磁阻随机存取存储器装置及构成该装置的 铁磁性半导体的铁磁性转移温度的控制方法 【技术领域】
本发明是涉及不含有已采用半金属性的铁磁性半导体p-n偶极体的MOS晶体管的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
背景技术
在现有的金属磁材料薄膜的磁阻随机存取存储器(Magnetic RandomAccess Memory，以下简称MRAM)是利用巨大的磁电阻效应(Giant MagneticResistivity，以下简称GMR)的型式及隧道磁电阻效应(Tunnel MagneticResistivity，以下简称TMR)的型式二种。通过介经非磁性层邻接的两个有磁性层地磁化平行时，电阻需小，及磁化反平行时，电阻需大一事，予以各自区别成1及0。写入是流动电流于位线及字线，使已交叉的存储器单位(memory cell)的矫顽磁力较大的磁性层的磁化在电流磁场反转。因应其方向，使成1及0。读出则是使矫顽磁力较小者的磁性层的磁化在电流磁场反转，并利用GMR或TMR效应，判定成1及0。
利用GMR组件的型式时之一，是较容易制作，又组件本身因是导体，可予串联地连接组件，使可容易的大容量化。然而，一个位线上有N个的存储器单元时，信号电压由于成为1/N，N即变大而为噪声遮掩着，使无法读出。GMR组件的电阻是较小，本质上信号电压本身是较小，有使读出放大变大的必要。此会导致成本及晶粒尺度的增大。此用于民生用途是有问题，GMR存储器是仅可在军事用或太空用极受限定的条件下被使用着。
另一方面，在已利用TMR组件的MRAM，由于TMR组件是电阻较高，未能如GMR组件般进行进行串联连接，而成为并联连接。已利用TMR组件的MRAM，通常是以MOS晶体管及TMR组件的组合者为存储器单位。需要MOS晶体管是若无此晶体管时，则流动电流于位线及字线时，对已选择的存储器单位以外的单位亦会流动电流所致。
为选择存储器组件，MOS晶体管是有必要用作开关机能。因此，MRAM的存储器尺度是依MOS晶体管的尺度而决定。此为随着MRAM的大容量化的实际大课题，而成为妨碍实用化的一个原因。
存储器单位构造是与DRAM类似，采用TMR组件取代电容器。基本的构造与FeRAM均类似，但在FeRAM方面，由于分散性仍然较大，以二个晶体管及二个强介电组件构成1位。因此1位的存储器单位变大，而较难高集成化。
现在，已采用金属磁性材料薄膜的TMR组件的磁阻变化率(MR变化率)是约50％。此是不依组件的大小而变化。在DRAM方面，若减少组件的大小时，则电容会变小。MRAM的MR变化率虽不依组件的大小而变化，但在DRAM方面，若减少组件的大小时，则电容会变小。
在MRAM的自旋反转是以耐秒发生，可进行高速存取。亦较DRAM可高速读写并可读出，而且是非破坏的。可在常温制膜的。此为在制造时，不破坏MOS晶体管。
FeRAM的大容量化较难的一个原因，是若不设在500℃以上的高温时，即有未能制造强介电材料膜的情形。MRAM的特征是即使改写若干次亦不成为问题。又，因较能耐放射线，故可使用于原子反应堆或太空方面。如此，MRAM是非挥发性，可高速写入。读取，及大容量化。但是，现在由金属铁磁材料薄膜而得的MRAM，若存储器单元的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场会增加。此为随着大容量化的课题，妨碍实用化的一个原因。
TMR值的分散性虽然可落入于2％以内，但是磁化反转磁场的分散性则较大。又，TMR的耐热性以在300℃的热处理温度取用最高的磁阻变化率，但是CMOS晶体管在微细加工或金属布线方面会蒙受损伤，通常在氢气中400℃的温度予以加热。此时TMR的磁阻变化率是成为0。有改善耐热性，或降低热处理过程的温度的必要。
再者，有金属磁性材料薄膜所用的微细加工的问题，在研究水准方面，采用微影术及离子铣(ion milling)，进行物理的切削并予微细加工化。此未能应用于大规模生产。在半导体方面，虽然采用所谓化学的反应蚀刻的干蚀刻引起的过程，但是此种制造手段的开发在MRAM存储器类大规模生产是不可欠缺的。至于与此MRAM有关的最近的先行技术专利，可例示有专利文献1，2。
专利文献1日本特开平11-135857号(专利第3050189号)
专利文献2 WO 01/024289号(再公表专利)
【发明内容】
在已利用金属铁磁材料薄膜而得的TMR组件的MRAM方面，TMR组件由于电阻较高，故未能如GMR组件进行串联连接，而成为并联连接。已采用TMR组件的MRAM，通常是以MOS晶体管及TMR组件的组合者为存储器单位。需要MOS晶体管是若无此晶体管时，则流动电流于位线及字线时，除已选择的存储器单位以外的单位亦会流动电流所致。
为选择存储器组件，MOS晶体管是有必要用作开关功能。在此，本发明的第一个课题，是为选择存储器组件，MOS晶体管因供作开关机能上虽然不可欠缺，但是通过使用半金属性铁磁性半导体而成的p-n接合整流二极管，或p-i-n接合整流，以无MOS晶体管的简单的构造，需开发可超高集成的MRAM。
MRAM的存储器尺度在现状是依MOS晶体管的尺度而决定，若可由MRAM排除MOS晶体管时，则可急速的提高MRAM的集成度。
现在，由金属铁磁材料薄膜而得的TMR组件的磁阻变化率现是约50％。此并不依组件的大小而变化。需采用仅具有p型及n型的已100％自旋偏极的载体的半金属性的铁磁性半导体，需开发可使磁阻变化率上升并大至100％～500％的新方式的高性能MRAM，即为发明欲解决的第二个课题。
已采用金属铁磁材料薄膜的TMR组件的耐热性虽是在300℃的热处理温度取用最高的磁阻变化率(MR比)，但是CMOS晶体管在微细加工或金属布线方面会蒙受损伤，通常在氢气中可于400℃的温度加热。此时TMR的磁阻变化率是成为0。有改善耐热性，或降低热处理过程的温度的必要。制造时若为不含MOS晶体管的MRAM时，即可成为在较高的温度的制程，可积极的利用已采用磁性半导体的TMR的耐热性是在500℃以上较高的热处理温度取用最高的磁阻变化率。
在已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM方面，若使存储器单元的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场增加。此为，随着MRAM的大容量化应予解决的第三个课题。
再者，有以已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM所用的微细加工的问题。此为在研究水准方面，采用微影术及离子铣物理，可物理性的切削并进行微细加工化。然此不可用于大规模生产，此为应予解决的第四个课题。
在已采用半金属性的铁磁性半导体的MRAM，是可以通常半导体采用的所谓化学的反应蚀刻法的利用干蚀刻法的制造制程过程，故此种存储器的大规模生产制造手段的开发，MRAM存储器类的大规模生产是不可缺的，成为此半导体制造制程可用于制造。
本发明人对上述课题的解决方法，经进行精心研究开发，为使低电阻化，以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属型的铁磁性半导体实现出以至少三层挟持非磁性绝缘体原子层(i层)的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体。
由而，若对位线及字线施加电压，则仅单方向的电流流动，可予确认出整流效应。亦即，即使无供开关用的MOS晶体管，亦可予确认出以用作已采用p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属性的铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)而动作。
又，通过p型半金属的铁磁性半导体及n型半金属的铁磁性半导体间的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)，是可得同样的效果，使已采用不含有MOS晶体管的半金属的铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的动作成为可能。
在已采用ZnO基极(base)的p型及n型半金属的稀薄铁磁性半导体的MRAM，以在200℃的激光MBE或MOCVD等的基本上通常的半导体制造制程可予制出。在结晶成长Cr或V等的过渡金属中，为掺杂10at％～15at％，亦可较通常的单独ZnO的结晶成长温度低约200℃。由而，在半导体制造制程是可采用所谓通常正采用的化学性反应蚀刻的干蚀刻而得的制造制程过程。此是通过本方式可进行MRAM存储器的大量生产，由本发明可实现出不含实质上的晶体管的MRAM制造技术。
亦即，本发明是已采用不含由下述者而成的MOS晶体管的磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)及其制造方法。
(1)通过以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属型的铁磁性半导体挟持至少一层以上非磁性绝缘体原子层(i层)的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(2)通过以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属型的铁磁性半导体间的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(3)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及空穴至II-VI族化合物半导体(ZnSe，ZnS，ZnTe，ZnO，CdTe，CdS，CdSe等)的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂V及电子至上述的II-VI族化合物半导体的系而成，通过此的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(4)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Mn及空穴至III-V族化合物半导体(GaAs，GaN，GaSb，InN，InAs，InSb，AlN，AlSb，AlAs等)的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及电子至上述的III-V族化合物半导体的系而成，通过此的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(5)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及空穴至II-VI族化合物半导体(ZnSe，ZnS，ZnTe，ZnO，CdTe，CdS，CdSe等)的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂V及电子至上述的II-VI族化合物半导体的系而成，通过以至少一层挟持非磁性绝缘体原子层(i层)于此之间的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(6)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Mn及空穴至III-V族化合物半导体(GaAs，GaN，GaSb，InN，InAs，InSb，AlN，AlSb，AlAs等)的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及电子至上述的III-V族化合物半导体的系而成，通过以至少一层挟持非磁性绝缘体原子层(i层)于此之间的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(7)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及空穴至ZnO的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂V、Fe、Co或Ni及电子至ZnO的系而成，通过以至少一层挟持非磁性绝缘体原子层(i层)于此之间的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(8)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及空穴至ZnO的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂V、Fe、Co或Ni及电子至ZnO的系而成，通过此的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(9)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Fe及空穴至IV族半导体(Si，Ge，钻石等)而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Mn及电子至上述的IV族半导体的系而成，通过以至少一层挟持非磁性绝缘体原子层(i层)于此之间的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(10)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Fe及空穴至IV族半导体(Si，Ge，钻石等)的取代位置上的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Mn及电子至上述的IV族半导体的系而成，通过此的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(11)至于p型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Mn及空穴至IV族半导体(Si，Ge，钻石等)的晶格间位置上的系而成，又至于n型半金属性的铁磁性半导体，是由已掺杂Cr及电子至上述的IV族半导体的系而成，通过此的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，使TMR组件具有已利用整流效应的开关效应的磁阻随机存取存储器装置(MRAM)。
(12)一种控制铁磁性半导体的铁磁性转移温度的方法，是采用以III-V族化合物半导体为基极的半金属性的铁磁性半导体，制作使TMR组件具有由p-i-n型及p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体的整流效应而得的开关效应的上述各磁阻随机存取存储器装置(MRAM)时，改变3d、4d及5d过渡金属杂质浓度，或稀土类杂质浓度或空穴及电子浓度，构成TMR组件而成。
(13)一种控制铁磁性转移温度至所期待的温度的方法，是采用以II-VI族化合物半导体为基极的半金属性的铁磁性半导体，制作使TMR组件具有由p-i-n型及p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体的整流效应而得的开关效应的上述各磁阻随机存取存储器装置(MRAM)时，改变3d、4d及5d过渡金属浓度，或稀土类杂质浓度或空穴及电子浓度而成。
在已利用金属铁磁材料薄膜而得的TMR组件的MRAM，由于TMR组件是电阻较高，未能如GMR组件般进行进行串联连接，而成为并联连接。为使低电阻化，通过以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属型的铁磁性半导体至少一层以上挟持非磁性绝缘体原子层(i层)的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，利用整流效应，以保证仅单方向的电流的流动，供作开关用的MOS晶体管即成为不需要的，欲制造已采用不含晶体管的半金属性的铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)是成为可能的。
又，通过以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属性的铁磁性半导体间的接合而得的p-n型接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，可得相同的整流效应，欲制造已采用不含MOS晶体管的半金属性的铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)是成为可能的。
已采用TMR组件的MRAM，通常是以MOS晶体管及TMR组件的组合者为存储器单位。需要MOS晶体管是若无此晶体管时，则流动电流于位线及字线时，对已选择的存储器单位以外的单位亦会流动电流所致。为选择存储器组件，MOS晶体管无论如何是有必要用作开关机能。
在此，为选择存储器组件，MOS晶体管在用作开关功能时，虽是不可或缺的，但在本发明，通过采用由半金属性的铁磁性半导体而成的p-n型接合自旋整流偶极体，或p-i-n型接合自旋整流偶极体，以无MOS晶体管的简单构造，而且因不需要如前述的MOS晶体管而用的制造制程，可开发出在高温而且可高度集成的MRAM。
现在，由金属铁磁材料薄膜而得的TMR组件的磁阻变化率是约50％。此并不依组件的大小而变化。转变成金属铁磁性材料薄膜，以采用p型及n型半金属性的铁磁性半导体薄膜，使磁阻变化率大幅提高的高性能MRAM的开发在本发明即成为可能的。
已采用金属铁磁材料薄膜的TMR组件的耐热性虽是在300℃的热处理温度可取最高的磁阻比，但CMOS晶体管是在微细加工或金属布线方面会遭受损伤，通常在氢气中予以加热至400℃的温度。此时TMR的磁阻比即成为0。有改善耐热性或降低热处理过程的温度的必要，但是在本发明制造时是不含MOS晶体管的型式的MRAM，故在较高的温度的制程即成为可能，已采用半金属性的铁磁性半导体的TMR组件的耐热性是可积极的利用在500℃以上的较高的热处理温度可取最高的MR比(100～500％)，与由已采用现有的金属磁性材料的TMR组件而得的MRAM相较，于已采用由本发明而得的半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM，超高性能化及超高集成化即成为可能的。
已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM，若使存储器单位的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场会增加。此为随着已采用金属磁性材料的MRAM的大容量化的课题，但通过采用磁性元素的浓度极少的(2at％～30at％)半金属性的稀薄铁磁性半导体，使高集成化，于减少尺度时可使磁化反转所需的电流磁场较金属铁磁材料薄膜者可减少数个位数以上，故已采用半金属性的铁磁性半导体的MRAM的本发明是可解决此问题。
再者，有金属磁性材料MRAM所用的微细加工的问题，在研究水平方面，虽可采用微影术及离子铣，进行物理的切削并予微细加工化，但此未能应用于大规模生产。在已采用半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM方面，基本上与通常的半导体制造制程相同，或成为在较低温的制程，故可采用半导体通常采用的化学反应蚀刻的干蚀刻引起的制造制程，故可大量生产MRAM存储器，通过本发明可实现实际的制造技术。
【附图说明】
图1是以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属性的铁磁性半导体，制作出挟持原子层至少一层以上非磁性绝缘体原子层的构造的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)整流偶极体而得的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的模式图；
图2是以p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属性的铁磁性半导体，制作出不挟持非磁性绝缘体原子层的构造的p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)整流偶极体而得的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的模式图；
图3是已利用现有的TMR组件的MRAM的模式图；
图4是对以本发明的III-V族化合物半导体为基极时的半金属性的铁磁性半导体，制作磁阻随机存取存储器装置(MRAM)时的显示出3d过渡金属杂质浓度与构成TMR组件的铁磁性半导体的铁磁性转移温度(K)间的关是图；
图5是对以本发明的II-VI族化合物半导体为基极时的半金属的铁磁性半导体，制作磁阻随机存取存储器装置(MRAM)时的显示出3d过渡金属杂质浓度与构成TMR组件的铁磁性半导体的铁磁性转移温度(K)间的关是图；
图6是表示p型(Mn掺杂)及n型(Cr掺杂)III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的半金属性的(一者的自旋是金属性的，而反向自旋是绝缘体)电子状态图；
图7是表示p型(Mn5at％掺杂)III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的铁磁性转移温度的空穴及电子浓度关联图；
图8是表示已掺杂Mn5at％的III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的半金属性的电子状态的受体(Mg)及施体(O)的浓度关联图。
图号说明
1 p型半金属的铁磁性半导体
2 n型半金属的铁磁性半导体
3非磁性绝缘体原子层
4位线
5字线
6 MOS晶体管
【具体实施方式】
在利用已采用金属铁磁材料薄膜的TMR组件的MRAM，由于TMR组件是电阻较高，未能如GMR组件般进行串联连接，而成为并联连接。因此如图1所示，为使低电阻化以p型半金属性的铁磁性半导体1及n型半金属型的铁磁性半导体2，制作出挟持原子层至少一层以上非磁性绝缘体原子层3(i层)的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体。
由而，若对位线4及字线5施加电压，则仅单方向的电流流动，可予确认出整流效应。由此事实，即使无供开关用的MOS晶体管，亦可予确认出以用作已采用p型半金属性的铁磁性半导体及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)而动作。
又，如图2所示，通过p型半金属性的铁磁性半导体1及n型半金属性的铁磁性半导体2间的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，是可得同样的效果，使已采用不含有MOS晶体管的半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的动作成为可能。
如图3所示般，由已采用现有的金属铁磁材料半导体薄膜的TMR组件所构成的MRAM，通常是以MOS晶体管6及TMR组件的组合者为存储器单位。需要MOS晶体管6是若无此而于位线4及字线5内流动电流时，于已选择的存储器单位以外的单位虽亦会使电流流动，但由本发明的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体、或p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体而得的整流效应，仅能由位线朝字线单方向的使电流流动，及无如现有的MRAM般设置供选择存储器组件而用的MOS晶体管作为开关功能的必要。
图4是对以III-V族化合物半导体为基极时的半金属性的铁磁性半导体，于通过使TMR组件具有由上述p-i-n型及p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体的整流效应而得的开关效应，制作磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的情形，显示出3d过渡金属杂质浓度与构成TMR组件的铁磁性半导体的铁磁性转移温度(K)间的关是图。
图5是对以II-VI族化合物半导体为基极时的半金属性的铁磁性半导体，于通过使TMR组件具有由上述p-i-n型及p-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体的整流效应而得的开关效应，制作磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的情形，显示出3d过渡金属杂质浓度与构成TMR组件的铁磁性半导体的铁磁性转移温度(K)间的关是图。
在本发明，是通过采用由p型及n型半金属性的铁磁性半导体而成的p-n接合或p-i-n接合生成的整流效应，因以无MOS晶体管的极简单的构造，使高集成化成为可能，而且并不需为MOS晶体管而采的制造制程，故采用在高温的制造制程，可开发出可超高集成的MRAM。
现在，由金属铁磁材料薄膜而得的TMR组件的磁阻变化率是约50％。此并不依组件的大小而变化。转变成金属铁磁性材料薄膜，若采用p型及n型半金属性的铁磁性半导体时，则一者的自旋状态虽具有金属性传导，但反向自旋状态即成为带隙开放的绝缘体，载体因完全不存在，故可得已100％自旋偏极的自旋传导。
图6是表示p型(掺杂Mn)及n型(掺杂Cr)III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的半金属性的(一者的自旋是金属性的，而反向自旋是绝缘体)电子状态。
图7是表示p型(掺杂Mn5at％)III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的铁磁性转移温度的空穴及电子浓度关联性。
图8是表示已掺杂Mn5at％的III-V族稀薄磁性半导体(GaAs，GaN)的半金属性的电子状态的受体(Mg)及施体(O)的浓度关联性。
通过以p型及n型半金属性的铁磁性半导体由绝缘体一原子层夹层数原子层时，可得100～500％以上较大的磁阻变化率。积极的利用半金属性，使极大的磁阻变化率(实际上，虽为100～500％，然而理论上是已100％自旋偏极的载体，可得无限的大小)成为可能，使可剧烈的提升磁阻变化率的高性能MRAM实现。
已采用金属铁磁材料薄膜的TMR组件的耐热性虽是在300℃的热处理温度取用最高的磁阻变化率(MR比)，但CMOS晶体管在微细加工或金属布线方面会蒙受损伤，通常在氢气中可予加热至400℃温度。此时TMR的磁阻变化率是成为0。虽有改善耐热性，或降低热处理过程的温度的必要，但在本发明，制造时若为由不含MOS晶体管的型式的n-型(Ga，Cr)As及p-型(Ga，Mn)As而成的TMR(绝缘体为i-GaAs)或不含i-层的p-n接合整流偶极体的MRAM，在高温的制成为可能的。
由而，已采用GaN基极或ZnO基极的p型及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的TMR组件的耐热性，因可积极的利用在700℃以上的高热处理温度可取用最高的磁阻变化率(100～500％)，故与已采用现有的金属铁磁材料薄膜的TMR组件而得的MRAM相比，在采用本发明的半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型MRAM方面，亦因不需晶体管，故超高性能化及超集成化及成可能的。
在已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM方面，若使存储器单元的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场增加。此虽为随着已采用金属铁磁材料的现有的MRAM的大容量化的课题，但通过采用磁性元素的浓度极少的(2～30at％)半金属性的稀薄铁磁性半导体，使高集成化，并减少尺度时，使与金属磁性材料相比，因可使磁化反转所需的电流磁场减少数字数以上，故在已采用半金属性的铁磁性半导体的MRAM的本发明，是使此问题可予解决。
再者，有以已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM所用的微细加工的问题，在研究水准方面，采用微影术及离子铣物理，虽可物理性的切削并进行微细加工化，但此不可用于大规模生产。在已采用GaN基极的p型及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM方面，可以在700～750℃的氨气源的MBE(分子射束磊晶)或ECR(电子回旋加速器共振)电浆源而得的MBE、或MOCVD等基本上通常的半导体制造制程可予制造。
在结晶成长中由于掺杂Cr或Mn等的过渡金属2at％～30at％，可将温度较通常的GaN单独的结晶成长温度降低200℃。由而因成为在较低温的制程，在半导体制造制程是可采用所谓通常正采用的化学性反应蚀刻的干蚀刻而得的制造制程过程。此是可进行MRAM存储器的大量生产，由本发明可实现出不含实质上的晶体管的MRAM制造技术。
实施例1
制作出已采用n-型(Ga，Cr)N及p-型(Ga，Mn)N而成的半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM。
如图1所示，为使TMR组件低电阻化，以p型半金属性的稀薄铁磁性半导体的p-型(Ga，Mn)N(Mn浓度10at％)及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的n-型(Ga，Cr)N(Cr浓度10at％)，制作出挟持原子层二层非磁性绝缘体原子层(i层)GaN的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体。
于本新方式的TMR组件，若对位线及字线施加由5meV至20meV的低电压时，则仅单方向的电流流动，可予确认出整流效应。由而，即使无供开关用的MOS晶体管，亦可予确认出以用作已采用p型及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)而动作。
此电压与现有的金属铁磁性材料薄膜的MRAM相较，由于TMR组件的电阻较小，在室温是可使偏压减少一个位数以上的划时代者。不论写入时间或读出时间，均短至0.2～1.3ns。
又如图2所示，通过p型半金属性的稀薄铁磁性半导体的p-型(Ga，Mn)N(Mn浓度6at％)及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的n-型(Ga，Cr)N(Cr浓度6at％)间的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，是可得同样的效果，使已采用不含有MOS晶体管的半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的动作成为可能。
已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM，若使存储器单位的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场会增加。此虽为随着已采用金属铁磁性材料的现有的MRAM的大容量化的课题，但通过采用磁性元素的浓度极少的(6at％及10at％)半金属性的稀薄铁磁性半导体，使高集成化，于减少尺度时可使磁化反转所需的电流磁场较金属磁性材料者可减少1/10～1/100以上，故已采用半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM的本发明是可解决此问题。
实施例2
制作出已采用n-型(Zn，V)O及p-型(Zn，Cr)O而成的半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM。
如图1所示，为使TMR组件低电阻化，以p型半金属性的铁磁性半导体的p-型(Zn，Cr)N(Cr浓度10at％)及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的n-型(Zn，V)N(V浓度10at％)，制作出挟持原子层三层非磁性绝缘体原子层(i层)ZnO的p-i-n型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体。
于本新方式的TMR组件，若对位线及字线施加由8meV至25meV的低电压时，则仅单方向的电流流动，可予确认出整流效应。由而，即使无供开关用的MOS晶体管，亦可予确认出以用作已采用p型及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)而动作。
此电压与现有的金属铁磁性材料薄膜的MRAM相较，由于TMR组件的电阻较小，在室温是可使偏压减少一位数以上的划时代者。不论写入时间或读出时间，均短至0.16～2.3ns。
又如图2所示，通过p型半金属性的稀薄铁磁性半导体的p-型(Zn，Cr)N(Cr浓度15at％)及n型半金属性的稀薄铁磁性半导体的n-型(Zn，V)N(V浓度15at％)间的接合而得的p-n接合型低电阻隧道磁电阻效应(低电阻TMR)偶极体，是可得同样的效果，使已采用不含有MOS晶体管的半金属性的稀薄铁磁性半导体的新型磁阻随机存取存储器装置(MRAM)的动作成为可能。
已采用金属铁磁材料薄膜的MRAM，若使存储器单位的尺度变小时，则磁化反转所需的电流磁场会增加。此虽为随着已采用金属铁磁性材料的现有的MRAM的大容量化的课题，但通过采用磁性元素的浓度极少的(10at％及15at％)半金属性的稀薄铁磁性半导体，使高集成化，于减少尺度时可使磁化反转所需的电流磁场较金属磁性材料者可减少1/10～1/100以上，故已采用半金属性的稀薄铁磁性半导体的MRAM的本发明是可解决此问题。
产业上的利用领域
今后的存储器由于行动式通信的需要变大，乃以高速化、大容量化，又计算机或可携带的电视电话、数据库调制解调器、矿用功能等整体化而得的万能(all-in-one)化被要求着。此外，为使促进数字家电的推广，由省能量的观点，不挥发性存储器即被强烈需求着。至于不挥发性存储器的快闪存储器是写入速度迟缓，改写次数是有界限的，而且电功消耗量是较多的。另一方面，强介电体存储器(FeRAM)是改写次数为约1012次程度，未能保证使用10年。又此是较难高密度化。
针对此点，本发明的MRAM装置则完全无上述的问题。因此，将来DRAM为MRAM所取代的可能性极大，MRAM在将来的产业上，即成为必要不可缺的最优先利用技术领域。