CN100364097C - 存储单元、使用该存储单元的存储器、存储单元制造方法和存储器记录/读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储单元及其制造方法，该存储单元具有完全不同于常规存储器的存储单元的结构，并具有各种优异的特性。通过使用该存储单元还提供一种具有各种优异特性的存储器。此外，提供一种用于在该存储器中记录信息和从该存储器读取信息的方法。该存储单元包括用于保存信息的存储介质、用于在存储介质中记录信息的控制部件、以及用于从存储介质读取信息的检测元件，其中检测元件独立于存储介质而设置。更具体地说，例如，存储介质是磁性器件，控制部件包括用于给磁性器件施加磁场以便改变磁性器件的磁化状态的第一磁场产生部件，并且检测元件设置在磁性器件附近，并具有磁电转换部件，该磁电转换部件的电特性根据磁性器件的磁化状态而变化。

Description

存储单元、使用该存储单元的存储器、存储单元制造方法和存储器记录/读取方法

技术领域

本发明涉及一种存储单元和使用它的存储器，以及制造该存储单元的方法。本发明还涉及存储器记录/读取方法。

背景技术

常规情况下，半导体存储器已经广泛地用于以DRAM、SRAM等为代表的随机存取存储器(RAM)。由于精细加工技术的进步导致的高集成度和由于批量生产技术的进步而导致的成本降低已经被推行，因此半导体存储器已经广泛地用于各种产品和装置中的存储器。尽管这种半导体存储器如DRAM具有优异的批量生产率，但是在有些特性如记录中的可重复性和耐热性方面可能还是存在问题。例如，由于认为常规的DRAM用于不高于100℃的温度下，当环境温度超过这个范围且甚至变得更高时，作为存储器的特性可能退化。

在半导体存储器当中，以闪烁存储器(商标名)为代表的半导体存储器已经广泛地用于各种装置中，这是因为由于精细加工技术的改进而导致的集成和高容量的趋势以及由于批量生产技术的改进而导致的成本降低的趋势。闪烁存储器大致分为NAND型和NOR型。但是，普通的闪烁存储器在记录和读取信息的速度方面存在问题。此外，闪烁存储器具有以下问题，例如，它在信息记录之前需要批量的删除，消耗大量功率，并且它容易受到外部环境如放射性射线和应力的影响。

近年来，已经发展了作为使用磁阻元件(MR元件)的RAM的磁性存储器(MRAM)。MRAM具有优异的重复记录特性，并且它还具有一些优异的特性，例如，与闪烁存储器等相比，它可以以高速读取和记录，因此渴望将其发展成为下一代存储器。这种MRAM例如在JP2002-533916A中公开了。然而，由于MRAM根据构成MR元件的其薄膜的厚度而大大改变其特性，因此在制造工艺中必须将膜厚控制在纳米数量级。MR元件根据包含的非磁性层的类型而分为GMR元件(巨磁阻元件)和TMR元件(隧穿磁阻元件)。例如，在TMR元件中，通常用于非磁性层的Al₂O₃层的厚度在亚纳米到几纳米范围内。在制造工艺中难以将膜厚的变化控制在亚纳米数量级。因此，例如，在衬底如硅(Si)晶片上形成多个MR元件的情况下，难以将元件之间的特性控制在预定范围内，并且这在利用精细加工的批量生产率和集成度方面带来了问题。

另一个目前在使用或正在研制的RAM的例子是铁磁存储器，它利用了铁磁材料的介质极化现象。但是，铁磁性存储器具有一些问题。例如，由于少量氢等的污染使特性在制造中退化，因此它不适合于精细加工，限制了可适用的温度范围，并很容易受到应力等的影响。使用材料的相转变现象的相变存储器也在研制当中。但是，由于这种存储器利用了非晶和晶体之间的相转变，因此存在一些问题，例如，在高温环境下其非易失性特性退化，并且在相变时作为体积改变的结果而可能发生的应力和变形难以被抑制。

发明内容

本发明的目的是提供一种存储单元及其制造方法，该存储单元的结构与常规存储器的存储单元完全不同，并且其各种特性都很优异。本发明还旨在使用该存储单元，以提供各种特性都优异的存储器。本发明还旨在提供一种在该存储器中记录信息和从存储器读取信息的方法。

本发明的存储单元包括用于保存信息的存储介质、用于在存储介质中记录信息的控制部件、以及用于从存储介质读取信息的检测部件，其中检测部件独立于存储介质而设置。

对于本发明的存储单元来说，存储介质可以是磁性器件，控制部件包括第一磁场产生部件，用于向磁性器件施加磁场，以便改变磁性器件的磁化状态，并且检测部件设置在磁性器件的附近并包括磁电转换部件，该磁电转换部件的电学特性根据磁性器件的磁化状态而改变。

本发明的存储单元还可以是，磁电转换部件包括磁电转换元件，其电学特性根据要检测的磁场的状态而改变，并且磁电转换元件设置在磁性器件附近，以便检测由磁性器件产生的磁通量。

接着，本发明的存储单元的制造方法是用于制造一种存储单元的方法，该存储单元包括用于保存信息的存储介质、用于在存储介质中记录信息的控制部件、以及用于从存储介质读取信息的检测元件，其中检测元件独立于存储介质而设置。根据该方法，存储介质是磁性器件，并且控制部件包括用于给磁性器件施加磁场以便改变磁性器件的磁化状态的磁场产生部件，检测元件设置在磁性器件附近并包括磁电转换部件，其电学特性根据磁性器件的磁化状态而改变。磁电转换部件包括磁电转换元件，其电学特性根据要检测的磁场的状态而改变，并且磁电转换元件设置在磁性器件附近，以便检测由磁性器件产生的磁通量。并且该方法包括：

(i)在半导体衬底的表面上形成磁电转换元件的步骤，所述磁电转换元件的电学特性根据要检测的磁场的状态而改变，

(ii)形成磁性器件的步骤，从而磁电转换元件置于磁性器件和半导体衬底之间，和

(iii)在磁性器件附近形成磁场产生部件的步骤，所述磁场产生部件用于改变磁性器件的磁化状态。在步骤(ii)中，在磁电转换元件的附近形成磁性器件，从而磁电转换元件检测由磁性器件产生的磁通量。

接下来，本发明的存储器包括如上所述的本发明的存储单元、用于在存储单元中记录信息的信息-记录导电线、以及用于读取信息的信息-读取导电线。

接着，根据本发明的在存储器中记录信息和从存储器读取信息的方法是在本发明的上述存储器中记录信息和从上述存储器读取信息的方法，其中信息的记录/读取是通过改变施加于选自信息-记录导电线和信息-读取导电线中的至少一个导电线的电流来进行的。

更具体地，例如，它可以包括：改变施加于信息-记录导电线的电流，以便改变在第一磁场产生部件产生的磁场，和通过利用在第一磁场产生部件产生的磁场的变化(由此改变的磁场)，改变构成本发明的存储器的存储单元中的磁性器件的磁化状态，以便在存储器中记录信息的步骤；以及改变施加于信息-读取导电线的电流，以便检测磁电转换部件的电学特性，由此在被检测的电学特性的基础上读取记录在存储器中的信息的步骤。

附图简述

图1是示出本发明的存储单元的例子的示意图；

图2是示出本发明的存储单元的例子的示意图；

图3是示出本发明的存储单元的另一例子的示意图；

图4是示出本发明的存储单元的另外的(separate)例子的示意图；

图5A-5C是示出本发明的存储单元的电学输出的变化的例子的示意图；

图6是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图7是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图8A和8B是示出本发明的存储单元中的磁性器件和磁场产生部件之间的关系的一个例子的示意图；

图9是示出在本发明存储单元中包含的磁性器件中温度和饱和磁化值之间的关系的例子的曲线图；

图10是示出在本发明存储单元中包含的磁性器件中温度和饱和磁化值之间的关系的另一例子的曲线图；

图11是示出在本发明存储单元中包含的磁性器件中温度和饱和磁化值之间的关系的另外的例子的曲线图；

图12是示出在本发明存储单元中包含的磁性器件中温度和饱和磁化值之间的关系的另外的例子的曲线图；

图13是示出在本发明存储单元中包含的磁性器件中温度和矫顽力值之间的关系的例子的曲线图；

图14是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图15A和15B是示出偏移磁场的曲线；

图16是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图17是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图18A和18B是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图19是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图20是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图21是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图22是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图23是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图24是示出本发明的存储单元中的电学输出的变化的例子的示意图；

图25A和25B是示出本发明的存储单元中的电学输出的变化的例子的示意图；

图26是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图27是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图28是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图29是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图30是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图31是示出本发明的存储单元的另外的例子的示意图；

图32是示出控制本发明存储单元的方法的例子的示意图；

图33是示出本发明的存储器的例子的示意图；

图34A和34B是示出本发明的存储器中的基本操作的例子的示意图；

图35是示出本发明的存储器中的基本操作的另一例子的示意图；

图36是示出本发明的存储器的另一例子的示意图；

图37A-37H是示出本发明存储单元的制造方法的例子的示意工艺流程图；

图38是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图39是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图40是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图41是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图42是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图43是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图44是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图；

图45是示出本发明的存储器的应用的例子的示意图。

发明内容

下面参照附图介绍本发明的实施例。在下面的说明中，相同的部件用相同的参考标记表示，并且省略其重复说明。

首先介绍本发明的存储单元。

图1示出本发明的存储单元的例子。图1所示的存储单元1包括用于保存信息的存储介质102、用于在存储介质102中记录信息的控制部件103、以及用于从存储介质102读取信息的检测元件104。检测元件104独立于存储介质而设置。

在作为常规和代表性存储器的半导体存储器(例如，DRAM、SRAM等)中，在进行信息记录和读取的电路中形成用于记录信息的区域。换言之，在进行信息记录和读取的电路中安装用于记录信息的区域。就是说，存储介质和检测元件集成在一个电路中。例如在DRAM中，通过在形成在集成电路中的电容器中储存电荷来记录信息，并且通过从该电容器提取电荷来读出信息。在SRAM中，通过集成电路中的双稳态电路进行信息的记录/读取。在利用磁阻效应的MRAM中，提供磁阻效应的多层结构用作记录介质和读取部件。

另一方面，在本发明的存储单元1中，通过独立于存储介质102而设置的检测元件104来读出已经被储存在存储介质102中的信息。这里，“独立于”暗示着“存储介质102和检测部件104互相不直接电连接(即，电独立的)”。因此，例如，可以在不电操作该存储介质的情况下读出记录在存储介质中的信息。因此，存储单元1在记录和读取方面可以具有稳定的特性。

此外，可以通过选择存储介质102的材料或存储介质102的结构或者通过选择检测元件104的结构来选择各种效果。这些效果的具体例子将在说明书中适当地进行说明。

存储介质102不特别限制，只要其物理或化学特性根据记录在存储介质102本身中的信息而改变即可。例如，它可以是非易失性固态存储器。更具体地，例如，可以是包括电容器或相转变材料的存储介质102，或者是下述磁性器件的存储介质102(包括磁性材料的存储介质102)。例如，在存储介质102是磁性器件的情况下，磁性器件将必须根据记录信息改变其磁化状态(例如，磁化方向)。在这种情况下，磁能形式的信息从存储介质102传输到检测元件104。用于将信息从存储介质102传输到检测元件104的装置不特别限制。除了上述磁能以外，例如，信息也可以以热能或动能的形式(例如，内部应力)被传输。

检测元件104不特别限制，只要其电学特性根据例如存储介质102的物理或化学特性改变即可。这里，电学特性的改变例如表示电学输出的变化。电学特性具体指的是电阻、热电动势、导电率等。在具体例子中，如下所述，包括晶体管，并且该晶体管根据记录在存储介质中的信息而改变其电学特性。

控制部件103不特别限制其结构等，只要它能根据要记录的信息改变存储介质102的物理或化学特性即可。例如，在存储介质102是磁性器件的情况下，控制部件103将必须具有用于给存储介质102施加磁场的结构。或者，控制部件103可以例如具有用于给存储介质102施加热量或压力的结构。

本发明的存储单元的具体例子将在下面进行说明。

图2示出本发明的存储单元的例子。图2所示的存储单元1包括磁性器件2、用于向磁性器件2施加磁场以便改变磁性器件2的磁化状态的磁场产生部件3，以及设置在磁性器件2附近并具有根据磁性器件2的磁化状态而改变的电学特性的磁电转换部件4。换言之，在图2所示的存储单元中，存储介质102是磁性器件2。控制部件103包括给磁性器件2施加磁场以便改变磁性器件2的磁化状态的磁场产生部件3。检测部件104设置在磁性器件2附近，并且包括磁电转换部件4，该磁电转换部件4的电学特性根据磁性器件2的磁化状态而改变。

在存储单元1中，可以通过在磁场产生部件3产生的磁场5改变磁性器件2的磁化状态(例如，磁化方向6或磁化强度)。例如，在磁场产生部件3中输入电信号，并将对应于输入的电信号的磁场5施加于磁性器件2，从而磁性器件2将具有对应于该电信号的磁化状态。结果是，可以以磁性器件2的磁化状态的形式记录和保存信息。此外，利用磁电转换部件4，可以输出根据磁性器件2的磁化状态而变化的电信号。就是说，根据图1所示的结构，存储单元1可以包括作为存储介质的磁性器件2、作为用于在存储介质中记录信息的写部件的磁场产生部件3，以及作为用于再现被记录存储介质中的信息的读取部件的磁电转换部件4。在图2中，为了方便起见省略了阴影部分。在其余的一些附图中，同样省略了阴影部分。

如上所述，在图2所示的存储单元1中，以作为存储介质(储存介质)的磁性器件2的磁化状态的形式储存信息，与作为常规代表的RAM的半导体存储器不同。因此，即使在重复进行记录和读取的情况下，该存储单元也可以具有稳定的特性。磁性器件2的磁化状态改变的速度可以设置为几十纳秒到大约10psec的量级，这取决于磁性器件2的材料、结构和形状，以及磁场产生部件3的结构和构造。结果是，存储单元可以具有优异的记录速度(写速度)。在记录信息时，不必进行磁性器件2的磁化状态的批量擦除、批量初始化等。

可以提供这种记录速度的本发明的存储单元相对于例如闪烁存储器具有明显的优势。在闪烁存储器中，通过在浮栅中积累一部分分散的沟道热电子来记录信息。为此，需要大量沟道热电子来记录信息，因此需要相对长的记录时间和/或高电流值(高功率)。例如，在典型的NAND型闪烁存储器的情况下，为了记录512B(字节)的信息需要大约200μsec的记录时间。在记录信息之前进行批量擦除需要甚至更长的时间(例如，为了擦除16kB而需要大约几毫秒的时间)。同样，在读取信息时，例如，在随机存取时需要大约25μsec的读取时间。另一方面，对于本发明的存储单元，可以实现上述的记录速度。在本发明的存储单元中不需要快速记录的情况下，通过控制磁性器件2的材料、构造和形状以及磁场产生部件3的结构和构造，可以以比上述记录速度的范围更慢的速度进行记录。对应存储单元所需的特性可以进行任意修改。

通过选择用于磁性器件2的磁性材料，存储单元可以具有选择特性。就是说，存储单元可以具有优异的耐环境特性，如耐热性、记录信息的非易失性、输出特性以及生产率。例如，通过将磁性器件2的矫顽力设置为大到一定程度，如此获得的存储单元将具有优异的信息非易失性。原因是可以通过附加地施加比磁性器件2的矫顽力更强的新磁场来抑制磁性器件2的磁化状态的变化。

图2所示的存储单元1的结构也不同于MRAM的存储单元的结构。与存储单元1的情况相同，信息以磁性器件的磁化状态的形式储存在MRAM中。但是，尽管MRAM需要包括非磁性层和夹着非磁性层的一对磁性层的多层结构(在MRAM中，以这一对磁性层中的磁化方向的相对角度的形式来储存信息)，本发明的存储单元1不总是需要这种多层结构。在最简单的例子中，磁性器件2可以是由单种磁性材料构成的单层结构的磁性器件。与MRAM不同，为了形成多层结构，不总是需要将膜厚控制在亚纳米数量级到纳米数量级。因此，精细加工可以适用于在衬底如硅(Si)晶片上形成多个元件的情况，并且获得的存储单元1可以具有稳定的元件间特性和优异的生产率。在说明书中，磁性层表示包括磁性材料的层，并且磁性器件包括至少一个磁性层。

在MRAM中，多层结构用作储存介质并且还用作读取部件。就是说，记录介质和读取部件彼此直接电连接。相反，在本发明的存储单元1中，储存介质(磁性器件2)和读取部件(磁电转换部件4)彼此电绝缘。因此，存储单元1可以具有稳定的写特性和稳定的读取特性。MRAM中的磁化方向一般平行于磁性器件的膜表面。但是，如下所述，本发明的存储单元1不需要磁性器件的磁化方向平行于磁性器件的主表面，而是优选地，磁化处于相对于磁性器件的主表面具有一定角度的方向上。

在如图2所示的存储单元1的例子中，磁场产生部件3和磁性器件2彼此接触，并且磁性器件2和磁电转换部件4彼此接触。但是，各个部件不必彼此接触。例如，磁性器件2、磁场产生部件3和磁电转换部件4可以分别经由绝缘体、如孔和气体的间隔等而设置。

如图2所示的存储单元1的各个部件将在下面进行说明。

磁电转换部件4将不特别限制其结构、构造、尺寸等，只要电学特性根据磁性器件2的磁化状态改变即可。例如，磁电转换部件4可以包括磁电转换元件，其电学特性根据要检测的磁场的状态而变化，并且磁电转换元件可以设置在磁性器件2附近，以便检测由磁性器件2产生的磁通量。电学特性的类型不特别限制。例如，磁电转换元件可以根据要检测的磁场的状态改变其电阻。或者，磁电转换元件可以根据要检测的磁场的状态而改变其霍尔(Hall)电压。

在磁电转换元件是可以形成在半导体衬底表面上的元件的情况下，即，在它是例如半导体元件的情况下，本发明的存储单元1可以通过使用用于加工半导体的普通工艺进行制造。因此，可以提供批量生产率优异的且可以以低成本制造的存储单元。在磁电转换部件4包括上述磁电转换元件的情况下，磁电转换部件4可包括一个或多个磁电转换元件。或者，可以包括用于检测磁电转换元件的电学特性的变化的电路。

磁电转换部件4和磁性器件2之间的距离不特别限制，只要可以由磁电转换部件4检测根据磁性器件2的磁化状态而由磁性器件2产生的磁通量即可。可以根据磁性器件2的磁性能、磁电转换部件4的特性等任意地设置。例如，可以处于1nm-100μm的范围内，更优选地，处于4nm-500nm的范围内。优选地，磁电转换部件4和磁性器件2之间的距离是较小的，只要不存在如磁性器件2中的污染等问题即可。目前，认为Si-基半导体(例如，Si、SiGe、SiGeC和SiC)的精细加工的下限是大约4nm。

当磁电转换部件4包括上述磁电转换元件时，同样地，磁电转换元件和磁性器件2之间的距离可以处于1nm到100μm的范围内，更优选地，在4nm-500nm范围内。

图3示出本发明的存储单元的另一例子。图3所示的存储单元1包括磁性器件2、给磁性器件2施加磁场5以便改变磁性器件2的磁化状态(例如，磁化方向6和磁化强度)的磁场产生部件3，以及磁电转换部件4，所述磁电转换部件4设置在磁性器件2附近，并具有根据磁性器件2的磁化状态而改变的电学特性。这里，磁电转换部件4包括作为磁电转换元件的晶体管8，其电阻根据要检测的磁场的状态(即，在存储介质102中记录的信息)而改变。晶体管8设置在磁性器件2附近，以便检测由磁性器件2产生的磁通量7。由于作为半导体元件的晶体管8可以形成在由Si等构成的半导体衬底9的表面上，因此这种存储单元1可以通过使用半导体的普通工艺进行制造。因此，如此获得的存储单元1具有优异的批量生产率，并且可以以低成本进行制造。而且，通过选择磁性器件2的磁性材料，存储单元1在高/低温度条件下可具有优异的稳定性。

作为磁电转换元件的晶体管8和磁性器件2之间的距离不特别限制，只要晶体管8可以检测根据磁性器件2的磁化状态由磁性器件2产生的磁通量7即可。它可以根据磁性器件2的磁特性、晶体管8的类型等进行任意设置。例如，该距离可以在1nm到10μm范围内，更优选地为4nm到500nm范围内。更具体地说，在晶体管8是MOS晶体管的情况下，例如，该范围是从1nm到100μm，优选地，从4nm到500nm。

晶体管8的类型不特别限制，例如，可以采用场效应晶体管、双极晶体管、二极管等。其中，在场效应晶体管使用MOS晶体管时，将实现精细加工，因此可以提供更集成的存储单元。MOS晶体管表示具有由至少三层构成的结构的栅极的晶体管，所述至少三层是“由导体或半导体如具有小电阻率的多晶硅构成的一层”、“绝缘层”和“半导体层(具有导电性的p型或n型半导体层、本征半导体层等)。”

晶体管8的具体结构不特别限制，并且可以采用一般使用结构的晶体管。例如，在MOS晶体管的情况下，它可以是n沟道MOS晶体管或p沟道MOS晶体管。在结型电场效应晶体管的情况下，它可以是n沟道晶体管或p沟道晶体管。

半导体衬底9不特别限制，只要晶体管8可以形成在其表面上即可。例如，可以采用由晶体硅制成的半导体衬底。它可以是用杂质如IIb族元素、IIIb族元素、Vb族元素、VIb族元素(根据新IUPAC，分别是族12、族13、族15和族16)掺杂的半导体衬底。或者，对于半导体衬底来说，可以采用由例如含有IIIb族元素(族13)如GaN、GaP、GaAs等和Vb族(族15)元素的化合物半导体构成的衬底。或者，可以使用由含有例如IIb族(12族)元素如ZnS、ZnSe和VIb族(16族)元素的化合物半导体构成的衬底。或者，也可以是包括绝缘层的SOI(绝缘体上硅)衬底。

在使用由晶体硅构成的半导体衬底的情况下，通过使用用于制备半导体的普通工艺批量地处理大直径硅晶片，因此可以一次在晶片上形成大量的存储单元1。由此，存储单元1可以具有进一步优异的批量生产率。此外，在使用SOI衬底的情况下，由于它适合于抑制由单元的精细加工的趋势产生的短沟道效应(下述)，磁电转换部件4可以制成很小，因此可以获得较小的存储单元1。半导体衬底9的厚度不特别限制。

在图3所示的例子中，绝缘体10分别设置在磁性器件2和晶体硅8之间、磁性器件2和磁场产生部件3之间以及磁场产生部件3上。通过设置绝缘体10，可以获得各个部件之间的电绝缘。绝缘体10可以由例如SiO₂、SiN、SiF、ZnS、ZnS-SiO₂、氧化铝(Al₂O₃)、O-N-O(SiO₂-SiN_x-SiO₂)；硫族化物；氧化物，如TaO₂；氮化物，如AlN；有机物；树脂；和包含这些化合物的材料构成。

绝缘体10优选具有小介电常数。具体地说，具体的介电常数例如应该在1F/m到3F/m范围内。由此，在精细加工或高度集成该单元的情况下，可以抑制记录速度和读取速度的退化、和/或布线损失的增加。如上所述，绝缘体10不是必需的部件，但是它们可以按照要求进行设置。或者，绝缘体10可以是孔等。

磁电转换元件不限于晶体管8。也可以是其它元件或者可以作为晶体管和晶体管以外的元件的组合而设置。

图4示出本发明的存储单元的另外的例子。图4所示的存储单元包括作为磁电转换元件的晶体管。图4更具体地示出了图3中的存储单元1的晶体管8。图4所示存储单元1中的晶体管8是n沟道MOS晶体管，并且它包括源电极11、栅电极12、漏电极13和栅极绝缘膜22。

在本发明的存储单元1中，晶体管8可以是MOS晶体管，其中栅电极12和漏电极13是等电位的。由于在这种存储单元中，布线可以在栅电极和漏电极之间共享，因此存储单元可以更小和进一步集成。用于使栅电极12和漏电极13等电位的结构不特别限制，例如，只要栅电极12和漏电极13在图4中是公用的即可。这同样适用于使用p沟道MOS晶体管用于晶体管8的情况。

晶体管8中的栅电极12不特别限制，只要它是电导体即可。例如，它可以是由金属、多晶硅、导电有机物、树脂等制成的电极。

栅极绝缘膜22不限于由SiO₂制成的膜，而可以是例如由Al₂O₃、添加氮的硅酸铪(HfSiON)、氮化硅(SiN_x)、SiF、O-N-O(SiO₂-SiN_x-SiO₂)、绝缘有机物、树脂等制成的膜。优选地，栅极绝缘膜22具有较大的介电常数。具体地说，具体的介电常数例如应该大约为3.5F/m。在精细地加工MOS晶体管的情况下，栅极绝缘膜22的膜厚必须减小。为此，具有较大介电常数的栅极绝缘膜可以是较厚的。由此，可以抑制由隧穿效应引起的栅极绝缘膜的电击穿和泄漏电流。

而且，当精细地加工晶体管8时，可能会发生所谓的短沟道效应，这是阈值电压变化的现象。通过抑制短沟道效应，可以进一步精细地加工晶体管8，即，可以将存储单元1制成得更小。为了抑制短沟道效应，例如，可以相对于晶体管8中的一个沟道设置多个栅极，用栅极覆盖整个沟道，或者可以覆盖沟道的多个表面(不是一个表面)。MOS晶体硅的具体例子包括双栅晶体管(例如，FinFEP)、三栅晶体管等。

下面的说明是关于晶体管用于磁电转换元件时的原理，晶体管的电阻随着由磁性器件2产生的磁通量7而改变。图5A-5C是示出从磁性器件2一侧观看时的图4所示的晶体管8的示意图。对于常闭晶体管的情况，当至少预定值的电压施加于晶体管8的栅电极12时，在栅电极12附近的p-层(一般情况下，称为体或阱)中形成沟道14。作为形成沟道14的结果，电流15将从漏电极13一侧流到源电极11一侧。这里，在由磁性器件2产生的磁通量不施加于晶体管8的情况下，如图5A所示，电流15经过沟道14基本上以直线流到源电极11。另一方面，当磁通量施加于晶体管8时，如图5B所示，磁通量和电流彼此相互作用(洛伦兹力施加于电流)，由此改变电流流动方向。改变的程度根据施加于晶体管8的磁通量的状态而变化。例如，当磁通量的程度变得大于图5B所示的情况时，电流流动方向的变化将同样增加，如图5C所示。此时，如图5A-5C所示，当电流流动方向进一步改变时，电流的长度将增加。就是说，认为电流的长度对应于施加于晶体管8的磁通量的状态而不同，由此改变晶体管8的电阻。在图5A-5C所示的例子中，示意性地示出了电流流动的方向在沟道14中改变的现象。在本发明的存储单元1中，其中电流流动方向改变的晶体管8的位置不限于沟道14。施加来自磁性器件2的磁通量的任何位置都可能引起电流流动方向的变化。对于常开晶体管的情况，通过将施加于晶体管8的栅电极12的电压设置为不高于预定值，可以获得同样的效果。

晶体管8的电阻的变化程度可以通过例如调节磁性器件2的磁化状态(磁化方向6、磁化强度等)、磁性器件2和晶体管8之间的距离、磁性器件2和晶体管8的尺寸以及磁性器件2和晶体管8之间的位置关系来控制。如从关于图5A-5C的说明清楚看出的，磁性器件2和晶体管8之间的位置关系将不特别限制，只要磁性器件2和晶体管8设置在彼此具有相互作用的位置上即可。这里，相互作用指的是可以改变晶体管8的电学特性(例如，电输出，更具体地说，电阻等)的作用。具体地说，在晶体管8是图4所示的MOS晶体管的情况下，没有特别限制，例如只要磁性器件2设置在栅电极12附近即可。此时，优选设置磁性器件2，使得由磁性器件2产生的磁通量施加于栅电极12的整个表面(整个沟道14)上。

在本发明的存储单元1中，磁电转换元件可以是具有多个沟道的晶体管，或者磁电转换元件可以包括多个晶体管。具体例子将在下面说明。

接着，将解释磁场产生部件。

在图2所示的存储单元1中，磁场产生部件3在结构、构造等方面不特别限制，只要可以通过给磁性器件2施加磁场5来改变磁性器件2的磁化状态(例如，磁化方向5和磁化强度)即可。它可以根据磁性器件2的磁性能、磁性器件2的尺寸、到磁性器件2的距离等而任意设置。

图6中示出了本发明的存储单元的另外的例子。在图6所示的存储单元1中，磁场产生部件3包括用于感应磁场的布线16。布线16设置成使得磁性器件2置于布线16和作为磁电转换部件4的n沟道MOS晶体管8之间。在这种存储单元中，可以通过将电流馈送到布线16中来产生磁场，由此改变磁性器件2的磁化状态。例如，通过使馈送到布线16中的电流的方向相反，可很容易地使磁性器件2的磁化方向相反。馈送到布线16中的电流可以在几十纳秒到10psec的数量级内改变，这取决于电路的结构(即，磁性器件2的磁化状态可以以基本相等的速度改变)。因此，存储单元1可以具有优异的写速度。

用于布线16的材料不特别限制，只要它们是导电的即可。例如，可以使用具有小电阻率的金属材料、合金、和金属氧化物。更具体地说，例如，可以使用包括Al或Cu、或W、Ti、Mn、TiW、Ag、Au、AlTi、Pt、硅化物(硅和金属的化合物的一般术语，如SiPt)的材料和包括选自这些材料中的至少一种材料的合金材料。对布线16的厚度和形状没有特别限制，并且它们可以根据存储单元1所需的特性而任意地设置。布线16的厚度在横截面上例如在10nm²-1mm²范围内。当它小于10nm²时，在施加电流用于改变磁性器件2的磁化状态的情况下，产生热量，并且可能由于电迁移或与其它布线的电短路而产生破裂。关于存储单元的小型化，20nm²到1μm²的范围是特别优选的。

布线16的形状不特别限制，只要横截面是例如矩形、圆形、椭圆形或梯形即可。更具体地说，在横截面是基本上矩形的情况下，例如，长边在10nm-100μm的范围内，短边在1nm-50μm范围内，并且优选不短于4nm。当长边短于10nm时，布线电阻可能增加。用于使短边小于4nm的精细加工可能使成本大大增加。例如，用于精细加工Si半导体的阈值目前大约为4nm。在这种情况下，布线16的长边和短边中的任一个可以面对磁性器件2。

布线16和磁性器件2之间的距离不特别限制，只要可以改变磁性器件2的磁化状态即可。这可以根据存储单元1所需的特性而任意地确定，例如，在不大于100μm的范围内，优选地，在不大于0.1μm的范围内。布线16和磁性器件2可以彼此接触，并且在这种情况下，在布线16产生的磁场可以更有效地施加于磁性器件2。因此，可以提供具有更高的写速度的存储单元1。如上所述，在由于布线16和磁性器件2之间的直接接触而产生如电短路等问题的情况下，可以在布线16和磁性器件2之间设置如绝缘体的另一种材料。或者，可以在布线16和磁性器件2之间设置有机材料、气泡、间隔等，以便保持绝缘。此时，通过将气泡变为真空或者通过用空气或惰性气体填充气泡，可以进一步提高其间的绝缘性。

布线16相对于磁性器件2的位置不特别限制，只要布线16可以将磁场5施加于磁性器件2，并且不妨碍由磁性器件2产生的磁通量7到达磁电转换部件4即可。它可以设置在一定位置上，使得磁性器件2置于布线16和磁电转换部件4之间，或者，可以设置在磁性器件2一侧。

图7中示出了本发明的存储单元的另一例子。在图7所示的存储单元1中，布线16作为缠绕在磁性器件2周围的线圈而进行设置。在这种存储单元中，磁场可以更有效地施加于磁性器件2。因此，存储单元将具有更优异的记录特性(写特性)。

缠绕成线圈的布线16的形状不特别限制，只要它可以将磁场施加于磁性器件2即可。例如，如图8A和8B所示，它可以缠绕在磁性器件2周围。图8A和8B示出了从上面(图7中的箭头‘A’的方向)看到的图7所示的存储单元1，因此图8A和8B中省略了除磁性器件2和布线16以外的其它部件。

图7所示的布线16可以是通过加工薄膜而形成的布线。例如，形成由用于构成布线16的材料制成的薄膜，并通过刻蚀等成形为线圈，由此获得了通过加工薄膜形成的线圈型(coiled)布线16。由于这种线圈型布线16可以很容易地集成和更自由地成形，因此它可以更有效地向磁性器件2施加磁场。因此，可以提供写特性更优异的存储单元。在这种情况下，该薄膜具有例如从1nm-100μm范围内的厚度。当该线圈基本上是矩形时，形成的薄膜的厚度可以确定为线圈的横截面的一边的长度。在下列每幅图中，缠绕成线圈的布线16被表示为布线17。

下面介绍磁性器件。

在图2所示的存储单元1中，磁性器件2不特别限制，只要它包括至少一个磁性层即可。这里，磁性层表示含有磁性材料的层。包含在磁性器件2中的磁性层的厚度、磁性层的数量等可以根据磁性器件2所需的特性而任意地设置。例如，它可以是由单个磁性材料构成的单层结构的磁性器件(在这种情况下，磁性层对应于磁性器件)，或者组分彼此不同的多个磁性层可以层叠在一起以形成磁性器件。通过使磁性器件包括成分彼此不同的多个磁性层，获得的存储单元1可以具有更精细控制的特性。此外，按照需要，磁性器件2可以包括除了磁性层以外的层和磁性材料以外的材料(例如，非磁性层、非磁性材料、顺磁性层、顺磁性材料、绝缘体等)。

磁性器件2的形状不特别限制。一个存储单元1中所包含的磁性器件2的数量也不限。如下所述，它们可以根据存储单元1的多层的程度、晶体管8的形状等来任意地设置。

关于磁性器件2在垂直于面向磁电转换部件4的表面的方向上的厚度没有特别限制。例如，可以在1nm-100μm的范围内，从精细加工方面看，优选在10nm-20μm范围内。关于面向磁电转换部件4的磁性器件2的表面的面积没有特别限制。例如，可以是10μm²或以下，优选在20nm²到2μm²范围内。认为用于精细加工Si基半导体材料的阈值是大约(几纳米)×(几纳米)。在这种精细加工的情况下，优选磁性器件的厚度在上述范围内，使得由磁性器件产生的磁通量将是稳定的，并且有效地作用于磁电转换部件上。随着上述表面面积变小，存储单元1可以更小。当存储单元1更小时，可以形成更致密和更集成的存储器。

用于磁性器件2的磁性材料不特别限制。例如，可以使用具有亚铁磁性的磁性材料(亚铁磁性材料)或者具有铁磁性的磁性材料(铁磁材料)。在使用这些磁性材料时，通过磁场产生部件3更容易改变磁性器件2的磁化状态，因此存储单元1可以具有更优异的写特性。特别是，在使用亚铁磁材料的情况下，可以在垂直于面向磁电转换部件4的磁性器件2的表面的方向上提供磁性各向异性，因此由磁性器件2产生的并作用于磁电转换部件4的磁通量7可以进一步增加。如此获得的存储单元1可具有更优异的特性。而且，通过使用具有合适的矫顽力的磁性材料(例如，矫顽力处于大约80A/m到大约3000A/m范围内的材料)用于磁性器件2，甚至在磁场产生部件3的作用耗尽之后也可以以非易失性的方式保持磁化状态。由此，可以获得具有更优异非易失性的存储单元1。

关于亚铁磁材料没有特别限制，但是例如，可以使用稀土过渡金属基磁性材料、铁氧体(ferrite)等。关于铁磁材料没有特别限制，但是，例如可以使用由含有过渡金属的氧化物制成的磁性材料。

更具体的例子包括：稀土过渡金属基磁性材料(例如，非晶物质)，如GdFeCo、GdFeCoAl、GdFeCoCr、TbDyFeCoAl、TbDyFeCr、TbFeCoAl、TbHoFeCoAl、TbFeCo、TbHoFeCo、TbFeCoCr、TbHoFeCoCr、GdFe、TbFe、TbHoFe、TbCo、GdCo、GdTbFe、GdTbFeCo、GdTbHoFeCo、DyFeCo、GdFeCoSi、和TbFeCoSi；Mn基磁性材料(例如，多晶)，如MnBi、MnCuBi、MnBiAl、和PtMnSn；铂族过渡金属基磁性材料(例如，合金)，如石榴石、PtCo、和PdCo；金和铂族过渡金属基磁性材料(例如，周期性结构合金)，如Pt/Co和Pd/Co；和铁氧体，如Fe铁氧体、αFe、Co铁氧体、NiZn铁氧体和Co铁氧体氧化物。这些材料可以单独用于形成磁性器件2，或者可以将由各个磁性材料制成的多个磁性层层叠以形成磁性器件2。上述磁性材料的成分比不特别限制。对于如改进磁性器件2的耐腐蚀性等的某些目的，可以将如Cr、Al、Ti、Pt和Nb等元素添加到磁性器件2中，而与上述磁性材料无关。

在本发明的存储单元1中，磁性器件2可以包括含有矫顽力彼此不同的多个成分的多成分系统(例如，稀土亚铁磁性材料)的磁性材料。更具体地说，例如，它可以包括SmCo、NdFeB、SmFeN等。在使用这种磁性器件2的情况下，可以给磁电转换部件4进一步施加偏移磁场。结果是，可以进一步增加磁电转换部件4的电学特性根据磁性器件2的磁化状态而产生的变化，由此提供具有更优异的读取特性的存储单元1。偏移磁场和效果将在后面进行说明。

在本发明的存储单元1中，磁性器件2的饱和磁化值最大时的温度可以在80℃到300℃范围内。当使用这种磁性器件2时，如此获得的存储单元1将具有优异的耐热性，并且即使在80℃或更高的高温下其特性退化也很小磁性器件2含有磁性材料，如TbFeCo、DyFeCo、TbGdFeCo等。

一般情况下，磁性材料的饱和磁化值(M_s)根据温度变化，并且特别对于亚铁磁材料的情况，在固有温度范围内最大。图9示出磁性材料的饱和磁化值(M_s)相对于温度T(℃)的变化的例子。根据图9所示的例子，饱和磁化值在大约180℃时最大。这被认为是，对于具有在垂直于面向磁电转换部件4的表面的方向上的磁化的磁性器件2来说，随着在磁性器件2中包含的磁性材料的饱和磁化值增加，由磁性器件2产生的并作用于磁电转换部件4上的磁通量7变大。因此，在含有图9所示的磁性材料的磁性器件2中，认为磁通量7在大约180℃时最大。就是说，通过提供包括如图9所示的磁性材料的磁性器件，可以提供甚至在大约180℃的高温下特性的退化也很小的存储单元1。通过这种方式，通过选择将要包含在磁性器件2中的磁性材料，可以控制磁性器件相对于温度的饱和磁化值，因此可以提供具有各种温度特性的存储单元1。例如，磁性器件的饱和磁化值最大时的温度可以为0℃或更低。当使用这种磁性器件时，即使在0℃或更低的低温下，如此获得的存储单元1可以具有较少退化的特性，并且具有优异的耐环境特性。

图10-12示出关于磁性材料的饱和磁化值(M_s)相对于温度的变化的另外的例子。

在图10所示的例子中，饱和磁化在大约0℃时最大。在图11所示的例子中，饱和磁化在大约-50℃时最大。图12也示出其饱和磁化在大约120℃最大的磁性材料的例子(a)，和其饱和磁化基本上恒定直到温度达到大约250℃并且其居里点为500℃或更高的磁性材料的例子(b)。如上所述，在图10所示的磁性材料的例子中，由磁性器件2在大约0℃产生并作用于磁电转换部件4上的磁通量被认为增加最大。因此，通过提供包括如图10所示的磁性材料的磁性器件2，磁电转换部件4将具有在大约0℃最好的检测灵敏度，并且可以减少如此获得的存储单元1的特性的退化。同样，当磁性器件2包括如图11所示的磁性材料时，如此获得的存储单元1可以具有在不高于大约-40℃的低温下优异的特性。当磁性器件2包括如图12所示的磁性材料时，如此获得的存储单元可以具有在大约100℃或更高的温度下优异的特性。

呈现如图10和11所示的饱和磁化变化的磁性材料的例子是TbFeCo、TbDyFeCo等富含过渡金属的组合物。呈现如图12所示的饱和磁化变化的磁性材料的例子是TbFeCo、GdTbFeCo等富含稀土元素的组合物。或者，在本发明的存储单元1中，磁性器件2可以通过组合使饱和磁化最大的温度彼此不同的多种磁性材料而形成。对于组合不同磁性材料的比例可以根据磁性器件2所需的特性而任意设置。

对于本发明的存储单元1，磁性器件2的居里点可以是100℃或更高，优选地，它可以是300℃或更高。当使用这种磁性器件2时，如此获得存储单元即使在用在80℃或更高的高温环境时也可以具有优异的特性。具体地说，例如，磁性器件2可包括如TbFeCo和GdTbFeCo等的磁性材料。

本发明的存储单元1通过选择包含在磁性器件2中的磁性材料的类型和施加不低于磁性器件2的居里点的高温，能够擦除记录的信息。在这种情况下，当该元件再次冷却到居里点或更低的温度时，存储单元可再次适用。例如，在磁性器件2的居里点是100℃的情况下，通过施加大约100℃或更高的温度可以擦除记录在元件中的信息。对于如此获得的存储单元1，可以很容易地进行信息的批量擦除。

在本发明的存储单元1中，可以使用其矫顽力随着温度在预定温度范围内增加而减小的磁性器件2。图13示出磁性器件的矫顽力值相对于温度T(℃)的变化的例子。图13所示的磁性器件呈现出矫顽力随着温度从室温左右升高而减小的趋势。此时，磁性器件2的饱和磁化M_s呈现出图9所示的温度特性。在这种存储单元1中，由于通过升高磁性器件2的温度而减小了磁性器件2的矫顽力，用较小的磁场就可以改变磁性器件2的磁化状态。就是说，通过升高磁性器件2的温度，更有利于在存储单元中记录信息。在磁性器件2中记录信息之后降低磁性器件2的温度的情况下，随着温度降低，磁性器件2的矫顽力增加。因此，磁性器件2的磁化状态相对于来自外部的磁场来说不容易改变。就是说，存储单元1可以是更稳定的和非易失性的。由于这些原因，可以提供具有优异的非易失特性和记录特性并且节省功率的存储单元1。

对于这种磁性器件2，关于矫顽力相对于温度的变化没有特别限制。例如，如图13所示，磁性器件的矫顽力可以随着温度升高而连续减小。或者，磁性器件的矫顽力可以随着温度升高而逐渐减小(存在矫顽力减小的阈值)。当矫顽力随着温度升高而减小时，该矫顽力可以暂时地增加。矫顽力随着温度升高/降低而增加/减小可以呈现磁滞现象。

磁性器件2的矫顽力随着温度升高而减小对于所有温度范围不都是必须的，只要磁性器件2的矫顽力随着温度在特定温度范围内升高而减小即可。在图13所示的例子中，磁性器件2的矫顽力在不低于室温的温度范围内趋于减小。因此，通过将磁性器件2的温度从室温升高到例如大约120℃，与室温情况相比利用至多大约三分之一的磁场就可以记录信息，并且对于这种存储单元1，信息的记录将是更容易的。换言之，在大约120℃或更低的温度范围内，存储单元1可以具有更优异的非易失特性。例如，通过使用呈现出矫顽力在100℃或更高的温度范围内减小的趋势的磁性器件2，可以提供在大约100℃的温度范围内具有更优异的非易失性能的存储单元1。

在磁性器件2中，矫顽力相对于温度的具体变化以及矫顽力的具体值等可以根据存储单元1所需的特性而任意设置。在记录信息时，磁性器件2的矫顽力至多为例如2.4×10⁵A/m(至多3kOe)，优选在大约4×10³A/m到大约1.5×10⁴A/m的范围内。当在非易失状态保存信息时，磁性器件2的矫顽力至少为例如4×10⁴A/m(至少500Oe)，优选在大约1×10⁵A/m到大约2×10⁶A/m范围内。当在记录信息和保存信息之间对比的矫顽力的差在例如大约1×10⁴A/m到大约1×10⁶A/m范围内时，存储单元1可以具有更优异的非易失性能和记录特性。

升高磁性器件2的温度的方法不特别限制。例如，为了升高温度，可以给磁性器件2施加电流。或者，给包含在磁场产生部件3中的布线16施加电流，用于升高布线16的温度，并且如此产生的热量传导到磁性器件2，以便升高磁性器件2的温度。为此，磁性器件2和/或布线16应该由具有一定值的电阻的材料构成。例子包括Fe、Ni、Cr、Pt、Mo、Ta、Ti、W、C、SiC、或含有任何该元素的化合物。可以将电流施加于磁性器件2和布线16。将电流施加于布线16是优选的，因为可以使用磁场产生部件3的结构(例如，为了给磁性器件2施加磁场而馈送给布线16的电流可以直接用于加热布线16)。从热效率方面考虑，布线16优选是缠绕在磁性器件2周围的线圈布线17。

在本发明的存储单元1中，磁性器件2的磁化方向可以相对于磁性器件2的面对磁电转换部件4的表面具有一定角度。而且，它可以在垂直于面对磁电转换部件4的磁性器件2的表面的方向上具有磁通量分量。换言之，在磁电转换部件4包括磁电转换元件的情况下，磁性器件2可以在垂直于磁电转换元件中流动的电流的方向的方向上具有磁通量分量。更具体地说，在磁电转换元件中流动的电流例如表示在如图4所示的MOS晶体管中的漏电极13和源电极11之间流动的电流。垂直于在磁电转换元件中流动的电流的方向的方向例如表示垂直于包括如图4所示的MOS晶体管中的漏电极13和源电极11的平面的方向。

如上所述，作为在磁电转换部件中流动的电流和由磁性器件产生的磁通量之间的相互作用的结果，磁电转换部件的电学特性改变。当电流流动方向和磁通量方向垂直交叉时，这种相互作用最大化。因此，通过提供这种磁性器件2，存储单元1可以具有电学特性变化更大的磁电转换部件，且具有优异的读取特性。

在本发明的存储单元1中，磁性器件2可以用金属如TiN、Mn、TiAlN、Pt、W、Ti和TiW的膜、合金膜和陶瓷膜来涂覆。这些膜用于保护磁性器件2，抑制磁性器件2和设置在磁性器件2周围的材料之间的反应，并且还抑制磁性器件2的污染和退化。同时，同样可以抑制设置在磁性器件2周围的绝缘体、布线、磁电转换部件等的污染和退化。结果是，存储单元1可以具有更稳定的特性。尽管该膜优选涂覆磁性器件2的整个表面，但从制造中的工艺步骤的数量方面考虑，允许它只涂覆磁性器件2的表面的所需区域。上述膜例如可以是所谓的阻挡金属。

本发明的存储单元的另外的例子示于图14中。图14所示的存储单元1还包括用于将偏移磁场施加于磁电转换部件4的磁场产生部件18(以下将该部件称为偏移磁场产生部件)。由此，磁电转换部件4将具有电输出的改进的变化，如此获得存储单元1将具有优异的读取特性。这里，将介绍偏移磁场和效果。

本发明的偏移磁场表示以恒定强度和方向施加于磁电转换部件4的磁场。该磁场的一个例子是如图14所示的磁通量B_A。图14所示的磁电转换部件4包括用于磁电转换元件的n沟道MOS晶体管8。一般情况下认为，在磁通量施加于晶体管时，该晶体管的电阻根据二次方曲线而变化。图15A和15B中示出了晶体管的电阻变化的例子。

这里，当从磁性器件2施加给晶体管8的磁通量在从B_B到-B_B，的范围内变化时(这里，磁通量B_A的方向看作是法线方向，磁通量B_A、B_B和B_B’在垂直于晶体管中流动的电流的方向上施加)，在不施加偏移磁场的情况下，在二次方曲线的原点周围将获得晶体管的电阻变化率ΔR，如图15A所示(即，ΔR＝|R_B-R_B’|/R₀)。相反，在作为偏移磁场的磁通量B_A施加于该晶体管的情况下，如图15B所示，从二次方曲线的原点偏移磁通量B_A的点径向地获得该晶体管的电阻变化率ΔR(即，ΔR＝((R_A+R_B)-(R_A-R_B’))/R_A)。二次方曲线的变化率随着它进一步远离原点而增加。因此，甚至在从磁性器件2施加给晶体管8的磁通量的变化量相同的情况下，在偏移磁场施加于晶体管8时，也可以获得较大的电阻变化率。

偏移磁场R_A的方向和强度不特别限制。它们可以根据磁性器件2的磁特性、到磁电转换部件4的距离等而任意设置。例如，它可以是在垂直于面向磁电转换部件4的磁性器件2的表面的方向上具有分量的磁通量。就是说，当磁电转换部件4包括磁电转换元件时，磁通量可以在垂直于磁电转换元件中流动的电流的方向的方向上具有分量。这些分量的强度例如可以在大约10mT到大约10T(tesla)范围内。

偏移磁场产生部件18的位置不特别限制，只要它不妨碍由磁性器件2产生的磁通量7到达磁电转换部件4，并且它也不妨碍从磁场产生部件3施加于磁性器件2的磁场即可。例如，如图14所示，可以设置成使得磁性器件2置于偏移磁场产生部件18和作为磁电转换部件4的晶体管8之间。在这种情况下，偏移磁场可以更有效地施加于磁电转换部件4，因此存储单元1可以具有优异的读取特性。而且在这种情况下，偏移磁场产生部件18的尺寸(例如，膜厚)可以任意地设置，因此可以容易地获得所需的偏移磁场。

偏移磁场产生部件18的构造和结构不特别限制，只要可以向磁电转换部件4施加恒定强度和方向的偏移磁场即可。例如，偏移磁场产生部件18可以包括铁磁器件，该铁磁器件在垂直于面向磁电转换部件4的磁性器件2的表面的方向上具有磁通量分量。即，在磁电转换部件4包括磁电转换元件的情况下，偏移磁场产生部件18可以包括在垂直于磁电转换元件中流动的电流的方向的方向上具有磁通量分量的铁磁器件。在这种情况下，不需要用于产生偏移磁场的电功率，并且可以减小存储单元的功耗。铁磁器件不特别限制，并且例如，可以使用NdFeB、SmFeN和NdFeAl等。

关于偏移磁场产生部件18中包含的铁磁器件，磁化方向可以在一个方向极化。在这种情况下，偏移磁场进一步稳定，因此存储单元1可以具有更稳定的特性。

本发明的存储单元的另一例子在图16中示出。图16所示的存储单元1还包括由软磁器件制成的底座(stem)19和由软磁器件制成的屏蔽件20。底座19设置在半导体衬底9的表面上，并与磁电转换部件4和磁性器件2相对，屏蔽件20设置在偏移磁场产生部件18中，并与面向磁电转换部件4和磁性器件2的表面相对。在这种存储单元1中，可以形成包括屏蔽件20和底座19的闭合磁路，因此可以减少磁通量向外部的泄漏。如此获得的存储单元1具有耐外部噪声等的特性，并具有优异的特性。

其上设置底座19和屏蔽件20的区域的尺寸不特别限制。可以按照需要任意地设置。例如，底座19和屏蔽件20可以设置成完全覆盖存储单元1或完全覆盖晶体管8。底座19和屏蔽件20不总是成对的，它们也可以单独提供。

用于设置底座19的位置不特别限制，只要能保持存储单元1的功能即可。例如，它可以设置在磁电转换部件4的表面上，与磁性器件2相对。同样，用于设置屏蔽件20的位置不特别限制，只要能保持存储单元1的功能即可。例如，它可以设置成使磁性器件2置于屏蔽件20和磁电转换部件4之间。

底座19和屏蔽件20的厚度不特别限制。磁性器件2附近的区域的厚度可以与其余区域的厚度不同。

用于底座19和屏蔽件20的材料不特别限制。例子可以包括Fe、合金如含有选自Fe、Co和Ni中的至少一种成分的坡莫合金、以及混合材料。

在图16所示的存储单元1中，设置封装21用于包围整体。通过设置封装21，例如可以提供对整个存储单元的抗震性，并抑制灰尘等侵入存储单元中。用于封装21的材料不特别限制。例如，可以使用环氧丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、紫外线可固化树脂、热固树脂和热熔化基粘合剂。这些材料可以组合使用。

本发明的存储单元的另外的例子示于图17中。图17所示的存储单元1包括多个磁性器件2。磁电转换部件4包括作为磁电转换元件的晶体管8，其电学特性根据要检测的磁场的状态而变化。晶体管8设置在多个磁性器件2附近，以便检测由磁性器件2产生的磁通量。换言之，磁性器件2在垂直于包括漏电极13和源电极11的晶体管8的表面的方向上层叠。而且，绝缘体10设置在各个磁性器件2之间。存储单元1包括作为磁场产生部件的线圈形布线17，它对应各个磁性器件2。在如此构成的存储单元1中，各个磁性器件2的磁化状态可以通过对应各个磁性器件2的布线17而单独地控制。而且，每个磁性器件可以记录至少1位的信息。因此，存储单元1可以对应多位或多值的趋势。

在图17所示的存储单元1中，磁性器件2的厚度(即，在垂直于面向晶体管8的表面的方向上的厚度)例如为1nm-100μm。磁性器件2之间的距离例如为1nm-10μm。

多个磁性器件2的设置不限于图17所示的例子，只要作为磁电转换元件的晶体管8和由磁性器件2产生的磁通量7可以彼此相互作用即可。

磁场产生部件不特别限制为图17所示的线圈形布线17，只要可以改变各个磁性器件2的磁化状态即可。例如，可以使用简单的布线。或者，代替设置对应每个磁性器件2的布线17，可以将磁性器件2分成几组，并且可以设置对应各个组的布线17。尽管根据图17所示的例子绝缘体10设置在磁性器件2之间，可以按需要设置具有隔离功能的层。该层不限于单层，也可以设置具有不同特性的多个层。

换言之，图17所示的存储单元1可以定义为存储单元，该存储单元中磁电转换元件包括晶体管8，并且相对于晶体管8的沟道14设置多个磁性器件2。这里，表述“磁性器件2和沟道14彼此对应”指的是磁性器件2和晶体管8的沟道14设置成彼此相互作用。此时，对应沟道14的磁性器件2的磁性能可以根据离沟道14的距离(也可以是离磁电转换部件4、磁电转换元件或晶体管8的距离)而变化。如上所述，由于磁性器件2(由磁性器件2产生的磁通量7)和晶体管8的沟道14之间的相互作用，可以在本发明的存储单元1中读出记录在磁性器件2中的信息。在多个磁性器件2如图17所示那样设置的情况下，随着离沟道14的距离增加，这种相互作用可能减弱。通过设置具有根据离沟道14的距离而变化的磁性能的磁性器件2，更具体地说，例如通过设置磁性器件2使得产生更强的磁通量7的磁性器件2将更远离沟道14，存储单元1可以具有更优异的特性。

例如，如图18A所示，可以设置其厚度(或体积)随着离沟道14的距离而变化的磁性器件2a-2d。或者，如图18B所示，可以设置具有变化的饱和磁化的磁性器件2a-2d。

磁性能的变化趋势不特别限制。例如，可以设置多个磁性器件2，使得磁性器件2的厚度随着离沟道14的距离增加而减小，并且反之亦然，如图18A所示。这种设置可以根据存储单元1所需的特性而任意地进行。图18A和18B中任何一个都没有示出的部件与图17中的相同。

本发明的存储单元的另外的例子示于图19中。图19所示的存储单元包括多个磁性器件2。磁电转换部件4包括作为磁电转换元件的晶体管8，其电学特性根据要检测的磁场的状态而改变。晶体管8设置在所述多个磁性器件2附近，以便检测由所述多个磁性器件2产生的磁通量。这里，晶体管8设置在对应多个磁性器件2和至少两个沟道(沟道14a和14b对应所述至少两个沟道，沟道14c和14d也是如此)的多个沟道14a-14d的上方，并包括用于对应所述至少两个沟道的栅电极(栅电极12a对应沟道14a和14b，同样，栅电极12b对应沟道14c和14d)。此外，由于沟道14a-14d的电学特性(例如，电阻)根据记录在磁性器件2中的信息而变化，因此晶体管8的电学特性改变。晶体管8形成在半导体衬底9的表面上。在图19中，S表示源电极，D表示漏电极。可以在后面的图中同样采用这些标记。在常闭晶体管8的情况下，沟道14a-14d是通过给栅电极14施加不小于预定值的电压而形成的区域。

对于作为用于常规技术的典型存储器的半导体存储器，必须提供至少一个栅电极每单位信息(1位)(即，每个沟道)，因此在多个沟道之间共享栅电极是有难度的。在SRAM中，理论上讲，1位信息需要四到六个晶体管。由于这些原因，在常规存储器中，进一步集成存在着限制。而且，当单元精细加工成闪存时，在浮栅中积累的电子数量减少，由此如单元的温度特性等的耐环境特性下降。由于这个原因，进一步精细加工集成存在着限制。

另一方面，如图19所示，由于用于记录信息的磁性器件2和用于读取记录在磁性器件2中的信息的磁电转换部件4在本发明的存储单元1中独立设置，因此栅电极12可以在多个沟道14之间共享。由此，可以减少到栅电极12的布线，从而简化了存储单元1中的布线。就是说，通过使用本发明的存储单元1，可以形成进一步集成的存储器。此外，在晶体管8是具有设置在栅电极12和半导体衬底9之间的栅极绝缘膜22的MOS晶体管的情况下，如图19所示，在制造工艺中用于通过刻蚀等除去栅极绝缘膜22的面积可以减小。在栅极绝缘膜22的刻蚀期间可能会一定程度地损伤晶体管8(例如，由于刻蚀，形成的栅极绝缘膜22的端面可能变坏，并且栅电极12的端面也同样变坏)。由于在图19所示的存储单元1中可以抑制上述损伤，因此存储单元1可以具有更稳定的特性。

此外，由于在图19所示的存储单元1中每个磁性器件可以记录至少1位信息，因此可以用一个晶体管检测多位信息，由此可以提供多值的存储单元。在图19所示的例子中，例如，存储单元相对于一个晶体管和两个栅电极可具有4值。

一个晶体管8中包含的沟道14的数量不特别限制，可以根据存储单元1所需的特性而任意地设置。同样，包含在一个晶体管8中的栅电极12的数量不特别限制，可以根据存储单元1所需的特性任意地设置。此外，对应一个栅电极12的沟道14的数量不特别限制，只要至少一个栅电极12对应至少两个沟道14即可。

图20中示出了本发明的存储单元的另外的例子。在图20所示的存储单元1中，晶体管8具有设置在晶体管8中包括的多个沟道14a-14d上方的一个栅电极12。除此之外，该结构与图19所示的存储单元1的结构相同。

在该存储单元中，与图19所示的例子相比，栅电极12的数量可以进一步减少。因此，存储单元1可以具有更稳定的特性，并且可以形成进一步集成的存储器。在图20所示的例子中，存储单元相对于一个晶体管和一个栅电极例如可具有4值。

图21中示出了本发明的存储单元的另外的例子。在图21所示的存储单元1中，栅电极12和漏电极是公用的。通过公共地使用栅电极12和漏电极，用于存储单元1的布线可以进一步简化。这里，栅电极12和漏电极不必完全地集成，只要它们是等电位的即可。

图22中示出了本发明的存储单元的另外的例子。在图22所示的存储单元1中，设置在栅电极12和半导体衬底9之间(更具体地说，设置在栅电极12和沟道14a-14d之间)的栅极绝缘膜22的面积大于栅电极12的面积。通过按照这种方式使栅极绝缘膜22的面积大于栅电极12的面积，可以减小在制造步骤中要刻蚀的栅极绝缘膜22的面积，并且因此存储单元1可以具有更稳定的特性。

在图22所示的例子中，栅极绝缘膜22与源电极和漏电极接触。更具体地说，栅极绝缘膜22设置在晶体管8的p^-层和n⁺层的整个表面上，除了其上设置源电极和漏电极的区域之外。栅极绝缘膜22还设置在沟道14a-14d上。

图23中示出了本发明的存储单元的另外的例子。图23所示的存储单元1包括多个磁性器件2。磁电转换部件4包括作为磁电转换元件的晶体管8，其电学特性根据要检测的磁场的状态而变化。晶体管8设置在多个磁性器件2附近，以便检测由多个磁性器件2产生的磁通量。这里，晶体管8包括对应多个磁性器件2的多个沟道14a-14d和设置在各个沟道14a-14d上方的多个栅电极12a-12d，以便对应各个沟道14a-14d。更具体地说，一个栅电极12相对于一个沟道14而设置。

在一对源电极和漏电极之间具有多个独立栅电极的这种结构还被称为NAND型。通过将晶体管8制成为NAND型，可以提供多位存储单元1。

在图23所示的存储单元1中，通过给各个栅电极12a-12d选择性地施加各种栅极电压，还可以提供改变各个磁性器件2a-2d的化合价(valence)的存储单元1。即，存储单元1可以设有更多位，并且可以形成进一步集成的存储器。当将各种栅极电压施加于各个栅电极12a-12d时，不总是需要使施加于栅电极12的所有电压不同，并且可以有施加有相同的电压的栅电极12的组合。它可以根据存储单元1所需的特性而任意地设置。

在图23所示的存储单元1中，栅极绝缘膜22可以设置在晶体管8的p^-层和n⁺层的整个表面上，除了设置源电极和漏电极的区域之外，正如图22所示的存储单元1那样。在图23所示的存储单元1中，由于磁性器件2包括一层且栅极数量是四个，因此可以记录至少4位信息。当磁性器件2的磁化状态不是简单的反转而是多值时，位数量可以进一步增加。例如，当磁性器件2的磁化状态设置为四种类型的状态时，可以记录/读取四倍数量的16位信息。

在如图19-23所示的具有多个沟道14的晶体管8中，晶体管8具有通过由磁性器件2产生的磁通量7来改变的电阻率的原理与参照图5A-5C所解释的原理相类似。图24所示的存储单元1具有与图1所示的存储单元1相类似的结构。图25A和25B是从磁性器件2一侧观察的图24的晶体管8的示意图。当至少预定值的电压(阈值电压V_th)施加于栅电极12时，在栅电极12附近的p^-区中形成四个沟道14a-14d。如图5A所示的那样，当由磁性器件2a-2d产生的磁通量7a-7d不施加于沟道14a-14d时，电流15经过沟道14a-14d基本上以直线形式流向源电极，如图25A所示。另一方面，当磁通量7a-7d施加于晶体管8时，磁通量7和电流15彼此作用，由此改变了电流流动的方向，如图25B所示。因此，在图24所示的存储单元1中，当对应沟道14a-14d的磁性器件2a-2d的磁化状态(例如，磁化方向6a-6d)分别改变时，施加于沟道14a-14d的磁通量7a-7d分别对应磁化状态的变化而改变，因此电阻可以不同地变化。

本发明的存储单元的另一例子示于图26-28中。如图26所示，即使在晶体管8具有多个沟道14的情况下，磁场产生部件3也可以包括线圈形布线17，如图7所示的存储单元1的情况那样。此外，如图27所示，与图16所示的存储单元1的情况类似，可以包括用于给磁电转换部件4施加作为偏移磁场的磁通量B_A的偏移磁场产生部件18、底座19、屏蔽件20、封装21等。此外，如图28所示，多个磁性器件2可以相对于一个沟道14而设置在存储单元1中，如图17所示的存储单元1的情况那样。在这种情况下，存储单元1可以是进一步多值的，并具有进一步多位。参照图26-28的存储单元1包括如图20所示的晶体管8，其中一个栅电极12对应多个沟道14。这也可以适用于如图23所示的存储单元1，该存储单元1包括其中多个栅电极对应多个沟道14的晶体管8。

在本发明的存储单元中，磁电转换元件可包括多个晶体管。这种存储单元的例子示于图29中。

在图29所示的存储单元1中，磁电转换部件4包括作为磁电转换元件的多个晶体管8a和8b。通过这种方式，在本发明的存储单元中，磁电转换元件可以包括多个晶体管。存储单元1可以是进一步多值(多位)的。在磁电转换部件4包括多个晶体管的情况下，包含的晶体管的数量不限于图29所示的两个，而是可以任意地设置。在磁电转换部件4包括多个晶体管8的情况下，各个晶体管8的类型、组合、布线的结构等不特别限制，而是可以根据存储单元1所需的特性而任意地设置。

在图29所示的存储单元1中，晶体管8a的栅电极12和漏电极共用。而且，在相邻一对晶体管8a和8b中，晶体管8a的栅电极12和晶体管8b的源电极共用。在如此获得的存储单元1中，除了上述效果之外，还可以进一步简化到各个电极的布线。结果是，可以形成进一步集成的存储器。当栅电极12和源电极共用，电极不必集成并且不特别限制，只要这些电极构成为等电位即可。

本发明的存储单元的另外的例子示于图30中。如图30所示，本发明的存储单元可以是包括多个晶体管(图23所示的晶体管)的存储单元1，所述多个晶体管具有多个沟道和对应这些沟道的多个栅电极。

本发明的存储单元的另外的例子示于图31中。如图31所示，本发明的存储单元可以是包括相邻一对晶体管8a和8b的存储单元1，其中绝缘体23设置在晶体管8a的漏电极和晶体管8b的源电极之间。利用绝缘体23，使晶体管8a和8b绝缘。此时，设置绝缘体23的方法不特别限制。例如，绝缘体23可以通过称为浅沟槽隔离的隔离方法进行设置，因为可以减小绝缘空间(在图31所示的例子中，插入绝缘体23的D和S之间的距离)，这适合于存储单元的小型化。或者，绝缘体23可以通过称为LOCOS的方法进行设置。尽管这种方法从绝缘空间方面考虑比浅沟槽隔离差，但是在制造时可以降低成本，并改进了绝缘性。

本发明的存储单元的控制方法示于图32中。该例是从图31所示的存储单元1读取记录在磁性器件2中的信息的方法。图32是示出图31所示的NAND型存储单元1的示意图，这是从上方观看的示意图(相对于半导体衬底9而从磁性器件2的一侧观看的)。在本图中，省略了除源电极、漏电极和栅电极12a-12h以外的部件。为了从如此构成的存储单元1读取信息，例如，如图32所示，栅电极12a-12h可通过布线g1-g8连接到栅极控制电路25，并且各个源电极和漏电极可以通过布线s1、s2、d1和d2连接到源-漏控制电路24。源-漏控制电路24连接到阻抗检测电路26，因此可以检测源极和漏极之间的阻抗。此时，通过栅极控制电路25将电压施加于各个栅电极，并且通过源-漏控制电路24将电流馈送给源电极和漏电极之间的空间，由此检测源电极和漏电极之间的阻抗，因此可以读取记录在磁性器件2中的信息。对布线的结构没有特别的限制。

在各个图中所示的存储单元1中，晶体管8的源电极11(或S)的表面、栅电极12的表面以及漏电极13(或D)的表面基本上设置在相同水平上。由于这种存储单元1可以在相同制造工艺中形成(即，例如，可以在相同步骤中形成各个电极)，可以减少工艺步骤的数量和降低成本。这里，对于n沟道晶体管的情况的“基本上相同的水平”例如表示电极和沟道中的每个的表面与n⁺层的表面之间的距离的差值在大约10nm到大约100μm的范围内。

接着，将介绍本发明的存储器。

本发明的存储器包括本发明的上述存储单元1、用于在存储单元1中记录信息的信息记录导电线、和用于读取记录的信息的信息读取导电线。由于该结构和由于存储单元1的选择，可以提供具有上述各种效果的存储器。

图33示出使用本发明的存储单元的存储器的例子。在图33所示的存储器51中，存储单元1在彼此垂直相交的两条位线52的相交部位排列成矩阵。位线52对应信息读取导电线，并通过给两条相交的位线52输送信号电流，可以从存储单元1读出信息。从设置在其中处于导通状态的位线52垂直相交的位置上的存储单元(图33中的存储单元1a)读出信息。信号的导通和截止可以通过解码器53和54来控制。

尽管图中未示出，在图33的存储器51中，存储单元1也在彼此垂直相交的两条字线的相交部位排列成矩阵。这些字线对应信息记录导电线，并且可以通过给两条相交字线输送信号电流而将信息写在存储单元中。该信息写在设置在其中导通状态的字线彼此相交的位置上的存储单元中。与读取的情况相类似，信号的导通和截止可以通过解码器来控制。

在图33所示的存储器51中，设置用于参考存储单元1的电输出的至少一个参考元件55。参考元件55是用于为存储单元1的电输出提供标准的元件。更具体地说，例如，在存储单元1包括晶体管并通过检测电阻的变化来读取信息的情况下，例如，可以使用用于提供电阻标准的包括晶体管的元件。进一步具体地说，在它是包括作为存储介质的磁性器件的元件的情况下，具有处于消磁状态的磁性器件的存储单元可以用于参考元件55(即，在包括作为存储介质的磁性器件的多个存储单元1中，至少一个存储单元1必须具有处于消磁状态的磁性器件)。通过包括至少一个参考元件55，存储器51在读取时将具有更优异的相对准确性和较低的故障率。参考元件55将按照要求进行设置，并且对要设置的参考元件的数量没有特别限制。

关于本发明的存储器，对存储单元1等的设置方法没有特别限制。例如，可以采用用于普通存储器如半导体存储器的存储单元设置方法。同样，为了给各个存储单元分配地址，例如，可以采用用于一般存储器的方法。例如，位线和字线共享，或者可以进一步设置检测线。

将参照图34A和34B介绍本发明的存储单元1的操作。图34A示出在本发明的存储单元1中进行的读取操作的基本例子，图34B示出在本发明的存储单元1中进行的写操作(记录操作)的基本例子。如图34A所示，在从存储单元1读取时，从晶体管的漏电极(图34A和34B中的D)通过位线52向源电极(图34A和34B中的S)输送电流，并且检测阻抗，以便读取记录在磁性器件2中的信息。在图34A和34B所示的晶体管中，漏电极和栅电极(图34A和34B中的G)电连接。而且，如图34B所示，在存储单元1中进行写操作时，通过字线56向磁场产生部件3输送电流，并且如此产生的磁场5施加于磁性器件2，从而将信息写在磁性器件2中。对于本发明的存储器，用于在存储单元1中写信息和从存储单元1读取信息的方法不限于图34A和34B中所示的例子。

下面参照图35进一步介绍本发明的存储单元1的操作。图35中的存储单元被认为与图26所示的存储单元1相同。

如图35所示，当从存储单元1读取信息时，从晶体管的漏电极(图35中的D)通过位线52向源电极(图35中的S)输送电流，并且通过阻抗检测电路26检测此时的电阻，以便读取在磁性器件2a-2d中记录的信息。可以通过给栅电极(图35中的G)施加不低于预定值的电压，而使电流从漏电极输送给源电极。在图35所示的晶体管中，漏电极和被称为体或阱的p-层(图35中的B)彼此电连接。

在本发明的存储器中，设置成矩阵的各个存储单元可以包括晶体管，并且在彼此不同的存储单元之间，选自晶体管的源电极和漏电极的至少一个电极可以是等电位的。由此，可以简化布线，并且该存储器可以进一步集成。这种存储器的例子示于图36中。

图36所示的存储器是具有排列成矩阵的如图23所示的存储单元1的存储器51。由于图23所示的存储单元1是NAND型的，因此存储器51也可以被称为NAND型存储器。在图36中，省略了除源电极、漏电极和栅电极(图36中的G₁₁₁-G₂₄₄)以外的部件。在如图36所示的存储器51中，在彼此不同的存储单元1之间，集成了选自包含在存储单元1中的源电极(S)和漏电极(D)中的至少一种电极。例如，在存储单元1a和存储单元1b之间，分别集成源电极和漏电极。在存储单元1a和存储单元1c之间，集成了存储单元之一的源电极和另一存储单元的漏电极。其电极彼此集成在一起的存储单元1不必彼此相邻设置。此外，这些电极不必彼此集成在一起。结构也不特别限制，只要这些电极是等电位的即可。在图36所示的存储器51中，对每个存储单元1提供四个栅电极。因此，如图36所示，将地址(G₁₁₁-G₂₄₄)分配给每个栅电极，以便作为至少32位的存储器进行控制。此外，如图36所示，绝缘元件隔离层56可以设置在各个存储单元1之间。

图33所示的存储器具有通常被称为二维存储器或二维存储阵列的结构。本发明的存储器可包括如图33所示的多个二维存储阵列。更具体地说，例如，它可以是作为上述存储阵列之一或作为多个集成电路被封装的存储器。而且，如此构成的集成电路可以芯片-层叠以形成存储器，或者集成电路安装在薄膜封装中并层叠。或者，可以形成所谓的多芯片组件。二维存储器不限于包括如图33所示的排列成矩阵的多个存储单元的存储器。除了排列成矩阵以外，没有特别限制，只要二维地设置存储单元即可。此外，图29所示的存储单元可以用于本发明的存储器。就是说，它可以具有一般称为一维存储器或一维存储阵列的结构。

接着，将介绍本发明的存储单元的制造方法。

本发明的存储单元制造方法是制造上述存储单元的方法，它包括：

(i)在半导体衬底的表面上形成磁电转换元件的步骤，其中磁电转换元件具有根据要检测的磁场的状态而改变的电学特性，

(ii)形成磁性器件的步骤，从而磁电转换元件置于磁性器件和半导体衬底之间，和

(iii)在磁性器件附近形成磁场产生部件的步骤，所述磁场产生部件用于改变磁性器件的磁化状态。在步骤(ii)中，在磁电转换元件的附近形成磁性器件，从而磁电转换元件检测由磁性器件产生的磁通量。在上述制造工艺中可以获得具有优异特性的存储单元。

本发明的存储单元的制造方法的例子示于图37A-37H中。

首先，如图37A所示，在半导体衬底9的表面上，形成作为磁电转换元件的晶体管8，其电学特性根据要检测的磁场的状态而变化(步骤(i))。在半导体衬底上形成晶体管8的方法不特别限制，而是可以使用常用的方法。

接着，如图37B所示，在晶体管8上层叠绝缘体10和磁性材料31。对于磁性材料31，可以使用存储单元的磁性器件所需的任何磁性材料。磁性材料31可以具有随后要形成的磁性器件的厚度(在垂直于面向磁电转换元件的磁性器件的表面的方向上的厚度)。如果磁电转换元件不引起电短路等，则可以省略绝缘体10。

接下来，如图37C所示，将电阻器32设置在磁性材料31上。电阻器32可以设置在存储单元的磁性器件所需的区域中。电阻器32的类型不特别限制，而是可以采用一般的电阻器。同样，对设置电阻器32的方法也不特别限制。

接着，如图37D所示，从除了设置电阻器32的区域以外的区域除去磁性材料，由此在晶体管8上形成磁性器件2(步骤(ii))。通过用磁性器件2和半导体衬底9夹着作为磁电转换元件的晶体管8来形成磁性器件2。磁性材料可以通过如离子刻蚀和离子研磨等一般方法除去。

接着，如图37E所示，在绝缘体10和电阻器32上层叠布线材料33。对于布线材料33，可以使用用于存储单元的磁场产生部件的布线、线圈等所需的导电材料。

接着，如图37F所示，在布线材料33上设置电阻器34。电阻器34可以按照用于磁场产生部件的布线、线圈等的需要而设置在任何区域中。电阻器34可以由与电阻器32相类似的材料形成，并且与电阻器32同样地设置。

接下来，如图37G所示，从除了设置电阻器34的区域以外的区域除去布线材料，由此在绝缘体10上形成作为磁场产生部件的线圈形布线17(步骤(iii))。此时，可以通过如离子刻蚀或离子研磨等一般方法除去布线材料，并且可以通过剥离等方法除去设置在磁性器件2上的电阻器32和布线材料33。

最后，如图37H所示，用绝缘体10覆盖整个部件，由此获得与如图7所示的存储单元1相类似的存储单元1。

为了层叠磁性材料和布线材料，可以采用一般的膜形成法。例如，可以通过使用如溅射和真空淀积等工艺进行层叠。

在用于形成本发明的存储单元的方法中，用于各个部件的材料和各个部件之间的位置关系可以对应上述材料和位置关系。例如，晶体管8可以具有设置在多个沟道上的一个栅电极。通过使用该制造方法，可以提供如图20所示的具有优异特性的存储单元1。

在本发明的存储单元的制造方法中，晶体管中的源电极的表面、栅电极的表面和漏电极的表面可以位于相同水平上。

在本发明的存储单元的制造方法中，在上述步骤(ii)中可以形成多个磁性器件。由此，可以获得如图17、图19等所示的存储单元1。为了形成多个磁性器件，例如，可以重复进行如图37B-37D所示的步骤，重复的次数是所需磁性器件的数量。

在本发明的存储单元的制造方法中，半导体衬底可以形成在由软磁器件制成的底座上。根据该制造方法，可以获得图16和图27所示的具有优异特性的存储单元1。

本发明的存储单元的制造方法还包括：在上述步骤(iii)之后，形成铁磁材料层的步骤(a)，其中铁磁材料可以在垂直于面向磁电转换元件的磁性器件的表面的方向上具有磁通量分量。根据该制造方法，可以获得如图14和27所示的具有优异特性、具有偏移磁场产生部件的存储单元1。形成铁磁材料的方法不特别限制。例如，可以使用与层叠磁性材料的方法相类似的方法，并且可以根据需要进行例如刻蚀等工艺。

用于制造本发明的存储单元的方法还包括：在上述步骤(iii)之后，形成由软磁材料制成的屏蔽件的步骤(b)。根据该制造方法，可以获得如图16和27所示的具有优异特性的存储单元1。形成屏蔽件的方法不特别限制。例如，可以使用与层叠磁性材料的方法相类似的方法，并且可以根据需要进行例如刻蚀等工艺。

下面介绍实际应用本发明的存储器的系统、设备和装置的例子。本发明的存储器例如可以如下面所述的方式来使用。

图38是示出包括本发明的存储器的计算机系统的结构的例子的示意图。图38所示的计算机系统501包括作为存储器件的本发明的存储器51。

如上所述，通过例如选择构成存储器的存储单元中所包含的存储介质或选择检测元件的结构，可以提供本发明的存储器51作为具有各种特性的存储器。例如，可以选择耐热性、耐环境性、信息非易失性能、读取特性、写特性等优异的特性。因此，通过使用本发明的存储器，可以获得具有更优异的稳定性和性能的计算机。如图38所示的计算机的其它器件(包括图中未示出的部件)可包括本发明的存储器。在这种情况下，也可以获得相类似的效果。

图39是示出包括本发明的存储器的系统或工作站(以下将称为服务器系统)的结构的例子的示意图。图39所示的服务器系统502包括作为存储器件的本发明的存储器51。与如图38所示的例子相类似，通过提供本发明的存储器，可以提供具有进一步优异的可靠性和性能的服务器系统。图39所示的服务器系统的其它器件(包括未示出的器件)可包括本发明的存储器。在这种情况下，可以获得相类似的效果。

图40是示出包括本发明的存储器的车内系统的例子的示意图。尽管未示出，在图40所示的车内系统503中，各种设备和装置包括本发明的存储器。本发明的存储器例如被包含于多媒体数字信号编解码器(codec)、ITS(智能运输系统)处理单元、控制器、信号处理单元、第一光盘器件、第二光盘器件、无线器件、具有转移机构的照相机、车内雷达、车内导航系统和被包含于导航系统中的用于检测车辆位置的GPS(全球定位系统)中。与图38所示的例子相类似，通过使用本发明的存储器，即使在使用环境是在高温和车内振动的恶劣条件下，车内系统也可具有更优异的可靠性和性能。

图41是示出具有本发明的存储器的多功能信息处理系统(例如，具有作为复印机、扫描仪、打印机、传真机等的功能的系统)的结构的例子的示意图。图41所示的信息处理系统504包括本发明的存储器51作为存储器件。如图38所示的例子那样，通过使用本发明的存储器，可以获得具有更优异可靠性和性能的信息处理系统。图41所示的信息处理系统的其它器件可以包括本发明的存储器。在这种情况下，可以获得类似的效果。图41所示的信息处理系统可以包含在计算机中。

图42是示出具有本发明的存储器的电影放映系统的另一例子的示意图，如投影型、反射型、或背投影型。图42所示的电影放映系统505包括作为存储器件的本发明的存储器51。尽管未示出，其它各种器件包括本发明的存储器。例如，图42所示的codec、光盘器件等包括本发明的存储器。如图38所示的例子那样，通过使用本发明的存储器，即使在使用环境是在高温和车内振动的恶劣条件下，该电影放映系统也可具有更优异的可靠性和性能。

图43是示出包括本发明的存储器的便携式终端系统的例子的示意图。在图43所示的便携式终端系统506中，提供本发明的存储器51作为存储器件。如图38所示的例子那样，通过使用本发明的存储器，该便携式终端系统可以具有更优异的可靠性和性能。图43所示的便携式终端的其它器件可以包括本发明的存储器。在这种情况下，也可以获得类似的效果。

图44是示出包括具有本发明存储器的计算机和/或服务器系统的服务器网络的例子的示意图。图44所示的服务器网络507包括本发明的存储器，作为用于构成服务器网络507的计算机和/或服务器系统的存储器件。如图38和39所示的例子，通过将本发明的存储器用于服务器网络中所包含的计算机和/或服务器系统，该服务器网络可具有更优异的可靠性和性能。

图45示出包括服务器网络的通信系统，该服务器网络包括具有本发明存储器的计算机和/或服务器系统，例如是因特网508。该通信系统例如可以是从安全的角度考虑优选使用专用线路的通信系统。

工业实用性

如上所述，本发明可以提供在结构上完全不同于常规存储器并且具有优异的各种特性的存储单元，及其制造方法。通过使用该存储单元，可以提供各种特性都优异的存储器。

本发明的存储单元可以代替用于如SRAM、DRAM和闪烁存储器等的存储器的常规存储单元而使用。具体用途不特别限制，只要该存储单元用于使用常规存储单元的领域即可。

Claims (33)

1.一种存储单元，包括：

用于保存信息的存储介质，

用于在该存储介质中记录信息的控制部件，和

用于从该存储介质读取信息的检测元件，其中

该检测元件独立于该存储介质而设置；

所述存储介质是磁性器件；

所述控制部件包括第一磁场产生部件，用于向所述磁性器件施加磁场，以便改变所述磁性器件的磁化状态；并且

所述检测元件设置在所述磁性器件的附近，并且包括磁电转换部件，该磁电转换部件的电学特性根据所述磁性器件的磁化状态而改变；

还包括给所述磁电转换部件施加偏移磁场的第二磁场产生部件。

2.根据权利要求1所述的存储单元，其中

所述磁电转换部件包括磁电转换元件，其电学特性根据要检测的磁场的状态而改变；并且

所述磁电转换元件设置在所述磁性器件附近，以便检测由所述磁性器件产生的磁通量。

3.根据权利要求2所述的存储单元，其中所述磁电转换元件是其电阻根据要检测的磁场的状态而变化的元件。

4.根据权利要求2所述的存储单元，其中所述磁电转换元件是半导体元件。

5.根据权利要求4所述的存储单元，其中所述半导体元件是晶体管。

6.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件的磁化方向相对于面向所述磁电转换部件的所述磁性器件的表面具有一个角度。

7.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件在垂直于面向所述磁电转换部件的其表面的方向上具有磁通量分量。

8.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件包括选自由亚铁磁材料、基于稀土过渡金属的磁性材料、铁氧体、和由含有过渡金属的氧化物构成的铁磁材料构成的组中的至少一种磁性材料。

9.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件由含有在矫顽力上彼此不同的多种成分的多成分系统的磁性材料构成。

10.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件的饱和磁化值最大时的温度在80℃到300℃的范围内。

11.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件具有不低于100℃的居里温度。

12.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述磁性器件的矫顽力在预定温度范围内具有随着温度升高而减小的趋势。

13.根据权利要求1所述的存储单元，其中所述第一磁场产生部件包括感应磁场的布线。

14.根据权利要求13所述的存储单元，其中所述布线是线圈形的。

15.根据权利要求1所述的存储单元，还包括由软磁器件构成的底座，该底座设置成与面向所述磁性器件的所述磁电转换部件的一侧相对。

16.根据权利要求1所述的存储单元，还包括由软磁器件构成的屏蔽件，设置该屏蔽件，使得所述磁性器件置于所述屏蔽件和所述磁电转换部件之间。

17.根据权利要求1所述的存储单元，包括多个所述磁性器件。

18.根据权利要求17所述的存储单元，其中

所述磁电转换部件包括其电学特性根据要检测的磁场的状态而变化的磁电转换元件，并且

所述磁电转换元件设置在所述多个磁性器件附近，以便检测由所述多个磁性器件产生的磁通量。

19.根据权利要求18所述的存储单元，其中

所述磁电转换元件包括晶体管，并且

所述多个磁性器件设置成对应该晶体管的一个沟道。

20.根据权利要求19所述的存储单元，其中

对应所述一个沟道的所述多个磁性器件的磁特性根据离该沟道的距离而变化。

21.根据权利要求18所述的存储单元，其中

所述磁电转换元件包括晶体管，

该晶体管包括对应所述多个磁性器件的多个沟道，以及设置在至少两个所述沟道上方并对应该至少两个沟道的一个栅电极，并且

该晶体管的电学特性由于该沟道的电学特性根据要检测的磁场的状态变化而变化。

22.根据权利要求21所述的存储单元，其中该晶体管具有设置在所述多个沟道上方的一个栅电极。

23.根据权利要求18所述的存储单元，其中

所述磁电转换元件包括晶体管，

该晶体管包括对应所述多个磁性器件的多个沟道，以及设置在各个沟道上方以便对应各个沟道的多个栅电极，并且

该晶体管的电学特性由于该沟道的电学特性根据要检测的磁场的状态变化而变化。

24.根据权利要求5所述的存储单元，其中所述磁电转换元件包括多个晶体管。

25.根据权利要求24所述的存储单元，其中相邻一对晶体管之一的漏电极和另一个晶体管的源电极是等电位的。

26.一种存储器，包括：

根据权利要求1所述的存储单元，

用于在该存储单元中记录信息的信息记录导电线，和

用于读取所述信息的信息读取导电线。

27.根据权利要求26所述的存储器，包括多个所述存储单元，这些存储单元排列成矩阵。

28.根据权利要求27所述的存储器，其中

排列成矩阵的所述存储单元中的每一个的所述磁电转换部件包括晶体管，并且

选自由彼此不同的所述存储单元的晶体管中的所述源电极和所述漏电极构成的组中的至少一个电极是等电位的。

29.一种制造根据权利要求2所述的存储单元的方法，该方法包括：

(i)在半导体的表面上形成磁电转换元件，所述磁电转换元件的电学特性根据要检测的磁场的状态而改变，

(ii)形成磁性器件，从而所述磁电转换元件置于所述磁性器件和所述半导体衬底之间，并且

(iii)在所述磁性器件附近形成磁场产生部件，用于改变所述磁性器件的磁化状态；

在步骤(ii)中，在所述磁电转换元件的附近形成所述磁性器件，从而所述磁电转换元件检测由所述磁性器件产生的磁通量。

30.根据权利要求29所述的制造存储单元的方法，其中所述磁电转换元件是晶体管。

31.根据权利要求29所述的制造存储单元的方法，其中在步骤

(ii)中形成多个所述磁性器件。

32.一种根据权利要求26所述的存储器的记录读取方法，其中

信息的记录/读取是通过改变施加于选自由信息记录导电线和信息读取导电线构成的组中的至少一条导电线的电流而进行的。

33.根据权利要求32所述的记录读取方法，该方法包括：

改变施加于所述信息记录导电线的电流，以便改变在第一磁场产生部件产生的磁场，由此通过所述改变的磁场来改变所述磁性器件的磁化状态，以便在所述存储器中记录信息，并且

改变施加于所述信息读取导电线的电流，由此检测所述磁电转换部件的电学特性，以便读取记录在所述存储器中的信息。

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