(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する磁性素子において、高出力化を実現する。【解決手段】磁性素子１は、非磁性スペーサー層１３を介して磁化固定層１４と磁化自由層１２を備えた磁気抵抗効果膜１０と、磁気抵抗効果膜１０の積層方向に磁気抵抗効果膜１０を介して配設された一対の電極（下部電極層１１および上部電極層１５）とを有し、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆ、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｐｍとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｍの関係を満たしていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の積層方向に前記磁気抵抗効果膜を介して配設された一対の電極とを有し、
前記磁化自由層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆ、前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｐｍとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｍの関係を満たしていることを特徴とする磁性素子。
【請求項２】
Ｓｆ＞２×Ｓｐｍの関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項３】
前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積をＳｐとしたときに、Ｓｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面と、前記磁化固定層と前記非磁性スペーサー層とが接する界面との間の最小距離をＬｐとしたときに、Ｌｐ≦２［ｎｍ］の関係を満たしていることを特徴とする請求項２に記載の磁性素子。
【請求項４】
前記磁化固定層と前記非磁性スペーサー層とが接する界面の面積をＳｐｎとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｎの関係を満たしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁性素子。
【請求項５】
Ｓｆ＞２×Ｓｐｎの関係を満たしていることを特徴とする請求項４に記載の磁性素子。
【請求項６】
Ｓｐｍ＜３００００［ｎｍ２］の関係を満たしていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁性素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁性素子と、前記磁化自由層の近傍に設置された磁場供給機構とを備えた磁性高周波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性素子およびそれを備えた磁性高周波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子の電荷を応用したエレクトロニクスの分野に対して、電子の電荷とスピンを同時に利用するスピントロニクスの分野が、近年、注目されている。スピントロニクスは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に代表される磁気抵抗効果素子の急速な発達により、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いる。
【０００３】
磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性体のスピンが伝送・輸送されることで、他方の強磁性体のスピンを回転させるエネルギー（スピントランスファートルク）が生じることが知られている。このスピントランスファートルクを利用すると、このスピントランスファートルクと、外部磁界によるトルクが拮抗した際に、スピンの発振・共鳴現象が生じる。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きている（特許文献１）。
【０００４】
磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する素子（以下、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、発振の高出力化の研究が進められている。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９５９０８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８１７５６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には、磁化自由層を単磁区化が期待できるような微細な形状に加工した磁性素子が記載されており、磁化自由層の磁化の巨視的に均一な歳差運動が発現することで、発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現されるとしている。しかしながらこの手法では、磁化自由層を磁化固定層よりも同等、またはそれ以下の面積まで小さく加工しているため、磁化自由層の全域を電流が通過することとなる。磁性素子では、発振の周波数および出力の効率的な制御のため外部磁場の印加が必須となるが、磁化自由層の端部では磁束が集中し、不均一な磁場ができてしまい均一な磁化の歳差運動が妨げられるため、発振の信号の純度が劣化し、発振の出力が低下することが問題となる。また、磁性素子を加工する場合、Ａｒなどの不活性ガスを用いたドライエッチング法が主流であるが、加工端部において、原子の衝撃による変質および劣化が少なからず発生するため、磁化自由層の端部では、さらに均一な磁化の歳差運動が妨げられ、発振の信号の純度が劣化し、発振の出力が低下することが問題となる。なお、本発明において、発振の信号の純度とは、発振の信号を構成する周波数の帯域の狭さを表すものとする。磁化自由層の端部および端部を除く内側領域にて不均一な磁化の歳差運動が発現した場合、それぞれ別の周波数をもった信号となるため、磁性素子全体で見た場合、帯域の広がった信号となり、発振の出力が低下する。
【０００７】
また、特許文献１では、磁化自由層および磁化固定層は微細な面積まで加工せず、上部電極層もしくは下部電極層のいずれかもしくは双方を微細な面積に加工し、磁化自由層の中の、上部電極層もしくは下部電極層のいずれかの小さい面積に接続されている部分に対
応した部分のみに電流が通過し、磁化自由層の端部には電流が通過しない構造とすることで、不均一な磁化の歳差運動の発現を抑制する手法も記載されている。しかしながらこの手法は、非磁性中間層（非磁性スペーサー層）が導体であり全体の抵抗が小さい巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子では効果があるが、非磁性中間層が絶縁体であり全体の抵抗が大きなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子では、上部電極層もしくは下部電極層で一度狭窄された電流が、非磁性中間層をトンネルする際の抵抗値を下げるように磁化自由層および磁化固定層内に拡散してしまうため、磁化自由層の端部を含めた全域を通過することになり、不均一な磁化の歳差運動の発現による発振の信号の純度が劣化し、発振の出力が低下する問題を有する。磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する場合、信号出力は磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の二乗に比例するため、発振の高出力化においてＭＲ比が大きくなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子での改善が特に求められる。
【０００８】
特許文献２には、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、膜面に対して垂直方向に外部磁場を印加することで、発振の高出力化を行った磁性素子が記載されている。しかしながら、この場合においても、磁化自由層の端部に起因する不均一な磁化の歳差運動の発現による発振の信号の純度の低下の問題は残存する。
【０００９】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する磁性素子において発振の高出力化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決する本発明は、非磁性スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の積層方向に前記磁気抵抗効果膜を介して配設された一対の電極とを有し、前記磁化自由層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆ、前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｐｍとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｍの関係を満たしていることを第１の特徴とする磁性素子である。
【００１１】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値に対して、磁化自由層の積層方向に対して垂直な断面の面積が大きいため、磁化固定層によって狭窄された電流は、磁化自由層の端部を通過する量が減り、磁化自由層の端部を除く内側領域を通過する量が多くなる。磁化自由層の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００１２】
なお、非磁性スペーサー層として非磁性絶縁層を用いることができるが、本発明において、非磁性絶縁層とは、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子において用いられる完全な絶縁体のみで構成される層のみに限定されず、電流狭窄型磁気抵抗（ＮＣＭＲ）効果素子において用いられる絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層も含むものとする。電流狭窄型磁気抵抗（ＮＣＭＲ）効果素子では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子よりも抵抗値が高くなるため、上部電極層もしくは下部電極層のいずれかもしくは双方のみを微細な面積に加工した構成では、上部電極層もしくは下部電極層で一度狭窄された電流が、磁化自由層および磁化固定層内に拡散してしまい、磁化自由層における不均一な磁化の歳差運動の発現による発振の信号の純度が劣化し、発振の出力が低下する問題が残存するため、本発明による発振の高出力化の効果が得られる。
【００１３】
なお、前記磁化固定層と前記非磁性スペーサー層とが接する界面の面積が、前記磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値よりも大きい場合、前記磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積が最小となる領域により狭窄された電流が、一部再拡散し本発明による発振の高出力化の効果が薄まるため、その場合、前記磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積が最小となる位置よりも、積層方向において前記非磁性スペーサー層側に位置する領域のうち、前記磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積が最小となる領域よりも外側の領域は薄いことが好ましく、さらに、導電性を失うほど十分に薄い、もしくは磁化固定層の加工の際の変質によって導電性を失っていることがより好ましい。
【００１４】
さらに本発明にかかる磁性素子は、Ｓｆ＞２×Ｓｐｍの関係を満たしていることを第２の特徴とする。
【００１５】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値に対して、磁化自由層の積層方向に対して垂直な断面の面積が十分に大きいため、磁化固定層によって狭窄された電流は、磁化自由層の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層の内側領域を通過する量がさらに多くなる。磁化自由層の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００１６】
さらに本発明にかかる磁性素子は、前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面の面積をＳｐとしたときに、Ｓｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす前記磁化固定層の前記積層方向に対して垂直な断面と、前記磁化固定層と前記非磁性スペーサー層とが接する界面との間の最小距離をＬｐとしたときに、Ｌｐ≦２［ｎｍ］の関係を満たしていることを第３の特徴とする。
【００１７】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、磁化固定層と非磁性スペーサー層とが接する界面の面積が、磁化固定層の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値よりも大きい場合においても、磁化固定層内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域により狭窄された電流が、磁化固定層におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層を通過して磁化自由層に流入するため、磁化自由層において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００１８】
さらに本発明にかかる磁性素子は、前記磁化固定層と前記非磁性スペーサー層とが接する界面の面積をＳｐｎとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｎの関係を満たしていることを第４の特徴とする。
【００１９】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、磁化固定層の非磁性スペーサー層に接している部分によって電流が狭窄されるため、非磁性スペーサー層を通過して磁化自由層に流入する電流を狭窄する効果が高まり、磁化固定層によって狭窄された電流は、磁化自由層の端部を通過する量が減り、磁化自由層の内側領域を通過する量が多くなるため、磁化自由層において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００２０】
さらに本発明にかかる磁性素子は、Ｓｆ＞２×Ｓｐｎの関係を満たしていることを第５の特徴とする。
【００２１】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、電流が狭窄される磁化固定層の非磁性スペーサー層に接している部分に比較して、磁化自由層の積層方向に対して垂直な断面の面積が十分に大きいため、磁化固定層によって狭窄された電流は、磁化自由層の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層の内側領域を通過する量がさらに多くなる。このため、磁化自由層においてより均一な歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００２２】
さらに本発明にかかる磁性素子は、Ｓｐｍ＜３００００  ［ｎｍ２］  の関係を満たしていることを第６の特徴とする。
【００２３】
上記特徴の本発明の磁性素子によれば、磁化固定層が微細な大きさに形成されているため、磁化固定層によって狭窄された電流が通過する磁化自由層の内側の領域は単磁区化されており、磁化自由層において巨視的に均一な磁化の歳差運動が発現することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００２４】
本発明にかかる磁性高周波素子は、前記磁性素子と、前記磁化自由層の近傍に設置された磁場供給機構とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記特徴の本発明の磁性高周波素子によれば、スピン偏極を受けた電子によるスピントランスファートルクと、磁場供給機構による外部磁場のトルクが拮抗することにより、磁化自由層において大きな磁化の歳差運動が生じ、発振の信号出力の高出力化が実現される。
【発明の効果】
【００２６】
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磁性素子において発振の高出力化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の磁性高周波素子の概略を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施形態に係る磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図１２】発振出力を測定するための装置構成の概略図である。
【図１３】実施例１の磁性素子の発振出力の周波数とパワースペクトラムの関係を示す図である。
【図１４】比較例１の磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図１５】比較例５の磁性素子の詳細積層構成を示す断面図である。
【図１６】Ｓｆ／Ｓｐｍと発振出力の関係を示す図である。
【図１７】Ｓｆ／Ｓｐｍと発振出力の関係を示す図である。
【図１８】Ｌｐと発振出力の関係を示す図である。
【図１９】Ｌｐと発振出力の関係を示す図である。
【図２０】Ｓｐｍと発振出力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。さらに、本実施形態はその趣旨を逸脱しない限り、さまざまな変更が可能である。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用し、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機能をもった磁性高周波素子３の概略を示す平面図である。磁性高周波素子３は、高周波回路に接続された磁性素子１、および磁性素子１内の後述する磁化自由層１２に対して外部磁場を印加する目的で磁化自由層１２の近傍に配設された磁場供給機構２によって構成される。磁場供給機構２は、電圧もしくは電流のいずれかにより印加する磁場の大きさおよび向きを制御できる電磁石型の磁場供給機構である。
【００３０】
図２は本発明の第１の実施形態に係る、図１に記載の磁性素子１の詳細積層構成を示す断面図である。尚、図２では、本発明を理解するうえで重要ではない部分は一部省略している。磁性素子１は、下部電極層１１、磁気抵抗効果膜１０および上部電極層１５がこの順に配設されている。磁気抵抗効果膜１０は磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３および磁化固定層１４を有し、磁性素子１は、下部電極層１１、磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３、磁化固定層１４および上部電極層１５がこの順に配設されている。各層の膜面に平行な方向の両側には、絶縁体１６および絶縁体１７が配設されている。
【００３１】
下部電極層１１は、上部電極層１５と一対の電極としての役目を備えている。つまり、下部電極層１１および上部電極層１５は、電流を磁気抵抗効果膜１０に対して、磁気抵抗効果膜１０を構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果膜１０を構成する各層の面に対して垂直な方向（磁気抵抗効果膜１０の積層方向）に流すための一対の電極としての機能を有している。以下において、「磁気抵抗効果膜１０の積層方向」を単に「積層方向」と省略して表記する場合がある。
【００３２】
下部電極層１１は、例えばスパッタ法またはＩＢＤ法等により形成されるＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕまたはＲｕからなる膜、もしくはこれらの材料のいずれか２つ以上からなる膜で構成される。下部電極層１１の膜厚は、０．０５μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。磁性素子１では、伝送損失の低減のため、電極層の形状が重要となる。本発明の第一の実施形態では、下部電極層１１を、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等により、磁性素子１の上から見た形状を、コプレーナーウェイブガイド（ＣＰＷ）型の形状に規定する。
【００３３】
磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３および磁化固定層１４の各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。スパッタ成膜は、例えば、アルゴン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。
【００３４】
下部電極層１１と磁化自由層１２の間にバッファー層として、下部電極層１１の結晶性を遮断し磁化自由層１２の配向・粒径を制御する機能を持たせた層を配設しても良い。バッファー層の材料は、例えばＴａとＮｉＣｒとの膜や、ＴａとＲｕとの膜が好ましい。バッファー層の膜厚は、例えば２ｎｍ〜６ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３５】
磁化自由層１２は、外部磁界もしくはスピン偏極電子によって磁化の向きが変化する層である。
【００３６】
磁化自由層１２は、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またはＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜により構成される。この膜に、磁歪調整層として例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ１ｎｍ〜９ｎｍ程度の軟磁性膜を付加してもよい。
【００３７】
磁化自由層１２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合金またはホイスラー合金により構成される。
【００３８】
また、磁化自由層１２の積層構造と非磁性スペーサー層１３との間に、高スピン偏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。
【００３９】
高スピン偏極材料としては、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〜１ｎｍとすることが好ましい。
【００４０】
また、磁化自由層１２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。
【００４１】
非磁性スペーサー層１３は、磁化自由層１２の磁化と磁化固定層１４の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得るための層である。
【００４２】
非磁性スペーサー層１３としては、絶縁体または半導体によって構成される層、もしくは、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層が挙げられる。
【００４３】
非磁性スペーサー層１３の材料として絶縁体を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が挙げられる。非磁性スペーサー層１３の格子定数と磁化固定層１４の格子定数、および非磁性スペーサー層１３の格子定数と磁化自由層１２の格子定数はできるだけ近い値とした方が好ましい。これにより、非磁性スペーサー層１３を介したコヒーレントトンネル効果が発現し、高い磁気抵抗変化率が得られるようになる。絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４４】
非磁性スペーサー層１３の材料として半導体を適用する場合、非磁性スペーサー層１３は、磁化自由層１２側から第１の非磁性金属層、半導体酸化物層および第２の非磁性金属層が順次積層された構成が好ましい。第１の非磁性金属層としては、例えばＣｕまたはＺｎが挙げられる。第１の非磁性金属層の膜厚は０．１ｎｍ〜１．２ｎｍ程度とすることが好ましい。半導体酸化物層としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）または酸化ガリウム（ＧａＯｘもしくはＧａ２Ｏｘ）が挙げられる。半導体酸化物層の膜厚は１．０ｎｍ〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。第２の非磁性金属層としては、Ｚｎ、ＺｎとＧａとの合金、ＺｎとＧａＯとの膜、ＣｕまたはＣｕとＧａの合金が挙げられる。第２の非磁性金属層の膜厚は０．１ｎｍ〜１．２ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４５】
非磁性スペーサー層１３として絶縁体中に導体によって構成される通電点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絶縁体中に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌまたはＭｇなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。絶縁体および導体の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４６】
磁化固定層１４は、強磁性層と反強磁性層によって構成され、交換結合により、一方向磁気異方性を付与された層である。好適な形態として磁化固定層１４は、非磁性スペーサー層１３側から、図示しないインナー層、非磁性中間層、アウター層、および反強磁性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。
【００４７】
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、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。
【００４８】
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合金の積層構造または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１〜１０ｎｍ、アウター層の膜厚は１〜７ｎｍ程度とすることが好ましい。インナー層は、ホイスラー合金を含んでいても良い。
【００４９】
非磁性中間層は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｚｒおよび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いる。「磁化が互いに逆方向」というのは、これらの２つの磁化の方向が互いに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。
【００５０】
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３５ａｔ％〜９５ａｔ％とすることが好ましい。反強磁性材料の中には、熱処理しなくても反強磁性を示して強磁性材料との間で交換結合を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。本発明においては、前記いずれのタイプを用いても良い。非熱処理系反強磁性材料としては、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等が例示できる。熱処理系反強磁性材料としては、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＲｈＭｎ等が例示できる。尚、非熱処理系反強磁性材料においても交換結合の方向をそろえるために、通常、熱処理を行っている。反強磁性材料の膜厚は、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５１】
磁化固定層１４と上部電極層１５の間にキャップ層として、酸化・エッチングなどから磁化固定層１４を保護する機能を持たせた層を配設しても良い。キャップ層は、例えば、Ｒｕ膜、Ｔａ膜またはＲｕとＴａの積層膜とすることが好ましく、膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５２】
磁化固定層１４の成膜後、磁化固定層１４の磁化固着のためのアニールを行う。アニール時の圧力が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。
【００５３】
アニール後、第一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を実施し、磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３および磁化固定層１４を所望の形状にパターニングし、各層が除去された領域にスパッタ法、およびＩＢＤ法などにより、絶縁体１６を配設する。絶縁体１６の材料としては、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの、非磁性材料であり絶縁性および化学的安定性に優れた材料が好ましい。
【００５４】
第一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って、磁化自由層１２の最終形状が規定される。磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆとしたとき、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態では、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面は、膜面の積層方向のいずれの位置においても同一形状および同一面積となっているため、Ｓｆは膜面の積層方向のいずれの位置の面積を用いても同じ値となる。
【００５５】
次に、第二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を実施し、磁化固定層１４を所望の形状にパターニングし、磁化固定層１４が除去された領域にスパッタ法、およびＩＢＤ法などにより、絶縁体１７を配設する。絶縁体１７の材料は、非磁性材料であり、絶縁性および化学的安定性に優れていれば、絶縁体１６と同じ材料でも良いし、異なる材料でもよい。
【００５６】
第二のイオンビームエッチングでは、積層方向に対して垂直な断面において、第二のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を完全に除去するため、非磁性スペーサー層１３を多少除去する位置までイオンビームエッチングを継続する。非磁性スペーサー層１３の主要な材料であるＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などは、イオンビームエッチングに対する耐性が、磁化固定層１４および磁化自由層１２の主要な材料よりも高いため、非磁性スペーサー層１３を多少除去する位置でイオンビームエッチングを停止することが容易である。
【００５７】
第二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って、磁化固定層１４の最終形状が規定される。磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆとし、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積をＳｐとし、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｐｍとし、磁化固定層１４と非磁性スペーサー層１３とが接する界面の面積をＳｐｎとする。また、図２に示すように、Ｓｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面と、磁化固定層１４と非磁性スペーサー層１３とが接する界面との間の最小距離をＬｐとする。
【００５８】
磁化自由層１２および磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の形状は、特に限定されないが、円形もしくは楕円形などの鋭角な角がない形状が好ましい。
【００５９】
磁性素子１では、ＳｆはＳｐｍより大きくなるように規定され、さらにＳｆは２×Ｓｐｍより大きくなるように規定されている。ＳｆがＳｐｍに対して大きいため、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層１２の端部を除く内側領域を通過する量が多くなる。さらに、Ｓｆは２×Ｓｐｍより大きく、ＳｆがＳｐｍに対して十分大きいため、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量がさらに多くなる。
【００６０】
さらに、Ｌｐが２ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域を通過した電流は、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入するため、磁化自由層１２の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量がさらに多くなる。
【００６１】
さらに、磁性素子１では、ＳｆはＳｐｎより大きくなるように規定されている。磁化固定層１４の非磁性スペーサー層１３に接している部分によって電流が狭窄されるため、非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入する電流を狭窄する効果が高まり、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層の内側領域を通過する量が多くなる。
【００６２】
磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層の内側領域を通過する量が多くなることにより、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００６３】
第二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の後、上部電極層１５が配設される。上部電極層１５は、例えばスパッタ法またはＩＢＤ法等により形成されるＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕまたはＲｕからなる膜、もしくはこれらの材料のいずれか２つ以上からなる膜で構成される。上部電極層１５の膜厚は、０．０５μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。磁性素子１では、伝送損失の低減のため、電極層の形状が重要となる。本発明の第１の実施形態では、上部電極層１５を、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等により、磁性素子１の上から見た形状を、コプレーナーウェイブガイド（ＣＰＷ）型の形状に規定する。
【００６４】
本発明の第１の実施の形態の磁場供給機構２は、電圧もしくは電流のいずれかにより印加する磁場の大きさおよび向きを制御できる電磁石型の磁場供給機構であるが、本発明ではそれに限定されない。電磁石型と一定の磁場のみを供給する固定磁石型との組み合わせの磁場供給機構により磁場供給機構２を構成しても同様の効果が得られる。また、磁性素子１の周波数特性の可変性を利用せず、単一の周波数でのみ使用するのであれば、固定磁石型のみの磁場供給機構により磁場供給機構２構成しても同様の効果が得られる。また生産コストを考慮しなければ、外部装置を磁性素子１の磁化自由層１４の近傍まで接近させることにより磁場供給機構２としても、同様の効果が得られる。
【００６５】
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およびイオンビームエッチングにより、磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３および磁化固定層１４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。ＳｆがＳｐｍより大きいという関係を満たす限り、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磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３および磁化固定層１４の形状を規定しても、同様の効果が得られる。
【００６６】
また、磁化固定層１４は、ＳｆがＳｐｍより大きいという関係を満たす限り、積層方向に対して垂直な断面を、膜面の積層方向のいずれの位置においても同一形状および同一面積とするようにしてもよい。また、磁化固定層１４は、ＳｆがＳｐｍより大きいという関係を満たす限り、膜面の積層方向の位置によって積層方向に対して垂直な断面の形状および面積が変化するようにしてもよい。
【００６７】
このように、磁性素子１は、非磁性スペーサー層１３を介して磁化固定層１４と磁化自由層１２を備えた磁気抵抗効果膜１０と、磁気抵抗効果膜１０の積層方向に磁気抵抗効果膜１０を介して配設された一対の電極（下部電極層１１および上部電極層１５）とを有し、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｆ、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値をＳｐｍとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｍの関係を満たすことで、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値に対して、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積が大きいため、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層１２の端部を除く内側領域を通過する量が多くなる。磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００６８】
さらに磁性素子１は、Ｓｆ＞２×Ｓｐｍの関係を満たすことで、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値に対して、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積が十分に大きいため、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量がさらに多くなる。磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００６９】
さらに磁性素子１は、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積をＳｐとしたときに、Ｓｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面と、磁化固定層１４と非磁性スペーサー層１３とが接する界面との間の最小距離をＬｐとしたときに、Ｌｐ≦２［ｎｍ］の関係を満たすことで、磁化固定層１４と非磁性スペーサー層１３とが接する界面の面積が、磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積の最小値よりも大きい場合においても、磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域により狭窄された電流が、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入するため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００７０】
さらに磁性素子１は、磁化固定層１４と非磁性スペーサー層１３とが接する界面の面積をＳｐｎとしたときに、Ｓｆ＞Ｓｐｎの関係を満たすことで、磁化固定層１４の非磁性スペーサー層１３に接している部分によって電流が狭窄されるため、非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入する電流を狭窄する効果が高まり、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量が多くなるため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００７１】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係る磁性素子２０の詳細積層構成を示す断面図である。磁性素子２０が図２に示す第１の実施形態に係る磁性素子１との異なる点は、第二のイオンビームエッチングの際に、非磁性スペーサー層１３を除去することなく、積層方向に対して垂直な断面において、第二のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を全て除去した時点でイオンビームエッチングを即座に停止した点である。それ以外の点は第１の実施形態に係る磁性素子１と同様であり、発振の高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態に係る磁性素子３０の詳細積層構成を示す断面図である。磁性素子３０が図２に示す第１の実施形態に係る磁性素子１との異なる点は、Ｓｆ＞２×Ｓｐｎの関係を満たしており、Ｌｐ＝０［ｎｍ］となっている点である。それ以外の点は第１の実施形態に係る磁性素子１と同様である。
【００７２】
磁性素子３０は、電流が狭窄される磁化固定層１４の非磁性スペーサー層１３に接している部分に比較して、磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積が十分に大きいため、磁性素子１に比べて、磁化固定層１４によって狭窄された電流は、磁化自由層１２の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層の内側領域を通過する量がさらに多くなる。このため、磁化自由層においてより均一な歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００７３】
（第４の実施形態）
図５は本発明の第４の実施形態に係る磁性素子４０の詳細積層構成を示す断面図である。図２に示す第１の実施形態に係る磁性素子１との異なる点は、第二のイオンビームエッチングの際に、積層方向に対して垂直な断面において、第二のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を完全に除去することなく、磁化固定層１４が多少残存している時点でイオンビームエッチングを停止した点である。外側の領域に残存している磁化固定層１４の厚さはＬｐと等しくなっている。それ以外の点は第１の実施形態に係る磁性素子１と同様である。磁性素子４０においても磁性素子１と同様に、Ｌｐが２ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域を通過した電流は、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入するため、磁化自由層１２の端部を通過する量がさらに減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量がさらに多くなり、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上し、発振の高出力化が実現される。
【００７４】
また、磁性素子４０の作製時において、第二のイオンビームエッチングを停止したのち、第二のフォトレジストパターニングによって形成したマスク材料を除去することなく、酸素、窒素またはハロゲンガスに代表されるような活性化ガスによるイオンエッチングを行い、磁化固定層１４内の厚さがＬｐに対応した外側の残存領域を変質させて導電性を失わせるなどの手法を併用することで、磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域によって狭窄された電流が、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散する量を、さらに減らすことが可能となる。
【００７５】
（第５の実施形態）
図６は本発明の第５の実施形態に係る磁性素子５０の詳細積層構成を示す断面図である。図２に示す第１の実施形態に係る磁性素子１との異なる点は、上部電極層１５の磁化固定層１４と接する領域を磁化固定層１４と同等の微細な形状に規定した点である。それ以外の点は第１の実施形態に係る磁性素子１と同様であり、高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
【００７６】
（第６の実施形態）
図７は本発明の第６の実施形態に係る磁性素子６０の詳細積層構成を示す断面図である。図３に示す第２の実施形態に係る磁性素子２０との異なる点は、上部電極層１５の磁化固定層１４と接する領域を磁化固定層１４と同等の微細な形状に規定した点である。それ以外の点は第２の実施形態に係る磁性素子２０と同様であり、高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
【００７７】
（第７の実施形態）
図８は本発明の第７の実施形態に係る磁性素子７０の詳細積層構成を示す断面図である。図５に示す第４の実施形態に係る磁性素子４０との異なる点は、上部電極層１５の磁化固定層１４と接する領域を磁化固定層１４と同等の微細な形状に規定した点である。それ以外の点は第４の実施形態に係る磁性素子４０と同様であり、高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
【００７８】
（第８の実施形態）
図９は本発明の第８の実施形態に係る磁性素子８０の詳細積層構成を示す断面図である。図３に示す第２の実施形態に係る磁性素子２０との異なる点は、下部電極層１１、磁化固定層１４、非磁性スペーサー層１３、磁化自由層１２および上部電極層１５がこの順に配設されており、下部電極層１１の上端部が、磁化固定層１４と接する位置において同一形状に加工されている点および、Ｓｆ＞２×Ｓｐｎの関係を満たしており、Ｌｐ＝０［ｎｍ］となっている点である。それ以外の点は第２の実施形態に係る磁性素子２０と同様である。磁化固定層１４を配設した後に、第一の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を実施し、磁化固定層１４および下部電極層１１の上端部の形状を規定する。第一のイオンビームエッチングでは、積層方向に対して垂直な断面において、第一のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を完全に除去するため、下部電極層１１を多少除去する位置までイオンビームエッチングを継続する。次に、非磁性スペーサー層１３および磁化自由層１２を配設した後に、第二の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を実施し、非磁性スペーサー層１３および磁化自由層１２の形状を規定する。それ以外の点は第２の実施形態に係る磁性素子２０と同様である。高出力化に対する効果、および発現原理は、第３の実施形態に係る磁性素子３０と同様である。
【００７９】
（第９の実施形態）
図１０は本発明の第９の実施形態に係る磁性素子９０の詳細積層構成を示す断面図である。図９に示す第８の実施形態に係る磁性素子８０との異なる点は、第一のイオンビームエッチングの際に、下部電極層１１を除去することなく、積層方向に対して垂直な断面において、第一のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を全て除去した時点でイオンビームエッチングを即座に停止した点である。それ以外の点は第８の実施形態に係る磁性素子８０と同様であり、高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
【００８０】
（第１０の実施形態）
図１１は本発明の第１０の実施形態に係る磁性素子１００の詳細積層構成を示す断面図である。図９に示す第８の実施形態に係る磁性素子８０との異なる点は、第一のイオンビームエッチングの際に、積層方向に対して垂直な断面において、第一のフォトレジストパターニングによって保護されている領域の外側の磁化固定層１４を完全に除去することなく、多少残存している時点でイオンビームエッチングを停止した点である。磁化固定層１４のエッチング量は、大きな制限を受けないが、残存膜厚が大きすぎる場合、絶縁体１６を介して非磁性スペーサー層１３に電流が通過してしまい、磁化固定層１４の非磁性スペーサー層１３に接する界面領域による電流狭窄効果が薄れることから、磁化固定層１４のエッチング量は２ｎｍ以上であることが好ましい。それ以外の点は第８の実施形態に係る磁性素子８０と同様であり、高出力化に対する効果、および発現原理も同様である。
【実施例】
【００８１】
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。
【００８２】
（実施例１）
上記本発明の第３の実施の形態において説明した磁性素子３０を作製した。具体的には、基板外径が６インチ、基板厚みが２ｍｍ、基板表面に熱酸化膜（１μｍ）が予め配設されたシリコン基板上に、下部電極層１１としてスパッタ法にてＣｕ（９０ｎｍ）を成膜した。その後、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により下部電極層１１をＣＰＷ形状にパターニングした。
【００８３】
次に、スパッタ法により、バッファー層、磁化自由層１２、非磁性スペーサー層１３、磁化固定層１４およびキャップ層をこの順番に連続して成膜した。バッファー層をＴａ（１ｎｍ）  ／Ｒｕ（１ｎｍ）、磁化自由層１２をＣｏ３０Ｆｅ７０（２ｎｍ）、非磁性スペーサー層１３をＭｇＯ（１ｎｍ）、磁化固定層１４をＣｏ７０Ｆｅ３０（３ｎｍ）  ／Ｒｕ（０．８ｎｍ）  ／Ｃｏ６５Ｆｅ３５（３．５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（７ｎｍ）、キャップ層をＲｕ（１ｎｍ）  ／Ｔａ（２ｎｍ）  ／Ｒｕ（２ｎｍ）とした。尚、括弧内は各層の膜厚である。成膜後、磁化固定層の磁化固着のための真空磁場中でのアニールを実施した。アニール時の圧力を５×１０−４Ｐａ、印加磁界を膜面平行方向に１０ｋＯｅ、温度を２５０度、処理時間を３時間とした。
【００８４】
次に、第１の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を行い、キャップ層からバッファー層までの各層を、上から見た形状にて、２４５ｎｍ×２４５ｎｍの正方形にパターニングした。続いて、ＩＢＤ法およびリフトオフ法により絶縁体１６を形成した。絶縁体１６はＡｌ２Ｏ３（膜厚１２ｎｍ）とした。
【００８５】
次に、第２の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を行い、キャップ層、磁化固定層１４および非磁性スペーサー層１３の上部を、上から見た形状にて、１７３ｎｍ×１７３ｎｍの正方形にパターニングした。このイオンビームエッチングにより、絶縁体１６は図４に示される位置までエッチングされた。続いて、ＩＢＤ法およびリフトオフ法により絶縁体１７を形成した。絶縁体１７はＡｌ２Ｏ３（膜厚１９．５ｎｍ）とした。
【００８６】
次に、フォトレジストパターニング、スパッタ法およびリフトオフ法により上部電極層１５を形成した。上部電極層１５はＡｕＣｕ（膜厚２００ｎｍ）とした。
【００８７】
以上の結果、磁性素子３０は、Ｓｐｍ＝Ｓｐｎ＝２９９２９［ｎｍ２］、Ｓｆ＝６００２５［ｎｍ２］、Ｌｐ＝０［ｎｍ］となった。
【００８８】
磁場供給機構２は、外部装置を磁性素子３０の近傍に設置した。
【００８９】
以上の手法で作製した磁性素子３０に対して、磁場供給機構２により、最適となる（発振の出力が最大となる）電流量および磁場印加方向を選択しながら、発振出力の測定を実施した。
【００９０】
以下に、発振現象に関して簡易に説明する。磁性素子３０に対して直流電流を流した場合、磁化固定層１４にてスピン偏極を受けた電子が、磁化自由層１２へ流入することにより、スピントルクがトランスファーされ、磁化自由層１２内部にて磁化の歳差運動を誘起し、磁化の反転が生じようとする。この磁化反転の向きと逆向きにトルクが生じる向きに外部磁場を印加した場合、２つの相反するトルクが拮抗した際に、磁化自由層１２において大きな磁化の歳差運動が生じ、磁化の歳差運動の周期に対応した周波数の高周波発振信号が出力される。この現象がスピン注入自励発振とされる。
【００９１】
図１２に、発振出力を測定するための装置構成の概略図を示す。磁性素子３０と磁場供給機構２とにより磁性高周波素子３は構成される。Ｂｉａｓ−Ｔｅｅ４は、ＡＣ信号とＤＣ信号の分離を行う。パワーアンプ５は、Ｂｉａｓ−Ｔｅｅ４により分離されたＡＣ信号の増幅を行う。スペクトラムアナライザ６は、パワーアンプ５で増幅された高周波信号の出力を測定する。ソースメーター７は、磁性素子３０への電流印加を行う。ダイオード８は、磁性素子３０の破壊防止のため接続する。
【００９２】
ソースメーター７より磁性素子３０に対して印加する電流は、素子の破壊電圧を考慮し、３［ｍＡ］とした。スペクトラムアナライザ６のＲＢＷ（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｂａｎｄ  Ｗｉｄｔｈ）は、３［ＭＨｚ］として、発振出力を測定した。周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とパワースペクトラム（Ｐｏｗｅｒ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）の測定結果を図１２に示す。パワースペクトラムの最大ピークは、−４１．１［ｄＢｍ］となった。この結果に、ＲＢＷおよび半値幅を考慮して発振出力Ｐ［ｎＷ］を計算した結果を表１に示す。発振出力は、１１０［ｎＷ］となった。
【００９３】
【表１】
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【００９４】
（実施例２−１０）
上記本発明の第３の実施の形態において説明した磁性素子３０を、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９および実施例１０として作製した。実施例２−１０においては、Ｓｆ、ＳｐｍおよびＳｐｎを表１に示すような値とした以外は、実施例１と同様の構成とした。作製した素子に対して実施例１と同様にして発振出力を測定した。実施例２−１０のＳｆ、Ｓｐｍ、Ｓｐｎ、Ｌｐおよび発振出力の結果を表１に示す。
【００９５】
（実施例１１−２０）
上記本発明の第４の実施の形態において説明した磁性素子４０を、実施例１１、実施例１２、実施例１３、実施例１４、実施例１５、実施例１６、実施例１７、実施例１８、実施例１９および実施例２０として作製した。実施例１１−２０においては、磁化固定層１４がその外側の領域において厚さＬｐで残存している点と、Ｓｆ、Ｓｐｍ、ＳｐｎおよびＬｐを表１に示すような値とした以外は、実施例１と同様の構成とした。作製した素子に対して実施例１と同様にして発振出力を測定した。実施例１１−２０のＳｆ、Ｓｐｍ、Ｓｐｎ、Ｌｐおよび発振出力の結果を表１に示す。
【００９６】
（比較例１−４）
図１４に示す磁性素子１ｘを比較例１、比較例２、比較例３および比較例４として作製した。磁化自由層１２と磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の形状および面積を等しくし、Ｓｆ、ＳｐｍおよびＳｐｎを表１に示すような値とした以外は、実施例１と同様の構成とした。作製した素子に対して実施例１と同様にして発振出力を測定した。比較例１−４のＳｆ、Ｓｐｍ、Ｓｐｎおよび発振出力の結果を表１に示す。
【００９７】
（比較例５）
図１５に示す磁性素子２ｘを作製した。磁化自由層１２の積層方向に対して垂直な断面の面積を磁化固定層１４の積層方向に対して垂直な断面の面積よりも小さくし、Ｓｆ、ＳｐｍおよびＳｐｎを表１に示すような値とした以外は、比較例１と同様の構成とした。作製した素子に対して実施例１と同様にして発振出力を測定した。比較例５のＳｆ、Ｓｐｍ、Ｓｐｎおよび発振出力の結果を表１に示す。
【００９８】
図１６はＳｐｍ＝２９９２９［ｎｍ２］である実施例１、実施例５、実施例６、実施例７および比較例１のＳｆ／Ｓｐｍと発振出力の関係を示す図である。図１７はＳｐｍ＝１００００［ｎｍ２］である実施例３、実施例８、実施例９、実施例１０および比較例２のＳｆ／Ｓｐｍと発振出力の関係を示す図である。図１６および図１７より、Ｓｐｍの値によらず、Ｓｆ＞Ｓｐｍの領域において、発振出力が向上していることがわかる。磁化固定層１４内のＳｐｍに対応する領域に狭窄された電流が非磁性絶縁層である非磁性スペーサー層１３をトンネルし、磁化自由層１２に注入された領域に対して、磁化自由層１２の形状が大きいため、磁化自由層１２の端部を通過する電流が減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する電流が増えると考えられる。磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上したことにより、発振の高出力化が実現されたと考えられる。
【００９９】
また、図１６および図１７より、Ｓｐｍの値によらず、Ｓｆ＞２×Ｓｐｍの領域において、発振出力の向上が飽和していることがわかる。Ｓｆ＞２×Ｓｐｍの領域では、磁化固定層１４内のＳｐｍに対応する領域に狭窄された電流が、非磁性絶縁層である非磁性スペーサー層１３をトンネルし、磁化自由層１２に注入された領域に対して、磁化自由層１２の形状が十分に大きいため、磁化自由層１２の端部を電流が通過せず、磁化自由層１２の内側領域のみを電流が通過したと考えられる。磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上したことにより、発振の高出力化が実現されたと考えられる。
【０１００】
図１８は、Ｓｆ＞２×ＳｐｍかつＳｆ＝６００２５［ｎｍ２］である実施例１、実施例１１、実施例１２、実施例１３、実施例１４および実施例１５のＬｐと発振出力の関係を示す図である。図１９は、Ｓｆ＞２×ＳｐｍかつＳｆ  ＝２０１６４［ｎｍ２］である実施例３、実施例１６、実施例１７、実施例１８、実施例１９および実施例２０のＬｐと発振出力の関係を示す図である。図１８および図１９より、Ｓｆの値によらず、Ｌｐの減少に伴い発振出力が向上していることがわかる。磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域によって狭窄された電流が、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入し、磁化自由層１２の端部を通過する量が減り、磁化自由層１２の内側領域を通過する量が増えたため、均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上したことにより、発振の高出力化が実現されたと考えられる。
【０１０１】
また、図１８および図１９より、Ｓｆの値によらず、Ｌｐが２［ｎｍ］以下の領域において、発振出力の向上が飽和していることがわかる。Ｌｐが２［ｎｍ］以下の領域では、磁化固定層１４内のＳｆ＞２×Ｓｐの関係を満たす領域によって狭窄された電流が、磁化固定層１４におけるＳｆの面積に対応した領域にまで再拡散することなく非磁性スペーサー層１３を通過して磁化自由層１２に流入し、磁化自由層１２の端部を電流が通過せず、磁化自由層１２の内側領域のみを電流が通過したと考えられる。磁化自由層１２の内側領域は、均一な外部磁場が印加され、また加工による劣化も存在しないため、磁化自由層１２において均一な磁化の歳差運動が発生することで発振の信号の純度が向上したことにより、発振の高出力化が実現されたと考えられる。
【０１０２】
図２０は、Ｌｐ＝０［ｎｍ］かつＳｆ＞２×Ｓｐｍである実施例１、実施例２、実施例３および実施例４のＳｐｍと発振出力の関係を示す図である。Ｓｐｍが小さくなるほど、発振出力が向上していることがわかる。Ｓｐｍが小さくなるほど、電流が通過する磁化自由層の内部の領域が小さくなるため、その領域が単磁区化に近づき、その領域において巨視的に均一な磁化の歳差運動が発現することで発振の信号の純度が向上したことにより、高出力化が実現されたと考えられる。
【０１０３】
磁性素子を高周波回路に組み込む場合、必要とされる出力の値としては、パワーアンプによって増幅するために最低限必要な、０．１［μＷ］＝１００［ｎＷ］という値が閾値として存在する。Ｓｆ／Ｓｐｍの増加による発振出力の向上が飽和するＳｆ＞２×Ｓｐｍ  、かつＬｐの減少により発振出力の向上が飽和するＬｐ≦２［ｎｍ］を満たす領域においては、Ｓｐｍ［ｎｍ２］＜３００００［ｎｍ２］が、高周波回路に組み込み使用するのに好ましい条件であると図２０よりわかる。
【０１０４】
比較例２では、比較例１よりもＳｐｍが小さいにも関わらず、発振出力が減少している。
これは、磁化自由層１２が小さくなったことにより、磁化自由層１２の体積に対する磁化自由層１２の端部面積の比率が上昇したため、単磁区化による出力向上よりも、磁化自由層の端部を電流が通過することによる発振の出力劣化の影響が大きくなったためと考えられる。
【０１０５】
比較例５は、磁化自由層１２内の電流が通過する領域が同じ１００００［ｎｍ２］である実施例３に対して、発振出力が大きく減少している。磁化自由層１２の端部を電流が通過することによる発振の出力劣化の影響と考えられる。
【０１０６】
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】
【０１０７】
本発明に係る磁性素子は、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周波数特性の可変性などの点で付加価値が高く、また本発明による発振の高出力化により、発振出力の観点においても代用可能となる。
【符号の説明】
【０１０８】
１、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００  磁性素子
２  磁場供給機構
３  磁性高周波素子
４  Ｂｉａｓ−Ｔｅｅ
５  パワーアンプ
６  スペクトラムアナライザ
７  ソースメーター
８  ダイオード
１０  磁気抵抗効果膜
１１  下部電極層
１２  磁化自由層
１３  非磁性スペーサー層
１４  磁化固定層
１５  上部電極層
１６  絶縁体
１７  絶縁体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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