TW546648B - Spin switch and magnetic storage element using the same - Google Patents

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TW546648B
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Nozomu Matsukawa
Masayoshi Hiramoto
Akihiro Odagawa
Mitsuo Satomi
Yasunari Sugita
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Matsushita Electric Ind Co Ltd
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Description

546648 A7 B7 五、發明說明（/ ) 【技術領域】 本發明係關於一種自旋開關及使用該自旋開關之磁性 記憶元件。 【背景技術】 針對電阻値隨著施加的磁場而改變之磁阻元件，正積 極的開發及應用在磁頭、磁性記憶元件之MRA.M(Magnetic Random Access Memory)等裝置方面。尤受矚目的，是具穿 隧接合特性之磁阻元件所具有的潛在性高磁阻變化率。通 常，磁阻元件乃是藉改變複數的強磁性體之一部份的磁化 方向，來寫入記憶體內。由記憶體讀取時，係藉著檢測出 隨磁性方向的變化而產生之電阻變化來進行。 .隨著對大容量記憶體的需求，使得磁阻元件的發展惟 有朝微小化一途發展。可想見的是，隨著微小化的進展， 欲使強磁性體的磁化方向產生變化所必需的磁場將會增大 。然而，用來產生磁場的導線亦有微小化的必要，因之， 隨電流的增加而增大的磁場將有其極限。又，一旦增大了 磁場，將有磁性串音（cross-talk)的問題。磁性串音，將引 發鄰接在應施加磁場的元件之周邊元件產生誤動作。基於 此等原因，使用以往的磁阻元件之裝置，在大容量化及高 集成化上有其極限。 另一方面，可隨著施加電壓而控制常磁性及強磁性之 磁性半導體’也開始展開基礎的硏究(H.Ohno;Nature，Vol. 408, 21/28 December(2000) P944)。在磁性半導體方面，亦 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一 " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---- A7 546648 _____B7 ___ 五、發明說明（JX ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 已有應用在磁頭之提案（日本專利特開平11-87796號公報）。 【發明揭示】 藉著使用磁性半導體，由電壓來驅動之新式磁性元件 遂有實現的可能。但是，使用磁性半導體之自旋開關則迄 今尙未有具體提案。本發明之目的，在於提供~種使用磁 性半導體之自旋開關，以及，使用該自旋開關之磁性記憶 元件。 本發明之第1種自旋開關，係包含：強磁性體、與該 強磁性體進行磁性結合的磁性半導體、以及透過絕緣體與 該磁性半導體連接的電極。藉由該電極的電位變化，使該 磁性半導體在強磁性與常磁性之間進行可逆變化。再者， 當該磁性半導體變化爲強磁性時，該強磁性體乃藉著與該 磁性半導體之間的磁性結合，朝著特定方向被磁化。再者 ，所謂的磁性結合，意指在磁化方向會相互造成影響的關 係。 本發明之第2種自旋開關，係包含：磁性半導體、以 及至少1個電極(透過絕緣體連接於該磁性半導體，且覆蓋 於該磁性半導體的至少一部份）。磁性半導體係包含磁化變 化區域（係以既定方向（第1方向）爲長方向）及周邊區域 (係鄰接於該磁化變化區域）。又，由該磁化變化區域與 該周邊區域合計後之合計區域，係以異於該既定方向之方 向(第2方向）爲長方向。第2自旋開關，藉由該至少1個 電極所發生的電位變化，而在該磁性半導體之被該至少1 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 546648 A7 ______B7___ 五、發明說明（$ ) 個電極所覆蓋的部份中，產生強磁性與常磁性之間的可逆 變化；藉由該變化，可實現：使得磁化變化區域及周邊區 域成爲強磁性之第1狀態、以及使得磁化變化區域成爲強 fe性且使得周邊區域成爲常磁性之第2狀態。在第2種自 旋開關中，可利用形狀異向性所產生之反磁場而實施磁性 反轉。在第1狀態時沿著長方向（第1方向）被磁化的磁 化變化區域，在第2狀態時其磁化方向係變化爲合計區域 的長方向（第2方向）。 (圖式之簡單說明） 圖1係本發明之第1種自旋開關的一例之截面圖。 圖2係圖1的自旋開關之俯視圖。 圖3係本發明的第1種自旋開關的另一例之截面圖。 圖4係本發明的第1種自旋開關的又一例之截面圖。 圖5係本發明的第1種自旋開關的再一例之截面圖。 圖6係本發明之第2種自旋開關的一例之俯視圖。 圖7係表示圖6的自旋開關之中的磁性半導體的合計 區域（含磁化變化區域及周邊區域）全部轉爲強磁性的狀 態之俯視圖。 圖8係表示圖6的自旋開關從圖7的狀態轉爲磁性半 導體的周邊區域的一部份變成常磁性之狀態之俯視圖。 圖9係表示圖6的自旋開關再從圖8的狀態轉爲磁性 丰導體的周邊區域之殘部變成常磁性的狀態之俯視圖。 圖10係表示圖6的自旋開關從圖9的狀態轉爲磁性半 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 x 297公爱) --------------------訂--------- $ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 _B7_ 五、發明說明（令） 導體的周邊區域的一部份變成強磁性的狀態之俯視圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖11係本發明之第2種自旋開關的另一例之截面圖。 圖12係本發明之第2種自旋開關的再一例之截面圖。 圖13係爲本發明的磁性記憶元件之一例的截面圖，此 磁性記憶元件使用有第1種自旋開關。 圖14係爲本發明的磁性記憶元件之一例的截面圖，此 磁性記憶元件使用有第2種自旋開關。 1 (元件符號說明） 10 強磁性體 11，21，31 磁性半導體 12,22,32 絕緣體 13,23 電極 14,24 反強磁性體 15,25 強磁性體 16 自旋反轉元件 41,42,43 電極 51 第1區域（周邊區域） 52 第2區域（磁化變化區域） 53 第3區域（周邊區域） 71 電極 72 高電阻層 73 強磁性體（固定磁性層） 74 反強磁性體 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 546648 A7 ----------B7___ 一 五、發明說明（< ) (發明之實施形態） 首先要說明本發明之第1種自旋開關。 在圖1及圖2所示之第1種自旋開關的構成形態之中 ’強磁性體10係與第1磁性半導體U及第2磁性半導體 21相接。在此種形態中，雖係使強磁性體分別與第1及第 2磁性半導體藉著相互交換作用而進行磁性結合，然而， 其磁性結合的形態不在此限，只要能夠具有足夠的結合力 者，如靜磁結合型態等運用例亦佳。第1及第2磁性半導 體11，21，係分別透過絕緣體12,22與第1電極13及第2 電極23相接。第1及第2磁性半導體11，21，又分別與第 1反強磁性體14及第2反強磁性體24接觸。此等之反強 磁性體，係如圖中箭頭所示般的互相呈180。角’亦即， 在相反的方向被賦予單向異向性。 以下將以一例來說明此種自旋開關之開關動作° 一旦 由第1電極13所施加的電壓使第1磁性半導體丨1從常磁 性轉爲強磁性，則第1磁性半導體將會因爲與第1反強磁 性體14的磁性結合，而朝著此反強磁性體的單向異向性的 同向而被磁化。究其結果，強磁性體10亦因爲與第1磁性 半導體11之間相互的磁性作用，而朝著相同方向（第1方 向）被磁化。 接著，若是未對第1電極13施加電壓，但施加笔壓方< 第2電極23，則第1磁性半導體11將回歸到常磁性’又 第2磁性半導體21從常磁性轉爲強磁性。影響所及’強磁 性體10將透過第2反強磁性體24與第2磁性半導體21之 7 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------—訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 B7 五、發明說明（V ) 間的磁性結合，以及，第2磁性半導體21與強磁性體10 之間的磁性結合，而朝著第2反強磁性體所規定之方向的 反向（第2方向）被磁化。故而，可不經由電流而係藉電 壓來實現強磁性體10的磁性反轉。此種自旋開關，可藉由 電極的電位對磁性半導體注入電洞或電子，以保持強磁性 體的磁化或控制其反轉。 上述動作僅爲例舉之一例。只要調整摻雜的量，可使 磁性半導體經由施加電壓而從強磁性轉爲常磁性。只要利 用此作法，亦可藉著停止從電極施加電壓，來進行磁化反 轉。 第1反強磁性體14的單向異向性的指向，與第2反強 磁性體的單向異向性的指向，彼此間所構成的角度以90° 〜180°較佳。另一方面，如稍候所述般，當使用自旋反轉 元件俾造成任一的反強磁性體的單向異向性進行反轉時， 上述角度以0°〜90°較佳。 與強磁性體進行磁性結合的磁性半導體的數目不侷限 爲2個，亦可爲3個以上，即使僅有1個亦可。 僅使用1個磁性半導體之時，可使用其他的磁化變更 機構，例如，亦可追加導線以作爲施加磁場之用。又，亦 可如後述般，利用強磁性體的形狀異向性。在此種應用例 中，選擇強磁性體的形狀時須能使得當磁性半導體回復到 常磁性可利用形狀異向性來改變磁化方向。或者，亦可在 裝置內不設置其他的磁化變更機構，而是做爲僅供1次覆 寫之所謂單次寫入式的記憶體。此種應用例時，亦可藉裝 8 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------—-----訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 ___ —_ B7_________ 五、發明說明（ty ) 置本體以外所備有的磁化變更機構，來進行記憶體的初期 化。， 亦可如圖3〜圖5所示般，在反強磁性體與磁性半導 體之間，以及強磁性體與磁性半導體之間夾設其他的層。 此等材料之使用，只要彼此間具磁性結合關係即可，不見 得非得彼此接觸。 在圖3的元件中，第1及第2磁性半導體11，12，以 及’第1及第2反強磁性體14,24之間，係各自夾設有強 磁性體15,25。 圖4的元件之中，在第1磁性半導體Π及第1反強磁 性體14之間，係以積層鐵氧體(ferri)16作爲自旋反轉元件 。此種積層鐵氧體，係包含一對的強磁性體與介於其間的 非磁性體，一對的強磁性體透過非磁性體進行交換結合。 由於夾設自旋反轉元件，使得磁性半導體11朝反強磁性體 14的單向異向性的反相被磁化。因而，如圖4所示般，即 使第1反強磁性體14與第2反強磁性體24的單向異向性 一致，仍能使強磁性體10進行磁化反轉。在製作此種形態 的元件之製程中，用以將單向異向性賦予在反強磁性體而 在磁場中所進行的熱處理，可用1次來達成。 圖5的元件之中，係以積層鐵氧體16夾設在強磁性 體10與第1磁性半導體11之間，同於圖4的元件，只要 兩個反強磁性體14,24被賦予同一方向的異向性即可。自 旋反轉元件，亦可介於第2磁性半導體側。 如以上所述般，本發明之較佳的實施形態，係包含一 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 B7_____ 五、發明說明（S ) 由第1反強磁性體14至強磁性體10之磁性結合’或由第 2反強磁性體24至強磁性體1〇之磁性結合包含磁化反轉 之磁性結合，且兩個反強磁性體14,24係被賦予相同之單 向異向性之元件。具體而言，如圖5或圖6所示般，只要 在擇自強磁性體與磁性半導體之間及磁性半導體與反強磁 性體之間的至少一者或是任何一者夾設自旋反轉元件即可
〇 I 欲賦予反向的單向異向性時’只要在第1反強磁性性 體14及第2反強磁性體24採用成塊(blocking)溫度各異的 材料即可。針對此較佳實施形態所採用之賦予異向性的方 法，.將在實施例的陳述內容中以具體例來說明。 接著將說明本發明之第2種自旋開關。 如圖6所示之第2種自旋開關的一種實施形態’具備 :磁性半導體31(其長邊爲LL且短邊爲LW)，以及，覆蓋 於其一部份的第1電極41及第2電極42。此磁性半導體 31，倘以俯視觀之（亦即沿著膜厚方向觀察）’其形狀成 略長方體。電極41，42，分別透過絕緣體（未圖示）與磁性 半導體的第1區域51(圖中I)及第3區域53 (圖中III)連 接。第1電極41，係始於磁性半導體31的一端的短邊起 沿著長邊延伸，對磁性半導體的覆蓋長度爲L2 ;第2電極 42，係始於磁性半導體的另一端的短邊起沿著長邊延伸， 對磁性半導體的覆蓋長度爲L1。形成磁化變化區域之第2 區域（圖中II) 52，皆夾設在相當於周邊區域的第1區域 51及第3區域53之間。 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 ____Β7__ 五、發明說明（/ ) 如圖6所示般，在磁性半導體31之中，第1區域51 、第3區域53以及第2區域52，沿著合計區域的長方向 (第2方向）以此種順序來排列是爲所希望的。 對LL、LW、L1及L2之各設定，需能滿足以下a)〜 d)的關係式。
a) Ll + L2<LL b) LL/LW>l，LL/LW>1.5 則較佳 · c) LW/{LL-(Ll + L2)}〉l，LW/{LL—(Ll + L2)}〉1.5 則 較佳 d) 0.5<LW/(LL—Ll)<2，0.67<LW/(LL-L1)<1.5 貝 fj 較 佳 各式之中，LI及L2分別表示沿著合計區域（第1〜 第3區域）之長方向（第2方向）中，第3區域及第1區 域的長度；LL則表示沿著上述合計區域之長方向（第2方 向）的長度;LW則表示沿著第2區域之長方向（第1方向 )的長度。 以下將邊參照圖7〜圖10,來說明此種元件的動作之 一例。以下的動作例之中的所有區域內，磁性半導體在未 予施加電壓的狀態時具強磁性，當施加電壓後始轉爲常磁 性。 如圖7所示般，當所有區域皆未施加電壓時，磁性半 導體31的所有區域皆爲強磁性體。在此種狀態時，係藉著 形狀異向性，使區域全體之磁化係沿著長方向（第2方向 )進行。即使將電壓施加於第2電極42使第3區域53具 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------訂--------- $ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 ______B7_ 五、發明說明（f ) 常磁性，如圖8所示般，具強磁性的第1區域51及第2區 域5 2其磁化方向維持不變。 但是，如圖9所示般，若再將電壓施加在第1電極41 使第1區域51具常磁性，則強磁性區域僅侷限於第2區域 52。一旦進入此狀態時，由於形狀異向性之效，使第2區 域係沿著其長方向（第1方向）被磁化。因而，在第2區 域之磁化方向改變了約90° 。在此狀態下，一旦結束來自 第1電極41所施加的電壓，則如圖1〇所示般，磁化方向 的變化乃擴大到第1區域51。因而，藉由以上所述動作， 第1區域51及第2區域52改變了磁化方向。 在此動作例之中，係以第1區域51及第2區域52爲 記憶體區域。如上述關係式d)所示般，記憶體區域，其形 狀必須以不易受形狀異向性的影響者爲佳。 圖10所示的狀態下，若再將對第2電極42所施加的 電壓予以解除，則因形狀異向性的作用所致，磁性半導體 31，將再如圖7所示般，其全部區域朝第2方向被磁化。 因之，可實現以電壓來取代電流以產生磁化反轉動作 。此種自旋開關之中，亦能藉由將電洞或電子注入磁性半 導體內，來維持強磁性體的磁化或控制反轉。 只要能由形狀異向性來進行磁化反轉，則磁性半導體 的形狀並無特別限制，例如，可如圖11所示般，大致橢圓 狀（以俯視觀之）者亦佳。電極的配置亦無特別侷限，不 見得非得從磁性半導體的端部開始覆蓋。電極之配置，以 不位在磁化變化區域而在周邊區域者爲佳。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 _-____B7______ 五、發明說明（））） 此種自旋開關之中，若對其各自的區域調整摻雜量來 變更磁性半導體的特性，則有可能產生相異之開關動作。 較佳的摻雜量的調整，亦包含在不施加電壓的狀態下使第 1區域51及第2區域52爲強磁性體，且使第3區域53爲 常磁性體的方式，將摻雜量做極微量的變化之形態。若依 照此種調整，則在保持磁化狀態時（參照圖8、圖10)，無 需先施加電壓。 若依照上述般的調整摻雜量，如圖12所示般，即使第 1電極及第2電極短路而成爲單一電極43，仍能實現相同 的動作。此動作係依存於磁性半導體的特性。 亦即，對於藉電洞濃度來改變Tc(居禮溫度）的磁性半 導體，即使在強磁性的狀態時注入更多的電洞，僅造成Tc 的上升而仍維持強磁性。同樣的，對於藉電子密度來改變 Tc的磁性半導體，即使在強磁性的狀態時注入更多的電子 ，僅造成Tc的上升而仍然維持強磁性。故而，舉例而言， 可採用如上述之調整摻雜量的磁性半導體，以及，採用圖 12所示之電極，由例如電極43施加正電壓使得第1〜第3 區域的磁化沿著其長方向進行（參照圖7)，施加負電壓使 得第2區域的磁化沿著其短方向進行（參照圖9)。若未施 加電壓，則維持磁化（參照圖8、圖10)。 本發明之自旋開關’可應用在磁性記憶元件等。以下 將說明磁性記憶元件的用例。然而，本發明之磁性記憶元 件，並不侷限於以下之結構。 圖13所示之磁性記憶元件係包含本發明之第1種自旋 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 ^一^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 ----一 _B7_ ___ 五、發明說明 開關，其中之藉著開關動作來改變磁化方向的強磁性體10 ’係與上部電極71連接。此種磁性記憶元件’包含了以強 磁性體10爲自由磁性層的磁阻元件，此種磁阻元件的積層 結構爲：自由磁性層（強磁性體）10/高電阻層72/固定磁 性層（強磁性體）73/反強磁性體74。高電阻層72係以穿 隧絕緣層爲例。又，此種磁阻元件，係讓電流在下部電極 (未圖示）與上部電極71之間流動，可將隨著強磁性體 10之磁化方向的改變而改變之電阻値予以檢測出。 圖14所示係本發明之磁性記憶元件的另一用例。此種 元件乃應用了本發明之第2種自旋開關。此種元件之中， 藉開關動作而改變磁化方向的磁性半導體31的磁化變化區 域（第2區域）係與上部電極7;[連接。此種磁性記憶元件 亦包含了相同於上述之以強磁性體爲自由磁性層的磁阻元 件’採用下部電極（未圖示）與上部電極71，以磁化方向 的差異性來檢測電阻値的變化。 磁性半導體的組成，雖未有特別之侷限，然而，以式 (LNx MX)Q，或式(Rl_x Mx)(TVy Qy)所表示之材料較爲適切 〇 該式子中，L表示由硼、鋁、鎵、銦、及釔所構成之 群的其中至少一種元素，尤其是由鋁、鎵及銦所構成之群 的其中至少1種元素，Μ係由釩、鉻、猛、鐵、銘以及鎳 所構成之群的其中至少1種元素，特別是錳元素；Q係由 氮、磷、砷、銻及鉍所構成之群的其中至少1種元素，特 別是由氮、磷、砷及銻所構成之群的其中至少1種元素。 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------1--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 a7 ___B7_______ 五、發明說明（θ ) R係由鋅、鎘、及汞所構成之群的其中至少1種元素 ;Μ則同於上述；T係由氧、硫、硒、碲及釙所權成之群 的其中至少1種元素，特別是由氧、硫、硒及碲所構成之 群的其中至少1種元素；Q則相同於上述。 L、Μ、Q、R及Τ亦可爲2種以上的元素所構成者， 例如，Μ可爲NiFe、CoFe、FeCr、MnFe等；又例如，R 可爲 ZnCd、ZnHg 等。 .. X係0.001〜0.3的數値；Y係〇〜〇·3的數値。 上例所示之磁性半導體，例如，係藉著改變X的値而 調整摻雜量以改變其特性。決定磁性半導體的Tc之摻雜量 有2種。一爲具有Μ所示之自旋元素所決定的自旋之摻雜 量，另一爲與一般的半導體相同的載子之摻雜量。例如， 當L=鎵、Μ=錳、Q=砷時，錳元素則隨同自旋元素的摻雜 而一齊摻雜電洞。自旋元素的摻雜量，基本上可由Μ所示 之磁性元素的添加量來加以控制。另一方面，對載子的摻 雜量的控制，除了 X或y的變化之外，亦可藉著將(Lh Mx)與Q的比値，或是(Rh Mx)與(IVy Qy)的比値由1:1作 微調，亦即，藉著摻雜來控制晶格缺陷。藉由以上所述的 組合及添加元素的控制，可控制磁性半導體的特性。 對於強磁性體、反強磁性體、非磁性體（高電阻膜） 等其他裝置之使用，可沿用習知之材料而並無特別的限制 〇 本發明之磁性記憶元件，係可藉著在基板上形成多層 膜而獲得。基板之使用，可用由絕緣體覆蓋在表面之物體 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 ^一^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 546648 _B7___ 五、發明說明（（i) ，例如，經過熱氧化處理之矽基板、石英基板、藍寶石基 板等。欲達到基板表面的平滑，必要時可因應實際需要來 實施化學機械硏磨法（CMP)等之平滑化處理。亦可使用預 先形成有MOS電晶體等之開關元件的基板。 對於多層膜之形成方法，可採用濺鍍法、MBE法 (Molecular Beam Epitaxy)、CVD 法（Chemical Vapor
Deposition)、脈衝雷射沈積法、離子束濺鍍法等一般的薄 膜形成方式。對微細加工法的採用，可選周知的微細加工 法，例如，使用接觸式光罩或步進機之微影加工法，或是 EB(Electron Beam )式微影加工法，FIB( Focused Ion Beam)式加工法。 在蝕刻的方法上，可選用離子硏磨式或是 RIE(Reactive Ion Etching)。而對於表面之平滑化、膜的部 份去除等，可採CMP或精密硏磨法。 對於多層膜的處理，可因實際需要，在真空中、惰性 氣體中或是氧氣之中，在無外加磁場或是施予磁場下進行 熱處理。 實施例 (實施例1) 以下將說明如何製造出具有圖13所示結構的磁性記憶 元件。在此實施例中，乃係分別採PtMn爲反強磁性體14 、74 ;以IrMn爲反強磁性體24 ;以膜厚1.2nm的 Α10χ(χ<1·5)爲高電阻膜（穿隧絕緣層）72 ;以膜厚3nm的 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 _____ B7 _ 五、發明說明（丨< ) (Co75Fe25 )爲強磁性體10、73 ;以膜厚1.5nm的（ In0.97Mn〇.〇3 ) As爲磁性半導體11、21 ;以膜厚7nm的 Ta205)爲絕緣體 12、22 ;以 TiN(3nm)/Pt 爲電極 13、23 ; 以Ta(3nm)/Cu作爲上部電極71。 再者，（Ιηο.πΜηο.ο3) As在未施加電壓的狀態下，其 Tc約爲30K。因而，在略高於30K的溫度時，未施加電壓 的狀態係呈常磁性。在該溫度下藉電壓來注入電洞，俾使 此磁性半導體成爲強磁性。另一方面，在略低於30K的溫 度時，係無電壓狀態的強磁性體，藉著電壓注入電子，將 電洞載子予以中和，可因而成爲常磁性。 對於磁性半導體的形成，係採MBE法，而其他的成 膜則適宜採用濺鍍等方法。穿隧絕緣層的形成則藉著將已 成膜的鋁金屬予以氧化而獲致。各裝置係使用微影等方式 來獲取所需形狀。又，在圖13中，雖省略了圖示，然而， 在反強磁性體的下方，係配置了由銅所構成的下部電極。 又，各裝置之間係以二氧化矽作爲絕緣物，此點在圖示中 亦被省略。 構成自旋開關的2個反強磁性體14、21，係利用了 PtMn與IrMn具相異成塊溫度之特性而被賦予了相異的單 向異向性。首先，朝特定方向邊施加5kOe(398KA/m)的磁 場邊進行5小時之300°C的熱處理，接著再朝上述特定方 向的反向邊施加5000e的磁場邊進行1小時之熱處理，且 邊施加磁場邊予以冷卻。PtMn的成塊溫度爲380°C，而對 上述元件的設計係賦予了 IkOe左右的交換結合磁場，因 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 546648 _____B7^____ 五、發明說明（A) 之，在5000e、250°C的條件下，PtMn的單方向異方向的 方向不會改變，而僅有IrMn的單向異向性的方向有改變。 對依循上述方法所製得之磁性記憶元件，再根據上述 說明之開關動作而從電極13、23施加電壓時，可確認強磁 性體10的磁化之變化。又，亦能測得伴隨此種變化之磁阻 效果。 接著，以下將以實例說明適於上述所載之.2階段的磁 場中熱處理的反強磁性材料之較佳組合。第1種材料，係 選自從PtMn、NiMn、PdPtMn，以及CrMnPt所構成之群 組中的至少1種。與上述組合的第2種材料，係選自從 IrMn、FeMn、CrAl、NiO、以及a Fe203所構成之群組中 的至少1種。只要將選自上述各材料的組合適用在第1反 強磁性體14以及第2反強磁性體24，並套用上述方法， 即可獲致在相異方向具單向異向性的第1及第2反強磁性 體。此種方法係依序進行以下製程··以高於第1種材料的 成塊溫度之溫度，在沿著第1方向施加磁場時邊進行熱處 理之製程；以及，以低於第1種材料的成塊溫度且高於第 2種材料的成塊溫度之溫度，朝著第2方向（較佳係與第1 方向呈90〜180°C的角度）邊施加磁場邊進行熱處理之製 程。 應用上述之方法，改變第1反強磁性體及第2反強磁 性體的單向異向性之構成角度來測定上述元件的特性，發 現所讀取得之S/N，隨上述角度愈接近18(rC而漸昇，9〇。 以上則可獲得足堪實用的S/N。 18 度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐_) ^ --------------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546648 A7 -------B7___ 五、發明說明（) (實施例2) 使用與實施例1之相同材料來製作如圖14所示之元件 。然而，其磁性半導體31的膜厚爲3nm，絕緣體32的膜 厚爲10nm。 此元件所包含的磁性半導體的形狀，係同於圖6。以 下將參照圖6來說明元件的形狀。 LL=1.8 β m > LW=0.9/z m > Ll=0.9 β m -Χ2=0.5 β m o 依循上述方法所製得的磁性記憶元件，照著上述說明 的開關動作從電極41、42來施加電壓時，磁性半導體31 在磁化變化區域（包含與電極接觸的區域）產生磁化變化。 又，亦能測得伴隨此變化的磁阻效果。 接著，適度的變更在實施例1、2各裝置所使用的材料 以製作元件。究其結果，可確認以往習知的材料得適用在 本發明之元件。例如，對高電阻層（穿隧絕緣層）72之使 用，可用膜厚爲〇.8〜2nm左右的AlOx、TaOx、BN、C、 A1N等。固定磁性層73之使用，則可使用C〇9QFe1()、 Co50Fe50、Ni8〇Fe2〇、Ni6〇Fe4〇、钻、鐵等。在固定磁性層與 高電阻層的界面，若夾設Co75Fe25、Ni6GFe4()等亦可獲致相 同的效果。以積層鐵氧體作爲固定磁性層亦可使元件動作 。而積層鐵氧體之使用，以Co75Fe25/Ru(厚約0.7nm) /C〇75Fe25、C〇9〇Fe1() /Ru (厚約 0.7nm) /C〇9〇FeiG 所表 示之3層構造的膜具有良好效果。 而作爲自由磁性層的強磁性體10,亦能使用與固定磁 19 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 546648 _______B7_ 五、發明說明（/ & ) 性層73相同的·材料。自由磁性層之材料，可適宜選用 Co9〇Fe10、Ni80Fe20等「軟性」磁性材料。然而’在實施例 2所示之本發明的第2種自旋開關中，其自由磁性層則不 宜使用積層鐵氧體。其原因乃在於’在第二種自旋開關之 中，係以反磁場作爲變化磁化的動力來源’因而’不宜採 積層鐵氧體而降低反磁場。另一方面，在第1種自旋開關 之中，只要元件大小小於l//m則反磁場進行磁化反轉所 需的能量會增加。因而，如以Ni6〇Fe4〇/lr (厚約0.5//m )/Ni6QFe4()所表示的積層鐵氧體作爲自由磁性層，可抑制 磁化反轉的能量上昇。 上述各實施例中，係使用滿足上列各式之磁性半導體 。對於滿足各式' χ=0·01、0_2或0.25; y=0.01或是0.25之 磁性半導體，在定性方面可獲致相同的效果。 本紙張尺度W中國國家標準（CNS)A4規格χ 297公f --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 546648 A8 D8 _ 六、申請專利範圍 L一種自旋開關，係包含：強磁性體、與該強磁性體 進行磁性結合的磁性半導體、以及透過絕緣體與該磁性半 導體連接的電極； 藉由該電極的電位變化，使該磁性半導體在強磁性與 常磁性之間進行可逆變化； 當該磁性半導體變化爲強磁性時，該強磁性體乃藉著 與該磁性半導體之間的磁性結合，朝特定方向被磁化。 2. 如申請專利範圍第1項之自旋開關，其中，使該磁 性半導體爲第1磁性半導體、使該反強磁性體爲第1反強 磁性體、使該電極爲第1電極時，另包含第2磁性半導體 、第2反強磁性體及第2電極； 該強磁性體係與該第2磁性半導體進行磁性結合，該 第2磁性半導體係與該第2反強磁性體進行磁性結合，該 第2磁性半導體係透過絕緣體與該第2電極接觸； 藉著該第2電極的電位變化，.該第2磁性半導體會在 強磁性與常磁性之間進行可逆變化； 當該第2磁性半導體變化爲強磁性時，該強磁性體乃 藉由與該第2磁性半導體之的磁性結合，朝著異於以該特 定方向爲第1方向之第2方向被磁化。 3. 如申請專利範圍第2項之自旋開關，其中，該第1 反強磁性體及該第2反強磁性體具單向異向性，又該第1 反強磁性體的單向異向性的指向與該第2反強磁性體的指 向係呈9〇°〜180°之角度。 4. 如申請專利範圍第3項之自旋開關，其中，該第！ 1 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) >裝 、1T: 國國家標準（CNS)A4規格(210 χ 297公釐) 546648 韶 C8 D8 六、申請專利範圍 反強磁性體的材料與該第2反強磁性體的材料彼此具相異 的成塊(blocking)溫度。 5. 如申請專利範圍第1項之自旋開關，其中，於該磁 性半導體與該反強磁性體之間係夾設有強磁性體。 6. 如申請專利範圍第1項之自旋開關，其中，於擇自 該強磁性體與該磁性半導體之間、以及該磁性半導體與該 反強磁性體之間的至少一者中係夾設有自旋反轉元件。 7·—種自旋開關，係包含：磁性半導體以及至少1個 電極(透過絕緣體連接於該磁性半導體，且覆蓋於該磁性半 導體的至少一部份）； 該磁性半導體係包含磁化變化區域（係以第1方向爲 長方向）及周邊區域（係鄰接於該磁化變化區域），由該 磁化變化區域與該周邊區域合計後之合計區域，係以異於 第1方向之第2方向爲長方向； 藉由該至少1個電極所發生的電位變化，而在該磁性 半導體之被該至少1個電極所覆蓋的部份中，產生強磁性 與常磁性之間的可逆變化； 藉由該變化，來實現：使得該磁化變化區域及該周邊 區域成爲強磁性之第1狀態、以及使得該磁化變化區域成 爲強磁性且使得該周邊區域成爲常磁性之第2狀態。 8.如申請專利範圍第7項之自旋開關，其中，該磁性 半導體，具備做爲該周邊區域之第1區域及第3區域，且 具備做爲該磁化變化區域之第2區域，而該第1區域、該 第2區域及該第3區域係沿著該第2方向依序排列。 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 單裝 i, 546648 頜 C8 D8 六、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第8項之自旋開關，其中，以下之 關係式會成立： (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) LI + L2 < LL LL / LW > 1 LW / { LL - ( LI + L2 )} > 1 0.5 < LW / (LL - L1) < 2 式中，L1及L2乃分別爲沿該第2方向之該第3區域 及該第1區域的長度，而LL係合計區域之沿該第2方向 之長度，LW係該第2區域之沿該第1方向之長度。 10. 如申請專利範圍第9項之自旋開關，其中，該磁性 半導體，在尙未從該電極施加電壓之時，係爲強磁性。 11. 如申請專利範圍第9項之自旋開關，其中，該磁性 半導體，在尙未從該電極施加電壓之時，於該第1區域及 該第2區域中爲強磁性，又於該第3區域中爲常磁性。 12·—種磁性記憶元件，係包含有申請專利範圍第1項 之自旋開關，能將該強磁性體之磁化方向的變化以電阻値 的變化來檢測出。 13·—種磁性記憶元件，係包含有申請專利範圍第7項 之自旋開關，能將該磁性半導體之磁化方向的變化以電阻 値的變化來檢測出。 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公I)
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