(57)【要約】【課題】増幅機能を有するスピントランジスタを提供する。【解決手段】強磁性を示し、内部に磁壁８を有する強磁性フリー層（軟磁性層）２と、強磁性フリー層２上に設けられた絶縁障壁層３と、強磁性を示し、絶縁障壁層３上に設けられた強磁性固定層（硬磁性層）４と、強磁性固定層４上に設けられた第１電極５と、強磁性フリー層２上に設けられた第２電極６及び第３電極７とを備え、絶縁障壁層３及び強磁性固定層４からなる積層体は、強磁性フリー層２上に島状に設けられ、第２電極６及び第３電極７は、積層体を挟み込むように設けられる。【選択図】図１
2008066479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性を示し、内部に磁壁を有する第１フリー層と、
前記第１フリー層上に設けられた第１絶縁体バリア層と、
強磁性を示し、前記第１絶縁体バリア層上に設けられた第１固定層と、
前記第１固定層上に設けられた第１電極と、
前記第１フリー層上に設けられた第２電極及び第３電極とを備える
ことを特徴とするスピントランジスタ。
【請求項２】
前記第１絶縁体バリア層及び前記第１固定層からなる第１積層体は、前記第１フリー層上に島状に設けられ、
前記第２電極及び第３電極は、前記第１積層体を挟み込むように設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のスピントランジスタ。
【請求項３】
前記スピントランジスタは、さらに、前記第２電極及び第３電極に挟み込まれるように前記第１フリー層上に島状に設けられた第４電極を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項４】
前記スピントランジスタは、さらに、第２固定層と第２絶縁体バリア層とからなり、前記第２電極及び第３電極に挟み込まれるように前記第１フリー層上に島状に設けられた第２積層体を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項５】
前記スピントランジスタは、さらに、前記第１フリー層を跨いで前記第１積層体と対向して前記第１フリー層上に設けられた第４電極を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項６】
前記スピントランジスタは、さらに、第２固定層と第２絶縁体バリア層とからなり、前記第１フリー層を跨いで前記第１積層体と対向して前記第１フリー層上に設けられた第２積層体を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスピントランジスタ。
【請求項７】
強磁性を示し、内部に磁壁を有するフリー層と、前記フリー層上に設けられた絶縁体バリア層と、強磁性を示し、前記絶縁体バリア層上に設けられた固定層とを備えるスピントランジスタを用いて信号を増幅する方法であって、
前記フリー層内部の磁壁を駆動する駆動ステップと、
前記固定層に信号を入力する入力ステップとを含む
ことを特徴とする信号増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントランジスタに関し、特に磁壁を利用したスピントランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗（ＭＲ：Magneto-Resistance）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッド等に利用されている。特に、強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層の積層構造を有する強磁性体は、単層の強磁性層において見られる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto-Resistance）効果と比較して数十倍の抵抗変化率となる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant MR）効果を示すことから、高感度の磁気抵抗素子を実現できるので、高密度磁気記録用再生ヘッドとして現在実用化されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、強磁性層／絶縁層／強磁性層の積層構造を有する強磁性トンネル接合体においては、スピンに依存したトンネル現象に起因して、より大きな抵抗変化率を示すことが知られている。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel MR）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
上記ＭＲ効果を利用した強磁性体及び強磁性トンネル接合体のいずれについても、一方の磁性層に反強磁性体を用いてその磁化を固定し、他方の磁性層の磁化を外部磁場に応じて変化させる。そして、２つの磁性層間に電圧を印加して電流を流した場合に、２つの磁性層の磁化の相対角度の変化に応じて抵抗の変化する現象が信号として検出される（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
以上のようなスピン依存伝導現象を利用したデバイスでは、強磁性層の磁化反転をいかに低消費電力で行うかが重要な技術課題となる。この問題を解決し得る新たな技術として、近年、スピントランスファー効果が注目されている。これはスピン偏極電流における伝導電子のスピン角運動量が局在スピンに受け渡される効果を利用し、素子に電流を流すことのみで磁化を反転させるものである。このような技術に関連する報告としてパルス電流による強磁性体細線内の単一磁壁の移動現象の観測がある。例えば山口らの報告（例えば、非特許文献２参照）では、１０12Ａ／ｍ2の直流パルス電流により磁壁が移動する様子が磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）の観察により確認されている。また、斎藤らの実験（例えば、非特許文献３参照）では、緩やかに曲げた磁性体細線中に閉じ込めた単一磁壁を、弱い交流電流によって共鳴振動させることに成功している。
【特許文献１】特開平２−６１５７２号公報
【特許文献２】特開平４−３５８３１０号公報
【非特許文献１】スピントロニクス−次世代メモリＭＲＡＭの基礎−、宮崎  照宣  著
【非特許文献２】A. Yamaguchi et al, Physical Review Letter 92 077205 (2004)
【非特許文献３】E. Saitoh et al, Nature 423, 203 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、単体の磁気抵抗素子は、外部磁場及び電流によって磁性層の磁化方向を制御することによる抵抗変化を検出することを基本動作とする素子であり、受動素子として主に利用されている。一方、半導体素子は、ダイオードやトランジスタに代表されるような能動素子として機能可能な素子であり、メモリ素子や論理素子として利用されている。しかしながら、半導体素子は、本質的に抵抗が高く、集積化に伴い消費電力が大きく増加する。また、トランジスタとして機能する半導体素子はナノスケールに微細化した場合に量子トンネル効果に起因するリーク電流が発生し易く、誤動作が発生し易い。
【０００６】
また、論理仕様を電気的にプログラムすることによってユーザーの手元で種々の論理回路を実現するデバイスとしてＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が近年注目されている。しかしながら、既存のＦＰＧＡはＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）を複数組み合わせて構成するため、既存の半導体素子を用いてＦＰＧＡを構成している限り、小型化は困難である。
【０００７】
さらに、ユビキタス（いつでもどこでも欲しい情報がすぐに手に入る）社会は、２４時間稼動し続ける無数の情報処理機器によって支えられるが、このような社会の実現は、大容量の情報を高速かつ低消費電力で処理することのできる情報機器の創出にかかっている。しかしながら、既存の半導体素子では、このような情報機器を実現することは困難である。
【０００８】
以上述べたことより、能動素子としての磁気抵抗素子の実現が望まれている。ここで、能動素子としての磁気抵抗素子としてスピントランジスタがあるが、未だ増幅機能を有するものは報告されていない。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、増幅機能を有するスピントランジスタ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】
上記目的を達成するために、本発明の磁壁駆動型トランジスタは、強磁性を示し、内部に磁壁を有する第１フリー層と、前記第１フリー層上に設けられた第１絶縁体バリア層と、強磁性を示し、前記第１絶縁体バリア層上に設けられた第１固定層と、前記第１固定層上に設けられた第１電極と、前記第１フリー層上に設けられた第２電極及び第３電極とを備えることを特徴とする。ここで、前記第１絶縁体バリア層及び前記第１固定層からなる第１積層体は、前記第１フリー層上に島状に設けられ、前記第２電極及び第３電極は、前記第１積層体を挟み込むように設けられてもよい。
【００１１】
これによって、第１電極及び第２電極の間を流れる電子が第１フリー層、第１絶縁体バリア層及び第１固定層よりなる強磁性トンネル接合素子を通過する容易性、すなわち、電子の量は、磁壁の位置に依存する。これは、磁壁の位置の制御によって、第１電極及び第２電極の間の電流を増幅することができることを意味する。従って、スイッチング機能及び増幅機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００１２】
また、磁壁を駆動し、第１固定層の磁化方向に対する第１固定層直下に位置する第１フリー層の磁化方向の相対角度を変化させることができる。そして、第１電極及び第２電極の間の電流を計測することにより、第１固定層の磁化方向に対する第１固定層直下に位置する第１フリー層の磁化方向の相対角度を特定することができる。これは、スピントランジスタにメモリ機能が備わっていることを意味する。特に、磁壁は外部からエネルギーが与えられない限りその位置を動かないので、不揮発性のメモリ機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００１３】
また、前記スピントランジスタは、さらに、前記第２電極及び第３電極に挟み込まれるように前記第１フリー層上に島状に設けられた第４電極を備えてもよい。
【００１４】
これによって、磁壁が第１フリー層における第４電極及び第１電極により挟まれる領域外に位置するように、第１フリー層に電流を流すことにより、第１電極及び第２電極の間の電流が磁壁の位置に与える影響を軽減することができる。その結果、トランジスタの誤動作を抑制することができる。
【００１５】
また、前記スピントランジスタは、さらに、第２固定層と第２絶縁体バリア層とからなり、前記第２電極及び第３電極に挟み込まれるように前記第１フリー層上に島状に設けられた第２積層体を備えてもよい。
【００１６】
これによって、第１電極及び第２電極の間を流れる電流の経路に障壁層が２層含まれるため、信号出力は２倍になる。
【００１７】
また、前記スピントランジスタは、さらに、前記第１フリー層を跨いで前記第１積層体と対向して前記第１フリー層上に設けられた第４電極を備えてもよい。
【００１８】
これによって、磁壁が第１フリー層におけるトンネル接合体直下の第４電極及び第１電極により挟まれる領域外に位置するように、第１フリー層に電流を流すことにより、第１電極及び第２電極の間の電流が磁壁の位置に与える影響を軽減することができる。その結果、トランジスタの誤動作を抑制することができる。
【００１９】
また、前記スピントランジスタは、さらに、第２固定層と第２絶縁体バリア層とからなり、前記第１フリー層を跨いで前記第１積層体と対向して前記第１フリー層上に設けられた第２積層体を備えてもよい。
【００２０】
これによって、スピントランスファートルクの打ち消しあいの効果により、磁壁がトンネル接合体直下にある場合においてもその影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、強磁性細線等をナノサイズで組み合わせ、３端子素子または４端子素子とすることにより、不揮発性のメモリ機能、スイッチング機能及び増幅機能を有するスピントランジスタを実現することができる。従って、自己保持型のｎｏｔ回路、増幅度や発振出力をプログラム可能な増幅器、及び発信機等を実現することができる。その結果、電子機器の革命的な省エネルギー化を実現し、ユビキタス社会における待機電力の問題を解決することができる。また、このスピントランジスタを用いた半導体装置においては演算と記録とが同時にできるためＦＰＧＡを小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態におけるスピントランジスタについて、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す斜視図である。図２は、同トランジスタの断面図（図１のＡ−Ａ’における断面図）である。
【００２４】
この磁壁駆動型トランジスタは、基板（図外）上に順次積層された強磁性フリー層（軟磁性層）２、絶縁障壁層３、強磁性固定層（硬磁性層）４及び第１電極５と、強磁性フリー層２の両端に形成された第２電極６及び第３電極７とから構成される。
【００２５】
基板は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、サファイア基板、ガラス基板、シリコン基板あるいはプラスティック基板等である。
【００２６】
強磁性フリー層２、絶縁障壁層３及び強磁性固定層４は、磁気抵抗効果を示す強磁性トンネル接合素子を形成する。この強磁性トンネル接合素子において、絶縁障壁層３及び強磁性固定層４から構成される積層体は、第２電極６及び第３電極７により挟み込まれるように、強磁性フリー層２上に島状に位置する。
【００２７】
強磁性フリー層２は、長さＬが１０μｍで、幅ｄ及び厚さｔがそれぞれ５００ｎｍ以下、例えばそれぞれ２００ｎｍの磁性体細線を形成する。強磁性フリー層２は、例えばパーマロイ（ＦｅＮｉ合金）等から構成され、室温（１〜３０℃）以上のキュリー点を有する強磁性層であり、その磁化の向きは変化し得る。
【００２８】
強磁性固定層４は、例えばＣｏ−Ｐｔ合金等から構成され、室温以上のキュリー点を有する強磁性層であり、その磁化の向きは維持される。なお、強磁性固定層４は、反強磁性体（ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等）及び強磁性体の積層構造による交換バイアス型固定層から構成されてもよい。
【００２９】
絶縁障壁層３は、数十オングストローム以下の薄い絶縁バリア層であり、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）あるいは酸化タンタル（ＴａＯ2）等から構成される。
【００３０】
上記構造を有する磁壁駆動型トランジスタでは、信号書き込み時に、第２電極６及び第３電極７と接続された電源により磁性体細線（強磁性フリー層２）に書き込み電流Ｉwを印加して強磁性フリー層２内の磁壁８が駆動され、強磁性固定層４の磁化方向に対する強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化方向の相対角度が操作される。そして、信号読み出し時には、第１電極５及び第２電極６間に挿入された強磁性トンネル接合素子を流れる読み出し電流Ｉoutが計測され、強磁性トンネル接合素子の抵抗変化が特定される。
【００３１】
次に、上記構造を有する磁壁駆動型トランジスタの電流増幅率について以下に述べる。磁壁駆動に必要な臨界電流密度をＪc,wとし、トンネル接合の幅をｄ’とし、読み出しの臨界電流密度をＪc、stとし、ＴＭＲ変化率をＭＲとすると、書き込み電流Ｉw及び読み出し電流Ｉoutは、それぞれ
【数１】
2008066479.tif 000003
【数２】
2008066479.tif 000004
となり、電流増幅率Ｇiは、
【数３】
2008066479.tif 000005
となる。仮に、
【数４】
2008066479.tif 000006
とすると、電流増幅率Ｇiは、
【数５】
2008066479.tif 000007
となる。よって、電流増幅率は磁性体細線の膜厚とトンネル接合の幅との比率、及びＴＭＲ比に依存する。これらは、任意に設計可能なパラメータである。
【００３２】
同様に上記構造を有する磁壁駆動型トランジスタの電圧増幅率について述べる。磁壁８の駆動時の電圧をＶw、磁壁８の移動により発生する読み出し時の電圧変化をＩoutとし、ρを磁性体細線の比抵抗とし、ＲAをトンネル接合の単位面積当たりの抵抗とすると、書き込み電圧Ｖin、及び読み出し電圧Ｖoutはそれぞれ
【数６】
2008066479.tif 000008
【数７】
2008066479.tif 000009
となり、電圧増幅率Ｇvは、
【数８】
2008066479.tif 000010
となる。そして、
【数９】
2008066479.tif 000011
より、電圧増幅率Ｇvは、
【数１０】
2008066479.tif 000012
となる。仮に、
【数１１】
2008066479.tif 000013
とすると、電圧増幅率Ｇvは、
【数１２】
2008066479.tif 000014
となる。よって、電圧増幅率は強磁性細線の抵抗、トンネル接合の抵抗、及びＴＭＲ比に依存する。このとき、強磁性線とトンネル接合との間には大きな抵抗差があるため、高い電圧増幅率が見込まれる。ただし、電流増幅率及び電圧増幅率どちらに関しても、信号読み出し時に書き込み電流と同等の電流を印加することが可能であることを前提とした見積もりであり、実際の増幅率はＩout／Ｉwをどれだけ１に近くできるかに依存する。
【００３３】
以上のように、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、第１電極５及び第２電極６の間を流れる電子が強磁性トンネル接合素子を通過する容易性、すなわち、電子の量は、磁壁８の位置に依存し、強磁性固定層４の磁化の向きと強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化の向きとが平行な場合には多く、反平行な場合には少なくなる。これは、磁壁８の位置の制御によって、第１電極５及び第２電極６の間の電流を増幅することができることを意味する。従って、スイッチング機能及び増幅機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００３４】
また、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、書き込み電流Ｉwを印加して強磁性フリー層２内の磁壁８を駆動し、強磁性固定層４の磁化方向に対する強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化方向の相対角度を変化させることができる。そして、読み出し電流Ｉoutを計測することにより、強磁性固定層４の磁化方向に対する強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化方向の相対角度を特定することができる。これは、磁壁駆動型トランジスタにメモリ機能が備わっていることを意味する。特に、磁壁８は外部からエネルギーが与えられない限りその位置を動かないので、不揮発性のメモリ機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す断面図である。
【００３６】
この磁壁駆動型トランジスタは、３端子では無く４端子のトランジスタであるという点で上記第１の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタとは異なる。同磁壁駆動型トランジスタは、強磁性フリー層２と、絶縁障壁層３と、強磁性固定層４と、第１電極５と、強磁性フリー層２の両端に形成された第２電極６及び第３電極７と、強磁性フリー層２表面に形成された第４電極１０とから構成される。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００３７】
第４電極１０は、第２電極６及び第３電極７に挟み込まれるように島状に強磁性フリー層２上に位置する。
【００３８】
上記構造を有する磁壁駆動型トランジスタでは、信号書き込み時には、第１の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタと同様に、第２電極６及び第３電極７と接続された電源により磁性体細線（強磁性フリー層２）に書き込み電流Ｉwを印加して強磁性フリー層２内の磁壁８が駆動され、強磁性固定層４の磁化方向に対する強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化方向の相対角度が操作される。そして、信号読み出し時には、第１の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタと異なり、第１電極５及び新たに設けた第４電極１０との間に挿入された強磁性トンネル接合素子を流れる読み出し電流Ｉoutが測定され、強磁性トンネル接合素子の抵抗変化が特定される。
【００３９】
以上のように、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、第１の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタと同様の理由により、増幅機能及び不揮発性のメモリ機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００４０】
また、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、磁性体細線における読み出し電流Ｉoutが流れる領域を制限することができる。よって、磁壁８が読み出し電流Ｉoutの流れる経路外、つまり磁性体細線における第４電極１０及び第１電極５により挟まれる領域外に位置するように、信号書き込み時に書き込み電流Ｉwを流すことにより、信号読み出し時に読み出し電流Ｉoutが磁壁８に与える影響を軽減することができる。その結果、読み出し電流Ｉoutが磁壁８に影響を与えることによるトランジスタの誤動作を抑制することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタにおいて、第４電極１０は強磁性フリー層２上に形成されるとした。しかし、図４の磁壁駆動型トランジスタの断面図に示されるように、強磁性固定層（硬磁性層）１１と絶縁障壁層１２とからなる積層体であるトンネル接合体が第２電極６及び第３電極７に挟み込まれるように島状に強磁性フリー層２上に形成され、第４電極１０は、このトンネル接合体の上に形成されてもよい。この場合には、読み出し電流Ｉoutが流れる経路に障壁層が２層含まれるため、信号出力は２倍になる。
【００４２】
（第３の実施の形態）
図５は、本実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す断面図である。
【００４３】
この磁壁駆動型トランジスタは、第１電極５が形成された強磁性フリー層２表面では無く、第１電極５が形成されていない強磁性フリー層２裏面に第４電極１０が形成されているという点で上記第２の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタとは異なる。同磁壁駆動型トランジスタは、強磁性フリー層２と、絶縁障壁層３と、強磁性固定層４と、第１電極５と、強磁性フリー層２の両端に形成された第２電極６及び第３電極７と、強磁性フリー層２裏面の強磁性固定層４及び絶縁障壁層３からなるトンネル接合体の直下に形成された第４電極１０とから構成される。以下、第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
第４電極１０は、強磁性フリー層２を跨いで絶縁障壁層３及び強磁性固定層４の積層体と対向して強磁性フリー層２上に島状に位置する。
【００４５】
上記構造を有する磁壁駆動型トランジスタでは、信号書き込み時には、第２の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタと同様に、第２電極６及び第３電極７と接続された電源により磁性体細線（強磁性フリー層２）に書き込み電流Ｉwを印加して強磁性フリー層２内の磁壁８が駆動され、強磁性固定層４の磁化方向に対する強磁性固定層４直下に位置する強磁性フリー層２の磁化方向の相対角度が操作される。そして、信号読み出し時には、第１電極５及び新たに設けた第４電極１０との間に挿入された強磁性トンネル接合素子を流れる読み出し電流Ｉoutが計測され、強磁性トンネル接合素子の抵抗変化が特定される。
【００４６】
以上のように、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、第１の実施の形態の磁壁駆動型トランジスタと同様の理由により、増幅機能及び不揮発性のメモリ機能を有するスピントランジスタを実現することができる。
【００４７】
また、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタによれば、磁性体細線における読み出し電流Ｉoutの流れる領域が制限され、読み出し電流Ｉoutは磁性体細線の膜厚方向にのみ流れる。よって、磁壁８が読み出し電流Ｉoutの流れる経路外、つまり磁性体細線におけるトンネル接合体直下の第４電極１０及び第１電極５により挟まれる領域外に位置するように、信号書き込み時に書き込み電流Ｉwを流すことにより、信号読み出し時に読み出し電流Ｉoutが磁壁８に与える影響を軽減することができる。その結果、読み出し電流Ｉoutが磁壁８に影響を与えることによるトランジスタの誤動作を抑制することができる。
【００４８】
なお、本実施の形態の磁壁駆動型トランジスタにおいて、第４電極１０は強磁性フリー層２上に形成されるとした。しかし、図６の磁壁駆動型トランジスタの断面図に示されるように、強磁性固定層（硬磁性層）１１と絶縁障壁層１２とからなる積層体であるトンネル接合体が強磁性フリー層２を跨いで絶縁障壁層３及び強磁性固定層４の積層体と対向して位置するように島状に強磁性フリー層２上に形成され、第４電極１０は、このトンネル接合体の上に形成されてもよい。この場合には、スピントランスファートルクの打ち消しあいの効果により、磁壁８がトンネル接合体直下にある場合においてもその影響を低減することが可能となる。これは、次のような理由による。すなわち、強磁性固定層４が右方向に磁化している場合を考えると、強磁性固定層４から流れ込む電子は右向きスピンがマジョリティとなっている。このとき、強磁性フリー層２の磁化には、強磁性固定層４に対して平行となるように、スピントランスファートルクが生じる。一方、強磁性固定層４から注入されたマイノリティスピン（ここでは左向きスピン）は、強磁性フリー層２を通過した後、強磁性固定層１１の界面で反射され、強磁性フリー層２に戻り、上述とは逆方向のスピントランスファートルク、つまり磁化を左向きに向けようとするトルクを与える。厳密には上下磁性層からのトルクは非対称なものであるが、磁化方向を右に向けようとするトルクと、左に向けようとするトルクとが相殺し、安定した増幅・スイッチング素子を提供することが可能となる。
【００４９】
次に、図６に示した構造と同等の構造を有する磁壁駆動型トランジスタの製造方法について説明する。図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）及び図１０（ａ）は同磁壁駆動型トランジスタの概略上面図であり、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は同磁壁駆動型トランジスタの概略断面図である。
【００５０】
まず、スパッタリング法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法あるいはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、基板１上に、強磁性固定層１１、絶縁障壁層１２及び強磁性フリー層２’を順次積層する。その後、強磁性固定層１１、絶縁障壁層１２及び強磁性フリー層２’の積層体上にフォトレジストを形成し、ＥＢ（Electron Beam）リソグラフィー、フォトリソグラフィーあるいはＸ線リソグラフィー等を用いて露光パターニングする。このとき、強磁性フリー層２’は、強磁性フリー層２と同様の材料から構成される層である。
【００５１】
次に、現像処理の後、積層体が所定の上面形状を有するように、パターニングされたフォトレジストを用いて、イオンミリングあるいはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のミリング法により強磁性固定層１１、絶縁障壁層１２及び強磁性フリー層２’の所定領域のエッチングを行う。ミリングされた積層体周辺部をＳｉＯ2等の絶縁体２０により埋め戻し、リフトオフする（図７（ａ）、図７（ｂ））。この埋め戻しは、積層体のトータル膜厚と絶縁体２０のトータル膜厚とを同程度とすることにより、サンプル表面を平坦化させるために行う。
【００５２】
次に、積層体上にフォトレジストを形成し、積層体表面の一部が露出するようにパターニングする。その後、スパッタリング法、ＭＢＥ法あるいはＣＶＤ法等により露出した積層体表面に磁性材料を成長させ、リフトオフすることにより強磁性フリー層２を積層体表面に形成する（図８（ａ）、図８（ｂ））。これにより、強磁性フリー層２’と一部が重なる細線形状に描画された強磁性フリー層２が形成される。このとき、強磁性フリー層２を、先に形成した強磁性フリー層２’の上に連続的に成長させるが、この成長プロセスにおいて、強磁性フリー層２’表面が汚染されている可能性が高い。よって、成長プロセスの前に表面に露出した強磁性フリー層２’に対して表面クリーニングプロセスが行われる。
【００５３】
次に、細線形状の強磁性フリー層２をメタルマスクとして、強磁性フリー層２’及び絶縁障壁層１２に対して強磁性固定層１１表面が露出するまでミリングを施す。これにより、強磁性フリー層２’及び絶縁障壁層１２の強磁性フリー層２と交差する部分のみが強磁性フリー層２とトンネル接合を形成する。ミリングされた部分には、再度ＳｉＯ2等の絶縁体２０を埋め戻し、サンプル表面を平坦化する（図９（ａ）、図９（ｂ））。
【００５４】
次に、強磁性フリー層２の強磁性フリー層２’及び絶縁障壁層１２と交差する部分の上に、リフトオフ法等により、絶縁障壁層３及び強磁性固定層４を形成する。その後、ミリング法を用いて、強磁性固定層１１表面の一部が露出するように絶縁体２０にコンタクトホールを形成する（図１０（ａ）、図１０（ｂ））。このとき、ＥＢリソグラフィー、フォトリソグラフィーあるいはＸ線リソグラフィー等によって高精度の重ね合わせにより、強磁性フリー層２、強磁性フリー層２’及び絶縁障壁層１２の下部側トンネル接合の直上に、強磁性フリー層２、絶縁障壁層３及び強磁性固定層４の上部側トンネル接合を形成する必要がある。
【００５５】
最後に、強磁性固定層４及び強磁性固定層１１上にそれぞれ第１電極５及び第４電極１０を形成する。
【００５６】
以上、本発明の磁壁駆動型トランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００５７】
例えば、上記実施の形態において、強磁性フリー層（磁性体細線）２の形状によって磁壁８の入り方、電流による磁壁駆動範囲が変化するため、強磁性フリー層２は、次に示されるような形状のものであってもよい。ただし、縮尺や比はこれらに限らないものとする。
【００５８】
すなわち、強磁性フリー層２は、ノッチ部を有する断面形状のものであってもよい。例えば、図１１（ａ）〜図１１（ｅ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるように、角型のノッチ部３０を有する断面形状のものであってもよいし、図１１（ｆ）〜図１１（ｇ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるように、円型のノッチ部３１を有する断面形状のものであってもよい。このとき、強磁性フリー層２においてノッチ部３０、３１間の幅がそれ以外の部分の幅と異なってもよい。このような形状を有する強磁性フリー層２においては、ノッチ部３０、３１により磁壁８の移動が制限される。
【００５９】
また、強磁性フリー層２は、細線幅が変化する断面形状のものであってもよい。例えば、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるような断面形状のものであってもよいし、図１２（ｅ）〜図１２（ｆ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるような強磁性フリー層２の幅の異なる部分に円、楕円あるいは多角形を有する断面形状のものであってもよい。このような形状を有する強磁性フリー層２においては、強磁性フリー層２の幅の細い部分により磁壁８の移動が制限される。
【００６０】
さらに、強磁性フリー層２は、曲がった断面形状のものであってもよい。例えば、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）及び図１３（ｇ）〜図１３（ｉ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるように、角状に曲がった断面形状のものであってもよいし、図１３（ｅ）〜図１３（ｆ）の強磁性フリー層２の断面図に示されるように、円弧状に曲がった断面形状のものであってもよい。このような形状を有する強磁性フリー層２においては、強磁性フリー層２の曲がった部分により磁壁８の移動が制限される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、スピントランジスタに有用であり、特に不揮発性論理回路等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す斜視図である。
【図２】同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す断面図（図１のＡ−Ａ’における断面図）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図４】同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの変形例の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの構造を示す斜視図である。
【図６】同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの変形例の構造を示す斜視図である。
【図７】（ａ）同実施の形態の磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略上面図である。（ｂ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略断面図（図７（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図）である。
【図８】（ａ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略上面図である。（ｂ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略断面図（図８（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図）である。
【図９】（ａ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略上面図である。（ｂ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略断面図（図９（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図）である。
【図１０】（ａ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略上面図である。（ｂ）同実施の形態に係る磁壁駆動型トランジスタの製造方法を説明するための概略断面図（図１０（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図）である。
【図１１】（ａ）強磁性フリー層の断面図である。（ｂ）強磁性フリー層の断面図である。（ｃ）強磁性フリー層の断面図である。（ｄ）強磁性フリー層の断面図である。（ｅ）強磁性フリー層の断面図である。（ｆ）強磁性フリー層の断面図である。（ｇ）強磁性フリー層の断面図である。
【図１２】（ａ）強磁性フリー層の断面図である。（ｂ）強磁性フリー層の断面図である。（ｃ）強磁性フリー層の断面図である。（ｄ）強磁性フリー層の断面図である。（ｅ）強磁性フリー層の断面図である。（ｆ）強磁性フリー層の断面図である。
【図１３】（ａ）強磁性フリー層の断面図である。（ｂ）強磁性フリー層の断面図である。（ｃ）強磁性フリー層の断面図である。（ｄ）強磁性フリー層の断面図である。（ｅ）強磁性フリー層の断面図である。（ｆ）強磁性フリー層の断面図である。（ｇ）強磁性フリー層の断面図である。（ｈ）強磁性フリー層の断面図である。（ｉ）強磁性フリー層の断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    基板
２、２’    強磁性フリー層（軟磁性層）
３、１２    絶縁障壁層
４、１１    強磁性固定層（硬磁性層）
５    第１電極
６    第２電極
７    第３電極
８    磁壁
１０    第４電極
２０    絶縁体
３０、３１    ノッチ部
【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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