(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果膜を含む磁性素子において、磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界が印加されない。【解決手段】磁性素子１０は、非磁性スペーサー層と非磁性スペーサー層を介して配設された第１強磁性層および第２強磁性層とを備えた磁気抵抗効果膜３と、磁気抵抗効果膜３の積層方向に磁気抵抗効果膜３を介して配設された一対の電極と、少なくとも２つの第１軟磁性層４と、コイル７と、コイル７と磁気的に接続された第２軟磁性層６とを備え、第２軟磁性層６は環状で、第２軟磁性層６と磁気抵抗効果膜３との離間距離は第１軟磁性層４と磁気抵抗効果膜３との離間距離より大きく、第２軟磁性層６の膜厚は第１軟磁性層４の膜厚より厚く、少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の一部と第２軟磁性層６の一部は磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なっていて、第１軟磁性層４と第２軟磁性層６は磁気的に結合していて、少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の先端部の間に磁気抵抗効果膜３が配設されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性スペーサー層と前記非磁性スペーサー層を介して配設された第１強磁性層および第２強磁性層と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、
少なくとも２つの第１軟磁性層と、
電流による磁界発生源と、
前記磁界発生源と磁気的に接続された第２軟磁性層とを備え、
前記第２軟磁性層は環状で、
前記第２軟磁性層と前記磁気抵抗効果膜との離間距離は前記第１軟磁性層と前記磁気抵抗効果膜との離間距離より大きく、
前記第２軟磁性層の膜厚は前記第１軟磁性層の膜厚より厚く、
前記少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の一部と前記第２軟磁性層の一部は前記積層方向に重なっていて、
前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層は磁気的に結合していて、
前記少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間に前記磁気抵抗効果膜が配設されていることを特徴とする磁性素子。
【請求項２】
前記第１軟磁性層は平板状であり、前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層との間に第３軟磁性層が配設されていることを特徴とする請求項１記載の磁性素子。
【請求項３】
前記第２軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする請求項２記載の磁性素子。
【請求項４】
前記第１軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする請求項
２記載の磁性素子。
【請求項５】
前記第１軟磁性層と前記第３軟磁性層が直接接続されていて、且つ前記第２軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする請求項２記載の磁性素子。
【請求項６】
前記第１軟磁性層の飽和磁束密度は、前記第２軟磁性層の飽和磁束密度より大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性素子。
【請求項７】
前記第１軟磁性層の飽和磁束密度は、前記第３軟磁性層の飽和磁束密度より大きいことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の磁性素子。
【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磁性素子に関する。
【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（非特許文献１）。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）。磁気抵抗効果素子の高周波特性は、印加磁界およびスピントランスファートルクによって制御されることが知られている（非特許文献２）。
【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）は前述した通り印加磁界で制御可能だが、産業利用を考えた場合、印加磁界の強度及び方向を広範囲且つ可変に制御可能な磁界印加機構を含んだ素子構造が必要である。
【０００５】
印加磁界の強度を可変制御する磁界印加機構を含んだ素子構造の一例として、電流制御によるコイル磁界を磁気抵抗効果膜に印加する構造が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
また、印加磁界の方向を可変制御する磁界印加機構を含んだ素子構造の一例として、バイアス磁界印加器と、バイアス磁界の方向と異なる方向に配設された調整用磁界印加器とを含んだ素子構造が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１０／１１９５６９号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３０９７号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４９２３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、  Ｎｏ．７０６６、  ｐｐ．３３９−３４２、１７  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００５
【非特許文献２】まぐね、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．６、２００７、ｐｐ２８２−２９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術では以下のような課題がある。
【００１０】
特許文献２に記載の構造は、コイルが巻かれた導磁路層が直接磁気抵抗効果膜近傍まで形成される構造となっている。この場合、導磁路層の膜厚は磁気抵抗効果膜の膜厚と同程度に規定されるため、コイルから発生した磁界が導磁路層内で大きく減衰してしまい、磁気抵抗効果膜近傍での導磁路層内の磁界は少なくなってしまう。一方、磁界を増やすために導磁路層の膜厚を十分厚くしたい場合、導磁路層を磁気抵抗効果膜から十分離間した位置に配設する必要がある。この場合、導磁路層から放出される磁界は、磁気抵抗効果膜に印加される前に、外部へ漏れてしまう。従って、磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界が印加されないという課題がある。
【００１１】
特許文献３に記載の構造は、バイアス磁界印加器と、バイアス磁界の方向と異なる方向に形成された調整用磁界印加器とを有する構造となっている。本構造では、磁気抵抗効果膜にはバイアス磁界と調整用磁界との合成磁界が印加される。調整用磁界の強度を変えることで、合成磁界の強度が変化し、その結果、発振周波数を所望の値に設定することができる。しかしながら、特許文献３には磁界印加についての具体的な構造が明記されていない。
【００１２】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界が印加される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】
【００１３】
前記目的を達成すべく本発明に係る磁性素子は、非磁性スペーサー層と前記非磁性スペーサー層を介して配設された第１強磁性層および第２強磁性層と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、少なくとも２つの第１軟磁性層と、電流による磁界発生源と、前記磁界発生源と磁気的に接続された第２軟磁性層とを備え、前記第２軟磁性層は環状で、前記第２軟磁性層と前記磁気抵抗効果膜との離間距離は前記第１軟磁性層と前記磁気抵抗効果膜との離間距離より大きく、前記第２軟磁性層の膜厚は前記第１軟磁性層の膜厚より厚く、前記少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の一部と前記第２軟磁性層の一部は前記積層方向に重なっていて、前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層は磁気的に結合していて、前記少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間に前記磁気抵抗効果膜が配設されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間の磁界が磁気抵抗効果膜に印加されるように磁気抵抗効果膜が配設されていれば、その状態は「２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間に磁気抵抗効果膜が配設されている」ことに含まれるものとする。
【００１５】
本発明の構成によれば、磁界発生源から発生した磁束は第２軟磁性層に伝搬する。第２軟磁性層を環状とすることでこの磁束の外部への漏えいを抑えることができる。また、第２軟磁性層と磁気抵抗効果膜との離間距離を大きくすることができるので、第２軟磁性層の膜厚を十分大きくすることが可能となり、磁界発生源から発生した磁束をより多く第２軟磁性層に伝搬させることが可能となる。さらに、少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の一部と第２軟磁性層の一部が磁気抵抗効果膜の積層方向に重なり、第１軟磁性層と第２軟磁性層が磁気的に結合していることで、第２軟磁性層の内部で発生した磁束を第１軟磁性層に伝搬させることが可能となる。このように、磁界発生源から発生した磁束の伝搬経路を第１軟磁性層と第２軟磁性層に分けることにより、比較的膜厚が薄い第１軟磁性層の磁路長を短くすることが可能となる。これにより、第１軟磁性層内での磁束の減衰量が小さくなり、第１軟磁性層から充分な強度の磁界が発生する。従って、少なくとも２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間に磁気抵抗効果膜が配設されることで、第１軟磁性層から磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界を印加することが可能となる。
【００１６】
さらに本発明の磁性素子は、前記第１軟磁性層は平板状であり、前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層との間に第３軟磁性層が配設されていることを特徴とする。
【００１７】
さらに本発明の磁性素子は、前記第２軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明の磁性素子は、前記第１軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする。
【００１９】
さらに本発明の磁性素子は、前記第１軟磁性層と前記第３軟磁性層が直接接続されていて、且つ前記第２軟磁性層と前記第３軟磁性層とが直接接続されていることを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明の磁性素子は、前記第１軟磁性層の飽和磁束密度は、前記第２軟磁性層の飽和磁束密度より大きいことを特徴とする。
【００２１】
さらに本発明の磁性素子は、前記第１軟磁性層の飽和磁束密度は、前記第３軟磁性層の飽和磁束密度より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る磁性素子によれば、磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界を印加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁性素子１０の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図２に記載の絶縁層８の各部位を詳細に示した図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図５】図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図６】図１に記載の磁気抵抗効果膜３の詳細積層構成を示す図である。
【図７】図１に記載の第１軟磁性層４の平面図である。
【図８】第１軟磁性層４の配設の他の例を示す平面図である。
【図９】第１軟磁性層４の配設の他の例を示す平面図である。
【図１０】第１軟磁性層４の配設の他の例を示す平面図である。
【図１１】第２軟磁性層６の他の例を示す平面図である。
【図１２】第２軟磁性層６の他の例を示す平面図である。
【図１３】コイルに流す電流の制御を説明するための図である。
【図１４】発振出力を測定するための装置構成の概略図である。
【図１５】本発明の第２〜第５の実施形態に係る磁性素子の平面図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る図１５のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る図１５のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る図１５のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る図１５のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。
【図２０】本発明の第４の実施形態に係る図１５のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態に係る図１５のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。
【図２２】本発明の第５の実施形態に係る図１５のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図２３】本発明の第５の実施形態に係る図１５のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。
【図２４】本発明の第１の実施形態に係る磁性素子１０において、α＝０°の方向に磁場を印加する場合の磁束の流れを説明するための図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る磁性素子１０において、α＝４５°の方向に磁場を印加する場合の磁束の流れを説明するための図である。
【図２６】本発明の第１の実施形態に係る磁性素子１０において、他の方法でα＝４５°の方向に磁場を印加する場合の磁束の流れを説明するための図である。
【図２７】磁性素子１００において、α＝４５°の方向に磁場を印加する場合の磁束の流れを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。ただし、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、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００２５】
（第１の実施形態）
まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１の実施形態に係る磁性素子１０の構成について説明する。図１は磁性素子１０の平面図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は図２記載の絶縁層８の各部位を詳細に示した図である。図４は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図５は図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図６は図１に記載の磁気抵抗効果膜３の詳細積層構成を示す図である。尚、図１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。
【００２６】
図１に示すように、磁性素子１０は、磁気抵抗効果膜３を挟んでＸ軸方向及びＹ軸方向に対向して配設された４つの平板状の第１軟磁性層４と、電流による磁界発生源としての機能を有するコイル７と、コイル７と磁気的に接続された環状の第２軟磁性層６とを備えている。第１軟磁性層４の各々の一部と第２軟磁性層６の一部は磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なるように配設されている。尚、コイル７は後述する下部配線７１、側部配線７２および上部配線７３から構成される。また、以下において、「磁気抵抗効果膜３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。
【００２７】
図２に示すように、磁性素子１０では、基板１上に、下部電極層２、磁気抵抗効果膜３および上部電極層５がこの順に配設されている。磁気抵抗効果膜３のＸ軸方向両側には、第１軟磁性層４が配設されている。上部電極５のＸ軸方向両側には、第２軟磁性層６が配設されている。また、各層の層間には絶縁層８が配設されている。
【００２８】
図３では、図２に記載の絶縁層８の各部位を詳細に示している。図３に示すように、磁性素子１０では、基板１上に絶縁層８１、絶縁層８３、絶縁層８４、絶縁層８５、絶縁層８６および絶縁層８７が配設されている。
【００２９】
図４に示すように、磁性素子１０では、基板１上に、絶縁層８１、絶縁層８２、絶縁層８３、第１軟磁性層４、絶縁層８４、下部配線７１、絶縁層８５、第２軟磁性層６、絶縁層８６および上部配線７３が配設されている。
【００３０】
図５に示すように、磁性素子１０では、基板１上に、絶縁層８１、絶縁層８２、下部配線７１、絶縁層８５、側部配線７２、第２軟磁性層６、絶縁層８６および上部配線７３が配設されている。
【００３１】
図６では、磁気抵抗効果膜３の詳細積層構成を示す。図６に示すように、磁気抵抗効果膜３では、バッファー層３１、反強磁性層３２、磁化固定層３３、非磁性スペーサー層３４、磁化自由層３５およびキャップ層３６がこの順に配設されている。尚、本第１の実施形態では、磁化固定層３３が本発明における第１強磁性層に相当し、磁化自由層３５が本発明における第２強磁性層に相当するが、本発明における第１強磁性層および第２強磁性層はこれに限定されない。
【００３２】
次に、各層の説明を行う。
【００３３】
基板１は平滑面を有するシリコン基板である。基板１は、例えばアルティック（Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＣ）、ガラス（ＳｉＯｘ）、又はカーボン（Ｃ）などの材料により構成されてもよい。また、基板１として基板表面があらかじめ熱酸化されたシリコン基板またはガラス基板を用いることもできる。また、図示しないが、基板１表面に絶縁層を形成してもよい。この絶縁層は、後述する下部電極層２から電流が基板１に流れ込むことにより、基板１と下部電極層２との間にキャパシタ成分が発生し、高周波の伝送損失が生じることを防ぐように機能する。この絶縁層としては、例えばスパッタ法またはＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により形成される酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非磁性絶縁材料により構成される。その厚さは、０．０５μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。
【００３４】
下部電極層２は、上部電極層５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２および上部電極層５は、電流を磁気抵抗効果膜３に対して、磁気抵抗効果膜３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３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３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。
【００３５】
このような下部電極層２および上部電極層５としては、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２および上部電極層５の膜厚は、０．０５μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。磁性素子１０では、伝送損失の低減のため、電極層の形状が重要となる。この実施形態では、下部電極層２および上部電極層５を、周知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等により、磁性素子１０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。
【００３６】
磁気抵抗効果膜３は、バッファー層３１、反強磁性層３２、磁化固定層３３、非磁性スペーサー層３４、磁化自由層３５およびキャップ層３６で形成される。各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。
【００３７】
バッファー層３１は、下部電極層２の結晶性を遮断することと、反強磁性層３２の配向・粒径を制御するための層であり、特に、反強磁性層３２と磁化固定層３３との交換結合を良好にするために設けられている。
【００３８】
バッファー層３１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３１の膜厚は、例えば２ｎｍ〜６ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３９】
反強磁性層３２は、磁化固定層３３との交換結合により、磁化固定層３３に一方向磁気異方性を付与することを目的とした層である。
【００４０】
反強磁性層３２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。具体的には、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＲｈＭｎ等が例示でき、Ｍｎの含有量は３５ａｔ％〜９５ａｔ％とすることが好ましい。また、反強磁性層３２の膜厚は、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４１】
尚、磁化固定層３３の磁化方向を固定するための層として、反強磁性層３２に代えてＣｏＰｔ等の硬磁性材料からなる硬磁性層を設けるようにしても良い。
【００４２】
さらに、図６には、反強磁性層３２をボトム側（下部電極層２側）に形成した実施の形態が示されているが、反強磁性層３２をトップ側（キャップ層３６側）に形成して、磁化自由層３５と磁化固定層３３の位置を入れ替えた実施の形態とすることもできる。
【００４３】
磁化固定層３３は、ピンニング作用を果たす反強磁性層３２の上に形成されている。好適な形態として磁化固定層３３は、反強磁性層３２側から、図示しないアウター層、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。
【００４４】
アウター層およびインナー層は、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。アウター層とインナー層は、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。
【００４５】
アウター層およびインナー層は、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。アウター層の膜厚は１ｎｍ〜７ｎｍ、インナー層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍ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。
【００４６】
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。
【００４７】
非磁性スペーサー層３４は、磁化固定層３３の磁化と磁化自由層３５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。
【００４８】
非磁性スペーサー層３４としては、絶縁体、半導体、導体が挙げられる。
【００４９】
非磁性スペーサー層３４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３４の格子定数と磁化固定層３３の格子定数、および非磁性スペーサー層３４の格子定数と磁化自由層３５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３４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〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５０】
非磁性スペーサー層３４として半導体を適用する場合、非磁性スペーサー層３４は、磁化固定層３３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の非磁性金属層の材料としては、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。半導体酸化物層の材料としては、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の非磁性金属層の材料としては、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。
【００５１】
非磁性スペーサー層３４として導体を適用する場合、非磁性スペーサー層３４の材料としてＣｕまたはＡｇが挙げられる。導体の膜厚は１ｎｍ〜４ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５２】
磁化自由層３５は、外部磁界もしくはスピン偏極電子によってその磁化の向きが変化する層である。
【００５３】
磁化自由層３５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。
【００５４】
磁化自由層３５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。
【００５５】
また、磁化自由層３５と非磁性スペーサー層３４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。
【００５６】
高スピン偏極材料としては、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金が挙げられる。高スピン分極材料の層の膜厚は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５７】
また、磁化自由層３５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。
【００５８】
キャップ層３６は、酸化・エッチングなどから磁化自由層３５を保護する目的の層である。キャップ層３６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。
【００５９】
キャップ層３６の成膜後、磁化固定層３３の磁化固着のためのアニールを行う。アニールは、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。
【００６０】
アニール後、周知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等を行い、磁気抵抗効果膜３の上から見た平面視形状を、円形、楕円形、長方形などにパターニングする。平面視形状の寸法は、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６１】
第１軟磁性層４は、後述する第２軟磁性層６と磁気的に結合していて、第２軟磁性層６から放出される磁束を取り込み、磁束を集中させて所望の磁界を磁気抵抗効果膜３に印加するための層である。
【００６２】
第１軟磁性層４の材料としては、例えばスパッタ法、ＩＢＤ法等により形成される軟磁気特性に優れた軟磁性材料を用いることが好ましい。このような軟磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＸ（Ｘ＝Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ）等のＮｉＦｅ合金や、ＦｅＣｏ合金、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＡｌ−Ｏ、Ｆｅ−ＳｉＯ２、ＣｏＦｅＢ等がある。第１軟磁性層４の飽和磁束密度は、第２軟磁性層６の飽和磁束密度より大きくすることが好ましい。このようにすることで、第２軟磁性層６から発生した磁束をより多く第１軟磁性層４に取り込むことが可能となり、第１軟磁性層４から磁気抵抗効果膜３に印加する磁界をより強くすることが可能となる。強磁性体は飽和磁束密度が大きくなると保磁力も大きくなる傾向にある。第２軟磁性層６の飽和磁束密度を第１軟磁性層４と同じように大きくすると、第１軟磁性層４および第２軟磁性層６から構成される磁路全体の保磁力が上昇してしまい、磁路全体の軟磁気特性は大きく低下する。第１軟磁性層４の飽和磁束密度を第２軟磁性層６の飽和磁束密度より大きくし、第２軟磁性層６の保磁力を第１軟磁性層４の保磁力よりも小さくすれば、磁路全体の保磁力の上昇を抑えつつ、より多くの磁束を第１軟磁性層４に取り込むことが可能となり、第１軟磁性層４から磁気抵抗効果膜３に印加する磁界を強くすることができる。第１軟磁性層４の膜厚は、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００６３】
ここで、第１軟磁性層４で規定している寸法について、図７を参照して説明する。
【００６４】
図７に、第１軟磁性層４の平面図を示す。第１軟磁性層４は第１軟磁性層先端領域４１と第１軟磁性層後端領域４２から構成される。第１軟磁性層４の先端部４３は第１軟磁性層先端領域４１の先端部である。ここでは、図７に示すようにＸ方向に第１軟磁性層先端領域４１と第１軟磁性層後端領域４２が並ぶ構成の第１軟磁性層４の例を用いて、第１軟磁性層４の平面視形状の寸法について説明する。第１軟磁性層後端領域４２には、そのＹ方向長さが第１軟磁性層先端領域４１に向かっていくに伴い狭くなる領域が設けられ、この領域のＸ方向長さをＬ１ｍ、この領域の側面のＸ方向に対する角度をθとする。Ｌ１ｍは０．１μｍ〜１０μｍ程度、角度θは１０°〜８０°程度とすることが好ましい。これにより、第１軟磁性層後端領域４２で磁束を集中させることが可能となる。また、第１軟磁性層後端領域４２のＸ方向長さからＬ１ｍを減じた長さをＬ１ｒとする。Ｌ１ｒは０の場合も有り得る。また、第１軟磁性層先端領域４１のＸ方向幅をＬ１ｆ、第１軟磁性層先端領域４１のＹ方向長さをＷ１ｆとする。Ｌ１ｆは０．１μｍ〜５μｍ程度、Ｗ１ｆは０．０１μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。これにより、第１軟磁性層後端領域４２で集中させた磁束を減衰させることなく第１軟磁性層先端領域４１に伝搬させることが可能となる。
【００６５】
次に、磁気抵抗効果膜３と第１軟磁性層４との位置関係について詳細に説明する。
【００６６】
磁気抵抗効果膜３は少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の先端部４３の間に配設されている。このとき、第１軟磁性層４の各々の先端部４３と磁気抵抗効果膜３との離間距離は５０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、第１軟磁性層４から磁気抵抗効果膜に充分な強度の磁界を印加することが可能となる。第１軟磁性層４は、例えば図１に示す通り２対でも良いし、図８に示す通りＸ軸方向に対向するように１対にしても良いし、図９に示す通りＹ軸方向に対向するように１対にしても良いし、図１０に示すＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ一つ配設しても良い。本明細書において、２つの第１軟磁性層４の各々の先端部４３の間の磁界が磁気抵抗効果膜３に印加されるように磁気抵抗効果膜３が配設されていれば、その状態は「２つの第１軟磁性層の各々の先端部の間に磁気抵抗効果膜が配設されている」という。図１に示す磁性素子１０は、磁気抵抗効果膜３へ磁界を印加する方向をＸＹ面内の任意の方向に設定したい場合に好ましい形態である。これにより、例えば、磁気抵抗効果膜３のスピントルク発振出力を大きくするために最適な磁界印加方向を設定することができる。一方、図８、図９および図１０に示す形態は、磁気抵抗効果膜３へ磁界を印加する方向をＸＹ面内のある特定方向に限定して設定したい場合に好ましい形態である。
【００６７】
第２軟磁性層６は、後述するコイル７から発生した磁束を第１軟磁性層４に誘導するための層である。第２軟磁性層６の膜厚は、第１軟磁性層４の膜厚よりも厚くなっている。第２軟磁性層６の平面視形状は、軟磁性体が連続的に連なった環状である。形状が環状であることで、この磁束の外部への漏えいを抑えることができる。ここで環状とは、図１に記載の菱形形状に限らず、例えば図１１に記載の円形でも良いし、図１２に記載したように、第２軟磁性層６の磁路の内周側を鈍角にした形状でも良い。これにより、第２軟磁性層６内の磁気抵抗を低減させることが可能となり、所望の磁束を得るためにコイル７に流す電流量を少なくすることが可能となる。
【００６８】
第２軟磁性層６と磁気抵抗効果膜３との離間距離は、第１軟磁性層４と磁気抵抗効果膜３との離間距離よりも大きくなっている。これにより、第２軟磁性層６の膜厚を十分大きくすることが可能となり、後述するコイル７から発生した磁束をより多く第２軟磁性層６に伝搬させることが可能となる。さらに、少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の一部と第２軟磁性層６の一部が磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なり、第１軟磁性層４と第２軟磁性層６が磁気的に結合している。これにより、第２軟磁性層６の内部で発生した磁束を第１軟磁性層４に伝搬させることが可能となる。このように、コイル７から発生した磁束の伝搬経路を第１軟磁性層４と第２軟磁性層６に分けることにより、比較的膜厚が薄い第１軟磁性層４の磁路長を短くすることが可能となる。これにより、第１軟磁性層４内での磁束の減衰量が小さくなり、第１軟磁性層４から充分な強度の磁界が発生する。
【００６９】
第２軟磁性層６は、例えばスパッタ法、ＩＢＤ法またはフレームめっき法等により形成される軟磁気特性に優れた軟磁性材料で構成されることが好ましい。このような軟磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＮｉＦｅＸ（Ｘ＝Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ）等のＮｉＦｅ合金や、ＦｅＣｏ合金、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＡｌ−Ｏ、Ｆｅ−ＳｉＯ２、ＣｏＦｅＢ等がある。第２軟磁性層６の膜厚は、０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。これにより、第２軟磁性層６の内部に所望の磁束を発生させることが可能となる。
【００７０】
コイル７は、下部配線７１、側部配線７２および上部配線７３から構成され、電流を印加することで磁束が発生する電流による磁界発生源である。図１に示すように、磁性素子１０では、４つのコイル７が第２軟磁性層６に巻回されて構成されており、隣接するコイル７の間の部分の第２軟磁性層６と、第１軟磁性層４の各々の一部（第１軟磁性層後端領域４２の各々の一部）が磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なっている。
【００７１】
下部配線７１、側部配線７２および上部配線７３は、例えば、スパッタ法、ＩＢＤ法またはフレームめっき法等によりＡｕ、ＣｕまたはＡｕＣｕなどの高導電性材料で形成される。また、下部配線７１、側部配線７２および上部配線７３は所望の導電性が確保できれば必ずしも同じ材料である必要はない。さらに、側部配線７２については、第２軟磁性層６と同じ材料で構成してもよい。この場合、側部配線７２を第２軟磁性層６と同時に作製することができるので、作製プロセスの簡略化が可能である。下部配線７１、側部配線７２および上部配線７３の膜厚は０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。これにより、コイル７の導電性を高く設定することが可能となる。また、コイル７は、第２軟磁性層６を中心として巻回する構造（スパイラル構造）を有している。なお、コイル７の巻回数（ターン数）は任意に設定可能である。
【００７２】
絶縁層８は、絶縁層８１、絶縁層８２、絶縁層８３、絶縁層８４、絶縁層８５、絶縁層８６および絶縁層８７から構成され、上述した任意の層間同士の電気的絶縁をとるための層である。
【００７３】
絶縁層８は、例えばスパッタ法、ＩＢＤ法または塗布法等により形成される、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２または加熱時に流動性を示すフォトレジストやスピンオングラス（ＳＯＧ；Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ  ）などの非磁性絶縁材料で構成される。また、絶縁層８としては、前述した非磁性絶縁材料を複数使用してもよい。絶縁層８の膜厚は０．００５μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。さらに、絶縁層８の成膜後に、膜の平坦性を上げるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等による平坦化処理を行ってもよい。
【００７４】
各層のパターニングは、周知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、リフトオフ法等により行われる。
【００７５】
次に、コイル７に流す電流の制御（コイル７から発生する磁束の向きの制御）とスピントルク発振について説明する。
【００７６】
はじめに、コイル７に流す電流の制御について図１３を参照して説明する。
【００７７】
図１３に示す通り、磁性素子１０が備える４つのコイル７０１、７０２、７０３、７０４は、それぞれｐｏｒｔ１、ｐｏｒｔ２、ｐｏｒｔ３、ｐｏｒｔ４の４つの独立した制御ラインに接続されている。ここで、コイル７０１に流す電流をＩ１、コイル７０２に流す電流をＩ２、コイル７０３に流す電流をＩ３、コイル７０４に流す電流をＩ４とする。また、図１３および後述する図２４〜２７に記載した破線矢印の方向に電流を流す場合を＋電流、破線矢印と逆方向に電流を流す場合を−電流とする。また、４つのコイル７０１、７０２、７０３、７０４から発生する環状の第２軟磁性層６における磁束の向きは、各コイルに流す電流の向きが＋の場合の磁束の向き（図１３および後述する図２４〜２７の第２軟磁性層６における反時計回りの向き）を＋の向きとし、各コイルに流す電流の向きが−の場合の磁束の向き（図１３および後述する図２４〜２７の第２軟磁性層６における時計回りの向き）を−の向きとする。また、ＸＹ平面内において磁界印加方向とＸ軸とのなす角をαとする。ここで、第１軟磁性層４の各部の材料、形状および寸法はすべて同じとする。また、コイル７０１、７０２、７０３および７０４の材料、形状、寸法およびターン数はすべて同じとする。
【００７８】
磁気抵抗効果膜３に充分な強度の磁界を印加するために、４つの独立したコイル７０１、７０２、７０３および７０４のうち、少なくとも２つのコイルに電流を流し、少なくとも２つのコイルのうちの一つのコイルから発生する第２軟磁性層６における磁束の向きを、他の少なくとも１つのコイルから発生する第２軟磁性層６における磁束の向きに対して逆向きにする。
【００７９】
例えば、磁気抵抗効果膜３にα＝０°の方向に磁界を印加したい場合、例えば、電流方向をＩ１、Ｉ２では＋方向、Ｉ３、Ｉ４では−方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を同じ値にすれば良い。この場合、コイル７０１および７０２から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは＋方向になり、コイル７０３および７０４から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは−方向になり、磁束の流れは図２４に示す一点鎖線の矢印の通りとなる。この場合、コイル７０１とコイル７０４の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分から、コイル７０２とコイル７０３の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分に磁束が流れ、磁気抵抗効果膜３にα＝０°の方向に磁界が印加される。
【００８０】
磁気抵抗効果膜３にα＝４５°の方向に磁界を印加したい場合、例えば、電流方向をＩ１では＋方向、Ｉ３では−方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ３を同じ値にし、Ｉ２、Ｉ４の電流量は０とすれば良い。この場合、コイル７０１から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは＋方向になり、コイル７０３から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは−方向になり、磁束の流れは図２５に示す一点鎖線の矢印の通りとなる。この場合、コイル７０１とコイル７０４の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分から、コイル７０２とコイル７０３の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分、およびコイル７０１とコイル７０２の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分に磁束が流れる。また、コイル７０３とコイル７０４の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分から、コイル７０１とコイル７０２の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分、およびコイル７０２とコイル７０３の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分に磁束が流れる。その結果、磁気抵抗効果膜３に印加される磁界の方向はα＝４５°となる。
【００８１】
他の方法で磁気抵抗効果膜３にα＝４５°の方向に磁界を印加したい場合、例えば、電流方向をＩ１では＋方向、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４では−方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ２，Ｉ３、Ｉ４を同じ値にすれば良い。この場合、コイル７０１から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは＋方向になり、コイル７０２、７０３および７０４から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは−方向になり、磁束の流れは図２６に示す一点鎖線の矢印の通りとなる。この場合、コイル７０１とコイル７０４の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分から、コイル７０１とコイル７０２の間の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分に磁束が流れる。その結果、磁気抵抗効果膜３に印加される磁界の方向はα＝４５°となる。
【００８２】
同様にして、磁気抵抗効果膜３にα＝９０°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ１、Ｉ４では＋方向、Ｉ２、Ｉ３では−方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を同じ値にすれば良い。磁気抵抗効果膜３にα＝１３５°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ２では−方向、Ｉ４では＋方向に設定して、電流量はＩ２、Ｉ４を同じ値にし、Ｉ１、Ｉ３の電流量は０とすれば良い。磁気抵抗効果膜３にα＝１８０°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ１、Ｉ２では−方向、Ｉ３、Ｉ４では＋方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を同じ値にすれば良い。次に、磁気抵抗効果膜３にα＝２２５°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ１では−方向、Ｉ３では＋方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ３を同じ値にし、Ｉ２、Ｉ４の電流量は０とすれば良い。磁気抵抗効果膜３にα＝２７０°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ１、Ｉ４では−方向、Ｉ２、Ｉ３では＋方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を同じ値にすれば良い。磁気抵抗効果膜３にα＝３１５°の方向に磁界を印加したい場合、電流方向をＩ２では＋方向、Ｉ４では−方向に設定して、電流量はＩ２、Ｉ４を同じ値にし、Ｉ１、Ｉ３の電流量は０とすれば良い。
【００８３】
上述した例では、電流量が０の場合を除いて、各コイル７に流す電流量を同じ場合のみで説明したが、各コイル７に流す電流量を調整することで、任意の方向の磁界を磁気抵抗効果膜３に印加することができる。
【００８４】
また、図２７に示すような磁性素子１００においても、磁気抵抗効果膜３に充分な強度の磁界を印加することができる。磁性素子１００では、２つの第１軟磁性層４の先端部の間に磁気抵抗効果膜３が配設され、２つのコイル７０１および７０３が第２軟磁性層６に巻回されて構成されており、隣接するコイル７０１と７０３の間の部分の第２軟磁性層６と、第１軟磁性層４の各々の一部（第１軟磁性層後端領域４２の各々の一部）が磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なっている。
【００８５】
この場合、例えば、電流方向をＩ１では＋方向、Ｉ３では−方向に設定して、電流量はＩ１、Ｉ３を同じ値にすると、コイル７０１から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは＋方向になり、コイル７０３から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きは−方向になり、磁束の流れは図２７に示す一点鎖線の矢印の通りとなる。この場合、コイル７０１とコイル７０３の間の一方の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分から、コイル７０１とコイル７０３の間の他方の部分の第２軟磁性層６と積層方向に重なっている第１軟磁性層４の部分に磁束が流れる。その結果、磁気抵抗効果膜３に印加される磁界の方向はα＝４５°となる。
【００８６】
αと、各コイルから発生する環状の第２軟磁性層６における磁束の向きと、各コイルに流す電流方向および電流量との関係を表１にまとめた。
【表１】
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【００８７】
このように、少なくとも２つの電流による磁界発生源（コイル７）のうちの一つの磁界発生源から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きを、他の少なくとも１つの磁界発生源から発生する第２軟磁性層６における磁束の向きに対して逆向きにし、磁界発生源からの磁束を少なくとも２つ第１軟磁性層４の間に流すことで、磁気抵抗効果膜３に充分な強度の磁界を印加することができる。
【００８８】
また、磁性素子１０のように、４つの電流による磁界発生源（コイル７０１〜７０４）と４つの第１軟磁性層４を備え、隣接するコイル７の間の部分の第２軟磁性層６と、第１軟磁性層４の各々の一部が磁気抵抗効果膜３の積層方向に重なっていることで、磁気抵抗効果膜３に印加する磁界の方向を変化させることができる。
【００８９】
次に、スピントルク発振出力について説明する。
【００９０】
以下に、スピントルク発振現象に関して簡易に説明する。磁気抵抗効果膜３に対して直流電流を流した場合、磁化固定層３３にてスピン偏極を受けた電子が、磁化自由層３５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３５内部にて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界を印加した場合、２つの相反するトルクが拮抗した際に、大きな磁化の歳差運動が生じ、歳差運動の周期に対応した周波数の高周波信号が出力される。この現象がスピントルク発振である。
【００９１】
図１４に、磁性素子１０の発振出力を測定するための装置構成の概略図を示す。１１はバイアスティーであり、ＡＣ信号とＤＣ信号の分離を行う。１２はパワーアンプであり、バイアスティー１１により分離されたＡＣ信号の増幅を行う。１３はスペクトラムアナライザであり、パワーアンプ１２で増幅された高周波信号の出力を測定する。１４はソースメーターであり、磁気抵抗効果膜３への電流印加を行う。ソースメーター１４より磁気抵抗効果膜３に対して印加する電流は、素子の破壊電圧を考慮し設定する。１５はダイオードであり、磁気抵抗効果膜３の破壊防止のため接続する。
【００９２】
また、磁性素子１０に対してスピントルク発振測定を行えば、磁化自由層３５の磁化の歳差運動の周期に対応した周波数近傍で発振ピークを得ることが可能となる。
【００９３】
このように磁性素子１０は、非磁性スペーサー層３４と非磁性スペーサー層３４を介して配設された第１強磁性層（磁化固定層３３）および第２強磁性層（磁化自由層３５）とを備えた磁気抵抗効果膜３と、磁気抵抗効果膜３の積層方向に磁気抵抗効果膜３を介して配設された一対の電極（下部電極層２と上部電極層５）と、少なくとも２つの第１軟磁性層４と、電流による磁界発生源（コイル７）と、磁界発生源（コイル７）と磁気的に接続された第２軟磁性層６とを備え、第２軟磁性層６は環状で、第２軟磁性層６と磁気抵抗効果膜３との離間距離は第１軟磁性層４と磁気抵抗効果膜３との離間距離より大きく、第２軟磁性層６の膜厚は第１軟磁性層４の膜厚より厚く、少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の一部と第２軟磁性層６の一部は積層方向に重なっていて、第１軟磁性層４と第２軟磁性層６は磁気的に結合していて、少なくとも２つの第１軟磁性層４の各々の先端部４３の間に磁気抵抗効果膜３が配設されているので、磁気抵抗効果膜３に充分な強度の磁界を印加することが可能となる。
【００９４】
（第２の実施形態）
図１５〜図１７を参照して、本発明の第２の実施形態に係る磁性素子２００の構成について説明する。図１５は、本発明の第２の実施形態に係る磁性素子２００の平面図、図１６は図１５のＡ−Ａ線断面図、図１７は図１５のＢ−Ｂ線断面図、である。尚、図１５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２００が第１の実施形態の磁性素子１０と異なるのは、第３軟磁性層９が第１軟磁性層４と第２軟磁性層６との間に配設されている点である。
【００９５】
第３軟磁性層９は、第１軟磁性層４と第２軟磁性層６との磁気的結合を強くするための層である。第３軟磁性層９が第１軟磁性層４と第２軟磁性層６との間に配設されることで、第２軟磁性層６の内部で発生した磁束が第３軟磁性層９を介して第１軟磁性層４へ伝搬
する。これにより、第２軟磁性層６から外部に発生する漏れ磁界を低減することが可能となる。従って、磁気抵抗効果膜３に充分な強度の磁界を印加することが可能となる。
【００９６】
さらに、第１軟磁性層４の飽和磁束密度は、第３軟磁性層９の飽和磁束密度より大きくすることが好ましい。このようにすることで、第３軟磁性層９から発生した磁束をより多く第１軟磁性層４に取り込むことが可能となり、第１軟磁性層４から磁気抵抗効果膜３に印加する磁界をより強くすることが可能となる。強磁性体は飽和磁束密度が大きくなると保磁力も大きくなる傾向にある。第３軟磁性層９の飽和磁束密度を第１軟磁性層４と同じように大きくすると、第１軟磁性層４、および第３軟磁性層９から構成される磁路全体の保磁力が上昇してしまい、磁路全体の軟磁気特性は大きく低下する。第１軟磁性層４の飽和磁束密度を、第３軟磁性層９の飽和磁束密度より大きくし、第３軟磁性層９の保磁力を第１軟磁性層４の保磁力よりも小さくすれば、磁路全体の保磁力の上昇を抑えつつ、より多くの磁束を第１軟磁性層４に取り込むことが可能となり、第１軟磁性層４から磁気抵抗効果膜３に印加する磁界を強くすることができる。
【００９７】
第３軟磁性層９の材料としては、例えばスパッタ法、ＩＢＤ法またはフレームめっき法等により形成される軟磁気特性に優れた軟磁性材料で構成されることが好ましい。このような軟磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＮｉＦｅＸ（Ｘ＝Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ）等のＮｉＦｅ合金や、ＦｅＣｏ合金、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＡｌ−Ｏ、Ｆｅ−ＳｉＯ２、ＣｏＦｅＢ等がある。第３軟磁性層９の膜厚は、０．０１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。これにより、第１軟磁性層４と第２軟磁性層６との磁気的結合を強くすることが可能となる。
【００９８】
第３軟磁性層９のパターニングは、周知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、リフトオフ法等により行われる。
【００９９】
（第３の実施形態）
図１８〜図１９を参照して、本発明の第３の実施形態に係る磁性素子３００の構成について説明する。尚、第３の実施形態における磁性素子３００の平面図は図１５と同じなので、図１５を参照して以下の説明を行う。図１８は第３の実施形態に係る図１５のＡ−Ａ線断面図、図１９は第３の実施形態に係る図１５のＢ−Ｂ線断面図である。磁性素子３００が第２の実施形態の磁性素子２００と異なるのは、第２の実施形態の磁性素子２００では第２軟磁性層６と第３軟磁性層９との間に絶縁層８が配設されているのに対して、磁性素子３００では第２軟磁性層６と第３軟磁性層９が直接接続されている点である。これにより、磁性素子３００は第２の実施形態の磁性素子２００と比較して、第２軟磁性層６と第３軟磁性層９との磁気的結合を強くすることが可能となり、第２軟磁性層６から外部に発生する漏れ磁界を低減することができる。従って、磁性素子３００は第２の実施形態の磁性素子２００と比較して、磁気抵抗効果膜３に強い磁界を印加することが可能となる。
【０１００】
（第４の実施形態）
図２０〜図２１を参照して、本発明の第４の実施形態に係る磁性素子４００の構成について説明する。尚、第４の実施形態における磁性素子４００の平面図は図１５と同じなので、図１５を参照して以下の説明を行う。図２０は第４の実施形態に係る図１５のＡ−Ａ線断面図、図２１は第４の実施形態に係る図１５のＢ−Ｂ線断面図である。磁性素子４００が第２の実施形態の磁性素子２００と異なるのは、第２の実施形態の磁性素子２００では第１軟磁性層４と第３軟磁性層９との間に絶縁層８が配設されているのに対して、磁性素子４００では第１軟磁性層４と第３軟磁性層９が直接接続されている点である。これにより、磁性素子４００は第２の実施形態の磁性素子２００と比較して、第１軟磁性層４と第３軟磁性層９との磁気的結合を強くすることが可能となり、第３軟磁性層９から外部に発生する漏れ磁界を低減することができる。
【０１０１】
（第５の実施形態）
図２２〜図２３を参照して、本発明の第５の実施形態に係る磁性素子５００の構成について説明する。尚、第５の実施形態における磁性素子５００の平面図は図１５と同じなので、図１５を参照して以下の説明を行う。図２２は第５の実施形態に係る図１５のＡ−Ａ線断面図、図２３は第５の実施形態に係る図１５のＢ−Ｂ線断面図である。磁性素子５００が第２の実施形態の磁性素子２００と異なるのは、第２の実施形態の磁性素子２００では第１軟磁性層４と第３軟磁性層９との間及び第２軟磁性層６と第３軟磁性層９との間に絶縁層８が配設されているのに対して、磁性素子５００では第１軟磁性層４と第３軟磁性層９とが直接接続されていて、且つ第２軟磁性層６と第３軟磁性層９とが直接接続されている点である。これにより、磁性素子５００は第２の実施形態の磁性素子２００と比較して、第１軟磁性層４と第３軟磁性層９との磁気的結合を強くすることが可能となり、且つ第２軟磁性層６と第３軟磁性層９との磁気的結合を強くすることができる。よって、第２軟磁性層６及び第３軟磁性層９から外部に発生する漏れ磁界を低減することができる。
【０１０２】
以上、本発明をその好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【０１０３】
例えば、上記の実施形態では、電流による磁界発生源として巻回形成されたコイルを用いているが、電流による磁界発生源はワイアー形状でも良い。この場合、ワイアー形状の磁界発生源を第２軟磁性層６の近傍に設置して、ワイアー形状の磁界発生源と第２軟磁性層６とを磁気的に接続すれば良い。
【０１０４】
また、例えば、上記の実施形態では磁化固定層３３が下部電極層２側、磁化自由層３５が上部電極層５側に配設されるボトム型スピンバルブ積層構造を用いているが、磁化固定層３３が上部電極層５側、磁化自由層３５が下部電極層２側に配設されるトップ型スピンバルブ構造でも良い。
【０１０５】
また、例えば、上記の実施形態では基板１上に、第１軟磁性層４、第３軟磁性層９および第２軟磁性層６がこの順に配設されているが、基板１上に、第２軟磁性層６、第３軟磁性層９および第１軟磁性層４がこの順に配設されていても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明の産業上の利用可能性として、局部発振器、無線通信用送受信器、高周波アシスト記録（ＭＡＭＲ）用素子、整合回路、周波数可変型アンテナ装置などが挙げられる。
【符号の説明】
【０１０７】
１  基板
２  下部電極層
３  磁気抵抗効果膜
３１  バッファー層
３２  反強磁性層
３３  磁化固定層
３４  非磁性スペーサー層
３５  磁化自由層
３６  キャップ層
４    第１軟磁性層
４１  第１軟磁性層先端領域
４２  第１軟磁性層後端領域
４３  第１軟磁性層先端部
５  上部電極層
６  第２軟磁性層
７、７０１、７０２、７０３、７０４  コイル
７１  下部配線
７２  側部配線
７３  上部配線
８、８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７  絶縁層
９  第３軟磁性層
１０、１００、２００、３００、４００、５００  磁性素子
１１  バイアスティー
１２  パワーアンプ
１３  スペクトラムアナライザ
１４  ソースメーター
１５  ダイオード
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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