(57)【要約】【課題】低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することを可能にする。【解決手段】半導体基板２と、半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜６と、ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層８１およびこの磁化自由層上に設けられたトンネル絶縁層ならびにこのトンネル絶縁層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜８と、第１および第２磁性膜の間の半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜１０と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極１２と、備えている。【選択図】図３
2008066596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられたトンネル絶縁体からなる第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備えたことを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項２】
前記磁化自由層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を含み、前記強磁性層間に反強磁性結合を有することを特徴とする請求項１記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備え、
前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが反平行で、かつ書き込み時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備え、
前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが平行で、かつ書き込み時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項５】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備え、
前記磁化自由層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を含み前記強磁性層間に反強磁性結合を有し、前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが反平行で、かつ書き込み時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備え、
前記磁化自由層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を含み前記強磁性層間に反強磁性結合を有し、前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが平行で、かつ書き込み時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項７】
前記第１磁性膜上に第１反強磁性層が設けられ、前記磁化固着層上に第２反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項８】
前記第１および第２反強磁性層の材料は異なることを特徴とする請求項７記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項９】
前記第１磁性膜は、前記第１強磁性層／第２非磁性層／第２強磁性層の積層構造を有し、前記第１および第２強磁性層間に反強磁性結合を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１０】
前記磁化固着層は、第３強磁性層／第３非磁性層／第４強磁性層の積層構造を有し、前記第３および第４強磁性層間に反強磁性結合を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１１】
前記半導体基板と、前記第１および第２磁性膜との間にトンネル絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１２】
前記第１磁性膜の前記第１強磁性層の磁化の向きに対して前記磁化自由層の磁化の向きが０度より大きく４５度以下の角度で傾いていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１３】
前記第２磁性膜の膜面形状が実質的に平行四辺形であることを特徴とする請求項１２記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１４】
前記第２磁性膜の膜面形状が実質的に六角形であることを特徴とする請求項１２記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１５】
半導体基板と、
前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着されたハーフメタル強磁性層を有する第１強磁性層、この第１強磁性層上に設けられＣｏＦｅ層を含む第２強磁性層を有する第１磁性膜と、
前記第１磁性膜の第２強磁性層上に設けられた第１反強磁性層と、
前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変のハーフメタル強磁性層を有する磁化自由層、この磁化自由層上に設けられたトンネル絶縁層、このトンネル絶縁層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層、この磁化固着層上に設けられＣｏＦｅ層を含む第３強磁性層、および第３強磁性層上に設けられた第２反強磁性層を有する第２磁性膜と、
前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
備えたことを特徴とするスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１６】
前記第２および第３強磁性層はそれぞれ、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの三層構造を有していることを特徴とする請求項１５記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１７】
前記ハーフメタル強磁性層はフルホイスラー合金から形成されることを特徴とする請求項１５または１６に記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１８】
前記フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ１−ｘＡｌｘ（０．１＜ｘ＜０．９）であることを特徴とする請求項１７記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項１９】
前記半導体基板と、前記第１および第２磁性膜との間にトンネル絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【請求項２０】
前記半導体基板は、その表面がＩＶ族の半導体、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載のスピンＭＯＳＦＥＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンＭＯＳＦＥＴに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピンＭＯＳＦＥＴなどの新しい機能を有するデバイスの研究開発が盛んに行なわれている。その一つとして、ソース／ドレイン領域が磁性体から構成されるスピンＭＯＳＦＥＴがある。スピンＭＯＳＦＥＴの特徴は、ソース／ドレイン領域の磁性体のスピンモーメントの方向を反転するだけで、その出力特性を制御できる点にあり、これを用いると、リコンフィギュラブル(re-configurable)な機能を有するとともに増幅機能を有するスピンＭＯＳＦＥＴ、リコンフィギュラブルな論理回路を構成することが可能である。
【０００３】
しかし、リコンフィギュラブルな機能を有しかつ増幅機能を有するスピンＭＯＳＦＥＴ、リコンフィギュラブルな論理回路を実用化するためには、２大課題を克服する必要がある。
【０００４】
一つは、ソース／ドレイン領域の磁性体のスピンモーメントの方向を反転する書込み時の電流を低減すること、もう一つは、スピンモーメントの方向を反転したときの出力特性の差を大きくすることである。
【０００５】
一番目の課題を解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。スピン偏極した電流をスピン注入することによってスピン反転することが観測されている。しかし、スピン注入法をスピントンネル素子に応用した場合、トンネル絶縁膜のブレークダウン等の素子破壊の問題があり、素子の信頼性に問題があった。また、最終的な課題としては、スケーラビリティを確保するために、微細化した時に熱揺らぎの影響を受けない構造でかつ低電流密度でスピン注入反転を実現しなければいけない。
【０００６】
スピン注入法による書き込みを行っても、素子破壊の無い程度の書き込み時の電流密度が小さく、熱揺らぎ耐性を有し、低電流密度で反転するスピンメモリを提供することが必要であった。
【０００７】
二番目の課題を解決するために、磁性体としてハーフメタルを用いることが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。ハーフメタルを用いた場合も、まだ、出力差は十分とはいえず、更なる出力差の増大が課題として挙げられる。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【非特許文献１】ＡＰＬ８４（２００４）２３０７．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上説明したように、これまでに、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴ構造は得られていない。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴ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】
【００１０】
本発明の第１の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられたトンネル絶縁体からなる第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備え、書き込み時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備え、書き込み時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備え、前記磁化自由層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を含み前記強磁性層間に反強磁性結合を有し、前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが反平行で、かつ書き込み時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に負の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１強磁性層を含む第１磁性膜と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変の磁化自由層およびこの磁化自由層上に設けられた第１非磁性層ならびにこの第１非磁性層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備え、前記磁化自由層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を含み前記強磁性層間に反強磁性結合を有し、前記第１強磁性層と前記磁化固着層の磁化の向きが平行で、かつ書き込み時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加され、読み出し時に正の磁気抵抗効果となるゲート電圧が印加されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第６の態様によるスピンＭＯＳＦＥＴは、半導体基板と、前記半導体基板上に離間して設けられるソース・ドレインの一方となる磁化の向きが固着されたハーフメタル強磁性層を有する第１強磁性層、この第１強磁性層上に設けられＣｏＦｅ層を含む第２強磁性層を有する第１磁性膜と、前記第１磁性膜の第２強磁性層上に設けられた第１反強磁性層と、前記ソース・ドレインの他方となる磁化の向きが可変のハーフメタル強磁性層を有する磁化自由層、この磁化自由層上に設けられたトンネル絶縁層、このトンネル絶縁層上に設けられ磁化の向きが固着された磁化固着層、この磁化固着層上に設けられＣｏＦｅ層を含む第３強磁性層、および第３強磁性層上に設けられた第２反強磁性層を有する第２磁性膜と、前記第１および第２磁性膜の間の前記半導体基板上に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯を説明する。
【００１８】
本発明者達は、図１に示すようなスピンＭＯＳＦＥＴのテスト試料を作成した。このスピンＭＯＳＦＥＴは、ｎ型シリコン基板２上に離間してＭｇＯからなる一対のトンネル絶縁膜４が形成され、この一対のトンネル絶縁膜４の一方の上に磁化２０Ａの向きが固着されたＣｏＦｅＢからなる磁性層を有する第１磁性膜６が形成され、他方のトンネル絶縁膜４上に磁化２０Ｂの向きが可変のＣｏＦｅＢからなる磁性層（磁化自由層）を有する第２磁性膜８が形成されている。また、一対のトンネル絶縁膜の間のシリコン基板２上にはＭｇＯからなるゲート絶縁膜１０が形成され、このゲート絶縁膜１０上にＣｏＦｅＢからなるゲート電極１２が形成されている。このスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第１磁性膜６および第２磁性膜８の一方がソースとなり、他方がドレインとなる。そして、ゲート電極１２にゲート電圧を印加すると、スピン偏極された電流２２がソースからドレインに流れる。
【００１９】
上記テスト試料のスピンＭＯＳＦＥＴにゲート電圧Ｖｇを０．４Ｖ、０．８Ｖ、１．２Ｖを印加し、ソース／ドレイン間の磁気抵抗変化率を測定した結果を図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）に示す。なお、この測定は室温で行い、ＭＯＳＦＥＴのゲート長Ｌは２５μｍであった。図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）において、横軸は外部磁界を表し、縦軸はソース／ドレイン間の抵抗を示す。０．４Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した場合は正の磁気抵抗効果を示し（図２（ａ））、０．８Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した場合は負の磁気抵抗効果を示し（図２（ｂ））、１．２Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した場合は正の磁気抵抗効果を示す（図２（ｃ））。このことは、ゲート電圧Ｖｇの大きさに伴って磁気抵抗変化の符号が変化することを示している。この現象は、半導体に注入された電子スピンは、スピン軌道相互作用により回転するが、その回転がゲート電圧で制御可能なことを示している。この知見に基づいて、本発明者達は本発明の各実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを得た。なお、正の磁気抵抗効果は、ソースおよびドレインの一方から半導体（チャネル）に注入されたスピン偏極された電子のスピンが半導体（チャネル）を通過する間に１８０°変化し、他方に伝わることを意味し、負の磁気抵抗効果は、ソースおよびドレインの一方からチャネルに注入されたスピン偏極された電子のスピンが回転されずそのままに他方に伝わることを意味している。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図３に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、例えばシリコンからなる半導体基板２に、ソース／ドレインの一方となる磁化の向きが固着された第１磁性膜６と、ソース／ドレインの他方となる磁化の向きが可変な磁性層を含む第２磁性膜８とが離間して形成されている。第１および第２磁性膜６，８と半導体基板との接合面にはトンネル絶縁膜４が形成されている。第１および第２磁性膜６，８間の半導体基板２の領域３（チャネル領域３）上にはゲート絶縁膜１０が形成され、このゲート絶縁膜１０上にゲート電極１２が形成されている。また、第１磁性膜の磁化の向きを固着する反強磁性層７が第１磁性膜６上に形成されている。なお、図１において、Ｉはスピン注入電流を示す。
【００２１】
本実施形態においては、第１磁性膜６は単層の強磁性層からなり、第２磁性膜８は強磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造を有している。第２磁性膜８の第１具体例の構成を図４（ａ）に示す。この第１具体例の第２磁性膜８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）８１、非磁性層８２、磁化の向きが固着された強磁性層８３、非磁性層８４、磁化の向きが固着された強磁性層８５、および反強磁性層９が順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層８３、非磁性層８４、強磁性層８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層８３と強磁性層８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８として第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７および反強磁性層９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６の強磁性層、第２磁性膜８の強磁性層８３、８５の磁化の向きを固着することができる。
【００２２】
また、第２磁性膜８の第２具体例の構成を図４（ｂ）に示す。この第２具体例の磁性膜８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）８１、非磁性層８２、磁化の向きが固着された強磁性層８３および反強磁性層９が順次積層された構造となっている。第２磁性膜８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７と反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００２３】
第２磁性膜８として、図４（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６の強磁性層６および第２磁性膜８の強磁性層８１、８３、８５の磁化（スピン）の向きを図５に示す。すなわち、本実施形態においては、第１磁性膜６の磁化の向きと、磁化固着層の磁化の向き８３、８５が逆（反平行）である。なお、本明細書では、磁化固着層の磁化の向きとは、磁化自由層に一番近い強磁性層（本実施形態では強磁性層８３）の磁化の向きを意味し、第１磁性膜６の磁化の向きとは、チャネル３に電子が流れ込む強磁性層の磁化の向きを指すが、第１磁性膜６が複数の強磁性層が積層された多層構造の場合は、第１磁性膜６の最下層で半導体基板に一番近い強磁性層（例えば、後述する第２実施形態では強磁性層６１）の磁化の向きを意味する。
【００２４】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンの向きが変化しないゲート電圧を用いる。本実施形態では、強磁性層８３の磁化の向きを図５に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６の磁化固着層となる強磁性層の磁化の向きと反対（反平行）となるスピン配置となっているので、磁化自由層となる強磁性層８１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと反平行な場合には第１磁性膜６側からスピン偏極された電子をチャネル３に注入すれば、チャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンは向きが変化せず、強磁性層８１に伝わり、スピントルクが強磁性層８１に働く。さらに、強磁性層８１を通過した電子は強磁性層８３によって反射されて、強磁性層８１に流入する。これにより、磁化自由層となる強磁性層８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。また、磁化自由層となる強磁性層８１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと平行な場合には強磁性層８３側からスピン偏極された電子を、磁化自由層となる強磁性層８１を介してチャネル３に注入すれば、強磁性層８３によってスピン偏極された電子は、磁化自由層となる強磁性層８１に伝わりスピントルクが強磁性層８１に働く。さらにさらに、強磁性層８１を通過した電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが変化されずに強磁性層６に伝わり、この強磁性層６によって反射される。この反射された電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが変化されずに強磁性層８１に伝わる。これにより、磁化自由層となる強磁性層８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。すなわち、書き込みの際に負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、磁化自由層となる強磁性層８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００２５】
また、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する間に電子のスピンの向きが１８０°変化するゲート電圧を用いる。図５に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転される。このため、磁化自由層となる強磁性層８１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転されない場合（負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が高くなる。このとき、強磁性層８１、８３の磁化の向きは反平行であるため、強磁性層８１、８３間の抵抗は、強磁性層８１、８３の磁化の向きが平行である場合に比べて高い。
【００２６】
また、磁化自由層となる強磁性層８１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと反平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転されない場合（負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が低くなる。このとき、強磁性層８１、８３の磁化の向きは平行であるため、強磁性層８１、８３間の抵抗は、強磁性層８１、８３の磁化の向きが反平行である場合に比べて低い。
【００２７】
このため、本実施形態のように、読み出し時に正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる場合に比べて、磁化自由層となる強磁性層８１の磁化の向きが異なる状態における、チャネル３の抵抗と、強磁性層８１、８３間の抵抗との和の差が大きくなる。すなわち、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため、読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００２８】
書き込み時、読み出し時の好ましいゲート電圧は、基板の種類、基板へのドープ量により変化するため、適宜調整する必要があるが、基板の種類、基板へのドープ量を一定のものを用いれば、その値は一定となる。また、本実施形態においては、半導体基板２と第１および第２磁性膜６，８との間にトンネル絶縁膜４が設けられているので、半導体と磁性体の拡散が抑えられる他、磁性体として抵抗が小さな材料を用いても図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）に示したように室温においてチャネル領域３を介した磁気抵抗変化率が観測でき、特性が向上する。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００３０】
本実施形態において、第１および第２磁性膜の強磁性層の磁性材料としては、特に制限は無く、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、または、（Ｃｏ，Ｆｅ）−（Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）系などのアモルファス材料、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌなどのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜、Ｆｅ３Ｓｉ系などのＦｅとＳｉの固層拡散で作製できるハーフメタル材料などの薄膜またはそれら多層膜で構成された材料を用いることができる。
【００３１】
なお、後述するトンネル絶縁膜４を有しないショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴの場合は、強磁性層の磁性材料の抵抗は大きいほうが好ましく、（Ｃｏ，Ｆｅ）−（Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）系などのアモルファス材料、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌなどのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜、Ｆｅ３Ｓｉ系などのＦｅとＳｉの固層拡散で作製できるハーフメタル材料などを用いることが好ましい。
【００３２】
また、磁化固着層としては、一方向異方性を、磁化自由層としては、一軸異方性を有することが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍから１００ｎｍが好ましい。さらに、これらの強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。
【００３３】
また、これら磁性材料には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｂ（ボロン）などの非磁性元素を添加して磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。特に、トンネル絶縁膜に近い強磁性層にはＭＲ（磁気抵抗）が大きくなるＣｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用い、トンネル絶縁膜と接していない強磁性層にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ，ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いるとＭＲを大きく保ったまま，スイッチング磁界を低減でき、より好ましい。
【００３４】
また、非磁性層８２の材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの金属元素またはこれら合金、または、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどの酸化物を用いることができる。特に、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの酸化物トンネル絶縁膜を用いると読み出し時の出力がより大きくなり好ましい。
【００３５】
非磁性層８２の材料としてトンネル絶縁膜を用いる場合に、磁化固着層６と磁化自由層８１との間に設けられる絶縁層（あるいは誘電体層）としては、その他、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ２Ｏ３（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ２（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ３（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルニウム）などの各種の絶縁体（誘電体）を用いることができる。
【００３６】
これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁層（誘電体層）の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が望ましく、実際上は、１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３７】
また、非磁性材料８４は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒまたはこれら合金を用いることが好ましい。これらの材料を用いると、磁化固着層８３，８４，８５の磁化が安定に固着される。
【００３８】
より具体的には、強磁性層を一方向に固着する方法として、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ−Ｆｅなどの３層構造の積層膜を用いる。これら積層膜を磁化固着層として用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などを用いることかできる。この構造を用いると、磁化固着層の磁化がビット線やワード線からの電流磁界の影響をより受け難く、しっかりと磁化が固着される。また、磁化固着層からの漏洩磁界(stray field)を減少（あるいは調節）でき、磁化固着層を形成する２層の強磁性層の膜厚を変えることにより，磁化自由層の磁化シフトを調整することができる。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。非磁性材料としては、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム），Ｒｅ（レニウム）、Ｉｒ（イリジウム）またはそれら合金を用いることができる。
【００３９】
磁化自由層においても、これら磁性体に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
【００４０】
また、反強磁性膜は、ＰｔＭｎ，Ｉｒ−Ｍｎ，ＦｅＭｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎを用いることができる。
【００４１】
また、トンネル絶縁膜４としては、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの酸化物を用いることができる。特に、トンネル絶縁膜４にＭｇＯを用いた場合は、このトンネル絶縁膜４上に形成される磁性層６、８１をエピタキシャル成長で形成することが可能となり、磁気特性が良好となる。
【００４２】
また、半導体基板としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体からなる基板を用いても良いし、表面がＳｉ、ＧｅなどのＩＶ族の半導体、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅなどのＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体からなる基板を用いても良い。
【００４３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図６に示す。
【００４４】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図３に示す第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、反強磁性層７を削除し、第１磁性膜６を、単層の強磁性層から図７（ａ）に示すように、強磁性層６１、非磁性層６２、強磁性層６３の積層構造からなるシンセティックな磁化固着層と、この磁化固着層の磁化の向きを固着させる反強磁性層６ａとの積層構造を有する第１磁性膜６Ａに置き換えた構成となっている。なお、強磁性層６１と強磁性層６３とは非磁性層６２を介して反強磁性結合をしている。
【００４５】
本実施形態における第２磁性膜８の第１具体例としては、図７（ｂ）に示すように、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）８１、非磁性層８２、磁化の向きが固着された強磁性層８３、非磁性層８４、磁化の向きが固着された強磁性層８５、非磁性層８６、磁化の向きが固着された強磁性層８７、および反強磁性層９が順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層８３、非磁性層８４、強磁性層８５、非磁性層８６、および強磁性層８７がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層８３、強磁性層８５と、強磁性層８７は非磁性層８４および非磁性層８６を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８として第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３、第２磁性膜８の強磁性層８３、８５、８７の磁化の向きを固着することができる。
【００４６】
また、第２磁性膜８の第２具体例の構成を図７（ｃ）に示す。この第２具体例の第２磁性膜８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）８１、非磁性層８２、磁化の向きが固着された強磁性層８３、非磁性層８４、磁化の向きが固着された強磁性層８５、および反強磁性層９が順次積層された構造となっている。この第２具体例においては、強磁性層８３、非磁性層８４、強磁性層８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層８３と強磁性層８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００４７】
また、第２磁性膜８の第３具体例の構成を図７（ｄ）に示す。この第３の具体例の第２磁性膜は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）８１、非磁性層８２、磁化の向きが固着された強磁性層８３および反強磁性層９が順次積層された構造となっている。第２磁性膜８として第３具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３、第２磁性膜８の強磁性層８３、８５の磁化の向きを固着することができる。
【００４８】
第２磁性膜８として図７（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜８の強磁性層８１、８３、８５、８７の磁化の向きを図８に示す。
【００４９】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このとき、強磁性層８３の磁化の向きを図８に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６Ａの強磁性層６１の磁化の向きと反対（反平行）となるスピン配置を用いると磁化自由層となる強磁性層８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００５０】
また、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。図８に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００５１】
書き込み時、読み出し時の好ましいゲート電圧は、基板の種類、基板へのドープ量により変化するため、適宜調整する必要があるが、基板の種類、基板へのドープ量を一定のものを用いれば、その値は一定となる。また、本実施形態においては、半導体基板２と第１および第２磁性膜６Ａ、８との間にトンネル絶縁膜４が設けられているので、半導体と磁性体の拡散が抑えられる他、磁性体として抵抗が小さな材料を用いても図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）に示したように室温においてチャネル領域３を介した磁気抵抗変化率が観測でき、特性が向上する。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、非磁性層８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層６２、８４、８６の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【００５４】
また、第１および第２磁性膜６Ａ、８の強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【００５５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図９に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図３に示す第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【００５６】
したがって、第２磁性膜８の具体的な構成も第１実施形態と同様に、図４（ａ）または図４（ｂ）に示す多層構造を有している。第２磁性膜８が図４（ａ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６の強磁性層６と、第２磁性膜８の強磁性層８１、８３、８５との磁化の向きは第１実施形態と同様に、図５に示すようになっている。
【００５７】
第１実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００５８】
また、第１実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００５９】
本実施形態も第１実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００６０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１０に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図６に示す第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【００６１】
したがって、第２実施形態と同様に、第１磁性膜６Ａの具体的な構成は図７（ａ）に示す多層構造を有しており、第２磁性膜８の具体的な構成も図７（ｂ）乃至図７（ｄ）のいずれかに示す多層構造を有している。第１磁性膜６Ａが図７（ａ）に示す多層構造を有し、第２磁性膜８が図７（ｂ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１、６３と、第２磁性膜の強磁性層８１、８３、８５、８７との磁化の向きは第２実施形態と同様に、図８に示すようになっている。
【００６２】
第２実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００６３】
また、第２実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００６４】
本実施形態も第２実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００６５】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１１に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図３に示す第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜８を強磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造を有している第２磁性膜１８に置き換えた構成となっている。この第２磁性膜１８は、第１具体例として例えば図１２（ａ）に示すように、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３、非磁性層１８４、磁化の向きが固着された強磁性層１８５、および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３と強磁性層１８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８として第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７と反強磁性層１９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００６６】
また、第２磁性膜１８の第２具体例の構成を図１２（ｂ）に示す。この第２具体例の磁性膜１８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。第２磁性膜８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７および反強磁性層１９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６の強磁性層、第２磁性膜１８の強磁性層１８３の磁化の向きを固着することができる。
【００６７】
第２磁性膜１８として、図１２（ａ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性
膜６の強磁性層および第２磁性膜８の磁性層１８１、１８３、１８５の磁化の向きを図１３に示す。
【００６８】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する際にスピン偏極された電子のスピンが１８０°回転するゲート電圧を用いる。本実施形態においては、強磁性層１８３の磁化の向きが図１３に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６の磁化固着層となる強磁性層の磁化の向きと同じ（平行）となるスピン配置となっているので、磁化自由層となる強磁性層１８１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと平行な場合には第１磁性膜６側からスピン偏極された電子をチャネル３に注入すれば、チャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンは向きが１８０°回転されて、強磁性層１８１に伝わり、スピントルクが強磁性層１８１に働く。さらに、強磁性層１８１を通過した電子は強磁性層１８３によって反射され、強磁性層１８１に流入する。これにより、磁化自由層となる強磁性層１８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。また、磁化自由層となる強磁性層１８１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと反平行な場合には強磁性層１８３側からスピン偏極された電子を、磁化自由層となる強磁性層１８１を介してチャネル３に注入すれば、強磁性層１８３によってスピン偏極された電子は、磁化自由層となる強磁性層１８１に伝わりスピントルクが強磁性層１８１に働く。さらに、強磁性層１８１を通過した電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが１８０°回転されて強磁性層６に伝わり、この強磁性層６によって反射される。この反射された電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが再度１８０°回転されて強磁性層１８１に伝わる。これにより、磁化自由層となる強磁性層１８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。すなわち、書き込みの際に正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、磁化自由層となる強磁性層１８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００６９】
また、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンの向きは変化しないゲート電圧を用いる。図１３に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが変化しない。このため、磁化自由層となる強磁性層１８１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転される場合（正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が低くなる。このとき、強磁性層１８１、１８３の磁化の向きは平行であるため、強磁性層１８１、１８３間の抵抗は、強磁性層１８１、１８３の磁化の向きが反平行である場合に比べて低い。
【００７０】
また、磁化自由層となる強磁性層１８１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと反平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転される場合（正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が高くなる。このとき、強磁性層１８１、１８３の磁化の向きは反平行であるため、強磁性層１８１、１８３間の抵抗は、強磁性層１８１、１８３の磁化の向きが平行である場合に比べて高い。
【００７１】
このため、本実施形態のように、読み出し時に負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる場合に比べて、磁化自由層となる強磁性層１８１の磁化の向きが異なる状態における、チャネル３の抵抗と、強磁性層１８１、１８３間の抵抗との和の差が大きくなる。すなわち、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００７３】
なお、本実施形態においては、非磁性層１８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層１８４の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【００７４】
また、第１および第２磁性膜６、１８の強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【００７５】
（第６実施形態）
次に、本発明の第５実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１４に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図６に示す第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜８を強磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造を有している第２磁性膜１８に置き換えた構成となっている。  
本実施形態の第１磁性膜６Ａは図１５（ａ）に示すように、強磁性層６１、非磁性層６２、強磁性層６３の積層構造からなるシンセティックな磁化固着層と、この磁化固着層の磁化の向きを固着させる反強磁性層６ａとの積層構造となっている。なお、強磁性層６１と強磁性層６３とは非磁性層６２を介して反強磁性結合をしている。
【００７６】
また、本実施形態における第２磁性膜１８の第１具体例としては、図１５（ｂ）に示すように、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３、非磁性層１８４、磁化の向きが固着された強磁性層１８５、非磁性層１８６、磁化の向きが固着された強磁性層１８７、および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５、非磁性層１８６、および強磁性層１８７がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３、強磁性層１８５と、強磁性層１８７は非磁性層１８４および非磁性層１８６を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８として第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層１９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００７７】
また、第２磁性膜１８の第２具体例の構成を図１５（ｃ）に示す。この第２具体例の第２磁性膜１８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３、非磁性層１８４、磁化の向きが固着された強磁性層１８５、および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。この第２具体例においては、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３と強磁性層１８５とは非磁性層１８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層１９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３、第２磁性膜１８の強磁性層１８３、１８５の磁化の向きを固着することができる。
【００７８】
また、第２磁性膜１８の第３具体例の構成を図１５（ｄ）に示す。この第３具体例の第２磁性膜１８は、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。第２磁性膜１８として第３具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層１９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００７９】
第２磁性膜１８として図１５（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜８の磁性層８１、８３、８５、８７の磁化の向きを図１６に示す。
【００８０】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このとき、強磁性層１８３の磁化の向きを図１６に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６Ａの強磁性層６１の磁化の向きと同じ（平行）となるスピン配置を用いると磁化自由層となる強磁性層１８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００８１】
また、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。図１６に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００８３】
なお、本実施形態においては、非磁性層１８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層６２、１８４、１８６の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【００８４】
また、第１および第２磁性膜６Ａ、１８の強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【００８５】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１７に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図１１に示す第５実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【００８６】
したがって、第２磁性膜１８の具体的な構成も第５実施形態と同様に、図１２（ａ）または図１２（ｂ）に示す多層構造を有している。第２磁性膜１８が図１２（ａ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６の強磁性層６と、第２磁性膜の強磁性層１８１、１８３、１８５との磁化の向きは第５実施形態と同様に、図１３に示すようになっている。
【００８７】
第５実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００８８】
また、第５実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００８９】
本実施形態も第５実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００９０】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１８に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図１４に示す第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【００９１】
したがって、第６実施形態と同様に、第１磁性膜６Ａの具体的な構成は図１５（ａ）に示す多層構造を有しており、第２磁性膜１８の具体的な構成も図１５（ｂ）乃至図１５（ｄ）のいずれかに示す多層構造を有している。第１磁性膜６Ａが図１５（ａ）に示す多層構造を有し、第２磁性膜１８が図１５（ｂ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１、６３と、第２磁性膜の強磁性層１８１、１８３、１８５、１８７との磁化の向きは第６実施形態と同様に、図１６に示すようになっている。
【００９２】
第６実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【００９３】
また、第６実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【００９４】
本実施形態も第６実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００９５】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図１９に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図３乃至図５に示す第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜８を第２磁性膜８Ａに置き換えた構成となっている。この第２磁性膜８Ａの第１具体例を図２０（ａ）に示す。この具体例の第２磁性膜８Ａは、強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなる磁化自由層８１と、非磁性層８２と、強磁性層８３、非磁性層８４、および強磁性層８５からなるシンセティックな磁化固着層と、この磁化固着層の磁化の向きを固着する反強磁性層９とが順次積層された構成となっている。この第２磁性膜の磁化固着層においては、強磁性層８３と強磁性層８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８として第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７と反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【００９６】
また、第２磁性膜８Ａの第２具体例の構成を図２０（ｂ）に示す。この第２具体例の磁性膜８Ａは、強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなる磁化自由層８１と、非磁性層８２と、磁化の向きが固着された強磁性層８３と、反強磁性層９とが順次積層された構造となっている。この第２具体例の第２磁性膜８Ａを有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７および反強磁性層９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６の強磁性層、第２磁性膜８Ａの強磁性層８３の磁化の向きを固着することができる。
【００９７】
第２磁性膜８Ａとして、図２０（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６の強磁性層、第２磁性膜８Ａの磁性層８１、８３、８５の磁化の向きを図２１に示す。
【００９８】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、第１磁性膜の強磁性層６と、強磁性層８３の磁化の向きが平行でかつ磁化自由層となる強磁性層８１が強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなるシンセティクな構造を有しているため、書き込み時および読み出し時には図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンの向きが１８０°変化するゲート電圧を用いる。
【００９９】
本実施形態では、強磁性層８３の磁化の向きを図２１に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６の磁化固着層となる強磁性層の磁化の向きと同じ（平行）となるスピン配置となっているので、書き込み時に、磁化自由層となる強磁性層８１１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと平行な場合には第１磁性膜６側からスピン偏極された電子をチャネルに注入すれば、スピン偏極された電子のスピンは１８０°回転して、強磁性層８１１に伝わり、スピントルクが強磁性層８１１に働く。さらに、強磁性層８１１に伝わった電子は、強磁性層８１１、８１３を通過して強磁性層８３に伝わり、反射されて強磁性層８１３を通過して強磁性層８１１に到達し、スピントルクが強磁性層８１１に働く。これにより、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１００】
また、磁化自由層となる強磁性層８１１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと反平行な場合には強磁性層８３側からスピン偏極された電子を磁化自由層に注入すれば、スピン偏極された電子は、強磁性層８１３を通過して強磁性層８１１に伝わりスピントルクが強磁性層８１１に働く。さらに、強磁性層８１１に伝わった電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが１８０°回転されて強磁性層６に伝わり、この強磁性層６によって反射される。この反射された電子は、チャネル３を通過する際にスピンの向きが再度１８０回転されて強磁性層８１１に伝わる。これにより、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。すなわち、書き込みの際に正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１０１】
一方、図２１に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°変化する。このため、磁化自由層となる強磁性層８１１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが変化しない場合（負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が高くなる。このとき、強磁性層８１３、８３の磁化の向きは反平行であるため、強磁性層８１３、８３間の抵抗は、強磁性層８１３、８３の磁化の向きが平行である場合に比べて高い。
【０１０２】
また、磁化自由層となる強磁性層８１１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと反平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが変化しない場合（負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が低くなる。このとき、強磁性層８１３、８３の磁化の向きは平行であるため、強磁性層８１３、８３間の抵抗は、強磁性層８１３、８３の磁化の向きが反平行である場合に比べて低い。
【０１０３】
このため、本実施形態のように、読み出し時に正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる場合に比べて、磁化自由層の磁化の向きが異なる状態における、チャネル３の抵抗と、強磁性層８１３、８３間の抵抗との和の差が大きくなる。すなわち、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため、読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１０５】
なお、本実施形態においては、非磁性層８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層８１２、８４の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【０１０６】
また、第１および第２磁性膜６、８Ａの強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、磁化自由層は複数の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、これらの強磁性層が反強磁性結合をしていたが、強磁性結合であってもよい。この場合は、磁化自由層が単層の強磁性層である場合と同じ向きの磁気抵抗効果を示すゲート電圧を書き込みおよび読み出しに用いる。このことは、以下の実施形態でも同様である。
【０１０８】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図２２に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図６に示す第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜８を第２磁性膜８Ａに置き換えた構成となっている。この第２磁性膜８Ａは、第２実施形態の第２磁性膜８に係る単層の強磁性層からなる磁化自由層をシンセティックな磁化自由層に置き換えた構成となっている。
【０１０９】
本実施形態の第１磁性膜６Ａの一具体例の構成を図２３（ａ）に示す。この具体例の第１磁性膜６Ａは、強磁性層６１、非磁性層６２、強磁性層６３の積層構造からなるシンセティックな磁化固着層と、この磁化固着層の磁化の向きを固着させる反強磁性層６ａとの積層構造を有している。なお、強磁性層６１と強磁性層６３とは非磁性層６２を介して反強磁性結合をしている。
【０１１０】
また、本実施形態における第２磁性膜８Ａの第１具体例を図２３（ｂ）に示す。この第１具体例の第２磁性膜８Ａは、強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層８１と、非磁性層８２と、磁化の向きが固着された強磁性層８３と、非磁性層８４と、磁化の向きが固着された強磁性層８５と、非磁性層８６と、磁化の向きが固着された強磁性層８７と、反強磁性層９とが順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層８１１と、強磁性層８１３は非磁性層８１２を介して反強磁性結合している。
【０１１１】
また、強磁性層８３、非磁性層８４、強磁性層８５、非磁性層８６、および強磁性層８７がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層８３、強磁性層８５と、強磁性層８７は非磁性層８４および非磁性層８６を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８Ａとして第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【０１１２】
また、第２磁性膜８Ａの第２具体例の構成を図２３（ｃ）に示す。この第２具体例の第２磁性膜８Ａは、強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層８１と、非磁性層８２と、磁化の向きが固着された強磁性層８３と、非磁性層８４と、磁化の向きが固着された強磁性層８５と、反強磁性層９とが順次積層された構造となっている。この第２具体例においては、強磁性層８３、非磁性層８４、強磁性層８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層８３と強磁性層８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜８の強磁性層８３、８５の磁化の向きを固着することができる。
【０１１３】
また、第２磁性膜８Ａの第３具体例の構成を図２３（ｄ）に示す。この第３具体例の第２磁性膜Ａは、強磁性層８１１、非磁性層８１２、および強磁性層８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層８１と、非磁性層８２と、磁化の向きが固着された強磁性層８３と、反強磁性層９とが順次積層された構造となっている。第２磁性膜８Ａとして第３具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【０１１４】
第２磁性膜８Ａとして図２３（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜８Ａの磁性層８１、８３、８５、８７の磁化の向きを図２４に示す。
【０１１５】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、強磁性層６１と、強磁性層８３の磁化の向きが平行でかつ磁化自由層がシンセティック構造を有しているため、第９実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。すると、書き込み時は、第９実施形態と同様に磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１１６】
また、読み出し時は、第９実施形態と同様に、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。すると、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１１８】
なお、本実施形態においては、非磁性層８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層６２、８１２、８４の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【０１１９】
また、第１および第２磁性膜６Ａ、８Ａの強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【０１２０】
（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図２５に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図１９に示す第９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【０１２１】
したがって、第２磁性膜８Ａの具体的な構成も第９実施形態と同様に、図２０（ａ）または図２０（ｂ）に示すように、シンセティックな磁化自由層８１を有する多層構造を備えている。第２磁性膜８Ａが図２０（ａ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６の強磁性層６と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８３、８５との磁化の向きは第９実施形態と同様に、図２１に示すようになっている。
【０１２２】
第９実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１２３】
また、第９実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１２４】
本実施形態も第１実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１２５】
（第１２実施形態）
次に、本発明の第１２実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図２６に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図２２に示す第１０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【０１２６】
したがって、第１０実施形態と同様に、第１磁性膜６Ａの具体的な構成は図２３（ａ）に示す多層構造を有しており、第２磁性膜８Ａの具体的な構成も図２３（ｂ）乃至図２３（ｄ）のいずれかに示す多層構造を有している。第１磁性膜６Ａが図２３（ａ）に示す多層構造を有し、第２磁性膜８Ａが図２３（ｂ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１、６３と、第２磁性膜の強磁性層８１、８３、８５、８７との磁化の向きは第１０実施形態と同様に、図２４に示すようになっている。
【０１２７】
第１０実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１２８】
また、第２実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ａ）に示すような正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１２９】
本実施形態も第１０実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１３０】
（第１３実施形態）
次に、本発明の第１３実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図２７に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図１１に示す第５実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜１８を第２磁性膜１８Ａに置き換えた構成となっている。この第２磁性膜１８Ａは、第２磁性膜１８において、単層の強磁性層からなる磁化自由層１８１をシンセティックな磁化自由層１８１に置き換えた構成となっている。
【０１３１】
この第２磁性膜１８Ａは、第１具体例として例えば図２８（ａ）に示すように、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、強磁性層１８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層１８１と、非磁性層１８２と、磁化の向きが固着された強磁性層１８３と、非磁性層１８４と、磁化の向きが固着された強磁性層１８５と、反強磁性層１９とが順次積層された構造となっている。この第１具体例においては、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、強磁性層１８１３がシンセティックな磁化自由層８１を形成し、強磁性層１８１１と、強磁性層１８１３は非磁性層１８１２を介して反強磁性結合している。
【０１３２】
また、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３と強磁性層１８５とは非磁性層８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８Ａとして第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７および反強磁性層１９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６の強磁性層、第２磁性膜１８Ａの強磁性層１８３の磁化の向きを固着することができる。
【０１３３】
また、第２磁性膜１８Ａの第２具体例の構成を図２８（ｂ）に示す。この第２具体例の磁性膜１８Ａは、磁化の向きが可変の強磁性層（磁化自由層）１８１、非磁性層１８２、磁化の向きが固着された強磁性層１８３および反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。第２磁性膜１８Ａとして第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層７と反強磁性層１９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【０１３４】
第２磁性膜１８Ａとして、図２８（ａ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６の強磁性層６および第２磁性膜１８Ａの磁性層１８１、１８３、１８５の磁化の向きを図２９に示す。
【０１３５】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、第１磁性膜の強磁性層６と、強磁性層１８３の磁化の向きが反平行でかつ磁化自由層となる強磁性層１８１が強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、および強磁性層１８１３からなるシンセティクな構造を有しているため、書き込み時および読み出し時には図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧、すなわちチャネル３を通過する際にはスピン偏極された電子のスピンの向きが変化しないゲート電圧を用いる。
【０１３６】
本実施形態では、強磁性層１８３の磁化の向きを図２９に示すスピン配置、すなわち第１磁性膜６の磁化固着層となる強磁性層の磁化の向きと反対（反平行）となるスピン配置となっているので、書き込み時に、磁化自由層となる強磁性層１８１１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと平行な場合には第１磁性膜６側からスピン偏極された電子をチャネルに注入すれば、スピン偏極された電子のスピンは変化しないで強磁性層１８１１を通過して強磁性層１８１３に伝わり、スピントルクが強磁性層１８１３に働く。さらに、強磁性層１８１３を通過して強磁性層１８３に伝わった電子は、強磁性層１８３によって反射されて強磁性層１８１３に伝わり、スピントルクが強磁性層８１３に働く。これにより、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１３７】
また、磁化自由層となる強磁性層１８１１のスピンの向きが第１磁性膜６のスピンの向きと反平行な場合には強磁性層１８３側からスピン偏極された電子を磁化自由層に注入すれば、スピン偏極された電子は、強磁性層１８１３に伝わりスピントルクが強磁性層１８１３に働く。さらに、強磁性層１８１３に伝わった電子は、強磁性層１８１１、チャネル３を通過し、強磁性層６に伝わり、この強磁性層６によって反射される。この反射された電子は、チャネル３、強磁性層１８１１を通過して強磁性層１８１３に伝わる。これにより、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。すなわち、書き込みの際に負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、磁化自由層に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１３８】
一方、図２１に示すスピン配置においてこの状態で読み出すと、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが変化しない。このため、磁化自由層となる強磁性層１８１１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが変化する場合（正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が低くなる。このとき、強磁性層１８１３、１８３の磁化の向きは平行であるため、強磁性層１８１３、１８３間の抵抗は、強磁性層８１３、１８３の磁化の向きが反平行である場合に比べて低い。
【０１３９】
また、磁化自由層となる強磁性層１８１１のスピンの向きが強磁性層６のスピンの向きと反平行な場合には、チャネル３を通過する際の電子のスピンの向きが１８０°回転する場合（正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いた場合）に比べてチャネル３の抵抗が高くなる。このとき、強磁性層１８１３、１８３の磁化の向きは反平行であるため、強磁性層１８１３、１８３間の抵抗は、強磁性層１８１３、１８３の磁化の向きが平行である場合に比べて高い。
【０１４０】
このため、本実施形態のように、読み出し時に負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いれば、正の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる場合に比べて、磁化自由層の磁化の向きが異なる状態における、チャネル３の抵抗と、強磁性層１８１３、１８３間の抵抗との和の差が大きくなる。すなわち、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため、読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１４２】
なお、本実施形態においては、非磁性層１８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層１８４の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【０１４３】
また、第１および第２磁性膜６、１８Ａの強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、１８Ａの強磁性層と同じ材料を用いることができる。  
【０１４４】
（第１４実施形態）
次に、本発明の第１４実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図３０に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図１４に示す第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、第２磁性膜１８を第２磁性膜１８Ａに置き換えた構成となっている。この第２磁性膜１８Ａは、第２磁性膜１８の単層の強磁性層からなる磁化自由層８１をシンセティックな磁化自由層８１に置き換えた構成となっている。
【０１４５】
本実施形態の第１磁性膜６Ａは図３１（ａ）に示すように、強磁性層６１、非磁性層６２、強磁性層６３の積層構造からなるシンセティックな磁化固着層と、この磁化固着層の磁化の向きを固着させる反強磁性層６ａとの積層構造となっている。なお、強磁性層６１と強磁性層６３とは非磁性層６２を介して反強磁性結合をしている。
【０１４６】
また、本実施形態における第２磁性膜１８Ａの第１具体例としては、図３１（ｂ）に示すように、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、および強磁性層１８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層１８１と、非磁性層１８２と、磁化の向きが固着された強磁性層１８３と、非磁性層１８４と、磁化の向きが固着された強磁性層１８５と、非磁性層１８６と、磁化の向きが固着された強磁性層１８７と、反強磁性層１９が順次積層された構造となっている。
【０１４７】
この第１具体例においては、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、および強磁性層１８１３がシンセティックな磁化自由層８１となり、強磁性層１８１１と、強磁性層１８１３とが非磁性層１８１２を介して反強磁性結合をしている。
【０１４８】
また、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５、非磁性層１８６、および強磁性層１８７がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３、強磁性層１８５と、強磁性層１８７は非磁性層１８４および非磁性層１８６を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８Ａとして第１具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層１９は同じ材料を用いることができる。また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜１８Ａの強磁性層１８３、１８５、１８７の磁化の向きを固着することができる。
【０１４９】
また、第２磁性膜１８Ａの第２具体例の構成を図３１（ｃ）に示す。この第２具体例の第２磁性膜１８Ａは、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、および強磁性層１８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層１８１と、非磁性層１８２と、磁化の向きが固着された強磁性層１８３と、非磁性層１８４と、磁化の向きが固着された強磁性層１８５と、反強磁性層１９とが順次積層された構造となっている。この第２具体例においては、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５がシンセティックな磁化固着層を形成し、この磁化固着層が反強磁性層１９によって磁化の向きが固着された構成となっている。また、強磁性層１８３と強磁性層１８５とは非磁性層１８４を介して反強磁性結合している。この場合、シンセティックな磁化固着層がより強固に固着され素子安定性に優れた特性を得ることができる。第２強磁性膜１８として第２具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａと反強磁性層９とは異なる材料とする必要があり、かつ磁化の向きを固着する際のアニールで、１８０度の磁場の反転が必要となる。
【０１５０】
また、第２磁性膜１８Ａの第３具体例の構成を図３１（ｄ）に示す。この第３具体例の第２磁性膜１８は、強磁性層１８１１、非磁性層１８１２、および強磁性層１８１３からなる磁化の向きが可変の磁化自由層１８１と、非磁性層１８２と、磁化の向きが固着された強磁性層１８３と、反強磁性層１９とが順次積層された構造となっている。第２磁性膜１８Ａとして第３具体例の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、反強磁性層６ａおよび反強磁性層１９は同じ材料を用いることができ、また、磁化の向きを固着する際のアニールで、何の工夫もせずに第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜１８Ａの強磁性層１８３の磁化の向きを固着することができる。
【０１５１】
第２磁性膜１８Ａとして図３１（ｂ）に示す第１具体例の構造を用いた場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１，６３および第２磁性膜８の強磁性層１８１１、１８１３、１８３、１８５、１８７の磁化の向きを図３２に示す。
【０１５２】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、書き込み時は、第１３実施形態と同様に図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いると、化自由層１８１に２重のスピントルクが加わることになりスピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１５３】
また、読み出し時は、第１３実施形態と同様に、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いると、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１５５】
なお、本実施形態においては、非磁性層１８２の材料としては、第１実施形態の非磁性層８２と同じ材料、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどを用いることができる。また、非磁性層６２、８４、８６の材料としては、第１実施形態の非磁性層８４と同じ材料、すなわちＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。
【０１５６】
また、第１および第２磁性膜６Ａ、１８Ａの強磁性層としては、第１実施形態の第１および第２磁性膜６、８の強磁性層と同じ材料を用いることができる。
【０１５７】
（第１５実施形態）
次に、本発明の第１５実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図３３に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図２７に示す第１３実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【０１５８】
したがって、第２磁性膜１８Ａの具体的な構成も第１３実施形態と同様に、図２８（ａ）または図２８（ｂ）に示す多層構造を有している。第２磁性膜１８Ａが図２８（ａ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６の強磁性層６と、第２磁性膜１８Ａの強磁性層１８１１、１８１３、１８３、１８５との磁化の向きは第１３実施形態と同様に、図２９に示すようになっている。
【０１５９】
第１３実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１６０】
また、第１３実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１６１】
本実施形態も第１３実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１６２】
（第１６実施形態）
次に、本発明の第１６実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴの断面を図３４に示す。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、ショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであって、図３０に示す第１４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、トンネル絶縁膜４を削除した構成となっている。
【０１６３】
したがって、第１４実施形態と同様に、第１磁性膜６Ａの具体的な構成は図３１（ａ）に示す多層構造を有しており、第２磁性膜１８Ａの具体的な構成も図３１（ｂ）乃至図３１（ｄ）のいずれかに示す多層構造を有している。第１磁性膜６Ａが図３１（ａ）に示す多層構造を有し、第２磁性膜１８Ａが図３１（ｂ）に示す多層構造を有している場合の第１磁性膜６Ａの強磁性層６１、６３と、第２磁性膜の強磁性層１８１１、１８１３、１８３、１８５、１８７との磁化の向きは第１４実施形態と同様に、図３２に示すようになっている。
【０１６４】
第１４実施形態と同様に、書き込み時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用い、スピン注入による磁化反転時の反転電流密度を低減することができる。
【０１６５】
また、第１４実施形態と同様に、読み出し時は、図２（ｂ）に示すような負の磁気抵抗効果が観測されるゲート電圧を用いる。このため、チャネル領域３を介した磁気抵抗変化率に加え、多層構造の磁気抵抗変化率も加わるため読み出し出力が大幅に増大されることになる。
【０１６６】
本実施形態も第１４実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１６７】
（第１７実施形態）
次に、本発明の第１７実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを図３５（ａ）、３５（ｂ）に示す。図３５（ａ）は、本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの第１磁性膜６、６Ａの半導体基板２側の強磁性層６または６１および第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化自由層８１、１８１および磁化固着層の強磁性層の磁化の向きを示し、図３５（ｂ）は、本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの断面を示す。
【０１６８】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３、第１４実施形態において、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化自由層８１、１８１の磁化の向きを、第１磁性膜６、６Ａの半導体基板２側の強磁性層６、６１の磁化に向きに対して０度より大きく４５度以下の角度θだけ傾けた構成となっている。すなわち、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化自由層８１、１８１の磁化の向きは、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化固着層の磁化の向きに対しても角度θだけ傾いている。
【０１６９】
このように、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化自由層８１、１８１の磁化の向きを第１磁性膜６、６Ａの半導体基板２側の強磁性層６、６１の磁化に向きに対して０度より大きく４５度以下の角度θだけ傾けることにより、スピン注入による磁化反転電流密度を更に低減することができる。
【０１７０】
なお、本実施形態も、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができることは云うまでもない。
【０１７１】
磁化自由層８１、１８１の磁化（磁気モーメント）の方向を傾ける方法としては、別途設けた電流磁界を発生する配線を用いる方法、または読み出し配線用電流を流す配線が作る自己磁界を用いる方法の他、磁化固着層のスピンモーメントを固着する時に行う磁界中アニールの時に、磁化固着層の磁気モーメントが固着されるブロッキング温度以下の温度で、磁界の方向を所望の方向に傾ける方法を用いればよい。
【０１７２】
なお、本実施形態の第１変形例として、本実施形態において、図３６（ａ）、３６（ｂ）に示すように、トンネル絶縁膜４を削除したショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴであってもよい。
【０１７３】
また、本実施形態の第２変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを図３７（ａ）、３７（ｂ）に示す。この変形例のスピンＭＯＳＦＥＴは、第１７実施形態において、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの膜面形状を実質的に平行四辺形にした構成となっている。なお、実質的に平行四辺形とは、角が丸まった平行四辺形も含むことを意味する。
【０１７４】
また、本実施形態の第３変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを図３８（ａ）、３８（ｂ）に示す。この変形例のスピンＭＯＳＦＥＴは、第２変形例において、トンネル絶縁膜４を削除したショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴである。
【０１７５】
また、本実施形態の第４変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを図３９（ａ）、３９（ｂ）に示す。この変形例のスピンＭＯＳＦＥＴは、第１７実施形態において、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの膜面形状を実質的に六角形にした構成となっている。なお、実質的に六角形とは、角が丸まった六角形も含むことを意味する。
【０１７６】
また、本実施形態の第５変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを図４０（ａ）、４０（ｂ）に示す。この変形例のスピンＭＯＳＦＥＴは、第４変形例において、トンネル絶縁膜４を削除したショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴである。
【０１７７】
第１乃至第５変形例も、第１７実施形態と同様に、スピン注入による磁化反転電流密度を更に低減することができるとともに、スピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【０１７８】
また、本実施形態および第１乃至第５変形例のように、第２磁性膜８、８Ａ、１８、１８Ａの磁化自由層８１、１８１の磁化の向きを第１磁性膜６、６Ａの半導体基板２側の強磁性層６、６１の磁化に向きに対して０度より大きく４５度以下の角度θだけ傾けることにより、図４１に示すように反転に必要なエネルギーバリアが低下するとともに、図４２に示すようにスピントルクの効率を向上することが可能となる。なお、図４１において、Ｈｙは磁化自由層の磁化困難軸方向の磁場の強さを示し、Ｋ１は磁化自由層の一軸異方性の強さを示し、Ｍｓは磁化の大きさを示す。図４１において、（Ｋ１／Ｍｓ）×０．５および
（Ｋ１／Ｍｓ）×１．０はＨｙを示し、したがって、図４１はＨｙの大きさをパラメータにして表した特性グラフを示している。この図４１に示す特性グラフからわかるように、第１磁性膜の磁化固着層と、第２磁性膜の磁化自由層とのスピンのなす角度が９０度の場合にスピン反転エネルギーバリアが高くなっている。そして、Ｈｙを大きくする、すなわち
第１磁性膜の磁化固着層のスピンの向きに対して第２磁性膜の磁化自由層のスピンの向きを傾けることによって、反転に必要なエネルギーバリアが低下し、反転し易くなる。特に、傾き角θが０度より大きく４５度以下の場合（平行な状態から傾いた場合）か、１３５度以上で１８０度より小さい場合（反平行な状態から傾いた場合）にスピン反転エネルギーバリアが低くなっている。
【０１７９】
また、図４２からわかるように、ＭＲが９５％以上では、傾き角θが１３５度以上１８０度より小さい場合（反平行な状態から傾いた場合）にスピントルクの強さが大きくなっている。傾き角θが０度より大きく４５度以下の場合（平行な状態から傾いた場合）にはスピントルクの強さはＭＲの値に拘わらず、傾き角θが増大するにつれて増大している。そして、スピントルクの全体の強さは反平行な状態から傾いている場合と、平行な状態から傾いている場合との平均値で表されること、また、ＭＲ比はｃｏｓ２θに比例するので、傾き角θが４５度より大きくなると、ＭＲ比が小さくなることから、傾き角θは０度より大きく４５度以下の値であることが好ましい。
【０１８０】
上記第１乃至第１７実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段、微細加工方法を用いて、所定の基板上に形成することができる。この場合の基板としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＺｎＳｅ、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルニウム）など各種の基板を用いることができる。
【０１８１】
（第１８実施形態）
次に、実際にリコンフィギャブルな論理回路に用いる場合の簡単な回路構成について説明する。
【０１８２】
実際にスピンＭＯＳＦＥＴを用いてリコンフィギャブルな論理回路を構成する場合、２つのＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ１およびＭＯＳＦＥＴ２）に共通のフローティングゲートを有していることが好ましい。
【０１８３】
ＡＮＤ，ＯＲ回路が作製できれば、ＮＯＲ回路、排他的ＯＲ回路などの全ての回路を作製できるのでＡＮＤ回路、ＯＲ回路についてのみ図４３に示す。図示したように、本実施形態のリコンフィギャブルな論理回路は、基本的には、上記第１乃至第１７実施形態のいずれかのスピンＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜１０と、ゲート電極１２との間に、フローティングゲート（図示せず）と、電極間絶縁膜を設けた、２つのスピンＭＯＳＦＥＴ３０、３２を用いる。スピンＭＯＳＦＥＴ３０はｐ型のＭＯＳＦＥＴ、すなわち半導体基板２がｎ型基板であるＭＯＳＦＥＴであり、スピンＭＯＳＦＥＴ３２はｎ型のＭＯＳＦＥＴ、すなわち半導体基板２がｐ型であるＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴ３０、３２のフローティングゲートを共通に接続し、ＭＯＳＦＥＴ３０のソースを電源Ｖｉｎｐに接続し、ＭＯＳＦＥＴ３２のソースを接地する。そして、ＭＯＳＦＥＴ３０のドレインとＭＯＳＦＥＴ３２のドレインを接続する。この共通接続したノードからの出力Ｖ１をインバータ４０に入力し、このインバータ４０の出力を本実施形態の論理回路の出力Ｖｏｕｔとする。
【０１８４】
これにより、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路を形成できる。図４４に示すようにフローティングゲート電圧Ｖｆｇが、ＭＯＳＦＥＴ３０のゲート入力ＡとＭＯＳＦＥＴ３２のゲート入力Ｂの和の１／２の場合に、ドレイン、ソースの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントが平行（Ｐ）または反平行（ＡＰ）の時の出力電圧Ｙが“１”または“０”と変化する。
【０１８５】
本実施形態の論理回路において、ＭＯＳＦＥＴ３２のソース・ドレインの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントをＡＰ（反平行）状態とした場合にＭＯＳＦＥＴ３０、３２のゲート電極の入力Ａ、Ｂの値に対応する、フローティングゲートの電位Ｖｆｇ、ＭＯＳＦＥＴ３０，３２の共通接続ノードの電位Ｖ１、論理回路の出力Ｖｏｕｔの値を図４５に示す。また、ＭＯＳＦＥＴ３２のソース・ドレインの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントをＰ（平行）状態とした場合にＭＯＳＦＥＴ３０、３２のゲート電極の入力Ａ、Ｂの値に対応する、フローティングゲートの電位Ｖｆｇ、ＭＯＳＦＥＴ３０，３２の共通接続ノードの電位Ｖ１、論理回路の出力Ｖｏｕｔの値を図４６に示す。図４５、図４６に示したように、ＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン、ソースの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントが反平行の時にＡＮＤ回路、平行の時にＯＲ回路となる。このため、ドレイン部の強磁性層のスピンモーメントを変えてプログラムしなおすことにより、論理回路を造り直すことなく構成することができ、すなわちリコンフィギャブルな論理回路を得ることができる。
【０１８６】
ＡＮＤ回路、ＯＲ回路の場合、全てのトランジスタをスピンＭＯＳＦＥＴにしても良いが、一部に通常のＭＯＳＦＥＴを用いてもかまわない。図４７に示すように２つのトランジスタの内一つ（例えばＭＯＳＦＥＴ３２）を第１乃至第１７実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを用い、もう一つを通常の磁性体を用いないｐＭＯＳＦＥＴ３４を用いた場合も、一つのスピンＭＯＳＦＴＥ３２のソース・ドレインの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントを平行、反平行と制御することによって、同様の結果を得ることができる。
【０１８７】
また、図４８に示すように、インバータ４０を用いなくともｎ型ＭＯＳＦＥＴ３２、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ３０の接続を入れ替えることにより、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ３０のソース・ドレインの半導体基板２に近い強磁性層のスピンモーメントを平行、反平行と制御することによっても、同様の効果が得られる。
【０１８８】
上記論理回路として使用する場合は、スピンＭＯＳＦＥＴの情報を読み出すためのゲート電圧制御回路、センス電流を制御するセンス電流制御素子回路、書き込み電流制御回路、ドライバ−およびシンカーをさらに具備することとなる。
【０１８９】
（第１９実施形態）
次に、本発明の第１９実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを図５４乃至図５６を参照して説明する。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図３に示す第１実施形態において、第１磁性膜６を第１磁性膜１６の置き換えるとともに、第２磁性膜８を第２磁性膜２８に置き換えた構成となっている（図５４）。第１磁性膜１６は、磁化が固着されたハーフメタル強磁性層１６１と、強磁性層１６２とを備えている。また、第２磁性膜２８は、磁化自由層となるハーフメタル強磁性層２８１と、トンネル絶縁膜２８２と、磁化固着層２８３と、反強磁性層２９とを備えている。磁化固着層２８３は、ハーフメタル強磁性層２８３１と、強磁性層２８３２とを備えている（図５５）。なお、ハーフメタル強磁性層１６１と、磁化固着層２８３との磁化の向きは、図５６に示すように、平行（同じ向き）となっている。
【０１９０】
本実施形態においては、第１磁性膜１６は、ハーフメタル強磁性層１６１を備えているため、ハーフメタル強磁性層１６１と、反強磁性層７との間に、合金からなる強磁性層１６２が設けられている。また、第２磁性膜２８の磁化固着層２８３は、ハーフメタル強磁性層２８３１を備えているため、ハーフメタル強磁性層２８３１と、反強磁性層２９との間に、合金からなる強磁性層２８３２が設けられている。合金からなる強磁性層１６２、２８３２の材料としては、ＣｏＦｅか、またはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうちの少なくとも２つの元素を含む合金が用いられる。
【０１９１】
本実施形態においては、第２磁性膜２８がハーフメタル強磁性層２８１／トンネル絶縁膜２８２／ハーフメタル強磁性層２８３１の積層構造を有している。このため、磁化自由層２８１のスピンがハーフメタル強磁性層１６１のスピンに対して平行から反平行に変化する場合に、チャネル長間のスピン依存伝導に加え、上記積層構造のスピン依存伝導が作用するため、大きなドレイン電流の差が得られる。なお、ハーフメタル強磁性層２８１は、ハーフメタル強磁性層／体心立方格子メタル／ハーフメタル強磁性層の積層構造であってもよい。なお、体心立方格子メタルの例としては、例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、またはこれらの合金（例えばＣｒ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｖ合金、Ｃｒ−Ｖ合金）が用いられる。
【０１９２】
また、ハーフメタル強磁性層は、フルホイスラー合金が好ましい。その中でも、最も大きなドレイン電流の差が得られた組成は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ１−ｘＡｌｘであった。組成比ｘは、０．１＜ｘ＜０．９の範囲が好ましかった。この範囲で、室温での磁気抵抗は最大値を持つとともにＭＲ変化率の電圧依存性が小さく好ましかった。なお、フルホイスラー合金とは、構成元素をＡ、Ｂ、Ｃとすると、組成がＡ２ＢＣで表される合金であって、ＤＯ３構造をとる合金である。例えば、ＡはＣｏ（コバルト）を、ＢはＦｅ（鉄）を、ＣはＳｉおよびＡｌの少なくとも１つとすると、フルホイスラー合金はＣｏ２ＦｅＳｉ１−ｘＡｌｘと表される。なお、ハーフホイスラー合金とは、構成元素をＡ、Ｂ、Ｃとすると、組成がＡＢＣで表される合金であって、ＤＯ３構造をとる合金である。
【０１９３】
また、トンネル絶縁膜４としては、上記各実施形態と同様に、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの酸化物を用いることができる。特に、トンネル絶縁膜４にＭｇＯを用いた場合は、このトンネル絶縁膜４上に形成されるフルホイスラー合金からなる磁性層１６１、２８１をエピタキシャル成長で形成することが可能となり、磁気特性が良好となる。
【０１９４】
また、半導体基板としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体からなる基板を用いても良いし、表面がＳｉ、ＧｅなどのＩＶ族の半導体、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅなどのＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体からなる基板を用いても良い。
【０１９５】
本実施形態も、第１実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを得ることができる。
【０１９６】
なお、本実施形態の変形例として、第１および第２磁性膜１６、２８と半導体基板２との間に設けられたトンネル絶縁膜４を削除することにより、図５７に示すショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴを得ることができる。この変形例も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１９７】
（第２０実施形態）  
次に、本発明の第２０実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを図５８乃至図６０を参照して説明する。本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴは、図５４に示す第１９実施形態において、第１磁性膜１６の強磁性層１６２を強磁性層１６２１、非磁性層１６２２、強磁性層１６２３の積層構造に置き換えるとともに、第２磁性膜２８の磁化固着層２８３を磁化固着層２８ａ３に置き換えた構成となっている（図５８、５９）。磁化固着層２８ａ３は、磁化が固着されたハーフメタル強磁性層２８ａ３１と、強磁性層２８ａ３２１、非磁性層２８ａ３２２、および強磁性層２８ａ３２３の積層構造からなる磁性膜２８ａ３２とを備えている。なお、ハーフメタル強磁性層１６１と、ハーフメタル強磁性層２８ａ３１との磁化の向きは、図６０に示すように、反平行（逆の向き）となっている。
【０１９８】
強磁性層１６２１、強磁性層１６２３、強磁性層２８ａ３２１、および強磁性層２８ａ３２３の材料としては、第１９実施形態と同様に、ＣｏＦｅか、またはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうちの少なくとも２つの元素を含む合金が用いられる。非磁性層１６２２、２８ａ３２２の材料としては、例えばＲｕが用いられる。
【０１９９】
本実施形態も、第２磁性膜２８がハーフメタル強磁性層２８１／トンネル絶縁膜２８２／ハーフメタル強磁性層２８ａ３１の積層構造を有している。このため、磁化自由層となるハーフメタル強磁性層２８１のスピンがハーフメタル強磁性層１６１のスピンに対して平行から反平行に変化する場合に、チャネル長間のスピン依存伝導に加え、上記積層構造のスピン依存伝導が作用するため、大きなドレイン電流の差が得られる。なお、ハーフメタル強磁性層２８１は、ハーフメタル強磁性層／体心立方格子メタル／ハーフメタル強磁性層の積層構造であってもよい。
【０２００】
また、ハーフメタル強磁性層は、第１９実施形態と同様に、フルホイスラー合金が好ましい。その中でも、最も大きなドレイン電流の差が得られた組成は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ１−ｘＡｌｘであった。組成比ｘは、０．１＜ｘ＜０．９の範囲が好ましかった。この範囲で、室温での磁気抵抗は最大値を持つとともにＭＲ変化率の電圧依存性が小さく好ましかった。
【０２０１】
本実施形態も、第１９実施形態と同様に、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを得ることができる。
【０２０２】
なお、本実施形態の変形例として、第１および第２磁性膜１６、２８と半導体基板２との間に設けられたトンネル絶縁膜４を削除することにより、図６１に示すショットキー型スピンＭＯＳＦＥＴを得ることができる。この変形例も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【０２０３】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。
【０２０４】
（第１実施例）
まず、本発明の第１実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴとして、第２実施形態または第４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製した。
【０２０５】
このスピンＭＯＳＦＥＴの構造について、その製造手順はソース，ドレイン形成部分を除き通常のＭＯＳＦＥＴのプロセスとほぼ同様であるが、製造プロセスに沿って説明すれば、以下の如くである。
【０２０６】
Ｓｉ基板２またはＳＩＯ基板２上に、まず、シランとアンモニアを気相成長しＳｉ３Ｎ４膜（図示せず）を形成する。その後、ソース−ゲート酸化膜−ドレイン形成領域にＰＥＰ(Photo-Engraving Process) を行う。すなわち、フォトレジスト（図示せず）をマスクとしＳｉ３Ｎ４膜をエッチングし、このエッチングされたＳｉ３Ｎ４膜をマスクとしソース−ゲート酸化膜−ドレイン形成領域以外の領域の自然酸化膜（ＳｉＯｘ）をエッチングする。その後、ソース−ゲート酸化膜−ドレイン形成領域以外の領域の自然酸化膜（ＳｉＯｘ）をエッチングによって除去した後、露出したＳｉ上に分厚い素子分離用のフィールド酸化膜４０を形成する。その後、ソース−ゲート酸化膜−ドレイン形成領域に残っているＳｉ３Ｎ４膜をリン酸で除去し、自然酸化膜（ＳｉＯｘ）もフッ酸で除去する。続いて、熱酸化法により例えばＳｉＯｘからなるゲート絶縁膜１０を成長させ、続いてゲート絶縁膜１０上に気相成長法により導電型不純物を含んだポリシリコン膜を堆積させた。その後、ポリシリコン膜にフォトリソグラフィーを施し、ゲート電極１２を形成した後、ゲート電極１２をマスクにしソース，ドレイン部分のゲート絶縁膜１０もフッ素系ＲＩＥによって除去し、図４９（ａ）に示す構造を作製した。
【０２０７】
その後、ソースおよびドレインとなる第１および第２磁性膜６Ａ、８を別々に形成する。例えば、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作成する一例としては、第１磁性膜６Ａとして、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜を形成した後、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層６１、Ｒｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、ＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを指向性が強いスパッタ法により積層する。第２磁性膜８としてＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４を形成した後、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８１、ＭｇＯからなる非磁性層８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８３、Ｒｕからなる非磁性層８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層８５、Ｒｕからなる非磁性層８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層９を指向性が強いスパッタ法により成膜する。
【０２０８】
また、第４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作成する場合の一例としては、まず、ソース／ドレインとなる領域にＦｅを成膜後アニールによる固層拡散でＦｅ３Ｓｉを作製する。このＦｅ３Ｓｉが第１磁性膜６Ａの強磁性層６１、第２磁性膜８の強磁性層８１となる。その後、第１磁性膜６ＡとしてＦｅ３Ｓｉからなる強磁性層６１上にＲｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを指向性が強いスパッタ法により積層する。第２磁性膜８としてＦｅ３Ｓｉからなる強磁性層８１上にＭｇＯからなる非磁性層８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８３、Ｒｕからなる非磁性層８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層８５、Ｒｕからなる非磁性層８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層９を指向性が強いスパッタ法により成膜する。
【０２０９】
このように第１磁性膜６Ａ、第２磁性膜８を形成した後、ポリシリコン電極５２を指向性が強いスパッタ装置でスパッタし、図４９（ｂ）に示す構造を得た。その後、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中アニールを強磁性層の長軸方向（磁化容易軸方向）に磁場を印加した。
【０２１０】
図５０に、読み出し時のゲート電圧ＶGateが０．４Ｖとした場合の第２実施形態と第４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴのドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す。図５０において、ＩDrainAPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層８１とのスピンの向きが反平行な場合のドレイン電流を示し、ＩDrainPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層８１とのスピンの向きが平行な場合のドレイン電流を示す。
【０２１１】
また、図示しないが、ゲート電圧ＶGateが０．８Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を第２実施形態の構造では１Ｖ以上、第４実施形態の構造では１．１Ｖ以上にするとスピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。その電流密度は、２．１×１０６Ａ／ｃｍ２、２．３×１０６Ａ／ｃｍ２で小さいことが明らかになった。
【０２１２】
また、読み出し特性も、図５０から明らかなように、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層８１とのスピンの向きが平行な場合と、反平行な場合とで明らかにドレイン電流が異なること、ゲート電圧を印加することにより増幅作用があることが分かり、リコンフィギャブル論理回路用のスピンＭＯＳＦＥＴの動作が確認できた。
【０２１３】
（第２実施例）
本発明の第２実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴとして、第６実施形態および第８実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製した。
【０２１４】
ソースおよびドレインを形成する前までは、第１実施例と同様に形成する。その後、第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴとして、ソースおよびドレインとなる第１および第２磁性膜６Ａ、１８を別々に形成する。例えば、第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製する一例としては、第１磁性膜６Ａとして、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４を形成した後、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層６１、Ｒｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを指向性が強いスパッタ法により積層する。また第２磁性膜１８として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４を形成した後、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層１８１、ＭｇＯからなる非磁性層１８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層１８３、Ｒｕからなる非磁性層１８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層１８５、Ｒｕからなる非磁性層１８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層１８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層１９を指向性が強いスパッタ法により積層する。
【０２１５】
また、第８実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製する一例としては、第１磁性膜６Ａおよび第２磁性膜１８の強磁性層６１、１８１として、Ｆｅを成膜後アニールによる固層拡散でＦｅ３Ｓｉをソース・ドレイン形成領域に作製する。その後、第１磁性膜６Ａとして、膜Ｆｅ３Ｓｉからなる強磁性層６１上にＲｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを指向性が強いスパッタ法により積層する。第２磁性膜１８として、Ｆｅ３Ｓｉからなる強磁性層１８１上に、ＭｇＯからなる非磁性層１８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層１８３、Ｒｕからなる非磁性層１８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層１８５、Ｒｕからなる非磁性層１８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層１８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層１９を指向性が強いスパッタ法により形成する。
【０２１６】
このように第１磁性膜６Ａ、第２磁性膜１８を形成した後、ポリシリコンからなる電極膜５２を指向性が強いスパッタ装置でスパッタし、図４９（ｂ）に示す構造を得た。続いて、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中でのアニールを磁性層の長軸方向に磁場を印加した。
【０２１７】
図５１に、読み出し時のゲート電圧ＶGateが０．８Ｖとした場合の第６実施形態と第８実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴのドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す。図５１において、ＩDrainAPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜１８の強磁性層１８１とのスピンの向きが反平行な場合のドレイン電流を示し、ＩDrainPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層１８１とのスピンの向きが平行な場合のドレイン電流を示す。
【０２１８】
また、図示しないが、ゲート電圧ＶGateが１．２Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を第６実施形態の構造では１．２Ｖ以上とし、第８実施形態の構造では１．３Ｖ以上にするとスピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。その電流密度は、２．５×１０６Ａ／ｃｍ２、２．６×１０６Ａ／ｃｍ２で小さいことが明らかになった。
【０２１９】
また、読み出し特性も、図５１から明らかなように、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜１８の強磁性層１８１とのスピンの向きが平行な場合と、反平行な場合とで明らかにドレイン電流が異なること、ゲート電圧を印加することにより増幅作用があることが分かり、リコンフィギャブル論理回路用スピンＭＯＳＦＥＴの動作が確認できた。
【０２２０】
（第３実施例）
本発明の第３実によるスピンＭＯＳＦＥＴとして、第１０実施形態および第１２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製した。
【０２２１】
このスピンＭＯＳＦＥＴの製造手順は、第１または第２実施例同様である。第１０実施形態の第１磁性膜６Ａとしては、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上に、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層６１、Ｒｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを順次積層する。また、第２磁性膜８Ａとして、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏＦｅＢからなる強磁性層８１１、Ｒｕからなる非磁性層８１２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８１３、ＭｇＯからなる非磁性層８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８３、Ｒｕからなる非磁性層８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層８５、Ｒｕからなる非磁性層８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層９を順次成膜する。
【０２２２】
また、第１２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製する一例としては、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１および第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１として、Ｆｅを成膜後アニールによる固層拡散でＦｅ３Ｓｉを作製する。その後、第１磁性膜６Ａとして、Ｆｅ３Ｓｉからなる強磁性層６１上にＲｕからなる非磁性層６２、ＣｏＦｅからなる強磁性層６３、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層６ａを順次成膜する。また、第２磁性膜８Ａとして、Ｆｅ３Ｓｉからなる強磁性層８１１上にＲｕからなる非磁性層８１２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８１３、ＭｇＯからなる非磁性層８２、ＣｏＦｅＢからなる強磁性層８３、Ｒｕからなる非磁性層８４、ＣｏＦｅからなる強磁性層８５、Ｒｕからなる非磁性層８６、ＣｏＦｅからなる強磁性層８７、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層９を順次成膜する。
【０２２３】
このように第１磁性膜６Ａ、第２磁性膜８Ａを形成した後、ポリシリコン電極５２を指向性が強いスパッタ装置でスパッタし、図４９（ｂ）に示す構造を得た。その後、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中アニールを強磁性層の長軸方向（磁化容易軸方向）に磁場を印加した。
【０２２４】
図５２に、読み出し時のゲート電圧ＶGateが０．６Ｖとした場合の第１０実施形態と第１２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴのドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す。図５２において、ＩDrainAPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１とのスピンの向きが反平行な場合のドレイン電流を示し、ＩDrainPは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１とのスピンの向きが平行な場合のドレイン電流を示す。
【０２２５】
また、図示しないが、ゲート電圧ＶGateが１．４Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を第１０実施形態の構造では１．３Ｖ以上、第１２実施形態の構造では１．５Ｖ以上にするとスピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。その電流密度は、２．９×１０６Ａ／ｃｍ２、２．８×１０６Ａ／ｃｍ２で小さいことが明らかになった。
【０２２６】
また、読み出し特性も、図５２から明らかなように、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１とのスピンの向きが平行な場合と、反平行な場合とで明らかにドレイン電流が異なること、ゲート電圧を印加することにより増幅作用があることが分かり、リコンフィギャブル論理回路用のスピンＭＯＳＦＥＴの動作が確認できた。
【０２２７】
（第４実施例）
本発明の第４実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴとして、第１および第２磁性膜が第２実施形態および第１０実施形態の多層膜積層構造を有し、第２磁性膜８、８Ａの磁化自由層の膜面形状が図３７に示す第１７実施形態第２変形例のように、略平行四辺形であってかつ磁化自由層のスピンモーメントの向きが磁化固着層となる第１磁性膜６Ａの強磁性層６１のスピンの向きに対して角度θ傾いた構造のスピンＭＯＳＦＥＴを作製した。
【０２２８】
このスピンＭＯＳＦＥＴの製造手順および多層膜構造は、第１または第３実施例と同様である。
【０２２９】
本実施例において、多層膜積層構造が第２実施形態の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴに、ゲート電圧ＶGateが０．８Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を０．８Ｖ以上にすると、スピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。その電流密度は、１．６×１０６Ａ／ｃｍ２であった。また、多層膜積層構造が第１０実施形態の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴに、ゲート電圧ＶGateが１．４Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を０．９Ｖ以上にすると、スピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。その電流密度は、２．２×１０６Ａ／ｃｍ２であって、第１および第３実施形態に比べて比べ反転電流密度が小さいことが明らかになった。
【０２３０】
図５３に、読み出し時のゲート電圧ＶGateが０．６Ｖとした場合の第２実施形態と第１０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴのドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す。図５３に示すドレイン電流ＩDrain１は、多層膜積層構造が第２実施形態の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴでは、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層８１とのスピンの向きが反平行な場合のドレイン電流を示し、ＩDrain２は、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８の強磁性層８１とのスピンの向きが平行な場合のドレイン電流を示す。また、多層膜積層構造が第１０実施形態の構造を有するスピンＭＯＳＦＥＴでは、ドレイン電流ＩDrain１は、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１とのスピンの向きが平行な場合のドレイン電流を示し、ＩDrain２は、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８Ａの強磁性層８１１とのスピンの向きが反平行な場合のドレイン電流を示す。
【０２３１】
また、読み出し特性も、図５３から明らかなように、第１磁性膜６Ａの強磁性層６１と、第２磁性膜８、８Ａの強磁性層８１、８１１とのスピンの向きが平行な場合と、反平行な場合とで明らかにドレイン電流が異なること、ゲート電圧を印加することにより増幅作用があることが分かり、リコンフィギャブル論理回路用のスピンＭＯＳＦＥＴの動作が確認できた。
【０２３２】
また、本実施例において、磁化自由層の膜面形状が図３９に示すように六角形形状のスピンＭＯＳＦＥＴを作製し、試験を行った結果、本実施例と同様に、スピン注入反転電流密度が低減できることが明らかになっている。
【０２３３】
（第５、６、７実施例）
次に、本発明による第５実施例として図５４に示す第１９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製するとともに、第６，７実施例として図５８に示す第２０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを作製した。
【０２３４】
第５実施例においては、第１磁性膜１６として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上に、Ｃｏ２ＦｅＳｉ０．５Ａｌ０．５からなる強磁性層１６１、ＣｏＦｅからなる強磁性層１６２を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜し、その上にＩｒＭｎからなる反強磁性層７を指向性が強いスパッタ法を用いて成膜した。また、第２磁性膜２８として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏ２ＦｅＳｉ０．５Ａｌ０．５からなる磁化自由層２８１、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜２８２、Ｃｏ２ＦｅＳｉ０．５Ａｌ０．５からなる強磁性層２８３１、ＣｏＦｅからなる強磁性層２８３２、ＩｒＭｎからなる反強磁性層２９を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜した。その後、ポリシリコン電極を指向性が強いスパッタ装置でスパッタした。続いて、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向（磁化容易軸方向）に磁場を印加しながら行い、第５実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを形成した。
【０２３５】
また、第６実施例においては、第１磁性膜１６として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏ２ＦｅＳｉ０．４Ａｌ０．６からなる強磁性層１６１、ＣｏＦｅからなる強磁性層１６２１、Ｒｕからなる非磁性層１６２２、ＣｏＦｅからなる強磁性層１６２３を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜し、その上にＩｒＭｎからなる反強磁性層７を指向性が強いスパッタ法を用いて成膜した。また、第２磁性膜２８として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏ２ＦｅＳｉ０．４Ａｌ０．６からなる磁化自由層２８１、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜２８２、Ｃｏ２ＦｅＳｉ０．４Ａｌ０．６からなる強磁性層２８ａ３１、ＣｏＦｅからなる強磁性層２８ａ３２１、Ｒｕからなる非磁性層２８ａ３２２、ＣｏＦｅからなる強磁性層２８ａ３２３、ＩｒＭｎからなる反強磁性層２９を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜した。その後、ポリシリコン電極を指向性が強いスパッタ装置でスパッタした。続いて、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向（磁化容易軸方向）に磁場を印加しながら行い、第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを形成した。
【０２３６】
また、第７実施例においては、第１磁性膜１６として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏ２ＦｅＳｉ０．６Ａｌ０．４からなる強磁性層１６１、ＣｏＦｅからなる強磁性層１６２１、Ｒｕからなる非磁性層１６２２、ＣｏＦｅからなる強磁性層１６２３を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜し、その上にＩｒＭｎからなる反強磁性層７を指向性が強いスパッタ法を用いて成膜した。また、第２磁性膜２８として、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜４上にＣｏ２ＦｅＳｉ０．６Ａｌ０．４からなる磁化自由層２８１、ＭｇＯからなるトンネル絶縁膜２８２、Ｃｏ２ＦｅＳｉ０．６Ａｌ０．４からなる強磁性層２８ａ３１、ＣｏＦｅからなる強磁性層２８ａ３２１、Ｒｕからなる非磁性層２８ａ３２２、ＣｏＦｅからなる強磁性層２８ａ３２３、ＩｒＭｎからなる反強磁性層２９を指向性が強いスパッタ法を用いて順次成膜した。その後、ポリシリコン電極を指向性が強いスパッタ装置でスパッタした。続いて、層間絶縁膜、コンタクトホールを形成し、測定電極であるアルミ配線を形成した。その後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向（磁化容易軸方向）に磁場を印加しながら行い、第７実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴを形成した。すなわち、第６実施例と、第７実施例とは、ハーフメタル強磁性層１６１、２８１、２８ａ３１における、シリコンとアルミニウムとの組成が逆となっている以外は同一の構成となっている。
【０２３７】
上記構成の第５乃至第７実施例のスピンＭＯＳＦＥＴに、ゲート電圧１．２Ｖの条件でソース・ドレイン間電圧を１．１Ｖ以上にするとスピン注入書き込みが安定して繰り返し観測できることが明らかになった。第５乃至第７実施例のスピンＭＯＳＦＥＴの電流密度は、１．２３×１０６Ａ／ｃｍ２、１．２５×１０６Ａ／ｃｍ２、１．２５×１０６Ａ／ｃｍ２で小さいことが明らかになった。また、読み出し特性も、図６２から明らかなように、ドレインおよびソースのスピンが反平行配列の時と平行配列の時で明らかにドレイイン電流が異なること、ゲート電圧を印加することにより増幅作用があることが分かり、リコンフィギャブル論理回路用スピンＭＯＳＦＥＴの動作が確認できた。
【０２３８】
以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、低電流密度でスピン反転し、かつスピン反転による出力特性が大きなスピンＭＯＳＦＥＴを提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【０２３９】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する半導体、ドレイン，ソース部の強磁性体層、絶縁膜、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【０２４０】
同様に、本発明の一実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【０２４１】
その他、本発明の実施形態として上述したスピンＭＯＳＦＥＴを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべてのリコンフィギャブル論理回路も同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０２４２】
【図１】本発明の一実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す斜視図。
【図２】図１に示すスピンＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を変えたときの、チャネル領域を介したスピン依存伝導特性を示す図。
【図３】第１実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図４】第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図５】第１実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図６】第２実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図７】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図８】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図９】第３実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１０】第４実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１１】第５実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１２】第５実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図１３】第５実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図１４】第６実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１５】第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図１６】第６実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図１７】第７実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１８】第８実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図１９】第９実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図２０】第９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図２１】第９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図２２】第１０実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図２３】第１０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図２４】第１０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図２５】第１１実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図２６】第１２実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図２７】第１３実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図２８】第１３実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図２９】第１３実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図３０】第１４実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図３１】第１４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図３２】第１４実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図３３】第１５実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図３４】第１６実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図３５】第１７実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図３６】第１７実施形態の第１変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図３７】第１７実施形態の第２変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図３８】第１７実施形態の第３変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図３９】第１７実施形態の第４変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図４０】第１７実施形態の第５変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す図。
【図４１】磁化自由層のスピン反転エネルギーバリアの傾き角依存性を示す図。
【図４２】スピントルクの傾き角依存性を示す図。
【図４３】第１８実施形態による論理回路を示す回路図。
【図４４】第１８実施形態の論理回路の出力のフローティングゲート電圧依存性を示す図。
【図４５】第１８実施形態の論理回路がＡＮＤ回路して機能する場合の論理表を示す図。
【図４６】第１８実施形態の論理回路がＯＲ回路して機能する場合の論理表を示す図。
【図４７】第１８実施形態の第１変形例による論理回路を示す図。
【図４８】第１８実施形態の第２変形例による論理回路を示す図。
【図４９】各実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造工程を示す断面図。
【図５０】第１実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴの読み出し時のドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す図。
【図５１】第２実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴの読み出し時のドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す図。
【図５２】第３実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴの読み出し時のドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す図。
【図５３】第４実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴの読み出し時のドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す図。
【図５４】第１９実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図５５】第１９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図５６】第１９実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図５７】第１９実施形態の変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図５８】第２０実施形態によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図５９】第２０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第２磁性膜の構成を示す断面図。
【図６０】第２０実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴに係る第１および第２磁性膜の強磁性層の磁化の向きを示す図。
【図６１】第２０実施形態の変形例によるスピンＭＯＳＦＥＴを示す断面図。
【図６２】第５乃至第７実施例によるスピンＭＯＳＦＥＴの読み出し時のドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性を示す図。
【符号の説明】
【０２４３】
２  半導体基板
４  トンネル絶縁膜
６  第１磁性膜
６Ａ  第１磁性層
６１  強磁性層
６２  非磁性層
６３  強磁性層
６ａ  反強磁性層
８  第２磁性膜
８Ａ  第２磁性膜
８１  強磁性層（磁化自由層）
８１１  強磁性層
８１２  非磁性層
８１３  強磁性層
８２  非磁性層
８３  強磁性層
８４  非磁性層
８５  強磁性層
８６  非磁性層
８７  強磁性層
１０  ゲート絶縁膜
１２  ゲート電極
１８  第２磁性膜
１８Ａ  第２磁性膜
１８１  強磁性層（磁化自由層）
１８１１  強磁性層
１８１２  非磁性層
１８１３  強磁性層
１８２  非磁性層
１８３  強磁性層
１８４  非磁性層
１８５  強磁性層
１８６  非磁性層
１８７  強磁性層
【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】
2008066596.tif 000007
【図６】
2008066596.tif 000008
【図７】
2008066596.tif 000009
【図８】
2008066596.tif 000010
【図９】
2008066596.tif 000011
【図１０】
2008066596.tif 000012
【図１１】
2008066596.tif 000013
【図１２】
2008066596.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2008066596.tif 000016
【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２３】
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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２８】
2008066596.tif 000030
【図２９】
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【図３０】
2008066596.tif 000032
【図３１】
2008066596.tif 000033
【図３２】
2008066596.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
2008066596.tif 000046
【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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