(57)【要約】【課題】磁壁の移動を利用した半導体装置を提供する。【解決手段】磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置であって、磁性物質膜は、ダンピング定数が０.０１５〜０.１であることを特徴とする半導体装置である。前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金である。前記非磁性物質は、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される少なくとも何れか一つである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置において、
前記磁性物質膜は、ダンピング定数が少なくとも０.０１５であることを特徴とする磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項２】
前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項３】
前記非磁性物質は、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項２に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項４】
前記非磁性物質は、０.５〜１０原子％が含まれていることを特徴とする請求項２に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項５】
前記磁性物質膜は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つの磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項６】
前記Ｎｉ−Ｆｅは、Ｎｉ８０Ｆｅ２０であることを特徴とする請求項５に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項７】
前記非磁性物質は、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項５に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項８】
前記非磁性物質は、０.５〜１０原子％が含まれたことを特徴とする請求項５に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項９】
前記磁性物質膜は、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ及びＣｏＦｅＮｉからなる群から選択される何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１０】
前記磁性物質膜の下部に非磁性シード膜がさらに備えられたことを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１１】
前記非磁性シード膜は、Ｃｕ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される何れか一つからなることを特徴とする請求項１０に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１２】
前記非磁性シード膜は、３０〜３００Åの厚さを有することを特徴とする請求項１０に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１３】
前記磁性物質膜の上部に非磁性キャッピング膜がさらに備えられたことをことを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１４】
前記非磁性キャッピング膜は、Ｃｕ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される何れか一つからなることを特徴とする請求項１３に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１５】
前記非磁性キャッピング膜は、３０〜３００Åの厚さを有することを特徴とする請求項１３に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項１６】
前記磁性物質膜のダンピング定数は、０.１以下であることを特徴とする磁壁の移動を利用した半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、さらに詳細には、磁性材料の磁壁の移動を利用する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ記録装置は、揮発性データ記録装置と不揮発性データ記録装置とに大別される。揮発性データ記録装置の場合、電源が遮断されれば、記録されたデータが全て消去されるが、不揮発性データ記録装置の場合、電源が遮断されても、記録されたデータが消去されない。
【０００３】
不揮発性データ記録装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）や不揮発性ＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。ＨＤＤは、読み取り／書き込みヘッドと、データが記録される回転する媒体とを備え、１００ＧＢ以上の多くのデータが記録されうる。ところが、ＨＤＤのように、回転する部分を有する記録装置は、摩耗される傾向があり、動作時に故障（フェイル）が発生する可能性が高いので、信頼性が低下する。
【０００４】
一方、不揮発性ＲＡＭとしては、現在広く使用されているフラッシュメモリが代表的であるが、フラッシュメモリは、読み取り／書き込み動作速度が遅く、かつ寿命が短いという短所がある。このようなフラッシュメモリの短所を克服するために、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のような新たなメモリが紹介された。しかし、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ及びＰＲＡＭは、何れもＨＤＤに比べてデータ記録容量が非常に少なく、かつ生産コストが高いという問題がある。
【０００５】
これにより、最近には、前記のような従来の不揮発性データ記録装置の問題点を克服するための方法として、磁性物質の磁壁の移動原理を利用する新たなデータ記録装置に関する研究及び開発が行われている。
【０００６】
まず、磁性物質の磁区及び磁壁について説明した後、それを利用したデータ記録装置について説明する。
【０００７】
強磁性体を構成する磁気的な微小領域を磁気区域（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｏｍａｉｎ；以下、磁区という）という。このような磁区内では、電子の自転、すなわち、磁気モーメントの方向が同じである。このような磁区のサイズ及び磁化方向は、磁性材料の形状、サイズ及び外部のエネルギーにより適切に制御されうる。
【０００８】
磁壁は、相異なる磁化方向を有する磁区の境界部分であって、このような磁壁は、磁性材料に印加される電流または外部磁場により移動されうる。
【０００９】
前記磁壁の移動原理は、ＨＤＤのようなデータ記録装置に適用されうる。すなわち、磁性物質内に特定データと対応されるように磁化された磁区を読み取り／書き込みヘッドを通過するように移動させることによって、データの読み取り／書き込み動作が可能である。この場合、記録媒体を直接に回転させずとも読み取り／書き込みが可能である。したがって、従来のＨＤＤの摩耗及びフェイルの問題が解決される。このように、磁壁の移動原理を、ＨＤＤのようにデータ記録装置に適用した一例が特許文献１に紹介された。
【００１０】
また、磁壁の移動原理は、不揮発性ＲＡＭのようなメモリに適用されうる。すなわち、特定の方向に磁化された磁区及びそれらの境界である磁壁を有する磁性物質で磁壁が移動するにつれて、磁性物質内の電圧が変化する原理を利用して‘０’または‘１’のデータを書き込み及び読み取ることができる不揮発性メモリ素子を具現できる。この場合、ライン状の磁性物質内に特定の電流を流して、磁壁の位置を変化させつつデータの書き込み及び読み取りが可能であるため、非常に簡単な構造を有する高集積素子の具現が可能である。したがって、磁壁の移動原理を利用する場合、従来のＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ及びＰＲＡＭなどに比べて非常に大きな記録容量を有するメモリの製造が可能である。
【００１１】
しかし、磁壁の移動を利用した半導体装置は、未だに開発初期段階にあり、その実用化のためにはいくつかの問題点が解決されねばならない。重要な問題点の一つは、磁壁の移動速度と関連する。磁壁の移動速度が遅い場合、十分に速い読み取り／書き込みの速度が得られない。磁性物質内の磁壁は、印加された電流または磁場で高速かつ安定的に移動されねばならない。ところが、未だに磁壁の移動速度と関連した物理的現象が理論的に明確に理解されておらず、磁壁の移動速度の改善に困難さが増している。
【特許文献１】米国特許第６,８３４,００５Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前記問題点を改善するためのものであって、磁壁の移動速度を改善して読み取り／書き込み速度などを改善可能にした磁壁の移動を利用した半導体装置を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題を解決するために、本発明は、磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置において、前記磁性物質膜は、ダンピング定数が少なくとも０.０１５であることを特徴とする半導体装置を提供する。前記磁性物質膜のダンピング定数は、０.０１５〜０.１でありうる。
【００１４】
ここで、前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金でありうる。
【００１５】
前記磁性物質膜は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つの磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であって、このとき、前記Ｎｉ−Ｆｅは、Ｎｉ８０Ｆｅ２０（ｐｅｒｍａｌｌｏｙ：Ｐｙ）でありうる。
【００１６】
前記非磁性物質は、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される少なくとも何れか一つの物質でありうる。
【００１７】
前記非磁性物質は、０.５〜１０原子％が含まれうる。
【００１８】
前記磁性物質膜は、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ及びＣｏＦｅＮｉからなる群から選択される何れか一つでありうる。
【００１９】
前記磁性物質膜の下部に非磁性シード膜がさらに備えられうる。
【００２０】
前記非磁性シード膜は、Ｃｕ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される何れか一つからなりうる。
【００２１】
前記非磁性シード膜は、３０〜３００Åの厚さを有しうる。
【００２２】
前記磁性物質膜の上部に非磁性キャッピング膜がさらに備えられうる。
【００２３】
前記非磁性キャッピング膜は、Ｃｕ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される何れか一つからなりうる。
【００２４】
前記非磁性キャッピング膜は、３０〜３００Åの厚さを有しうる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁壁の移動原理を利用する半導体装置の磁性物質膜として、ダンピング定数が少なくとも０.０１５以上である物質を使用して磁壁の移動速度を大きく上昇させうる。
【００２６】
したがって、本発明は、磁壁の移動原理が利用されうる半導体装置、例えば、ＨＤＤのようなデータ記録装置、不揮発性ＲＡＭのようなメモリ素子または論理回路素子などで磁壁の移動を高速かつ安定的に進ませることによって、その動作速度を著しく改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施例に係る磁壁の移動を利用した半導体装置を詳細に説明する。
【００２８】
まず、本発明の理論的な原理を説明すれば、次の通りである。
【００２９】
本出願人は、磁場内で磁壁が移動する現象を研究するために、下記のようなシミュレーション実験を行い、これにより磁壁の移動を妨害する原因を探し、磁壁の移動速度を改善できる原理を見出した。
【００３０】
本出願人は、まず、同じダンピング定数を有し、相異なる方向の二つの磁区を備える五つのサンプルに相異なる磁場を印加しつつ磁壁の移動現象を評価した。その結果は図１の通りである。このとき、前記サンプルは、バー状を有し、長手方向によって相互逆方向に磁化された二つの磁区を備え、そのダンピング定数は０.０１である。そして、サンプルに印加される磁場は、サンプルの長手方向のうち何れか一方向に印加され、そのサイズは、５、１０、１５、２０、４０［Ｏｅ］である。
【００３１】
図１に示すように、印加された磁場が５［Ｏｅ］から１５［Ｏｅ］に大きくなることによって、単位体積当りの磁気モーメント値（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ：Ｍ）が−１.０に収斂される速度が速くなる傾向を表す。これは、印加された磁場が５［Ｏｅ］から１５［Ｏｅ］に大きくなることによって磁壁の移動速度が速くなり、磁化が速く進むということを意味する。しかし、印加された磁場が２０［Ｏｅ］以上になれば、曲線は大きく振動し、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが−１.０に収斂される速度が著しく遅くなる。印加された磁場が２０［Ｏｅ］である場合、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが−１.０に収斂されるのに約２０ｎｓの時間がかかり、印加された磁場が４０［Ｏｅ］である場合、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが−１.０に収斂される時間は、２０ｎｓよりはるかに長い。このように、２０［Ｏｅ］以上の磁場内で磁化速度が遅い理由は、磁壁が振動するためである。すなわち、印加された磁場が特定の値以上に大きくなれば、磁壁の振動効果が発生して、磁壁の移動速度が遅くなる。
【００３２】
本出願人は、このような磁壁の移動速度の低下の原因を探すために、ダンピング定数が異なる複数のサンプルに磁場を印加しつつ、それらの磁化速度を評価した。その結果は、図２Ａないし図２Ｃの通りである。サンプルの基本形態及び磁場の方向は、前記図１で説明したサンプルと同じであり、サンプルのそれぞれのダンピング定数及び印加された磁場条件はグラフ内に表記されている。
【００３３】
図２Ａに示すように、印加された磁場が１５［Ｏｅ］となって同じである場合、ダンピング定数が０.０１であるサンプルより、ダンピング定数が０.０１５であるサンプルの磁化速度が若干速いということが確認できる。単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが−１.０に近づく部分であるＡ領域での曲線の微小振動も、ダンピング定数が０.０１５であるサンプルでさらに少ない。
【００３４】
図２Ｂに示すように、印加された磁場が２０［Ｏｅ］となって同じである場合、ダンピング定数が０.０１であるサンプルの磁化速度は２０ｎｓである一方、ダンピング定数が０.０１５であるサンプルの磁化速度は７〜８ｎｓ程度であることが確認できる。すなわち、ダンピング定数が０.０１から０.０１５に大きくなることによって、磁化曲線の振動が著しく低減し、磁壁の移動速度が著しく上昇したことが分かる。
【００３５】
図２Ｃに示すように、印加された磁場が４０［Ｏｅ］となって同じである場合、ダンピング定数が０.０１から０.０１５を経て０.０２に大きくなることによって、磁化速度が次第に速くなるが、これまで磁化曲線の振動がほとんどそのまま維持される。しかし、ダンピング定数が０.０３であるサンプルの場合、印加された磁場が４０［Ｏｅ］であるとしても、磁化曲線の振動がほとんど発生せず、磁化速度が、図２Ａでのそれと類似したレベルで非常に速くなることが確認できる。この場合、磁壁の振動現象はほとんど発生しない。
【００３６】
図１及び図２Ａないし図２Ｃの結果から、磁壁の移動は、磁壁の振動効果により妨害され、このような磁壁の振動効果は、磁性物質のダンピング定数を大きくすることによって解消されうるということが分かる。
【００３７】
ここで、前記ダンピング定数は、磁性物質に印加されたエネルギーの分散程度と関連した定数であって、下記のＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ方程式（数式１）でαである。
【００３８】
【数１】
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【００３９】
前記数式１でＭは、単位体積当りの磁気モーメントである磁化量を表し、γは、回転磁気比を表し、Ｈｅｆｆは、サンプルに印加された有効磁場を表し、Ｍｓは、飽和磁化量を表す。
【００４０】
数式１でのダンピング定数αの増加は、本出願人の実験から証明されたように、サンプルに印加された磁場によるエネルギーをよく分散させて、磁壁の磁気的共振を低減させる役割を行う。すなわち、ダンピング定数αが大きいほど、磁壁の振動効果が低減されて、磁化速度が速くなる。
【００４１】
したがって、本発明では、磁壁の移動を利用する半導体装置のための磁性物質膜として、ダンピング定数が少なくとも０.０１５以上、さらに具体的には、ダンピング定数が０.０１５〜０.１である磁性物質膜を使用することによって磁壁の振動効果を低減させる。これにより、磁壁の移動が高速かつ安定的に進みうる。したがって、本発明は、磁壁の移動を利用した半導体装置の動作速度を著しく改善できる。このような磁壁の移動を利用した半導体装置は、ＨＤＤのようなデータ記録装置であってもよく、不揮発性ＲＡＭのようなメモリ素子であってもよく、論理回路素子であってもよい。
【００４２】
一方、本発明では、磁性物質膜のダンピング定数を大きくすることができる方法として、次の３つ方法を提案する。
【００４３】
第一に、磁性物質膜として、磁性物質内に非磁性物質の含まれた合金を使用することによって、そのダンピング定数を０.０１５以上に大きくすることができる。ここで、前記磁性物質は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つの磁性物質であってもよく、前記非磁性物質は、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される少なくとも何れか一つの物質であってもよい。そして、前記非磁性物質は、０.５〜１０原子％が含まれうる。
【００４４】
磁性物質Ｎｉ８０Ｆｅ２０の場合、Ｏｓの含量が増加することによって、ダンピング定数αは大きくなる。
【００４５】
第二に、磁性物質膜の下部または上部のうち、少なくとも何れか一面に非磁性物質膜を備えさせることによって、そのダンピング定数を０.０１５以上に大きくすることができる。このとき、磁性物質膜の下部に備えられる非磁性物質膜は、非磁性シード膜であって、上部に備えられる非磁性物質膜は、非磁性キャッピング膜と称しうる。前記非磁性シード膜または非磁性キャッピング膜は、Ｃｕ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から選択される何れか一つからなり、３０〜３００Åの厚さを有しうる。
【００４６】
Ｐｙからなる磁性物質膜に、非磁性シード膜及び非磁性キャッピング膜が両方とも備えられたＮ−Ｐｙ−Ｎ構造で、非磁性物質膜（前記非磁性シード膜及び／または前記非磁性キャッピング膜）が厚くなるにつれて、前記磁性物質膜のダンピング定数αは大きくなる。ここで、Ｎは、Ｐｔ、Ｐｄ、ＴａまたはＣｕからなる非磁性物質膜である。すなわち、磁性物質膜の上下部に備えられる非磁性物質膜は、ダンピング定数αを大きくする役割を行う。
【００４７】
第三に、本質的にダンピング定数が０.０１５より大きい磁性物質膜、例えば、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉまたはＣｏＦｅＮｉのような磁性物質膜を使用することによって、本発明で目的とする磁壁の移動速度を改善できる。この場合、磁性物質膜内に非磁性物質を含有させたり、磁性物質膜の上下部に非磁性物質膜を別途に備えずとも、磁壁の移動速度の改善による半導体装置の動作速度の改善効果が得られる。しかし、第一及び第二の方法を付加的に使用することによってさらに大きいダンピング定数が得られ、本発明の効果を極大化させうる。
【００４８】
図３は、本発明の一実施例に係る磁壁の移動を利用する半導体装置の部分断面図であって、図面符号１０、２０及び３０は、それぞれ非磁性シード膜、磁性物質膜及び非磁性キャッピング膜を表す。ここで、前記磁性物質膜２０は、ダンピング定数が０.０１５〜０.１であり、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｂ、ＺｎまたはＡｇのような非磁性物質を含みうる。一方、前記非磁性シード膜１０及び非磁性キャッピング膜３０は、選択的な構成要素である。
【００４９】
以上では多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、本発明で提案した大きいダンピング定数を有する磁性物質膜が、ＨＤＤのようなデータ記録装置、ＲＡＭのようなメモリ素子、ロジック回路素子を備える多様な半導体装置に活用されうるということが理解でき、場合によっては、磁性物質膜の種類及び磁性物質膜に付加される構成要素がさらに多様化されうるということが理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施例によって決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、半導体装置に関連した技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】固定されたダンピング定数を有するサンプルの磁場変化による磁化特性を示すＭ−Ｔ（Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−Ｔｉｍｅ）グラフである。
【図２Ａ】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。
【図２Ｂ】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。
【図２Ｃ】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。
【図３】本発明の一実施例に係る磁壁の移動を利用する半導体装置の部分断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  非磁性シード膜
２０  磁性物質膜
３０  非磁性キャッピング膜
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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