关于通过加磁场使阻值变化的磁阻元件正在大量地进行应用到作 为磁头、磁存储元件的MRAM(磁随机存取存储器：Magnetic Random Access Memory)等器件上的开发。尤其是集中注意于包含隧道结的磁 阻元件的潜在的、高的磁阻变化率。在磁阻元件中通常通过改变多个 强磁性体一部分的磁化方向进行存储器的写入。存储器的读出可以通 过检测伴随磁方向变化的电阻变化进行。
从存储器大容量化的要求出发，磁阻元件探索微细化的方法。因 为微细化，预料要增大用于使强磁性体的磁化方向变化的必要的磁场。 可是，由于用于产生磁场的导线也有必要微细化，所以通过增加电流 产生磁场增大是有限度的。此外，一旦增大磁场，则磁串扰成为问题。 磁串扰引起与应加磁场的元件邻接的元件误动作。从这些事项出发， 使用了现有磁阻元件的器件的大容量化和高集成化就受到了限制。
另一方面，对于通过加电压可控制顺磁性和强磁性的被称为磁性 半导体的材料开始有了基础的研究(H.Ohno；Nature，Vol.408，21/28 December(2000)P944)。关于磁性半导体也提出对磁头的应用(特开 平11-87796号公报)。

通过磁性半导体的应用，可实现用电压驱动的新的磁性器件。可 是关于使用了磁性半导体的自旋开关尚未见具体的提案。因此，本发 明的目的是提供使用了磁性半导体的自旋开关，以及使用该自旋开关 的磁存储元件。
本发明的第一自旋开关包含：强磁性体，对该强磁性体磁耦合的 磁性半导体，对该磁性半导体磁耦合的反强磁性体，和经绝缘体与该 磁性半导体连接的电极。通过该电极上的电压变化，磁性半导体在强 磁性和顺磁性之间可逆地变化。而且，在第一自旋开关，如果使磁性 半导体为强磁性，则强磁性体通过与磁性半导体磁耦合，在规定方向 被磁化。所谓磁耦合指的是对磁化方向处于相互影响的关系。
本发明的第二自旋开关包含：磁性半导体，经绝缘体与该磁性半 导体连接、至少覆盖该磁性半导体至少一部分的一个电极。磁性半导 体包含以规定方向(第一方向)为纵向的磁化变化区域和与该区域邻 接的周边区域。而且，合并磁化变化区域和周边区域的合计区域具有 与上述规定方向相异的方向(第二方向)的纵向。在第二自旋开关， 通过上述至少1个电极的电压变化，在磁性半导体上，在上述至少1 个电极覆盖的部分上，产生在强磁性和顺磁性之间的可逆变化，通过 该变化可以实现磁化变化区域以及周边区域成为强磁性的第一状态和 磁化区域成为强磁性、周边区域成为顺磁性的第二状态。通过第二自 旋开关可以实现对因形状各向异性引起的反磁场加以利用的磁化反 向。在第一状态沿其纵向(第一方向)磁化后的磁化变化区域在第二 状态磁化方向改变为合计区域的纵向(第二方向)。
附图说明
图1是本发明第一自旋开关一例的截面图。
图2是图1的第一自旋开关的平面图。
图3是本发明第一自旋开关其它例的截面图。
图4是本发明第一自旋开关其它例的截面图。
图5是本发明第一自旋开关其它例的截面图。
图6是本发明第二自旋开关一例的截面图。
图7是示出在图6的自旋开关中，磁性半导体合计区域(磁化变 化区域和周边区域)全部成为强磁性状态的平面图。
图8是示出在图6的自旋开关中，磁性半导体的周边区域的一部 分从图7的状态向顺磁性变化后的状态的平面图。
图9是示出在图6的自旋开关，磁性半导体的周边区域的剩余部 分从图8的状态变化为顺磁性的状态的平面图。
图10是示出在图6的自旋开关，磁性半导体的周边区域的一部分 从图9的状态变化为强磁性的状态的平面图。
图11是本发明第二自旋开关的其它例的平面图。
图12是本发明第二自旋开关的其它例的平面图。
图13是使用第一自旋开关的本发明的磁存储元件一例的截面图。
图14是使用第二自旋开关的本发明的磁存储元件一例的截面图。

首先，对本发明的第一自旋开关加以说明。
在由图1及图2所示的第一自旋开关的一方式中，在强磁性体10 上连接有第一磁性半导体11以及第二磁性半导体21。在该方式，强磁 性体和第一及第二磁性半导体分别通过交换相互作用磁耦合，然而， 磁耦合方式不限于此，只要耦合充分大，则例如也可以是基于静磁耦 合的。第一及第二磁性半导体11、21分别经绝缘体12、22连接第一 电极13及第二电极23。在第一及第二磁性半导体11、21上又分别连 接第一反强磁性体14及第二反强磁性体24。在这些的反强磁性体上赋 与单方向各向异性，以便分别如图中箭矢所示，相互呈180°角度，即 相反方向。
对该自旋开关的开关动作一例加以说明。如果通过加上从第一电 极13来的电压，使第一磁性半导体11从顺磁性变化为强磁性，则第 一磁性半导体通过与第一反强磁性体14的磁耦合，在与该反强磁性体 的单方向各向异性相同的方向上被磁化。其结果，通过与第一磁性半 导体11的磁相互作用，强磁性体10也在相同方向(第一方向)被磁 化。
接着，如果不在第一电极13上加电压，在第二电极23上加电压， 则第一磁性半导体11返回成顺磁性，第二磁性半导体21从顺磁性变 化成强磁性。与此相伴，强磁性体10经第二反强磁性体24和第二磁 性半导体21之间的磁耦合以及第二磁性半导体21和强磁性体10之间 的磁耦合，向着由第二反强磁性体规定的反方向(第二方向)磁化。 这样一来，不是利用电流而是利用电压就可产生强磁性体10的磁化反 向。在该自旋开关，通过利用电极的电压向磁性半导体注入空穴或电 子，可以保持强磁性体的磁化或控制反向。
上述动作不过一例。磁性半导体如果调整掺杂量，则从通过加电 压引起的强磁性变化为顺磁性。如果利用这点，则通过不加从电极来 的电压使其停止，也可以使磁化反向。
优选第一反强磁性体14的单方向各向异性的方向和第二强磁性体 的单方向各向异性的方向之间构成的角度在90°以上180°以下。另 一方面，如后述所示，使用自旋反转元件使任一反强磁性体的单方向 各向异性反转从而起作用的情况下，优选上述角度0°以上90°以下。
对强磁性体磁耦合的磁性半导体数不限于2个，也可以为3个以 上，也可以只是1个。
在只用一个磁性半导体的情况下，也可以追加其它磁性变更手段， 例如追加用于施加磁场的导线。此外，如后述所示，可以利用强磁性 体的形状各向异性。在这种情形，也可以选择强磁性体的形状，以便 在使磁性半导体返回顺磁性时，通过形状各向异性改变磁化方向。或 者在器件内不配置其它磁化变更手段，也可以作为只重写1次的一次 写入型存储器用。在这种情况下，也可以通过在器件外具有的磁化变 更手段进行存储的初始化。
如图3～图5所示，也可以在反强磁性体和磁性半导体之间以及在 强磁性体和磁性半导体之间介入其它层。这些构件也可以相互磁耦合， 不必要一定接触。
在图3的元件，在第一及第二磁性半导体11、12和第一及第二反 强磁性体14、24之间分别介入强磁性体15、25。
在图4的元件，在第一磁性半导体11和第一反强磁性体14之间 用叠层铁氧体16作为自旋反向元件。在该叠层铁氧体，由一对强磁性 体以及介入其间的非磁性体构成、一对强磁性体经非磁性体交换耦合。 如果介入自旋反向元件，则磁性半导体11在与反强磁性体14的单方 向各向异性相反方向被磁化。因此，如图4所示，即使将第一反强磁 性体14和第二反强磁性体24之间的单方向各向异性一致，也可以使 强磁性体10的磁化反向。在制作该方式的元件的工序，可以一次完成 用于对反强磁性体赋与单方向各向异性的磁场内的热处理。
在图5的元件，在强磁性体10和第一磁性半导体11之间介入叠 层铁氧体16，与图4的元件同样，如果对两反强磁性体14、24赋与同 一方向的各向异性足矣。自旋反向元件也可以介入第二磁性半导体侧。
这样，在本发明的优选方式中，从第一反强磁性体14直到强磁性 体10的磁耦合或从第二反强磁性体24到强磁性10的磁耦合包含磁化 反向的磁耦合，在两反强磁性体14、24包含赋与相同的单方向各向异 性的元件。具体讲，如图5及图6的所示，也可以从强磁性体和磁性 半导体之间或从磁性半导体和反强磁性体之间选择的至少一方，或任 一方介入自旋反向元件。
在相反方向上赋与单方向各向异性的情况下，在第一反强磁性体 14和第二反强磁性体24之间也可以用阻隔温度互相各异的材料。关于 用本优选方式的各向异性的赋与方法在实施例一栏内示出具体例。
其次，说明本发明的第二自旋开关。
图6所示的第二自旋开关的一方式具有：具有长边LL及短边LW 的磁性半导体31、覆盖其一部分的第一电极41及第二电极42。该磁 性半导体31沿俯视图，即膜厚方向观测时，具有大体矩形体的形状。 电极41、42分别经省略图示的绝缘体与磁性半导体的第一区域51(图 中I)及第三区域53(图中III)相接。第一电极41从磁性半导体31 一方的短边，沿长边只覆盖长度L2的磁性半导体，第二电极42从磁 性半导体的另一方的短边，沿长边只覆盖长度L1的磁性半导体。成为 磁化变化区域的第二区域52(图中II)全介于与周边区域相当的第一 区域51或第三区域53之间。
如图6所示，在磁性半导体31，优选第一区域51，第三区域53 以及第二区域52沿着合计区域的纵向(第二方向)，按其顺序排列。
在这里，优选设定LL、LW、L1及L2使其满足以下关系式a)～d)。
a)L1+L2＜LL
b)LL/LW＞1，优选LL/LW＞1.5
c)LW/{LL-(L1+L2)}＞1，优选LW/{LL-(L1+L2)}＞1.5
d)0.5＜LW/(LL-L1)＜2，优选0.67＜LW/(LL-L1)＜1.5
其中，L1及L2分别是沿着合计区域(第一～第三区域)的纵向(第 二方向)的第三区域及第一区域的长度，LL是沿着上述合计区域的纵 向(第二方向)的长度，LW是沿第二区域的纵向(第一方向)的长度。
边参照图7～图10，边说明该元件动作的一例。以下是具有如下特 性情况下的动作例：在所有区域，磁性半导体在未加电压的状态下是 强磁性，如果加电压，则变化为顺磁性。
如图7所示，即使在所有区域上也不加电压的情况下，磁性半导 体31在所有区域成为强磁性体。在该状态下，通过形状各向异性，在 区域全体，磁化沿着纵向(第二方向)。即使在第二电极42上加电压， 使第三区域53作为顺磁性，如图8所示，作为强磁性的第一区域51 及第二区域52的磁化方向维持不变。
可是，如图9所示，如果还在第一电极41上加电压，使第一区域 51作为顺磁性，则强磁性区域只限制在第二区域52。一旦到达该状态， 则通过形状各向异性，第二区域沿其纵向(第一方向)被磁化。这样 一来，第二区域的磁化方向大体只变化90°。在该状态下，如果终止 加在第一电极41的电压，则如图10所示，磁化方向的变化扩大到第 一区域51。这样一来，通过上述动作，在第一区域51及第二区域52， 磁化方向变化。
在该动作例，第一区域51及第二区域52成为储存区域。正如上 述关系式d)所示，优选储存区域作成难以受形状各向异性影响的形状。
在图10所示的状态，如果再解除加在第二电极42的电压，则由 于形状各向异性起作用，所以磁性半导体31如图7所示再在其全区域， 在第二方向被磁化。
这样一来，不是通过电流，而是通过电压可引起磁化反向动作。 即使在该自旋开关，通过向磁性半导体注入空穴或电子，也可以保持 强磁性体的磁化或控制反向。
只要因形状各向异性而磁化反向即可，对磁性半导体形状没有限 制，例如如图11所示，也可以是俯视图大体呈椭圆形的形状。对电极 配置也没有限制，没有必要一定从端部开始覆盖磁性半导体。电极优 选配置在不是磁化变化区域的周边区域。
如果在该自旋开关，在各区域，为了变更磁性半导体特性调整掺 杂量，则可实现不同的开关动作。在优选掺杂量的调整中，包含略微 改变掺杂量的方式，以便在不加电压的状态下，第一区域51以及第二 区域52是强磁性体，而第三区域53成为顺磁性。根据该调整，在保 持磁化的方式(参照图8，图10)下，没有必要施加电压。
如果如上述所示调整掺杂量，则如图12所示，即使使第一电极及 第二电极短路作为一个电极43，也可以实现同样的动作。该动作也取 决于磁性半导体的特性。
即，在因空穴浓度而TC(居里温度)改变的磁性半导体，即使在 强磁性状态下进一步注入空穴，也只有通过进一步提高TC，维持强磁 性。同样地，在因电子密度而TC改变的磁性半导体，即使在强磁性状 态下进一步注入电子，也只有通过进一步提高TC，维持强磁性。因此， 例如，用如上述所示调整掺杂量后的磁性半导体和图12所示的电极， 例如从电极43加正电压，第一～第三区域的磁化可以沿其纵向(参照 图7)，加负电压，第二区域的磁化可以沿横向(参照图9)。如果不 加电压，则磁化被维持(参照图8、图10)。
本发明的自旋开关可以用于例如磁存储元件。在以下说明磁存储 元件的例子。但是，本发明的磁存储元件并不限于以下的构成。
图13所示的磁存储元件包含本发明的第一自旋开关，而且，上部 电极71与通过开关动作改变磁化方向的强磁化体10连接。在该磁存 储元件上包含以强磁性体10作为自由磁性层的磁阻元件，该磁阻元件 具有自由磁性层(强磁性体)10/高阻层72/固定磁性层(强磁性体)73/ 反强磁性体层74的叠层构造。高阻层72例如是隧道绝缘层。此外， 在该磁阻元件上，在省略图示的下部电极和上部电极71之间流过电流， 检测伴随强磁性体10的磁化方向变化的阻值变化。
在图14示出本发明的磁存储元件另外的例子。在该元件上应用了 本发明的第二自旋开关。在该元件，上部电极71与通过开关动作改变 磁化方向的磁性半导体31的磁化变化区域(第二区域)连接。在该磁 存储元件上也包含以强磁性体作为自由磁性层的、与上述同样的磁阻 元件，用省略图示的下部电极和上部电极71，检测由于磁化方向不同 产生的阻值的变化。
作为磁性半导体并没有特别限制，然而通过式(L1-xMx)Q或 (R1-xMx)(T1-yQy)表达的材料是合适的。
在这里，L是从B、Al、Ga、In及Tl中选择的至少1种元素，尤 其是从Al、Ga及In中选择的至少一种元素，M是从V、Cr、Mn、Fe、 Co及Ni中选择的至少1种元素，尤其是Mn，Q是从N、P、As、Sb 以及Bi中选择的至少1种元素，尤其是从N、P、As以及Sb中选择 的至少1种元素。
R是从Zn、Cd及Hg中选择的至少1种元素，M与上述同样，T 是从O、S、Se、Te及Po中选择的至少1种元素，尤其是从O、S、 Se及Te中选择的至少1种元素，Q与上述同样。
L、M、Q、R及T也可以由2种以上的元素构成，例如M也可以 是NiFe、CoFe、FeCr、MnFe等，此外，例如R也可以是ZnCd、ZnHg 等。
x是0.001以上0.3以下的数值，y是0以上0.3以下的数值。
在上述例示的磁性半导体，通过例如改变x值，调整掺杂量，可 以改变其特性。确定磁性半导体的Tc的掺杂量有2种。是M所示那样 的具有自旋的元素所产生的自旋的掺杂量和与普通半导体同样的载流 子的掺杂量。例如，L＝Ga、M＝Mn、Q＝As时，Mn与自旋的掺杂一起， 以空穴作为掺杂。自旋的掺杂量基本上可以通过用M所示那样的磁性 元素的添加量加以控制。相反，载流子的掺杂量除了改变x或y以外， 可以通过对(L1-xMx)和Q之比或(R1-xMx)和(T1-yQy)之比稍微与 1∶1错开一点，即，也可以通过掺入晶格缺陷加以控制。通过以上所述 那样的组成、添加元素的控制，可以控制磁性半导体特性。
在强磁性体、反强磁性体，非磁性体(高阻膜)等的其它构件上， 尤其可以不受限制地使用根据现有已知的材料。
本发明的磁存储元件基本上可以通过形成多层膜得到。作为基板， 也可以用表面用绝缘体覆盖的物体，例如热氧化处理的硅基板，石英 基板，蓝宝石基板等。为了使基板表面作得平滑，根据需要也可以进 行机械化学抛光(CMP)等的平滑化处理。也可以用预先形成MOS 晶体管等的开关元件的基板。
多层膜可以用溅射法、MBE(分子束外延：Molecular Beam Epitaxy) 法、CVD(化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition)法、脉冲激光 沉积法、离子束溅射法等通常的薄膜制作法。作为微细加工法也可以 用众知的微细加工法，例如用接触光罩或分挡器的光刻法或EB(电子 束：Electron Beam)刻法、FIB(聚焦离子束：Focused Ion Beam)加 工法。
作为蚀刻法也可以用离子研磨或RIE(反应离子蚀刻：Reactive Ion Etching)。在表面平滑化、部分膜的除去中可以用CMP或精密抛光法。
对多层膜根据需要也可以在真空中、惰性气体中或氢中，在无磁 场或施加磁场的同时进行热处理。
实施例
实施例1
制作具有图13所示构成的磁存储元件。在这里，作为反强磁性体 14、74用PtMn，作为反强磁性体24用IrMn，作为高阻膜(隧道绝缘 层)72用膜厚1.2nm的AlOx(x≤1.5)，作为强磁性体10、73，用膜 厚3nm的Co75Fe25，作为磁性半导体11、21用膜厚1.5nm的(In0.97Mn0.03) As，作为绝缘体12、22用膜厚7nm的Ta2O5，作为电极13、23用 TiN(3nm)/Pt，作为上部电极71用Ta(3nm)/Cu。
(In0.97Mn0.03)As在不加电压的状态下，Tc约为30K。因此，在 稍微超过30K的温度下，在不加电压的状态下是顺磁性。在该温度下， 通过电压注入空穴，可以使该磁性半导体为强磁性。相反，在稍微下 降到30K以下的温度，在无电压下是强磁性，通过利用电压注入电子， 补偿空穴载流子，可以作成顺磁性。
在磁性半导体形成中用MBE法，在其它的成膜适合使用溅射法 等。通过对成膜的金属Al氧化形成隧道绝缘层。各构件使用光刻等作 成规定形状。在图13，虽然省略图示，但在反强磁性体下方上配置有 由Cu形成的下部电极。同样虽然省略图示，在各构件之间通过SiO2 绝缘。
在构成自旋开关的2个反强磁性体14、21上，利用PtMn和IrMn 具有不同的阻隔温度，赋与各异的单方向各向异性。首先，在规定方 向施加5kOe(398kA/m)的磁场同时在300℃下热处理5小时，接着， 在与上述规定方向相反的方向上施加500Oe的磁场同时在250℃下热 处理1小时，在施加该磁场的同时冷却。由于PtMn的阻隔温度为380 ℃，在上述元件按照赋与大约1kOe程度的交换耦合磁场的方式来设制 元件，所以在500Oe、250℃条件下，PtMn的单方向各向异性的方向 不变，只有IrMn的单方向各向异性方向改变。
在这样制作的磁存储元件，根据上述说明的开关动作在从电极13、 23施加电压，确认强磁性体10的磁化改变。也可测定伴随该变化的磁 阻效应。
在以下示例说明适合于上述所示的2阶段的磁场中热处理的反强 磁性材料的优选组合。第一材料是从PtMn、NiMn、PdPtMn及CrMnPt 中选择的至少1种。与其组合的第二材料是从IrMn、FeMn、CrAl、 NiO及αFe2O3中选择的至少1种。从这些材料选择的组合适用于第一 反强磁性体14及第二反强磁性体24，使用上述方法，就可以得到在相 互各异的方向上具有单方向各向异性的第一及第二反强磁性体。该方 法按其顺序包含以下工序，即：比第一材料阻隔温度还高的温度下， 在第一方向边加磁场边进行热处理的工序，和在比第一材料的阻隔温 度还低但比第二材料的阻隔温度还高的温度，优选在与第一方向成 90～180°角度的第二方向上边加磁场，边进行热处理的工序。
使用该方法，改变形成第一反强磁性体及第二反强磁性体的单方 向各向异性的角度，测量上述元件的特性，上述角度越接近180°，读 出的S/N越上升，在90°以上，可得到大体实用的S/N。
实施例2
用与实施例1相同材料，制作图14所示的元件。但是，磁性半导 体31的膜厚取3nm，绝缘体32的膜厚取10nm。
在该元件中包含的磁性半导体的形状与图6同样。参照图6，在以 下说明元件的形状。
LL＝1.8μm，LW＝0.9μm，L1＝0.9μm，L2＝0.5μm。
在这样制作的磁存储元件，根据上述说明的开关动作，在从电极 41、42施加电压时，磁性半导体31在包含与电极相接的磁化变化区域 的区域，磁化改变。此外，也可以测量与该变化相伴的磁阻效果。
此外，在实施例1、2，适当变更在各构件中用的材料制作元件。 其结果，可确认从传统获悉的材料可以适用于本发明的元件。例如， 作为高阻层(隧道绝缘层)72可以使用膜厚0.8～2nm程度的AlOx、TaOx、 BN、C、AlN等。作为固定磁性层73可以使用Co90Fe10、Co50Fe50、 Ni80Fe20、Ni60Fe40、Ni40Fe60、Co、Fe等。即使在固定磁性层和高阻层 的界面上介入Co75Fe25、Ni60F40等的构成也可得同样的结果。作为固定 磁性层，即使用叠层铁氧体元件也可以动作。作为叠层铁氧体由 Co75Fe25/Ru(厚度约0.7nm)/Co75Fe25、Co90Fe10/Ru(厚度约0.7nm) /Co90Fe10表示的3层构造的膜是有效的。
与固定磁性层73同样的材料也可以适用于成为自由磁性层的强磁 性体10。在自由磁性层，Co90Fe10、Ni80Fe20等的“软”磁性材料是合 适的。但是叠层铁氧体不适于实施例子中所示的本发明的第二自旋开 关中的自由磁性层。这是由于在第二自旋开关，反磁场成为使磁化变 化的能量，所以不优选用叠层铁氧体降低反磁场。相反，在第一自旋 开关，如果元件尺寸降低到1μm以下，则反磁场提高了使磁化反向需 要的能量。因此，例如以通过将Ni60Fe40/Ir(厚度约0.5nm)/Ni60Fe40 表示的叠层铁氧体用于自由磁化层也可以抑制磁化反向能量的上升。
在上述各实施例，使用满足上述式子的磁性半导体。对于满足各 式的x＝0.01、0.2或0.25，y＝0、0.1或0.25的磁性半导体，定性地可 以得同样的效果。