JP2012004231A - 磁性半導体用基板、磁性半導体用基板の製造方法及び磁性半導体用基板の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板への磁性原子の導入時間を短縮することができるとともに、室温でも使用可能な磁性半導体を実現する磁性半導体用基板、磁性半導体用基板の製造方法及び磁性半導体用基板の製造装置を提供する。
【解決手段】レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層１０３と、被拡散層の照射面とは反対の面に接し、被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層１０２とを備える。
【選択図】図２
【解決手段】レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層１０３と、被拡散層の照射面とは反対の面に接し、被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層１０２とを備える。
【選択図】図２
Description
本発明は磁性半導体の製造に利用する磁性半導体用基板、磁性半導体用基板の製造方法及び磁性半導体用基板の製造装置に関する。
従来は非磁性半導体が主流であったが、近年、ＳｉやＧａＡｓなどの非磁性半導体にＭｎ等の磁性原子を導入した磁性半導体の開発が進められている。非磁性半導体は、キャリアの電荷の自由度を用いて情報の伝達や記憶を行なうものであるのに対し、磁性半導体はキャリアのスピン自由度を制御することによりメモリや偏光ＬＥＤなど新しい機能も実現できる可能性がある。このような磁性半導体を利用して半導体デバイスを作れば、不揮発性メモリ、磁気センサ等の機能を全て半導体で実現可能となり、デバイスを集積化することができる。
例えば、磁性半導体として基板に半絶縁のガリウム砒素ＧａＡｓを用い、低温分子エピタキシャル成長によりインジウムマンガン砒素（Ｉｎ0.97Ｍｎ0.03）Ａｓの磁性半導体層を形成する例がある（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、低温分子エピタキシャル成長では、磁性原子であるマンガンの偏析や第二相の析出を抑制するため、２５０℃程度の温度で行なわれる。低分子エピタキシャル成長は固溶度以上の磁性原子を導入することができるが、このように、成長温度が低いため、結晶品質が悪くなる問題がある。したがって、低分子エピタキシャル成長で生成された磁性半導体は室温では動作せず、低温にしないと動作しない問題があった。
そのため、半導体表面に磁性原子をイオン注入し、イオン注入した半導体表面をエキシマレーザアニールによって溶融し、再結晶化し磁性原子を半導体層に均一に導入する方法もある（例えば、非特許文献２参照）。
この非特許文献２に記載される方法は、パルスレーザアニールという急過熱、急冷却プロセスを用いた非平衡プロセスであるため、固溶限界を超えた磁性原子を半導体内に分散させるには非常に有用な手法である。しかしながら、ＧａＡｓを溶融させると、Ａｓの蒸気圧が大気圧より高いためにＡｓが蒸発し、表面の結晶化が悪化する問題もある。そのため、この方法で作成された磁性半導体は低温において磁性特性を示しているが、室温では磁性特性を示していない。また、１０％以上の濃度の磁性原子を導入するためには、必要な注入時間が長い問題もある。
「半導体スピントロニクス素子・材料のスピン制御」 大野裕三, 大野英男, FED Review, vol.1, No.23, 14 March 2002
「Doping and defect control of ferromagnetic semiconductors formed by ion implantation and pulsed laser melting」 O.D Dubon, M.A Scarpulla, R.Farshchi, K.M Yu, Physica B 376-377 (2006) 630-634
「Atom-by-atom substitution of Mn in GaAs and visualization of their hole-mediated interactions」 Dale Kitchen, et al, NATURE, vol.442|27 July 2006, P436-439
上述したように、従来は、磁性半導体（磁性半導体用基板）の製造に時間がかかる問題があった。また、そのようにして磁性半導体を製造しても、室温では使用することができない問題があった。
上記課題に鑑み、本発明は、基板への磁性原子の導入時間を短縮することができるとともに、室温でも使用可能な磁性半導体を実現することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層と、前記被拡散層の前記照射面とは反対の面に接し、前記被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層とを備える。
また、請求項２の発明は、前記熱伝導抑制層は、ＳＯＩ基盤、ガラス基板又はセラミックス基板であることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、前記薄膜は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＣｒのいずれかであることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、前記被拡散層は、IV族元素の単結晶であることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、半導体の被拡散層を、前記半導体の被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層上に形成するステップと、前記被拡散層上に、磁性原子の薄膜を形成するステップと、前記薄膜が生成された基板にレーザ光を照射して前記磁性原子を前記被拡散層中に拡散させるステップとを有することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層と、前記被拡散層の前記照射面とは反対の面に接し、前記被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層とを備える半導体用基板を載置するステージと、前記ステージに載置される基板にレーザ光を照射して前記磁性原子を前記被拡散層中に拡散させるレーザ光源とを有することを特徴とする。
本発明によれば、基板への磁性原子の導入を短縮することができるとともに、室温でも使用可能な磁性半導体を実現することができる。
〈第１の実施形態〉
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造装置１は、レーザ光源１１、光学系１２及びステージ１３を備えている。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造装置１は、レーザ光源１１、光学系１２及びステージ１３を備えている。
ステージ１３は、磁性半導体の製造に利用する半導体用基板が取り付けられるものである。このステージ１３は、移動機構（図示せず）によって移動することができる。
レーザ光源１１は、ステージ１３に載置された半導体用基板の表面を加熱するためにレーザ光を照射するものである。このレーザ光により、ステージ１３に載置された半導体基板の表面が溶融され、その後、再結晶される。例えば、レーザ光源１３は、エキシマレーザ装置や、ＹＡＧレーザ装置等である。
光学系１２は、レーザ光源１１から照射されるレーザ光を所定の形状に整形してステージ１３上の半導体用基板に導くものである。図１に示す例では、光学系１２は、短軸整形部１２ａ、長軸整形部１２ｂ、ビーム重畳部１２ｃ、重ね合わせ部１２ｄ、落射ミラー１２ｅ及び照射レンズ１２ｆによって構成されている。
図２を用いて、第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、磁性半導体用基板の製造に利用する基板を用意する。ここで使用する基板は、ウェハ１０１上に熱伝導性（熱伝導度）が低い熱伝導抑制層１０２が形成される基板であって、図２（ａ）に示すように、この熱伝導抑制層１０２上に半導体の被拡散層１０３を形成する。
図２は、ウェハ１０１としてＳｉウェハを利用した一例である。ウェハ１０１上に形成される熱伝導抑制層１０２には、被拡散層１０３よりも熱伝導性が低い物質を利用する。具体的には、熱伝導抑制層１０２は、熱伝導度が１〜２Ｗ／ｍ・Ｋ程度であることが望ましく、例えば、ＳＯＩ基板（ＳｉＯ２基板）、ＳｉＯＧ基板（ガラス基板）、セラミックスの基板等を利用することができる。
被拡散層１０３は、熱伝導抑制層１０２よりも熱伝導性が高く、単結晶のＳｉ、Ｇｅ等のIV族半導体や、ＧａＡｓ等のIII-Ｖ族半導体で形成され、結晶の面方位は、（１００）、（１１０）又は（１１１）のいずれかである。なお、図２に示す例では、ＳｉＯ２基板の熱伝導抑制層１０２上にＳｉの被拡散層１０３が形成された基板を利用した場合を例に説明する。
熱伝導抑制層１０２上に被拡散層１０３が形成されると、図２（ｂ）に示すように、被拡散層１０３上に遷移金属の薄膜である遷移金属層１０４を形成する。遷移金属には、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等を利用することができるが、図２（ｂ）に示す例では、遷移金属としてＦｅを使用した場合を例に説明する。またここで生成される薄膜の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが望ましく、薄膜の形成方法には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオン注入法等を利用することができる。
被拡散層１０３上に遷移金属層１０４が形成されると遷移金属層１０４が形成された基板を、磁性半導体用基板の製造装置１のステージ１３上に載置する。磁性半導体用基板の製造装置１では、ステージ１３上に載置された基板上に図２（ｃ）に示すようにレーザ光を照射し、超急加熱、超急冷するレーザアニール処理を行なう。
図２（ｃ）に示すように基板にレーザ光を照射することで、被拡散層１０３を構成するＳｉを溶融させ、被拡散層１０３のレーザの照射面側に形成される遷移金属層１０４のＦｅを被拡散層１０３であるＳｉ中にドーピングさせることができる。Ｓｉは溶融凝固するが、凝固速度が極めて速いため、遷移金属であるＦｅはＳｉの結晶構造の状態で導入される。また、図２（ｃ）に示すように、熱伝導抑制層１０２のＳｉＯ２は被拡散層１０３よりも熱伝導性が低いために冷却速度が速く熱伝導を抑制する。また、被拡散層１０３のＳｉは、熱伝導性が高いために冷却速度が遅いことにより、遷移金属層１０４のＦｅは被拡散層１０３のＳｉに単結晶の状態でドーピングされて拡散層１０５となる。
なお、遷移金属は偏析係数が極めて小さいため、通常の熱平衡での溶融凝固のプロセスで固体中に導入させることは困難であるが、レーザアニール法は超急加熱・超急冷という非平衡プロセスである。そのため、レーザアニール法を利用した場合、固体中に高濃度で遷移金属を導入させることができる。また、レーザアニール法を利用することで、遷移金属の導入を短時間で行なうこともできる。なお、遷移金属の濃度は、被拡散層１０３を形成するＳｉの溶融深さにより制御することができる。例えば、レーザ光源１１として固体パルスグリーンレーザを使用する場合、被拡散層１０３は、３００ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。
またこのとき、磁性半導体用基板の製造装置１では、光学系１２（ビーム重畳部１２ｃ）によってレーザ光を線状ビームに整形し、ステージ１３を移動（走査）させたりすることで、基板上を広く処理することが可能となるとともに、面積の大きな基板の処理を容易にすることができる。
《実験例》
レーザ光源１１として固体パルスグリーンレーザ（５２７ｎｍ、１ｋＨｚ、パルス幅１２０ｎｓ）を用いて、ＳＯＩ基板を熱伝導抑制層１０２とし、このＳＯＩ基板上の被拡散層１０３に遷移金属としてＦｅをドーピングして生成した磁性半導体用基板について説明する。以下で説明する例は、ＳＯＩ基板の面方位は（１００）であり、Ｆｅの膜圧は５ｎｍの場合である。
レーザ光源１１として固体パルスグリーンレーザ（５２７ｎｍ、１ｋＨｚ、パルス幅１２０ｎｓ）を用いて、ＳＯＩ基板を熱伝導抑制層１０２とし、このＳＯＩ基板上の被拡散層１０３に遷移金属としてＦｅをドーピングして生成した磁性半導体用基板について説明する。以下で説明する例は、ＳＯＩ基板の面方位は（１００）であり、Ｆｅの膜圧は５ｎｍの場合である。
図３は、通常のＳｉ基板（Ｓｉウェハ）と本発明に係る磁性半導体用基板の製造方法で製造されるＳｉＯ２上にＳｉの層を形成したＳＯＩ基板（ＳＯＩウェハ）とに約６００〜１６００ｍＪｃｍ-2の範囲でレーザ光を照射した場合のＳｉの表面温度を比較した一例を示している。なお、このＳｉウェハもＳＯＩウェハと同様、Ｆｅの薄膜が形成されている。また、このＦｅ薄膜の膜厚も５ｎｍである。
通常のＳｉウェハの場合、熱伝導性が高いために表面温度が高くなりにくく、Ｓｉの融点（１４１２℃）に達しない。これに対し、ＳＯＩウェハのＳｉＯ２はＳｉよりも熱伝導性が低く、ＳＯＩウェハにレーザ光を照射すると、このＳｉＯ２によって熱伝導が抑制されるためにＳｉＯ２上のレーザ照射面であるＳｉの表面温度を高くすることができ、Ｓｉの融点に達する。
すなわち、本発明に係る磁性半導体基板の製造方法で製造されるＳＯＩウェハでは、熱伝導抑制層１０２のＳｉＯ２によって熱伝導を抑制するため、被拡散層１０３のＳｉが融点に達して溶解する。したがって、ＳＯＩウェハのように熱伝導抑制層１０２を有するウェハを磁性半導体用基板として利用すれば、表面のＳｉが溶融するため、遷移金属層１０４のＦｅを被拡散層１０３のＳｉ中に拡散させることができる。また、この被拡散層１０３のＳｉは、熱伝導性が比較的高いために冷却速度が遅く、Ｆｅを単結晶化しやすい。
図４（ａ）はＳＯＩウェハのＸ線回折データであり、図４（ｂ）は本発明に係る製造方法でＦｅがドープされたＳＯＩウェハのＸ線回折データを示している。図４（ａ）と図４（ｂ）のデータを比較すると、図４（ｂ）に示すデータでは図４（ａ）に示すデータには現れていないＦｅのピークが現れており、本発明に係る磁性半導体用基板では、ＦｅがＳｉに置換されていることが分かる。
また、図４（ｃ）はＦｅによって表面がシリサイド化された２種類のＳｉウェハのＸ線回折データを示している。図４（ｃ）と図４（ｂ）のデータを比較すると、図４（ｂ）に示すデータでは図４（ｃ）に示す各データでみられるＦｅのピークは存在せず、本発明の第１の実施形態に係る磁性半導体では、従来のような反応が起こっておらず、ＦｅがＳｉに置換されていないことが分かる。
図５（ａ）は本発明に係る製造方法でＦｅがドープされたＳＯＩウェハのラマンデータであり、図５（ｂ）はＦｅによって表面がシリサイド化されたＳｉウェハのラマンデータを示している。図５（ａ）と図５（ｂ）のデータを比較すると、図５（ａ）に示すデータにはＳｉの結晶構造を確認することができるが、図５（ｂ）に示すデータでは図５（ａ）には現れていないピークが現れており、ＦｅがＳｉに置換されずに、他の結晶構造が形成されたことが分かる。
続いて、図６は、ＳＯＩウェハにＦｅをドーピングした磁性半導体用基板のＳｉ、Ｏ、Ｆｅの深さ方向の分布のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）の測定データを示している。この測定データからは、半導体用基板中で、Ｆｅは表面から約１０〜６０ｎｍの範囲に多く存在させることが可能であって、Ｓｉ中に３０〜５０ｍｍ程度の範囲で分布させることができることが分かる。
図７は、ＳＯＩウェハにＦｅをドーピングした磁性半導体用基板の磁化特性の温度依存性を測定したＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉型磁束計）のデータを示している。この測定結果によると、ＳＯＩウェハは室温である３００Ｋ付近でも磁性を有していることが分かる。
上述したように、第１の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、熱伝導性の低い熱伝導抑制層、半導体の被拡散層、光ビームが照射される遷移金属層を有する基板に光ビームを照射する。これにより、光ビームで加えられる熱の熱伝導を熱伝導抑制層で抑制して被拡散層を溶解し、被拡散層に遷移金属を結晶の状態で拡散させた拡散層を形成することができる。このようにして形成された磁性半導体用基板は、磁性体を結晶の状態で半導体中に拡散させることができるため、室温であっても磁性特性を有する。したがって、第１の実施形態に係る半導体用基板を利用した場合、室温でも磁性特性を有し、デバイスの集積化を実現することができる。また、第１の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、レーザアニール法を利用することで、短時間で磁性半導体用基板を製造することもできる。
〈第２の実施形態〉
第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、予めゲート絶縁膜である酸化膜を生成し、その後に遷移金属をドーピングして磁性半導体用基板を製造する。なお、第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法におけるレーザアニール処理では、図１を用いて上述した磁性半導体用基板の製造装置１を利用する。
第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、予めゲート絶縁膜である酸化膜を生成し、その後に遷移金属をドーピングして磁性半導体用基板を製造する。なお、第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法におけるレーザアニール処理では、図１を用いて上述した磁性半導体用基板の製造装置１を利用する。
第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、図８（ａ）に示すように、まず、磁性半導体用基板の製造に利用する基板としてウェハ１０１上に熱伝導性（熱伝導度）が低い熱伝導抑制層１０２を有する基盤を用意し、熱伝導抑制層１０２上に半導体の被拡散層１０３を形成する。また、被拡散層１０３が形成されると、この被拡散層１０３上にゲート絶縁膜である酸化膜１０６を形成する。
ここで、熱伝導抑制層１０２の熱伝導度は、第１の実施形態で上述した例と同様に、１〜２Ｗ／ｍ・Ｋ程度であって、例えば、ＳＯＩ基板（ＳｉＯ２基板）、ＳｉＯＧ基板（ガラス基板）、セラミックスの基板等を利用することができる。また、被拡散層１０３には、第１の実施形態で上述した例と同様に、熱伝導層抑制層１０２よりも熱伝導性の高い単結晶のＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体を利用する。
基板上に酸化膜１０６が形成されると、図８（ｂ）に示すように、この基板上に遷移金属の薄膜である遷移金属層１０４を形成する。遷移金属には、第１の実施形態で上述した例と同様に、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等を用いることもできる。また、遷移金属層１０４の膜厚は、１０ｎｍ以下である事が望ましい。また、遷移金属層１０４の形成方法には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオン注入法等を利用することができる。
また、基板上に遷移金属層１０４が形成されると、磁性半導体用基盤の製造装置１のステージ１３上に遷移金属層１０４が形成された基板を載置して、ステージ１３上に載置された基盤上に図８（ｃ）に示すようにレーザ光を照射し、レーザアニール処理を行なう。図８（ｃ）に示すように基板にレーザ光を照射することで、半導体に磁性体の遷移金属がドープされた拡散層１０５を形成することができる。
上述したように、第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、熱伝導性の低い熱伝導抑制層、半導体の被拡散層、光ビームが照射される遷移金属層を有する基板に光ビームを照射する。これにより、光ビームで加えられる熱の熱伝導を熱伝導抑制層で抑制して被拡散層を溶解し、被拡散層に遷移金属を結晶の状態で拡散させた拡散層を形成することができる。このようにして形成された磁性半導体用基板は、磁性体を結晶の状態で半導体中に拡散させることができるため、室温であっても磁性特性を有する。したがって、第２の実施形態に係る半導体用基板を利用した場合、室温でも磁性特性を有し、デバイスの集積化を実現することができる。また、第２の実施形態に係る磁性半導体用基板の製造方法では、レーザアニール法を利用することで、短時間で磁性半導体用基板を製造することもできる。
１…製造装置
１１…レーザ光源
１２…光学系
１２ａ…短軸整形部
１２ｂ…長軸整形部
１２ｃ…ビーム重畳部
１２ｄ…部
１２ｅ…落射ミラー
１２ｆ…照射レンズ
１３…ステージ
１０１…ウェハ
１０２…熱伝導抑制層
１０３…被拡散層
１０４…遷移金属層（薄膜）
１０５…拡散層
１０６…酸化膜（ゲート絶縁膜）
１１…レーザ光源
１２…光学系
１２ａ…短軸整形部
１２ｂ…長軸整形部
１２ｃ…ビーム重畳部
１２ｄ…部
１２ｅ…落射ミラー
１２ｆ…照射レンズ
１３…ステージ
１０１…ウェハ
１０２…熱伝導抑制層
１０３…被拡散層
１０４…遷移金属層（薄膜）
１０５…拡散層
１０６…酸化膜（ゲート絶縁膜）
Claims (6)
- レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層と、
前記被拡散層の前記照射面とは反対の面に接し、前記被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層と、
を備える特徴とする磁性半導体用基板。 - 前記熱伝導抑制層は、ＳＯＩ基板、ガラス基板又はセラミックス基板であることを特徴とする請求項１に記載の磁性半導体用基板。
- 前記薄膜は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＣｒのいずれかあるいはその化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性半導体用基板。
- 前記被拡散層は、IV族半導体あるいは化合物半導体の単結晶であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の磁性半導体用基板。
- 半導体の被拡散層を、前記半導体の被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層上に形成するステップと、
前記被拡散層上に、磁性原子の薄膜を形成するステップと、
前記薄膜が生成された基板にレーザ光を照射して前記磁性原子を前記被拡散層中に拡散させるステップと、
を有することを特徴とする磁性半導体用基板の製造方法。 - レーザが照射される照射面に磁性原子の薄膜が形成される半導体の被拡散層と、前記被拡散層の前記照射面とは反対の面に接し、前記被拡散層よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制層とを備える半導体用基板を載置するステージと、
前記ステージに載置される基板にレーザ光を照射して前記磁性原子を前記被拡散層中に拡散させるレーザ光源と、
を有することを特徴とする磁性半導体用基板の製造装置。
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