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JP2005197271A - Field effect transistor employing ferromagnetic semiconductor and nonvolatile memory employing it - Google Patents

Field effect transistor employing ferromagnetic semiconductor and nonvolatile memory employing it Download PDF

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JP2005197271A JP2003434847A JP2003434847A JP2005197271A JP 2005197271 A JP2005197271 A JP 2005197271A JP 2003434847 A JP2003434847 A JP 2003434847A JP 2003434847 A JP2003434847 A JP 2003434847A JP 2005197271 A JP2005197271 A JP 2005197271A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize lower power consumption rewriting and high density of information in a nonvolatile memory. <P>SOLUTION: An MISFET 1 employs an MIS structure having a multilayer structure of a gate electrode 15, a gate insulation film 11, and a ferromagnetic semiconductor 5 as a gate structure. A Shottky junction of a ferromagnetic body and a ferromagnetic semiconductor is employed in the source 7a and/or the drain 7b. Information is stored as the orientation of relative magnification between the ferromagnetic semiconductor (channel) 5 and the source 7a or the drain 7b, and information is read out as the difference in transmission characteristics of a transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、チャネル領域に強磁性半導体を用いた新規な金属-絶縁体-半導体電界効果トランジスタと、これを用いた大容量不揮発性メモリの高性能化と、に関する。   The present invention relates to a novel metal-insulator-semiconductor field effect transistor using a ferromagnetic semiconductor in a channel region, and high performance of a large capacity nonvolatile memory using the same.

近年、IT革命とも呼ばれる高度情報化社会の発展は“モバイル機器”を媒介としてさらに躍進し続けている。この“モバイル機器”という大きな需要は今後の半導体産業の要になりうると認識されているが、これに対応するためには、半導体集積回路の高速化・低消費電力化・大容量化といった従来通りの高性能化に加え、情報の不揮発性といった新たな要求に応じる必要が生じる。このような要求に対して、不揮発高密度記録に優れた強磁性体ストレージ技術と半導体集積エレクトロニクス技術とを融合させた新しいメモリデバイスが注目を集めている。   In recent years, the development of a highly information-oriented society, also called the IT revolution, continues to make further progress through “mobile devices”. It is recognized that this large demand for “mobile devices” can be the key to the future semiconductor industry. To meet this demand, conventional methods such as higher speed, lower power consumption, and higher capacity of semiconductor integrated circuits have been proposed. In addition to the improvement in performance, it is necessary to meet new requirements such as information non-volatility. In response to such a demand, a new memory device that combines a ferromagnetic storage technology excellent in nonvolatile high-density recording and a semiconductor integrated electronics technology has attracted attention.

このデバイスは磁気ランダムアクセスメモリ(magnetoresistive random access memory; 以下「MRAM」と称する。)と呼ばれ、薄い絶縁性のトンネル障壁を強磁性電極により挟み込んだ構造を有する強磁性トンネル接合(magnetic tunnel junction;以下「MTJ」と称する。)をその記憶素子として用いている(例えば、非特許文献1参照)。   This device is called a magnetic random access memory (hereinafter referred to as “MRAM”), and has a structure in which a thin insulating tunnel barrier is sandwiched between ferromagnetic electrodes (magnetic tunnel junction; (Hereinafter referred to as “MTJ”) is used as the memory element (see, for example, Non-Patent Document 1).

MTJでは、強磁性電極間の相対的な磁化の方向によってトンネル抵抗が異なるトンネル磁気抵抗(tunneling magnetoresistance;以下「TMR」と称する。)効果を有することから、このTMRを用いれば、強磁性電極の磁化状態を電気的に検出することが可能となる。従って、MTJの存在によって強磁性体による情報の不揮発ストレージ技術を半導体集積エレクトロニクスに理想的に取り込むことが可能となる。   The MTJ has a tunneling magnetoresistance (hereinafter referred to as “TMR”) effect in which the tunnel resistance varies depending on the relative magnetization direction between the ferromagnetic electrodes. It becomes possible to electrically detect the magnetization state. Therefore, the presence of MTJ makes it possible to ideally incorporate information storage technology using ferromagnetic material into semiconductor integrated electronics.

以下、図7を参照してMTJを利用した一般的なメモリセルについて説明する。図7に示すように、一般的なMRAMのメモリセルは、1ビットのメモリセルを1つのMTJ101と1つのMOSトランジスタ103とを含んで構成される。MTJ101は、第1の強磁性体105と、第2の強磁性体107と、両者の間に設けられ絶縁体により形成されたトンネル障壁111と、からなるトンネル接合である。   Hereinafter, a general memory cell using the MTJ will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, a general MRAM memory cell includes a 1-bit memory cell including one MTJ 101 and one MOS transistor 103. The MTJ 101 is a tunnel junction that includes a first ferromagnetic material 105, a second ferromagnetic material 107, and a tunnel barrier 111 that is provided between the first ferromagnetic material 105 and the second ferromagnetic material 107.

MOSトランジスタ103のソース(S)103aを接地(GND)し、ドレイン(D)103bをMTJ101の一方の強磁性電極107に接続する。MTJ101の他方の強磁性電極105は、ビット線(BL)に接続され、書き換え用のワード線(WL(P))は、MTJの直上又は直下において、MTJ101及び他の配線と絶縁膜とにより電気的に絶縁された状態でビット線(BL)と交差するように配置されている。読出し用ワード線WL(R)は、MOSトランジスタ103のゲート電極(G)103cに接続する。   The source (S) 103 a of the MOS transistor 103 is grounded (GND), and the drain (D) 103 b is connected to one ferromagnetic electrode 107 of the MTJ 101. The other ferromagnetic electrode 105 of the MTJ 101 is connected to the bit line (BL), and the rewrite word line (WL (P)) is electrically connected to the MTJ 101 and other wirings and an insulating film directly above or immediately below the MTJ. It is arranged so as to cross the bit line (BL) in a state of being electrically insulated. The read word line WL (R) is connected to the gate electrode (G) 103 c of the MOS transistor 103.

強磁性体では、磁化の方向を不揮発に保持することができるため、MTJ101では強磁性電極間の相対的な磁化状態を、平行磁化又は反平行磁化とすることによって、2値の情報を不揮発に記憶することができる。また、MTJ101では、TMR効果によって2つの強磁性電極105、107間における相対的な磁化状態でトンネル抵抗が異なる。よって、平行磁化、反平行磁化といった磁化状態に対応したトンネル抵抗を用いれば、MTJ101内の磁化状態を電気的に検出することができる。   In ferromagnetic materials, the magnetization direction can be kept non-volatile, so in MTJ101, binary information can be made non-volatile by setting the relative magnetization state between the ferromagnetic electrodes to parallel magnetization or anti-parallel magnetization. Can be remembered. In MTJ 101, the tunnel resistance differs depending on the relative magnetization state between the two ferromagnetic electrodes 105 and 107 due to the TMR effect. Therefore, if a tunnel resistance corresponding to a magnetization state such as parallel magnetization or antiparallel magnetization is used, the magnetization state in the MTJ 101 can be electrically detected.

情報の書き換えは、MTJ101における2つの強磁性電極の保磁力を変えておくか、或いは、一方の強磁性電極105又は107のいずれかの磁化方向を固定しておき、保磁力の小さな強磁性電極又は磁化方向の固定されていない強磁性電極を磁化反転させることによって行う。以下、磁化反転を行う強磁性電極をフリー層と称し、磁化反転を行わない強磁性電極をピン層と称する。より具体的に説明すると、選択セル上で交差するビット線(BL)と書き換え用ワード線(WL(P))とのそれぞれに電流を流し、これらの電流によって誘起される合成磁場により選択されたメモリセル内のMTJ101の磁化状態のみを平行磁化又は反平行磁化に変化させる。この際、選択したセルと同一のビット線又は書き換え用ワード線を有する非選択セルが磁化反転しないように、一方の配線のみからの磁界では非選択セルのMTJ101が磁化反転をしないようにそれぞれの配線に流す電流値を設定しておく。   Information is rewritten by changing the coercive force of the two ferromagnetic electrodes in the MTJ 101 or by fixing the magnetization direction of one of the ferromagnetic electrodes 105 or 107 and reducing the coercive force. Alternatively, it is performed by reversing the magnetization of a ferromagnetic electrode whose magnetization direction is not fixed. Hereinafter, a ferromagnetic electrode that performs magnetization reversal is referred to as a free layer, and a ferromagnetic electrode that does not perform magnetization reversal is referred to as a pinned layer. More specifically, a current is supplied to each of the bit line (BL) and the rewrite word line (WL (P)) intersecting on the selected cell, and the selected magnetic field is selected by a synthesized magnetic field induced by these currents. Only the magnetization state of the MTJ 101 in the memory cell is changed to parallel magnetization or antiparallel magnetization. At this time, in order to prevent magnetization reversal of unselected cells having the same bit line or rewrite word line as the selected cell, the MTJ 101 of the unselected cell does not reverse magnetization with a magnetic field from only one wiring. Set the current value to flow through the wiring.

情報の読み出しは、選択セルに接続された読み出し用のワード線に電圧を印加してMOSトランジスタ103を導通させてからビット線(BL)を介して読出し用の駆動電流をMTJ101に流す。MTJ101では、TMR効果によって平行磁化又は反平行磁化の磁化状態におけるトンネル抵抗が異なるため、読出し用の駆動電流によるMTJ101における電圧降下を検出すれば磁化状態を判定することができる(非特許文献1参照)。   To read information, a voltage is applied to the read word line connected to the selected cell to turn on the MOS transistor 103, and then a read drive current is passed to the MTJ 101 via the bit line (BL). In MTJ101, the tunnel resistance in the magnetization state of parallel magnetization or antiparallel magnetization differs depending on the TMR effect, and therefore the magnetization state can be determined by detecting a voltage drop in MTJ101 due to the read drive current (see Non-Patent Document 1). ).

K. Inomata, "Present and future of magnetic RAM technology", IEICE Trans. Electron. Vol.E84-C, pp740-746, 2001.K. Inomata, "Present and future of magnetic RAM technology", IEICE Trans. Electron. Vol.E84-C, pp740-746, 2001.

上記MTJを用いたメモリセルには、以下に説明する解決するべき課題がある。
1)書き込みに関する課題
MRAMでは、ビット線及びワード線の電流によって誘起される磁場を用いて変化させMTJの磁化状態を情報の書き換えを行う。MRAMにおいても、通常の半導体集積メモリと同様にデバイスの微細化によって高密度集積化及び高性能化を実現することができるが、MTJを微細化すると強磁性電極の反磁界が大きくなり、磁化反転に必要な磁場強度が大きくなる。従って、書き換えに必要な電流が増大する。この電流増大はかなり大きく、配線を微細化していくと実現可能な程度でアスペクト比を増加しても配線の信頼性を確保できなくなる程度に及ぶ。強磁性体の保磁力を小さくすると、書き換えに必要な磁場の強度は減少するが、誤書き込みなどの致命的な問題が発生する。従って、強磁性体の保磁力を下げることなく、低い電流値で発生する磁場で容易に磁化情報の書き換えが可能な新しい方法が必要となる。
The memory cell using the MTJ has a problem to be solved which will be described below.
1) Issues related to writing In the MRAM, information is rewritten by changing the magnetization state of the MTJ by using a magnetic field induced by the current of the bit line and the word line. Even in MRAM, high density integration and high performance can be realized by miniaturization of devices as in the case of normal semiconductor integrated memory. However, if MTJ is miniaturized, the demagnetizing field of the ferromagnetic electrode increases and magnetization reversal is achieved. The required magnetic field strength is increased. Therefore, the current required for rewriting increases. This increase in current is quite large, and as the wiring is miniaturized, even if the aspect ratio is increased, the reliability of the wiring cannot be secured. When the coercive force of the ferromagnetic material is reduced, the strength of the magnetic field necessary for rewriting decreases, but a fatal problem such as erroneous writing occurs. Therefore, there is a need for a new method that can easily rewrite magnetization information with a magnetic field generated at a low current value without reducing the coercivity of the ferromagnetic material.

2)読み出しに関する課題
MTJは、トンネル障壁を介して相対する強磁性電極の磁化状態が平行磁化であるか反平行磁化の磁化状態であるかに対応して2値の抵抗値をとる。この2値の情報を高感度に検出するためには、2つの磁化状態間における出力信号の比を大きくする必要がある。高速に情報の読み出しを行うために大きな駆動電流が必要となるが、MTJにおけるTMR比はMTJに印加するバイアス電圧に強く依存し、バイアス電圧とともに急激に減少する。よって、読み出しに大きな電流を用いると、MTJにおける電圧降下が大きくなりTMR比が減少する。従って、TMR比は、高速動作とトレードオフの関係になる。そこで、MTJにおける大きな電圧降下が生じてもTMR比が減少しない工夫が必要となる。
2) Problems related to reading The MTJ takes a binary resistance value corresponding to whether the magnetization state of the ferromagnetic electrodes facing each other through the tunnel barrier is parallel magnetization or anti-parallel magnetization. In order to detect this binary information with high sensitivity, it is necessary to increase the ratio of the output signal between the two magnetization states. A large drive current is required to read information at a high speed, but the TMR ratio in the MTJ depends strongly on the bias voltage applied to the MTJ, and decreases rapidly with the bias voltage. Therefore, when a large current is used for reading, the voltage drop at the MTJ increases and the TMR ratio decreases. Therefore, the TMR ratio has a trade-off relationship with high-speed operation. Therefore, it is necessary to devise a technique that does not reduce the TMR ratio even if a large voltage drop occurs in the MTJ.

3)集積密度に関する課題
MRAMのメモリセルは構造がシンプルであり、また、MTJに用いる強磁性体はナノスケールのサイズまで微細化できることから、高密度集積化に適したメモリである。数ギガビット以上の高集積度を実現しようとすると、MOSトランジスタのチャネル長は0.1μm程度よりも小さくなることが予想される。しかし、このような微細なトランジスタに合わせてMTJを微細化しても、書き換え用のワード線などの多層配線の配置がセル面積の縮小を律則するようになり、高密度集積化が難しくなる。従って、より簡単な構造を有するメモリセルが必要となる。
3) Issues related to integration density The memory cell of the MRAM has a simple structure, and the ferromagnetic material used in the MTJ can be miniaturized to a nanoscale size, so that it is a memory suitable for high-density integration. In order to achieve a high degree of integration of several gigabits or more, the channel length of the MOS transistor is expected to be smaller than about 0.1 μm. However, even if the MTJ is miniaturized in accordance with such a fine transistor, the arrangement of multilayer wiring such as a word line for rewriting rules the reduction of the cell area, and it is difficult to achieve high density integration. Therefore, a memory cell having a simpler structure is required.

本発明は、メモリにおける書き込み、読み出しのための電圧を低減するとともに、集積化した場合の集積度を高めることを目的とする。   It is an object of the present invention to reduce the voltage for writing and reading in a memory and increase the degree of integration when integrated.

本発明では、チャネル領域を強磁性半導体により構成した金属−強磁性体−半導体電界効果トランジスタ(MISFET)を用いて上記課題を解決する。   In the present invention, the above-described problems are solved by using a metal-ferromagnetic-semiconductor field effect transistor (MISFET) in which a channel region is made of a ferromagnetic semiconductor.

1)書き込み
強磁性半導体では、電界を印加することによって強磁性半導体層のキャリア数を減少させれば、強磁性から常磁性に磁性を変化させることが可能である(電界効果磁性制御と称する。)。本発明のMISFETを用いたメモリセルでは、ソースおよびドレインに電圧を印加してチャネル領域の強磁性半導体層を強磁性から常磁性(または十分に保磁力の小さな状態)に変化させ、この状態を保ったままで磁化反転を行う。従って、強磁性状態の保磁力より十分小さな磁場で書き込みが可能となる。
1) Writing In a ferromagnetic semiconductor, if the number of carriers in the ferromagnetic semiconductor layer is decreased by applying an electric field, it is possible to change the magnetism from ferromagnetic to paramagnetic (referred to as field effect magnetic control). ). In the memory cell using the MISFET of the present invention, a voltage is applied to the source and drain to change the ferromagnetic semiconductor layer in the channel region from ferromagnetic to paramagnetic (or a state having a sufficiently small coercive force), and this state is changed. Magnetization reversal is carried out while keeping it. Therefore, writing can be performed with a magnetic field sufficiently smaller than the coercive force in the ferromagnetic state.

2)読み出し
本発明のMISFETでは、強磁性チャネルと強磁性ソース(又は強磁性チャネルと強磁性ドレイン、又は強磁性チャネルと強磁性ソース及び強磁性チャネルと強磁性ドレイン)との間のTMR(磁気抵抗)効果によって磁化状態を読み出す。ソースとドレインとの間に印加したバイアスは、ソース接合とドレイン接合とで分圧する。従って、本発明によるデバイスでは、平行磁化と反平行磁化とにおける出力信号(ドレイン電流)の比は、通常のMTJより弱いバイアス依存性を有する。本デバイスではMTJより大きな読み出し用のバイアス印加することが可能となる。特に、ソースを強磁性体とした場合にはこのバイアス依存性は顕著に弱められる。
2) Reading In the MISFET of the present invention, the TMR (magnetic field) between the ferromagnetic channel and the ferromagnetic source (or the ferromagnetic channel and the ferromagnetic drain, or the ferromagnetic channel and the ferromagnetic source, and the ferromagnetic channel and the ferromagnetic drain). The magnetization state is read by the resistance effect. The bias applied between the source and the drain is divided at the source junction and the drain junction. Therefore, in the device according to the present invention, the ratio of the output signal (drain current) between the parallel magnetization and the antiparallel magnetization has a bias dependency weaker than that of a normal MTJ. In this device, it is possible to apply a bias for reading larger than MTJ. In particular, when the source is made of a ferromagnetic material, this bias dependency is remarkably weakened.

3)高密度集積化
本発明のMISFETでは、1つのMISFETで1ビットのメモリセルを構成する。従って、配線に関しても非常に単純な構成にすることができる。最も単純な1トランジスタ、3配線のみによってメモリセルを構成できるため、微細化に適したレイアウトを容易に構成することができる。
3) High-density integration In the MISFET of the present invention, one MISFET constitutes a 1-bit memory cell. Therefore, a very simple configuration can be achieved for the wiring. Since the memory cell can be configured by the simplest one transistor and three wirings, a layout suitable for miniaturization can be easily configured.

また,従来の構成によるMRAMのメモリセルでは、1MTJ、1トランジスタ、4配線(図7参照)の構成であり、MTJおよび書込み用ワード線の存在によってソースを隣り合ったセルで共用してセル面積を小さくするなどの工夫が困難であったが、本発明のメモリセルでは、隣り合ったセル同士でソースを共有するセル構造も可能となる。   In addition, the conventional MRAM memory cell has a structure of 1MTJ, 1 transistor, 4 wirings (see FIG. 7), and the cell area is shared by adjacent cells due to the presence of the MTJ and the word line for writing. However, in the memory cell of the present invention, a cell structure in which adjacent cells share a source is also possible.

本発明のMISFETによれば,ドレイン電流をゲート電圧で制御できるトランジスタとして特性を有するとともに、その伝達コンダクタンスを強磁性チャネルと強磁性ソース(又は強磁性ドレイン又は強磁性ソース及び強磁性ドレインの両方)との相対的な磁化の向きによって制御できるという特徴的な特性を併せ持つ。従って、この相対的な磁化の向きによって2値の情報を記憶することができるとともに、この相対的な磁化の向きを電気的に検出することができる。また、強磁性半導体からなるチャネルの電界効果による磁性制御を用いれば、情報の書き換えに必要な電流の大幅な低減が可能となる。したがって、上記MISFETは、高密度集積化に適した高性能不揮発性メモリセルを構成することができる。   According to the MISFET of the present invention, the transistor has characteristics as a transistor capable of controlling the drain current by the gate voltage, and has the transfer conductance of the ferromagnetic channel and the ferromagnetic source (or both the ferromagnetic drain or the ferromagnetic source and the ferromagnetic drain). It also has a characteristic characteristic that it can be controlled by the relative magnetization direction. Therefore, binary information can be stored according to the relative magnetization direction, and the relative magnetization direction can be electrically detected. In addition, if the magnetic control based on the electric field effect of a channel made of a ferromagnetic semiconductor is used, the current required for rewriting information can be greatly reduced. Therefore, the MISFET can constitute a high-performance nonvolatile memory cell suitable for high-density integration.

以下、本発明の第1の実施の形態によるMISFET及びこれを用いた不揮発性メモリについて図面を参照しつつ説明を行う。まず、本実施の形態によるMISFETの構成例について説明する。   Hereinafter, a MISFET and a nonvolatile memory using the same according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a configuration example of the MISFET according to the present embodiment will be described.

図1(a)は、本実施の形態によるMISFETであって、強磁性半導体をチャネルに用いたMISFETの断面構造図である。本実施の形態によるMISFET1は、ゲート構造としてゲート電極15と、ゲート絶縁膜11と、強磁性半導体5との積層構造を有するMIS構造を用いている。強磁性体からなるソース7aまたはドレイン7b(又はソース7a/ドレイン7bの両方)と強磁性半導体5とは、ショットキー接合を形成するように構成する。   FIG. 1A is a cross-sectional structure diagram of a MISFET according to the present embodiment, which uses a ferromagnetic semiconductor for a channel. The MISFET 1 according to the present embodiment uses a MIS structure having a stacked structure of a gate electrode 15, a gate insulating film 11, and a ferromagnetic semiconductor 5 as a gate structure. The source 7a or drain 7b (or both of the source 7a / drain 7b) made of a ferromagnetic material and the ferromagnetic semiconductor 5 are configured to form a Schottky junction.

一方のみに強磁性体と強磁性半導体とのショットキー接合を用いる場合には、他方は通常の非磁性金属とのショットキー接合を用いる。また、チャネル領域(5)と強磁性体のソース7a又は強磁性体のドレイン7b(または両方とも強磁性体)との接合界面5a、5b(図1(a))に、適切に不純物を導入した半導体又は真性半導体を挿入してもよい。   When a Schottky junction between a ferromagnetic material and a ferromagnetic semiconductor is used only on one side, a normal Schottky junction with a nonmagnetic metal is used on the other side. Further, impurities are appropriately introduced into the junction interfaces 5a and 5b (FIG. 1 (a)) between the channel region (5) and the ferromagnetic source 7a or the ferromagnetic drain 7b (or both are ferromagnetic). Or an intrinsic semiconductor may be inserted.

チャネルの強磁性半導体5は、半導体基板3上(またはその上の半導体層上)に成長するか、或いは、熱拡散法又はイオン注入法などによって半導体中に磁性原子を導入することによって形成することができる。ソース7aまたはドレイン7b(または両方7a・7b)に用いる強磁性体は、通常の強磁性金属(Fe、Ni、Co、パーマロイなど)を用いることもできるが、メタリック(高濃度)に磁性元素をドープ(添加)した強磁性半導体(Ga1-xxAs、Si1-xx、Ge1-xx(Mは磁性元素)など)やハーフメタル強磁性体(CrO2、Fe34、ホイスラーアロイなど)を用いることも可能である。このような強磁体のソース7a、ドレイン7bは、強磁性半導体層5上に成長するか或いは堆積しても良いが、熱拡散又はイオン注入によって半導体中に磁性原子を導入することによって形成しても良い。MIS構造としては、強磁性半導体層5の表面を酸化したMOS構造を用いるか、強磁性半導体層5上に絶縁体層を成長又は堆積してMIS構造とすることもできる。基板3としては、通常の半導体基板やSOI基板を利用することができる。 The ferromagnetic semiconductor 5 of the channel is formed on the semiconductor substrate 3 (or on the semiconductor layer thereon) or by introducing magnetic atoms into the semiconductor by a thermal diffusion method or an ion implantation method. Can do. The ferromagnetic material used for the source 7a or the drain 7b (or both 7a and 7b) can be an ordinary ferromagnetic metal (Fe, Ni, Co, permalloy, etc.), but a magnetic element is metallic (high concentration). Doped (added) ferromagnetic semiconductors (Ga 1-x M x As, Si 1-x M x , Ge 1-x M x (M is a magnetic element)) and half-metal ferromagnets (CrO 2 , Fe 3 O 4 , Heusler alloy, etc.) can also be used. Such a ferromagnetic source 7a and drain 7b may be grown or deposited on the ferromagnetic semiconductor layer 5, but are formed by introducing magnetic atoms into the semiconductor by thermal diffusion or ion implantation. Also good. As the MIS structure, a MOS structure in which the surface of the ferromagnetic semiconductor layer 5 is oxidized can be used, or an insulator layer can be grown or deposited on the ferromagnetic semiconductor layer 5 to form a MIS structure. As the substrate 3, a normal semiconductor substrate or SOI substrate can be used.

本実施の形態によるMISFET1は、チャネル領域の強磁性半導体5と同じ伝導型のキャリアをキャリアとする蓄積チャネル型で動作する。キャリアとしては電子及び正孔ともに利用可能であるが、以下では、nチャネル型デバイスを例にしてバンド構造を参照しつつ説明を行う。尚、pチャネル型デバイスについても同様に構成し、動作させることができる。   The MISFET 1 according to the present embodiment operates in a storage channel type in which carriers of the same conductivity type as the ferromagnetic semiconductor 5 in the channel region are carriers. Although both electrons and holes can be used as carriers, an explanation will be given below with reference to a band structure by taking an n-channel device as an example. A p-channel device can be similarly configured and operated.

図1(b)は、nチャネル型デバイスのチャネル領域近傍におけるバンド構造を示す図である。図1(b)では、導電性の強磁性体をソースに用いた場合を例示しているが、上述のように、ドレインまたはソースとドレインの両方に強磁性体を用いた構造としても良い。ソース7aおよびドレイン7bに示された実線とn型強磁性半導体層5に示した点線とは、フェルミエネルギーEFを表す。EGは、強磁性半導体のバンドギャップを表す。ECとEVとは、それぞれ強磁性半導体5の伝導バンドの底と価電子帯の頂上とを表す。図1(b)におけるチャネル領域の強磁性半導体層5は縮退していないが、縮退する程度に磁性元素をドープしても良い。ソース7aおよびドレイン7bのショットキー接合によって、障壁の高さがそれぞれφSとφDとなるショットキー障壁を伝導帯側に生じるようにする。 FIG. 1B is a diagram showing a band structure in the vicinity of the channel region of the n-channel device. FIG. 1B illustrates the case where a conductive ferromagnetic material is used for the source, but as described above, a structure using a ferromagnetic material for the drain or both of the source and the drain may be used. It indicated dotted line and the solid line and the n-type ferromagnetic semiconductor layer 5 shown in the source 7a and the drain 7b, represents the Fermi energy E F. E G represents the band gap of the ferromagnetic semiconductor. E C and E V represent the bottom of the conduction band and the top of the valence band of the ferromagnetic semiconductor 5, respectively. Although the ferromagnetic semiconductor layer 5 in the channel region in FIG. 1B is not degenerated, a magnetic element may be doped to such an extent that it degenerates. By the Schottky junction of the source 7a and the drain 7b, a Schottky barrier whose barrier height is φ S and φ D respectively is generated on the conduction band side.

また、強磁体体からなるソース7aと強磁性半導体5とからなるチャネルのフェルミエネルギー上に示した矢印4a、4bは、それぞれの領域における多数スピンの向きを表しており、矢印の向きが上向きであればアップスピンであり、下向きであればダウンスピンである。また、少数スピンの表示に関しては省略している。また、非磁性の伝導体(7b)は、上向きと下向きとの矢印を同時に示すことによって表現している。以下、強磁性体からなるソース7a(又はドレイン)を、強磁性ソース7a(または強磁性ドレイン)と称することがある。同様に、強磁性半導体からなるチャネル領域を単に強磁性チャネルと称することもある。   The arrows 4a and 4b shown on the Fermi energy of the channel made of the ferromagnetic material source 7a and the ferromagnetic semiconductor 5 indicate the direction of the majority spin in each region, and the direction of the arrow is upward. If it is, it is up spin, and if it is downward, it is down spin. Also, the display of minority spins is omitted. Further, the nonmagnetic conductor (7b) is expressed by simultaneously indicating upward and downward arrows. Hereinafter, the source 7a (or drain) made of a ferromagnetic material may be referred to as a ferromagnetic source 7a (or ferromagnetic drain). Similarly, a channel region made of a ferromagnetic semiconductor may be simply referred to as a ferromagnetic channel.

次に、本実施の形態によるMISFETの動作原理について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態によるMISFETのチャネル領域5は、強磁性半導体で構成されているが、ソース7aとドレイン7bに関しては、上記のように(i)ソースのみが強磁性体の場合、(ii)ドレインのみが強磁性体の場合、(iii)ソースとドレインの両方が強磁性体の場合、3通りの組み合わせが存在する。以下、強磁性ソースを有するnチャネル型デバイスについて動作原理を説明するが、上記した他の構成およびpチャネル型デバイスについても同様に動作する。   Next, the operation principle of the MISFET according to this embodiment will be described with reference to the drawings. The channel region 5 of the MISFET according to the present embodiment is made of a ferromagnetic semiconductor. Regarding the source 7a and the drain 7b, as described above, when (i) only the source is ferromagnetic, (ii) drain When only the ferromagnet is used, (iii) when both the source and the drain are ferromagnets, there are three combinations. Hereinafter, the principle of operation of an n-channel device having a ferromagnetic source will be described, but the above-described other configurations and p-channel devices also operate in the same manner.

また、強磁性ソースに対する強磁性チャネルの相対的な磁化の向きが同方向である場合を平行磁化とし、これらの相対的な磁化の向きが互いに反対方向の場合を反平行磁化とする。MISFETのチャネル長は、スピンの緩和距離より十分短いものとし、またゲート電圧によって誘起されるラッシュバ効果を無視する。   Further, the case where the relative magnetization direction of the ferromagnetic channel with respect to the ferromagnetic source is the same direction is referred to as parallel magnetization, and the case where these relative magnetization directions are opposite to each other is referred to as anti-parallel magnetization. The channel length of the MISFET is sufficiently shorter than the spin relaxation distance, and the rush bar effect induced by the gate voltage is ignored.

ゲート・ソース間バイアスVGSをVGS=0として、ドレイン・ソース間にバイアスVDS(>0)を印加した場合のバンド構造を図2(a)に示す。VDSの印加によって図2(a)に示すようなポテンシャル形状が形成される。ドレイン7bのショットキー接合は順バイアスされ、強磁性ソース7aのショットキー接合は逆バイアスされている。この際、強磁性ソース7aのショットキー接合による空乏層の幅dは十分に厚く、トンネル効果によって強磁性ソース7aからチャネル領域5に向けての電子の注入はほとんど生じない(dは強磁性ソース7aのフェルミ準位とソース側のショットキー障壁におけるバンド端とが交差するまでの距離である)。 FIG. 2A shows a band structure when the gate-source bias V GS is set to V GS = 0 and the bias V DS (> 0) is applied between the drain and the source. By applying V DS , a potential shape as shown in FIG. 2A is formed. The Schottky junction of the drain 7b is forward biased, and the Schottky junction of the ferromagnetic source 7a is reverse biased. At this time, the width d of the depletion layer due to the Schottky junction of the ferromagnetic source 7a is sufficiently thick, and almost no injection of electrons from the ferromagnetic source 7a toward the channel region 5 occurs due to the tunnel effect (d is the ferromagnetic source 7a). This is the distance until the Fermi level of 7a intersects the band edge of the Schottky barrier on the source side).

また、ソース側のショットキー接合は逆バイアスされているため、強磁性ソース7aの伝導キャリアが高さφSの障壁を熱的に乗り越えることに由来するショットキー接合の逆方向飽和電流程度の電流が生じる可能性があるが,φSを適切に選ぶことによってこの電流を十分に小さくできる。従って、VGS=0の状態ではMISFETは遮断(オフ)状態となる。この遮断状態は強磁性ソース7aと強磁性チャネル5との間の相対的な磁化の向きに依存しない。 Further, since the Schottky junction on the source side is reverse-biased, the current is about the reverse saturation current of the Schottky junction derived from the thermal conduction of the conduction carrier of the ferromagnetic source 7a over the barrier of height φ S. However, this current can be made sufficiently small by selecting φ S appropriately. Accordingly, in the state where V GS = 0, the MISFET is cut off (off). This blocking state does not depend on the relative magnetization direction between the ferromagnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5.

ゲート電極15にバイアスVGS(>0)を印加すると、ゲート電極15から強磁性ソース7aに向かう電気力線によって、強磁性ソース7a側ショットキー障壁φS近傍の電界が強められ、図2(b)のようにショットキー障壁の障壁幅が減少する(図中のd’)。従って、強磁性ソース7aにおける電子はこのポテンシャル障壁φSをトンネル効果によって透過し、ゲート絶縁膜11直下のチャネル5内に注入される。注入された電子はVGSによって絶縁体/半導体界面に引き付けられながら、VDSによってドレイン7bまで輸送され、ドレイン電流を形成する。この際、本実施の形態によるMISFET1の伝達(相互)コンダクタンス及びドレイン電流は、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5との相対的な磁化の向きに依存する。 When a bias V GS (> 0) is applied to the gate electrode 15, the electric field near the Schottky barrier φ S on the ferromagnetic source 7a side is strengthened by the lines of electric force from the gate electrode 15 toward the ferromagnetic source 7a. As shown in b), the barrier width of the Schottky barrier decreases (d ′ in the figure). Accordingly, electrons in the ferromagnetic source 7a are transmitted through the potential barrier φ S by the tunnel effect and injected into the channel 5 immediately below the gate insulating film 11. The injected electrons are attracted to the insulator / semiconductor interface by V GS and are transported to the drain 7b by V DS to form a drain current. At this time, the transmission (mutual) conductance and drain current of the MISFET 1 according to the present embodiment depend on the relative magnetization directions of the ferromagnetic source 7 a and the ferromagnetic channel 5.

この電子のショットキー障壁φSを介した強磁性ソース7aから強磁性チャネル5へのトンネルにおいては、トンネル磁気抵抗(TMR)効果と同様の効果が働く(簡単のため、以下ではこの効果も単にTMR効果と呼ぶことにする)。従って、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5とが平行磁化の場合ではトンネル抵抗が小さく、反平行磁化の場合ではトンネル抵抗が大きくなる。また、このようなTMR効果の影響が小さな場合でも、強磁性ソース7aからはソースの強磁性体のスピン分極率に依存したスピン偏極率を持つ電子を注入することができる。このため、強磁性チャネル5と強磁性ソース7aとの相対的な磁化状態によって、電子は強磁性チャネル5内でスピン依存散乱を生じる。従って、このトンネル注入時のTMR効果および強磁性チャネル5内におけるスピン依存散乱によって、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5の相対的な磁化の向きが変化し、伝達コンダクタンスが変化する。 In the tunnel from the ferromagnetic source 7a to the ferromagnetic channel 5 via the electron Schottky barrier φ S , an effect similar to the tunnel magnetoresistance (TMR) effect works. This will be referred to as the TMR effect). Therefore, the tunnel resistance is small when the ferromagnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5 are in parallel magnetization, and the tunnel resistance is large in the case of antiparallel magnetization. Even when the influence of the TMR effect is small, electrons having a spin polarization depending on the spin polarizability of the source ferromagnet can be injected from the ferromagnetic source 7a. For this reason, electrons cause spin-dependent scattering in the ferromagnetic channel 5 due to the relative magnetization state of the ferromagnetic channel 5 and the ferromagnetic source 7a. Therefore, due to the TMR effect at the time of tunnel injection and spin-dependent scattering in the ferromagnetic channel 5, the relative magnetization directions of the ferromagnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5 change, and the transfer conductance changes.

図2(b)に示すように、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5とが平行磁化であれば、伝達コンダクタンスは大きくなりドレイン電流も大きくなるが、図2(c)に示すように、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5とが反平行磁化であれば、伝達コンダクタンスは小さくドレイン電流は小さい。   As shown in FIG. 2B, if the ferromagnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5 are in parallel magnetization, the transfer conductance increases and the drain current also increases. However, as shown in FIG. If the magnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5 are antiparallel, the transfer conductance is small and the drain current is small.

以上に説明したように、本実施の形態によるMISFETでは、同一バイアス下にあっても、強磁性ソース7aと強磁性チャネル5との相対的な磁化の向きにより伝達コンダクタンスを制御することができる。また、本実施の形態によるMISFETは、チャネルに注入される伝導キャリアの数をVGSによって制御できることから、ドレイン電流はVGSによって制御できる。従って、本実施の形態によるMISFETは、ドレイン電流をゲート電圧で制御できる通常のトランジスタとしての性質を備えるとともに、強磁性ソースと強磁性チャネルとの相対的な磁化の向きによって伝達コンダクタンスを制御できる。 As described above, in the MISFET according to the present embodiment, the transfer conductance can be controlled by the relative magnetization directions of the ferromagnetic source 7a and the ferromagnetic channel 5 even under the same bias. Further, in the MISFET according to the present embodiment, since the number of conductive carriers injected into the channel can be controlled by V GS , the drain current can be controlled by V GS . Therefore, the MISFET according to the present embodiment has a property as a normal transistor capable of controlling the drain current by the gate voltage, and can control the transfer conductance by the relative magnetization directions of the ferromagnetic source and the ferromagnetic channel.

次に、本実施の形態によるMISFETを用いた不揮発性メモリについて説明する。本実施の形態によるMISFETは、強磁性ソースと強磁性チャネルとの相対的な磁化を平行磁化又は反平行磁化にすることによって2値の情報を記憶し、これらの磁化状態に対応した出力(ドレイン電流)から磁化状態を検出する不揮発性メモリを実現することができる。本実施の形態によるMISFET1つを用いるだけで1ビットのメモリセルを構成することができるため、高密度集積化が可能である。また、チャネルに用いる強磁性半導体の電界効果による磁性制御を積極的に利用して、従来のMRAMにおける大きな問題点である書き換え電流の低減を可能とする。   Next, the nonvolatile memory using the MISFET according to the present embodiment will be described. The MISFET according to the present embodiment stores binary information by setting the relative magnetization of the ferromagnetic source and the ferromagnetic channel to parallel magnetization or antiparallel magnetization, and outputs (drain) corresponding to these magnetization states. A nonvolatile memory that detects the magnetization state from the current) can be realized. Since only one MISFET according to this embodiment can be used to form a 1-bit memory cell, high-density integration is possible. In addition, the magnetic control by the field effect of the ferromagnetic semiconductor used for the channel is positively utilized, and the rewriting current, which is a big problem in the conventional MRAM, can be reduced.

以下、強磁性ソースを有するnチャネル型のMISFETを用いて、このメモリの動作原理を説明するが、上記した他の構成のMISFETおよびpチャネル型デバイスについても同様に動作する。ここで、強磁性ソースを磁化の方向を固定したピン層として、強磁性チャネルを磁化の方向を変化させるフリー層とする。   Hereinafter, the operation principle of this memory will be described using an n-channel type MISFET having a ferromagnetic source, but the MISFETs and p-channel type devices having other configurations described above operate in the same manner. Here, the ferromagnetic source is a pinned layer with a fixed magnetization direction, and the ferromagnetic channel is a free layer that changes the magnetization direction.

図3は本発明の実施の形態による不揮発性メモリのセル構成を示す図である。図3に示すように、本実施の形態によるメモリセルは、上記実施の形態によるMISFET1つからなるメモリセル21と、ワード線(WL)23、ビット線(BL)25、接地線(GND)27とを有している。不揮発性メモリセルの書き換え動作では、選択セル21に接続しているビット線25と接地線27とに(基板電位又はゲート電極に対して)比較的大きなバイアスを加え、チャネル領域の強磁性が消滅して常磁性(又は保磁力が十分に小さくなる状態)となる程度までキャリア数を減少させるか、空乏化させる。図3に示すように、ビット線25と接地線27とを直交するように配置すれば、選択セル21のみにおいてソースとドレインとにバイアスが印加され、このビット線25又は接地線27に接続された他の非選択セルにおいては、ドレイン又はソースのみにバイアスが加わる。従って、一方のバイアスのみではチャネル全体にわたって強磁性を消滅できない程度に上記バイアスを設定しておけば(例えばソースから中心に至らない程度までの領域のみ、またはドレインから中心に至らない程度までの領域のみが空乏化するように)、非選択セルの磁化情報が失われないようにすることができる。   FIG. 3 is a diagram showing a cell configuration of the nonvolatile memory according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the memory cell according to the present embodiment includes a memory cell 21 including one MISFET according to the above-described embodiment, a word line (WL) 23, a bit line (BL) 25, and a ground line (GND) 27. And have. In the rewrite operation of the nonvolatile memory cell, a relatively large bias is applied to the bit line 25 and the ground line 27 connected to the selected cell 21 (to the substrate potential or the gate electrode), and the ferromagnetism in the channel region disappears. Then, the number of carriers is reduced or depleted until it becomes paramagnetic (or a state in which the coercive force is sufficiently small). As shown in FIG. 3, if the bit line 25 and the ground line 27 are arranged so as to be orthogonal to each other, a bias is applied to the source and drain only in the selected cell 21 and connected to the bit line 25 or the ground line 27. In other unselected cells, only the drain or source is biased. Therefore, if the bias is set to such an extent that ferromagnetism cannot be annihilated over the entire channel with only one bias (for example, only the region not reaching the center from the source, or the region not reaching the center from the drain). Only so that the magnetization information of the unselected cells is not lost.

この状態において、ワード線23に比較的に小さな電流を流し、磁場を誘起して常磁性状態のチャネルの磁化方向を変化させ,次いでビット線25と接地線27との間のバイアスを切ることによって、チャネルを強磁性状態に戻して情報を書き換える。   In this state, a relatively small current is applied to the word line 23, a magnetic field is induced to change the magnetization direction of the paramagnetic channel, and then the bias between the bit line 25 and the ground line 27 is turned off. Rewrite the information by returning the channel to the ferromagnetic state.

図4は、この書き換え動作の例を磁化曲線上に示した図である。はじめに、チャネルの磁化は磁化曲線上のA点にあったとする。この状態から、図4中のE点に書き換えを行うことを考える。まず、A点の状態からビット線と接地線とにバイアスを加え選択セルの強磁性を常磁性に変化させる。この際、チャネルの磁化はB点となる。次いで、チャネル直上のゲート電極に接続するワード線に電流を流せば、この電流によって誘起される磁場の強さが強磁性状態にあったチャネル領域の保磁力HC以下であっても図4のC点のように磁化反転させることができる。次いで、ゲート電極に電流を流したまま、ソースとドレインのバイアスを切ればチャネル領域は強磁性状態に戻る。このときの磁化の向きは図4のD点のように常磁性状態の磁化の向きが保存される。この状態からワード線の電流を切れば、書き換えが完了する(図4のE点)。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the rewriting operation on the magnetization curve. First, it is assumed that the channel magnetization is at point A on the magnetization curve. Consider rewriting from this state to point E in FIG. First, a bias is applied to the bit line and the ground line from the state of point A to change the ferromagnetism of the selected cell to paramagnetism. At this time, the magnetization of the channel becomes the B point. Next, if a current is passed through the word line connected to the gate electrode directly above the channel, even if the strength of the magnetic field induced by this current is equal to or less than the coercive force H C of the channel region in the ferromagnetic state, as shown in FIG. Magnetization can be reversed like point C. Next, the channel region returns to the ferromagnetic state if the source and drain biases are turned off while a current is applied to the gate electrode. At this time, the magnetization direction in the paramagnetic state is preserved as indicated by point D in FIG. When the current of the word line is cut from this state, the rewriting is completed (point E in FIG. 4).

本実施の形態によるメモリセルでは、強磁性状態にあるチャネル領域の保磁力HCより小さな磁場により磁化反転できるため、磁化反転に必要な電流を大きく減少させることができる。情報の読み出し動作では、選択セルに通常のトランジスタ動作に必要なバイアスを印加し、ドレイン電流の大きさによって強磁性ソースと強磁性チャネルとの相対的な磁化状態を検出する。ワード線とビット線とを直交させて配置してあるため、選択セルのみに関して記憶内容を読み出すことができる。読み出し動作ではプリチャージによって必要なバイアスを加えても良い。 In the memory cell according to the present embodiment, since the magnetization can be reversed by a magnetic field smaller than the coercive force H C of the channel region in the ferromagnetic state, the current required for the magnetization reversal can be greatly reduced. In the information read operation, a bias necessary for normal transistor operation is applied to the selected cell, and the relative magnetization state of the ferromagnetic source and the ferromagnetic channel is detected based on the magnitude of the drain current. Since the word lines and the bit lines are arranged orthogonally, the stored contents can be read only for the selected cell. In the read operation, a necessary bias may be applied by precharging.

次に、本発明の第2の実施の形態による不揮発性メモリについて図面を参照しつつ説明を行う。図5は、本実施の形態による不揮発性メモリであって、複数のメモリセルを一括消去/書き換えできる不揮発性メモリのセル構成例を示す図である。図3に示すセル構成例と同様に、本実施の形態によるメモリセルは、MISFET31と、ワード線(WL)33と、ビット線(BL)35と、接地線(GND)37と、を有している。但し、ビット線35と接地線37とが互いに平行になるように配置されている。このセル構造では、選択したビット線35に接続されている全てのMISFET31の磁化情報を同時に消去して書き換えることが可能である。   Next, a non-volatile memory according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a diagram showing a cell configuration example of a nonvolatile memory that is a nonvolatile memory according to the present embodiment and can collectively erase / rewrite a plurality of memory cells. Similar to the cell configuration example shown in FIG. 3, the memory cell according to the present embodiment includes a MISFET 31, a word line (WL) 33, a bit line (BL) 35, and a ground line (GND) 37. ing. However, the bit line 35 and the ground line 37 are arranged in parallel to each other. In this cell structure, the magnetization information of all the MISFETs 31 connected to the selected bit line 35 can be simultaneously erased and rewritten.

書き換え動作では、選択したビット線35とこれに接続されたMISFET31に接続している接地線37にバイアスを印加し、このビット線35と接地線37とにつながる全てのMISFET31のチャネルを、強磁性から常磁性(または保磁力が十分に小さくなる状態)に変化させる。次に、これらのMISFET31のゲートに接続されるそれぞれのワード線33に、書き換え内容に応じた向きの電流を流し、常磁性状態のチャネルの磁化方向を変化させる。最後に、ビット線35と接地線37のバイアスを切ることによってそれぞれのMISFET31のチャネルを強磁性に戻して情報を書き換える。本実施の形態によるメモリセルでは、それぞれのメモリセルの書き換えに必要な電流が小さいことを利用して多数のワード線に同時に書き換え電流を流すことで、1本のビット線に接続される多数のMISFETの磁化情報を同時に書き換えることが可能である。従って、書き換えの高速化が可能である。上記のセル構成においても、ワード線とビット線とを直交して配置してあるため、選択セルに通常のトランジスタのバイアスを印加すれば、磁化状態に対応したドレイン電流に基づいて選択セルの磁化状態を検出すことができる。また、図5に示すセル構成でも、プリチャージによる読み出しが可能である。   In the rewriting operation, a bias is applied to the selected bit line 35 and the ground line 37 connected to the MISFET 31 connected thereto, and the channels of all the MISFETs 31 connected to the bit line 35 and the ground line 37 are made ferromagnetic. To paramagnetism (or a state in which the coercive force is sufficiently small). Next, a current in a direction corresponding to the rewrite content is supplied to each word line 33 connected to the gates of these MISFETs 31 to change the magnetization direction of the paramagnetic channel. Finally, by turning off the bias of the bit line 35 and the ground line 37, the channels of the respective MISFETs 31 are returned to ferromagnetic and information is rewritten. In the memory cell according to the present embodiment, by using the small current required for rewriting each memory cell, a rewrite current is simultaneously applied to a large number of word lines. It is possible to rewrite the magnetization information of the MISFET at the same time. Therefore, the rewriting speed can be increased. In the above cell configuration, since the word line and the bit line are arranged orthogonally, if a normal transistor bias is applied to the selected cell, the magnetization of the selected cell is based on the drain current corresponding to the magnetization state. The state can be detected. In addition, even with the cell configuration shown in FIG. 5, reading by precharge is possible.

次に、本発明の第3の実施の形態によるメモリセルについて図面を参照しつつ説明を行う。図6は、本実施の形態によるメモリセル構造であって、ヨーク構造を用いたゲート電極とワード線との複合構造を示す図である。図6はMISFETの断面をソース側から見た図である。図6に示すように、本実施の形態によるメモリセル構造は、チャネル領域41と、ゲート酸化膜43と、ゲート電極45と、ワード線47と、を有する積層構造体と、この積層構造体のうち少なくともワード線47と、ゲート45と、を外側から覆うヨーク51とを有している。   Next, a memory cell according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 shows a memory cell structure according to the present embodiment, which is a composite structure of a gate electrode and a word line using a yoke structure. FIG. 6 is a cross-sectional view of the MISFET as viewed from the source side. As shown in FIG. 6, the memory cell structure according to the present embodiment includes a stacked structure having a channel region 41, a gate oxide film 43, a gate electrode 45, and a word line 47, and a stacked structure of the stacked structure. Among them, a yoke 51 that covers at least the word line 47 and the gate 45 from the outside is provided.

ヨーク51は高透磁率の材料で構成する。図6に示す構造を用いれば、ワード線47の電流による磁場を有効に強磁性チャネル41に印加することができる。よって、書き込み電流のより一層の低減が可能となる。尚、図6に示す構造は、図3および図5に示すセル構成に応用することができる。   The yoke 51 is made of a material having high magnetic permeability. If the structure shown in FIG. 6 is used, the magnetic field by the current of the word line 47 can be effectively applied to the ferromagnetic channel 41. Therefore, the write current can be further reduced. The structure shown in FIG. 6 can be applied to the cell configuration shown in FIGS.

以上、本発明の実施の形態に沿って説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう   As mentioned above, although it demonstrated along embodiment of this invention, this invention is not restrict | limited to these. It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, and combinations are possible.

本発明は、不揮発性メモリ装置において、高集積化と低消費電力化が可能であり、種々の電子機器、特に携帯用電子機器用の不揮発性メモリ装置として応用が可能である。   The present invention can achieve high integration and low power consumption in a nonvolatile memory device, and can be applied as a nonvolatile memory device for various electronic devices, particularly portable electronic devices.

図1(a)は、本発明の第1の実施の形態によるMISFETであって、強磁性半導体からなるチャネル領域と強磁性体からなるソースを用いたMISFETの断面構造図である。図1(b)は、nチャネル型デバイスのチャネル領域近傍におけるバンド構造を示す図である。FIG. 1A is a cross-sectional structure diagram of a MISFET according to the first embodiment of the present invention, which uses a channel region made of a ferromagnetic semiconductor and a source made of a ferromagnetic material. FIG. 1B is a diagram showing a band structure in the vicinity of the channel region of the n-channel device. 図2(a)から(c)までは、本実施の形態によるMISFETの動作原理を示すエネルギーバンド図である。FIGS. 2A to 2C are energy band diagrams showing the operation principle of the MISFET according to the present embodiment. 本発明の実施の形態による不揮発性メモリのセル構成を示す図である。It is a figure which shows the cell structure of the non-volatile memory by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態による不揮発性メモリの書き換え動作の例を磁化曲線上に示した図である。It is the figure which showed on the magnetization curve the example of rewriting operation | movement of the non-volatile memory by embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態による不揮発性メモリのセル構成を示す図である。It is a figure which shows the cell structure of the non-volatile memory by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態によるメモリセル構造であって、ヨーク構造を用いたゲート電極とワード線との複合構造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a composite structure of a gate electrode and a word line using a yoke structure, which is a memory cell structure according to a third embodiment of the present invention. 一般的なMRAMのメモリセルの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the memory cell of a general MRAM.

符号の説明Explanation of symbols

1…MISFET、5…強磁性半導体、7a…ソース、7b…ドレイン、11…ゲート絶縁膜、15…ゲート電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MISFET, 5 ... Ferromagnetic semiconductor, 7a ... Source, 7b ... Drain, 11 ... Gate insulating film, 15 ... Gate electrode.

Claims (42)

強磁性体からなりキャリアを注入するソース及び強磁性体からなり前記キャリアを受けるドレイン又はいずれか一方が強磁性体からなる前記ソース及び前記ドレインと、
前記ソースと前記ドレインとの間に設けられ、前記ソース及び前記ドレインとのそれぞれの接合界面においてショットキー障壁を有するショットキー接合を形成する強磁性半導体層と、
前記強磁性半導体層に対して形成されるゲート電極と
を有するトランジスタ。
A source made of a ferromagnetic material and injecting carriers and a drain made of a ferromagnetic material and receiving the carrier, or the source and the drain made of either ferromagnetic material, and
A ferromagnetic semiconductor layer provided between the source and the drain and forming a Schottky junction having a Schottky barrier at each junction interface between the source and the drain;
A transistor having a gate electrode formed with respect to the ferromagnetic semiconductor layer;
前記強磁性半導体層は半導体に磁性元素を添加した強磁性半導体により形成されることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。   2. The transistor according to claim 1, wherein the ferromagnetic semiconductor layer is formed of a ferromagnetic semiconductor obtained by adding a magnetic element to a semiconductor. 強磁性体からなる前記ソース又は強磁性体からなる前記ドレインは、強磁性金属又は強磁性半導体又はハーフメタル強磁性体のいずれかを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のトランジスタ。   3. The transistor according to claim 1, wherein the source made of a ferromagnetic material or the drain made of a ferromagnetic material contains one of a ferromagnetic metal, a ferromagnetic semiconductor, and a half-metal ferromagnetic material. 前記ソース又は前記ドレインに用いる強磁性半導体は、半導体に磁性元素を添加した強磁性半導体であることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   4. The transistor according to claim 1, wherein the ferromagnetic semiconductor used for the source or the drain is a ferromagnetic semiconductor in which a magnetic element is added to a semiconductor. 5. 強磁性体からなる前記ソース又は強磁性体からなる前記ドレインが強磁性半導体の場合において、強磁性半導体からなる該ソース又は強磁性半導体からなる該ドレインと前記強磁性半導体層との前記接合界面にバンド不連続による擬似的なショットキー接合を形成することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When the source made of a ferromagnetic material or the drain made of a ferromagnetic material is a ferromagnetic semiconductor, the source made of a ferromagnetic semiconductor or the drain made of a ferromagnetic semiconductor and the junction interface between the ferromagnetic semiconductor layer 5. The transistor according to claim 1, wherein a pseudo Schottky junction is formed by band discontinuity. 強磁性体からなる前記ソース又は強磁性体からなる前記ドレインがハーフメタル強磁性体の場合において、前記ハーフメタル強磁性体の金属的なスピンバンドが前記接合界面においてショットキー接合を形成することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   In the case where the source made of a ferromagnetic material or the drain made of a ferromagnetic material is a half-metal ferromagnet, a metallic spin band of the half-metal ferromagnet forms a Schottky junction at the junction interface. 5. The transistor according to claim 1, wherein the transistor is characterized in that: 前記ソース及び前記ドレインのうち一方のみが強磁性体である場合に、非磁性体である前記ソース又は前記ドレインと前記強磁性半導体層との接合界面には、ショットキー接合が形成されていることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When only one of the source and the drain is a ferromagnetic material, a Schottky junction is formed at the junction interface between the source or the drain that is a non-magnetic material and the ferromagnetic semiconductor layer. 7. The transistor according to any one of claims 1 to 6, wherein: 前記強磁性半導体層と前記ソース及び前記ドレインとの接合界面に半導体層を有することを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   8. The transistor according to claim 1, further comprising a semiconductor layer at a junction interface between the ferromagnetic semiconductor layer and the source and drain. 前記接合界面の半導体層は、不純物の添加された半導体層又は真性半導体層により形成されることを特徴とする請求項8に記載のトランジスタ。   9. The transistor according to claim 8, wherein the semiconductor layer at the junction interface is formed of a semiconductor layer to which an impurity is added or an intrinsic semiconductor layer. 前記ゲート電極と前記強磁性半導体層との間に絶縁体層が設けられていることを特徴とする請求項1から9までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   The transistor according to claim 1, wherein an insulator layer is provided between the gate electrode and the ferromagnetic semiconductor layer. 前記絶縁体層は、前記強磁性半導体層の表面を酸化にすることより形成された表面酸化層を含むことを特徴とする請求項10に記載のトランジスタ。   The transistor according to claim 10, wherein the insulator layer includes a surface oxide layer formed by oxidizing the surface of the ferromagnetic semiconductor layer. 前記絶縁体層は、前記強磁性半導体層上に成長又は堆積された絶縁体層であることを特徴とする請求項11に記載のトランジスタ。   The transistor according to claim 11, wherein the insulator layer is an insulator layer grown or deposited on the ferromagnetic semiconductor layer. 半導体基板又はSOI(Silicon on Insulator)基板上に形成されていることを特徴とする請求項1から12までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   13. The transistor according to claim 1, wherein the transistor is formed on a semiconductor substrate or an SOI (Silicon on Insulator) substrate. 強磁性体からなる前記ソース又は強磁性体からなる前記ドレインは、前記強磁性半導体層或いは半導体層又は半導体基板への成長又は堆積或いは又は前記半導体層又は半導体基板への磁性元素の導入により形成されることを特徴とする請求項1から13までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   The source made of a ferromagnetic material or the drain made of a ferromagnetic material is formed by growth or deposition on the ferromagnetic semiconductor layer or semiconductor layer or semiconductor substrate, or introduction of a magnetic element into the semiconductor layer or semiconductor substrate. The transistor according to claim 1, wherein the transistor is a transistor. 前記強磁性半導体層は、半導体層上への成長又は堆積、或いは、半導体層への磁性元素の導入によって形成されることを特徴とする請求項1から14までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   15. The transistor according to claim 1, wherein the ferromagnetic semiconductor layer is formed by growth or deposition on the semiconductor layer or introduction of a magnetic element into the semiconductor layer. . 前記ソース又は前記ドレインが強磁性体の場合、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレインの磁化の方向を反転させることによって、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレインと、前記強磁性半導体層との相対的な磁化の向きを同方向(以下、「平行磁化」と称する。)又は反対方向(以下、「反平行磁化」と称する。)に制御できることを特徴とする請求項1から15までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When the source or the drain is a ferromagnet, the source or the ferromagnet is a ferromagnet by reversing the magnetization direction of the source or the ferromagnet that is a ferromagnet. The relative magnetization direction of the drain and the ferromagnetic semiconductor layer can be controlled in the same direction (hereinafter referred to as “parallel magnetization”) or in the opposite direction (hereinafter referred to as “anti-parallel magnetization”). 16. A transistor according to any one of the preceding claims, characterized in that it is a transistor. 前記ソース又は前記ドレインが強磁性体の場合、前記強磁性半導体層の磁化の方向を反転させることによって、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレインに対して、前記強磁性半導体層との相対的な磁化の向きを平行磁化又は反平行磁化に制御できることを特徴とする請求項1から15までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When the source or the drain is a ferromagnetic material, the ferromagnetic semiconductor layer is reversed with respect to the source that is a ferromagnetic material or the drain that is a ferromagnetic material by reversing the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer. The transistor according to claim 1, wherein the direction of magnetization relative to the layer can be controlled to parallel magnetization or antiparallel magnetization. 前記ソース及び前記ドレインが強磁性体の場合に、前記ソースと前記ドレインの磁化の向き又は強磁性半導体層の磁化の向きのうちのいずれかを固定し、固定していない方の磁化を反転させることにより、固定している方との磁化の向きを平行磁化又は反平行磁化に制御できることを特徴とする請求項1から15までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When the source and the drain are ferromagnetic materials, either the magnetization direction of the source and the drain or the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer is fixed, and the magnetization of the non-fixed one is reversed. The transistor according to claim 1, wherein the direction of magnetization with respect to the fixed side can be controlled to parallel magnetization or antiparallel magnetization. 前記キャリアが電子の場合では、前記ショットキー障壁は伝導バンド側に生じ、前記キャリアが正孔の場合では前記ショットキー障壁は価電子バンド側に生じることを特徴とする請求項1から16までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   The Schottky barrier is generated on a conduction band side when the carrier is an electron, and the Schottky barrier is generated on a valence band side when the carrier is a hole. The transistor according to any one of the above items. 前記ゲート電極と前記ソースとの間に電圧を印加しない状態において、前記ショットキー障壁によって前記ソースから前記強磁性半導体層へのトンネルによるキャリアの注入が抑制されることを特徴とする請求項1から19までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   The carrier injection by the tunnel from the source to the ferromagnetic semiconductor layer is suppressed by the Schottky barrier in a state where no voltage is applied between the gate electrode and the source. 20. The transistor according to any one of up to 19. 前記ゲート電極と前記ソースとの間に電圧を印加することより、前記キャリアは、前記ソースと前記強磁性半導体層との接合における前記ショットキー障壁をトンネルすることにより前記強磁性半導体層へ到達することを特徴とする請求項1から19までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   By applying a voltage between the gate electrode and the source, the carriers reach the ferromagnetic semiconductor layer by tunneling the Schottky barrier at the junction of the source and the ferromagnetic semiconductor layer. 20. The transistor according to any one of claims 1 to 19, characterized in that: 前記ドレインが強磁性体である場合において、強磁性体である前記ドレインと前記強磁性半導体層との相対的な磁化状態が平行磁化である場合に対して、強磁性体である前記ドレインと前記強磁性半導体層との相対的な磁化の向きが反平行磁化である場合には、ドレイン電流が小さくなることを特徴とする請求項1から21までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   In the case where the drain is a ferromagnetic material, the drain that is a ferromagnetic material and the ferromagnetic semiconductor layer have a relative magnetization state of parallel magnetization, whereas the drain that is a ferromagnetic material and the drain The transistor according to any one of claims 1 to 21, wherein the drain current is small when the direction of magnetization relative to the ferromagnetic semiconductor layer is antiparallel magnetization. 前記ソースが強磁性体である場合において、強磁性体である前記ソースと前記強磁性半導体層との相対的な磁化状態が平行磁化である場合に対して、強磁性体である前記ソースと前記強磁性半導体層との相対的な磁化の向きが反平行磁化である場合には、ドレイン電流が小さくなることを特徴とする請求項1から21までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   When the source is a ferromagnetic material, the source that is a ferromagnetic material and the ferromagnetic semiconductor layer have a relative magnetization state of parallel magnetization, and the source that is a ferromagnetic material and the source The transistor according to any one of claims 1 to 21, wherein the drain current is small when the direction of magnetization relative to the ferromagnetic semiconductor layer is antiparallel magnetization. 同一バイアス下において、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレイン或いは強磁性体である前記ソース及び強磁性体である前記ドレインと、前記強磁性半導体層と、の相対的な磁化の向きにより伝達コンダクタンスを制御できることを特徴とする請求項1から23までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   Relative magnetization of the ferromagnetic semiconductor layer and the source of ferromagnetic material or the drain of ferromagnetic material or the source of ferromagnetic material and the drain of ferromagnetic material under the same bias. The transistor according to any one of claims 1 to 23, wherein the transfer conductance can be controlled by the orientation of the transistor. 強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレイン或いは強磁性体である前記ソース及び強磁性である前記ドレインと、前記強磁性半導体層とが平行磁化を持つ場合に、前記ゲート電極に対して印加する電圧により前記ソースと前記ドレインとの間に定められたある電流を生じさせるゲート電圧として定義されるしきい値を有することを特徴とする請求項1から24までのいずれか1項に記載のトランジスタ。   In the case where the source that is a ferromagnetic material, the drain that is a ferromagnetic material, or the source that is a ferromagnetic material and the drain that is ferromagnetic, and the ferromagnetic semiconductor layer have parallel magnetization, the gate electrode 25. A threshold defined as a gate voltage that produces a certain current defined between said source and said drain by a voltage applied to said source and said drain. The transistor described in 1. 請求項1から25までのいずれか1項に記載の1つのトランジスタを用いて、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレイン或いは強磁性体である前記ソース及び強磁性体である前記ドレインと前記強磁性半導体層との相対的な磁化の方向によって情報を記憶し、強磁性体である前記ソース又は強磁性体である前記ドレイン或いは強磁性体である前記ソース及び強磁性体である前記ドレインと前記強磁性半導体層との相対的な磁化の方向に依存するトランジスタの伝達コンダクタンスに基づいて前記トランジスタ内に記憶された情報を検出することを特徴とするトランジスタ。   The one transistor according to any one of claims 1 to 25, wherein the source is a ferromagnetic material, the drain is a ferromagnetic material, or the source is a ferromagnetic material and the ferromagnetic material. Information is stored according to the direction of relative magnetization between the drain and the ferromagnetic semiconductor layer, and the source that is a ferromagnet or the drain that is a ferromagnet or the source that is a ferromagnet or the ferromagnet A transistor that detects information stored in a transistor based on a transfer conductance of the transistor depending on a relative magnetization direction of the drain and the ferromagnetic semiconductor layer. 前記強磁性半導体層に対して、前記ソース及び前記ドレインとに前記強磁性半導体層が常磁性状態又は保磁力が十分小さい強磁性状態になるようにバイアスを印加して、前記強磁性半導体層に対して磁場を印加することにより常磁性状態となった前記強磁性半導体層の磁化方向を変化させた後に磁場を印加したままの状態で前記ソースと前記ドレインの前記バイアスの印加を切るか又は前記強磁性半導体層を強磁性状態に戻す程度の電圧を印加することにより前記強磁性半導体層を保磁力の大きな強磁性状態にすることによって情報を書き換えることを特徴とする請求項26に記載のトランジスタ。   A bias is applied to the ferromagnetic semiconductor layer so that the ferromagnetic semiconductor layer is in a paramagnetic state or a ferromagnetic state having a sufficiently small coercive force to the source and the drain. On the other hand, after changing the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer that has become paramagnetic by applying a magnetic field, the bias of the source and the drain is turned off while the magnetic field is still applied, or 27. The information is rewritten by applying a voltage sufficient to return the ferromagnetic semiconductor layer to a ferromagnetic state, thereby bringing the ferromagnetic semiconductor layer into a ferromagnetic state having a large coercive force. Transistor. 請求項1から27までのいずれか1項に記載の1つのトランジスタと、
前記ゲート電極と接続する第1の配線と、
前記ドレインと接続する第2の配線と、
前記ソースを接地する第3の配線と
を有する記憶素子。
One transistor according to any one of claims 1 to 27;
A first wiring connected to the gate electrode;
A second wiring connected to the drain;
And a third wiring for grounding the source.
前記第2の配線と前記第3の配線とに、前記強磁性半導体層が保持力の大きな強磁性状態から常磁性状態又は保磁力の十分に小さい強磁性状態のいずれかである第1の状態になる程度の第1の電圧を印加し、前記第1の状態において前記強磁性半導体層の磁化方向を変化できる程度の磁場を誘起する電流を前記第1の配線に流し、前記第1の電圧を切るか又は前記強磁性半導体層を強磁性に戻す程度の第2の電圧にすることにより前記強磁性半導体層を保持力の大きな強磁性状態にすることによって情報を書き換える情報書き換え手段を有することを特徴とする請求項28に記載の記憶素子。   The first state in which the ferromagnetic semiconductor layer is in either the paramagnetic state or the ferromagnetic state having a sufficiently small coercive force in the second wiring and the third wiring. Is applied to the first wiring to cause a magnetic field that can change the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer in the first state. Or having information rewriting means for rewriting information by setting the ferromagnetic semiconductor layer to a ferromagnetic state having a large coercive force by turning the ferromagnetic semiconductor layer to a second voltage enough to return the ferromagnetic semiconductor layer to ferromagnetism. The memory element according to claim 28. 前記第3の配線を基準として、前記第2の配線と、前記第1の配線と、に対して、それぞれ所定の電圧を印加した場合の、前記第2の配線と前記第3の配線との間に流れる電流の大きさに基づき、情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項28に記載の記憶素子。   With respect to the third wiring, the second wiring and the third wiring when a predetermined voltage is applied to the second wiring and the first wiring, respectively. 29. The memory element according to claim 28, wherein information is read based on a magnitude of a current flowing therebetween. 請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
複数の前記トランジスタのうちから選択される第1群のトランジスタのソースを共通に接地する接地線と、
前記第1群のトランジスタのゲートを共通に接続するワード線と、
前記第1群のトランジスタのドレインと個別に接続されるとともに、前記第1群に属さないトランジスタを含む第2群のトランジスタのドレインを共通に接続するビット線と、
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27;
A ground line commonly grounding sources of a first group of transistors selected from the plurality of transistors;
A word line commonly connecting the gates of the first group of transistors;
A bit line that is individually connected to the drains of the first group of transistors and that commonly connects the drains of the second group of transistors including transistors that do not belong to the first group;
A memory circuit.
請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
一方向に延在する複数の前記トランジスタからなるトランジスタ列に属するトランジスタのソースを共通に接地する接地線と、
前記トランジスタ列に属するトランジスタのゲートを共通に接続するワード線と、
前記トランジスタ列のドレインを個別に接続する複数のビット線と
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27;
A ground line for commonly grounding the sources of the transistors belonging to the transistor row composed of the plurality of transistors extending in one direction;
A word line commonly connecting the gates of the transistors belonging to the transistor row;
And a plurality of bit lines individually connecting the drains of the transistor rows.
マトリックス状に配置された請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
列方向に並ぶ複数の前記トランジスタのそれぞれのソースを共通に接続する複数本の接地線と、
列方向に並ぶ複数の前記トランジスタのそれぞれのゲート電極を共通に接続する複数本のワード線と、
行方向に並ぶ前記トランジスタのそれぞれのドレインを共通に接続する複数本のビット線と
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27 arranged in a matrix,
A plurality of ground lines commonly connecting the sources of the plurality of transistors arranged in a column direction;
A plurality of word lines commonly connecting gate electrodes of the plurality of transistors arranged in a column direction;
A memory circuit having a plurality of bit lines commonly connecting drains of the transistors arranged in a row direction.
前記ビット線と前記接地線とに、前記強磁性半導体層中が保持力の大きな強磁性状態から常磁性状態又は保磁力の十分に小さい強磁性状態のいずれかである第1の状態になる程度の第1の電圧を印加し、前記第1の状態において前記強磁性半導体層の磁化方向を変化できる程度の磁場を誘起する電流を前記前記ワード線に流し、前記第1の電圧を切るか、又は、前記強磁性半導体層を強磁性に戻す程度の第2の電圧にすることにより前記強磁性半導体層を保持力の大きな強磁性状態にすることによって前記ワード線と前記ビット線とにより選択される選択トランジスタの情報を書き換える情報書き換え手段を有することを特徴とする請求項31から33までのいずれか1項に記載の記憶回路。   The degree to which the bit line and the ground line are changed from a ferromagnetic state having a large coercive force to a paramagnetic state or a ferromagnetic state having a sufficiently small coercive force in the ferromagnetic semiconductor layer. A current that induces a magnetic field that can change the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer in the first state is passed through the word line, and the first voltage is turned off, Alternatively, the word line and the bit line are selected by setting the ferromagnetic semiconductor layer to a ferromagnetic state having a large coercive force by setting the ferromagnetic semiconductor layer to a second voltage that returns the ferromagnetic semiconductor layer to a ferromagnetic state. 34. The memory circuit according to claim 31, further comprising information rewriting means for rewriting information of the selection transistor. 前記接地用配線線を基準として、前記ビット線と、前記ワード線と、に対して、それぞれ所定の電圧を印加した場合の、前記ビット線と前記接地用配線との間に流れる電流の大きさに基づき、前記ワード線と前記ビット線とにより選択される選択トランジスタの情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項31から33までのいずれか1項に記載の記憶回路。   Magnitude of current flowing between the bit line and the ground wiring when a predetermined voltage is applied to the bit line and the word line with respect to the ground wiring line, respectively. 34. The memory circuit according to claim 31, wherein information on a selection transistor selected by the word line and the bit line is read based on the data. 請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
複数の前記トランジスタのうちから選択される第1群のトランジスタのソースを共通に接地する接地線と、
前記第1群のトランジスタのドレインを共通に接続するビット線と、
前記第1群のトランジスタのゲートと個別に接続されるとともに、前記第1群に属さないトランジスタを含む第2群のトランジスタのゲートを共通に接続するワード線と、
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27;
A ground line commonly grounding sources of a first group of transistors selected from the plurality of transistors;
A bit line commonly connecting drains of the first group of transistors;
A word line that is individually connected to the gates of the first group of transistors and that commonly connects the gates of the second group of transistors including transistors that do not belong to the first group;
A memory circuit.
請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
一方向に延在する複数の前記トランジスタからなるトランジスタ行に属するトランジスタのソースを共通に接地する接地線と、
前記トランジスタ行に属するトランジスタのドレインを共通に接続するビット線と、
前記トランジスタ行のゲートと個別に接続される複数のワード線と
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27;
A ground line for commonly grounding the sources of the transistors belonging to the transistor row composed of the plurality of transistors extending in one direction;
Bit lines commonly connecting drains of transistors belonging to the transistor rows;
A memory circuit having a plurality of word lines individually connected to the gates of the transistor rows.
マトリックス状に配置された請求項1から27までのいずれか1項に記載の複数のトランジスタと、
行方向に並ぶ複数の前記トランジスタのそれぞれのソースを共通に接続する接地用の複数本の接地線と、
列方向に並ぶ複数の前記トランジスタのそれぞれのゲート電極を共通に接続する複数本のワード線と、
行方向に並ぶ前記トランジスタのそれぞれのドレインを共通に接続する複数本のビット線と
を有する記憶回路。
A plurality of transistors according to any one of claims 1 to 27 arranged in a matrix,
A plurality of grounding wires for commonly connecting the sources of the plurality of transistors arranged in a row direction;
A plurality of word lines commonly connecting gate electrodes of the plurality of transistors arranged in a column direction;
A memory circuit having a plurality of bit lines commonly connecting drains of the transistors arranged in a row direction.
前記ビット線と前記接地線とに、前記強磁性半導体層中が保持力の大きな強磁性状態から常磁性状態又は保磁力の十分に小さい強磁性状態のいずれかである第1の状態になる程度の第1の電圧を印加し、前記第1の状態において前記強磁性半導体層の磁化方向を変化できる程度の磁場を誘起する電流を前記前記ワード線に流し、前記第1の電圧を切るか、又は前記チャネルを強磁性に戻す程度の第2の電圧にすることにより前記強磁性半導体層を保持力の大きな強磁性状態にすることによって、前記ビット線と前記接地線とに接続されるトランジスタ群の情報を一括して書き換える情報書き換え手段を有することを特徴とする請求項36から38までのいずれか1項に記載の記憶回路。   The degree to which the bit line and the ground line are changed from a ferromagnetic state having a large coercive force to a paramagnetic state or a ferromagnetic state having a sufficiently small coercive force in the ferromagnetic semiconductor layer. A current that induces a magnetic field that can change the magnetization direction of the ferromagnetic semiconductor layer in the first state is passed through the word line, and the first voltage is turned off, Or a transistor group connected to the bit line and the ground line by setting the ferromagnetic semiconductor layer to a ferromagnetic state having a large coercive force by setting the second voltage to a level that returns the channel to ferromagnetic. The memory circuit according to any one of claims 36 to 38, further comprising information rewriting means for rewriting the information at once. 前記接地線を基準として、前記ビット線と、前記ワード線と、に対して、それぞれ所定の電圧を印加した場合の、前記ビット線と前記接地線との間に流れる電流の大きさに基づき、前記ワード線と前記ビット線とにより選択される選択トランジスタの情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項36から38までのいずれか1項に記載の記憶回路。   Based on the magnitude of current flowing between the bit line and the ground line when a predetermined voltage is applied to the bit line and the word line with respect to the ground line, The memory circuit according to any one of claims 36 to 38, wherein information of a selection transistor selected by the word line and the bit line is read. 請求項27から40までのいずれか1項に記載の記憶素子又は記憶回路において、前記ワード線又は前記第1の配線の外周を囲むヨークを備えることを特徴とする記憶素子又は記憶回路。   41. The memory element or memory circuit according to claim 27, further comprising a yoke surrounding an outer periphery of the word line or the first wiring. さらに、前記トランジスタ上又はその近傍で電気的に絶縁された状態で前記トランジスタに対して磁場を印加する別配線を有することを特徴とする請求項27から41までのいずれか1項に記載の記憶素子又は記憶回路。   The memory according to any one of claims 27 to 41, further comprising another wiring that applies a magnetic field to the transistor while being electrically insulated on or near the transistor. Element or memory circuit.
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