(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が変化可能な磁化自由層、
磁化方向が一方向に固定された磁化固定層、及び、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に介在したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子と、
前記磁化自由層上に接して設けられ、かつ前記磁化自由層を保護するための第１の保護層と、
前記第１の保護層上に設けられた第２の保護層と、
前記第２の保護層上に設けられ、前記第２の保護層と電気的接触する電極と、
前記電極が、前記第２の保護層と部分的に電気的接触するポイントコンタクト部を有するように、前記第１の保護層と前記電極との間に設けられた層間絶縁膜と、
を備え、
前記第２の保護層の前記電極との界面の面積は、前記第１の保護層と前記磁化自由層との界面の面積よりも小さく、
前記第１の保護層は、前記第２の保護層に接している部分の面直方向の厚さよりも、前記層間絶縁膜に接している部分の面直方向の厚さが薄く、
前記第１の保護層と前記第２の保護層とを有する積層体が、凸部を有するように成形されており、
前記凸部の上面と前記電極の前記ポイントコンタクト部とが電気的に接触しており、
前記積層体のうちの前記凸部以外の部分の面直方向の厚さは、前記凸部の面直方向の厚さよりも薄いことを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記磁化自由層の前記トンネルバリア層との界面の面積が、前記ポイントコンタクト部と前記第２の保護層との界面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項３】
前記第２の保護層の前記電極との界面の面積は、前記第１の保護層と前記第２の保護層との界面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の発振素子。
【請求項４】
磁化方向が変化可能な磁化自由層、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層、及び、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に介在したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子と、前記磁化自由層上に該磁化自由層に接して積層され、前記磁化自由層を保護するための第１の保護層と、前記第１の保護層上に積層された第２の保護層とを有する基板に対して、前記第１の保護層と前記第２の保護層との界面の面積よりも小さな面積を有する前記第２の保護層の領域上に、マスク層を形成する工程と、
前記マスク層をマスクとして前記第２の保護層をパターニングし、さらに、前記第１の保護層の、前記第２の保護層が形成されている領域以外の領域の、前記磁気抵抗素子と前記第１の保護層との積層方向の厚さが、前記第１の保護層の、前記第２の保護層が形成されている領域の前記積層方向の厚さよりも薄くなるように、前記第１の保護層をエッチングする工程であって、前記第１の保護層と前記第２の保護層とを有する積層体が、凸部を有するように成形され、前記積層体のうちの前記凸部以外の部分の面直方向の厚さが、前記凸部の面直方向の厚さよりも薄くなる工程と、
前記エッチングにより露出した前記第１の保護層の部分および前記マスク層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜が堆積された前記マスク層を除去する工程と、
前記マスク層の除去により露出した前記第２の保護層の領域と接する部分がポイントコンタクト部となるように電極を形成する工程であって、前記凸部の上面と前記電極の前記ポイントコンタクト部とが電気的に接触する工程と
を有することを特徴とする発振素子の製造方法。
【請求項５】
磁化方向が変化可能な磁化自由層、
磁化方向が一方向に固定された磁化固定層、及び、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に介在したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子と、
前記磁化自由層上に接して設けられ、かつ前記磁化自由層を保護するための、単一の膜からなる保護層と、
前記保護層上に設けられ、前記保護層との間で部分的に電気的接触するポイントコンタクト部を有する電極と、
前記ポイントコンタクト部以外の前記電極と前記保護層との間に設けられた層間絶縁膜と、
を備え、
前記保護層は、前記層間絶縁膜に接している部分の面直方向の厚さが、前記ポイントコンタクト部に接している部分の面直方向の厚さよりも薄く、
前記保護層は、凸部を有するように形成されており、
前記凸部の上面と前記電極の前記ポイントコンタクト部とが電気的に接触しており、
前記保護層のうちの前記凸部以外の部分の面直方向の厚さは、前記凸部の面直方向の厚さよりも薄いことを特徴とする発振素子。
【請求項６】
前記磁化自由層の前記トンネルバリア層との界面の面積が、前記ポイントコンタクト部と前記保護層との界面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いた発振素子および発振素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果とスピン注入トルクを利用したデバイス応用が進められている。スピン注入トルクとは、強磁性体にスピン偏極電流を流すことによって伝導電子と局在電子の角運動量の交換が起こり、これによって局在磁気モーメントに生じる磁気トルクのことである。【０００３】
例えば、磁気抵抗素子を発振素子に応用するためには、磁化自由層の磁化が自励発振状態に至る必要がある。このような状態を実現するためには、直流バイアスによるスピン注入トルクによって引き起こされる磁化反転と、それを抑制する方向の有効磁場が必要となる。スピン注入トルクと有効磁場によるトルクが拮抗し、磁化自由層の磁気モーメントが定常的な歳差運動を続けるような状態（自励発振状態）になると、抵抗値が周期的に振動し磁気抵抗素子の両端に高周波信号が発生する。磁化の歳差運動は非常に高速であるため、周波数が数GHz〜数十GHzの高周波信号を得ることができる。【０００４】
このような原理で動作する発振素子を実用化するためには、１００以上の高Ｑ値と、マイクロワットオーダーの高発振出力を兼ね備えることが求められている。【０００５】
これを実現するために、非特許文献１では、磁気抵抗薄膜上に直接ナノスケールの電極を作成するポイントコンタクト構造を用いている。このポイントコンタクト構造では、磁化自由層のエッチングを行わないため、面内に形状磁気異方性を持たない、また磁化自由層に物理的又は化学的ダメージが入らないなどの特徴がある。この構造を用いることによって、最大で１８０００程度のQ値が得られており、水晶振動子を利用した発振回路と比較しても同程度のQ値を持つ安定した発振状態が得られている。【０００６】
しかし、非特許文献１では、磁気抵抗素子にＧＭＲ素子を用いているため、MR比が低く原理的にマイクロワットオーダーの高発振出力を得ることが難しいことが知られている。【０００７】
この問題を解決するために、非特許文献２にあるように、MR比の大きなTMR素子を利用することが提案されているが、高Q値と高発振出力との両立を実現できていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W. H. Rippard, et al. ”Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle”, PHYSICAL REVIEW B70, 100406(R)  (2004)
【非特許文献２】ALINAM. DEAC, et al. ”Bias-driven high-power microwave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices”, Naturephysics, 4, 803 (2008)
【発明の概要】
【０００９】
ＧＭＲ素子と異なり、絶縁物層を有するトンネル磁気抵抗素子に非特許文献１のようなポイントコンタクト構造を適用した場合、抵抗の高い絶縁物層があるため電流が散乱してしまい、磁化自由層上に配置した抵抗の低い金属保護膜中を横方向に電流が流れてしまう。つまり、磁気抵抗効果が得られる抵抗成分（トンネル電流が生じる強磁性／トンネル障壁／強磁性）に並列に寄生抵抗が挿入された形になってしまう。これによって、発振素子の電極間での抵抗値が減少し、かつ、磁気抵抗比も低下してしまう。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、磁気抵抗素子中の非磁性層に絶縁体などの高抵抗材料を用いたトンネル磁気抵抗素子において、高発振出力と高Q値の両立を実現可能な発振素子および発振素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、発振素子であって、磁化方向が変化可能な磁化自由層、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層、及び、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に介在したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子と、前記磁化自由層上に設けられ、かつ前記磁化自由層を保護するための保護層と、前記保護層上に設けられ、前記保護層との間で部分的に電気的接触するポイントコンタクト部を有する電極と、前記ポイントコンタクト部以外の前記電極と前記保護層との間に設けられた層間絶縁膜と、を備え、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層との界面の面積が、前記ポイントコンタクト部と前記保護層との界面の面積よりも大きく、前記電極のポイントコンタクト部に接している前記保護層の部分の面直方向の厚さよりも、前記層間絶縁膜に接している前記保護層の部分の面直方向の厚さが薄いことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の態様は、発振素子の製造方法であって、磁化方向が変化可能な磁化自由層、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層、及び、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に介在したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子と、前記磁化自由層上に積層され、前記磁化自由層を保護するための保護層とを有する基板を用意する工程と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層との界面の面積よりも小さな面積を有する前記保護層の領域上に、マスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして前記磁化自由層の全面上に前記保護層が存在するように前記保護層をエッチングする工程であって、前記保護層の、前記マスクが形成されている領域以外の領域の、前記磁気抵抗素子と前記保護層との積層方向の厚さが、前記保護層の前記マスクが形成されている領域の前記積層方向の厚さよりも薄くなるように、前記保護層をエッチングする工程と、前記エッチングにより露出した前記保護層の部分を少なくとも覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記マスク層を除去する工程と、前記マスク層の除去により露出した前記保護層の領域と接する部分がポイントコンタクト部となるように電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、磁化自由層のトンネルバリア層との界面の面積が、電極のポイントコンタクト部と前記保護層との界面の面積よりも大きく、電極に接している保護層の面直方向の厚さよりも、層間絶縁膜に接している保護層の面直方向の厚さを薄くする。これにより、非磁性層に例えば絶縁体などの高抵抗材料を用いた磁気抵抗素子を用いた発振素子において、非常に高いQ値を実現できるとともにマイクロワット以上の高発振出力を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波発振素子の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、第一比較例としてのマイクロ波発振素子の構造を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、第二比較例としてのマイクロ波発振素子の構造を説明する図である。
【図４】図１に示したマイクロ波発振素子の評価結果を示す図である。
【図５】図２に示した第一比較例のマイクロ波発振素子の評価結果を示す図である。
【図６】図３に示した第二比較例のマイクロ波発振素子の評価結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗薄膜の断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るマイクロ波発振素子の製造方法を説明する図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る、磁気抵抗薄膜のエッチング中に測定されたSIMSスペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るに係るマイクロ波発振素子の製造方法を説明する図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るに係るマイクロ波発振素子の製造方法を説明する図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るに係るマイクロ波発振素子の製造方法を説明する図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係るマイクロ波発振素子の製造方法を説明する図である。
【図１４】本発明の一実施形態に発振素子と、比較例の発振素子とを比較した、シフト磁界と保磁力との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明は本実施形態に限定されるものではないことは言うまでも無い。また、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１６】
図１は本発明に係るマイクロ波発振素子１０の概略断面図である。  
マイクロ波発振素子１０は、磁化方向が変化可能な磁化自由層１０３、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層１０５（ＳＡＦ１１２の一部（図７参照）であり、図１では不図示）、及び、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５との間に介在したトンネルバリア層１０４を有する磁気抵抗素子を備える。さらに、マイクロ波発振素子１０は、磁化自由層１０３上に設けられ、かつ磁化自由層１０３を保護するための保護層１０１、１０２と、保護層１０１、１０２上に設けられ、保護層との間で部分的に電気的接触をするポイントコンタクト部１４０を有する電極１５１、１５２と、電極１５１、１５２と保護層１０１、１０２との間に設けられ、かつポイントコンタクト部１４０以外の部分での電気的接触を防ぐための層間絶縁膜１５０を備えている。具体的には、マイクロ波発振素子１０では、Ｓｉ基板である基板１２０と、ＳｉＯ２層１１１と、下部電極１１０と、Ｔａ層１０９と、ＰｔＭｎ 層１０８とが順に積層されている。また、ＰｔＭｎ層１０８には、ＣｏＦｅ層１０７、Ｒｕ層１０６、及びＣｏＦｅＢからなる磁化固定層１０５を備えたＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｔｉｃ  ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｉ）層１１２が積層されている（ＣｏＦｅ層１０７、Ｒｕ層１０６、および磁化固定層１０５は、ＳＡＦ１１２の一部（図７参照）であり、図１では不図示）。さらに、ＳＡＦ１１２上には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるトンネルバリア層１０４と、ＣｏＦｅＢからなる磁化自由層１０３と、Ｔａからなる第一保護層１０２と、Ｒｕからなる第二保護層１０１と、Ｃｒからなる第一電極層１５１と、Ａｕからなる第二電極層１５２とが順に積層されている。
【００１７】
なお、本実施形態では基板１２０にＳｉを用いたが、これに限定されず、例えばセラミック基板やガラス基板、プラスチック基板、有機フィルム上など様々な基板を用いることができる。
【００１８】
磁化方向が実質的に一方向に固定された磁化固定層１０５の磁性材料は、ＣｏＦeＢに限らず、例えば、ＮｉＦe，ＣｏＦｅなどのＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの磁性材元素を含む強磁性材料を挙げることができる。図７に示すように、磁化固定層１０５の磁化方向は、反強磁性層１０８との交換結合によって固定されている。
【００１９】
磁化方向が変化可能な磁化自由層１０３の材料はＣｏＦeＢに限らず、例えば、ＮｉＦe，ＣｏＦｅなどのＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの磁性材元素を含む強磁性材料を用いることもできる。
【００２０】
本実施形態ではトンネルバリア層１０４として、高いMR比を得るため酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたが、これに限るものではなく、例えばアルミナや酸化チタン等の金属酸化物を用いることもできる。
【００２１】
また、層間絶縁膜１５０としてＳｉＯ２を用いたが、例えばＡｌ２Ｏ３やＡｌＮ、エアブリッジ等を用いることもできる。
【００２２】
本実施形態では保護層１０１、１０２を２層の積層膜で構成したが、これに限るものではなく、例えば単層の保護層や、２層以上のより多層構造を持つ保護層であっても構わない。また、保護層に用いられる材料はＴａやＲｕに限られるものではなく、導電性材料であれば何でもよい。
【００２３】
本実施形態のマイクロ波発振素子１０は、磁化自由層１０３のトンネルバリア層１０４との界面の面積が、保護層１０１と電極層１５１との接触面積（ポイントコンタクト部１４０の表面積（ポイントコンタクト部１４０と保護層１０１との界面の面積））よりも大きい、より好ましくは、２倍以上大きいことを特徴とする。これは、磁化自由層１０３の磁化を安定に歳差運動させるためであると考えられる。さらに磁化自由層１０３が層間絶縁膜１５０に直接接することがないように、少なくとも保護層１０２が磁化自由層１０３上に形成されている。
【００２４】
さらに、本実施形態のマイクロ波発振素子１０は、電極層１５１に接している部分の保護層１０１、１０２の面直方向（マイクロ波発振素子１０の積層体の積層方向）の厚さよりも、層間絶縁膜１５０に接している第一保護層１０２の部分の、該第一保護層１０２の面直方向（上記積層方向）の厚さが薄いことを特徴としている。図１では、Ｘ部分の膜厚よりも、Ｙ部分の膜厚の方が薄くなっている。すなわち、保護層１０１、１０２の積層体が凸部を有するように形成し、該凸部の頂面（上面）と電極層１５１のポイントコンタクト部１４０とが接触するようにし、上記凸部の上記積層方向の厚さを、上記保護層１０１、１０２の積層体の凸部以外の部分の上記積層方向の厚さよりも大きくする。こうすることで、第一保護層１０２の面内方向（磁化自由層１０３の上面と平行な方向）における保護層１０２の厚さＹを相対的に小さくすることができ、磁化自由層１０３と接する保護層部分である第一保護層１０２の、ポイントコンタクト部１４０と対応する領域以外の領域における、横方向の電流に対する抵抗を実質的に高めることができる。よって、金属保護層が電気的パスとして働いてしまう現象を抑制することができる。  
なお、例えば保護層１０２の一層を保護層として用いる場合は、電極層１５１に接している部分の保護層１０２の面直方向の厚さを、保護層１０２のこれ以外の部分の厚さよりも厚くすれば良いことは言うまでも無い。
【００２５】
本実施形態では、電極と保護層の接するポイントコンタクト部１４０のサイズを５０ｎｍ×１５０ｎｍとしている。但し、ポイントコンタクト部１４０のサイズは、これに限定されず、３００ｎｍ×５００ｎｍ以下であれば良く、より好ましくは１００ｎｍ×１００ｎｍ以下である。
【００２６】
図２は、本実施形態の第一比較例としてのマイクロ波発振素子２０の構造を説明する図である。  
マイクロ波発振素子２０の膜構成は基本的に図１で示した本実施形態のマイクロ波発振素子１０の膜構成と同一であり、同一部分には同一符号を付与して説明を省略する。しかしながら、図２の第一比較例のマイクロ波発振素子２０は、パターニングを施した部分以外の第二保護層１０１、第一保護層１０２、磁化自由層１０３、トンネルバリア層１０４、ＳＡＦ層（磁化固定層）１１２はドライエッチングによって除去しており、いわゆるピラー構造になっている。ピラー構造のサイズは５０ｎｍ×１５０ｎｍとしている。つまり、磁化自由層１０３のトンネルバリア層１０４との界面の面積が、保護層１０１と電極層１５１との接触面積（ポイントコンタクト部１４０の表面積）と同程度となっている。
【００２７】
図３は本実施形態の第二比較例としてのマイクロ波発振素子３０の構造を説明する図である。  
マイクロ波発振素子３０の膜構成は基本的に図１で示した本発明のマイクロ波発振素子１０の膜構成と同一であり、同一部分には同一符号を付与して説明を省略する。しかしながら、第二比較例では、電極層１５１、１５２でポイントコンタクト部を形成し、保護層１０１、１０２は、ポイントコンタクト部を構成しない構造となっている。つまり、第二比較例のマイクロ波発振素子３０は、電極層１５１に接している部分の保護層１０１の厚さと、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜に接している保護層との厚さを等しくしたものである（つまり、保護層をドライエッチングなどによって除去していない）。電極層１５１と保護層の接するサイズを５０ｎｍ×１５０ｎｍとしている。
【００２８】
まず、図４に、図１に示した本実施形態のマイクロ波発振素子１０の評価結果を示す。評価にはスペクトラムアナライザーを用い、電力密度スペクトラム（Ｐｏｗｅｒ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ｄｅｎｓｉｔｙ：ＰＤＳ）の測定を行った。測定時には適当な外部磁場をマイクロ波発振素子１０に印加する。また、マイクロ波発振素子１０の上部電極１５２と下部電極１１０とに、スピン注入トルクを引き起こすためのバイアス電流７．２ｍＡを印加する。
【００２９】
図４に示すＰＳＤ曲線を積分することによって出力電力を求めることができる。また、ＰＳＤの中心周波数（最大PSD値を示す周波数）を発振線幅で割ることによって、Ｑ値を求めることが出来る。その結果、発振出力が２．４３マイクロワット、Ｑ値として３５０が得られている。本実施形態のマイクロ波発振素子１０を用いることで、目的であったマイクロワットオーダーの発振出力と、２００以上の高Ｑ値の両立を実現することができる。
【００３０】
次に、図５に、図２に示した第一比較例のマイクロ波発振素子２０を用いて、図４で示したＰＳＤ測定と同様の測定を行った評価結果を示す。測定方法は、上述した本発明のマイクロ波発振素子１０を用いた場合と基本的に同一である。但し、符号５１は、マイクロ波発振素子２０に有効磁場５０Ｏｅを印加して測定した結果を示すスペクトルであり、符号５２は、マイクロ波発振素子２０に有効磁界を２００Ｏｅを印加して測定した結果を示すスペクトルである。第一比較例のマイクロ波発振素子２０では、発振出力が最大の場合（符号５１）、グラフより出力とＱ値を求めると、０．１３マイクロワットと比較的大きな出力が得られているが、Ｑ値は１１程度であり、高発振出力、高Ｑ値の両立は実現来ていない。また、Ｑ値１１０程度と比較的高い場合（符号５２）は、逆に、発振出力が０．０４マイクロワット程度しか得られず、同様に高発振出力と高Ｑ値との両立は実現できない。
【００３１】
次に、図６に、図３に示した第二比較例のマイクロ波発振素子３０を用いて、図４で示したのと同様の測定を行った評価結果を示す。第二比較例のマイクロ波発振素子３０では、Ｑ値は２８０程度得られているが、最大発振出力は０．０２マイクロワット程度しか得られておらず、高発振出力および高Ｑ値の両立は実現できない。
【００３２】
これらの結果から、同一の膜構成の磁気抵抗薄膜を用いても、磁化自由層１０３をドライエッチングによってエッチング処理を施した場合や、保護層１０１、１０２の除去等を行わず、電極層１５１に接している部分の保護層の厚さと、層間絶縁膜１５０に接している保護層の厚さを等しくした場合には、高発振出力と高Ｑ値の両立が難しいことが分かる。
【００３３】
次に、本発明に係るマイクロ波発振素子１０の製造方法を示す。
【００３４】
まず、図７に本実施形態のマイクロ波発振素子１０に用いられる磁気抵抗薄膜の断面図を示す。  
磁気抵抗薄膜１００は、Ｓｉからなる基板１２０と、ＳｉＯ２層１１１と、下部電極１１０と、Ｔａ(５nm)層１０９と、ＰｔＭｎ(１５nm) 層１０８、Ｃｏ70Ｆｅ30(２nm)層１０７、Ｒｕ(０．８５nm) 層１０６と、(Ｃｏ70Ｆｅ30)80Ｂ20(３nm)からなる磁化固定層１０５と、ＭｇＯ(１．１nm)からなるトンネルバリア層１０４と、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20(1.7nm)からなる磁化自由層１０３と、Ｔａ(８nm)からなる第１保護層１０２と、Ｒｕ(７nm)からなる第２保護層 １０１とを積層した構造を有する。  
符号１１２は(Ｃｏ70Ｆｅ30)80Ｂ20(３nm)層１０５、Ｒｕ(０．８５nm) 層１０６およびＣｏ70Ｆｅ30(２nm)層１０７を有する、いわゆる反強磁性的層間交換結合（ＳＡＦ）であり、Ｃｏ70Ｆｅ30(２nm)層１０７は、ＰｔＭｎ(１５nm)１０８の反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定されている。本磁気抵抗薄膜１００においては、ＳＡＦ１１２が磁化固定層として機能し、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20(1.7nm)層１０３が磁化自由層として機能する。
【００３５】
以上の磁気抵抗薄膜１００の各層をスパッタリング法を用いて作製する。あるいは、他の方法（例えば、蒸着等）で各層を形成しても良いし、図７に示すような積層体を有する基板を予め作製して作り置きしておいても良い。すなわち、図７に示す積層体を有する基板を用意する。
【００３６】
成膜された磁気抵抗薄膜１００は、真空装置内から大気中に露出したり、パターニングのために有機レジストを塗布したりするので、磁化自由層１０３は、酸化などの化学的ダメージを受けて、これが、磁気特性や磁気抵抗比の劣化の原因となる。この化学的ダメージを防止ないしは低減するため、磁化自由層１０３上に保護膜１０１、１０２が設けられている。
【００３７】
ただし、本実施形態では保護層１０２、１０１として２層の積層膜を成膜したが、これに限るものではなく、例えば単層の保護層や、２層以上のより多層構造を持つ保護層であっても構わない。また、保護層に用いられる材料はＴａやＲｕに限られるものではなく、導電性材料であれば何でもよい。
【００３８】
マイクロ波発振素子１０では、高発振出力を得るためにＭＲ比の大きな磁気抵抗薄膜を用いることが好ましい。そのため、本実施形態ではトンネルバリア層１１２に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いている。しかし、これに限るものではなく、本発明に必要な磁気抵抗素子のトンネルバリア層１１２には、例えばアルミナや酸化チタン等の金属酸化物を用いることもできる。
【００３９】
また、本実施形態におけるマイクロ波発振素子は、主にマイクロ波帯域付近で応用されるので、伝送路や他の電子部品などとインピーダンス整合ができることが好ましい。例えば、伝送系が５０Ω程度の場合、磁気抵抗素子のインピーダンスも５０Ω程度にするのが良い。
【００４０】
図８に示すように、磁気抵抗薄膜１００を作製後、磁気抵抗薄膜１００にＥＢリソグラフィーを用いて、後にポイントコンタクト部１４０となるパターン１３０を作製する。すなわち、第二保護層１０１の、ポイントコンタクト部１４０に対応する領域、すなわち、磁化自由層１０３のトンネルバリア層１０４との界面の面積よりも小さな面積を有する領域上にマスク層としてのＥＢレジスト１３０を形成する。パターンサイズは５０×１５０nmであり、レジストの厚さはおおよそ３００ｎｍである。
【００４１】
次に、このレジストパターン１３０をマスクにして、保護層１０１、１０２のドライエッチングを行う。保護層１０１、１０２の一部をエッチングし、保護層１０１、１０２の積層体の、電極層１５１、１５２のポイントコンタクト部１４０と接する領域の積層方向の厚さが、それ以外の領域の厚さよりも厚くなるように、ドライエッチングを行う。すなわち、上記保護層の積層体のＥＢレジスト１３０が形成されている領域以外の積層方向の厚さが、上記保護層の積層体のＥＢレジスト１３０が形成されている領域の積層方向の厚さよりも薄くなるように、上記保護層の積層体のドライエッチングを行う。なお、磁化自由層１０３が保護層１０１、１０２から露出しないようにする必要がある。よって、磁化自由層１０３の、保護層１０１、１０２側の表面の全面に少なくとも保護層が存在するようにエッチングする。ドライエッチングには、Ａｒイオンミリング法を用いている。この際、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて、エッチング深さの制御が行われる。  
図９は、磁気抵抗薄膜１００をエッチング中に、測定されたＳＩＭＳ(Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）スペクトルを示す。  
このように本実施形態では、２次イオン質量分析法を用いることで、第二保護層１０１から第一保護層１０２の途中まで除去した後、精確にドライエッチングを終了することができる。すなわち、図１０に示すように、保護層１０１、１０２の積層体の、ＥＢレジスト１３０が堆積されている部分（ポイントコンタクト部１４０と接する面を有する領域）を凸状に残し、該凸部以外の部分が相対的に薄くなるように、エッチングを行うことができる。
【００４２】
次に、層間絶縁膜１５０となるＳｉＯ２の成膜を行う。すなわち、エッチングにより露出した保護層１０１、１０２の面が層間絶縁膜１５０により少なくとも覆われるように、層間絶縁膜１５０を形成する。従って、第二保護層１０１からＥＢレジスト１３０を除去すると、電極層１５１、１５２のポイントコンタクト部１４０と接すべき第二保護層１０１の面のみが露出されることになる。従って、後の電極層１５１の形成の際に、第二保護層１０１の上面にて上記ポイントコンタクト部１４０が接する構成を簡単に得ることができる。  
本実施形態では、５０Ω系の伝送路とのインピーダンスマッチングを考慮し、層間絶縁層１５０の膜厚を決定している。図１１にこの状態を示す。
【００４３】
次に、図１２に示すように、磁気抵抗薄膜と上部電極とのコンタクトを作製するため、レジスト１３０およびレジスト１３０上に積層されたＳｉＯ２層１５０を、リフトオフ法によって除去する。リフトオフ法は、数十度に加熱したＮＭＰをジェット状に基板上に噴霧して行っている。
【００４４】
その後、図１３に示すように、第二保護層１０１と層間絶縁層１５０の上に、上部電極１５１、１５２をスパッタ成膜する。これにより、第二保護層１０１の上記ＥＢレジスト１３０が形成されていた領域と接する部分がポイントコンタクト部１４０となる電極１５１、１５２が形成される。本実施形態では最表面の第二保護層１０１にＲｕを用いているため、大気に晒して酸化しても、第二保護層１０１は導電性酸化物となり、電気抵抗が下がらない利点がある。導電性酸化物になる金属を保護層の最表面に用いることで、上部電極との良好な電気的コンタクトを容易に得ることができる。導電性酸化物を用いない場合には、ドライエッチングなどの方法によって保護層表面の酸化層を除去して、上部電極層を形成する等の工夫を行う必要がある。
【００４５】
まずは、第二保護層１０１上に電極１５２をスパッタ成膜し、次に、第二保護層１０１上に、上部電極１５２をスパッタ成膜する。上部電極１５２にはＡｕを用いているが、膜の密着性を向上させるために、Ｃｒからなる電極層１５１をバッファー層として挿入している。本実施形態では、上部電極としてＣｒ／Ａｕの組み合わせを用いたが、良好な電気的コンタクトが可能な材料であればこれに限るものではない。図１３に上部電極を形成した後の状態を示す。
【００４６】
このように作製したマイクロ波発振素子１０は、磁化自由層１０３にはエッチングを施していないため、磁化自由層１３０への化学的ダメージもなく、また、素子形状に起因する面内方向の形状磁気異方性も存在しない。そのため、磁化自由層１０３の上に、電流を流すためのポイントコンタクト構造を形成することで、金属保護膜が電気的パスとして働いて、横方向に電流が流れてしまう現象を抑制し、期待されるような状態を実現できると考えられる。
【００４７】
また、本実施形態の発振素子は製造においても有利である。図１４に、基板上に複数個のピラー構造を有するマイクロ波発振素子２０と、本実施形態に係るマイクロ波発振素子１０とを比較した、シフト磁界と保磁力との関係を示す。
【００４８】
比較例のピラー構造のマイクロ波発振素子２０では、シフト磁界及び保磁力のばらつきが非常に大きい。一方、本実施形態に係るポイントコンタクト構造のマイクロ波発振素子０では、シフト磁界及び保磁力のばらつきが小さい。べた膜のばらつきに近い結果が得られている。これは、本実施形態による発振素子の場合、磁化自由層に対してエッチングを行わないため、形状のばらつきや酸化などのダメージが磁化自由層に生じないためだと考えられる。つまり、磁気特性のばらつきには、製造工程で生じるパターニングのばらつきやエッチングのばらつきをほとんど含まないと言える。
【００４９】
また、本発明のマイクロ波発振素子を磁気センサーとして用いることもできる。
【００５０】
上述した実施形態では、保護層としてＴａ層とＲｕ層の２層を設けたが、これに限定されず、１層の保護層でもかまわない。同様に、電極層としてＣｒ層とＡｕ層の２層を設けたが、これに限定されず、１層の電極層でもかまわない。
【図１】
0005535316.tif 000002
【図２】
0005535316.tif 000003
【図３】
0005535316.tif 000004
【図４】
0005535316.tif 000005
【図５】
0005535316.tif 000006
【図６】
0005535316.tif 000007
【図７】
0005535316.tif 000008
【図８】
0005535316.tif 000009
【図９】
0005535316.tif 000010
【図１０】
0005535316.tif 000011
【図１１】
0005535316.tif 000012
【図１２】
0005535316.tif 000013
【図１３】
0005535316.tif 000014
【図１４】
0005535316.tif 000015