スピンＭＯＳ電界効果トランジスタ
【課題】スピン分極率の高いフルホイスラー合金と反強磁性結合を形成する磁性体を含む、ＴＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を用いたスピンＭＯＳ電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】半導体基板１０上に形成されたフルホイスラー合金層１３と、フルホイスラー合金層１３上に形成された、面心立方格子構造を有する強磁性体層１４と、強磁性体層１４上に形成された非磁性層１５と、非磁性層１５上に形成された強磁性体層１６とを含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに備える。非磁性層１５を介して形成された強磁性層１４と強磁性層１６との間には反強磁性結合が形成されている。
【解決手段】半導体基板１０上に形成されたフルホイスラー合金層１３と、フルホイスラー合金層１３上に形成された、面心立方格子構造を有する強磁性体層１４と、強磁性体層１４上に形成された非磁性層１５と、非磁性層１５上に形成された強磁性体層１６とを含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに備える。非磁性層１５を介して形成された強磁性層１４と強磁性層１６との間には反強磁性結合が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子、及びスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ、磁気記憶装置、磁気ヘッドなどを含むスピンデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性体/絶縁体/強磁性体のサンドイッチ構造で構成されるトンネル型磁気抵抗効果(ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistance effect)素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置(ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory)への応用が提案されている。これは一つの強磁性体層のスピンを固定し(磁化固定層)、もう一つの強磁性体層のスピンを制御する(フリー層)ことによってサンドイッチ構造間の抵抗を変化させ、メモリとして利用するものである。固定層とフリー層のスピンが平行の場合は抵抗が小さく、反平行の場合は抵抗が大きくなる。このスピン効率の指標となる磁気抵抗変化率(ＴＭＲ比)は数年前までは室温下で数１０％であったが最近では５００％にまで達し、ＭＲＡＭに限らず、さまざまなスピンデバイスとしての可能性が拡がっている。その一つに、スピンＭＯＳ電界効果トランジスタ（スピンＭＯＳＦＥＴ）が提案されている。これは、通常のＭＯＳＦＥＴに強磁性体を組み合わせることで、キャリアにスピンの自由度を付加したものである。
【０００３】
高効率な磁気記憶装置やスピンＭＯＳＦＥＴなどを実現するためには、ＴＭＲ比を大きくすることが重要である。そのためには、スピン偏極率(Ｐ)の大きい強磁性体を用いることが必要で、Ｐ＝１００％のハーフメタル材料を用いれば、Julliereの法則からＴＭＲ比は無限大を示すと考えられている。室温ハーフメタル材料の候補としては、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ホイスラー合金などがあり、近年ではＣｏ基フルホイスラー合金で高いＴＭＲ比が実現しており、これらを用いたスピンデバイスが期待される。ホイスラー合金（またはフルホイスラー合金とも言う）とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ等の遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉ等の遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ホイスラー合金Ｘ２ＹＺは、Ｘ・Ｙ・Ｚの規則性から３種類の結晶構造に分けられる。３元素の区別ができるＸ≠Ｙ≠Ｚとなる最も規則性の高い構造がＬ２１構造、次に規則性の高いＸ≠Ｙ=Ｚとなる構造がＢ２構造、そして３元素の区別ができないＸ＝Ｙ＝Ｚとなる構造がＡ２構造である。
【０００４】
Ｂ２または、Ｌ２１構造を有するフルホイスラー合金は、体心立方格子(ｂｃｃ)下地上に成長しやすいことが知られている（例えば、特許文献１参照）が、フルホイスラー合金を実用化するためには、以下に示したスピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合(Syn-AF:Synthetic antiferromagnetまたは、Synthetic Ferrimagenet)構造（以下Syn-AF構造と略する）を用いることが必要となる。
【０００５】
現在、ＴＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）を磁気ヘッド、スピンメモリ、スピンＭＯＳＦＥＴへ応用する場合、スピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合構造（Syn-AF構造）が用いられている。これは強磁性層の間にＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒなどの非磁性層を用いることにより、強磁性層間の交換相互作用により磁区形成を抑制するとともに、漏れ磁場によるフリー層への影響を低減させることができる。これまでＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、Ｆｅなどの強磁性体においてはSyn-AF構造が有効であることが明らかになっている。
【０００６】
しかし、フルホイスラー合金を用いた場合、通常の非磁性層であるＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒを用いても、フルホイスラー合金/非磁性層/フルホイスラー合金および、フルホイスラー合金/非磁性層/強磁性層では、反強磁性結合が生じないことが今回明らかになった。よって、フルホイスラー合金をスピンデバイスとして用いる場合には、Syn-AF構造を構成する物質との組合せが必須となる。
【０００７】
ホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子の例としては、例えば特許文献２に、スピン分極率の高い材料であるホイスラー合金を、非磁性層と磁化固定層との界面、或いは非磁性層とフリー層との界面に用いたＴＭＲ素子の構造が記載されている。
【０００８】
しかし、特許文献２では、ヘッド応用として提案されているホイスラー合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのハーフホイスラー合金系（ＸＹＺ）である。ハーフホイスラー合金系はスピン分極率の高い材料として予測されているが、これまでの研究において、室温でＴＭＲ比が１０％程度と非常に低いため、Syn-AF構造を構成する磁性体との組合せに用いることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平8-250366号公報
【特許文献２】特開2003-318462号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、スピン分極率の高いフルホイスラー合金と反強磁性結合を形成する磁性体を含む、ＴＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を用いたスピンＭＯＳ電界効果トランジスタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施態様のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２強磁性層とを含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【図３】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【図４】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。
【図５】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。
【図６】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。
【図７】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図９】第３実施形態のＭＲＡＭにおけるＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。
【図１１】比較例１で作製した積層体の構造を示す断面図である。
【図１２】比較例１の積層体における室温での磁化の磁場依存性を示す図である。
【図１３】実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図１４】実施例１のＴＭＲ素子におけるＴＭＲ比及びＲＡの測定結果を示す図である。
【図１５】比較例２で作製した積層体の構造を示す断面図である。
【図１６】強磁性体層Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１４】
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と記す）について説明する。図１は、第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００１５】
第１実施形態のＴＭＲ素子は、図１に示すように、フリー層である強磁性体層１１上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、面心立方格子(以下、ｆｃｃと記す)構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、及び反強磁性体層１７が順次積層された構造を有している。
【００１６】
詳述すると、強磁性体層１１上には、絶縁体層１２が形成されている。強磁性体層１１は、フルホイスラー合金であっても良いし、絶縁体層１２に接する部分がフルホイスラー合金であれば他の強磁性体を用いても良い。フルホイスラー合金とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕなどの遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉなどの遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ここでは、フルホイスラー合金として、例えば、Ｂ２またはＬ２１構造を有するフルホイスラー合金：Ｃｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）が用いられる。
【００１７】
絶縁体層１２としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、フルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。また、絶縁体層１２は、トンネル障壁として用いるため３ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００１８】
絶縁体層１２上には、フルホイスラー合金層１３が形成されている。このフルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、反強磁性結合（Syn-AF)構造を形成する強磁性体である。
【００１９】
我々は、フルホイスラー合金層上に体心立方格子(ｂｃｃ)構造を有する強磁性体を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体を用いた場合のＴＭＲ素子を作製し、ｂｃｃ構造ではフルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金上に形成する強磁性体はｆｃｃ構造であることが重要である。ｆｃｃ構造を有する強磁性体は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体を用いると良い。この範囲を超えた場合、強磁性体はｆｃｃ構造を形成せず、ＴＭＲ比は著しく低下することを我々は見出した。
【００２０】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。この非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。
【００２１】
非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６は、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層でも、その他の構造を有する強磁性体層でも良いが、素子の作製を簡素化するために、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を形成したほうがより好ましい。この強磁性体層１６上には、反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、Ｉｒ−Ｍｎ、ＰｔＭｎなどからなる。
【００２２】
本実施形態のＴＭＲ素子では、強磁性体層１１は磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となり、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６からなる積層構造は磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となる。このピン層では、非磁性層１５を介して強磁性体層１４と強磁性体層１６とが反強磁性結合した反強磁性結合構造（以下、Syn-AF構造）を形成している。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係をスピン注入法や電流磁場印加法等により変化させることによって、ＴＭＲ素子の抵抗値を変化させることができる。
【００２３】
今回、フルホイスラー合金にSyn-AF構造を構成する物質を組合せた場合、Syn-AF構造を構成する強磁性体の結晶構造によってフルホイスラー合金層のスピン分極率が変化することを見出した。さらに、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子にSyn-AF構造を構成する場合、ｆｃｃ構造を有した強磁性体を用いると、高いＴＭＲ比を実現することができる。
【００２４】
また、フリー層である強磁性体層１１に換えて、絶縁体層１２のフルホイスラー合金層１３が形成された面と反対側の面に、フルホイスラー合金層、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、非磁性層、及び強磁性体層を順次積層した構造を用いても良い。この構造により、フリー層の磁区生成を抑制し、漏れ磁場による影響を低減させることができる。
【００２５】
以上説明したように本実施形態においては、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を実現することができる。このＴＭＲ素子は、例えばスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用可能である。以下に、ＴＭＲ素子を、スピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用した例を説明する。
【００２６】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴについて説明する。図２は、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【００２７】
図２に示すように、半導体基板１０の表面領域には、ソースまたはドレイン部としての不純物拡散層１０Ａがイオン注入法によって形成されている。不純物拡散層１０Ａ上には、フルホイスラー合金層１３が形成され、このフルホイスラー合金層１３上にはｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。強磁性体層１４上には非磁性層１５が形成され、非磁性層１５上には強磁性体層１６が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。図２では、ソース部及びドレイン部それぞれの不純物拡散層１０Ａの上に、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６の積層構造が形成されているが、ソース部及びドレイン部のうち片方の不純物拡散層１０Ａの上に当該積層構造が形成されていてもよい。
【００２８】
ここで、不純物拡散層１０Ａとフルホイスラー合金層１３との間に、トンネル障壁として絶縁体層を用いても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ(酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、（００１）配向したＭｇＯを用いると、フルホイスラー合金１３をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００２９】
ここで、トンネル障壁となる絶縁体層は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。
【００３０】
この構造により、ソース及びドレイン部から供給されるスピンを持ったキャリアをトンネル伝導によって半導体中に伝導させることが可能となる。さらに、ソースまたはドレイン部のいずれか一方の強磁性体層１６上に反強磁性体層１７を形成することにより、磁化固定層を形成する。ソースとドレイン部との間の半導体基板１０上にはゲート絶縁膜２１が形成され、このゲート絶縁膜２１上にはゲート電極２２が形成されている。
【００３１】
フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。このｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、Syn-AF構造を形成する強磁性体である。
【００３２】
我々は、フルホイスラー合金層上にｂｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合のＴＭＲ素子を作製した。その結果、ｂｃｃ構造を有する強磁性体層では、フルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金層上に形成する強磁性体層はｆｃｃ構造であることが重要である。
【００３３】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体層を用いると良い。
【００３４】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。
【００３５】
非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６はｆｃｃ構造を有した強磁性層でも、その他の構造を有した強磁性層でも良いが、素子の作製を簡素化するためにｆｃｃ構造を有した強磁性層を形成したほうがより好ましい。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどからなる。
【００３６】
また、フルホイスラー合金層１３とｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４の間に、絶縁体層、フルホイスラー合金層を積層し、ＴＭＲ素子を形成させても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として、（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００３７】
なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。
【００３８】
なお、前述したソース及びドレインは、図３に示すような埋め込み型で構成されていても良い。図３は、第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【００３９】
図３に示すように、半導体基板１０に加工された凹部(ソースまたはドレインが形成されるべき部分)には、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６が順次積層された構造となっている。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。さらに、ソースとドレインとの間の半導体基板１０上には、ゲート絶縁膜２１、ゲート電極２２が順次積層されている。また、ゲート電極２２の側面には、側壁膜２３が形成されている。
【００４０】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、ソース上あるいはドレイン上のフルホイスラー合金層１３のうち、反強磁性体層１７が形成された側のフルホイスラー合金層１３が磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となり、他方のフルホイスラー合金層１３が磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となる。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係を変化させることによって、トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値を変化させることができる。フリー層の磁化を変化させるためには、例えば、チャネル等を介したスピン注入法や電流磁場印加法等を用いることができる。
【００４１】
次に、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図４に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。
【００４２】
次に、ソース及びドレインが形成される半導体基板１０の表面領域にイオン注入法及びアニールを用いて不純物拡散層１０Ａを形成する。続いて、不純物拡散層１０Ａ上に、スパッタ法によりフルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図５に示すように、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、図５に示した構造上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図２に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。
【００４３】
次に、図５に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図６に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。
【００４４】
次に、半導体基板１０上及びゲート電極２２上に絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜をエッチバックして、図７に示すように、ゲート電極２２の側面に側壁膜２３を形成する。続いて、半導体基板１０において、ソース及びドレインが形成される部分の半導体基板１０をエッチングによって除去し、図７に示すように、半導体基板１０に凹部を形成する。
【００４５】
次に、半導体基板１０の凹部上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図３に示すように、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、強磁性体層１６上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図３に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図３に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。
【００４６】
なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、トンネルバリアの破壊を防ぎ、且つ適した抵抗値を実現するために１ｎｍ程度の膜厚にする必要がある。
【００４７】
この第２実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたスピンＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【００４８】
さらに、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、非磁性層１５を介して配置された強磁性体層１４と強磁性体層１６との間が反強磁性結合を形成している。このような構造を用いると、強磁性体層１４と強磁性体層１６の磁化が反平行であるため、強磁性体層１４と強磁性体層１６からの漏れ磁場を相殺し、結果としてフリー層、ピン層からの漏れ磁場を低減する効果がある。これにより、大規模集積回路（ＬＳＩ）のような隣接セル同士が非常に近距離で接した場合でも漏れ磁場の影響によるセル間の特性ばらつきを排除することができる。さらに、反強磁性結合した強磁性体層１４と強磁性体層１６を用いると、熱揺らぎ耐性が向上するという効果もある。ＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００４９】
また、本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態のＭＲＡＭについて説明する。このＭＲＡＭにおけるメモリセルには、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いている。図８は、第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【００５１】
第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルは、図８に示すように、半導体基板３０に形成されたトランジスタ上に、電極層、多結晶金属下地配線３７、ＴＭＲ素子３８、金属ビア（または金属ハードマスク）３９を順次形成し、その上にビット線４０を形成した構造を有している。
【００５２】
以下にＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を詳述する。半導体基板３０には素子分離領域３１が形成され、素子分離領域３１に挟まれた半導体基板にはソース領域またはドレイン領域３２が形成されている。ソース領域とドレイン領域との間の半導体基板３０上には、ゲート絶縁膜３３が形成されている。さらに、このゲート絶縁膜３３上には、ゲート電極３４が形成されている。また、半導体基板３０上には層間絶縁膜３５が形成され、ソース領域またはドレイン領域３２上の層間絶縁膜３５内には、コンタクトプラグ３６を介して第１配線Ｍ１、第２配線Ｍ２、第３配線Ｍ３が順次形成されている。第３配線Ｍ３上のコンタクトプラグ３６上には、多結晶金属下地配線３７が形成されている。この多結晶金属下地配線３７上には、ＴＭＲ素子３８が形成されている。さらに、ＴＭＲ素子３８上には金属ビア（または金属ハードマスク）３９が形成され、この金属ビア３９上にはビット線４０が形成されている。
【００５３】
ここで、ＴＭＲ素子３８は、多結晶金属下地配線３７上に、フリー層となるフルホイスラー合金層、絶縁体層、ピン層となるフルホイスラー合金層／ｆｃｃ構造を有した強磁性体層／非磁性層／強磁性体層を順次積層した構造を有している。なお、前述した多結晶金属下地配線３７上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、多結晶金属下地配線３７上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、後述する図９（ａ）または図９（ｂ）のそれぞれの積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００５４】
ＴＭＲ素子３８の詳細な断面構造を、図９（ａ）または図９（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、多結晶金属下地配線３７上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、ピン層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。
【００５５】
また、図９（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子３８の他の断面構造例は、多結晶金属下地配線３７上には、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。強磁性体層４５はｆｃｃ構造を有することが好ましく、強磁性体層４３もｆｃｃ構造を有することが好ましい。強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。
【００５６】
この第３実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＭＲＡＭを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００５７】
また、本実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子において、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。
【００５８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドについて説明する。このＴＭＲヘッドは、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いて形成されており、ハードディスクドライブ(ＨＤＤ)に使用される。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。
【００５９】
このＴＭＲヘッドは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子が下部電極層４６と上部電極層４７の間に配置された構造を有している。ＴＭＲ素子は、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層が順次積層した構造を有している。詳述すると、図１０（ａ）に示すように、下部電極層（磁気シールド層）４６上には、フルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。キャップ層４２上には、上部電極層（磁気シールド層）４７が形成されている。下部電極層４６と上部電極層４７の間には絶縁膜４８が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ａ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ａ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００６０】
また、図１０（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子の他の断面構造例は、下部電極層４６上に、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。さらに、強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。さらに、キャップ層４２上には、上部電極層４７が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。さらに、強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ｂ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ｂ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００６１】
また、ＴＭＲヘッドにおける強磁性体層としては、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金またはこれらの化合物などを用いることができる。
【００６２】
前述した第３、第４実施形態において、絶縁体層１２の膜厚は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。
【００６３】
また、以上説明した各実施形態においては、半導体基板の材料としては少なくとも表面にＳｉ単結晶、Ｇｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、Ｓｉ−Ｇｅ単結晶を有する基板またはＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板であることを特徴としている。また、絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００６４】
この第４実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＴＭＲヘッドを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００６５】
また、本実施形態のＴＭＲヘッドにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、９０度をなすものとする。
【００６６】
以下、実施例及び比較例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。
【００６７】
(比較例１)
本発明の比較例１として、図１１に示すようなフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を作製した。その作製手順を以下に示す。図１１は、比較例１のフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００６８】
まず、（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｏＦｅ層（膜厚４ｎｍ）５１、Ｃｒ層（膜厚０．９５ｎｍ）５２、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚４ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）５５、及びＩｒＭｎ（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。
【００６９】
上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、磁化の磁場依存性をＶＳＭ(Vibrating Sample Magnetometer)を用いて測定した。図１２は、印加磁場を面方向に０°と４５°傾けて測定した場合の結果を示す。図１２に示すＨ＝０Ｏｅ近傍で観測されているヒステリシスカーブがSyn-AF構造の磁化を示し、Syn-AF構造による交換結合の効果が観測されていないことを示している。
【００７０】
従って、比較例１からフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造はできていないことがわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を形成するためには、フルホイスラー合金とSyn-AF構造を形成する強磁性体とを組み合わせることが必要であることがわかった。
【００７１】
(実施例１)
本発明の実施例１として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１３は、実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００７２】
（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｒ層５２を形成する。さらに、Ｃｒ層５２上に、スパッタ法によりＣｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚５ｎｍ）５５、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層（膜厚３ｎｍ）５８、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。なお、Ｃｒ層５２は、フルホイスラー合金層５３をエピタキシャル成長させ、結晶性（規則度）を高めるために用いた。
【００７３】
ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８の組成比としてはｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合と、ｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合について作製した。
【００７４】
上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その測定結果であるＴＭＲ比と、抵抗面積（ＲＡ）を図１４に示す。ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８としてｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３９．７％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１１０．６％であった。また、ｘ＝１．０であるｈｃｐ構造のＣｏ層を用いた場合では１９．４％であった。なお、図１４において、「無し」とはSyn-AF構造が無い場合のデータを示す。
【００７５】
従って、実施例１からフルホイスラー合金上には、ｂｃｃ、ｈｃｐ構造の強磁性体よりｆｃｃ構造の強磁性体を用いたほうが高いＴＭＲ比を実現することがわかった。よって、フルホイスラー合金上にSyn-AF構造を形成する場合、ｆｃｃ構造の強磁性体を用いると良いことがわかった。
【００７６】
上記構造において、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚３０ｎｍ）の代わりに、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｆｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５，または、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｂｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５をフリー層としたＴＭＲ素子も作製した。／は右の層が左の層の上に位置することを意味する。これらはいずれも、ＣｏＦｅとｆｃｃ−ＣｏＦｅとがＲｕを介して反強磁性結合している。ピン層は上記ｆｃｃ構造の強磁性体を用いたフルホイスラー合金を含むピン構造である。その結果、ｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３７．５％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１０５．２％であった。これにより、フリー層の場合もｆｃｃ構造を用いる方が好ましいことが明らかになった。
【００７７】
本傾向は、Ｃｏ−ＦｅをＣｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉに変えても同様の傾向を示す。例えば、図１６の３元状態図に示すように、ＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５の範囲では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。また、図１６に示すＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７を直線で結んで囲まれた領域（直線上も含む）の組成からなる合金では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。この実施例１に示した組成は、前述した第１〜第４実施形態における、面心立方格子(ｆｃｃ)構造を有する強磁性体層としてのＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金にも適用可能である。
【００７８】
(比較例２)
本発明の比較例２として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１５は、比較例２のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００７９】
（００１）配向したＭｇＯ基板６０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板６０上に、スパッタ法によりｂｃｃ構造をとるＣｏ０．５Ｆｅ０．５層６１、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘからなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）６２、ＭｇＯ層６３、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ層６４、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）６５を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層６５上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）６６を形成する。
【００８０】
上記の手順で積層した比較例２のＴＭＲ素子に対して、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その結果、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、またはＦｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘの場合、それぞれ、ＴＭＲ比＝１５．６％、１８．２％であった。
【００８１】
従って、比較例２からｂｃｃ構造の強磁性体層上に、フルホイスラー合金を形成した場合、ＴＭＲ比が非常に小さくなることわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子において下部にSyn-AF構造を形成する場合、ｂｃｃ構造の強磁性体を用いるとＴＭＲ比が減少することがわかった。
【００８２】
本発明の実施例によれば、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を作製することが可能となり、高いＴＭＲ比をもつスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ、ＴＭＲヘッドなどの実現に極めて有用である。
【００８３】
また、前述した各実施形態、実施例はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態・実施例には種々の段階の発明が含まれおり、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組合せにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０…半導体基板、１１…強磁性体層、１２…絶縁体層、１３…フルホイスラー合金層、１４…ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、１５…非磁性層、１６…強磁性体層、１７…反強磁性体層、１０Ａ…不純物拡散層、２１…ゲート絶縁膜、２２…ゲート電極、２３…側壁膜、３０…半導体基板、３１…素子分離領域、３２…ソース領域またはドレイン領域、３３…ゲート絶縁膜、３４…ゲート電極、３５…層間絶縁膜、３６…コンタクトプラグ、３７…多結晶金属下地配線、３８…ＴＭＲ素子、３９…金属ビア（または金属ハードマスク）、４０…ビット線、４１…フルホイスラー合金層、４２…キャップ層、４３…強磁性体層、４４…非磁性層、４５…強磁性体層、４６…下部電極層（磁気シールド層）、４７…上部電極層（磁気シールド層）、４８…絶縁膜、Ｍ１…第１配線、Ｍ２…第２配線、Ｍ３…第３配線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子、及びスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ、磁気記憶装置、磁気ヘッドなどを含むスピンデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性体/絶縁体/強磁性体のサンドイッチ構造で構成されるトンネル型磁気抵抗効果(ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistance effect)素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置(ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory)への応用が提案されている。これは一つの強磁性体層のスピンを固定し(磁化固定層)、もう一つの強磁性体層のスピンを制御する(フリー層)ことによってサンドイッチ構造間の抵抗を変化させ、メモリとして利用するものである。固定層とフリー層のスピンが平行の場合は抵抗が小さく、反平行の場合は抵抗が大きくなる。このスピン効率の指標となる磁気抵抗変化率(ＴＭＲ比)は数年前までは室温下で数１０％であったが最近では５００％にまで達し、ＭＲＡＭに限らず、さまざまなスピンデバイスとしての可能性が拡がっている。その一つに、スピンＭＯＳ電界効果トランジスタ（スピンＭＯＳＦＥＴ）が提案されている。これは、通常のＭＯＳＦＥＴに強磁性体を組み合わせることで、キャリアにスピンの自由度を付加したものである。
【０００３】
高効率な磁気記憶装置やスピンＭＯＳＦＥＴなどを実現するためには、ＴＭＲ比を大きくすることが重要である。そのためには、スピン偏極率(Ｐ)の大きい強磁性体を用いることが必要で、Ｐ＝１００％のハーフメタル材料を用いれば、Julliereの法則からＴＭＲ比は無限大を示すと考えられている。室温ハーフメタル材料の候補としては、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ホイスラー合金などがあり、近年ではＣｏ基フルホイスラー合金で高いＴＭＲ比が実現しており、これらを用いたスピンデバイスが期待される。ホイスラー合金（またはフルホイスラー合金とも言う）とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ等の遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉ等の遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ホイスラー合金Ｘ２ＹＺは、Ｘ・Ｙ・Ｚの規則性から３種類の結晶構造に分けられる。３元素の区別ができるＸ≠Ｙ≠Ｚとなる最も規則性の高い構造がＬ２１構造、次に規則性の高いＸ≠Ｙ=Ｚとなる構造がＢ２構造、そして３元素の区別ができないＸ＝Ｙ＝Ｚとなる構造がＡ２構造である。
【０００４】
Ｂ２または、Ｌ２１構造を有するフルホイスラー合金は、体心立方格子(ｂｃｃ)下地上に成長しやすいことが知られている（例えば、特許文献１参照）が、フルホイスラー合金を実用化するためには、以下に示したスピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合(Syn-AF:Synthetic antiferromagnetまたは、Synthetic Ferrimagenet)構造（以下Syn-AF構造と略する）を用いることが必要となる。
【０００５】
現在、ＴＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）を磁気ヘッド、スピンメモリ、スピンＭＯＳＦＥＴへ応用する場合、スピンの固定層として非磁性層を介して強磁性層間が反強磁性結合した強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる人工的に作製された反強磁性結合構造（Syn-AF構造）が用いられている。これは強磁性層の間にＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒなどの非磁性層を用いることにより、強磁性層間の交換相互作用により磁区形成を抑制するとともに、漏れ磁場によるフリー層への影響を低減させることができる。これまでＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、Ｆｅなどの強磁性体においてはSyn-AF構造が有効であることが明らかになっている。
【０００６】
しかし、フルホイスラー合金を用いた場合、通常の非磁性層であるＲｕ、Ｒｈ、ＩｒやＣｒを用いても、フルホイスラー合金/非磁性層/フルホイスラー合金および、フルホイスラー合金/非磁性層/強磁性層では、反強磁性結合が生じないことが今回明らかになった。よって、フルホイスラー合金をスピンデバイスとして用いる場合には、Syn-AF構造を構成する物質との組合せが必須となる。
【０００７】
ホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子の例としては、例えば特許文献２に、スピン分極率の高い材料であるホイスラー合金を、非磁性層と磁化固定層との界面、或いは非磁性層とフリー層との界面に用いたＴＭＲ素子の構造が記載されている。
【０００８】
しかし、特許文献２では、ヘッド応用として提案されているホイスラー合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのハーフホイスラー合金系（ＸＹＺ）である。ハーフホイスラー合金系はスピン分極率の高い材料として予測されているが、これまでの研究において、室温でＴＭＲ比が１０％程度と非常に低いため、Syn-AF構造を構成する磁性体との組合せに用いることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平8-250366号公報
【特許文献２】特開2003-318462号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、スピン分極率の高いフルホイスラー合金と反強磁性結合を形成する磁性体を含む、ＴＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を用いたスピンＭＯＳ電界効果トランジスタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施態様のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２強磁性層とを含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【図３】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【図４】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。
【図５】第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。
【図６】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第１工程の断面図である。
【図７】第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの製造方法を示す第２工程の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図９】第３実施形態のＭＲＡＭにおけるＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。
【図１１】比較例１で作製した積層体の構造を示す断面図である。
【図１２】比較例１の積層体における室温での磁化の磁場依存性を示す図である。
【図１３】実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図１４】実施例１のＴＭＲ素子におけるＴＭＲ比及びＲＡの測定結果を示す図である。
【図１５】比較例２で作製した積層体の構造を示す断面図である。
【図１６】強磁性体層Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１４】
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態のフルホイスラー合金を有するトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と記す）について説明する。図１は、第１実施形態のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００１５】
第１実施形態のＴＭＲ素子は、図１に示すように、フリー層である強磁性体層１１上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、面心立方格子(以下、ｆｃｃと記す)構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、及び反強磁性体層１７が順次積層された構造を有している。
【００１６】
詳述すると、強磁性体層１１上には、絶縁体層１２が形成されている。強磁性体層１１は、フルホイスラー合金であっても良いし、絶縁体層１２に接する部分がフルホイスラー合金であれば他の強磁性体を用いても良い。フルホイスラー合金とは、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物の総称であり、ここで、Ｘは周期表上で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕなどの遷移金属元素または貴金属元素、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｖ、ＮｉあるいはＴｉなどの遷移金属、ＺはIII族、IＶ族、Ｖ族の典型元素である。ここでは、フルホイスラー合金として、例えば、Ｂ２またはＬ２１構造を有するフルホイスラー合金：Ｃｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）が用いられる。
【００１７】
絶縁体層１２としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、フルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。また、絶縁体層１２は、トンネル障壁として用いるため３ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００１８】
絶縁体層１２上には、フルホイスラー合金層１３が形成されている。このフルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、反強磁性結合（Syn-AF)構造を形成する強磁性体である。
【００１９】
我々は、フルホイスラー合金層上に体心立方格子(ｂｃｃ)構造を有する強磁性体を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体を用いた場合のＴＭＲ素子を作製し、ｂｃｃ構造ではフルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金上に形成する強磁性体はｆｃｃ構造であることが重要である。ｆｃｃ構造を有する強磁性体は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体を用いると良い。この範囲を超えた場合、強磁性体はｆｃｃ構造を形成せず、ＴＭＲ比は著しく低下することを我々は見出した。
【００２０】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。この非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。
【００２１】
非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６は、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層でも、その他の構造を有する強磁性体層でも良いが、素子の作製を簡素化するために、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を形成したほうがより好ましい。この強磁性体層１６上には、反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、Ｉｒ−Ｍｎ、ＰｔＭｎなどからなる。
【００２２】
本実施形態のＴＭＲ素子では、強磁性体層１１は磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となり、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６からなる積層構造は磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となる。このピン層では、非磁性層１５を介して強磁性体層１４と強磁性体層１６とが反強磁性結合した反強磁性結合構造（以下、Syn-AF構造）を形成している。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係をスピン注入法や電流磁場印加法等により変化させることによって、ＴＭＲ素子の抵抗値を変化させることができる。
【００２３】
今回、フルホイスラー合金にSyn-AF構造を構成する物質を組合せた場合、Syn-AF構造を構成する強磁性体の結晶構造によってフルホイスラー合金層のスピン分極率が変化することを見出した。さらに、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子にSyn-AF構造を構成する場合、ｆｃｃ構造を有した強磁性体を用いると、高いＴＭＲ比を実現することができる。
【００２４】
また、フリー層である強磁性体層１１に換えて、絶縁体層１２のフルホイスラー合金層１３が形成された面と反対側の面に、フルホイスラー合金層、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、非磁性層、及び強磁性体層を順次積層した構造を用いても良い。この構造により、フリー層の磁区生成を抑制し、漏れ磁場による影響を低減させることができる。
【００２５】
以上説明したように本実施形態においては、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を実現することができる。このＴＭＲ素子は、例えばスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用可能である。以下に、ＴＭＲ素子を、スピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ（スピンメモリ）、磁気ヘッドへ応用した例を説明する。
【００２６】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴについて説明する。図２は、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【００２７】
図２に示すように、半導体基板１０の表面領域には、ソースまたはドレイン部としての不純物拡散層１０Ａがイオン注入法によって形成されている。不純物拡散層１０Ａ上には、フルホイスラー合金層１３が形成され、このフルホイスラー合金層１３上にはｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。強磁性体層１４上には非磁性層１５が形成され、非磁性層１５上には強磁性体層１６が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。図２では、ソース部及びドレイン部それぞれの不純物拡散層１０Ａの上に、フルホイスラー合金層１３、強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６の積層構造が形成されているが、ソース部及びドレイン部のうち片方の不純物拡散層１０Ａの上に当該積層構造が形成されていてもよい。
【００２８】
ここで、不純物拡散層１０Ａとフルホイスラー合金層１３との間に、トンネル障壁として絶縁体層を用いても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ(酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、（００１）配向したＭｇＯを用いると、フルホイスラー合金１３をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００２９】
ここで、トンネル障壁となる絶縁体層は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。
【００３０】
この構造により、ソース及びドレイン部から供給されるスピンを持ったキャリアをトンネル伝導によって半導体中に伝導させることが可能となる。さらに、ソースまたはドレイン部のいずれか一方の強磁性体層１６上に反強磁性体層１７を形成することにより、磁化固定層を形成する。ソースとドレイン部との間の半導体基板１０上にはゲート絶縁膜２１が形成され、このゲート絶縁膜２１上にはゲート電極２２が形成されている。
【００３１】
フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４が形成されている。このｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４は、Syn-AF構造を形成する強磁性体である。
【００３２】
我々は、フルホイスラー合金層上にｂｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合と、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層を用いた場合のＴＭＲ素子を作製した。その結果、ｂｃｃ構造を有する強磁性体層では、フルホイスラー合金のスピン分極率が減少することを見出した。よって、フルホイスラー合金層上に形成する強磁性体層はｆｃｃ構造であることが重要である。
【００３３】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層は、ＣｏｘＦｅ１−ｘ、ＦｅｙＮｉ１−ｙ、Ｎｉ１−ｚＣｏｚ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、またはこれらの化合物から構成されている。ｆｃｃ構造を有するＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５であり、この範囲において形成された強磁性体層を用いると良い。
【００３４】
ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４上には、非磁性層１５が形成されている。この非磁性層１５は、強磁性体との交換相互作用により反強磁性的結合を示す材料であり、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらを用いた合金の非磁性材料からなる。非磁性層１５の膜厚は、反強磁性的結合を示す３ｎｍ以下が好ましい。
【００３５】
非磁性層１５上には、強磁性体層１６が形成されている。この強磁性体層１６はｆｃｃ構造を有した強磁性層でも、その他の構造を有した強磁性層でも良いが、素子の作製を簡素化するためにｆｃｃ構造を有した強磁性層を形成したほうがより好ましい。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。この反強磁性体層１７は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどからなる。
【００３６】
また、フルホイスラー合金層１３とｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４の間に、絶縁体層、フルホイスラー合金層を積層し、ＴＭＲ素子を形成させても良い。絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として、（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００３７】
なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、低抵抗化の観点から１ｎｍ以下の膜厚にすることが好ましい。
【００３８】
なお、前述したソース及びドレインは、図３に示すような埋め込み型で構成されていても良い。図３は、第２実施形態の変形例の埋め込み型スピンＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【００３９】
図３に示すように、半導体基板１０に加工された凹部(ソースまたはドレインが形成されるべき部分)には、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６が順次積層された構造となっている。また、ソースまたはドレイン部の強磁性体層１６上には、ソースまたはドレイン部のいずれか一方が磁化固定層となるように反強磁性体層１７が形成されている。さらに、ソースとドレインとの間の半導体基板１０上には、ゲート絶縁膜２１、ゲート電極２２が順次積層されている。また、ゲート電極２２の側面には、側壁膜２３が形成されている。
【００４０】
本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、ソース上あるいはドレイン上のフルホイスラー合金層１３のうち、反強磁性体層１７が形成された側のフルホイスラー合金層１３が磁化が維持されるピン層（磁化固定層）となり、他方のフルホイスラー合金層１３が磁化が変化するフリー層（磁化自由層）となる。フリー層の磁化とピン層の磁化の相対的な関係を変化させることによって、トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値を変化させることができる。フリー層の磁化を変化させるためには、例えば、チャネル等を介したスピン注入法や電流磁場印加法等を用いることができる。
【００４１】
次に、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図４に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。
【００４２】
次に、ソース及びドレインが形成される半導体基板１０の表面領域にイオン注入法及びアニールを用いて不純物拡散層１０Ａを形成する。続いて、不純物拡散層１０Ａ上に、スパッタ法によりフルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図５に示すように、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、図５に示した構造上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図２に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図２に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。
【００４３】
次に、図５に示したスピンＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。まず、半導体基板１０にイオン注入法及びアニールを用いてチャネル領域を形成する。その後、半導体基板１０上に、例えばシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２を順次形成する。次に、半導体基板１０上において、ソース及びドレインが形成される部分のシリコン酸化膜２１及び多結晶シリコン膜２２をエッチングにより除去し、図６に示すように、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成する。
【００４４】
次に、半導体基板１０上及びゲート電極２２上に絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜をエッチバックして、図７に示すように、ゲート電極２２の側面に側壁膜２３を形成する。続いて、半導体基板１０において、ソース及びドレインが形成される部分の半導体基板１０をエッチングによって除去し、図７に示すように、半導体基板１０に凹部を形成する。
【００４５】
次に、半導体基板１０の凹部上に、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、及び強磁性体層１６を順次積層する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて、図３に示すように、絶縁体層１２、フルホイスラー合金層１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６をパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成する。さらに、強磁性体層１６上に、スパッタ法により反強磁性体層１７を堆積する。続いて、リフトオフ法またはイオンミリング法、ＲＩＥ法などを用いて反強磁性体層１７をパターニングし、図３に示すように、ソースまたはドレイン部のいずれか一方に反強磁性体層１７を形成する。以上により、図３に示したスピンＭＯＳＦＥＴが製造される。
【００４６】
なお、バリア層となる絶縁体層１２は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。前述した第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴでは、移動度を向上させるために絶縁体層は５ｎｍより薄く、より好ましくは３ｎｍより薄いことが好ましい。特に、情報書き込みにスピン注入法を用いる場合、トンネルバリアの破壊を防ぎ、且つ適した抵抗値を実現するために１ｎｍ程度の膜厚にする必要がある。
【００４７】
この第２実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたスピンＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【００４８】
さらに、第２実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいては、非磁性層１５を介して配置された強磁性体層１４と強磁性体層１６との間が反強磁性結合を形成している。このような構造を用いると、強磁性体層１４と強磁性体層１６の磁化が反平行であるため、強磁性体層１４と強磁性体層１６からの漏れ磁場を相殺し、結果としてフリー層、ピン層からの漏れ磁場を低減する効果がある。これにより、大規模集積回路（ＬＳＩ）のような隣接セル同士が非常に近距離で接した場合でも漏れ磁場の影響によるセル間の特性ばらつきを排除することができる。さらに、反強磁性結合した強磁性体層１４と強磁性体層１６を用いると、熱揺らぎ耐性が向上するという効果もある。ＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００４９】
また、本実施形態のスピンＭＯＳＦＥＴにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態のＭＲＡＭについて説明する。このＭＲＡＭにおけるメモリセルには、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いている。図８は、第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【００５１】
第３実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルは、図８に示すように、半導体基板３０に形成されたトランジスタ上に、電極層、多結晶金属下地配線３７、ＴＭＲ素子３８、金属ビア（または金属ハードマスク）３９を順次形成し、その上にビット線４０を形成した構造を有している。
【００５２】
以下にＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を詳述する。半導体基板３０には素子分離領域３１が形成され、素子分離領域３１に挟まれた半導体基板にはソース領域またはドレイン領域３２が形成されている。ソース領域とドレイン領域との間の半導体基板３０上には、ゲート絶縁膜３３が形成されている。さらに、このゲート絶縁膜３３上には、ゲート電極３４が形成されている。また、半導体基板３０上には層間絶縁膜３５が形成され、ソース領域またはドレイン領域３２上の層間絶縁膜３５内には、コンタクトプラグ３６を介して第１配線Ｍ１、第２配線Ｍ２、第３配線Ｍ３が順次形成されている。第３配線Ｍ３上のコンタクトプラグ３６上には、多結晶金属下地配線３７が形成されている。この多結晶金属下地配線３７上には、ＴＭＲ素子３８が形成されている。さらに、ＴＭＲ素子３８上には金属ビア（または金属ハードマスク）３９が形成され、この金属ビア３９上にはビット線４０が形成されている。
【００５３】
ここで、ＴＭＲ素子３８は、多結晶金属下地配線３７上に、フリー層となるフルホイスラー合金層、絶縁体層、ピン層となるフルホイスラー合金層／ｆｃｃ構造を有した強磁性体層／非磁性層／強磁性体層を順次積層した構造を有している。なお、前述した多結晶金属下地配線３７上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、多結晶金属下地配線３７上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、後述する図９（ａ）または図９（ｂ）のそれぞれの積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００５４】
ＴＭＲ素子３８の詳細な断面構造を、図９（ａ）または図９（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、多結晶金属下地配線３７上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、ピン層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。
【００５５】
また、図９（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子３８の他の断面構造例は、多結晶金属下地配線３７上には、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。強磁性体層４５はｆｃｃ構造を有することが好ましく、強磁性体層４３もｆｃｃ構造を有することが好ましい。強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。
【００５６】
この第３実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＭＲＡＭを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００５７】
また、本実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子において、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、素子面上から見た場合、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、平行の場合は０度であり反平行の場合は１８０度をなすものとする。
【００５８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態のＴＭＲヘッドについて説明する。このＴＭＲヘッドは、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を用いて形成されており、ハードディスクドライブ(ＨＤＤ)に使用される。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４実施形態のＴＭＲヘッドの構造を示す断面図である。
【００５９】
このＴＭＲヘッドは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子が下部電極層４６と上部電極層４７の間に配置された構造を有している。ＴＭＲ素子は、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層が順次積層した構造を有している。詳述すると、図１０（ａ）に示すように、下部電極層（磁気シールド層）４６上には、フルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、フルホイスラー合金１３、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。キャップ層４２上には、上部電極層（磁気シールド層）４７が形成されている。下部電極層４６と上部電極層４７の間には絶縁膜４８が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ａ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ａ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００６０】
また、図１０（ｂ）に示す、ＴＭＲ素子の他の断面構造例は、下部電極層４６上に、強磁性体層４３、非磁性層４４、強磁性体層４５が順次形成されている。さらに、強磁性体層４５上には、フリー層となるフルホイスラー合金層４１、絶縁体層１２、固定層となるフルホイスラー合金層１３が順次形成されている。フルホイスラー合金層１３上には、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層１４、非磁性層１５、強磁性体層１６、反強磁性体層１７、及びキャップ層４２が順次形成されている。さらに、キャップ層４２上には、上部電極層４７が形成されている。強磁性体層１４と強磁性体層１６との間には、非磁性層１５を介して反強磁性結合が形成されている。さらに、強磁性体層４３と強磁性体層４５との間には、非磁性層４４を介して反強磁性結合が形成されている。なお、図１０（ｂ）に示すように、下部電極層４６上に、フリー層、絶縁体層、ピン層の順で形成された構造に限るわけではなく、下部電極層４６上に、ピン層、絶縁体層、フリー層の順で形成された構造であってもよい。即ち、図１０（ｂ）の積層構造を上下逆とする構成としてもよい。
【００６１】
また、ＴＭＲヘッドにおける強磁性体層としては、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金またはこれらの化合物などを用いることができる。
【００６２】
前述した第３、第４実施形態において、絶縁体層１２の膜厚は、キャリアのスピン緩和が起こらず、かつキャリアがトンネル可能な膜厚が望ましく、スピン拡散長より十分小さい３ｎｍ以下が望ましい。
【００６３】
また、以上説明した各実施形態においては、半導体基板の材料としては少なくとも表面にＳｉ単結晶、Ｇｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、Ｓｉ−Ｇｅ単結晶を有する基板またはＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板であることを特徴としている。また、絶縁体層としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｉＯ２（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種絶縁体を用いることができる。特に、絶縁体層として（００１）配向したＭｇＯ層を用いると、絶縁体層上に形成するフルホイスラー合金をエピタキシャル成長させることができるためより好ましい。
【００６４】
この第４実施形態によれば、フルホイスラー合金層にｆｃｃ構造を有する強磁性体層を接するように形成することにより、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金層を形成することができる。ここで、ｆｃｃ構造を有する強磁性体層としてSyn-AF構造を形成する強磁性体を用いれば、高いスピン分極率を保持したフルホイスラー合金をＴＭＲ素子に用いることが可能となる。これにより、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲ素子を備えたＴＭＲヘッドを実現することができる。その他のＴＭＲ素子としての効果は、前述した第１実施形態と同様である。
【００６５】
また、本実施形態のＴＭＲヘッドにおいて、フリー層またはピン層をなすフルホイスラー合金層における各スピンが成す角は、フルホイスラー合金層の面内方向に対して、９０度をなすものとする。
【００６６】
以下、実施例及び比較例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。
【００６７】
(比較例１)
本発明の比較例１として、図１１に示すようなフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を作製した。その作製手順を以下に示す。図１１は、比較例１のフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００６８】
まず、（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｏＦｅ層（膜厚４ｎｍ）５１、Ｃｒ層（膜厚０．９５ｎｍ）５２、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚４ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）５５、及びＩｒＭｎ（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。
【００６９】
上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、磁化の磁場依存性をＶＳＭ(Vibrating Sample Magnetometer)を用いて測定した。図１２は、印加磁場を面方向に０°と４５°傾けて測定した場合の結果を示す。図１２に示すＨ＝０Ｏｅ近傍で観測されているヒステリシスカーブがSyn-AF構造の磁化を示し、Syn-AF構造による交換結合の効果が観測されていないことを示している。
【００７０】
従って、比較例１からフルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造はできていないことがわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたSyn-AF構造を形成するためには、フルホイスラー合金とSyn-AF構造を形成する強磁性体とを組み合わせることが必要であることがわかった。
【００７１】
(実施例１)
本発明の実施例１として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１３は、実施例１のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００７２】
（００１）配向したＭｇＯ基板５０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板５０上に、スパッタ法によりＣｒ層５２を形成する。さらに、Ｃｒ層５２上に、スパッタ法によりＣｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）５３、ＭｇＯ層５４、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金層（膜厚５ｎｍ）５５、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層（膜厚３ｎｍ）５８、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）５６を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層５６上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）５７を形成する。なお、Ｃｒ層５２は、フルホイスラー合金層５３をエピタキシャル成長させ、結晶性（規則度）を高めるために用いた。
【００７３】
ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８の組成比としてはｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合と、ｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合について作製した。
【００７４】
上記の手順で積層した実施例１のＴＭＲ素子において、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その測定結果であるＴＭＲ比と、抵抗面積（ＲＡ）を図１４に示す。ＣｏｘＦｅ１−ｘ層５８としてｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３９．７％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１１０．６％であった。また、ｘ＝１．０であるｈｃｐ構造のＣｏ層を用いた場合では１９．４％であった。なお、図１４において、「無し」とはSyn-AF構造が無い場合のデータを示す。
【００７５】
従って、実施例１からフルホイスラー合金上には、ｂｃｃ、ｈｃｐ構造の強磁性体よりｆｃｃ構造の強磁性体を用いたほうが高いＴＭＲ比を実現することがわかった。よって、フルホイスラー合金上にSyn-AF構造を形成する場合、ｆｃｃ構造の強磁性体を用いると良いことがわかった。
【００７６】
上記構造において、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５からなるフルホイスラー合金（膜厚３０ｎｍ）の代わりに、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｆｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５，または、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ｂｃｃ−ＣｏＦｅ／Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５をフリー層としたＴＭＲ素子も作製した。／は右の層が左の層の上に位置することを意味する。これらはいずれも、ＣｏＦｅとｆｃｃ−ＣｏＦｅとがＲｕを介して反強磁性結合している。ピン層は上記ｆｃｃ構造の強磁性体を用いたフルホイスラー合金を含むピン構造である。その結果、ｂｃｃ構造をとるｘ＝０．５を用いた場合ではＴＭＲ比＝３７．５％となり、ＣｏｘＦｅ１−ｘ層としてｆｃｃ構造をとるｘ＝０．９を用いた場合ではＴＭＲ比＝１０５．２％であった。これにより、フリー層の場合もｆｃｃ構造を用いる方が好ましいことが明らかになった。
【００７７】
本傾向は、Ｃｏ−ＦｅをＣｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉに変えても同様の傾向を示す。例えば、図１６の３元状態図に示すように、ＣｏｘＦｅ１−ｘの組成比はｘ＝０．７〜０．９７、ＦｅｙＮｉ１−ｙの組成比はｙ＝０〜０．３、Ｎｉ１−ｚＣｏｚの組成比はｚ＝０〜０．９５の範囲では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。また、図１６に示すＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７を直線で結んで囲まれた領域（直線上も含む）の組成からなる合金では、ＴＭＲ比の極端な低下は生じないことが明らかになった。この実施例１に示した組成は、前述した第１〜第４実施形態における、面心立方格子(ｆｃｃ)構造を有する強磁性体層としてのＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金にも適用可能である。
【００７８】
(比較例２)
本発明の比較例２として、フルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子を作製した。その作製手順を以下に示す。図１５は、比較例２のフルホイスラー合金を有するＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【００７９】
（００１）配向したＭｇＯ基板６０をスパッタクリーニングにより表面洗浄した後、アニール処理により基板中の水分除去を行う。次に、ＭｇＯ（００１）基板６０上に、スパッタ法によりｂｃｃ構造をとるＣｏ０．５Ｆｅ０．５層６１、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘからなるフルホイスラー合金層（膜厚３０ｎｍ）６２、ＭｇＯ層６３、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５（膜厚５ｎｍ）、または、Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ層６４、及びＩｒＭｎ層（膜厚１０ｎｍ）６５を順次形成する。さらに、ＩｒＭｎ層６５上に、スパッタ法によりキャップ層となるＲｕ層（膜厚７ｎｍ）６６を形成する。
【００８０】
上記の手順で積層した比較例２のＴＭＲ素子に対して、ＣＩＰＴ(Current In-Plane Tunneling)法を用いてＴＭＲ比を測定した。その結果、Ｃｏ２ＭｎＡｌ０．５Ｓｉ０．５、またはＦｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘの場合、それぞれ、ＴＭＲ比＝１５．６％、１８．２％であった。
【００８１】
従って、比較例２からｂｃｃ構造の強磁性体層上に、フルホイスラー合金を形成した場合、ＴＭＲ比が非常に小さくなることわかった。よって、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子において下部にSyn-AF構造を形成する場合、ｂｃｃ構造の強磁性体を用いるとＴＭＲ比が減少することがわかった。
【００８２】
本発明の実施例によれば、フルホイスラー合金を用いたＴＭＲ素子を作製することが可能となり、高いＴＭＲ比をもつスピンＭＯＳＦＥＴ、ＭＲＡＭ、ＴＭＲヘッドなどの実現に極めて有用である。
【００８３】
また、前述した各実施形態、実施例はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態・実施例には種々の段階の発明が含まれおり、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組合せにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０…半導体基板、１１…強磁性体層、１２…絶縁体層、１３…フルホイスラー合金層、１４…ｆｃｃ構造を有する強磁性体層、１５…非磁性層、１６…強磁性体層、１７…反強磁性体層、１０Ａ…不純物拡散層、２１…ゲート絶縁膜、２２…ゲート電極、２３…側壁膜、３０…半導体基板、３１…素子分離領域、３２…ソース領域またはドレイン領域、３３…ゲート絶縁膜、３４…ゲート電極、３５…層間絶縁膜、３６…コンタクトプラグ、３７…多結晶金属下地配線、３８…ＴＭＲ素子、３９…金属ビア（または金属ハードマスク）、４０…ビット線、４１…フルホイスラー合金層、４２…キャップ層、４３…強磁性体層、４４…非磁性層、４５…強磁性体層、４６…下部電極層（磁気シールド層）、４７…上部電極層（磁気シールド層）、４８…絶縁膜、Ｍ１…第１配線、Ｍ２…第２配線、Ｍ３…第３配線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、
前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、
前記非磁性層上に形成された第２強磁性層と、
を含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とするスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記半導体基板と前記フルホイスラー合金層との間に形成された絶縁体層をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記絶縁体層は、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ビスマス、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、チタン酸ストロンチウム、ランタンアルミネート、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項２に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記第２強磁性層上に形成された反強磁性層をさらに具備し、
前記フルホイスラー合金層では磁化が不変とされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記面心立方格子構造を有する前記第１強磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７によって囲まれる組成からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記フルホイスラー合金層は、Ｂ２またはＬ２１構造を有するＣｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項１】
半導体基板上に形成されたフルホイスラー合金層と、
前記フルホイスラー合金層上に形成された、面心立方格子構造を有する第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成された非磁性層と、
前記非磁性層上に形成された第２強磁性層と、
を含む構造をソース及びドレインのうち少なくとも一つに具備し、前記非磁性層を介して形成された前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間には反強磁性結合が形成されていることを特徴とするスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記半導体基板と前記フルホイスラー合金層との間に形成された絶縁体層をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記絶縁体層は、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ビスマス、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、チタン酸ストロンチウム、ランタンアルミネート、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項２に記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記第２強磁性層上に形成された反強磁性層をさらに具備し、
前記フルホイスラー合金層では磁化が不変とされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記面心立方格子構造を有する前記第１強磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元状態図において、Ｃｏ０．７Ｆｅ０．３、Ｃｏ０．９７Ｆｅ０．０３、Ｃｏ０．９５Ｎｉ０．０５、Ｎｉ、Ｆｅ０．３Ｎｉ０．７によって囲まれる組成からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記フルホイスラー合金層は、Ｂ２またはＬ２１構造を有するＣｏ２ＦｅＡｌｘＳｉ１−ｘ，Ｃｏ２ＭｎＳｉｘＡｌ１−ｘ，Ｆｅ２ＮｉＡｌｘＳｉ１−ｘ（０≦ｘ≦１）のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスピンＭＯＳ電界効果トランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１４２３２６（Ｐ２０１１−１４２３２６Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２３７１（Ｐ２０１１−１２３７１）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【分割の表示】特願２００８−８４９４０（Ｐ２００８−８４９４０）の分割
【原出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ナノテクノロジープログラム／ナノテク・先端部材実用化研究開発／高スピン偏極率材料を用いたスピンＭＯＳＦＥＴの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【分割の表示】特願２００８−８４９４０（Ｐ２００８−８４９４０）の分割
【原出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ナノテクノロジープログラム／ナノテク・先端部材実用化研究開発／高スピン偏極率材料を用いたスピンＭＯＳＦＥＴの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]