(57)【要約】【課題】高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供する。【解決手段】磁性素子１は、第１の強磁性層４と、第２の強磁性層２と、第１の強磁性層４と第２の強磁性層２の間に配置されたスペーサー層３と、第１の強磁性層４に対してスペーサー層３とは反対側に配置された電流狭窄層６とを備え、電流狭窄層６は、電流狭窄層６の上面から下面までを貫通し、電流狭窄層６に対して第１の強磁性層４とは反対側の層と第１の強磁性層４とを電気的に接続する複数のコンタクトホール５を備え、互いに隣接している複数のコンタクトホール５間の最近接の距離ｄｎｃと、電流狭窄層６の第１の強磁性層４に対向する対向面１０から第１の強磁性層４のスペーサー層３側の界面までの厚さｄｆが、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしていることを特徴とする。【選択図】図１Ａ
2016119407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性層と、第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に配置されたスペーサー層と、前記第１の強磁性層に対して前記スペーサー層とは反対側に配置された電流狭窄層とを備え、
前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層の上面から下面までを貫通して前記電流狭窄層に対して前記第１の強磁性層とは反対側の層と前記第１の強磁性層とを電気的に接続する複数のコンタクトホールを有し、
互いに隣接している前記複数のコンタクトホール間の距離ｄｎｃと、前記電流狭窄層の前記第１の強磁性層に対向する対向面から前記第１の強磁性層の前記スペーサー層側の界面までの厚さｄｆが、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆ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】
前記対向面上に投影された前記第１の強磁性層の外縁部から前記コンタクトホールまでの距離の最小値ｌｅｏが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁性素子を備えた高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無配線信号伝達、通信用機能素子などに応用される磁性素子およびそれを備えた高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日までのエレクトロニクスの発展は、キャリアの電荷を用いた様々な半導体デバイスによってもたらされてきた。しかし近年、キャリアの電荷に加えてスピンも同時に利用するスピントロニクス（ｓｐｉｎ＋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）という分野が注目されている。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）効果を利用した磁気抵抗効果素子の急速な発達によって、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きた。
【０００３】
磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性体のスピン偏極した電子が反平行に磁化した他方の強磁性体に輸送されることで、強磁性体のスピンに歳差運動が起こり、スピン反転することが知られている。ここでスピンが反転する向きに磁場を加え、スピン偏極した電流と外部磁場に由来する２つのトルクを拮抗させたとき、スピンの歳差運動の周期に応じた発振現象が生じる。これらの現象を利用したマイクロ波の発振といったデバイスとしての産業利用が提案されている。
【０００４】
しかしながら、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）の発振出力は、多くの報告例では実用とするにはまだ微小である。
【０００５】
適切な距離間にある複数の磁性素子を形成し、これに対し適切な電流と外部磁場を印加すると、各々の磁性素子の発振周波数が近い場合には、複数の発振周波数と位相が揃って周波数幅が狭まり、さらにマイクロ波の出力も増大することが報告されている。この現象はフェイズロックと呼ばれ、出力増大の手段として注目されている。非特許文献１では、２つの独立した磁性素子を直列に並べ、フェイズロックを起こすことで発振出力を向上させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．  Ｄｕｓｓａｕｘ  ，  ｅｔ  ａｌ，  “Ｐｈａｓｅ  ｌｏｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ｖｏｒｔｅｘ  ｂａｓｅｄ  ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｔｏ  ａ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ”，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９８，  １３２５０６  （２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この場合は複数の磁性素子を集積する必要があり、デバイスの小型化の弊害になるという問題があった。
【０００８】
本発明では、高出力かつ小型のデバイスを実現でき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】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の磁性素子は、第１の強磁性層と、第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に配置されたスペーサー層と、前記第１の強磁性層に対して前記スペーサー層とは反対側に配置された電流狭窄層とを備え、前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層の上面から下面までを貫通して前記電流狭窄層に対して前記第１の強磁性層とは反対側の層と前記第１の強磁性層とを電気的に接続する複数のコンタクトホールを有し、互いに隣接している前記複数のコンタクトホール間の距離ｄｎｃと、前記電流狭窄層の前記第１の強磁性層に対向する対向面から前記第１の強磁性層の前記スペーサー層側の界面までの厚さｄｆが、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、「隣接しているコンタクトホール」とは、あるコンタクトホールからみて最近接の位置にあるコンタクトホールのことである。「コンタクトホール間の距離」とは、コンタクトホールの外縁部間の距離のことである。
【００１１】
この磁性素子によれば、互いに隣接しているコンタクトホール間の距離ｄｎｃがｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしていることで、複数のコンタクトホールにより狭窄され、複数の経路に分けられた電子の流れが第１の強磁性層を通過する際、拡散により合成されず、フェイズロックを起こすことが可能となる。また、ｄｎｃ／２＞５ｄｆを満たしている場合、発振する箇所の距離が離れてしまい、フェイズロックを効果的に発生させることができなくなってしまう。従って、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たすことで、単一素子でフェイズロックを効果的に発生させることが可能となり、高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供できる。
【００１２】
さらに、本発明の磁性素子は、前記対向面上に投影された前記第１の強磁性層の外縁部から前記コンタクトホールまでの距離の最小値ｌｅｏが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
ここで、「第１の強磁性層の外縁部からコンタクトホールまでの距離」とは、第１の強磁性層の外縁部からコンタクトホールの外縁部までの距離のことである。
【００１４】
この磁性素子によれば、ｄｆがｌｅｏよりも小さく規定されていることによって、コンタクトホールを有する領域から第１の強磁性層を通過する電子の流れは、第１の強磁性層の外縁部まで拡散されずに第１の強磁性層を通過する。第１の強磁性層の外縁部を電子が流れる場合、第１の強磁性層の外縁部では電流密度が第１の強磁性層の中央部と異なるために発振の周波数が異なってしまい、第１の強磁性層の外縁部を流れる電子がフェイズロックの発生に寄与することが困難になる。従って、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことによって単一素子でフェイズロックをより効果的に発生させることができ、高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供できる。
【００１５】
本発明の高周波デバイスは、上記のいずれかの磁性素子を備えている。
【００１６】
この高周波デバイスによれば、小型で高出力な高周波デバイスを提供できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単一素子でフェイズロックを発生させる磁性素子を提供することができ、高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の実施形態１に係る磁性素子の積層構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】シンセティックピンド層の詳細積層構造を示す断面図である。
【図２】電流狭窄層の積層方向に対して垂直な面の断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る磁性素子の積層構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る磁性素子の積層構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態４に係る無配線信号伝達に用いられる発振装置を示す模式図である。
【図６】比較例５の磁性素子の積層構造を示す断面図である。
【図７】実施例１〜５の磁性素子のｌｅｏ／ｄｆと信号の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】
【００１９】
以下、本発明における好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００２０】
（実施形態１）
図１Ａは実施形態１に係る磁性素子１の積層構造を示す断面図である。実施形態１の磁性素子１は、第１の強磁性層４と、第２の強磁性層２と、第１の強磁性層４と第２の強磁性層２の間に配置されたスペーサー層３と、第１の強磁性層４に対してスペーサー層３とは反対側に配置され、複数のコンタクトホール５を有する電流狭窄層６とを備える。
【００２１】
より具体的には、第２の強磁性層２、スペーサー層３、第１の強磁性層４、電流狭窄層６がこの順に配置されており、各層の周縁部を囲むように図示しない絶縁体が配置されている。
【００２２】
なお本発明においては、磁性素子１の積層構造は実施形態１の限りではなく、積層の順序を逆にしてもよく、本発明の効果が得られる場合において各層の間に薄い層を配置してもよい。
【００２３】
また、第２の強磁性層２から電流狭窄層６までの積層膜を挟持するように、電流狭窄層６側に上部電極８と第２の強磁性層２側に下部電極９が配置されており、上部電極８と第下部電極９を介して磁性素子１に膜面直方向に電流が流れる。電流は下部電極９から上部電極８の方向に流れる。つまり、電流は第２の強磁性層２から電流狭窄層６の方向に流れる。
【００２４】
上部電極８および下部電極９は、例えばスパッタリング装置によって作製され、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕもしくはこれらのいずれか２つ以上の膜で構成されており、膜厚は５ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。
【００２５】
第２の強磁性層２、スペーサー層３、第１の強磁性層４の各層は、例えばスパッタリング装置を用いて成膜する。スパッタリング装置としては、複数の物理蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバ、酸化チャンバとを有する装置が好ましい。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、Ａｒ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、Ａｒガスの流量は１〜３００ｓｃｃｍ、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。
【００２６】
下部電極９と第２の強磁性層２との間に下部電極９のラフネスを改善するためのバッファ層や、下部電極９の結晶性を遮断することにより、第２の強磁性層２の配向・粒径を制御する機能を持たせたシード層を配置しても良い。バッファ層およびシード層の材料は、例えばＴａとＮｉＣｒとの膜や、ＴａとＲｕとの膜が好ましい。バッファ層およびシード層の各膜厚は、例えば２〜６ｎｍ程度とすることが好ましい。いずれも膜厚が小さすぎると所望の効果が得られず、大きすぎると磁気抵抗効果に寄与しない寄生抵抗が増加してしまう。
【００２７】
第２の強磁性層２は、その磁化方向が実質的に固定された磁化固定層であり、一例として、交換結合によって一方向磁気異方性を付与されている。好適な形態として、シンセティックピンド層１１が挙げられる。図１Ｂはシンセティックピンド層１１の詳細積層構造を示す断面図であり、反強磁性層１２、アウター層１３、非磁性中間層１４および第２の強磁性層２に相当するインナー層１５が順次積層されて構成されている。シンセティックピンド層はアウター層１３からインナー層１５までの層を指し、反強磁性層１２はアウター層１３の磁化の方向を固定するために設けられている。
【００２８】
インナー層１５およびアウター層１３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１５とアウター層１３は、非磁性中間層１４によって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。
【００２９】
インナー層１５およびアウター層１３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１５の膜厚は２〜１０ｎｍ、アウター層１３の膜厚は１〜７ｎｍ程度とすることが好ましい。インナー層１５は、ホイスラー合金を含んでいても良い。
【００３０】
非磁性中間層１４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１４の膜厚は、例えば０．３５ｎｍ〜１．０ｎｍ程度とされる。非磁性中間層１４は、インナー層１５の磁化とアウター層１３の磁化とを互いに逆方向に固定するために設けられており、膜厚が大きすぎると、非磁性中間層１４を介したインナー層１５とアウター層１３の磁気結合が弱くなる。「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°の範囲内で異なる場合をも含む広い概念である。
【００３１】
反強磁性層１２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３５〜９５ａｔ％とすることが好ましい。
【００３２】
また、反強磁性層１２の代わりにハード磁性層を配置してもよい。ハード磁性層材料としては、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ等が好ましい。
【００３３】
スペーサー層３は、第１の強磁性層４と第２の強磁性層２の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得るための役割を有しており、絶縁体でも金属でもよく、絶縁体であればＡｌ２Ｏ３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの非磁性体が好ましく、膜厚は０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが望ましい。またスペーサー層３として、非磁性絶縁体中に、導体によって構成される導電領域を含む層を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３やＭｇＯによって構成される非磁性絶縁体に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇなどの導体によって構成される導電領域を含む構造とすることが好ましい。絶縁体および導電領域の膜厚は、０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３４】
第１の強磁性層４は、外部磁界もしくはスピン偏極電流によってその磁化の向きが変化する、第２の強磁性層２より保磁力の小さい層である。第１の強磁性層４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１〜１５ｎｍ程度の膜により構成される。これらの膜に、磁歪調整層として例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ１〜９ｎｍ程度の軟磁性膜を付加してもよい。
【００３５】
第１の強磁性層４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。
【００３６】
また、第１の強磁性層４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。
【００３７】
電流狭窄層６は第１の強磁性層４に対してスペーサー層３とは反対側に配置され、複数のコンタクトホール５と絶縁体７によって構成されている。各々のコンタクトホール５は、電流狭窄層６の上面から下面まで貫通しており、電流狭窄層６に対して第１の強磁性層４とは反対側の層（上部電極８）と第１の強磁性層４とを電気的に接続する。電流狭窄層６は、電流による電子の流れをコンタクトホール５に狭窄させることで電流密度の大きい電流を第１の強磁性層４に流したり、電子の流れを複数の経路に分けて複数の発振を発生させて、フェイズロックを発生させたりすることで信号を高出力化させる役割を有している。コンタクトホール５の材料としては電流狭窄層６の下地の層（この例では第１の強磁性層４）を構成している材料を利用することが望ましく、絶縁体７の材料としてはＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ、ＳｉＯ２などが望ましい。
【００３８】
磁性素子１は、互いに隣接しているコンタクトホール５間の距離ｄｎｃと、電流狭窄層６の第１の強磁性層４に対向する対向面１０から第１の強磁性層４のスペーサー層３側の界面までの厚さｄｆが、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしている。また、図１Ａに示すように、磁性素子１は、対向面１０上に投影された第１の強磁性層４の外縁部からコンタクトホール５までの距離の最小値ｌｅｏが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たしている。「隣接しているコンタクトホール」とは、あるコンタクトホールからみて最近接の位置にあるコンタクトホールのことである。図２は電流狭窄層６の積層方向に対して垂直な面による断面図である。図２に示すように、「コンタクトホール５間の距離」とは、コンタクトホール５の外縁部間の距離のことである。「第１の強磁性層４の外縁部からコンタクトホール５までの距離」とは、第１の強磁性層４の外縁部からコンタクトホール５の外縁部までの距離のことである。また、コンタクトホール５の８０％以上が、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たすことが好ましい。
【００３９】
絶縁体７に酸化物を用いる場合、第１の強磁性層４の上に非磁性金属を成膜後、自然酸化あるいはＩｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ−Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＩＡＯ）処理によって非磁性金属を酸化させて電流狭窄層６を形成することができる。自然酸化は例えば、Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＩＢＤ）装置内で非磁性金属を成膜後、ＩＢＤ装置内に酸素ガスを流すことにより行う。ＩＡＯ処理は例えば、ＩＢＤ装置内に酸素ガスあるいは酸素イオンを非磁性金属に照射すると同時に、低エネルギーのＡｒイオンを非磁性金属に照射することにより行う。成膜した非磁性金属の下地層である第１の強磁性層４は、層の表面全体に凹凸を有している。自然酸化あるいはＩＡＯ処理を行うことにより非磁性金属表面を酸化させることで、非磁性金属が第１の強磁性層４の表面の凹部に凝集して絶縁体７が形成され、第１の強磁性層４の表面の凸部が露出することコンタクトホール５が形成される。
【００４０】
自然酸化の場合、酸素流量１〜１０ｓｃｃｍもしくは酸素分圧１．０×１０−３Ｐａ〜５．０×１０−１Ｐａ条件下で５ｓｅｃ〜２００ｓｅｃ放置することが望ましい。ＩＡＯ処理の場合、酸素流量１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ、処理時間を５ｓｅｃ〜１００ｓｅｃとすることが望ましい。
【００４１】
第１の強磁性層４の外縁部に相当する部分から膜面内方向に対して距離ｌｅｏ以内の領域においては、酸化条件をより強く設定することが望ましい。その場合、非磁性金属を成膜後、第１の強磁性層４の外縁部に相当する部分から膜面内方向に対して距離ｌｅｏ以内の領域にレジストを塗布し、自然酸化あるいはＩＡＯ処理によって酸化させて絶縁体７およびコンタクトホール５を形成して電流狭窄層６の一部を形成する。続いてレジストを除去した後、形成された電流狭窄層６の一部（コンタクトホール５が形成された領域）にレジストを塗布し、より強い酸化条件で酸化を行う。より強い酸化を行う際は、自然酸化の場合、酸素流量１０ｓｃｃｍ以上もしくは酸素分圧５．０×１０−１Ｐａ以上の条件下で２００ｓｅｃ以上放置することが望ましい。ＩＡＯ処理の場合、酸素流量５ｓｃｃｍ以上、処理時間を１００ｓｅｃ以上とすることが望ましい。
【００４２】
酸化条件をより強くすることで、コンタクトホール５が絶縁体に変化するため、第１の強磁性層４の外縁部から膜面内方向に対して距離ｌｅｏ以内の領域にコンタクトホールが形成されないようにすることができる。
【００４３】
または、第１の強磁性層４の上に非磁性金属を成膜後、自然酸化あるいはＩＡＯ処理によって非磁性金属を酸化させて電流狭窄層６を作製した後に、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングにより第１の強磁性層４の外縁部に相当する部分から膜面内方向に対して距離ｌｅｏ以内の領域の電流狭窄層６のみを除去し、除去した領域に非磁性の絶縁体を成膜しても良い。絶縁体の材料としてはＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ、ＳｉＯ２などが望ましい。
【００４４】
コンタクトホール５の直径は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましい。
【００４５】
上部電極８の成膜後、第２の強磁性層２の磁化固定のために磁場中熱処理を行う。磁場中熱処理は、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。
【００４６】
磁場中熱処理後、上部電極８、電流狭窄層６、第１の強磁性層４、スペーサー層３、シンセティックピンド層１１および反強磁性層１２の積層体部分を所望の形状にするため、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、除去された領域にスパッタリング装置などにより、各層の周縁部を囲うように絶縁体を配置する。絶縁体の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などが望ましい。
【００４７】
互いに隣接するコンタクトホール５間の距離ｄｎｃと、電流狭窄層６の第１の強磁性層４に対向する対向面１０から第１の強磁性層４のスペーサー層側３の界面までの厚さｄｆが、ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしている場合、磁性素子１に電流が流れると、コンタクトホール５により狭窄され複数の経路に分けられた電子の流れが、第１の強磁性層４を通過する際、拡散により合成されない。これは、電界が面直方向に印加されていることによって電子が面直方向成分に加速され、電子の速度成分における面直方向成分が面内方向成分よりも小さくなることはないためである。
【００４８】
単一の素子において、電流狭窄層により複数の経路に分けられた電子の流れが合成されずに第１の強磁性層４を通過する場合、スピン偏極した電子が合成されずに各経路を通過するため、スピンの歳差運動に応じた発振現象は分けられた経路ごとに発生する。それらの複数の発振現象が近接した箇所で発生することで、複数の発振の周波数と位相が揃って周波数幅が狭まり、マイクロ波の出力を増大させるフェイズロッキング現象が発生する。
【００４９】
また、磁性素子に印加される電流と外部磁場が適切であると、効果的にフェイズロッキング現象を発生させることができる。具体的には、電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２〜１×１０９Ａ／ｃｍ２、外部磁場の大きさは０Ｏｅ〜２ｋＯｅであることが望ましい。この範囲より大きい外部磁場を印加した場合、第２の強磁性層２の磁化方向が固定されなくなり、スピン偏極した電子を流すことができなくなる場合がある。
【００５０】
また、ｄｎｃ／２＞５ｄｆを満たしている場合、発振する箇所の距離が離れてしまい、フェイズロックを効果的に発生させることができなくなってしまう。以上により、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たすことで、単一素子でフェイズロックを効果的に発生させることが可能となり、高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供できる。
【００５１】
また、ｄｆがｌｅｏよりも小さく規定されていることによって、コンタクトホール５を有する領域から第１の強磁性層４を通過する電子の流れは、第１の強磁性層４の外縁部まで拡散されずに第１の強磁性層４を通過する。これは、上述したように電子の速度成分における面直方向成分が面内方向成分よりも小さくなることはないためである。第１の強磁性層４の外縁部に電子が流れる場合、面内方向については第１の強磁性層４の外縁部を越えて電子が拡散することはできないため、第１の強磁性層４の外縁部では電子の通過する領域が第１の強磁性層４の中央部と比較して小さくなり、第１の強磁性層４の外縁部と中央部とで電流密度が異なることで発振の周波数が異なってしまい、第１の強磁性層４の外縁部を流れる電子がフェイズロックの発生に寄与することが困難になる。従って、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たすことによって、第１の強磁性層４を通過する電子の大部分がフェイズロックの発生に寄与することができ、単一素子でフェイズロックをより効果的に発生させることが可能となる。従って、高出力かつ小型のデバイスを実現できる磁性素子を提供できる。
【００５２】
下部電極９から上部電極８の積層方向に対して垂直な面の形状は、特に限定されず円でも楕円でも、多角形でもよい。
【００５３】
なお、磁性素子１に対する電流の流れは下部電極９から上部電極８に限定するものではなく、逆方向に流した場合でも効果は得られる。
【００５４】
（実施形態２）
図３は実施形態２の磁性素子１ｂの積層構造を示す断面図である。図１Ａに示す実施形態１に係る磁性素子１と異なる点は、第１の強磁性層４の積層方向に垂直な断面の断面積が均一でない点である。
【００５５】
ｌｅｏは対向面１０上に投影された第１の強磁性層４の外縁部からコンタクトホール５までの距離の最小値であり、その長さは図３に記載されたｌｅｏの長さに該当する。それ以外の点は実施形態１に係る磁性素子１と同様である。
【００５６】
（実施形態３）
図４は実施形態３の磁性素子１ｃの積層構造を示す断面図である。図１Ａに示す実施形態１に係る磁性素子１と異なる点は、対向面１０上に投影された第１の強磁性層４の外縁部からコンタクトホール５までの距離の最小値ｌｅｏが、ｌｅｏ＞ｄｆの関係を満たしておらず、ｌｅｏ≦ｄｆとなっている点である。
【００５７】
ｄｆがｌｅｏ以上の大きさに規定されていることによって、コンタクトホール５を有する領域から第１の強磁性層４に通過する電子の流れは、第１の強磁性層４の外縁部まで拡散される。第１の強磁性層４の外縁部を流れる電流の電流密度が第１の強磁性層４の中央部と異なるため、発振の周波数が異なってしまい、第１の強磁性層４の外縁部を流れる電子はフェイズロックの発生に寄与することが困難になる。しかし、５ｄｆ＞ｄｎｃ／２＞ｄｆの関係を満たしている場合、第１の強磁性層４のその他の部分ではフェイズロックを起こすことが可能である。
【００５８】
（実施形態４）
図５は本発明の高周波デバイスの一例である、無配線信号伝達に用いられる発振装置１６である。発振装置１６は、磁性素子１と磁場印加機構１７を含んだ信号発生部１８、電源部１９と信号増幅部２０を有している。電源部１９により磁場印加機構１７に電流を印加することにより磁界を発生させ、磁性素子１の発振に必要な磁界を印加することができる。また、電源部１９の出力を制御することで、磁性素子１に印加する電流、磁場印加機構１７に印加する電流を各々制御できる。電源部１９による印加電流により発振する磁性素子１からの信号は、信号増幅部２０により所望の出力に増幅し、信号伝達に使用される。
【実施例】
【００５９】
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。
【００６０】
（実施例１〜５）
上記本発明の実施形態１および３において説明した磁性素子１、１ｃを作製した。熱酸化Ｓｉ基板上に、下部電極９としてＣｕ（１００ｎｍ）を、スパッタリング装置を用いて成膜した。その後、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングによりコプレーナ導波路形状に形成した。
【００６１】
次に、スパッタリング装置およびＩＢＤ装置を用いてバッファ層、シード層、反強磁性層１２、シンセティックピンド層１１、スペーサー層３、第１の強磁性層４、電流狭窄層６をこの順に成膜した。各層の膜構成は、バッファ層をＴａ（２ｎｍ）、シード層をＲｕ（２ｎｍ）、反強磁性層をＩｒＭｎ（７ｎｍ）、シンセティックピンド層１１を６５ＣｏＦｅ  （３．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／９０ＣｏＦｅ（２．４ｎｍ）、スペーサー層３をＭｇＯ（１．５ｎｍ）、第１の強磁性層４を９０ＣｏＦｅ（１５ｎｍ）、電流狭窄層６をＩＡＯ処理（処理条件：酸素ガス１ｓｃｃｍ、Ａｒガス１ｓｃｃｍ、処理時間３０ｓｅｃ）したＡｌ（１．５ｎｍ）とした。  なお、括弧内の数値は各層の厚さである。
【００６２】
さらに実施例２〜５において、ｌｅｏを変化させる目的で、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングを用いて第１の強磁性層４の外縁部となる部分から膜面内方向に対して距離ｌｅｘ以内の領域のみが露出するように電流狭窄層６を除去した。実施例２〜５において、距離ｌｅｘの値を表１に示すように変化させ、実施例２〜５の磁性素子のｌｅｏを変化させた。除去した箇所にスパッタ法、リフトオフにより絶縁体７を形成した。絶縁体７にはＡｌ２Ｏ３を用いた。実施例１ではこの処理は行わず、ｌｅｘは０である。
【００６３】
次に、互いに隣接するコンタクトホール５の間の距離およびｌｅｏの測定を行った。コンタクトホール間の距離およびｌｅｏの計測は、ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ−ＡＦＭ（以下ｃ−ＡＦＭ）により行った。コンタクトホール５と絶縁体７では流れる電流量が異なるため、まずｃ−ＡＦＭの導電プローブを電流狭窄層６まで作製した試料表面に接触させ、導通している部分の領域をコンタクトホール５とみなし、隣接するコンタクトホール５間の距離を求めた。続いて、第１の強磁性層４の外縁部となる部分からコンタクトホール５までの距離を測定した。第１の強磁性層４の外縁部となる部分の位置は、通常のＡＦＭの機能を用いて測定した。なお、計測は、試料表面の酸化を防ぐため、電流狭窄層６の形成後は高真空の環境を維持した状態でｃ−ＡＦＭ測定を行った。
【００６４】
次に、スパッタリング装置およびＩＢＤ装置を用いて、上部電極８、キャップ層を作製した。上部電極８はＣｕ（１００ｎｍ）、キャップ層はＲｕ（２ｎｍ）とした。
【００６５】
次に、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングを行い、キャップ層からバッファ層までの積層体をφ２００ｎｍの円形にパターニングした。続いて、スパッタ法、リフトオフにより積層体の周囲に絶縁体（Ａｌ２Ｏ３）を形成した。
【００６６】
（実施例６〜１０）
上記本発明の実施形態３において説明した磁性素子１ｃを、実施例６〜実施例１０として作製した。作製方法は実施例１〜５と一部異なり、ｌｅｏを変化させる目的で行ったフォトリソグラフィーおよびイオンミリングを行っていない。また、隣接するコンタクトホール５の間の距離を変化させる目的で、電流狭窄層６の作製におけるＩＡＯの処理時間をそれぞれ１０ｓｅｃ、１５ｓｅｃ、２０ｓｅｃ、３０ｓｅｃ、３５ｓｅｃ（この順に、実施例６、７、８、９、１０が対応）と変化させた。酸素ガス、Ａｒガスの流量はいずれも１ｓｃｃｍとした。さらに、第１の強磁性層４を９０ＣｏＦｅ（５ｎｍ）とした。
【００６７】
（比較例１〜２）
比較例１、２の磁性素子を作製した。比較例１、２の磁性素子が実施例１と異なる点は、互いに隣接しているコンタクトホール５の距離ｄｎｃと、電流狭窄層６の第１の強磁性層４に対向する対向面１０から第１の強磁性層４のスペーサー層３側の界面までの厚さｄｆが、ｄｎｃ／２＜ｄｆの関係を満たしている点である。隣接するコンタクトホール５の間の距離を変化させる目的で、電流狭窄層６の作製におけるＩＡＯの処理時間をそれぞれ５ｓｅｃ、８ｓｅｃ（この順に比較例１、２が対応）と変化させた。酸素ガス、Ａｒガスの流量はいずれも１ｓｃｃｍとした。さらに、第１の強磁性層４を９０ＣｏＦｅ（５ｎｍ）とした。
（比較例３〜４）
比較例３、４の磁性素子を作製した。比較例３、４の磁性素子が実施例１と異なる点は、互いに隣接しているコンタクトホール５の距離ｄｎｃと、電流狭窄層６の第１の強磁性層４に対向する対向面１０から第１の強磁性層４のスペーサー層３側の界面までの厚さｄｆが、５ｄｆ＜ｄｎｃ／２の関係を満たしている点である。また、隣接するコンタクトホール５の間の距離を変化させる目的で、電流狭窄層６の作製におけるＩＡＯの処理時間をそれぞれ４０ｓｅｃ、５０ｓｅｃ（この順に比較例３、４が対応）と変化させた。酸素ガス、Ａｒガスの流量はいずれも１ｓｃｃｍとした。さらに、第１の強磁性層４を９０ＣｏＦｅ（５ｎｍ）とした。
（比較例５）
図６に示す磁性素子１ｘを比較例５として作製した。電流狭窄層６を除いては、実施例１と同様の構成とした。磁性素子１ｘでは、実施例１の磁性素子１ｃにおける電流狭窄層６にかえて、Ａｌを１．５ｎｍの厚さでスパッタリング法により成膜した。
【００６８】
以上の手法で作製した実施例１〜１０、および比較例１〜５の磁性素子に対して、電流及び外部磁場を印加して、磁性素子の発振出力の測定を行った。
【００６９】
磁性素子に印加する電流を３ｍＡに設定し、磁場を第２の強磁性層２の磁化固定方向から面内に４０°回転させた方向に２００Ｏｅ印加した。スペアナのＲＢＷ（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｂａｎｄ  Ｗｉｄｔｈ）は３ＭＨｚとして発振出力を測定した。その結果、得られた最大のピークに対して、ＲＢＷおよび半値全幅を考慮して発振出力を計算した。実施例１〜１０および比較例１〜５の磁性素子のｄｎｃ、ｄｆ、（ｄｎｃ／２）／ｄｆ、ｌｅｘ、ｌｅｏ、ｌｅｏ／ｄｆおよび発振出力の結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
2016119407.tif 000003
【００７１】
図７は実施例１〜５の磁性素子の発振出力の測定結果について、ｌｅｏ／ｄｆと発振出力との関係を示している。
【００７２】
図７より、ｌｅｏ＞ｄｆの範囲になると出力がより大きくなることが分かる。ｌｅｏ＞ｄｆの場合は、電子が第１の強磁性層４の外縁部まで拡散されずに通過するため、第１の強磁性層４を通過する電子の大部分がフェイズロックの発生に寄与することができ、効果的にフェイズロックを発生させることができ、出力が向上したと考えられる。
【００７３】
表１における実施例６および比較例１，２より、ｄｎｃ／２＜ｄｆの範囲では発振出力は小さく、ｄｎｃ／２の値がｄｆの値を超えると急激に出力が増加することがわかる。ｄｎｃ／２がｄｆより小さい範囲では、複数のコンタクトホール５に分割されて狭窄された電子の流れが、第１の強磁性層４で拡散して合流したことで単一の発振となり、フェイズロックが発生せずに低い出力を示したと考えられるが、ｄｎｃ／２がｄｆを超えた範囲では、複数のコンタクトホール５に分割されて狭窄された電子の流れが第１の強磁性層４の内部で合流しないために複数の発振を起こすことが可能となり、フェイズロックが発生し、出力が増加したと考えられる。
【００７４】
また、実施例１０および比較例３，４より、ｄｎｃ／２が５ｄｆより大きい値になると出力が低下することがわかる。ｄｎｃ／２が５ｄｆより大きい範囲では発振する箇所の距離が離れてしまうため、フェイズロックを効果的に発生させることができなくなってしまうと考えられる。
【００７５】
また、実施例６〜１０の結果から、ｄｆが異なる場合でも実施例１の磁性素子と同様の効果が得られることが分かる。
【００７６】
また、比較例５の結果から、コンタクトホールを有する電流狭窄層が無い場合には、発振出力が小さいことが分かる。
【００７７】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は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】
【００７８】
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、フィルターなどのデバイスとして利用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１、１ｂ、１ｃ、１ｘ・・・磁性素子
２・・・第２の強磁性層
３・・・スペーサー層
４・・・第１の強磁性層
５・・・コンタクトホール
６・・・電流狭窄層
７・・・絶縁体
８・・・上部電極
９・・・下部電極
１０・・・対向面
１１・・・シンセティックピンド層
１２・・・反強磁性層
１３・・・アウター層
１４・・・非磁性中間層
１５・・・インナー層
１６・・・発振装置
１７・・・磁場印加機構
１８・・・信号発生部
１９・・・電源部
２０・・・信号増幅部
【図１Ａ】
2016119407.tif 000004
【図１Ｂ】
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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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