JP2009042178A

JP2009042178A - 磁気デバイス及び周波数検出器

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Publication number: JP2009042178A
Application number: JP2007210022A
Authority: JP
Inventors: Keiji Koga; 啓治古賀; Yuji Kakinuma; 裕二柿沼
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP5056261B2

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用した磁気デバイス及び周波数検出器を提供する。
【解決手段】本発明に係る磁気デバイスは、固定層３及びフリー層５を有する磁気抵抗効果素子１４と、フリー層５に交換結合磁界７Ｍを印加するように設けられたバイアス磁界印加層７と、磁気抵抗効果素子１４に交流信号ｉを供給する入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２と、磁気抵抗効果素子１４から出力電圧Ｖを取り出す出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気デバイス及び周波数検出器に関する。

磁気抵抗効果素子として、磁化の向きが固定された固定層と、磁化の向きが自由に変化する磁化自由層（フリー層）との間に非磁性導電層を介在させてなるＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。また、別の磁気抵抗効果素子として、固定層とフリー層との間に非磁性絶縁層を介在させてなるＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。これらの磁気抵抗効果素子に電流を流すと、スピン偏極電流が流れ、フリー層内に蓄積されたスピンとの相互作用によりトルクが発生し、スピン偏極電流の極性に応じて、フリー層の磁化の向きが変更する。一定の磁場内に配置されたフリー層では、その磁化の向きを変更しようとしても、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するように、磁化の向きにトルクが働く。この磁化の向きの運動は、重力によって引っ張られた振り子の重りが、特定の力で揺らされると、ゆらゆらと振動するのに似ており、歳差運動と呼ばれる。

近年、この磁化の向きの歳差運動の固有振動数と、フリー層に流れる交流電流の周波数とが一致すると、共振が生じる現象が発見された（非特許文献１参照）。ＴＭＲ素子の抵抗値は、フリー層の磁化の向きと、固定層の磁化の向きとが成す角度に依存する。フリー層において磁化の向きの共振が生じると、フリー層の磁化の向きは大きく振動し、ＴＭＲ素子の抵抗値が周期的に大きく変動する。一方、入力される交流電流に同期してＴＭＲ素子の抵抗値が大きく変動すると、ＴＭＲ素子の両端間を流れる交流電流がゼロレベルに対して非対称に変動して直流成分を有するようになり、変動分を出力として取り出すことができる（スピントルクダイオード効果）。

ＴＭＲ素子に上述の現象を発生させるためには、ＴＭＲ素子に磁場を印加しておく必要があるが、通常は、ＴＭＲ素子を磁場印加装置内に配置し、実験を行っている。
Nature, Vol.438, 17 November, 2005, pp.339-342

しかしながら、上述のような磁気抵抗効果素子の現象が知られつつも、このような現象を工業的に利用できる磁気デバイスは知られておらず、発見の応用が期待されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用した磁気デバイス及び周波数検出器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気デバイスは、固定層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子と、フリー層に交換結合磁界を印加するように設けられたバイアス磁界印加層と、磁気抵抗効果素子に交流信号を供給する入力端子と、磁気抵抗効果素子から出力電圧を取り出す出力端子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用した磁気デバイスを得ることができる。即ち、上述の磁気抵抗効果素子に電流を流すとスピン偏極電流が流れ、フリー層内に蓄積されたスピンとの相互作用によりトルクが発生し、スピン偏極電流の極性に応じて、フリー層の磁化の向きが変更する。そして、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化の向きの固有振動数と、磁気抵抗効果素子を流れる交流電流の周波数が一致した場合、磁化の向きの振動が共振し、磁気抵抗効果素子の抵抗値がその周波数で急激に変動するため、出力電圧はゼロレベルに対して非対称に変動して直流成分を有することとなる。ここで、共振周波数（固有振動数）は、フリー層に印加される磁場の大きさに依存する。即ち、バイアス磁界印加層がフリー層に印加する交換結合磁界の大きさに依存して共振周波数が決定され、入力された交流信号のうち、決定された共振周波数の成分に対応する特定の周波数の信号の電圧が選択的に変動して直流成分を有することとなる。

このような磁気デバイスにおいては、高周波信号の周波数検波・整流が可能となり、工業的な応用が可能となる。また、バイアス磁界印加層は、従来の大型の磁場印加装置に代えて設けられるものであり、磁気デバイス内に設けられている。そのため、フリー層にバイアス磁界を印加するために、バイアス磁界印加層以外の部材は不要であるため、磁気デバイスの小型化を図ることができる。

さらに、交流信号は、磁気抵抗効果素子の積層方向に流れることが好ましい。これにより、上述の共振現象を容易に生じさせることができる。

さらに、バイアス磁界印加層は、反強磁性層を含み、反強磁性層とフリー層が接するように磁気抵抗効果素子に積層して設けられていることが好ましい。これにより、フリー層に対して、反強磁性層からの交換結合磁界が印加されることとなる。また、バイアス磁界印加層は磁気抵抗効果素子に積層されているため、磁気デバイスの構造を簡単化することができる。

また、バイアス磁界印加層は、反強磁性層及び反強磁性層と接する強磁性層を含み、強磁性層とフリー層が接するように磁気抵抗効果素子に積層して設けられていることが好ましい。これにより、強磁性層は反強磁性層と交換結合するため、フリー層に対して、強磁性層からの交換結合磁界が印加されることとなる。また、バイアス磁界印加層は磁気抵抗効果素子に積層されているため、磁気デバイスの構造を簡単化することができる。

さらに、バイアス磁界印加層によって印加される交換結合磁界のフリー層内における向きと、固定層の磁化の向きとが、固定層の膜面内において５度以上の角度で交差することが好ましい。これにより、フリー層の磁化の向きが振動し易くなる。即ち、フリー層の磁化の向きは交換結合磁界のフリー層内における向きと一致する。そして、磁気抵抗効果素子に電流を流した場合、フリー層の磁化は固定層の磁化の向きと同一方向又は反対方向にトルクを受ける。そのため、上述の角度が一致している場合、フリー層の磁化の向きの振動が生じ難くなる。この角度が５度以上であれば、フリー層の磁化の向きの振動を容易に生じさせることができる。

さらに、交流信号が含む周波数成分のうち、フリー層に印加される交換結合磁界の大きさに依存するフリー層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分と、フリー層の磁化方向とが共振し、固有振動数に対応する周波数成分を変動させて直流電圧を出力することが好ましい。これにより、フリー層に印加される交換結合磁界が所定の大きさになるように磁気デバイスを製造すれば、交流信号が含む周波数成分のうちの所定の周波数成分を選択的に変動させて直流電圧を出力する磁気デバイスを得ることができる。

さらに、それぞれ独立した出力端子を有し、固有振動数がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を有することが好ましい。これにより、交流信号が複数の周波数成分を含んでいる場合に、複数の固有振動数に対応した複数の周波数成分を変動させ、それに対応して複数の直流電圧をそれぞれ出力する磁気デバイスを得ることができる。

さらに、交流信号を発生させるための信号発生装置をさらに備えることが好ましい。これにより、信号発生装置から発生する信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。

さらに、信号発生装置がアンテナであることが好ましい。これにより、アンテナで受信した信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。

本発明に係る周波数検出器は、上述のいずれかの磁気デバイスと、出力端子から出力される電圧をモニタするモニタ回路とを備える。本発明によれば、入力された交流信号のうち、特定の周波数の信号の電圧がモニタ回路によって検出される。そのため、この装置は周波数検出器として機能する。

さらに、モニタ回路と磁気抵抗効果素子との間に介在するローパスフィルタを更に備えることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子からの直流成分のみを透過させてモニタ回路に入力させることができる。即ち、磁気抵抗効果素子の両端間には交流信号が印加されているため、ローパスフィルタを設けることにより、交流信号のうち選択的に変動した特定の周波数の信号の直流電圧のみを取り出すことができる。

本発明の磁気デバイス及び周波数検出器によれば、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化の向きの共振現象を工業的に利用することが可能となる。

以下、実施の形態に係る磁気デバイス及び周波数検出器について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

図１は、本発明に係る磁気デバイス３０を備えた周波数検出器１００の斜視図である。なお、図１においては、図面の見易さのため、後述のシリコン基板１０、非磁性絶縁層１６及び保護層２２の図示を省略している（図２参照）。

磁気デバイス３０は、磁気抵抗効果素子１４と、磁気抵抗効果素子１４に積層されて設けられたバイアス磁界印加層７と、磁気抵抗効果素子１４の両端間に交流信号ｉを供給する一対の入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２と、磁気抵抗効果素子１４の両端間出力電圧Ｖを取り出す一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２とを備えている。なお、入力端子ＩＮＰＵＴ２及び出力端子ＯＵＴＰＵＴ２は、基準端子ＶＲＥＦであり、グランドに接続されている。

磁気抵抗効果素子１４の積層方向をＺ軸方向とし、これに直交する２軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。バイアス磁界印加層７のＺ軸の正側の端面、及び磁気抵抗効果素子１４のＺ軸の負側の端面には、それぞれ上部電極層２０及び下部電極層１２が接触している。また、バイアス磁界印加層７は導電性材料で構成されており、磁気抵抗効果素子１４は、上部電極層２０及び下部電極層１２と電気的に接続されている。上部電極層２０及び下部電極層１２は、突部を有する板状の電極であり、それぞれの突部間に磁気抵抗効果素子１４及びバイアス磁界印加層７が配置されている。なお、上部及び下部なる用語は、それぞれＺ軸の正側の位置及び負側の位置を意味するものであり、重力の方向とは無関係である。

上部電極層２０及び下部電極層１２には、それぞれ一対の上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４が電気的に接続されている。なお、上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４の一部は、それぞれ保護層２２（図１においては図示せず。図２参照）内に埋設されているが、図１においては、上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４のうち、保護層２２内に埋設されている部分を破線で示している。

一方の上部電極層用パッド２８と一方の下部電極層用パッド２４間には、入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２を介して信号源Ｓから交流信号ｉが印加される。一方の上部電極層用パッド２８と一方の下部電極層用パッド２４間に直流が印加されないように、一方の入力端子ＩＮＰＵＴ１と一方の上部電極層用パッド２８との間の配線には、キャパシタＣが直列に挿入されている。

図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った磁気デバイス３０の端面図である。図２に示すように、下部電極層１２、磁気抵抗効果素子１４、バイアス磁界印加層７及び上部電極層２０は、この順にシリコン基板１０上に積層されている。そして、磁気抵抗効果素子１４とバイアス磁界印加層７の側面、及び下部電極層１２とシリコン基板１０の表面の一部には非磁性絶縁層１６が設けられている。さらに、非磁性絶縁層１６の表面及び上部電極層２０の表面を覆うように、保護層２２が形成されている。

図３及び図４を用いて、磁気抵抗効果素子１４及びバイアス磁界印加層７の詳細について説明する。図３は、図２の磁気抵抗効果素子１４付近の拡大端面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った磁気抵抗効果素子１４付近の端面図である。

図３に示すように、磁気抵抗効果素子１４は、フリー層５を含む素子である。具体的には、磁気抵抗効果素子１４は、下地層１と、反強磁性層２と、反強磁性層２と交換結合して磁化の向き３ＡＭがＹ軸の正方向に固定された下部強磁性層３Ａと、Ｒｕなどの導電性金属からなる非磁性層３Ｂと、非磁性層３Ｂを介して磁化の向き３ＣＭが下部強磁性層３Ａの磁化の向き３ＡＭと反対向き（Ｙ軸の負方向）に固定された上部強磁性層３Ｃと、非磁性層４と、強磁性体からなるフリー層５とがこの順に積層された構成を含んでいる。ここで、下部強磁性層３Ａと非磁性層３Ｂと上部強磁性層３Ｃとで固定層３となるが、固定層３の磁化の向きとは、固定層３の２つの強磁性層のうちフリー層５に近い方である上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭを意味するものとする。

磁気抵抗効果素子１４がＴＭＲ素子からなる場合には、非磁性層４は、非磁性絶縁層（トンネルバリア層：好適厚み１ｎｍ以下）からなることとし、磁気抵抗効果素子１４がＣＰＰ（Current Perpendicular Plane）型のＧＭＲ素子からなる場合には、非磁性層４は、Ｃｕなどの非磁性導電層からなるが、いずれの構造であっても、電流は磁気抵抗効果素子１４の積層方向（Ｚ軸方向）に流れる。

強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性であり、強磁性体は外部磁場が無い場合においても自発磁化を有する。室温で強磁性を示す物質としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＧｄがある。強磁性体としては、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金等を好適に用いることができる。反強磁性層２を構成する反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等を適用することができる。非磁性層４をＴＭＲ素子用の絶縁層から構成する場合には、絶縁層としてトンネル効果の生じる厚みのＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＯなどのトンネルバリア層を用いることができる。なお、磁気抵抗効果素子１４は、下地層１を含んでいなくてもよい。

また、フリー層５の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることができ、磁気抵抗効果素子１４全体の膜厚は、１０〜２００ｎｍとすることができる。

そして、磁気抵抗効果素子１４に積層して、バイアス磁界印加層７が設けられている。バイアス磁界印加層７は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等で形成された反強磁性層７ａと、Ｔａ、Ｒｕ等の導電性金属で形成されたキャップ層７ｂとからなる。そして、反強磁性層７ａとフリー層５は交換結合している。即ち、反強磁性層７ａはフリー層５に対して、図３のＸ軸の正方向に交換結合磁界７Ｍを印加している。そのため、フリー層５の磁化の向き５Ｍは、交換結合磁界７Ｍのフリー層５内における向きであるＸ軸の正方向となる。また、バイアス磁界印加層７の反強磁性層７ａの厚さは、後述するように共振周波数ｆ_０が所定の値になるように調整されるが、例えば１〜１００ｎｍとすることができる。なお、バイアス磁界印加層７はキャップ層７ｂを有していなくてもよい。

また、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った端面図である図４に示すように、交換結合磁界７Ｍのフリー層５内における向きと、固定層３の磁化方向３ＣＭとが固定層３の膜面内において成す角度θは、本実施形態の場合９０度となっている。

次に、磁気デバイス及び周波数検出器の動作について、図１〜図３を用いて説明する。

交流電流ｉを磁気抵抗効果素子１４に供給すると、磁気抵抗効果素子１４のフリー層５内に特定の極性のスピンが注入され、この注入量に応じて、フリー層５の磁化の向き５Ｍが変化する。フリー層５の磁化の向き５Ｍは、交流電流が供給されていないときには、バイアス磁界印加層７から発生する交換結合磁界７Ｍのフリー層５内での方向に一致している。磁気抵抗効果素子１４の固定層３側からフリー層５に偏極スピンが注入される場合、上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭに、その磁化の向きが揃う向きの極性のスピンがフリー層５に注入され、フリー層５は、フリー層５の磁化の向き５Ｍを上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと平行になる方向に回転させるようなトルクを受ける。これとは逆向きにフリー層５に電子を注入した場合には、上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭに揃った極性のスピンはフリー層５内には注入されないので、上記とは逆の極性のスピンがフリー層５に注入され、フリー層５は、フリー層５の磁化の向き５Ｍを上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと反平行になる方向に回転させるようなトルクを受ける。

交流電流ｉの極性は時間と共に変化するので、フリー層５の磁化の向きは、交流電流ｉの大きさと周波数に影響を受けて振動する。磁気抵抗効果素子１４のフリー層５の磁化の向き５Ｍの固有振動数ｆ_Ｆと、磁気抵抗効果素子１４を流れる交流電流ｉの周波数ｆが一致した場合（ｆ_０＝ｆ_Ｆ＝ｆ）、フリー層５の磁化の向き５Ｍの振動が共振し、磁気抵抗効果素子１４の素子の抵抗値が急激に変動し、交流電流ｉの電圧が変動して直流成分を有し、
他方の上部電極層用パッド２８と他方の下部電極層用パッド２４にそれぞれ接続された出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２の間の電圧として出力される。

共振周波数ｆ_０は、磁気抵抗効果素子１４のフリー層５に印加される交換結合磁界７Ｍの大きさに依存して上昇する。この交換結合磁界７Ｍの大きさは、バイアス磁界印加層７の材質、膜厚等に依存する。これらの条件を調節して交換結合磁界７Ｍの大きさを増大させると（交換結合磁界７Ｍａ＜交換結合磁界７Ｍｂ＜交換結合磁界７Ｍｃ）、共振（共鳴）周波数ｆ_０が上昇する(図５参照）。すなわち、バイアス磁界印加層７の材質、膜厚等に依存して共振周波数ｆ_０が決定され、入力された交流信号（交流電流ｉ）のうち、決定された共振周波数ｆ_０の成分に対応する電圧Ｖが選択的に変動して直流成分を有し、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２の間に現れる（図６参照）。

また、本実施形態の周波数検出器１００は、磁気デバイス３０を備えており、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２から出力される電圧Ｖをモニタするモニタ回路４０を更に備えている。交流電流ｉを磁気抵抗効果素子１４に供給すると、フリー層５の固有振動数ｆ_Ｆに対応した特定の共振周波数の電圧Ｖがモニタ回路４０によって検出される（図６参照）。すなわち、交流信号ｉに含まれる特定の周波数を検出する周波数検出器として機能する。

また、周波数検出器１００は、モニタ回路４０と磁気抵抗効果素子１４との間に介在するローパスフィルタＬを更に備えている。これは、磁気抵抗効果素子１４の両端間には、一対の入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２と、一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２が接続されているが、入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２には交流信号ｉが印加されているため、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２からフリー層５の磁化の向き５Ｍの固有振動数ｆ_Ｆに対応した特定の周波数の信号電圧の直流電圧Ｖのみを選択的に取り出すためである。ローパスフィルタＬは、磁気抵抗効果素子１４からの直流成分のみを透過させてモニタ回路４０に入力させる。本例では、ローパスフィルタＬは、上部電極層用パッド２８と出力端子ＯＵＴＰＵＴ１との間に介在するコイルから構成されている。

図７は、図１に示した磁気抵抗効果素子１４として、ＴＭＲ素子を用いた場合の外部磁場（Ｏｅ）と、出力電圧（μＶ）の関係を、入力される高周波信号の周波数（ＧＨｚ）毎に示すグラフであり、図８は、図７のグラフのデータを示す表であり、最上行と最左列を除く表内の数値は出力電圧（μＶ）を示している。

このグラフからも明らかように、共振周波数に対応する外部磁場の大きさが存在しており、周波数が高くなるほど、必要とされる外部磁場が大きくなることが分かる。

本実施形態においては、外部磁場（交換結合磁界７Ｍ（図３参照））をバイアス磁界印加層７によってフリー層５に印加しているが、この場合も同様に考えることができる。

なお、ＴＭＲ素子の代わりにＣＰＰ型のＧＭＲ素子を用いた場合も、スピン振動の共鳴の原理を考慮すると、磁化の向きの振動に応じてＴＭＲ素子と同様に作用する。ＣＰＰ型のＧＭＲ素子を用いて同様の実験を行った場合、ＴＭＲ素子の場合と同様の結果が得られた。すなわち、例えば印加電圧周波数を４．５ＧＨｚとした場合、４．５ＧＨｚにおいて出力電圧のピークが観察され、その電圧値は２３０μＶを超えるものが観察された。

次に、本実施形態に係る磁気デバイス３０の製造方法を、図９〜１５を用いて説明する。図９〜１５の（Ａ）は磁気デバイス３０の中間体の平面図である。また、図９〜１４の（Ｂ）及び図１５の（Ｂ）（Ｃ）は、各図の平面図（Ａ）における所定の線に沿った磁気デバイス３０の中間体の端面図である。

まず、図９に示すように、シリコン基板１０上に所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる下部電極層１２を形成し、全面に磁気抵抗効果素子１４を形成し、将来磁気抵抗効果素子１４を残す部分にパターニングされたレジストマスク１５を形成する。ここで、下部電極層１２及び磁気抵抗効果素子１４は、例えばスパッタリング装置を用いて成膜することができる。また、磁気抵抗効果素子１４内のフリー層５（図９においては図示せず。図３参照）を成膜する際、将来交換結合磁界７Ｍが印加されることとなる方向（図９の左右の方向）に磁場を印加しながら成膜し、フリー層５に対してその方向に誘導磁気異方性を付与してもよい。

続いて、図１０に示すように、磁気抵抗効果素子１４のうちレジストマスク１５によってマスクされていない部分を、イオンミリング等によって除去する。これにより、磁気抵抗効果素子１４のパターンが形成される。

次に、図１１に示すように、磁気抵抗効果素子１４の側面と、下部電極層１２とシリコン基板１０の露出表面に、ＳｉＯ_２等の非磁性絶縁層１６を形成する。ここで、非磁性絶縁層１６は、例えばＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４を用いたＣＶＤ装置によって成膜することができる。

そして、図１２に示すように、保護層２２aを全面に成膜した後、磁気抵抗効果素子１４が露出するまでＣＭＰ等によって表面をラッピングすることにより、凹部に保護層２２aを埋め、全面を平坦にする。

続いて、図１３に示すように、所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる上部電極層２０を、磁気抵抗効果素子１４と電気的に接触するように形成する。

次に、図１４に示すように、全体に保護層２２ｂを形成した後に、表面をＣＭＰ等によってラッピングして平坦化する。

そして、図１５に示すように、保護層２２（＝保護層２２ａ＋保護層２２ｂ）の表面に、将来上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４を形成する領域以外をレジストでマスクし、マスクされていない領域の保護層２２を、例えばＣ_４Ｆ_８等を用いた反応性イオンエッチング装置等によって除去して上部電極層２０及び下部電極層１２に達するスルーホールを形成し、スパッタ装置等によってＡｕ等の導電性材料を成膜して一対の上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４を形成する。

その後、固定層３の上部強磁性層３Ｃ及び下部強磁性層３Ａの磁化方向を固定するために、Ｙ軸の正方向に磁場を印加した状態で反強磁性層２のブロッキング温度程度まで加熱した後に冷却する（図３参照）。その後、Ｘ軸の正方向に磁場を印加した状態でバイアス磁界印加層７の反強磁性層７ａのブロッキング温度程度まで加熱した後に冷却する。これにより、反強磁性層７ａとフリー層５は交換結合し、フリー層５には交換結合磁界７ＭがＸ軸の正方向に印加される（図３参照）。なお、上述の反強磁性層７ａとフリー層５を交換結合させるための磁場中熱処理によって、上部強磁性層３Ｃ及び下部強磁性層３Ａの磁化方向がＹ軸に沿った方向から傾いてしまう可能性がある。このような不都合を回避するため、バイアス磁界印加層７の反強磁性層７ａは、磁気抵抗効果素子１４の反強磁性層２よりもブロッキング温度の低い材料で形成することが好ましい。

そして、図１に示すように、一対の上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４の一方に一対の入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２を接続し、一対の上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４の他方に一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２を接続することにより、磁気デバイス３０が完成する。

上述のような本実施形態に係る磁気デバイス及び周波数検出器によってスピンデバイスの共振を用いれば、通常のＳｉ半導体技術では得られないＧＨｚ帯の周波数解析を行うことができるため、通信技術の更なる発展を期待することができる。また、バイアス磁界印加層７は、従来の大型の磁場印加装置に代えて設けられるものであり、磁気デバイス３０内に設けられている。そのため、フリー層５にバイアス磁界を印加するために、バイアス磁界印加層７以外の部材は不要であるため、磁気デバイス３０の小型化を図ることができる（図３参照）。

また、本実施形態の磁気デバイス３０においては、磁気抵抗効果素子１４として、その膜面に垂直に電流を流すタイプの素子を使用している。そのため、上述の共振現象を好適に生じさせることが可能である。

また、本実施形態の磁気デバイス３０においては、バイアス磁界印加層７は、反強磁性層７ａを含み、反強磁性層７ａとフリー層５が接するように磁気抵抗効果素子１４に積層して設けられている（図３参照）。そのため、フリー層５に対して、反強磁性層７ａからの交換結合磁界７Ｍが印加されることとなる。また、バイアス磁界印加層７は磁気抵抗効果素子１４に積層されているため、磁気デバイスの構造を簡単化することができる。

さらに、本実施形態の磁気デバイス３０においては、バイアス磁界印加層７によって印加される交換結合磁界７Ｍのフリー層５内における向きと、固定層３の磁化の向き３ＣＭとが、固定層３の膜面内において９０度の角度で交差している（図３、図４参照）。そのため、フリー層５の磁化の向き５Ｍが振動し易くなっている。即ち、フリー層５の磁化の向き５Ｍは交換結合磁界７Ｍのフリー層５内における向きと一致する。そして、磁気抵抗効果素子１４に電流を流した場合、フリー層５の磁化は固定層３の磁化の向き３ＣＭと同一方向又は反対方向にトルクを受ける。そのため、上述の角度が一致している場合、フリー層５の磁化の向き５Ｍの振動が生じ難くなる。本実施形態では、この角度θが９０度であるため、フリー層５の磁化の向き５Ｍの振動を容易に生じさせることができる。

また、本実施形態の磁気デバイス３０においては、交流信号ｉが含む周波数成分のうち、フリー層５に印加される交換結合磁界７Ｍの大きさに依存するフリー層５の磁化方向５Ｍの固有振動数ｆ_Ｆに対応する周波数成分と、フリー層５の磁化方向５Ｍとが共振し、固有振動数ｆ_Ｆに対応する周波数成分を変動させて直流電圧Ｖを出力している。そのため、フリー層５に印加される交換結合磁界７Ｍが所定の大きさになるように磁気デバイス３０を製造すれば、交流信号ｉが含む周波数成分のうちの所定の周波数成分を選択的に変動させて直流電圧を出力する磁気デバイス３０が実現される。

また、本実施形態の周波数検出器１００は、上述の磁気デバイス３０と、一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２から出力される電圧をモニタするモニタ回路４０とを備えている。これにより、入力された交流信号ｉのうち、特定の周波数の信号の電圧がモニタ回路４０によって検出されるような周波数検出器が実現されている。

また、本実施形態の周波数検出器１００は、モニタ回路４０と磁気抵抗効果素子１４との間に介在するローパスフィルタＬを更に備えている。このため、磁気抵抗効果素子１４からの直流成分のみを透過させてモニタ回路４０に入力させることができる。即ち、磁気抵抗効果素子１４の両端間には交流信号ｉが印加されているため、ローパスフィルタＬを設けることにより、交流信号ｉのうち選択的に変動した特定の周波数の信号の直流電圧のみを取り出すことが可能となっている。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。

例えば、上述の実施形態においては、バイアス磁界印加層７によって印加される交換結合磁界７Ｍのフリー層５内における向きと、固定層３の磁化の向き３ＣＭとが、固定層３の膜面内において成す角度θが９０度となっているが（図４参照）、角度θは鋭角や鈍角であってもよい。この角度θは、上述の共振現象を好適に生じさせる観点から、５度以上であることが好ましい。

また、図１６に示すように、バイアス磁界印加層７は、反強磁性層７ａと、これと交換結合した強磁性層７ｃとキャップ層７ｂとからなり、この強磁性層７ｃとフリー層５が接するような態様も可能である。この場合、強磁性層７ｃは反強磁性層７ａと交換結合している。そして、フリー層５に対して、強磁性層７ｃからの交換結合磁界７Ｍが印加されることとなる。

また、図１７に示すように、磁気抵抗効果素子１４ａの固定層３は、一層の強磁性層であってもよい。この場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、交流信号を発生させるための信号発生装置を信号源Ｓとしてさらに備える構成も可能である。これにより、信号発生装置から発生する信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。信号発生装置としてＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）を用いれば、送信機として用いることができる。また、信号発生装置としてアンテナを用いることもできる。この場合、アンテナで受信した信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。

また、図１８に示すように、それぞれ独立した出力端子ＯＵＴＰＵＴ１a、ＯＵＴＰＵＴ２ａ、ＯＵＴＰＵＴ１ｂ、ＯＵＴＰＵＴ２ｂ、ＯＵＴＰＵＴ１ｃ、ＯＵＴＰＵＴ２ｃを有し、固有振動数ｆ_Ｆがそれぞれ異なる複数の磁気デバイス３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有する周波数検出器１００ａも可能である。ここで、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１a、ＯＵＴＰＵＴ１ｂ及びＯＵＴＰＵＴ１ｃは、それぞれ上述の実施形態における出力端子ＯＵＴＰＵＴ１に対応し、出力端子ＯＵＴＰＵＴ２ａ、ＯＵＴＰＵＴ２ｂ及びＯＵＴＰＵＴ２ｃは、それぞれ上述の実施形態における出力端子ＯＵＴＰＵＴ２に対応し、磁気デバイス３０ａ、３０ｂ及び３０ｃは、それぞれ上述の実施形態における磁気デバイス３０に対応する（図１参照）。これにより、交流信号ｉが複数の周波数成分を含んでいる場合に、複数の固有振動数ｆ_Ｆに対応した複数の周波数成分を変動させ、それに対応して複数の直流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃをそれぞれ出力する周波数検出器１００ａを得ることができる。ここで、直流電圧Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃは、上述の実施形態における直流電圧Ｖに対応し、周波数検出器１００ａは、上述の実施形態における周波数検出器１００に対応する（図１参照）。

本発明に係る磁気デバイス３０を備えた周波数検出器１００の斜視図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った磁気デバイス３０の端面図である。図２の磁気抵抗効果素子１４付近の拡大端面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った磁気抵抗効果素子１４の端面図である。交流電流ｉの周波数ｆと出力電圧Ｖとの関係を示すグラフである。磁場Ｈと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。図１に示した磁気抵抗効果素子１４として、ＴＭＲ素子を用いた場合の外部磁場（Ｏｅ）と、出力電圧（μＶ）の関係を、入力される高周波信号の周波数（ＧＨｚ）毎に示すグラフである。図７のグラフのデータを示す表である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。実施形態の変形例を示す端面図である。実施形態の変形例を示す端面図である。実施形態の変形例を示す模式図である。

符号の説明

３・・・固定層、３ＣＭ・・・固定層の磁化方向、５・・・フリー層、１４・・・磁気抵抗効果素子、７・・・バイアス磁界印加層、７Ｍ・・・交換結合磁界、ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２・・・入力端子、ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２・・・出力端子。

Claims

固定層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子と、
前記フリー層に交換結合磁界を印加するように設けられたバイアス磁界印加層と、
前記磁気抵抗効果素子に交流信号を供給する入力端子と、
前記磁気抵抗効果素子から出力電圧を取り出す出力端子と、
を備えることを特徴とする磁気デバイス。
前記交流信号は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
前記バイアス磁界印加層は、反強磁性層を含み、前記反強磁性層と前記フリー層が接するように前記磁気抵抗効果素子に積層して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
前記バイアス磁界印加層は、反強磁性層及び前記反強磁性層と接する強磁性層を含み、前記強磁性層と前記フリー層が接するように前記磁気抵抗効果素子に積層して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
前記バイアス磁界印加層によって印加される交換結合磁界の前記フリー層内における向きと、前記固定層の磁化の向きとが、前記固定層の膜面内において５度以上の角度で交差することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記交流信号が含む周波数成分のうち、前記フリー層に印加される交換結合磁界の大きさに依存する前記フリー層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分と、前記フリー層の磁化方向とが共振し、
前記固有振動数に対応する周波数成分を変動させて直流電圧を出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
それぞれ独立した前記出力端子を有し、前記固有振動数がそれぞれ異なる複数の前記磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記交流信号を発生させるための信号発生装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記信号発生装置がアンテナであることを特徴とする請求項８に記載の磁気デバイス。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気デバイスと、
前記出力端子から出力される電圧をモニタするモニタ回路と、
を備えることを特徴とする周波数検出器。
前記モニタ回路と前記磁気抵抗効果素子との間に介在するローパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の周波数検出器。