(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する薄膜磁性素子において、信号の発振周波数を所望の値に選択することを可能とする。【解決手段】  複数のナノコンタクトホールを有する電流狭窄層と、第１の強磁性層と、第２の強磁性層とが積層された薄膜磁性素子であって、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に非磁性層とを有し、前記電流狭窄層と前記非磁性層との間に前記第１の強磁性層を有し、前記電流狭窄層と前記第１の強磁性層の間、または前記電流狭窄層に対して前記第１の強磁性層と反対側に配置される非磁性導電領域とを備え、前記非磁性導電領域の、前記第１の強磁性層に対向する対向面の面積Ｓｅと、前記第１の強磁性層の、積層方向に垂直な断面のうち最小の面積をもつ最小断面の面積Ｓｆが、Ｓｆ＞Ｓｅの関係を満たしている特徴とする薄膜磁性素子。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のナノコンタクトホールを有する電流狭窄層と、第１の強磁性層と、第２の強磁性層とが積層された薄膜磁性素子であって、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に非磁性層とを有し、
前記電流狭窄層と前記非磁性層との間に前記第１の強磁性層を有し、
前記電流狭窄層と前記第１の強磁性層の間、または前記電流狭窄層に対して前記第１の強磁性層と反対側に配置される非磁性導電領域とを備え、
前記非磁性導電領域の、前記第１の強磁性層に対向する対向面の面積Ｓｅと、前記第１の強磁性層の、積層方向に垂直な断面のうち最小の面積をもつ最小断面の面積Ｓｆが、Ｓｆ＞Ｓｅの関係を満たしている特徴とする薄膜磁性素子。
【請求項２】
前記第１の強磁性層の周縁部が、前記対向面を前記第１の強磁性層の前記対向面側の界面上に投影した第１の投影面に対して環状に露出するように前記非磁性導電領域が配置されていることを特徴とする請求項１に記載された薄膜磁性素子。
【請求項３】
前記対向面を前記最小断面上に投影した第２の投影面が、前記最小断面に内包されることを特徴とする請求項２に記載の薄膜磁性素子。
【請求項４】
前記第２の投影面の端部から前記最小断面の端部までの距離の最小値ｌｅｏと、前記対向面から前記第１の強磁性層の前記非磁性層側の界面までの厚さから前記電流狭窄層の膜厚を除いた厚さｄｆが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載された薄膜磁性素子。
【請求項５】
前記非磁性導電領域を複数有しており、最近接する前記非磁性導電領域間の最短距離ｌｅｉがｌｅｉ/２＞ｄｆの関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載された薄膜磁性素子。
【請求項６】
互いに隣接している前記ナノコンタクトホールの、それぞれの中心間の平均距離ｄｎｃが、ｄｎｃ/２＞ｄｆの関係を満たしていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された薄膜磁性素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の薄膜磁性素子を備えた高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無配線信号伝達、通信用新機能素子などに応用される薄膜磁性素子およびそれを備えた高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日までのエレクトロニクスの発展は、キャリアの電荷を用いた様々な半導体デバイスによってもたらされてきた。しかし近年、キャリアの電荷に加えてスピンも同時に利用するスピントロニクス(ｓｐｉｎ＋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ)という分野が注目されている。スピントロニクスでは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用した磁気抵抗効果素子の急速な発達によって、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）といった形態で、産業に大きく貢献してきた。
【０００３】
磁気抵抗効果素子では、強磁性体のスピン偏極した電子が反平行に磁化した強磁性体に輸送されることで、強磁性体のスピンに歳差運動が起こり、スピン反転することが知られている。ここでスピンが反転する向きに磁場を加え、スピン偏極した電流と外部磁場に由来する２つのトルクを拮抗させたとき、スピンの歳差運動の周期に応じた発振現象が生じる。これらの現象を利用した、高周波の発振、検波、ミキサー、フィルターといったデバイスとしての産業利用が提案されている。
【０００４】
磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する素子（以下、薄膜磁性素子）は、半導体で構成される高周波特性を利用する素子と比較し、小型化や伝送回路とのインピーダンスマッチングや周波数特性の可変性の点で有利とされ、実用化に向け、高出力化の研究が進められている。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８１７５６号公報
【特許文献２】特開２０１０―８７２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、磁化自由層および磁化固定層の垂直磁気異方性を制御し、磁性発振素子にかかる外部磁場を調節することで、発振の周波数を変化させることを可能としている。
【０００７】
特許文献２では、強磁性の一軸磁気異方性を利用し、外部磁場の方向を変えることで信号の周波数や振幅を変化させることのできる薄膜磁性素子が記載されている。
【０００８】
特許文献１、２では、磁性発振素子の発振特性を外部磁場の制御によって最適化している。しかしながら、外部磁場による制御には漏れ磁場の影響などといった課題が残る。
【０００９】
素子加工によるエッチングの際、原子の衝撃によって素子の加工端部において変質が発生する。磁化自由層の端部とエッチングの影響を受けにくい中央部ではスピンが異なる歳差運動を行い、それぞれ別の周波数帯をもった信号を発振することが知られているため、強磁性層の設計に対して、磁化自由層の中央部と端部の異なる周波数帯を組み合わせることにより、発振周波数を変化させることができる。
【００１０】
そこで本発明では、狭小に加工した非磁性導電領域と複数のナノコンタクトホールを有する電流狭窄層を組み合わせた構造を用いることで、強磁性に流れる電流の領域を調節し、発振周波数を選択することが可能となる薄膜磁性素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の第１の態様に係る薄膜磁性素子は、複数のナノコンタクトホールを有する電流狭窄層と、第１の強磁性層と、第２の強磁性層とが積層された薄膜磁性素子であって、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に非磁性層とを有し、前記電流狭窄層と前記非磁性層との間に前記第１の強磁性層を有し、前記電流狭窄層と前記第１の強磁性層の間、または、前記電流狭窄層に対して前記第１の強磁性層と反対側に配置される非磁性導電領域とを備え、前記非磁性導電領域の、前記第１の強磁性層に対向する対向面の面積Ｓｅと、前記第１の強磁性層の積層方向に垂直な断面のうち、最小の面積をもつ最小断面の面積Ｓｆが、Ｓｆ＞Ｓｅの関係を満たしていることを第１の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００１２】
この第１の態様に係る薄膜磁性素子によれば、ＳｅがＳｆより小さいため、第１の強磁性層内に流れる電流領域を、Ｓｅに対応した範囲に規定できる。第１の強磁性層の端部では加工による変質が発生し、飽和磁化Ｍｓが低下する。飽和磁化Ｍｓの低下により、発振周波数の低下が起こり、第１の強磁性層の中央部と端部では発振の周波数が異なる。従って、Ｓｅの領域における第１強磁性層の端部と中央部の比率を変化させることにより、信号の発振周波数を選択する事が可能となる。
【００１３】
また、非磁性導電領域に電流狭窄層を組み合わせることで、第１の強磁性層を流れる電流の拡散を低減させることが可能となり、Ｓｅに対応した範囲の電流を精度良く第１の強磁性層に流すことが可能となる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る薄膜磁性素子は、第１の態様に係る前記第１の強磁性層の周縁部が、前記対向面を前記第１の強磁性層の前記対向面側の界面上に投影した第１の投影面に対して、環状に露出するように前記非磁性導電領域が配置されていることを第２の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００１５】
本発明における露出とは外気に晒されているということではなく、積層方向から第１の投影面を、第１の投影面から上部の層を透過して眺めたとき、前記第１の強磁性層の周辺部が環状に確認できる状態を指している。
【００１６】
この第２の態様に係る薄膜磁性素子によれば、非磁性導電領域が第１の強磁性層の周縁部を環状に露出させるように配置されているため、第１の強磁性層の端部を通過する電流量の割合は小さくなる。その結果、信号の発振周波数を高くすることが可能となる。
【００１７】
本発明の第３の態様に係る薄膜磁性素子は、前記対向面を前記最小断面上に投影した第２の投影面が、前記最小断面に内包されることを第３の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００１８】
この第３の態様に係る薄膜磁性素子によれば、非磁性導電領域が前記最小断面の周縁部を環状に露出させるように配置されているため、電流は第１の強磁性層内のより中央部に対応した領域を通過する。第１の強磁性層の端部を通過する電流量の割合がより小さくなるため、信号の発振周波数をより高くすることが可能となる。
【００１９】
本発明の第４の態様に係る薄膜磁性素子は、前記第２の投影面の端部から前記最小断面の端部までの距離の最小値ｌｅｏと、前記対向面から前記第１の強磁性層の前記非磁性層側の界面までの厚さから前記電流狭窄層の膜厚を除いた厚さｄｆが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことを第４の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００２０】
この第４の態様に係る薄膜磁性素子によれば、前記非磁性導電領域Ｓｅを規定する領域により狭窄される電子の流れは、前記第１の強磁性層のＳｅの面積に対応した領域を通過する。ｄｆがｌｅｏよりも小さく規定されていることによって、前記非磁性導電領域から前記第１の強磁性層に通過する電子の流れは、前記第１の強磁性層の加工端部の領域まで拡散されずに通過するため、信号の発振周波数はさらに高くなる。
【００２１】
本発明の第５の態様に係る薄膜磁性素子は、前記非磁性導電領域を複数有しており、最近接する前記非磁性導電領域間の最短距離ｌｅｉがｌｅｉ/２＞ｄｆの関係を満たすことを第５の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００２２】
この第５の態様に係る薄膜磁性素子によれば、各非磁性導電領域がｌｅｉ/２＞ｄｆを満たすことによって、各非磁性導電領域により狭窄された電子の流れが拡散により合成されることなく、第１の強磁性層の中央部を通過する。狭窄された電流により発生した信号がフェイズロックを起こすことで、信号の発振周波数帯を狭め、かつ信号を高出力化させることが可能となる。
【００２３】
本発明の第６の態様に係る薄膜磁性素子は、互いに隣接している前記ナノコンタクトホールの、それぞれの中心間の平均距離ｄｎｃが、ｄｎｃ/２＞ｄｆの関係を満たしていることを第６の特徴とする薄膜磁性素子である。
【００２４】
この第６の態様に係る薄膜磁性素子によれば、ｄｎｃ/２＞ｄｆの関係を満たしていることで、ナノコンタクトホールにより狭窄された電子の流れが第１の強磁性層に流れる際、拡散により合成されることなく、電流密度の向上およびフェイズロックの発生により、信号の発振周波数帯を狭め、信号をさらに高出力化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する薄膜磁性素子において、外部磁場を用いずに狭小に加工した非磁性導電領域と複数のナノコンタクトホールを有する電流狭窄層を組み合わせた構造を用いることにより、発振周波数の選択が可能な素子構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態１に係る、薄膜磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る、薄膜磁性素子の詳細積層構成を示す断面図および、非磁性導電領域の第１の強磁性に対向する対向面を、第１の強磁性層の界面上に投影した第１の投影面を表した図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る、薄膜磁性素子の詳細積層構成を示す断面図および、非磁性導電領域の第１の強磁性に対向する対向面を、第１の強磁性層の積層方向に垂直な断面のうち最小の面積をもつ最小断面上に投影した第２の投影面を表した図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る、薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態４に係る、薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態５に係る、薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態６に係る、薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態７に係る、無配線信号伝達に用いられる発振装置を示す図である。
【図９】比較例１の薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図１０】比較例２の薄膜磁性素子の積層構造概略を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態１に係る、第１の強磁性層と非磁性導電領域の、それぞれの積層方向に垂直な面の中心軸の間の距離Ｘと発振周波数の関係を示す図である。
【図１２】ｌｅｏ／ｄｆと信号の発振周波数の関係を示す図である。
【図１３】（ｌｅｉ／２）／ｄｆと信号の発振出力の関係を示す図である。
【図１４】（ｄｎｃ／２）／ｄｆと信号の発振出力の関係を示す図である。
【図１５】比較例２〜６に係る、第１の強磁性層と非磁性導電領域の、それぞれの積層方向に垂直な面の中心軸の間の距離Ｘと発振周波数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明における好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００２８】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る、薄膜磁性素子１の詳細積層構造を示す断面図である。実施形態１の薄膜磁性素子１は、第２の強磁性層２、非磁性層３、第１の強磁性層４、複数のナノコンタクトホール５を含む電流狭窄層６、非磁性導電領域７がこの順に配置されており、各層の周縁部を囲むように絶縁体８が配置されている。
【００２９】
なお本発明においては、薄膜磁性素子１の積層構造は実施形態１の限りではなく、積層の順序を逆にしてもよく、本発明の効果が得られる場合において各層の間に薄い層を配置してもよい。
【００３０】
非磁性導電領域７は電極としての役割を有しており、第２の強磁性層２から電流狭窄層６を挟持するように非磁性導電領域７と対をなす位置に、下部電極９が配置されている。一対の電極に電流を流した場合、素子を構成する各層の面と交差する方向、例えば、薄膜磁性素子１を構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に通過する構造となる。
【００３１】
前記一対の電極は、例えばスパッタリング装置によって作製され、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕもしくは前記のいずれか２つ以上の膜で構成されており、膜厚は５ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。
【００３２】
第２の強磁性層２、非磁性層３、第１の強磁性層４の各層は、例えばスパッタリング装置を用いて成膜する。スパッタリング装置としては、複数の物理蒸着(ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)チャンバ、酸化チャンバとを有する装置が好ましい。複数のＰＶＤチャンバのうちの少なくとも一つは同時スパッタリングが可能であることが好ましい。スパッタ成膜は、例えば、Ａｒスパッタガスを用いて金属または合金からなるターゲットをスパッタして、超高真空下で基板上に成膜することにより行う。このとき、Ａｒガスの流量は１〜３００ｓｃｃｍ、基板とターゲット間の印加電力は５０〜５００Ｗ、真空度は５．０×１０−６Ｐａ以下であることが好ましい。
【００３３】
下部電極層９と第２の強磁性層２との間に下部電極層９のラフネスを改善するためのバッファ層や、下部電極の結晶性を遮断することにより、第２の強磁性層の配向・粒径を制御する機能を持たせたシード層を配置しても良い。バッファ層およびシード層の材料は、例えばＴａとＮｉＣｒとの膜や、ＴａとＲｕとの膜が好ましい。バッファ層およびシード層の各膜厚は、例えば２〜６ｎｍ程度とすることが好ましい。いずれも膜厚が小さすぎると所望の効果が得られず、大きすぎると磁気抵抗効果に寄与しない寄生抵抗が増加してしまう。
【００３４】
第２の強磁性層２は、交換結合によって一方向磁気異方性を付与させた強磁性層を配置させることを目的とする。好適な形態として、図示しない反強磁性層、アウター層、非磁性中間層およびインナー層が順次積層された構成、すなわちシンセティックピンド層を構成している。
【００３５】
インナー層およびアウター層は、例えば、ＣｏやＦｅを含む強磁性材料からなる強磁性層を有して構成される。インナー層とアウター層は、非磁性中間層によって反強磁性的に結合し、互いの磁化の方向が逆方向になるように固定されている。
【００３６】
インナー層およびアウター層は、例えば、ＣｏＦｅ合金、組成の異なるＣｏＦｅ合金の積層構造、およびＣｏＦｅＢ合金とＣｏＦｅ合金との積層構造とすることが好ましい。インナー層の膜厚は２〜１０ｎｍ、アウター層の膜厚は１〜７ｎｍ程度とすることが好ましい。インナー層には、ホイスラー合金を含んでいても良い。
【００３７】
非磁性中間層は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｃｕのグループから選ばれた少なくとも１種を含む非磁性材料から構成される。非磁性中間層の膜厚は、例えば０．３５ｎｍ〜１．０ｎｍ程度とされる。非磁性中間層は、インナー層の磁化とアウター層の磁化とを互いに逆方向に固定するために設けられており、膜厚が大きすぎると、非磁性中間層を介したインナー層とアウター層の磁気結合が弱くなる。「磁化が互いに逆方向」というのは、これらの２つの磁化が互いに１８０°異なる場合のみに狭く限定解釈されることなく、１８０°±２０°異なる場合をも含む広い概念である。
【００３８】
反強磁性層の材料は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｉｒ、ＣｒおよびＦｅのグループの中から選ばれた少なくとも１種からなる元素と、Ｍｎとを含む反強磁性材料から構成される。Ｍｎの含有量は３５〜９５ａｔ％とすることが好ましい。
【００３９】
また、反強磁性層の代わりにハード磁性層を配置してもよい。ハード磁性層材料としては、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ等が好ましい。
【００４０】
非磁性層３は、第１の強磁性層４と第２の強磁性層２の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得るための役割を有しており、絶縁体でも金属でもよく、絶縁体であればＡｌ２Ｏ３、単結晶ＭｇＯx（００１）が好ましく、膜厚は０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが望ましい。
【００４１】
また非磁性絶縁体中に、導体によって構成される導電領域を含む層を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）によって構成される非磁性絶縁体に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇなどの導体によって構成される導電領域を含む構造とすることが好ましい。絶縁体および導電領域の膜厚は、０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４２】
第１の強磁性層４は、外部磁界もしくはスピン偏極電流によって磁化の向きが変化する、第２の強磁性層２より保磁力の小さい層である。膜面内方向に磁化容易軸を有する材料を選定する場合、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１〜１５ｎｍ程度の膜により構成される。前記膜に、磁歪調整層として例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ１〜９ｎｍ程度の軟磁性膜を付加してもよい。
【００４３】
第１の強磁性層４は、膜面法線方向に磁化容易軸を有する材料を選定する場合、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ／非磁性層積層膜、ＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金、ＴｂＦｅＣｏ合金、ホイスラー合金により構成される。
【００４４】
また、第１の強磁性層４と非磁性層３との間に、高スピン分極材料を挿入しても良い。これによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。高スピン分極材料としては、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金が挙げられる。ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、いずれの膜厚も０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００４５】
また、第１の強磁性層４の成膜時に膜面垂直方向に一定磁界を印加することにより誘導磁気異方性を導入しても良い。
【００４６】
電流狭窄層６は、複数のナノコンタクトホール５と絶縁体１０によって構成されており、電流による電子の流れをナノコンタクトホール５に狭窄させることで電流密度の大きい電流を第１の強磁性層４に流し、信号を高出力化させる役割を有している。ナノコンタクトホール５の材料としてはＡｌ、Ｃｕなどに代表される非磁性の導電材料、絶縁体の材料としてはＡｌ２Ｏ３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２などが望ましい。
【００４７】
絶縁体１０に酸化物を用いる場合、非磁性金属を成膜後、自然酸化あるいはＩｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ−Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＩＡＯ）処理によって酸化させてもよい。自然酸化は例えば、ＩＢＤ装置内で非磁性金属を成膜後、ＩＢＤ装置内に酸素ガスを流すことにより行う。ＩＡＯ処理は例えば、ＩＢＤ装置内に酸素ガスあるいは酸素イオンを非磁性金属に照射すると同時に低エネルギーのＡｒイオンを非磁性金属に照射することにより行う。自然酸化の場合、酸素流量１〜１０ｓｃｃｍもしくは酸素分圧１．０×１０-３Ｐａ〜５．０×１０-１Ｐａ条件下で５ｓｅｃ〜２００ｓｅｃ放置することが望ましい。ＩＡＯ処理の場合、酸素流量１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ、処理時間を５ｓｅｃ〜１００ｓｅｃとすることが望ましい。
【００４８】
ナノコンタクトホール５は、電流狭窄層６の積層方向に接する層を構成している非磁性の導体を利用することが望ましい。
【００４９】
ナノコンタクトホール５の直径は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましく、ナノコンタクトホール５の間隔は１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが望ましい。
【００５０】
非磁性導電領域７は、第１の強磁性層４の所望の領域に電流を流す役割を有している。
非磁性導電領域７の材料は非磁性かつ導電性を有したものであればよく、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなどを用いることができる。非磁性導電領域７の厚みは、１〜２０ｎｍとすることが望ましい。
【００５１】
非磁性導電領域７の成膜後、磁化固着のために磁場中熱処理を行う。磁場中熱処理は、真空度１．０×１０−３Ｐａ以下のもと、温度は２５０℃〜３００℃、時間は１時間〜５時間、印加磁界は３ｋＯｅ〜１０ｋＯｅで行うことが好ましい。
【００５２】
磁場中熱処理後、非磁性導電領域７、電流狭窄層６、第１の強磁性層４、非磁性層３、第２の強磁性層２を所望の形状にするため、第１のレジストパターニング、イオンビームエッチングを実施し、除去された領域にスパッタリング装置などにより絶縁体８を配置する。絶縁体８の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などが望ましい
【００５３】
第１のイオンビームエッチングにより、Ｓｆに対応する最終形状が規定される。
【００５４】
次に、第２のレジストパターニング、イオンビームエッチングにより、非磁性導電領域７を所望の形状にした後、除去された領域にスパッタリング装置などにより絶縁体８を配置する。絶縁体８の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などが望ましい。
【００５５】
第２のイオンビームエッチングにより、Ｓｅに対応する最終形状が規定される。
【００５６】
非磁性導電領域７および第１の強磁性層４の積層方向に対して垂直な面の形状は、特に限定されず円でも楕円でも、多角形でもよい。
【００５７】
ＳｅはＳｆより小さく規定されている。第１の強磁性層４の端部と中央部では発振する信号の周波数帯が異なるため、Ｓｅの領域における第１強磁性層４の端部と中央部の比率を変化させることにより、発振する信号の周波数帯を制御することができる。
【００５８】
本発明の第１の実施の形態は、２回のフォトレジストパターニング、イオンビームエッチングにより、非磁性導電領域７から第２の強磁性層２までの形状を規定しているが、本発明ではそれに限定されない。ＳｅがＳｆより小さくなる関係を満たす限り、フォトレジストパターニング、およびイオンビームエッチングのいずれか、もしくは双方を３回以上実施することにより非磁性導電領域７から第２の強磁性層２の形状を規定しても、同様の効果が得られる。
【００５９】
なお、薄膜磁性素子に対する電流の流れは下部電極９から非磁性導電領域７に限定するものではなく、逆方向に流した場合でも効果は得られる。
【００６０】
（実施形態２）
図２は実施形態２による薄膜磁性素子１の詳細積層構造を示す断面図および非磁性導電領域７の、第１の強磁性４に対向する対向面１０を第１の強磁性層４の界面上に投影した第１の投影面１１を示した図である。図１に示す実施形態１に係る薄膜磁性素子１との異なる点は、第１の強磁性層４の積層方向に垂直な断面の断面積が均一でない点である。それ以外の点は実施形態１に係る薄膜磁性素子１と同様であり、発振特性を変化させる効果、および発現原理も同様である。
【００６１】
第１の強磁性層４の周縁部が、第１の投影面１１に対して環状に露出するように非磁性導電領域７を配置する場合、電流は第１の強磁性層４の中央部に対応した領域を通過する。これにより、第１の強磁性層４の端部を通過する電流量の割合が小さくなり、発振する信号の周波数帯を狭め、信号を高出力化することが可能である。
【００６２】
また、図３は実施形態２による薄膜磁性素子１の詳細断面図および、非磁性導電領域７の第１の強磁性４に対向する対向面１０を、第１の強磁性層４の積層方向に垂直な断面のうち最小の面積をもつ最小断面１３上に投影した第２の投影面１２を表した図である。
【００６３】
対向面１０を第１の強磁性層４の積層方向に垂直な最小断面１３に投影した第２の投影面１２が、最小断面１３に内包される場合、最小断面１３の周縁部が環状に露出するように非磁性導電領域７は配置されているため、電流は第１の強磁性層４のより中央部に対応した領域を通過する。これにより、第１の強磁性層４の端部を通過する電流量の割合が小さくなり、発振する信号の周波数帯をさらに狭め、信号を高出力化することが可能である。
【００６４】
また、第２の投影面１２の端部から最小断面１３の端部までの距離の最小値ｌｅｏと、対向面１０から第１の強磁性層４の非磁性層３側の界面までの厚さに対して、電流狭窄層６の膜厚を除いた厚さｄｆが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすように規定されている場合、非磁性導電領域７から第１の強磁性層４に流れる電子の流れが、第１の強磁性層４の加工端部の領域まで拡散されることなく通過するため、発振周波数帯をさらに狭め、信号をより高出力化することも可能である。
【００６５】
（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３に係る薄膜磁性素子１の詳細積層構成を示す断面図である。実施形態３に係る薄膜磁性素子１は、第２の強磁性層２、非磁性層３、第１の強磁性層４、非磁性導電領域７、複数のナノコンタクトホール５を含む電流狭窄層６がこの順に配置されている。
【００６６】
それ以外の点は図１に示す実施形態１に係る薄膜磁性素子１と同様であり、発振周波数を変化させる効果、および発現原理も同様である。
【００６７】
実施形態３では対向面１０から第１の強磁性層４の非磁性層３側の界面までの間に電流狭窄層６が存在しないため、ｄｆに対して電流狭窄層６の膜厚の差引は不要である。
【００６８】
（実施形態４）
図５は本発明の実施形態４に係る薄膜磁性素子１の詳細積層構成を示す断面図である。図１に示す実施形態１に係る薄膜磁性素子１との異なる点は、非磁性導電領域７が電流狭窄層６の端部に接するように配置されている点である。
【００６９】
その他の点は実施形態１に係る薄膜磁性素子１と同様であり、発現原理も同様である。
【００７０】
薄膜磁性素子１を流れる電流の大部分は、第１強磁性層４の端部を通過する。第１の強磁性層４の端部はイオンミリングによる変質を受けており、飽和磁化Ｍｓが低下しているため、信号の発振周波数を実施形態１に対して低くすることが可能となる。
【００７１】
（実施形態５）
図６は本発明の実施形態５に係る薄膜磁性素子１の詳細積層構成を示す断面図である。図１に示す実施形態１に係る薄膜磁性素子１との異なる点は、薄膜磁性素子の断面を見た際に、第２の強磁性層２から電流狭窄層６までの形状が略台形になっている点である。その他の点は実施形態１に係る薄膜磁性素子１と同様であり、発振原理も同様である。
【００７２】
（実施形態６）
図７は本発明の実施形態６に係る薄膜磁性素子１の詳細積層構成を示す断面図である。図１に示す実施形態１に係る薄膜磁性素子１との異なる点は、非磁性導電領域７を複数有しているという点である。非磁性導電領域７において狭窄された電子の流れによる信号がフェイズロックを起こすことにより、信号の発振周波数帯を狭め、かつ高出力化させることが可能である。
【００７３】
また、最近接する非磁性導電領域７の間の最短距離ｌｅｉが、ｌｅｉ/２＞ｄｆの関係を満たす場合、狭窄された電子の流れは合流せず、電流密度が向上し、さらに信号を高出力化させることが可能であるため、より好ましい。
（実施形態７）
【００７４】
図８は本発明の実施形態１に係る薄膜磁性素子１であって、無配線信号伝達に用いられる発振装置１４である。発振装置１４には、薄膜磁性素子１と磁場印加機構１５を含んだ信号発生部１６、電源部１７と信号増幅部１８を有している。電源部１７の出力を制御することで、薄膜磁性素子１に印加する電流、磁場印加機構１５にかける電流を各々制御できる。電源部１７による印加電流により発振する薄膜磁性素子１からの信号は、信号増幅部１６により所望の出力に増幅し、信号伝達に使用される。
【実施例】
【００７５】
次に、実施例を挙げて本発明の実施の形態を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
上記本発明の第１の実施の形態において説明した薄膜磁性素子１を作製した。熱酸化Ｓｉ基板上に、下部電極９としてＣｕ(１００ｎｍ)を、スパッタリング装置を用いて成膜した。その後、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングによりＣＰＷ形状に形成した。
【００７７】
次に、スパッタリング装置およびＩＢＤ装置を用いてバッファ層、シード層、第２の強磁性層２、非磁性層３、第１の強磁性層４、電流狭窄層６、非磁性導電領域７、キャップ層をこの順に成膜した。各層の膜構成は、バッファ層をＴａ(２ｎｍ)、シード層をＲｕ(２ｎｍ)、第２の強磁性層２をＩｒＭｎ(７ｎｍ)/９０ＣｏＦｅ２.４(ｎｍ)、非磁性層３をＭｇＯ(１.５ｎｍ)、第１の強磁性層４を９０ＣｏＦｅ(１０ｎｍ)、電流狭窄層６をＡｌ(１.５ｎｍ)/ＩＡＯ処理(Ａｒガス１０ｓｃｃｍ、２０ｓｅｃ)、非磁性導電領域７をＣｕ(１００ｎｍ)、キャップ層をＲｕ(２ｎｍ)とした。
【００７８】
次に、第１のフォトリソグラフィーおよびイオンミリングを行い、キャップ層からバッファ層までの各層の大きさをφ３００ｎｍの円形にパターニングした。続いて、スパッタ法、リフトオフにより絶縁体８を形成した。絶縁体８にはＡｌ２Ｏ３を用いた。
【００７９】
次に、第２のフォトリソグラフィーおよびイオンミリングを行い、キャップ層から非磁性導電領域７までの各層をφ１００ｎｍの円形にパターニングした。円形の中心軸と、第１の強磁性層４の中心軸が一致するように作製した。
【００８０】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ法およびリフトオフ法により上部電極層を形成した。上部電極層はＣｕ（２０ｎｍ）とした。
【００８１】
以上の手法で作製した薄膜磁性素子１に対して、電流量及び外部磁場の大きさ、磁場印加方向を選択しながら、発振出力の測定を行った。
【００８２】
薄膜磁性素子１に印加する電流を３ｍＡに設定し、スペアナのＲＢＷ（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｂａｎｄ Ｗｉｄｔｈ）は３ＭＨｚとして発振出力を測定した。その結果、得られた最大のピークに対して、ＲＢＷおよび半値全福を考慮して発振出力を計算した結果、発振出力は１１０［ｎＷ］となった。
【００８３】
（実施例２〜６）
上記本発明の第１の実施の形態において説明した薄膜磁性素子１を、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、および実施例６として作製した。図１に示されているように、第１の強磁性層４の積層方向に垂直な面の中心軸を基点とし、非磁性導電領域７における積層方向に垂直な面の中心軸までの距離Ｘを変化させた点を除いて、いずれも実施例１と同様の構成とした。作成した素子に対して発振出力を測定した。距離Ｘ、発振出力の結果を表１に示す。
【００８４】
【表１】
2015201515.tif 000003
【００８５】
（実施例７〜１１）
上記本発明の第１の実施の形態において説明した薄膜磁性素子１を、実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０、および、実施例１１として作製した。実施例１と一部異なり、ｄｆを変化させる目的で電流狭窄層６と第１の強磁性層４の間に非磁性の導電層を配置した。非磁性の導電層をＣｕとし、膜厚を幾つかの条件に設定した。作成した素子に対して発振出力を測定した。ｄｆ、ｌｅｏ／ｄｆ、および発振出力の結果を表２に示す。
【００８６】
【表２】
2015201515.tif 000004
【００８７】
（実施例１２〜１６）
上記本発明の第６の実施の形態において説明した薄膜磁性素子１を、実施例１２、実施例１３、実施例１４、実施例１５、および、実施例１６として作製した。作製方法は実施例１と一部異なり、ｄｆを変化させる目的で電流狭窄層６と第１の強磁性層４の間に非磁性の導電層を配置した点と、第２のフォトリソグラフィーにおいて、２つの非磁性導電領域７をパターニングした点である。
【００８８】
非磁性の導電層の材料はＣｕとし、膜厚を幾つかの条件に設定した。また、２つの非磁性導電領域７のそれぞれのサイズをφ８０ｎｍとし、非磁性領域間の最短距離を４０ｎｍとなるようにした。なお、いずれの非磁性導電領域７も、ｌｅｏ＞ｄｆを満たすようにパターニングしている。続いて、スパッタ法、リフトオフ法により絶縁体８を形成した。絶縁体８にはＡｌ２Ｏ３を用いた。
【００８９】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ法およびリフトオフ法により上部電極層を形成した。上部電極層はＣｕ（２０ｎｍ）とした。
【００９０】
以上の手法で作製した薄膜磁性素子１に対して、発振出力を測定した。ｄｆ、（ｌｅｉ／２）／ｄｆ、および発振出力の結果を表３に示す。
【００９１】
【表３】
2015201515.tif 000005
【００９２】
（実施例１７〜２１）
上記本発明の第１の実施の形態において説明した薄膜磁性素子１を、実施例１７、実施例１８、実施例１９、実施例２０、および、実施例２１として作製した。作製方法は実施例１と一部異なり、ナノコンタクトホール５の個数、最近接するナノコンタクトホール５の間の平均距離を変化させる目的で、電流狭窄層６の作製におけるＩＡＯの処理時間を変化させた。
【００９３】
ナノコンタクトホール５の個数の計測は、ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ−ＡＦＭ（以下ｃ−ＡＦＭ）により行う。ナノコンタクトホール５と絶縁層８では流れる電流量が異なるため、導電プローブを電流狭窄層６まで作製した試料表面に接触させ、導通している部分の領域をナノコンタクトホール５とみなし、その領域の個数をナノコンタクトホール５の個数とし、最近接するナノコンタクトホール５間の平均距離を求めている。なお、計測は、試料表面の酸化を防ぐため、電流狭窄層６の形成後は高真空の環境を維持した状態でｃ−ＡＦＭ測定を行うことが望ましい。
【００９４】
次に、非磁性導電領域７を形成し、第１のフォトリソグラフィー、イオンミリングにより、電流狭窄層６から下部の形状をφ３００ｎｍで規定し、第２のフォトリソグラフィー、イオンミリングにより、非磁性導電領域７の形状をφ１００ｎｍで規定した。削除した領域においてはスパッタ法、リフトオフ法により絶縁体８を形成した。絶縁体８にはＡｌ２Ｏ３を用いた。
【００９５】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ法およびリフトオフ法により上部電極層を形成した。上部電極層はＣｕ（２０ｎｍ）とした。
【００９６】
以上の手法で作製した薄膜磁性素子１に対して、発振出力を測定した。ｄｎｃ、（ｄｎｃ／２）／ｄｆ、および、発振出力の結果を表４に示す。
【００９７】
【表４】
2015201515.tif 000006
【００９８】
（比較例１）
図９に示す薄膜磁性素子１を比較例１として作製した。Ｓｅの面積をＳｆの面積と等しくさせた以外は、実施例１と同様の構成とした。作成した素子に対して発振周波数を測定した。その結果、発振周波数は４．８ＧＨｚとなった。
【００９９】
（比較例２〜６）
図１０に示す薄膜磁性素子１を比較例２、比較例３、比較例４、比較例５、および、比較例６として作製した。図１に示されているように、第１の強磁性層４の積層方向に垂直な面の中心軸を基点とし、非磁性導電領域７における積層方向に垂直な面の中心軸までの距離Ｘを変化させた点、および電流狭窄層６を作製していない点を除いて、実施例１と同様の構成とした。作成した素子に対して発振出力を測定した。作成した素子に対して発振出力を測定した。距離Ｘ、発振出力の結果を表５に示す。
【０１００】
【表５】
2015201515.tif 000007
【０１０１】
図１１は実施例１〜６の発振出力の測定結果に対して、出力された信号の発振周波数と、距離Ｘの関係を示している。
【０１０２】
Ｘが０ｎｍ〜７５ｎｍの範囲では、発振周波数はあまり変化せず、７５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で低下していることがわかる。
【０１０３】
第１の強磁性層の端部ではイオンミリングの加工によって変質が生じ、飽和磁化Ｍｓが低下する。飽和磁化Ｍｓの低下により発振周波数が低下することから、第１の強磁性層の中央部と端部では発振の周波数が異なっている。従って、Ｓｅの領域における第１強磁性層の端部と中央部の比率を変化させたことで、信号の周波数帯が変化したと考えられる。
【０１０４】
今回、Ｘが７５ｎｍより小さい領域では、非磁性導電領域７により狭窄された電子の流れが第１の強磁性層４の端部の領域を通過しておらず、発振周波数が大きく変化しなかったと考えられる。Ｘが７５ｎｍより大きい領域では、電流の拡散により第１の強磁性層４の端部の領域を通過する電流量の割合が増加し、次第に発振周波数が低くなったと考えられる。
【０１０５】
図１２は実施例７〜１１の発振出力の測定結果に対して、ｌｅｏ／ｄｆと信号の発振出力との関係を示している。
【０１０６】
図１２より、ｌｅｏ＞ｄｆの範囲では信号の出力はあまり変化せず、ｌｅｏ＜ｄｆの範囲になると出力が減少することが確認できる。ｄｆがｌｅｏより小さい範囲では第１の強磁性層４の端部の領域を電流がほとんど通過しないため、信号の出力は大きく変化せず、ｌｅｏを超えたときは第１の強磁性層４の端部の領域を通過する電流量が増加し、信号の出力が低下したと考えられる。
【０１０７】
図１３は実施例１２〜１６の発振出力の測定結果に対して、（ｌｅｉ／２）／ｄｆと信号の発振出力との関係を示している。
【０１０８】
図１３より、ｌｅｉ／２＞ｄｆの範囲では発振出力はあまり変化せず、ｌｅｉ／２＜ｄｆの範囲では小さくなっていることがわかる。ｌｅｉ／２がｄｆより大きくなると複数の非磁性導電領域７に分割され、狭窄された電子の流れが第１の強磁性層４で合流せずにフェイズロックが生じたことで高い出力を示したと考えられるが、ｌｅｉ／２がｄｆより小さくなると、第１の強磁性層４の中で合流してしまい信号の出力が大きく低下したと考えられる。
【０１０９】
図１４は実施例１７〜２１における発振出力の測定結果に対して、（ｄｎｃ／２）／ｄｆと信号の発振出力との関係を表している。
【０１１０】
図１４よりｄｎｃ／２＜ｄｆの範囲では発振出力は小さく、ｄｎｃ／２＞ｄｆの範囲では急激に出力が増加していることがわかる。ｄｎｃ／２がｄｆより小さい範囲では、複数のナノコンタクトホール５に分割され、狭窄された電子の流れが第１の強磁性層４で合流したため電流密度が向上せず、低い出力を示したと考えられるが、ｄｆより大きい範囲では第１の強磁性層４の内部で合流せずに電流密度が向上し、信号の出力が増加したと考えられる。
【０１１１】
図１５は比較例２〜６の発振出力の測定結果に対して、出力された信号の発振周波数と、距離Ｘの関係を示している。
【０１１２】
図１１の結果と比較して、図１５では周波数の上限および下限が小さく、Ｘに対する変化量が小さくなっていることがわかる。比較例２〜６では、電流狭窄層６による電流の狭窄の効果がないために、第１の強磁性層４を通過する際に電流がより拡散してしまい、第１の強磁性層４に対して一様に電流が流れやすくなったことが考えられる。従って、第１の強磁性層４の中央部および端部による、異なる周波数の発振が混合しやすくなり、周波数が大きく変化しなかったと考えられる。
【０１１３】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、上記で説明した実施例以外にも変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上のように、本発明に係る薄膜磁性素子は、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用して、発振器、検波器、ミキサー、フィルターといったデバイスとして利用可能である。既存の半導体で構成される高周波特性を利用する高周波デバイスと比較し、小型化や伝送回路とのインピーダンスマッチングや、本発明による周波数特性の可変性により利点があり、本発明による高出力化によっても、代用可能となる。
【符号の説明】
【０１１５】
１・・・薄膜磁性素子
２・・・第２の強磁性層
３・・・非磁性層
４・・・第１の強磁性層
５・・・ナノコンタクトホール
６・・・電流狭窄層
７・・・非磁性導電領域
８・・・絶縁体
９・・・下部電極
１０・・・対向面
１１・・・第１の投影面
１２・・・第２の投影面
１３・・・最小断面
１４・・・発振装置
１５・・・磁場印加機構
１６・・・信号発生部
１７・・・電源部
１８・・・信号増幅部
【図１】
2015201515.tif 000008
【図２】
2015201515.tif 000009
【図３】
2015201515.tif 000010
【図４】
2015201515.tif 000011
【図５】
2015201515.tif 000012
【図６】
2015201515.tif 000013
【図７】
2015201515.tif 000014
【図８】
2015201515.tif 000015
【図９】
2015201515.tif 000016
【図１０】
2015201515.tif 000017
【図１１】
2015201515.tif 000018
【図１２】
2015201515.tif 000019
【図１３】
2015201515.tif 000020
【図１４】
2015201515.tif 000021
【図１５】
2015201515.tif 000022