TWI262593B - Magnetic random access memory device - Google Patents

Description

1262593 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關不含有已採用半金屬性的鐵磁性半 導體p-n偶極體之MOS電晶體的新型磁阻隨機存取存儲 器裝置（MRAM)。 【先前技術】 在習用的金屬磁材料薄膜之磁阻隨機存取存 儲器（Magnetic Random Access Memory，以下簡稱 MRAM)係利用 巨大的磁電阻效應（Giant Magnetic Resistivity，以下簡稱（jmr) 之型式及隧道磁電阻效應（Tunnel Magnetic Resistivity，以下 簡稱TMR)之型式二種。利用介經非磁性層鄰接的兩個 有磁性層之磁化平行時，電阻需小，及磁化反平行 時，電阻需大一事，予以各自區別成丨及〇。寫入係流 動電流於位線及字線，使已交叉的存儲器單位 (memory cell)之矯頑磁力較大的磁性層之磁化在電流 磁場反轉。因應其方向，使成丨及〇。讀出則係使嬌^ 磁力較小者的磁性層之磁化在電流磁場反轉，並 或TMR效應，判定成1及〇。 利用GMR元件之型式時的 一 霄、罕父答易製作 又70件本身因係導體，可予串聯地連接元件，使可 易的大容量化。然而，一個位線上有Ν個的存儲器· ，信號電壓由於成為1/Ν’Ν即變大而為雜絲 者，使無法讀出。GMR元件之電阻係較小，本 號電壓本身係較小，有使讀出放大變大的必要” Τ導致成本及晶粒尺度之增Α。此用 :題“ 存儲器係僅可在軍事用或太空用：受: 的條件下被使用著。 探X I民 传電：：：面二=TMR元件之咖，由於碰元 係電阻車父尚，編。GMR元件般進行進行串聯連接， 1262593 成為並聯連接。已利用TMR元件之MRAM，通常係以MOS電晶 TMR兀件之組合者為存儲器單位。需$ M〇s電晶體 糸若無比電晶體時，則流動電流於位線及字線時，對 已選擇的存儲器單位以外的單位亦會流動電流所 心為選擇存儲器元件，M0S電晶體係有必要用作開關 機，。因此，MRAM之存儲器尺度會係依M〇s電晶體之尺度而 決定。此為隨著MRAM之大容量化的實際大課題，而成為 妨礙實用化的一個原因。 口存儲器單位構造係與DRAM類似，採用TMR元件取代電容 器。基本的構造與FeRAM均類似，但在FeRAM方面，由於分散 性仍然較大，卩二個電晶體及二個強介電元件構成i 位兀。因此1位元之存儲器單位變大，而較難高積體化。 現在，已採用金屬磁性材料薄膜之TMR元件的磁阻 變化率（MR變化率）係約5〇%。此等係不依元件之大小而 羞化在DRAM方面，若減少元件之大小時，則電容會變 小。MRAM之MR變化率雖不依元件之大小而變化，但在 DRAM方面’ &減少元件之大小時，則電容會變小。 在MRAM的自旋反轉係以奈秒發生，可進行高速存取。 亦較瞧可高速讀寫並可讀出，而且係非破壞的。可 在常溫製膜的。此為在製造日夺，不破壞_電晶體。 。FeRAM之大容量化較難的一個原因，係若不設在 =上1高溫時，即有未能製造強介電材料膜的情形。 MRAM之特徵條即使改寫若干次亦不成為問題。又， 因較能耐放射線，故可使用於原子反應爐或太空方 面三=此，MRAM係非揮發性，可高速寫入，讀取，及 二二篁」V但是’現在由金屬鐵磁材料薄膜而得的 沾雪泣讲,日人“ 又交〗呀，則磁化反轉所需 的電飢磁场會增加。此為隨著大容量化之課題 1262593 礙實用化之一個原因。 TMR值之分散性雖然可落入於找以内，但是磁化反 轉磁％之分散性則較大。又，TMR之耐熱性以在 的熱處理溫度取用最高的磁阻變化率，但是瞻電晶體在微細加工 或金屬佈線方面會政損傷，通常在氫氣巾棚。c的溫度予以加軌。此 時T M R之磁阻變化耗成為G。有改善耐熱性，或降低熱處理過程 之溫度的必要。 再者，有金屬磁性材料薄膜所用的微細加卫之問題，在研究水準 方面，採職影術及離子銑（iQn milHng)，進行物__並予微 細加工化。此未能應用於大規模生產。在半導體方面，雖然採用所謂 化學的反紐狀乾侧引_難，但是此種製造手段之開發在mr A Μ存儲确大賴生產係何欠缺的。^於與此等瞧糊之最近 的先行技術專利，可例示有專利文獻丨，2。 專利文獻1日本特開平11-135857號（專利第3050189號） 專利文獻2 WO 01/024289號（再公表專利） 【發明内容】 發明欲解決的譯顳 在已利用金屬鐵磁材料薄膜而得的TMR元件之MRM方面，TMR元 件由於電阻較高，故未能如GMR元件進行_聯連接，喊為並聯連接。 已採用TMR元件之MRAM，通常係以MOS電晶體及TMR元件之組合者為 存儲器單位。需要MOS電晶體係若無此電晶體時，則流動電流於位線 及字線時，除已選擇的存儲H單位料的單位亦會流動電流所致。 為選擇存儲器元件，MOS電晶體係有必要用作開關功能。在此，本 發明欲解決的第-個課題，係為選擇存儲器藉，電晶體因供作開 關機能上雜不可欠缺，但是藉域时金祕鐵雜半導體而成的 p-n接合整流二極體，或p—i-n接合整流，以無M〇s電晶體之簡單的 構造’需開發可超高積體的MRAM。 MRAM之存儲器尺度在現狀係依M〇s電晶體之尺度而決定，若可由 MRAM排除MOS電晶體時，則可急速的提高MRM之積體度。 1262593 =的f:，的鐵磁性半導媒?‘== 。 新方叙高⑽色麵，即_欲解決的 理材料薄膜之纖元件的耐熱性雖係在說的熱處 Γ率⑽比)，但是CM〇s電晶體在微細加工或 “佈線方面h綠傷，通f在氫氣中可於4 成為G °妓麵触，或降低熱處=程之3 的必要。k時右為不合廳電晶體之_時，即可成為在 ΐίίΐ·^ΐ的利用已採用磁性半導體之TMR的耐熱性係在： C以上較向的熱處理溫度取用最高的磁阻變化率。 ，已採用金屬鐵磁材料薄膜之_方面，若使存儲器單元之尺度 k小時，則磁化反轉所需的電流磁場增加。此為，隨著麵之大容量 化應予解決的第三個課題。 β再者’有以已採用金屬鐵磁材料薄膜之仏麵所用的微細加工的問 題此為在研九水準方面，採用微影術及離子銑物理，可物理性的切 削並進行微細加玉化。然此不可·Α規魅產，此為舒解 四個課題。 在已採用半金屬性的鐵磁性半導體之，係可以通常半導體採 用的所謂化學的反應_法之利用乾_法的製造製程過程，故此種 存儲器之大規模生絲造手段的·，眶存規模生產係 不可缺的，成為此等半導體製造製程可用於製造。 解決問_而揼的乎种 本發明人等對上述課題之解決方法，經進行精心研究開發，為使 低電阻化，以Ρ型半金屬性的鐵磁性半導體及η型半金屬型的鐵磁性 半導體實現出以至少三層挾持非磁性絕緣體原子層（i層）的贮1-11型低 電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體。 由而，若對位線及字線施加電壓，則僅單方向的電流流動，可予 1262593 確認出整流效應。亦即，即使無供削請的·電晶體，亦可予確認 作已採用P型半金屬性的鐵磁性半導體及n型半金屬性的鐵磁 性半導體=新型雜隨機存取存儲器裝錄RAM)而動作。 又’藉由p型半金屬的鐵雜半導體及n型半金屬的鐵磁性半導 體^的知&而得的P—n #合型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻雙），係 可得同樣的效果，使已採用不含有腳電晶體之半金屬的鐵磁性半導 體的新型磁阻隨機存取存·裝置⑽網之_成為可能。 在已採用ZnO基極(base)之p型及n型半金屬的稀薄鐵磁性半導 體之MRAM，以在200°C的雷射MBE或M0CVD等的基本上通常的半導體 製造製程可予製出。在結晶成長Gr或v等的過渡金屬巾，為掺雜 :15at% ’亦可較通常的單獨Zn〇之結晶成長溫度低約2〇(rc。由而，在 半導體製造製_可制所謂财正制的化學性反應侧之乾侧 而得的製造製程過程。此等係藉由本方式可進行MRAM#儲器之大量生 產，由本發明可實現出不令實質上的電晶體之做他製造技術。 亦即，本發明係已採用不含由下述者而成的M〇s電晶體之磁性半 導體的新型磁阻隨機存取存儲器裝置(MRAM)&其製造方法。 (1)藉由以p型半金屬性的鐵磁性半導體型半金屬型的鐵磁 性半導體挾持至少一層以上非磁性絕緣體原子層（i層彡的贮丨”型低電 阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具有已利用整流效 應之開關效應之磁阻隨機存取存儲器裝置(jjRAM)。 (2) 藉由以p型半金屬性的鐵磁性半導體型半金屬型的鐵磁性 半導體間之接合而得的p-n接合型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻 TMR)，使TMR元件具有己利用整流效應之開關效應的磁阻隨機存取存 儲器裝置(MRAM)。 (3) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜cr及空穴至 II-VI 族化合物半導體(ZnSe，ZnS，ZnTe，ZnO，CdTe，CdS，CdSe 等） 的系而成，又至於n型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜v及電 子至上述的II VI無化合物半導體之系而成’藉由此等的接合而得之 p-η接合型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具 1262593 有已利用整流效應之開關效應的磁阻隨機存取存儲器裝置(服。 (4) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜Mn及空穴至 111-V 族化合物半導體(GaAs ’ GaN ’ GaSb，InN，InAs，InSb，AIN，AlSb，

AIAs等）的系而成，又至於n型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜 Cr及電子至上述的III-V族化合物半導體之系而成，藉由此等的接合 而得之p-n接合型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體，使TMR 元件具有已利用整流效應之開關效應的磁阻隨機存取存健器裝置 ⑽AM)。 ° (5) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜及空穴至 II- VI 族化合物半導體(ZnSe，ZnS，ZnTe，ZnO，CdTe，CdS，CdSe 等） 的系而成，又至於n型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜v及電 子至上述的II-VI族化合物半導體之系而成，藉由以至少一層挾持非 磁性絕緣體原子層（i層）於此等之間的p_i—n型低電阻隨道磁電阻效應 (低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應的磁 阻隨機存取存儲器裝置(MRAM)。 (6) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜齟及空穴至 III- V 族化合物半導體(GaAs，GaN，GaSb，InN，InAs，InSb，AIN，AlSb , AIAs等）的系而成，又至於„型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜 Cr及電子至上述的πι—v族化合物半導體之系而成，藉由以至少一層 挾持非磁性絕緣體原子層（i層）於此等之間的p—i-n型低電阻隧道磁電 阻效應（低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具有已利用整流效應之開關效 應的磁阻隨機存取存儲器裝置(MRAM)。 (7) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜&及空穴至 ZnO的系而成，又至型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜v、 Fe、Co或Νι及電子至ZnO的系而成，藉由以至少一層挾持非磁性絕緣 體原子層（1層）於此等之間的ρ+η魏電剛道磁電阻效應（低電阻 TMR)偶極體，使徹it件具有已利用整流效應之開關效應的雜隨 機存取存儲器裝置(MRAM)。 (8) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜^及空穴至 1262593

ZnO的系而成，又至於η型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜v、、 Co或Ni及電子至ZnO的糸而成，精由此等的接合而得之p_n接合型低電 阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具有已利用整流效應之 開關效應的磁阻隨機存取存儲器裝置(MRAM)。 (9) 至於ρ型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜Fe及空穴至”族 半導體(Si ’ Ge，鑽石專）而成，又至於n型半金屬性的鐵磁性半導體，係 由已掺雜Μη及電子至上述的IV族半導體之系而成，藉由以至少一層挾持 非磁性絕緣體原子層（i層）於此等之間的p—i—n型低電阻隧道磁電阻效應 (低電阻TMR)偶極體，使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應的磁阻隨 機存取存儲器裝置(MRAM)。 (10) 至於p型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜Fe及空穴至IV 族半導體(Si，Ge，鑽石等）之取代位置上的系而成，又至型半金屬性 的鐵磁性半導體，係由己掺雜Μη及電子至上述的IV族半導體之系而成， 藉由此等的ρ-η接合型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體使TMR元 件具有已利用整流效應之開關效應的磁阻隨機存取存儲器裝置。 、（11)至於ρ型半金屬性的鐵磁性半導體，係由已掺雜此及空穴至π 族半導體(Si ’ Ge ’鑽石等）之晶格問位置上的系而成，又至於n型半金屬 ，的鐵磁性半導體，係由已掺雜Cr域子至上述的IV族半導體之系而成， 藉由此#的ρ-η接合型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻tmr)偶極體，使丁腿 元件具有已利用整流效應之開關效應的磁阻隨機存取存儲器裝置(Mrajj)。 (12) —種控制鐵磁性半導體之鐵磁性轉移溫度之方法，係採用以ιπ-ν 族化合物半導體為基極之半金屬性的鐵磁性半導體，製作使遞元件具有 由^i-n型及p-n型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體之整流效應 而得的開Μ效應之上述各磁阻隨機存取存儲器裝置⑽AM)時，改變3d、4d 及5d過渡金屬雜質濃度，或稀土類雜質濃度或空穴及電子濃度，構成撇 元件而成。 (13) :種控制鐵磁性轉移溫度至所期待的溫度之方法，係採用以 、口物半導體為基極之半金屬性的鐵磁性半導體，製作使遞元件具有 由P—i-n型及p-n型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻猶)偶極體之整流效應 1262593 而得的開關效應之上述各磁阻隨機存取存儲器裝細am)時，改變記、此 =5d過渡金屬濃度，或稀土類„濃度或空穴及電子 發明之功效 在㈣用金屬鐵磁材料薄膜而得的施元件之麵，由於tmr元件係 二:乂I，如CMP凡件般進行進行串聯連接，而成為並聯連接。為使 坐it且’、猎以P型半金屬性的鐵磁性半導體及11型半金屬型的鐵磁性 磁^體至^一層以上挾持非磁性絕緣體原子層型低電阻隨道 ^阻效應(低電阻則偶極體，利用整流效應，以保證僅單方向之電流的 M0S ^ .¾ 賊雜半導體之卿磁但_存轉儲11裝置⑽am)係成 马可能的。 道^ p型半金屬性的鐵雜半導體及n型半金雜的鐵磁性半 =體間=接a而得的p_n型接合型低電_道磁電阻效應（低電阻丽)偶極 磁’欲製造已採用不含M〇S電晶體之半金性的鐵 性+導體之新㈣峨機存取存㈣裝置継職成為可能的。 广蚀5用TM!元件之麵，通常係以M0S電晶體及™元件之組合者為 「早立。4要MOS電晶體係若無此電晶體時，則流動電流於位線及字 ，時:對已選擇的存儲器單位以外的單位亦會流動電流所致。為選擇存儲 裔το件，MOS電晶體無論如何像有必要用作開關機能。 在此，為選擇存儲器元件，_電晶體在用作開關功能時，雖係不可或 二！在本發明，藉由採用由半金屬性的鐵磁性半導體喊的Ρ—η型接 細爾，或咖型接合自旋整流偶_，以無電晶體之 曰=、k，而且因不需要如前述的電晶體而用之製造製程，可 在兩溫而且可高度積體的MRAM。 、見在由孟屬鐵磁材料薄膜而得的T順元件之磁阻變化率係約別％。 此„件之大小而變化。轉變成金屬鐵磁性材料_，以採用P型及η 鐵磁性半導體薄膜，使雜變化率大幅提高的高性能画之 開發在本發明即成為可能的。 已採用金屬鐵磁材料薄膜之TMR元件的财熱性雖係在300〇c的熱處理溫 1262593 =ΊΓ取最咼的磁阻比，但qj〇s電晶體係在微細加工或金屬佈線方面會遭受 損傷’通常在氫氣中予以加熱至Wc之溫度。此時TMR之磁阻比即成為〇。 有改善雜性或降低熱處料程之溫度的必要，但是在本發日讀造時係不 含M0S電晶體之型式的麵，故在較高的溫度之製程即成為可能，已採用 半金^性的鐵磁性半導體之搬元件之耐熱性係可積極的利用在圖^以上 的較南的熱處理溫度可取最高的MR比（議〜漏），與由已採用·的金屬 磁性材料之TMR元件而得的_相較，於已採用由本發明而得的半金屬性 的稀薄鐵磁性半導體之_，超高性能化及超高積體化即成為可能的。 、已採用金屬鐵磁材料薄膜之MRAM，若使存儲器單位之尺度變小時，則 磁^^轉㈣的電流磁場會增加。此騎*已採用金屬雖材料之麵的 大谷篁化之課題，但藉由採用雜元权濃度極少的（2⑽〜⑹扣金 屬性的稀薄鐵雜半導體，使高賴化，於減少尺度時可使磁化反轉所需 的電流磁％較金屬鐵磁材料薄膜者可減少數個位數以上，故已採用半 性的鐵磁性半導體之MRAM的本發明係可解決此問題。 再者，有金屬磁性材料MRAM所用的微細加工之問題，在研究水準方面， 雖可採用微影術及離子銑，進行物理的_並予微細加玉化，但此未能應 用於大規模生產。在已翻半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之麵方面，基 本上與通常的半導體製造製程相同，或成為在較低溫的製程，故可採用半 導體通常採用的化學反應㈣之乾㈣引起的製造製程，故可大量生產 MRAM存儲器，藉由本發明可實現實際的製造技術。 【實施方式】 在利用已採用金屬鐵磁材料薄膜之麵元件的麵，由於丁脱元件係 電阻較高，未能如GMR元件般進行串聯連接，而成為並聯連接。因此如第 1圖所示，為使低電阻化以p型半金屬性的鐵磁性半導體i及η型半金 3L的鐵磁丨生半導體2 ’製作出挾持原子層至少_層以上非磁性絕緣體原子 層3(i層）的p-i-η型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻tmr)偶極體。 由而，若對位線4及字線5施加電壓，則僅單方向的電流流動，可予 確说出整流效應。由此事實，即使無供開闕的MQS電晶體，亦可予確認 出以用作已採用！)型半金屬性的鐵磁性半導體及㈣半金屬性的稀薄鐵磁 13 1262593 性半導體之難磁崎機存取存儲器裝聽麵）而動作。 又，如第2圖所示，藉由p型半金屬性的鐵雜半導體 ί氏電之接合而得的p—n接合型低雜_磁電阻效應 低電阻遞)偶極體，係可得同樣的效果，使已採用不含 ==稀薄鐵磁性半導體的新型磁阻隨機存取存儲器裝置 件所=13=示已細用的金屬鐵磁材料半導體薄膜之元 件所構成的MRAM ’ .係以·電晶體6及搬元件之組 若無此而於位線4及字線5内流“流時，= ΐΐ的存^早卜料位雖亦會使電流流動，但由本發明之p-i-n型

Hi随道τ磁電阻效應（低電阻獵)偶極體、或P~n型低電阻随道磁電阻效 =咖職極體而得的整流效應，僅能 = S^=_RAM _供選擇存儲器元件而用_電晶體二 導體第= 二 八啕田上述P—1—11型及Ρ-η型低電阻隧道磁電阻 =(低電阻TMR)偶極體之整流效應而得的開關效應，製作雜隨機存取存 節Μ)的情形，顯示出3d過渡金屬雜質濃度與構成TMR元件的鐵 磁性半導體之鐵磁性轉移溫度(κ)間的關係圖。 播诚第5，係對以H—VI族化合物半導體為基極時之半金屬性的鐵磁性半 ’於藉由使TMR 7G件具有由上述ρ—卜η型及”魏電阻隨道磁電阻 效應(低電阻TMR)偶極體之整流效應而得的_效應，製作雜隨機存取存 儲器裝置(MRAM)的情形，顯示出3d過渡金屬雜質濃度與構成撇元件的鐵 磁性半導體之鐵磁性轉移溫度（κ)間的關係圖。 在本發明i係藉由採用由ρ型及η型半金屬性的鐵磁性半導體而成之 Ρ:η接亡或ρ—卜η接合生成的整流效應，因以無·電晶體之極簡單的構 造，使面積體化成為可能，而且並不需為_電晶體而採之製造製程，故 採用在高溫的製造製程，可開發”超高碰的匪。 現在’由金屬鐵磁材料薄膜而得的TMR元件之磁阻變化率係約5〇%。此 14 1262593 並不依藉之大小而變化。轉魏金屬鐵雜材料細，若採 型半金屬性_磁性半導體時，則—者之自旋狀態雖其有金屬性傳導，但 帶隙開放的絕緣體’載體因完全不存在，故可得已臓 第6圖係表示p型（掺雜㈣及n型（掺雜Cr)In v族稀薄磁 LGai=aN)之半金屬性的（一者之自旋係金屬性的，而反向自旋係絕緣體） 電子狀態。 第7圖係表示p型（掺雜Mn 5 at%)m—v族稀薄磁性半 之鐵磁性轉移溫度的空穴及電子濃度關聯性。 ，第8圖係表示已掺雜Mn 5at%之m—v族稀薄磁性半導體((^，Μ)

之半金屬性的電子狀態之受體(Mg)及施體⑼之濃度關聯性。 W 藉由以P型及η型半金屬性的鐵磁性半導體由絕緣體一原子層夾層數 原子層時，可得1〇〇〜500%以上較大的磁阻變化率。積極的利用半金屬性， 使極大的磁阻變化率（實際上，雖為1〇〇〜5〇〇%，然而理論上係已1〇〇%自旋 偏極的載體，可得無限的大小）成為可能，使可劇烈的提昇磁阻變化率之高 性能MRAM實現。 已採用金屬鐵磁材料薄膜之TMR元件的耐熱性雖係在3〇(y>c的熱處理溫 度取^最高的磁阻變化率⑽比），但CM〇s電晶體在微細加工或金屬佈線方 面會蒙爻損傷，通常在氫氣中可予加熱至4〇〇。〇溫度。此時TMR之磁阻變化 率係成為0。雖有改善耐熱性，或降低熱處理過程之溫度的必要，但在本發 0 明，製造時若為由不含M0S電晶體之型式的n-型（Ga，Cr)As及p—型（Ga，Mn)

As而成的TMR(絕緣體為丨-GaAs)或不含i-層之ρ-η接合整流偶極體的 MRAM，在高溫的製成為可能的。 由而’已採用GaN基極或ZnO基極之ρ型及η型半金屬性的稀薄鐵磁性 半導體之TMR元件的耐熱性，因可積極的利用在7〇(TC以上的高熱處理溫度 可取用最高的磁阻變化率（100〜5〇〇%)，故與已採用習用的金屬鐵磁材料薄 膜之TMR元件而得的jjRAM相比，在採用本發明之半金屬性的稀薄鐵磁性半 導體之新型·Μ方面，亦因不需電晶體，故超高性能化及超積體化及成可 能的。 15 1262593 在已採用金屬鐵磁材料薄膜之麵方面，若使存儲器單元之尺度變小 時，則磁化反轉所需的電流磁場增加。此雖為隨著已採用金屬鐵磁材料之 習用的麵之大容量化的課題，但藉由採用磁性元素之濃度極少的㈣〇 at%)半金屬性的騎鐵雜半導體，使高㈣化，並減少尺麟，使與金 屬磁性材料相比，因可使魏反轉所需的電流磁場減少數位數以上，故在 已採用半金屬性的鐵磁性半導體之猶㈣本發明，係使此問題可予解決。 再者，有以已採用金屬鐵磁材料薄膜之MRAM所用的微細加工的問題， 在研究水準方面，採賴雜及離子銑_，雖可物理性的切繼進行微 細加工化，但此不可用於大規模生產。在已採用GaN基極之p型及η型半 金屬性的稀薄鐵磁性半導體之MRAM方面，可以在7〇〇〜75(rc的氨氣源之ΜβΕ (分子射束磊晶）或ECR(電子迴旋加速器共振）電漿源而得之ΜΒΕ、或M〇CV]) 等基本上通常的半導體製造製程可予製造。 在結晶成長中由於掺雜Cr或Μη等的過渡金屬2 at%〜30 at%，可將溫 度較通常的GaN單制結晶成長溫度降低2(XTC。Φ關成為在較低溫的製 程，在半導體製造製程係可採用所謂通常正採用的化學性反應蝕刻之乾蝕 刻而得的製造製程過程。此等係可進rMRAM存儲器之大量生產，由本發明 可實現出不含實質上的電晶體之MRAM製造技術。 實施例 (實施例1) 製作出已採用η-型（Ga，Cr)N及p-型（Ga，Mn)N而成之半金屬性的稀薄鐵 磁性半導體之MRAM。 如第1圖所示，為使TMR元件低電阻化，以p型半金屬性的稀薄鐵磁性 半導體之p-型（Ga，Mn)N(Mn濃度10 at%)及η型半金屬性的稀薄鐵磁性半 導體之η-型（Ga，Cr)N(Cr濃度10 at%)，製作出挾持原子層二層非磁性絕 緣體原子層（i層）GaN的p-i-n型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極 體。 於本新方式的TMR元件’若對位線及字線施加由5meV至20meV之低電 壓時，則僅單方向的電流流動，可予確認出整流效應。由而，即使無供開 16 1262593 關用的MOS電晶體’亦可予確認出以用作已採用p型及n型半金屬性 薄鐵磁性半導體之新型磁阻隨機存取存儲器裝置⑽ΑΜ)而動作。 此等電壓與習用的金屬鐵磁性材料薄膜之疆相較，由於遞元件之 電阻較小’在室溫係可使偏壓減少—她數社賴時代者。不論 間或讀出時間，均短至0. 2〜1.3nS。 ” 又如第2圖所不，藉由p型半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之型似，

Mn)N(Mn濃度6 at%)及η型半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之n一型似，⑺n (Cr濃度6 at%)間之接合而得的p-n肖合型低電阻随道磁電阻效應（低電阻 TMR)偶極體，係可得同樣的效果，使6不含有電晶體之半金屬性 的稀薄鐵雜半導體崎翻崎機存取存齡裝置⑽·)讀作成為可 能。 已採用金屬鐵磁材料薄膜之MRAM，若使存儲器單位之尺度變小時，則 磁化反轉所f的電流磁場會增加。此雖猶著已制金屬綱性材料之習 用的麵之大容量化的課題，但藉由採用雜元素之濃度極少的_及 10 at%)半金屬性的稀薄鐵磁性半導體，使高積體化，於減少尺度時可使磁 化反轉所需的電流磁場較金屬磁性材料者可減少1/1〇〜1/1〇〇以上，故已採 用半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之MRAM的本發明係可解決此問題。 (實施例2) 製作出已採用η-型(Zn，V)〇及p—型(Zn，Cr)〇而成之半金屬性的稀薄 鐵磁性半導體之MRAM。 如第1圖所示，為使TMR元件低電阻化，以p型半金屬性的鐵磁性半 導體之p-型（Zn，Cr)N(Cr濃度1〇娜及㈣半金屬性的稀薄鐵磁性半導 體之η-型（Zn，V)N(V濃度1 Gat%)，製作出挾持原子層三層非磁性絕緣體原 子層（1層）ZnO的p-i-n型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體。 於本新方式的TMR元件，若對位線及字線施加由8meV至25meV之低電 壓時，則僅單方向的電流流動，可予確認出整流效應。由而，即使無供開 關用的M0S電晶體，亦可予確認出以用作已採用p ^及n型半金屬性的稀 薄鐵磁性半導體之新型磁阻隨機存取存儲器裝置(MRAM)而動作。 此等電壓與習用的金屬鐵磁性材料薄膜之MRAM相較，由於THR元件之 17 1262593 電阻車乂小’在至溫係可使偏壓減少_錄以上關時代者。不論寫入時間 或讀出時間，均短至〇. 16〜2. 3ns。 又如第2圖所不，藉由p型半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之p型（Zn， WN(Cr濃度15at_n型半金屬性的稀薄鐵磁性半導體之^型⑽顿v 濃度15 at%)間之接合而得的p—n接合型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻動 =極體，係可得同樣的效果，使已採用不含有廳電晶體之半金屬性的稀 薄鐵磁性半導體的新型磁阻隨機存取存儲器裳置(mram)之動作成為可能。 、已採用金屬鐵磁材料薄膜之MRAM，若使存儲器單位之尺度變小時，則 會增加。此雖為隨著已採用金屬鐵磁性材料之習 1 里化的課題，但藉由採用磁性元素之濃度極少的（10 at% 及難%)半金屬性的稀薄鐵磁性半導體，使高積體化，於減少尺度時可使 磁化反轉所需的電流磁場較金屬磁性材料者可減少1/l〇〜i/i〇〇以上 =半金雜__雜半導體之麵的本發_可解決此問題。 座菜上的利用領域| 今後的存儲H由於行動式通信的需要變A，乃以高速化、大容量化， ^電，或可攜帶的電視電話、資料庫數據機、礦用功能等整體化而得的萬 j ln Gne)化被要求著。此外，為使促進數位家電之推廣，由省能量 之觀點，碑雜存魅即被顏f求著。至儲 最優先利用技術領域。 P成為必要不可缺的 【圖式簡單說明】 第1圖係以p型半金屬性的鐵雜半導體及n型半 T，製作出挾持原子層至少—層以上非磁性絕緣體原子造丫 型低電阻隧道磁電阻效應（低電阻遍)整流偶 取存儲器裝置(MRAM)之模式圖。 侍的新型磁阻隨機存 18 1262593

第5圖係對以本發明之Η-vj 第2圖係以p型半金屬性的鐵磁性半導體及〇 導體，製作出不挾持非磁性絕緣體原子層的構造之

雜質濃度與構成TMR it件的鐵磁性半導體之鐵磁性轉移溫度⑴卩^關係 圖0 第6圖係表示p型（Mn掺雜）及n型（以掺雜）ΙΠ_ν族稀薄磁性半導體 (GaAs’GaN)之半金屬性的（一者之自旋係金屬性的，而反向自旋係絕緣體) 電子狀態圖。 第7圖係表示p型〇^5&1%掺雜）111砰族稀薄磁性半導體((^^,(；心) 之鐵磁性轉移溫度的空穴及電子濃度關聯圖。 第8圖係表示已掺雜Mn 5 at% ΙΠ_ν族稀薄磁性半導體(GaAs，以们 之半金屬性的電子狀態之受體(啦)及施體(〇)之濃度關聯圖。 【主要元件符號說明】 1 P型半金屬的鐵磁性半導體 2 η型半金屬的鐵磁性半導體 3非磁性絕緣體原子層 4位線 5字線 6 M0S電晶體 19

Claims (1)

1262593 十、申請專利範圍： 磁崎機存取存裝置，其特徵在於以p料金雜賴磁性半 η财金屬型的鐵磁性半導體藉由挾持至少—層以上非磁性絕緣體 1 ^層）的Ρ 1 一Ω型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻TMR)偶極體，使™ 疋件/、有已利用整流效應之開關效應。 機存取存儲^裝置，其特徵在於以藉由以P S半金屬性的鐵 雷麵·* η型半金屬翻綱性半導體間之接合崎的”接合型低 效鹿。k、阻效應（低電阻TMR)，使TMR元件具有已利用整流效應之開關 ^仆2 2機存取存儲器跋置，其特徵在於以由已掺雜^及空穴至1 1 一VI 系而成作為Ρ型半金屬性的鐵磁性半導體，又以由已掺 鐵磁性本上VI族化合物轉體之㈣成作為η型半金屬性的 此等的接合而得之Ρ—η接合型低電阻隧道磁電阻效應 ^ Π ，使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應。 1 IIM / μ、+的系而成作為P型半金屬性的鐵磁性半導體，又由已掺雜 的接口而侍之口〜接合型低電阻隧道磁電阻效應（低 ’使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應。 L匕St存儲器裝置，其特徵在於以由已掺雜Cr及空穴至1卜71 β雷：m沾”、而成作為P型半金屬性的鐵磁性半導體，又由已掺雜v 14丰導#，、VI知化合物半導體之系而成作為n型半金屬性的鐵磁 ."以至少一層挾持非磁性絕緣體原子層（i層）於此等之間的 20 1 & ™κ)^"1ιέ 5 ^ ™R 6"J 1262593 族化裝置，其特徵在於以由已掺雜此及空穴至III_V Cr·及電子Ζ 為P型半金雜的鐵雜半導體，又由已掺雜 磁性半_，藉由半導紅^蘭為Π料金屬性的鐵 P-i-n型低電麵、非磁性絕緣體原子層⑽）於此等之間的 用整流效應之開關^效應（低電阻則偶極體，使遞元件具有已利 1^=2機^存儲_，其特徵在於以由_&及空穴至^ :==半她的鐵磁性半導體，又由已掺雜v、k、c〇或則 效應(低電阻T_極體，使搬元件具有已利用整流效應。 的糸機存取存儲器裝置’其特徵在於以由已掺雜Cr及空穴至Ζη0 Ni及電^至ΖηΡ〇^金屬性的鐵磁性半導體，又由已在掺雜V、Fe、C〇或 m的系而成作為n型半金屬性的鐵磁性半導體，藉由此等的 1低電阻隨道磁電阻效應（低電阻搬)偶極體，使TMR 請具有已·整流效應之開關效應。 取存儲器敦置’其特徵在於以由已掺雜Fe及空穴至1V 子f卜成作為p型半金屬性的鐵磁性半導體，又由已掺雜Mn及電 以至小m導體之系而成作為n型半金屬性的鐵磁性半導體，藉由 、曾s非磁性絕緣體原子層⑽）於此等n型低電阻随 =電阻效應（低電阻遍)偶極體，使搬元件具有已利用整流效應之開關 雜隨f存取存翻裝置，其特徵在於㈣已掺_及空穴至π 已編Μ之取彳'位置上的系*成作為P型半金屬㈣鐵磁性半導體，又由 已4雜Μη及電子至上述的IV族半導體之系而成作為n型半金屬性的鐵磁 21 1262593 性半導體，藉由此等的”接合型低電阻隧道磁電阻效應(低電阻撤)偶極 體，使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應。 η·、一種磁阻隨機存取存儲器裝置，其特徵在於以由已掺雜Mn及空穴至ιν 族半導體之晶格間位置上的系而成作為p型半金屬性的鐵磁性半導體，又 由已^雜Cr及電子至上述的iv族半導體之系而成作為n型半金屬性的鐵 磁性半導體，藉由鱗的Ρ—η接合魏電剛道磁餘效應(低電阻勘 偶極體’使TMR元件具有已利用整流效應之開關效應。 =· -種控制鐵磁性半導體之鐵磁性轉移溫度之方法，係採用以ΠΙ—ν族化 合物半導體為基極之半金屬性的鐵磁性半導體，製作使TMR耕具有由 P -1-η型低電阻隨道磁電阻效應（低電阻則偶減之整流效應而得的開關 效應之上述各磁晴機存取存㈣錢⑽AM)時，改變3d、4d及5d過渡 金屬雜質濃度，或稀土類雜質濃度或空穴及電子濃度，改變徹力件而成。 13· -種控制鐵磁性轉移溫度至所期待的溫度之方法，係採用以π—νι族化 合物半導體為基極之半金屬性的鐵磁性半導體 ，製作使TMR元件具有由 ρ:ι-η型及p-nii低電阻隨道磁電阻效應（低電阻观)偶極體之整流效應而 付的開關效應之上述各磁阻隨機存取存㈣裝置⑽AM)時，改變3(1、4(1及 5d過渡金屬濃度，_土_質濃度或空穴及電子濃度而成。 22 1262593 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1)圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 p型半金屬的鐵磁性半導體 2 η型半金屬的鐵磁性半導體 3 非磁性絕緣體原子層 4位線 5 字線 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：