JP2010147409A - Semiconductor device with field effect type transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電界効果型トランジスタを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a field effect transistor.
高周波移動体通信の目覚しい普及に代表されるように、超高速高機能半導体装置の実現により社会生活の情報化が著しく進行している。これに伴い、これらの半導体装置に用いられる個々の半導体素子の高速化、微細化、大規模集積化、ワンチップ化に対する要求は時を追って増大している。 As represented by the remarkable spread of high-frequency mobile communications, the realization of ultra-high-speed and high-performance semiconductor devices has significantly promoted information on social life. Along with this, demands for speeding up, miniaturization, large-scale integration, and one-chip integration of individual semiconductor elements used in these semiconductor devices are increasing over time.
しかし、これらの半導体素子の主要な構成要素であるMOSFETの微細化、高速化、を考えた場合、これには様々な困難が伴う。例えば、MOSFETのチャネル長(即ちゲート電極の長さ)の縮小に伴い、しきい値電圧が下降する(短チャネル効果)。そして、半導体装置の設計時に意図したしきい値電圧と異なった素子が形成されると、設計の意図とは異なる素子動作を引き起こし装置全体の機能を損なう。 However, when considering miniaturization and speeding up of MOSFETs, which are the main components of these semiconductor elements, various difficulties are associated with this. For example, as the channel length of the MOSFET (ie, the length of the gate electrode) decreases, the threshold voltage decreases (short channel effect). If an element different from the threshold voltage intended at the time of designing the semiconductor device is formed, an element operation different from the design intention is caused to impair the function of the entire device.
この様な短チャネル効果は、MOSFETの微細化に相応して(即ち、スケーリング則に基づいて)、ゲート絶縁膜を薄膜化することで抑制することができる。すなわち、ゲート絶縁膜の薄膜化によってゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力が増大し、微細化した場合でも、しきい値電圧が変動することを回避できるのである。 Such a short channel effect can be suppressed by reducing the thickness of the gate insulating film in accordance with the miniaturization of the MOSFET (that is, based on the scaling law). That is to say, the gate insulating film is made thinner, so that the electrostatic dominance of the gate voltage on the channel region is increased, and even if the gate voltage is miniaturized, the threshold voltage can be prevented from fluctuating.
しかしながら、ゲート絶縁膜として、従来利用されているシリコン酸化膜を用いたまま、このような薄膜化を図った場合、直接トンネルリーク電流が増大し、絶縁性が著しく低下する。このため、シリコン酸化膜を用いた場合、ゲート絶縁膜の膜厚を2.0nm以下に薄膜化することはできないという困難が生じる。 However, when such a thin film is used while a conventionally used silicon oxide film is used as the gate insulating film, the tunnel leakage current directly increases and the insulating property is remarkably lowered. For this reason, when a silicon oxide film is used, the difficulty that the film thickness of a gate insulating film cannot be thinned to 2.0 nm or less arises.
このような困難に対処するため、近年、ZrO2やHfO2といった、シリコン酸化膜より誘電率が高い、いわゆる「高誘電体のゲート絶縁膜」の開発が精力的に行われている。誘電率が高ければ、同じ物理的膜厚でも、低誘電率の絶縁膜よりも、ゲート電圧の静電的支配力をチャネル領域へ伝達しやすいからである。 In order to cope with such difficulties, in recent years, so-called “high dielectric gate insulating films”, such as ZrO 2 and HfO 2 , which have a higher dielectric constant than silicon oxide films, have been vigorously developed. This is because if the dielectric constant is high, it is easier to transmit the electrostatic dominant force of the gate voltage to the channel region than the insulating film having a low dielectric constant even with the same physical film thickness.
しかしながら、物質の誘電率は、仮想的電子/正孔対の生成を含む物質中の電気分極の容易さに依存しており、誘電率を高くすると、物質の禁制帯幅(バンドギャップ)が減少し、絶縁性が著しく劣化してしまうという物性物理学的な根本的困難が存在する(例えば、非特許文献1参照)。バンドギャップが縮小すれば、当然、その物質の絶縁性は劣化する。実際、誘電率が実効的に無限大の物質は、金属と呼ばれるが、金属にはバンドギャップは存在せず、良好な導電体であることは周知の事実である。 However, the dielectric constant of a material depends on the ease of electrical polarization in the material, including the generation of virtual electron / hole pairs, and increasing the dielectric constant reduces the forbidden bandwidth (band gap) of the material. However, there is a fundamental physical and physical difficulty that the insulating property is significantly deteriorated (see, for example, Non-Patent Document 1). If the band gap is reduced, naturally, the insulating properties of the material deteriorate. In fact, a substance having an effectively infinite dielectric constant is called a metal, but it is a well-known fact that a metal has no band gap and is a good conductor.
このような、誘電率の増加に伴う不可避的な絶縁性の劣化に対処するためには、高誘電体のゲート絶縁膜の膜厚を増やさざるを得ない。しかしながら、膜厚を増やせば、当然、ゲート電圧の静電的支配力を弱めてしまう。したがって、誘電率を増加させることで、ゲート電圧の静電的支配力の増大を図ろうとしても、絶縁性を確保するためにはこの膜厚を増加させることが必要となる。この結果、結局ゲート電圧の静電的支配力の十分な向上が達成できないという事態に直面する。 In order to cope with such inevitable deterioration of the insulating property due to an increase in the dielectric constant, the film thickness of the high dielectric gate insulating film must be increased. However, increasing the film thickness naturally reduces the electrostatic dominance of the gate voltage. Therefore, even if an attempt is made to increase the electrostatic control power of the gate voltage by increasing the dielectric constant, it is necessary to increase the film thickness in order to ensure insulation. As a result, we are faced with a situation where a sufficient improvement in the electrostatic control of the gate voltage cannot be achieved.
他方、ゲート絶縁膜の薄膜化によってゲート電圧の静電的支配力の増大を図る上では、ゲート電極そのものの材質も考慮しなければならなくなる。ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲート絶縁膜に発生する電場は当然増大する。この時、ゲート電極を、従来利用されているように導電性不純物を導入したポリシリコンで形成すると、ゲート電極中にも空乏層が形成されてしまう。この空乏層は、実質的に、追加的なゲート絶縁膜として作用してしまうので、やはり、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力の十分な向上が達成できないことになる。したがって、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲート電極には金属性の物質を利用することが必須となる。
以上詳しく説明した通り、素子の微細化に伴い、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を増大させることが必要になる。しかし、高誘電体ゲート絶縁膜によってこれを達成しようとしても、良好な絶縁性を確保しつつ、且つ、誘電率を増加させることが困難である。 As described above in detail, it is necessary to increase the electrostatic dominance of the gate voltage on the channel region as the element is miniaturized. However, even if this is achieved by the high dielectric gate insulating film, it is difficult to increase the dielectric constant while ensuring good insulation.
また、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲート電極中に空乏層が形成されてしまうと、ゲート電極の静電的支配力の十分な向上が達成できないという不都合が生じる。 In addition, if a depletion layer is formed in the gate electrode as the gate insulating film becomes thinner, there is a disadvantage that sufficient improvement in the electrostatic control power of the gate electrode cannot be achieved.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることのできる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has a function of a gate insulating film having an extremely high dielectric constant while ensuring good insulation, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having the function of a gate electrode and capable of increasing the electrostatic control power of a gate voltage to a channel region as much as possible.
本発明の第1の態様による半導体装置は、第1導電型の第1半導体層に離間して設けられた第2導電型の第1ソース領域および第1ドレイン領域と、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間の前記第1半導体層に設けられる第1チャネル領域と、前記第1チャネル領域上に設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ゲート電極と、前記第1ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ソース電極と、を備え、前記第1ゲート電極の磁化の向きが、前記第1ソース電極の磁化の向きと略反平行であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a first source region and a first drain region of a second conductivity type provided separately from a first semiconductor layer of a first conductivity type, the first source region, A first channel region provided in the first semiconductor layer between the first drain region; a first gate electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided on the first channel region; and the first source region. A first source electrode of a half metal ferromagnetic metal provided so as to be connected to the first metal electrode, and a magnetization direction of the first gate electrode is substantially antiparallel to a magnetization direction of the first source electrode. It is characterized by.
また、本発明の第2の態様による半導体装置は、基板上に形成され、対向する一対の側面を有する第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層に形成され、前記一対の側面に平行でかつ前記基板の上面に平行な方向に互いに離間して設けられるとともに、それぞれが前記一対の側面の一部を含む第2導電型の第1ソース領域および第1ドレイン領域と、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間の前記第1半導体層に形成され、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域には含まれない前記一対の側面の一部を含む第1チャネル領域と、前記第1チャネル領域に含まれる前記一対の側面を覆うように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ゲート電極と、前記第1ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ソース電極と、を備え、前記第1ゲート電極の磁化の向きが、前記第1ソース電極の磁化の向きと略反平行であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device formed on a substrate and having a pair of opposing side surfaces, a first conductivity type first semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the pair of paired side surfaces. A first source region and a first drain region of a second conductivity type, which are provided parallel to the side surfaces and spaced apart from each other in a direction parallel to the upper surface of the substrate, each including a part of the pair of side surfaces; A first layer formed in the first semiconductor layer between the first source region and the first drain region and including a part of the pair of side surfaces not included in the first source region and the first drain region. A channel region, a first gate electrode of a half metal ferromagnetic metal provided so as to cover the pair of side surfaces included in the first channel region, and a half metal provided so as to be connected to the first source region Ferromagnetic And a first source electrode of the genus, the magnetization direction of the first gate electrode, characterized in that it is a parallel magnetization orientation and Ryakuhan of the first source electrode.
本発明によれば、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることのできる半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it has a function of a gate insulating film having a very high dielectric constant while ensuring good insulating properties, and a function of a metallic gate electrode in which a depletion layer is not formed. It is possible to provide a semiconductor device capable of increasing the electrostatic dominance over the channel region as much as possible.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による半導体装置を、図1乃至図8を参照して説明する。図1乃至図8は、本実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。本実施形態の半導体装置は、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成されたn型電界効果型トランジスタ構造を有しており、以下のように製造される。
(First embodiment)
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment has an n-type field effect transistor structure formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and is manufactured as follows.
まず、公知の技術を用いて形成したシリコン半導体基板10と、このシリコン半導体基板10上に形成されたシリコン酸化膜(埋め込み絶縁膜(BOX)ともいう)11と、およびこのシリコン酸化膜11上に形成された素子形成用の単結晶シリコンの半導体層(SOI層)12とからなるSOIウエハーを用意する。次いで、素子形成領域以外のSOI層12をリソグラフィ技術、RIE(Reactive Ion Etching)法などの公知の技術を用いて除去する(図1)。
First, a
次に、ゲート電極を形成すべき領域に、例えばリソグラフィ技術およびRIE法を用いて、例えば炭素からなるダミーゲート20を形成する(図2)。続いて、ダミーゲート20をマスクとして、例えばイオン注入法などの公知の技術を用いて、ダミーゲート20の両側のSOI層12にn型不純物を導入した後、熱処理を行って、n型不純物を活性化することで、ソース領域12aおよびドレイン領域12bを形成する(図2)。このとき、ダミーゲート20の直下のSOI層12がチャネル領域12cとなる。すなわち、チャネル領域12cはソース領域12aおよびドレイン領域12bに挟まれた構成となっている(図2)。
Next, a
なお、チャネル領域12cとなるSOI層12には、予め、ソース領域12a、ドレイン領域12bと逆の導電型のp型不純物を導入しておいてもよい。また、完全空乏型のトランジスタを形成する場合は、チャネル領域12cに特に導電性不純物を導入する必要はない。
Note that a p-type impurity having a conductivity type opposite to that of the
次に、ダミーゲート20の側面にゲート側壁22を形成する(図3)。このゲート側壁22は、例えばシリコン窒化膜或いはHfO2といった高誘電体絶縁膜を例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成し、この高誘電体絶縁膜を異方性エッチング、例えばRIE法、によりエッチングすることにより形成される。その後、ソース領域12a、ドレイン領域12b、ダミーゲート20、およびゲート側壁22を覆うように、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜30を例えばCVD法を用いて形成する(図3)。続いて、この層間絶縁膜30を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを用いて平坦化する。次いで、この層間絶縁膜30上に、例えばシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜32を形成する(図3)。
Next,
次に、図4に示すように、例えばリソグラフィ技術およびRIE法などを用いて、層間絶縁膜32、30を貫きソース領域12aおよびドレイン領域12bにそれぞれ至る開口40a,40bを形成する。その後、開口40a、40b内の層間絶縁膜30のみをHF蒸気などの等方性エッチングにより浸食する。これにより、開口40a、40bの上部に層間絶縁膜32が庇のように突き出すような構造となる。
Next, as shown in FIG. 4,
この様な構造にハーフメタル強磁性金属50を、例えば方向性スパッタ法を用いて堆積することにより、ソース領域12aおよびドレイン領域12b上にそれぞれハーフメタル強磁性金属からなるソース電極50aおよびドレイン電極50bを形成する。開口40a、40b内には層間絶縁膜32が庇のように突き出ているので、開口40a、40bの側面等に、ハーフメタル強磁性体金属が堆積することはない。
By depositing the half metal
なお、ソース電極50aおよびドレイン電極50bを形成するハーフメタル強磁性金属としては、例えば、Co40Fe40B20、Co2MnX(ここでXは、Ga、Si、Al、Ge、Sn、Sbなどの元素を表す)や、Co2(CrxFe1−x)Al(0≦x≦1)系、或いは、Co2FeAlxSi1−x(0≦x≦1)系のホイスラー合金、CaBi、CrまたはMnを例えば数原子%以上導入したSiC、KCrSe2、CrO2、CrAs、CrSb、Fe3O4、FexCo1−xS2(0≦x≦1)等を用いることができる。
As the half metal ferromagnetic metal forming the
次に、ソース領域12aおよびドレイン領域12bに至る開口40a、40bを、例えば、SOG(Spin on Glass、即ち、珪素化合物RnSi(OH)4−n、Rは有機分子及び添加材を表す)のようなシリコン酸化膜材料を含み流動性を示す物質を塗布形成することで、絶縁膜34で埋める。続いて、表層のハーフメタル強磁性金属50および層間絶縁膜32を例えばRIE法でエッチング除去する。その後、絶縁膜34の上面を、CMP法を用いて平坦化することにより、炭素からなるダミーゲート20の上面を露出させる(図5)。
Then, an
次に、炭素からなるダミーゲート20を、例えば、酸素プラズマに晒すことで選択的に除去する。すると、ダミーゲート20が除去された領域にゲート電極形成用の溝54が形成され、この溝54の底面にチャネル領域12cが露出する(図6)。
Next, the
次に、溝54に、ハーフメタル強磁性金属をスパッタ法、RIE法、CMP法などの技術を用いて埋め(ダマシンゲート形成法)、ハーフメタル強磁性金属からなるゲート電極60を形成する(図7)。このハーフメタル強磁性金属からなるゲート電極60は、チャネル領域12c上に絶縁膜を挟んで形成することなく、チャネル領域12c上に直接形成することが望ましい。
Next, a half metal ferromagnetic metal is filled in the
なお、ゲート電極60の材料となるハーフメタル強磁性金属としては、例えば、Co40Fe40B20、Co2MnX(ここでXはGa、Si、Al、Ge、Sn、Sbなどの元素を表す)や、Co2(CrxFe1−x)Al(0≦x≦1)系、或いは、Co2FeAlxSi1−x(0≦x≦1)系のホイスラー合金、CaBi、CrまたはMnを数原子%以上導入したSiC、KCrSe2、CrO2、CrAs、CrSb、Fe3O4、FexCo1−xS2(0≦x≦1)等を用いることができる。ソース電極50aおよびドレイン電極50bを形成するハーフメタル強磁性金属と必ずしも同一である必要はない。
In addition, as a half metal ferromagnetic metal used as the material of the
次に、図8に示すように、ソース電極50aおよびドレイン電極50bに向きが互いに略平行な磁化(略同じ向きの磁化)64a、64bを付与するとともに、ゲート電極60に、ソース電極50aおよびドレイン電極50bの磁化64a、64bと向きが互いに略反平行な磁化(略逆向きの磁化)64cを付与する。
Next, as shown in FIG. 8, the
それぞれの電極に磁化を与えるに当たっては、基板の温度を、それぞれの工程に適切な温度に設定しつつ、磁化したい方向に磁場を印加することが望ましい。なお、ソース電極50aおよびドレイン電極50bの磁化64a、64bの向きは膜面に略平行であり、ゲート電極60の磁化64cの向きは膜面に略平行となっている。ここで、「膜面」とは、上面を意味する。すなわち、ソース電極50aの膜面とは、ソース電極50aの上面を意味する。
When magnetizing each electrode, it is desirable to apply a magnetic field in the direction in which it is desired to magnetize while setting the temperature of the substrate to an appropriate temperature for each process. The directions of the
その後、さらに層間絶縁膜(図示せず)を形成し、この層間絶縁膜および絶縁膜34に、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60にそれぞれ達するコンタクトホール(図示せず)を穿ち、このコンタクトホールに、例えばAlのような金属を充填し、コンタクトを形成する。そして、上記層間絶縁膜上に、上記コンタクトに接続する金属配線を加工形成する。なお、必要ならば、多層の配線を構築し、また実装工程などを経て、半導体装置を完成させる。
Thereafter, an interlayer insulating film (not shown) is further formed, and contact holes (not shown) reaching the
このようにして形成された本実施形態の半導体装置は、半導体層上に形成されたn型電界効果トランジスタを備えている。この半導体層は、本実施形態においては、SOI基板のSOI層であったが、半導体基板の一部の領域であっても良いし、半導体基板に形成されたウェル領域であっても良い。 The semiconductor device according to the present embodiment formed as described above includes an n-type field effect transistor formed on the semiconductor layer. In this embodiment, the semiconductor layer is the SOI layer of the SOI substrate. However, the semiconductor layer may be a partial region of the semiconductor substrate or a well region formed in the semiconductor substrate.
上記半導体層に離間して形成されたn型の不純物領域であるソース領域およびドレイン領域12a、12bが設けられている。ソース領域12aとドレイン領域12bとの間の半導体層の領域がチャネル領域12cとなる。ソース領域12aおよびドレイン領域12b上には、ハーフメタル強磁性金属のソース電極50aおよびドレイン電極50bがそれぞれ設けられている。
Source and
また、チャネル領域12c上にはハーフメタル強磁性金属のゲート電極60が設けられている。そして、ソース電極50aの磁化64aの向きと、ドレイン電極50bの磁化64bの向きが略平行である。また、ゲート電極60の磁化64cの向きは、ソースおよびドレイン電極50a、50bの磁化64a、64bの向きと略反平行となっている。
A
次に、本実施形態の半導体装置の動作原理を、図9および図10を参照して説明する。図9は本実施形態の半導体装置の動作を説明するための断面図であり、図10は図9に示す切断線A−Aで切断した断面における本実施形態のトランジスタがONの場合(ゲート電極に正電圧を印加した場合)の電子のエネルギーバンド図である。 Next, the operation principle of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the operation of the semiconductor device of the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the cutting line AA shown in FIG. FIG. 6 is an energy band diagram of electrons when a positive voltage is applied.
ハーフメタル強磁性金属ソース電極50a中のフェルミレヴェル近傍にある自由電子は、ソース電極50aの磁化64aの方向に整合するように100%スピン偏極されている。同様に、ハーフメタル強磁性金属ドレイン電極50b中のフェルミレヴェル近傍にある自由電子は、ドレイン電極50bの磁化64bの方向に整合するように100%スピン偏極され、また、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60中のフェルミレヴェル近傍にある自由電子は、ゲート電極60の磁化64cの方向に整合するように100%スピン偏極されている。
Free electrons near the Fermi level in the half-metal ferromagnetic
上記の事情を簡便に表現するため、図9に示すように、ソース電極50a中のスピン偏極した自由電子70aを形式的に右向きの矢印をもった円で示す。当然、ドレイン電極50b中のスピン偏極した自由電子70bも右向きの矢印をもった円で示す。 一方、これと反平行な方向にスピン偏極したゲート電極60中の自由電子70cは左向きの矢印をもった円で示す。
In order to simply express the above situation, as shown in FIG. 9, spin-polarized
さて、今、ゲート電極60に所定の電圧を印加することによってトランジスタをON状態とし、また、ソース電極50aおよびドレイン電極50bにそれぞれ所定の電圧を印加することによってソース電極50aからドレイン電極50bに電子を流す場合を考える。このとき、ハーフメタルソース電極50aから供給され、ソース領域12aに注入される電子72aは、当然、ソース電極50a内の自由電子70aと同じ方向にスピン偏極されている。引き続きチャネル領域12cへと流出していく電子72cも、当然、ソース電極50a内の自由電子70aと同じスピン偏極を保っている。
Now, a transistor is turned on by applying a predetermined voltage to the
ところが、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60中には、チャネル領域12cに注入される電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cのみが存在できるようになっている。これは、ゲート電極60中のフェルミレヴェルの近傍には、チャネル領域12cに注入されるスピン偏極した電子72cに適合した電子状態が存在しないことに由来する。当然、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cはゲート電極60中に流入することはできない。したがって、ゲート電極60は、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては、絶縁膜として機能することになる。
However, only
一方、ゲート電極60中には、チャネル領域12cに注入された電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cが存在するのであるから、ゲート電極60は、静電的には金属とみなすことができる。自由に移動できる電荷によって遮蔽され、ゲート電極60中には電界が侵入することはない。すなわち、ゲート電極60は、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては無限大の誘電率を持った絶縁膜として機能し、しかも、静電的には空乏化のおそれのないメタルゲートとしても機能するのである。このように、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60は、メタルゲート電極と同時に、そのまま、誘電率が実効的に無限大のゲート絶縁膜として作用する。
On the other hand, in the
本実施形態においては、ゲート電極60の誘電率が実効的に無限大なので、ゲート電圧の支配力は、チャネル領域12cに直接伝達され、このハーフメタル強磁性金属のゲート電極60の膜厚は任意に厚くできる。ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60の膜厚を厚くすれば、チャネル領域12cに注入されたスピン偏極した電子72cが、量子力学的トンネル機構によってゲート電極60を貫通することはできなくなる。よって、ゲート電極60は実効的に無限大の誘電率を具備しながら、同時に、十全な絶縁性を保持できる。
In this embodiment, since the dielectric constant of the
ゲート電極60は、誘電率が実効的に無限大のゲート絶縁膜として作用するのであるから、ゲート電極60を、他の絶縁膜を介することなく直接チャネル領域12cと接して形成すれば、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を極大化できる。また、ゲート電極60は、静電的には、金属として振舞うので、ここに空乏層が形成されることはない。したがって、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力の極大化は維持される。
Since the
ところで、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cは、ゲート電極に流入することなく、ドレイン電極に至るが、ドレイン電極50b中には、チャネル領域12cに注入された電子72cのスピン偏極方向と平行な方向にスピン偏極した自由電子70bのみが存在している。当然、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cは自由にドレイン電極50b中に流入できる。したがって、ドレイン電極50bは、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては、通常の電極として機能することになる。
By the way, the spin-polarized
なお、チャネル領域12cは埋め込み絶縁膜11の上に形成されているので、チャネル領域12cを流れる電流は、ソース電極50aから流出したスピン偏極した電子72aによるものに限られる。
Since the
また、チャネル領域12cは埋め込み絶縁膜11の上に形成されており、ゲート電極60中のスピン偏極した電子70cは、ソース電極50aおよびドレイン電極50bいずれにも流入することはできないので、ゲート電極60から、ソース電極50aまたはドレイン電極50bへのリーク電流が発生することもない。
The
次に、図10を参照して、本実施形態の半導体装置の動作原理をより詳しく説明する。ゲート電極60はチャネル領域12cに直接に接しており、通常観測されているように、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60のフェルミレヴェルはチャネル領域12cのバンドギャップ中央付近に固定(ピンニング)されることになる。チャネル領域12cを流れるスピン偏極した伝導電子72cにとって、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60中には遷移できる電子状態がなく、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60は絶縁膜(図中の矩形バリア層に対応)として振舞う。ただし、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60には、チャネル領域12cに注入された電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cが存在しており、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60中に電界が侵入することはない。したがって、矩形バリア層に電圧降下は見られず、バリア層の上端は水平となる。
Next, the operation principle of the semiconductor device of this embodiment will be described in more detail with reference to FIG. The
また、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60は誘電率が無限大で、電圧降下が見られないのだから、この膜厚は任意に厚くできる。チャネル領域12cを流れるスピン偏極した電子72cにとっては、水平なバリアが厚く形成されることになるので、FN(Fowler-Nordheim)トンネル注入、直接トンネルいずれの量子力学的伝導機構も遮断される。よって、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60の絶縁性は担保される。
Further, since the
一方、ゲート電極60中のスピン偏極した自由電子70cは、チャネル領域12cとなる半導体との間に形成されるショットキー障壁に阻害されてチャネル領域12cに注入されることはない。
On the other hand, the spin-polarized
このようにして、良好な絶縁性を確保しつつ、極めて高い誘電率を具備したゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能を同時に具現し、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくした電界効果型トランジスタを有する半導体装置が実現される。 In this way, the gate insulating film function having an extremely high dielectric constant and the function of a metallic gate electrode without forming a depletion layer are realized at the same time while ensuring good insulation. A semiconductor device having a field effect transistor in which the electrostatic dominance of the voltage on the channel region is made as large as possible is realized.
本実施形態の半導体装置は、n型電界効果トランジスタを有していたが、n型のソース領域およびドレイン領域をp型のソース領域およびドレイン領域に換えれば、p型電界効果トランジスタを有する半導体装置となる。そして、本実施形態の上記動作説明は、チャネルに注入される荷電担体が正孔であるp型電界効果トランジスタを有する半導体装置にも同様に当てはまる。 The semiconductor device of this embodiment has an n-type field effect transistor. However, if the n-type source region and drain region are replaced with a p-type source region and drain region, the semiconductor device has a p-type field effect transistor. It becomes. The above description of the operation of this embodiment also applies to a semiconductor device having a p-type field effect transistor in which the charge carriers injected into the channel are holes.
また、本実施形態においては、ソース領域およびドレイン領域上にそれぞれハーフメタル強磁性金属の電極が形成されていたが、電荷が注入される側の電極のみ、すなわちソース電極のみを、ハーフメタル強磁性金属で形成してもよい。 In the present embodiment, the half metal ferromagnetic metal electrodes are formed on the source region and the drain region, respectively. However, only the electrode on the side into which charges are injected, that is, only the source electrode is used as the half metal ferromagnetic metal electrode. You may form with a metal.
(第1変形例)
次に、第1実施形態の第1変形例による半導体装置を、図11を参照して説明する。本変形例の半導体装置は、図8に示す第1実施形態の半導体装置において、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60上にそれぞれ、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60の磁化を強固に且つ安定的に固着するために、反強磁性層90a、90b、および90cを設けた構成を有している。この反強磁性層90a、90b、90cの材料としては、例えば、FeMn、PtMn、NiMn、IrMn、NiO、Fe2O3などが用いられる。
(First modification)
Next, a semiconductor device according to a first modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device of this modification is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. In order to firmly and firmly fix the magnetization, the
本変形例においては、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60の磁化を強固に且つ安定的に固着するために、反強磁性層90a、90b、および90cのNeel温度程度に昇温して磁場中で冷却を行うことが効果的である。このため、反強磁性層90a、90bと、反強磁性層90cとは異なるNeel温度を持つ材料とすることが好ましい。異なるNeel温度を持つ反強磁性層を各電極に付加することで、適切な温度で磁化の付与を行うことが可能となり、各電極への個別的な磁化の付与を行うことができる。
In this modification, in order to firmly and stably fix the magnetizations of the
この第1変形例の半導体装置も、第1実施形態と同様に、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。なお、本変形例においてはソース電極50aおよびドレイン電極50bと、ゲート電極60の両方に反強磁性層を設けたが、ソース電極50aおよびドレイン電極50bと、またはゲート電極60の一方のみに反強磁性層を設けてもよい。
Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the first modification also has a function of a gate insulating film having an extremely high dielectric constant while ensuring good insulation, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. And the gate electrode voltage function can be increased as much as possible. In this modification, an antiferromagnetic layer is provided on both the
(第2変形例)
次に、第1実施形態の第2変形例による半導体装置を、図12を参照して説明する。本変形例の半導体装置は、図8に示す第1実施形態の半導体装置において、ハーフメタル強磁性金属のソース電極50a上に、例えばRuからなる非磁性層80aと、強磁性層82aとの積層膜を設けるとともに、ハーフメタル強磁性金属のドレイン電極50b上に、例えばRuからなる非磁性金属層80bと、強磁性層82bとの積層膜を設けた構成となっている。そして、強磁性層82aは、非磁性層80aを介してハーフメタル強磁性金属のソース電極50aと、強磁性結合または反強磁性結合し、強磁性層82bは、非磁性層80bを介してハーフメタル強磁性金属のドレイン電極50bと、強磁性結合または反強磁性結合している。
(Second modification)
Next, a semiconductor device according to a second modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device of this modification is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 8, except that a
本変形例の半導体装置のように、ソースおよびドレイン電極50a、50b上に、それぞれ非磁性層を挟んで、ソースおよびドレイン電極50a、50bと、強磁性結合または反強磁性結合する強磁性層を設けることにより、強磁性結合または反強磁性結合している積層構造の体積が、ハーフメタル強磁性金属のソースおよびドレイン電極50a、50bの単体に比べて増加する。このため、微細化した場合の、ソースおよびドレイン電極50a、50bの磁化に関する熱擾乱に対する耐性を増加させることができる。
As in the semiconductor device of this modification, a ferromagnetic layer that is ferromagnetically or antiferromagnetically coupled to the source and
この第2変形例の半導体装置も、第1実施形態と同様に、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。 Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the second modification also has a function of a gate insulating film having an extremely high dielectric constant while ensuring good insulating properties, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. And the gate electrode voltage function can be increased as much as possible.
なお、本変形例において、例えばRuからなる非磁性金属層80bと、強磁性層82bとの積層膜を複数回積層するように構成してもよい。
In this modification, for example, a laminated film of a
また、本変形例において、図11に示す第1変形例のように、強磁性層82a、82b上にそれぞれ反強磁性層を設け、強磁性結合または反強磁性結合している構造の磁化を強固に且つ安定的に固着するように構成してもよい。
Further, in this modified example, as in the first modified example shown in FIG. 11, the antiferromagnetic layers are provided on the
(第3変形例)
次に、第1実施形態の第3変形例による半導体装置を、図13を参照して説明する。本変形例の半導体装置は、図8に示す第1実施形態の半導体装置において、ソース領域12aとソース電極50aとの間にトンネルバリア層13aを設けるとともに、ドレイン領域12bとドレイン電極50bとの間にトンネルバリア層13bを設けた構成となっている。
(Third Modification)
Next, a semiconductor device according to a third modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device of this modification example is the same as the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 8, except that a tunnel barrier layer 13a is provided between the
このトンネルバリア層13a、13bは、半導体層すなわち、ソース領域12aおよびドレイン領域12bへの強磁性体金属の拡散を防止し、かつ注入される電子のスピン偏極率を保持するために設けられる。このトンネルバリア層13a、13bとしては、例えば、自然酸化膜またはMgOを用いことができる。なお、ソース電極50aおよびドレイン電極50bのハーフメタル強磁性金属材料として、Mnを例えば数原子%以上導入したSiCを用いた場合は、トンネルバリア層を設けなくとも、ソース領域12aおよびドレイン領域12bへの強磁性体金属の拡散を防止する必要がないとともに注入される電子のスピン偏極率を保持することができる。
The tunnel barrier layers 13a and 13b are provided in order to prevent the ferromagnetic metal from diffusing into the semiconductor layer, that is, the
この第3変形例の半導体装置も、第1実施形態と同様に、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。 Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the third modified example also has a function of a gate insulating film having an extremely high dielectric constant while ensuring good insulation, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. And the gate electrode voltage function can be increased as much as possible.
また、第1実施形態およびその第1乃至第2変形例の半導体装置において、第3変形例のように、ソース領域12aとソース電極50aとの間にトンネルバリア層13aを設けるとともに、ドレイン領域12bとドレイン電極50bとの間にトンネルバリア層13bを設けるように構成してもよい。
In the semiconductor device according to the first embodiment and the first to second modifications thereof, the tunnel barrier layer 13a is provided between the
また、第1実施形態およびその第1乃至第3変形例の半導体装置においては、ゲート電極60はチャネル領域12c上に直接形成することが望ましいが、チャネル領域12cとなる半導体層との間には、強磁性金属の拡散を防止する目的および半導体層との間の界面特性を改善する目的で、極めて薄いMgOのようなバリア膜を更に設けても良い。勿論このバリア膜は、金属などの物質の移動を制限する機能、半導体層との界面の結晶欠陥(ダングリングボンド等)を電気的に不活化する(パッシベーション)機能を保持していれば良く、必ずしも電気的絶縁性を具備する必要はないことは言うまでもない。このような極薄バリア膜が電気的絶縁性を具備していないということは、このバリア膜内で電圧降下が起こらないということであるから、ゲート電圧のチャネル領域への支配力は低減されることはない。
In the semiconductor device according to the first embodiment and the first to third modifications thereof, the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による半導体装置を、図14を参照して説明する。第1実施形態およびその第1乃至第3変形例の半導体装置においては、ソース電極50aおよびドレイン電極50bをそれぞれソース領域12aおよびドレイン領域12b上に積層した構成であった。しかし、第2実施形態の半導体装置は、図14に示すように、ソース領域12aおよびドレイン領域12bは、ゲート側壁22の直下にのみに存在し、ソース領域12aおよびドレイン領域12bの、チャネル領域12cと接する側面と反対側の側面にそれぞれ接するように、ハーフメタル強磁性金属のソース電極50aおよびドレイン電極50bが設けられた構成となっている。すなわち、ソース電極50aおよびドレイン電極50bは、埋め込み酸化膜11上に形成された構成となっている。この構成は、第1実施形態の製造工程で説明したダミーゲート20の左右にゲート側壁22を形成する際、不純物領域もエッチング除去し、その後、上記第1実施形態と同じ工程を経ることで容易に形成できる。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the semiconductor device according to the first embodiment and the first to third modifications, the
この第2実施形態の半導体装置も、第1実施形態と同様に、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。 Similar to the first embodiment, the semiconductor device of the second embodiment also has a function of a gate insulating film having an extremely high dielectric constant while ensuring good insulating properties, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. And the gate electrode voltage function can be increased as much as possible.
上記第1実施形態およびその各種変形例、ならびに第2実施形態の半導体装置においてはn型電界効果型トランジスタを備えていたが、n型電界効果トランジスタの代わりにp型電界効果型トランジスタを備えるように構成してもよい。また、複数組の電界効果トランジスタを備えるように構成してもよいことは云うまでもない。 The semiconductor device of the first embodiment and its various modifications and the second embodiment includes an n-type field effect transistor. However, a p-type field effect transistor is provided instead of the n-type field effect transistor. You may comprise. It goes without saying that a plurality of sets of field effect transistors may be provided.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による半導体装置を、図15を参照して説明する。図15は、本実施形態の半導体装置の断面図である。本実施形態の半導体装置は、n型電界効果型トランジスタ1と、p型電界効果型トランジスタ1Aとを備え、相補的電界効果トランジスタ回路を構成している。
(Third embodiment)
Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment includes an n-type
n型電界効果トランジスタ1は、第1実施形態で説明したn型電界効果トランジスタである。すなわち、シリコン半導体基板10上に埋め込み絶縁膜11が形成され、この埋め込み絶縁膜11上に半導体のチャネル領域12cが形成されている。また、埋め込み絶縁膜11上には、チャネル領域12cを挟むようにn型の半導体のソース領域12aおよびドレイン領域12bが形成されている。すなわち、ソース領域12aとドレイン領域12bとの間に、チャネル領域12cが形成された構成となっている。
The n-type
ソース領域12a上にはハーフメタル強磁性金属のソース電極50aが設けられ、ドレイン領域12b上にはハーフメタル強磁性金属のドレイン電極50bが設けられている。そして、ソース電極50aの磁化64aの向きとドレイン電極50bの磁化64bの向きは略平行であるとともに、膜面に略平行となっている。
A half metal ferromagnetic
また、チャネル領域12c上にはハーフメタル強磁性金属のゲート電極60が設けられている。そして、ゲート電極60の磁化64cの向きは、ソース、ドレイン電極50a、50bの磁化64a、64bの向きと略反平行であるとともに、膜面に略平行となっている。なお、ゲート電極60の側面には絶縁体からなるゲート側壁22が設けられている。
A
一方、p型電界効果トランジスタ1Aは、埋め込み絶縁膜11上に形成された半導体のチャネル領域12Acを有している。また、埋め込み絶縁膜11上には、チャネル領域12Acを挟むようにp型の半導体のソース領域12Aaおよびドレイン領域12Abが形成されている。すなわち、ソース領域12Aaとドレイン領域12Abとの間に、チャネル領域12Acが形成された構成となっている。
On the other hand, the p-type
ソース領域12Aa上にはハーフメタル強磁性金属のソース電極50Aaが設けられ、ドレイン領域12Ab上にはハーフメタル強磁性金属のドレイン電極50Abが設けられている。そして、ソース電極50Aaの磁化64Aaの向きとドレイン電極50Abの磁化64Abの向きは略平行であるとともに、膜面に略平行となっている。 A half metal ferromagnetic metal source electrode 50Aa is provided on the source region 12Aa, and a half metal ferromagnetic metal drain electrode 50Ab is provided on the drain region 12Ab. The direction of the magnetization 64Aa of the source electrode 50Aa and the direction of the magnetization 64Ab of the drain electrode 50Ab are substantially parallel and substantially parallel to the film surface.
また、チャネル領域12Ac上にはハーフメタル強磁性金属のゲート電極60Aが設けられている。そして、ゲート電極60Aの磁化64Acの向きは、ソース、ドレイン電極50Aa、50Abの磁化64Aa、64Abの向きと略反平行であるとともに、膜面に略平行となっている。
A
なお、ゲート電極60Aの側面には絶縁体からなるゲート側壁22Aが設けられている。そして、本実施形態においては、n型電界効果トランジスタ1およびp型電界効果トランジスタ1Aは、層間絶縁膜35によって覆われている。
A
また、本実施形態のようにn型電界効果型トランジスタ1と、p型電界効果型トランジスタ1Aとを備え、これらのn型電界効果型トランジスタ1とp型電界効果型トランジスタ1Aとが、図15に示すように隣接して配置される場合には、n型電界効果トランジスタ1のドレイン電極50bと、このドレイン電極50bに隣接するp型電界効果トランジスタ1Aのソース電極50Aaとは、それぞれの磁化64b、64Aaの向きが略反平行となるようにしておくことが好ましい。このようにすると、各ハーフメタルの電極の端部に現れる反磁場の効果が低減され、各電極の磁化を安定化することができる。なお、図示しないが、各トランジスタ間は、非磁性金属配線で接続すればよい。
Further, as in the present embodiment, an n-type
この第3実施形態の半導体装置も、第1実施形態と同様に、良好な絶縁性を確保しつつ極めて高い誘電率を有するゲート絶縁膜の機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極の機能とを備え、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。 Similarly to the first embodiment, the semiconductor device according to the third embodiment also has a function of a gate insulating film having a very high dielectric constant while ensuring good insulation, and a metallic property in which a depletion layer is not formed. And the gate electrode voltage function can be increased as much as possible.
なお、上記第1乃至第3実施形態およびその変形例においては、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60、それぞれの磁化の向きは、膜面に略平行であったが、略垂直であってもよい。この場合も、ソース電極50aおよびドレイン電極50bの磁化の向きと、ゲート電極60の磁化の向きは略反平行であることは云うまでもない。
In the first to third embodiments and the modifications thereof, the magnetization directions of the
また、上記第1乃至第3実施形態およびその変形例においては、電界効果型トランジスタが形成される半導体基板はSOI基板であったが、バルクのSi基板であってもよい。また、Si基板の代わりに、Ge基板、SiとGeとの混晶層を有するSiGe基板、またはGaAsのような半導体基板、或いはこれら化合物半導体とSiが同一基体上に形成された複合基板などを使用することが可能である。 In the first to third embodiments and modifications thereof, the semiconductor substrate on which the field effect transistor is formed is an SOI substrate, but may be a bulk Si substrate. In place of the Si substrate, a Ge substrate, a SiGe substrate having a mixed crystal layer of Si and Ge, a semiconductor substrate such as GaAs, or a composite substrate in which these compound semiconductor and Si are formed on the same substrate, etc. It is possible to use.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による半導体装置を図16乃至図20を参照して説明する。本実施形態の半導体装置は、SOI基板上に形成されたFin構造のn型電界効果型トランジスタを備えている。図16乃至図18は、本実施形態による半導体装置の製造工程を説明する鳥瞰図である。
(Fourth embodiment)
Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The semiconductor device of this embodiment includes an n-type field effect transistor having a Fin structure formed on an SOI substrate. 16 to 18 are bird's-eye views for explaining the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment.
本実施形態の半導体装置は、以下のように製造される。第1実施形態では、埋め込み絶縁膜11の上面に広がった素子形成領域となるSOI層12を形成していた。しかし、本実施形態では、公知の技術を用いて、SOI層12を薄い壁(Fin)状に加工する。このFin状SOI層には、その厚さ方向に関して、対向する、略平行な、一対の側面が形成される。本実施形態ではこの一対の側面は、基板上面と略垂直に交差する。さらに、一対の両側面を跨ぐように、この一部を覆う、例えば炭素からなるダミーゲート20を形成する(図16)。続いて、ダミーゲート20の両側のSOI層12にn型の不純物を導入し、熱処理を行うことにより、ソース領域12aおよびドレイン領域12bが、一対の両側面に平行でかつ基板の上面に平行な方向に(即ち、水平方向)互いに対向して離間するように形成される(図16)。このソース領域12aと、ドレイン領域12bとの間に挟まれ、ダミーゲート20に覆われたSOI層12の領域がチャネル領域となる。
The semiconductor device of this embodiment is manufactured as follows. In the first embodiment, the
次に、チャネル領域を挟んで互いに対向し、それぞれソース領域12aおよびドレイン領域12bのみに接している、SOI層の一対の端面に接するように、ハーフメタル強磁性金属のソース電極50aおよびドレイン電極50bを形成する(図17)。ソース電極50aおよびドレイン電極50bは、公知のリソグラフィ技術および堆積技術を用いて行うことができる。
Next, the half metal ferromagnetic
次に、公知の技術を用いて、炭素からなるダミーゲート20を選択的に除去する。その後、ダミーゲート20が除去された場所に、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60を公知の技術を用いて形成する(図18)。したがって、ゲート電極60は、チャネル領域を覆うように、チャネル領域に接する対向するSOI層の一対の両側面に接して形成される。
Next, the
その後、ソース電極50aおよびドレイン電極50bと、ゲート電極60とに、互いに反平行となる磁化を付与する。例えば、ソース電極50aおよびドレイン電極50bの磁化の向きを、埋め込み絶縁膜11の上面に略垂直でかつ上記上面に向かう方向とした場合、ゲート電極60の磁化の向きは、埋め込み絶縁膜11の上面に略垂直でかつ上記上面に背向するものとする。
Thereafter, magnetizations that are antiparallel to each other are applied to the
以下、このように形成された本実施形態に係るトランジスタの動作を図19乃至図20を参照して説明する。図19は、図18に示す平面300での断面図を示し、図20は図19に示す切断線B−Bで切断した断面における本実施形態のトランジスタがONの場合(ゲート電極に正電圧を印加した場合)の電子のエネルギーバンド図である。
The operation of the transistor according to this embodiment formed as described above will be described below with reference to FIGS. 19 is a cross-sectional view taken along a
今、ゲート電極60に所定の電圧を印加することによってトランジスタをON状態とし、また、ソース電極50aおよびドレイン電極50bにそれぞれ所定の電圧を印加することによってソース電極50aからドレイン電極50bに電子を流す場合を考える。このとき、ハーフメタルソース電極50aから供給され、ソース領域12aに注入される電子は、当然、ソース電極50a内の自由電子70aと同じ方向にスピン偏極されている。引き続きチャネル領域12cへと流出していく電子72cも、当然、ソース電極50a内の自由電子70aと同じスピン偏極を保っている。
Now, a transistor is turned on by applying a predetermined voltage to the
しかし、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60中には、チャネル領域12cに注入される電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cのみが存在できるようになっている。これは、ゲート電極60中のフェルミレヴェルの近傍には、チャネル領域12cに注入されるスピン偏極した電子72cに適合した電子状態が存在しないことに由来する。当然、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cはゲート電極60中に流入することはできない。したがって、ゲート電極60は、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては、絶縁膜として機能することになる。
However, in the half-metal ferromagnetic
一方、ゲート電極60中には、チャネル領域12cに注入された電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cが存在するのであるから、ゲート電極60は、静電的には金属とみなすことができる。自由に移動できる電荷によって遮蔽され、ゲート電極60中には電界が侵入することはない。すなわち、ゲート電極60は、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては無限大の誘電率を持った絶縁膜として機能し、しかも、静電的には空乏化のおそれのないメタルゲートとしても機能する。このように、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60は、メタルゲート電極と同時に、そのまま、誘電率が実効的に無限大のゲート絶縁膜として作用する。
On the other hand, in the
本実施形態においては、ゲート電極60の誘電率が実効的に無限大なので、ゲート電圧の支配力は、チャネル領域12cに直接伝達され、このハーフメタル強磁性金属のゲート電極60の膜厚は任意に厚くできる。ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60の膜厚を厚くすれば、チャネル領域12cに注入されたスピン偏極した電子72cが、量子力学的トンネル機構によってゲート電極60を貫通することはできなくなる。よって、ゲート電極60は実効的に無限大の誘電率を具備しながら、同時に、十全な絶縁性を保持できる。
In this embodiment, since the dielectric constant of the
ゲート電極60は、誘電率が実効的に無限大のゲート絶縁膜として作用するのであるから、ゲート電極60を、他の絶縁膜を介することなく直接チャネル領域12cと接して形成すれば、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を極大化できる。また、ゲート電極60は、静電的には、金属として振舞うので、ここに空乏層が形成されることはない。したがって、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力の極大化は維持される。
Since the
他方、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cは、ゲート電極に流入することなく、ドレイン電極に至るが、ドレイン電極50b中には、チャネル領域12cに注入された電子72cのスピン偏極方向と平行な方向にスピン偏極した自由電子70bのみが存在するので、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cは自由にドレイン電極50b中に流入できる。したがって、ドレイン電極50bは、チャネル領域12cのスピン偏極した電子72cに対しては、通常の電極として機能することになる。
On the other hand, the spin-polarized
なお、チャネル領域12cは埋め込み絶縁膜11の上に形成されているので、チャネル領域12cを流れる電流は、ソース電極50aから流出したスピン偏極した電子72aによるものに限られる。
Since the
また、チャネル領域12cは埋め込み絶縁膜11の上に形成されており、ゲート電極60中の偏極した電子70cは、ソース電極50aおよびドレイン電極50bいずれにも流入することはできないので、ゲート電極60から、ソース電極50aまたはドレイン電極50bへのリーク電流が発生することもない。
The
次に、図20を参照して、本実施形態に係るトランジスタの動作原理をより詳しく説明する。ゲート電極60はチャネル領域の両側面に直接に接しており、通常観測されているように、ハーフメタル強磁性金属のゲート電極60のフェルミレヴェルはチャネル領域のバンドギャップ中央付近に固定(ピンニング)されることになる。チャネル領域の両面がピンニングされているので、チャネル領域の、伝導帯端Ecおよび価電子帯端Evのエネルギーレヴェルと、ゲート電極60のフェルミレヴェルの相対位置は完全に固定される。したがって、チャネル領域の伝導帯端Ecおよび価電子帯端Evのエネルギーレヴェルは、ゲート電圧の変化に完全に追随して変化することになる。すなわち、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力は極大化される。もちろん、チャネル領域を流れるスピン偏極した電子72cにとって、ゲート電極60中には遷移できる電子状態がなく、ゲート電極60は絶縁膜(図中のチャネル領域を挟撃している矩形バリア層に対応)として振舞う。ただし、ゲート電極60には、チャネル領域に注入された電子72cと反平行な方向にスピン偏極した自由電子70cは存在しており、ゲート電極60中に電界が侵入することはない。したがって、矩形バリアに電圧降下は見られず、バリアの上端は水平となる。また、ゲート電極60は誘電率が無限大で、電圧降下が見られないので、この膜厚は任意に厚くできる。チャネル領域を流れるスピン偏極した電子72cにとって、水平なバリアが厚く形成されることになるので、FNトンネル注入、直接トンネルいずれの量子力学的伝導機構も遮断される。よって、ゲート電極60の絶縁性は担保される。
Next, the operation principle of the transistor according to this embodiment will be described in more detail with reference to FIG. The
加えて、チャネル領域の両側面にエネルギーバリアが形成されているので、このエネルギーバリアに挟まれた薄壁状(Fin状)のチャネル領域の厚さを、チャネル領域を伝導する電子の波動函数の、チャネル厚さ方向(チャネル両側面に垂直な方向)の広がり程度以下に薄くすれば、シリコン層中の伝導帯の電子状態のエネルギー縮退を解除することが可能となる。この結果、チャネル領域には、有効質量の小さな、即ち、高速の電子のみが誘起され、チャネル領域の移動度が上昇し、素子の高速化が達成される(S.Takagi, et. al. Jpn. J. Appl. Phys., Vol.37, p.1289 (1998)参照)。 In addition, since energy barriers are formed on both side surfaces of the channel region, the thickness of the thin-walled (Fin-shaped) channel region sandwiched between the energy barriers is determined by the wave function of electrons conducted through the channel region. If the thickness is reduced below the extent of the channel thickness direction (direction perpendicular to both side surfaces of the channel), the energy degeneration of the electronic state of the conduction band in the silicon layer can be released. As a result, only electrons having a small effective mass, that is, high-speed electrons are induced in the channel region, the mobility of the channel region is increased, and the device speed is increased (S. Takagi, et. Al. Jpn). J. Appl. Phys., Vol. 37, p.1289 (1998)).
その上、チャネル領域を伝導する電子の波動函数の絶対値は、ゲート電極60との界面より離れたシリコン層(チャネル領域)の中央部で大きくなるので、ゲート電極60との界面散乱の影響を受けにくくなり、チャネル領域の移動度はさらに向上する。
In addition, since the absolute value of the wave function of electrons conducted through the channel region becomes large at the center of the silicon layer (channel region) that is far from the interface with the
一方、ゲート電極60中のスピン偏極した自由電子70cは、半導体(チャネル領域)との間に形成されるショットキー障壁に阻害されてチャネル領域に注入されることはない。
On the other hand, the spin-polarized
このようにして、良好な絶縁性を確保しつつ、極めて高い誘電率を具備したゲート絶縁膜機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極機能を同時に具現し、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を大きくした電界効果型トランジスタを備えた 半導体装置が実現される。 In this way, the gate insulating film function having an extremely high dielectric constant and the metallic gate electrode function in which a depletion layer is not formed are simultaneously realized while ensuring good insulation, and the gate voltage is reduced. A semiconductor device having a field effect transistor with a large electrostatic control over the channel region is realized.
なお、本実施形態において、第1実施形態の第1変形例に示すように、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60上にそれぞれ、ソース電極50a、ドレイン電極50b、およびゲート電極60に磁化を固着するために、反強磁性層を設けて設けてもよい。
In the present embodiment, as shown in the first modification of the first embodiment, the
また、本実施形態において、第1実施形態の第2変形例に示すように、ソース電極50aおよびドレイン電極50b上にそれぞれ、例えばRuからなる非磁性層と、強磁性層との積層膜を設け、この強磁性層と、ハーフメタル強磁性層の電極とを上記非磁性層を介して強磁性結合または反強磁性結合するように構成してもよい。
In this embodiment, as shown in the second modification of the first embodiment, a laminated film of a nonmagnetic layer made of, for example, Ru and a ferromagnetic layer is provided on the
また、ゲート電極60はチャネル領域上に直接接することが望ましいが、チャネル領域となる半導体層との間には、強磁性金属の拡散を防止する目的および半導体層との間の界面特性を改善する目的で、極めて薄いMgOのようなバリア膜を更に設けても良い。勿論このバリア膜は、金属などの物質の移動を制限する機能、半導体層との界面の結晶欠陥(ダングリングボンド等)を電気的に不活化する(パッシベーション)機能を保持していれば良く、必ずしも電気的絶縁性を具備する必要はないことは言うまでもない。このような極薄バリア膜が電気的絶縁性を具備していないということは、このバリア膜内で電圧降下が起こらないということであるから、ゲート電圧のチャネル領域への支配力は低減されることはない。
The
なお、本実施形態の半導体装置においてはFin型のn型電界効果型トランジスタを備えていたが、n型電界効果トランジスタの代わりにFin型のp型電界効果型トランジスタを備えるように構成してもよい。また、Fin型のn型電界効果型トランジスタと、Fin型のp型電界効果型トランジスタを同一基板上に形成するように構成してもよい。複数組のFin型の電界効果トランジスタを備えるように構成してもよいことは云うまでもない。 Although the semiconductor device of this embodiment includes a Fin-type n-type field effect transistor, it may be configured to include a Fin-type p-type field-effect transistor instead of the n-type field-effect transistor. Good. Further, a Fin-type n-type field effect transistor and a Fin-type p-type field effect transistor may be formed on the same substrate. It goes without saying that a plurality of Fin-type field effect transistors may be provided.
また、第4実施形態においては、Fin型の電界効果型トランジスタが形成される半導体基板はSOI基板であったが、バルクのSi基板であってもよい。また、Si基板の代わりに、Ge基板、SiとGeの混晶層を有するSiGe基板、またはGaAsのような半導体基板、或いはこれら化合物半導体とSiが同一基体上に形成された複合基板などを使用することが可能である。 In the fourth embodiment, the semiconductor substrate on which the Fin-type field effect transistor is formed is an SOI substrate, but may be a bulk Si substrate. Also, instead of the Si substrate, a Ge substrate, a SiGe substrate having a mixed crystal layer of Si and Ge, a semiconductor substrate such as GaAs, or a composite substrate in which these compound semiconductor and Si are formed on the same substrate are used. Is possible.
以上、詳述してきた様に、本発明の一実施形態によれば、ゲート電極を第一の方向に磁化したハーフメタル強磁性体により形成し、ソース、ドレイン電極を第一の方向と反平行な方向に磁化したハーフメタル強磁性体により形成した構成を備えている。これにより、
(1)ソース電極からチャネル領域に注入されたスピン偏極した電子は、ゲート電極に流入することはできない。したがって、チャネル領域に存在するスピン偏極電子から見れば、ハーフメタルゲート電極は絶縁膜として機能する。
(2)ゲート電極には、チャネル領域に存在するスピン偏極電子と反平行にスピン偏極した電子が、自由電子として存在するので、静電的には、金属、すなわち、誘電率が実効的に無限大の物質として機能する。
(3)チャネル領域に注入されたスピン偏極した電子は、この電子のスピン偏極方向と整合した方向に磁化したドレイン電極に流入することは可能となるので、チャネル電流が発生する。一方、ゲート電極中のスピン偏極した電子は、チャネル領域を経て、ソース電極、ドレイン電極いずれにも流入することはできない。よって、ゲート電極から、ソース電極またはドレイン電極へのリーク電流が発生することはない。
(4)ゲート電極は、誘電率が実効的に無限大のゲート絶縁膜として作用するので、ゲート電極を、他の絶縁膜を介することなく直接チャネル領域と接して形成すれば、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくすることができる。
(5)ゲート電極の誘電率が実効的に無限大なので、ゲート電圧の支配力は、チャネル領域に直接伝達され、このゲート電極(ゲート絶縁膜)の膜厚は任意に厚くできる。ゲート電極の膜厚を厚くすれば、チャネル領域に注入されたスピン偏極した電子が、量子力学的トンネル機構によってゲート電極(ゲート絶縁膜)を貫通することはできなくなる。よって、十全な絶縁性を保持できる。
(6)ゲート電極は、静電的には、金属として振舞うので、ここに空乏層が形成されることはない。
(7)ゲート電極を、チャネル領域の両側面に形成すれば、ピンニングにより、チャネル領域の伝導帯端Ec、価電子帯端Evのエネルギーレヴェルと、ゲート電極のフェルミレヴェルの相対位置は完全に固定される。したがって、チャネル領域の伝導帯端Ec、価電子帯端Evのエネルギーレヴェルは、ゲート電圧の変化に完全に追随して変化することになる。すなわち、ゲート電圧のチャネル領域への静電的支配力は極大化される。
(8)ゲート電極を、チャネル領域の両側面に形成する場合、チャネル領域の厚さを、チャネル領域を伝導する電子の波動函数のチャネル厚さ方向(チャネル両側面に垂直な方向)の広がり程度以下に薄くすれば、シリコン層(チャネル領域)中の導伝帯の電子状態のエネルギー縮退が解除される。これにより、チャネル領域には、有効質量の小さな、即ち、高速の電子のみが誘起され、チャネル領域の移動度が上昇し、素子の高速化が達成される。また、チャネル領域を伝導する電子の波動函数の絶対値は、ゲート電極との界面より離れたチャネル領域の中央部で大きくなるので、ゲート電極との界面散乱の影響を受けにくくなり、チャネル領域の移動度はさらに向上する。
As described above in detail, according to an embodiment of the present invention, the gate electrode is formed of a half-metal ferromagnetic material magnetized in the first direction, and the source and drain electrodes are antiparallel to the first direction. It has a configuration formed of a half-metal ferromagnet magnetized in any direction. This
(1) Spin-polarized electrons injected from the source electrode into the channel region cannot flow into the gate electrode. Therefore, from the viewpoint of spin-polarized electrons existing in the channel region, the half metal gate electrode functions as an insulating film.
(2) Electrons that are spin-polarized in anti-parallel to the spin-polarized electrons existing in the channel region exist as free electrons in the gate electrode, so that a metal, that is, a dielectric constant is effective electrostatically. It functions as an infinite substance.
(3) Since spin-polarized electrons injected into the channel region can flow into the drain electrode magnetized in a direction aligned with the spin-polarized direction of the electrons, a channel current is generated. On the other hand, spin-polarized electrons in the gate electrode cannot flow into either the source electrode or the drain electrode through the channel region. Therefore, no leak current is generated from the gate electrode to the source electrode or the drain electrode.
(4) Since the gate electrode acts as a gate insulating film having an effectively infinite dielectric constant, if the gate electrode is formed in direct contact with the channel region without any other insulating film, the gate voltage channel The electrostatic dominance over the region can be increased as much as possible.
(5) Since the dielectric constant of the gate electrode is effectively infinite, the dominance of the gate voltage is directly transmitted to the channel region, and the thickness of the gate electrode (gate insulating film) can be arbitrarily increased. If the thickness of the gate electrode is increased, spin-polarized electrons injected into the channel region cannot penetrate the gate electrode (gate insulating film) by the quantum mechanical tunnel mechanism. Therefore, sufficient insulation can be maintained.
(6) Since the gate electrode behaves as a metal electrostatically, no depletion layer is formed here.
(7) If the gate electrode is formed on both side surfaces of the channel region, the relative positions of the energy level of the conduction band edge Ec and the valence band edge Ev of the channel region and the Fermi level of the gate electrode are completely fixed by pinning. Is done. Therefore, the energy levels of the conduction band edge Ec and the valence band edge Ev of the channel region change completely following the change of the gate voltage. That is, the electrostatic dominance of the gate voltage on the channel region is maximized.
(8) When the gate electrode is formed on both side surfaces of the channel region, the thickness of the channel region is the extent of the channel thickness direction (direction perpendicular to the channel side surfaces) of the wave function of electrons conducted through the channel region. If the thickness is reduced below, the energy degeneracy of the electronic state of the conduction band in the silicon layer (channel region) is released. As a result, only a small effective mass, that is, high-speed electrons are induced in the channel region, the mobility of the channel region is increased, and the speed of the device is increased. In addition, since the absolute value of the wave function of electrons conducted through the channel region increases at the center of the channel region far from the interface with the gate electrode, it is less susceptible to the effect of interface scattering with the gate electrode. The mobility is further improved.
このようにして、良好な絶縁性を確保しつつ、極めて高い誘電率を具備したゲート絶縁膜機能と、空乏層が形成されることのない金属性のゲート電極機能を同時に具現し、ゲート電極のチャネル領域への静電的支配力を可及的に大きくした電界効果型トランジスタを備えた半導体装置が実現される。 In this way, the gate insulating film function having an extremely high dielectric constant and the metallic gate electrode function in which a depletion layer is not formed are simultaneously realized while ensuring good insulating properties. A semiconductor device including a field effect transistor having an electrostatic dominance as large as possible in the channel region is realized.
10 シリコン半導体基板
11 シリコン酸化膜(埋め込み酸化膜(BOX)
12 シリコン半導体層
12a ソース領域
12b ドレイン領域
12c チャネル領域
13a トンネルバリア層
13b トンネルバリア層
20 ダミーゲート
22 ゲート側壁
30 層間絶縁膜
32 層間絶縁膜
40a、40b ソース、ドレイン領域に至る開口
50 ハーフメタル強磁性体金属
50a ソース電極
50b ドレイン電極
54 溝
60 ゲート電極
64a ソース電極の磁化
64b ドレイン電極の磁化
64c ゲート電極の磁化
70a ソース電極内の自由電子
70b ドレイン電極内の自由電子
72a ソース領域に注入された偏極された電子
72b ドレイン領域に注入された偏極された電子
72c チャネル領域に注入された偏極された電子
10
12
Claims (12)
前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間の前記第1半導体層に設けられる第1チャネル領域と、
前記第1チャネル領域上に設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ゲート電極と、
前記第1ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ソース電極と、
を備え、
前記第1ゲート電極の磁化の向きが、前記第1ソース電極の磁化の向きと略反平行であることを特徴とする半導体装置。 A first source region and a first drain region of a second conductivity type provided separately from the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A first channel region provided in the first semiconductor layer between the first source region and the first drain region;
A first gate electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided on the first channel region;
A first source electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided to connect to the first source region;
With
The semiconductor device according to claim 1, wherein the magnetization direction of the first gate electrode is substantially antiparallel to the magnetization direction of the first source electrode.
前記第1半導体層に形成され、前記一対側面に平行でかつ前記基板の上面に平行な方向に互いに離間して設けられるとともに、それぞれが前記一対の側面の一部を含む第2導電型の第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間の前記第1半導体層に形成され、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域には含まれない前記一対の側面の一部を含む第1チャネル領域と、
前記第1チャネル領域に含まれる前記一対の側面を覆うように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ゲート電極と、
前記第1ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第1ソース電極と、
を備え、
前記第1ゲート電極の磁化の向きが、前記第1ソース電極の磁化の向きと略反平行であることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type formed on a substrate and having a pair of opposing side surfaces;
Second conductivity type second electrodes formed on the first semiconductor layer and spaced apart from each other in a direction parallel to the pair of side surfaces and parallel to the top surface of the substrate, each including a portion of the pair of side surfaces. One source region and a first drain region;
The first semiconductor layer is formed in the first semiconductor layer between the first source region and the first drain region, and includes a part of the pair of side surfaces not included in the first source region and the first drain region. One channel region;
A first gate electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided so as to cover the pair of side surfaces included in the first channel region;
A first source electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided to connect to the first source region;
With
The semiconductor device according to claim 1, wherein the magnetization direction of the first gate electrode is substantially antiparallel to the magnetization direction of the first source electrode.
前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域との間の前記第2半導体層に設けられる第2チャネル領域と、
前記第2チャネル領域上に設けられたハーフメタル強磁性金属の第2ゲート電極と、
前記第2ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第2ソース電極と、
を更に備え、
前記第2ゲート電極の磁化の向きが、前記第2ソース電極の磁化の向きと略反平行であり、
前記第1半導体層と前記第2半導体層が同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 A first conductivity type second source region and a second drain region provided apart from the second conductivity type second semiconductor layer;
A second channel region provided in the second semiconductor layer between the second source region and the second drain region;
A second gate electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided on the second channel region;
A second source electrode of half-metal ferromagnetic metal provided to connect to the second source region;
Further comprising
The magnetization direction of the second gate electrode is substantially antiparallel to the magnetization direction of the second source electrode;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are formed on the same substrate.
前記第2半導体層に形成され、前記一対の側面に平行でかつ前記基板の上面に平行な方向に互いに離間して設けられるとともに、それぞれが前記第2半導体層の前記一対の側面の一部を含む第1導電型の第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域との間の前記第2半導体層に形成され、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域には含まれない前記一対の側面の一部を含む第2チャネル領域と、
前記第2チャネル領域に含まれる前記一対の側面を覆うように設けられたハーフメタル強磁性金属の第2ゲート電極と、
前記第2ソース領域に接続するように設けられたハーフメタル強磁性金属の第2ソース電極と、
を更に備え、
前記第2ゲート電極の磁化の向きが、前記第2ソース電極の磁化の向きと略反平行であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。 A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on the substrate and having a pair of opposing side surfaces;
Formed in the second semiconductor layer and provided apart from each other in a direction parallel to the pair of side surfaces and parallel to the upper surface of the substrate, and each of which forms part of the pair of side surfaces of the second semiconductor layer A second source region and a second drain region of the first conductivity type including;
The second semiconductor layer is formed in the second semiconductor layer between the second source region and the second drain region, and includes a part of the pair of side surfaces not included in the second source region and the second drain region. A two-channel region;
A second gate electrode of a half-metal ferromagnetic metal provided to cover the pair of side surfaces included in the second channel region;
A second source electrode of half-metal ferromagnetic metal provided to connect to the second source region;
Further comprising
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the magnetization direction of the second gate electrode is substantially antiparallel to the magnetization direction of the second source electrode.
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