JP4528660B2 - スピン注入fet - Google Patents
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Description
スピン注入FETは、磁気抵抗効果素子をこれら先端デバイスに適用した場合の一形態である。スピン注入FETの特徴は、ゲート電圧が一定であっても、磁気抵抗効果素子の磁化状態に応じてチャネルを流れる電流の値が変わる点にある。また、スピン注入FETでは、スピン偏極電子(Spin-polarized electrons)による磁化反転(magnetization reversal)を利用する。
Appl.Phys.Lett. 84(13) 2307 (2004)
まず、本発明の例に関わるスピン注入FETの基本構造について説明する。
図1は、本発明の例に関わるスピン注入FETの基本構造を示している。
図1のスピン注入FETに用いられる材料の例について説明する。
ii. (Co,Fe,Ni)-(Si,B)合金、
(Co,Fe,Ni)-(Si,B)-(P,Al,Mo,Nb,Mn)合金
iii. Co-(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)などのアモルファス
iv. Co2(CrxFe1-x)Al、Co2MnAl、Co2MnSiなどのホイスラー合金(ハーフメタル)
v. SiMn、GeMnなどの希薄磁性半導体
強磁性体(pinned layer)12aは、単層であっても、また、多層から構成されていても、いずれでもよい。強磁性体12aの厚さは、0.1 nmから100 nmの範囲内に設定される。強磁性体12aを超常磁性体に変化させないためには、強磁性体12aは、0.4 nm以上の厚さにすることが好ましい。
図1のスピン注入FETの動作について説明する。
i. 書き込み
書き込み時には、制御信号Ei,Fjを“L”にし、NチャネルMISトランジスタNE,NFをオフにする。
読み出し時には、図6に示すように、制御信号bAj,bBjを“H”、制御信号Aj,Bjを“L”にし、PチャネルMISトランジスタPA,PB及びNチャネルMISトランジスタNA,NBをオフにする。
本発明の例に関わるスピン注入FETの基本構造によれば、具体的に、スピン注入FETにスピン注入電流を流して、その状態を変化させたり、さらに、スピン注入FETの状態を読み出すことができる。
スピン注入FETにおける熱擾乱の問題について説明する。
書き込みは、ゲート電圧を一定(1.5V)とし、パルス幅 50nsec のスピン注入電流をスピン注入FETに流して実行する。
以下の実施の形態では、熱擾乱の問題を解決でき、熱的安定性に優れ、素子破壊も生じないスピン注入FETを提案する。
A. 全体
図9は、第1実施の形態のスピン注入FETの構造を示している。
第1実施の形態では、材料、サイズなどに関しては、基本構造で説明した材料、サイズなどをそのまま適用できる。
図9のスピン注入FETの動作について説明する。
尚、図10のスピン注入FETに関しても、以下に説明する図9のスピン注入FETの動作と同じとなる。
書き込み時には、制御信号Ei,Fjを“L”にし、NチャネルMISトランジスタNE,NFをオフにする。
読み出し時には、図13に示すように、制御信号bAj,bBjを“H”、制御信号Aj,Bjを“L”にし、PチャネルMISトランジスタPA,PB及びNチャネルMISトランジスタNA,NBをオフにする。
第1実施の形態に関わるスピン注入FETによれば、スピン注入電流による磁化反転方式を採用すると共に、磁化反転時におけるフリー層内の電子スピンの熱揺らぎを抑制するアシスト磁場(電流磁場)を利用する磁場アシスト方式を採用する。
第2実施の形態は、第1実施の形態の改良例である。
第2実施の形態のスピン注入FETは、第1実施の形態のスピン注入FETの特徴の全てを含んでいる。
第3実施の形態は、第1実施の形態の変形例である。
第3実施の形態のスピン注入FETでは、第1実施の形態のスピン注入FETとは異なり、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体及びトンネルバリア層が半導体基板上に形成される。
第4実施の形態も、第1実施の形態の変形例である。
第4実施の形態では、スピン注入FETがSOI(silicon on insulator)基板上に形成される例について説明する。
第5実施の形態は、第2実施の形態の改良例である。
第5実施の形態のスピン注入FETは、第2実施の形態のスピン注入FETの特徴の全てを含んでいる。
第6実施の形態も、第2実施の形態の改良例である。
第6実施の形態のスピン注入FETは、第2実施の形態のスピン注入FETの特徴の全てを含んでいる。
第7実施の形態は、第5実施の形態の変形例である。
第5実施の形態では、強磁性体12a,21の磁化方向は互いに反対向きに強く固定されるが、第7実施の形態では、図28及び図29に示すように、強磁性体12a,21の磁化方向は、例えば、強磁性結合により互いに同じ向きに強く固定される。
第8実施の形態は、第6実施の形態の変形例である。
第6実施の形態では、2つのピン層、即ち、強磁性体12a,21の磁化方向は互いに反対方向であるが、第8実施の形態では、図32及び図33に示すように、強磁性体12a,21の磁化方向は互いに同じ方向である。
第9実施の形態は、第1実施の形態の改良例である。
第9実施の形態は、本発明の例に関わるアシスト磁場を用いる書き込み技術にいわゆるヨーク配線技術を組み合わせたもので、これにより、アシスト磁場を効率よくフリー層としての強磁性体に与え、アシスト電流の低減と共にスピン注入電流の低減を図る。
第10実施の形態は、第1実施の形態の変形例である。
第10実施の形態は、第1実施の形態と比べると、スピン注入FETの向きが異なっている。
第1乃至第10実施の形態では、スピン注入電流の経路の一部とアシスト電流の経路の一部とがオーバーラップする例であったが、第11実施の形態では、両電流の経路を完全に分離する例について提案する。
第12実施の形態は、第6実施の形態の変形例である。
第12実施の形態では、図48及び図51に示すように、第6実施の形態と同様に、フリー層としての強磁性体12b上にもピン層が形成される。
以上、説明したように、第1乃至第12実施の形態のスピン注入FETによれば、熱的安定性に優れ、素子破壊の問題も解決できる。
次に、本発明の例に関わるスピン注入FETに対するデータ書き込み方法(磁化反転プロセス)について説明する。
次に、本発明の例に関わるスピン注入FETの製造方法のいくつかの例について説明する。
図58乃至図60は、本発明の例に関わるスピン注入FETの製造方法の第1例を示している。
図61及び図62は、本発明の例に関わるスピン注入FETの製造方法の第2例を示している。
図64及び図65は、本発明の例に関わるスピン注入FETの製造方法の第3例を示している。
次に、本発明の例に関わるスピン注入FETの適用例について説明する。
リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路とは、プログラムデータに基づいて、1つのロジック回路で複数のロジックのうちの1つを選択的に実現できる回路のことである。
図67は、リコンフィギャブルなロジック回路の第1例を示している。
図73は、リコンフィギャブルなロジック回路の第2例を示している。
尚、上記第1及び第2例においては、Pチャネルタイプスピン注入FETとNチャネルタイプスピン注入FETとをペアで用いたが、同一のロジックが実現できれば、トランジスタの導電型については特に限定されることはない。
次に、本発明の例に関わるスピン注入FETを磁気ランダムアクセスメモリに適用した場合の例について説明する。
第1例は、スピン注入電流Isの経路の一部とアシスト電流Iaの経路の一部がオーバーラップしている場合の例である。
第2例は、スピン注入電流Isの経路とアシスト電流Iaの経路が完全に独立している場合の例である。
第3例は、第2例と同様に、スピン注入電流Isの経路とアシスト電流Iaの経路が完全に独立している場合の例である。第3例が第2例と異なる点は、アシスト電流を流すための独立の書き込み線が延びる方向にある。
本発明の例に関わるスピン注入FETにプログラムデータを書き込むときの信号波形について説明する。
この信号タイミング波形は、スピン注入電流Isを発生させる前からアシスト磁場を発生させ、かつ、スピン注入電流Isを遮断した後もその後一定期間アシスト磁場を発生させておく場合の例である。
次に、制御信号Aj,Bj,Cj,Dj,bAJ,bBj,bCj,bDj及び制御信号Ci,Di,bCi,bDiを発生するデコーダを説明する。
次に、本発明の例に関わるスピン注入FETに関し、その他の変形例について説明する。
以下、実施例について説明する。
第1実施例は、図48乃至図51の構造を有するスピン注入FETに関する。
ピン層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。ピン層には、Ru(0.95)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。フリー層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。フリー層には、Cu(5)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。
ピン層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。ピン層には、Ru(0.95)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。フリー層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。フリー層には、Au(5)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。
第2実施例は、図52乃至図55の構造を有するスピン注入FETに関する。
ピン層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。ピン層には、Ru(0.95)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。フリー層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。フリー層には、Ru(5)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。
ピン層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。ピン層には、Ru(0.95)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。フリー層は、例えば、(Co70Fe30)80B20である。フリー層には、V(5)/Co70Fe30/PtMn/Taからなる構造が結合され、この構造上には、導電性ポリシリコンが形成される。
本発明の例によれば、熱的安定性に優れ、素子破壊の問題も解決できるスピン注入FETを提供できる。
Claims (10)
- 磁化方向が固定される第1強磁性体と、
スピン注入電流により磁化方向が変化する第2強磁性体と、
前記第1及び第2強磁性体間のチャネルと、
前記チャネル上にゲート絶縁層を介して形成されるゲート電極と、
前記チャネルに流れる前記スピン注入電流の向きを制御し、前記第2強磁性体の磁化方向を決定する第1ドライバ/シンカーと、
前記第2強磁性体の磁化容易軸方向の磁場を発生させるアシスト電流を流す配線と、
前記配線を流れる前記アシスト電流の向きを制御する第2ドライバ/シンカーと
を具備することを特徴とするスピン注入FET。 - 前記スピン注入電流を遮断した後、前記アシスト電流を遮断することを特徴とする請求項1に記載のスピン注入FET。
- 前記スピン注入電流の経路の一部と前記アシスト電流の経路の一部は、オーバーラップすることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン注入FET。
- 前記スピン注入電流の経路と前記アシスト電流の経路とは、分離されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン注入FET。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスピン注入FETにおいて、さらに、前記第1強磁性体と前記チャネルとの間及び前記第2強磁性体と前記チャネルとの間の少なくとも一方に形成されるトンネルバリア層を具備することを特徴とするスピン注入FET。
- 第1及び第2ソース/ドレイン拡散層と、
前記第1ソース/ドレイン拡散層上に形成され、磁化方向が固定される第1強磁性体と、
前記第2ソース/ドレイン拡散層上に形成され、スピン注入電流により磁化方向が変化する第2強磁性体と、
前記第1及び第2ソース/ドレイン拡散層間のチャネルと、
前記チャネル上にゲート絶縁層を介して形成されるゲート電極と、
前記チャネルに流れる前記スピン注入電流の向きを制御し、前記第2強磁性体の磁化方向を決定する第1ドライバ/シンカーと、
前記第2強磁性体の磁化容易軸方向の磁場を発生させるアシスト電流を流す配線と、
前記配線を流れる前記アシスト電流の向きを制御する第2ドライバ/シンカーと
を具備することを特徴とするスピン注入FET。 - アレイ状に配置される複数のスピン注入FETを有し、前記複数のスピン注入FETの各々は、
磁化方向が固定される第1強磁性体と、
スピン注入電流により磁化方向が変化し、この磁化方向に応じたデータを記憶する第2強磁性体と、
前記第1及び第2強磁性体間のチャネルと、
前記チャネル上にゲート絶縁層を介して形成されるゲート電極と、
前記チャネルに流れる前記スピン注入電流の向きを制御し、前記第2強磁性体の磁化方向を決定する第1ドライバ/シンカーと、
前記第2強磁性体の磁化容易軸方向の磁場を発生させるアシスト電流を流す配線と、
前記配線を流れる前記アシスト電流の向きを制御する第2ドライバ/シンカーと
を具備し、磁気抵抗効果を利用してデータを読み出すことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 直列接続される第1及び第2トランジスタを有し、前記第1トランジスタは、
磁化方向が固定される第1強磁性体と、
スピン注入電流により磁化方向が変化する第2強磁性体と、
前記第1及び第2強磁性体間のチャネルと、
前記チャネル上にゲート絶縁層を介して形成されるゲート電極と、
前記チャネルに流れる前記スピン注入電流の向きを制御し、前記第2強磁性体の磁化方向を決定する第1ドライバ/シンカーと、
前記第2強磁性体の磁化容易軸方向の磁場を発生させるアシスト電流を流す配線と、
前記配線を流れる前記アシスト電流の向きを制御する第2ドライバ/シンカーと
を具備し、前記第1トランジスタの磁化状態によりロジックが決定されることを特徴とするリコンフィギャブルなロジック回路。 - 前記第2トランジスタは、強磁性体を持たないMISトランジスタ及び磁化状態が固定されるスピン注入FETのうちの1つであることを特徴とする請求項8に記載のリコンフィギャブルなロジック回路。
- 前記第1及び第2トランジスタは、共通のフローティングゲートを有することを特徴とする請求項8又は9に記載のリコンフィギャブルなロジック回路。
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