(57)【要約】【課題】磁性薄膜発振素子の発振閾値電流密度を低減する。【解決手段】磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層と、一対の電極を備える磁性薄膜発振素子であって、前記磁化固定層の磁化容易軸が膜面内方向で且つ前記磁化自由層の磁化容易軸が膜面法線方向とする。より好適な形態として、前記磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａとの関係が、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たすようにする。さらに好適な形態として、前記磁化自由層を、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂから選択される元素による合金または積層膜によって形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層と、一対の電極を備える磁性薄膜発振素子であって、前記磁化固定層の磁化容易軸が膜面内方向で且つ前記磁化自由層の磁化容易軸が膜面法線方向であることを特徴とする磁性薄膜発振素子。
【請求項２】
前記磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａとの関係が、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たすことを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜発振素子。
【請求項３】
前記磁化自由層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂから選択される元素による合金または積層膜によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁性薄膜発振素子。
【請求項４】
前記磁化自由層は、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］から選択される積層構造を複数有することを特徴とする請求項１乃至３記載の磁性薄膜発振素子。
【請求項５】
前記積層構造の積層数は５層以上２７層以下であることを特徴とする請求項４記載の磁性薄膜発振素子。
【請求項６】
前記ＣｏＦｅのＦｅ組成がＣｏとＦｅの合計に対して４原子％以上５５原子％以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁性薄膜発振素子。
【請求項７】
前記ＮｉＦｅのＦｅ組成がＮｉとＦｅの合計に対して１．５原子％以上１０原子％以下であることを特徴とする請求項４乃至６いずれかに記載の磁性薄膜発振素子。
【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薄膜発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子といった磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）では、電流を流したときにスピン偏極電子が流れて、磁化自由層内に蓄積されるスピン偏極電子の数に応じて磁化自由層の磁化の向き（電子スピンの向き）が変化する。一定の磁場内に配置された磁化自由層では、その磁化の向きを変更しようとしたときに、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するように電子スピンに対してトルクが働き、特定の力で揺らされたときに、スピン歳差運動と呼ばれる振動が発生する。
【０００３】
スピン偏極電子によりスピン歳差運動を発生させる場合、発振に至る閾値電流密度（以降、発振閾値電流密度と呼ぶ）低減が課題の一つとなっている。具体的には、発振閾値電流密度を１．０×１０７Ａ／ｃｍ２より小さくすることが求められている。
【０００４】
発振閾値電流密度低減に対する解として、垂直磁化膜を採用することが提案されている（非特許文献１）。非特許文献１によると、垂直磁化膜でのスピン注入磁化反転閾値電流は、面内磁化膜と比較して反磁場の項だけ低減できる。よって、スピントルク磁化反転の前駆現象であるスピントルク発振の閾値電流も低減できると期待される。実際に、磁化固定層および磁化自由層が垂直磁化膜である磁気抵抗効果素子を磁性薄膜発振素子として用いた場合、発振閾値電流密度５．０×１０６Ａ／ｃｍ２が確認されている（特許文献１）。
【０００５】
一方、スピントルク発振を起こすには、磁化固定層および磁化自由層の初期磁化方向が重要である。例えば、初期磁化状態が平行より反平行のときの方が発振しやすい。（非特許文献２）
【０００６】
磁化固定層と磁化自由層の初期磁化方向を規定した一例として、非磁性中間層を挟んで設けられた磁化固着層（本発明でいう磁化固定層）および磁化自由層を有し、前記磁化固着層は磁化が膜面内に固着され、前記磁化自由層は磁化容易軸が膜面に対してほぼ垂直に配向している磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直な方向にセンス電流を通電する１対の電極層とを有することを特徴とする磁気抵抗効果センサーが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−８４８７９号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６１２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】まぐね, Ｖｏｌ.５, Ｎｏ.４, ２０１０, ｐｐ.１８４-１９０
【非特許文献２】ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ Ｂ ８０、 １７４４０５（２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、磁性薄膜発振素子の狭小化に伴い素子の耐電圧性を高めるためには、発振閾値電流密度のさらなる低減が求められている。特許文献１では、磁化自由層の磁化方向は磁化固定層の磁化方向と平行方向に設定されている。これは非特許文献２によると、スピントルク発振を起こしにくい条件である。そのため、磁性薄膜発振素子としては、特許文献１の膜構造は最適な構造とはいえない。
【００１０】
一方、特許文献２の膜構造は、例えば磁気記録媒体に記録された情報信号を読みとる磁気抵抗効果型センサーとしては実績のある膜構造である。しかしながら、前記膜構造を、スピン偏極電子によりスピン歳差運動を発生させる磁性薄膜発振素子として適用した場合、発振閾値電流密度低減効果が実現できるかどうかは未確認である。
【００１１】
また、例えばＭＲＡＭ等の記憶素子の場合、外部磁場がない状態で磁化固定層および磁化自由層の磁化方向を安定保持させることが重要で、それを実現するために、磁化固定層および磁化自由層の膜構造の開発が実施されている。この流れを踏襲する形で、記憶素子で最適化された膜構造が磁性薄膜発振素子としても最適であろうという考えのもと、磁性薄膜発振素子の開発が実施されている。しかしながら、磁性薄膜発振素子の場合、外部磁場印加状態において磁化自由層の磁化を歳差運動させ続けることが重要なので、記憶素子のように、外部磁場がない状態で磁化固定層および磁化自由層の磁化方向を安定保持させるための膜構造に必ずしも拘る必要はない。むしろ、磁化自由層はその磁化方向が無秩序にならない程度の磁化安定性を有していればよい。また、磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａについても、記憶素子で最適化された条件に必ずしも拘る必要はない。つまり、外部磁場がない状態で磁化固定層および磁化自由層の磁化方向を安定保持するためには最適とは言えない膜構造でも、磁性薄膜発振素子として採用すれば、発振閾値電流密度低減につながる可能性はあるが、その検証はほとんど実施されていない。
【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、高周波デバイスに好適な磁性薄膜発振素子を提案する。
【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薄膜発振素子は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層と、一対の電極を備える磁性薄膜発振素子であって、前記磁化固定層の磁化容易軸が膜面内方向で且つ前記磁化自由層の磁化容易軸が膜面法線方向であることを特徴とする。
【００１４】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａとの関係は、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たしている。
【００１５】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記磁化自由層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂから選択される元素による合金または積層膜によって形成されている。
【００１６】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記磁化自由層は、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］から選択される積層構造を複数有する。
【００１７】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記積層構造の積層数は５層以上２７層以下である。
【００１８】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記ＣｏＦｅのＦｅ組成がＣｏとＦｅの合計に対して４原子％以上５５原子％以下である。
【００１９】
前記目的を達成する前記磁性薄膜発振素子において、前記ＮｉＦｅのＦｅ組成がＮｉとＦｅの合計に対して１．５原子％以上１０原子％以下である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る磁性薄膜発振素子によれば、従来の素子と比較して発振閾値電流密度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るボトム型スピンバルブ構造で、キャップ層まで成膜した段階での断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るボトム型スピンバルブ構造で、上部電極層まで成膜した段階での断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×ｘとしたときのｘとＨａ／Ｍｓとの関係である。
【図４】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層を［Ｃｏ１−ｘＦｅｘ(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層を［Ｃｏ１−ｘＦｅｘ(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘと規格化発振電流との関係である。
【図６】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層を［Ｃｏ (０．２ｎｍ) ／Ｎｉ１−ｘＦｅｘ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係である。
【図７】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層を［Ｃｏ (０．２ｎｍ) ／Ｎｉ１−ｘＦｅｘ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘと規格化発振電流との関係である。
【図８】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層をＣｏ３０Ｆｅ７０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係である。
【図９】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層をＣｏ３０Ｆｅ７０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘと規格化発振電流との関係である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層をＣｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態にて、磁化自由層をＣｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘと規格化発振電流との関係である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１に示す通り、基板１１として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。
【００２４】
次に下部電極層１２、バッファー層１３、反強磁性層１４、磁化固定層１５、非磁性スペーサー層１６、磁化自由層１７、キャップ層１８までの成膜を行う。各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。スパッタ装置としては、各々８つのターゲットを有する２つの物理蒸着（PVD：Physical  Vapor  Deposition）チャンバと、酸化チャンバとを有する装置が好ましく、例えばアネルバ社製のC-７１００等が利用可能である。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、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。このとき、ガスの流量は３０〜３００ｓｃｃｍ、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。
【００２５】
次に、各層の説明を行う。
【００２６】
下部電極層１２は、後述する上部電極層２０と一対の電極として役目を備えている。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。このような下部電極層１２、上部電極層２０としては、例えばＴａとＣｕとの積層体、ＴａとＡｕとの積層体、ＴａとＡｕＣｕとの積層体およびＴａとＲｕとの積層体が用いられる。下部電極層１２および上部電極層２０の膜厚は、０．０５μｍ〜５μｍ程度とされる。
【００２７】
バッファー層１３は、下部電極層１２の結晶性を遮断することと、反強磁性層１４の配向・粒径を制御するための層であり、特に、反強磁性層１４と磁化固定層１５との交換結合を良好にするために設けられている。このようなバッファー層１３としては、例えばＴａとＮｉＣｒとの積層体や、ＴａとＲｕとの積層体が用いられる。バッファー層１３の膜厚は、例えば２〜６ｎｍ程度とされる。
【００２８】
反強磁性層１４は、磁化固定層１５との交換結合により、磁化固定層１５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。
【００２９】
反強磁性層１４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３５〜９５原子％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。反強磁性層１４の膜厚は、４〜３０ｎｍ程度とされる。
【００３０】
尚、磁化固定層１５の磁化方向を固定するための層として、前記反強磁性層に代えて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。
【００３１】
さらに、図１には、反強磁性層１４をボトム側（下部電極層１２側）に形成した実施の形態が示されているが、反強磁性層１４をトップ側（キャップ層１８側）に形成して、磁化自由層１７と磁化固定層１５の位置を入れ替えた実施の形態とすることもできる。
【００３２】
磁化固定層１５は、ピンニング作用を果たす反強磁性層１４の上に形成されている。好適な形態として磁化固定層１５は、反強磁性層１４側から、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、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。アウター層の膜厚は１〜７ｎｍ、インナー層の膜厚は２〜１０ｎｍ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。
【００３５】
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。
【００３６】
非磁性スペーサー層１６は、磁化固定層１５の磁化と磁化自由層１７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。
【００３７】
非磁性スペーサー層１６としては、絶縁体、半導体、導体が挙げられる。
【００３８】
非磁性スペーサー層１６として絶縁体を適用する場合、アルミナや酸化マグネシウム（MｇＯ）が挙げられる。ＭｇＯは、単結晶ＭｇＯｘ（００１）が好ましく、スペーサー層１６と磁化自由層１７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、０．５〜２．０ｎｍ程度が好ましい。
【００３９】
非磁性スペーサー層１６として半導体を適用する場合、磁化固定層１５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０．１〜１．２ｎｍ程度が好ましい。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）、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との積層体、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程度が好ましい。
【００４０】
非磁性スペーサー層１６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１〜４ｎｍ程度が好ましい。
【００４１】
磁化自由層１７は、外部磁場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。
【００４２】
磁化自由層１７は、膜面法線方向に磁化容易軸を有する。材料としては、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、ホイスラー合金などが挙げられる。
【００４３】
磁化自由層１７は、飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａとの関係が、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たすことが好ましい。
【００４４】
磁化自由層１７は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂから選択される合金もしくは多層膜から形成されることが好ましく、特に、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］から選択される積層構造を複数有することが好ましい。
【００４５】
磁化自由層１７が［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］から選択される積層構造を複数有する構造をとる場合、前記積層構造の積層数は５層以上２７層以下が好ましい。また、前記ＣｏＦｅのＦｅ組成はＣｏとＦｅの合計に対して４原子％以上５５原子％以下が好ましく、前記ＮｉＦｅのＦｅ組成はＮｉとＦｅの合計に対して１．５原子％以上１０原子％以下が好ましい。
【００４６】
また、磁化自由層１７の積層構造と非磁性スペーサー層１６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。
【００４７】
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以下が好ましい。
【００４８】
また、磁化自由層１７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。
【００４９】
キャップ層１８は、酸化・エッチングなどから磁化自由層１６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２〜１０ｎｍ程度が好ましい。
【００５０】
キャップ層１８成膜後、磁化固定層１５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１〜５時間、印加磁場は３〜１０ｋＯｅで行うことが好ましい。
【００５１】
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を行い、前記素子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、１００ｎｍ以下が好ましい。パターニング後、図２に示す通り、絶縁層１９として、例えばアルミナなどの酸化物をキャップ層１８と同一平面となるように成膜したのち、前記レジストに可溶な溶剤を用いて、前記レジストおよび前記レジスト上に成膜された絶縁膜を除去する。その後、上部電極層２０を成膜する。
【００５２】
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。
【実施例】
【００５３】
［実施例１］
まず、試料振動型磁力計(VSM：Vibrａｔing Sample Magnetometer)を用いて磁化自由層１７の磁気特性を評価するために、基板１１上に、バッファー層１３、非磁性スペーサー層１６、磁化自由層１７、キャップ層１８をこの順にスパッタ成膜した部分的な積層膜を作製した。本実施例では、基板１１をシリコン基板、バッファー層１３をＴａ(2ｎｍ)／Ｒｕ(2ｎｍ)、非磁性スペーサー層１６をＭｇＯ(1ｎｍ)、磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０、キャップ層１８をＲｕ(１ｎｍ) ／Ｔａ(２ｎｍ) ／Ｒｕ(２ｎｍ)とした。ここで、カッコ内の数値は膜厚を示す。また、Ｃｏ９０Ｆｅ１０とは、Ｃｏが９０原子％、Ｆｅが１０原子％の比率になっている合金であることを示し、［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０とは、Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)を１０層積層するという意味である。この試料に、膜面垂直方向および膜面平行方向に磁場印加したときの磁化曲線をそれぞれ測定したところ、磁化容易軸方向が膜面法線方向であることを確認した。また、飽和磁化Ｍｓは７７３ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは、膜面平行方向の磁化曲線から５．４ｋＯｅと見積もることが出来た。
【００５４】
前記磁化自由層１７を用いて、以下の構造を有するボトム型のスピンバルブ積層構造を作製した。構造は、基板１１側から順に、下部電極層１２、バッファー層１３、反強磁性層１４、磁化固定層１５、非磁性スペーサー層１６、磁化自由層１７、キャップ層１８、上部電極層２０である。下部電極層１２をＴａ(５ｎｍ) ／Ｃｕ(４５ｎｍ) ／Ｔａ(２ｎｍ) ／Ｃｕ(４５ｎｍ) ／Ｔａ(５ｎｍ)、バッファー層１３をＴａ(２ｎｍ) ／Ｒｕ(２nm)、反強磁性層１４をＩｒＭｎ(１０ｎｍ)、磁化固定層１５をＣｏ７０Ｆｅ３０(３ｎｍ) ／Ｒｕ(０．８ｎｍ) ／Ｃｏ６５Ｆｅ３５(３．５ｎｍ)、非磁性スペーサー層１６をＭｇＯ(１ｎｍ)、磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０、キャップ層１８をＲｕ(１ｎｍ)
／Ｔａ(２ｎｍ) ／Ｒｕ(２ｎｍ)とした。成膜後、磁化固定層の磁化固着のための真空磁場中での熱処理を実施した。本熱処理の条件は、真空度を５×１０−４Ｐａ、印加磁場を膜面平行方向に10ｋＯｅ、温度を２５０度、処理時間を３時間とした。熱処理後の試料の膜面垂直方向に磁場印加したときの磁化曲線から、磁化自由層に由来する急峻な垂直磁化反転が確認でき、本構造でも垂直磁気異方性が保たれていることを確認した。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を行い、前記素子の上から見た形状を、９０ｎｍ×９０ｎｍの正方形にパターニングした。その後、絶縁膜１９をキャップ層１８と同一平面となるように成膜した。絶縁膜１９はアルミナとした。その後、前記レジストに可溶な溶剤を用いて、前記レジストおよび前記レジスト上に成膜されたアルミナ絶縁膜を除去した。そして、上部電極層２０としてＴａ(３ｎｍ)／ＡｕＣｕ(２００ｎｍ)をスパッタ成膜した。
【００５５】
パターニング後の磁化自由層１７の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａは、次の測定手法により導出が可能である。磁化自由層１７の飽和磁化Ｍｓは、一例として磁化自由層１７の強磁性共鳴プロファイルの共鳴周波数および共鳴線幅から求めることができる。また、磁化自由層１７の異方性磁界Ｈａは、一例としてマイクロカー効果測定により求めることができる。このとき、スポット径の狭小化および光学系のアライメント調整が必要不可欠である。
【００５６】
次に、前記スピンバルブ積層構造のスピントルク発振閾値電流密度を確認した。磁化固定層１５および磁化自由層１７に、磁化自由層１７の磁化容易軸方向と平行方向に４５０Ｏｅ程度の磁場を印加して、磁化自由層から磁化固定層へ注入する電流を変えながら発振スペクトルを測定し、発振に至ったときの電流を測定した。その結果、発振閾値電流密度は３．１×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００５７】
［実施例２］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．４ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８９０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは２．７ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は１．７×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００５８】
［実施例３］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(１．０ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８９０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは３．０ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は２．３×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００５９】
［実施例４］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×５として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは７５０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは１．０ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は０．４×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６０】
［実施例５］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×２０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは７８０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは８．０ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は４．０×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６１】
［実施例６］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ３０Ｆｅ７０(０．４ｎｍ)／ ［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８２７ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは４．５ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は２．７×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６２】
［実施例７］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ３０Ｆｅ７０(０．８ｎｍ)／ ［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８５８ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは３．３ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は２．１×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６３】
［実施例８］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ３０Ｆｅ７０(０．４ｎｍ)／Ｃｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０(０．４ｎｍ)／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８２７ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは３．０ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は１．８×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６４】
［実施例９］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ９０Ｆｅ１０(０．４ｎｍ)／ ［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８６０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは４．５ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は２．６×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６５】
［実施例１０］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ(０．２ｎｍ)／Ｎｉ９５Ｆｅ５(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは７５０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは４．７ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は２．８×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６６】
［実施例１１］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０ (０．２ｎｍ)／Ｎｉ９５Ｆｅ５(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは７８０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは２．８ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は１．９×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６７】
［実施例１２］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ２０Ｆｅ６０ Ｂ２０(１．０ｎｍ)として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは１１９４ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは４．０ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は３．３×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６８】
［実施例１３］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ (０．２ｎｍ)／Ｎｉ (０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは７４５ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは７．１ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は３．６×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００６９】
［実施例１４］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ３０Ｆｅ７０(０．２ｎｍ) ／Ｐｄ(０．６ｎｍ)］×５として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは５８６ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは７．４ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は６．５×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００７０】
［実施例１５］
実施例１の磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｐｄ(０．６ｎｍ)］×５として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは５５０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは１５．４ｋＯｅと見積もることが出来た。また、発振閾値電流密度は１０．８×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００７１】
［比較例１］
実施例１の磁化自由層１７をＣｏ３０Ｆｅ７０(０．４ｎｍ)／Ｃｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０(１．２ｎｍ)／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０として、それ以外は実施例１と同じ構成の試料を作製した。磁化自由層の飽和磁化Ｍｓは８２４ｅｍｕ／ｃｃ、異方性磁界Ｈａは−４．７ｋＯｅと見積もることが出来た。ここで、Ｈａがマイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。このときの発振閾値電流密度は６７．０×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００７２】
以上の実施例および比較例の結果を表１にまとめた。
【００７３】
【表１】
2013211531.tif 000003
【００７４】
表１から、いずれの実施例においても比較例より発振閾値電流密度が小さくなっていることが分かる。また、特に１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たす条件で発振閾値電流密度が小さくなっていることが分かる。
【００７５】
次に、実施例１にて、磁化自由層１７を［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×xとしたときのx（積層数）とＨａ／Ｍｓとの関係を図３にまとめた。ここで、Ｈａ／Ｍｓがプラスの場合、磁化容易軸が膜面法線方向であること、マイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。この図から、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たす積層数は、５以上２７以下であることがわかる。
【００７６】
実施例１にて、磁化自由層１７を［Ｃｏ１−ｘＦｅｘ(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係を図４にまとめた。ここで、Ｈａがプラスの場合、磁化容易軸が膜面法線方向であること、マイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。この図から、磁化自由層１７が垂直磁気異方性を示すには、ＣｏＦｅ中のＦｅの割合を５５原子％以下にする必要があることが分かる。一方、図５に示すｘと規格化電流密度との関係から、ＣｏＦｅ中のＦｅの割合を４原子％以上にすることで、発振閾値電流密度低減効果が現れることが分かる。尚、規格化電流密度は、ｘ＝０の時の発振閾値電流密度で規格化された値である。
【００７７】
実施例１にて、磁化自由層１７を［Ｃｏ (０．２ｎｍ) ／Ｎｉ１−ｘＦｅｘ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係を図６にまとめた。ここで、Ｈａがプラスの場合、磁化容易軸が膜面法線方向であること、マイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。この図から、磁化自由層１７が垂直磁気異方性を示すには、ＮｉＦｅ中のＦｅの割合を１０原子％以下にする必要があることが分かる。一方、図７に示すｘと規格化電流密度との関係から、ＮｉＦｅ中のＦｅの割合を１．５原子％以上にすることで、発振閾値電流密度低減効果が現れることが分かる。尚、規格化電流密度は、ｘ＝０の時の発振閾値電流密度で規格化された値である。
【００７８】
実施例１にて、磁化自由層１７をＣｏ３０Ｆｅ７０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係を図８にまとめた。ここで、Ｈａがプラスの場合、磁化容易軸が膜面法線方向であること、マイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。この図から、磁化自由層１７が垂直磁気異方性を示すには、Ｃｏ３０Ｆｅ７０の膜厚を１．０ｎｍ以下にする必要があることが分かる。一方、図９に示すｘと規格化電流密度との関係から、ｘ＝０．２ｎｍ以上で発振閾値電流密度低減効果が現れることが分かる。尚、規格化電流密度は、ｘ＝０の時の発振閾値電流密度で規格化された値である。
【００７９】
実施例１にて、磁化自由層１７をＣｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０（ｘｎｍ）／［Ｃｏ９０Ｆｅ１０(０．２ｎｍ) ／Ｎｉ(０．６ｎｍ)］×１０としたときのｘとＨａとの関係を図１０にまとめた。ここで、Ｈａがプラスの場合、磁化容易軸が膜面法線方向であること、マイナスの場合、磁化容易軸が膜面内方向であることを意味する。この図から、磁化自由層１７が垂直磁気異方性を示すには、Ｃｏ５９Ｆｅ２１Ｂ２０の膜厚を１．０ｎｍ以下にする必要があることが分かる。一方、図１１に示すｘと規格化電流密度との関係から、ｘ＝０．２ｎｍ以上で発振閾値電流密度低減効果が現れることが分かる。尚、規格化電流密度は、ｘ＝０の時の発振閾値電流密度で規格化された値である。
【００８０】
以上の結果から、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層と、一対の電極を備える磁性発振生素子であって、前記磁化固定層の磁化容易軸を膜面内方向に且つ前記磁化自由層の磁化容易軸を膜面法線方向にすることで、発振閾値電流密度を低減できることを実証することができた。さらに、前記磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈａとの関係を、１．２５７Ｍｓ＜Ｈａ＜１２．５７Ｍｓを満たすようにすることで、発振閾値電流密度をより大きく低減できることを実証することができた。
【００８１】
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。
【００８２】
例えば、本実施例ではボトム型スピンバルブ積層構造を用いたが、トップ型スピンバルブ構造でも良い。
【００８３】
また、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用素子（ＭＡＭＲ）などが挙げられる。
【符号の説明】
【００８４】
１１  基板
１２  下部電極層
１３  バッファー層
１４  反強磁性層
１５  磁化固定層
１６  非磁性スペーサー層
１７  磁化自由層
１８  キャップ層
１９  絶縁層
２０  上部電極層
【図１】
2013211531.tif 000004
【図２】
2013211531.tif 000005
【図３】
2013211531.tif 000006
【図４】
2013211531.tif 000007
【図５】
2013211531.tif 000008
【図６】
2013211531.tif 000009
【図７】
2013211531.tif 000010
【図８】
2013211531.tif 000011
【図９】
2013211531.tif 000012
【図１０】
2013211531.tif 000013
【図１１】
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