JP3571034B2 - 磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハーフメタリック強磁性半導体ｐ−ｎダイオードを用いたＭＯＳトランジスターを含まない新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用するタイプとトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を利用するタイプの二つがある。非磁性層を介して隣り合う二つの磁性層の磁化が平行の時、電気抵抗が小さく、反平行の時、抵抗が大きいことを利用して、それぞれ１と０に区別する。書き込みはビット線とワード線に電流を流し、クロスしたメモリーセルの保磁力の大きい磁性層の磁化を電流磁界で反転させる。その向きに応じて１、０とする。読み出しは保磁力の小さい方の磁性層の磁化を電流磁界で反転させてＧＭＲやＴＭＲ効果を利用して１、０を判定する。
【０００３】
ＧＭＲ素子を利用するタイプの場合の方が作製は容易であり、また素子自体が導体であるために素子を直列につなぐことができ、大容量化が容易である。しかし、一つのビット線にＮ個のメモリーセルがあると、信号電圧が１／Ｎとなるために、Ｎが大きくなるとノイズに埋もれて読み出せなくなる。ＧＭＲ素子の抵抗が小さいため、本質的に信号電圧そのものが小さく、読み出しアンプを大きくする必要がある。これはコストとチップサイズの増大をもたらす。これは民生用としては問題があり、ＧＭＲメモリーは軍事用や宇宙用として極めて限定された条件下で使われているのみである。
【０００４】
一方、ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。
【０００５】
メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能として必要になる。このため、ＭＲＡＭのメモリーサイズはＭＯＳトランジスターの大きさのサイズで決まってしまう。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う現実的な大きな課題であり、実用化を妨げている原因の一つである。
【０００６】
メモリーセル構造はＤＲＡＭと似ており、キャパシターの代わりにＴＭＲ素子を用いる。ＦｅＲＡＭとも基本的な構造が似ているが、ＦｅＲＡＭでは、まだ、ばらつきが大きいため、二つのトランジスターと二つの強誘電素子で１ビットを構成している。そのため、１ビットのメモリーセルが大きくなり、高集積化が難しい。
【０００７】
現在、金属磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）は５０％ほどである。これらは素子の大きさによって変化しない。ＤＲＡＭでは素子の大きさを小さくするとキャパシタンスが小さくなる。ＭＲＡＭのＭＲ変化率は素子の大きさによって変化しないが、ＤＲＡＭでは素子の大きさを小さくするとキャパシタンスが小さくなる。
【０００８】
ＭＲＡＭでのスピン反転はナノ秒で起こり、高速アクセスが可能である。ＤＲＡＭよりも高速で読み書き、読み出しができ、しかも、非破壊である。室温での製膜が可能である。これは製造時にＭＯＳトランジスターを破壊しない。
【０００９】
ＦｅＲＡＭの大容量化が難しい原因の一つは、５００℃以上の高温にしないと強誘電体膜を製膜できないことにある。ＭＲＡＭの特長は何回書き換えても問題がない。また、放射線に強いので原子炉や宇宙での使用が可能である。このように、ＭＲＡＭは、不揮発性、高速書き込み・読み出し、および大容量化が可能である。しかし、現在の金属強磁性体薄膜によるＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であり、実用化を妨げている原因の一つである。
【００１０】
ＴＭＲ値のばらつきは２％以内に収めることができるが、磁化反転磁場のばらつきが大きい。また、ＴＭＲの熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ変化率をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ変化率は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要がある。
【００１１】
さらに、金属磁性体薄膜で用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い、物理的に削って微細加工化している。これは大量生産に用いることができない。半導体では、化学的な反応エッチングというドライエッチングによる過程を用いているが、このような製造手段の開発がＭＲＡＭメモリーのような大量生産には不可欠である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。
【００１３】
メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能として必要になる。ここで、本発明が解決しようとする第一番目の課題は、メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能のため不可欠であるが、これをハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合整流ダイオード、またはｐ−ｉ−ｎ接合整流を用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの簡単な構造で、超高集積が可能なＭＲＡＭを開発することである。
ＭＲＡＭのメモリーサイズはＭＯＳトランジスターの大きさのサイズで決まっているのが現状であるから、ＭＲＡＭからＭＯＳトランジスターを排除することが出来れば、ＭＲＡＭの集積度を飛躍的に上げることが出来る。
【００１４】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどである。
これは素子の大きさによって変化しない。ｐ型およびｎ型の１００％スピン分極したキャリアーのみ有するハーフメタリック強磁性半導体を用いることでＭＲ変化率を１００％〜５００％に大きく上昇させた新方式の高性能のＭＲＡＭの開発を行うことが、本発明が解決しようとする第二番目の課題である。
【００１５】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲ素子のＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要がある。製造時にＭＯＳトランジスターを含まないＭＲＡＭであれば、高い温度でのプロセスが可能となり、磁性半導体を用いたＴＭＲの熱耐性は５００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとることを積極的に利用することが出来る。
【００１６】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う解決すべき第三番目の課題である。
【００１７】
さらに、金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い、物理的に削って微細加工化している。これは大量生産に用いることができない。これが、解決すべき第四番目の課題である。
ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来るので、このようなメモリーの大量生産製造手段の開発がＭＲＡＭメモリーのような大量生産には不可欠であり、これらの半導体製造プロセスを製造に用いることが出来るようになる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決手法について鋭意研究開発を進め、低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも原子層について３層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを実現した。
【００１９】
これにより、ビット線とワード線に電圧をかけると、一方向のみの電流が流れ、整流効果が確認された。すなわち、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００２０】
また、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００２１】
ＺｎＯベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、２００℃でのレーザーＭＢＥまたはＭＯＣＶＤなどの基本的には通常の半導体製造プロセスで製造できた。ＣｒやＶなどの遷移金属を結晶成長中に１０％〜１５％ドープするため通常のＺｎＯ単独の結晶成長温度よりも温度を２００℃程度に低くした。これにより、半導体製造プロセスで通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来た。これらはＭＲＡＭメモリーのような大量生産を本方式により可能にし、現実的なトランジスターを含まないＭＲＡＭ製造技術が本発明により実現した。
【００２２】
すなわち、本発明は、下記のものからなるＭＯＳトランジスターを含まず、磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置とその製造方法である。
【００２３】
（１）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）により、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２４】
（２）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II-VI族化合物半導体（ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ等）にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にVおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２５】
（３）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V（ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ等）族化合物半導体にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２６】
（４）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II-VI族化合物半導体（ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ等）にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にVおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２７】
（５）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V族化合物半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ等）にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２８】
（６）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２９】
（７）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＶ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３０】
（８）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３１】
（９）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）
の置換位置にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３２】
（１０）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）の格子間位置にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３３】
（１１）III-V族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた上記（３）又は（５）の各磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置を作製する場合、３ｄ、４ｄおよび５ｄ遷移金属不純物濃度、または希土類不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、ＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度を制御する方法。
【００３４】
（１２）II-VI族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗 ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた上記（２）、（４）、（６）、または（７）の各磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置を作製する場合、３ｄ、４ｄ、および５ｄ遷移金属濃度、または希土類金属不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、強磁性転移温度を所望な温度に制御する方法。
【００３５】
【発明の効果】
金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子の抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用して、一方向のみの電流の流れを保証し、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが不必要となり、トランジスターを含まないハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の製造が可能になる。
【００３６】
また、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の製造が可能になる。
【００３７】
ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能としてどうしても必要になる。
【００３８】
ここで、メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能のため不可欠であるが、本発明では、これをハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合スピン整流ダイオード、またはｐ−ｉ−ｎ接合スピン整流ダイオードを用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの簡単な構造で、しかも、先に述べたＭＯＳトランジスターのための製造プロセスが不必要なので、高温で、しかも、高集積が可能なＭＲＡＭを開発することができる。
【００３９】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどであり、これは素子の大きさによって変化しない。金属強磁性体薄膜に変わり、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体薄膜を用いることでＭＲ変化率を大きく上昇させた高性能のＭＲＡＭの開発が本発明で可能になった。
【００４０】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要があるが、本発明では製造時にＭＯＳトランジスターを含まないタイプのＭＲＡＭであるので、高い温度でのプロセスが可能となり、ハーフメタリック磁性半導体を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は５００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとる（１００〜５００％）ことを積極的に利用することが出来るので、従来の金属磁性体を用いたＴＭＲ素子によるＭＲＡＭと比較して、本発明によるハーフメタリック希薄磁性半導体を用いたＭＲＡＭにおいては超高性能化と超高集積化が可能になる。
【００４１】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属磁性体を用いたＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（２〜３０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属強磁性体薄膜のものと比較して数桁以上減少させることができるので、ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの本発明ではこの問題が解決される。
【００４２】
さらに、金属磁性体ＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い物理的に削って微細加工化していたが、これは大量生産に用いることができない。ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは基本的には通常の半導体製造プロセスと同じか、または、より低温でのプロセスとなるため、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来るので、ＭＲＡＭメモリーのような大量生産を可能にし、現実的な製造技術が本発明により実現した。
【００４３】
【発明の実施の形態】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。そこで、図１に示すように、低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体１とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体２とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）３を少なくとも原子層について一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００４４】
これにより、ビット線４とワード線５に電圧をかけると、一方向のみの電流が流れ、整流効果が確認された。このことは、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００４５】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体１とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体２との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００４６】
図３に示すように、従来の金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子から構成されるＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスター６とＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスター６が必要なのは、これがないとビット線３とワード線５に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためであったが、本発明によるｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオード、またはｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードによる整流効果のため、ビット線からワード線に向かって一方向にしか電流が流れないため、旧来のＭＲＡＭのようにメモリー素子を選択するためのＭＯＳトランジスターをスイッチ機能として設置する必要が無くなった。
【００４７】
図４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、上記ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせることにより、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合に、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度（Ｋ）の関係を示すグラフである。
【００４８】
図５は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、上記ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせることにより、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合に、３ｄ遷移金属濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度の関係を示すグラフである。
【００４９】
本発明では、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合、またはｐ−ｉ−ｎ接合によって生じる整流効果を用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの極めて簡単な構造のため、高集積化が可能であり、しかも、ＭＯＳトランジスターのための製造プロセスが不必要なので、高温での製造プロセスを用いて、超高集積可能なＭＲＡＭを開発することができる。
【００５０】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどであり、これは素子の大きさによって変化しない。金属磁性体に変わり、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いると、一方のスピン状態は金属的伝導を持つが、逆向きスピン状態はバンドギャップが開き絶縁体となり、全くキャリアーがー存在しないので１００％スピン分極したスピン伝導が得られる。
【００５１】
図６に、ｐ型（Ｍｎドープ）およびｎ型（Ｃｒドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ， ＧａＮ）のハーフメタリック（一方のスピンがメタリックで逆向きスピンが絶縁体）な電子状態を示す。
【００５２】
図７に、ｐ型（Ｍｎ５％ドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）の強磁性転移温度のホールおよび電子濃度依存性を示す。
図８に、Ｍｎを５％ドープしたＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）のハーフメタリック電子状態のアクセプター（Ｍｇ）およびドナー（Ｏ）濃度依存性を示す。
【００５３】
ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体で絶縁体１原子層から数原子層をサンドイッチすることによって１００〜５００％以上の大きなＭＲ変化率を得ることが出来る。ハーフメタリックを積極的に利用して、極めて大きなＭＲ変化率（現実には、１００〜５００％であるが理論上は１００％スピン分極したキャリアーであるため無限の大きさが得られる）が可能となるため、ＭＲ変化率を大きく上昇させた高性能のＭＲＡＭが実現した。
【００５４】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要があったが、本発明では、製造時にＭＯＳトランジスターを含まないタイプのｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎとｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）ＮからなるＴＭＲ（絶縁体はｉ−ＧａＮ）、またはｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ａｓとｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓからなるＴＭＲ（絶縁体はｉ−ＧａＡｓ）、またはｉ−層を含まないｐ−ｎ接合整流ダイオードを使ったＭＲＡＭであるので、高い温度でのプロセスが可能となる。
【００５５】
よって、ＧａＮベースやＺｎＯベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は７００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとる（１００〜５００％）ことを積極的に利用することが出来るので、従来の金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子によるＭＲＡＭと比較して、本発明によるハーフメタリック希薄磁性半導体を用いた新方式のＭＲＡＭにおいては、トランジスターも不要なので超高性能化と超高集積化が可能である。
【００５６】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（２〜３０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して数桁以上減少させることができるので、ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの本発明ではこの問題が解決された。
【００５７】
さらに、金属強磁性体薄膜によるＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い物理的に削って微細加工化していたが、これは大量生産に用いることができなかった。ＧａＮベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、７００〜７５０℃でのアンモニア・ガスソースＭＢＥやＥＣＲ（サイクロトン共鳴）プラズマソースによるＭＢＥ、またはＭＯＣＶＤなどの基本的には通常の半導体製造プロセスで製造できた。
【００５８】
ＣｒやＭｎなどの遷移金属を結晶成長中に２％〜３０％ドープするため、通常のＧａＮ単独の結晶成長温度よりも温度を２００℃程度低くした。これにより、より低温でのプロセスとなるため、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来た。これらはＭＲＡＭメモリーのような大量生産を可能にし、現実的なトランジスターを含まないＭＲＡＭ製造技術が本発明により実現した。
【００５９】
【実施例】
（実施例１）
ｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎおよびｐ−型（Ｇａ， Ｍｎ）Ｎによるハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの作製。
図１に示すように、ＴＭＲ素子を低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）Ｎ（Ｍｎ濃度１０％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１０％）とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）ＧａＮを原子層について２層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００６０】
本新方式のＴＭＲ素子において、ビット線とワード線に５ｍｅＶから２０ｍｅＶの低電圧をかけると、一方向のみの整流電流が流れ、整流効果が確認された。これにより、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００６１】
これらの電圧は従来の金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭと比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が小さいため、バイアス電圧を室温で一桁以上小さくすることができる画期的なものである。書き込み時間や読み出し時間も、０．２〜１．３ｎｓと短い。
【００６２】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｇａ， Ｍｎ）Ｎ（Ｍｎ濃度６％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｇａ， Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度６％）との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００６３】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（６と１０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して１／１０〜１／１００以上減少させることができたので、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた本新方式のＭＲＡＭではこの問題が解決された。
【００６４】
（実施例２）
ｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｏおよびｐ−型（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｏによるハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの作製。
図１に示すように、ＴＭＲ素子を低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１０％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｎ（Ｖ濃度１０％）とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）ＺｎＯを原子層について３層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００６５】
本新方式のＴＭＲ素子において、ビット線とワード線に８ｍｅＶから２５ｍｅＶの低電圧をかけると、一方向のみの整流電流が流れ、整流効果が確認された。これにより、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００６６】
これらの電圧は従来の金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭと比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が小さいため、バイアス電圧を室温で一桁以上小さくすることができる画期的なものである。書き込み時間や読み出し時間も、０．１６〜２．３ｎｓと短い。
【００６７】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｚｎ， Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１５％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｎ（Ｖ濃度１５％）との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００６８】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（１０と１５％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して１／１０〜１／１００以上減少させることができたので、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた本新方式のＭＲＡＭではこの問題が解決された。
【００６９】
【産業上の利用分野】
将来のメモリーは移動体通信の需要が大きくなり、高速化、大容量化、またコンピュータや携帯テレビ電話・データベース・データ・マイニング機能などの一体化によるオールインワン化で高速・大容量化が要求されている。また、デジタル家電の普及が促進され、省エネルギーの観点から不揮発性メモリーのニーズが強くなってきた。不揮発メモリーとしてのフラッシュメモリーは書き込み速度が遅く、書き換え回数に限界があり、しかも、電力消費量が多い。一方、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）は書き換え回数が１０１２回程度であり、１０年間保証になってはいない。また、これらは高密度化が難しい。
これに対して、本発明のＭＲＡＭ装置には上記のような問題が全くない。従って、将来、ＤＲＡＭはＭＲＡＭによって置き換えられる可能性がきわめて大きいため、ＭＲＡＭは将来の産業上、必要不可欠の最優先利用技術分野となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体により非磁性絶縁体原子層を少なくとも一層以上をはさむ構造の、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードによる新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の模式図である。
【図２】図２は、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体により、非磁性絶縁体原子層をはさまない構造のｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードによる新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の模式図である。
【図３】図３は、従来のＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭの模式図である。
【図４】図４は、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合の、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合の、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度との関係を示すグラフである。
【図６】図は、ｐ型（Ｍｎドープ）およびｎ型（Ｃｒドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ， ＧａＮ）のハーフメタリック（一方のスピンがメタリックで逆向きスピンが絶縁体）な電子状態を示すグラフである。
【図７】図７は、ｐ型（Ｍｎ５％ドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）の強磁性転移温度のホールおよび電子濃度依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、Ｍｎを５％ドープしたＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）のハーフメタリック電子状態のアクセプター（Ｍｇ）およびドナー（Ｏ）濃度依存性を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハーフメタリック強磁性半導体ｐ−ｎダイオードを用いたＭＯＳトランジスターを含まない新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用するタイプとトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を利用するタイプの二つがある。非磁性層を介して隣り合う二つの磁性層の磁化が平行の時、電気抵抗が小さく、反平行の時、抵抗が大きいことを利用して、それぞれ１と０に区別する。書き込みはビット線とワード線に電流を流し、クロスしたメモリーセルの保磁力の大きい磁性層の磁化を電流磁界で反転させる。その向きに応じて１、０とする。読み出しは保磁力の小さい方の磁性層の磁化を電流磁界で反転させてＧＭＲやＴＭＲ効果を利用して１、０を判定する。
【０００３】
ＧＭＲ素子を利用するタイプの場合の方が作製は容易であり、また素子自体が導体であるために素子を直列につなぐことができ、大容量化が容易である。しかし、一つのビット線にＮ個のメモリーセルがあると、信号電圧が１／Ｎとなるために、Ｎが大きくなるとノイズに埋もれて読み出せなくなる。ＧＭＲ素子の抵抗が小さいため、本質的に信号電圧そのものが小さく、読み出しアンプを大きくする必要がある。これはコストとチップサイズの増大をもたらす。これは民生用としては問題があり、ＧＭＲメモリーは軍事用や宇宙用として極めて限定された条件下で使われているのみである。
【０００４】
一方、ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。
【０００５】
メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能として必要になる。このため、ＭＲＡＭのメモリーサイズはＭＯＳトランジスターの大きさのサイズで決まってしまう。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う現実的な大きな課題であり、実用化を妨げている原因の一つである。
【０００６】
メモリーセル構造はＤＲＡＭと似ており、キャパシターの代わりにＴＭＲ素子を用いる。ＦｅＲＡＭとも基本的な構造が似ているが、ＦｅＲＡＭでは、まだ、ばらつきが大きいため、二つのトランジスターと二つの強誘電素子で１ビットを構成している。そのため、１ビットのメモリーセルが大きくなり、高集積化が難しい。
【０００７】
現在、金属磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）は５０％ほどである。これらは素子の大きさによって変化しない。ＤＲＡＭでは素子の大きさを小さくするとキャパシタンスが小さくなる。ＭＲＡＭのＭＲ変化率は素子の大きさによって変化しないが、ＤＲＡＭでは素子の大きさを小さくするとキャパシタンスが小さくなる。
【０００８】
ＭＲＡＭでのスピン反転はナノ秒で起こり、高速アクセスが可能である。ＤＲＡＭよりも高速で読み書き、読み出しができ、しかも、非破壊である。室温での製膜が可能である。これは製造時にＭＯＳトランジスターを破壊しない。
【０００９】
ＦｅＲＡＭの大容量化が難しい原因の一つは、５００℃以上の高温にしないと強誘電体膜を製膜できないことにある。ＭＲＡＭの特長は何回書き換えても問題がない。また、放射線に強いので原子炉や宇宙での使用が可能である。このように、ＭＲＡＭは、不揮発性、高速書き込み・読み出し、および大容量化が可能である。しかし、現在の金属強磁性体薄膜によるＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であり、実用化を妨げている原因の一つである。
【００１０】
ＴＭＲ値のばらつきは２％以内に収めることができるが、磁化反転磁場のばらつきが大きい。また、ＴＭＲの熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ変化率をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ変化率は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要がある。
【００１１】
さらに、金属磁性体薄膜で用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い、物理的に削って微細加工化している。これは大量生産に用いることができない。半導体では、化学的な反応エッチングというドライエッチングによる過程を用いているが、このような製造手段の開発がＭＲＡＭメモリーのような大量生産には不可欠である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。
【００１３】
メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能として必要になる。ここで、本発明が解決しようとする第一番目の課題は、メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能のため不可欠であるが、これをハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合整流ダイオード、またはｐ−ｉ−ｎ接合整流を用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの簡単な構造で、超高集積が可能なＭＲＡＭを開発することである。
ＭＲＡＭのメモリーサイズはＭＯＳトランジスターの大きさのサイズで決まっているのが現状であるから、ＭＲＡＭからＭＯＳトランジスターを排除することが出来れば、ＭＲＡＭの集積度を飛躍的に上げることが出来る。
【００１４】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどである。
これは素子の大きさによって変化しない。ｐ型およびｎ型の１００％スピン分極したキャリアーのみ有するハーフメタリック強磁性半導体を用いることでＭＲ変化率を１００％〜５００％に大きく上昇させた新方式の高性能のＭＲＡＭの開発を行うことが、本発明が解決しようとする第二番目の課題である。
【００１５】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲ素子のＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要がある。製造時にＭＯＳトランジスターを含まないＭＲＡＭであれば、高い温度でのプロセスが可能となり、磁性半導体を用いたＴＭＲの熱耐性は５００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとることを積極的に利用することが出来る。
【００１６】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、ＭＲＡＭの大容量化に伴う解決すべき第三番目の課題である。
【００１７】
さらに、金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い、物理的に削って微細加工化している。これは大量生産に用いることができない。これが、解決すべき第四番目の課題である。
ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来るので、このようなメモリーの大量生産製造手段の開発がＭＲＡＭメモリーのような大量生産には不可欠であり、これらの半導体製造プロセスを製造に用いることが出来るようになる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決手法について鋭意研究開発を進め、低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも原子層について３層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを実現した。
【００１９】
これにより、ビット線とワード線に電圧をかけると、一方向のみの電流が流れ、整流効果が確認された。すなわち、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００２０】
また、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００２１】
ＺｎＯベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、２００℃でのレーザーＭＢＥまたはＭＯＣＶＤなどの基本的には通常の半導体製造プロセスで製造できた。ＣｒやＶなどの遷移金属を結晶成長中に１０％〜１５％ドープするため通常のＺｎＯ単独の結晶成長温度よりも温度を２００℃程度に低くした。これにより、半導体製造プロセスで通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来た。これらはＭＲＡＭメモリーのような大量生産を本方式により可能にし、現実的なトランジスターを含まないＭＲＡＭ製造技術が本発明により実現した。
【００２２】
すなわち、本発明は、下記のものからなるＭＯＳトランジスターを含まず、磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置とその製造方法である。
【００２３】
（１）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）により、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２４】
（２）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II-VI族化合物半導体（ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ等）にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にVおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２５】
（３）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V（ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ等）族化合物半導体にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２６】
（４）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II-VI族化合物半導体（ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ等）にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にVおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２７】
（５）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V族化合物半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ等）にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２８】
（６）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００２９】
（７）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＶ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３０】
（８）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３１】
（９）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）
の置換位置にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３２】
（１０）ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体（Si,Ge,ダイヤモンド等）の格子間位置にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置。
【００３３】
（１１）III-V族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた上記（３）又は（５）の各磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置を作製する場合、３ｄ、４ｄおよび５ｄ遷移金属不純物濃度、または希土類不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、ＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度を制御する方法。
【００３４】
（１２）II-VI族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗 ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた上記（２）、（４）、（６）、または（７）の各磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置を作製する場合、３ｄ、４ｄ、および５ｄ遷移金属濃度、または希土類金属不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、強磁性転移温度を所望な温度に制御する方法。
【００３５】
【発明の効果】
金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子の抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用して、一方向のみの電流の流れを保証し、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが不必要となり、トランジスターを含まないハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の製造が可能になる。
【００３６】
また、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の製造が可能になる。
【００３７】
ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスターとＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスターが必要なのは、これがないとビット線とワード線に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためである。メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能としてどうしても必要になる。
【００３８】
ここで、メモリー素子を選択するためにＭＯＳトランジスターがスイッチ機能のため不可欠であるが、本発明では、これをハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合スピン整流ダイオード、またはｐ−ｉ−ｎ接合スピン整流ダイオードを用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの簡単な構造で、しかも、先に述べたＭＯＳトランジスターのための製造プロセスが不必要なので、高温で、しかも、高集積が可能なＭＲＡＭを開発することができる。
【００３９】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどであり、これは素子の大きさによって変化しない。金属強磁性体薄膜に変わり、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体薄膜を用いることでＭＲ変化率を大きく上昇させた高性能のＭＲＡＭの開発が本発明で可能になった。
【００４０】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要があるが、本発明では製造時にＭＯＳトランジスターを含まないタイプのＭＲＡＭであるので、高い温度でのプロセスが可能となり、ハーフメタリック磁性半導体を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は５００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとる（１００〜５００％）ことを積極的に利用することが出来るので、従来の金属磁性体を用いたＴＭＲ素子によるＭＲＡＭと比較して、本発明によるハーフメタリック希薄磁性半導体を用いたＭＲＡＭにおいては超高性能化と超高集積化が可能になる。
【００４１】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属磁性体を用いたＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（２〜３０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属強磁性体薄膜のものと比較して数桁以上減少させることができるので、ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの本発明ではこの問題が解決される。
【００４２】
さらに、金属磁性体ＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い物理的に削って微細加工化していたが、これは大量生産に用いることができない。ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは基本的には通常の半導体製造プロセスと同じか、または、より低温でのプロセスとなるため、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来るので、ＭＲＡＭメモリーのような大量生産を可能にし、現実的な製造技術が本発明により実現した。
【００４３】
【発明の実施の形態】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子は抵抗が高いため、ＧＭＲ素子のように直列接続することはできず、並列接続になる。そこで、図１に示すように、低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体１とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体２とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）３を少なくとも原子層について一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００４４】
これにより、ビット線４とワード線５に電圧をかけると、一方向のみの電流が流れ、整流効果が確認された。このことは、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００４５】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体１とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体２との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、同様な効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００４６】
図３に示すように、従来の金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子から構成されるＭＲＡＭは、通常、ＭＯＳトランジスター６とＴＭＲ素子の組み合わせたものをメモリーセルとしている。ＭＯＳトランジスター６が必要なのは、これがないとビット線３とワード線５に電流を流したとき、選択したメモリーセル以外のセルにも電流が流れてしまうためであったが、本発明によるｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオード、またはｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードによる整流効果のため、ビット線からワード線に向かって一方向にしか電流が流れないため、旧来のＭＲＡＭのようにメモリー素子を選択するためのＭＯＳトランジスターをスイッチ機能として設置する必要が無くなった。
【００４７】
図４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、上記ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせることにより、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合に、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度（Ｋ）の関係を示すグラフである。
【００４８】
図５は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、上記ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせることにより、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合に、３ｄ遷移金属濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度の関係を示すグラフである。
【００４９】
本発明では、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体からなるｐ−ｎ接合、またはｐ−ｉ−ｎ接合によって生じる整流効果を用いることにより、ＭＯＳトランジスターなしの極めて簡単な構造のため、高集積化が可能であり、しかも、ＭＯＳトランジスターのための製造プロセスが不必要なので、高温での製造プロセスを用いて、超高集積可能なＭＲＡＭを開発することができる。
【００５０】
現在、金属強磁性体薄膜によるＴＭＲ素子のＭＲ変化率は５０％ほどであり、これは素子の大きさによって変化しない。金属磁性体に変わり、ｐ型およびｎ型のハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いると、一方のスピン状態は金属的伝導を持つが、逆向きスピン状態はバンドギャップが開き絶縁体となり、全くキャリアーがー存在しないので１００％スピン分極したスピン伝導が得られる。
【００５１】
図６に、ｐ型（Ｍｎドープ）およびｎ型（Ｃｒドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ， ＧａＮ）のハーフメタリック（一方のスピンがメタリックで逆向きスピンが絶縁体）な電子状態を示す。
【００５２】
図７に、ｐ型（Ｍｎ５％ドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）の強磁性転移温度のホールおよび電子濃度依存性を示す。
図８に、Ｍｎを５％ドープしたＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）のハーフメタリック電子状態のアクセプター（Ｍｇ）およびドナー（Ｏ）濃度依存性を示す。
【００５３】
ｐ型およびｎ型のハーフメタリック強磁性半導体で絶縁体１原子層から数原子層をサンドイッチすることによって１００〜５００％以上の大きなＭＲ変化率を得ることが出来る。ハーフメタリックを積極的に利用して、極めて大きなＭＲ変化率（現実には、１００〜５００％であるが理論上は１００％スピン分極したキャリアーであるため無限の大きさが得られる）が可能となるため、ＭＲ変化率を大きく上昇させた高性能のＭＲＡＭが実現した。
【００５４】
金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は３００℃での熱処理温度で最高のＭＲ比をとるが、ＣＭＯＳトランジスターは微細加工や金属配線に損傷を受け、通常、水素中で４００℃の温度で加熱される。このとき、ＴＭＲのＭＲ比は０になる。耐熱性を改善するか、熱処理過程の温度を低くする必要があったが、本発明では、製造時にＭＯＳトランジスターを含まないタイプのｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎとｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）ＮからなるＴＭＲ（絶縁体はｉ−ＧａＮ）、またはｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ａｓとｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓからなるＴＭＲ（絶縁体はｉ−ＧａＡｓ）、またはｉ−層を含まないｐ−ｎ接合整流ダイオードを使ったＭＲＡＭであるので、高い温度でのプロセスが可能となる。
【００５５】
よって、ＧａＮベースやＺｎＯベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＴＭＲ素子の熱耐性は７００℃以上での高い熱処理温度で最高のＭＲ比をとる（１００〜５００％）ことを積極的に利用することが出来るので、従来の金属強磁性体薄膜を用いたＴＭＲ素子によるＭＲＡＭと比較して、本発明によるハーフメタリック希薄磁性半導体を用いた新方式のＭＲＡＭにおいては、トランジスターも不要なので超高性能化と超高集積化が可能である。
【００５６】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（２〜３０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して数桁以上減少させることができるので、ハーフメタリック強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの本発明ではこの問題が解決された。
【００５７】
さらに、金属強磁性体薄膜によるＭＲＡＭで用いる微細加工の問題があり、研究レベルでは、リソグラフィーとイオンミリングを用い物理的に削って微細加工化していたが、これは大量生産に用いることができなかった。ＧａＮベースのｐ型およびｎ型ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭでは、７００〜７５０℃でのアンモニア・ガスソースＭＢＥやＥＣＲ（サイクロトン共鳴）プラズマソースによるＭＢＥ、またはＭＯＣＶＤなどの基本的には通常の半導体製造プロセスで製造できた。
【００５８】
ＣｒやＭｎなどの遷移金属を結晶成長中に２％〜３０％ドープするため、通常のＧａＮ単独の結晶成長温度よりも温度を２００℃程度低くした。これにより、より低温でのプロセスとなるため、半導体で通常用いている化学的な反応エッチングというドライエッチングによる製造プロセス過程を用いることが出来た。これらはＭＲＡＭメモリーのような大量生産を可能にし、現実的なトランジスターを含まないＭＲＡＭ製造技術が本発明により実現した。
【００５９】
【実施例】
（実施例１）
ｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎおよびｐ−型（Ｇａ， Ｍｎ）Ｎによるハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの作製。
図１に示すように、ＴＭＲ素子を低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｇａ，Ｍｎ）Ｎ（Ｍｎ濃度１０％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１０％）とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）ＧａＮを原子層について２層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００６０】
本新方式のＴＭＲ素子において、ビット線とワード線に５ｍｅＶから２０ｍｅＶの低電圧をかけると、一方向のみの整流電流が流れ、整流効果が確認された。これにより、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００６１】
これらの電圧は従来の金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭと比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が小さいため、バイアス電圧を室温で一桁以上小さくすることができる画期的なものである。書き込み時間や読み出し時間も、０．２〜１．３ｎｓと短い。
【００６２】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｇａ， Ｍｎ）Ｎ（Ｍｎ濃度６％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｇａ， Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度６％）との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００６３】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（６と１０％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して１／１０〜１／１００以上減少させることができたので、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた本新方式のＭＲＡＭではこの問題が解決された。
【００６４】
（実施例２）
ｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｏおよびｐ−型（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｏによるハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いたＭＲＡＭの作製。
図１に示すように、ＴＭＲ素子を低抵抗化するためにｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｚｎ，Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１０％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｎ（Ｖ濃度１０％）とで非磁性絶縁体原子層（ｉ層）ＺｎＯを原子層について３層挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードを作製した。
【００６５】
本新方式のＴＭＲ素子において、ビット線とワード線に８ｍｅＶから２５ｍｅＶの低電圧をかけると、一方向のみの整流電流が流れ、整流効果が確認された。これにより、スイッチングのためのＭＯＳトランジスターが無くても、ｐ−型およびｎ−型のハーフメタリックな希薄強磁性半導体を用いた新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）として動作することが確認された。
【００６６】
これらの電圧は従来の金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭと比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が小さいため、バイアス電圧を室温で一桁以上小さくすることができる画期的なものである。書き込み時間や読み出し時間も、０．１６〜２．３ｎｓと短い。
【００６７】
また、図２に示すように、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｐ−型（Ｚｎ， Ｃｒ）Ｎ（Ｃｒ濃度１５％）とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体であるｎ−型（Ｚｎ，Ｖ）Ｎ（Ｖ濃度１５％）との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードにより、同様な整流効果が得られ、ＭＯＳトランジスターを含まない、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた新型磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の動作が可能になった。
【００６８】
金属強磁性体薄膜を用いたＭＲＡＭでは、メモリーセルのサイズが小さくなると、磁化反転に要する電流磁界が増える。これが、金属強磁性体を用いた従来のＭＲＡＭの大容量化に伴う課題であったが、磁性元素の濃度の極めて少ない（１０と１５％）ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いることによって、高集積化して、サイズを小さくしたときに磁化反転に要する電流磁界を金属磁性体のものと比較して１／１０〜１／１００以上減少させることができたので、ハーフメタリック希薄強磁性半導体を用いた本新方式のＭＲＡＭではこの問題が解決された。
【００６９】
【産業上の利用分野】
将来のメモリーは移動体通信の需要が大きくなり、高速化、大容量化、またコンピュータや携帯テレビ電話・データベース・データ・マイニング機能などの一体化によるオールインワン化で高速・大容量化が要求されている。また、デジタル家電の普及が促進され、省エネルギーの観点から不揮発性メモリーのニーズが強くなってきた。不揮発メモリーとしてのフラッシュメモリーは書き込み速度が遅く、書き換え回数に限界があり、しかも、電力消費量が多い。一方、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）は書き換え回数が１０１２回程度であり、１０年間保証になってはいない。また、これらは高密度化が難しい。
これに対して、本発明のＭＲＡＭ装置には上記のような問題が全くない。従って、将来、ＤＲＡＭはＭＲＡＭによって置き換えられる可能性がきわめて大きいため、ＭＲＡＭは将来の産業上、必要不可欠の最優先利用技術分野となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体により非磁性絶縁体原子層を少なくとも一層以上をはさむ構造の、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードによる新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の模式図である。
【図２】図２は、ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体により、非磁性絶縁体原子層をはさまない構造のｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）整流ダイオードによる新型磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）装置の模式図である。
【図３】図３は、従来のＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭの模式図である。
【図４】図４は、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合の、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体について、磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）を作製する場合の、３ｄ遷移金属不純物濃度とＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度との関係を示すグラフである。
【図６】図は、ｐ型（Ｍｎドープ）およびｎ型（Ｃｒドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ， ＧａＮ）のハーフメタリック（一方のスピンがメタリックで逆向きスピンが絶縁体）な電子状態を示すグラフである。
【図７】図７は、ｐ型（Ｍｎ５％ドープ）ＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）の強磁性転移温度のホールおよび電子濃度依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、Ｍｎを５％ドープしたＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（ＧａＡｓ，ＧａＮ）のハーフメタリック電子状態のアクセプター（Ｍｇ）およびドナー（Ｏ）濃度依存性を示すグラフである。
Claims (12)
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体とｎ型ハーフメタリック強磁性半導体との接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）により、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II−VI族化合物半導体にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にＶおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V族化合物半導体にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、II-VI族化合物半導体にＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記II-VI族化合物半導体にＶおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、III-V族化合物半導体にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記III-V族化合物半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＶ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体
原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。 - ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＣｒおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、ＺｎＯにＶ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉ、および電子をドープした系からなり、これらの接合による、ｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらの間に非磁性絶縁体原子層（ｉ層）を少なくとも一層以上を挟んだ、ｐ−ｉ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体の置換位置にＦｅおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＭｎおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- ｐ型ハーフメタリック強磁性半導体として、IV族半導体の格子間位置にＭｎおよびホールをドープした系からなり、また、ｎ型ハーフメタリック強磁性半導体として、上記IV族半導体にＣｒおよび電子をドープした系からなり、これらのｐ−ｎ接合型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードにより、整流効果を利用したスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置。
- III−V族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた請求項３または５に記載の磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置を作製する場合、３ｄ、４ｄおよび５ｄ遷移金属不純物濃度、または希土類不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、ＴＭＲ素子を構成する強磁性半導体の強磁性転移温度を制御する方法。
- II−VI族化合物半導体をベースとしたハーフメタリック強磁性半導体を用いて、ｐ−ｉ−ｎ型およびｐ−ｎ型低抵抗トンネル磁気抵抗効果（低抵抗ＴＭＲ）ダイオードの整流効果によるスイッチ効果をＴＭＲ素子に持たせた請求項２、４、６、または７のいずれかに記載の磁気抵抗ランダムアクセスメモリー装置を作製する場合、３ｄ、４ｄ、および５ｄ遷移金属濃度、または希土類金属不純物濃度やホールおよび電子濃度を変えて、強磁性転移温度を所望な温度に制御する方法。
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