳｉ層１２（ｎ＋＋）と、ソース電極１６と、ソース電極下の高濃度ドープＳｉ層１７（ｎ＋＋）とを備える。ゲート電極下とソース／ドレイン電極下の電気伝導性のタイプが異なるので、ソース電極とドレイン電極の間にはバリア（障壁）があり、ゲート電圧なしの状態で、電流はソースからドレインへ流れない。ゲート電圧が印加されると、電子型の電気伝導性がゲート下に形成されて、ソースとドレイン間に電流が流れる。このように、ゲート電圧は、ソースとドレイン間の電流をオン／オフ切り替えることができる。
【０００３】
強磁性金属を用いた素子として、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用する素子が知られている。ＧＭＲ効果は、強磁性金属の、隣接する２つの領域の抵抗は、これらの領域の相互の磁化方向に依存する、という事象である。
【０００４】
図１６に、強磁性金属ワイヤ２０を用いた素子を示す。強磁性金属ワイヤ中の磁化は、ドメイン（磁区）に分けられ、各ドメインの磁化方向は、独立して変更できる。図中の矢印は、強磁性金属ワイヤのそれぞれの磁区の磁化方向を示す。磁化方向が全ての磁区内で同じであるとき、強磁性金属ワイヤの抵抗は低く（（ａ）（ｂ）参照）、隣接する磁区の磁化方向が互いに逆方向であるとき、抵抗は高い（（ｃ）（ｄ）参照）。
【０００５】
スピン軌道相互作用は、電子スピンと電子軌道角運動量の相互作用としてよく知られている。スピン軌道相互作用は、相対論的（光速に近い速度で移動する）効果であり、電子が電場内を移動するときに、電子に有効磁場を与える。電子は、原子核の電子軌道を回るときに非常に強い電場を受ける。電子が、高速度で原子核に非常に接近するよう移動するので、スピン軌道相互作用は、非常に強い磁場を誘起することができる。電子軌道が球状の場合、スピン軌道相互作用に基づき発生した磁場は、互いに完全に相殺しあうので、全体として電子はいかなる磁場も受けない。電子軌道が球状とは異なる場合、電子は、スピン軌道相互作用による強い磁場を受ける。スピン軌道相互作用による有効磁場（以下「スピン軌道相互作用により誘起された磁場」を「有効磁場」ともいう。）は、印加磁場より非常に強い。
【０００６】
図１７は、スピン軌道相互作用を説明する図である。図中（ａ）のように、スピン軌道相互作用による誘起された磁場Ｈｅｆｆは、膜面垂直方向に働く。そのため、外部磁場Ｈが膜面垂直方向に印加された場合は、正味の磁場は、外部磁場とスピン軌道相互作用による磁場の和となり、従って、外部磁場が増強される効果を生じさせる。ここで、スピン軌道相互作用に起因して発生する磁場は外部磁場と比較して非常に大きい。図中（ｂ）のように、外部磁場Ｈが膜面内方向に印加された場合は、スピン軌道相互作用による磁場方向が外部磁場Ｈ方向と異なるため、上記の外部磁場増強効果は生じない。このように、有効磁場は、電子軌道の変形方向に沿ってより強く（（ａ）参照）、変形方向に対して垂直な有効磁場はほぼ無い（（ｂ）参照））。
【０００７】
スピン軌道相互作用は、強磁性膜の磁化方向を膜平面に対して垂直方向に向ける。その効果は、垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  （ＰＭＡ））と呼ばれる。スピン軌道相互作用がなければ、いかなる強磁性膜の磁化も面内となる。磁化方向が膜面に対して垂直であるとき、反磁場は磁化を膜面内に向けるように働く。
【０００８】
スピン軌道相互作用は、２つのタイプの垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を引き起こす。２つのタイプとは、（１）界面異方性（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−ｔｙｐｅ）と、（２）バルク異方性（ｂｕｌｋ−ｔｙｐｅ）である。なお、バルクとは、界面と接しない物質本体をいう。
【０００９】
界面異方性の場合、界面における強磁性金属膜側の単原子層の電子軌道は、変形し、この層の電子のみが、強いスピン軌道相互作用を受ける。強磁性金属膜のバルク内の軌道は、変形されないため、スピン軌道相互作用を何ら受けない。界面における軌道は、膜のバルク内における軌道とは、異なる変形をする。その理由は、界面において、原子は、異なる材料の被覆層や基板の原子とボンドするからである。界面におけるボンドは、膜内のボンドとは著しく異なっている。結果として、これらの軌道は互いに異なった変形をする。界面異方性の場合、垂直磁化は膜厚が非常に薄いときのみに発生する。その理由は、薄い膜の場合においてのみ、界面の磁気異方性エネルギーが、支配的になるからである。
【００１０】
図１８は、垂直磁気異方性のうち（１）界面異方性の場合について説明する図である。図１８（ａ）は、膜の厚み方向の断面における電子軌道の形を説明する図である。図中、強磁性金属膜３０の一方の面に非磁性誘電体保護膜３１、他方の面に非磁性誘電体基板３２を有する場合である。楕円は、強磁性金属膜内の電子軌道を示す。誘電体と直接接している強磁性原子層の電子軌道のみが、膜面直方向に変形されている。図１８（ｂ）に示すように、強磁性金属膜の垂直磁気異方性エネルギー（減磁エネルギーを含む）は、膜厚の関数である。所定値より厚い膜の磁化方向は、面内である。所定値より薄い膜の磁化方向は、面に垂直である。
【００１１】
図１９は、垂直磁気異方性のうち（２）バルク異方性について説明する図である。バルク異方性の場合は、強磁性金属のバルク内の原子軌道の変形により生じる。バルク異方性は、膜内のストレスや成長方向に沿う結晶異方性に起因する。図１９（ａ）は、膜の厚み方向の断面における電子軌道の形を説明する図である。図１９（ａ）は、強磁性金属膜３０の一方の面に非磁性誘電体保護膜３１、他方の面に非磁性誘電体基板３２を有する場合である。誘電体と直接接している強磁性原子層を除いて、電子軌道は膜面内方向に沿って変形されている。図１９（ａ）に示すように、バルク異方性の場合、しばしば、界面の軌道が変形せず、スピン軌道相互作用を受けない。図１９（ｂ）に示すように、強磁性金属膜の垂直磁気異方性のエネルギー（減磁エネルギーを含む）は、膜厚の関数である。所定値より厚い膜の磁化方向は、面に垂直である。所定値より薄い膜の磁化方向は、面内である。その理由は、厚い膜の場合のみ、バルクの磁気異方性が支配的になるからである。
【００１２】
図２０及び図２１は、強磁性金属における垂直磁気異方性の電圧制御の原理を説明する図である（特許文献１、非特許文献１、２参照）。ゲート電極４２と、非導電性の非磁性誘電体４１と、強磁性金属４０とからなる積層構造の場合である。楕円は、非導電性の非磁性誘電体４１との界面における強磁性金属４０の電子軌道を示す。矢印は、強磁性金属内の磁化方向を示す。非導電性の非磁性誘電体の横に、印加電圧の極性を示す。
【００１３】
図２０は、強磁性金属の磁化が面内である場合である。図２０（ａ）は、印加電圧なしの場合であり、無磁場中での磁化の方向は面内である。原子軌道は変形されていない。またスピン軌道相互作用はない。図２０（ｂ）は、ゲート電極４２と強磁性金属４０との間に電圧を印加することにより、電圧が非導電性の非磁性誘電体４１に印加された場合である。強磁性金属４０の境界における電子は、ゲート電極４２に引き付けられ、電子軌道は、ゲート電極４２に向かって伸びる楕円となる。スピン軌道相互作用のため、強磁性金属の磁化は面に垂直になる。即ち、非導電性の非磁性誘電体４１と接する強磁性金属４０のトップ層のみが、電界を受け、トップ層のみにおいて、軌道が変形し、この層のみが、強いスピン軌道相互作用を受ける。もし、強磁性金属４０が十分薄い（図１８参照）ならば、磁化は面に垂直方向へ回転する。
【００１４】
図２１は、強磁性金属の磁化が面に垂直である場合である。図２１（ａ）は、印加電圧なしの場合である。スピン軌道相互作用により、強磁性金属の電子軌道は誘電体との界面で変形され非球形となる。この非球形の電子軌道が垂直磁気異方性を誘起するので、磁化の方向は面に垂直である。図２１（ｂ）は、ゲート電極４２と強磁性金属４０との間に電圧を印加することにより、電圧が非導電性の非磁性誘電体４１に印加された場合である。強磁性金属／非導電性非磁性誘電体界面の電子軌道が球形に近づくため、スピン軌道相互作用を減少させ、強磁性金属の磁化は面内になる。
【００１５】
界面垂直磁気異方性を有する強磁性層の場合、磁化方向は電圧印加により面内に向く。電圧で誘起された磁気異方性が、誘電体と強磁性金属の材料に依存し、界面におけるこれらの結合（ボンド）のタイプに、強く依存する、ということに、注目すべきである。例えば、実験的に計測された論文（非特許文献２参照）によれば、Ｆｅ：ＭｇＯ膜の電圧誘起磁気異方性は、図２０と図２１に示される電圧誘起磁気異方性の極性に対して逆の極性を有している。電圧誘起磁気異方性の極性は、強磁性金属／誘電体の界面、これらの材料及びこれらの結合のタイプに依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際公開２００９／１３３６５０
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】T.Maruyama et al., Nature Nanotechnology, vol 4, March, 2009 158-161.
【非特許文献２】T. Nozaki,et al., Phys. Rev. Applied 5, 044006 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
近年、集積回路のさらなる高密度化が望まれている。高密度化のためには、トランジスタのサイズを縮小する必要があるが、ＭＯＳＦＥＴのサイズはほぼその限界に達している。その理由の一つは、ソースとドレイン電極面積の更なる縮小が困難であるためである。金属と半導体間の単位面積当たりの接合抵抗は、界面付近の半導体側に必然的に形成される空乏層によりある特定値以下にすることが物理的に困難である。従って、トランジスタ動作に要求されるソース・ドレイン電極の接合抵抗を確保するためには、その接合面積の縮小には必然的な限界があり、このことが現行トランジスタの微細化の障害となっている。
【００１９】
ＭＯＳＦＥＴの高性能化を妨げるもう一つの要因は、単結晶半導体からのみ作製可能であるということである。ＭＯＳＦＥＴの動作にとって、ゲート下の半導体領域は非常に高い電子移動度を有する必要がある。単結晶半導体のみが十分に大きい電子移動度を有する。単結晶半導体の使用が避けられないことは、ＭＯＳＦＥＴの３次元集積化の可能性を制限する。
【００２０】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、ゲート電圧の印加により電流を制御することができる３端子素子を提供することを目的とする。また、半導体素子を用いないで、従来のＭＯＳＦＥＴと同様の機能を有する３端子素子を提供することを目的とする。また、本発明は、強磁性金属膜の磁気異方性を利用して、スイッチング等の３端子素子の機能を可能とする素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
（１）  強磁性金属膜と、前記強磁性金属膜の上に誘電体膜を介してゲート電極が配置された積層構造を備え、前記ゲート電極は、ギャップを挟んで周期的に配置され、前記強磁性金属膜の前記誘電体膜側の界面における垂直磁気異方性が、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で異なる変調構造を有することを特徴とする、３端子素子。
（２）  前記強磁性金属膜の膜厚が、前記ゲート電極下の領域と前記ギャップ下の領域で異なることを、特徴とする前記（１）記載の３端子素子。
（３）  前記強磁性金属膜は、前記誘電体膜側の界面において、前記ゲート電極下の領域と前記ギャップ下の領域で異なる材料の膜と接することを特徴とする、前記（１）又は（２）記載の３端子素子。
（４）  前記ゲート電極下の領域において、前記強磁性金属膜は前記誘電体膜と接し、前記ギャップ下の領域において、前記強磁性金属膜は第１の介在膜と接することを特徴とする、前記（３）記載の３端子素子。
（５）  前記ゲート電極下の領域において、前記強磁性金属膜と前記誘電体膜の間に、第２の介在膜を有すること特徴とする、前記（３）記載の３端子素子。
（６）  前記強磁性金属膜は、前記ギャップ下の領域に位置するイオンインプランテーション領域を備えることを特徴とする、前記（１）又は（２）記載の３端子素子。
（７）  前記ギャップに、少なくともゲート電極を互いに絶縁分離する分離領域を有することを特徴とする、前記（１）又は（２）記載の３端子素子。
（８）  前記強磁性金属膜は、ナノワイヤであり、周期的に並ぶ複数のゲート電極と交差することを特徴とする、前記（１）記載の３端子素子。
（９）  前記強磁性金属膜に電流を流すためのソース端子とドレイン端子を備えることを特徴とする、前記（１）記載の３端子素子。
（１０）  周期的に配置された隣合うゲート電極に、交互に極性の異なる電圧を印加することを特徴とする、前記（１）記載の３端子素子。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の３端子素子は、強磁性金属膜を主として用いる構成としたことにより、半導体材料を用いないで、より微細構造を実現できる。本発明の３端子素子の構造は、半導体を使用することなく、金属及び誘電体材料のみから作成することが可能である。
【００２３】
本発明の３端子素子は、高電流および高温下での特性に優れる。即ち、半導体の電気的性質は温度に強く依存するのに対して、本発明の３端子素子は主として金属で構成されるので、金属の電気的性質は温度にあまり依存しないからである。また、金属の電気抵抗率は、半導体と比較して非常に小さく、金属は半導体より高電流を流すことができるからである。
【００２４】
また、従来のＭＯＳＦＥＴとは異なり、本発明の３端子素子では、金属−金属接合であり、空乏層が形成されないため、接合抵抗は、非常に低い。よって、本発明の３端子素子は、その素子サイズが電極の接合抵抗に制限されない。
【００２５】
また、本発明の３端子素子は、単純な周期的な構造により形成できるので、従来のリソグラフィの使用に代えて、Ｘ線干渉法を使用することもできる、その結果、より素子サイズを減少させることができる。
【００２６】
また、本発明の３端子素子は、動作スピードが高速化できる。従来のＭＯＳＦＥＴの動作スピードは、Ｓｉの導電度（移動度）により制限される。これに対して本発明の３端子素子では、金属を用いるため導電度が非常に大であるので、より速いスピードで動作する。
【００２７】
また、本発明の３端子素子は、金属や誘電体材料で構成されるので、多結晶又はアモルファス材料で構成することが可能であり、単結晶材料を使用しなくてもよい、という効果がある。従来のＭＯＳＦＥＴでは、要求される移動度を得るためには、Ｓｉ単結晶のみが使用可能であるのに対して、本発明の３端子素子では、多結晶又はアモルファス材料のみから作成することが可能である。よって、単結晶の成長及び保護のために使用される高価な成長及び製造装置は、本発明の実現には不要である。
【００２８】
また、本発明の３端子素子は、３次元集積化が可能な素子である。上述のように、単結晶材料を使用する必要がないこと、電極の周期構造のみの単純な構造であるので、複数の３端子素子を積層して集積化する構造に適する。即ち、３次元集積化のためには、３端子素子の新しい層が、既設の層のトップに作製されなければならないこと、かつ、３次元で積層される３端子素子の品質が、複数の層の数に伴って劣化してはならないこと、等の要求があるが、これらを満たすことができる。これに対して、従来技術では、既設のトランジスタの層のトップに、高品質を維持したＭＯＳＦＥＴを作製することは、ほとんど不可能である。ＭＯＳＦＥＴでは、単結晶材料を成長させる必要があるからである。一方、本発明の３端子素子の品質は、３次元集積化のための層の数によらず、同じに維持できる。
【００２９】
本発明の３端子素子は、強磁性金属膜又はその界面の周期的な変調構造により、強磁性金属膜の垂直磁気異方性の周期的な変調構造を有しているので、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域との間の磁壁が、強くピン止めされることにより、それぞれの領域の磁化は、独立的に変化することができる。その結果、ゲート電圧に対する電流の制御を確実にし、スイッチングのオンオフ機能が向上する。
【００３０】
本発明の３端子素子において、強磁性金属膜と、複数の周期的に配置されるゲート電極とが、複数回交差する構造にする場合、所望のオン／オフ比を実現できる。また、強磁性金属として、強磁性金属ワイヤを使用して、蛇行状とする場合は、１つ当たり多数の電極を設けることができること、３端子素子の小面積化が可能であること、簡易な製造工程が可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態の３端子素子の前提となる基本構造の模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態の３端子素子を上面からみた模式図である。
【図３】本発明の実施形態の３端子素子の動作原理を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の３端子素子の動作原理を説明する図である。
【図５】第１の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図６】第１の実施形態の３端子素子の動作原理を説明する図である。
【図７】第１の実施形態の３端子素子の動作原理を説明する図である。
【図８】第２の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図９】第３の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図１０】第４の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図１１】第５の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図１２】第５の実施形態の３端子素子の断面模式図である。
【図１３】第６の実施形態の、周期的に配置した隣合うゲート電極に、交互に極性の異なる電圧を印加可能とする３端子素子の断面模式図である。
【図１４】第６の実施形態の３端子素子の動作原理を説明する図である。
【図１５】従来技術のＭＯＳＦＥＴの模式図である。
【図１６】従来技術の、強磁性金属ワイヤを用いた素子を示す図である。
【図１７】従来技術のスピン軌道相互作用を説明する図である。
【図１８】従来技術の、垂直磁気異方性のうち、界面異方性の場合について説明する図である。
【図１９】従来技術の、垂直磁気異方性のうち、バルク異方性の場合について説明する図である。
【図２０】従来技術の、強磁性金属膜における垂直磁気異方性の電圧制御の原理を説明する図で、強磁性金属膜の磁化が面内である場合である。
【図２１】従来技術の、強磁性金属膜における垂直磁気異方性の電圧制御の原理を説明する図で、強磁性金属の磁化が面に垂直である場合である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の実施形態の３端子素子は、強磁性金属膜と、前記強磁性金属膜の上に誘電体膜を介してゲート電極が配置された積層構造を少なくとも備える。前記ゲート電極は、ギャップを挟んで周期的に配置され、かつ、前記強磁性金属膜の前記誘電体膜側の界面における垂直磁気異方性が、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で異なる変調構造を有する。
【００３３】
図１は、本実施形態の３端子素子の前提となる基本構造の模式断面図である。本素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。ゲート電極下の誘電体を「ゲート誘電体」とも呼ぶ。ここで、説明の便宜上、積層構造において、基板４の側を下、ゲート電極１の側を上と呼ぶが、実際の素子の積層方向の上下は勿論これに限定されない。また、積層構造において、各層の間に、本発明の機能を実質的に妨げない範囲で、その他の層を設けることができる。
【００３４】
図１の３端子素子において、強磁性金属膜３はワイヤ状の強磁性金属ワイヤ、特に強磁性金属ナノワイヤであることが好ましい。強磁性金属ワイヤは、非導電性の誘電体２によりカバーされている。誘電体２のトップの上に、周期的に配置されるゲート電極１が設けられている。
【００３５】
図１に示すように、ソース電圧は、強磁性金属ワイヤの側面又は端部に設けられた２つの端子間に、印加される。２つの端子のうち一方をソース、他方をドレインと呼ぶことができる。ＭＯＳＦＥＴとは異なり、強磁性ナノワイヤの端部２つのうち、いずれをドレイン、ソースとしてもよい。アースの位置により適宜設定できる。
【００３６】
図１に示すように、ゲート電圧は、強磁性金属ワイヤと、周期的に位置するゲート電極との間に、印加される。ゲート電圧の印加により、電圧誘起磁気異方性に起因して、ゲート電極下の強磁性金属ワイヤの磁化方向が回転する。ゲート電極間のギャップ下の領域では、磁化は、ゲート電圧により影響を受けない。よって、ゲート電極下の領域内とギャップ下の領域内での磁化の相対角度は、ゲート電圧により変化させることができる。その結果、強磁性金属ワイヤの抵抗は、ゲート電圧により制御（コントロール）可能であり、ソース電流は、ゲート電圧によりオン／オフの切り替えが可能である。
【００３７】
図２は、本発明の実施形態の３端子素子の代表例を、上面からみた模式図である。周期的に配置される長尺のゲート電極１と、蛇行状に配置される強磁性金属ワイヤの強磁性金属膜３とが、互いに交差する。図では、周期的に位置する複数のゲート電極は、強磁性金属ワイヤの上を横断して設けられている。複数の長尺のゲート電極１のそれぞれには、同時にゲート電圧を印加するためのゲート端子が設けられている。強磁性金属ワイヤの両端に、ソース端子とドレイン端子が設けられている。強磁性金属ワイヤと、複数の周期的に配置されるゲート電極とが、複数回交差する構造が好ましい。図２では、強磁性金属ワイヤが蛇行状に配置されているが、蛇行状に限定されない。１つの電極当たりの磁気抵抗効果は、大きくないので、所望のオン／オフ比を達成するために、ゲート電極の数を多くすることが、望ましい。
【００３８】
図２に図示した構造の電極を用いて、素子の面積を小さくすることが実現できる。例えば、１０ｎｍ幅で１０ｕｍ長のワイヤで、１０ｎｍ周期の電極で、１周期当たり１％ＭＲを想定すると、全体でＭＲが１０００％を得るためには、本素子の面積が僅か０．１μｍ２で実現できる。十分高いｏｆｆ状態の抵抗と十分高い集積度を提供できる。本実施形態の３端子素子の面積は、現状のＭＯＳＦＥＴの面積に比べてより小さい。
【００３９】
本実施形態の３端子素子のサイズは、例えば、従来のリソグラフィ技術に代えて、Ｘ線干渉法を製造技術に用いることで実現できる。Ｘ線干渉法を用いて、例えば、１ｎｍより狭い幅のラインを作製することができる。Ｘ線干渉法によって、周期的なラインを作製することが可能である。よって、ＭＯＳＦＥＴの作製では不可能であった微細化を、本実施形態では、Ｘ線干渉法で周期的な電極を作製することにより実現できる。
【００４０】
図２のように、蛇行状とする場合は、１つのワイヤ当たり多数の電極を設けることができること、３端子素子の小面積化が可能であること、簡易な製造工程が可能であるという利点を奏する。
【００４１】
本実施形態の３端子素子（図１参照）の動作原理を、図３及び図４を参照して説明する。
【００４２】
図３は、強磁性金属膜３の磁化が面内の場合の説明図である。強磁性金属膜３は例えば強磁性金属ワイヤである。図中の矢印は、強磁性金属膜３の磁化方向を示す。（ａ）は、ゲート電圧を印加しない場合で、（ｂ）はゲート電圧を印加した場合である。（ａ）の場合、即ち、バイアス電圧のない状態では、強磁性金属膜３の磁化は、複数のゲート電極１の下の領域、及びゲート電極間のギャップ下の領域で、面内方向である。よって、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は低い。（ｂ）の場合、即ち、ゲート電圧が印加されると、強磁性金属の磁化は、複数のゲート電極下の領域では、面に垂直な方向に向き、ギャップ下の領域では、面内方向にとどまる。隣の磁区と異なった磁化方向をとることによって、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は大きくなる。
【００４３】
図４は、強磁性金属膜３の磁化が面に垂直の場合の説明図である。強磁性金属膜３は例えば強磁性金属ワイヤである。図中の矢印は、強磁性金属膜３の磁化方向を示す。（ａ）は、ゲート電圧を印加しない場合で、（ｂ）はゲート電圧を印加した場合である。（ａ）の場合、即ち、バイアス電圧のない状態では、強磁性金属膜３の磁化は、複数のゲート電極１の下の全ての領域、及びゲート電極間のギャップ下の領域で、面に垂直方向である。よって、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は低い。（ｂ）の場合、即ち、ゲート電圧が印加されると、強磁性金属膜の磁化は、複数のゲート電極１下の領域では、面内方向に向き、ギャップ下の領域では、面に垂直な方向にとどまる。隣の磁区と異なった磁化方向をとることによって、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は大きくなる。
【００４４】
面内磁化の強磁性金属ワイヤには、次に挙げる強磁性金属膜を使用できる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＢ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ、ＣｏＮｉ、ＦｅＮｉ等である。
【００４５】
強磁性金属膜は、連続膜である限り薄いほど磁化制御性が高まる。この観点から、強磁性金属膜の膜厚は０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが望ましい。強磁性金属ワイヤのサイズは、集積回路への応用とトランジスタとしての性能の点から、幅５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、長さ１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００４６】
面に垂直な磁化の強磁性金属ワイヤには、次の強磁性金属膜が使用できる。例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＴｂ、ＦｅＢＴｂ、ＧｄＦｅＣｏ、ＧｄＦｅ、ＦｅＰｔ等である。また、膜厚が１ｎｍより薄いＦｅ、ＦｅＢ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ、及び多層膜（例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｆｅ／Ｐｔ）等も挙げられる。
【００４７】
誘電体には、次の材料が使用できる。例えば、ＭｇＯ、ＹＩＧ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｔＴｉＯ３、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳ等である。磁性でも非磁性でもよい。
【００４８】
誘電体の膜厚は、連続膜である限り薄いほど電荷蓄積効果、すなわち、強磁性体の磁化制御性が高まる。この点から、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００４９】
図１の基本構造の３端子素子は、上述のように、ゲート電極に電圧が印加されたとき、電極下に位置する強磁性金属膜（強磁性金属ワイヤ等）内の磁化の方向が、電圧誘起の磁気異方性変調効果により変化することを利用して、磁気抵抗効果により、ゲート電圧の有無によりナノワイヤ内を通る電流のオン／オフをスイッチングすることが可能である。その際、３端子素子では、強磁性金属膜の、ゲート電極下の領域と、ギャップ下の領域の、磁化が、それぞれ独立的に変化することが、性能を向上させる上でさらに重要である。そこで、本発明の実施形態では、後述する各実施形態で示すように、３端子素子の前記基本構造において、強磁性金属膜の膜厚又は強磁性金属膜の強誘電体側の界面の周期的な変調構造により、強磁性金属膜の垂直磁気異方性の周期的な変調構造を実現したものである。
【００５０】
（第１の実施形態）
本実施形態は、強磁性金属膜の膜厚を変調させることにより、垂直磁気異方性を周期的に変調させた３端子素子に関する。本実施形態について、図５を参照して説明する。
【００５１】
図５は、本実施形態の３端子素子の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、その膜厚が異なる周期的な変調構造を有する。強磁性金属膜３の厚さは、ゲート電極１下の領域で、より厚く、ゲート電極間のギャップの下の領域で、より薄い。図５では、ギャップ内に、第２の誘電体５を位置させ、電極間の絶縁分離領域を兼ねている。
【００５２】
周期的なゲート電極間のギャップは、強磁性金属膜にまで届くように深くエッチングして形成できる。このエッチングされた領域を、第２の誘電体５により埋める。第２の誘電体５は、ギャップ下の領域の強磁性金属膜が薄い領域にまで接して設けられている。ギャップの溝はエッチング以外の方法で形成してもよい。第２の誘電体５の材料は、ゲート誘電体と同じ材料であっても、異なる材料であってもよい。
【００５３】
本実施形態の素子は、強磁性金属膜の膜厚を一定にした構造に比べて、次の（１）（２）の優れた作用効果を有する。
（１）  ゲート電極下の領域とギャップ下の領域との間の磁壁が、強くピン止めされていること。これにより、それぞれの領域の磁化は、独立的に変化することができる。これに対して、強磁性金属膜に変調構造がない場合は、ゲート電圧の印加時に、磁壁が、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域の間で、作られる必要がある。そうでなければ、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域の磁化は同時に回転し、本素子はスイッチオフしないことになるからである。
（２）  強磁性金属膜（強磁性金属ワイヤ）の垂直磁気異方性は、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域で、異なる厚さに依存して、異なっていること。垂直磁気異方性が膜厚に依存して変化することについては、図１８及び図１９で説明したとおりである。ゲート電極下の領域で作用する、より強い垂直磁気異方性は、ギャップ下の領域の磁化をピン止めし、この領域の磁化の変化を防ぐ。
【００５４】
本実施形態の３端子素子（図５参照）の動作原理を、図６及び図７を参照して説明する。
【００５５】
図６は、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）のＰＭＡが界面異方性の場合の説明図である。矢印は、強磁性金属膜３の磁化方向を示す。（ａ）はゲート電圧を印加しない場合で、（ｂ）はゲート電圧を印加した場合である。（ａ）の場合、即ち、バイアス電圧のない状態では、強磁性金属膜３の磁化は、複数のゲート電極の下の領域では、面内方向であり、電極間のギャップ下の領域では、面に垂直方向である。その理由は、それぞれの領域内の強磁性金属膜３の厚さが異なっていることによる（図１８（ｂ）参照）。その結果、強磁性金属膜（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は高い。（ｂ）の場合、即ち、ゲート電圧が印加されると、強磁性金属膜３の磁化は、ゲート電極下の領域では、面に垂直な方向へ向く。強磁性金属膜３のギャップ下の領域の磁化は、面に垂直な方向にとどまるようにピン止めされている。隣の磁区と同じ磁化方向をとることによって、強磁性金属ワイヤの抵抗は小さくなり、本素子がスイッチオンする。
【００５６】
界面異方性の垂直磁気異方性を有する強磁性金属として、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＢ，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＢ，ＣｏＮｉ，ＦｅＮｉ等が挙げられる。例えば、ＭｇＯにより被覆されているＦｅＢ膜の（減磁エネルギーを含む）垂直磁気異方性エネルギーは膜厚の関数であり、１．０５ｎｍより厚い膜の磁化方向は、面内であり、１．０５ｎｍより薄い膜の磁化方向は、面に垂直である（図１８（ｂ）参照）。
【００５７】
図７は、強磁性金属膜３（強磁性金属ワイヤ）のＰＭＡがバルク異方性の場合の説明図である。矢印は、強磁性金属膜３の磁化方向を示す。（ａ）はゲート電圧を印加しない場合で、（ｂ）はゲート電圧を印加した場合である。（ａ）の場合、即ち、バイアス電圧のない状態では、強磁性金属膜３の磁化は、複数のゲート電極の下の領域で、面に垂直方向であり、電極間のギャップ下の領域では、面内方向である。その理由は、それぞれの領域内の強磁性層の厚さが異なっていることによる（図１９（ｂ）参照）。よって、強磁性金属膜（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は高い。（ｂ）の場合、即ち、ゲート電圧が印加されると、強磁性金属膜３の磁化は、ゲート電極下の領域では、面内方向へ向く。ギャップ領域下の領域では、磁化は面内方向にとどまるようにピン止めされている。隣の磁区と同じ磁化方向をとることによって、強磁性金属膜（強磁性金属ワイヤ）の抵抗は小さくなり、本素子がスイッチオンする。
【００５８】
バルク異方性の垂直磁気異方性を有する強磁性金属として、例えば、ＦｅＢＴｂ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＦｅＣｏＣｄ、ＦｅＣｏＴｂや、積層構造（Ｃｏ／Ｐｔ）等が挙げられる。例えば、ＦｅＢＴｂ膜の（減磁エネルギーを含む）垂直磁気異方性のエネルギーは、膜厚の関数であり、３．２ｎｍより厚い膜の磁化方向は、面に垂直であり、３．２ｎｍより薄い膜の磁化方向は、面内である（図１９（ｂ）参照）。
【００５９】
本実施形態の実施例を示す。
【００６０】
（実施例１ａ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢ（ゲート電極下の膜厚１．４ｎｍ、ギャップ下の膜厚０．７ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２である。ゲート電極の幅が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、ギャップの幅が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６１】
（実施例１ｂ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢＴｂ（ゲート電極下の膜厚５ｎｍ、ギャップ下の膜厚２ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６２】
（実施例１ｃ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜Ｃｏ／Ｐｔの多層積層膜（ゲート電極下の膜厚２０ｎｍ、ギャップ下の膜厚１０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２である。ゲート電極の幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６３】
（実施例１ｄ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＹＩＧ（膜厚２以上１２ｎｍ以下）、強磁性金属膜Ｃｏ／Ｐｔの多層積層膜（ゲート電極下の膜厚２０ｎｍ、ギャップ下の膜厚１０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２である。ゲート電極の幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６４】
（実施例１ｅ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＹＩＧ（膜厚２以上１２ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＣｏＧｄＴｂ（ゲート電極下の膜厚２０ｎｍ、ギャップ下の膜厚１０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２である。ゲート電極の幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
（第２の実施形態）
本実施形態は、強磁性金属膜の、ギャップ下の領域に介在膜（ギャップ下の領域に設けた介在膜を「第１の介在膜」とも呼ぶ。）を設けて、強磁性金属膜の垂直磁気異方性を周期的に変調させた３端子素子に関する。本実施形態について、図８を参照して説明する。
【００６６】
図８は、本実施形態の３端子素子の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、異なる材料と接するため、界面が異なる周期的な変調構造を有する。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域では誘電体２と接し、ゲート電極間のギャップ下の領域では、薄い介在膜６と接する。薄い介在膜６を設ける理由は、強磁性金属膜３の垂直磁気異方性を高め、かつギャップ下の領域の面垂直方向の磁化をピン止めするためである。ギャップ内に、第２の誘電体５を位置させ、電極間の絶縁分離領域を兼ねている。
【００６７】
薄い介在膜６は、第２の誘電体５の堆積前に、ゲート電極間のギャップ内に堆積して製造することができる。薄い介在膜６として、強磁性金属膜の垂直磁気異方性を強める金属又は酸化物を用いる。例えば、介在膜の材料として、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ｕｒ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｏ多層積層膜、ガーネット型磁性酸化物等から選択されるいずれか１以上が挙げられる。ギャップ下の領域内の高い磁気異方性エネルギーのために、この領域内の磁化は、面に垂直方向に非常に強くピン止めされている。強磁性金属膜の垂直磁気異方性を高める非磁性介在膜である、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ｕｒ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔが、より好ましい。
【００６８】
本実施形態の実施例を示す。
【００６９】
（実施例２ａ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢ（膜厚１．４ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、薄い介在膜Ｔａ（膜厚２ｎｍ）である。ゲート電極の幅が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、ギャップの幅が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７０】
（実施例２ｂ）  素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢＴｂ（膜厚２０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、薄い介在膜Ｐｔ（膜厚１ｎｍ）である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７１】
（第３の実施形態）
本実施形態は、強磁性金属膜のゲート電極下の領域に接して、誘電体との間に、介在膜（ゲート電極下の領域に設けた介在膜を「第２の介在膜」とも呼ぶ。）を設けて、強磁性金属膜の垂直磁気異方性を周期的に変調させた３端子素子に関する。本実施形態について、図９を参照して説明する。
【００７２】
図９は、本実施形態の３端子素子の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、異なる材料と接するため、界面が異なる周期的な変調構造を有する。ギャップ内には、第１の実施形態等と同様、第２の誘電体５を位置させ、電極間の絶縁分離領域を兼ねている。
【００７３】
強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域では、ゲート誘電体２と強磁性金属膜３との間に設けられた薄い介在膜７と接し、ゲート電極間のギャップ下の領域では、第２の誘電体５と接する。薄い介在膜７を設ける理由として、次の（ａ）（ｂ）を挙げることができる。（ａ）強磁性金属膜３の電圧誘起の垂直磁気異方性（電圧誘起ＰＭＡ）を高めるためである。これにより、３端子素子のスイッチングのためのゲート電圧を減少させることができる。（ｂ）強磁性金属膜３のゲート電極下の領域における垂直磁気異方性を高めるためである。これにより、ゲート電極下の領域とギャップ下の領域の垂直磁気異方性を異ならせることができ、これらの領域の磁化がカップルしないようにすることができる。（ａ）および（ｂ）の目的で介在膜７に適する材料として、強磁性金属膜の垂直磁気異方性を強める金属又は酸化物を用いる。例えば、介在膜の材料として、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ｕｒ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｏ多層積層膜、ガーネット型磁性酸化物等から選択されるいずれか１以上が挙げられる。強磁性金属膜の垂直磁気異方性を高める非磁性介在膜である、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ｕｒ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔが、より好ましい。
【００７４】
本実施形態の実施例を示す。
【００７５】
（実施例３ａ）  本例は、強磁性金属膜３のゲート電極下の領域における垂直磁気異方性を高めるために、薄い介在膜（磁性材料の例）を設けた例である。素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体膜ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢＴｂ（膜厚２０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、薄い介在膜としてＰｔ／Ｃｏ磁性多層積層膜（膜厚２ｎｍ）である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７６】
（実施例３ｂ）  本例は、強磁性金属膜３のゲート電極下の領域における垂直磁気異方性を高めるために、薄い介在膜（非磁性材料の例）を設けた例である。素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体膜ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢＴｂＧｄ（膜厚１０ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、介在膜Ｐｔ（膜厚０．１−０．５ｎｍ）である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７７】
（実施例３ｃ）  本例は、強磁性金属膜３の電圧誘起の垂直磁気異方性を高めるために、ゲート電極下の領域に、薄い介在膜（磁性材料の例）を設けた例である。素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体膜ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢ（膜厚１．４ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、介在膜としてＹＩＧ（磁性ガーネット、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）（膜厚２ｎｍ）である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７８】
（実施例３ｄ）  本例は、強磁性金属膜３の電圧誘起の垂直磁気異方性を高めるために、ゲート電極下の領域に、薄い介在膜（非磁性材料の例）を設けた例である。素子の構造は、ゲート電極ＴａＲｕ、ゲート誘電体膜ＭｇＯ（膜厚３以上８ｎｍ以下）、強磁性金属膜ＦｅＢ（膜厚１．４ｎｍ）、基板ＳｉＯ２、第２の誘電体ＳｉＯ２、介在膜としてＩｒ（膜厚０．１−０．２ｎｍ）である。ゲート電極の幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、ギャップの幅が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７９】
（第４の実施形態）
本実施形態は、強磁性金属膜の、ギャップ下の領域に、イオン注入することにより、強磁性金属膜の垂直磁気異方性を周期的に変調させた３端子素子に関する。本実施形態について、図１０を参照して説明する。
【００８０】
図１０は、本実施形態の３端子素子の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３は、ゲート電極間のギャップ下の領域に、イオン注入（ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）領域８を有する。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域では誘電体２と接し、ゲート電極間のギャップ下の領域では、イオン注入領域を有することにより、垂直磁気異方性が周期的に変調した変調構造を備える。
【００８１】
（第５の実施形態）
強磁性金属膜の垂直磁気異方性を周期的に変調させるための構造を、各実施形態で説明したが、これらの複数の手法を組み合わせた構造とすることができる。本実施形態では、複数の例を挙げて説明する。
【００８２】
図１１は、強磁性金属膜の膜厚を変調させることと、ギャップ下の領域に、界面異方性タイプの垂直磁気異方性を強める薄い介在膜を設けること、を組み合わせた形態の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３の厚さは、ゲート電極１下の領域で、より厚く、ゲート電極間のギャップの下の領域で、より薄い。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域では誘電体２と接し、ゲート電極間のギャップ下の領域では、薄い介在膜６と接する。即ち、強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、その膜厚が異なることによる垂直磁気異方性の周期的な変調構造を有するとともに、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、異なる材料と接するため、界面が異なることによる垂直磁気異方性の周期的な変調構造を有する。これにより、ギャップ下の領域内の高い磁気異方性エネルギーのために、この領域内の磁化は、面に垂直方向に非常に強くピン止めされている。
【００８３】
図１２は、強磁性金属膜の膜厚を変調させることと、強磁性金属膜のゲート電極下の領域に接して誘電体との間に介在膜を設けること、を組み合わせた形態の断面模式図である。素子は、金属のゲート電極１と誘電体２と強磁性金属膜３と基板４が順に積層された積層構造を備える。基板４は非導電性基板である。強磁性金属膜３の厚さは、ゲート電極１下の領域で、より厚く、ゲート電極間のギャップの下の領域で、より薄い。強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域では、ゲート誘電体２と強磁性金属膜３との間に設けられた介在膜７と接し、ゲート電極間のギャップ下の領域では、第２の誘電体５と接する。即ち、強磁性金属膜３は、ゲート電極下の領域と、ゲート電極間のギャップ下の領域とで、その膜厚が異なることによる垂直磁気異方性の周期的な変調構造を有するとともに、ゲート電極下に設けられた、電圧誘起の磁気異方性の効果を高める薄い介在膜７が設けられたことによる垂直磁気異方性の周期的な変調構造を有する。
【００８４】
（第６の実施形態）
既に、基本的な動作原理について説明したが、本実施形態では、図１３を参照して、変形例について説明する。
【００８５】
図１３は、周期的に配置した隣合うゲート電極に、交互に極性の異なる電圧を印加可能とする素子を説明する断面模式図である。素子の構造は、結線状態を除いて、第１の実施形態と同様である。正の電圧と負の電圧とが隣合うゲート電極に印加されることにより、スイッチング特性をより向上させることができる。
【００８６】
図１４は、動作原理を説明する図である。（ａ）はゲート電圧を印加しない場合で、（ｂ）はゲート電圧を印加した場合である。矢印は、強磁性金属膜３の磁化方向を示す。負のゲート電圧が印加されたゲート電極下の領域では、垂直磁気異方性は増加し、これらの領域の磁化は、面に垂直方向に向く。正のゲート電圧が印加されたゲート電極下の領域では、垂直磁気異方性が減少し、これらの領域の磁化は面内にとどまる。よって、本素子は、（ａ）の場合、スイッチオンし、（ｂ）の場合、スイッチオフする。
【００８７】
以上、本実施形態で示した変調構造や結線等は、適宜組み合わせることができる。
【００８８】
また、前記実施形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の３端子素子は、電圧により入力電流を制御できるので、従来のＭＯＳＦＥＴの素子が用いられる分野等に広く利用でき、産業上有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１      ゲート電極
２      誘電体(ゲート誘電体)
３      強磁性金属膜
４、１１      基板
５      第２の誘電体
６、７      介在膜
８      イオン注入領域
１２、１７    高濃度ドープＳｉ層
１３    ドレイン電極
１４    ゲート誘電体
１５    ゲート電極
１６    ソース電極
２０    強磁性金属ワイヤ
３０    強磁性金属膜
３１    非磁性誘電体保護膜
３２    非磁性誘電体基板
４０    強磁性金属
４１    非磁性誘電体
４２    ゲート電極
【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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