2015 Fiscal Year Annual Research Report
半導体チャネルを介した磁気抵抗比の増大に関する研究
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26286036
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
手束 展規 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40323076)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
斉藤 好昭 株式会社東芝研究開発センター, 研究開発センター, 研究主幹 (80393859)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | スピンFET / スピン注入 / スピン信号 / 微細素子作製 / 強磁性トンネル接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H26年度の研究よりSi半導体のチャネル長を短くするとスピン信号が増大することを確認したが、数100 nm以下では逆に、チャネル長の減少とともにスピン信号が減少した。また、H27年度に磁性体と半導体の素子幅1～100 μmまで変えた試料を作製したところ、素子幅10 μm以下で同様のスピン信号の減少が観測されることが明らかとなった。これらスピン信号減少の要因を断面TEMおよびEDXにより調べたところ、微細素子では磁性体間に残差メタル（磁性体元素およびRu）が存在すること、磁性体の周りに高抵抗Siのリデポが存在することが明らかになった。イオンミリングの角度、磁性体膜厚の薄膜化の対策を行った結果、残渣メタルCoFeの総量を従来の1/3と減少でき、スピン信号の増大を確認した。しかし、本作製方法ではSi上の残渣メタルを完全にゼロとすることは難しく、チャネル長数100 nm以下の微細素子では、根本的に作製プロセスを変える必要があることが明らかとなった。
次いで、Si(100)上にMgO(100)をエピタキシャル成長した上に、ホイスラー合金Co2FeSiを有する強磁性トンネル接合の成長を試みた。強磁性トンネル接合がフルエピタキシャル成長を確認し、TMR比～100％を観測した。また、CoFeBを電極とする高配向強磁性トンネル接合の作製に成功し、TMR比～200％を得ることができた。
最後に、ホイスラー合金Co2FeSi/MgO電極からn+-Siへのスピン注入効率向上を目指した。その結果、低温でスピン注入効率Pが約P～30%、室温でもP～20％が得られる磁性体/MgO/n+-Si界面制御技術を確立した（成果論文[1]参照）。また、成膜前のn+-Si表面状態を変えることにより、スピン注入効率のさらなる上昇が観測され、現在その上昇の要因を分析するとともに、詳細なデータを取得中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
数100nm以下の微細素子作製に関しては、根本的なプロセス改善が必要なことが分かり、やや遅れが生じている。Si上のTMR素子の作製および、ホイスラー合金から半導体Siへのスピン注入の実験は、スピン注入効率が着実に上昇しており、順調に進んでいる。半導体上の強磁性トンネル接合の作製では、TMR比100%以上を得られており、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
Si上のTMR素子の作製および、ホイスラー合金から半導体Siへのスピン注入の実験は、強磁性体/トンネル障壁成膜前のSiの表面状態が、スピン注入効率、および、その上の強磁性トンネル接合の特性に大きく聞いていることが明らかになったので、スピン信号のSiの表面状態依存性をさらに詳細に調べていく。
微素子の作製は、スパッタSiOx、プラズマSiOxで作製したダミーGateをチャネル部に最初に作製し、完全に残差メタルをなくすことが可能なプロセスを試みたが、チャネル上のSiOxの質が悪いと、大きな素子においてもスピン信号が減少してしまうことが明らかになっている。そこで、ダミーGateをSiO2を熱酸化法で作製するプロセスの条件出しを行い、そのプロセス条件を見出した。来年度は、確立した本熱酸化プロセスを用い、微細素子の作製を試み、微細素子でのスピン信号のデータ取りを継続して行う。また、来年度末には、不純物濃度を制御したSOI基板上に作製した素子を作製し、Gate電圧依存性のデータも取得する予定である。
強磁性トンネル接合電極を用いた半導体を介した磁気抵抗比を得ること、その出力をGate電圧で制御を試みる。
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