KR20060097303A - Hybrid ferromagnet/si semiconductor spin device using silicon on insulator (soi) and its fabrication method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SOI 기판을 이용한 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 특히 상온에서 강자성체로부터 스핀분극된 전자를 Si 반도체에 주입하여 얻어지는 스핀밸브 효과로부터 메모리 및 논리소자로 응용이 가능한 스핀주입소자 및 스핀 전계효과 트랜지스터를 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hybrid magnetic / semiconductor spin device using a SOI substrate and a method for manufacturing the same. Especially, the present invention is applicable to memory and logic devices from spin valve effect obtained by injecting electrons spin-polarized from ferromagnetic material into Si semiconductor at room temperature. A spin implantation device and a spin field effect transistor are disclosed.
본 발명에 의하면, 절연막 위에 SOI 기판이 형성되고, 상기 SOI 기판 위에 자성체의 소스 영역이 형성되며, 상기 소스 영역으로 주입된 스핀이 통과하는 상기 SOI 기판 위에 1차원 구조의 스핀 채널영역이 형성되고, 상기 스핀 채널영역을 통과한 스핀이 검출되는 상기 SOI 기판 위에 자성체의 드레인 영역이 형성됨을 특징으로 하는 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자를 제시한다.According to the present invention, an SOI substrate is formed on an insulating film, a source region of a magnetic material is formed on the SOI substrate, and a spin channel region having a one-dimensional structure is formed on the SOI substrate through which spin injected into the source region passes. A hybrid magnetic / semiconductor spin device is provided, wherein a drain region of a magnetic material is formed on the SOI substrate on which the spin passing through the spin channel region is detected.
따라서, 본 발명은 종래의 자성체/Si 반도체 소자에서 구현되지 않았던 스핀밸브효과를 달성하여 반도체 트랜지스터에서 캐리어의 전하만을 전기장으로 제어하는 것과 달리 하이브리드형 자성체/반도체 소자에서는 소스와 드레인에 자성체를 사용하여 스핀을 SOI 반도체에 주입하고 검출함으로써 캐리어의 스핀을 이용한 메모리 및 논리소자로 응용할 수 있다.Accordingly, the present invention achieves a spin valve effect, which is not realized in the conventional magnetic / Si semiconductor device, and controls the electric charge of the carrier only by the electric field in the semiconductor transistor, whereas in the hybrid magnetic / semiconductor device, the magnetic material is used as the source and the drain. By injecting and detecting the spin into the SOI semiconductor, the spin can be applied to memory and logic devices using the spin of the carrier.
스핀주입소자, SOI, 자성체/반도체 이종 접합구조, 자기저항, 스핀밸브 Spin injection element, SOI, magnetic / semiconductor heterojunction structure, magnetoresistance, spin valve
Description
도 1은 본 발명에 따른 스핀주입소자의 평면도이다.1 is a plan view of a spin injection device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 스핀주입소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of the spin injection device according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 실제 스핀소자를 나타낸 평면도이다.3 is a plan view showing an actual spin device manufactured according to the present invention.
도 4는 강자성 전극과 반도체간 접합 특성을 확인하기 위하여 측정된 전극/실리콘간의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing current-voltage characteristics between electrodes / silicon measured to confirm the junction characteristics between the ferromagnetic electrodes and the semiconductor.
도 5a 및 5b는 전극의 크기가 각각 폭 2㎛ ×길이 9㎛인 NiFe 자성체와 폭 200 nm ×길이 18㎛인 자성체의 비등방 자기저항곡선을 나타낸 그래프이다.5A and 5B are graphs showing anisotropic magnetoresistance curves of a NiFe magnetic body having an electrode size of 2 µm in width x 9 µm in length and a magnetic body having a width of 200 nm × 18 µm in length, respectively.
도 6은 10K에서 제작된 스핀소자로부터 측정한 스핀밸브효과를 보이는 저항-자기력을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the resistance-magnetic force showing the spin valve effect measured from a spin device manufactured at 10K.
도 7은 SOI 메사 구조 내부에 1차원 Si 전도채널을 전자빔감광하고 아르곤 이온밀링(Ar ion milling) 한 직후의 나타낸 평면도이다.FIG. 7 is a plan view of the one-dimensional Si conduction channel immediately after electron beam photodetection and argon ion milling in an SOI mesa structure.
도 8은 스핀분극 전계효과 트랜지스터(spin FET)의 구조를 나타낸 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a structure of a spin polarization field effect transistor (spin FET).
본 발명은 SOI 기판을 이용한 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 절연체 위에 50 ~ 300nm 두께로 형성된 얇은 Si 반도체를 이용한 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid magnetic material / semiconductor spin device using an SOI substrate and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a hybrid magnetic material / semiconductor spin device using a thin Si semiconductor formed in a thickness of 50 to 300 nm on an insulator.
현재까지의 반도체 전자소자는 전자의 두 가지 특성, 즉 전하와 스핀 중에서 스핀을 무시하고 캐리어의 전하(음의 전하를 가진 전자와 양의 전하를 가진 정공)만을 전기장으로 제어하고 있다. 즉, 전자가 가지는 고유한 두 가지 물리적 특성(전하, 스핀)중 음의 전기를 갖는 전하만을 이용하여 소자의 특성을 구현하였으나, 최근 스핀에 의존하는 전자이동(spin-dependent electron transport)을 실현하려는 노력으로 전하와 함께 스핀의 자유도를 동시에 고려하여 전자소자를 개발하려는 새로운 스핀트로닉스(spintronics, spin과 electronics의 합성어) 기술이 과학 기술계에 큰 관심을 끌고 있다. 기존의 전자소자와 비교하여 스핀전자소자의 고유 특성인 비휘발성(non-volatility)과 함께 초고속 및 초 저전력 등의 특성을 가지고 있기 때문에 향후 나노 기술의 발전과 함께 차세대 전자소자의 혁명적 성장을 주도할 것으로 전망되고 있다.Up to now, semiconductor electronic devices control only two types of electrons, namely, charges of carriers (electrons with negative charges and holes with positive charges), ignoring spin, among electric charges and spins. In other words, the device is implemented using only the negative electric charge among the two inherent physical properties of the electron (charge, spin), but recently, spin-dependent electron transport has been developed. Efforts to develop electronic devices in consideration of charge and spin degrees of freedom at the same time are attracting much attention in the scientific world. Compared with the existing electronic devices, it has the characteristics such as non-volatility, which is inherent in spin electronic devices, and ultra-high speed and ultra low power, which will lead the revolutionary growth of next-generation electronic devices with the development of nanotechnology. It is expected to be.
스핀트로닉스 연구분야의 가장 큰 관심은 전하와 스핀의 자유도를 동시에 고려하여 메모리 및 논리용 트랜지스터를 구현하는데 있다. 스핀분극된 전자를 이용한 트랜지스터를 구현하기 위해서는 스핀분극된 전자가 소스자성체로부터 반도체에 주입, 반도체에서 스핀의 방향을 유지하면서 이동, 게이트 전압을 인가하여 스핀의 방향을 제어함으로써 저항을 변화시키는 조절, 이동한 스핀분극된 전자를 드레인 자성체에서 검출 등의 4가지 기구가 완전하게 작동하여야 한다. A major concern in spintronics research is to implement transistors for memory and logic by considering charge and spin degrees of freedom at the same time. In order to implement a transistor using spin-polarized electrons, spin-polarized electrons are injected from a source magnetic material into a semiconductor, move while maintaining the direction of spin in a semiconductor, and control to change resistance by controlling a direction of spin by applying a gate voltage, Four mechanisms, such as detecting the moved spin polarized electrons in the drain magnetic material, must be fully operated.
현재 자성금속으로부터 상자성 금속 또는 반도체에 스핀전자를 주입하는 스핀주입(spin injection)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 효과적인 스핀주입은 스핀축적(spin accumulation) 등과 같은 흥미로운 현상을 일으키는 것으로 보고 되었다. 1993년 두개의 자성금속 사이에 Au 등의 상자성 금속을 끼워 넣는 구조로 한쪽의 자성금속을 스핀소스로 이용하여 상자성 금속에 스핀을 주입하고 다른 쪽의 자성금속으로 주입된 스핀을 검출하는 스핀 스위치 저장소자로서 양극 스핀 트랜지스터(bipolar spin transistor)를 제조하였다.Currently, research on spin injection that injects spin electrons from a magnetic metal into a paramagnetic metal or a semiconductor is actively being conducted. Effective spin injection has been reported to cause interesting phenomena such as spin accumulation. In 1993, a paramagnetic metal such as Au is sandwiched between two magnetic metals. A spin switch is used to inject spin into a paramagnetic metal using one magnetic metal as a spin source and to detect spins injected into the other magnetic metal. Bipolar spin transistors were fabricated as devices.
이와 같이 금속으로 구성된 스핀 트랜지스터는 스핀주입 현상을 실험적으로 증명하였지만, 임피던스가 작아 메모리 소자로 사용하는 데는 한계를 가지고 있다. 자성 금속으로부터 반도체로의 스핀 주입 및 전달은 스핀트로닉스 연구의 최대 관심분야로서 이 기술이 스핀을 이용한 전계효과트랜지스터 개발의 기초기술로 인식되고 있다. 최근 InAs, GaAs 기반 2차원 전자구름(two dimensional electron gas) 박막에 자성금속으로부터 스핀을 주입하는 기술이 개발되고 있으며, 아울러 게이트전압을 이용하여 주입된 스핀의 세차운동을 조절함으로써 저항을 변화시키는 게이트 효과도 보고되고 있다. 그러나 현재 상보성 금속산화물 반도체(CMOS)에서 가장 널리 쓰이는 Si에서의 스핀주입 및 스핀소자에 대해서는 연구결과가 극히 적다. 이것은 Si에서의 스핀확산거리가 짧고 2차원 전자구조를 갖는 3-5족 반도체에 비해 전하의 이동도가 느리기 때문으로 이해되고 있다.As described above, the spin transistor made of metal has been experimentally proved as a spin injection phenomenon. However, the spin transistor composed of metal has a limitation in being used as a memory device due to its low impedance. Spin injection and transfer from magnetic metals to semiconductors is a major area of interest in spintronics research, and this technology is recognized as the basis for the development of spin-enabled field effect transistors. Recently, a technique for injecting a spin from a magnetic metal into a thin film of InAs and GaAs based two-dimensional electron gas has been developed, and a gate for changing resistance by controlling precession of the injected spin using a gate voltage. Effects are also reported. However, very little research has been carried out on spin injection and spin devices in Si, which are currently the most widely used in complementary metal oxide semiconductors (CMOS). This is understood because the spin diffusion distance in Si is short and the mobility of charge is slow compared to the group 3-5 semiconductor having a two-dimensional electronic structure.
1996년 Steven Chou 등은 bulk n-type Si기판 위에 열산화법으로 표면에 10nm 두께의 SiO2산화물을 도포한 후 각각 폭 75, 150nm 이고 간격이 300nm 인 두개의 Ni전극을 증착한 소자에서 스핀밸브효과를 보고하였으나 첫째, 접촉저항이 수십 M Ohm으로 매우 커 잡음(noise)의 비율이 매우 크고 둘째, 두 Ni전극 사이에 정자기 상호작용(Magnetostatic interaction)으로 인해 스위칭 필드(switching field)가 불명확하며 셋째, 전극사이에 Si채널이 평면으로 있어 두 전극의 스트레이 필드(stray field)로 인한 국부적 홀 효과(local Hall effect)가 지배적으로 작용할 수 있어 위 소자로부터 얻어진 자기저항효과는 Si에 스핀주입 및 전달현상으로부터 관찰된 신호로 보기 어렵다.In 1996, Steven Chou et al. ( 1) applied 10 nm thick SiO 2 oxide on the surface by thermal oxidation method on a bulk n-type Si substrate, and then spin valve effect in a device in which two Ni electrodes with 75 and 150 nm width and 300 nm spacing, respectively, were deposited. However, firstly, the contact resistance is very high as several tens of M Ohm and the noise ratio is very large. Second, the switching field is unclear due to the magnetostatic interaction between the two Ni electrodes. Since the Si channel is planar between the electrodes, the local Hall effect due to the stray field of the two electrodes can dominate, and the magnetoresistance effect obtained from the above device is spin injection and transfer phenomenon to Si. It is difficult to see the signal observed from.
2004년 이우영 등은 접촉저항을 줄이기 위해 Si기판을 식각한 후 그곳에 자성전극을 형성하여 Si과 자성금속과의 접촉면적을 증가시키고 전극에서 전극으로 전하의 경로를 직선으로 짧게 함으로써 접촉저항을 줄이는 방법을 고안하여 보고한 바 있다. 이 방식을 통하여 접촉저항은 감소할 수 있었으나 상기한 S. Chou의 소자에서 문제점으로 지적된 것과 같이 bulk Si기판을 사용함으로써 누설전류가 크고, 스핀밸브 측정에서 두 자성전극의 비등방성 자기저항(anisotropic magneto resistance)이 주로 관찰되어 자성전극에서 분극된 스핀이 Si으로 주입되고 Si채널을 통해 이동하여 또 다른 자성전극에서 이동한 스핀이 관찰되는 스핀밸브를 얻었다고 보기 어렵다. 결국 아직까지 Si을 채널로 이용하여 스핀밸브소자를 구현하지 못하고 있는 실정이다.In 2004, Woo Young et al. Etched a Si substrate to reduce the contact resistance and then formed a magnetic electrode therein to increase the contact area between Si and the magnetic metal and reduce the contact resistance by shortening the charge path from the electrode to the electrode in a straight line. Has devised and reported. In this way, the contact resistance could be reduced, but the leakage current was large by using a bulk Si substrate as indicated by the above problem of S. Chou's device, and the anisotropic magnetoresistance of the two magnetic electrodes in spin valve measurement It is difficult to obtain a spin valve in which magneto-resistance is mainly observed, and the spin polarized in the magnetic electrode is injected into the Si, moved through the Si channel, and the spin moved in another magnetic electrode is observed. As a result, the spin valve device has not been realized using Si as a channel.
따라서, 본 발명에서는 첫째, 절연체 위에 얇은 Si채널을 갖는 SOI기판을 사용함으로써 스핀의 누설을 방지하고 둘째, Si위에 평면채널대신 나노미터 크기의 폭이 좁고 긴 1차원적인 채널을 형성함으로써 스핀밸브 신호에서 국부적 홀 효과(Local Hall effect), 프린지 효과(fringe field effect) 등을 배제하여 스핀밸스 소자를 실현하였다.Therefore, in the present invention, firstly, by using an SOI substrate having a thin Si channel on the insulator, the leakage of the spin is prevented, and second, a spin valve signal is formed on the Si by forming a narrow, long one-dimensional channel of nanometer size instead of the planar channel. The spin balance device is realized by excluding local Hall effect and fringe field effect.
현재 반도체 소자에 널리 사용되고 있는 Si에서 스핀소자를 구현한다면 스핀소자의 응용 및 실용화 측면에서 매우 큰 장점이 있다. 기존 CMOS소자에 사용되고 있는 나노미터 크기의 공정기술 및 장비를 그대로 사용할 수 있어 공정 적합성(process compatibility)이 매우 우수하고 또한 가격이 매우 저렴하여 스핀소자의 발전에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.Implementing a spin device in Si, which is widely used in semiconductor devices, has a great advantage in terms of application and practical use of the spin device. The nanometer-sized process technology and equipment used in the conventional CMOS devices can be used as they are, so the process compatibility is excellent and the price is very low, which is expected to contribute to the development of spin devices.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 상온에서 강자성체로부터 스핀분극된 전자를 Si 반도체에 주입하여 얻어지는 스핀밸브 효과로부터 메모리 및 논리소자로 응용이 가능한 스핀주입소자 및 스핀 전계효과 트랜지스터를 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is spin injection device and spin that can be applied to memory and logic devices from the spin valve effect obtained by injecting electrons spin-polarized from a ferromagnetic material into a Si semiconductor at room temperature The present invention provides a method for manufacturing a field effect transistor.
기존 특허 및 연구에서는 3-5족 반도체(GaAs, InAs)의 2차원 전자구조에서 얻어진 실험결과로부터 모든 반도체 소재(Si, Ge 포함)에 대해 동일한 방법으로 스핀 전계효과트랜지스터를 만들 수 있다는 개념 특허였으나, 본 발명에서는 스핀전달 채널로 쓰이는 반도체는 Si으로 국한하고 Si을 이용한 스핀소자에서 아직까지 아무도 발견한 적이 없는 스핀밸브 효과를 구현하기 위한 소자의 설계 및 공정 그리고 이로부터 게이트 전압을 인가하여 Si으로 주입된 스핀의 세차운동(precession)을 제어함으로써 Si기반 스핀전계효과트랜지스터를 제조하는 방법을 구체적으로 명시한다.Existing patents and researches were conceptual patents that can produce spin field effect transistors in the same way for all semiconductor materials (including Si and Ge) from experimental results obtained from two-dimensional electronic structures of group 3-5 semiconductors (GaAs, InAs). In the present invention, the semiconductor used as the spin transfer channel is limited to Si, and the design and process of the device for implementing the spin valve effect, which has not been discovered by anyone in the spin device using Si, and the gate voltage applied therefrom to Si. A method of fabricating a Si-based spin field effect transistor is specified in detail by controlling the precession of the implanted spin.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은As the technical idea for achieving the above object of the present invention
절연막 위에 SOI 기판이 형성되고, 상기 SOI 기판 위에 자성체의 소스 영역이 형성되며, 상기 소스 영역으로 주입된 스핀이 통과하는 상기 SOI 기판 위에 1차원 구조의 스핀 채널영역이 형성되고, 상기 스핀 채널영역을 통과한 스핀이 검출되는 상기 SOI 기판 위에 자성체의 드레인 영역이 형성됨을 특징으로 하는 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자를 제공한다. An SOI substrate is formed on the insulating film, a source region of a magnetic material is formed on the SOI substrate, a spin channel region having a one-dimensional structure is formed on the SOI substrate through which the spin injected into the source region passes, and the spin channel region is formed. A hybrid magnetic material / semiconductor spin element is formed on the SOI substrate on which the passed spin is detected.
이 때, 상기 자성체는 스핀분극(spin polarization)이 큰 자성금속으로서 Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe 중에서 선택되거나, GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN, GaMnP, ZnMnO 등과 같은 자성반도체 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 또한, La(1-x)SrxMnO3 (LSMO), CrO2 등과 같이 스핀분극 100%의 반금속(half metal)을 사용할 수 있다.At this time, the magnetic material is a magnetic metal having a large spin polarization (spin polarization) is selected from Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe, or any one selected from magnetic semiconductors such as GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN, GaMnP, ZnMnO, etc. Can be. In addition, a half metal having a spin polarization of 100% may be used, such as La (1-x) Sr x MnO 3 (LSMO), CrO 2, or the like.
상기 반도체는 단결정 실리콘(Si) 기판 또는 두께 50 ~ 400nm 의 절연체(SiO2) 위에 형성된 50 ~ 300nm 두께의 Si 박막기판(SOI)으로 형성되며, 상기 스핀 채널영역은 실리콘(Si) 또는 SOI(Si on Insulator)로 형성할 수 있다.The semiconductor is formed of a Si thin film substrate (SOI) having a thickness of 50 to 300 nm formed on a single crystal silicon (Si) substrate or an insulator (SiO 2 ) having a thickness of 50 to 400 nm, and the spin channel region is formed of silicon (Si) or SOI (Si). on Insulator).
상기 소스 영역 및 드레인 영역은 적용되는 소자의 형태에 따라 20 nm ~ 50 ㎛범위의 선폭을 가지며, 서로 선폭이 다르게 형성되어 스핀 스위칭이 일정 자계범위에서 반평행(antiparallel) 하도록 하는 것이나, 선폭은 같으나 소스 또는 드레인 어느 한쪽의 자성체에 반강자성체 변환 바이어스(antiferromagnetic exchange bias)에 의한 핀층/자유층(pinned layer/free layer) 형태의 적층을 이용하여 스위칭 자계범위를 반평행하게 하는 것을 모두 포함한다. 또한, 동일한 선폭이더라도 서로 다른 보자력(Coercive force)를 갖는 두 가지 강자성체를 선택적으로 사용하여 스위칭 자계범위를 반평행하게 하는 것도 포함한다. 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 간격은 10 nm ~ 5 ㎛ 의 범위가 적당하다. The source region and the drain region have a line width in the range of 20 nm to 50 μm according to the type of device to be applied, and the line widths are formed differently so that the spin switching is antiparallel in a certain magnetic range, but the line width is the same. Both of the source or the drain includes antiparallel switching magnetic field ranges by using a pinned layer / free layer stack by an antiferromagnetic exchange bias. In addition, even if the same line width includes the use of two ferromagnetic materials having different coercive force (Coercive force) to selectively anti-parallel switching magnetic field range. The interval between the source region and the drain region is suitably in the range of 10 nm to 5 μm.
또한, 본 발명에 의하면, SOI 기판에 캐리어가 이동하는 1개 ~ 100 개의 길이 0.1 ~ 5 ㎛, 폭 0.02 ~ 2 ㎛ 의 채널영역을 형성하고, 상기 채널 좌우의 반도체 기판 표면을 식각하며, 상기 채널의 좌우 식각된 영역에 절연체를 채워 넣어 인접 채널과 전기적으로 고립시키고(isolation) 상기 채널영역에 자성체로 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 것을 포함하는 하이브리드형 자성체/반도체 스핀소자 제조방법을 제공한다. In addition, according to the present invention, a channel region having a length of 0.1 to 5 µm and a width of 0.02 to 2 µm having a length of 1 to 100 carriers is formed on an SOI substrate, and the surface of the semiconductor substrate on the left and right sides of the channel is etched. The present invention provides a method of manufacturing a hybrid magnetic material / semiconductor spin device including filling an insulator in left and right etched regions of and electrically isolating adjacent channels and forming source and drain regions with magnetic materials in the channel region.
이 때, 상기 자성체와 반도체간의 접촉저항은 오믹(Ohmic) 또는 쇼트키(schottky) 일 수 있다. 한편, 자성금속과 반도체 사이에 0.5 ~ 2 nm 범위의 두께로 Al2O3, SiO2 등의 중간막을 삽입하여 터널링에 의한 스핀주입을 발생시킬 수도 있다.In this case, the contact resistance between the magnetic material and the semiconductor may be ohmic or schottky. Meanwhile, an interlayer such as Al 2 O 3 , SiO 2, or the like may be inserted between the magnetic metal and the semiconductor in a thickness range of 0.5 to 2 nm to generate spin injection by tunneling.
특히, 본 발명은 나노 크기의 강자성체 전극을 이용하는 아주 민감한 소자로 서 제작 시 고도의 청정도와 단계별 이동이 매우 신속히 이루어져야 한다.In particular, the present invention is a very sensitive device using a nano-sized ferromagnetic electrode should be made very high degree of cleanliness and step movement when manufactured.
이하, 본 발명에 의한 자성체/반도체 소자의 제조방법 및 그 물리적 특성을 실시 예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a magnetic body / semiconductor device according to the present invention and its physical characteristics will be described in detail with reference to the following examples.
기판으로 360 nm 두께의 SiO2 절연층위에 51 nm 두께의 N-형 실리콘 박막이 있는 SOI 웨이퍼를 준비하였다. 실리콘 표면에서의 누설전류를 방지하기 위하여 열산화 방법을 이용하여 실리콘 다이옥사이드층(SiO2)을 약 1 ~ 10nm의 두께로 성장 시켰다. 이렇게 산화막을 성장시킨 후 토막썰기 톱(dicing saw)를 이용하여 시편을 10 ×10 mm로 절단하였다. As a substrate, an SOI wafer having a 51 nm thick N-type silicon thin film on a 360 nm thick SiO 2 insulating layer was prepared. In order to prevent leakage current on the silicon surface, the silicon dioxide layer (SiO 2 ) was grown to a thickness of about 1 to 10 nm using a thermal oxidation method. After the oxide film was grown, the specimen was cut into 10 × 10 mm using a cutting saw.
이렇게 준비된 샘플의 실험 진행에 앞서 외부환경과의 오염원을 제거하기 위하여 [표 1]과 같은 세정공정을 실시하였다. 먼저, TCE, Acetone, Methanol, DI water를 사용하여 세정한 후, H2SO4 : H2O2 (4 : 1)의 비율로 혼합된 고온의 Acidic Solution에서 10분 동안 남아 있는 표면의 유기물질과 잔존 메탈을 완전히 제거한 후, 마지막으로 DI water를 사용하여 10분 동안 세척하고 질소 가스를 사용하여 건조 시켰다.In order to remove the source of contamination with the external environment prior to the experiment progress of the prepared sample was performed a cleaning process as shown in [Table 1]. First, the surface organic matter remaining for 10 minutes in a high temperature acidic solution mixed with TCE, Acetone, Methanol, DI water, and then mixed at a ratio of H 2 SO 4 : H 2 O 2 (4: 1). After completely removing the residual metal and finally, washed with DI water for 10 minutes and dried using nitrogen gas.
세정이 끝난 후, 광노광 공정을 이용하여 폭 18㎛의 메사(Mesa) 구조를 패터닝하고, 메사를 제외한 나머지 부분은 아르곤(Ar) 이온밀링하여 51nm 두께의 Si 박막을 완전히 제거하였다. 이 때, 스퍼터링법으로 TaO절연막을 증착하고 광감광제를 제거하면 주위는 절연체로 둘러싸인 메사구조를 얻을 수 있다. 메사구조 내부에 상기한 1차원 구조의 캐리어 이동 채널을 형성하기 위하여 전자선 노광장치로 패터닝한 후, 전자선감광제(ZEP520A)를 마스크로 Ar 이온밀링하여 트렌치(trench)를 제작하였다.After washing, the Mesa structure having a width of 18 μm was patterned by using a photoexposure process, and the remaining portions except Mesa were argon (Ar) ion milled to completely remove the 51 nm Si film. At this time, if the TaO insulating film is deposited by sputtering and the photosensitive agent is removed, a mesa structure surrounded by an insulator can be obtained. After forming the carrier moving channel of the one-dimensional structure inside the mesa structure by patterning with an electron beam exposure apparatus, a trench was fabricated by ar ion milling an electron beam photosensitive agent (ZEP520A) with a mask.
밀링공정 후, 식각한 곳에 TaO 절연막을 채워놓고 감광제를 제거(lift-off)하여 정확한 선폭과 깊이의 채널을 형성하였다. 전자선 노광공정은 일반적인 사진 노광공정(광노광공정)과는 달리 노광 마스크를 사용하지 않고, 컴퓨터에 의해 제어되는 전자총을 사용한다. 1차원 구조의 전도채널 위에 자기장의 방향에 의한 전극의 스핀밸브효과를 얻기 위하여 주입구(source)및 검출구(drain)의 크기를 폭 200nm, 길이 18㎛(축비 1:90), 폭1.5㎛, 길이 9㎛(축비1:6)로 다르게 하여 전자빔노광 하였다. 전극의 폭과 간격이 마이크론 보다 작은 크기이므로 전자선 노광장치로 패터닝 하였다. 다층 감광막 위에 전자빔을 노광시킨 후 MIBK:IPA(3:1)용액에서 현상하였다. 다층 전자선 감광막은 실리콘 기판의 수분을 제거하기 위하여 프리 베이킹(free baking)을 160℃에서 2분간 실시 후, 스핀코터를 이용하여 PMMA 495K 와 PMMA 950K A4를 6000rpm에서 도포 후 180℃에서 soft baking을 3분간 실시하여 300nm의 두께를 가지도록 형성하였다.After the milling process, the TaO insulating layer was filled in the etched portion and the photoresist was lifted off to form a channel having an accurate line width and depth. The electron beam exposure process uses an electron gun controlled by a computer without using an exposure mask, unlike a general photoexposure process (photoexposure process). In order to obtain the spin valve effect of the electrode by the direction of the magnetic field on the conductive channel of the one-dimensional structure, the size of the source and the detector are 200 nm in width, 18 μm in length (axis ratio 1:90), 1.5 μm in width, The electron beam exposure was carried out with a length of 9 mu m (axial ratio 1: 6). Since the width and spacing of the electrodes were smaller than microns, they were patterned with an electron beam exposure apparatus. The electron beam was exposed on the multilayer photoresist and then developed in a MIBK: IPA (3: 1) solution. In order to remove moisture from the silicon substrate, the multilayer electron beam photoresist was subjected to free baking at 160 ° C. for 2 minutes, and then applied PMMA 495K and PMMA 950K A4 at 6000 rpm using a spin coater, followed by soft baking at 180 ° C. Performed for a minute to form a thickness of 300nm.
이 때, 감광막을 단일층이 아닌 다층으로 올린 이유는 두 층의 분자량이 다른 층을 형성하여 분자량이 적은 아래층의 감광막이 더 넓게 현상되어 전극 증착 후 리프트 오프(lift-off)공정을 용이하게 하기 위한 것이다.At this time, the reason why the photoresist film is raised in a multi-layer rather than a single layer is to form a layer having different molecular weights so that the lower photoresist film having a lower molecular weight is developed more widely to facilitate a lift-off process after electrode deposition. It is for.
상기 패터닝 공정 후 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 강자성체 전극을 증착하였다. 증착 전에는 반드시 이전단계에서 이동시 발생된 자연 산화막을 제거하기 위하여 BOE(buffered oxide etchant)용액에 잠시 담군 후 깨끗이 세척한 다음 진공챔버에 장착하였다. 이렇게 산화막을 철저하게 제거하는 이유는 실리콘과 전극사이에서 스핀전자의 주입 및 검출이 제대로 이루어질 수 있도록 하기 위함이다. 전극의 증착도 챔버의 오염원을 제거하기 위하여 공정전, 1 ×10-8 torr이하의 초기진공 상태를 유지한 후, 약 10분간 Fe16Co84 (스핀 분극률: 52%)으로 사전 스퍼터링(pre-sputtering)을 수행한 후, 본격적인 전극의 증착을 진행하였다.After the patterning process, a ferromagnetic electrode was deposited using a DC magnetron sputtering system. Prior to the deposition, it was necessarily immersed in BOE (buffered oxide etchant) solution for a while to remove the natural oxide film generated during the movement in the previous step, washed thoroughly and then mounted in a vacuum chamber. The reason for the thorough removal of the oxide film is to ensure proper injection and detection of spin electrons between silicon and the electrode. Electrode deposition is also presputtered with Fe 16 Co 84 (spin polarization: 52%) for about 10 minutes before the process, to maintain an initial vacuum of 1 × 10 -8 torr or less to remove contaminants from the chamber. After the sputtering, deposition of the electrode was carried out in earnest.
또 다른 전극으로 Fe20Ni80(스핀 분극률 48%)를 사용하였다. 증착시 강자성 전극의 자화 용이축을 형성하기 위하여 전극의 장축 방향으로 자석을 붙여서 60 nm두께로 증착하였다. 한편 대기 중에서의 전극의 표면 산화를 방지하기 위하여 그 위에 바로 탄탈륨(Ta)을 5 nm 쌓아 보호막을 형성하였다. 강자성체 전극의 증착은 상기 적용된 스퍼터링 이외에도 이미 알려진 다양한 증착 방법이 사용될 수 있을 것이다.Fe 20 Ni 80 (spin polarization 48%) was used as another electrode. In order to form an easy magnetization axis of the ferromagnetic electrode, deposition was performed at 60 nm thickness by attaching a magnet in the direction of the major axis of the electrode. On the other hand, in order to prevent surface oxidation of the electrode in the air, tantalum (Ta) was stacked 5 nm directly thereon to form a protective film. Deposition of the ferromagnetic electrode may be used a variety of known deposition methods in addition to the applied sputtering.
이렇게 전극의 증착이 완료되면 패터닝시 사용하였던 감광막을 리프트 오프(lift-off)공정을 이용하여 샘플을 아세톤이 담긴 용기에 담아 감광막이 완전히 제거될 때까지 약 24시간 담궈 놓는다. 이때에는 강자성 전극이 매우 미세한 크기이므로 리프트 오프 공정시 단락되지 않도록 매우 주의하여야 한다.After the deposition of the electrode is completed, the photoresist film used at the time of patterning is put in a container containing acetone by a lift-off process and soaked for about 24 hours until the photoresist film is completely removed. At this time, since the ferromagnetic electrode is very fine size, care must be taken not to short-circuit during the lift-off process.
도 1및 도 2는 상기의 공정으로 제작된 Si기반 스핀주입소자의 평면, 단면 모식도이다. 도 1을 살펴보면, 폭 18㎛의 Si 메사구조(13)위에 수개의 폭 200nm의 스핀전도채널(14)이 형성되고 채널사이는 TaO, SiO2등의 절연막(15)으로 절연되어 있다. 메사구조 주위도 상기의 절연막(15)으로 평탄화(planarization) 하여 Ti/Au 연결선(lead wire)의 단락이 없도록 하였다. 채널 위에 소스와 드레인(16)으로서 폭이 서로 다른 두 자성전극(11, 12)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.1 and 2 are plan, cross-sectional schematic diagrams of a Si-based spin injection device manufactured by the above process. Referring to FIG. 1, several 200 nm wide
도 2는 SOI기판의 구조와 이 기판위에 제작된 소자를 보여준다. SOI기판은 bulk Si구조(26) 위에 360 nm두께의 SiO2 절연막(25)이 형성되고, 그 위에 50 nm 두께의 Si박막(Si on insulator)(24)이 형성되어 있다. Si박막에 메사구조(28)를 만들고 메사주위는 TaO 절연막(29)으로 평탄화한다. Si 메사구조 내부에 폭 200 nm의 Si채널(23)을 식각하여 형성하고 채널사이는 TaO절연막(27)으로 채워 넣는다. 이렇게 형성한 Si채널위에 강자성 전극(21)을 형성하고 이 전극은 Ti/Au 연결선(22)에 접촉된다.2 shows the structure of an SOI substrate and the device fabricated on the substrate. In the SOI substrate, a SiO 2 insulating film 25 having a thickness of 360 nm is formed on a
이 때, 연결선과 강자성전극의 접촉부는 반드시 TaO 절연막 위에 있어야 하며 만약 Si위에서 접촉이 이루어지면 Ti/Au선으로부터 분극되지 않은 전자가 Si으로 직접 주입되어 잡음(noise) 증가의 주요 원인이 된다. 강자성 전극을 통하여 분극된 스핀이 아래 1차원 Si채널을 통하여 흐르게 되는데 Si 채널 위,아래는 SiO2로 절연되어 50 nm 두께의 1차원 Si 채널구조(23) 내로만 이동하여 누설전류 (leakage current)를 감소시킬 수 있다.At this time, the contact portion of the connecting line and the ferromagnetic electrode must be on the TaO insulating film. If contact is made on Si, electrons that are not polarized from the Ti / Au line are directly injected into Si, which is a major cause of noise increase. The polarized spin through the ferromagnetic electrode flows through the lower one-dimensional Si channel, and the upper and lower Si channels are insulated with SiO 2 and move only into the 50-nm-thick one-dimensional
도 3은 상기의 공정으로 제작된 실제 스핀소자의 도면이다. 식별번호 31과 32는 폭이 다른 자성체로 된 소스와 드레인을 각각 나타내며, 33은 Si메사구조, 35는 메사구조를 형성한 후 평탄화하기 위해 형성한 TaO 절연막, 34는 Si 메사구조 내부에 형성한 Si채널, 37은 채널사이에 TaO 절연막, 36은 Ti/Au연결선을 나타낸다.3 is a view of an actual spin device manufactured by the above process.
상기 구조와 같이 구현된 소자는 매우 작은 크기이므로 직접 측정하기에는 불가능하다. 따라서 저항이 매우 작은 도체를 충분히 크게 제작하여 나노크기의 전극에 접합함으로써 측정할 수 있다. 이를 위하여 측정시 가해준 인가전압을 소멸없이 강자성 전극에 전달할 수 있는 재료의 선정과, 전극과 패드간의 최적의 오믹(ohmic) 접합을 이룰 수 있도록 패드를 디자인하는 것이 중요하다.Since the device implemented as the above structure is very small in size, it is impossible to measure directly. Therefore, it can be measured by making a conductor with a very small resistance and bonding it to a nano-sized electrode. For this purpose, it is important to select a material that can transfer the applied voltage applied to the ferromagnetic electrode without dissipation, and to design the pad to achieve an optimal ohmic junction between the electrode and the pad.
이를 위해서 선택한 재료는 금(Au)이다. 그런데 직접 금을 실리콘 기판 위에 증착하는 것은 두 재료 사이의 접합력이 좋지 않기 때문에 그 사이에 티타늄(Ti)를 증착하여 접착력(adhesion)을 개선하였다. 접촉패드의 형성은 사진 노광공정을 이용하여야 하기 때문에 크롬(Cr)막이 쌓인 유리 마스크 위에 디자인한 패드를 제작하였다. 패터닝은 사진 노광장비를 이용하여 최적조건(AZ-5214 감광액을 시편 위에 도포한 후, 스핀코터에서 4000 rpm으로 회전한 다음, 75℃의 오븐 속에서 약 15분간 baking을 한다. 준비된 시편에 자외선으로 약 4.5초간 감광시켜서 제작한 후 현상액에 담궈서 현상하였다.The material chosen for this is gold (Au). However, the direct deposition of gold on a silicon substrate improves adhesion by depositing titanium (Ti) between the two materials because the adhesion between the two materials is not good. Since the contact pad should be formed using a photolithography process, a pad designed on a glass mask having a chromium (Cr) film was fabricated. Patterning is performed using a photoexposure apparatus under optimum conditions (AZ-5214 photoresist is applied onto the specimen, rotated at 4000 rpm in a spin coater, and baked for about 15 minutes in an oven at 75 ° C. After manufacturing by sensitizing for about 4.5 seconds, it was developed by immersing in a developing solution.
이렇게 패터닝 된 시편을 충분히 깨끗이 세척한 후, 위에서 언급한 두 재료(Ti/Au)를 순서대로 10 nm, 80 nm의 두께로 초기진공이 2 ×10-6 torr 상태인 전자선 증발증착기(e-beam evaporator)를 사용하여 증착하였다. 이렇게 패드를 증착 한 후에는 패터닝 하기 위해 도포한 감광액을 아세톤을 사용하여 제거하여 리프트 오프(lift-off)공정을 실시하였다. 이렇게 해서 스핀밸브 효과를 이용한 실리콘 나노스핀 소자를 제작하였다.After thoroughly cleaning the patterned specimen, the above-mentioned two materials (Ti / Au) were sequentially e-beam evaporated (e-beam) with the initial vacuum of 2 × 10 -6 torr in a thickness of 10 nm and 80 nm. evaporator). After the pad was deposited in this way, the photoresist applied for patterning was removed using acetone to perform a lift-off process. In this way, a silicon nano spin device using the spin valve effect was fabricated.
도 4는 강자성 전극과 반도체간 접합 특성을 확인하기 위하여 측정된 전극/실리콘간의 전류-전압 특성을 보여준다. 도시된 바와 같이 쇼트키(schottky) 접합의 거동을 이루고 있는 것으로 두 접합사이에 아무런 오염원이 없이 완벽하게 접합되어 있는 것을 확인하였다. 또한 전극/실리콘 간의 쇼트키 장벽에 의한 쇼트키 장벽 높이를 다음 식을 통하여 계산하였다.Figure 4 shows the current-voltage characteristics between the electrode / silicon measured to confirm the junction characteristics between the ferromagnetic electrode and the semiconductor. As shown, the schottky junction was found to be perfectly bonded without any contaminant between the two junctions. In addition, the Schottky barrier height due to the Schottky barrier between electrodes / silicon was calculated through the following equation.
여기서, 상기 는 쇼트키 장벽의 높이이고, 는 리차드슨 상수이다. 이 식을 통하여 장벽의 높이를 구한 결과 0.49 eV를 얻을 수 있다.Where Is the height of the Schottky barrier, Is the Richardson constant. From this equation, 0.49 eV can be obtained from the height of the barrier.
도 5a 및 도 5b는 자성체/Si 스핀소자의 소스 및 드레인 영역으로 이용되는 폭과 길이가 다른 두 자성체의 비등방성자기저항(Anisotrpic Magneto resistance, AMR)거동을 나타낸다. 도 5a는 폭 2㎛ ×길이 9㎛(축비 1:4.5)인 NiFe 자성체에서 관찰된 AMR인데 이것은 전류의 방향과 스핀방향의 차이에 따른 스핀-궤도결합으로 인해 발생하는 자기저항이다. 도 5a에서 약 40 Oe 필드에서 음의 피크가 나타나며, 비율은 약 0.2%이다. 이 음의 피크가 나타나는 자력에서 스핀의 방향이 회전하므로 이 전극의 스위칭 필드는 약 40 Oe임을 알 수 있다.5A and 5B show anisotropic magneto-resistance (AMR) behavior of two magnetic bodies having different widths and lengths used as source and drain regions of the magnetic body / Si spin device. FIG. 5A is an AMR observed in a NiFe magnetic body having a width of 2 μm × a length of 9 μm (axis ratio 1: 4.5), which is a magnetoresistance caused by spin-orbit coupling according to a difference between a current direction and a spin direction. In FIG. 5A a negative peak appears in the field of about 40 Oe, with a ratio of about 0.2%. It can be seen that the switching field of this electrode is about 40 Oe because the direction of spin rotates at the magnetic force at which this negative peak appears.
한편, 도 5b의 또 다른 자성체는 폭 200 nm ×길이 18 ㎛ (축비 1:90)이며 AMR측정에서는 도 5b와 같이 특정 자력에서 음의 피크를 관찰하지 못했다. 이것은 자성체의 폭이 길이에 비해 매우 좁을 경우 스핀의 회전이 어려워 특정필드에서 동시에 회전하지 않기 때문이며 이 결과로부터 선폭이 큰 전극이 가지는 형상자기 이방성에 의한 보자력(coercivity)이 이보다 작은 선폭의 전극보다 작아 스위칭이 잘 되는 것을 확인할 수 있다. Meanwhile, another magnetic material of FIG. 5B is 200 nm in width x 18 μm in length (axial ratio 1:90), and in the AMR measurement, no negative peak was observed at a specific magnetic force as shown in FIG. 5B. This is because when the width of the magnetic material is very narrow compared to the length, the spin is difficult to rotate and does not rotate at the same time in a specific field.As a result, the coercivity due to the shape magnetic anisotropy of the electrode having a large line width is smaller than that of the smaller wire width electrode. You can see that the switch works well.
도 6은 10 K에서 관찰한 스핀밸브효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 실리콘 나노스핀 소자에서의 저항변화는 전극의 장축 방향(즉, 길이 방향)으로 자기장을 가하여 변화 시켰을 때 첫 번째 강자성체 전극(source)에서 스핀 분극된 전자를 실리콘 내에 주입(inject)하여 그 정보를 잃지 않고 실리콘 내를 이동(transport)시 켜 두 번째 전극(drain)에서 검출(detect)하여 이에 따라 변화하는 전기적인 신호를 측정하는 것을 의미한다. 소스와 드레인 영역은 각각 폭 1.5㎛ ×길이 9㎛(축비 1:6), 폭 0.2㎛ ×길이 18㎛(축비1:90)인 NiFe자성박막이다. 두 전극의 자화방향이 반평행(anti-parallel)을 유지하는 필드에서 저항이 증가하여 양의 피크가 생기며 자화방향이 평행(parallel)한 배열에서 저항은 감소하는 저항-필드 곡선을 관찰하였다.Figure 6 shows the spin valve effect observed at 10K. In the silicon nanospin device according to the present invention, the resistance change is caused by injecting electrons spin-polarized from the first ferromagnetic electrode into silicon when the magnetic field is changed in the longitudinal direction of the electrode (ie, the longitudinal direction). It means transporting through the silicon without losing that information, detecting it at the second drain, and measuring the electrical signal that changes accordingly. The source and drain regions are NiFe magnetic thin films each having a width of 1.5 m × 9 m (axial ratio 1: 6) and a width of 0.2 m × 18 m (axial ratio 1:90). In the field where the magnetization directions of the two electrodes are anti-parallel, the resistance is increased, a positive peak is generated, and the resistance-field curve is decreased in the arrangement in which the magnetization directions are parallel.
이 결과로부터 절연막위에 형성한 얇은 2차원 Si박막에(Silicon on insulator) 식각공정으로 1차원과 같은 얇고 긴 전도채널을 형성하면 분극된 스핀이 Si반도체에 효과적으로 주입되고 두 자성체의 자화방향이 반평행일때는 소스로부터 주입된 스핀의 방향과 드레인의 스핀의 방향이 달라 Si반도체내에 스핀이 축적되어 저항이 증가하고, 평행할때는 주입된 스핀이 드레인까지 쉽게 이동하여 저항이 감소하는 전형적인 스핀밸브 현상이 얻어짐을 확인할 수 있었다.From this result, when thin and long conduction channels like 1D are formed on the thin 2D Si thin film formed on the insulating film, polarized spin is effectively injected into the Si semiconductor, and the magnetization directions of the two magnetic bodies are antiparallel. In this case, the spin direction injected from the source and the spin direction of the drain are different, so that the spin accumulates in the Si semiconductor and the resistance increases. In parallel, the injected spin moves easily to the drain, resulting in a typical spin valve phenomenon. I could check my luggage.
도 7은 도1의 평면모식도에서 언급한 SOI 메사구조 내부에 1차원 Si 전도채널을 다수 형성하기 위한 공정기술을 정의하기 위해 이 채널을 전자빔 감광 (electron beam lithography)하고 아르곤 이온밀링(Ar ion milling) 한 직후의 소자를 나타낸 도면이다.FIG. 7 illustrates electron beam lithography and argon milling of the channel to define a process technique for forming a plurality of one-dimensional Si conduction channels in the SOI mesa structure mentioned in the plan view of FIG. Fig. 1 shows the device immediately after the step.
본 발명에서 가장 중요한 것 중 하나가 이전의 연구와는 달리 1차원 Si 전도채널을 식각공정을 통해 형성하는 것인데 이 채널의 폭이 수십~수백 나노미터 수준이고 길이가 수마이크론이므로 정확한 선폭과 길이의 채널을 형성하는 것이 어렵다. 그러므로 광식각공정 대신 크기와 위치제어가 훨씬 정교한 전자선감광공정을 사용하였으며 도 7에서 볼 수 있듯이 식각공정후에도 전자빔감광제가 그대로 원형을 유지하고 있다. 전자선감광공정에 널리 쓰이는 전자빔감광제는 PMMA 495K, PMMA 950K등 PMMA계열인데 이것들은 Ar ion milling 등과 같은 건식식각 공정에 손상되기 쉬워 PMMA를 마스크로 하여 후속공정을 진행하기가 어렵다. 그래서 본 발명에서는 ZEP520A 전자빔감광제를 사용하였으며 이것은 ion milling에 대한 식각속도가 0.9 Å/sec로 PMMA보다 낮아 이 감광제를 사용할 경우 후공정에서 감광제 자체를 식각용 마스크로 사용할 수 있는 잇점이 있다.One of the most important things in the present invention is to form a one-dimensional Si conduction channel through an etching process, unlike the previous studies. The width of the channel is in the order of tens to hundreds of nanometers and the length is several microns, so It is difficult to form a channel. Therefore, instead of the photolithography process, an electron beam photosensitive process with much more precise size and position control was used. As shown in FIG. 7, the electron beam photosensitive agent maintains its original shape after the etching process. The electron beam photosensitizers widely used in the electron beam photosensitive process are PMMA series such as PMMA 495K and PMMA 950K. These are easily damaged by dry etching processes such as ar ion milling, and it is difficult to proceed with the subsequent process using PMMA as a mask. Therefore, in the present invention, ZEP520A electron beam photosensitizer was used, which has an advantage that the etching rate for ion milling is 0.9 Å / sec lower than PMMA, so that the photoresist itself can be used as an etching mask in a later process.
그러나 전자선감광공정에서 공정변수 제어가 매우 까다로와 공정조건의 제어가 어려운 단점이 있다. 본 발명에서 최적화한 전자선감광공정의 변수는 area dose 45μC/㎝, dose factor 1.2, 가속전압 25KV, step size, 9.2nm이다. ZEP520A 감광제를 마스크로 하여 Ar Ion milling한 후, 식각한 곳에 절연막을 채워놓고 감광제를 lift-off하면 도3에서 볼 수 있는 다수의 Si 스핀채널을 만들 수 있다.However, in the electron beam photosensitive process, the control of process variables is very difficult and the control of process conditions is difficult. The parameters of the electron beam photosensitive process optimized in the present invention are area dose 45 μC / cm, dose factor 1.2,
본 발명에서 제조된 하이브리드 자성체/반도체 소자의 일례로서 스핀 트랜지스터를 도 8에 도시하였다. 스핀 트랜지스터의 소스(81)와 드레인(82)으로 자성체를 사용하였다. 스핀분극된 캐리어는 소스(81)로부터 채널영역(85)에 주입되고 다시 드레인(82)에서 검출된다. 채널영역은 SOI위에 식각공정으로 1차원 채널을 형성하였고, 채널 위에 산화절연막(86)을 입힌 후 그 위에 게이트 전극(83)을 설치하여 게이트에 전압을 인가함으로써 채널영역으로 주입된 스핀분극된 캐리어의 세차운동(precession)을 제어할 수 있다. 이와 같은 방법으로 스핀분극 전계효과 트랜지스터(spin-polarized field effect transistor, spin FET)를 구현한다.A spin transistor is illustrated in FIG. 8 as an example of the hybrid magnetic material / semiconductor device manufactured in the present invention. A magnetic material was used as the
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 자성체/Si 반도체 소자에서 구현되지 않았던 스핀밸브효과를 달성하여 반도체 트랜지스터에서 캐리어의 전하만을 전기장으로 제어하는 것과 달리 하이브리드형 자성체/반도체 소자에서는 소스와 드레인에 자성체를 사용하여 스핀을 SOI 반도체에 주입하고 검출함으로써 캐리어의 스핀을 이용한 메모리 및 논리소자로 응용할 수 있다.As described above, according to the present invention, a spin valve effect, which is not realized in a conventional magnetic / Si semiconductor device, is achieved, so that only a charge of a carrier is controlled by an electric field in a semiconductor transistor. By injecting and detecting the spin into the SOI semiconductor using the magnetic material, it can be applied to memory and logic devices using the spin of the carrier.
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