磁阻效应元件、自旋MOSFET和自旋传导元件制造技术

本发明专利技术提供一种磁阻效应元件，其具备：半导体通道层(7)，经由第1隧道层(81A)配置于半导体通道层上的磁化固定层(12A)，经由第2隧道层(81B)配置于半导体通道层上的磁化自由层(12B)，半导体通道层实质上由包含了与第1隧道层的界面的第1区域(7A)、包含了与第2隧道层的界面的第2区域(7B)、第3区域(7C)构成，第1区域和第2区域的杂质浓度为超过1×10

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及磁阻效应元件、Spin-MOSFET(spin-metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor：自旋金属氧化物半导体场效应晶体管)以及自旋传导元件。
技术介绍
通过非磁性层使自旋极化电流流过铁磁性电极之间而产生的磁阻因为其效应大所以被称作为巨大磁阻效应(GMR)，利用了该效应的应用产品有磁头以及传感器等。另外，众所周知替代非磁性层而使用了隧道薄膜的结构被称作为隧道磁阻效应(TMR)，并且能够获得超过GMR的特性。这些元件为由铁磁性电极彼此的自旋的相对角而产生输出的无源元件。在将非磁性层作为半导体的情况下，因为不仅仅有磁阻效应而且有半导体中的放大功能，所以自旋电子学(spintronics)中的有源元件受到关注。在专利文献1,2中有方案提出利用了通过使自旋极化电流流过半导体而产生的磁阻效应的Spin-MOSFET。在非专利文献1中有方案提出为了使自旋传导于半导体中，所以从电导率不匹配(conductivitymismatch)的问题出发将隧道薄膜插入到铁磁性体与半导体的界面。实际上，仅仅是插入隧道薄膜难以将自旋注入到半导体层并使自旋传导，以解决电导率不匹配的问题的形式插入隧道薄膜会导致电路整体的元件电阻的增加，因而获得大磁阻比变得困难。不能够获得大磁阻比的理由主要有2个。一个是伴随于在铁磁性体与半导体的界面附近的自旋散射的自旋衰减问题。还有一个是元件电阻的设计问题。半导体通道层(semiconductorchannellayer)的载流子浓度(carrierconcentration)越低，自旋越会容易积蓄于半导体通道层并且容易传导。自旋输送距离是由直至自旋衰减并失去自旋极化为止的平均时间即自旋寿命和自旋扩散传导的扩散系数来决定的。即，自旋传导元件的电阻越高则自旋越容易传导。另一方面，自旋传导元件的电阻越低则自旋越容易被注入，并且能够实现高速化以及省能源化。所以为了实现既保持良好的自旋传导性又实现高速化以及省能源化的自旋传导元件，关于自旋传导元件的电阻特性会产生矛盾。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开WO2004/086625号公报专利文献2：日本特开2006-32915号公报专利文献3：日本特开2010-287666号公报非专利文献非专利文献1：A.FertandH.Jaffres,PhysicalReviewBVOLUME64,184420(2001)非专利文献2：T.Suzuki,T.Sasaki,T.Oikawa,M.Shiraishi,Y.Suzuki,andKNoguchi,AppliedPhysicsExpress4(2011)023003
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题为了在以解决电导率不匹配的问题的形式插入隧道薄膜的同时降低电路整体的元件电阻，有使接近于半导体层与铁磁性层的界面的半导体层的杂质浓度增大的方法。这就是减少发生于半导体层与铁磁性层的界面的肖特基势垒(Schottkybarrier)并且降低界面电阻的方法。这个方法例如被记载于专利文献3。然而，如果使杂质浓度增大的话则自旋传导变得难以进行，并且自旋输出会降低。另外，半导体的结晶性由于杂质的导入而会降低，并且这也会引起自旋输出的降低。再有，如果从半导体层与铁磁性层的界面到半导体通道层侧具有杂质的极大值的话，则从界面到有杂质极大值的地方会形成自旋容易衰减的能级。如果就这样在杂质浓度高的界面附近形成自旋容易衰减的能级的话，则因为当自旋在半导体通道层中移动的过程中自旋会衰减，所以自旋的传导特性会发生恶化并且自旋输出降低。为了获得高磁阻比，有必要兼备低元件电阻和大的自旋输出，然而就现有的使自旋传导于半导体的元件而言，由于金属与半导体的界面上的肖特基势垒和自旋散射效应，因此难以达到该兼备。解决技术问题之手段为了解决上述技术问题，本专利技术的磁阻效应元件的特征在于：具备：半导体通道层；磁化固定层，通过第1隧道层被配置于所述半导体通道层上；以及磁化自由层，通过第2隧道层被配置于所述半导体通道层上，所述半导体通道层实质上由包含了与所述第1隧道层的界面的第1区域、包含了与所述第2隧道层的界面的第2区域、以及第3区域构成，所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度为超过1×1019cm-3的浓度，所述第3区域的杂质浓度为1×1019cm-3以下，所述第1区域和所述第2区域隔着所述第3区域而分离，所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度分别从所述半导体通道层与所述第1隧道层的界面以及所述半导体通道层与所述第2隧道层的界面开始在所述半导体通道层的厚度方向上单调地递减。通过形成该结构，从而由杂质浓度高的第1区域和第2区域的存在而能够实现低界面电阻(半导体通道层与第1以及第2隧道层的界面电阻)并且能够实现低元件电阻。再有，在杂质浓度高的第1区域和第2区域不会产生自旋容易衰减的能级，自旋可以传导到杂质浓度低的第3区域，在半导体通道层中的自旋衰减被抑制并且自旋的传导特性的恶化被抑制。由此，能够获得高磁阻比。在此，所谓“半导体通道层实质上由第1区域、第2区域和第3区域构成”是指，不仅是半导体通道层只由第1区域、第2区域以及第3区域构成的情况，而且还包含在半导体通道层中杂质浓度高于第3区域的部分存在于本质上与自旋传导没有关系的部分的情况。所谓杂质浓度单调地递减的意思是指，杂质浓度没有增大而是减少或者没有变化。但是，因为在分析杂质浓度的时候包含了测定的噪音，所以即使由于噪音而使杂质浓度局部增大但从前后的趋势来看是减少的情况包含于单调地递减的情况。再有，本专利技术的磁阻效应元件优选所述第1区域和所述第2区域的厚度为10nm以下。如果第1区域和第2区域的厚度较厚的话，则自旋在第1区域和第2区域发生衰减，自旋传导特性会恶化。再有，本专利技术的磁阻效应元件优选所述半导体通道层具有第1凸部和第2凸部，所述第1区域包含于所述第1凸部，所述第2区域包含于所述第2凸部。通过将第1区域和第2区域设置于半导体通道层的凸部，从而就能够抑制朝向与自旋极化电流传导的方向垂直的方向的自旋的扩散，并且具有获得大磁阻比的效果。再有，本专利技术的磁阻效应元件优选所述第1区域和所述第2区域的最大杂质浓度为2×1019～2×1020cm-3的范围内。通过这样控制，从而既抑制界面电阻又能够防止自旋传导特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁阻效应元件，其特征在于：具备：半导体通道层，磁化固定层，通过第1隧道层被配置于所述半导体通道层上，以及磁化自由层，通过第2隧道层被配置于所述半导体通道层上，所述半导体通道层实质上由包含了与所述第1隧道层的界面的第1区域、包含了与所述第2隧道层的界面的第2区域、以及第3区域构成，所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度为超过1×1019cm‑3的浓度，所述第3区域的杂质浓度为1×1019cm‑3以下，所述第1区域和所述第2区域隔着所述第3区域而分离，所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度分别从所述半导体通道层与所述第1隧道层的界面以及所述半导体通道层与所述第2隧道层的界面开始在所述半导体通道层的厚度方向上单调地递减。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.20 JP 2013-2397341.一种磁阻效应元件，其特征在于：
具备：
半导体通道层，
磁化固定层，通过第1隧道层被配置于所述半导体通道层上，以
及
磁化自由层，通过第2隧道层被配置于所述半导体通道层上，
所述半导体通道层实质上由包含了与所述第1隧道层的界面的第
1区域、包含了与所述第2隧道层的界面的第2区域、以及第3区域构
成，
所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度为超过1×1019cm-3的浓
度，
所述第3区域的杂质浓度为1×1019cm-3以下，
所述第1区域和所述第2区域隔着所述第3区域而分离，
所述第1区域和所述第2区域的杂质浓度分别从所述半导体通道
层与所述第1隧道层的界面以及所述半导体通道层与所述第2隧道层
的界面开始在所述半导体通道层的厚度方向上单调地递减。
2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述第1区域和第2区域的厚度为10nm以下。
3.如权利要求1或者2所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述半导体通道层具有第1凸部和第2凸部，
所述第1区域包含于所述第1凸部，所述第2区域包含于所述第2
凸部。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的磁阻效应元件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐佐木智生，及川亨，
申请(专利权)人：TDK株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP