JP2009094441A - 強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気情報の記録される強磁性半導体層（magnetic Semiconductors、MS）自体をセンサー層として同時に利用することにより、磁気記録素子の構造を簡単にして工程を短縮し、生産単価を節減するばかりか、さらに多重ドメイン状態を利用した巨大な平面ホール効果（Planar Hall Effect）または磁気抵抗（Magnetoresistance）を測定して多重状態の情報を記録することができる記憶素子を提供する。
【解決手段】基板１１０と、前記基板１１０上に形成され、多重ドメイン状態を用いて多重の状態を平面ホール効果または磁気抵抗値を通じて貯蔵しセンシングする強磁性半導体層１２０と、前記強磁性半導体層上に形成された絶縁膜１３０と、前記絶縁膜上に形成された第１電流ライン１４０と、前記第１電流ライン上に形成された絶縁膜１５０と、前記絶縁膜上に形成された第２電流ライン１６０と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、強磁性の特性を有する半導体物質の多重ドメイン状態を用いた記憶素子に係るもので、詳しくは、磁気情報の記録される強磁性半導体層（Magnetic Semiconductors、MS）自体をセンサー層として同時に利用することにより、磁気記録素子の構造を簡単にして工程を短縮し、生産単価を節減するばかりか、さらに多重ドメイン状態を利用した巨大な平面ホール効果（Planar Hall Effect）または磁気抵抗（Magnetoresistance）を測定して多重状態の情報を記録することができる記憶素子に関する。

一般に、磁気記憶素子は現在使用されているＤＲＡＭ（Dinamic-RAM）、ＳＲＡＭ（Static-RAM）、フラッシュメモリ（Flesh memory）などを代替する記憶素子として認識されており、 コンピューターだけでなくスマートカード、移動端末機、携帯フォーンなどのようなモバイル機器に広く利用される見通しである。

現在、一番広く使用されているＤＲＡＭは、電源の供給が中断されると保持された情報の全部が消えてしまう揮発性メモリであり、このため、機器の初期動作の時に作動に至るまでに長い時間がかかるとの短所がある。このような問題点を解決するための方法として提示されているＦｅＲＡＭは現在常用化の段階までに至っているが、未だに初期動作時に高電圧を必要とし、構造的に複雑ないろんな短所を有している実情である。

磁気記憶素子（Magnetic−RAM、MRAM）は上記のような短所を解決し、低電圧で速い動作速度が可能なので研究が活発に進行されつつある。
図１は従来のＭＲＡＭ素子を概略的に示した構造図である。
図１を参照すると、従来のＭＲＡＭ素子は非磁性層を介した二つの磁性層のスピン方向が同一な場合よりも違う場合に抵抗が大きく異なってくる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）現像を用いたもので、スピンバルブ構造を基本とすることにより多重磁性層からなった複合構造を有する。

従来のＭＲＡＭ素子はスペース層を基準にして下層に形成されてセンシング役目を果たすハード磁性層と、上層に形成されて貯蔵役目を果たすソフト磁性層とを含んで構成される。
ここで、前記ソフト磁性層の磁化方向をワードラインに電流を流すことにより書き込み、二つの磁性層の磁化方向に従う抵抗変化を感知することにより記録された磁化方向を読み出す。
然るに、上述のような従来のＭＲＡＭ素子は、スピンバルブを構成するいろんな磁性層と、ワードラインおよびリードラインの役目を果たす層とが加えられて多重層の複雑な構造を有することにより、工程上の難しさとともに生産性が低下されるとの問題点があった。
また、一つのセル内に貯蔵可能な情報は“０”と“１”を表す１ビットデータで、複雑な構造に比べ貯蔵された情報量が少ないとの問題点があった。

そこで、本発明の目的は、安定した多重ドメイン状態を有する磁性半導体（ＭＳ）を用いて素子の厚さを減し、製造工程を短縮させて工程効率性を高めることができる磁気記憶素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、磁性半導体の安定した多重ドメイン状態を用いて一つのセル内に４状態以上の情報を貯蔵することが可能なので、記憶素子の貯蔵容量を増加させ、処理速度を増加させることができる磁気記憶素子を提供することにある。

このような目的を達成するため本発明の第1実施形態による強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子は、基板と、前記基板上に形成され、多重ドメイン状態を用いて多重の状態を平面ホール効果または磁気抵抗値を通じて貯蔵しセンシングする強磁性半導体層と、前記強磁性半導体層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第１電流ラインと、前記第１電流ライン上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第２電流ラインと、を含むことを特徴とする。

本発明の第2実施形態による強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子は、基板と、前記基板上に形成された第１電流ラインと、前記第１電流ライン上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、単一または多重ドメイン状態を用いて多重の情報を平面ホール効果または磁気抵抗を通じて貯蔵しセンシングする強磁性半導体層と、前記強磁性半導体層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第２電流ラインと、を含むことを特徴とする。
ここで、前記強磁性半導体層は書き込みの動作時に前記第１電流ラインと第２電流ラインが交差するセル内にパルス形態に電流を印加して誘導磁気場を形成し、磁気場の方向（φ）と強さ（Ｍ）を調節して磁気異方性を有する強磁性材料を単一ドメイン状態または多重ドメイン状態に作り、前記単一ドメイン状態または多重ドメイン状態に従い異なってくる多重状態に対する平面ホール抵抗値あるいは磁気抵抗値を記録して多重の情報を貯蔵することを特徴とする。
そして、前記多重ドメイン状態は磁気場の方向と強さに従い多重ドメインの壊れた程度を調節できるし、平面ホール抵抗値または磁気抵抗値を用いてドメインがどのぐらい壊れているかが確認できることを特徴とする。
また、前記強磁性半導体層は読み出しの動作時に電流ラインにセンシング電流を流して貯蔵された平面ホール抵抗または磁気抵抗値を読み出すことを特徴とする。
そして、前記平面ホール抵抗値は以下の数学式

により測定されることを特徴とする。
ここで、ｋは電流の方向が磁化方向と垂直なときおよび平行なときに非抵抗値の差で、ｔは試料の厚さである。
また、前記磁気抵抗値は以下の数学式

により測定されることを特徴とする。
ここで、

は外部磁気場が電流方向と垂直なときに強磁性材料の抵抗値で、

は外部磁気場が電流方向と平行なときの抵抗値で、φは磁化方向である。
そして、前記強磁性半導体層はＧａＭｎＡｓから構成されることを特徴とする。

本発明による強磁性物質の多重ドメイン状態を用いた磁気記憶素子は、磁性半導体の優れた磁気異方性を用いて多重の抵抗値を一つのセル内に貯蔵することにより記憶素子の貯蔵容量を増加させ、３重層を必要とするスピンバルブ記憶素子と比べ単一層の磁性半導体層のみで具現することにより、全体記憶素子の構造を簡単にして工程の効率性を高めると共に高集積化を図ることができるとの効果がある。
また、情報の書き込み及び読み出しのプロセスが簡素化されて記憶素子の動作速度を大きく向上させることができるとの効果がある。

図2は本発明の第１実施例による磁気記憶素子を概略的に示した断面図であり、図3は本発明の第２実施例による磁気記憶素子を概略的に示した断面図である。
図2を参照すると、本発明の第１実施例による磁気記憶素子は、基板１１０と、前記基板１１０上に形成された強磁性半導体層(MS)１２０と、前記強磁性半導体層１２０上に形成された絶縁膜１３０と、前記絶縁膜１３０上に形成された第１電流ライン１４０と、前記第１電流ライン１４０上に形成された絶縁膜１５０と、前記絶縁膜１５０上に形成された第２電流ライン１６０と、前記第２電流ライン１６０上に形成された保護膜１７０と、を含んで構成される。
図3を参照すると、本発明の第２実施例による磁気記憶素子は、基板２１０と、前記基板２１０上に形成された第１電流ライン２２０と、前記第１電流ライン２２０上に形成された絶縁膜２３０と、前記絶縁膜２３０上に形成された強磁性半導体層(MS)２４０と、前記強磁性半導体層２４０上に形成された絶縁膜２５０と、前記絶縁膜２５０上に形成された第２電流ライン２６０と、前記第２電流ライン２６０上に形成された保護膜２７０と、を含んで構成される。
ここで、前記強磁性半導体層１２０、２４０は単一または多重ドメイン状態を用いて多重の情報を平面ホール効果または磁気抵抗を通じて貯蔵しセンシングする役目を担当する。
前記強磁性半導体層１２０、２４０は磁気異方性特性の強い磁性物質であるIII−Ｖ磁性半導体から構成され、好ましくはガリウム・マンガン・ヒ素（GaMnAs）から構成される。

以下、磁気記憶素子の構造は当業者には自明なものなので、一般的な磁気記憶素子構成に対する説明は省略し、本発明の核心に該当する強磁性半導体層の構成および作用に対して重点的に説明する。
本発明は、多重層の複雑なＭＲＡＭ構造を改善する方案としてスピンバルブ構造のＧＭＲ効果の代わりに、多重ドメイン構造において現れる平面ホール効果（ＰＨＥ）または磁気抵抗を利用する。
より詳しくは、単一ドメイン状態は強磁性材料の磁化が全部同一な方向を向いている状態を示し、たいていの強磁性材料はこのような状態を有し得る。

多重ドメイン状態はドメイン境界（Domain wall）を有する強磁性材料の状態を示し、この場合に磁化方向は各ドメイン毎に異なって現れる。特に、強磁性半導体の場合には大きな磁気異方性（magnetic anisotreopy）を有する物質として、平面で４方向の磁化方向を有し得る。
図4は強磁性半導体が磁気エネルギーが最少となる角度で４個の磁化方向を示した図であり、図5は単一ドメイン状態で外部磁気場のスキャンのときに磁化方向に従い平面ホール抵抗値が変化する履歴曲線を概略的に示した図である。ここで、図5の矢印番号１，２，３，４は磁気場スキャン方向を示し、太い矢印は抵抗状態に対応される磁化方向を示す。

本発明は上述のような問題点を解決するために多重ドメイン構造を用いた四つの状態を書き込むようになる。
多重ドメイン状態は単一ドメイン状態から９０°だけ回転した他のドメイン状態に回転するとき、互いに異なった磁化方向を有する単一ドメイン状態の中間部分において外部磁気場の印加がなくなると形成され、前記図5において２番磁化方向スイッチングの場合に中間平面ホール抵抗値が多重ドメイン状態に該当する。

多重ドメイン状態の各ドメインは四つの磁化方向のうち磁化し易い方向(magnetic easy axes) に磁化され、多重ドメイン状態の全体磁化値はこれらドメインのベクトル和で表すことができる。

例えば、４５°と１３５°を有するドメインの、磁気異方性を有する強磁性体の場合、各面積比をｐ対１−ｐに定義すると、これらのベクトル和で表した全体磁化量Ｍは

であり、
全体磁化方向(φ)は

である。
図6は本発明の好ましい実施例による多重ドメイン状態に対する磁気履歴曲線を示した図である。
多重ドメイン状態が発生した場合に平面ホール抵抗値または磁気抵抗値を用いてドメインがどのぐらい壊れたかが分かる。
図6を参照すると、単一ドメイン状態と多重ドメイン状態の間に磁化転換が起こる平面ホール効果の履歴曲線を通じて四つの抵抗値（０、１、２、３状態）がそれぞれ違う状態にあることがわかる。

従って、外部磁気場の方向(φ)と強さ(M)を調節することにより、磁気異方性を有する強磁性材料を単一ドメイン状態または多重ドメイン状態に作ることができるし、前記磁化転換による平面ホール抵抗値を貯蔵して四つの状態の他の抵抗値を貯蔵することができる。
ここで、前記平面ホール抵抗値は以下の式により計算される。

ここで、ｋは電流の方向が磁化方向と垂直なときおよび平行なときに非抵抗値の差であり、ｔは試料の厚さである。
つまり、強磁性半導体の単一と多重ドメイン状態を用いると、四つの抵抗値がそれぞれ違う状態を具現できるし、抵抗値として貯蔵された情報を直ちに読み出すことができるので、情報をリードする過程が磁性体スピンバルブ構造よりもっと簡単に具現できる。前記平面ホール抵抗を基本にして記述した内容は磁気抵抗を用いても可能である。磁気抵抗を用いる場合に磁気抵抗値は以下の式により計算される。

ここで、

は外部磁気場が電流方向と垂直なときに強磁性材料の抵抗値であり、

は外部磁気場が電流方向と平行なときの抵抗値であり、

は磁化Ｍの関数なので、平面ホール抵抗値のように単一または多重ドメイン状態に従い磁気抵抗値が異なってくる。

（実施例）
単一または多重ドメイン状態を作るための外部磁気場は強磁性半導体層上に電流ラインを形成して誘導磁気場を作って代替できるし、図7は本発明による誘導磁気場形成のための構造を概略的に示した構造図であり、図8は本発明の好ましい実施例による磁気記憶素子の誘導磁気場形成を概略的に示した例示図である。
図7および図8を参照すると、情報貯蔵用セル内に絶縁層として区別された電流ラインが形成され、電流ラインの交差するセル内にパルス形態の電流が流して誘導磁気場が形成されてセル内に情報を書き込むことができる。

言い換えれば、電流をパルス形態に調節すると、電流ラインの周りに誘導磁気場を形成することができるし、平面ホール抵抗値が電流パルスにより調節されるドメイン状態（単一または多重ドメイン）に従い異なってくることがわかる。
図9は本発明による平面ホール抵抗値の測定方法を示した図であり、図10は本発明による磁気抵抗値の測定方法を示した図である。
図9および図10を参照すると、十字形の強磁性半導体層上に絶縁層があり、その上に第１電流ラインが形成され、前記絶縁層上に第２電流ラインが形成される。第１電流ラインと第２電流ラインに同時に電流が流れる十字中央の強磁性半導体層領域に強い誘導磁気場が形成されることにより、強磁性材料のドメイン状態が変えられ、上記のような方法により強磁性半導体層に情報（４状態）を貯蔵することができる。上述のように貯蔵された情報はセンシング電流を通じて平面ホール抵抗値または磁気抵抗値をその大きさを測定して読み出すことができる。従って、単一の強磁性半導体層がセンシング役目と貯蔵役目を同時に果たすことができる。

以上、説明した本発明の詳細な説明においては本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、本発明の保護範囲は前記実施例に限らず、該当技術分野の通常の知識を有する者ならば本発明の思想および技術領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正および変更可能なのは勿論のことである。

従来のＭＲＡＭ素子を概略的に示した構造図である。 本発明の第１実施例による磁気記憶素子を概略的に示した断面図である。 本発明の第２実施例による磁気記憶素子を概略的に示した断面図である。 強磁性半導体が磁気エネルギーが最少となる角度で四つの磁化方向を表したものを示した図である。 単一ドメイン状態で外部磁気場スキャンのときに磁化方向に従い平面ホール抵抗値が変化する履歴曲線を概略的に示した図である。 本発明の好ましい実施例による多重ドメイン状態に対する磁気履歴曲線を示した図である。 本発明による誘導磁気場形成のための構造を概略的に示した構造図である。 本発明の好ましい実施例による磁気記憶素子の誘導磁気場形成を概略的に示した例示図である。 本発明による平面ホール抵抗値の測定方法を示した図である。 本発明による磁気抵抗値の測定方法を示した図である。

符号の説明

110 : 基板 120 : 強磁性半導体
130 : 絶縁膜 140 : 第１電流ライン
150 : 絶縁膜 160 : 第２電流ライン
170 : 保護膜

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、多重ドメイン状態を用いて多重の状態を平面ホール効果または磁気抵抗値を通じて貯蔵しセンシングする強磁性半導体層と、
   前記強磁性半導体層上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成された第１電流ラインと、
   前記第１電流ライン上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成された第２電流ラインと、を含むことを特徴とする強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
2. 基板と、
   前記基板上に形成された第１電流ラインと、
   前記第１電流ライン上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成され、単一または多重ドメイン状態を用いて多重の情報を平面ホール効果または磁気抵抗を通じて貯蔵しセンシングする強磁性半導体層と、
   前記強磁性半導体層上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成された第２電流ラインと、を含むことを特徴とする強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
3. 前記強磁性半導体層は、書き込みの動作時に前記第１電流ラインと第２電流ラインが交差するセル内にパルス形態に電流を印加して誘導磁気場を形成し、磁気場の方向（φ）と強さ（Ｍ）を調節して磁気異方性を有する強磁性材料を単一ドメイン状態または多重ドメイン状態に作り、前記単一ドメイン状態または多重ドメイン状態に従い異なってくる多重状態に対する平面ホール抵抗値あるいは磁気抵抗値を記録して多重の情報を貯蔵することを特徴とする請求項１または２に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
4. 前記多重ドメイン状態は、磁気場の方向と強さに従い多重ドメインの壊れた程度を調節できるし、平面ホール抵抗値または磁気抵抗値を用いてドメインがどのぐらい壊れているかを確認可能なことを特徴とする請求項３に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
5. 前記強磁性半導体層は、読み出しの動作時に電流ラインにセンシング電流を流して貯蔵された平面ホール抵抗または磁気抵抗値を読み出すことを特徴とする請求項１または２に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
6. 前記平面ホール抵抗値は以下の数学式
   

   

   により測定されることを特徴とする請求項５に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
   (式中、ｋは電流の方向が磁化方向と垂直なときおよび平行なときに非抵抗値の差であり、ｔは試料の厚さである。)
7. 前記磁気抵抗値は以下の数学式
   

   

   により測定されることを特徴とする請求項５に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。
   （式中、
   

   

   は外部磁気場が電流方向と垂直なときに強磁性材料の抵抗値であり、
   

   

   は外部磁気場が電流方向と平行なときの抵抗値であり、φは磁化方向である。）
8. 前記強磁性半導体層はＧａＭｎＡｓから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の強磁性物質のドメイン構造および多重状態を用いた磁気記憶素子。

Images