(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子を薄膜磁性素子として利用する場合の、小型かつ幅広い周波数帯域での使用を可能とする素子構造を提案する。【解決手段】磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層面に対して略平行となるように、前記磁気抵抗効果素子とは離間し、かつ前記磁気抵抗効果素子を挟んで対向して配設された一対の主磁極層と、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層と対向し、その一部が前記主磁極層に連結して配設されたリターンヨーク層と、前記主磁極層と前記リターンヨーク層との間に、前記積層面に対して略平行となるよう配設された薄膜コイル層と、を有し、前記リターンヨーク層は、一体的に配設されていることを特徴とする薄膜磁性素子。【選択図】図８
2013191735.tif 000002
【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素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層面に対して垂直方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、
前記積層面に対して略平行となるように、前記磁気抵抗効果素子とは離間し、かつ前記磁気抵抗効果素子を挟んで対向して配設された一対の主磁極層と、
前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層と対向し、その一部が前記主磁極層に連結して配設されたリターンヨーク層と、
前記主磁極層と前記リターンヨーク層との間に、前記積層面に対して略平行となるよう配設された薄膜コイル層と、
を有することを特徴とする薄膜磁性素子。
【請求項２】
前記リターンヨーク層は、一体的に配設されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜磁性素子。
【請求項３】
前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層に面して補助磁極層が配設され、前記補助磁極層は前記磁気抵抗効果素子に対して前記主磁極層よりも離間するように配設されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜磁性素子。
【請求項４】
前記薄膜コイル層が、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層を挟んで対向するように複数配設されたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の薄膜磁性素子。
【請求項５】
前記主磁極層を少なくとも二対有するとともに、前記二対の主磁極層が、前記積層面に対して略平行となる面内で、前記磁気抵抗効果素子を中心として回転方向にずれて配設されたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の薄膜磁性素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子に対して印加磁界を変化させることで高周波特性を制御する薄膜磁性素子の構造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、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、スピンが伝送・輸送されることで、他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）にな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、薄膜磁性素子）では、印加磁界を制御することにより高周波特性を任意に制御し、幅広い周波数帯域での使用を可能にすることが期待されている。産業利用を考えた場合、小型である利点を生かしつつ、印加磁界の強度を広範囲に制御することが必要とされる。そのため、広範囲に制御可能な磁界印加機構を含んだ素子構造が求められている。
【０００５】
しかしながら、これまでの薄膜磁性素子の研究では、素子とは別に外部から磁界を印加して特性の変化を観測することが一般的であり、最適な磁界印加機構を含んだ素子構造に関する研究は、まだ進んでいない。
【０００６】
ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）用ヘッドの分野では、データの読み出しに磁気抵抗効果素子を利用することが一般的となっている。磁気抵抗効果素子の左右に強磁性体を設置し、一様な磁界を印加する構造が用いられている（特許文献２）。また、書込みには、軟磁性体の主磁極の回りにコイルを設置し、コイルから発生した磁束を主磁極に取り込み、主磁極から発生した磁束により磁気記録媒体にデータを記録しつつ、磁気記録媒体の軟磁性層を経由してリターンヨークに取り込まれることで磁束が循環する構造が用いられている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５５１９７２号
【特許文献２】特開２００８−１５２８９８
【特許文献３】特開２００８−１８６５４６
【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】
磁気抵抗効果素子を薄膜磁性素子として利用する場合、従来の、外部から素子に磁界を印加する構造では、素子および磁界印加機構を含めたデバイス全体の形状が非常に大きくなってしまうという課題がある。また、ＨＤＤのように、強磁性体を素子の左右に設置し、磁性層に一様な磁界を印加する構造では、高周波特性が一つの帯域に固定されてしまい、高周波特性の制御によりスピンの発振・共鳴現象を幅広い帯域で利用することができないという課題がある。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、小型かつ、幅広い周波数帯域で使用可能な薄膜磁性素子を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の薄膜磁性素子は、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素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層面に対して垂直方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、前記積層面に対して略平行となるように、前記磁気抵抗効果素子とは離間し、かつ前記磁気抵抗効果素子を挟んで対向して配設された一対の主磁極層と、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層と対向し、その一部が前記主磁極層に連結して配設されたリターンヨーク層と、前記主磁極層と前記リターンヨーク層との間に、前記積層面に対して略平行となるよう配設された薄膜コイル層と、を有することを特徴とする薄膜磁性素子である。
【００１２】
本発明の薄膜磁性素子は、前記リターンヨーク層は、一体的に配設されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の薄膜磁性素子は、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層に面して補助磁極層が配設され、前記補助磁極層は前記磁気抵抗効果素子に対して前記主磁極層よりも離間するように配設されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の薄膜磁性素子は、前記薄膜コイル層が、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層を挟んで対向するように複数配設されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の薄膜磁性素子は、前記主磁極層を少なくとも二対有するとともに、前記二対の主磁極層が、前記積層面に対して略平行となる面内で、前記磁気抵抗効果素子を中心として回転方向にずれて配設されていることが好ましい。
【００１６】
なお本発明において、「積層面に対して略平行」とは幾何学的に平行な状態のみに限定されるものではなく、±１０°以下に傾斜した略平行状態をも含むものとする。
【００１７】
なお本発明において、「主磁極層に連結して」とは物理的に連結した状態のみに限定されるものではなく、他の磁性材料を介して間接的に連結した状態や、厚さ１μｍ以下の非磁性材料を介して磁気的に連結した状態をも含むものとする。
【００１８】
なお本発明において、「積層面に対して垂直方向」とは幾何学的に垂直な方向のみに限定されるものではなく、±１０°以下に傾斜した方向をも含むものとする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る、薄膜磁性素子によれば、薄膜コイルに電流を流すことにより発生した磁束を、主磁極層を経由して放出することにより、磁気抵抗効果素子に磁界を印加することが可能となることで、薄膜磁性素子を小型化することができる。また、電流量を制御することで磁界強度を任意に制御することにより、高周波特性を任意に制御し幅広い周波数帯域での利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁性素子の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁性素子の平面図。
【図３】磁気抵抗効果積層体８の拡大断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁性素子の断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁性素子の断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る薄膜磁性素子の断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る薄膜磁性素子の平面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る薄膜磁性素子の斜視断面図。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る薄膜磁性素子の断面図。
【図１０】本発明の実施例１のスピントルクダイオード出力測定結果。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図１は断面構成、図２は平面構成、図３は磁気抵抗効果積層体８を拡大した断面構成をそれぞれ示している。
【００２３】
以下の説明では、図１、図２、図３に示したＸ軸方向の寸法を「幅」、Ｙ軸方向の寸法を「長さ」、Ｚ軸方向の寸法を「厚さ」とそれぞれ表記する。またＺ軸方向のうちの基板１に近い側を「下」、その反対側を「上」とそれぞれ表記する。これらの表記内容は、後述する図５以降についても同様とする。
【００２４】
この薄膜磁性素子は、例えば高周波の発振、検波、ミキサー、フィルターといったデバイスとして使用されるものである。図１に示したように、基板１上に、絶縁層２、下部電極層３、磁気抵抗効果積層体８、上部電極層１７がこの順番に配設される。下部電極層３は、下部電極層下部３１と下部電極層上部３２とにより構成される。下部電極層下部３１上の下部電極層上部３２が存在しない領域の上に、絶縁層４及び９、主磁極層１０、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６がこの順番に配設される。
【００２５】
基板１は、例えばアルティック（Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、ガラス（ＳｉＯｘ）、又はカーボン（Ｃ）などの材料により構成される。
【００２６】
絶縁層２は、例えば酸化アルミニウム（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、０．０５〜１０μｍ程度である。後述する下部電極層３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３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。
【００２７】
下部電極層３は、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の金属磁性材料によって構成される。その厚さ０．１〜３μｍ程度である。下部電極層３は、下部電極層下部３１と下部電極層上部３２により構成される。下部電極層下部３１と下部電極層上部３２は、同じと材料で構成され、一体化していることが望ましい。下部電極層下部３１の厚さは、０．０５〜２．９５μｍ程度である。下部電極層上部３２の厚さは、０．０５〜２．９５μｍ程度である。下部電極層３は、薄膜コイル５、１３、主磁極層１０、補助磁極層１１から発生する磁束が外部に漏洩することを防ぐシールドの役割を兼ねる。
【００２８】
絶縁層４は、例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは０．０１〜０．５μｍ程度である。
【００２９】
図４に示したように、磁気抵抗効果積層体８は、下部金属層８１、磁化固定層８２、非磁性スペーサー層８３、磁化自由層８４、上部金属層８５が、下からこの順番に配設される。
【００３０】
下部金属層８１は、例えばＴａ、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等からなる厚さ０．５〜５ｎｍ程度の膜と、例えばルテニウム（Ｒｕ）、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、コバルト（Ｃｏ）又はＣｏＦｅ等からなる厚さ１〜６ｎｍ程度の膜により構成される。
【００３１】
磁化固定層８２は、本実施形態では、シンセティック型であり、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ等からなる厚さ５〜３０ｎｍ程度の反強磁性膜（ピン層用の膜）と、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ１〜５ｎｍ程度の第１の強磁性膜と、例えばルウテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｃｒ、レニウム（Ｒｅ）及び銅（Ｃｕ）等のうちの１つ又は２つ以上の合金からなる厚さ０．８ｎｍ程度の非磁性膜と、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１〜３ｎｍ程度の第２の強磁性膜により構成される。
【００３２】
非磁性スペーサー層８３は、例えば、厚さ０．５〜１ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）、Ｔｉ、タンタル（Ｔａ）、Ｚｒ、Ｈｆ、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）又は亜鉛（Ｚｎ）の酸化物より構成される。
【００３３】
磁化自由層８４は、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１ｎｍ程度の高分極率膜と、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ１〜９ｎｍ程度の軟磁性膜により構成される。
【００３４】
上部金属層８５は、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｒ又はＷ等の非磁性導電材料からなり、１層又は２層以上からなる厚さ１〜１０ｎｍ程度の膜として構成される。
【００３５】
絶縁層９は、主磁極層１０と下部電極層３もしくは磁気抵抗効果積層体８との間を絶縁するために配設される。絶縁層９は、例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは１〜１００ｎｍ程度である。
【００３６】
主磁極層１０は、主要な磁束の放出部分として機能する。すなわち、主磁極層１０は、薄膜コイル１３において発生した磁束を収容し、その磁束を磁気抵抗効果積層体８に導くことにより、磁界を印加し、高周波特性を制御する。主磁極層１０は、磁気抵抗効果積層体８近傍から、後方のバックギャップ１８に向かって延在しており、その厚さは１０〜１００ｎｍ程度で構成される。また、主磁極層１０は、高い飽和磁束密度を有する磁性材料により構成されている。この種の磁性材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）リッチな鉄ニッケル合金（ＦｅＮｉ）、鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）または鉄コバルトニッケル合金（ＦｅＣｏＮｉ）などの鉄系合金が挙げられる。
【００３７】
主磁極層１０は、複数の主磁極層１０１、１０２によって構成される。以下、主磁極層１０１を用いて説明する。主磁極層１０１は、例えば、図２に示したように、磁気抵抗効果積層体８に近い面から順に、一定幅Ｗ１を有する先端部１０１１と、その後方に連結され、幅Ｗ１よりも大きな幅Ｗ２を有する後端部１０１２とを含んでいる。先端部１０１１は、磁気抵抗効果積層体８に向けて実質的に磁束を放出する部分であり、後端部１０１２は、リターンヨーク層１５に収容された磁束を収容して先端部１０１１へ供給する部分である。この後端部１０１２の幅は、例えば、後方において一定（幅Ｗ２）であり、前方において先端部１０１１へ近づくにしたがって次第に狭まっている。主磁極層１０１の幅が先端部１０１１から後端部１０１２へ拡がり始める位置は、いわゆるフレアポイントＦＰであり、先端部１０１１とフレアポイントＦＰとの間の距離は、ネックハイトＮＨと呼ばれている。望ましい実施形態では、先端部１０１１の幅Ｗ１は約０．５μｍ以下、ネックハイトＮＨは０．５μｍ以下である。
【００３８】
絶縁層１２は、主磁極層１０と薄膜コイル１３を電気的に分離するために配設される。絶縁層１２は、主磁極層１０上に薄膜コイル１３の下地として配設されている。絶縁層１２は、例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは０．０１〜０．５μｍ程度である。
【００３９】
薄膜コイル１３は、磁気抵抗効果積層体８に磁界を印加するための磁束を発生するものである。この薄層コイル１３は、例えば、銅（Ｃｕ）などの高導電性材料により構成されており、その厚さは約０．１〜１．５μｍ程度である。また、薄膜コイル１３は、図１および図２に示したように、バックギャップ１８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、薄膜コイル１３の巻回数（ターン数）は任意に設定可能である。
【００４０】
絶縁層１４は、薄膜コイル１３を周辺から電気的に分離するものである。絶縁層１４は、薄膜コイル１３を被覆するように配設される。その厚さは約０．１〜１．５μｍ程度である。絶縁層１４は、例えば絶縁層６、７と同様の非磁性絶縁材料により構成されている。
【００４１】
リターンヨーク層１５は、磁気抵抗効果積層体８に磁界を印加するため主磁極層１０から放出された磁束を循環させることにより、主磁極層１０へ磁束を再供給する。また、リターンヨーク層１５は、薄膜コイル１３、主磁極層１０から発生する磁束が外部に漏洩することを防ぐシールドの役割を兼ねる。リターンヨーク層１５は、磁気抵抗効果積層体８に対して主磁極層１０よりも離間した位置からバックギャップ１８に向かって延在しており、磁気抵抗効果積層体８から離間した側において主磁極層１０に連結されている。リターンヨーク層１５は、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の高飽和磁束密度を有する磁性材料により構成されており、その厚さは０．１〜３μｍ程度で構成される。
【００４２】
オーバーコート層１６は、薄膜磁性素子全体を周囲より電気的に分離しつつ、保護するために構成される。例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは０．０１〜０．５μｍ程度である。
【００４３】
上部電極層１７は、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）もしくはこれらの絵元素を１つ以上含む合金によって構成される。その厚さ０．１〜３μｍ程度である。
【００４４】
図１に示したように、絶縁層４、絶縁層９、主磁極層１０、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６は、磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設される。
【００４５】
図２に示したように、主磁極層１０１、１０２に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層１５１、１５２は、互いに連結している。
【００４６】
本発明の第１の実施の形態では、磁気抵抗効果積層体として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を使用したＴＭＲ素子を使用しているが、非磁性スペーサー層８３として導体や半導体を使用し、非磁性スペーサー層の面に対して電流が垂直にながれるＣＰＰ型ＧＭＲ素子を使用しても同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体８の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
【００４７】
磁気抵抗効果積層体として、非磁性スペーサー層に絶縁層を使用しつつ、絶縁層内に直径１０ｎｍ以下の微小な導電層を形成した電流狭窄（ＮＯＬ）型ＭＲ素子を使用しても、同様の効果が得られる。その場合も、磁気抵抗効果積層体８の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
【００４８】
本発明の第１の実施の形態では、磁化固定層としてシンセティック型のスピンバルブ構造を構成しているがそれに限定されるものでなく、反強磁性層と単層の強磁性層の組み合わせ、もしくは保持力の大きな強磁性層単層の構造でも、同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体８の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
【００４９】
本発明の第１の実施の形態では、磁化固定層と磁化自由層が、それぞれ一層ずつであるがそれに限定されるものでなく、磁化自由層の上下に磁化固定層が配設された構造、磁化固定層の上下に磁化自由層が配設された構造、または複数組の磁化自由層と磁化固定層を配設した構造でも、同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体８の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
【００５０】
本発明の第１の実施の形態では、下部電極層上部３２と上部電極層１７の大きさを略同一としているが、限定されるものではない。下部電極層上部３２もしくは上部電極層１７を他方に対して大きな形状としても、同様の効果が得られる。
【００５１】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図４は、断面構成を示している。
【００５２】
本発明の第２の実施の形態では、本発明の第１の実施の形態に対して、補助磁極層１１が追加されたことが特徴である。他の構成は、本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００５３】
補助磁極層１１は、主要な磁束の収容部分として機能する。この補助磁極層１１は、主磁極層１０と磁気的に接触しつつ、磁気抵抗効果積層体８に対して主磁極層１０よりも離間した位置からバックギャップ１８に向かって延在しており、その厚さは０．１〜０．６μｍ程度で構成される。補助磁極層１１は、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の金属磁性材料によって構成される。
【００５４】
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図５は、断面構成を示している。
【００５５】
本発明の第２の実施の形態では、主磁極層１０１の先端部１０１１が、磁気抵抗効果積層体８に対して、下部電極上部３２の端部、もしくは上部電極１７の端部、もしくはその両方の端部より離間されていたが、本発明の第３の実施の形態では、主磁極層１０１のＺ軸方向の厚さを磁気抵抗効果積層体８のＺ軸方向の厚さ以下に限定することにより、主磁極層１０１を下部電極層上部３２と上部電極層１７との間に配設し、磁気抵抗効果積層体８に対して、磁束を放出する主磁極層１０１の先端１０１１を近接せしめたことを特徴とする。他の構成は、本発明の第２の実施の形態と同様である。これにより、主磁極層１０１の先端部１０１１より放出される磁束を、より効率良く磁気抵抗効果積層体８に印加することが可能となる。主磁極層１０が薄くなることにより主磁極層１０に収容される磁束量が減衰する懸念があるが、その場合、補助磁極層１１の厚さを厚くすることにより補うことが可能である。
【００５６】
次に、図６を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図６は、断面構成を示している。
【００５７】
本発明の第４の実施の形態では、本発明の第３の実施の形態に対して、薄膜コイル５、絶縁層６、７が追加されたことが特徴である。他の構成は、本発明の第３の実施の形態と同様である。
【００５８】
薄膜コイル５は、絶縁層６、７により埋設される。薄膜コイル５は、薄膜コイル１３において発生した磁束の漏洩を防止するために、漏洩抑制用の磁束を発生するものである。この薄膜コイル５は、例えば、銅（Ｃｕ）などの高導電性材料により構成されており、その厚さは約０．１〜１．５μｍ程度である。また、薄膜コイル５は、図２および図６に示したように、バックギャップ１８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、薄膜コイル５の巻回数（ターン数）は任意に設定可能であるが、そのターン数は薄膜コイル１３のターン数と一致しているのが望ましい。絶縁層６、７は、薄膜コイル５を周辺から電気的に分離するものである。絶縁層６は、薄膜コイル５の各巻線間およびその周囲に配置されている。この絶縁層６は、例えば、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により構成されており、その厚さは約０．１〜１．５μｍ程度である。薄膜コイル５と同程度の厚さであることが好ましい。絶縁層７は、薄膜コイル５および絶縁層６を覆うように配置されている。この絶縁層７は、例えば、絶縁層６と同様の非磁性絶縁材料により構成されており、その厚さは約０．０１〜０．５μｍ程度である。
【００５９】
次に、図７および図８を参照して、本発明の第５の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図７は平面構成、図８は斜視断面構成を示している。
【００６０】
本発明の第４の実施の形態では、図２に示したように、絶縁層４、薄膜コイル５、絶縁層６、７、９、主磁極層１０、補助磁極層１１、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６は、磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して一対のみ配設されると共に、主磁極層１０１、１０２に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層１５１、１５２は、互いに連結している。これに対し、本発明の第５の実施の形態では、図６に示したように、絶縁層４、薄膜コイル５、絶縁層６、７、９、主磁極層１０、補助磁極層１１、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６は、磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設されるとともに、図７に示したように、９０度傾斜したＹ軸方向にも、もう一対配設され、主磁極層１０１、１０２、１０３、１０４に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層１５１、１５２、１５３、１５４は、互いに連結している。構成としたことが特徴である。他の構成は、本発明の第４の実施の形態と同様である。
【００６１】
次に、図９を参照して、本発明の第６の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図９は、断面構成を示している。
【００６２】
本発明の第５の実施の形態では、下部電極層３を、下部電極層下部３１と下部電極層上部３２の２つの要素により構成している。これに対し、本発明の第６の実施の形態では、下部電極層３を単一の要素により構成すると共に薄膜コイル５を配設しない構成としたことが特徴である。他の構成は、本発明の第５の実施の形態と同様である。下部電極層を単一の要素とすること及び薄膜コイル５を配設しないことにより、構造および製造方法の簡略化が可能となる。
【００６３】
次に、図６、図７を参照して、本発明の第５の実施形態に係る薄膜磁性素子の動作について説明する。
【００６４】
この薄膜磁性素子では、図示しない外部回路から、薄膜コイル１３１に電流が流れることより磁束が発生する。この磁束は、主に、主磁極層１０１に収容されたのち、その内部を先端部１０１１に向かって流れる。なお、磁束の一部は、補助磁極層１１１に収容されたのち、それを経由して主磁極層１０１に流入する。この際、主磁極層１０１の内部を流れる磁束は、フレアポイントＦＰにおいて絞り込まれて収束することにより、最終的に、先端部１０１１に集中して磁気抵抗効果積層体８方向に放出される。
【００６５】
この場合には、互いに逆方向となるように薄膜コイル５，１３に電流が流れるため、それらにおいて互いに逆方向の磁束が発生する。それにより、薄膜コイル１３にて発生した磁束が基板側に漏洩することが抑制される。
【００６６】
薄膜コイル１３において、薄膜コイル１３１と、Ｘ軸方向に磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設された薄膜コイル１３２には、互いに逆方向となるように電流が流れる。そのため、主磁極層１０１に収容される磁束の向きと、Ｘ軸方向に磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設された主磁極層１０２に収容される磁束の向きは逆方向となる。例えば、主磁極層１０１の先端部１０１１より磁束が放出される向きに電流が流れた場合、主磁極層１０２の先端部１０２１においては、磁束が吸収される向きに電流が流れる。このように対抗して配設された主磁極層層の先端部１０１１、１０２１において、放出、吸収が対になって発生することにより、中心に配設された磁気抵抗効果積層体８に対して、効率よく大きな磁界をＸ軸方向に印加することが可能となる。
【００６７】
主磁極層１０２の先端部１０２１において吸収された磁束は、主磁極層１０２内を経由した後、補助磁極層１１２を経由して、リターンヨーク層１５２に供給される。図３に示したように、リターンヨーク層１５２はリターンヨーク層１５１と連結しているため、リターンヨーク層１５２に供給された磁束は、リターンヨーク層１５１に供給される。リターンヨーク層１５１に供給された磁束は、補助磁極層１１１を経由して、主磁極層１０１に再供給される。このように磁束が循環することにより、主磁極層１０１、１０２の中心に配設された磁気抵抗効果積層体８に対して、さらに効率よく大きな磁界をＸ軸方向に印加することが可能となる。
【００６８】
薄膜コイル１３１、１３２に流す電流量を、合わせて変更することで、磁気抵抗効果積層体８に対して、Ｘ軸方向に印加される磁界強度を任意に調整することが可能である。
【００６９】
薄膜コイル１３１、１３２に流す電流量は、逆方向に同一の大きさであることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。
【００７０】
Ｙ軸方向に磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設された積層コイル１３３、１３４に対して、同様に電流を制御することにより、磁気抵抗効果積層体８に対して、効率よく大きな磁界をＹ軸方向に印加することが可能となり、磁界強度を任意に調整することが可能である。
【００７１】
薄膜コイル１３３、１３４に流す電流量は、逆方向に同一の大きさであることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。
【００７２】
磁気抵抗効果積層体８を中心として対向して配設された絶縁層４、薄膜コイル５、絶縁層６、７、９、主磁極層１０、補助磁極層１１、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６は、同一の形状であることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。
【００７３】
薄膜コイル１３１、１３２に流す電流量と、薄膜コイル１３３、１３４に流す電流量を、それぞれ制御することにより、磁気抵抗効果積層体８に対して、ＸＹ平面内の任意の方向に磁界を印加することが可能となり、磁界強度を任意に調整することが可能である。
【００７４】
次に、本発明の第５の実施形態に係る薄膜磁性素子の製造方法について説明する。
【００７５】
まず、例えばアルティック（Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＣ）、Ｓｉ、ガラス（ＳｉＯｘ）、又はカーボン（Ｃ）などの材料により構成された基板１を用意し、この基板１上に、例えばスパッタ法などによって、例えば酸化アルミニウム（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厚さ０．０５〜１０μｍ程度の絶縁層２を成膜する。基板表面があらかじめ熱酸化されたシリコン基板を用意することで、基板１、絶縁層２としてもよい。ガラス基板を用意することで、絶縁層２を省略することは可能である。
【００７６】
次に、この絶縁層２上に、例えばフレームメッキ法などによって、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の金属磁性材料を厚さ０．１〜３μｍ程度に下部電極層３として積層する。なお、この実施形態では、下部電極層下部３１と下部電極層３２は、一括して積層する。薄膜磁性素子では、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３の形状を、フレームメッキ時に、コプレーナーウェブガイド（ＣＰＷ）型の形状に規定する。
【００７７】
次に、下部電極層３について、下部電極層上部３２の形状を規定するためのパターニングを行う。まず下部電極層３上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスクを形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばＡｒイオン等によるイオンビームエッチングを行う。イオンビームエッチングでは、下部電極層下部３１を残存させつつ、０．０５〜２μｍの厚さを除去する。なお、このマスクは、図６における下部電極層上部３２の部分以外が開口しているものに相当する。
【００７８】
次に、露出した下部電極層下部３１上に、例えばスパッタ法などによって、例えばＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料を０．０１〜０．５μｍ程度に絶縁層４として積層する。その後、マスクを剥離することによりリフトオフする。
【００７９】
なお、本明細書において、「リフトオフ」とは、機械的及び／又は化学的手法によりマスクとその上に成膜された膜を除去するいかなる工程をも含むものである。
【００８０】
次に、絶縁層４上に、例えばフレームメッキ法などによって、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性材料を、０．１〜１．５μｍ程度に薄膜コイル５として積層する。また、薄膜コイル５は、図６および図７に示したように、バックギャップ１８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、薄膜コイル５の巻回数（ターン数）は任意に設定可能であるが、そのターン数は薄膜コイル１３のターン数と一致しているのが望ましい。
【００８１】
次に、例えば塗布法などによって、例えば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を、薄膜コイル５を埋設するように、約０．１〜１．５μｍ程度に絶縁層６、７として積層する。絶縁層６、７をそれぞれ積層しても良い。その場合、絶縁層６、７は同じ材料であることが望ましいが、非磁性絶縁材料であれば、異なる材料でも構わない。
【００８２】
次に、例えば化学的物理的研磨（ＣＭＰ）法や、酸素（Ｏ２）やフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法や、ウェットエッチング法などによって、下部電極層上部３２上の余剰の絶縁層７を除去する。除去方法は、単一の方法、複数の方法の組み合わせのいずれでも構わないが、次の工程にて磁気抵抗効果積層体８を積層する際に、下地層の平坦性が重要となるため、ＣＭＰ法を最後に実施することが望ましい。
【００８３】
本発明の第５の実施形態では、絶縁層４を積層した後、薄膜コイル５を積層する前にリフトオフを実施しているが、薄膜コイル５を積層後、もしくは、絶縁層６、７を積層後にリフトオフを実施しても構わない。また、リフトオフを実施せず、絶縁層６、７を積層後、下部電極層上部３２上のマスク、絶縁層４、７を一括に除去しても構わない。
【００８４】
本発明の第５の実施形態では、下部電極層下部３１と下部電極層上部３２を、例えばフレームメッキ法などによって一括に積層した後、エッチングによって下部電極層下部３１と下部電極層上部３２を形成しているが、それぞれ例えばフレームメッキ法などによって積層してもよい。この場合、絶縁層６、７を積層後、下部電極層上部３２上の絶縁層４、７を一括に除去する。
【００８５】
基板方向への磁界の漏洩が問題にならない場合、本発明の第１〜３、および第６の実施の形態に示したように、薄膜コイル５を省略することが可能である。この場合、下部電極上部３２の形成から絶縁層７を形成までの工程を省略することができる。
【００８６】
次に、例えばスパッタ法などによって、例えばＴａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ又はＷ等からなる厚さ０．５〜５ｎｍ程度の膜と、例えばＲｕ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、Ｃｏ又はＣｏＦｅ等からなる厚さ１〜６ｎｍ程度の膜を、下部金属層８１として積層する。
【００８７】
次に、下部金属層８１上に、例えばスパッタ法などによって、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ等からなる厚さ５〜３０ｎｍ程度の反強磁性膜（ピン層用の膜）と、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ１〜５ｎｍ程度の第１の強磁性膜と、例えばＲｕ、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｃｒ、レニウム（Ｒｅ）及びＣｕ等のうちの１つ又は２つ以上の合金からなる厚さ０．８ｎｍ程度の非磁性膜と、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１〜３ｎｍ程度の第２の強磁性膜を、磁化固定層８２として積層する。
【００８８】
次に、磁化固定層８２上に、例えばスパッタ法などによって、例えば、厚さ０．５〜１ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）又は亜鉛（Ｚｎ）の酸化物を、非磁性スペーサー層８３として積層する。
【００８９】
次に、非磁性スペーサー層８３上に、例えばスパッタ法などによって、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ等からなる厚さ１ｎｍ程度の高分極率膜と、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ１〜９ｎｍ程度の軟磁性膜を、磁化自由層８４として積層する。
【００９０】
次に、磁化自由層８４上に、例えばスパッタ法などによって、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｒ又はＷ等の非磁性導電材料からなり、１層又は２層以上からなる厚さ１〜１０ｎｍ程度の膜を、上部金属層８５として積層する。
【００９１】
次に、このように形成した磁気抵抗効果積層体８について、形状を規定するパターニングを行う。まず、磁気抵抗効果積層体８上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスク（図示なし）を形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばＡｒイオン等によるイオンビームエッチング、を行う。なお、このマスクは、図６、図７における磁気抵抗効果積層体８以外の部分が開口しているものに相当する。このイオンミリングにより、図３に示すように、下から下部金属層８１、磁化固定層８２、非磁性スペーサー層８３、磁化自由層８４及び上部金属層８５の積層構造を有する磁気抵抗効果積層体８を得ることができる。
【００９２】
次に、その上に、例えばスパッタリング法、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により、例えばＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２等の絶縁材料を、１〜１００ｎｍ程度に絶縁層９として成膜する。その後、マスクを剥離することによってリフトオフする。
【００９３】
次に、主磁極層１０の形状を規定するパターニングを行う。まず、絶縁層９上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスク（図示なし）を形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばＡｒイオン等によるイオンビームエッチング、を行う。なお、このマスクは、図６、図７における主磁極層１０の部分が開口しているものに相当する。次に、例えばスパッタリング法、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により、例えば、鉄（Ｆｅ）リッチな鉄ニッケル合金（ＦｅＮｉ）、鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）または鉄コバルトニッケル合金（ＦｅＣｏＮｉ）などの鉄系合金などの高い飽和磁束密度を有する磁性材料を、１０〜１００ｎｍ程度に主磁極層１０として積層する。その後、マスクを剥離することによってリフトオフする。
【００９４】
次に、例えばフレームメッキ法などによって、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の金属磁性材料を厚さ０．１〜０．６μｍ程度に補助磁極層１１として積層する。
【００９５】
次に、例えばスパッタリング法、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により、例えばＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料を０．０１〜０．５μｍ程度に絶縁層１２として積層する。
【００９６】
次に、例えばフレームメッキ法などによって、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性材料を、０．１〜１．５μｍ程度に薄膜コイル１３として積層する。また、薄膜コイル５は、図６および図７に示したように、バックギャップ１８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。
【００９７】
次に、例えば塗布法などによって、例えば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を、約０．１〜１．５μｍ程度に絶縁層１４として、薄膜コイル１３を被覆するように積層する。
【００９８】
次に、リターンヨーク層１５と補助磁極層１１を連結させるための開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク（図示なし）を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層１２、１４を除去する。なお、このマスクは、薄膜コイル１３上および近傍の絶縁層１２、１４上に形成する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたＮｉ層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
【００９９】
次に、例えばフレームメッキ法等により、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＮ、ＦｅＺｒＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ等の高飽和磁束密度を有する磁性材料を、０．１〜３．０μｍ程度にリターンヨーク層１５として積層する。
【０１００】
次に、例えばスパッタリング法、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）法等により、例えばＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁材料を０．０１〜０．５μｍ程度にオーバーコート層１６として積層する。
【０１０１】
次に、上部電極層１７と磁気抵抗効果積層体８を連結させるための開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク（図示なし）を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層１２、１４、オーバーコート層１６を除去する。なお、このマスクは、図６において、上部電極層１７の部分が開口しているものに相当する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたＮｉ層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
【０１０２】
次に、例えばスパッタリング法などにより、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）もしくはこれらの元素を１つ以上含む合金等を、０．１〜３μｍ程度に上部電極層１７として積層する。
【０１０３】
次に、例えばイオンビームエッチング法、酸素系ガスを使用した反応性イオンビームエッチング法などによって、開口部を形成するために使用したマスクを除去する。望ましくは、Ａｒを使用したイオンビームエッチング法によって、Ｎｉマスクを除去する。
【０１０４】
次に、下部電極層下部３１に外部機器を配線する開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク（図示なし）を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層９、１２、１４、オーバーコート層１６を除去する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたＮｉ層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
【０１０５】
次に、例えばイオンビームエッチング法、酸素系ガスを使用した反応性イオンビームエッチング法などによって、開口部を形成するために使用したマスクを除去する。望ましくは、Ａｒを使用したイオンビームエッチング法によって、Ｎｉマスクを除去する。
【０１０６】
以上の製造方法により、本発明の第５の実施形態に係る薄膜磁性素子が完成する。
【０１０７】
次に、本発明に関する実施例について説明する。
【実施例１】
【０１０８】
前記本発明の第１の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。具体的には、基板１として、６インチ２ｍｍ厚の熱酸化シリコン基板を用いた。絶縁層２は、予め配設された熱酸化膜１μｍとした。下部電極層下部３１は０．５５μｍのＮｉＦｅ、下部電極層上部３２は０．６５μｍのＮｉＦｅ、絶縁層４は０．６μｍのＳＯＧ、下部金属層８１は１ｎｍのＴａと２ｎｍのＲｕ、磁化固定層８２は７ｎｍのＩｒＭｎと２ｎｍのＣｏＦｅと０．８ｎｍのＲｕと３ｎｍのＣｏＦｅ、非磁性スペーサー層８３は０．６ｎｍのＭｇＯ、磁化自由層８４は１ｎｍのＣｏＦｅと３ｎｍのＮｉＦｅ、上部金属層８５は５ｎｍのＴａと７ｎｍのＣｒ、絶縁層９は３０ｎｍのＡｌ２Ｏ３、主磁極層１０は０．４μｍのＦｅＮｉ、絶縁層１２は０．１μｍのＳｉＯ２、薄膜コイルは０．５μｍのＣｕ、絶縁層１４は０．６μｍのＳＯＧ、リターンヨーク層１５は０．５μｍのＮｉＦｅ、オーバーコート層１６は０．１μｍのＳｉＯ２、上部電極層１７は１．６μｍのＡｕとした。磁気抵抗効果積層体８のＸ軸方向の幅は２００ｎｍ、Ｙ軸方向の長さは１５０ｎｍとした。主磁極層１０１の先端部１０１１の幅Ｗ１は５００ｎｍ、ネックハイトＮＨは５００ｎｍとした。主磁極層１０１および１０２の先端部１０１１および１０２１は、磁気抵抗効果積層体８に対して、下部電極上部３２の端部および上部電極１７の端部よりも５０ｎｍ離間させた。
【０１０９】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、高周波特性の評価として、スピントルクダイード出力の測定を実施した。以下に、スピントルクダイオード出力について簡単に説明する。
【０１１０】
磁気抵抗効果素子に対して高い周波数の交流電流を流した場合に、磁化自由層に流れる交流電流の周波数と磁化の向きに戻ろうとするスピン歳差運動の振動数とが一致したときに、強い共振が発生する（スピントルク強磁性共鳴）。また、磁気抵抗効果素子に静磁界を印加し、かつこの静磁界の方向を磁化固定層の磁化の方向に対して層内で所定角度傾けた状態では、磁気抵抗効果素子は、ＲＦ電流（スピン歳差運動の振動数（共振周波数）と一致する周波数のＲＦ電流）が注入されたときに、注入されたＲＦ電流の振幅の２乗に比例する直流電圧をその両端に発生させる２乗検波出力をスピントルクダイオード出力と呼称する。
【０１１１】
薄膜コイル１３１および薄膜コイル１３２に対して逆方向に同じ大きさの電流を通電し、Ｘ軸方向の磁界を印加した状態にて、スピントルクダイオード出力の測定を実施した。主磁極層１０１の先端部１０１１から磁束が放出され、主磁極層１０２の先端部１０２１から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値とした。下部電極層３と上部電極層１７間に流す電力は０．１ｍＷとした。図１０に結果を、表１に薄膜コイル１３１および１３２への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を示す。薄膜コイル１３１および薄膜コイル１３２に流す電流を変化させることによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【０１１２】
【表１】
2013191735.tif 000003
【実施例２】
【０１１３】
前記本発明の第２の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。主磁極層１０は０．１μｍのＦｅＮｉ、補助磁極層１１は０．３μｍのＦｅＣｏＮｉとした。それ以外の構成は、実施例１と同様の構成とした。
【０１１４】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例１と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表１に薄膜コイル１３１および１３２への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例１同様に、薄膜コイル１３１および１３２に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【実施例３】
【０１１５】
前記本発明の第３の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。主磁極層１０は３０ｎｍのＦｅＮｉ、補助磁極層１１は０．３μｍのＦｅＣｏＮｉとした。主磁極層１０１および１０２の先端部１０１１および１０２１は、磁気抵抗効果積層体８に対して、５０ｎｍの距離まで近接するように配設した。それ以外の構成は、実施例２と同様の構成とした。
【０１１６】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例２と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表１に薄膜コイル１３１および１３２への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例２同様に、薄膜コイル１３１および１３２に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【実施例４】
【０１１７】
前記本発明の第４の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。下部電極層下部３１は０．５μｍのＮｉＦｅ、下部電極層上部３２は０．７μｍＮｉＦｅ、絶縁層４は０．１μｍのＳｉＯ２、積層コイル５は０．５μｍのＣｕ、絶縁層６、７は０．６μｍのＳＯＧ、絶縁層９は３ｎｍのＡｌ２Ｏ３、主磁極層１０は３０ｎｍのＦｅＮｉ、補助磁極層１１は０．３μｍのＦｅＣｏＮｉとした。それ以外の構成は、実施例３と同様の構成とした。
【０１１８】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例３と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表１に薄膜コイル１３１および１３２への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例３同様に、薄膜コイル１３１および１３２に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【実施例５】
【０１１９】
前記本発明の第５の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。絶縁層４、薄膜コイル５、絶縁層６、７、９、主磁極層１０、補助磁極層１１、絶縁層１２、薄膜コイル１３、絶縁層１４、リターンヨーク層１５、オーバーコート層１６は、Ｘ軸方向のみならず、９０度傾斜したＹ軸方向にも、もう一対配設し、主磁極層１０１、１０２、１０３、１０４に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層１５１、１５２、１５３、１５４を、互いに連結した。それ以外の構成は、実施例４と同様の構成とした。
【０１２０】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、まず実施例４と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表１に薄膜コイル１３１および１３２への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例４同様に、薄膜コイル１３１および１３２に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【０１２１】
次に、薄膜コイル１３３および薄膜コイル１３４に対しても逆方向に同じ大きさの電流を通電し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁界を印加した状態にて、スピントルクダイオード出力の測定を実施した。主磁極層１０１の先端部１０１１から磁束が放出され、主磁極層１０２の先端部１０２１から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値、主磁極層１０３の先端部１０３１から磁束が放出され、主磁極層１０４の先端部１０４１から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値とした。下部電極層３と上部電極層１７間に流す電力は０．１ｍＷとした。表１に薄膜コイル１３１、１３２、１３３および１３４への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を示す。薄膜コイル１３１、１３２、１３３および１３４に同時に電流を印加することによって、印加磁界の方向が変化し、ピーク周波数時の出力が向上したことが確認された。
【実施例６】
【０１２２】
前記本発明の第６の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。下部電極層３は１．２μｍのＮｉＦｅとし一体型の構成とした。絶縁層４、薄膜コイル５、絶縁層６、７は配設しなかった。それ以外の構成は、実施例５と同様の構成とした。
【０１２３】
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例５と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表１に薄膜コイル１３１、１３２、１３３および１３４への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例５同様に、薄膜コイル１３１、１３２、１３３および１３４に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
【０１２４】
以上説明した実施例により、薄膜コイルに流す電流量を制御することで磁界強度・方向を任意に制御することが可能となり、それによって高周波特性を任意に制御し幅広い周波数帯域での利用が可能となることを確認した。
【符号の説明】
【０１２５】
１・・・基板
２，４，６，７，９，１２，１４・・・絶縁層
３・・・下部電極層
５，１３，１３１，１３２，１３３，１３４・・・薄膜コイル
８・・・磁気抵抗効果積層体
１０，１０１，１０２，１０３，１０４・・・主磁極層
１１，１１１，１１２，１１３，１１４・・・補助磁極層
１５，１５１，１５２，１５３，１５４・・・リターンヨーク層
１６・・・オーバーコート層
１７・・・上部電極層
１８，１８１，１８２，１８３，１８４・・・バックギャップ
３１・・・下部電極層下部
３２・・・下部電極層上部
８１・・・下部金属層
８２・・・磁化固定層
８３・・・非磁性スペーサー層
８４・・・磁化自由層
８５・・・上部金属層
１０１１，１０２１，１０３１，１０４１・・・先端部
１０１２，１０２２・・・後端部
ＦＰ・・・フレアポイント
ＮＨ・・・ネックハイト
Ｗ１，Ｗ２・・・幅
【図１】
2013191735.tif 000004
【図２】
2013191735.tif 000005
【図３】
2013191735.tif 000006
【図４】
2013191735.tif 000007
【図５】
2013191735.tif 000008
【図６】
2013191735.tif 000009
【図７】
2013191735.tif 000010
【図８】
2013191735.tif 000011
【図９】
2013191735.tif 000012
【図１０】
2013191735.tif 000013