JP2011142326A - Spin mos field effect transistor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin MOS field effect transistor including a magnetic body forming an antiferromagnetic coupling with a full Heusler alloy of high spin polarizability, and using a magnetoresistive effect element with a high TMR ratio. <P>SOLUTION: The spin MOS field effect transistor includes, at least one of a source and a drain, a structure including a full Heusler alloy layer 13 formed on a semiconductor substrate 10, a ferromagnetic layer 14 formed on the full Heusler alloy layer 13 and having a face-centered cubic lattice structure, a nonmagnetic layer 15 formed on the ferromagnetic layer 14, and a ferromagnetic layer 16 formed on the nonmagnetic layer 15. The antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and ferromagnetic layer 16 formed with the nonmagnetic layer 15 interposed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、フルホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子、及びスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ、磁気記憶装置、磁気ヘッドなどを含むスピンデバイスに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element using a full Heusler alloy, and a spin device including a spin MOS field effect transistor, a magnetic storage device, a magnetic head, and the like.

近年、強磁性体/絶縁体/強磁性体のサンドイッチ構造で構成されるトンネル型磁気抵抗効果(ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistance effect)素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置(ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory)への応用が提案されている。これは一つの強磁性体層のスピンを固定し(磁化固定層)、もう一つの強磁性体層のスピンを制御する(フリー層)ことによってサンドイッチ構造間の抵抗を変化させ、メモリとして利用するものである。固定層とフリー層のスピンが平行の場合は抵抗が小さく、反平行の場合は抵抗が大きくなる。このスピン効率の指標となる磁気抵抗変化率(ＴＭＲ比)は数年前までは室温下で数１０％であったが最近では５００％にまで達し、ＭＲＡＭに限らず、さまざまなスピンデバイスとしての可能性が拡がっている。その一つに、スピンＭＯＳ電界効果トランジスタ（スピンＭＯＳＦＥＴ）が提案されている。これは、通常のＭＯＳＦＥＴに強磁性体を組み合わせることで、キャリアにスピンの自由度を付加したものである。   In recent years, to a magnetic memory device (MRAM: Magnetic Random Access Memory) using a tunneling magnetoresistive effect (TMR) element composed of a ferromagnetic / insulator / ferromagnetic sandwich structure as a memory element. The application of is proposed. This is to change the resistance between sandwich structures by fixing the spin of one ferromagnetic layer (magnetization pinned layer) and controlling the spin of another ferromagnetic layer (free layer), and use it as a memory Is. When the spin of the fixed layer and the free layer is parallel, the resistance is small, and when the spin is antiparallel, the resistance is large. The magnetoresistance change rate (TMR ratio), which is an index of the spin efficiency, was several tens of percent at room temperature up to several years ago, but has recently reached 500%, not limited to MRAM, but as various spin devices. The possibilities are expanding. As one of them, a spin MOS field effect transistor (spin MOSFET) has been proposed. This is a combination of a normal MOSFET and a ferromagnetic material to add spin freedom to carriers.

高効率な磁気記憶装置やスピンＭＯＳＦＥＴなどを実現するためには、ＴＭＲ比を大きくすることが重要である。そのためには、スピン偏極率(Ｐ)の大きい強磁性体を用いることが必要で、Ｐ＝１００％のハーフメタル材料を用いれば、Julliereの法則からＴＭＲ比は無限大を示すと考えられている。室温ハーフメタル材料の候補としては、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ホイスラー合金などがあり、近年ではＣｏ基フルホイスラー合金で高いＴＭＲ比が実現しており、これらを用いたスピンデバイスが期待される。ホイスラー合金（またはフルホイスラー合金とも言う）とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ等の遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉ等の遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ホイスラー合金Ｘ２ＹＺは、Ｘ・Ｙ・Ｚの規則性から３種類の結晶構造に分けられる。３元素の区別ができるＸ≠Ｙ≠Ｚとなる最も規則性の高い構造がＬ２１構造、次に規則性の高いＸ≠Ｙ=Ｚとなる構造がＢ２構造、そして３元素の区別ができないＸ＝Ｙ＝Ｚとなる構造がＡ２構造である。 In order to realize a high-efficiency magnetic memory device, spin MOSFET, etc., it is important to increase the TMR ratio. For that purpose, it is necessary to use a ferromagnetic material having a large spin polarization (P). If a half-metal material with P = 100% is used, it is considered that the TMR ratio is infinite according to Julliere's law. Yes. Candidate room temperature half-metal materials include CrO 2 , Fe 3 O 4 , and Heusler alloys. In recent years, high TMR ratios have been realized with Co-based full Heusler alloys, and spin devices using these are expected. . Heusler alloy (or full Heusler alloy) is a general term for intermetallic compounds having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition of Co, Fe, Ni, Cu or the like on the periodic table. Metal elements or noble metal elements, Y is a transition metal such as Mn, Fe, V, Ni, or Ti, and Z is a typical element of group III, group IV, or group V. Heusler alloy X 2 YZ is divided into three types of crystal structures due to the regularity of X, Y, and Z. The most regular structure that can distinguish three elements X ≠ Y ≠ Z is the L2 1 structure, the next most regular structure X ≠ Y = Z is B2 structure, and the three elements cannot be distinguished from X A structure where = Y = Z is an A2 structure.

Ｂ２または、Ｌ２１構造を有するフルホイスラー合金は、体心立方格子(ｂｃｃ)下地上に成長しやすいことが知られている（例えば、特許文献１参照）が、フルホイスラー合金を実用化するためには、以下に示したスピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合(Syn-AF:Synthetic antiferromagnetまたは、Synthetic Ferrimagenet)構造（以下Syn-AF構造と略する）を用いることが必要となる。 It is known that a full Heusler alloy having a B2 or L2 1 structure is likely to grow on a body-centered cubic lattice (bcc) base (see, for example, Patent Document 1), but in order to put the full Heusler alloy into practical use. As shown below, an artificially produced antiferromagnetic coupling consisting of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer with antiferromagnetic coupling between ferromagnetic layers via a nonmagnetic layer as a pinned layer shown below It is necessary to use a (Syn-AF: Synthetic antiferromagnet or Synthetic Ferrimagenet) structure (hereinafter abbreviated as Syn-AF structure).

現在、ＴＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）を磁気ヘッド、スピンメモリ、スピンＭＯＳＦＥＴへ応用する場合、スピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合構造（Syn-AF構造）が用いられている。これは強磁性層の間にＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒなどの非磁性層を用いることにより、強磁性層間の交換相互作用により磁区形成を抑制するとともに、漏れ磁場によるフリー層への影響を低減させることができる。これまでＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、Ｆｅなどの強磁性体においてはSyn-AF構造が有効であることが明らかになっている。   Currently, when applying a TMR element (magnetoresistance effect element) to a magnetic head, a spin memory, and a spin MOSFET, a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic layer is antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer as a spin fixed layer / nonmagnetic An artificially produced antiferromagnetic coupling structure (Syn-AF structure) consisting of layers / ferromagnetic layers is used. By using nonmagnetic layers such as Ru, Rh, Ir, and Cr between the ferromagnetic layers, this suppresses the formation of magnetic domains by exchange interaction between the ferromagnetic layers and reduces the influence of the leakage magnetic field on the free layer. Can be made. So far, it has been clarified that the Syn-AF structure is effective in ferromagnetic materials such as CoFeB, CoFe, CoFeNi, and Fe.

しかし、フルホイスラー合金を用いた場合、通常の非磁性層であるＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒを用いても、フルホイスラー合金/非磁性層/フルホイスラー合金および、フルホイスラー合金/非磁性層/強磁性層では、反強磁性結合が生じないことが今回明らかになった。よって、フルホイスラー合金をスピンデバイスとして用いる場合には、Syn-AF構造を構成する物質との組合せが必須となる。   However, when a full Heusler alloy is used, a normal Heusler alloy / nonmagnetic layer / full Heusler alloy and full Heusler alloy / nonmagnetic layer / It has now been clarified that antiferromagnetic coupling does not occur in the ferromagnetic layer. Therefore, when a full Heusler alloy is used as a spin device, a combination with a substance constituting the Syn-AF structure is essential.

ホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子の例としては、例えば特許文献２に、スピン分極率の高い材料であるホイスラー合金を、非磁性層と磁化固定層との界面、或いは非磁性層とフリー層との界面に用いたＴＭＲ素子の構造が記載されている。   As an example of a TMR element using a Heusler alloy, for example, Patent Document 2 discloses that a Heusler alloy that is a material having a high spin polarizability is an interface between a nonmagnetic layer and a magnetization fixed layer, or a nonmagnetic layer and a free layer. The structure of the TMR element used for the interface is described.

しかし、特許文献２では、ヘッド応用として提案されているホイスラー合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのハーフホイスラー合金系（ＸＹＺ）である。ハーフホイスラー合金系はスピン分極率の高い材料として予測されているが、これまでの研究において、室温でＴＭＲ比が１０％程度と非常に低いため、Syn-AF構造を構成する磁性体との組合せに用いることは難しい。   However, in Patent Document 2, the Heusler alloy proposed as a head application is a half-Heusler alloy system (XYZ) such as NiMnSb and PtMnSb. Half-Heusler alloy system is predicted as a material with high spin polarizability, but in previous studies, the TMR ratio is as low as about 10% at room temperature. It is difficult to use.

特開平8-250366号公報JP-A-8-250366 特開2003-318462号公報JP 2003-318462 A

本発明は、スピン分極率の高いフルホイスラー合金と反強磁性結合を形成する磁性体を含む、ＴＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を用いたスピンＭＯＳ電界効果トランジスタを提供する。   The present invention provides a spin MOS field effect transistor using a magnetoresistive effect element having a high TMR ratio, including a magnetic material that forms antiferromagnetic coupling with a full Heusler alloy having a high spin polarizability.

一実施態様のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２強磁性層とを含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とする。   The spin MOS field effect transistor of one embodiment includes a full Heusler alloy layer formed on a semiconductor substrate, a first ferromagnetic layer having a face-centered cubic lattice structure formed on the full Heusler alloy layer, A structure including a nonmagnetic layer formed on the first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer formed on the nonmagnetic layer is provided in at least one of the source and the drain, and the nonmagnetic layer An antiferromagnetic coupling is formed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer that are formed via a gap.

本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the TMR element which has the full Heusler alloy of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of spin MOSFET of 2nd Embodiment of this invention. 第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the embedding type spin MOSFET of the modification of 2nd Embodiment. 第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。It is sectional drawing of the 1st process which shows the manufacturing method of spin MOSFET of 2nd Embodiment. 第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd process which shows the manufacturing method of spin MOSFET of 2nd Embodiment. 第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。It is sectional drawing of the 1st process which shows the manufacturing method of the embedding type spin MOSFET of the modification of 2nd Embodiment. 第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd process which shows the manufacturing method of the embedded spin MOSFET of the modification of 2nd Embodiment. 本発明の第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the memory cell in MRAM of 3rd Embodiment of this invention. 第３実施形態のＭＲＡＭにおけるＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the TMR element in MRAM of 3rd Embodiment. 本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the TMR head of 4th Embodiment of this invention. 比較例１で作製した積層体の構造を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the structure of a laminate produced in Comparative Example 1. FIG. 比較例１の積層体における室温での磁化の磁場依存性を示す図である。6 is a diagram showing the magnetic field dependence of magnetization at room temperature in the laminate of Comparative Example 1. FIG. 実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure of a TMR element having a full Heusler alloy of Example 1. FIG. 実施例１のＴＭＲ素子におけるＴＭＲ比及びＲＡの測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of TMR ratio and RA in the TMR element of Example 1. 比較例２で作製した積層体の構造を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the structure of a laminate produced in Comparative Example 2. FIG. 強磁性体層Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図である。FIG. 3 is a ternary phase diagram of a ferromagnetic layer Co—Fe—Ni.

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と記す）について説明する。図１は、第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。 [First Embodiment]
First, a tunnel magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as a TMR element) having the full Heusler alloy according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a TMR element having a full Heusler alloy according to the first embodiment.

第１実施形態のＴＭＲ素子は、図１に示すように、フリー層である強磁性体層１１上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、面心立方格子(以下、ｆｃｃと記す)構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、及び反強磁性体層１７が順次積層された構造を有している。   As shown in FIG. 1, the TMR element according to the first embodiment has an insulator layer 12, a full Heusler alloy layer 13, a face-centered cubic lattice (hereinafter referred to as fcc) on a ferromagnetic layer 11 that is a free layer. The structure has a structure in which a ferromagnetic layer 14, a nonmagnetic layer 15, a ferromagnetic layer 16, and an antiferromagnetic layer 17 are sequentially stacked.

詳述すると、強磁性体層１１上には、絶縁体層１２が形成されている。強磁性体層１１は、フルホイスラー合金であっても良いし、絶縁体層１２に接する部分がフルホイスラー合金であれば他の強磁性体を用いても良い。フルホイスラー合金とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕなどの遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉなどの遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ここでは、フルホイスラー合金として、例えば、Ｂ２またはＬ２１構造を有するフルホイスラー合金：Ｃｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）が用いられる。 More specifically, an insulator layer 12 is formed on the ferromagnetic layer 11. The ferromagnetic layer 11 may be a full Heusler alloy, or another ferromagnetic material may be used if the portion in contact with the insulator layer 12 is a full Heusler alloy. Full-Heusler alloy is a generic name for intermetallic compounds having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element such as Co, Fe, Ni, or Cu on the periodic table, Y Is a transition metal such as Mn, Fe, V, Ni or Ti, and Z is a typical element of group III, group IV or group V. Here, as a full Heusler alloy, for example, a full Heusler alloy having a B2 or L2 1 structure: Co 2 FeAl x Si 1-x , Co 2 MnSi x Al 1-x , Fe 2 NiAl x Si 1-x (0 ≦ x ≦ 1) is used.

絶縁体層１２としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、フルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。また、絶縁体層１２は、トンネル障壁として用いるため３ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下であることがより好ましい。 As the insulator layer 12, MgO (magnesium oxide), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), BiO 2 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), Various insulators such as CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 3 (strontium titanate), LaAlO 3 (lanthanum aluminate), Al—N—O (aluminum oxynitride), and HfO (hafnium oxide) can be used. . In particular, it is more preferable to use a (001) -oriented MgO layer as the insulator layer because a full Heusler alloy can be epitaxially grown. Further, the insulator layer 12 is preferably 3 nm or less, and more preferably 2 nm or less, because it is used as a tunnel barrier.

絶縁体層１２上には、フルホイスラー合金層１３が形成されている。このフルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、反強磁性結合（Syn-AF)構造を形成する強磁性体である。   A full Heusler alloy layer 13 is formed on the insulator layer 12. On the full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14 having an fcc structure is formed. The ferromagnetic layer 14 having the fcc structure is a ferromagnetic material that forms an antiferromagnetic coupling (Syn-AF) structure.

我々は、フルホイスラー合金層上に体心立方格子(ｂｃｃ)構造を有する強磁性体を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体を用いた場合のＴＭＲ素子を作製し、ｂｃｃ構造ではフルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金上に形成する強磁性体はｆｃｃ構造であることが重要である。ｆｃｃ構造を有する強磁性体は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体を用いると良い。この範囲を超えた場合、強磁性体はｆｃｃ構造を形成せず、ＴＭＲ比は著しく低下することを我々は見出した。 We fabricated TMR elements using a ferromagnetic material having a body-centered cubic lattice (bcc) structure on a full Heusler alloy layer and using a ferromagnetic material having an fcc structure. We have found that the spin polarizability of Heusler alloys decreases. Therefore, it is important that the ferromagnetic material formed on the full Heusler alloy has an fcc structure. ferromagnetic material having a fcc structure, and a Co x Fe 1-x, Fe y Ni 1-y, Ni 1-z Co z, Co-Fe-Ni alloy or of these compounds. The composition ratio of Co x Fe 1-x having the fcc structure is x = 0.7 to 0.97, the composition ratio of Fe y Ni 1-y is y = 0 to 0.3, and the composition of Ni 1-z Co z The ratio is z = 0 to 0.95, and a ferromagnetic material formed in this range may be used. We have found that beyond this range, the ferromagnet does not form an fcc structure and the TMR ratio is significantly reduced.

ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。この非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。   A nonmagnetic layer 15 is formed on the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure. The nonmagnetic layer 15 is a material that exhibits antiferromagnetic coupling by exchange interaction with a ferromagnetic material, and is made of a nonmagnetic material such as Cr, Ru, Rh, Ir, or an alloy using these. The film thickness of the nonmagnetic layer 15 is preferably 3 nm or less, which shows antiferromagnetic coupling.

非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６は、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層でも、その他の構造を有する強磁性体層でも良いが、素子の作製を簡素化するために、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を形成したほうがより好ましい。この強磁性体層１６上には、反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、Ｉｒ−Ｍｎ、ＰｔＭｎなどからなる。   A ferromagnetic layer 16 is formed on the nonmagnetic layer 15. The ferromagnetic layer 16 may be a ferromagnetic layer having an fcc structure or a ferromagnetic layer having another structure. However, in order to simplify the fabrication of the element, a ferromagnetic layer having an fcc structure is used. It is more preferable to form it. An antiferromagnetic layer 17 is formed on the ferromagnetic layer 16. The antiferromagnetic material layer 17 is made of Ir—Mn, PtMn, or the like.

本実施形態のＴＭＲ素子では、強磁性体層１１は磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となり、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６からなる積層構造は磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となる。このピン層では、非磁性層１５を介して強磁性体層１４と強磁性体層１６とが反強磁性結合した反強磁性結合構造（以下、Syn-AF構造）を形成している。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係をスピン注入法や電流磁場印加法等により変化させることによって、ＴＭＲ素子の抵抗値を変化させることができる。   In the TMR element of this embodiment, the ferromagnetic layer 11 becomes a free layer (magnetization free layer) in which the magnetization changes, and the full Heusler alloy layer 13, the ferromagnetic layer 14, the nonmagnetic layer 15, and the ferromagnetic layer 16. The laminated structure consisting of becomes a pinned layer (magnetization pinned layer) in which magnetization is maintained. In this pinned layer, an antiferromagnetic coupling structure (hereinafter referred to as “Syn-AF structure”) in which the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 15 is formed. The resistance value of the TMR element can be changed by changing the relative relationship between the magnetization of the free layer and the magnetization of the pinned layer by a spin injection method, a current magnetic field application method, or the like.

今回、フルホイスラー合金にSyn-AF構造を構成する物質を組合せた場合、Syn-AF構造を構成する強磁性体の結晶構造によってフルホイスラー合金層のスピン分極率が変化することを見出した。さらに、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子にSyn-AF構造を構成する場合、ｆｃｃ構造を有した強磁性体を用いると、高いＴＭＲ比を実現することができる。   In this study, we found that the spin-polarizability of the full-Heusler alloy layer changes depending on the crystal structure of the ferromagnet that composes the Syn-AF structure when combined with a substance that composes the Syn-AF structure. Furthermore, when a Syn-AF structure is formed in a TMR element using a full Heusler alloy, a high TMR ratio can be realized by using a ferromagnetic material having an fcc structure.

また、フリー層である強磁性体層１１に換えて、絶縁体層１２のフルホイスラー合金層１３が形成された面と反対側の面に、フルホイスラー合金層、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、非磁性層、及び強磁性体層を順次積層した構造を用いても良い。この構造により、フリー層の磁区生成を抑制し、漏れ磁場による影響を低減させることができる。   Further, instead of the ferromagnetic layer 11 which is a free layer, a full Heusler alloy layer and a ferromagnetic layer having an fcc structure are formed on the surface of the insulator layer 12 opposite to the surface on which the full Heusler alloy layer 13 is formed. Alternatively, a structure in which a nonmagnetic layer and a ferromagnetic layer are sequentially stacked may be used. With this structure, it is possible to suppress the generation of the magnetic domain in the free layer and reduce the influence of the leakage magnetic field.

以上説明したように本実施形態においては、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を実現することができる。このＴＭＲ素子は、例えばスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用可能である。以下に、ＴＭＲ素子を、スピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用した例を説明する。   As described above, in this embodiment, a full Heusler alloy layer having a high spin polarizability can be formed by forming a ferromagnetic layer having an fcc structure in contact with the full Heusler alloy layer. . Here, if a ferromagnetic material forming a Syn-AF structure is used as the ferromagnetic material layer having the fcc structure, a full Heusler alloy having a high spin polarizability can be used for the TMR element. Thereby, a TMR element having a high TMR ratio can be realized. This TMR element can be applied to, for example, a spin MOSFET, an MRAM (spin memory), and a magnetic head. Hereinafter, an example in which the TMR element is applied to a spin MOSFET, an MRAM (spin memory), and a magnetic head will be described.

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴについて説明する。図２は、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。 [Second Embodiment]
A spin MOSFET according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the spin MOSFET of the second embodiment.

図２に示すように、半導体基板１０の表面領域には、ソースまたはドレイン部としての不純物拡散層１０Ａがイオン注入法によって形成されている。不純物拡散層１０Ａ上には、フルホイスラー合金層１３が形成され、このフルホイスラー合金層１３上にはｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。強磁性体層１４上には非磁性層１５が形成され、非磁性層１５上には強磁性体層１６が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。図２では、ソース部及びドレイン部それぞれの不純物拡散層１０Ａの上に、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６の積層構造が形成されているが、ソース部及びドレイン部のうち片方の不純物拡散層１０Ａの上に当該積層構造が形成されていてもよい。   As shown in FIG. 2, an impurity diffusion layer 10A as a source or drain portion is formed in the surface region of the semiconductor substrate 10 by an ion implantation method. A full Heusler alloy layer 13 is formed on the impurity diffusion layer 10 </ b> A, and a ferromagnetic layer 14 having an fcc structure is formed on the full Heusler alloy layer 13. A nonmagnetic layer 15 is formed on the ferromagnetic layer 14, and a ferromagnetic layer 16 is formed on the nonmagnetic layer 15. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 via the nonmagnetic layer 15. In FIG. 2, a stacked structure of a full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14, a nonmagnetic layer 15, and a ferromagnetic layer 16 is formed on the impurity diffusion layers 10A of the source and drain portions. The laminated structure may be formed on one impurity diffusion layer 10A of the source part and the drain part.

ここで、不純物拡散層１０Ａとフルホイスラー合金層１３との間に、トンネル障壁として絶縁体層を用いても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ(酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、（００１）配向したＭｇＯを用いると、フルホイスラー合金１３をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。 Here, an insulator layer may be used as a tunnel barrier between the impurity diffusion layer 10 </ b> A and the full Heusler alloy layer 13. As the insulator layer, MgO (magnesium oxide), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), BiO 2 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF Various insulators such as 2 (calcium fluoride), SrTiO 3 (strontium titanate), LaAlO 3 (lanthanum aluminate), Al—N—O (aluminum oxynitride), and HfO (hafnium oxide) can be used. In particular, it is more preferable to use (001) -oriented MgO because the full Heusler alloy 13 can be epitaxially grown.

ここで、トンネル障壁となる絶縁体層は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。   Here, it is desirable that the insulator layer serving as a tunnel barrier has a thickness that does not cause carrier spin relaxation and allows carriers to tunnel, and is preferably 3 nm or less, which is sufficiently smaller than the spin diffusion length. In the above-described spin MOSFET of the second embodiment, in order to improve mobility, the insulator layer is preferably thinner than 5 nm, more preferably thinner than 3 nm. In particular, when a spin injection method is used for writing information, it is preferable to set the film thickness to 1 nm or less from the viewpoint of reducing resistance.

この構造により、ソース及びドレイン部から供給されるスピンを持ったキャリアをトンネル伝導によって半導体中に伝導させることが可能となる。さらに、ソースまたはドレイン部のいずれか一方の強磁性体層１６上に反強磁性体層１７を形成することにより、磁化固定層を形成する。ソースとドレイン部との間の半導体基板１０上にはゲート絶縁膜２１が形成され、このゲート絶縁膜２１上にはゲート電極２２が形成されている。   With this structure, it is possible to conduct the carriers with spin supplied from the source and drain portions into the semiconductor by tunnel conduction. Further, an antiferromagnetic layer 17 is formed on one of the source and drain portions of the ferromagnetic layer 16 to form a magnetization fixed layer. A gate insulating film 21 is formed on the semiconductor substrate 10 between the source and drain portions, and a gate electrode 22 is formed on the gate insulating film 21.

フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。このｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、Syn-AF構造を形成する強磁性体である。   A ferromagnetic layer 14 having an fcc structure is formed on the full Heusler alloy layer 13. The ferromagnetic layer 14 having the fcc structure is a ferromagnetic body that forms a Syn-AF structure.

我々は、フルホイスラー合金層上にｂｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合のＴＭＲ素子を作製した。その結果、ｂｃｃ構造を有する強磁性体層では、フルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金層上に形成する強磁性体層はｆｃｃ構造であることが重要である。   We fabricated TMR elements when a ferromagnetic layer having a bcc structure was used on a full Heusler alloy layer and when a ferromagnetic layer having an fcc structure was used. As a result, it was found that the spin polarization of the full Heusler alloy decreases in the ferromagnetic layer having the bcc structure. Therefore, it is important that the ferromagnetic layer formed on the full Heusler alloy layer has an fcc structure.

ｆｃｃ構造を有する強磁性体層は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体層を用いると良い。 ferromagnetic layer having an fcc structure is composed of a Co x Fe 1-x, Fe y Ni 1-y, Ni 1-z Co z, Co-Fe-Ni alloy or of these compounds. The composition ratio of Co x Fe 1-x having the fcc structure is x = 0.7 to 0.97, the composition ratio of Fe y Ni 1-y is y = 0 to 0.3, and the composition of Ni 1-z Co z The ratio is z = 0 to 0.95, and a ferromagnetic layer formed in this range is preferably used.

ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。   A nonmagnetic layer 15 is formed on the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure. The nonmagnetic layer 15 is a material that exhibits antiferromagnetic coupling by exchange interaction with a ferromagnetic material, and is made of a nonmagnetic material such as Cr, Ru, Rh, Ir, or an alloy using these. The film thickness of the nonmagnetic layer 15 is preferably 3 nm or less that exhibits antiferromagnetic coupling.

非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６はｆｃｃ構造を有した強磁性層でも、その他の構造を有した強磁性層でも良いが、素子の作製を簡素化するためにｆｃｃ構造を有した強磁性層を形成したほうがより好ましい。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどからなる。   A ferromagnetic layer 16 is formed on the nonmagnetic layer 15. The ferromagnetic layer 16 may be a ferromagnetic layer having an fcc structure or a ferromagnetic layer having another structure, but a ferromagnetic layer having an fcc structure is formed in order to simplify the fabrication of the element. Is more preferable. An antiferromagnetic layer 17 is formed on the ferromagnetic layer 16 in the source or drain portion so that either the source or drain portion becomes a magnetization fixed layer. The antiferromagnetic material layer 17 is made of IrMn, PtMn, or the like.

また、フルホイスラー合金層１３とｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４の間に、絶縁体層、フルホイスラー合金層を積層し、ＴＭＲ素子を形成させても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として、（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。 Further, a TMR element may be formed by laminating an insulator layer and a full Heusler alloy layer between the full Heusler alloy layer 13 and the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure. As the insulator layer, MgO (magnesium oxide), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), BiO 2 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF Various insulators such as 2 (calcium fluoride), SrTiO 3 (strontium titanate), LaAlO 3 (lanthanum aluminate), Al—N—O (aluminum oxynitride), and HfO (hafnium oxide) can be used. In particular, it is more preferable to use a (001) -oriented MgO layer as the insulator layer because a full Heusler alloy formed on the insulator layer can be epitaxially grown.

なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。   Note that the insulator layer 12 serving as a barrier layer preferably has a film thickness that does not cause carrier spin relaxation and can tunnel carriers, and is preferably 3 nm or less, which is sufficiently smaller than the spin diffusion length. In the above-described spin MOSFET of the second embodiment, in order to improve mobility, the insulator layer is preferably thinner than 5 nm, more preferably thinner than 3 nm. In particular, when a spin injection method is used for writing information, it is preferable to set the film thickness to 1 nm or less from the viewpoint of reducing resistance.

なお、前述したソース及びドレインは、図３に示すような埋め込み型で構成されていても良い。図３は、第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。   Note that the source and drain described above may be of a buried type as shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a buried spin MOSFET according to a modification of the second embodiment.

図３に示すように、半導体基板１０に加工された凹部(ソースまたはドレインが形成されるべき部分)には、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６が順次積層された構造となっている。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。さらに、ソースとドレインとの間の半導体基板１０上には、ゲート絶縁膜２１、ゲート電極２２が順次積層されている。また、ゲート電極２２の側面には、側壁膜２３が形成されている。   As shown in FIG. 3, in the recess processed in the semiconductor substrate 10 (portion where the source or drain is to be formed), an insulator layer 12, a full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14 having an fcc structure, The nonmagnetic layer 15 and the ferromagnetic layer 16 are sequentially laminated. An antiferromagnetic layer 17 is formed on the ferromagnetic layer 16 in the source or drain portion so that either the source or drain portion becomes a magnetization fixed layer. Further, a gate insulating film 21 and a gate electrode 22 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 10 between the source and the drain. A sidewall film 23 is formed on the side surface of the gate electrode 22.

本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、ソース上あるいはドレイン上のフルホイスラー合金層１３のうち、反強磁性体層１７が形成された側のフルホイスラー合金層１３が磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となり、他方のフルホイスラー合金層１３が磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となる。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係を変化させることによって、トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値を変化させることができる。フリー層の磁化を変化させるためには、例えば、チャネル等を介したスピン注入法や電流磁場印加法等を用いることができる。   In the spin MOSFET of the present embodiment, among the full Heusler alloy layer 13 on the source or drain, the pinned layer (magnetization fixed) in which the magnetization of the full Heusler alloy layer 13 on the side on which the antiferromagnetic material layer 17 is formed is maintained. The other full Heusler alloy layer 13 becomes a free layer (magnetization free layer) in which the magnetization changes. By changing the relative relationship between the magnetization of the free layer and the magnetization of the pinned layer, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element can be changed. In order to change the magnetization of the free layer, for example, a spin injection method through a channel or the like, a current magnetic field application method, or the like can be used.

次に、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図４に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。   Next, a method for manufacturing the spin MOSFET shown in FIG. 2 will be described. First, a channel region is formed in the semiconductor substrate 10 using an ion implantation method and annealing. Thereafter, for example, a silicon oxide film 21 and a polycrystalline silicon film 22 are sequentially formed on the semiconductor substrate 10. Next, on the semiconductor substrate 10, the silicon oxide film 21 and the polycrystalline silicon film 22 where the source and drain are formed are removed by etching, and the gate insulating film 21 and the gate electrode 22 are removed as shown in FIG. Form.

次に、ソース及びドレインが形成される半導体基板１０の表面領域にイオン注入法及びアニールを用いて不純物拡散層１０Ａを形成する。続いて、不純物拡散層１０Ａ上に、スパッタ法によりフルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図５に示すように、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、図５に示した構造上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図２に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。   Next, an impurity diffusion layer 10A is formed in the surface region of the semiconductor substrate 10 where the source and drain are formed using ion implantation and annealing. Subsequently, the full Heusler alloy 13, the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure, the nonmagnetic layer 15, and the ferromagnetic layer 16 are sequentially stacked on the impurity diffusion layer 10A by sputtering. Subsequently, using a lift-off method, an ion milling method, an RIE method, or the like, as shown in FIG. 5, the full Heusler alloy 13, the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure, the nonmagnetic layer 15, and the ferromagnetic layer 16 are used. Are patterned to form a source electrode and a drain electrode. Further, an antiferromagnetic material layer 17 is deposited on the structure shown in FIG. 5 by sputtering. Subsequently, the antiferromagnetic material layer 17 is patterned by using a lift-off method, an ion milling method, an RIE method, or the like, and as shown in FIG. 2, the antiferromagnetic material layer 17 is formed on either the source or drain portion. To do. Thus, the spin MOSFET shown in FIG. 2 is manufactured.

次に、図５に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図６に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。   Next, a method for manufacturing the spin MOSFET shown in FIG. 5 will be described. First, a channel region is formed in the semiconductor substrate 10 using an ion implantation method and annealing. Thereafter, for example, a silicon oxide film 21 and a polycrystalline silicon film 22 are sequentially formed on the semiconductor substrate 10. Next, on the semiconductor substrate 10, the silicon oxide film 21 and the polycrystalline silicon film 22 where the source and drain are formed are removed by etching, and the gate insulating film 21 and the gate electrode 22 are removed as shown in FIG. Form.

次に、半導体基板１０上及びゲート電極２２上に絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜をエッチバックして、図７に示すように、ゲート電極２２の側面に側壁膜２３を形成する。続いて、半導体基板１０において、ソース及びドレインが形成される部分の半導体基板１０をエッチングによって除去し、図７に示すように、半導体基板１０に凹部を形成する。   Next, an insulating film is formed on the semiconductor substrate 10 and the gate electrode 22. Then, this insulating film is etched back to form a sidewall film 23 on the side surface of the gate electrode 22 as shown in FIG. Subsequently, a portion of the semiconductor substrate 10 where the source and drain are to be formed is removed by etching to form a recess in the semiconductor substrate 10 as shown in FIG.

次に、半導体基板１０の凹部上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図３に示すように、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、強磁性体層１６上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図３に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図３に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。   Next, the insulator layer 12, the full Heusler alloy layer 13, the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure, the nonmagnetic layer 15, and the ferromagnetic layer 16 are sequentially stacked on the concave portion of the semiconductor substrate 10. Subsequently, using a lift-off method, an ion milling method, an RIE method or the like, as shown in FIG. 3, the insulator layer 12, the full Heusler alloy layer 13, the ferromagnetic layer 14 having the fcc structure, the nonmagnetic layer 15, The ferromagnetic layer 16 is patterned to form a source electrode and a drain electrode. Further, an antiferromagnetic material layer 17 is deposited on the ferromagnetic material layer 16 by sputtering. Subsequently, the antiferromagnetic material layer 17 is patterned by using a lift-off method, an ion milling method, an RIE method, or the like, and as shown in FIG. 3, the antiferromagnetic material layer 17 is formed on one of the source and drain portions. To do. Thus, the spin MOSFET shown in FIG. 3 is manufactured.

なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、トンネルバリアの破壊を防ぎ、且つ適した抵抗値を実現するために１ｎｍ程度の膜厚にする必要がある。   Note that the insulator layer 12 serving as a barrier layer preferably has a film thickness that does not cause carrier spin relaxation and can tunnel carriers, and is preferably 3 nm or less, which is sufficiently smaller than the spin diffusion length. In the above-described spin MOSFET of the second embodiment, in order to improve mobility, the insulator layer is preferably thinner than 5 nm, more preferably thinner than 3 nm. In particular, when the spin injection method is used for writing information, it is necessary to make the film thickness about 1 nm in order to prevent destruction of the tunnel barrier and to realize a suitable resistance value.

この第２実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたスピンＭＯＳＦＥＴを実現することができる。   According to the second embodiment, the full Heusler alloy layer having a high spin polarizability can be formed by forming the full Heusler alloy layer in contact with the ferromagnetic layer having the fcc structure. Here, if a ferromagnetic material forming a Syn-AF structure is used as the ferromagnetic material layer having the fcc structure, a full Heusler alloy having a high spin polarizability can be used for the TMR element. As a result, a spin MOSFET including a TMR element having a high TMR ratio can be realized.

さらに、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、非磁性層１５を介して配置された強磁性体層１４と強磁性体層１６との間が反強磁性結合を形成している。このような構造を用いると、強磁性体層１４と強磁性体層１６の磁化が反平行であるため、強磁性体層１４と強磁性体層１６からの漏れ磁場を相殺し、結果としてフリー層、ピン層からの漏れ磁場を低減する効果がある。これにより、大規模集積回路（ＬＳＩ）のような隣接セル同士が非常に近距離で接した場合でも漏れ磁場の影響によるセル間の特性ばらつきを排除することができる。さらに、反強磁性結合した強磁性体層１４と強磁性体層１６を用いると、熱揺らぎ耐性が向上するという効果もある。ＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。   Further, in the spin MOSFET of the second embodiment, the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 disposed via the nonmagnetic layer 15 form antiferromagnetic coupling. When such a structure is used, since the magnetizations of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 are antiparallel, the leakage magnetic fields from the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 are canceled out. This has the effect of reducing the leakage magnetic field from the layer and pinned layer. Thereby, even when adjacent cells such as a large scale integrated circuit (LSI) are in contact with each other at a very short distance, it is possible to eliminate variation in characteristics between cells due to the influence of a leakage magnetic field. Further, the use of the antiferromagnetically coupled ferromagnetic layer 14 and ferromagnetic layer 16 has the effect of improving the thermal fluctuation resistance. The effect as a TMR element is the same as that of the first embodiment described above.

また、本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。   In the spin MOSFET of this embodiment, the angle formed by each spin in the full-Heusler alloy layer forming the free layer or the pinned layer is parallel to the in-plane direction of the full-Heusler alloy layer when viewed from the element surface. In this case, it is 0 degree, and in the case of antiparallel, it is 180 degrees.

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態のＭＲＡＭについて説明する。このＭＲＡＭにおけるメモリセルには、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いている。図８は、第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。 [Third Embodiment]
Next, an MRAM according to a third embodiment of the present invention will be described. The memory cell in this MRAM uses a TMR element using a full Heusler alloy. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the memory cell in the MRAM of the third embodiment.

第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルは、図８に示すように、半導体基板３０に形成されたトランジスタ上に、電極層、多結晶金属下地配線３７、ＴＭＲ素子３８、金属ビア（または金属ハードマスク）３９を順次形成し、その上にビット線４０を形成した構造を有している。   As shown in FIG. 8, the memory cell in the MRAM of the third embodiment includes an electrode layer, a polycrystalline metal ground wiring 37, a TMR element 38, a metal via (or a metal hard mask) on a transistor formed on a semiconductor substrate 30. ) 39 are sequentially formed, and a bit line 40 is formed thereon.

以下にＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を詳述する。半導体基板３０には素子分離領域３１が形成され、素子分離領域３１に挟まれた半導体基板にはソース領域またはドレイン領域３２が形成されている。ソース領域とドレイン領域との間の半導体基板３０上には、ゲート絶縁膜３３が形成されている。さらに、このゲート絶縁膜３３上には、ゲート電極３４が形成されている。また、半導体基板３０上には層間絶縁膜３５が形成され、ソース領域またはドレイン領域３２上の層間絶縁膜３５内には、コンタクトプラグ３６を介して第１配線Ｍ１、第２配線Ｍ２、第３配線Ｍ３が順次形成されている。第３配線Ｍ３上のコンタクトプラグ３６上には、多結晶金属下地配線３７が形成されている。この多結晶金属下地配線３７上には、ＴＭＲ素子３８が形成されている。さらに、ＴＭＲ素子３８上には金属ビア（または金属ハードマスク）３９が形成され、この金属ビア３９上にはビット線４０が形成されている。   The structure of the memory cell in the MRAM will be described in detail below. An element isolation region 31 is formed in the semiconductor substrate 30, and a source region or a drain region 32 is formed in the semiconductor substrate sandwiched between the element isolation regions 31. A gate insulating film 33 is formed on the semiconductor substrate 30 between the source region and the drain region. Further, a gate electrode 34 is formed on the gate insulating film 33. An interlayer insulating film 35 is formed on the semiconductor substrate 30, and the first wiring M 1, the second wiring M 2, and the third wiring are formed in the interlayer insulating film 35 on the source region or the drain region 32 through contact plugs 36. The wiring M3 is formed sequentially. A polycrystalline metal base wiring 37 is formed on the contact plug 36 on the third wiring M3. A TMR element 38 is formed on the polycrystalline metal base wiring 37. Further, a metal via (or metal hard mask) 39 is formed on the TMR element 38, and a bit line 40 is formed on the metal via 39.

ここで、ＴＭＲ素子３８は、多結晶金属下地配線３７上に、フリー層となるフルホイスラー合金層、絶縁体層、ピン層となるフルホイスラー合金層／ｆｃｃ構造を有した強磁性体層／非磁性層／強磁性体層を順次積層した構造を有している。なお、前述した多結晶金属下地配線３７上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、多結晶金属下地配線３７上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、後述する図９（ａ）または図９（ｂ）のそれぞれの積層構造を上下逆とする構成としてもよい。   Here, the TMR element 38 has a full-Heusler alloy layer serving as a free layer, an insulator layer, a full-Heusler alloy layer serving as a pin layer / a ferromagnetic layer having an fcc structure / non-layer on the polycrystalline metal base wiring 37. It has a structure in which a magnetic layer / ferromagnetic layer are sequentially laminated. Note that the structure is not limited to the structure in which the free layer, the insulator layer, and the pin layer are formed in this order on the polycrystalline metal base wiring 37, but the pin layer and the insulator layer are formed on the polycrystalline metal base wiring 37. The structure may be formed in the order of the free layer. That is, it is good also as a structure which turns each laminated structure of FIG. 9 (a) mentioned later or FIG.9 (b) upside down.

ＴＭＲ素子３８の詳細な断面構造を、図９（ａ）または図９（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、多結晶金属下地配線３７上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、ピン層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。   A detailed cross-sectional structure of the TMR element 38 is shown in FIG. 9A or 9B. As shown in FIG. 9A, a full Heusler alloy layer 41 serving as a free layer, an insulator layer 12, and a full Heusler alloy layer 13 serving as a pin layer are sequentially formed on the polycrystalline metal base wiring 37. . On the full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14 having a fcc structure, a nonmagnetic layer 15, a ferromagnetic layer 16, an antiferromagnetic layer 17, and a cap layer 42 are sequentially formed. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 via the nonmagnetic layer 15.

また、図９（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子３８の他の断面構造例は、多結晶金属下地配線３７上には、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。強磁性体層４５はｆｃｃ構造を有することが好ましく、強磁性体層４３もｆｃｃ構造を有することが好ましい。強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。   9B, another example of the cross-sectional structure of the TMR element 38 is that a ferromagnetic layer 43, a nonmagnetic layer 44, and a ferromagnetic layer 45 are sequentially formed on the polycrystalline metal base wiring 37. Has been. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 43 and the ferromagnetic layer 45 via the nonmagnetic layer 44. The ferromagnetic layer 45 preferably has an fcc structure, and the ferromagnetic layer 43 also preferably has an fcc structure. On the ferromagnetic layer 45, a full Heusler alloy layer 41 serving as a free layer, an insulator layer 12, and a full Heusler alloy layer 13 serving as a fixed layer are sequentially formed. On the full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14 having a fcc structure, a nonmagnetic layer 15, a ferromagnetic layer 16, an antiferromagnetic layer 17, and a cap layer 42 are sequentially formed. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 via the nonmagnetic layer 15.

この第３実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＭＲＡＭを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。   According to the third embodiment, the full Heusler alloy layer having a high spin polarizability can be formed by forming the full Heusler alloy layer in contact with the ferromagnetic layer having the fcc structure. Here, if a ferromagnetic material forming a Syn-AF structure is used as the ferromagnetic material layer having the fcc structure, a full Heusler alloy having a high spin polarizability can be used for the TMR element. Thereby, an MRAM including a TMR element having a high TMR ratio can be realized. The other effects as the TMR element are the same as those in the first embodiment.

また、本実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子において、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。   In the MRAM TMR element of the present embodiment, the angle formed by each spin in the full Heusler alloy layer forming the free layer or the pinned layer is relative to the in-plane direction of the full Heusler alloy layer when viewed from the element surface. In the case of parallel, it is 0 degrees, and in the case of antiparallel, it is 180 degrees.

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドについて説明する。このＴＭＲヘッドは、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いて形成されており、ハードディスクドライブ(ＨＤＤ)に使用される。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。 [Fourth Embodiment]
Next, a TMR head according to a fourth embodiment of the present invention will be described. This TMR head is formed using a TMR element using a full Heusler alloy and is used in a hard disk drive (HDD). FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing the structure of the TMR head of the fourth embodiment.

このＴＭＲヘッドは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子が下部電極層４６と上部電極層４７の間に配置された構造を有している。ＴＭＲ素子は、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層が順次積層した構造を有している。詳述すると、図１０（ａ）に示すように、下部電極層（磁気シールド層）４６上には、フルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。キャップ層４２上には、上部電極層（磁気シールド層）４７が形成されている。下部電極層４６と上部電極層４７の間には絶縁膜４８が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ａ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ａ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。   The TMR head has a structure in which a TMR element is disposed between a lower electrode layer 46 and an upper electrode layer 47, as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). The TMR element has a structure in which a free layer, an insulator layer, and a pinned layer are sequentially stacked on the lower electrode layer 46. More specifically, as shown in FIG. 10A, on the lower electrode layer (magnetic shield layer) 46, a full Heusler alloy layer 41, an insulator layer 12, a full Heusler alloy 13, and a ferromagnetic material having an fcc structure. The layer 14, the nonmagnetic layer 15, the ferromagnetic layer 16, the antiferromagnetic layer 17, and the cap layer 42 are sequentially formed. An upper electrode layer (magnetic shield layer) 47 is formed on the cap layer 42. An insulating film 48 is formed between the lower electrode layer 46 and the upper electrode layer 47. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 via the nonmagnetic layer 15. As shown in FIG. 10A, the structure is not limited to the structure in which the free layer, the insulator layer, and the pinned layer are formed in this order on the lower electrode layer 46, and the pinned layer is formed on the lower electrode layer 46. Alternatively, the structure may be formed in the order of an insulator layer and a free layer. That is, the stacked structure in FIG. 10A may be reversed upside down.

また、図１０（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子の他の断面構造例は、下部電極層４６上に、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。さらに、強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。さらに、キャップ層４２上には、上部電極層４７が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。さらに、強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ｂ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ｂ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。   In another example of the cross-sectional structure of the TMR element shown in FIG. 10B, the ferromagnetic layer 43, the nonmagnetic layer 44, and the ferromagnetic layer 45 are sequentially formed on the lower electrode layer 46. Further, on the ferromagnetic layer 45, a full Heusler alloy layer 41 serving as a free layer, an insulator layer 12, and a full Heusler alloy layer 13 serving as a fixed layer are sequentially formed. On the full Heusler alloy layer 13, a ferromagnetic layer 14 having a fcc structure, a nonmagnetic layer 15, a ferromagnetic layer 16, an antiferromagnetic layer 17, and a cap layer 42 are sequentially formed. Furthermore, an upper electrode layer 47 is formed on the cap layer 42. An antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 16 via the nonmagnetic layer 15. Further, antiferromagnetic coupling is formed between the ferromagnetic layer 43 and the ferromagnetic layer 45 via the nonmagnetic layer 44. As shown in FIG. 10B, the structure is not limited to the structure in which the free layer, the insulator layer, and the pinned layer are formed in this order on the lower electrode layer 46, and the pinned layer is formed on the lower electrode layer 46. Alternatively, the structure may be formed in the order of an insulator layer and a free layer. That is, the stacked structure of FIG. 10B may be configured upside down.

また、ＴＭＲヘッドにおける強磁性体層としては、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金またはこれらの化合物などを用いることができる。   Further, as the ferromagnetic layer in the TMR head, Fe, Co—Fe alloy, Fe—Ni alloy, Ni—Co alloy, Co—Fe—Ni alloy, or a compound thereof can be used.

前述した第３、第４実施形態において、絶縁体層１２の膜厚は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。   In the third and fourth embodiments described above, it is desirable that the insulator layer 12 has a film thickness that does not cause carrier spin relaxation and allows carriers to tunnel, and is 3 nm or less, which is sufficiently smaller than the spin diffusion length.

また、以上説明した各実施形態においては、半導体基板の材料としては少なくとも表面にＳｉ単結晶、Ｇｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、Ｓｉ−Ｇｅ単結晶を有する基板またはＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板であることを特徴としている。また、絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。 In each of the embodiments described above, the material of the semiconductor substrate is at least a Si single crystal, a Ge single crystal, a GaAs single crystal, a Si-Ge single crystal on the surface, or an SOI (Silicon on Insulator) substrate. It is characterized by that. As the insulator layer, MgO (magnesium oxide), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), BiO 2 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride) Various insulators such as CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 3 (strontium titanate), LaAlO 3 (lanthanum aluminate), Al—N—O (aluminum oxynitride), HfO (hafnium oxide), etc. it can. In particular, the use of a (001) -oriented MgO layer as the insulator layer is more preferable because a full Heusler alloy formed on the insulator layer can be epitaxially grown.

この第４実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＴＭＲヘッドを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。   According to the fourth embodiment, the full Heusler alloy layer having a high spin polarizability can be formed by forming the full Heusler alloy layer in contact with the ferromagnetic layer having the fcc structure. Here, if a ferromagnetic material forming a Syn-AF structure is used as the ferromagnetic material layer having the fcc structure, a full Heusler alloy having a high spin polarizability can be used for the TMR element. Thereby, a TMR head including a TMR element having a high TMR ratio can be realized. The other effects as the TMR element are the same as those in the first embodiment.

また、本実施形態のＴＭＲヘッドにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、９０度をなすものとする。   In the TMR head of this embodiment, the angle formed by each spin in the full-Heusler alloy layer forming the free layer or the pinned layer is 90 degrees with respect to the in-plane direction of the full-Heusler alloy layer.

以下、実施例及び比較例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.

(比較例１)
本発明の比較例１として、図１１に示すようなフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を作製した。その作製手順を以下に示す。図１１は、比較例１のフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。 (Comparative Example 1)
As Comparative Example 1 of the present invention, a Syn-AF structure using a full Heusler alloy as shown in FIG. 11 was produced. The production procedure is shown below. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a TMR element having a Syn-AF structure using the full Heusler alloy of Comparative Example 1.

まず、（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｏＦｅ層（膜厚４ｎｍ）５１、Ｃｒ層（膜厚０．９５ｎｍ）５２、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚４ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）５５、及びＩｒＭｎ（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。 First, after cleaning the surface of the (001) -oriented MgO substrate 50 by sputtering cleaning, the moisture in the substrate is removed by annealing. Next, a full Heusler alloy comprising a CoFe layer (film thickness 4 nm) 51, a Cr layer (film thickness 0.95 nm) 52, and Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 on an MgO (001) substrate 50 by sputtering. (Film thickness 4 nm) 53, MgO layer 54, Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 (film thickness 5 nm) 55, and IrMn (film thickness 10 nm) 56 are sequentially formed. Further, a Ru layer (film thickness 7 nm) 57 to be a cap layer is formed on the IrMn layer 56 by sputtering.

上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、磁化の磁場依存性をＶＳＭ(Vibrating Sample Magnetometer)を用いて測定した。図１２は、印加磁場を面方向に０°と４５°傾けて測定した場合の結果を示す。図１２に示すＨ＝０Ｏｅ近傍で観測されているヒステリシスカーブがSyn-AF構造の磁化を示し、Syn-AF構造による交換結合の効果が観測されていないことを示している。   In the TMR element of Example 1 laminated by the above procedure, the magnetic field dependence of magnetization was measured using a VSM (Vibrating Sample Magnetometer). FIG. 12 shows the results when the applied magnetic field is measured by tilting it by 0 ° and 45 ° in the plane direction. The hysteresis curve observed in the vicinity of H = 0 Oe shown in FIG. 12 indicates the magnetization of the Syn-AF structure, indicating that the effect of exchange coupling by the Syn-AF structure is not observed.

従って、比較例１からフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造はできていないことがわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を形成するためには、フルホイスラー合金とSyn-AF構造を形成する強磁性体とを組み合わせることが必要であることがわかった。   Therefore, it was found from Comparative Example 1 that a Syn-AF structure using a full Heusler alloy was not formed. Therefore, it was found that in order to form a Syn-AF structure using a full Heusler alloy, it is necessary to combine a full Heusler alloy and a ferromagnetic material forming the Syn-AF structure.

(実施例１)
本発明の実施例１として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１３は、実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。 (Example 1)
As Example 1 of the present invention, a TMR element having a full Heusler alloy was produced. The production procedure is shown below. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the TMR element having the full Heusler alloy of Example 1.

（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｒ層５２を形成する。さらに、Ｃｒ層５２上に、スパッタ法によりＣｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚５ｎｍ）５５、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層（膜厚３ｎｍ）５８、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。なお、Ｃｒ層５２は、フルホイスラー合金層５３をエピタキシャル成長させ、結晶性（規則度）を高めるために用いた。 After cleaning the surface of the (001) oriented MgO substrate 50 by sputter cleaning, the moisture in the substrate is removed by annealing. Next, a Cr layer 52 is formed on the MgO (001) substrate 50 by sputtering. Furthermore, on the Cr layer 52, made of Co 2 FeAl 0.5 full Heusler alloy layer made of Si 0.5 (thickness 30 nm) 53, MgO layer 54, Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 by sputtering A full Heusler alloy layer (film thickness 5 nm) 55, a Co x Fe 1-x layer (film thickness 3 nm) 58, and an IrMn layer (film thickness 10 nm) 56 are sequentially formed. Further, a Ru layer (film thickness 7 nm) 57 to be a cap layer is formed on the IrMn layer 56 by sputtering. The Cr layer 52 was used for epitaxial growth of the full Heusler alloy layer 53 to increase crystallinity (ordering degree).

ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８の組成比としてはｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合と、ｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合について作製した。 As the composition ratio of the Co x Fe 1-x layer 58, the case of using x = 0.5 having a bcc structure and the case of using x = 0.9 having an fcc structure were prepared.

上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その測定結果であるＴＭＲ比と、抵抗面積（ＲＡ）を図１４に示す。ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８としてｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３９．７％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１１０．６％であった。また、ｘ＝１．０であるｈｃｐ構造のＣｏ層を用いた場合では１９．４％であった。なお、図１４において、「無し」とはSyn-AF構造が無い場合のデータを示す。 In the TMR element of Example 1 laminated by the above procedure, the TMR ratio was measured using the CIPT (Current In-Plane Tunneling) method. FIG. 14 shows the TMR ratio and resistance area (RA) as the measurement results. When x = 0.5 having a bcc structure is used as the Co x Fe 1-x layer 58, the TMR ratio is 39.7%, and x = 0.9 having the fcc structure as the Co x Fe 1-x layer is When used, the TMR ratio was 110.6%. In the case of using a Co layer having an hcp structure where x = 1.0, it was 19.4%. In FIG. 14, “None” indicates data when there is no Syn-AF structure.

従って、実施例１からフルホイスラー合金上には、ｂｃｃ、ｈｃｐ構造の強磁性体よりｆｃｃ構造の強磁性体を用いたほうが高いＴＭＲ比を実現することがわかった。よって、フルホイスラー合金上にSyn-AF構造を形成する場合、ｆｃｃ構造の強磁性体を用いると良いことがわかった。   Therefore, it was found from Example 1 that a higher TMR ratio was realized by using a fcc structure ferromagnetic material than a bcc, hcp structure ferromagnetic material on a full Heusler alloy. Therefore, it was found that when the Syn-AF structure is formed on the full Heusler alloy, it is preferable to use a fcc structure ferromagnetic material.

上記構造において、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚３０ｎｍ）の代わりに、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｆｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５，または、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｂｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５をフリー層としたＴＭＲ素子も作製した。／は右の層が左の層の上に位置することを意味する。これらはいずれも、ＣｏＦｅとｆｃｃ−ＣｏＦｅとがＲｕを介して反強磁性結合している。ピン層は上記ｆｃｃ構造の強磁性体を用いたフルホイスラー合金を含むピン構造である。その結果、ｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３７．５％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１０５．２％であった。これにより、フリー層の場合もｆｃｃ構造を用いる方が好ましいことが明らかになった。 In the above structure, instead of a full Heusler alloy (thickness 30 nm) made of Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 , CoFe / Ru / fcc-CoFe / Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 , or CoFe A TMR element having / Ru / bcc-CoFe / Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 as a free layer was also produced. / Means that the right layer is located above the left layer. In any of these, CoFe and fcc-CoFe are antiferromagnetically coupled via Ru. The pinned layer has a pinned structure including a full Heusler alloy using the fcc-structured ferromagnetic material. As a result, when x = 0.5 having the bcc structure is used, the TMR ratio is 37.5%, and when using x = 0.9 having the fcc structure as the Co x Fe 1-x layer, the TMR ratio is obtained. = 105.2%. As a result, it was found that it is preferable to use the fcc structure even in the case of the free layer.

本傾向は、Ｃｏ−ＦｅをＣｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉに変えても同様の傾向を示す。例えば、図１６の３元状態図に示すように、ＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５の範囲では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。また、図１６に示すＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７を直線で結んで囲まれた領域（直線上も含む）の組成からなる合金では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。この実施例１に示した組成は、前述した第１〜第４実施形態における、面心立方格子(ｆｃｃ)構造を有する強磁性体層としてのＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金にも適用可能である。 This tendency shows the same tendency even when Co—Fe is changed to Co—Ni, Ni—Fe, and Co—Fe—Ni. For example, as shown in the ternary phase diagram of FIG. 16, the composition ratio of Co x Fe 1-x is x = 0.7-0.97, and the composition ratio of Fe y Ni 1-y is y = 0-0. 3. The composition ratio of Ni 1-z Co z was found to not cause an extreme decrease in the TMR ratio in the range of z = 0 to 0.95. In the Co—Fe—Ni ternary phase diagram shown in FIG. 16, Co 0.7 Fe 0.3 , Co 0.97 Fe 0.03 , Co 0.95 Ni 0.05 , Ni, Fe 0. It has been clarified that an alloy having a composition in a region surrounded by 3 Ni 0.7 connected by a straight line (including a straight line) does not cause an extreme decrease in the TMR ratio. The composition shown in Example 1 is the same as that in the first to fourth embodiments described above as Co—Fe, Co—Ni, Ni—Fe, Co as a ferromagnetic layer having a face-centered cubic lattice (fcc) structure. It can also be applied to an -Fe-Ni alloy.

(比較例２)
本発明の比較例２として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１５は、比較例２のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。 (Comparative Example 2)
As Comparative Example 2 of the present invention, a TMR element having a full Heusler alloy was produced. The production procedure is shown below. FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a TMR element having the full Heusler alloy of Comparative Example 2.

（００１）配向したＭｇＯ基板６０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板６０上に、スパッタ法によりｂｃｃ構造をとるＣｏ０．５Ｆｅ０．５層６１、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘからなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）６２、ＭｇＯ層６３、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ層６４、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）６５を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層６５上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）６６を形成する。 After cleaning the surface of the (001) oriented MgO substrate 60 by sputter cleaning, the moisture in the substrate is removed by annealing. Next, a Co 0.5 Fe 0.5 layer 61, Co 2 MnAl 0.5 Si 0.5 or Fe 2 NiAl x Si 1− having a bcc structure is formed on the MgO (001) substrate 60 by sputtering. Full Heusler alloy layer (film thickness 30 nm) 62 made of x , MgO layer 63, Co 2 MnAl 0.5 Si 0.5 (film thickness 5 nm), or Fe 2 NiAl x Si 1-x layer 64, and IrMn layer (Film thickness 10 nm) 65 is formed sequentially. Further, a Ru layer (film thickness 7 nm) 66 serving as a cap layer is formed on the IrMn layer 65 by sputtering.

上記の手順で積層した比較例２のＴＭＲ素子に対して、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その結果、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、またはＦｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘの場合、それぞれ、ＴＭＲ比＝１５．６％、１８．２％であった。 The TMR ratio was measured using the CIPT (Current In-Plane Tunneling) method for the TMR element of Comparative Example 2 laminated by the above procedure. As a result, in the case of Co 2 MnAl 0.5 Si 0.5 or Fe 2 NiAl x Si 1-x , the TMR ratios were 15.6% and 18.2%, respectively.

従って、比較例２からｂｃｃ構造の強磁性体層上に、フルホイスラー合金を形成した場合、ＴＭＲ比が非常に小さくなることわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子において下部にSyn-AF構造を形成する場合、ｂｃｃ構造の強磁性体を用いるとＴＭＲ比が減少することがわかった。   Therefore, it was found from Comparative Example 2 that the TMR ratio becomes very small when a full Heusler alloy is formed on a ferromagnetic layer having a bcc structure. Therefore, it was found that when a Syn-AF structure is formed in the lower part of a TMR element using a full Heusler alloy, the TMR ratio decreases when a bcc structure ferromagnetic material is used.

本発明の実施例によれば、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を作製することが可能となり、高いＴＭＲ比をもつスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ、ＴＭＲヘッドなどの実現に極めて有用である。   According to the embodiment of the present invention, a TMR element using a full Heusler alloy can be manufactured, which is extremely useful for realizing a spin MOSFET, MRAM, TMR head, etc. having a high TMR ratio.

また、前述した各実施形態、実施例はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態・実施例には種々の段階の発明が含まれおり、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組合せにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。   In addition, each of the embodiments and examples described above can be implemented not only independently but also in combination as appropriate. Further, the above-described embodiments and examples include inventions at various stages, and it is possible to extract inventions at various stages by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in each embodiment. is there.

１０…半導体基板、１１…強磁性体層、１２…絶縁体層、１３…フルホイスラー合金層、１４…ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、１５…非磁性層、１６…強磁性体層、１７…反強磁性体層、１０Ａ…不純物拡散層、２１…ゲート絶縁膜、２２…ゲート電極、２３…側壁膜、３０…半導体基板、３１…素子分離領域、３２…ソース領域またはドレイン領域、３３…ゲート絶縁膜、３４…ゲート電極、３５…層間絶縁膜、３６…コンタクトプラグ、３７…多結晶金属下地配線、３８…ＴＭＲ素子、３９…金属ビア（または金属ハードマスク）、４０…ビット線、４１…フルホイスラー合金層、４２…キャップ層、４３…強磁性体層、４４…非磁性層、４５…強磁性体層、４６…下部電極層（磁気シールド層）、４７…上部電極層（磁気シールド層）、４８…絶縁膜、Ｍ１…第１配線、Ｍ２…第２配線、Ｍ３…第３配線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor substrate, 11 ... Ferromagnetic material layer, 12 ... Insulator layer, 13 ... Full Heusler alloy layer, 14 ... Ferromagnetic material layer having fcc structure, 15 ... Nonmagnetic layer, 16 ... Ferromagnetic material layer, 17 ... antiferromagnetic layer, 10A ... impurity diffusion layer, 21 ... gate insulating film, 22 ... gate electrode, 23 ... side wall film, 30 ... semiconductor substrate, 31 ... element isolation region, 32 ... source region or drain region, 33 ... Gate insulating film 34 ... Gate electrode 35 ... Interlayer insulating film 36 ... Contact plug 37 ... Polycrystalline metal underlying wiring 38 ... TMR element 39 ... Metal via (or metal hard mask) 40 ... Bit line 41 ... Full Heusler alloy layer, 42 ... Cap layer, 43 ... Ferromagnetic layer, 44 ... Nonmagnetic layer, 45 ... Ferromagnetic layer, 46 ... Lower electrode layer (magnetic shield layer), 47 ... Upper electrode layer (magnetic shield) layer , 48: insulating film, M1 ... first wiring, M2 ... second wiring, M3 ... third wiring.

Claims (6)

半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、
前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、
前記非磁性層上に形成された第２強磁性層と、
を含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とするスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。 A full Heusler alloy layer formed on a semiconductor substrate;
A first ferromagnetic layer having a face-centered cubic lattice structure formed on the full Heusler alloy layer;
A nonmagnetic layer formed on the first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer formed on the nonmagnetic layer;
At least one of a source and a drain, and an antiferromagnetic coupling is formed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer formed via the nonmagnetic layer. A spin MOS field effect transistor. 前記半導体基板と前記フルホイスラー合金層との間に形成された絶縁体層をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。   2. The spin MOS field effect transistor according to claim 1, further comprising an insulator layer formed between the semiconductor substrate and the full Heusler alloy layer. 前記絶縁体層は、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ビスマス、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、チタン酸ストロンチウム、ランタンアルミネート、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項２に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。   The insulator layer includes any one of magnesium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, bismuth oxide, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium titanate, lanthanum aluminate, aluminum oxynitride, and hafnium oxide. The spin MOS field effect transistor according to claim 2, wherein 前記第２強磁性層上に形成された反強磁性層をさらに具備し、
前記フルホイスラー合金層では磁化が不変とされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。 An antiferromagnetic layer formed on the second ferromagnetic layer;
4. The spin MOS field effect transistor according to claim 1, wherein the full-Heusler alloy layer has an invariable magnetization. 前記面心立方格子構造を有する前記第１強磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７によって囲まれる組成からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。 The first ferromagnetic layer having the face-centered cubic lattice structure has Co 0.7 Fe 0.3 , Co 0.97 Fe 0.03 , and Co 0.95 in a Co—Fe—Ni ternary phase diagram. 5. The spin MOS field effect transistor according to claim 1, wherein the spin MOS field effect transistor has a composition surrounded by Ni 0.05 , Ni, and Fe 0.3 Ni 0.7 . 前記フルホイスラー合金層は、Ｂ２またはＬ２１構造を有するＣｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。 The full-Heusler alloy layer is one of Co 2 FeAl x Si 1-x , Co 2 MnSi x Al 1-x , and Fe 2 NiAl x Si 1-x (0 ≦ x ≦ 1) having a B2 or L2 1 structure. The spin MOS field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor is a spin MOS field effect transistor.
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