JP4421065B2 - トンネル磁気抵抗素子の製造方法、トンネル磁気抵抗素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波デバイス、ハイパワーデバイスあるいはスピントンネル効果デバイス等のIII族窒化物を含むデバイスを作製する際に、高品質な絶縁膜を形成する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、金属−絶縁物−半導体(MIS)構造など、半導体と絶縁物の積層構造が用いられているデバイスの絶縁膜は、プラズマCVD法、熱酸化法、あるいは反応性スパッタ法等によって形成されたSiOx膜やSiNx膜などが用いられている。
【0003】
しかし、これらの方法で絶縁膜を半導体上に成長させる場合には、半導体の結晶方位と絶縁膜の結晶方位との差によって、平滑な絶縁膜を得ることが困難である。
【0004】
また、熱酸化法で形成する場合には、半導体と絶縁膜の界面で十分に酸化が起こらなかったり、逆に半導体中まで酸化が進行し、いずれの場合でも半導体−絶縁膜の急峻な界面が得られないという問題がある。
【0005】
更に、半導体の熱膨張率と絶縁膜の熱膨張率の違いにより、半導体−絶縁膜界面にストレスがかかり、半導体基板中や絶縁膜中に結晶欠陥やクラックが生じてしまう。このような結晶欠陥やクラックは、素子の電気的特性を悪化させてしまう。
【0006】
また、上記のような熱膨張率の違いにより、基板全体が反った場合には、素子の作製工程中のエッチングや電極形成などの微細加工工程の精度を低下させ、素子特性を悪くしたり、素子の劣化を引き起こしたりする。
【0007】
これらの問題は、高速、高周波、高耐圧、耐環境デバイスとして注目されているIII族窒化物半導体を構成要素とするIII族窒化物半導体デバイスにおいても同様に生じうるものである。
【0008】
特に、GaNは、Mn、Feなどの磁性金属不純物を添加することによって、希薄磁性半導体となることが最近の研究で明らかとなり、MRAMなど、スピントンネル効果素子材料として注目を集めているが、このスピントンネル効果素子においても、磁性体薄膜と絶縁層の間に上記のような問題が起こっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、窒化物半導体デバイス、スピントンネル効果素子などにおける、窒化物半導体薄膜と絶縁層の接合部の欠陥などが起こすこれらの問題を解決するもので、しかも、非常に容易に絶縁層の形成を行うことを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、添加物を含有するIII族窒化物薄膜を積層させ、前記III族窒化物薄膜から成る第一、第二の強磁性膜の間に、前記III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が配置された積層膜を製造するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、前記第一の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜を強磁性層にするMnを前記添加物としてドープさせながら、III族窒化物のバッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成し、前記絶縁膜は、前記III族窒化物薄膜を絶縁性にする炭素を前記添加物としてドープさせながら、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成するトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項2記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを供給して、前記III族窒化物薄膜に前記炭素をドープさせる請求項1記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項3記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせるMnを炭素に変更して、前記第一の強磁性膜と前記絶縁膜とを形成する請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項4記載の発明は、前記第二の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせる炭素をMnに変更して形成する請求項3記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項5記載の発明は、前記III族窒化物薄膜中のIII族元素にはGaを用いる請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項6記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長には、分子線エピタキシャル法を用いる請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項7記載の発明は、第一、第二の強磁性膜の間に絶縁膜が配置され、前記第一、第二の強磁性膜の磁化の向きによって、前記第一、第二の強磁性膜間に電圧を印加したときに流れるトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗素子であって、前記第一、第二の強磁性膜と、前記絶縁膜とはIII族窒化物薄膜から成り、III族窒化物のバッファー薄膜を有し、前記第一の強磁性膜は、前記バッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成されており、前記絶縁膜は、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長されて炭素が含有され、前記第一、第二の強磁性膜には、Mnがドープされたトンネル磁気抵抗素子である。
請求項8記載の発明は、前記第二の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成された請求項7記載のトンネル磁気抵抗素子である。
請求項9記載の発明は、前記III族窒化物薄膜中のIII族元素はGaである請求項7又は請求項8のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子である。
【0011】
本発明は上記のように構成されており、絶縁膜が、炭素が添加されたIII族窒化物薄膜で構成されている。この絶縁膜は、下層のIII族窒化物薄膜と同じ結晶構造であるから界面における結晶の乱れがなく、絶縁膜中に欠陥が生じることがない。
【0012】
更に、その絶縁膜上にIII族窒化物薄膜を成長させる場合でも、そのIII族窒化物薄膜と絶縁膜の界面にも乱れがないから、III族窒化物薄膜中に欠陥が生じることがない。
【0013】
下層のIII族窒化物薄膜を分子線エピタキシャル成長法で形成した後、ドーパントの分子線の照射を停止し、代わりにエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを導入すると、III族窒化物薄膜中に炭素を含有させることができる。導入した炭化水素ガスはプラズマ化する場合も本発明に含まれる。
【0014】
更に、絶縁膜表面にIII族窒化物薄膜を成長させる場合、炭化水素ガスの導入を停止すると共に、必要に応じてドーパントとなる分子線を照射すればよい。
【0015】
なお、本発明のIII族窒化物薄膜を構成させるIII族元素は、長周期型元素周期表のIIIb属に属する元素、即ち、Al、Ga、Inのいずれかの元素である。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、エピタキシャル法で成長させた窒化物半導体薄膜上に絶縁膜を形成する場合に、絶縁層として炭化水素ガスを炭素源とし、プラズマを用いたMBE法により成長させた炭素添加III族窒化物エピタキシャル膜を用いる。
【0017】
III族窒化物、すなわちAlN、GaN、InNあるいはこれらの混晶であるIII属窒化物薄膜は、エピタキシャル法により、サファイア基板や炭化珪素等の基板上に成長させている。この場合、たとえばMgを添加しながらエピタキシャル成長をさせると、得られるIII族窒化物薄膜はP型の半導体薄膜になり、Siを添加するとN型の半導体薄膜になる。
【0018】
これらの半導体薄膜を所望の厚さまで成長させた後、半導体薄膜の材料ガスにメタンを添加し、エピタキシャル成長を行うと、炭素添加III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が形成される。炭素添加III族窒化物薄膜は比抵抗105(Ω・cm)以上の高抵抗膜であり、GaN系エピタキシャル膜から成る絶縁体/半導体積層構造を形成することができる。
【0019】
以上のようにして形成された絶縁体/半導体積層構造においては、絶縁膜と半導体薄膜が同じ結晶構造をもち、かつ格子定数が近いため、従来のSiNx、あるいはSiOxを用いた場合と比較して接合界面は非常に良好なものとなる。
【0020】
また、以上のような絶縁体/半導体積層構造の絶縁体薄膜上に、更にIII族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させると、半導体/絶縁体/半導体積層構造が得られる。
【0021】
例えばスピントンネル効果素子を作製する場合においては、GaN薄膜をエピタキシャル成長させる際に、Mn、Fe又はNiを導入し、強磁性のIII族窒化物薄膜(半導体薄膜)を形成した後、このIII族窒化物薄膜上に炭素添加AlxGa1-xN(X<0.1)エピタキシャル膜を約3nm成長させて絶縁膜とし、さらにその絶縁膜上に、強磁性半導体エピタキシャル膜から成るIII族窒化物薄膜を成長させれば良い。この場合も、GaN系エピタキシャル膜から成る半導体/絶縁体/半導体積層構造であるため、良好な接合界面が得られ、約3nm程度の高品質・極薄絶縁層を得ることができる。
【0022】
【実施例】
<MISFET>
図1により、MISFETをMBE法により作製する際の実施例を示す。
図3の符号6は、本発明に用いることができる分子線エピタキシャル装置を示している。
【0023】
この分子線エピタキシャル装置6は、成長室60を有している。成長室60の壁面には、第1〜第3の分子線蒸発源61〜63と、プラズマ源65とが設けられている。
【0024】
第1〜第3の分子線蒸発源61〜63内には、それぞれ第1〜第3の半導体材料71〜73が配置されている。また、プラズマ源65には、ガス導入系66が接続されており、所望のガスをプラズマ源65内に導入できるように構成されている。
【0025】
図1(a)の符号10は、サファイア(0001)から成る絶縁基板であり、この絶縁基板10を分子線エピタキシャル装置6内に搬入し、真空雰囲気中でヒータ69によって加熱する。
【0026】
先ず、第1の分子線蒸発源61内からGa分子線を発生させると共に、アンモニアガスあるいはプラズマ源65内からの窒素プラズマを用いて、650℃〜800℃の成長温度で、絶縁基板10表面にGaN(0001)バッファ層を約2μmエピタキシャル成長させ、第1のIII族窒化物薄膜11を形成する(図1(b))。
【0027】
さらにノンドープGaN層約30nm成長させ、第1のIII族窒化物薄膜11上に第2のIII族窒化物薄膜12を形成する。この第2のIII族窒化物薄膜12はチャンネル層として機能する(図1(c))。
【0028】
次に、第1の分子線蒸発源61からの分子線を供給したまま、第2及び第3の分子線蒸発源62、63からそれぞれAl分子線、Si分子線を発生させ、第2のIII族窒化物薄膜12表面に、成長温度約800℃で2×1018/cm3の濃度でSiドープされたAlxGa1-xN(X<0.1)層を約3nmの膜厚に成長させる。このAlxGa1-xN(X<0.1)から成る第3のIII族窒化物薄膜13は電子供給層として機能する(図1(d))。
【0029】
次に、第2、第3の分子線蒸発源62、63からのAlおよびSiの分子線を停止すると共に、プラズマ源65内に、窒素ガス共にメタンガス等の炭化水素ガスを導入し、窒素ガスプラズマと炭化水素ガスプラズマが混合されたプラズマを生成すると、第3のIII族窒化物薄膜13表面に、炭素がドープされたGaNから成る絶縁膜15が形成される(図1(e))。この絶縁膜15は約3nmの厚みに成長させる。
【0030】
この場合のプラズマの生成法としてはECR、或いはRFのどちらを用いても良い。また、プラズマ源65内に導入するのではなく、成長室60に直結されたガス導入系67から、成長室60内に直接炭化水素ガスを導入し、炭素がドープされたGaNから成る絶縁膜を形成してもよい。この場合、導入した炭化水素ガスは、成長室60内でプラズマ化し、炭素ガスプラズマを発生させてもよい。
【0031】
次に、第3のIII族窒化物薄膜13表面を部分的に露出させ、その表面にソース、ドレイン電極21、22を形成すると共に、絶縁膜15表面にドレイン電極23を形成すると、MISFET構造の半導体素子19ができあがる。
【0032】
【実施例】
<MRAMセル構造>
MRAM(Magnelic Randam Access Memory)は磁気効果素子を用いた不揮発性固体磁気メモリであり、二層の強磁性体間に、絶縁体層を挟み込んだ構造である。強磁性体間に電圧を印加し、絶縁体層にトンネル電流を流すと、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化する現象、即ち、トンネル磁気抵抗(TMR)効果を利用する。
【0033】
図2(a)の符号50は、サファイア(0001)から成る絶縁基板であり、その上に、図3に示したような分子線エピタキシャル装置を用い、MBE法によってGaNから成る第1のIII族窒化物薄膜(GaNバッファ層)51を成長させる(図2(b))。このときGaは固体蒸発源から供給し、窒素源としては窒素プラズマ、あるいはアンモニアを用いる。窒素プラズマ源はECRでもRFでも良い。
【0034】
第1のIII族窒化物薄膜51が約500nm程度まで成長し、充分平滑な表面になったところで、MnがドープされたGaNから成る第2のIII族窒化物薄膜52(下部強磁性体膜GaN:Mn)を成長させる(同図(c))。このとき、GaとMnは固体蒸発源から供給し、窒素源としては窒素プラズマを用いる。
【0035】
第2のIII族窒化物薄膜52が10nm成長したところで、その表面へのMnの供給を停止するとともにメタンの供給を開始すると、炭素がドープされたGaN膜から成る絶縁膜53が成長する(同図(d))。メタンは、プラズマで励起して供給しても、た直接成長膜上へ供給しても良い。
【0036】
この絶縁膜53を1nm〜3nmの厚みに成長させた後、メタンの供給を停止し、再びMnの供給を開始すると、MnがドープされたGaNから成る第3のIII族窒化物薄膜54(上部強磁性体膜GaN:Mn)が成長する(同図(e))。
【0037】
第3のIII族窒化物薄膜54が約10nm成長したところで成長を終了させ、次に、第2のIII族窒化物薄膜52を部分的に露出させ、この表面に下部電極61を形成すると共に、第3のIII族窒化物薄膜54表面に上部電極62を形成すると、MRAM素子59が得られる(同図(f))。
【0038】
なお、以上説明したMISFET構造の半導体素子19とMRAM素子59の製造は、1台の分子線エピタキシャル装置6内で行ったが、製造途中の基板を移動させ、各III族窒化物薄膜や絶縁膜は、異なる分子線エピタキシャル装置内で形成してもよい。
【0039】
【発明の効果】
この発明は、絶縁体−半導体積層構造を、同じ結晶構造をもち、かつ格子定数の近いGaN系エピタキシャル膜で作製するため、従来のSiNx、SiOxを用いた場合よりも界面順位密度の低い良好な接合界面を持つ高品質・極薄絶縁膜を形成することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(f):MISFET構造の半導体素子の製造工程を説明するための図
【図2】(a)〜(f):MRAM素子の製造工程を説明するための図
【図3】本発明に用いることができる分子線エピタキシャル装置の一例を説明するための図
【符号の説明】
13、52、54……III族窒化物薄膜
15、53……絶縁膜
Claims (9)
- 添加物を含有するIII族窒化物薄膜を積層させ、
前記III族窒化物薄膜から成る第一、第二の強磁性膜の間に、前記III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が配置された積層膜を製造するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、
前記第一の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜を強磁性層にするMnを前記添加物としてドープさせながら、III族窒化物のバッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成し、
前記絶縁膜は、前記III族窒化物薄膜を絶縁性にする炭素を前記添加物としてドープさせながら、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成するトンネル磁気抵抗素子の製造方法。 - 前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを供給して、前記III族窒化物薄膜に前記炭素をドープさせる請求項1記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせるMnを炭素に変更して、前記第一の強磁性膜と前記絶縁膜とを形成する請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第二の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせる炭素をMnに変更して形成する請求項3記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記III族窒化物薄膜中のIII族元素にはGaを用いる請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長には、分子線エピタキシャル法を用いる請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 第一、第二の強磁性膜の間に絶縁膜が配置され、前記第一、第二の強磁性膜の磁化の向きによって、前記第一、第二の強磁性膜間に電圧を印加したときに流れるトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗素子であって、
前記第一、第二の強磁性膜と、前記絶縁膜とはIII族窒化物薄膜から成り、
III族窒化物のバッファー薄膜を有し、前記第一の強磁性膜は、前記バッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成されており、
前記絶縁膜は、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長されて炭素が含有され、
前記第一、第二の強磁性膜には、Mnがドープされたトンネル磁気抵抗素子。 - 前記第二の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成された請求項7記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記III族窒化物薄膜中のIII族元素はGaである請求項7又は請求項8のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗素子。
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