(57)【要約】【課題】チャネルに印加される電界によりスピン方向を変化させるトランジスタにおいて、チャネルに半導体を用いないトランジスタを提供すること。【解決手段】非磁性金属からなるチャネル層１０と、前記チャネル層にスピン偏極したキャリアを注入するソース１２と、前記チャネル層を走行する前記キャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるゲート１６と、前記チャネル層から前記キャリアを受けるドレイン１４と、を具備することを特徴とするトランジスタ。【選択図】図１
2014154783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性金属からなるチャネル層と、
前記チャネル層にスピン偏極したキャリアを注入するソースと、
前記チャネル層を走行する前記キャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるゲートと、
前記チャネル層から前記キャリアを受けるドレインと、
を具備することを特徴とするトランジスタ。
【請求項２】
前記ソースは、前記キャリアの走行方向に交差する方向にスピン偏極した前記キャリアを前記チャネル層に注入することを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記ゲートは、前記キャリアの走行方向に交差する方向の前記有効磁場を生じさせることを特徴とする請求項１または２記載のトランジスタ。
【請求項４】
前記ソースおよび前記ドレインは強磁性体を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項５】
前記ソースおよび前記ドレインは、強磁性金属膜を含み、前記チャネル層上に形成されてい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トランジスタ。
【請求項６】
前記チャネル層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂｉ、ＣｕＩｒ、ＣｕＢｉおよびＣｕＰｔの少なくとも１つを主成分とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項７】
前記ソースおよび前記ドレインと前記チャネル層との間に設けられた絶縁膜を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項８】
前記ゲートと前記チャネル層との間に設けられた絶縁膜を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のトランジスタ。
【請求項９】
前記ソースおよび前記ドレインは、前記チャネル層の上面に対し垂直方向に磁化することを特徴とする請求項１から７の少なくとも一方記載のトランジスタ。
【請求項１０】
基板上に非磁性金属からなるチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層上に、前記チャネル層にスピン偏極したキャリアを注入する強磁性金属膜を含むソースと、前記チャネル層から前記キャリアを受ける強磁性金属膜を含むドレインと、を形成する工程と、
前記チャネル層上に、前記チャネル層を走行する前記キャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるゲートを形成する工程と、
を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記ソースおよび前記ドレインを形成する工程は、前記チャネル層を形成する工程の後、前記チャネル層の表面を大気に暴露することなく、前記チャネル層の前記表面に絶縁膜または強磁性金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１０記載のトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタおよびその製造方法に関し、例えばスピン偏極したキャリアを用いたトランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に強磁性体ソースおよびドレインを設けることにより、ソース・ドレインの磁化方向に依存した出力変調が可能なトランジスタが提唱されている（非特許文献１およおび２）。また、ソースおよびドレインにＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）を用いるトランジスタが提唱されている（非特許文献２）。
【０００３】
Ｂｉ（ビスマス）等の非磁性半金属にスピン注入する強磁性電極を有するスピン注入素子が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８６２７４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No. 13 pp. 2307-2309 (2004)
【非特許文献２】SCIENCE Vol. 325 1515-1518 (2009)
【非特許文献３】Thin Solid Films 519 (2011) 8266-8273
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１から３においては、チャネル層が半導体である。一方、ソースおよびドレイン等の強磁性材料は金属である。このため、半導体プロセスと磁性体プロセスという異なるプロセスを行なうこととなる。例えば、非特許文献２のように、ゲート電極からチャネル層に印加される電界によりスピン方向を変化させるトランジスタにおいては、半導体チャネルと、ソースおよびドレインと、の界面においてスピン緩和が生じることがある。特許文献１は、スピン注入素子に関するものであり、トランジスタについては記載されていない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、チャネルに印加される電界によりスピン方向を変化させるトランジスタにおいて、チャネルに半導体を用いないトランジスタ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】
【０００８】
本発明は、非磁性金属からなるチャネル層と、前記チャネル層にスピン偏極したキャリアを注入するソースと、前記チャネル層を走行する前記キャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるゲートと、前記チャネル層から前記キャリアを受けるドレインと、を具備することを特徴とするトランジスタである。
【０００９】
上記構成において、前記ソースは、前記キャリアの走行方向に交差する方向にスピン偏極した前記キャリアを前記チャネル層に注入する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記ゲートは、前記キャリアの走行方向に交差する方向の前記有効磁場を生じさせる構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記ソースおよび前記ドレインは強磁性体を含む構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記ソースおよび前記ドレインは、強磁性金属膜を含み、前記チャネル層上に形成されている構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記チャネル層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂｉ、ＣｕＩｒ、ＣｕＢｉおよびＣｕＰｔの少なくとも１つを主成分とする構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記ソースおよび前記ドレインと前記チャネル層との間に設けられた絶縁膜を具備する構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記ゲートと前記チャネル層との間に設けられた絶縁膜を具備する構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記ソースおよび前記ドレインは、前記チャネル層の上面に対し垂直方向に磁化する構成とすることができる。
【００１７】
本発明は、基板上に非磁性金属からなるチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層上に、前記チャネル層にスピン偏極したキャリアを注入する強磁性金属膜を含むソースと、前記チャネル層から前記キャリアを受ける強磁性金属膜を含むドレインと、を形成する工程と、前記チャネル層上に、前記チャネル層を走行する前記キャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるゲートを形成する工程と、を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法である。
【００１８】
上記構成において、前記ソースおよび前記ドレインを形成する工程は、前記チャネル層を形成する工程の後、前記チャネル層の表面を大気に暴露することなく、前記チャネル層の前記表面に絶縁膜または強磁性金属膜を形成する工程を含む構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、チャネルに印加される電界によりスピン方向を変化させるトランジスタにおいて、チャネルに半導体を用いないトランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係るトランジスタの断面図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれトランジスタの平面図および断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれトランジスタの平面図および断面図である。
【図４】図４は、実施例２に係るトランジスタの断面図である。
【図５】図５は、実施例３に係るトランジスタの断面図である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｄ）は、実施例４に係るトランジスタの製造方法を示す断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例４に係るトランジスタの製造方法を示す断面図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１に係るトランジスタの断面図である。チャネル層１０上にソース１２、ドレイン１４およびゲート１６が形成されている。チャネル層１０は、スピン軌道相互作用の大きい非磁性金属層であり、Ｂｉ（ビスマス）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）もしくはＡｇ（銀）等またはこれらの混合物を主成分とする。ソース１２およびドレイン１４は、強磁性金属を含む。強磁性金属は、例えばＦｅ（鉄）、パーマロイ（Ｐｙ）、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＭｎＧａ、ＣｏＭｎＳｉ、ＮｉＭｎＳｂもしくはＣｏＦｅＡｌＳｉ等またはこれらの混合物を主成分とする。ソース１２は、チャネル層１０にスピン偏極したキャリアを注入する。ドレイン１４は、チャネル層１０からキャリアを受ける。ゲート１６は、非磁性金属である。ゲート１６は、チャネル層１０を走行するキャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせる。
【００２３】
次に、実施例１に係るトランジスタの動作について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれトランジスタの平面図および断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照し、キャリアの流れる方向を＋Ｘ方向、チャネル層１０の平面をＸＹ平面、チャネル層１０の上面の法線方向を＋Ｚ方向とする。ソース１２およびドレイン１４の磁化方向１３および１５は＋Ｘ方向である。ソース１２からチャネル層１０に注入された電子１７は＋Ｘ方向にスピン偏極している。ドレイン１４にソース１２に対し正の電圧を印加することにより、電子１７は、走行方向３０に走行する。走行方向３０は＋Ｘ方向である。ゲート１６には電圧が印加されていない。このため、電子１７のスピン方向は変化せずドレイン１４が受ける電子１８ａのスピン偏極方向は＋Ｘ方向である。電子１８ａのスピン偏極方向とドレイン１４の磁化方向１５がほぼ同じであるため、ソース１２からドレイン１４に電子が流れる。
【００２４】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれトランジスタの平面図および断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）を参照し、ゲート１６に電圧を印加することにより、チャネル層１０内に電界を形成する。電界方向３４は＋Ｚ方向である。＋Ｘ方向に走行する電子１７に＋Ｚ方向の電界が印加されると、電子１７にはスピン軌道相互作用に起因した有効磁場が生じる。有効磁場方向３６は＋Ｙ方向である。このようにチャネル層１０におけるスピン軌道相互作用は電子１７に対し有効磁場として作用する。電子スピンは有効磁場により歳差運動をする。電界の強度を所望とすることにより、電子スピンの歳差運動を制御することができる。例えば、電子１７が有効磁場によりスピン方向が１８０°回転する。これにより、ドレイン１４が受ける電子１８ｂのスピン偏極方向は−Ｘ方向となる。電子１８ｂのスピン偏極方向とドレイン１４の磁化方向１５がほぼ反転しているため、ソース１２からドレイン１４に電子１７が流れない。その他の構成は、図２（ａ）および図２（ｂ）と同じであり、説明を省略する。
【００２５】
実施例１によれば、非磁性金属からなるチャネル層１０を用い、ゲート１６により、チャネル層１０を走行するキャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせる。金属内のスピン軌道相互作用は、半導体より１０倍から１００倍大きい。これにより、高効率なスピン制御が可能となる。例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂｉ、ＣｕＩｒ、ＣｕＢｉまたはＣｕＰｔは、スピン軌道相互作用が大きい。よって、チャネル層１０は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂｉ、ＣｕＩｒ、ＣｕＢｉおよびＣｕＰｔの少なくとも１つを主成分とすることが好ましい。
【００２６】
実施例１において、キャリアの例として電子について説明したがホールでもよい。ソース１２およびドレイン１４の一方を磁化方向を変更可能な自由層、他方を磁化方向が固定されている固定層とすることができる。例えば、ソース１２とドレイン１４との磁化方向が反転している場合、ゲート１６に電圧を印加しなければソース１２からドレイン１４に電子が流れない。ゲート１６に電圧を印加すればソースからドレイン１４に電子が流れるようにすることもできる。また、図３（ａ）および図３（ｂ）において、ゲート１６に電圧を印加することにより、電子１７のスピン方向が反転する例を説明したが、スピン方向が変更されればよい。これにより、ゲート電圧によりスピン方向を制御できる。よって、ゲート電圧によりソース−ドレイン電流を制御できる。さらに、ドレイン１４の磁化方向１５をソース１２の磁化方向１３と斜めに交差するようにしてもよい。
【実施例２】
【００２７】
図４は、実施例２に係るトランジスタの断面図である。図４を参照し、ソース１２およびドレイン１４の磁化方向１３および１５が垂直方向である。例えばソース１２およびドレイン１４をＣｏＰｔまたはＦｅＰｄ等のＬ１０規則合金とすることにより、ソース１２およびドレイン１４の磁化方向をチャネル層１０の上面に対し垂直方向とすることができる。垂直磁化材料は、高い磁気異方性を有するため熱擾乱耐性が高い。これにより、ソース１２およびドレイン１４を微細化しても不揮発性を保持できる。
【００２８】
電子１７のスピン方向を効率よく変更するためには、ゲート１６は、キャリアの走行方向に交差する方向に有効磁場を生じさせることが好ましい。ゲート１６がキャリアの走行方向に直交する方向に有効磁場を生じさせることにより、スピンの回転をより高効率に行なうことができる。また、キャリアのスピン方向を効率よく変更するためには、ソース１２は、キャリアの走行方向に交差する方向にスピン偏極したキャリアをチャネル層１０に注入することが好ましい。ソース１２がキャリアの走行方向に直交する方向にスピン偏極したキャリアをチャネル層１０に注入することにより、スピンの回転をより高効率に行なうことができる。
【実施例３】
【００２９】
図５は、実施例３に係るトランジスタの断面図である。図５を参照し、基板２０上にチャネル層１０が形成されている。基板２０は、例えばシリコン基板もしくはＧａＡｓ基板等の半導体基板、またはガラス基板もしくはサファイア基板等の絶縁基板である。ソース１２およびドレイン１４とチャネル層１０との間にトンネル絶縁膜２２および２４がそれぞれ形成されている。ゲート１６とチャネル層１０との間にゲート絶縁膜２６が形成されている。トンネル絶縁膜２２および２４並びにゲート絶縁膜２６は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）以外にもＨｆＯ（酸化ハフニウム）、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）もしくはＴｉＯ２（酸化チタン）等またはこれらの混合物を主成分とすることができる。
【００３０】
実施例３によれば、トンネル絶縁膜２２および２４がそれぞれソース１２およびドレイン１４とチャネル層１０との間に設けられている。これにより、ソース１２からチャネル層１０へのスピン偏極したキャリアの注入、およびチャネル層１０からドレイン１４へのスピン偏極したキャリアの受け取りの際のスピン偏極率を高くすることができる。トンネル絶縁膜２２および２４の膜厚は、スピン偏極したキャリアがトンネル伝導できる程度の厚さが好ましい。
【００３１】
また、ゲート絶縁膜２６がゲート１６とチャネル層１０との間に設けられている。これにより、ゲート１６とチャネル層１０との間を絶縁することができる。ゲート絶縁膜２６の膜厚は、チャネル層１０とゲート１６との間にキャリアが流れない程度であることが好ましい。
【００３２】
基板２０を半導体層とし、基板２０上に非磁性金属層をチャネルとするトラジスタを形成する。これにより、半導体層である基板２０内に半導体をチャネルとするトランジスタを形成することができる。これにより、半導体トランジスタと実施例３のトランジスタとの集積化が可能となる。
【実施例４】
【００３３】
図６（ａ）から図７（ｃ）は、実施例４に係るトランジスタの製造方法を示す断面図である。図６（ａ）を参照し、例えば基板２０を準備する。基板２０は、例えば絶縁性基板である。図６（ｂ）を参照し、基板２０上に非磁性金属からなるチャンネル層１０をスパッタリング法を用い形成する。チャネル層１０の膜厚は、例えば０．５ｎｍから２ｎｍであり、チャネル層１０は、例えばＰｔ、ＰｄまたはＢｉを主成分とする。図６（ｃ）を参照し、チャネル層１０上に例えばスパッタリング法を用い強磁性金属膜１８を形成する。強磁性金属膜１８の膜厚は、例えば５ｎｍから２０ｎｍであり、強磁性金属膜１８は例えばＣｏ、ＦｅＰｔ、またはＦｅＰｄを主成分とする。強磁性金属膜１８を形成する前に、チャネル層１０上に例えばスパッタリング法またはＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を用いトンネル絶縁膜を形成してもよい。絶縁膜の膜厚は、例えば２０ｎｍから５０ｎｍである。図６（ｄ）を参照し、強磁性金属膜１８上に開口を有するフォトレジスト２８を形成する。
【００３４】
図７（ａ）を参照し、フォトレジスト２８をマスクに、強磁性金属膜１８を例えばアルゴンを用いたイオンミリング法を用いエッチングする。これにより、強磁性金属膜１８からソース１２およびドレイン１４が形成される。図７（ｂ）を参照し、例えばＡＬＤ法を用い、チャネル層１０上にゲート絶縁膜２６を形成する。ゲート絶縁膜２６の膜厚は例えば２０ｎｍから５０ｎｍであり、ゲート絶縁膜２６は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする。ゲート絶縁膜２６上に、例えば蒸着法を用いゲート１６を形成する。ゲート１６の膜厚は例えば１０ｎｍから３０ｎｍであり、ゲート１６は例えばＡｕを主成分とする。ゲート絶縁膜２６を形成せず、チャネル層１０上に直接ゲート１６を形成してもよい。図７（ｃ）を参照し、リフトオフプロセスを用い、フォトレジスト２８を除去する。これにより、フォトレジスト２８上の絶縁膜および金属膜が除去される。
【００３５】
実施例１から３のように、チャネル層１０を金属層とする。これにより、実施例４の図６（ｂ）および図６（ｃ）のように、チャネル層１０、ソース１２およびドレイン１４を同じ装置を用い形成できる。例えばスパッタリング装置を用い、チャネル層１０を形成した後、大気に暴露せず、ソース１２およびドレイン１４を形成できる。また、チャネル層１０を形成した後、トンネル絶縁膜２２および２４を大気に暴露せず形成できる。さらに、トンネル絶縁膜２２および２４を形成した後、ソース１２およびドレイン１４を大気に暴露せず形成できる。このように半導体プロセスを用いず磁性体プロセスを用いトランジスタを形成できる。これにより、チャネル層１０上に高品位なトンネル絶縁膜２２および２４、ソース１２およびドレイン１４を形成できる。
【００３６】
チャネル層１０を走行するキャリアに対しスピン軌道相互作用による有効磁場を生じさせるトランジスタにおいては、チャネル層１０と、ソース１２およびドレイン１４と、の間の界面においてスピン緩和が生じると、トランジスタ性能が大きく損なわれる。例えば、チャネル層が半導体の場合、上記界面を高品位とすることが難しい。実施例１から４によれば、金属チャネル層１０と、強磁性金属膜であるソース１２およびドレイン１４（またはトンネル絶縁膜２２および２４）と、の界面を高品位にできる。これにより、チャネル層１０と、ソース１２およびドレイン１４との界面におけるスピン緩和を抑制できる。よって、トランジスタの性能を向上できる。
【００３７】
また、実施例４の図６（ｂ）のように、基板２０上にチャネル層１０を形成する。図６（ｃ）のように、チャネル層１０上に、ソース１２とドレイン１４と、を形成する。図７（ｂ）のように、チャネル層１０上に、ゲート１６を形成する。これにより、チャネル層１０と、ソース１２およびドレイン１４と、の界面を高品位にできトランジスタの性能を向上できる。
【００３８】
さらに、図６（ｂ）において、チャネル層１０を形成した後、チャネル層１０の表面を大気に暴露することなく、図６（ｃ）のようにチャネル層１０の表面に絶縁膜または強磁性金属膜を形成する。これにより、チャネル層１０と、ソース１２およびドレイン１４と、の界面を一層高品位にできトランジスタの性能を一層向上できる。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
１０        チャネル層
１２        ソース
１３、１５  磁化方向
１４        ドレイン
１６        ゲート
１８        強磁性金属膜
２０        基板
２２、２４  トンネル絶縁膜
２６        ゲート絶縁膜
２８        フォトレジスト
３０        走行方向
３２        電界方向
３４        有効磁場方向
【図１】
2014154783.tif 000003
【図２】
2014154783.tif 000004
【図３】
2014154783.tif 000005
【図４】
2014154783.tif 000006
【図５】
2014154783.tif 000007
【図６】
2014154783.tif 000008
【図７】
2014154783.tif 000009