(57)【要約】【課題】  磁気抵抗効果素子を基板に実装する際や、素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合にも磁化固定層の磁化方向を変化させず素子特性劣化を抑える。【解決手段】  外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化自由層と、非磁性スペーサ層と、磁化の方向が固定された磁化固定層と、反強磁性層とがこの順に積層された磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された前記磁化固定層にバイアス磁界を印加する強磁性体で構成されたバイアス磁界印加部を備え、前記磁化固定層は前記非磁性スペーサ層に対向する第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面を有し、バイアス磁界印加部全体が前記第２の面を含む平面に対して前記磁化自由層と反対側に存在する。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化自由層と、磁化の方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された非磁性スペーサ層と、反強磁性層を有する積層体と、前記磁化自由層に磁界を印加する磁界印加手段と、
磁化の方向が固定された前記磁化固定層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化固定層は前記非磁性スペーサ層に対向する第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面を有し、
前記反強磁性層を有する積層体は前記磁化固定層の第２の面と対向し、
前記バイアス磁界印加部全体が前記磁化固定層の第２の面を含む平面に対して前記磁化自由層と反対側に存在し、バイアス磁界印加部は強磁性体であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記バイアス磁界印加部の、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して直交する断面の断面積の最小値が、前記磁化固定層の、磁気抵抗効果素子の積層方向に対して直交する断面の断面積の最小値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記バイアス磁界印加部は、前記磁化固定層の磁化方向と平行方向に形状異方性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記バイアス磁界印加部は複数の領域から構成されることを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の磁気抵抗効果素子を備えた素子パッケージと、基板と、前記素子パッケージと前記基板とを接合するはんだとを備え、
前記磁気抵抗効果素子の前記バイアス磁界印加部の保磁力は、前記はんだが溶融する温度において、前記バイアス磁界印加部の最大磁化の半分以上を保持することを特徴とする半導体回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびそれを用いた半導体回路に関するものである。
【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、磁化方向が一定方向に固定された磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に存在し非磁性材料からなる非磁性スペーサ層からから構成される。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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の読み取りヘッドや磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などに応用されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００３】
また、磁気抵抗効果素子では、電子、すなわちスピンがスピン角運動量を他方の磁性層へ受け渡して伝導電子のスピンの向きが変化する時、その角運動量が保存されるため磁性層にトルク（スピントランスファートルク）が発生す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、ある一定のエネルギーにおいて、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３）。磁気抵抗効果素子の高周波特性は、印加磁界の強度と角度、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として、例えば、携帯端末の高機能化として検討されているマルチバンド化やアクティブチューニングへの適用が検討されている。具体的には、マルチバンド化やアクティブチューニングには１ＧＨｚ以上の高周波領域で利用可能な低損失の可変型整合回路の実現が必須であるが、前記整合回路にバリキャップダイオードを用いた場合、１ＧＨｚ以上の高周波領域ではＱ値低下、動作電圧増大を引き起こしてしまう。
【０００５】
これに対して、本発明者らは前記整合回路に磁気抵抗効果素子を用いれば、Ｑ値低下防止と動作電圧増大の観点でバリキャップダイオードを凌ぐ可能性があることを見出し、開発を進めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２６２７３１
【特許文献２】特開２００３−２６４３２４
【特許文献３】特開２０１０−２５２２９６
【非特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
しかしながら、従来技術では以下のような課題がある。
【０００９】
磁気抵抗効果素子の高周波特性は素子への磁界印加強度と角度で制御可能だが、産業利用を考えた場合、磁気抵抗効果素子を半導体回路として基板に実装する際に発生する素子特性劣化による高周波特性低下を抑える必要がある。
【００１０】
特許文献１では、磁気抵抗効果素子に磁界が存在しない場合、フリー層の磁化方向は、磁気抵抗効果素子の両側に位置するハードバイアス層の影響を受けることにより、ピンド層の磁化方向に対して垂直に向いている。磁気抵抗効果素子が記録媒体上の所定領域から信号磁界を印加されると、フリー層の磁気モーメントは信号磁界の向きに応じて回転可能となる。ここでフリー層とは磁化自由層と同義であり、ピンド層とは磁化固定層と同義である。磁気抵抗効果素子が比較的高い信号感度を維持するようにするため、記録媒体と平行になる向きの水平方向のバイアス（縦バイアス）が必要で、縦バイアス再生ヘッド構造では、高い保磁力を有するハードバイアス層が、磁気抵抗効果素子の両端部に隣接している。
【００１１】
しかし特許文献１では、ハードバイアス層は磁界印加強度と角度が固定されているため、磁化自由層に印可する磁界強度と角度を適切に制御して磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用することができなくなる可能性がある。
【００１２】
特許文献２では、ハードディスクドライブの高記録密度化に伴い読み取りヘッドが３次元的に広がる隣接トラックからの漏れ磁界を検出してしまうため高記録密度化に適切に対応できなくなる課題を改善するため、反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を有する多層膜、すなわち磁気抵抗効果素子において、前記多層膜の下側には、前記多層膜のトラック幅方向の両側端面よりもトラック幅方向に延びて形成された下部シールド層が設けられ、前記多層膜の上側には、前記多層膜のトラック幅方向の両側端面よりもトラック幅方向に延びて形成された上部シールド層が設けられ、前記多層膜のトラック幅方向の両側であって、前記下部シールド層と上部シールド層間には、サイドシールド層が設けられる構造が提案されている。
【００１３】
しかし特許文献２では、磁気抵抗効果素子の上下左右にシールド層が設けられることにより、磁化自由層には一方向からしか外部磁界が入力できない構造となり、磁化自由層に印加する磁界強度と角度を適切に制御できなくなる可能性がある。
【００１４】
特許文献３では、磁気抵抗効果素子の高周波応用として磁気抵抗効果素子に印加する外部磁界を制御して周波数変換装置にスイッチング機能を持たせることが提案されている。特許文献３に使用される磁気抵抗効果素子は外部磁界による制御を可能にするため、磁気抵抗効果素子にはハードバイアス層やシールド層は設けられておらず、その結果外部磁界を制御することで強磁性共鳴周波数を変化させ、周波数変換の有無を切り替えるスイッチング機能を作動させることが可能となる。
【００１５】
しかし、特許文献３における周波数変換装置を基板に実装する素子実装工程、すなわちリフロー工程において、基板と部品を接続するはんだの溶融温度は、磁化固定層の磁化方向を決定するための熱処理温度（以下、アニール温度とする）に近い、もしくはアニール温度より高い温度であるため、リフロー工程において磁化固定層の保持力が低下して結果的に磁化固定層の磁化方向が変化してしまい、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比や磁気抵抗値などの磁気特性が低下する可能性がある。またリフロー工程以外でも磁気抵抗効果素子内部に電流が流れることによる自己発熱や、静電気の発生による瞬間的な温度上昇が要因となり、磁化固定層の磁化方向が変化する可能性がある。
【００１６】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、外部磁界強度と角度を変化させることで高周波特性を変化させる磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果素子に適切な磁界強度と角度を印加できる機能を備え、かつ、リフロー工程などの素子実装工程や磁気抵抗効果素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合に、磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化方向が変化するために発生する高周波特性劣化を抑制することが可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた半導体回路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】
【００１７】
前記目的を達成すべく、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化自由層と、磁化の方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された非磁性スペーサ層と、反強磁性層を有する積層体と、前記磁化自由層に磁界を印加する磁界印加手段と、
磁化の方向が固定された前記磁化固定層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化固定層は前記非磁性スペーサ層に対向する第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面を有し、
前記反強磁性層を有する積層体は前記磁化固定層の第２の面と対向し、
前記バイアス磁界印加部全体が前記磁化固定層の第２の面を含む平面に対して前記磁化自由層と反対側に存在し、バイアス磁界印加部は強磁性体であることを特徴とする。
【００１８】
上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、素子に急激な温度上昇が発生して磁化固定層の磁化方向が変化する場合でも、強磁性層を含む積層膜で構成され、全体として強磁性体の特性を持つバイアス磁界印加部の磁界が保持力と磁化方向を維持したまま磁化固定層の第２の面とバイアス磁界印加部の間に設けられた反強磁性層に印加され、反強磁性層と磁化固定層の第２の面の磁化方向が交換結合して一方向磁化となる結果、磁化固定層の磁化方向は一方向に規定され、磁気抵抗効果素子の特性を維持することが可能になる。
【００１９】
また、上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、バイアス磁界印加部は非磁性膜と強磁性層を交互に積層した多層膜から構成される構造持つことで、強磁性層はＲＫＫＹ結合によりより強磁性体の磁気特性を持るため強い磁界を持つことが可能となり、バイアス磁界印加部の磁化方向が磁化固定層の磁化方向を規定するため、磁化固定層の磁化が弱くなって磁化方向が方向が変化する温度であっても磁化固定層の磁化方向は常に一定の方向を維持することが出来、磁気抵抗効果素子の特性を維持することが出来る。
【００２０】
さらに上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、バイアス磁界印加部は磁化固定層の第２の面を含む平面に対して磁化自由層と反対側に位置するため、バイアス磁界印加部の磁界は、磁化自由層に印加される割合よりも磁化固定層の第２の面に対向する反強磁性層に優先的に印可され、磁化自由層が受けるバイアス磁界印加部の磁界の影響は小さく、磁化印加手段による外部磁界強度と角度による磁気抵抗効果素子の高周波特性制御が可能になる。
【００２１】
前記目的を達成する磁気抵抗効果素子において、バイアス磁界印加部の、磁気抵抗効果素子の積層方向に対して直交する断面の断面積の最小値が、前記磁化固定層の、磁気抵抗効果素子の積層方向に対して直交する断面の断面積の最小値よりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、バイアス磁界印加部の断面積が磁化固定層の断面積よりも大きいことで面内磁気異方性を高めることが出来、磁化固定層と同じ断面積のバイアス磁界印加部よりも磁気安定性を高めることが可能になる。
【００２３】
前記目的を達成する磁気抵抗効果素子において、バイアス磁界印加部は、磁化固定層の磁化方向と平行方向に形状異方性を有することを特徴とする。
【００２４】
上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、バイアス磁界印加部に形状異方性を持たせることで磁化固定層の断面積と同じ形状の場合よりも、バイアス磁界印加部の一軸磁気異方性を高めることが可能になる。
【００２５】
前記目的を達成する磁気抵抗効果素子において、バイアス磁界印加部は複数の領域から構成されることを特徴とする。
【００２６】
上記特徴の磁気抵抗効果素子によれば、１つの強磁性層で構成されたバイアス磁界印加部で発生する磁界よりも、磁化固定層を囲むように配置された２つ以上の強磁性層で構成されたバイアス磁界印加部から発生する磁界の中に反強磁性層を配置した方が強い磁界を反強磁性層に印加することが出来るため、バイアス磁界印加部が１つの場合よりも強固に反強磁性層の磁界方向を維持することが可能になる。
【００２７】
前記目的を達成する磁気抵抗効果素子を備えた素子パッケージと、基板と、素子パッケージと基板とを接合するはんだとを備えた半導体回路における、磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加部の保持力は、はんだが溶融する温度において、バイアス磁界印加部の最大磁化の半分以上を保持することを特徴とする。
【００２８】
上記特徴の半導体回路によれば、磁気抵抗効果素子に急激な温度上昇が発生しても、バイアバイアス磁界印加部が持つ最大磁束の半分は保持されるため、バイアス磁界印加部の磁界方向は変化せず、磁化固定層の保持力が低下して磁化方向が変化する可能性のある温度下においても、バイアス磁界印加部の磁界が磁化固定層の磁化方向を規定することが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、外部磁界強度と角度を変化させることで高周波特性を変化させる磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果素子に適切な磁界強度と角度を印加できる機能を備え、かつ、リフロー工程などの素子実装工程や磁気抵抗効果素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合に、磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化方向が変化するために発生する高周波特性劣化を抑制することが可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた半導体回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の上面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る半導体回路の概略図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の温度特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について図１を用いて説明する。
【００３３】
図１では、磁気抵抗効果素子１０１は下部電極２上にバッファー層（図示せず）、バイアス磁界印加部１４、反強磁性層１３、磁化固定層１２、非磁性スペーサ層１１、磁化自由層１０、キャップ層（図示せず）、上部電極１がこの順に積層されており、磁化固定層１２は、非磁性スペーサ層１１に対向する面１７と反強磁性層１３に対向する面１８を有しており、バイアス磁界印加部１４は、磁化固定層１２が反強磁性層１３と対向する面１８を含む平面１９に対して、磁化自由層１０とは反対側に位置している。
【００３４】
磁気抵抗効果素子１０１の周囲に磁界印加手段１６がある。磁界印加手段１６は磁化自由層全体に均一な一様磁界を印加する構造を備えている。磁界印加手段１６は永久磁石や電磁石などで構成される。複数の磁界印加手段１６を設けて磁気抵抗効果素子１０１に磁界を加えることで、３６０度での磁界印加が可能になる。
【００３５】
下部電極２と上部電極１の間に積層される膜は上下の順番が逆になることも考えられ、その場合、磁気抵抗効果素子１０１は、下部電極２上にキャップ層、磁化自由層１０、非磁性スペーサ層１１、磁化固定層１２、反強磁性層１３、バイアス磁界印加部１４、バッファー層、上部電極１の順番に積層され、バイアス磁界印加部１４は磁化固定層１２が反強磁性層１３と対向する面１８を含む平面１９に対して、磁化自由層１０とは反対側に位置している。
【００３６】
磁気抵抗効果素子１０１の周囲は絶縁層１５でおおわれており、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向、すなわち上部電極１と下部電極２の方向に電流が流れる。このとき、非磁性スペーサ層１１の厚さが数Å〜数ｎｍと非常に薄いため、非磁性スペーサ層１１にはトンネル電流が流れる。磁界印加手段１６の磁界強度と磁界角度により磁化自由層１０の磁化方向は変化するが、磁化固定層１２の磁化方向は変化しない。
【００３７】
磁界印加手段１６の磁界強度と角度を変化させることで磁化自由層１０の磁化方向が変化し、その結果磁化自由層１０と磁化固定層１２のなす角が変化する。磁化自由層１０の磁化方向と磁化固定層１２の磁化方向が互いに平行に近いときは、トンネル確率が高くなり、電気抵抗が小さくなる。また、磁化自由層１０の磁化方向と磁化固定層１２の磁化方向が互いに反平行に近いときにはトンネル確率が低く、電気抵抗が大きくなる。
【００３８】
磁気抵抗効果素子１０１における磁化固定層１２は、強磁性体の単層構造で構成される以外にも、非磁性スペーサ層を挟んだ積層膜になっている場合もあり、積層された強磁性層の第１の強磁性層１２ａと第２の強磁性層１２ｂがＲＫＫＹ結合により強力に磁気結合され、強磁性層１２ａと１２ｂの磁化方向は互いに逆の方向となる。
【００３９】
磁化固定層１２の第２の面１８と対向する位置に配置される反強磁性層１３は磁化固定層１２の磁界強度をより強力にするために存在し、磁化固定層１２ｂと反強磁性層１３が対向する面で交換結合している。
【００４０】
ここで、反強磁性層１３は磁化固定層１２の磁化方向を決定づけるのに影響は及ぼすが反強磁性層１３全体としては磁化がゼロのため、磁化自由層との磁化のなす各を形成する磁化固定層としての機能は果たさない。
【００４１】
次に、磁気抵抗効果素子１０１の各層について説明を行う。
【００４２】
下部電極２の下には基板があり（図示せず）、平滑面を有するシリコン基板を準備する。このシリコン基板は、外径１５０ｍｍで、厚みが２ｍｍ程度であり、市販品として購入することができる。基板は、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、基板表面に絶縁層を形成してもよい。前記絶縁層は、後述する下部電極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。前記絶縁層としては、例えばスパッタ法、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により酸化アルミニウム（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。
【００４３】
下部電極２は、後述する上部電極１と一対の電極としての役目を備えている。つまり、電流を素子に対して、素子を構成する各層の面と交差する方向、例えば、素子を構成する各層の面に対して垂直な方向（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。
【００４４】
下部電極２、上部電極１の構成として、例えばスパッタ法、ＩＢＤ法等によりＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、の単組成、もしくは前記材料のいずれか２種以上の組成から構成される膜で構成される。下部電極２および上部電極１の膜厚は、０．０５μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。
【００４５】
バッファー層、反強磁性層１３、磁化固定層１２、非磁性スペーサ層１１、磁化自由層１０、キャップ層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。
【００４６】
バッファー層は、下部電極２の結晶性を遮断することと、反強磁性層１３の配向・粒径を制御するための層であり、特に反強磁性層１３と磁化固定層１２との交換結合を良好にするために設けられており、例えばＴａとＮｉＣｒとの膜やＴａとＲｕとの積層膜や合金膜が好ましい。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。
【００４７】
反強磁性層１３は、磁化固定層１２との交換結合により、磁化固定層１２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。
【００４８】
反強磁性層１３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。本実施形態においては、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等で構成される合金が例示できる。熱処理系反強磁性材料としては、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＲｈＭｎ等で構成される合金が例示できる。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。反強磁性層１３の膜厚は、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４９】
磁化固定層１２は、磁化固定層１２の磁界強度をより強くするピンニング作用を果たす反強磁性層１３の上に形成されている。磁化固定層１２は、反強磁性層１３に近い側から、第２の強磁性層１２ｂ、非磁性中間層（図示せず）、および第１の強磁性層１２ａ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。
【００５０】
第１の強磁性層１２ａおよび第２の強磁性層１２ｂ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。第１の強磁性層１２ａおよび第２の強磁性層１２ｂ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。
【００５１】
第１の強磁性層１２ａおよび第２の強磁性層１２ｂ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。第２の強磁性層１２ｂの膜厚は１ｎｍ〜７ｎｍ、第１の強磁性層１２ａの膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。第１の強磁性層１２ａには、ホイスラー合金を含んでも良い。
【００５２】
磁化固定層１２の磁化方向を決定するアニール処理を行うには、反強磁性層１３のＩｒ、Ｍｎ合金が共有結合をなくすブロッキング温度程度まで上げる必要があり、その温度は約２００℃から２６０℃である。
【００５３】
反強磁性層１３のブロッキング温度になると磁気モーメントが熱的に激しく揺らいで一軸異方性が消失するため、外部磁界の影響により磁化方向が変化しやすくなり、その後冷却された時に反強磁性層１３の強磁性結合が弱くなる。反強磁性層１３に対向する第２の強磁性層１２ｂは反強磁性層１３との交換結合が弱くなるため磁化固定層１２の強度は弱くなる。
【００５４】
磁化固定層１２の間に挟まれる非磁性中間層は、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、第１の強磁性層１２ａの磁化と第２の強磁性層１２ｂ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。
【００５５】
非磁性スペーサ層１１は、磁化固定層１２の磁化と磁化自由層１１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。
【００５６】
非磁性スペーサ層１１としては、絶縁体、半導体、導体が挙げられる。
【００５７】
非磁性スペーサ層１１として絶縁体を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３や酸化マグネシウムが挙げられる。酸化マグネシウムは、均一に形成された単結晶構造のＭｇＯ（００１）が好ましく、非磁性スペーサ層１１と磁化自由層１０との間にはコヒーレントトンネル効果が期待できるように調整することで高い磁気抵抗変化率が得られることでより好ましい。絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５８】
非磁性スペーサ層１１として半導体を適用する場合、磁化固定層１２側から第１の非磁性金属層、半導体酸化物層、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、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）、ＧａＯまたはＧａ２Ｏ３などのような酸化ガリウム合金が挙げられる。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、ＣｕとＧａと合金が挙げられる。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。
【００５９】
非磁性スペーサ層１１として導体を適用する場合、Ｃｕ、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。
【００６０】
磁化自由層１０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。
【００６１】
磁化自由層１０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、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍ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１ｎｍ〜９ｎｍ程度の軟磁性膜を付加してもよい。
【００６２】
磁化自由層１０は、膜面垂直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／非磁性スペーサ層積層膜、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。
【００６３】
また、磁化自由層１０の積層構造と非磁性スペーサ層１１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。
【００６４】
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。
【００６５】
また、磁化自由層１０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。
【００６６】
キャップ層は、酸化・エッチングなどから磁化自由層１０を保護する目的の層である。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、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。
【００６７】
キャップ層成膜後、磁化固定層１２の磁化固着のためのアニール処理を行う。アニール処理は、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。
【００６８】
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、磁気抵抗効果素子１００の上から見た形状を、円形、楕円形、長方形などにパターニングする。寸法は、１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６９】
バイアス磁界印加部１４はＣｏやＦｅを含む強磁性材料で構成される。バイアス磁界印加部１４は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く、バイアス磁界印加領域全体として強磁性体となる。。バイアス磁界印加部１４の膜厚は１ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることが好ましい。バイアス磁界印加部１４は、ホイスラー合金を含んでいても良い。
【００７０】
バイアス磁界印加部１４から発生する磁界と反強磁性層１３の対向する面は交換結合により磁化方向が決定され、反強磁性層１３と磁化固定層１２の第２の強磁性膜１２ｂの対向する面１８が交換結合し、第２の強磁性膜１２ｂは第１の強磁性膜１２ａとＲＫＫＹ結合により磁化方向が決定される。
【００７１】
またバイアス磁界印加部が非磁性スペーサ層を挟んだ積層膜になっている場合には、積層された強磁性層同士がＲＫＫＹ結合により単層構造の場合よりも強い磁界を発生することができる。
【００７２】
強磁性体を有する積層体で構成されているバイアス磁界印加部１４は、磁化固定層１２が反強磁性層１３と対向する面１８を含む平面１９に対して磁化自由層１０とは反対側に位置しており、バイアス磁界印加部１４と磁化自由層１０とは距離が離れているため、バイアス磁界印加部１４が発生する磁界は、磁化自由層１０に印加される割合よりも反強磁性層１３に優先的に印可される割合が大きく、実質的には磁化自由層１０はバイアス磁界印加部１４の影響を受けない。
【００７３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について図２を用いて説明する。
【００７４】
第１の実施形態で示した磁気抵抗効果素子１０１の構造を、図２に示す磁気抵抗効果素子１０２に示すように、磁気抵抗効果素子１０２の積層方向に直交するバイアス磁界印加部１４の断面１４ａの断面積の最小値が、磁気抵抗効果素子１０２の積層方向に直交する磁化固定層１２の断面１２ｃの断面積の最小値より大きくなるように形成する。ここで磁気抵抗効果素子１０１に示した上部電極１は図示していない。
【００７５】
バイアス磁界印加部１４の断面１４ａを大きくすることで、面内磁気異方性が向上し、バイアス磁界印加部１４の保持力を高めることが可能になるため、実施形態１で示す磁気抵抗効果素子１０１の形状の場合よりも、磁気抵抗効果素子１０２を含む素子パッケージを基板に実装するリフロー工程や、素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合に、磁化固定層１２の磁化方向をバイアス磁界印加部１４によって維持することが可能になる。
【００７６】
また、バイアス磁界印加部１４の断面１４ａに外接する長方形はバイアス磁界印加部１４の断面１４ａの磁化方向と平行な辺を有しており、その長方形の長辺の長さが、磁気抵抗効果素子１０１の磁化固定層１２の断面１２ｃの中で取り得る最長の対角線よりも長くなっており、バイアス磁界印加部１４の断面１４ａに外接する長方形の短辺は、磁化固定層１２の磁化方向と平行で断面１２ｃに外接する長方形の短辺よりも長くなっている。
【００７７】
望ましくはバイアス磁界印加部１４の断面１４ａに外接する長方形の長辺方向が、磁化固定層１２の磁化方向と平行になる、すなわちバイアス磁界印加部１４の磁化方向と磁化固定層１２の磁化方向が平行となる関係において、バイアス磁界印加部１４に外接する長方形の長辺方向に形状異方性を持ったバイアス磁界印加部１４の断面１４ａを設定する。
【００７８】
バイアス磁界印加部１４に形状異方性を付与することで、バイアス磁界印加部１４の断面積を大きくすることによる保持力増加の効果をさらに高めることが可能になる。
【００７９】
第２の実施形態で示したバイアス磁界印加部１４の断面１４ａの形状は、多角形、楕円、円、不定形など任意の形状を取ることが可能である。
【００８０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について図３を用いて説明する。
【００８１】
第１の実施形態に示した磁気抵抗効果素子１０３の構造は、図３に示す磁気抵抗効果素子１０３のようにバイアス磁界印加部１４が強磁性体を有する積層体で構成され、バイアス磁界印加部１４は第１の実施形態や第２の実施形態で示した磁気抵抗効果素子１０１、１０２の構造とは異なり、磁化固定層１２の周囲に強磁性膜で構成されたバイアス磁界印加部が２カ所以上配置されている。
【００８２】
第１の実施形態、および第２の実施形態で用いられた強磁性体を有する積層体で構成されたバイアス磁界印加部１４は、磁気抵抗効果素子の積層方向に対して直角方向、すなわちバイアス磁界印加部１４の端面から磁界が発生し、反対の端面に戻る磁界分布をしている。バイアス磁界印加部１４の端面から発生した磁界が反強磁性層１３に印加され磁化方向が決定される。バイアス磁界印加部１４の磁界は面内部分よりも端面部分が最も強くなるため、第１の実施形態や第２の実施形態のように、バイアス磁界印加部１４と反強磁性層１３が対向する構造ではバイアス磁界印加部１４の最大磁界を反強磁性層１３に印加することが出来ない。
【００８３】
そこで、図４に示すようにバイアス磁界印加部１４を複数個に分割し、一方向の磁界が反強磁性層１３に印加されるようにバイアス磁界印加部１４を配置することで、片方のバイアス磁界印加部１４の端面から出た磁界が、他方のバイアス磁界印加部１４の端面に入り、その間に反強磁性層１３を配置する構造となるため、第１の実施形態、および第２の実施形態で示したバイアス磁界印加部１４が反強磁性層１３に磁界を印加する場合よりも強い磁界を印加する事が可能になる。
【００８４】
バイアス磁界印加部１４を複数個に分割する際には、バイアス磁界印加部１４は磁化固定層１２が反強磁性層１３と対向する第２の面１８を含む平面１９に対して、磁化自由層１０とは反対側に位置しているため、磁化自由層１０とは反対側にある反強磁性層１３の面には下部電極２か磁界印可部であるバイアス磁界印加部１４のいずれかが配置される。
【００８５】
磁化自由層１０とは反対側にある反強磁性層１３の面に磁界印可部であるバイアス磁界印加部１４が配置される場合には、バイアス磁界印加部１４は反強磁性層１３を囲むように配置される閉磁気回路構造となり、バイアス磁界印加部１４の外側には磁界が漏れにくくなるため、磁化自由層１０に制御磁界以外の余分な磁界を加えることがなくなり、磁気抵抗効果素子１０１の高周波特性最大限に引き出すことが可能になる。
【００８６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について図５を用いて説明する。
【００８７】
実施形態１から３で示した磁気抵抗効果素子を実際の携帯機器などで使用するためには、図５で示すように回路基板上に形成された回路パターンに合わせて搭載された半導体部品やロジックＩＣ、受動部品などを組み合わせた半導体回路３８の形態にする必要がある。
【００８８】
図５に示す半導体回路３８を作製するため、磁気抵抗効果素子３６をリードフレーム３４上に銀ペーストやＵＶ樹脂、熱硬化性樹脂などで固定し、金やアルミの細線３５を用いてワイヤボンディングなどでリードフレームと電気的に接続された後に、半導体封止材などの絶縁樹脂材料（図示せず）で封止した素子パッケージ３３を、ガラスエポキシやセラミックで構成された基板３０上にある回路パターン３１の接合箇所とはんだ３２で接合する実装工程、すなわちリフロー工程がある。
【００８９】
リフロー工程では、図５に示す基板３０上にある回路パターン３１の接合箇所にメタルマスクを用いてクリーム状のはんだ３２を塗布し、その上に素子パッケージ３３などの部品を表面実装してから基板全体に熱を加えてはんだ３２を溶かして回路パターンと部品を接合し、最終形態である半導体回路３８を作製する。
【００９０】
リフロー方式の一例として、基板３０上の部品の接合する予定部分にメタルマスクを用いてクリームはんだ３２を塗布した後、クリームはんだが塗布された部分に素子パッケージ３３などの部品をチップマウンターなどで表面実装する。その後、部品への急激な熱衝撃の緩和するため基板３０をベルトコンベヤでリフロー炉３７の中に移動させ、プリヒート工程としてリフロー炉３７の中で部品が表面実装された基板３０を１５０℃から１７０℃程度で加熱し、その後に本加熱を実施する。本加熱ではんだ３２が溶け、部品端子と回路パターンが接合される２００℃から２６０℃まで１０秒程度、短時間高温を維持する。はんだ３２の成分組成により溶融温度が異なるが、鉛フリーはんだの場合にはより高温にする必要がある。本加熱後は冷却工程を経て基板実装が完了し半導体回路３８が完成する。
【００９１】
磁気抵抗効果素子を基板に実装するリフロー工程や、素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合、アニール処理時に設定する温度に近い温度が磁気抵抗効果素子にかかるため、磁化固定層１２の保持力が低下し、アニール処理で固着させた磁化方向が変化してしまう可能性がある。
【００９２】
しかし、バイアス磁界印加部１４はリフロー工程や温度上昇が発生した場合でも常に一定方向の磁化方向を維持することが可能で、磁化固定層１２の保持力が低下して固着した磁化方向が変化してもバイアス磁界印加部１４の磁界方向に影響を受けて、元の磁化固定層１２の磁化方向を維持することが可能である。
【００９３】
バイアス磁界印加部１４がリフロー工程や温度上昇が発生した場合でも常に一定方向の磁化方向を維持するための具体的方法として、バイアス磁界印加部１４の一軸異方性を高めるため膜厚を厚くすることが考えられる。バイアス磁界印加部１４の膜厚を厚くすることでバイアス磁界印加部１４内部の磁気異方性を高めることが可能になる。
【００９４】
また、バイアス磁界印加部１４が強磁性材料で構成されている場合、図６に示すような温度Ｔと磁化量Ｈの関係図において、バイアス磁界印加部１４の温度特性２０を磁化固定層１２の温度特性２２より高い材料にすることにより、リフロー工程で磁化固定層１２の保持力が消失する温度Ｔｍにおいて、バイアス磁界印加部１４の磁化量Ｈｍが最大磁化量Ｈｍａｘの半分以上を維持することが出来る材料を選択することで磁化固定層１２の磁化方向を維持することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明による磁気抵抗効果素子を用いることで、素子を基板に実装する際や、素子内部の自己発熱や瞬間的な温度上昇が発生した場合にも磁気抵抗効果素子の高周波特性劣化を抑えることが可能な素子構造およびそれを用いた半導体回路を提供することが可能になる。
【符号の説明】
【００９６】
１０１、１０２、１０３         ・・・  磁気抵抗効果素子
０１                             ・・・  上部電極
０２                             ・・・  下部電極
１０                             ・・・  磁化自由層
１１                             ・・・  非磁性スペーサ層
１２                             ・・・  磁化固定層
１２ａ                           ・・・  第１の強磁性層
１２ｂ                           ・・・  第２の強磁性層
１２ｃ                           ・・・  磁化固定層１２の断面
１３                             ・・・  反強磁性層
１４                             ・・・  バイアス磁界印加部
１４ａ                           ・・・  バイアス磁界印加部１４の断面
１５                             ・・・  絶縁層
１６                             ・・・  磁界印加手段
１７                             ・・・  磁化固定層１２の第１の面
１８                             ・・・  磁化固定層１２の第２の面
１９                             ・・・  磁化固定層１２の第２の面１８を含む平面
２０                             ・・・  バイアス磁界印加部（強磁性膜）の温度特性
２３                             ・・・  はんだが溶解する温度
３０                             ・・・  基板
３１                             ・・・  回路パターン
３２                             ・・・  はんだ
３３                             ・・・  素子パッケージ
３４                             ・・・  リードフレーム
３５                             ・・・  ワイヤ
３６                             ・・・  磁気抵抗効果素子
３７                             ・・・  フロー炉
３８                             ・・・  半導体回路
【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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