JP4102880B2 - 多層膜構造体、及び素子構造 - Google Patents
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Description
本発明は、多層膜構造体、及び素子構造に関する。
コバルトを添加した二酸化チタンは室温以上でも強磁性を示す半導体材料として注目されている。例えば、特開２００２−１４５６２２号公報においては、単結晶基板上に、レーザアブレーション法などを用いることによって、コバルトドープ二酸化チタン膜をエピタキシャル成長させることが記載されている。
しかしながら、このような技術によってコバルトドープ二酸化チタン膜を形成しても、その表面を原子レベルで平坦にすることはできず、結晶性についても十分なものが得られていないのが現状である。また、そのキャリア濃度を制御することができず、その結果、その強磁性的性質の発現及び制御を自在に行うことができず、前記コバルトドープ二酸化チタン膜を実用的なエレクトロニクスデバイスへ適用することは未だ実現することができないでいた。
また、前記コバルトドープ二酸化チタン膜をエレクトロニクスデバイスに適用するには、強磁性層として機能する前記コバルトドープ二酸化チタン膜に加えて、所定の半導体層又は絶縁層を形成しなければならない。前記半導体層及び前記絶縁層は、前記コバルトドープ二酸化チタン膜と隣接して存在し、ある場合は前記コバルトドープ二酸化チタン膜の下地層として機能する。一方、前記半導体層及び前記絶縁層が、前記コバルトドープ二酸化チタン膜上に形成される場合があり、この場合は、前記コバルトドープ二酸化チタン膜が前記半導体層又は前記絶縁層に対して下地層として機能する。
したがって、上述したエレクトロニクスデバイスを実現するに際しては、前記コバルトドープ二酸化チタン膜と前記半導体層又は前記絶縁層との格子定数が接近し、互いにエピタキシャル成長を阻害しないことが要求される。
本発明は、コバルトドープ二酸化チタン膜の格子定数が近接し、互いのエピタキシャル成長を阻害しない新規な化合物からなる半導体層又は絶縁層を含む多層膜構造体及び素子構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
二酸化チタンに対して、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ゲルマニウム及び二酸化スズから選ばれる少なくとも一種の混晶物質を混晶化した混晶化二酸化チタンであって膜状の混晶化二酸化チタンを半導体層又は絶縁層として含むとともに、コバルトドープ二酸化チタン膜を強磁性層として含むことを特徴とする、多層膜構造体に関する。
二酸化チタンに対して、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ゲルマニウム及び二酸化スズから選ばれる少なくとも一種の混晶物質を混晶化した混晶化二酸化チタンであって膜状の混晶化二酸化チタンを半導体層又は絶縁層として含むとともに、コバルトドープ二酸化チタン膜を強磁性層として含むことを特徴とする、多層膜構造体に関する。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、二酸化チタンを基盤材料として、この材料に対して上述した混晶物質を混晶化させることにより、前記二酸化チタンの結晶性を損なうことなく、十分高い結晶性を有する混晶化二酸化チタンが得られることを見出した。
かかる混晶化二酸化チタンは、コバルトドープ二酸化チタンに近接した格子定数を有するとともに、前記混晶物質の混晶度合い、すなわち前記混晶化二酸化チタン中の前記混晶物質の混晶割合を変化させることによって、その性質を半導体的性質から絶縁体的性質まで自在に変化させることができる。したがって、前記コバルトドープ二酸化チタン及び前記混晶化二酸化チタンを薄膜化して、所定の素子構造を形成した場合において、互いのエピタキシャル成長を阻害することなく、前記素子構造の結晶性を十分に高めることができ、この結果、前記高結晶性に起因した優れた機能を呈することができる素子を提供することができる。
以上説明したように、本発明によれば、コバルトドープ二酸化チタン膜の格子定数が近接し、互いのエピタキシャル成長を阻害しない新規な化合物からなる半導体層又は絶縁層を含む多層膜構造体及び素子構造を提供することができる。
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の多層膜構造体を構成する半導体層又は絶縁層に含まれる混晶化二酸化チタンは、混晶物質である二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ゲルマニウム及び二酸化スズから選ばれる少なくとも一種の混晶割合を変化させることによって、その特性を半導体的性質から絶縁体的性質まで変化させることができる。一方で、前記混晶物質の混晶割合を変化させることにより、前記混晶化二酸化チタンの格子定数が変化する。したがって、格子定数の変動範囲を考慮した上で、前記半導体的性質又は前記絶縁体的性質を呈するように、前記混晶物質の混晶割合を制御する。
具体的には、前記混晶物質の混晶割合を０．１％〜３０％とすることにより、半導体的性質を呈することができる。また、前記混晶物質の混晶割合を３０％〜５０％とすることにより、絶縁体的性質を呈することができる。
なお、前記混晶物質の中でも、特に二酸化ハフニウム及び二酸化ジルコニウムが好ましく用いられる。
また、前記混晶化二酸化チタンは、バルク状に形成することもできるが、以下に詳述する素子構造中に使用するに際しては、薄膜状に形成する。
混晶化二酸化チタン膜は、上述した混晶物質の蒸着源と、二酸化チタンの蒸着源とを用い、これら蒸着源から同時に混晶物質蒸着種及び二酸化チタン蒸着種を生成し、所定の基板又は下地層上に堆積させることによって形成することができる。具体的な成膜手法としてはレーザアブレーション法などの公知の蒸着手法を用いることができる。また、スパッタリング法やＣＶＤ法などを用いることもできる。
前記混晶化二酸化チタン膜を形成する際には、前記基板又は前記下地層を好ましくは２００℃〜６００℃に加熱して行う。これによって、前記混晶化二酸化チタン膜の形成を容易にするとともに、その結晶性を十分に向上させることができる。
上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて素子構造を作製するに際しては、前記混晶化二酸化チタン膜及び前記コバルトドープ二酸化チタン膜を互いに積層させてなる多層膜構造体を作製する。
この際、前記コバルトドープ二酸化チタン膜は、原子レベルの平坦性を有することが好ましい。これによって、前記コバルトドープ二酸化チタン膜上に、前記混晶化二酸化チタン膜からなる半導体層又は絶縁層を形成する場合において、そのエピタキシャル成長を促進し、結晶性を十分に向上させることができる。したがって、目的とする素子構造の機能を向上させることができるようになる。
また、前記コバルトドープ二酸化チタン膜は、十分に高い結晶性を呈し、内部の酸素欠損量に依存してそのキャリア濃度が変化することが好ましい。この場合、前記コバルトドープ二酸化チタン膜は、そのキャリア濃度に依存して強磁性的性質を呈し、この強磁性的性質に基づいて種々の特性を呈するようになる。
上述したコバルトドープ二酸化チタン膜は、前記基板又は前記下地層上において、二酸化チタン膜を介して形成することが好ましい。この二酸化チタン膜は、汎用のレーザアブレーション法などにより、３００℃〜５００℃の温度で、厚さ５ｎｍ〜１００ｎｍに形成することができる。また、減圧雰囲気下でアニール処理することもできる。
なお、前記二酸化チタン膜は、必要に応じて所定の元素を含むこともできるが、好ましくは特定の目的でドープされる元素を含まないことが好ましい。但し、形成手段や条件などによって必然的に含まれる元素総てを排除するものではない。
なお、混晶化二酸化チタン膜は、上述した表面平坦性に優れ、キャリア濃度に依存して強磁性的性質を制御できるコバルトドープ二酸化チタン膜に限られず、任意のコバルトドープ二酸化チタン膜と組み合わせて、所定の素子構造を形成することができる。また、コバルトドープ二酸化チタン膜に限定されず、特定の目的でドープされる元素を含まない、あるいはその他の元素をドープした二酸化チタン膜と組み合わせることにより所定の素子構造を形成することもできる。
図１は、上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて作製したＴＭＲ素子構造の一例を示す構成図である。図１（ａ）に示すＴＭＲ素子構造１０は、前記混晶化二酸化チタン膜から構成される絶縁層１２が、コバルトドープ二酸化チタン膜から構成される強磁性層１１及び１３で挟まれるようにして構成されている。この場合、前記絶縁層はトンネルバリア層として機能する。なお、強磁性層１３は、前記コバルトドープ二酸化チタン膜のみならず、コバルトやパーマロイなどから構成することもできる。
図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＴＭＲ素子構造１０の変形例であって、図示したＴＭＲ素子構造１５は、図１（ａ）に示すＴＭＲ素子構造１０の上方、すなわち強磁性層１３上に反強磁性層１４を具えている。この反強磁性層１４は、強磁性層１３の磁化を所定方向に固定するためのピニング層として機能する。
図２は上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて作製したＧＭＲ素子構造の一例を示す構成図である。図２に示すＧＭＲ素子構造２０は、前記混晶化二酸化チタン膜から構成される半導体層２２が、コバルトドープ二酸化チタン膜から構成される強磁性層２１及び２３で挟まれるようにして構成されている。なお、ＧＭＲ素子は、図２に示すような三層構造以外に、例えば五層構造として形成することもできる。
図３は、上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて作製したＭＲＡＭ素子構造の一例を示す構成図である。図３に示すＭＲＡＭ素子構造３０は、前記混晶化二酸化チタン膜から構成される絶縁層３２が、コバルトドープ二酸化チタン膜から構成される強磁性層３１及び３３で挟まれ、さらにその外側に電極層３６が形成されている。
図４は、上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて作製した電界効果型素子構造の一例を示す構成図である。図４に示す電界効果型素子構造４０は、コバルトドープ二酸化チタン膜からなるベース４１上に、前記混晶化二酸化チタン膜から構成されるゲート絶縁層４２が形成されるとともに、ゲート絶縁層４２上にゲート電極４７が形成され、ベース４１及びゲート絶縁層４２間にソース／ドレイン電極４８が形成されている。ゲート電極４７及びソース／ドレイン電極４８はアルミニウムや銅などの金属材料から構成することができる。
図５は、上述した混晶化二酸化チタン膜及びコバルトドープ二酸化チタン膜を用いて作製したキャリア誘起強磁性素子構造の一例を示す構成図である。図５（ａ）は、前記キャリア誘起強磁性素子構造の平面図であり、図５（ｂ）は、前記キャリア誘起強磁性素子構造の、５−５線を含む平面で切った場合の断面図である。
図５に示すキャリア誘起強磁性素子構造５０は、コバルトドープ二酸化チタン膜からなるベースの５１上に、前記混晶化二酸化チタン膜から構成されるゲート絶縁層５２が形成されるとともに、ゲート絶縁層５２上にゲート電極５７が形成され、ベース５１及びゲート絶縁層５２間にソース／ドレイン電極５８及びホール電極５９が形成されている。ゲート電極５７、ソース／ドレイン電極５８及びホール電極５９はアルミニウムや銅などの金属材料から構成することができる。
図５に示すキャリア誘起強磁性素子構造５０においては、ゲート電極５７に印加するゲート電圧のオンオフにより磁化の書き込みや消去を行うことができる。なお、磁化の読出には、ソース／ドレイン電極５８に電流を流し、ホール電極５９で電圧を読取ることによって実行することができる。
サファイア基板上に、この基板を３００℃に加熱するとともに、酸素分圧１×１０-4Ｔｏｒｒの雰囲気下で、厚さ１００ｎｍの二酸化ジルコニウム−二酸化チタン混晶膜及び二酸化ハフニウム−二酸化チタン混晶膜を形成した。なお、いずれの場合の混晶膜もレーザアブレーション法を用いて形成した。
図６は、上述のようにして得た混晶膜のＸ線回折パターンである。図６においては、二酸化ジルコニウム及び二酸化ハフニウムの割合が増大するにつれて、前記混晶膜からのピークが一定方向にシフトしている。したがって、前記混晶膜においては、二酸化チタンに対して二酸化ジルコニウム及び二酸化ハフニウムがその割合に応じて混晶化していることが確認された。
図７は、上述のようにして得た二酸化ジルコニウム−二酸化チタン混晶膜及び二酸化ハフニウム−二酸化チタン混晶膜のＡＦＭ表面写真である。図７（ａ）は二酸化ジルコニウム−二酸化チタン混晶膜のＡＦＭ表面写真を示し、図７（ｂ）は二酸化ハフニウム−二酸化チタン混晶膜のＡＦＭ表面写真を示している。図７から明らかなように、いずれの場合においても、得られた前記混晶膜は原子レベルで平坦であることが分かる。
図８は、上述のようにして得た二酸化ジルコニウム−二酸化チタン混晶膜及び二酸化ハフニウム−二酸化チタン混晶膜における、格子定数の混晶割合依存性を示すグラフである。いずれの場合においても、二酸化ジルコニウム及び二酸化ハフニウムの混晶割合が増大するにつれて、混晶膜の格子定数が増大していることが分かる。
図９は、上述のようにして得た二酸化ジルコニウム−二酸化チタン混晶膜及び二酸化ハフニウム−二酸化チタン混晶膜における、バンドギャップの混晶割合依存性を示すグラフである。いずれの場合においても、混晶割合が増大するにつれて光吸収端が高エネルギー側にシフトしており、混晶膜のバンドギャップが拡大していることが分かる。
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
１０、１５ ＴＭＲ素子構造
１１、１３ 強磁性層
１２ 絶縁層
１４ 反強磁性層
２０ ＧＭＲ素子構造
２１、２３ 強磁性層
２２ 半導体層
３０ ＭＲＡＭ素子構造
３１、３３ 強磁性層
３２ 絶縁層
３６ 電極層
４０ 電界効果型素子構造
４１ ベース
４２ ゲート絶縁層
４７ ゲート電極
４８ ソース／ドレイン電極
５０ キャリア誘起強磁性素子構造
５１ ベース
５２ ゲート絶縁層
５７ ゲート電極
５８ ソース／ドレイン電極
５９ ホール電極
１１、１３ 強磁性層
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１４ 反強磁性層
２０ ＧＭＲ素子構造
２１、２３ 強磁性層
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３０ ＭＲＡＭ素子構造
３１、３３ 強磁性層
３２ 絶縁層
３６ 電極層
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４１ ベース
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５１ ベース
５２ ゲート絶縁層
５７ ゲート電極
５８ ソース／ドレイン電極
５９ ホール電極
Claims (7)
- 二酸化チタンに対して、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化ゲルマニウム及び二酸化スズから選ばれる少なくとも一種の混晶物質を混晶化した混晶化二酸化チタンであって膜状の混晶化二酸化チタンを半導体層又は絶縁層として含むとともに、コバルトドープ二酸化チタン膜を強磁性層として含むことを特徴とする、多層膜構造体。
- 請求項１に記載の多層膜構造体を含むことを特徴とする、素子構造。
- 前記素子構造はＴＭＲ素子として機能することを特徴とする、請求項２に記載の素子構造。
- 前記素子構造はＧＭＲ素子として機能することを特徴とする、請求項２に記載の素子構造。
- 前記素子構造はＭＲＡＭ構造として機能することを特徴とする、請求項２に記載の素子構造。
- 前記素子構造は電界効果型素子として機能することを特徴とする、請求項２に記載の素子構造。
- 前記素子構造はキャリア誘起強磁性素子として機能することを特徴とする、請求項２に記載の素子構造。
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