磁開關元件和磁存儲器的製作方法
2023-06-07 02:50:06
專利名稱：磁開關元件和磁存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁開關元件和磁存儲器，更為詳細地說，涉及可以通過規定在磁性半導體層中感應起來的強磁性的磁化方向，以比以前大幅度地低的功耗產生磁化的磁開關元件和使用該元件的磁存儲器。
背景技術：
使用磁性體膜的磁阻效應元件，可以在磁頭、磁傳感器等中應用，同時人們還提出了在固體磁存儲器(磁阻效應存儲器MRAM(Magnetic Random Access Memory))中使用的方案。
近些年來，在把1層電介質插入到2個磁性金屬層之間的夾層結構膜中，作為使電流垂直於膜面流動，利用隧道電流的磁阻效應元件，人們提出了所謂的「強磁性隧道結元件(TunnelingMagneto-Resistance effctTMR)」的方案。在磁性隧道結元件中，從可以得到20％以上的磁阻變化率的事實(J.Appl.Phys.79，4724(1996))可知，提高了MRAM元件民用的可能性。
該強磁性隧道結元件，可以採用藉助於在強磁性電極上形成0.6nm到2.0nm厚的薄Al(鋁)膜之後，把其表面暴露在氧電暈放電或氧氣內，形成由Al2O3構成的隧道勢壘層的辦法實現。
此外，人們還提出了具有把反強磁性層賦予該強磁性1重隧道結的單側的強磁性層，把單側作為磁化固定層的構造的強磁性1重隧道結的方案(特開平10-4227號公報)。
此外，人們還提出了中間存在著已分散到電介質中的磁性粒子的強磁性隧道結，或強磁性2重隧道結(連續膜)方案(Phys.Rev.B56(10)，R5747(1997)，應用磁氣學會志23，4-2，(1994)，Appl.Phys.Lett.73(19)，2829(1998)，Jpn.Appl.Phys.39，L1035(2001))。
在這些方案中，從可以得到20到50％的磁阻變化率，以及，即便是為了得到所希望的輸出電壓值而增加要加到強磁性隧道結元件上的電壓值也可以抑制磁阻變化率的減小的事實可知，有應用於MRAM的可能性。
這些使用強磁性1重隧道結或強磁性2重隧道結的磁記錄元件，具有非易失性，且寫入讀出時間也快達10納秒以下，改寫次數高達1015次以上這樣的潛能。特別是，使用強磁性2重隧道結的磁記錄元件，如上所述，由於即便是為了得到所希望的輸出電壓值而增加要加到強磁性隧道結元件上的電壓值也可以抑制磁阻變化率的減小，故可以得到大的輸出電壓，作為磁記錄元件顯示出理想的特性。
但是，就存儲器的單元大小來說，在使用1Tr(電晶體)-1TMR構造(例如，已在USP5734605號公報中公開)的情況下，卻存在著尺寸不能小到半導體的DRAM(動態讀寫存儲器)以下的問題。
為了解決該問題，人們提出了在位線與字線之間串接TMR單元和二極體的二極體型構造(USP5640343號公報)或把TMR單元配置在位線與字線之間的簡單矩陣型構造(DE 19744095，WO 9914760)的方案。
但是，不論哪一種方案，在向記錄層進行寫入時，都要進行由電流脈衝產生的電流磁場形成的磁化反轉。為此，存在著存儲器的功耗大，在集成化時存在著布線的允許電流密度界限，不能大容量化的問題。
此外，由於如果寫入電流的絕對值不小於1mA，則用於使電流流動的驅動器的面積就會增大，故還存在著與別的類型的非易失性固體存儲器(FeRAM(強電介質存儲器)、FLASH(快擦寫存儲器))等比較起來晶片尺寸大的問題。
發明內容
如以上所詳述的那樣，為了實現磁存儲器的超大容量化，就需要功耗小的構造和新的寫入方法。此外，在需要開關磁場的所有的用途中都存在著同樣的要求。例如，即便是在磁記錄磁頭或磁驅動型傳動機構中，如果可以不依賴於電流磁場地開關磁場，則可以實現具有從現有的構造飛躍性地進步了的性能的各種的磁性應用裝置。
本發明的第1磁開關元件，具備磁化方向實質上已固定的強磁性層；被設置在來自上述強磁性層的磁場所波及的範圍內，採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的磁性半導體層，其特徵在於在把電壓加到上述磁性半導體層上時，在上述磁性半導體層上形成與上述強磁性層的上述磁化方向對應的磁化。
另外，在這裡，所謂「磁場所波及的範圍內」，意味著在磁性半導體層與強磁性層之間產生磁相互作用的範圍內，只要產生磁相互作用，除去相鄰地設置磁性半導體層和強磁性層的情況下以外，還包括離開距離地設置磁性半導體層和強磁性層的情況，和在它們之間存在著非磁性層等的的情況等。
此外，本發明的第2磁開關元件，具備柵電極；採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的磁性半導體層；設置在上述柵電極與上述磁性半導體層之間，或設置在上述磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定的強磁性層，其特徵在於在通過上述柵電極把電壓加到上述磁性半導體層上時，在上述磁性半導體層上形成與上述強磁性層的上述磁化方向對應的磁化。
另一方面，本發明的磁存儲器，具備存儲單元，該存儲單元具備
第1磁開關元件，具有磁化方向實質上已固定的第1強磁性層；被設置在來自上述第1強磁性層的磁場所波及的範圍內，採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第1磁性半導體層，在把電壓加到上述第1磁性半導體層上時，在上述第1磁性半導體層上形成與上述第1強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，第2磁開關元件，具有磁化方向與上述第1方向不同的實質上已固定的第2強磁性層；被設置在來自上述第2強磁性層的磁場所波及的範圍內，採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第2磁性半導體層，在把電壓加到上述第2磁性半導體層上時，在上述第2磁性半導體層上形成與上述第2強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，具有由強磁性體構成的記錄層的磁阻效應元件，其特徵在於如果可在上述第1磁開關元件的上述第1磁性半導體層上形成上述磁化，則可在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化，如果可在上述第2磁開關元件的上述第2磁性半導體層上形成上述磁化，則可在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化。
此外，本發明的第2存儲器，具備存儲單元，該存儲單元具備第1磁開關元件，具有第1柵電極，採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第1磁性半導體層，以及設置在上述第1柵電極與上述第1磁性半導體層之間，或設置在上述第1磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定在第1方向上的第1強磁性層，且在通過上述第1柵電極把電壓加到上述第1磁性半導體層上時，在上述第1磁性半導體層上形成與上述第1強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，
第2磁開關元件，具有第2柵電極，採用加上電壓的辦法，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第2磁性半導體層，以及設置在上述第2柵電極與上述第2磁性半導體層之間，或設置在上述第2磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定在第2方向上的第2強磁性層，且在通過上述第2柵電極把電壓加到上述第2磁性半導體層上時，在上述第2磁性半導體層上形成與上述第2強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，具有由強磁性體構成的記錄層的磁阻效應元件，其特徵在於如果在上述第1磁開關元件的上述第1磁性半導體層上形成上述磁化，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化，如果在上述第2磁開關元件的上述第2磁性半導體層上形成上述磁化，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化。
倘採用本發明，則可以藉助於電壓的施加在上述記錄層上形成磁化，因而可以實現超低功耗的磁開關元件，磁存儲器或磁探針、磁頭等，工業上的優點很多。
圖1是用來說明本發明的磁開關元件的重要部分構成及其動作的概念圖。
圖2的模式圖示出了使磁性半導體層10與強磁性層20的疊層順序反轉過來的構造。
圖3的模式圖示出了使柵絕緣膜和強磁性層一體化的磁開關元件。
圖4是用來說明本發明的存儲器的單位單元的寫入原理的概念圖。
圖5是用來說明本發明的存儲器的單位單元的寫入原理的概念圖。
圖6是用來說明本發明的存儲器的單位單元的寫入原理的概念圖。
圖7是用來說明本發明的存儲器的單位單元的寫入原理的概念圖。
圖8是用來說明圖5所示的第1類型的存儲元件中的寫入的模式圖。
圖9是用來說明圖6所示的第2類型的存儲元件中的寫入的模式圖。
圖10的模式圖示出了本發明的磁存儲器的矩陣構成。
圖11的模式圖示出了記錄層52的平面形狀及其磁化方向。
圖12的模式圖示出了具有強磁性1重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
圖13的模式圖示出了具有強磁性1重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
圖14的模式圖示出了具有強磁性2重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
圖15的模式圖示出了具有強磁性2重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
圖16的模式圖示出了具有強磁性2重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
圖17的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第1具體例。
圖18示出了使用圖5所示的第1類型的存儲單元的簡單矩陣型的磁存儲器的具體例。
圖19示出了把磁阻效應元件50作成強磁性2重隧道結的具體例。
圖20示出了使用圖6所示的第2類型的存儲單元的簡單矩陣型的磁存儲器的具體例。
圖21示出了把磁阻效應元件50作成強磁性2重隧道結的具體例。
圖22的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第2具體例。
圖23的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第2具體例。
圖24的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第3具體例。
圖25的模式圖示出了在使用第1類型的存儲單元的情況下的、在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第3具體例。
圖26的模式圖示出了在使用第2類型的存儲單元的情況下的、在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第3具體例。
圖27的模式圖示出了讀出用構造的第4具體例。
圖28的模式圖示出了在使用第1類型的存儲單元的情況下的讀出用構造的第4具體例。
圖29的模式圖示出了在使用第2類型的存儲單元的情況下的讀出用構造的第4具體例。
圖30的概念圖示出了本發明的磁探針和磁頭的基本構成。
圖31的概念圖示出了向開關元件附加了反強磁性層的本發明的磁探針和磁頭的基本構成。
具體實施例方式
圖1是用來說明本發明的磁開關元件的重要部分構成及其動作的概念圖。
就是說，如同圖(a)所示，本發明的磁開關元件，具有把磁性半導體層10、強磁性層20和柵絕緣膜30和柵電極40疊層起來的構造。
磁性半導體層10，是由具有磁性方面的性質和半導體方面的性質，且這兩個性質具有強的相關的物質構成的層。具體地說，可以舉出向III-V族化合物半導體或II-VI族化合物半導體等的半導體中，添加錳(Mn)或鉻(Cr)等的元素的層。
這樣的磁性半導體，在不施加電壓的狀態下，顯示常磁性的性質。這是因為由於所含的錳(Mn)或鉻(Cr)等的磁性元素的濃度低，這些磁性元素間的相互作用弱的緣故。
相對於此，當給這樣的磁性半導體加上電壓時，就會感應強磁性(Nature 408，944(2000))。這被認為是藉助於加上電壓，使磁性半導體中的電子或空穴的濃度變化，已添加進去的錳或鉻等的磁性元素間的相互作用變得顯著起來的結果。
作為磁性半導體層10的材料，例如，可以使用向(InMn)As、(Ga，Mn)As、(Zn，Mn)Te、GaN、ZnO、TiO2等的寬能帶間隙半導體中摻進了過渡性金屬的材料系，或(Cd1-xMnx)GeP2、CrAs、(Ga，Cr)As等。
取決於要向寬能帶間隙半導體中摻入的過渡性金屬的種類和濃度，磁性半導體就可以實現反強磁性、常磁性、強磁性等各種各樣的磁狀態，作為本發明的磁性半導體層10，可以得到感應強磁性的半導體層。
例如，採用給(InMn)As弱磁性半導體加上電壓的辦法，控制(InMn)As中的空穴，使得產生錳(Mn)自旋間的相互作用，藉助於此，就可以感應強磁性。
在本發明中，如圖1所示，可以通過柵絕緣膜30由柵電極40加上電壓。倘採用該構成，由於電流不向開關元件中流，故與現有的產生電流磁場的元件比較，可以大幅度地減小功耗。
但是，如果僅僅給磁性半導體層10加上電壓，則不可能一直到在那裡被感應的磁化的方向都進行控制。相對於此，在本發明中，採用使之與強磁性層20相鄰的辦法，來控制被磁性半導體層10感應的強磁性的磁化方向。
就是說，如圖1(b)所示，在本發明的磁開關元件中，與磁性半導體層10相鄰地設置具有磁化M1的強磁性層20。在該狀態下，若通過柵絕緣膜30給柵電極30加上電壓，電壓被加到磁性半導體層10上，感應強磁性。然後，在這裡產生的磁化M2，藉助於相鄰的強磁性層20的磁化M1的作用，就可以與之在同一方向上形成。這樣一來，就可以在磁性半導體層10中感應規定的方法的磁化M2，並使該磁場作用到作用對象100上。
在這裡，作用對象100，例如是磁存儲器的記錄層或磁記錄媒體，或者，是把磁化M2用做磁探針的情況下的對象物等。此外，作用對象100，也可以設置在磁性半導體層10內感應出來的磁化M2所波及的範圍內。因此，如同圖所示，也可以配置在例如磁性半導體層10的下表面附近，而不配置在其端面附近。
如上所述，倘採用本發明，採用給柵電極40加上電壓的辦法，就可以在磁性半導體層10內感應規定的方向的磁化，可以實現可以以低功耗控制磁化的ON/OFF的開關元件。
此外，圖1所示的構成，是本發明的開關元件的基本的概念圖，對於其各個要素來說，可以加以種種的變形。例如，就如要在後邊細說的那樣，採用在強磁性層20和柵絕緣膜30之間，再使反強磁性層和強磁性層進行疊層的辦法，就可以使磁化方向反轉，或再插入非磁性層等的各種的變形。
此外，至於各個要素的疊層順序，也不限於圖1，例如，如圖2所示，也可以使磁性半導體層10和強磁性層20的疊層順序反轉過來。在該情況下，也可以採用通過柵絕緣膜30給磁性半導體層10加上電壓的辦法，感應強磁性，該磁化M2也可以沿著相鄰的強磁性層20的磁化M1的方向形成。因此，可以對設置在磁性半導體層10的附近的作用對象100開關磁化M2。
此外，在圖1中，也可以使柵絕緣膜30和強磁性層20一體化。
圖3的模式圖示出了已使柵絕緣膜30和強磁性層20一體化的磁開關元件。就是說，如使用既是電絕緣材料，又具有強磁性的材料，則可以把強磁性層20和柵絕緣膜30形成為一體化。作為這樣的材料，例如，可以舉出鐵氧體等的氧化鐵系的磁性材料等。
以下，作為本發明的磁開關元件的應用例，首先，對用本發明的磁開關元件構成的磁存儲器進行說明。
圖4到圖7是用來說明本發明的存儲器的單位單元的寫入原理的概念圖。
首先，圖4和圖5所示的構造，是本發明的第1類型的元件構成，是把本發明的開關元件對存儲器記錄元件的記錄層直接地進行配置的構成。就是說，本發明的開關元件1A、1B在強磁性層52的兩側形成，在強磁性層52的中央附近按照絕緣性的隧道勢壘54和強磁性層56的順序進行疊層構成磁阻效應元件50。即，強磁性層52起著記錄層(自由層)的作用，強磁性層56則起著磁化固定層(釘扎層)的作用。
在這裡，在一對磁開關元件1A、1B中，強磁性層20分別具有方向相反的磁化M1。因此，在給柵電極40加上電壓時在這些磁性半導體層10、10中產生的磁化M2的方向，也與這些強磁性層20、20的磁化方向對應地變成方向相反。
即，可以與究竟給開關元件1A和1B中的哪一個加上電壓對應起來地選擇對本身為TMR元件的記錄層的強磁性層52的寫入磁化M2的方向，使得2值信息的寫入成為可能。
而且，就如前邊對於圖1所說的那樣，倘採用本發明，由於可以使之產生磁場而不流動電流，故可以飛躍地降低功耗。
在這裡，作為磁阻效應元件50，可以使用具有由至少2層的強磁性層52、56和至少1層的隧道勢壘絕緣層54構成的強磁性隧道結的元件。若使用強磁性隧道結，則採用改變磁性層的自旋極化率的辦法，除去可以控制信號輸出之外，在可以採用改變隧道勢壘絕緣層的厚度或勢壘高度的辦法控制結電阻這一點上是有利的。
此外，在這些磁阻效應元件50中，理想的是與強磁性層(釘扎層)56靠近地設置反強磁性層58。因為藉助於反強磁性層58可以確實地固定釘扎層56的磁化方向。
如上所述，為了藉助於已賦予反強磁性層58的釘扎層56的磁化自旋的方向究竟是記錄層52的磁化自旋的方向平行還是反平行來改變結電阻，採用檢測信號輸出的辦法，就可以容易地讀出記錄層52的自旋信息。
此外，為了用本發明的開關元件進行寫入，磁阻效應元件50的強磁性記錄層52，理想的是具有一軸各向異性。這是因為可以使寫入磁化自旋的方向穩定的緣故。
其次，在圖5所示的具體例的情況下，開關元件1C，雖然具有與圖4所示的構成同樣的構成，但是，開關元件1D，卻具有從磁性半導體層10開始按照順序把強磁性層20、非磁性層22、強磁性層22、強磁性層24、反強磁性層26疊層起來的構造。如上所述，採用把非磁性層22到反強磁性廠26組合起來的辦法，就可以使控制磁性半導體層10的磁化方向的強磁性層20的磁化M1的方向，對開關元件1C反轉。因此，在考慮對強磁性層的磁化固定工藝的情況下，可以得到使得製造變成容易起來這樣的優點。
另一方面，圖6和圖7所示的構造，是本發明的第2類型的元件構成，開關元件1E到1H，具有用來對磁阻效應元件50的記錄層52施加偏置磁場的強磁性層60。
在圖6所示的存儲元件的情況下，開關元件1E的主要部分，具有圖4和圖5所示的開關元件1A和1C同樣的層構造。此外，開關元件1F的主要部分，具有與開關元件1D同樣的層構造。
因此，採用給這些開關元件1E、1F中的任何一個加上電壓的辦法，在各自的磁性半導體層10中形成方向相反的磁化M2中的任何一個，採用通過強磁性層60使該磁化作用到TMR元件的記錄層52上的辦法，就可以自由地寫入2值信息。
此外，在圖7所示的存儲元件的情況下，偏置施加用強磁性層60被設置在磁性半導體層10和柵絕緣膜30之間。在該情況下，磁性半導體層10，也藉助於電壓的施加，在強磁性層20的磁化M1的方向上形成磁化M2，藉助於該磁化在強磁性層60上形成磁化，藉助於該偏置磁場可以自由地向記錄層52寫入2值信息。
此外，在圖7所示的構造中，也可以使柵絕緣膜30和強磁性層20一體化。就是說，如使用既是電絕緣材料，而且具有強磁性的材料，則可以把強磁性層20和柵絕緣膜30形成為一體化。作為這樣的材料，例如，可以舉出鐵氧體等的氧化鐵系的磁性材料等。
如圖4到圖7所示，倘採用本發明，歸因於使來自本發明的開關元件1A到1H的磁場作用到存儲器記錄層52上，就可以藉助於電壓而不是電流使自旋反轉。作為其結果，可以實現大幅度地降低功耗的磁存儲器。
另外，在圖4到圖7所示的具體例中，作為本身為存儲器記錄元件的磁阻效應元件，設置有強磁性隧道結TMR(強磁性1重隧道結)。但是，只要記錄層是由可進行開關的強磁性層構成的記錄層，本發明也可以使用其它的構造的存儲元件而不限於TMR元件。
圖8是用來說明圖5所示的第1類型的存儲元件中的寫入的模式圖。就是說，在同圖所示的存儲元件的情況下，在TMR元件50的磁化固定層56上，連接有在對紙面平行方向上布線的位線BL1，在記錄層52上則連接有在對紙面垂直的方向上布線的位線BL2。
在這裡，圖8(a)和(b)表示寫入2值信息之內的『0』的情況，圖8(c)和(d)表示寫入2值信息之內的『1』的情況。
在改寫存儲單元的自旋信息時，要給開關元件1C或1D加上負電壓，或給位線BL1或BL2A加上正電壓。這樣一來，就可以向磁性半導體層10內注入空穴，磁性半導體層10進行從常磁性狀態向強磁性狀態的磁性相轉移。這時，磁性半導體層10(強磁性狀態)的自旋方向，結果就變成藉助於被設置為與磁性半導體層10接近的強磁性層20之間的磁相互作用，規定在強磁性體層20的磁化M1的方向上。
在第1類型的存儲元件的情況下，由於存儲單元的記錄層52也與該磁性半導體層10接連，故結果就變成存儲單元的記錄層52，也藉助於記錄層52與磁性半導體層10之間的磁相互作用，規定在磁性半導體層10的自旋M2的方向上。
圖9是用來說明圖6所示的第2類型的存儲元件中的寫入的模式圖。對於同圖來說，對於那些與圖1到圖8所述的要素同樣的要素，賦予同一標號而省略詳細的說明。
在圖9所示的具體例的情況下，與磁性半導體層10相鄰地設置有用來向記錄層52施加偏置磁場的強磁性層60。因此，就可以藉助於磁性半導體層10與偏置施加用強磁性層60之間的相互作用，規定偏置施加用強磁性層60的自旋的方向，藉助於來自偏置施加用強磁性層60的雜散磁場，對存儲單元的記錄層52加上偏置磁場，使記錄層52進行自旋反轉。
在圖8和圖9所示的構造的情況下，在開關元件1D、1F中，為了規定為規定磁性半導體層10的磁化自旋M2的方向而設置的強磁性層20的磁化自旋M1的方向，附加上反強磁性層26，並通過強磁性層24和非磁性層22進行疊層。如果作成這樣的構造，則可以使強磁性層20的固定自旋的方向，對於相向的開關元件1C、1E的強磁性層20的固定自旋方向，可以容易地反轉180度，圖10的模式圖示出了本發明的磁存儲器的矩陣構成。就是說由開關元件1和磁阻效應元件50構成的存儲單元，如同圖所示，被配置在矩陣狀地布線的位線BL1、BL2與字線WL1、WL2的交叉點的位置上。
然後，採用給這些位線或字線加上適宜的規定的電壓的辦法，在與磁阻效應元件50組合起來的一對開關元件中的任何一個的磁性半導體層10內感應強磁性，形成規定的磁化自旋。然後，藉助於該磁化自旋，就可以使相鄰的磁阻效應元件50的記錄層的磁化反轉以實施寫入。
此外，為了讀出磁阻效應元件50的記錄信息，選擇位線BL1和BL2，檢測向已連接到它們上的磁阻效應元件流入的讀出電流。作為用來進行讀出的具體的構造，就如要在後邊講述的那樣，可以使用使用MOS開關或二極體等的構造，在矩陣狀地配置的位線和字線的周邊部分具有選擇用電晶體的構造(簡單矩陣型)等。
若使用本發明的磁開關元件，則可以採用通過柵絕緣膜30施加柵電壓的辦法來控制磁阻效應元件50的記錄層52的磁矩的方向。作為結果，可以用電壓而不是用電流進行寫入，功耗顯著地減小，與此同時，還可以實現外圍電路的規模和尺寸也縮小了的小型高性能的固體磁存儲器。
另外，在本發明中使用的磁阻效應元件50的記錄層52的磁化方向，如後所述，並非一定是直線狀。
圖11(a)到(f)的模式圖示出了記錄層52的平面形狀及其磁化方向。
磁阻效應元件的記錄層52，如同圖所示，可以具有種種的形狀，可在這裡形成的磁化M3，可根據該形狀形成多種多樣的『邊沿區』。就是說，磁記錄層52，例如，如同圖(a)所示，可以作成把突出部分附加在長方形的一方的對角兩端上的形狀，或同圖(b)所示的平行四邊形、同圖(c)所示的菱形、同圖(d)所示的橢圓形、(e)邊沿傾斜型、(f)把長方形的四個犄角45度角地切掉的大鼓型(採用作成該(f)的形狀的辦法，可以顯著地減小開關磁場)等的各種的形狀。因此，在同圖(a)和(b)那樣的非對稱形狀的情況下，磁化M3藉助於邊沿區的形成進行彎曲而不是直線狀。在本發明中，也可以使用具有象這樣地彎曲的磁化M3的記錄層。這些非對稱形狀，採用把在光刻中使用的原版的圖形形狀作成非對稱形狀的辦法，就可以容易地製作。
另外，在使磁記錄層52圖形化為在圖11(a)到(c)或(e)到(f)中所示的形狀的情況下，雖然在很多情況下都把犄角部分變成圓角，但是實際上也可以象這樣地把犄角部分形成為圓角。
此外在這裡，磁阻效應元件的磁記錄層52的寬度W和長度L之比L/W，理想的是大於1.2，把一軸各向異性賦予長度L的方向，是理想的。這是因為可以確實且容易地把磁化M3的方向規定為彼此相反的2個方向的緣故。
其次，對可以在本發明的磁存儲器中使用的磁阻效應元件的剖面構造進行說明。
圖12和圖13的模式圖示出了具有強磁性1重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。
就是說，在圖12的磁阻效應元件的情況下，在基底層BF的上邊，按照反強磁性層AF、強磁性層FM1、隧道勢壘層TB、強磁性層FM2、保護層PB的順序進行疊層。與反強磁性層AF相鄰地疊層的強磁性層FM1起著固定層(釘扎層)的作用，疊層在隧道勢壘層TB的上邊的強磁性層FM2則起著記錄層(自由層)的作用。
在圖13的磁阻效應元件的情況下，在隧道勢壘層TB的上下，分別設置有把強磁性層FM和非磁性層NM和強磁性層FM疊層起來的疊層膜SL。在該情況下，設置在反強磁性層AF和隧道勢壘層TB之間的疊層膜SL也起著固定層的作用，設置在隧道勢壘層TB的上邊的疊層膜SL也起著記錄層的作用。
圖14到圖16的模式圖示出了具有強磁性2重隧道結的磁阻效應元件的剖面構造。對於這些圖來說，對於那些與在前邊對圖12和圖13說明的要素相同的要素，賦予同一標號而省略詳細的說明。
在圖14到圖16所示的構造的情況下，任何一個構造都設置有2層的隧道勢壘層TB，在其上下則設置有強磁性層FM或強磁性層FM和非磁性層NM之間的疊層膜SL。在這裡所示的2重隧道結元件的情況下，與上下的反強磁性層AF相鄰地疊層起來的強磁性層FM或疊層膜起著磁化固定層的作用，設置在2重的隧道勢壘層TB之間的強磁性層FM或疊層膜SL則起著記錄層的作用。
若採用這樣的2重隧道結，則在可以增大對記錄層的磁化方向的電流變化這一點在上是有利的。
另外，在本發明的磁存儲器中使用的磁阻效應元件，並不限於圖12到圖16所示的元件，除此之外，例如，還可以使用使第1強磁性層和非磁性層和第2強磁性層疊層起來的所謂的『自旋閥構造』的磁阻效應元件等。
在作為磁阻效應元件採用不論哪一種構造的情況下，也都可以把一方的強磁性層用做實質上固定磁化方向的『磁化固定層(有時候也被稱為 『釘扎層』)。把另一方的強磁性層用做藉助於加上來自外部的磁場而使磁化方向可變的『磁記錄層(自由層)』。
此外，就如在後邊所詳述的那樣，取決於讀出方式，也可以把與反強磁性層相鄰地設置的強磁性層用做記錄層。
在這些磁阻效應元件中，作為可以用做磁化固定層的強磁性體，例如，可以使用Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)或它們的合金、自旋極化率大的鐵磁礦、CrO2、RXMnO3-y(其中，R表示稀土類，X表示Ca(鈣)、Ba(鋇)、Sr(鍶)中的任何一者)等的氧化物，或NiMnSb(鎳錳銻)、PtMnSb(鉑錳銻)、Co2MnGe、Co2MnSi等的都斯勒合金。
此外，在磁固定層中，作為磁性半導體，可以使用向(InMn)As、(Ga，Mn)As、(Zn，Mn)Te、GaN、ZnO、TiO2等的寬能帶間隙半導體中摻進了過渡性金屬的材料系或(Cd1-xMnx)GeP2、CrAs、(Ga，Cr)As等。
取決於要向寬能帶間隙半導體中摻入的過渡性金屬的種類和濃度，磁性半導體就可以實現反強磁性、常磁性、強磁性等各種各樣的磁狀態，圖12到圖16所示的磁阻效應元件中的強磁性層、反強磁性層、非磁性層，也可以使用磁性半導體。
此外，對於磁性半導體，也可以使用採用以小濃度摻入磁性元素的辦法作成使得僅僅在加上電壓注入了電子或空穴時才顯示出磁性的磁性半導體，以ZnO為例，例如，若向ZnO摻進Mn，則可以得到反強磁性，若摻進V、Cr、Fe、Co或Ni，則可以得到強磁性，若摻進Ti或Cu，則可以得到常磁性。
此外，在向GaN摻進了Mn的情況下，由於Ga是3價，Mn是2價，故就自動地也摻進了空穴，就沒有必要象ZnO那樣摻進空穴。因而，在已向GaN中摻進了Mn的情況下，就將變成強磁性。
由這些材料構成的磁化固定層，理想的是具有一方向各向異性。此外，其厚度理想的是0.1nm到100nm。此外，該強磁性層的膜厚，必須是不會變成超常磁性那種程度的厚度，更為理想的是大於0.4nm。
此外，用做磁化固定層的強磁性層，理想的是，附加上反強磁性膜後進行固定。作為這樣的反強磁性膜，可以舉出Fe(鐵)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Cr(鉻)-Mn(錳)、Ni(鎳)-Mn(錳)、Ir(銥)-Mn(錳)、NiO(氧化鎳)、Fe2O3(氧化鐵)、或前邊所說的磁性半導體等。
此外，還可以向這些磁性體中摻進Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Mg(鎂)、Si(矽)、Bi(鉍)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)、H(氫)等非磁性元素，以調節磁學特性，除此之外，還可以調節結晶性、機械特性、化學特性等的各種物性。
另一方面，作為磁化固定層，也可以使用強磁性層與非磁性層之間的疊層膜。例如，可以使用在圖3等中所示的那種強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的3層構造。在該情況下，通過非磁性層使反強磁性的層之間的相互作用作用到兩側的強磁性層上是理想的。
說得更具體點，作為把磁性層固定到一個方向上的方法，以Co(Co-Fe)/Ru(釕)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Ir(銥)Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Os(鋨)/Co(Co-Fe)、磁性半導體強磁性層/磁性半導體非磁性層/磁性半導體強磁性層等的3層構造的疊層膜為磁化固定層，再與之相鄰地設置反強磁性膜，是理想的。
作為該情況下的反強磁性膜，有和前邊所說的反強磁性膜同樣，可以使用Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO、Fe2O3、磁性半導體等。若使用該構造，除去可以進行磁化固定層的磁化牢固地固定磁化之外，還可以減小(或調節)來自磁化固定層的雜散磁場，採用改變要形成磁化固定層的2層的強磁性層的膜厚的辦法，可以調整磁記錄層(自由層)的磁化漂移。
另一方面，作為磁記錄層(自由層)的材料，與磁化固定層同樣，例如，也可以使用Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)或它們的合金、自旋極化率大的鐵磁礦、CrO2、RXMnO3-y(其中，R表示稀土類，X表示Ca(鈣)、Ba(鋇)、Sr(鍶)中的任何一者)等的氧化物，或NiMnSb(鎳錳銻)、PtMnSb(鉑錳銻)、Co2MnGe、Co2MnSi等的郝斯勒合金，或前邊所說的各種磁性半導體。
作為由這些材料構成的磁記錄層的強磁性層，理想的是具有對於膜面大體上平行的方向的一軸各向異性。此外，其厚度理想的是0.1nm到100nm。此外，該強磁性層的膜厚，必須是不會變成超常磁性那種程度的厚度，更為理想的是大於0.4nm。
此外，作為磁記錄層，也可以使用軟磁性層/強磁性層這樣的2層構造，或強磁性層/軟磁性層/強磁性層這樣的3層構造。作為磁記錄層，使用強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的3層構造，或強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的5層構造，採用對強磁性層的層間的相互作用的強度進行控制的辦法，即便是作為存儲單元的磁記錄層的單元寬度變成亞微米以下，也可以得到可以不增大電流磁場的功耗這樣的更為理想的效果。在5層構造的情況下，若用軟磁性層或非磁性元素把中間強磁性層分斷開來的強磁性層則更為理想。
在磁化記錄層中，也可以摻進Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Mg(鎂)、Si(矽)、Bi(鉍)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)、H(氫)等非磁性元素，以調節磁學特性，除此之外，還可以調節結晶性、機械特性、化學特性等的各種物性。
另一方面，在作為磁阻效應元件使用TMR元件的情況下，作為設置在磁化固定層與磁化記錄層之間的隧道勢壘層TB的材料，可以使用Al2O3(氧化鋁)、SiO2(二氧化矽)、MgO(氧化鎂)、AlN(氮化鋁)、BiO2(氧化鉍)、MgF2(氟化鎂)、CaF2(氟化鈣)、SrTiO2(氧化鈦·鍶)、AlLaO3(氧化鑭鋁)(該La也可以用Hf、Er等別的稀土族元素取代)、Al-N-O(氧化氮化鋁)、非磁性半導體(ZnO、InMn、GaN、GaAs、TiO2、Zn、Te或向它們中摻進了過渡性金屬的非磁性半導體)等。
這些化合物，從化學計量比上沒有必要是完全正確的組成，即便是存在著氧元素、氮元素、氟元素等的缺損，或者過不足也沒有關係。此外，該絕緣層(電介質層)的厚度，理想的是要薄到可以流過隧道電流那樣的程度，但是實際上理想的是要小於10nm。
這樣的磁阻效應元件，可以用各種濺射法、蒸鍍法、分子束外延生長法、CVD法等通常的薄膜形成裝置，在規定的襯底上邊形成。在該情況下的襯底，例如，可以使用Si(矽)、SiO2(二氧化矽)、Al2O3(氧化鋁)、尖晶石、AlN(氮化鋁)、GaAs、GaN等的各種襯底。
此外，在襯底上邊，作為基底層或保護層等，也可以設置由Ta(鉭)、Ti(鈦)、Pt(鉑)、Pd(鈀)、Au(金)、Ti(鈦)/Pt(鉑)、Ta(鉭)/Pt(鉑)、Ti(鈦)/Pd(鈀)、Ta(鉭)/Pd(鈀)、Cu(銅)、Al(鋁)-Cu(銅)、Ru(鑥)、Ir(銥)、Os(鋨)、GaAs、GaN、ZnO、TiO2等的半導體基底等構成的層。
此外，作為偏置用磁性層、固定用強磁性層，也可以向Fe、Co、Ni或它們的合金中摻進Pt、Pd等的元素，作成半硬膜。
以上，對本發明在磁存儲器中的磁阻效應元件、開關元件的配置關係、材料進行了說明。
其次，舉出具體的例子對本發明的磁存儲器的單元構造進行說明。
首先，對可以在本發明的磁存儲器中採用的讀出用構造的第1具體例進行說明。
圖17到圖21的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第1具體例。就是說，同圖示出了存儲器陣列的剖面構造。對於這些圖來說，對於那些與在前邊就圖1到圖16所述的要素同樣的要素，賦予同一標號而省略詳細的說明。
在該構造中，是在矩陣狀地布線的讀出用位線BL1、BL2上連接有多個磁阻效應元件C的、所謂的『簡單矩陣型』的讀出構造。
在進行讀出時，採用用選擇電晶體ST選擇位線BL1和BL2的辦法，就可以使讀出電流向目的磁阻效應元件50流以便用讀出放大器SA進行檢測。
圖18示出了使用圖5所示的第1類型的存儲單元的簡單矩陣型的磁存儲器的具體例。
此外，圖19示出了把磁阻效應元件50作成強磁性2重隧道結的具體例。
另一方面，圖20示出了使用圖6所示的第2類型的存儲單元的簡單矩陣型的磁存儲器的具體例。
此外，圖21示出了把磁阻效應元件50作成強磁性2重隧道結的具體例。
在圖17到圖21的所示的任何一個構造中，向記錄層的寫入，都採用給柵電極40加上電壓，向磁性半導體層10內注入電子或空穴的辦法進行。
其次，圖22和圖23的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第2具體例。就是說，該具體例是作為讀出用構造使用CMOS的情況下的構造例。
在使用CMOS的情況下，通過使下部選擇電晶體ST變成ON，通過位線BL1向磁阻效應元件50流讀出電流來進行讀出。另一方面，寫入則要通過向任何一個開關元件的柵電極40加上電壓，向磁性半導體層10內注入空穴來進行。在這裡，圖22、圖23分別示出了使用第1和第2類型的存儲單元的情況。
圖24到圖26的模式圖示出了在本發明的磁存儲器中可以採用的讀出用構造的第3具體例。就是說，在該構造中，對於讀出用位線BL1並聯地連接有多個磁阻效應元件50。
在讀出時，分別用選擇電晶體ST選擇已連接到作為默讀發磁阻效應元件50上的位線BL1和BL2，用讀出放大器SA檢測電流。二極體D，具有在這些的讀出時，切斷通過布線為矩陣狀的其它的磁阻效應元件50C流動的迂迴電流的作用。
寫入，採用給任何一個開關元件的柵電極40加上電壓，向磁性半導體層10內注入電子或空穴的辦法進行。
在這裡，圖25、圖26分別示出了使用第1、第2類型的存儲單元的情況。
其次，對可以在本發明的磁存儲器中使用的構造的第4具體例進行說明。
圖27到圖29的模式圖示出了讀出用構造的第4具體例。就是說，同圖示出了存儲器陣列的剖面構造。
在該構造中，作成在讀出用位線BL1和讀出用位線BL1之間並聯地連接有多個磁阻效應元件C的『梯子型』的構成。
寫入，採用給與磁阻效應元件50組合起來的任何一個開關元件的柵電極40加上電壓，向其磁性半導體層10內注入電子或空穴的辦法進行。在這裡圖28、圖29分別示出了使用第1、第2類型的存儲單元的情況。
另一方面，在讀出時，則要給位線BL2間加上電壓。這樣一來，電流就會向在它們之間並聯連接起來的所有的磁阻效應元件50中流，邊用讀出放大器SA檢測該電流的合計，邊給與目的的磁阻效應元件50對應的開關元件加上寫入電壓，在規定的方向上改寫目的磁阻效應元件50的磁記錄層52的磁化。採用檢測這時的電流變化的辦法，就可以進行記錄在目的磁阻效應元件的記錄層52中的2值信息的讀出。
就是說，如果改寫前的磁記錄層52的磁化方向與改寫後的磁化方向是同一的，用讀出放大器SA檢測出來的電流就不會變化。但是，在在改寫前後磁記錄層52的磁化方向進行了反轉的情況下，被讀出放大器SA檢測出來的電流就會取決於磁阻效應元件而變化。這樣一來就可以讀出改寫前的磁記錄層52的磁化方向，就是說可以讀出存儲數據。
但是，該方法，與在讀出時使存儲數據變化的、所謂的『破壞性讀出』對應。
相對於此，在把磁阻效應元件的構成作成磁化自由層/絕緣層(非磁性層)/磁記錄層這樣的構造的情況下，所謂的『非破壞性讀出』是可能的。就是說，在使用該構造的磁阻效應元件的情況下，採用把磁化方向記錄在磁記錄層上，在讀出時，使磁化記錄層的磁化方向適宜變化以比較讀出電流的辦法，就可以讀出磁記錄層的磁化方向。但是，在該情況下，必須要設計為使得磁化自由層的磁化反轉磁場變得比磁記錄層的磁化反轉磁場小。
其次，對使用本發明的開關元件的磁探針和磁頭進行說明。
圖30的概念圖示出了本發明的磁探針和磁頭的基本構成。對同圖來說，對於那些與圖1到圖29所述的要素同樣的要素，賦予同一標號而省略詳細的說明。
本發明的磁探針，在磁極70的兩側設置有一對開關元件。在同圖所示的具體例的情況下，這些開關元件，相當於圖1所示的開關元件。在這些開關元件中，強磁性層20的磁化M1已固定在彼此相反的方向上。因此，在給磁性半導體層10加上電壓並感應起強磁性時，在各自的磁性半導體層10內形成的磁化M2的方向也與它們對應地變成相反的方向。藉助於該磁化M2，就可以在磁極70上形成磁化，其雜散磁場M3就會加到作用對象100上。
在進行本發明的磁探針的動作時，要給V0-V1間或V0-V2間中的任何一者間加上規定的電壓。這樣一來，一對開關元件中的任何一方的磁性半導體層10就會形成磁化M2，就會從磁極70給作用對象100加上規定的方向的磁場。作為作用對象100，例如若使用磁記錄媒體，則該磁探針就可以用做寫入時的磁頭。在該情況下，由於在寫入磁場的形成時電流不會流動，故也可以大幅度地減小功耗，驅動電路的容量和規模也可以減小。
此外，該磁探針不僅在磁頭中，在目的為加上磁場的所有的用途中應用都可以收到同樣的效果。
此外，圖31所示的構造只不過是一個例子，例如，如圖31所示，給開關元件附加上反強磁性層的構造，或除此之外使圖6到圖30所示的任何一種構造進行變形的構造，也都包括在本發明的範圍內。
以下，參照實施例對本發明的實施形態更詳細地進行說明。
(實施例1)首先，作為本發明的實施例1，對以圖18所示的簡單矩陣構造的存儲器陣列為基本，製作1個存儲單元，確認了第1類型的存儲單元的動作原理的例子進行說明。
對該磁存儲器的構造，如果沿著其製造步驟進行說明，則如下所述。
在未畫出來的襯底上邊，首先，作為下層的位線BL1，用雙金屬鑲嵌法製作由Cu構成的厚度1微米的布線層。然後，在用CVD法製作了絕緣層之後進行CMP(化學機械拋光)，進行平坦化。之後，用濺射法形成具有強磁性1重隧道結構造的TMR的疊層構造膜。其各層的材質和層厚，從下側開始，依次作成Ta(10nm)/Ru(3nm)/Ir-Mn(8nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/AlOx(1nm)/CoFeNi(2nm)/Ru(5nm)。
其次，採用把最上層的W層用做硬掩模，用使用腐蝕氣體的RIE(反應性離子刻蝕)一直到下側的基底為止對疊層構造膜進行刻蝕的辦法，製作TMR元件的孤立圖形。
然後，作為絕緣體，用低溫TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate，四乙基原矽酸鹽)法澱積SiOx並用CMP進行平坦化之後，剩下約1.5nm的Ru，用成膜、圖形化，形成強磁性記錄層CoFeNi(2nm)/Ru(1.5nm)/Ta(3nm)。這時，磁記錄層由CoFeNi(2nm)(面積小)/Ru(1.5nm)/CoFeNi(2nm)(面積大)構成，通過Ru層起著強磁性的相互作用。
之後，在圖形化後的CoFeNi/Ta的上邊，用低溫TEOS工藝成膜SiO2後，對SiO2進行RIE，一直到Ta為止剝離了圖18所示的構造的左側半面之後，用濺射裝置、低溫MBE(分子束外延)，從下側開始依次形成磁性半導體(GaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/IrMn(8nm)/Ta(3nm)/SiO2(300nm)/Ru(10nm)這樣的疊層構造。
其次，用同樣的方法，把Ru用做硬掩模製作圖18所示的構造的左側的開關元件。接著，用同樣的方法形成了本身為右側的開關元件的磁性半導體(GaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/IrMn(8nm)/Ta(3nm)/SiO2(300nm)/Ru(10nm)之後，用SiO2覆蓋並用CMP進行了平坦化之後，形成通孔，形成柵電極和位線BL2。
然後，導入可施加磁場的熱處理爐內，向TMR元件的磁記錄層導入一軸各向異性，向TMR元件、開關元件的磁記錄層導入一方向各向異性。
在象這樣地製作的本發明的磁存儲器中，為了確認開關元件的原理，給柵電極40加上電壓，測定了TMR元件的信號輸出。其結果是，當給2個開關元件交互地施加電壓時，可以確認MR比變化37％，驗證了本發明的磁存儲器的效果。
(實施例2)
其次，作為本發明的實施例2，對以圖20所示的簡單矩陣構造的存儲器陣列為基本，製作1個存儲單元，並確認了第2類型的存儲單元的動作原理的例子進行說明。
在未圖示的襯底上，首先，作為下層的位線BL1，用雙金屬鑲嵌法製作由Cu構成的厚度1微米的布線層。然後，在用CVD法製作了絕緣層之後進行CMP(化學機械研磨)，進行平坦化。之後，用濺射法形成具有強磁性1重隧道結構造的TMR的疊層構造膜。其各層的材質和層厚，從下側開始，依次為Ta(2nm)/Ru(3nm)/Pt-Mn(12nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/AlOx(1nm)/CoFeNi(1.8nm)/Ru(1.5nm)/CoFeNi(1.8nm)/Ta(9nm)/Ru(30nm)。其次，採用把最上層的層用做硬掩模，用使用氯系的腐蝕氣體的RIE(反應性離子刻蝕)一直到下側的Ru/Ta/Cu布線層BL1為止對疊層構造膜進行刻蝕的辦法，製作TMR元件的孤立圖形。
然後，用低溫TEOS工藝形成SiO2後，對SiO2進行RIE，一直到Ta為止剝離了圖18所示的構造的左側半面之後，用濺射裝置、低溫MBE(分子束外延)，從下側開始形成依次由CoFe(5nm)/磁性半導體(GaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/IrMn(8nm)/Ta(3nm)/SiO2(300nm)/Ru(10nm)構成的疊層構造。
其次，用同樣的方法，把Ru用做硬掩模製作圖18所示的構造的左側的開關元件。接著，用同樣的方法形成作為右側開關元件的CoFe(5nm)/磁性半導體(GaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/IrMn(8nm)/Ta(3nm)/SiO2(300nm)/Ru(10nm)之後，用SiO2覆蓋並用CMP進行平坦化之後，形成通孔，形成柵電極40和位線BL2。
然後，導入可施加磁場的熱處理爐內，向TMR元件的磁記錄層導入一軸各向異性，向TMR元件、開關元件的磁記錄層導入一方向各向異性。
在象這樣地製作的本發明的磁存儲器中，為了確認開關元件的原理，給柵電極40加上電壓，測定了TMR元件的信號輸出。其結果是，當向2個開關元件交互地施加電壓時，可以確認MR比變化42％，驗證了本發明的磁存儲器的效果。
以上，邊參看具體例邊對本發明的實施形態進行了說明。但是，本發明並不限定於這些具體例。例如對於構成開關元件或磁阻效應元件的磁性半導體層、強磁性體層、絕緣膜、反強磁性體層、非磁性金屬層、電極等的具體的材料或膜厚、形狀、尺寸等來說，通過專業人員進行適宜選擇，可以同樣地實施本發明，可以得到同樣的效果，這些也都包括的本發明的範圍內。
此外，本發明不僅對於長邊磁記錄方式的磁頭，對於垂直磁記錄方式的磁頭或磁再生裝置，也都可以應用且可以得到同樣的效果。
除此之外，作為本發明的實施形態，以上邊所說的磁存儲器為基礎，專業人員適當進行設計變更而得以實施的所有的磁存儲器，同樣也屬於本發明的範圍。
權利要求
1.一種磁開關元件，具備磁化方向實質上已固定的強磁性層；被設置在來自上述強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的磁性半導體層，其特徵在於在把電壓加到上述磁性半導體層上時，在上述磁性半導體層上形成與上述強磁性層的上述磁化方向對應的磁化。
2.根據權利要求1所述的磁開關元件，其特徵在於與上述強磁性層相鄰地設置反強磁性層。
3.根據權利要求1所述的磁開關元件，其特徵在於按照非磁性層、強磁性膜、反強磁性層的順序，與上述強磁性層相鄰地進行疊層，上述強磁性膜與上述強磁性層的磁化方向彼此相反。
4.一種磁開關元件，具備柵電極；通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的磁性半導體層；設置在上述柵電極與上述磁性半導體層之間，或設置在上述磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定的強磁性層，其特徵在於在通過上述柵電極把電壓加到上述磁性半導體層上時，在上述磁性半導體層上形成與上述強磁性層的上述磁化方向對應的磁化。
5.根據權利要求4所述的磁開關元件，其特徵在於還具備在上述柵電極與上述強磁性半導體層之間設置的柵絕緣膜。
6.根據權利要求4所述的磁開關元件，其特徵在於上述強磁性層，設置在上述柵電極和上述磁性半導體層之間，具有電絕緣性。
7.根據權利要求4所述的磁開關元件，其特徵在於與上述強磁性層相鄰地設置反強磁性層。
8.根據權利要求4所述的磁開關元件，其特徵在於按照非磁性層、強磁性膜、反強磁性層的順序，與上述強磁性層相鄰地進行疊層，上述強磁性膜與上述強磁性層的磁化方向彼此相反。
9.一種磁存儲器，具備存儲單元，該存儲單元具備第1磁開關元件，具有磁化方向實質上已固定的第1強磁性層；以及被設置在來自上述第1強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第1磁性半導體層，且在把電壓加到上述第1磁性半導體層上時，在上述第1磁性半導體層上形成與上述第1強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，第2磁開關元件，具有磁化方向與上述第1方向不同的實質上已固定的第2強磁性層；以及被設置在來自上述第2強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第2磁性半導體層，且在把電壓加到上述第2磁性半導體層上時，在上述第2磁性半導體層上形成與上述第2強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，具有由強磁性體構成的記錄層的磁阻效應元件，其特徵在於在上述第1磁開關元件的上述第1磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化，在上述第2磁開關元件的上述第2磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化。
10.根據權利要求9所述的磁存儲器，其特徵在於上述磁阻效應元件，具有由強磁性體構成的固定層，和設置在上述記錄層和上述固定層之間的隧道勢壘層。
11.根據權利要求9所述的磁存儲器，其特徵在於上述第1方向和上述第2方向是彼此大體相反的方向。
12.根據權利要求11所述的磁存儲器，其特徵在於上述記錄層，具有其磁化在沿著規定的軸的方向上變成容易的一軸各向異性，上述磁化變成容易的方向，與在上述第1和第2磁性半導體層上形成的上述磁化方向大體上平行。
13.一種磁存儲器，具備存儲單元，該存儲單元具備第1磁開關元件，具有第1柵電極，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第1磁性半導體層，以及設置在上述第1柵電極與上述第1磁性半導體層之間，或設置在上述第1磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定在第1方向上的第1強磁性層，且在通過上述第1柵電極把電壓加到上述第1磁性半導體層上時，在上述第1磁性半導體層上形成與上述第1強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，第2磁開關元件，具有第2柵電極，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第2磁性半導體層，以及設置在上述第2柵電極與上述第2磁性半導體層之間，或設置在上述第2磁性半導體層的與上述柵電極的相反的一側，磁化方向實質上已固定在第2方向上的第2強磁性層，且在通過上述第2柵電極把電壓加到上述第2磁性半導體層上時，在上述第2磁性半導體層上形成與上述第2強磁性層的上述磁化方向對應的磁化，具有由強磁性體構成的記錄層的磁阻效應元件，其特徵在於在上述第1磁開關元件的上述第1磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化，在上述第2磁開關元件的上述第2磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化。
14.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於還具備設置在上述第1柵電極和上述第1磁性半導體層之間的第1柵絕緣膜；設置在上述第2柵電極和上述第2磁性半導體層之間的第2柵絕緣膜。
15.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於上述第1強磁性層，設置在上述第1柵電極和上述第1磁性半導體層之間，具有電絕緣性，上述第2強磁性層，設置在上述第2柵電極和上述第2磁性半導體層之間，具有電絕緣性。
16.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於與上述第1強磁性層相鄰地設置第1反強磁性層；與上述第2強磁性層相鄰地設置第2反強磁性層。
17.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於按照非磁性層、強磁性膜、反強磁性層的順序，與上述第1和第2強磁性層中的任何一方相鄰地進行疊層，上述第1和第2強磁性層的上述任何一方，與上述強磁性膜的磁化方向彼此方向相反，上述第1和第2強磁性層的磁化方向不同且方向相反。
18.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於上述磁阻效應元件，具有由強磁性體構成的固定層，和設置在上述記錄層與上述固定層之間的隧道勢壘層。
19.根據權利要求13所述的磁存儲器，其特徵在於上述第1方向和上述第2方向是彼此大體相反的方向。
20.根據權利要求19所述的磁存儲器，其特徵在於上述記錄層，具有其磁化在沿著規定的軸的方向上變成容易的一軸各向異性，上述磁化變成容易的方向，與在上述第1和第2磁性半導體層上形成的上述磁化方向大體上平行。
21.一種磁存儲器，具備存儲單元，該存儲單元具備第1磁開關元件，具有磁化方向實質上已固定在第1方向上的第1強磁性層；以及被設置在來自上述第1強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第1磁性半導體層，且在把電壓加到上述第1磁性半導體層上時，上述第1強磁性層的與上述磁化方向對應的磁化，在上述第1磁性半導體層內形成，第2磁開關元件，具有磁化方向上實質上已固定在與上述第1方向不同的第2方向上的第2強磁性層；以及被設置在來自上述第2強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓，從常磁性狀態遷移到強磁性狀態的第2磁性半導體層，且在把電壓加到上述第2磁性半導體層上時，上述第2強磁性層的與上述磁化方向對應的磁化，在上述第2磁性半導體層內形成，具有由強磁性體構成的記錄層的磁阻效應元件，其特徵在於以在上述第1磁開關元件的上述第1磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化，且在上述第2磁開關元件的上述第2磁性半導體層上形成上述磁化時，則在上述記錄層上形成與該磁化對應的磁化的方式，用多個存儲單元矩陣狀地設置以構成磁存儲器，通過選擇這些存儲單元中的任何一個，向該存儲單元的上述第1和第2上述磁性半導體層中的任何一方加上上述電壓，可以向該存儲單元的上述磁阻效應元件的上述記錄層內寫入與2值信息中的任何一者對應的磁化。
全文摘要
提供一種磁開關元件和磁存儲器。該磁開關元件具備磁化(M1)實質上已固定的強磁性層，和設置在來自上述強磁性層的磁場所波及的範圍內，通過施加電壓從常磁狀態遷移到強磁狀態的磁性半導體層(10)，其特徵在於在給上述磁性半導體層加上電壓時，在上述磁性半導體層內形成與上述強磁性層的上述磁化方向對應的磁化(M2)的磁開關元件和採用設置2個磁開關元件的辦法，進行對磁阻效應元件的記錄層的寫入的磁存儲器。
文檔編號G01R33/09GK1430292SQ02160830
公開日2003年7月16日 申請日期2002年12月27日 優先權日2001年12月27日
發明者齊藤好昭 申請人:株式會社東芝