JP5646914B2 - Manufacturing method of tunnel junction element - Google Patents
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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。 The present invention relates to a method for manufacturing a tunnel junction element, for example, a method for manufacturing a tunnel junction element in which a tunnel insulating film and a ferromagnetic layer are formed on a semiconductor layer.
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。 As a tunnel junction element, it is known that a ferromagnetic material is provided on a semiconductor layer, and a tunnel insulating film capable of tunneling carriers is provided between the semiconductor layer and the ferromagnetic material. By using such a tunnel junction element, carriers spin-polarized from a ferromagnetic material can be injected into the semiconductor. Thus, by providing the tunnel insulating film, the spin injection efficiency is increased.
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Al2O3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。
Non-Patent
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。
According to Non-Patent
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。 However, when the tunnel insulating film is formed after exposing the surface of the semiconductor layer to the atmosphere, unevenness is generated at the interface between the tunnel insulating film and the semiconductor layer. The tunnel insulating film is thin enough to allow carriers to tunnel. For this reason, when the unevenness | corrugation of the interface of a tunnel insulating film and a semiconductor layer is so large that it cannot disregard with respect to the film thickness of a tunnel insulating film, the spin polarization rate of the carrier inject | poured into a semiconductor layer will become small. For example, when a tunnel junction element and a semiconductor device are integrated, the tunnel insulating film and the ferromagnetic layer may not be finished after the surface of the semiconductor layer is exposed to the atmosphere. For example, when the tunnel insulating film is formed after patterning on the surface of the semiconductor layer, or when the tunnel insulating film is formed after ion implantation is performed on the semiconductor layer, the surface of the semiconductor layer is exposed to the atmosphere. A tunnel insulating film will be formed. For example, in the case where devices for forming the semiconductor layer and the tunnel insulating film are different, after the semiconductor layer is formed, the substrate on which the semiconductor layer is formed is taken out of the device and introduced into the device for forming the tunnel insulating film. For this reason, the surface of the semiconductor layer is exposed to the atmosphere. Thus, even when a tunnel insulating film is formed on the surface of a semiconductor layer exposed to the atmosphere, there is a need to provide a tunnel junction element that can inject carriers with a high spin polarization into the semiconductor layer. Yes.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and even when a tunnel insulating film is formed on the surface of a semiconductor layer exposed to the atmosphere, a tunnel capable of injecting carriers having a high spin polarization rate into the semiconductor layer. An object is to provide a junction element.
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ALD法を用い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、を含み、前記半導体層は、GaAs層、AlGaAs層またはInGaAs層であり、前記トンネル絶縁膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化チタン膜または酸化マグネシウム膜であり、前記還元性ガスは、前記トンネル絶縁膜を形成する原料ガスである金属化合物ガスである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。 The present invention includes exposing the surface of the semiconductor layer to the atmosphere after exposing the surface of the semiconductor layer to the reducing gas, exposing the surface of the semiconductor layer to a reducing gas, and exposing the surface to the reducing gas. without exposing, forming a tunnel insulating film using ALD on said surface of said semiconductor layer, viewed including the steps, a to form the ferromagnetic layer on the tunnel insulating film, the semiconductor layer, A GaAs layer, an AlGaAs layer, or an InGaAs layer, and the tunnel insulating film is an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a titanium oxide film, or a magnesium oxide film, and the reducing gas passes through the tunnel insulating film. A method for manufacturing a tunnel junction element, wherein the metal compound gas is a raw material gas to be formed . According to the present invention, even when the tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor layer exposed to the atmosphere by removing the oxide film formed on the surface of the semiconductor layer with the reducing gas, the semiconductor layer In addition, a tunnel junction element capable of injecting carriers having a large spin polarization can be provided.
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。 In the above configuration, the interface between the tunnel insulating film and the semiconductor layer may be flatter than the surface before the surface is exposed to the reducing gas.
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。 In the above configuration, the step of exposing the surface to the reducing gas may be performed in the same chamber as the step of forming the tunnel insulating film.
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。 In the above configuration, the step of exposing the semiconductor layer to the atmosphere may be a step of performing at least a part of a manufacturing process of a semiconductor device on the semiconductor layer.
上記構成において、前記トンネル絶縁膜は酸化アルミニウムからなり、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。 In the above configuration, the tunnel insulating film may be made of aluminum oxide, and the reducing gas may be trimethylaluminum.
上記構成において、前記半導体層はGaAs層またはAlGaAs層である構成とすることができる。 In the above configuration, the semiconductor layer may be a GaAs layer or an AlGaAs layer .
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。 According to the present invention, it is possible to provide a tunnel junction element that can inject carriers having a high spin polarization rate into a semiconductor layer even when a tunnel insulating film is formed on the surface of the semiconductor layer exposed to the atmosphere. .
以下、本発明の実施例を、図面を参照に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。
FIG. 1A to FIG. 1D are cross-sectional views of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1A, the surface of the
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。
As shown in FIG. 1B, the substrate is introduced into a chamber of an apparatus for forming a tunnel insulating film. For example, it is introduced into an ALD (Atomic Layer Deposition) apparatus. The surface of the
半導体層10としてGaAs層、トンネル絶縁膜12としてAl2O3(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。
A GaAs layer was used as the
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N2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N2によるガスパージを行なった。
As shown in FIG. 1B, the GaAs substrate was introduced into the chamber of the ALD apparatus, and the inside of the chamber was evacuated. After the substrate temperature was raised to 350 ° C., the inside of the chamber was purged with high-purity nitrogen. Here, purging with an inert gas such as nitrogen is for removing impurities desorbed by heating and impurities in the atmosphere. After the chamber was evacuated again, a metal compound gas was supplied to the surface of the GaAs layer. The conditions for supplying the metal compound gas are as follows.
Supply gas: Trimethylaluminum (TMA)
Gas flow rate: 200sccm
Gas flow time: 0.1 second Gas purge time: 4 seconds Number of gas flows: 30 times As gas purge, TMA gas was replaced by flowing N 2 gas while supplying TMA (gas flow). That is, the gas flow of TMA for 0.1 second was performed 30 times, and the gas purge with N 2 for 4 seconds was performed during the gas flow.
次に、図1(c)のように、GaAs層上にトンネル絶縁膜12としてAl2O3膜(酸化アルミニウム膜)を形成した。Al2O3膜はアモルファス状に形成される。Al2O3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N2ガスを流してガスを置換した。
Next, as shown in FIG. 1C, an Al 2 O 3 film (aluminum oxide film) was formed as a
Source gas: trimethylaluminum (TMA), water Gas flow rate: TMA is 200 sccm, water is 200 sccm
Gas flow time: TMA is 0.1 second, water is 0.1 second Gas purge time: 4 seconds Gas flow frequency: TMA and water are alternately 10 times Film thickness: 1 nm
As a gas purge, the gas was replaced by flowing N 2 gas while alternately supplying TMA and water.
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
As shown in FIG. 1D, the substrate was taken out from the ALD apparatus and introduced into an EB (Electron Beam) vapor deposition apparatus. An Fe layer was formed as the
Deposition rate: 0.2 nm / second Vacuum degree: 6.0 × 10 −7 Torr
Film thickness: 20nm
In order to prevent oxidation of the Fe layer, an Au layer was formed on the Fe layer. The formation conditions of the Au layer are as follows.
Deposition rate: 0.4 nm / second Vacuum degree: 6.0 × 10 −7 Torr
Film thickness: 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。 As a sample prepared as described above, sample B was used as a sample, and as a comparative example, a sample in which the oxide film was not removed with the metal compound gas in FIG. Cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscope) observation of Samples A and B was performed.
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Al2O3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Al2O3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Al2O3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Al2O3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Al2O3膜との界面が平坦となっている。
2A is a TEM observation photograph of sample A, and FIG. 2B is a TEM observation photograph of sample B. As shown in FIG. 2A, in the sample A that is not treated with the metal compound gas, a
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。
According to the first embodiment, the surface of the
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。 Example 2 is an example in which it was confirmed that the carriers injected through the tunnel insulating film were spin-polarized. In Example 2, it was confirmed that the carriers injected into the semiconductor layer were spin-polarized by measuring the polarization of light generated by electroluminescence using an LED (Light Emitting Diode).
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2×1018cm−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2×1018cm−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2×1018cm−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1×1017cm−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1×1018cm−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。
Referring to FIG. 3B, the
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Al2O3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。
Next, as described in FIG. 1B of the first embodiment, the surface of the
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SiO2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。
Referring to FIG. 3C, a mesa is formed using an Ar ion milling method and a photolithography method. The size of the mesa is 300 μm × 300 μm. Referring to FIG. 3D, an insulating
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。
FIG. 4 is a block diagram of an evaluation system for evaluating spin polarization using the sample according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the
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。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a sample showing light emission of the sample according to Example 2. In FIG. 5, a p-
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 %
FIG. 6 is a diagram illustrating spectral characteristics of counterclockwise circularly polarized light σ + and clockwise circularly polarized light σ − . The sample temperature is 8K, the magnetic field H is 3T, and the applied voltage is 2.4V. The center wavelength of the luminescence light is 833 nm, and the slit width of the spectrometer is 50 μm. When the light intensity at the peak of the left-handed circularly polarized light σ + and the right-handed circularly polarized light σ − is I + and I − , the polarization rate P was calculated by the following equation.
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。
FIG. 7 is a diagram showing the polarization rate P with respect to the magnetic field H. FIG. In FIG. 7, the solid line (EL23) indicates the polarization rate P when 2.3V is applied between the
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。
When light passes through the ferromagnetic material, it is circularly polarized. Therefore, the intensity of the circularly polarized light of the photoluminescence light from the
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。
According to Example 1 and Example 2, as shown in FIG. 1B, after the substrate is introduced into the ALD apparatus, the surface of the semiconductor layer exposed to the atmosphere is exposed to the metal compound gas. As shown in FIG. 1C, the
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。
In Examples 1 and 2, the interface between the
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。 In Examples 1 and 2, the metal compound gas has been described as an example of the reducing gas, but other reducing gases such as hydrogen gas may be used. By using a metal compound gas as the reducing gas, it can be shared with the source gas used when forming the tunnel insulating film. Further, trimethylaluminum has been described as the metal compound gas. Trimethylaluminum is highly reactive and is used as a raw material for the aluminum oxide film, so it is preferably used for reducing the oxide film. Moreover, since only methane gas and water are produced | generated after reaction, it is preferable also from a viewpoint of safety.
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。 Although the example using the ALD method for forming the tunnel insulating film has been described, the tunnel insulating film may be formed using, for example, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method. In order to form a thin film such as a tunnel insulating film, it is preferable to use the ALD method.
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。
In the case where pin holes are formed in the
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。 The step of exposing the surface of the semiconductor layer to the reducing gas is preferably performed in the same chamber as the step of forming the tunnel insulating film. Thereby, after exposing the surface of the semiconductor layer to the reducing gas, the tunnel insulating film can be formed without exposing the surface of the semiconductor layer to the atmosphere.
トンネル絶縁膜としては、Al2O3(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)、TiO2(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。Al2O3の原料ガスでありかつ還元性ガスとして、TMA以外にもAlCl3またはAlBr3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、HfCl4、HfI4、Hf(NMe2)4またはHf(NEt2)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、ZrCl4、ZrI4、Zr(NMe2)4またはZr(NEt2)4を用いることができる。TiO2の原料ガスでありかつ還元性ガスとして、TiCl4、TiI4、Ti(OMe2)4またはTi(OEt2)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(NMe2)4、Zr(NMe2)4またはTi(OMe2)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。 In addition to Al 2 O 3 (aluminum oxide), HfO (hafnium oxide), ZrO (zirconium oxide), TiO 2 (titanium oxide), MgO (magnesium oxide), or the like can be used as the tunnel insulating film. In addition to TMA, AlCl 3 or AlBr 3 can be used as the source gas of Al 2 O 3 and the reducing gas. As it and the reducing gas as a source gas of HfO, HfCl 4, HfI 4, Hf (NMe 2) 4 or Hf (NEt 2) 4 may be used. ZrCl 4 , ZrI 4 , Zr (NMe 2 ) 4 or Zr (NEt 2 ) 4 can be used as a ZrO source gas and a reducing gas. TiCl 4 , TiI 4 , Ti (OMe 2 ) 4 or Ti (OEt 2 ) 4 can be used as a source gas of TiO 2 and a reducing gas. Me is a methyl group and Et is an ethyl group. Hf (NMe 2 ) 4 , Zr (NMe 2 ) 4 or Ti (OMe 2 ) 4 is preferable from the viewpoint of safety because it has high reactivity and only produces methane gas and water after the reaction.
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。 As the semiconductor layer, InAs, GaN, Si, Ge, InP, GaP, SiC, Graphene, diamond, or a mixed crystal thereof can be used in addition to GaAs and AlGaAs. In particular, semiconductors such as GaAs, AlGaAs, InAs, and InGaAs are most utilized as compound semiconductor devices, and an oxide film is easily formed on the surface. Therefore, it is preferable to use Example 1 and Example 2. The semiconductor layer may be a semiconductor substrate.
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。 As the ferromagnetic layer, permalloy (Py), CoFeB, CoFe, FePt or CoPt can be used in addition to Fe. In particular, since CoFeB is used for a tunnel magnetoresistive element and has a high spin injection rate, it is preferably used as a ferromagnetic layer. FePt and CoPt are used as perpendicular magnetic memory materials and are preferably used as ferromagnetic layers.
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。
Example 3 is an example in which a tunnel insulating film is formed after a semiconductor device manufacturing process is performed. 8A to 9C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIG. 8A, ion implantation and heat treatment are performed on the P-type
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Al2O3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。
Referring to FIG. 9A, the
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。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment, a
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。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 半導体層
12 トンネル絶縁膜
14 強磁性体層
10
Claims (6)
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ALD法を用い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、
を含み、
前記半導体層は、GaAs層、AlGaAs層またはInGaAs層であり、
前記トンネル絶縁膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化チタン膜または酸化マグネシウム膜であり、
前記還元性ガスは、前記トンネル絶縁膜を形成する原料ガスである金属化合物ガスであることを特徴とするトンネル接合素子の製造方法。 Exposing the surface of the semiconductor layer to the atmosphere;
Exposing the surface of the semiconductor layer to a reducing gas;
Forming a tunnel insulating film on the surface of the semiconductor layer using the ALD method without exposing the surface of the semiconductor layer to the atmosphere after the step of exposing the surface to a reducing gas;
Forming a ferromagnetic layer on the tunnel insulating film;
Only including,
The semiconductor layer is a GaAs layer, an AlGaAs layer or an InGaAs layer,
The tunnel insulating film is an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a titanium oxide film, or a magnesium oxide film,
The method of manufacturing a tunnel junction element, wherein the reducing gas is a metal compound gas that is a raw material gas for forming the tunnel insulating film .
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