強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法
【課題】ホイスラー合金である強磁性体層を形成すること。
【解決手段】本発明は、反応抑制層１４上に形成された半導体層１６上に磁性元素層２０を形成する工程と、半導体層１６と磁性元素層２０とを熱処理し反応させることにより、反応抑制層１４上にホイスラー合金層２６である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法である。本発明によれば、半導体層と磁性元素層との反応を抑制する反応抑制層により、半導体と磁性元素との反応に供給される半導体が制限され、磁性元素の組成比の大きな強磁性体を形成することができる。
【解決手段】本発明は、反応抑制層１４上に形成された半導体層１６上に磁性元素層２０を形成する工程と、半導体層１６と磁性元素層２０とを熱処理し反応させることにより、反応抑制層１４上にホイスラー合金層２６である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法である。本発明によれば、半導体層と磁性元素層との反応を抑制する反応抑制層により、半導体と磁性元素との反応に供給される半導体が制限され、磁性元素の組成比の大きな強磁性体を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法に関し、特に反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハーフメタル強磁性体としてホイスラー合金が知られている。ホイスラー合金には、フルホイスラー合金及びハーフホイスラー合金がある。図１はフルホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉのＬ２１型結晶構造を示した図である。このように、フルホイスラー合金の組成は、Ｘ２ＹＺである。ハーフホイスラー合金は、Ｃ１ｂ型結晶構造を有し、組成はＸＹＺである。ここで、ＸとしてＣｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などの元素を、ＹとしてＦｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）等の元素を、ＺとしてＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等の元素を用いることができる。例えば、フルホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉはキューリ温度が室温以上であり、室温でハーフメタルの強磁性体として用いることができる。従来、ホイスラー合金は、スパッタ法や分子線エピタキシー法によって作製されてきた。
【０００３】
ハーフメタル強磁性体は、例えば非特許文献１及び非特許文献２のように、スピントランジスタのソース電極及びドレイン電極として使用される。ハーフメタル強磁性体はフェルミレベルでのスピン分極率を１００％とすることができるため、ハーフメタル強磁性体をソース電極及びドレイン電極に用いたスピントランジスタは、大きな磁気電流比を得ることができる。一方、非特許文献１及び非特許文献２には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いたスピントランジスタが開示されている。
【非特許文献１】S. Sugahara, IEE Proc. Circuits, Devices & Systems. Vol. 152 (2005) p355-365.
【非特許文献２】S. Sugahara, phys. Stat. Sol. (c) 3 (2006) p.4405-4413
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴ型スピントランジスタにおいては、トランジスタ性能（電流駆動能力）やスピン（磁化）依存伝達特性（磁気電流比）の観点から、ソース電極及びドレイン電極として、磁性元素層をシリサイド化（またはジャーマナイド化）したホイスラー合金であるハーフメタル強磁性体層を形成することが好ましい。非特許文献１及び非特許文献２に示したスピントランジスタのソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金を用いるためには、半導体層に隣接する領域にホイスラー合金を形成することが求められる。しかしながら、従来のスパッタ法や分子線エピタキシー法を用い、ソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金を形成すると、Ｓｉ表面にホイスラー合金を形成することとなってしまう。
【０００５】
ＭＯＳＦＥＴ型スピントランジスタを製造する際は、従来のＭＯＳＦＥＴの製造工程と同様の工程を用いハーフメタル強磁性体が形成できることが好ましい。また、スピントランジスタの構造は、メタルソース及びドレインを有するＭＯＳＦＥＴの構造と同様の構造であることが好ましい。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ホイスラー合金である強磁性体層を半導体層に隣接して形成することが可能な強磁性体の形成方法及びトランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、反応抑制層上に形成された半導体層上に磁性元素層を形成する工程と、前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法である。本発明によれば、磁性元素と半導体層との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体を形成することができる。
【０００８】
上記構成において、前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含む構成とすることができる。この構成によれば、ＭＯＳＦＥＴのメタルソース及びドレイン形成技術と同様の方法を用いて強磁性体を形成することができる。
【０００９】
上記構成において、前記反応抑制層は酸化シリコン膜である構成とすることができる。この構成によれば、高温においても安定な酸化シリコン膜を反応抑制層として用いることができる。
【００１０】
上記構成において、前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムである構成とすることができる。この構成によれば、低温で磁性元素と反応し易いゲルマニウム層を半導体層とし、ゲルマニウムより磁性元素と反応し難いシリコン基板を反応抑制層とすることにより、ゲルマニウムと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。
【００１１】
上記構成において、前記磁性元素層を形成する工程は、前記半導体層上に前記磁性元素層を選択的に形成する工程であり、前記強磁性層を形成する工程は、前記反応抑制層上に前記強磁性層を選択的に形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、反応抑制層上に半導体層と強磁性層とを選択的に形成することができる。
【００１２】
本発明は、反応抑制層上に形成された半導体層内のチャネルとなるべき領域の両側のうち少なくとも一方の半導体層上に選択的に磁性元素層を形成する工程と、前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体電極を形成する工程と、を有することを特徴とするトランジスタの製造方法である。本発明によれば、トランジスタの電極をホイスラー合金からなる強磁性体を用い形成することができる。
【００１３】
上記構成において、前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極である構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、半導体チャネルと強磁性体電極との間にキャリア濃度の高い領域を形成できるためトランジスタ性能を向上させることができる。
【００１５】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、偏析層により半導体チャネルと強磁性電極との界面を制御することができる。例えば、ショットキー障壁高さを下げることができる。
【００１６】
上記構成において、前記チャネルとなるべき領域上にゲート電極及びゲート電極の両側に側壁を形成する工程を有し、前記強磁性体電極を形成する工程は、前記側壁下まで侵食するように前記強磁性電極を形成する工程を含む構成とすることができる。この構成によれば、寄生抵抗を排除してトランジスタ性能を向上させることができる。
【００１７】
本発明は、反応抑制層上に設けられた半導体チャネル層と、前記半導体チャネルの両側のうち少なくとも一方の前記反応抑制層上に設けられ、前記半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とのホイスラー合金である強磁性体電極と、を有することを特徴とするトランジスタである。本発明によれば、半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とでホイスラー合金からなる強磁性体電極を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体電極を用い、大きな磁気電流比を得ることができる。
【００１８】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を具備する構成とすることができる。この構成によれば、トランジスタ性能を向上させることができる。
【００１９】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を具備する構成とすることができる。
【００２０】
上記構成において、前記半導体チャネル上に設けられたゲート電極及びゲート電極の両側に形成された側壁を具備し、前記強磁性体電極は前記側壁下まで侵食している構成とすることができる。トランジスタ性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、磁性元素と半導体層との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
強磁性ホイスラー合金の例としてＣｏ、Ｆｅ、Ｓｉからなる合金を形成する方法として一般的に考えられる方法を図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。図２（ａ）を参照に、Ｓｉ基板５０上に蒸着法等を用い、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を形成する。図２（ｂ）を参照に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法を用い熱処理することにより、Ｃｏ層２２、Ｆｅ層２４及びＳｉ基板５０が反応しＣｏ、Ｆｅ及びＳｉからなる合金２８が形成される。
【００２３】
この合金２８はホイスラー合金ではなく磁性元素（Ｃｏ、Ｆｅ）の組成比の小さな非磁性体となってしまう。これは、ホイスラー合金は熱力学的に安定な相ではあるが、磁性元素の組成の小さな合金はさらに自由エネルギーの小さい。これにより、Ｓｉ基板５０からＳｉが供給されると、磁性元素の組成比の小さな非磁性の合金となってしまうためである。
【００２４】
そこで、本発明においては、磁性元素とＳｉ等の半導体基板との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２５】
実施例１はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用い強磁性体を形成する方法の例である。図３（ａ）から図３（ｃ）は実施例１に係る強磁性体の形成方法を示す図である。図３（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２、埋め込み酸化膜でありＳｉＯ２からなる酸化シリコン層１４（反応抑制層）、Ｓｉ層１６（半導体層）が順次形成されたＳＯＩ基板１０を形成する。図３（ｂ）を参照に、ＳＯＩ基板１０上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４を蒸着法を用い形成する。これにより、Ｓｉ層１６上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０が形成される。このとき、各層が全て反応した場合、化学量論的にＣｏ２ＦｅＳｉとなる原子が供給されるように、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４の厚さを設定する。実施例１においては、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層の厚さを、それぞれ４０ｎｍ、４５ｎｍ及び２４ｎｍとした。なお、磁性元素層２０は磁性元素が含まれている層であればよく、例えば、ＣｏとＦｅとの合金層でもよい。
【００２６】
図３（ｃ）を参照に、ＲＴＡ法を用い熱処理することにより合金層２６を形成する。ＲＴＡは窒素雰囲気中で約４分間行った。熱処理温度は後述する。酸化シリコン層１４は熱的に極めて安定であることから、各層が反応する程度の温度では反応しない。よって、酸化シリコン層１４上のＳｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４のみが反応する。これにより、形成された合金層２６は化学量論的にＣｏ２ＦｅＳｉの組成となる。
【００２７】
ホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉの結晶構造には、図１に示したＬ２１構造、図１のＣｏとＦｅの原子が不規則に配列したＢ２構造、図１のＣｏ、Ｆｅ、Ｓｉの原子が不規則に配列したＡ２構造がある。Ｌ２１構造が最もスピン分極率が大きく好ましい構造である。実施例１において作製したＣｏ２ＦｅＳｉの結晶構造を調べるためＸ線回折法による測定を行った。表１を参照に、Ｌ２１構造であれば（２２０）基本格子線、（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線の全てが観測される。Ｂ２構造であれば、（２２０）基本格子線及び（２００）規則格子線は観測されるが（１１１）規則格子線は観測されない。Ａ２構造であれば、（２２０）基本格子線は観測されるが、（２００）及び（１１１）規則格子線は観測されない。
【表１】
【００２８】
図４は、各熱処理温度においてＲＴＡを行った試料についてＸ線回折を行った結果である。熱処理する前は、回折線は観測されないが、熱処理温度が６００℃においてＣｏ２ＦｅＳｉの（２２０）基本格子線が観測される。熱処理温度が７００℃以上になると、観測されるのはほとんどＣｏ２ＦｅＳｉの（２２０）基本格子線である。この結果から、熱処理温度が７００℃以上では体心立方格子（ＢＣＣ）からなるホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＳｉが形成されていることが確認された。
【００２９】
図５は熱処理温度が７００℃の試料を用い、（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線を観察した図である。図５を参照に、（２２０）基本格子線に加え（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線も観測されている。このように、実施例１で作製したＣｏ２ＦｅＳｉはＬ２１構造のホイスラー合金であることが確認できた。
【００３０】
図６は熱処理温度が７００℃の試料を用い、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を観察した結果である。横軸は試料の表面からの深さ、縦軸は各原子の含有量（原子％）を示している。酸化シリコン層１４より下（図６では右側）ではＣｏ及びＦｅは観測されていない。これは、酸化シリコン層１４及びＳｉ基板１２はＣｏ及びＦｅとは反応していないことを示している。すなわち、Ｃｏ２ＦｅＳｉ合金層２６を構成する原子のほとんどは、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４から供給された原子であると考えられる。合金層２６の組成比は、化学量論的組成であるＣｏ：Ｆｅ：Ｓｉ＝５０：２５：２５にほぼ近い組成を得ることができた。なお、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４の膜厚を調整することにより、完全に化学量論的組成となるホイスラー合金を得ることができる。以上のように、実施例１によれば、酸化シリコン層１４上にホイスラー合金層２６であるハーフメタル強磁性体層を形成することができた。
【実施例２】
【００３１】
実施例２はＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた強磁性体の形成方法の例である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は実施例２に係る強磁性体の形成方法を示す図である。図７（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２、酸化シリコン層１４及びＧｅ（ゲルマニウム）層１６ａが順に形成されたＧＯＩ基板１０ａ上に、蒸着法を用い、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０を形成する。
【００３２】
図７（ｂ）を参照に、ＲＴＡ法を用い、熱処理することにより、Ｇｅ層１６ａ、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を反応させる。これにより、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ合金層２６ａが形成される。
【実施例３】
【００３３】
実施例３はＳｉ基板上のＧｅ層を用いた強磁性体の形成方法の例である。図８（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２上にＧｅ層１６ａ、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を形成する。図８（ｂ）を参照に、ＳｉとＧｅとの反応、並びにＳｉとＣｏ及びＦｅとの反応が起こらない温度を用い、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ合金層２６ａを形成することもできる。ＳｉとＧｅとの反応、並びにＳｉとＣｏ及びＦｅとの反応が起こらず、ＧｅとＣｏ、Ｆｅとが反応する温度としては、例えば３００℃〜４００℃程度とすることができる。
【００３４】
実施例３によれば、低温で磁性元素と反応し易いＧｅ層１６ａを半導体層とし、低温ではＧｅより磁性元素と反応し難いＳｉ基板１２を反応抑制層とすることにより、Ｇｅと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。これにより、高価なＳＯＩ基板やＧＯＩ基板を用いることなくホイスラー合金を形成することができる。
【００３５】
実施例１及び実施例２と同様に、ＳＧＯＩ（ＳｉＧｅ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用い、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ０．５Ｓｉ０．５合金を形成することもできる。また、ホイスラー合金としては、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ等のＣ１ｂ構造のハーフホイスラー合金を形成することもできる。また、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５等の４元のホイスラー合金を形成することもできる。
【００３６】
半導体層としてＳｉまたはＧｅを含む層を用いることにより、ＳｉまたはＧｅと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。
【００３７】
実施例１及び実施例２は反応抑制層として酸化シリコン層１４の例、実施例３は反応抑制層としてＳｉ基板１２の例であった。反応抑制層は、Ｓｉ層１６やＧｅ層１６ａ等の半導体基板とＣｏ層２２やＦｅ層２４との反応が抑制される層であればよい。例えば、酸化シリコン層以外の絶縁膜等を用いることができる。これにより、反応抑制層上の半導体層と磁性元素層とが反応しホイスラー合金からなるハーフメタル強磁性体層を形成することができる。また、半導体層と磁性元素層とを反応させる方法としてＲＴＡ法を用いたがその他の熱処理法を用いてもよい。
【実施例４】
【００３８】
実施例４はホイスラー合金を用いスピントランジスタを製造する例である。図９（ａ）から図９（ｄ）は、実施例４に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。実施例１の図３（ａ）と同様にＳＯＩ基板１０を準備する。図９（ｂ）を参照に、酸化シリコン膜１４（反応抑制層）上にＳｉ層１６（半導体層）が形成されたＳＯＩ基板１０上にゲート酸化膜３２を介しゲート電極３０を形成する。ゲート電極３０の両側に酸化膜からなる側壁３４を形成する。図９（ｃ）を参照に、側壁３４をマスクに、チャネルとなるべき領域の両側のＳｉ層１６上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０を蒸着法を用い形成する。図９（ｄ）を参照に、ＲＴＡ法を用い、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を反応させることにより、チャネルとなるべき領域の両側の酸化シリコン膜１４上にソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金層２６であるハーフメタル強磁性体電極を形成する。
【００３９】
図９（ｄ）を参照に、実施例４に係るスピントランジスタは、チャネルであるＳｉ層１６（半導体チャネル層）が酸化シリコン層１４（反応抑制層）上に設けられている。ハーフメタル強磁性体電極であるホイスラー合金層２６が、Ｓｉ層１６の両側の酸化シリコン層１４上に設けられている。図９（ａ）から図９（ｄ）の方法でスピントランジスタを製造することにより、ホイスラー合金層２６は、半導体チャネル層を構成する半導体であるＳｉと磁性元素とから構成される。よって、ソース電極とドレイン電極とであるハーフメタル強磁性電極の磁化方向が平行の場合は、コンダクタンスが小さくなり、ソース電極とドレイン電極とのハーフメタル強磁性電極の磁化方向が反平行の場合は、コンダクタンスが大きくなる。このように、大きな磁気電流比を得ることができる。
【００４０】
実施例４においては、チャネルの両側の半導体層を用いホイスラー合金を形成する例を説明したが、チャネルの両側のうち少なくとも一方をホイスラー合金としてもよい。すなわち、ソース電極及びドレイン電極の一方をホイスラー合金からなるハーフメタル強磁性体とし、他方をホイスラー合金以外の強磁性体としてもよい。実施例４はスピントランジスタの製造方法に実施例１に示した強磁性体の形成方法を用いた例であったが、実施例２及び実施例３の強磁性体の形成方法を用いスピントランジスタを製造してもよい。実施例４のスピントランジスタの製造方法のように、半導体層の一部に選択的にハーフメタル強磁性体を形成する場合、実施例１から実施例３に示した方法を用いることが好ましい。
【実施例５】
【００４１】
実施例５はチャネルである半導体層の両側に低抵抗の領域を形成する例である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例５に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。図１０（ａ）を参照に、実施例４の図９（ｂ）の後、斜めから不純物をイオン注入する。これにより、ソース及びドレインとなるべき領域とともに、側壁３４下のＳｉ層１６にも不純物が注入される。その後、熱処理することにより、高ドープＳｉ層４０を形成することができる。なお、ｎチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＡｓやＰを用いる。すなわち高ドープＳｉ層４０は高ドープｎ型層となる。一方、ｐチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＢを用いる。すなわち高ドープＳｉ層４０は高ドープｐ型層となる。また、斜めから不純物を注入する代わりに、側壁３４を形成する前に、ゲート電極３０をマスクにＳｉ層１６に不純物をイオン注入してもよい。
【００４２】
図１０（ｂ）を参照に、ソース及びドレインとなるべき領域に磁性元素層２０を形成する。図１０（ｃ）を参照に、実施例４の図９（ｄ）と同様に、高ドープＳｉ層４０、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４からホイスラー合金層２６を形成する。このとき、側壁３４下の高ドープＳｉ層４０は反応しないため、半導体チャネルであるＳｉ層１６と強磁性体電極であるホイスラー合金層２６との間に、高ドープＳｉ層４０が残存し半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む抵抗率の小さな半導体領域が形成される。
【００４３】
図９（ｄ）を参照に、実施例４によれば、磁性元素層２０とゲート電極３０との接触を抑制するため側壁３４が形成されている。しかしながら、側壁３４下にＳｉ層１６が残存しているため、ソース及びドレインに寄生抵抗が発生し、トランジスタ性能（電流駆動能力）が低下してしまう。実施例５によれば、図１０（ｃ）のように、側壁３４下に高ドープＳｉ層４０が形成されていることにより、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。
【実施例６】
【００４４】
実施例６は、ホイスラー合金を側壁下まで形成する例である。図１１を参照に、ホイスラー合金層２６を形成する際、侵食反応を用い側壁３４下まで侵食するようにホイスラー合金層２６を形成する。これにより、強磁性体電極が側壁３４の下２６ｂまで形成される。よって、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。
【実施例７】
【００４５】
実施例７は、ホイスラー合金を形成する際、偏析層を形成する例である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例７に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。図１２（ａ）を参照に、実施例４の図９（ｂ）の後、不純物をイオン注入する。これにより、ソース及びドレインとなるべき領域のＳｉ層１６に不純物が注入され、Ｓｉ層１６に不純物導入層４２が形成される。なお、ｎチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＡｓやＰを用いる。一方、ｐチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＢを用いる。また、不純物導入層４２はＳｉ層１６の一部の層であってもよい。図１２（ｂ）を参照に、熱処理を行わず、ソース及びドレインとなるべき領域に磁性元素層２０を形成する。
【００４６】
図１２（ｃ）を参照に、ＲＴＡ法を用い熱処理することにより、ホイスラー合金層２６を形成する。このとき、半導体チャネルであるＳｉ層１６とホイスラー合金層２６との間に不純物が偏析し偏析層４４が形成される。偏析層４４により、Ｓｉ層１６とホイスラー合金層２６との間のショットキ障壁を低くすることができる。よって、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。なお、実施例７の図１２（ｃ）においては、実施例６の図１１と同様に侵食反応を行っているが、実施例４の図９（ｄ）のように侵食反応は行わなくてもよい。
【００４７】
前述のように、スパッタ法や分子線エピタキシー法を用いホイスラー合金を形成する方法では、従来のＭＯＳＦＥＴにおいて用いられていた製造方法を適用することができない。一方、実施例４から実施例７においては、スピントランジスタの強磁性体電極を、ＭＯＳＦＥＴにおけるメタルソース及びドレインの形成工程と同様に、金属のシリサイドまたはジャーマナイドにより形成している。このように、強磁性体電極を従来のＭＯＳＦＥＴのメタルソース及びドレインの形成と同様の工程を用いるとにより、実施例６のように、侵食反応を利用することができる。また、実施例７のように、偏析現象を用いることができる。
【００４８】
なお、実施例１から実施例７において、強磁性体層および強磁性体電極としてスピン分極率が１００％のハーフメタル強磁性体を例に説明したが、スピン分極率は１００％に近いことが好ましいものの１００％より小さい強磁性体でもよい。
【００４９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１はフルホイスラー合金のＬ２１結晶構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）はＳｉ基板上に直接、シリサイド磁性合金を形成する場合を示す図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｃ）は実施例１に係る強磁性体の形成方法を示す図である。
【図４】図４は熱処理温度を変化させた場合のＸ線回折強度を示した図である。
【図５】図５はＸ線回折角度を変化させた場合のＸ線回折強度を示した図である。
【図６】図６はＳＩＭＳを用い測定した深さに対する各原子の含有率を示した図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は実施例２に係る強磁性体の形成方法を示した図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は実施例３に係る強磁性体の形成方法を示した図である。
【図９】図９（ａ）から図９（ｄ）は実施例４に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１０】図１０（ａ）から図１０（ｃ）は実施例５に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１１】図１１は実施例６に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１２】図１２（ａ）から図１２（ｃ）は実施例７に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ ＳＯＩ基板
１０ａ ＧＯＩ基板
１２ Ｓｉ基板
１４ 酸化シリコン膜
１６ Ｓｉ層
１６ａ Ｇｅ層
２０ 磁性元素層
２２ Ｃｏ層
２４ Ｆｅ層
２６ ホイスラー合金層
３０ ゲート金属
３２ ゲート酸化膜
３４ 側壁
４０ 高ドープ層
４２ 不純物層
４４ 偏析層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法に関し、特に反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する強磁性体の形成方法並びにトランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハーフメタル強磁性体としてホイスラー合金が知られている。ホイスラー合金には、フルホイスラー合金及びハーフホイスラー合金がある。図１はフルホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉのＬ２１型結晶構造を示した図である。このように、フルホイスラー合金の組成は、Ｘ２ＹＺである。ハーフホイスラー合金は、Ｃ１ｂ型結晶構造を有し、組成はＸＹＺである。ここで、ＸとしてＣｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などの元素を、ＹとしてＦｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）等の元素を、ＺとしてＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等の元素を用いることができる。例えば、フルホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉはキューリ温度が室温以上であり、室温でハーフメタルの強磁性体として用いることができる。従来、ホイスラー合金は、スパッタ法や分子線エピタキシー法によって作製されてきた。
【０００３】
ハーフメタル強磁性体は、例えば非特許文献１及び非特許文献２のように、スピントランジスタのソース電極及びドレイン電極として使用される。ハーフメタル強磁性体はフェルミレベルでのスピン分極率を１００％とすることができるため、ハーフメタル強磁性体をソース電極及びドレイン電極に用いたスピントランジスタは、大きな磁気電流比を得ることができる。一方、非特許文献１及び非特許文献２には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いたスピントランジスタが開示されている。
【非特許文献１】S. Sugahara, IEE Proc. Circuits, Devices & Systems. Vol. 152 (2005) p355-365.
【非特許文献２】S. Sugahara, phys. Stat. Sol. (c) 3 (2006) p.4405-4413
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴ型スピントランジスタにおいては、トランジスタ性能（電流駆動能力）やスピン（磁化）依存伝達特性（磁気電流比）の観点から、ソース電極及びドレイン電極として、磁性元素層をシリサイド化（またはジャーマナイド化）したホイスラー合金であるハーフメタル強磁性体層を形成することが好ましい。非特許文献１及び非特許文献２に示したスピントランジスタのソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金を用いるためには、半導体層に隣接する領域にホイスラー合金を形成することが求められる。しかしながら、従来のスパッタ法や分子線エピタキシー法を用い、ソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金を形成すると、Ｓｉ表面にホイスラー合金を形成することとなってしまう。
【０００５】
ＭＯＳＦＥＴ型スピントランジスタを製造する際は、従来のＭＯＳＦＥＴの製造工程と同様の工程を用いハーフメタル強磁性体が形成できることが好ましい。また、スピントランジスタの構造は、メタルソース及びドレインを有するＭＯＳＦＥＴの構造と同様の構造であることが好ましい。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ホイスラー合金である強磁性体層を半導体層に隣接して形成することが可能な強磁性体の形成方法及びトランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、反応抑制層上に形成された半導体層上に磁性元素層を形成する工程と、前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法である。本発明によれば、磁性元素と半導体層との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体を形成することができる。
【０００８】
上記構成において、前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含む構成とすることができる。この構成によれば、ＭＯＳＦＥＴのメタルソース及びドレイン形成技術と同様の方法を用いて強磁性体を形成することができる。
【０００９】
上記構成において、前記反応抑制層は酸化シリコン膜である構成とすることができる。この構成によれば、高温においても安定な酸化シリコン膜を反応抑制層として用いることができる。
【００１０】
上記構成において、前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムである構成とすることができる。この構成によれば、低温で磁性元素と反応し易いゲルマニウム層を半導体層とし、ゲルマニウムより磁性元素と反応し難いシリコン基板を反応抑制層とすることにより、ゲルマニウムと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。
【００１１】
上記構成において、前記磁性元素層を形成する工程は、前記半導体層上に前記磁性元素層を選択的に形成する工程であり、前記強磁性層を形成する工程は、前記反応抑制層上に前記強磁性層を選択的に形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、反応抑制層上に半導体層と強磁性層とを選択的に形成することができる。
【００１２】
本発明は、反応抑制層上に形成された半導体層内のチャネルとなるべき領域の両側のうち少なくとも一方の半導体層上に選択的に磁性元素層を形成する工程と、前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体電極を形成する工程と、を有することを特徴とするトランジスタの製造方法である。本発明によれば、トランジスタの電極をホイスラー合金からなる強磁性体を用い形成することができる。
【００１３】
上記構成において、前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極である構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、半導体チャネルと強磁性体電極との間にキャリア濃度の高い領域を形成できるためトランジスタ性能を向上させることができる。
【００１５】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、偏析層により半導体チャネルと強磁性電極との界面を制御することができる。例えば、ショットキー障壁高さを下げることができる。
【００１６】
上記構成において、前記チャネルとなるべき領域上にゲート電極及びゲート電極の両側に側壁を形成する工程を有し、前記強磁性体電極を形成する工程は、前記側壁下まで侵食するように前記強磁性電極を形成する工程を含む構成とすることができる。この構成によれば、寄生抵抗を排除してトランジスタ性能を向上させることができる。
【００１７】
本発明は、反応抑制層上に設けられた半導体チャネル層と、前記半導体チャネルの両側のうち少なくとも一方の前記反応抑制層上に設けられ、前記半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とのホイスラー合金である強磁性体電極と、を有することを特徴とするトランジスタである。本発明によれば、半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とでホイスラー合金からなる強磁性体電極を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体電極を用い、大きな磁気電流比を得ることができる。
【００１８】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を具備する構成とすることができる。この構成によれば、トランジスタ性能を向上させることができる。
【００１９】
上記構成において、前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を具備する構成とすることができる。
【００２０】
上記構成において、前記半導体チャネル上に設けられたゲート電極及びゲート電極の両側に形成された側壁を具備し、前記強磁性体電極は前記側壁下まで侵食している構成とすることができる。トランジスタ性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、磁性元素と半導体層との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。よって、スピン分極率の大きな強磁性体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
強磁性ホイスラー合金の例としてＣｏ、Ｆｅ、Ｓｉからなる合金を形成する方法として一般的に考えられる方法を図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。図２（ａ）を参照に、Ｓｉ基板５０上に蒸着法等を用い、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を形成する。図２（ｂ）を参照に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法を用い熱処理することにより、Ｃｏ層２２、Ｆｅ層２４及びＳｉ基板５０が反応しＣｏ、Ｆｅ及びＳｉからなる合金２８が形成される。
【００２３】
この合金２８はホイスラー合金ではなく磁性元素（Ｃｏ、Ｆｅ）の組成比の小さな非磁性体となってしまう。これは、ホイスラー合金は熱力学的に安定な相ではあるが、磁性元素の組成の小さな合金はさらに自由エネルギーの小さい。これにより、Ｓｉ基板５０からＳｉが供給されると、磁性元素の組成比の小さな非磁性の合金となってしまうためである。
【００２４】
そこで、本発明においては、磁性元素とＳｉ等の半導体基板との反応を抑制する反応抑制層を形成し、反応抑制層上に磁性元素層を形成し、半導体層と磁性元素層とを反応させる。これにより、半導体の供給量が制限され、磁性元素の組成比が大きなホイスラー合金を形成することができる。以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２５】
実施例１はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用い強磁性体を形成する方法の例である。図３（ａ）から図３（ｃ）は実施例１に係る強磁性体の形成方法を示す図である。図３（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２、埋め込み酸化膜でありＳｉＯ２からなる酸化シリコン層１４（反応抑制層）、Ｓｉ層１６（半導体層）が順次形成されたＳＯＩ基板１０を形成する。図３（ｂ）を参照に、ＳＯＩ基板１０上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４を蒸着法を用い形成する。これにより、Ｓｉ層１６上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０が形成される。このとき、各層が全て反応した場合、化学量論的にＣｏ２ＦｅＳｉとなる原子が供給されるように、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４の厚さを設定する。実施例１においては、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層の厚さを、それぞれ４０ｎｍ、４５ｎｍ及び２４ｎｍとした。なお、磁性元素層２０は磁性元素が含まれている層であればよく、例えば、ＣｏとＦｅとの合金層でもよい。
【００２６】
図３（ｃ）を参照に、ＲＴＡ法を用い熱処理することにより合金層２６を形成する。ＲＴＡは窒素雰囲気中で約４分間行った。熱処理温度は後述する。酸化シリコン層１４は熱的に極めて安定であることから、各層が反応する程度の温度では反応しない。よって、酸化シリコン層１４上のＳｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４のみが反応する。これにより、形成された合金層２６は化学量論的にＣｏ２ＦｅＳｉの組成となる。
【００２７】
ホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＳｉの結晶構造には、図１に示したＬ２１構造、図１のＣｏとＦｅの原子が不規則に配列したＢ２構造、図１のＣｏ、Ｆｅ、Ｓｉの原子が不規則に配列したＡ２構造がある。Ｌ２１構造が最もスピン分極率が大きく好ましい構造である。実施例１において作製したＣｏ２ＦｅＳｉの結晶構造を調べるためＸ線回折法による測定を行った。表１を参照に、Ｌ２１構造であれば（２２０）基本格子線、（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線の全てが観測される。Ｂ２構造であれば、（２２０）基本格子線及び（２００）規則格子線は観測されるが（１１１）規則格子線は観測されない。Ａ２構造であれば、（２２０）基本格子線は観測されるが、（２００）及び（１１１）規則格子線は観測されない。
【表１】
【００２８】
図４は、各熱処理温度においてＲＴＡを行った試料についてＸ線回折を行った結果である。熱処理する前は、回折線は観測されないが、熱処理温度が６００℃においてＣｏ２ＦｅＳｉの（２２０）基本格子線が観測される。熱処理温度が７００℃以上になると、観測されるのはほとんどＣｏ２ＦｅＳｉの（２２０）基本格子線である。この結果から、熱処理温度が７００℃以上では体心立方格子（ＢＣＣ）からなるホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＳｉが形成されていることが確認された。
【００２９】
図５は熱処理温度が７００℃の試料を用い、（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線を観察した図である。図５を参照に、（２２０）基本格子線に加え（２００）規則格子線及び（１１１）規則格子線も観測されている。このように、実施例１で作製したＣｏ２ＦｅＳｉはＬ２１構造のホイスラー合金であることが確認できた。
【００３０】
図６は熱処理温度が７００℃の試料を用い、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を観察した結果である。横軸は試料の表面からの深さ、縦軸は各原子の含有量（原子％）を示している。酸化シリコン層１４より下（図６では右側）ではＣｏ及びＦｅは観測されていない。これは、酸化シリコン層１４及びＳｉ基板１２はＣｏ及びＦｅとは反応していないことを示している。すなわち、Ｃｏ２ＦｅＳｉ合金層２６を構成する原子のほとんどは、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４から供給された原子であると考えられる。合金層２６の組成比は、化学量論的組成であるＣｏ：Ｆｅ：Ｓｉ＝５０：２５：２５にほぼ近い組成を得ることができた。なお、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４の膜厚を調整することにより、完全に化学量論的組成となるホイスラー合金を得ることができる。以上のように、実施例１によれば、酸化シリコン層１４上にホイスラー合金層２６であるハーフメタル強磁性体層を形成することができた。
【実施例２】
【００３１】
実施例２はＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた強磁性体の形成方法の例である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は実施例２に係る強磁性体の形成方法を示す図である。図７（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２、酸化シリコン層１４及びＧｅ（ゲルマニウム）層１６ａが順に形成されたＧＯＩ基板１０ａ上に、蒸着法を用い、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０を形成する。
【００３２】
図７（ｂ）を参照に、ＲＴＡ法を用い、熱処理することにより、Ｇｅ層１６ａ、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を反応させる。これにより、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ合金層２６ａが形成される。
【実施例３】
【００３３】
実施例３はＳｉ基板上のＧｅ層を用いた強磁性体の形成方法の例である。図８（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１２上にＧｅ層１６ａ、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を形成する。図８（ｂ）を参照に、ＳｉとＧｅとの反応、並びにＳｉとＣｏ及びＦｅとの反応が起こらない温度を用い、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ合金層２６ａを形成することもできる。ＳｉとＧｅとの反応、並びにＳｉとＣｏ及びＦｅとの反応が起こらず、ＧｅとＣｏ、Ｆｅとが反応する温度としては、例えば３００℃〜４００℃程度とすることができる。
【００３４】
実施例３によれば、低温で磁性元素と反応し易いＧｅ層１６ａを半導体層とし、低温ではＧｅより磁性元素と反応し難いＳｉ基板１２を反応抑制層とすることにより、Ｇｅと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。これにより、高価なＳＯＩ基板やＧＯＩ基板を用いることなくホイスラー合金を形成することができる。
【００３５】
実施例１及び実施例２と同様に、ＳＧＯＩ（ＳｉＧｅ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用い、ホイスラー合金構造を有するＣｏ２ＦｅＧｅ０．５Ｓｉ０．５合金を形成することもできる。また、ホイスラー合金としては、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ等のＣ１ｂ構造のハーフホイスラー合金を形成することもできる。また、Ｃｏ２ＦｅＡｌ０．５Ｓｉ０．５等の４元のホイスラー合金を形成することもできる。
【００３６】
半導体層としてＳｉまたはＧｅを含む層を用いることにより、ＳｉまたはＧｅと磁性元素とのホイスラー合金を形成することができる。
【００３７】
実施例１及び実施例２は反応抑制層として酸化シリコン層１４の例、実施例３は反応抑制層としてＳｉ基板１２の例であった。反応抑制層は、Ｓｉ層１６やＧｅ層１６ａ等の半導体基板とＣｏ層２２やＦｅ層２４との反応が抑制される層であればよい。例えば、酸化シリコン層以外の絶縁膜等を用いることができる。これにより、反応抑制層上の半導体層と磁性元素層とが反応しホイスラー合金からなるハーフメタル強磁性体層を形成することができる。また、半導体層と磁性元素層とを反応させる方法としてＲＴＡ法を用いたがその他の熱処理法を用いてもよい。
【実施例４】
【００３８】
実施例４はホイスラー合金を用いスピントランジスタを製造する例である。図９（ａ）から図９（ｄ）は、実施例４に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。実施例１の図３（ａ）と同様にＳＯＩ基板１０を準備する。図９（ｂ）を参照に、酸化シリコン膜１４（反応抑制層）上にＳｉ層１６（半導体層）が形成されたＳＯＩ基板１０上にゲート酸化膜３２を介しゲート電極３０を形成する。ゲート電極３０の両側に酸化膜からなる側壁３４を形成する。図９（ｃ）を参照に、側壁３４をマスクに、チャネルとなるべき領域の両側のＳｉ層１６上にＣｏ層２２及びＦｅ層２４からなる磁性元素層２０を蒸着法を用い形成する。図９（ｄ）を参照に、ＲＴＡ法を用い、Ｓｉ層１６、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４を反応させることにより、チャネルとなるべき領域の両側の酸化シリコン膜１４上にソース電極及びドレイン電極としてホイスラー合金層２６であるハーフメタル強磁性体電極を形成する。
【００３９】
図９（ｄ）を参照に、実施例４に係るスピントランジスタは、チャネルであるＳｉ層１６（半導体チャネル層）が酸化シリコン層１４（反応抑制層）上に設けられている。ハーフメタル強磁性体電極であるホイスラー合金層２６が、Ｓｉ層１６の両側の酸化シリコン層１４上に設けられている。図９（ａ）から図９（ｄ）の方法でスピントランジスタを製造することにより、ホイスラー合金層２６は、半導体チャネル層を構成する半導体であるＳｉと磁性元素とから構成される。よって、ソース電極とドレイン電極とであるハーフメタル強磁性電極の磁化方向が平行の場合は、コンダクタンスが小さくなり、ソース電極とドレイン電極とのハーフメタル強磁性電極の磁化方向が反平行の場合は、コンダクタンスが大きくなる。このように、大きな磁気電流比を得ることができる。
【００４０】
実施例４においては、チャネルの両側の半導体層を用いホイスラー合金を形成する例を説明したが、チャネルの両側のうち少なくとも一方をホイスラー合金としてもよい。すなわち、ソース電極及びドレイン電極の一方をホイスラー合金からなるハーフメタル強磁性体とし、他方をホイスラー合金以外の強磁性体としてもよい。実施例４はスピントランジスタの製造方法に実施例１に示した強磁性体の形成方法を用いた例であったが、実施例２及び実施例３の強磁性体の形成方法を用いスピントランジスタを製造してもよい。実施例４のスピントランジスタの製造方法のように、半導体層の一部に選択的にハーフメタル強磁性体を形成する場合、実施例１から実施例３に示した方法を用いることが好ましい。
【実施例５】
【００４１】
実施例５はチャネルである半導体層の両側に低抵抗の領域を形成する例である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例５に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。図１０（ａ）を参照に、実施例４の図９（ｂ）の後、斜めから不純物をイオン注入する。これにより、ソース及びドレインとなるべき領域とともに、側壁３４下のＳｉ層１６にも不純物が注入される。その後、熱処理することにより、高ドープＳｉ層４０を形成することができる。なお、ｎチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＡｓやＰを用いる。すなわち高ドープＳｉ層４０は高ドープｎ型層となる。一方、ｐチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＢを用いる。すなわち高ドープＳｉ層４０は高ドープｐ型層となる。また、斜めから不純物を注入する代わりに、側壁３４を形成する前に、ゲート電極３０をマスクにＳｉ層１６に不純物をイオン注入してもよい。
【００４２】
図１０（ｂ）を参照に、ソース及びドレインとなるべき領域に磁性元素層２０を形成する。図１０（ｃ）を参照に、実施例４の図９（ｄ）と同様に、高ドープＳｉ層４０、Ｃｏ層２２及びＦｅ層２４からホイスラー合金層２６を形成する。このとき、側壁３４下の高ドープＳｉ層４０は反応しないため、半導体チャネルであるＳｉ層１６と強磁性体電極であるホイスラー合金層２６との間に、高ドープＳｉ層４０が残存し半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む抵抗率の小さな半導体領域が形成される。
【００４３】
図９（ｄ）を参照に、実施例４によれば、磁性元素層２０とゲート電極３０との接触を抑制するため側壁３４が形成されている。しかしながら、側壁３４下にＳｉ層１６が残存しているため、ソース及びドレインに寄生抵抗が発生し、トランジスタ性能（電流駆動能力）が低下してしまう。実施例５によれば、図１０（ｃ）のように、側壁３４下に高ドープＳｉ層４０が形成されていることにより、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。
【実施例６】
【００４４】
実施例６は、ホイスラー合金を側壁下まで形成する例である。図１１を参照に、ホイスラー合金層２６を形成する際、侵食反応を用い側壁３４下まで侵食するようにホイスラー合金層２６を形成する。これにより、強磁性体電極が側壁３４の下２６ｂまで形成される。よって、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。
【実施例７】
【００４５】
実施例７は、ホイスラー合金を形成する際、偏析層を形成する例である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例７に係るスピントランジスタの製造方法を示す図である。図１２（ａ）を参照に、実施例４の図９（ｂ）の後、不純物をイオン注入する。これにより、ソース及びドレインとなるべき領域のＳｉ層１６に不純物が注入され、Ｓｉ層１６に不純物導入層４２が形成される。なお、ｎチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＡｓやＰを用いる。一方、ｐチャネルデバイスの場合、注入するイオンはＢを用いる。また、不純物導入層４２はＳｉ層１６の一部の層であってもよい。図１２（ｂ）を参照に、熱処理を行わず、ソース及びドレインとなるべき領域に磁性元素層２０を形成する。
【００４６】
図１２（ｃ）を参照に、ＲＴＡ法を用い熱処理することにより、ホイスラー合金層２６を形成する。このとき、半導体チャネルであるＳｉ層１６とホイスラー合金層２６との間に不純物が偏析し偏析層４４が形成される。偏析層４４により、Ｓｉ層１６とホイスラー合金層２６との間のショットキ障壁を低くすることができる。よって、ソース抵抗及びドレイン抵抗を低減し、トランジスタ性能を向上させることができる。なお、実施例７の図１２（ｃ）においては、実施例６の図１１と同様に侵食反応を行っているが、実施例４の図９（ｄ）のように侵食反応は行わなくてもよい。
【００４７】
前述のように、スパッタ法や分子線エピタキシー法を用いホイスラー合金を形成する方法では、従来のＭＯＳＦＥＴにおいて用いられていた製造方法を適用することができない。一方、実施例４から実施例７においては、スピントランジスタの強磁性体電極を、ＭＯＳＦＥＴにおけるメタルソース及びドレインの形成工程と同様に、金属のシリサイドまたはジャーマナイドにより形成している。このように、強磁性体電極を従来のＭＯＳＦＥＴのメタルソース及びドレインの形成と同様の工程を用いるとにより、実施例６のように、侵食反応を利用することができる。また、実施例７のように、偏析現象を用いることができる。
【００４８】
なお、実施例１から実施例７において、強磁性体層および強磁性体電極としてスピン分極率が１００％のハーフメタル強磁性体を例に説明したが、スピン分極率は１００％に近いことが好ましいものの１００％より小さい強磁性体でもよい。
【００４９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１はフルホイスラー合金のＬ２１結晶構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）はＳｉ基板上に直接、シリサイド磁性合金を形成する場合を示す図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｃ）は実施例１に係る強磁性体の形成方法を示す図である。
【図４】図４は熱処理温度を変化させた場合のＸ線回折強度を示した図である。
【図５】図５はＸ線回折角度を変化させた場合のＸ線回折強度を示した図である。
【図６】図６はＳＩＭＳを用い測定した深さに対する各原子の含有率を示した図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は実施例２に係る強磁性体の形成方法を示した図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は実施例３に係る強磁性体の形成方法を示した図である。
【図９】図９（ａ）から図９（ｄ）は実施例４に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１０】図１０（ａ）から図１０（ｃ）は実施例５に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１１】図１１は実施例６に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【図１２】図１２（ａ）から図１２（ｃ）は実施例７に係るスピントランジスタの製造方法を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ ＳＯＩ基板
１０ａ ＧＯＩ基板
１２ Ｓｉ基板
１４ 酸化シリコン膜
１６ Ｓｉ層
１６ａ Ｇｅ層
２０ 磁性元素層
２２ Ｃｏ層
２４ Ｆｅ層
２６ ホイスラー合金層
３０ ゲート金属
３２ ゲート酸化膜
３４ 側壁
４０ 高ドープ層
４２ 不純物層
４４ 偏析層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応抑制層上に形成された半導体層上に磁性元素層を形成する工程と、
前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法。
【請求項２】
前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１記載の強磁性体の形成方法。
【請求項３】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１または２記載の強磁性体の形成方法。
【請求項４】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項１記載の強磁性体の形成方法。
【請求項５】
前記磁性元素層を形成する工程は、前記半導体層上に前記磁性元素層を選択的に形成する工程であり、
前記強磁性層を形成する工程は、前記反応抑制層上に前記強磁性層を選択的に形成する工程であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の強磁性体の形成方法。
【請求項６】
反応抑制層上に形成された半導体層内のチャネルとなるべき領域の両側のうち少なくとも一方の半導体層上に選択的に磁性元素層を形成する工程と、
前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体電極を形成する工程と、を有することを特徴とするトランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項６または７記載のトランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極であることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を形成する工程を有することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を形成する工程を有することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記チャネルとなるべき領域上にゲート電極及びゲート電極の両側に側壁を形成する工程を有し、
前記強磁性体電極を形成する工程は、前記側壁下まで侵食するように前記強磁性電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１４】
反応抑制層上に設けられた半導体チャネル層と、
前記半導体チャネルの両側のうち少なくとも一方の前記反応抑制層上に設けられ、前記半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とのホイスラー合金である強磁性体電極と、を有することを特徴とするトランジスタ。
【請求項１５】
前記半導体層は、シリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１４記載のトランジスタ。
【請求項１６】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１４または１５記載のトランジスタ。
【請求項１７】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項１４記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極であることを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を具備することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を具備することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項２１】
前記半導体チャネル上に設けられたゲート電極及びゲート電極の両側に形成された側壁を具備し、
前記強磁性体電極は前記側壁下まで侵食していることを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項１】
反応抑制層上に形成された半導体層上に磁性元素層を形成する工程と、
前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体層を形成する工程と、を有することを特徴とする強磁性体の形成方法。
【請求項２】
前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１記載の強磁性体の形成方法。
【請求項３】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１または２記載の強磁性体の形成方法。
【請求項４】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項１記載の強磁性体の形成方法。
【請求項５】
前記磁性元素層を形成する工程は、前記半導体層上に前記磁性元素層を選択的に形成する工程であり、
前記強磁性層を形成する工程は、前記反応抑制層上に前記強磁性層を選択的に形成する工程であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の強磁性体の形成方法。
【請求項６】
反応抑制層上に形成された半導体層内のチャネルとなるべき領域の両側のうち少なくとも一方の半導体層上に選択的に磁性元素層を形成する工程と、
前記半導体層と前記磁性元素層とを熱処理し反応させることにより、前記反応抑制層上にホイスラー合金である強磁性体電極を形成する工程と、を有することを特徴とするトランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記半導体層はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項６または７記載のトランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極であることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を形成する工程を有することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を形成する工程を有することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記チャネルとなるべき領域上にゲート電極及びゲート電極の両側に側壁を形成する工程を有し、
前記強磁性体電極を形成する工程は、前記側壁下まで侵食するように前記強磁性電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１４】
反応抑制層上に設けられた半導体チャネル層と、
前記半導体チャネルの両側のうち少なくとも一方の前記反応抑制層上に設けられ、前記半導体チャネルを構成する半導体と磁性元素とのホイスラー合金である強磁性体電極と、を有することを特徴とするトランジスタ。
【請求項１５】
前記半導体層は、シリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１４記載のトランジスタ。
【請求項１６】
前記反応抑制層は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１４または１５記載のトランジスタ。
【請求項１７】
前記反応抑制層はシリコン基板であり、前記半導体層はゲルマニウムであることを特徴とする請求項１４記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記強磁性体電極はソース電極及びドレイン電極であることを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、前記半導体チャネルよりドーパントを高濃度に含む半導体領域を具備することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記半導体チャネルと前記強磁性電極との間に、偏析層を具備することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項２１】
前記半導体チャネル上に設けられたゲート電極及びゲート電極の両側に形成された側壁を具備し、
前記強磁性体電極は前記側壁下まで侵食していることを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項記載のトランジスタ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２４３９２２（Ｐ２００８−２４３９２２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７８９２５（Ｐ２００７−７８９２５）
【出願日】平成１９年３月２６日（２００７．３．２６）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２６日（２００７．３．２６）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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