JP2004146820A - 不揮発性ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】　十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を有する常磁性層を得ることができ、これにより実用化を図ることのできる不揮発性ランダムアクセスメモリを提供する。
【解決手段】　常磁性層２４は、例えば厚さが０．５ｎｍ以上５μｍ以下の内包フラーレン薄膜である。フラーレンは、例えば大きさが０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の中空を有しており、この中空に常磁性材料が内包されている。内包フラーレン薄膜は、フェルミベクトルが強磁性固定層２３および強磁性自由層２５の少数スピンバンドまたは多数スピンバンドとよく重なっており、また、内包されている常磁性材料のスピンの配向がランダムとなっている。更に、フラーレン内の電子スピンは、擬０次元空間で量子化された状態にある。これにより内包フラーレン薄膜ではスピンコヒーレンス長が長くなり、スピン偏極した伝導電子の散乱がなくなる。
【選択図】　　　　図２

Description

　本発明は、スピン偏極電子の注入により記録情報の書き込みを行う不揮発性ランダムアクセスメモリに関する。

　１９８０年代末より、磁性金属人工格子におけるスピン依存電子輸送現象の研究・開発が行われている。例えば、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnetoresistive、又はスピンバルブ（ＳＶ；Spin Valve）ともいう）を利用したランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ； Random Access Memory ）の開発により、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の高密度化が急速に進展した。更に、半導体プロセス技術を用いたトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ；Tunneling Magnetoresistive）による磁性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；Magnetic Random Access Memory ）も実現されている。これら磁気効果を利用したＲＡＭでは、各メモリセルに電流を流し、この電流を中心として発生する磁場を利用することにより、メモリセルへの書き込みが行われる（誘起磁場方式）。

　しかし、このような従来の誘起磁場方式では、書き込みに必要な磁場の大きさがメモリセルの幅に反比例するため、例えばセルの幅が０．２μｍ場合、必要な電流の大きさは１メモリセル当たり数ｍＡにも及び、大きな値となる。また、メモリセルの微細化に伴い、誘起磁場が隣接するセルに与える影響が無視できなくなる。例えば、隣接セル同士の間が０．１μｍ程度の大きさになると、隣接したセルに印加される磁場は、配線上のセルに印加される磁場の大きさの８０％にも及び、近接漏れ磁場による磁気的相互作用（クロストーク）の問題が生じる。

　ところで、磁性体の物性の理解が進む中で、磁性体から非磁性体へのスピン注入を利用したスピン注入方式のＲＡＭが提案されている（特許文献１）。このスピン注入方式のＲＡＭのメモリセルは、強磁性固定層、常磁性層および強磁性自由層が順に積層された構成を有する。このスピン注入方式のＲＡＭは、伝導電子のスピンによって強磁性自由層の電子のスピンの配向を変えることにより、記録情報の書き込みを行うものであり、上述したような誘起磁場方式のＲＡＭの問題を解決することができると理論的に示されていることから、大いに期待されている。
特開平１１−１２０７５８号公報

　すなわち、スピン注入方式では、（１）伝導電子の偏極したスピンとセル内の電子のスピンとの直接的な相互作用により、セル内の電子の磁気モーメントを反転させることから、書き込みのために高密度の電流が必要となることはないので、装置の低消費電力を図ることができること、（２）微細化に起因したクロストークの発生を防止することができ、これにより高磁気記録密度を実現させることが可能となること、（３）デバイス構造の簡略化を図ることができること、（４）書き込み時間がスピン伝導の速度にのみ依存することからデバイスの応答速度を向上させることができること、などが理論的に示されている。

　このようなスピン注入方式のＲＡＭでは、その実現を図るために、前述したように伝導電子のスピンを利用していることから、特に常磁性層でのスピンコヒーレンス長の制御が重要である。すなわち、常磁性層においてスピン偏極した伝導電子が散乱される等してスピンの配向が変わると、伝導電子が有するスピン情報が失われてしまうことから、スピンコヒーレンス長が長い常磁性材料が望まれており、これまで常磁性金属材料や半導体材料等を用いて、常磁性層のスピン伝導の研究が行われてきている。

　しかしながら、常磁性層に上記材料を用いた場合には、均一な薄膜成長を行うこと、およびスピンコヒーレンス長を制御することが困難であり、そのため常磁性層において十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を得ることができないという問題があった。以上のようなことから、スピン注入方式のＲＡＭは、従来の誘導磁場方式に比べて顕著な効果が得られると理論的に示されているものの、実際には十分な特性が得られておらず、そのため実用化に至っていない。

　本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、常磁性層において十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を得ることができ、これにより実用化を図ることが可能となる不揮発性ランダムアクセスメモリを提供することにある。

　本発明による第１の不揮発性ランダムアクセスメモリは、メモリセルを、磁化の向きが固定される第１の強磁性層と、中空を有し、中空に常磁性材料が内包されると共に所定のスピンコヒーレンス長を有する球殻状分子材料からなり、第１の強磁性層の一面に形成された常磁性層と、常磁性層における第１の強磁性層が形成された面とは反対側の面に形成され、スピン偏極した電子により磁化の向きが変化する第２の強磁性層とを備える構成とし、第２の強磁性層の磁化の向きの変化により記録情報の書き込みが行われるようにしたものである。

　本発明による第２の不揮発性ランダムアクセスメモリは、磁化の向きが固定される第１の強磁性層と、中空を有し、中空に常磁性材料が内包されると共に所定のスピンコヒーレンス長を有する球殻状分子材料からなり、第１の強磁性層の一面に形成された常磁性層と、常磁性層における第１の強磁性層が形成された面とは反対側の面に形成され、スピン偏極した電子が注入される第２の強磁性層とを備えたものである。

　本発明による第１の不揮発性ランダムアクセスメモリでは、第２の強磁性層に対してスピン偏極した電子が注入されると第２の強磁性層の磁化の向きが変化し、記録情報の書き込みが行われる。このとき、スピン偏極された電子流は、常磁性材料が内包された球殻状分子材料（例えば炭素分子フラーレン）からなり、十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を有する常磁性層を介して、スピン散乱することなく流れる。すなわち、注入電子はそのスピン偏極度を保った状態で常磁性層内を伝導される。

　本発明による第２の不揮発性ランダムアクセスメモリでは、第２の強磁性層に対してスピン偏極した電子が注入されると第２の強磁性層の磁化の向きが変化する。このとき、スピン偏極された電子流は、常磁性材料が内包された球殻状分子材料（例えば炭素分子フラーレン）からなり、十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を有する常磁性層を介して、スピン散乱することなく流れる。すなわち、注入電子はそのスピン偏極度を保った状態で常磁性層内を伝導される
。

　以上説明したように本発明の不揮発性ランダムアクセスメモリによれば、常磁性層を常磁性材料を内包した球殻状分子材料により形成するようにしたので、均一な薄膜成長を行うことができる共にスピンコヒーレンス長を制御することが容易となり、十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場が得られる。従って、スピン偏極した伝導電子の常磁性層内での散乱を防止することが可能となり、信頼性が向上し、これにより実用化を図ることが可能となる。また、従来の誘起磁場方式と比較して、記録密度の上限を大幅に高めることができ、読出し時間の短縮や消費電力の削減を図ることが可能となる。

　図１は、本発明の一実施の形態に係る不揮発性ランダムアクセスメモリ１０（以下、不揮発性ＲＡＭ１０という）の構成を表すものである。図２は、不揮発性ＲＡＭ１０を構成する１のメモリセル２０を取り出して表したものである。

　この不揮発性ＲＡＭ１０は、複数のメモリセル２０がマトリクス状に配列（例えば、Ｍ列Ｎ行配列：Ｍ×Ｎ配列）されたものであり、各メモリセル２０にスピン偏極した電子流が注入されることにより、メモリセル２０の記録情報が書き込まれる（スピン注入方式）。このメモリセル２０の面内の大きさは０．５ｎｍ² 以上５μｍ² 以下とすることが好ましい。これは、メモリセルの大きさが小さくなるとクロストークが生じる虞があり、隣接するメモリセル２０同士で書き込み電流による磁場の影響を抑制するためである。

　メモリセル２０は基板２１を備えており、この基板２１の上には電極層２２が形成されている。電極層２２の上には強磁性材料からなる強磁性固定層（第１の強磁性層）２３が形成されており、この強磁性固定層２３は磁化の向きが所定の方向に固定される。強磁性固定層２３の上には常磁性層２４が形成されている。本実施の形態では、この常磁性層２４は常磁性材料が内包された球殻状分子材料、例えば炭素分子フラーレンにより形成されている。その詳細については後述する。常磁性層２４の上には強磁性材料からなる強磁性自由層（第２の強磁性層）２５が形成されており、この強磁性自由層２５は２つの安定した磁化方向を有し、２つの磁化方向のいずれかの一方の方向に向いている。この強磁性自由層２５の磁化方向は伝導電子のスピンに応じて変更されるようになっている。強磁性自由層２５の上には電極層２６が形成されている。

　基板２１は例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。電極層２２, ２６は常磁性金属、例えば金（Ａｕ）により形成されている。この常磁性金属としては金以外でも、蒸着法やスパッタ法等によりこれら電極層２２, ２６に対して容易に配線を作製することができるものであればよい。

　常磁性層２４は、上述のように常磁性材料２４ｂを内包したフラーレン２４ａからなる内包フラーレン薄膜であり、その厚みは例えば０．５ｎｍ以上５μｍ以下である。このような内包フラーレン薄膜は、図３に示したような結晶構造を有している。なお、内包フラーレン薄膜は一般的にｆｃｃの結晶構造をとるが、この図では簡単のため２次元単純格子で表している。

　フラーレン２４ａは、例えば大きさが０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の中空を有しており、この中空部分に常磁性材料２４ｂが内包されている。フラーレン２４ａとしては、例えばＣ₃₆、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₇₂、Ｃ₇₄、Ｃ₇₆あるいはＣ₈₂が挙げられる。常磁性材料２４ｂとしては、ランタン（Ｌａ）、セシウム（Ｃｓ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、あるいはガドリニウム（Ｇｄ）等の希土類元素や、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）等の非金属元素が挙げられる。

　内包フラーレン薄膜は、内包されている常磁性材料２４ｂのスピンの配向がランダムとなっていることから、安定な常磁性を有している。更に、フラーレン２４ａ内の電子スピンは、擬０次元空間で量子化された状態にある。以上のことから、内包フラーレン薄膜ではスピン緩和時間が長くなる、すなわちスピンコヒーレンス長が長くなるので、フラーレン２４ａを介して電子伝導が生じるときに、スピンが散乱することがなく、図に示したように例えば電子が縦方向に伝導したとしても、電子がスピン偏極度を保った状態で伝導することが可能となる。

　本実施の形態では、図２にも示したように、強磁性固定層２３の磁化の向きは磁化方向Ｓ₁ に固定されているのに対し、強磁性自由層２５は２つの安定した磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ のうちいずれかの方向、例えばＳ₂ の方向に向いている。この強磁性自由層２５はスピン偏極された電子流が注入されることにより磁化の向きが回転する。なお、強磁性自由層２５の２つ磁化方向が、メモリセル２０における２種類の記録情報に対応し、これら記録情報が「１」，「０」の信号として読み出される。なお、図２において、磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ は直交系の座標軸として描いている。

　なお、本実施の形態では、強磁性固定層２３と強磁性自由層２５とが異なる機能を有するようにするために、以下に挙げる強磁性材料が選択的に用いられる。
　単体：（１１０）配向　ｂｃｃ　Ｆｅ
　　　　（００１）配向　ｂｃｃ　Ｆｅ
　　　　　Ｃ軸面内配向　ｈｃｐ　Ｃｏ
　　　　（１１１）配向　ｆｃｃ　Ｃｏ
　　　　（１１０）配向　ｆｃｃ　Ｃｏ
　　　　（００１）配向　ｆｃｃ　Ｃｏ
　２元合金：Ｆｅ_1-r Ｃｏ_x （０＜ｘ＜１）
　　　　　　Ｎｉ_x Ｆｅ_1-x （０＜ｘ＜０．７５）
　　　　　　Ｎｉ₇₉Ｆｅ₂₁（パーマロイ合金）
　３元合金：ＭｎＦｅＣｏ
　　　　　　ＦｅＣｏＮｉ

　ここで、上記強磁性材料の選択は次の条件に従っている。例えば、強磁性固定層２３および強磁性自由層２５の強磁性材料を同じ材料とする場合には、強磁性固定層２３の方を強磁性自由層２５よりも厚く形成する。強磁性固定層２３および強磁性自由層２５を同じ材料で形成しない場合には、強磁性固定層２３のギルバート減衰係数が強磁性自由層２５のものよりも非常に大きい材料を選択するようにする。

　また、強磁性固定層２３および強磁性自由層２５の各層に、電流の偏極効率が互いに異なるものを選択すると、記録情報「０」から「１」、また、「１」から「０」への書込み時に必要な書き込み電流や書き込み時間を異なる値とすることが可能である。このように書き込み電流に非対称性を持たせることによって、例えばチップ上の全メモリセル２０を同時にクリアするときに、セル１個当たりに必要な電流が小さくすることが可能な極性を選択することができる等、回路構成上において有利になる。

　更に、強磁性自由層２５は、前述したように２つの安定化した磁化方向を持つことから、層内において一軸異方性を有することが重要である。すなわち、熱や磁場の揺らぎによる影響を受けない、例えば磁場Ｈｕが１００Ｏｅ（エルステッド）より大きな一軸異方性を有する必要がある。また、強磁性固定層２３の一軸異方性は強磁性自由層２５のものよりも大きくなければならない。なお、強磁性自由層２５に小さな一軸異方性の磁場Ｈｕを有する強磁性材料を用いる場合は、磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ の切り換えは容易であるが、こうしたシステムのＣＰＰ電圧測定は微妙な実験条件を必要とする。すなわち、一軸異方性の磁場Ｈｕが小さ過ぎる材料により作製されたメモリセルは、実際的なデバイスとして適していない。なお、このような一軸異方性は、強磁性材料の組成や、形状、結晶配向、格子歪みの制御することにより、また、これらの層を形成する際に印加する磁場の制御により得られる。具体的には、一軸異方性を有する強磁性薄膜として以下に示すものが挙げられる。

　例えば、磁気異方性で定まる磁化容易軸方向（＜００１＞方向）に沿って磁化された（１１０）面ｂｃｃ鉄は、高分極化率および一軸異方性の高い磁場Ｈｕを有する。また、例えば、バイアス磁場の存在下で蒸着され、磁場と平行に一軸誘導磁気異方性が付与されたパーマロイは、最適な分極化効率および小さい一軸異方性の磁場Ｈｕを有する。更に、例えば、面内ｃ軸方向に一軸異方性を備えたｈｃｐコバルトは、高い分極化効率および大きい一軸異方性の磁場Ｈｕを有する。加えて、例えばＦｅ格子サイトのｘ％でのＣｏ置換によりｂｃｃ構造をとるＦｅ_1-x Ｃｏ_x 合金は、膜面が（１１０）であり、＜１００＞方向に面内一軸磁気異方性の磁化容易軸を有する。このＦｅ_1-x Ｃｏ_x 合金は、最も高い分極化効率および大きい一軸異方性の磁場Ｈｕを有する。

　また、強磁性自由層２５において、層の面内で磁化方向を変化させる場合には、短辺が１μｍ以下の短冊形状の縦横比を選択することによって異方性の磁場Ｈｕを最適化することができる。他方、強磁性自由層２５の面内とその面内に垂直な方向との間で磁化方向を変化させる場合には、十分な垂直磁気異方性を得るために、強磁性自由層２５の厚さを５原子層以下にすることが好ましい。すなわち、強磁性自由層２５の厚さを略１ｎｍとすることが好ましい。この厚さは、磁化方向が面内方向となる場合と面内に対して垂直となる場合との間の遷移領域である。更に、強磁性固定層２３や強磁性自由層２５の偏極電子源としてＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金や半金属材料を用いるようにしてもよい。

　次に、このような構成を有する不揮発性ＲＡＭ１０の作用について説明する。この不揮発性ＲＡＭ１０では、強磁性固定層２３は、磁化の向きが所定の方向Ｓ₁ に固定され、他方、強磁性自由層２５は２つの安定した磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ を有し、これら磁化方向のいずれかの方向( ここではＳ₂ ）に向いている。このような不揮発性ＲＡＭ１０では、強磁性自由層２５の２つ磁化方向が各メモリセル２０における２つの記録情報に対応しており、この強磁性自由層２５にスピン偏極された電子流が注入され、磁化の向きが切り換えられることにより、記録情報「１」または「０」の書き込みがなされる。他方、これら記録情報の読み出しは、メモリセル２０において電流を垂直に流すことにより生じる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用することにより行われる。

　記録情報の書き込みを行う場合には、強磁性自由層２５の磁化の向きを切り換えるためにパルス電流が用いられ、強磁性自由層２５の磁化スイッチング（磁化反転）が行われる。例えば初期状態が平行磁化整合である場合（図４（Ａ））の書き込みは次のように行われる。すなわち、強磁性自由層２５でのスピンと同じ向きの電子粒子密度パルスＪｐが、強磁性自由層２５から強磁性固定層２３へ流れる。このとき、強磁性固定層２３は、電子粒子密度パルスＪｐと同じ向きのスピン状態が全て占有されているため、強磁性固定層２３に注入された電子粒子密度パルスＪｐのスピンはパウリの排他原理により反転する。このように反転したスピンを有する電子流が、電流密度パルスＪｅ（スイッチング電流Ｉ）として電子粒子密度パルスＪｐと反対方向に流れることにより、強磁性自由層２５のスピンの向きが反転する。このスイッチング電流Ｉは、図４（Ｂ）に示したように接合領域における臨界値Ｊｔ（Ａ）よりも大きく、ナノ秒単位でパルスが持続される。

　このようにしてスイッチング電流Ｉにより、強磁性自由層２５の磁化の向きが反転され、強磁性自由層２５の磁化の向きが強磁性固定層２３と逆向きとなり、反平行磁化整合状態となる（図４（Ｃ））。これにより書き込みが終了する。なお、「平行磁化整合」とは、強磁性自由層２５と強磁性固定層２３との磁化の向きが同じ方向であることをいい、また、「反平行磁化整合」とは、強磁性自由層２５と強磁性固定層２３との磁化の向きが逆の方向であることをいう。

　また、例えば初期状態が反平行磁化整合である場合（図５（Ａ））に書き込みを行うときには、電子粒子密度パルスＪｐおよび電流密度パルスＪｅのそれぞれの流れる向きが逆向きとなり、電子粒子密度パルスＪｐが強磁性固定層２３から強磁性自由層２５へ流れ、電流密度パルスＪｅ（スイッチング電流Ｉ）が、電子粒子密度パルスＪｐと反対方向に流れることにより開始される。すなわち、強磁性固定層２３におけるスピンと同じ向きの電子粒子密度パルスＪｐが、強磁性固定層２３から強磁性自由層２５へ流れる。

　このとき、強磁性自由層２３には、この強磁性自由層２３のスピンと異なる向きのスピンが注入されるが、この注入されたスピンによって、強磁性自由層２３のスピンがトルクを及ぼされ、そのスピンの向きが反転する。この反転されたスピンを有する電子流が、電流密度パルスＪｅ（スイッチング電流Ｉ）として電子粒子密度パルスＪｐと反対方向に流れる。このスイッチング電流Ｉは、図５（Ｂ）に示したように接合領域における臨界値Ｊｔ（Ａ）よりも大きく、ナノ秒単位でパルスが持続される。このようにスイッチング電流Ｉにより、強磁性自由層２５の磁化の向きが反転し、強磁性自由層２５の磁化の向きが強磁性固定層２３と同じ向きとなり、平行磁化整合状態となる（図５（Ｃ））。これにより書き込みが終了する。

　他方、記録情報の読出しを行う場合には、例えば、メモリセル２０において電流を垂直に流すＣＰＰ配置とされ、巨大磁気抵抗効果が利用される。例えば、平行磁化整合状態の場合（図６（Ａ））には、臨界値Ｊｔ以下の読出し電流パルスが流れることにより、論理「０」に対応する低電圧パルスＶ_low が得られる（図６（Ｂ））。また、例えば反平行磁化整合状態の場合（図７（Ａ））には、臨界値Ｊｔ以下の読出し電流パルスが流れることにより、論理「１」に対応する高電圧パルスＶ_highが得られる（図７（Ｂ））。

　このような読出し方法を採用する場合、読み出しに必要な、例えば５％以上のＧＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）を得るために、強磁性固定層２３および強磁性自由層２５の各層を構成する材料の電子の偏極Ｐｏｌ₁ , Ｐｏｌ₂ が下記の数１を満たすものを用いることが好ましい。

　このような不揮発性ＲＡＭ１０のアドレス方式としては、最も単純な方式とし、例えば図８に示したように、１個のメモリセル２０に対して１本の書き込み専用の配線４１を用いる方式が挙げられる。また、例えば図９に示したように、交差するように配線４２および配線４３を設け、これら配線４２, ４３の交点にメモリセル２０を配置し、配線４２，４３への信号の組合わせによりアドレスする、いわゆるｘｙアドレス方式が挙げられる。

　書き込み専用の配線４１を有するアドレス方式の場合には、１個のメモリセル２０に必要な結線は、電極層２２での 1箇所と、電極層２６での２箇所とし、疑似４端子測定が行われる。なお、電極層２２，２６の各々に１ヵ所結線する２端子測定で十分な場合もある。

　ｘｙアドレス方式の場合には、ｘ，ｙ両配線４３，４４に同時にパルスが印加される時にのみ、書込み臨界電流を超える電流が流れることによりメモリセル２０が選択される。このとき、書き込みが行われるメモリセル２０においてパルスの一致を確実なものとするために、ｘ線またはｙ線の一方（例えばｘ線）には長いパルスを与え、他方（ｙ線）には短いパルスを与えるようにしてもよい。

　次に、図１０〜図１６を参照して、上記不揮発性ＲＡＭ１０の製造方法について説明する。なお、図１０は図１１（Ａ）の平面図であり、図１３は図１２の平面図、図１６は図１５（Ｃ）の平面図である。

　まず、図１０および図１１（Ａ）に示したように、例えばシリコンからなる基板２１を用意する。この基板２１はドーピング処理がなされていないものであり、例えば外径が４インチ、厚さが０．０１インチである。また、基板２１は、後の工程で電極２２の形成領域を切り出すために、ダイアモンド・ポイントにより刻んでおく。基板２１の表面を研磨した後、洗浄し酸化処理を施す。次に、例えば蒸着法によって、基板２１の面内の略中心の領域（その大きさが例えば２ｃｍ×２ｃｍ）に、例えばＡｕからなる電極層２２を成膜する。この電極層２２の厚さは例えば０．５μｍとする。

　次に、図１１（Ｂ）に示したように、電極層２２の上に、例えばフォトリソグラフィ法によって、厚さが５０ｎｍ以上のレジスト膜３１を形成する。このとき、レジスト膜３１にメモリセル２０の形状に応じてパターニングを施す。

　続いて、図１１（Ｃ）に示したように、例えば蒸着法によって、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉なる組成を有するパーマロイからなる強磁性固定層２３を成膜する。この強磁性固定層２３の厚さは例えば４ｎｍとする。また、強磁性固定層２３の成膜の際、１００Ｏｅの磁場を印加しながら一軸磁気異方性を誘起させる。

　次いで、例えばプラズマ蒸着法によって、例えばＬａを内包したＣ₈₂（Ｌａ＠Ｃ₈₂）からなる、厚さが２０ｎｍの常磁性層２４を成膜する。このＣ₈₂は例えば大きさが０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の中空を有しており、この中空にＬａを内包させる。このとき、強磁性固定層２３の一軸異方性は保持されている。具体的には、プラズマ蒸着法において、例えば外部電極式容量結合型または平行平板電極式容量結合型のプラズマ重合装置を用いる（例えば特開平８−５９２２０号参照）。このプラズマ重合装置は、反応容器内にプラズマ電源に接続されたモリブデンボートが設けられており、このモリブデンボートの中にＣ₈₂粉末が収容される。反応容器内の、モリブデンボートに対向する位置には、強磁性固定層２３が成膜された基板２１が配設される。

　このようなプラズマ重合装置を用い、プラズマ電源を例えば交流１３．５６ＭＨｚ、出力は１５０Ｗにセットすることにより、一定流量系にてＬａの正イオンプラズマを発生させ、モリブデンボート中のＣ₈₂粉末を数百℃で昇華させ、基板２１の強磁性固定層２３上に、Ｌａ＠Ｃ₈₂からなる常磁性層２４を成膜させる。本実施の形態では、常磁性層２４を常磁性材料を内包したフラーレン（例えばＬａ＠Ｃ₈₂）により成膜するようにしたので、均一な薄膜成長を行うことができ、また、スピンコヒーレンス長を制御することが可能となる。

　次に、例えば蒸着法によって、常磁性層２４の上に、パーマロイからなる、例えば厚さが１ｎｍの強磁性自由層２５を成膜する。このとき、強磁性固定層２３の成膜時と同様な磁場を印加しながら成膜を行うことにより、強磁性自由層２５のｃ軸が強磁性固定層２３の磁化と平行になるように、強磁性自由層２５に一軸磁気異方性を誘起する。これにより強磁性自由層２５は、２つの安定した磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ を有し、これら磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ のいずれかの方向を向く。

　続いて、蒸着法によって、例えば金よりなる、厚さが２５ｎｍの電極層２６を成膜する。次いで、図１２および図１３に示したように、レジスト膜３１を溶解除去することにより、リフトオフを行う。これによりメモリセル部３２ａおよび接地端子部３２ｂが選択的に形成される。

　次いで、図１４（Ａ）に示したように、基板２１の上に、メモリセル部３２ａおよび接地端子部３２ｂを覆うようにして、例えば厚さ６０ｎｍのポリメチルメタクリレートからなる絶縁層３３を形成する。この絶縁層３３は平坦化膜として機能する。次に、図１４（Ｂ）に示したように、例えば酸素プラズマエッチング法によってメモリセル部３２ａおよび接地端子部３２ｂの上面を露出させる。

　続いて、図１４（Ｃ）に示したように、レジスト膜３４を選択的に形成する。レジスト膜３４は、接地端子部３２ｂを覆うと共にメモリセル部３２ａを露出させるようなパターンを有する。このレジスト膜３４の厚さは例えば０．２μｍとする。次いで、図１５（Ａ）に示したように、レジスト膜３４を覆うようにして、例えばＡｕからなる金層３５を成膜する。　

　続いて、図１５（Ｂ）に示したように、レジスト膜３４を溶解除去することによりリフトオフを行い、金層３５を選択的に除去する。この金層３５は、メモリセル２０の一方の電気的接点となるもので、電極層２６と電気的に接続されている。また、レジスト膜３４を溶解除去することにより、接地端子部３２ｂが露出するが、接地端子部３２ｂは他方の電極層２２と電気的に接続されている。

　次いで、図１５（Ｃ）に示したように、これら電気的接点（接地端子部３２ｂおよび金層３５に電圧信号用のワイヤ３６，３７および電流パルス用のワイヤ３８，３９をボンディングにより接続させる。最後に、銅（Ｃｕ）からなるヒートシンク（図示せず）に、メモリセル２０が形成された基板２１を固着させることにより、不揮発性ＲＡＭ１０が完成する。

　このように構成された不揮発性ＲＡＭ１０では、強磁性自由層２５の２つの磁化方向Ｓ₁,Ｓ₂ が各メモリセル２０における２つの記録情報に対応しており、この強磁性自由層２５にスピン偏極された電子流を注入し、磁化の向きを切り換えることにより、「１」または「０」に書き込みがなされる。

　このとき、スピン偏極された電子流は常磁性層２４を介して流れる。本実施の形態では、この常磁性層２４は内包フラーレン薄膜（図３）からなる。内包フラーレン薄膜は、内包されている常磁性材料２４ｂのスピンの配向がランダムとなっていることから、安定な常磁性を有している。更に、フラーレン２４ａ内の電子スピンは、擬０次元空間で量子化された状態にある。加えて、常磁性層２４を内包フラーレン薄膜とすることにより、均一な薄膜成長を行うことおよびスピンコヒーレンス長を制御することを容易に行うことができる。これにより、常磁性層２４内では、十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場を得ることができ、スピン散乱を防止することができる。すなわち、電子がそのスピン偏極度を保った状態で常磁性層２４内を伝導される。

　このように本実施の形態では、常磁性層２４を、大きさが０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の中空を有し、中空に常磁性材料が内包されたフラーレンにより形成するようにしたので、均一な薄膜成長を行うことおよびスピンコヒーレンス長を制御することが容易となり、十分なスピンコヒーレンス長および均一なスピン場が得られる。従って、スピン偏極した伝導電子の散乱を防止することが可能となり、信頼性が向上する。これによりスピン注入方式の不揮発性ＲＡＭ１０の実用化を図ることが可能となる。特に、従来の誘起磁場方式と比較して、記録密度の上限を大幅に高めることができ、読出し時間の短縮や消費電力の削減を図ることが可能となる。

　以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、強磁性固定層２３の磁化の向きを所定の方向に固定するために、強磁性固定層２３の一面に、例えば反強磁性材料からなる磁化固定層５１（図１７参照）を形成するようにしてもよい。反強磁性材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｈＭｎ、ＣｒＭｎＰｔ、ＦｅＭｎＰｔ等を挙げられる。これらの中で、ＮｉＭｎは、高温でも大きいピンニング場（例えば、Ｔ＝４５０Ｋまで６５０Ｏｅ程度）が得られることから好適である。

　このような磁化固定層５１により、強磁性固定層２３の磁気モーメントがピン止めされ、所定の磁化方向に固定される。この磁化固定層５１は、反強磁性材料として金属を用いると電極も兼ねることが可能である。また、上記実施の形態では記録情報を読み出す手法にＧＭＲ効果を利用するようにしたが、例えば強磁性自由層２５に光を照射するときに生ずる磁気カー効果を利用するようにしてもよい。

　また、上記常磁性層２４に加えて、図１８に示したように、希薄磁性合金を内包したスピン配列化層５２を設けるようにしてもよい。希薄磁性合金は、半導体に磁性体金属をドープさせたもので、半導体の特性を保ちながら磁気秩序を持つ。希薄磁性体と強磁性金属の接合界面においては、磁化が非平衡となり、スピン偏極電子を生じることができる（出典R. FIEDERLING, M. KEIM, G. REUSCHER, W. OSSAU, G. SCHMIDT, A. WAAG & L. W. MOLENKAMP Nature 402, 787 - 790 (1999)"Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode") 。従って、この希薄磁性合金をスピン伝導層を兼ねたスピン配列化層５２として利用することにより、より高いスピン偏極度を得ることができる。

　希薄磁性体合金としては、例えば、(In,Mn)As,(Ga,Mn)As,(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Te, (Zn,Cr)Teが挙げられる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　希薄磁性合金を内包したスピン配列化層５２の位置は、２つの強磁性層（強磁性固定層２３および強磁性自由層２５）の間であればよいが、より好ましくは基準となる強磁性固定層２３とスピン伝導層（常磁性層２４）の間であり、これにより、スピン注入における伝導スピンの偏極度を高めることができる。

　なお、この希薄磁性合金を、常磁性層２４に含まれるフラーレンに内包させるようにすれば、常磁性層２４がスピン配列化層およびスピン伝導層として機能する。

　更に、記録情報の読み出し結果に従って他の回路を動作させて論理演算を行わせるために、上記不揮発性ＲＡＭに対して、例えば読み出し信号の増幅回路を組み込むようにしてもよい。更に、上記実施の形態では基板２１の上に、電極層２２, 強磁性固定層２３, 常磁性層２４, 強磁性自由層２５および電極層２６をこの順で形成するようにしたが、各層の成膜順序は上記と逆にしてもよい。

〔実施例〕
　本実施例では、以下のような構成を有する不揮発性ＲＡＭを作製した。ここでは、電極層２６から基板２１までの構成を示す。

＜試料構造＞
　　電極層　　　　　；Ａｕ膜（厚さ２５ｎｍ）
　　強磁性自由層　　；Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉からなるパーマロイ膜（厚さ１ｎｍ、ｃ軸が強磁性固定層の磁化と平行となるような一軸異方性を有する）
　　常磁性層　　　　；Ｌａ＠Ｃ₈₂薄膜（厚さ２０ｎｍ）
　　強磁性固定層　　；Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉からなるパーマロイ膜（厚さ４ｎｍ、一軸異方性を有する）
　　電極層　　　　　；Ａｕ膜（厚さ５００ｎｍ）
　　基板　　　　　　；シリコン基板

　本実施例の試料構造の測定結果を以下に示す。
＜演算された値＞
偏極効率：〜９０％
強磁性自由層に対する面内有効異方性磁場：Ｈｕ＝＋２Ｋｕ／Ｍｓ〜１０Ｏｅ
スピン数密度：〜１．９×１０¹⁵ｃｍ²
ギルバート減衰係数：０．００５
臨界値Ｊｔ：〜８×１０³ Ａ／ｃｍ²
電気抵抗：１６ｍΩ
ノイズ電圧（１０Ｈｚ　ＢＷ，７７ｋ）：０．２ｎＶ
＜測定値＞
実験によるスイッチング電流密度：〜２×１０⁴ Ａ／ｃｍ²
スイッチング時間θ（０〜π）：〜０．０５μ秒
読出し中のピーク消費電力：〜０．１ｐＷ
読出し電流密度：〜３×１０⁴ Ａ／ｃｍ²
読出し電流パルス：〜５．０μＡ，１Ｈｚ
ＣＰＰ　ＧＭＲ　４％　ΔＲ／Ｒ：〜（８００μΩ／２０ｍΩ）
平均読み取り電圧：〜５ｎＶ

　また、本実施例の比較例として、常磁性層に厚さが２０ｎｍのＡｕ膜を用いることを除き、実施例と同様にして不揮発性ＲＡＭを作製した。この比較例の測定結果を以下に示す。
＜演算された値＞
偏極効率：〜３０％
自由層に対する面内有効異方性磁場：Ｈｕ＝＋２Ｋｕ／Ｍｓ〜１０Ｏｅ
スピン数密度：〜１．９×１０¹⁵ｃｍ²
ギルバート減衰係数：０．０１
臨界値Ｊｔ：〜８×１０³ Ａ／ｃｍ²
電気抵抗：１６ｍΩ
ノイズ電圧（１０Ｈｚ　ＢＷ，７７ｋ）：〜０．３ｎＶ
＜測定値＞
実験によるスイッチング電流密度：〜２×１０⁴ Ａ／ｃｍ²
スイッチング時間θ（０〜π）：〜０．１μ秒
読出し中のピーク消費電力：〜０．１ｐＷ
読出し電流密度：〜４×１０³ Ａ／ｃｍ²
読出し電流パルス：〜６．４μＡ，１Ｈｚ
ＣＰＰ　ＧＭＲ　４％　ΔＲ／Ｒ：〜（８００μΩ／１６ｍΩ）
平均読出し電圧：〜５ｎＶ

　以上からわかるように、本実施例では、常磁性層をＡｕ膜の代わりにＬａ＠Ｃ₈₂膜とすることにより、偏極効率を著しく高めることができた。すなわち、常磁性層をＡｕ膜の代わりにＬａ＠Ｃ₈₂膜とすれば、不揮発性ＲＡＭの性能の向上を図ることができることがわかった。

　更に、本実施例の比較例として、従来の誘起磁場方式のＲＡＭの測定結果を以下に示す。
＜測定値＞
スイッチング電流密度：〜５．８×１０⁶ Ａ/cｍ²
スイッチング時間θ（０〜π）：〜０．０８μ秒
読出し中のピーク消費電力：〜１．０ｐＷ
読出し電流密度：〜１×１０⁵ Ａ／ｃｍ²
読出し電流パルス：〜５．０μＡ，１Ｈｚ
ＣＰＰ　ＧＭＲ　４％　ΔＲ／Ｒ：〜（８００μΩ／２０ｍΩ）
平均読み取り電圧：〜４０ｎＶ

　従来の誘起磁場方式のＲＡＭと比較して、スイッチングおよび書き込みに必要な電流が２桁のオーダ、スイッチング時間が１桁のオーダ、消費電力が１桁のオーダで特性が向上した。すなわち、スピン注入方式の不揮発性ＲＡＭは、従来の誘起磁場方式のものと比較して、読出し時間の短縮や消費電力の削減を図ることが可能となることがわかった。

　以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

本発明の一実施の形態に係る不揮発性ランダムアクセスメモリの概略構成を表す模式図である。 不揮発性ランダムアクセスメモリを構成するメモリセルの模式図である。 メモリセルの常磁性層に用いられる内包フラーレン薄膜の結晶構造を説明するための図である。 メモリセルへの書き込み動作を説明するための模式図である。 メモリセルへの書き込み動作を説明するための模式図である。 メモリセルへの読み出し信号を示す模式図である。 メモリセルへの読み出し信号を示す模式図である。 メモリセルのアドレス方式を説明するための図である。 メモリセルのアドレス方式を説明するための図である。 図１に示した不揮発性ランダムアクセスメモリの製造工程を説明するための平面図である。 図１０に続く工程の断面図である。 図１１に続く工程の断面図である。 図１２の平面図である。 図１２に続く工程の断面図である。 図１４に続く工程の断面図である。 図１５の平面図である。 メモリセルの変形例である。 メモリセルの他の変形例である。

符号の説明

　１０…不揮発性ランダムアクセスメモリ、２０…メモリセル、２１…基板、２２, ２６…電極層、２３…強磁性固定層、２４…常磁性層、２５…強磁性自由層、３１, ３４…レジスト膜、３２ａ…メモリセル部、３２ｂ…接地端子部、３３…絶縁層、３５…金層、３６, ３７, ３８, ３９…ワイヤ、４１，４２, ４３…配線, ５１…磁化固定層，５２…スピン配列化層

Claims (22)

1. 　複数のメモリセルにより構成され、スピン偏極した電子の注入により前記メモリセルの記録情報の書き込みが行われる不揮発性ランダムアクセスメモリであって、
   　前記メモリセルは、
   　磁化の向きが固定される第１の強磁性層と、
   　中空を有し、前記中空に常磁性材料が内包されると共に所定のスピンコヒーレンス長を有する球殻状分子材料からなり、前記第１の強磁性層の一面に形成された常磁性層と、
   　前記常磁性層における前記第１の強磁性層が形成された面とは反対側の面に形成され、前記スピン偏極した電子により磁化の向きが変化する第２の強磁性層とを備え、
   　前記第２の強磁性層の磁化の向きの変化により前記記録情報の書き込みが行われる
   　ことを特徴とする不揮発性ランダムアクセスメモリ。
2. 　前記常磁性層を構成する球殻状分子材料は炭素分子フラーレンである
   　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
3. 　前記球殻状分子材料は、大きさが０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の中空を有する炭素分子フラーレンである
   　ことを特徴とする請求項２記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
4. 　前記常磁性層の厚さは０．５ｎｍ以上５μｍ以下である
   　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
5. 　前記球殻状分子材料に内包される常磁性材料は、ランタン（Ｌａ），セシウム（Ｃｓ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ユウロピウム（Ｅｕ）またはガドリニウム（Ｇｄ）である
   　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
6. 　前記球殻状分子材料に内包される常磁性材料は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）である
   　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
7. 　前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間にスピン配列化層を備えた
   　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
8. 　前記スピン配列化層は、希薄磁性体を内包している
   　ことを特徴とする請求項７記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
9. 　前記希薄磁性体は、(In,Mn)As,(Ga,Mn)As,(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Te,および (Zn,Cr)Teのうちの少なくとも一種からなる
   　ことを特徴とする請求項８記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
10. 　　前記球殻状分子材料に希薄磁性体が内包されており、前記常磁性層は、スピン配列化層およびスピン伝導層として機能する
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
11. 　前記第１の強磁性層の厚みは、前記第２の強磁性層よりも厚い
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
12. 　前記第１の強磁性層における前記常磁性層が形成された面とは反対側の面に、前記第１の強磁性層の磁化の向きを固定するための磁化固定層を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
13. 　前記磁化固定層は反強磁性材料からなる
    　ことを特徴とする請求項１２記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
14. 　前記磁化固定層は電極を兼ねている
    　ことを特徴とする請求項１２記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
15. 　前記第２の強磁性層の厚みは５原子層以下である
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
16. 　前記メモリセルの両面のそれぞれに電極が形成され、前記電極は常磁性金属材料からなる
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
17. 　前記メモリセルの第２の強磁性層にはスピン偏極した電子を注入するための書込み線が接続されている
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
18. 　前記メモリセルの面積は０．５ｎｍ² 以上５μｍ² 以下である
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
19. 　前記メモリセルの記録情報を、前記メモリセルの積層方向に電流を流し、そのときに生じる巨大磁気抵抗効果を利用して読み出す
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
20. 　前記メモリセルの記録情報を、前記第２の強磁性層に光を照射し、そのときに生じる磁気カー効果を利用して読み出す
    　ことを特徴とする請求項１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
21. 　磁化の向きが固定される第１の強磁性層と、
    　中空を有し、前記中空に常磁性材料が内包されると共に、所定のスピンコヒーレンス長を有する球殻状分子材料からなり、前記第１の強磁性層の一面に形成された常磁性層と、
    　前記常磁性層における前記第１の強磁性層が形成された面とは反対側の面に形成され、スピン偏極した電子が注入される第２の強磁性層と
    　を備えたことを特徴とする不揮発性ランダムアクセスメモリ。
22. 　前記常磁性層を構成する球殻状分子材料は、炭素分子フラーレンである
    　ことを特徴とする請求項２１記載の不揮発性ランダムアクセスメモリ。
    

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