(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
添加物を含有するIII族窒化物薄膜を積層させ、
前記III族窒化物薄膜から成る第一、第二の強磁性膜の間に、前記III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が配置された積層膜を製造するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、
前記第一の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜を強磁性層にするＭｎを前記添加物としてドープさせながら、III族窒化物のバッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成し、
前記絶縁膜は、前記III族窒化物薄膜を絶縁性にする炭素を前記添加物としてドープさせながら、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成するトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項２】
前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを供給して、前記III族窒化物薄膜に前記炭素をドープさせる請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項３】
前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせるＭｎを炭素に変更して、前記第一の強磁性膜と前記絶縁膜とを形成する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項４】
前記第二の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせる炭素をＭｎに変更して形成する請求項３記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項５】
前記III族窒化物薄膜中のIII族元素にはＧａを用いる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項６】
前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長には、分子線エピタキシャル法を用いる請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項７】
第一、第二の強磁性膜の間に絶縁膜が配置され、前記第一、第二の強磁性膜の磁化の向きによって、前記第一、第二の強磁性膜間に電圧を印加したときに流れるトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗素子であって、
前記第一、第二の強磁性膜と、前記絶縁膜とはIII族窒化物薄膜から成り、
III族窒化物のバッファー薄膜を有し、前記第一の強磁性膜は、前記バッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成されており、
前記絶縁膜は、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長されて炭素が含有され、
前記第一、第二の強磁性膜には、Ｍｎがドープされたトンネル磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記第二の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成された請求項７記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記III族窒化物薄膜中のIII族元素はＧａである請求項７又は請求項８のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波デバイス、ハイパワーデバイスあるいはスピントンネル効果デバイス等のIII族窒化物を含むデバイスを作製する際に、高品質な絶縁膜を形成する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属−絶縁物−半導体(MIS)構造など、半導体と絶縁物の積層構造が用いられているデバイスの絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法、熱酸化法、あるいは反応性スパッタ法等によって形成されたSiOx膜やSiNx膜などが用いられている。
【０００３】
しかし、これらの方法で絶縁膜を半導体上に成長させる場合には、半導体の結晶方位と絶縁膜の結晶方位との差によって、平滑な絶縁膜を得ることが困難である。
【０００４】
また、熱酸化法で形成する場合には、半導体と絶縁膜の界面で十分に酸化が起こらなかったり、逆に半導体中まで酸化が進行し、いずれの場合でも半導体−絶縁膜の急峻な界面が得られないという問題がある。
【０００５】
更に、半導体の熱膨張率と絶縁膜の熱膨張率の違いにより、半導体−絶縁膜界面にストレスがかかり、半導体基板中や絶縁膜中に結晶欠陥やクラックが生じてしまう。このような結晶欠陥やクラックは、素子の電気的特性を悪化させてしまう。
【０００６】
また、上記のような熱膨張率の違いにより、基板全体が反った場合には、素子の作製工程中のエッチングや電極形成などの微細加工工程の精度を低下させ、素子特性を悪くしたり、素子の劣化を引き起こしたりする。
【０００７】
これらの問題は、高速、高周波、高耐圧、耐環境デバイスとして注目されているIII族窒化物半導体を構成要素とするIII族窒化物半導体デバイスにおいても同様に生じうるものである。
【０００８】
特に、ＧａＮは、Ｍｎ、Ｆｅなどの磁性金属不純物を添加することによって、希薄磁性半導体となることが最近の研究で明らかとなり、ＭＲＡＭなど、スピントンネル効果素子材料として注目を集めているが、このスピントンネル効果素子においても、磁性体薄膜と絶縁層の間に上記のような問題が起こっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、窒化物半導体デバイス、スピントンネル効果素子などにおける、窒化物半導体薄膜と絶縁層の接合部の欠陥などが起こすこれらの問題を解決するもので、しかも、非常に容易に絶縁層の形成を行うことを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、添加物を含有するIII族窒化物薄膜を積層させ、前記III族窒化物薄膜から成る第一、第二の強磁性膜の間に、前記III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が配置された積層膜を製造するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、前記第一の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜を強磁性層にするＭｎを前記添加物としてドープさせながら、III族窒化物のバッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成し、前記絶縁膜は、前記III族窒化物薄膜を絶縁性にする炭素を前記添加物としてドープさせながら、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長させて形成するトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項２記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを供給して、前記III族窒化物薄膜に前記炭素をドープさせる請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項３記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせるＭｎを炭素に変更して、前記第一の強磁性膜と前記絶縁膜とを形成する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項４記載の発明は、前記第二の強磁性膜は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長中にドープさせる炭素をＭｎに変更して形成する請求項３記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項５記載の発明は、前記III族窒化物薄膜中のIII族元素にはＧａを用いる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項６記載の発明は、前記III族窒化物薄膜のエピタキシャル成長には、分子線エピタキシャル法を用いる請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
請求項７記載の発明は、第一、第二の強磁性膜の間に絶縁膜が配置され、前記第一、第二の強磁性膜の磁化の向きによって、前記第一、第二の強磁性膜間に電圧を印加したときに流れるトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗素子であって、前記第一、第二の強磁性膜と、前記絶縁膜とはIII族窒化物薄膜から成り、III族窒化物のバッファー薄膜を有し、前記第一の強磁性膜は、前記バッファー薄膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成されており、前記絶縁膜は、前記第一の強磁性膜の表面上にエピタキシャル成長されて炭素が含有され、前記第一、第二の強磁性膜には、Ｍｎがドープされたトンネル磁気抵抗素子である。
請求項８記載の発明は、前記第二の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面上にエピタキシャル成長されて形成された請求項７記載のトンネル磁気抵抗素子である。
請求項９記載の発明は、前記III族窒化物薄膜中のIII族元素はＧａである請求項７又は請求項８のいずれか１項記載のトンネル磁気抵抗素子である。
【００１１】
本発明は上記のように構成されており、絶縁膜が、炭素が添加されたIII族窒化物薄膜で構成されている。この絶縁膜は、下層のIII族窒化物薄膜と同じ結晶構造であるから界面における結晶の乱れがなく、絶縁膜中に欠陥が生じることがない。
【００１２】
更に、その絶縁膜上にIII族窒化物薄膜を成長させる場合でも、そのIII族窒化物薄膜と絶縁膜の界面にも乱れがないから、III族窒化物薄膜中に欠陥が生じることがない。
【００１３】
下層のIII族窒化物薄膜を分子線エピタキシャル成長法で形成した後、ドーパントの分子線の照射を停止し、代わりにエピタキシャル成長の雰囲気中に炭化水素ガスを導入すると、III族窒化物薄膜中に炭素を含有させることができる。導入した炭化水素ガスはプラズマ化する場合も本発明に含まれる。
【００１４】
更に、絶縁膜表面にIII族窒化物薄膜を成長させる場合、炭化水素ガスの導入を停止すると共に、必要に応じてドーパントとなる分子線を照射すればよい。
【００１５】
なお、本発明のIII族窒化物薄膜を構成させるIII族元素は、長周期型元素周期表のIIIｂ属に属する元素、即ち、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの元素である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、エピタキシャル法で成長させた窒化物半導体薄膜上に絶縁膜を形成する場合に、絶縁層として炭化水素ガスを炭素源とし、プラズマを用いたＭＢＥ法により成長させた炭素添加III族窒化物エピタキシャル膜を用いる。
【００１７】
III族窒化物、すなわちＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶であるIII属窒化物薄膜は、エピタキシャル法により、サファイア基板や炭化珪素等の基板上に成長させている。この場合、たとえばＭｇを添加しながらエピタキシャル成長をさせると、得られるIII族窒化物薄膜はＰ型の半導体薄膜になり、Ｓｉを添加するとＮ型の半導体薄膜になる。
【００１８】
これらの半導体薄膜を所望の厚さまで成長させた後、半導体薄膜の材料ガスにメタンを添加し、エピタキシャル成長を行うと、炭素添加III族窒化物薄膜から成る絶縁膜が形成される。炭素添加III族窒化物薄膜は比抵抗１０5(Ω・cm)以上の高抵抗膜であり、ＧａＮ系エピタキシャル膜から成る絶縁体／半導体積層構造を形成することができる。
【００１９】
以上のようにして形成された絶縁体／半導体積層構造においては、絶縁膜と半導体薄膜が同じ結晶構造をもち、かつ格子定数が近いため、従来のＳｉＮx、あるいはＳｉＯxを用いた場合と比較して接合界面は非常に良好なものとなる。
【００２０】
また、以上のような絶縁体／半導体積層構造の絶縁体薄膜上に、更にIII族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させると、半導体／絶縁体／半導体積層構造が得られる。
【００２１】
例えばスピントンネル効果素子を作製する場合においては、ＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長させる際に、Ｍｎ、Ｆｅ又はＮｉを導入し、強磁性のIII族窒化物薄膜(半導体薄膜)を形成した後、このIII族窒化物薄膜上に炭素添加AｌxGa1-xN(X<0.1)エピタキシャル膜を約３ｎｍ成長させて絶縁膜とし、さらにその絶縁膜上に、強磁性半導体エピタキシャル膜から成るIII族窒化物薄膜を成長させれば良い。この場合も、ＧａＮ系エピタキシャル膜から成る半導体／絶縁体／半導体積層構造であるため、良好な接合界面が得られ、約３ｎｍ程度の高品質・極薄絶縁層を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
＜ＭＩＳＦＥＴ＞
図１により、ＭＩＳＦＥＴをＭＢＥ法により作製する際の実施例を示す。
図３の符号６は、本発明に用いることができる分子線エピタキシャル装置を示している。
【００２３】
この分子線エピタキシャル装置６は、成長室６０を有している。成長室６０の壁面には、第１〜第３の分子線蒸発源６１〜６３と、プラズマ源６５とが設けられている。
【００２４】
第１〜第３の分子線蒸発源６１〜６３内には、それぞれ第１〜第３の半導体材料７１〜７３が配置されている。また、プラズマ源６５には、ガス導入系６６が接続されており、所望のガスをプラズマ源６５内に導入できるように構成されている。
【００２５】
図１(ａ)の符号１０は、サファイア(０００１)から成る絶縁基板であり、この絶縁基板１０を分子線エピタキシャル装置６内に搬入し、真空雰囲気中でヒータ６９によって加熱する。
【００２６】
先ず、第１の分子線蒸発源６１内からＧａ分子線を発生させると共に、アンモニアガスあるいはプラズマ源６５内からの窒素プラズマを用いて、６５０℃〜８００℃の成長温度で、絶縁基板１０表面にＧａＮ(０００１)バッファ層を約２μｍエピタキシャル成長させ、第１のIII族窒化物薄膜１１を形成する(図１(ｂ))。
【００２７】
さらにノンドープＧａＮ層約３０ｎｍ成長させ、第１のIII族窒化物薄膜１１上に第２のIII族窒化物薄膜１２を形成する。この第２のIII族窒化物薄膜１２はチャンネル層として機能する(図１(ｃ))。
【００２８】
次に、第１の分子線蒸発源６１からの分子線を供給したまま、第２及び第３の分子線蒸発源６２、６３からそれぞれＡｌ分子線、Ｓｉ分子線を発生させ、第２のIII族窒化物薄膜１２表面に、成長温度約８００℃で２×１０18／ｃｍ3の濃度でＳｉドープされたAｌxGa1-xN(X<0.1)層を約３ｎｍの膜厚に成長させる。このAｌxGa1-xN(X<0.1)から成る第３のIII族窒化物薄膜１３は電子供給層として機能する(図１(ｄ))。
【００２９】
次に、第２、第３の分子線蒸発源６２、６３からのＡｌおよびＳｉの分子線を停止すると共に、プラズマ源６５内に、窒素ガス共にメタンガス等の炭化水素ガスを導入し、窒素ガスプラズマと炭化水素ガスプラズマが混合されたプラズマを生成すると、第３のIII族窒化物薄膜１３表面に、炭素がドープされたＧａＮから成る絶縁膜１５が形成される(図１(ｅ))。この絶縁膜１５は約３ｎｍの厚みに成長させる。
【００３０】
この場合のプラズマの生成法としてはＥＣＲ、或いはＲＦのどちらを用いても良い。また、プラズマ源６５内に導入するのではなく、成長室６０に直結されたガス導入系６７から、成長室６０内に直接炭化水素ガスを導入し、炭素がドープされたＧａＮから成る絶縁膜を形成してもよい。この場合、導入した炭化水素ガスは、成長室６０内でプラズマ化し、炭素ガスプラズマを発生させてもよい。
【００３１】
次に、第３のIII族窒化物薄膜１３表面を部分的に露出させ、その表面にソース、ドレイン電極２１、２２を形成すると共に、絶縁膜１５表面にドレイン電極２３を形成すると、ＭＩＳＦＥＴ構造の半導体素子１９ができあがる。
【００３２】
【実施例】
＜ＭＲＡＭセル構造＞
ＭＲＡＭ(Magnelic Randam Access Memory)は磁気効果素子を用いた不揮発性固体磁気メモリであり、二層の強磁性体間に、絶縁体層を挟み込んだ構造である。強磁性体間に電圧を印加し、絶縁体層にトンネル電流を流すと、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化する現象、即ち、トンネル磁気抵抗(ＴＭＲ)効果を利用する。
【００３３】
図２(ａ)の符号５０は、サファイア(０００１)から成る絶縁基板であり、その上に、図３に示したような分子線エピタキシャル装置を用い、ＭＢＥ法によってＧａＮから成る第１のIII族窒化物薄膜(ＧａＮバッファ層)５１を成長させる(図２(ｂ))。このときＧａは固体蒸発源から供給し、窒素源としては窒素プラズマ、あるいはアンモニアを用いる。窒素プラズマ源はＥＣＲでもＲＦでも良い。
【００３４】
第１のIII族窒化物薄膜５１が約５００ｎｍ程度まで成長し、充分平滑な表面になったところで、ＭｎがドープされたＧａＮから成る第２のIII族窒化物薄膜５２(下部強磁性体膜ＧａＮ：Ｍｎ)を成長させる(同図(ｃ))。このとき、ＧａとＭｎは固体蒸発源から供給し、窒素源としては窒素プラズマを用いる。
【００３５】
第２のIII族窒化物薄膜５２が１０ｎｍ成長したところで、その表面へのＭｎの供給を停止するとともにメタンの供給を開始すると、炭素がドープされたＧａＮ膜から成る絶縁膜５３が成長する(同図(ｄ))。メタンは、プラズマで励起して供給しても、た直接成長膜上へ供給しても良い。
【００３６】
この絶縁膜５３を１ｎｍ〜３ｎｍの厚みに成長させた後、メタンの供給を停止し、再びＭｎの供給を開始すると、ＭｎがドープされたＧａＮから成る第３のIII族窒化物薄膜５４(上部強磁性体膜ＧａＮ：Ｍｎ)が成長する(同図(ｅ))。
【００３７】
第３のIII族窒化物薄膜５４が約１０ｎｍ成長したところで成長を終了させ、次に、第２のIII族窒化物薄膜５２を部分的に露出させ、この表面に下部電極６１を形成すると共に、第３のIII族窒化物薄膜５４表面に上部電極６２を形成すると、ＭＲＡＭ素子５９が得られる(同図(ｆ))。
【００３８】
なお、以上説明したＭＩＳＦＥＴ構造の半導体素子１９とＭＲＡＭ素子５９の製造は、１台の分子線エピタキシャル装置６内で行ったが、製造途中の基板を移動させ、各III族窒化物薄膜や絶縁膜は、異なる分子線エピタキシャル装置内で形成してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
この発明は、絶縁体−半導体積層構造を、同じ結晶構造をもち、かつ格子定数の近いＧａＮ系エピタキシャル膜で作製するため、従来のＳｉＮx、ＳｉＯxを用いた場合よりも界面順位密度の低い良好な接合界面を持つ高品質・極薄絶縁膜を形成することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)〜(ｆ)：ＭＩＳＦＥＴ構造の半導体素子の製造工程を説明するための図
【図２】(ａ)〜(ｆ)：ＭＲＡＭ素子の製造工程を説明するための図
【図３】本発明に用いることができる分子線エピタキシャル装置の一例を説明するための図
【符号の説明】
１３、５２、５４……III族窒化物薄膜
１５、５３……絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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