【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人工格子磁気抵抗効果膜をベースに用い、高周波で使用が可能なトランジスタおよびその製造方法に関する。 このトランジスターは、外部からの磁界によりコレクター電流を制御可能な磁界センサーとして動作する。

【０００２】

【従来の技術】BaibichらのFe/Cr人工格子の巨大磁気抵抗効果の発見（フィジカル レヴューレター 61巻 第2
472項 (1988年)( Physical Review Letter Vol.61, p
2472, 1988))に続いて、磁気抵抗効果素子の研究開発が盛んに行われている。 磁気抵抗(Magnetoresistance,MR)
効果素子とは、外部の磁界によって電気抵抗が変化する素子のことで、磁界読みとり用に磁気ヘッド、磁界センサーなどに応用可能である。 巨大磁気抵抗効果を示す人工格子膜としては、Fe/Cr,Co/Cu,NiFe/Cu,NiFeCo/Cu等の反強磁性に磁性層が結合したタイプと、NiFe/Cu/Co/C
u,NiFe/Cu/NiFe/FeMn等の異なった保磁力を有する２種以上の磁性層から構成されるスヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプの人工格子がある。 一般に反強磁性結合タイプは磁気抵抗変化率（以下ＭＲ比と略す）が大きいが磁界感度が低く、反対にスヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプはMR比は反強磁性結合タイプより小さいが磁界感度が大きく、こちらの方が実用的である。

【０００３】スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプのMR膜には、反強磁性体を用いて、一方の磁化を固定して、それによって磁化の反平行状態を作り出す（保磁力の差を発生させる）タイプの、NiFe/Cu/NiFe/FeMn（またはFeMnの代わりにNiOを用いる）等の膜と、Co,CoPt,CoFe等の硬質磁性膜と、Ni
Fe,NiFeCo等の軟磁性膜をCu等の非磁性層を介して積層したタイプのいわゆる２種類の磁性層を用いるタイプがある。

【０００４】また一方、強磁性体/非磁性体/強磁性体の構成のいわゆる強磁性トンネル接合を有する人工格子膜において、膜面垂直方向に非磁性体を流れるトンネル電流が、強磁性体の磁化方向により変化する現象が報告されている（日本応用磁気学会誌 第１９巻 369項 (19
95年)）。 手束らは、Fe/Al ₂ O ₃ /Feの構成のトンネル接合膜において、室温で18%の抵抗変化を報告している。 この場合、前記の金属人工格子膜の磁気抵抗変化に比べて、比抵抗が高いために、抵抗変化も大きいことが特徴である。

【０００５】最近、人工格子の磁気抵抗変化を利用した、スヒ゜ントランジスターがMonsmaらによって提案された
(フィジカル レヴュー レター 74巻 第5260項 (199
5年)(Physical Review Letter Vol.74, p5260, 199
5))。 Monsmaらが提案したスヒ゜ントランジスターの構造を図４に示す。 この製法は以下の通りである。 まず最初に、n型のSi(100)ウェハーを用意し、裏面にオーム接触になるようにPtを蒸着する。 コレクターとエミッターとしてウェハーを切り出し、表面をフッ酸等で洗浄し、コレクター上には[Cu(2nm)/Co(1.5nm)]x4膜をrfスパッタ法で形成する。 そうして洗浄したエミッターの表面と、
コレクターの表面の人工格子膜を接着させる。 このようにして作製すると、金属人工格子膜（ベース）と、エミッター及びコレクターの間で、ショットキー障壁が形成され、トランジスターとして働くようになる。

【０００６】このとき、金属人工格子膜を通過する電子は、膜面に垂直方向に移動するために、磁性層のスヒ゜ンに依存した散乱を受ける。 Co/Cu人工格子の保磁力の磁界でのコレクター電流をJ(AP)、外部磁界により飽和したときのコレクター電流をJ(P)とすると、コレクター電流の変化は、 ＭＣ(%)＝(J(P)-J(AP))/J(AP)*100・・・（１） と表せる。 これを前述のように作製したスヒ゜ントランジスタについて77Kで測定した所、図５に示すように500 Oe
で200%以上の電流変化を示している。 これはこの人工格子膜の膜面内に測定した抵抗変化が約3%であるのに対して大幅な増加となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにして作製したスヒ゜ントランジスタは、優れた磁界感度を有するセンサーとなっているが、金属人工格子層として、反強磁性結合タイプのCo/Cu人工格子膜を用いているために磁界感度が不十分である。

【０００８】また作成方法としては、金属とSiをショットキー接合ができるように機械的に接合するという大変困難な技術を用いている。 そのために安定して特性を確保するのが困難である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するために、本発明のトランジスターは、第１の金属電極の上に、第１のSi単結晶、スヒ゜ンハ゛ルフ゛型磁気抵抗効果膜、第２のSi単結晶、第２の金属電極が順次積層された構成であり、第１と第２のSi単結晶とスヒ゜ンハ゛ルフ゛型磁気抵抗効果膜の間で、ショットキー型障壁が形成されていることを特徴とする。

【００１０】また、より望ましくは、前記スヒ゜ンハ゛ルフ゛型磁気抵抗効果膜がNiFeCo層とCo層またはCoFe層またはCo
Pt層を非磁性層を介して交互に積層した構成である。

【００１１】また、別の本発明のトランジスターは、第１の金属電極の上に、第１のSi単結晶、強磁性トンネル接合型磁気抵抗効果膜、第２のSi単結晶、第２の金属電極が順次積層された構成であり、第１と第２のSi単結晶とスヒ゜ンハ゛ルフ゛型人工格子膜の間で、ショットキー型障壁が形成されていることを特徴とする。

【００１２】より望ましくは、前記強磁性トンネル接合型磁気抵抗効果膜が、第１の強磁性体、絶縁体、第２の強磁性体を順次積層した構成からなり、その第１および第２の強磁性体が、Fe,Ni,Coまたはその合金からなり、
絶縁体がAl ₂ O ₃またはSi0 ₂からなる。

【００１３】また、本発明のトランジスターの製造方法は、Si単結晶基板上に金属人工格子膜を直接またはバッファー層を介してエピタキシャルに成長させる第１の行程と、その金属人工格子膜上に直接またはバッファー層を介してSiをエピタキシャル成長させる第２の行程からなることを特徴とするものである。

【００１４】より望ましくは、Si(100)基板上にCuバッファー層を介してエヒ゜タキシャルに金属人工格子膜を作製するかまたは、Si(111)基板上にAgバッファー層を介してエヒ゜タキシャルに金属人工格子膜を作製する事である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明のスヒ゜ントランジスターを具体的に説明する。

【００１６】図１に本発明のスヒ゜ントランジスターの一例の断面を模式的に表現して示す。 本発明のスヒ゜ントランジスターは、エミッターとコレクターにともにSi単結晶1,
5を用い、電極２とから構成されている。 ベースの部分である金属人工格子膜は、従来はCo/Cu人工格子膜を用いているが、本発明では、スヒ゜ンハ゛ルフ゛型人工格子膜を用いる。 Co/Cu人工格子膜のような反強磁性結合タイプの膜は、磁界感度が不十分であり、スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプの方が優れる。 スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプのMR膜については、反強磁性体を用いるタイプでも、２種類の磁性層を用いるタイプでもどちらでも良いが、望ましくは、２種類の磁性層を用いるタイプがよい。 FeMn,NiO等の反強磁性体を用いるタイプは、これらの電気抵抗が大きいために、膜面と垂直方向に電流を流す場合、磁気抵抗比が大きく低下してしまう可能性があるからである。 前述したように、２
種類の磁性層を用いるMR膜は、軟磁性層８と硬質磁性層７を非磁性層６を介して積層したものである。 硬質磁性層７としては、Co,CoPt,CoFe等がある。 CoPtの原子組成比としては、Co _1-x Pt _xとして、 0≦x≦0.4 の範囲がよい。 これ以上Ptが増加するとMR比が低下する。 また、Co _1-x Fe _x膜の原子組成比としては、x=0.5付近が最も適しており、 0.1≦x≦0.9 の範囲が良く、望ましくは、 0.4≦x≦0.6 の範囲がよい。 硬質磁性層の１層あたりの膜厚は少なくとも1nm以上は必要であり、生産性の面から、20nm以下とするのが望ましい。

【００１７】軟磁性層８としては、NiFe膜、NiFeCo膜等が望ましい。 この時軟磁性膜の特性として優れたものとして、原子組成比として、Ni _x Co _y Fe _z 0.6≦x≦0.9,0≦y≦0.4,0≦z≦0.3 のNi-rich膜か、 0≦x≦0.4,0.2≦y≦0.95, 0≦z≦0.5 のCo-rich膜を用いるのが望ましい。 これらの組成の膜はセンサーやMRヘッド用として要求される低磁歪特性（1x10 ^-5の程度かそれ以下）を有する。 軟磁性層の膜厚としては、1nm以上20nm以下、望ましくは3nm以上、更に望ましくは10nm以上がよい。 膜厚が薄くなると軟磁気特性が劣化するからである。

【００１８】非磁性層６としては、Cu,Ag,Auなどが良いが中でもCuが優れている。 Cu層の膜厚としては、磁性層間の結合を弱くするために、少なくとも2nm以上望ましくは5nm以上がよい。 生産性の面から20nm以下望ましくは10nm以下とするのが望ましい。

【００１９】スヒ゜ンハ゛ルフ゛膜の構成としては、[硬質磁性層７/非磁性層６/軟磁性層８/非磁性層６]を単位として、
１回以上繰り返して積層したものでも良いし、例えば、
図１に示すように、硬質磁性層７/非磁性層６/軟磁性層８/非磁性層６/硬質磁性層７等の構成や、[硬質磁性層/
非磁性層/硬質磁性層/非磁性層/軟磁性層/非磁性層]を単位として繰り返し積層したものでも良い。

【００２０】またスヒ゜ンハ゛ルフ゛膜の結晶性としては、多結晶膜でも良いが、望ましくは、Si基板上にエヒ゜タキシャル成長させた膜を用いるのがより望ましい。 この場合、人工格子膜を作製する前に、バッファー層をあらかじめ作製するのがよい。 バッファー層としては、Si(100)基板を用いた場合には、Cu,Ag等が良く、特にCuバッファー層が優れている。 Cu層の膜厚としては、最低でも5nm以上は必要であり、望ましくは10nm以上、上限は生産性の面から200nm以下望ましくは100nm以下がよい。 またSi(111)
基板を用いた場合はAgバッファー層が良く、この場合Ag
の膜厚としては、最低でも5nm以上は必要であり、望ましくは7nm以上、上限は生産性の面から200nm以下望ましくは100nm以下がよい。 Ag膜を作成後、100℃前後で30分程度アニールするとより平滑な表面が得られて、その上に作製したMR素子の特性が向上するので、良い。

【００２１】エヒ゜タキシャルスヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプMR膜の場合、強磁性層として、Co膜またはCoFe膜を用い、軟磁性層としてNi-20wt%Fe膜を用いたものが特に優れている。

【００２２】これらのスヒ゜ンハ゛ルフ゛膜は、図１に示すように、Si単結晶１、５と直接接していても良いが、バッファー層を介して接していても良い。 バッファー層としては、CuやAgがよい。 ただし、Si単結晶1,5と接している金属の間で、ショットキー障壁が形成されている必要がある。

【００２３】電極２としては、金属で低抵抗のものがよく、Al,Cu,Ag,Au,Pt等がある。 この中でもAlまたはPtとくに、Alが適している。 電極２と、Si単結晶１、５との間で、オーム型の接合が形成されていることが必要である。

【００２４】図１に示す、スヒ゜ントランジスターの製造方法としては、従来のスヒ゜ントランジスターの製造法でも良いが、本発明の製造方法を用いればよりすぐれた素子を作製することができる。

【００２５】次に、図２の場合について説明する。 図２
は本発明の別のトランジスターの一例の断面を模式的に表現して示す。 本発明のトランジスターは、エミッターとコレクターにともにSi単結晶1,5を用い、電極２とから構成されているところは図１に示される従来例と同じ構成である。 違うのは、ベースの部分である金属人工格子膜の部分である。 従来は、Co/Cu人工格子膜を用いているが、本発明では、強磁性トンネル接合型MR膜を用いる。

【００２６】強磁性トンネル接合型MR膜の構成は、第１
の磁性層９/絶縁層１０/第２の磁性層１１である。 第１、第２の磁性層としては、Fe,Co,Niとその合金がよい。 いずれか一方を軟磁性にして、片方を硬質磁性層とするため、２つの磁性層の材質、膜厚等を変化させるのがよい。 軟磁性層としては、前述のNiFeCo膜の組成が、
良い。 磁性層の膜厚としては、1nm以上200nm以下望ましくは100nm程度がよい。 絶縁層としては、Al ₂ O ₃ ,SiO ₂ ,G
e,NiO,Gd等があるが、望ましくは、Al ₂ O ₃かまたは、SiO
₂ 、より望ましくは、Al ₂ O ₃がよい。 絶縁層の膜厚としては、5〜25nm程度がよい。

【００２７】これらのスヒ゜ンハ゛ルフ゛膜は、図２に示すように、Si単結晶１、５と直接接していても良いが、バッファー層を介して接していても良い。 バッファー層としては、CuやAgがよい。 ただし、Si単結晶1,5と接している金属の間で、ショットキー障壁が形成されている必要がある。

【００２８】電極２としては、金属で低抵抗のものがよく、Al,Cu,Ag,Au,Pt等がある。 この中でもAlまたはPtとくに、Alが適している。 電極２と、Si単結晶１、５との間で、オーム型の接合が形成されていることが必要である。

【００２９】図２に示す、トランジスターの製造方法としては、従来のトランジスターの製造法でも良いが、本発明の製造方法を用いればよりすぐれた素子を作製することができる。

【００３０】図３に本発明のトランジスターの製造方法で作製された、素子の概略を示す。 ３の基本的な構成は、図１と同じであるが、その作成方法が異なるので、
その作成方法を順に示していく。

【００３１】まず最初に基板としてn型のSi(100)基板1
を用いる。 この基板を熱酸化で表面にSiO ₂層を形成した後、HF等でエッチングして清浄なSi表面を得る。 裏面に電極２を蒸着して形成する。 この電極には、Al,Pt,Au,A
g,Cuなどがよい（特にAlがよい）が、重要なのは、電極２とSi単結晶１、５をオーム型接合とすることである。
ここまでが下準備である。

【００３２】次に、本発明の第１の行程として、金属人工格子層４をSi基板１の表面にエヒ゜タキシャル成長させる。 そのために、まずCu層をバッファー層３として形成する。
このバッファー層としては、Si基板上にエヒ゜タキシャル成長するものであれば何でも良いが、CuまたはAgが、より望ましくはCuがよい。 バッファ層は、膜厚が最低5nm以上は必要であり、生産性の点からは、200nm以下とするのが望ましい。 次に、金属人工格子層４をCu下地層上に形成するが、金属人工格子層４としては、反強磁性結合タイプであっても、スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプであってもCu等のバッファー層３上にエヒ゜タキシャル成長するものであればよい。 具体的には反強磁性結合タイプとしては、Co/Cu,CoFe/Cu,
NiFe/Cu,NiFeCo/Cuなど、スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプとしては、Co
/Cu/NiFe/Cu,Co/Cu/NiFeCo/Cu,CoFe/Cu/NiFeCo/Cuなどがある。 低磁界動作をさせるためには、スヒ゜ンハ゛ルフ゛タイプが優れている。 中でもCo/Cu/NiFe/Cu膜はエヒ゜タキシャル成長させた場合、NiFe層の保磁力が小さく低磁界動作に優れる。 この場合磁性層間のCu層の膜厚としては、磁性層間の相互作用を小さくするため少なくとも2nm以上望ましくは5nm以上20nm以下とするのがよい。 またCo層は硬質磁性層として用い、膜厚としては、少なくとも1nm以上、磁性層間の相互作用を小さくするため厚くとも10nm
以下、望ましくは、３nm以下とするのがよい。 一方、Ni
Fe膜は軟磁性層として用い、組成としてはNi-20at%Fe前後がよい。 軟磁気特性を良くするために、膜厚は少なくとも1nm以上、望ましくは3nm以上がよい。 生産性から20
nm以下がよい。 また膜の積層回数としては、[Co/Cu/NiF
e/Cu]の繰り返しを１回として、１回以上の繰り返しがあればよい。 繰り返し回数が多くなるに従い、MR比自体は大きくなる。 また必ずしもこの単位を保持しなくても、Co/Cu/NiFe/Cu/Co等の構成でも良い。 繰り返し回数の上限としては生産性から２００回以下とするべきである。 下地層や人工格子層を形成する方法としては、スパッタリング法や、蒸着法があるが、エヒ゜タキシャル成長をさせるためには、超高真空蒸着法が優れている。

【００３３】このようにして、人工格子層をエヒ゜タキシャルに
Si基板上に作製した後、第２の行程として、人工格子層４の上にSi層５をエヒ゜タキシャルに形成した。 この時必要に応じて、Si層を形成する前にCu,Ag等のバッファ層を蒸着する。 Si層５の形成方法としては、超高真空蒸着法が優れているが、生産性の問題から、最初人工格子層にエヒ゜タキシャルにSi層を超高真空蒸着法で形成した後、CVD法でSi
層を厚く形成する等の方法もある。 またこのSi層をn型にするため、蒸着中、または形成後に、P等をドープする必要がある。 またSi層を形成する際、図１に示すように電極を取り出すために、マスクする必要がある。 更にこの後、電極を再び表面に形成して、この電極とSiの間はオーム性接触となるようにする。

【００３４】以上は(100)基板を用いこの方位にエヒ゜タキシャル成長させる場合について説明したが、(111)方位の基板を用いた場合も同様に作製できる。 この時は、バッファー層３として、Agを用いるのが望ましい。

【００３５】（実施例１）図１に示すようなスヒ゜ンハ゛ルフ゛トランジスタを作成する方法をより具体的に説明する。

【００３６】まず、膜厚400μm、比抵抗約1000Ωcmのn
型のSi(100)ウエハーを15x15mmにカットし、表面に熱酸化でSiO ₂層を形成してこれをHF系の溶液でクリーニングすることにより、Siの清浄な表面を形成した。 そのあと、裏面に、電極２として、Al層を蒸着して、Siと電極のAl層間にオーム接合を形成した。 この後、超高真空蒸着装置に基板を入れてマスクで制限された10mmx10mmの範囲の基板の表面に約10nmのCuバッファー層３、Co(3n
m)/Cu(5nm)/Ni _0.8 Fe _0.2 (10nm)/Cu(5nm)/Co(3nm)/Cu(5n
m)の順の人工格子膜４を形成した。 更に、この後、マスクにより、蒸着範囲を人工格子膜上5x5mmとなるように制限して、Siをエヒ゜タキシャル成長させた。 このときSiがn型となるようにPをドープした。 このようにして、人工格子膜の両端に、基板のSiと蒸着したSiがショットキー接合となるように膜を形成した。

【００３７】このようにして作製したスヒ゜ントランジスタを、室温で、500 Oeの磁界を印可して評価した。 このとき、エミッタ電流は100mA,ベースーコレクタ間の電圧を0Vとした。 図６はこの時のコレクタ電流の変化MCを低磁界の所を拡大してかかせてある。 測定の結果、約10 Oeの磁界で80%
のコレクタ電流の変化を示した。

【００３８】（実施例２）n型の膜厚400μm、比抵抗約1
000ΩcmのSi(100)ウェハーを用意し、裏面にオーム接触になるようにAlを蒸着する。 コレクターとエミッターとしてウェハーを切り出し、表面をフッ酸等で洗浄し、コレクター上には[Cu(2.2nm)/Co _0.5 Fe _0.5 (2nm)/Cu(2.2nm)
/Ni _0.8 Fe _0.1 Co _0.1 (5nm)]x2人工格子膜をrfスパッタ法で形成する。 そうして洗浄したエミッターの表面と、コレクターの表面の人工格子膜を接着させる。 このようにして作製すると、金属人工格子膜（ベース）と、エミッター及びコレクターの間で、ショットキー障壁が形成され、トランジスターとして働くようになる。

【００３９】以上のようにして作製したトランジスターの特性を77Kで評価すると、約２0 Oeで200%のコレクター電流の変化があった。 全く同様にして、比較例として、人工格子膜を[Cu(2nm)/Co(2nm)]x4膜を形成してトランジスターを形成して評価すると、200%の電流変化を起こすのに約300 Oeの磁界が必要であった。

【００４０】（実施例３）実施例２と全く同様の方法で、ただし、人工格子膜として、図２に示すように、Fe
(100nm)/Al ₂ O ₃ (20nm)/Ni _0.8 Fe _0.2 (150nm)とした。 Al ₂ O ₃
膜の作成方法としては、まずAlをrfスパッタ法で成膜した後、大気中に24時間放置して酸化させた。 この膜を実施例２と同様の方法で評価した。 ただし、この時、エミッタ電流は10mAにベース、コレクタ間の電圧は5Vとした。 この結果、約30 Oeの磁界で200%の電流が変化した。

【００４１】（実施例４）実施例２と同じ方法で、ただし、人工格子膜を作製する前に、Si(100)基板上にCu膜を10nmの厚みにエヒ゜タキシャル成長させ、更に人工格子膜として、[Ni _0.8 Fe _0.2 (3nm)/Cu(5nm)/Co(3nm)/Cu(5nm)]x4膜を作製した。 この膜を77Kで、実施例２と同じ方法で評価すると、コレクター電流が、20 Oeで220%の変化が起こった。

【００４２】（実施例５）実施例1と同じ方法で、ただし、人工格子膜を作製する前に、Si(111)基板上にAg膜を10nmの厚みにエヒ゜タキシャル成長させ、373Kで30分アニールした後、続いてCu膜を更に10nm形成した。 更に人工格子膜として、[Ni _0.8 Fe _0.2 (3nm)/Cu(5nm)/Co(3nm)/Cu(5n
m)]x4膜を作製した。 この膜を室温で、実施例1と同じ方法で評価すると、コレクター電流が、30 Oeで100%の変化が起こった。

【００４３】（実施例６）実施例２と同じ方法で、ただし、人工格子膜として_、 [Ni _0.2 Fe _0.2 Co _0.6 (3nm)/Cu(5nm)
/Co _0.8 Pt _0.2 (3nm)/Cu(5nm)]x4膜を作製した。 この膜を7
7Kで、実施例1と同じ方法で評価すると、コレクター電流が、20 Oeで100%の変化が起こった。

【００４４】

【発明の効果】本発明のトランジスターは、低磁界で大幅なコレクター電流の変化する磁界センサーである。 また別の本発明のトランジスターは、高抵抗のために低電流動作が可能である。 また本発明のトランジスターの作成方法により、室温でかつ低磁場で動作する磁界センサーが容易に作成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトランジスターの一例の断面模式図

【図２】本発明の別のトランジスターの一例の断面模式図

【図３】本発明の製造方法で作製されるトランジスターの断面模式図

【図４】従来のスヒ゜ントランジスターの断面模式図

【図５】従来のスヒ゜ントランジスターのコレクター電流の印加磁界依存性を示す図

【図６】本発明の製造方法で作製されるランジスターのコレクター電流の印加磁界依存性を示す図

【符号の説明】

1 Si基板 2 電極 3 バッファ層 4 金属人工格子層 4a スヒ゜ンハ゛ルフ゛型人工格子膜 4b 強磁性トンネル接合型MR膜 5 Si単結晶 6 非磁性層 7 硬質磁性層 8 軟磁性層 9 第１の磁性層 10 絶縁層 11 第２の磁性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 入江 庸介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内