JP2012049202A - トンネル接合素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供すること。
【解決手段】半導体層１０の表面を大気に曝す工程と、前記半導体層１０の前記表面を還元性ガスに曝す工程と、前記表面を還元性ガスに曝す工程の後前記半導体層１０の前記表面を大気に曝すことなく、前記半導体層１０の前記表面上にトンネル絶縁膜１２を形成する工程と、前記トンネル絶縁膜１２上に強磁性体層１４を形成する工程と、を含むトンネル接合素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル接合素子の製造方法に関し、例えば、半導体層上にトンネル絶縁膜および強磁性体層が形成されたトンネル接合素子の製造方法に関する。

トンネル接合素子として、半導体層上に強磁性体を設け、半導体層と強磁性体との間に、キャリアがトンネル伝導可能なトンネル絶縁膜を設けることが知られている。このようなトンネル接合素子を用いることにより、半導体内に強磁性体からスピン偏極したキャリアを注入することができる。このように、トンネル絶縁膜を設けることにより、スピン注入効率が増大する。

非特許文献１には、発光ダイオードにスピン偏極したキャリアを注入するため、半導体層上にＡｌ_２Ｏ_３からなるトンネル絶縁膜、トンネル絶縁膜上に強磁性体層を形成する技術が記載されている。

Appl. Phys. Lett. Vol. 81, pp694-696 (2002)

非特許文献１によれば、半導体層、トンネル絶縁膜および強磁性体層をマルチチャンバＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用い形成している。このように、半導体層を形成後、半導体層の表面を大気に曝すことなく、トンネル絶縁膜および強磁性体層を形成している。半導体層へのスピン注入を実現するためには、半導体層、トンネル絶縁膜および強磁性体層は高品質に作製することが求められる。

しかしながら、半導体層の表面を大気に曝した後、トンネル絶縁膜を形成すると、トンネル絶縁膜と半導体層との間の界面に凹凸が生じる。トンネル絶縁膜は、キャリアがトンネル可能な程度の薄い膜厚を有している。このため、トンネル絶縁膜と半導体層との界面の凹凸がトンネル絶縁膜の膜厚に対し無視できない程度に大きい場合、半導体層に注入されるキャリアのスピン偏極率が小さくなってしまう。例えば、トンネル接合素子と半導体装置とを集積化する場合、半導体層の表面が大気に露出した後、トンネル絶縁膜および強磁性体層を形成せざる終えない場合がある。例えば、半導体層の表面にパターニングを行なった後トンネル絶縁膜を形成する場合、または、半導体層にイオン注入を行なった後トンネル絶縁膜を形成する場合、半導体層の表面を大気に露出させた後トンネル絶縁膜を形成することとなる。また、例えば、半導体層とトンネル絶縁膜とを形成する装置が異なる場合、半導体層を形成した後、半導体層を形成した基板を装置の外に出し、トンネル絶縁膜を形成する装置に導入する。このため、半導体層の表面は大気に曝される。このように、大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供することが求められている。

本発明は、上記課題に鑑みされたものであり、大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供することを目的とする。

本発明は、半導体層の表面を大気に曝す工程と、前記半導体層の前記表面を還元性ガスに曝す工程と、前記表面を還元性ガスに曝す工程の後前記半導体層の前記表面を大気に曝すことなく、前記半導体層の前記表面上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、前記トンネル絶縁膜上に強磁性体層を形成する工程と、を含むことを特徴とするトンネル接合素子の製造方法である。本発明によれば、還元性ガスにより半導体層の表面に形成された酸化膜を除去することにより、大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供することができる。

上記構成において、前記トンネル絶縁膜と前記半導体層との界面は、前記表面を前記還元性ガスに曝す前の前記表面より平坦である構成とすることができる。

上記構成において、前記還元性ガスは、前記トンネル絶縁膜を形成する際に用いる金属化合物ガスである構成とすることができる。

上記構成において、前記トンネル絶縁膜を形成する工程は、ＡＬＤ法を用い前記トンネル絶縁膜を形成する工程である構成とすることができる。

上記構成において、前記表面を還元性ガスに曝す工程は、前記トンネル絶縁膜を形成する工程と同じチャンバ内で行なう構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層を大気に曝す工程は、前記半導体層に半導体装置の製造工程の少なくとも一部を施す工程である構成とすることができる。

上記構成において、前記還元性ガスはトリメチルアルミニウムである構成とすることができる。

上記構成において、大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供することができる。

本発明によれば、大気に曝した半導体層の表面上にトンネル絶縁膜を形成した場合であっても、半導体層にスピン偏極率の大きなキャリアを注入できるトンネル接合素子を提供することができる。

図１（ａ）から図１（ｄ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程の断面図である。 図２（ａ）はサンプルＡのＴＥＭ観察写真、図２（ｂ）はサンプルＢのＴＥＭ観察写真である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例２に係るサンプルの作製方法を示す断面図である。 図４は、実施例２に係るサンプルを用いスピン偏極を評価するための評価システムのブロック図である。 図５は、実施例２に係るサンプルの発光を示すサンプルの断面図である。 図６は、左回り円偏光σ_＋および右回り円偏光σ₋のスペクトル特性を示す図である。 図７は、磁界Ｈに対する偏光率Ｐを示す図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例３に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例３に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照に説明する。

図１（ａ）から図１（ｄ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程の断面図である。図１（ａ）のように、半導体層１０の表面を大気に曝す。例えば、基板上に半導体層１０を形成する装置と、トンネル絶縁膜１２を形成する装置が異なる場合、半導体層１０の表面は大気に曝される。また、例えば、半導体装置の製造工程の途中にトンネル絶縁膜１２および強磁性体層１４を形成する場合、半導体層１０の表面は大気に曝される。半導体層１０の表面に酸化膜１１が形成される。

図１（ｂ）のように、基板をトンネル絶縁膜を形成する装置のチャンバ内に導入する。例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置内に導入する。半導体層１０の表面を金属化合物ガスに曝す。これにより、半導体層１０表面の酸化膜１１が除去される。図１（ｃ）のように、その後、半導体層１０の表面を大気に曝すことなく、半導体層１０の表面上にキャリアがトンネル可能な膜厚を有するトンネル絶縁膜１２を形成する。ＡＬＤ装置のチャンバ内において、半導体層１０の表面に金属化合物ガスと酸化ガスを交互に供給する。半導体層１０表面に金属化合物ガスが供給されると、半導体層１０表面には金属層が１原子層形成される。その後、酸化ガスが供給されると、金属層が酸化される。このようにして、トンネル絶縁膜１２として金属酸化層が１原子層ずつ形成される。図１（ｄ）のように、トンネル絶縁膜１２上に強磁性体層１４を形成する。

半導体層１０としてＧａＡｓ層、トンネル絶縁膜１２としてＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）膜、強磁性体層１４としてＦｅ層を用い、以下のように、サンプルを作製した。図１（ａ）のように、半導体層１０であるＧａＡｓ層の表面にはＧａＡｓの酸化膜が形成されている。ＧａＡｓ層が形成されたＧａＡｓ基板に対し脱脂工程を行なった。脱脂工程は、アセトンを用い１分間超音波洗浄した。次に、エタノールを用い１分間の超音波洗浄した。その後、窒素ブローを用い、アセトンおよびエタノールを揮発させた。

図１（ｂ）のように、ＧａＡｓ基板をＡＬＤ装置のチャンバ内に導入し、チャンバ内を真空とした。基板温度を３５０℃に上昇させた後、高純度の窒素によりチャンバ内をパージした。ここで、窒素等の不活性ガスでパージするのは、加熱により脱離した不純物や大気中の不純物を取り除くためである。再度、チャンバ内を真空にした後、ＧａＡｓ層表面に金属化合物ガスを供給した。金属化合物ガスの供給条件は以下である。
供給ガス：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）
ガス流量：２００ｓｃｃｍ
ガスフロー時間：０．１秒
ガスパージ時間：４秒
ガスフロー回数：３０回
ガスパージとして、ＴＭＡを供給する（ガスフローする）間にＮ_２ガスを流してＴＭＡガスを置換した。すなわち、０．１秒のＴＭＡのガスフローを３０回行ない、ガスフローの間に４秒間のＮ_２によるガスパージを行なった。

次に、図１（ｃ）のように、ＧａＡｓ層上にトンネル絶縁膜１２としてＡｌ_２Ｏ_３膜（酸化アルミニウム膜）を形成した。Ａｌ_２Ｏ_３膜はアモルファス状に形成される。Ａｌ_２Ｏ_３膜の形成条件は以下である。
原料ガス：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、水
ガス流量：ＴＭＡが２００ｓｃｃｍ、水が２００ｓｃｃｍ
ガスフロー時間：ＴＭＡが０．１秒、水が０．１秒
ガスパージ時間：４秒
ガスフロー回数：ＴＭＡ、水を交互に１０回
膜厚 ：１ｎｍ
ガスパージとして、ＴＭＡと水を交互に供給する間にＮ_２ガスを流してガスを置換した。

図１（ｄ）のように、基板をＡＬＤ装置から取り出し、ＥＢ（Electron Beam）蒸着装置内に導入した。強磁性体層１４としてＦｅ層を形成した。Ｆｅの形成条件は以下である。
蒸着レート：０．２ｎｍ／秒
真空度 ：６．０×１０^−７Ｔｏｒｒ
膜厚 ：２０ｎｍ
Ｆｅ層の酸化防止のため、Ｆｅ層上にＡｕ層を形成した。Ａｕ層の形成条件は以下である。
蒸着レート：０．４ｎｍ／秒
真空度 ：６．０×１０^−７Ｔｏｒｒ
膜厚 ：１０ｎｍ

以上のように作製したサンプルをサンプルＢ、比較例として、図１（ｂ）の金属化合物ガスによる酸化膜除去を行なわなかったサンプルをサンプルＡとした。サンプルＡおよびＢの断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察を行なった。

図２（ａ）はサンプルＡのＴＥＭ観察写真、図２（ｂ）はサンプルＢのＴＥＭ観察写真である。図２（ａ）のように、金属化合物ガスを用い処理していないサンプルＡは、ＧａＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３膜との間にＧａＡｓ層の格子像と同じ配列ながら白く観測される領域５０が観察される。この領域５０はＧａＡｓ層の酸化膜である。図２（ｂ）のように、金属化合物ガスを用い処理していないサンプルＢは、ＧａＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３膜との間に領域５０が観察されず、ＧａＡｓ層の酸化膜はほとんど存在しないことがわかる。また、ＧａＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面が平らになっている。このように、金属化合物ガスを用い処理することにより、ＧａＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面にＧａＡｓの酸化膜がほとんど形成されない。また、ＧａＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面が平坦となっている。

実施例１によれば、大気に曝された半導体層１０表面を金属化合物ガスに曝した後、トンネル絶縁膜１２を形成することにより、半導体層１０とトンネル絶縁膜１２との界面を酸化膜がほとんどなく、かつ平坦にすることができる。

実施例２は、トンネル絶縁膜を介し注入されたキャリアがスピン偏極されていることを確認した例である。実施例２においては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用い、エレクトロルミネッセンスにより発生した光の偏光を測定することにより、半導体層に注入されたキャリアがスピン偏極されていることを確認した。

図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例２に係るサンプルの作製方法を示す断面図である。図３（ａ）を参照し、ＧａＡｓ基板２０上にＭＢＥ法を用い、表１のような構造を有するエピタキシャル層２２を形成した。表１を参照し、ｐ型ＧａＡｓ基板上に、膜厚が２００ｎｍ、ドーピング濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＡｓバッファ層を形成する。ｐ型ＧａＡｓバッファ層上に、膜厚が２００ｎｍ、ドーピング濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３、Ａｌ組成比が０．３のｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層上に、膜厚が１００ｎｍ、ドーピング濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＡｓ層を形成する。ｐ型ＧａＡｓ層上に、膜厚が６０ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３、Ａｌ組成比が０．１のｎ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層上に、膜厚が３０ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３、Ａｌ組成比が０．１のn型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。

図３（ｂ）を参照し、ＧａＡｓ基板２０を１０ｍｍ×１０ｍｍにへき開する。ＧａＡｓ基板２０の裏面にＥＢ蒸着法を用い膜厚が１５０ｎｍのＡｕＺｎからなる裏面電極２８を形成する。オーミック接合を得るため、４２０℃の温度において７分間熱処理する。これにより、ＺｎがＧａＡｓ基板２０に拡散し、裏面電極２８とＧａＡｓ基板２０とのオーミック接合が得られる。この工程において、エピタキシャル層２２の表面は大気に曝露される。

次に、実施例１の図１（ｂ）において説明したように、ＡＬＤ装置内において、エピタキシャル層２２の表面を金属化合物ガスに曝す。その後、図１（ｃ）において説明したように、ＡＬＤ法を用い膜厚が１ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜をトンネル絶縁膜１２として形成する。図１（ｄ）において説明したように、ＥＢ蒸着法を用い、膜厚が２０ｎｍのＦｅ層２６を形成する。Ｆｅ層上にＥＢ蒸着法を用い膜厚が１０ｎｍのＡｕ層（不図示）を形成する。

図３（ｃ）を参照し、Ａｒイオンミリング法およびフォトリソグラフィ法を用いメサを形成する。メサのサイズは３００μｍ×３００μｍである。図３（ｄ）を参照し、スパッタリング法およびフォトリソグラフィ法を用い、膜厚が４００ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜２５を形成する。ＥＢ蒸着法およびフォトリソグラフィ法を用い、パッド電極２７を形成する。パッド電極２７は、密着層として膜厚が２０ｎｍのＣｒ層と、低抵抗層として膜厚が５００ｎｍのＡｕ層とから形成される。その後、裏面電極２８をＡｇペーストを用いチップキャリアに圧着する。パッド電極２７および裏面電極２８と引き出しリードとをそれぞれ接続するように金線を用いワイヤボンディングする。以上により、実施例２に係るサンプルが完成する。

図４は、実施例２に係るサンプルを用いスピン偏極を評価するための評価システムのブロック図である。図４のように、サンプル６２は冷却機６０内に設けられ、８Ｋ〜９Ｋに冷却される。サンプル６２から出射した光６５は冷却機の窓６１を透過した後、レンズ６４を通過する。光６５は、右回りの円偏光と左回りの円偏光とが混合している。ソレイユ−バビネ位相補償版（３／４λ板）６６を通過した光６７において、右回り円偏光の光は直線偏光（Ｐ波）に、左回り円偏光の光は直線偏光（Ｓ波）に変換される。偏光ビームスプリッタ６８を用い、直線偏光の光（Ｐ波）と直線偏光の光（Ｓ波）とを分離する。直線偏光の光（Ｐ波）は分光器７２により分光される。直線偏光の光（Ｓ波）は分光器７０により分光される。

図５は、実施例２に係るサンプルの発光を示すサンプルの断面図である。図５において、エピタキシャル層２２として、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層３２、ｐ型ＧａＡｓ層３４、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３５およびｎ型ＧａＡｓ層３６を示している。その他の符号は図３（ａ）から図３（ｄ）と同じであり説明を省略する。サンプルに磁界Ｈを印加した状態において、パッド電極２７に負電圧および裏面電極２８に正電圧を印加すると、Ｆｅ層２６からスピン偏極した電子５２がエピタキシャル層２２に注入される。ＧａＡｓ基板２０からホール５４がエピタキシャル層２２に注入される。ｐ型ＧａＡｓ層３４において、電子５２とホール５４が結合しエレクトロルミネッセンス光５６が出射する。エピタキシャル層２２に注入された電子がスピン偏極している場合、エレクトロルミネッセンス光５６は、右回り円偏光と左回り円偏光との強度差が生じる。そこで、図４の方法で直線偏光の光（Ｓ波）と直線偏光の光（Ｐ波）との光強度を測定することにより、エレクトロルミネッセンス光５６の右回り円偏光と左回り円偏光との強度差を測定できる。よって、エピタキシャル層２２に注入された電子がスピン偏極しているか確認できる。

図６は、左回り円偏光σ_＋および右回り円偏光σ₋のスペクトル特性を示す図である。サンプルの温度は８Ｋ、磁界Ｈは３Ｔ、印加電圧は２．４Ｖである。ルミネッセンス光の中心波長は８３３ｎｍ、分光器のスリット幅は５０μｍである。左回り円偏光σ_＋と右回り円偏光σ₋のピークの光強度をそれぞれＩ_＋およびＩ₋とした場合、偏光率Ｐを以下の式により計算した。
Ｐ＝（Ｉ_＋−Ｉ₋）／（Ｉ_＋＋Ｉ₋）×１００ ％

図７は、磁界Ｈに対する偏光率Ｐを示す図である。図７において、実線（ＥＬ２３）は、パッド電極２７と裏面電極２８との間に２．３Ｖを印加した場合、破線（ＥＬ２２）は２．２Ｖを印加した場合の偏光率Ｐを示している。図７のように、最大４％程度の偏光率が得られた。

強磁性体を光が通過すると円偏光する。このため、エピタキシャル層２２に注入された電子のスピン偏極に起因する円偏光か、強磁性体を通過した際の円偏光かを分離するため、サンプル６２からのフォトルミネッセンス光の円偏光の強度を図４と同様の方法で測定した。サンプル６２の発光は、レーザ励起によって行なった。用いたレーザは直線偏光であり、波長が７５０ｎｍ、励起光の強度が２μＷである。その他の測定方法はエレクトロルミネッセンス光と同じであり説明を省略する。図７の点線（ＰＬ）は、フォトルミネッセンス光の磁界Ｈに対する偏光率Ｐを示している。図７のように、フォトルミネッセンス光においても円偏光しているものの、エレクトロルミネッセンス光に比べると偏光率Ｐは小さい。このことから、実施例２に係るサンプルにおいては、Ｆｅ層２６からスピン偏極した電子５２がエピタキシャル層２２に注入されていることが確認できた。

実施例１および実施例２によれば、図１（ｂ）のように、基板をＡＬＤ装置に導入した後に、大気に曝された半導体層の表面を金属化合物ガスに曝す。図１（ｃ）のように、その後、表面を大気に曝すことなく、半導体層１０の表面上にトンネル絶縁膜１２を形成する。これにより、図２（ｂ）のように半導体層１０とトンネル絶縁膜１２との間に酸化膜がほとんどない界面を形成することができた。また、図７のように、トンネル絶縁膜１２を介し、半導体層（エピタキシャル層２２）にスピン偏極したキャリアを注入することができることが確認できた。

また、実施例１および２においては、トンネル絶縁膜１２と半導体層１０との界面が半導体層１０の表面を還元性ガスに曝す前の表面より平坦である。これにより、トンネル絶縁膜１２を介し、半導体層１０にスピン偏極したキャリアを注入することができる。

実施例１および２では、還元性ガスとして金属化合物ガスを例に説明したが、水素ガス等他の還元性ガスでもよい。還元性ガスとして金属化合物ガスを用いることにより、トンネル絶縁膜を形成する際に用いる原料ガスとの共用が可能となる。また、金属化合物ガスとしてトリメチルアルミニウムを説明した。トリメチルアルミニウムは、反応性が強くかつ酸化アルミニウム膜の原料として用いられるため、酸化膜を還元するために用いることが好ましい。また、反応後にメタンガスと水が生成されるのみであるので安全性の観点からも好ましい。

トンネル絶縁膜の形成にＡＬＤ法を用いる例を説明したが、トンネル絶縁膜は例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタリング法を用いて形成してもよい。トンネル絶縁膜のように薄い膜を形成するためには、ＡＬＤ法を用いることが好ましい。

トンネル絶縁膜１２にピンホールが形成された場合、トンネル絶縁膜１２の上面が大気に曝されると、ピンホールを介し半導体層１０の表面が酸化されてしまう。実施例２によれば、トンネル絶縁膜１２をＡＬＤ法を用いることにより、トンネル絶縁膜１２のピンホ−ルを抑制できる。これにより、トンネル絶縁膜１２の上面が大気に曝された後、トンネル絶縁膜１２の上面に強磁性体層１４を形成することができる。よって、トンネル絶縁膜１２と強磁性体層１４とを異なる装置を用い形成することができる。

半導体層の表面を還元性ガスに曝す工程は、トンネル絶縁膜を形成する工程と同じチャンバ内で行なうことが好ましい。これにより、半導体層の表面を還元性ガスに曝した後、半導体層の表面を大気に曝すことなくトンネル絶縁膜を形成することができる。

トンネル絶縁膜としては、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）以外にもＨｆＯ（酸化ハフニウム）、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）等を用いることができる。Ａｌ_２Ｏ_３の原料ガスでありかつ還元性ガスとして、ＴＭＡ以外にもＡｌＣｌ_３またはＡｌＢｒ_３を用いることができる。ＨｆＯの原料ガスでありかつ還元性ガスとして、ＨｆＣｌ_４、ＨｆＩ_４、Ｈｆ（ＮＭｅ_２）_４またはＨｆ（ＮＥｔ_２）_４を用いることができる。ＺｒＯの原料ガスでありかつ還元性ガスとして、ＺｒＣｌ_４、ＺｒＩ_４、Ｚｒ（ＮＭｅ_２）_４またはＺｒ（ＮＥｔ_２）_４を用いることができる。ＴｉＯ_２の原料ガスでありかつ還元性ガスとして、ＴｉＣｌ_４、ＴｉＩ_４、Ｔｉ（ＯＭｅ_２）_４またはＴｉ（ＯＥｔ_２）_４を用いることができる。なお、Ｍｅはメチル基、Ｅｔはエチル基である。Ｈｆ（ＮＭｅ_２）_４、Ｚｒ（ＮＭｅ_２）_４またはＴｉ（ＯＭｅ_２）_４は、反応性が高く、反応後にメタンガスと水が生成されるのみであるので安全性の観点から好ましい。

半導体層としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ以外にも、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＳｉＣ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ダイヤモンドまたはこれらの混晶を用いることができる。特に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ等の半導体は、化合物半導体デバイスとして最も利用されており、かつ表面に酸化膜が形成し易い。よって、実施例１および実施例２を用いることが好ましい。また、半導体層は半導体基板でもよい。

強磁性体層としては、Ｆｅ以外にもパーマロイ（Ｐｙ）、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＦｅＰｔまたはＣｏＰｔを用いることができる。特に、ＣｏＦｅＢは、トンネル磁気抵抗素子に用いられ高いスピン注入率を有するため、強磁性体層として用いることが好ましい。また、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔは垂直磁気記憶材料として用いられており、強磁性体層として用いることが好ましい。

実施例３は、半導体装置の製造工程を行なった後、トンネル絶縁膜を形成する例である。図８（ａ）から図９（ｃ）は、実施例３に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図８（ａ）のように、Ｐ型シリコン半導体基板４０にイオン注入および熱処理を行なって、Ｎ型のソースおよびドレイン領域４２を形成する。図８（ｂ）のように、ソースおよびドレイン領域４２に間の半導体基板４０上にゲート酸化膜４７を形成する。ゲート酸化膜４７上にゲート電極４８を形成する。図８（ｃ）のように、ソースおよびドレイン領域４２上に開口を有するマスク４９を形成する。以上の工程において半導体基板４０の表面は大気に曝される。よって、半導体基板４０の表面には酸化膜が形成されている。

図９（ａ）を参照に、ＡＬＤ装置内に導入し、ＴＭＡガスにマスク４９の開口内の半導体基板４０表面を曝す。これにより、半導体基板４０表面の酸化膜が除去される。その後、ＡＬＤ装置内でトンネル絶縁膜４４としてＡｌ_２Ｏ_３膜（酸化アルミニウム膜）を形成する。図９（ｂ）のように、ＥＢ蒸着法を用い、トンネル絶縁膜４４上に強磁性体層４６を形成する。図４（ｃ）のように、その後、マスク４９を除去する。これにより、ソースおよびドレインが強磁性体からなるＦＥＴ（Field Effect Transistor）が完成する。

実施例３に係る半導体装置の製造方法においては、イオン注入を行なったソースおよびドレイン領域４２上にトンネル絶縁膜４４を形成する。また、半導体層の表面にパターニングを行なった後トンネル絶縁膜４４を形成する。よって、非特許文献１のように、半導体層上に予めトンネル絶縁膜４４を形成しておくことができない。イオン注入を行なったソースおよびドレイン領域４２上にトンネル絶縁膜４４を形成する場合、半導体層の表面にパターニングを行なった後トンネル絶縁膜４４を形成する場合以外の理由により、半導体層上に予めトンネル絶縁膜４４を形成しておくことが難しい場合もある。例えば、半導体層上に予めトンネル絶縁膜４４が形成されている基板に高温における熱処理等が施されると、トンネル絶縁膜４４が劣化してしまうことがある。これらの理由により、半導体装置の製造工程の一部を施してから半導体基板４０の表面上にトンネル絶縁膜４４を形成することとなる。よって、半導体基板４０の表面が大気に曝されてしまう。これにより、これまでのトンネル絶縁膜４４の形成方法においては、高品質なトンネル絶縁膜４４を形成することが難しかった。実施例３によれば、トンネル絶縁膜４４を形成する前に半導体基板４０の表面を還元性ガスに曝すため、高品質なトンネル絶縁膜４４を形成することができる。このように、半導体層を大気に曝す工程は、半導体層に半導体装置の製造工程の少なくとも一部を施す工程であることが好ましい。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 半導体層
１２ トンネル絶縁膜
１４ 強磁性体層

Claims (8)

1. 半導体層の表面を大気に曝す工程と、
   前記半導体層の前記表面を還元性ガスに曝す工程と、
   前記表面を還元性ガスに曝す工程の後前記半導体層の前記表面を大気に曝すことなく、前記半導体層の前記表面上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
   前記トンネル絶縁膜上に強磁性体層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とするトンネル接合素子の製造方法。
2. 前記トンネル絶縁膜と前記半導体層との界面は、前記表面を前記還元性ガスに曝す前の前記表面より平坦であることを特徴とする請求項１記載のトンネル接合素子の製造方法。
3. 前記還元性ガスは、前記トンネル絶縁膜を形成する際に用いる金属化合物ガスであることを特徴とする請求項１または２記載のトンネル接合素子の製造方法。
4. 前記トンネル絶縁膜を形成する工程は、ＡＬＤ法を用い前記トンネル絶縁膜を形成する工程であることを特徴とする請求項３記載のトンネル接合素子の製造方法。
5. 前記表面を還元性ガスに曝す工程は、前記トンネル絶縁膜を形成する工程と同じチャンバ内で行なうことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のトンネル接合素子の製造方法。
6. 前記半導体層を大気に曝す工程は、前記半導体層に半導体装置の製造工程の少なくとも一部を施す工程であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のトンネル接合素子の製造方法。
7. 前記還元性ガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のトンネル接合素子の製造方法。
8. 前記トンネル絶縁膜は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のトンネル接合素子の製造方法。

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