JP2010199320A - シリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧出力特性を向上させることが可能なシリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子を提供すること。
【解決手段】シリコンスピン伝導素子１０の製造方法において、シリコン膜３をウェットエッチングによりパターニングしてシリコンチャンネル層７を形成する第一工程と、シリコンチャンネル層７上に、互いに離間された磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂを形成する第二工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１０
【解決手段】シリコンスピン伝導素子１０の製造方法において、シリコン膜３をウェットエッチングによりパターニングしてシリコンチャンネル層７を形成する第一工程と、シリコンチャンネル層７上に、互いに離間された磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂを形成する第二工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１０
Description
本発明は、シリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子に関するものである。
スピンを蓄積または伝導するためのチャンネル層上に、磁化自由層及び磁化固定層を設けるスピン伝導素子が知られている。近年、チャンネル層に金属材料を用いたスピン伝導素子に代わって、チャンネル層に半導体材料を用いたスピン伝導素子が多くの注目を集めている。なぜならば、半導体材料の方が金属材料よりもスピン拡散長が長いためであり、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子に代表される受動素子を能動素子として利用できる可能性があるからである。また、半導体材料を用いたスピン伝導素子の場合、半導体電極に強磁性金属材料を利用するため、デバイスの簡略化が可能となる。
半導体材料を用いたスピン伝導素子として、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。特許文献１には、チャンネル層として半導体を用いることが開示されている。また、特許文献２には、チャンネル層として、ＧａＡｓをベースとした半導体化合物を用いることが開示されている。
しかしながら、従来のスピン伝導素子では、十分な電圧出力を得ることは困難であった。そこで、本発明は、電圧出力特性を向上させることが可能なシリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子を提供することを課題とする。
上述の課題を解決するため、本発明のシリコンスピン伝導素子の製造方法は、シリコン膜をウェットエッチングによりパターニングしてシリコンチャンネル層を形成する第一工程と、シリコンチャンネル層上に、互いに離間された磁化自由層及び磁化固定層を形成する第二工程と、を備えることを特徴とする。
本発明者等が検討したところ、シリコンチャンネル層をウェットエッチングによりパターニングすると、予想外にもイオンミリング等の物理的方法によりパターニングした場合に比べて著しく電圧出力が向上することを見出して本発明に想到した。ウェットエッチングによりシリコンチャンネル層をパターニングすることにより電圧出力が向上することの理由は明らかではないが、例えば以下のように考えることができる。従来なされていた物理的方法によれば、シリコンチャンネル層がダメージを受けやすく、シリコンチャンネル層の結晶性が悪くなるものと考えられる。これにより、シリコンチャンネル層でのスピンの散乱が大きくなり、電圧出力が小さくなっていたものと考えられる。また、イオンミリング時にシリコン膜に打ち込まれるイオンによってシリコン膜表面付近の電荷状態が変化し、シリコンチャンネル層でのスピンの散乱が大きくなり、電圧出力が小さくなっていたものと考えられる。これに対して、ウェットエッチングによりパターニングすると、シリコンチャンネル層に対する物理的なダメージが少なく、シリコンチャンネル層の結晶構造を高いままに維持できるものと考えられる。これにより、スピンの散乱が抑制され、高い電圧出力を得ることが可能となるものと考えられる。
また、第一工程では、異方性ウェットエッチングにより、シリコンチャンネル層の側面に傾斜部を形成することが好ましい。このように、異方性ウェットエッチングでは、特定の結晶方位に対して選択的にエッチングすることができ、所望の形状を有するシリコンチャンネル層を得ることができる。
また、第一工程において、主要部と、主要部から突出した角部とを有するマスクを用いることが好ましい。ウェットエッチングによってシリコン膜をパターニングする際、シリコン膜の角部は主要部よりも侵食され易い。角部が突出しているマスクを用いることにより、シリコン膜の角部と主要部の侵食加減を調整することができる。これにより、精度良く形成されたシリコンチャンネル層を得ることができる。
また、第一工程において、角部が主要部の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いることが好ましい。これにより、シリコン膜をマスクの主要部の形状に対応させた形を有するシリコンチャンネル層に精度良く成形することができる。
さらに、角部の形状が、主要部と重なる範囲を含めて、正方形、長方形、又は円形であるような、マスクを用いることが好ましい。これにより、マスクの突出した角部の形状が歪である場合と比較して、ウェットエッチングによる角部の侵食を均等なものとすることができる。従って、マスクの主要部の形状に対応させて、より一層、所望の形状のシリコンチャンネル層に精度良く成形することができる。
また、第一工程の前に、シリコン膜上に設けられた強磁性膜をイオンミリングによりパターニングして、強磁性層を形成する工程を更に備えることが好ましい。これにより、シリコン膜をウェットエッチングによってパターニングし易くなる。
また、第一工程の前に、シリコン膜上に設けられた強磁性膜及び絶縁膜をイオンミリングによりパターニングして、強磁性層及び絶縁層を形成する工程を更に備えることが好ましい。これにより、シリコン膜をウェットエッチングによってパターニングし易くなる。また、シリコンチャンネル層を構成するシリコンと、磁化自由層及び磁化固定層を構成する材料との導電率の違いによる導電率の不整合を絶縁層によって緩和することができる。このため、シリコンチャンネル層と磁化固定層又は磁化自由層との界面におけるスピンの散乱を抑制できる。従って、シリコンスピン伝導素子の電圧出力特性をさらに向上させることが可能となる。
また、本発明のシリコンスピン伝導素子は、シリコンチャンネル層と、シリコンチャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、シリコンチャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、シリコンチャンネル層はウェットエッチングにより形成されたものであることを特徴とする。
シリコンチャンネル層をウェットエッチングにより形成すると、シリコンチャンネル層に対する物理的なダメージが少なく、シリコンチャンネル層の結晶構造を高いままに維持できるものと考えられる。これにより、スピンの散乱が抑制され、高い電圧出力が可能となるものと考えられる。
シリコンチャンネル層は、側面に傾斜部を有することが好ましい。シリコンチャンネル層の側面が傾斜していることにより、シリコンチャンネル層上に形成されうる配線などが断線してしまうことを抑制できる。これにより、信頼性の高いシリコンスピン伝導素子を得ることができる。
また、傾斜部の傾斜角度が５０度〜６０度であることが好ましい。傾斜部の傾斜角度が６０度を超えると、配線などの被膜が断線する恐れがある。一方、傾斜部の傾斜角度が５０度未満であると、磁化固定層及び磁化自由層に対するシリコンチャンネル層の幅が広くなり、スピン伝導にとって効率が悪くなる傾向がある。
また、シリコンチャンネル層の傾斜部、磁化自由層の側面、及び磁化固定層の側面に、酸化膜が設けられていることが好ましい。当該酸化膜上に配線を設けることにより、この配線によりシリコンチャンネル層のスピンが吸収されることを抑制できる。また、当該酸化膜上に配線を設けることにより、配線からシリコンチャンネル層へ電流が流れることを抑制でき、スピン注入効率を向上することができる。
また、シリコンチャンネル層と、磁化自由層及び磁化固定層との間に、絶縁層を更に備えることが好ましい。シリコンチャンネル層を構成するシリコンと、磁化自由層及び磁化固定層を構成する材料との導電率の違いによる導電率の不整合を絶縁層によって緩和することができる。このため、シリコンチャンネル層と磁化固定層又は磁化自由層との界面におけるスピンの散乱を抑制できる。従って、シリコンスピン伝導素子の電圧出力特性をさらに向上させることが可能となる。また、絶縁層の材料がＭｇＯからなることが好ましい。
また、シリコンチャンネル層上における第一の部分と第二の部分との間に、電極を更に備えることが好ましい。これにより、磁化自由層及び磁化固定層の間を流れるスピン流または電流に、当該電極から電場または磁場を印加することができる。従って、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。
また、磁化自由層及び磁化固定層の材料が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金であることが好ましい。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。また、これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁化固定層としての機能を好適に実現することが可能である。
また、磁化自由層及び磁化固定層は、形状異方性によって保磁力差が付けられていることが好ましい。これにより、保磁力差をつけるための反強磁性層を省略することが可能である。
また、磁化固定層は、磁化自由層よりも保磁力が大きいことが好ましい。これにより、シリコンスピン伝導素子における磁化固定層及び磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。
また、磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、反強磁性層は、磁化固定層の磁化の向きを固定することが好ましい。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層を得られる。
本発明によれば、電圧出力特性を向上させることが可能なシリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
以下に、本発明に係るシリコンスピン伝導素子の製造方法を説明する。まず、図１に示すような、シリコン基板１、シリコン酸化膜２、及び表面が（１００）面であるシリコン膜３がこの順に形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板Ｓを準備する。
シリコン膜３に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させる。例えば、導電性を付与するためのイオンとしてＢやＰが挙げられる。また、アニール温度は、例えば９００℃とすることができる。
次いで、洗浄により、ＳＯＩ基板Ｓの表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコール及びＨＦを用いることができる。
ＳＯＩ基板Ｓの洗浄後、図２に示すように、ＳＯＩ基板Ｓのシリコン膜３上に、絶縁膜４及び強磁性膜５を成膜する。絶縁膜４及び強磁性膜５は、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などにより成膜する。さらに、洗浄により、強磁性膜５の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば、アセトン、イソプロピルアルコールを用いることができる。
強磁性膜５の洗浄後、図２に示すように、強磁性膜５上にアライメントパターンＰを作製する。アライメントパターンＰの作製は、フォトリソグラフィー法により行う。例えば、アライメントパターンＰとして１００ｎｍのＴａ膜を用いる。
続いて、フォトリソグラフィー法により、強磁性膜５上にマスクを形成する。図３（ａ）及び図３（ｂ）にマスクの形状の一例を示す。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、主要部２０と、主要部２０から突出した角部２１，２２とを有するようなマスクＭ１，Ｍ２を用いる。この際、角部２１，２２が主要部２０の面積よりも小さな面積を有するようなマスクを用いると良い。また、主要部２０が長方形の場合、突出した角部２１，２２は、長方形の四隅に配置される。
図３（ａ）のように、マスクＭ１の角部２１は、マスクＭ１の主要部２０と重なる範囲を含めて、正方形でも良い。また、図３（ｂ）のように、マスクＭ２の角部２２は、マスクＭ２の主要部２０と重なる範囲を含めて、円形でも良い。この他にも、マスクの角部は、マスクの主要部と重なる範囲を含めて、例えば、長方形や三角形であっても良い。なお、角部を有さないマスクを用いても実施は可能である。
Ｔａ膜を形成した後、レジストにより、上記のようなマスクＭ１，Ｍ２を用いて、絶縁膜４及び強磁性膜５をイオンミリングによりパターニングして、絶縁層８及び強磁性層９を得る。その後、強磁性層９上に、Ｔａ膜とレジストとを形成する。これら絶縁層８、強磁性層９、Ｔａ膜、及びレジストをマスクとして、シリコン膜３をウェットエッチングによりパターニングして、図４に示すようなシリコンチャンネル層７を得る（第一工程）。ウェットエッチングとして、異方性ウェットエッチングを用いることができる。エッチング液として、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を用いる。なお、ウェットエッチング後に、レジストは除去される。また、ウェットエッチング後に、Ｔａ膜は除去されるか後述する配線と一体化する。
主要部２０から突出した角部２１，２２を有するマスクＭ１，Ｍ２を用いることにより、所望の形状のシリコンチャンネル層７を得ることができる。異方性ウェットエッチングを用いた場合、シリコンチャンネル層７の側面には、傾斜部が形成される。異方性ウェットエッチングを用いた場合、傾斜面は（１１１）面となり、シリコン基板１に対しておよそ５５度の角度となる。図４では、主要部が矩形状のマスクを用いた場合を示しており、Ｙ方向が長軸方向となる矩形体状のシリコンチャンネル層７が形成される。この状態においてシリコンチャンネル層７の傾斜部はむき出しになっているため、シリコンチャンネル層７の側面は自然酸化され、酸化膜７ａが形成される。あるいは、シリコンチャンネル層７の側面に酸化膜７ａを酸素アニールにより成膜してもよい。図５に、シリコンチャンネル層７の側面に酸化膜７ａが形成された状態を示す。
その後、強磁性層９表面の酸化膜をイオンミリングで除去した後、強磁性層９をエッチングによりパターニングして、図６に示すような磁化固定層側電極１２Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び磁化自由層側電極１２Ｄを形成する。この際、磁化固定層側電極１２Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び磁化自由層側電極１２Ｄは、絶縁層８上において、長軸方向すなわちＹ方向に並んで配置するように形成する。磁化固定層側電極１２Ａとして、Ｓｉに対して低抵抗なＡｌなどの非磁性金属を用いる場合には、磁化固定層側電極１２Ａとシリコンチャンネル層７との間には、絶縁層８が設けられていなくても良い。また、磁化自由層側電極１２Ｄとして、Ｓｉに対して低抵抗なＡｌなどの非磁性金属を用いる場合には、磁化自由層側電極１２Ｄとシリコンチャンネル層７との間には、絶縁層８が設けられていなくても良い。以上のようにして、シリコンチャンネル層７上に、互いに離間された磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂを形成する（第二工程）。この際、Ｙ方向における幅が、磁化固定層１２Ｂよりも磁化自由層１２Ｃの方が大きくなるように形成する。このようなパターニングは、例えば、イオンミリング及び化学的なエッチングによって、絶縁層８及び強磁性層９の不要な部分を除去することにより行われる。
次に、図７に示すように、磁化固定層側電極１２Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び磁化自由層側電極１２Ｄの上面以外に、例えば、スパッタリング等により、好ましくはシリコン酸化膜などの酸化膜７ｂを形成する。すなわち、酸化膜７ａ、絶縁層８、磁化固定層側電極１２Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び磁化自由層側電極１２Ｄの側面に、酸化膜７ｂを形成する。
図８（ａ）に示すように、磁化固定層側電極１２Ａ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａを形成する。磁化固定層１２Ｂ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂを形成する。磁化自由層１２Ｃ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃを形成する。磁化自由層側電極１２Ｄ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄを形成する。配線１８Ａ〜１８Ｄは、例えばフォトリソグラフィー法により形成することができる。
図８（ｂ）に図８（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図を示す。この酸化膜７ｂ上に配線を設けることにより、この配線によりシリコンチャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。なお、通常、半導体よりも導体である配線は、スピン拡散長が短く、シリコンチャンネル層７に直接接触すると、スピンが吸収されてしまう。また、本来強磁性層である磁化固定層１２Ｂからシリコンチャンネル層７へスピンを注入するはずが、導体である配線からシリコンチャンネル層７へ電流が流れるために、スピン注入効率が著しく悪くなる。
続いて、図９に示すように、配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部に、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４を形成する。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、ウェットエッチングによって露出されたシリコン酸化膜２及び酸化膜７ｂ上に形成する。最後にチップ化することにより、所望のシリコンスピン伝導素子を得る。
図１０（ａ）は、チップ化したシリコンスピン伝導素子１０の斜視図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すシリコンチャンネル層７のＸＺ断面図である。また、図１１（ａ）に、シリコンスピン伝導素子を上面からみた際の模式図を示す。図１１（ｂ）に、図１１（ａ）の領域Ｂを拡大した図を示す。
図１０（ａ）に示すように、シリコンスピン伝導素子１０は、シリコン基板１上に設けられたシリコン酸化膜２と、シリコン酸化膜２上に設けられたシリコンチャンネル層７と、シリコンチャンネル層７の第一の部分上に設けられた磁化自由層１２Ｃと、シリコンチャンネル層７の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層１２Ｂと、を備えている。シリコンチャンネル層７はウェットエッチングにより形成されたものである。
さらに、シリコンスピン伝導素子１０は、シリコンチャンネル層７上の第三の部分上に設けられた磁化固定層側電極１２Ａと、シリコンチャンネル層７上の第四の部分上に設けられた磁化自由層側電極１２Ｄとを備えている。また、シリコンチャンネル層７と、磁化固定層側電極１２Ａ、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び磁化自由層側電極１２Ｄとの間には、絶縁層８が設けられている。あるいは、磁化固定層側電極１２Ａ及び磁化自由層側電極１２Ｄとして、ＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属を用いた場合には、絶縁層８は設けられていない。
図１０（ｂ）に示すように、シリコンチャンネル層７は、側面に傾斜部を有しており、その傾斜角度θは、５０度〜６０度である。ここで、傾斜角度θとは、シリコンチャンネル層７の底部と側面のなす角度である。
図１０（ａ）に示すように、磁化固定層側電極１２Ａ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ａが設けられている。磁化固定層１２Ｂ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｂが設けられている。磁化自由層１２Ｃ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｃが設けられている。磁化自由層側電極１２Ｄ上及びシリコンチャンネル層７の傾斜した側面上に、配線１８Ｄが設けられている。配線１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの端部には、測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４が設けられている。なお、配線１８Ａ〜１８Ｄの端部及び測定用の電極パッドＥ１〜Ｅ４は、シリコン酸化膜２上に形成されている。
図１１（ａ）に示すように、シリコンチャンネル層７は、Ｙ方向を長軸とした直方体形状を有している。図１１（ｂ）に示すように、配線１８Ｂの下には、磁化固定層１２Ｂが設けられている。また、配線１８Ｃの下には、磁化自由層１２Ｃが設けられている。磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、それぞれＸ方向を長軸とした直方体形状を有している。Ｙ方向における幅が、磁化固定層１２Ｂよりも磁化自由層１２Ｃの方が大きい。磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、Ｘ方向とＹ方向のアスペクト比の違いによって、反転磁場の差が付けられている。このように、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃには、形状異方性によって保磁力差が付けられており、磁化固定層１２Ｂは、磁化自由層１２Ｃよりも保磁力が大きい。
磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの材料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である。また、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃは、当該金属や合金の積層体でも良い。例えば、磁化固定層１２Ｂまたは磁化自由層１２Ｃとして、Ｆｅ及びＴｉの積層膜を用いる。
絶縁層８は絶縁性材料からなり、例えばＭｇＯが用いられる。配線１８Ａ〜１８Ｄは、Ｃｕなどの導電性材料からなる。電極パッドＥ１〜Ｅ４は、Ａｕなどの導電性材料からなる。
以上のようにして、シリコンスピン伝導素子１０を得ることができる。得られたシリコンスピン伝導素子１０において、図１０（ａ）に示すように、電極パッドＥ１及びＥ３を電流源７０に接続することにより、磁化固定層１２Ｂに検出用電流を流すことができる。強磁性体である磁化固定層１２Ｂから非磁性のシリコンチャンネル層７へ検出用電流が流れることにより、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子がシリコンチャンネル層７へ注入される。注入されたスピンは磁化自由層１２Ｃ側へ拡散していく。このように、シリコンチャンネル層７に流れる電流及びスピン流が、主にＹ方向に流れる構造とすることができる。そして、外部からの磁界によって変化される磁化自由層１２Ｃの磁化の向き、すなわち電子のスピンと、シリコンチャンネル層７の磁化自由層１２Ｃと接する部分の電子のスピンとの相互作用により、シリコンチャンネル層７と磁化自由層１２Ｃの界面において電圧出力が発生する。この電圧出力は、電極パッドＥ２及びＥ４に接続した電圧測定器８０により検出することができる。
本発明のシリコンスピン伝導素子１０によれば、シリコン膜をウェットエッチングによりパターニングするため、シリコンチャンネル層に対する物理的なダメージが少なく、シリコンチャンネル層の結晶構造を高いままに維持できるものと考えられる。これにより、スピンの散乱が抑制され、高い電圧出力が可能となるものと考えられる。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例）
シリコン基板、シリコン酸化膜（厚さ２００ｎｍ）、及びシリコン膜（厚さ１００ｎｍ）からなるＳＯＩ基板を準備した。まず、シリコン膜に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させた。アニール温度は、９００℃とした。その後、洗浄により、ＳＯＩ基板のシリコン膜の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をした。洗浄液として、ＨＦを用いた。
シリコン基板、シリコン酸化膜（厚さ２００ｎｍ）、及びシリコン膜（厚さ１００ｎｍ）からなるＳＯＩ基板を準備した。まず、シリコン膜に導電性を付与するためのイオンを注入し、その後、アニールを行ってイオンを拡散させた。アニール温度は、９００℃とした。その後、洗浄により、ＳＯＩ基板のシリコン膜の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をした。洗浄液として、ＨＦを用いた。
続いて、シリコン膜上に、ＭｇＯ膜（厚さ０．８ｎｍ）、Ｆｅ膜（厚さ１０ｎｍ）、Ｔｉ膜（厚さ５ｎｍ）、及びＴａ膜（厚さ３ｎｍ）の積層体を形成した。その後、Ｔａ膜の表面をアセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄した。次いで、異方性ウェットエッチングにより、側面に傾斜部を有するシリコンチャンネル層を得た。この際、シリコンチャンネル層のサイズは、２３μｍ×３００μｍとした。得られたシリコンチャンネル層の側面の傾斜部の傾斜角度θは５５度であった。エッチング液には、ＴＭＡＨを用いた。
その後、イオンミリング法及び化学的なエッチングによりパターニングして、Ｆｅ層及びＴｉ層の積層体からなる磁化固定層側電極、磁化固定層、磁化自由層、及び磁化自由層側電極をそれぞれ得た。
次に、磁化固定層側電極、磁化固定層、磁化自由層、及び磁化自由層側電極上に配線をそれぞれ形成した。配線として、Ｔａ（厚さ１０ｎｍ）、Ｃｕ（厚さ５０ｎｍ）、及びＴａ（厚さ１０ｎｍ）の積層構造を用いた。さらに、各配線の端部にそれぞれ電極パッドを形成した。電極パッドとして、Ｃｒ（厚さ５０ｎｍ）とＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）の積層構造を用いた。こうして、図１０（ａ）に示すシリコンスピン伝導素子１０と同様の構成を有する実施例のシリコンスピン伝導素子を得た。
図１２は、実施例で得られたシリコンスピン伝導素子の上面写真図である。図１２に示されるように、シリコンチャンネル層７上に、磁化自由層１２Ｃ（図１２では、配線１８Ｃの下に設けられている）と、磁化固定層１２Ｂ（図１２では、配線１８Ｂの下に設けられている）とが設けられている。また、磁化固定層１２Ｂは、配線１８Ｂを介して、電極パッドＥ１に接続されており、磁化自由層１２Ｃは、配線１８Ｃを介して電極パッドＥ２に接続されている。
（比較例）
比較例では、シリコンチャンネル層を異方性ウェットエッチングの代わりにイオンミリングによって形成した以外は、実施例と同様の手順でシリコンスピン伝導素子を得た。
比較例では、シリコンチャンネル層を異方性ウェットエッチングの代わりにイオンミリングによって形成した以外は、実施例と同様の手順でシリコンスピン伝導素子を得た。
＜出力電圧の評価＞
実施例及び比較例で作製したシリコンスピン伝導素子に対して外部磁界を印加し、これに応じて出力される出力電圧を測定した。具体的には、電流源からの検出用電流を磁化固定層へ流すことにより、磁化固定層からシリコンチャンネル層へスピンを注入した。そして、外部磁場による磁化自由層の磁化変化に基づく電圧出力を電圧測定器により測定した。
実施例及び比較例で作製したシリコンスピン伝導素子に対して外部磁界を印加し、これに応じて出力される出力電圧を測定した。具体的には、電流源からの検出用電流を磁化固定層へ流すことにより、磁化固定層からシリコンチャンネル層へスピンを注入した。そして、外部磁場による磁化自由層の磁化変化に基づく電圧出力を電圧測定器により測定した。
その結果を図１３（ａ）及び（ｂ）に示す。図１３（ａ）及び（ｂ）は、印加磁場の強さ（Ｏｅ）と電圧出力（Ｖ）との関係を示すグラフである。図１３（ａ）は、比較例のシリコンスピン伝導素子に関し、図１３（ｂ）は、実施例のシリコンスピン伝導素子に関する。図１３（ａ）及び（ｂ）のＧ１，Ｇ３は印加磁場を徐々に強くした場合、Ｇ２，Ｇ４は印加磁場を徐々に弱くした場合を示す。
比較例のシリコンスピン伝導素子では、図１３（ａ）のＧ１及びＧ２に示されるように、電圧出力に際立ったピークが見られず、電圧出力特性が悪いことが判る。これは、シリコンチャンネル層を構成する半導体材料の結晶性が、プラズマなどによりダメージを受け、シリコンチャンネル層自体においてスピンが散乱していることに起因すると推測される。
対して、実施例のシリコンスピン伝導素子では、図１３（ｂ）のＧ３に示されるように外部磁場を徐々に強くすると、３００（Ｏｅ）付近に磁化反転に伴う電圧出力のピークが見られる。また、図１３（ｂ）のＧ４に示されるように外部磁場を徐々に弱くすると、−３００（Ｏｅ）付近に磁化反転に伴う電圧出力のピークが見られる。このように、比較例と比較して、実施例のシリコンスピン伝導素子では、電圧出力特性が良好なものとなっている。これは、シリコンチャンネル層をウェットエッチングにより形成するため、シリコンの結晶性が良好となり、スピンの散乱が抑えられたことに起因すると推測される。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、第一工程において、シリコン膜３上に設けられた絶縁膜４及び強磁性膜５をイオンミリングによりパターニングした後に、シリコン膜３をウェットエッチングによりパターニングする例を示した。しかしながら、シリコン膜３上に絶縁膜４及び強磁性膜５を形成する前に、シリコン膜３のみをウェットエッチングによりパターニングしても良い。そして、パターニングされたシリコン膜上に、後から絶縁膜及び強磁性膜を形成し、パターニングにより絶縁層及び強磁性層を得てもよい。
また、シリコン膜３上に絶縁膜のみを設け、絶縁膜をイオンミリングによりパターニングして絶縁層を得た後に、シリコン膜３をウェットエッチングによりパターニングしても良い。そして、パターニングされたシリコン膜及び絶縁膜上に、後から強磁性膜を形成してパターニングしてもよい。
また、シリコンチャンネル層７上において、磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃとの間に、電極を更に備えていても良い。これにより、当該電極から電場あるいは磁場を磁化固定層１２Ｂ及び磁化自由層１２Ｃの間を流れるスピン流または電流に印加することができる。これにより、スピンの偏極方向を調節することが可能となる。
また、磁化固定層１２Ｂ上に反強磁性層を更に備えても良い。反強磁性層は、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きを固定するものとして機能する。反強磁性層が磁化固定層と交換結合することにより、磁化固定層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層が得られる。反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。
１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、３…シリコン膜、４…絶縁膜、５…強磁性膜、７…シリコンチャンネル層、８…絶縁層、９…強磁性層、１２Ａ…磁化固定層側電極、１２Ｂ…磁化固定層、１２Ｃ…磁化自由層、１２Ｄ…磁化自由層側電極、１８Ａ〜１８Ｄ…配線、Ｓ…ＳＯＩ基板、Ｅ１〜Ｅ４…電極パッド、Ｐ…アライメントパターン、Ｍ１，Ｍ２…マスク、２０…主要部、２１，２２…角部。
Claims (18)
- シリコン膜をウェットエッチングによりパターニングしてシリコンチャンネル層を形成する第一工程と、
前記シリコンチャンネル層上に、互いに離間された磁化自由層及び磁化固定層を形成する第二工程と、を備えるシリコンスピン伝導素子の製造方法。 - 前記第一工程では、異方性ウェットエッチングにより、前記シリコンチャンネル層の側面に傾斜部を形成する請求項１または２に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- 前記第一工程では、主要部と、前記主要部から突出した角部とを有する前記マスクを用いる請求項１に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- 前記第一工程では、前記角部が前記主要部の面積よりも小さな面積を有するような前記マスクを用いる請求項３に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- 前記第一工程では、前記角部の形状が、前記主要部と重なる範囲を含めて、正方形、長方形、又は円形であるような前記マスクを用いる請求項４に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- 前記第一工程の前に、シリコン膜上に設けられた強磁性膜をイオンミリングによりパターニングして、強磁性層を形成する工程を更に備える請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- 前記第一工程の前に、シリコン膜上に設けられた強磁性膜及び絶縁膜をイオンミリングによりパターニングして、強磁性層及び絶縁層を形成する工程を更に備える請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子の製造方法。
- シリコンチャンネル層と、
前記シリコンチャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、
前記シリコンチャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、
前記シリコンチャンネル層はウェットエッチングにより形成されたものであるシリコンスピン伝導素子。 - 前記シリコンチャンネル層は、側面に傾斜部を有する請求項８に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記傾斜部の傾斜角度が５０度〜６０度である請求項９に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記シリコンチャンネル層の前記傾斜部、前記磁化自由層の側面、及び前記磁化固定層の側面に、酸化膜が設けられている請求項９に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記シリコンチャンネル層と、前記磁化自由層及び前記磁化固定層との間に、絶縁層を更に備える請求項８〜１１のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記絶縁層の材料がＭｇＯである請求項１２に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記シリコンチャンネル層上における前記第一の部分と第二の部分との間に、電極を更に備える請求項８〜１３のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記磁化自由層及び前記磁化固定層の材料が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である請求項８〜１４のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記磁化自由層及び前記磁化固定層には、形状異方性によって保磁力差が付けられている請求項８〜１５のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記磁化固定層は、前記磁化自由層よりも保磁力が大きい請求項８〜１６のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
- 前記磁化固定層上に形成された反強磁性層を更に備え、
前記反強磁性層は、前記磁化固定層の磁化の向きを固定する請求項８〜１７のいずれか一項に記載のシリコンスピン伝導素子。
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