JP4998801B2

JP4998801B2 - トンネル素子の製造方法

Info

Publication number: JP4998801B2
Application number: JP2008213517A
Authority: JP
Inventors: 秀和齋藤; 功兒安藤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2010050297A

Description

本発明は、トンネル素子の製造方法に関し、特に、酸化ガリウム膜をトンネル絶縁膜としたトンネル素子の製造方法に関する。

トンネル素子は、２つの導電性膜の間にキャリアがトンネル伝導可能な膜厚を有するトンネル絶縁膜を設けた素子である。導電性膜の一方を半導体膜とし、半導体膜上にトンネル絶縁膜および導電性膜を形成することにより、半導体素子とトンネル素子との集積化が可能となる。非特許文献１および非特許文献２には、ＧａＡｓを含む半導体を用いたトンネル素子が開示されている。非特許文献１および非特許文献２においては、ＧａＡｓを含む半導体上に形成した酸化マグネシウム膜をトンネル絶縁膜として用いている。

トンネル素子の導電性膜を強磁性体とすることにより、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子を実現することができる。
Appl. Phys. Lett., Vol. 81, No. 2, p265. Phys. Rev. Lett., Vol. 94, p056601.

しかしながら、ＧａＡｓを含む半導体膜上にトンネル絶縁膜を形成すると、接合抵抗が高く、十分なトンネル電流が得られない。また、接合抵抗の制御性が悪い。さらに、例えば、このようなトンネル絶縁膜を用いＴＭＲ素子を作製すると、磁気抵抗変化率が小さくなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、大きなトンネル電流が流れ、かつ接合抵抗の制御性のよいトンネル素子の製造方法を提供することを目的とする

本発明は、ＧａＡｓを含む半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に酸化ガリウム膜を形成する工程と、前記酸化ガリウム膜上に導電性膜を形成する工程と、を有し、前記酸化ガリウム膜は、前記半導体膜および前記導電性膜の一方から他方にトンネル電流が流れるトンネル絶縁膜であり、前記酸化ガリウム膜を形成する工程は、酸化ガリウム単結晶をソースとし蒸着法を用いることを特徴とするトンネル素子の製造方法である。本発明によれば、酸化ガリウム単結晶をソースとし蒸着法を用いることにより、一層大きなトンネル電流が流れ、かつ接合抵抗の制御性の一層よいトンネル素子を製造することができる。

本発明は、ＧａＡｓを含む半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に酸化ガリウム膜を形成する工程と、前記酸化ガリウム膜上に導電性膜を形成する工程と、を有し、前記酸化ガリウム膜は、前記半導体膜および前記導電性膜の一方から他方にトンネル電流が流れるトンネル絶縁膜であり、前記酸化ガリウム膜を形成する工程は、前記半導体膜を形成する工程が実行された後、酸化性気体に曝されることなく連続して実行されることを特徴とするトンネル素子の製造方法である。本発明によれば、一層大きなトンネル電流が流れ、かつ接合抵抗の制御性の一層よいトンネル素子を製造することができる。

上記構成において、前記半導体膜の少なくとも一部の膜と前記導電性膜の少なくとも一部の膜との少なくとも一方は強磁性体である構成とすることができる。この構成によれば、磁気抵抗変化率の大きいトンネル素子を製造することができる。

本発明によれば、酸化ガリウムをトンネル絶縁膜とすることにより、十分なトンネル電流が流れ、かつ接合抵抗の制御性のよいトンネル素子の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の原理を示す図である。ＧａＡｓを含む半導体膜１０と導電性膜３０と間にトンネル絶縁膜として酸化ガリウム膜２０が設けられている。酸化ガリウム膜２０は、半導体膜１０および導電性膜３０に接して設けられている。酸化ガリウム膜２０には、半導体膜１０および導電性膜３０の一方から他方にトンネル電流が流れる。つまり、酸化ガリウム膜２０は、半導体膜１０および導電性膜３０の一方から他方にトンネル電流が流れる程度の膜厚を有する。ＧａＡｓを含む半導体膜１０は、例えば、ＧａＡｓ単結晶膜である。または、ＧａＡｓと他のIII−Ｖ族半導体との混晶、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓである。半導体膜１０はｐ型またはｎ型導電性とするため、不純物が添加されている。酸化ガリウム膜２０が接する半導体膜１０は、ＧａＡｓを含めば導電性でなくともよい。半導体膜１０を強磁性体とする場合、半導体膜１０には磁性元素が添加される。導電性膜３０は、例えば金属膜であり、Ａｕ等である。導電性膜３０を強磁性体とする場合は、導電性膜３０の少なくとも一部をＦｅ、ＣｏまたはＮｉのような強磁性金属またはこれらの合金とする。半導体膜１０と導電性膜３０とを強磁性体とすることにより、トンネル素子をＴＭＲ素子とすることができる。

ＧａＡｓを含む半導体膜１０上に酸化マグネシウムのようなトンネル絶縁膜を形成すると、接合抵抗（つまり、半導体膜１０と導電性膜３０との間の抵抗）が大きくなるのは、ＧａＡｓを含む半導体膜１０とトンネル絶縁膜との界面に界面準位が形成されてしまうためと考えられる。ＧａＡｓ単結晶膜上に形成されたトンネル絶縁膜だけでなく、例えばＧａＡｓと他のIII−Ｖ族半導体との混晶膜上に形成されたトンネル絶縁膜についても接合抵抗が大きくなる。そこで、図１のように、半導体膜１０上にトンネル絶縁膜として酸化ガリウム膜２０を形成する。ＧａＡｓを含む半導体膜１０と酸化ガリウム膜２０との界面には界面準位が生成され難い。これは、酸化ガリウム膜２０がＧａＡｓの一方の元素の酸化物であるためである。よって、半導体膜１０は、例えばＧａＡｓと他のIII−Ｖ族半導体との混晶のように、ＧａＡｓを含む半導体膜１０であればよい。本発明によれば、上記のように、トンネル絶縁膜を酸化ガリウム膜とすることにより、接合抵抗を小さくすることができる。

実施例１は、半導体膜１０をｎ型ＧａＡｓ基板１４とｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２との積層膜とし、導電性膜３０をＦｅ膜３２とＡｕ膜３４との積層膜とする例である。図２（ａ）から図２（ｂ）は作製した実施例１に係るトンネル素子の製造工程を示す断面図、図３は作製したトンネル素子の製造工程の条件を示す図である。

図２（ａ）および図３を参照に、Ｓｉを１×１０^１８ｃｍ^−３添加したｎ型ＧａＡｓ基板１４上に、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用い、膜厚が２０ｎｍのＳｉを１×１０^１９ｃｍ^−３添加したｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２を形成する。Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２の成膜は、Ａｌ、ＧａおよびＡｓをそれぞれソースとし、Ｋセルを用い、形成温度を５４０℃として行う。これにより、ＧａＡｓ基板１４とＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２とから半導体膜１０が形成される。

図２（ｂ）および図３を参照に、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２上に、膜厚がｔの酸化ガリウム膜２０を蒸着法を用い形成する。酸化ガリウム膜２０の成膜は、１つの結晶からなる酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶をソースにＥＢ（Electron Beam）蒸着法を用い、室温で行う。Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２の成膜と酸化ガリウム膜２０の成膜とは異なるチャンバーを用いて行うが、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２の成膜と酸化ガリウム膜２０の成膜との間に、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ膜１２の表面を大気には曝していない。

図２（ｃ）および図３を参照に、酸化ガリウム膜２０上に、膜厚が５ｎｍのＦｅ膜３２を形成する。Ｆｅ膜３２上に、膜厚が５ｎｍのＡｕ膜を形成する。Ｆｅ膜３２およびＡｕ膜３４の形成は、それぞれＦｅおよびＡｕをソースにＥＢ蒸着法を用い、室温で行う。これにより、Ｆｅ膜３２とＡｕ膜３４とからなる導電性膜３０が形成される。

実施例１と同様にトンネル絶縁膜が酸化マグネシウム膜からなる比較例１に係るトンネル素子を作製した。比較例１に係るトンネル素子は図２（ｂ）におけるトンネル絶縁膜を酸化マグネシウムで形成した以外は、実施例１と同じ製造方法で作製している。作製した比較例１と実施例１とに係るトンネル素子の半導体膜１０と導電性膜３０との間の素子抵抗を測定した。素子抵抗が、トンネル素子の接合抵抗に相当する。

図４は、室温で測定した比較例１および実施例１に係るトンネル素子の単位面積当りの素子抵抗をトンネル絶縁膜の膜厚ｔに対し示した図である。比較例１では、トンネル絶縁膜の膜厚ｔが小さい領域で素子抵抗が大きい。膜厚ｔが大きくなっても、素子抵抗は大きくは変わらない。一方、実施例１においては、トンネル絶縁膜の膜厚ｔが小さい領域では、素子抵抗は小さい。膜厚ｔが大きくなると、素子抵抗は実線のように指数関数的に大きくなる。これは、理想的なトンネル電流が流れていることを示している。

実施例１によれば、ＧａＡｓを含む半導体膜１０上に形成するトンネル絶縁膜を酸化ガリウム膜２０とすることにより、理想的なトンネル電流が流れるトンネル素子を実現することができる。これにより、トンネル絶縁膜を薄くすることにより接合抵抗の低いトンネル素子を実現できる。また、酸化ガリウム膜２０の膜厚を変化させることにより、任意の接合抵抗が容易に得られる。接合抵抗をトンネル電流が流れる程度とするためには、酸化ガリウム膜２０の膜厚は、５ｎｍ以下が好ましい。さらに、酸化ガリウム膜２０の膜厚を３ｎｍ以下とすることにより、比較例１より素子抵抗を小さくすることができる。

また、実施例１に係るトンネル素子の製造方法によれば、図２（ｂ）および図３のように、酸化ガリウム膜２０を形成する際に、酸化ガリウム単結晶をソースとし蒸着法を用いている。酸化ガリウム膜２０を形成する際のソースとしてＧｄＧａＯが用いられることがある。しかしながら、Ｇｄは磁性元素のため、Ｇｄが酸化ガリウム膜２０に含まれると、トンネル素子としてＴＭＲ素子を形成する際には好ましくない。また、酸化ガリウム多結晶をソースに用いることもある。しかしながら、酸化ガリウム多結晶は、酸化ガリウムの粉末、または酸化ガリウムを焼結して形成されている。このようなソースは、結晶表面に酸素等の不純物が吸着されている。よって、酸化ガリウム多結晶をソースとした場合、良好な酸化ガリウム膜２０が形成できない。実施例２によれば、酸化ガリウム単結晶をソースとし蒸着法を用いることにより、良好な膜質の酸化ガリウム膜２０を形成することができる。また、酸化ガリウム単結晶は、表面積が小さくなるように、１つの結晶からなるソースを用いることが好ましい。

さらに、酸化ガリウム膜２０を形成する工程は、半導体膜１０を形成する工程が実行された後、大気（つまり酸化性気体）に曝されることなく実行される。これにより、半導体膜１０と酸化ガリウム膜２０との間に砒素酸化物等が形成されることを抑制し、良好な酸化ガリウム膜２０を形成することができる。

酸化ガリウム膜２０は、Ｇａ_２Ｏ_３に近い組成のアモルファス状態であると考えられるが、上記組成、状態に限られるものではない。

実施例２は、半導体膜１０をｐ型ＧａＡｓ基板１４とｐ型ＧａＡｓ膜１３とＧａ_０．９５Ｍｎ_０．０５Ａｓ膜１１との積層膜とし、導電性膜３０をＦｅ膜３２とＣｏ膜３３とＡｕ膜３４との積層膜とする例である。図５は作製した実施例２に係るトンネル素子の断面図、図６は作製したトンネル素子の製造工程の条件を示す図である。

図５および図６を参照に、Ｂｅを１×１０^１８ｃｍ^−３添加したｐ型ＧａＡｓ基板１４上に、膜厚が３０ｎｍのＢｅを１×１０^１９ｃｍ^−３添加したｐ型ＧａＡｓ膜１３を形成する。ＧａＡｓ膜１３上に、膜厚が３０ｎｍのＧａ_０．９５Ｍｎ_０．０５Ａｓ膜１１を形成する。ＧａＡｓ膜１３およびＧａ_０．９５Ｍｎ_０．０５Ａｓ膜１１の成膜は、Ｋセルを用いたＭＢＥ法で、形成温度がそれぞれ５４０℃および２２０℃にて行う。これにより、ＧａＡｓ基板１４、ＧａＡｓ膜１３およびＧａ_０．９５Ｍｎ_０．０５Ａｓ膜１１から半導体膜１０が形成される。

Ｇａ_０．９５Ｍｎ_０．０５Ａｓ膜１１上に、膜厚が３ｎｍの酸化ガリウム膜２０を蒸着法を用い形成する。酸化ガリウム膜２０の成膜は、実施例１と同じであり、１つの結晶からなる酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶をソースにＥＢ蒸着法を用い、室温で行う。

酸化ガリウム膜２０上に、膜厚が５ｎｍのＦｅ膜３２、膜厚が１０ｎｍのＣｏ膜３３および膜厚が２０ｎｍのＡｕ膜３４を順次形成する。Ｆｅ膜３２、Ｃｏ膜３３およびＡｕ膜３４の成膜は、ＥＢ蒸着法を用い、室温で行う。これにより、Ｆｅ膜３２、Ｃｏ膜３３およびＡｕ膜３４からなる導電性膜３０が形成される。

作製した実施例２に係るトンネル素子（ＴＭＲ素子）を用い、−２６７℃において磁気抵抗曲線を測定した。図７は、磁界の強さに対する磁気抵抗変化率を示した図である。なお、磁気抵抗変化率は、［Ｒ（Ｈ）−Ｒｐ］／Ｒｐ×１００（％）で定義される。ここで、Ｒ（Ｈ）は磁界H中での素子抵抗、Ｒｐは上下の磁性膜の磁化方向が完全に平行に揃った時の素子抵抗である。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、それぞれ図７における（ａ）〜（ｄ）でのトンネル素子の半導体膜１０および導電性膜３０の磁化の方向を示した図である。図７および図８（ａ）を参照に、磁界の強さが４００Ｏｅでは、半導体膜１０および導電性膜３０は同じ方向に磁化している。すなわち平行磁化状態である。よって、ＴＭＲ素子の抵抗変化率は小さい。図８（ｂ）を参照に、磁界の強さを小さくし、磁界の強さを負とすると、半導体膜１０および導電性膜３０のうち保磁力の小さい一方（図８（ｂ）では半導体膜１０）の磁化が反転する。これにより、半導体膜１０と導電性膜３０との磁化方向が異なり、反平行状態となる。よって、ＴＭＲ素子の抵抗変化率が大きくなる。図８（ｃ）を参照に、磁界の強さをさらに小さくすると、導電性膜３０の磁化が反転する。これにより、半導体膜１０と導電性膜３０との磁化方向は平行状態となる。よって、ＴＭＲ素子の抵抗変化率が小さくなる。図８（ｄ）を参照に、磁界の強さを大きくし、磁界の強さを正とすると、半導体膜１０の磁化が反転する。これにより、半導体膜１０と導電性膜３０との磁化方向は反平行状態となり、抵抗変化率は大きくなる。さらに、磁界の強さを大きくすると、図８（ａ）に戻り、導電性膜３０の磁化が反転し、抵抗変化率は小さくなる。

実施例２と同様にトンネル絶縁膜が酸化マグネシウム膜からなる比較例２に係るトンネル素子を作製した。比較例２に係るトンネル素子はトンネル絶縁膜を酸化マグネシウムで形成した以外は、実施例２と同じ製造方法で作製している。

表１は、実施例２および比較例２における磁気抵抗変化率の最大値を測定した結果である。磁気抵抗変化率は、図７における最大の抵抗変化率である。実施例２においては、磁気抵抗変化率の最大値は、５８％であった。一方、比較例１においては、磁気抵抗変化率の最大値が１％であった。実施例２では、磁気抵抗変化率が大きい。これは、トンネル絶縁膜をスピン偏極したキャリアが走行する際に、スピン偏極が保持されていることを示している。一方、比較例１では、磁気抵抗変化率が小さい。これは、トンネル絶縁膜をスピン偏極したキャリアが走行する際に、スピン偏極が保持されないことを示している。

実施例２によれば、トンネル絶縁膜として酸化ガリウム膜を用いることにより、良好なＴＭＲ素子を実現することができる。実施例２において、半導体膜１０は、少なくとも一部の膜が強磁性体であればよく、導電性膜３０は少なくとも一部の膜が強磁性体であればよい。より磁気抵抗変化率の大きなＴＭＲ素子を実現するためには、強磁性体の膜は酸化ガリウム膜２０に接していることが好ましい。

実施例３は、実施例１に係るトンネル素子を用いたスピントランジスタの例である。スピントランジスタでは、強磁性体においてスピン偏極したキャリアをトンネル絶縁膜を介し半導体膜に注入する場合がある。これにより、スピン偏極したホットキャリアを半導体膜に注入することができる。このような場合、トンネル絶縁膜において、スピン偏極が保持されることが好ましい。よって、トンネル絶縁膜として酸化ガリウム膜を用いることにより、良好な特性のスピントランジスタを実現することができる。

実施例３は、Appl. Phys. Lett., Vol. 56, p665に記載されているスピントランジスタに実施例１に係るトンネル素子を適用した例である。図９は、実施例３に係るスピントランジスタの断面模式図である。図９を参照に、非磁性体であるＧａＡｓを含む半導体膜４０上に酸化ガリウム膜４２および４６を介しそれぞれ導電性膜４４および４８が形成されている。導電性膜４４はソース電極であり、導電性膜４８はドレイン電極である。導電性膜４４および４８の間の半導体膜４０上にはゲート電極４９が形成されている。導電性膜４４および４８は強磁性体である。

実施例３では、トンネル絶縁膜である酸化ガリウム膜４２および４６は、非磁性半導体膜４０と強磁性体導電性膜４４および４８との間に設けられている。ソース電極である導電体膜４４から注入されたスピン偏極されたキャリアが半導体膜４０を介しドレイン電極である導電体膜４８に至る。導電体膜４４と４８とが平行磁化または反平行磁化かにより、導電体膜４４と４８との間の抵抗を変化させることができる。

実施例３の変形例は、Appl. Phys. Lett., Vol. 89, p232502に記載されているスピントランジスタに実施例２に係るトンネル素子を適用した例である。図１０は、実施例３の変形例に係るスピントランジスタの断面模式図である。図１０を参照に、コレクタ層であるｎ型半導体５０上に、ベース層であるｐ型ＧａＭｎＡｓ膜からなる強磁性半導体膜５２が形成されている。強磁性半導体膜５２上にトンネル絶縁膜である酸化ガリウム膜５４が形成されている。酸化ガリウム膜５４上に、エミッタ電極である強磁性体導電性膜５６が形成されている。

実施例３の変形例では、導電性膜５６にから注入されたスピン偏極されたキャリアが強磁性半導体膜５２に至る。導電体膜５６と強磁性半導体膜５２とが平行磁化または反平行磁化かにより、導電体膜５６と強磁性半導体膜５２との間の抵抗を変化させることができる。

実施例３およびその変形例によれば、トンネル絶縁膜において、注入されたキャリアのスピン偏極が保持されるため、良好な特性を有するスピントランジスタを実現することができる。

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。

図１は、本発明の原理を示す断面図である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係るトンネル素子の製造工程を示す断面図である。図３は、実施例１に係るトンネル素子の製造条件を示す図である。図４は、比較例１および実施例１に係るトンネル素子の単位面積当りの素子抵抗をトンネル絶縁膜の膜厚ｔに対し示した図である。図５は、実施例２に係るトンネル素子の断面図である。図６は、実施例２係るトンネル素子の製造条件を示す図である。図７は、実施例２における磁界の強さに対する磁気抵抗変化率を示した図である。図８（ａ）から図８（ｄ）は、それぞれ図７における（ａ）〜（ｄ）でのトンネル素子の半導体膜および導電性膜の磁化の方向を示した図である図９は、実施例３に係るスピントランジスタの断面模式図である。図１０は、実施例３の変形例に係るスピントランジスタの断面模式図である。

符号の説明

１０半導体膜
２０酸化ガリウム膜
３０導電体膜

Claims

ＧａＡｓを含む半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜上に酸化ガリウム膜を形成する工程と、
前記酸化ガリウム膜上に導電性膜を形成する工程と、
を有し、
前記酸化ガリウム膜は、前記半導体膜および前記導電性膜の一方から他方にトンネル電流が流れるトンネル絶縁膜であり、
前記酸化ガリウム膜を形成する工程は、酸化ガリウム単結晶をソースとし蒸着法を用いることを特徴とするトンネル素子の製造方法。
ＧａＡｓを含む半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜上に酸化ガリウム膜を形成する工程と、
前記酸化ガリウム膜上に導電性膜を形成する工程と、
を有し、
前記酸化ガリウム膜は、前記半導体膜および前記導電性膜の一方から他方にトンネル電流が流れるトンネル絶縁膜であり、
前記酸化ガリウム膜を形成する工程は、前記半導体膜を形成する工程が実行された後、酸化性気体に曝されることなく連続して実行されることを特徴とするトンネル素子の製造方法。
前記半導体膜の少なくとも一部の膜と前記導電性膜の少なくとも一部の膜との少なくとも一方は強磁性体であることを特徴とする請求項１または２記載のトンネル素子の製造方法。