JP2016189375A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発振出力が得られ、かつ、高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子１００は、第１の磁性層４と、第２の磁性層２と、第１の磁性層４と第２の磁性層２とを電気的に接続する少なくともひとつの導電部３２及び絶縁部３１を有するスペーサ層３と、を有する。第１の磁性層４と第２の磁性層２の少なくともどちらか一方は、その中を流れる電流によってその磁化が振動する磁化振動層であり、スペーサ層３は、第１の磁性層４と第２の磁性層２との間に配置され、スペーサ層３は、外縁部からの幅が第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長である外側領域と、その内側の内側領域３４の２つに分けられ、外側領域の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積は、内側領域の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。

磁気抵抗効果素子に電流を印加すると、スピン偏極した電流によって磁化の回転を引き起こし、素子抵抗が高周波で変化することが知られている。これは発振の現象であり、従来の半導体を用いなくても金属を基本とした素子でも高周波発振をすることが可能である（非特許文献１参照）。

逆に、高周波電流を磁気抵抗効果素子に通電すると、磁気抵抗効果素子の強磁性状態に対応して直流電流が生じるスピンダイオード効果も知られている。磁気抵抗効果素子を用いた高周波発振素子では、磁化自由層の強磁性共鳴周波数に対応した数ＧＨｚの発振・検波が一般的である。

特許文献１には、安定した発振動作を保つために、ＣＣＰ−ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ−Ｐａｔｈ ＣＰＰ）発振素子が提案されている。このＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子では、局所的な高い電流密度により効率的に発振を生じさせることを可能にしている。また、電流密度の高い領域が局所化されているため磁化反転を起こしにくくなり、動作安定性も可能にしている。

特許第４８８６２６８号

Ｓ． Ｉ． Ｋｉｓｅｌｅｖ ｅｔ ａｌ．， Ｎａｔｕｒｅ， ４２５， ３０８ （２００３）

しかし、これらは実用的なデバイスとしての動作を確保するのが困難であり、その理由は、発振信号の出力が極端に小さいこと、および発振信号の発振純度が悪いことである。

特許文献１に記載の手法では、積層方向に電流を流した場合、電流によって磁化が振動する磁性層の側面に近い外縁部側の領域では、外部磁界が印加されても、その領域内における磁気モーメントの平行性が保たれず純度の高い発振（高Ｑ値の発振）が得られずに、高い発振出力が得られないことが問題となる。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを電気的に接続する少なくともひとつの導電部および絶縁部を有するスペーサ層と、を有し、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともどちらか一方は、その中を流れる電流によってその磁化が振動する磁化振動層であり、前記スペーサ層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置され、前記スペーサ層は、外縁部からの幅が前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の交換長の最大長である外側領域と、その内側の内側領域の２つに分けられ、前記外側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積は、前記内側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積よりも小さいことを第１の特徴とする。

磁気抵抗効果素子における磁性層は、静磁エネルギーを減らそうとすることで磁気モーメントの平行性が失われる外側の領域（磁性層の外縁部側の領域）と、外部磁界によって磁気モーメントの平行性が保たれる内側の領域とに分けられるが、その２つの領域の境界は交換長によって定義される。第１の磁性層および第２の磁性層の交換長は、それぞれの磁性層に印加される外部磁界が無い場合に最も長くなる。従って、第１の磁性層と第２の磁性層の交換長の最大長は、それぞれの磁性層に印加される外部磁界が無い場合の第１の磁性層の交換長と第２の磁性層の交換長のうちの大きい方のことである。

この特徴の磁気抵抗効果素子によれば、スペーサ層に導電部の合計面積が小さい外側領域を設けることによって、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流が流れ込みにくくなるように制御することが可能となる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、さらにそのスピン偏極電流の多くが磁化振動層の磁気モーメントの平行性が保たれる領域に流れ、磁化振動層の磁化の一貫性のある歳差運動を生み出すことができる。その結果、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記スペーサ層の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積のうち、前記外側領域の前記導電部の合計面積が占める割合は１０％以下であることを第２の特徴とする。

この磁気抵抗効果素子によれば、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流がより流れ込みにくくなるように制御することが可能となる。したがって、より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記割合は０％であることを第３の特徴とする。

この磁気抵抗効果素子によれば、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流がほとんど流れなくなるように制御することが可能となる。したがって、さらに高い発振出力が得られ、さらに高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のどちらか一方は磁化方向が実質的に一方向に固定されていることを第４の特徴とする。

この磁気抵抗効果素子によれば、磁化方向が実質的に一方向に固定された磁性層の局在スピンにスピン偏極された伝導電子により、磁化振動層の磁化はスピントルクを受け、磁化振動層の磁化の一貫性のある歳差運動が生じやすくなる。その結果、より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層と、スペーサ層と、第２の磁性層と、隣接する上下の層を電気的に接続する少なくともひとつの導電部および絶縁部を有する電流狭窄層と、を有し、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともどちらか一方は、その中を流れる電流によって磁化が振動する磁化振動層であり、前記スペーサ層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置され、前記電流狭窄層は、外縁部からの幅が前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の交換長の最大長である外側領域と、その内側の内側領域の２つに分けられ、前記外側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積は、前記内側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積よりも小さいことを第５の特徴とする。

この特徴の磁気抵抗効果素子によれば、電流狭窄層に導電部の合計面積が小さい外側領域を設けることによって、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流が流れ込みにくくなるように制御することが可能となる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、さらにそのスピン偏極電流の多くが磁化振動層の磁気モーメントの平行性が保たれる領域に流れ、磁化振動層の磁化の一貫性のある歳差運動を生み出すことができる。その結果、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記電流狭窄層の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積のうち、前記外側領域の前記導電部の合計面積が占める割合は１０％以下であることを第６の特徴とする。

この磁気抵抗効果素子によれば、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流がより流れ込みにくくなるように制御することが可能となる。したがって、より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記割合は０％であることを第７の特徴とする。

この特徴の磁気抵抗効果素子によれば、第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域には電流がほとんど流れなくなるように制御することが可能となる。したがって、さらに高い発振出力が得られ、さらに高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のどちらか一方は、磁化方向が実質的に一方向に固定されていることを第８の特徴とする。

この磁気抵抗効果素子によれば、磁化方向が実質的に一方向に固定された磁性層の局在スピンにスピン偏極された伝導電子により、磁化振動層の磁化はスピントルクを受け、磁化振動層の磁化の一貫性のある歳差運動が生じやすくなる。その結果より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

本発明によれば、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

実施形態１の磁気抵抗効果素子の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。 実施形態１の磁気抵抗効果素子においてスペーサ層を膜面に平行に切断した断面を示す模式図である。 実施形態１の他の例の磁気抵抗効果素子においてスペーサ層を膜面に平行に切断した断面を示す模式図である。 実施形態１のさらに他の例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。 磁気抵抗効果素子の磁性層において磁気モーメントの平行性が保たれている領域を示す模式図である。 実施形態２の磁気抵抗効果素子の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。 実施形態３の磁気抵抗効果素子の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。 実施形態３の磁気抵抗効果素子において電流狭窄層を膜面に平行に切断した断面を示す模式図である。 実施形態３の他の例の磁気抵抗効果素子において電流狭窄層を膜面に平行に切断した断面を示す模式図である。 実施例および比較例における、外側領域の導電部の面積が占める割合Ｘ（％）と出力された信号の半値幅との関係を示す図である。 実施例および比較例における、外側領域の導電部の面積が占める割合Ｘ（％）と出力された信号のＱ値との関係を示す図である。 実施例および比較例における、外側領域の導電部の面積が占める割合Ｘ（％）と出力された信号の発振出力との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。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。

（実施形態１）
まず、実施形態１の磁気抵抗効果素子１００の構成例について、図面を参照しつつ説明を行う。図１は、磁気抵抗効果素子１００の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１００は、磁化方向が実質的に一方向に固定されている第１の磁性層４と、その中を流れる電流によって磁化が振動する磁化振動層である第２の磁性層２と、第１の磁性層４と第２の磁性層２とを電気的に接続する少なくともひとつの導電部３２および絶縁部３１を有するスペーサ層３と、を有している。スペーサ層３は、第１の磁性層４と第２の磁性層２との間に配置されている。磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１００の近傍に設置された磁界印加機構（図示せず）により外部磁界が印加される。

図２Ａはスペーサ層３の膜面に平行な断面を示す模式図である。図２Ａに示すようにスペーサ層３は、外縁部からの幅が第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長である外側領域３３と、その内側の内側領域３４の２つに分けられる。第１の磁性層４および第２の磁性層２の交換長は、それぞれの磁性層に印加される外部磁界が無い場合に最も長くなる。従って、第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長は、それぞれの磁性層に印加される外部磁界が無い場合の第１の磁性層４の交換長と第２の磁性層２の交換長のうちの大きい方のことである。磁気抵抗効果素子１００では、それぞれの磁性層に印加される外部磁界が無い場合に、第１の磁性層４の交換長が第２の磁性層２の交換長よりも小さくなっている。したがって、磁気抵抗効果素子１００の外側領域３３のスペーサ層３の外縁部からの幅は、第２の磁性層２に印加される外部磁界が無い場合の第２の磁性層２の交換長Ｌ_ｅｘ２となっている。外側領域３３の膜面に平行な断面における全ての導電部３２の合計面積は、内側領域３４の膜面に平行な断面における全ての導電部３２の合計面積よりも小さくなっている。また、膜面に平行な断面における、外側領域３３の導電部３２の合計面積の外側領域３３の面積に対する比率は、内側領域３４の導電部３２の合計面積の内側領域３４の面積に対する比率よりも小さくなっている。

より具体的には、実施形態１の磁気抵抗効果素子１００は、図１のように、上部電極１、キャップ層７、第２の磁性層２、スペーサ層３、第１の磁性層４、非磁性層８、第３の磁性層９、反強磁性層１０、シード層１１、バッファ層１２および下部電極５がこの順に配置されており、キャップ層７、第２の磁性層２、スペーサ層３、第１の磁性層４、非磁性層８、第３の磁性層９、反強磁性層１０、シード層１１およびバッファ層１２の各層および上部電極１と下部電極５の一部の周縁部を囲むように絶縁体６が配置されている。

上部電極１および下部電極５の間に電流が流され、磁気抵抗効果素子１００を構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に電流が流される。磁気抵抗効果素子１００では、上部電極１から下部電極５の方向（第２の磁性層２から第１の磁性層４の方向）に電流が流される。

上部電極１および下部電極５は、磁気抵抗効果を担う第１の磁性層４、スペーサ層３および第２の磁性層２の３層に電流を流す役割を有している。上部電極１および下部電極５の材料は非磁性かつ導電性を有したものであればよく、例えばＰｔ、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどを用いることができる。上部電極１および下部電極５は、例えばスパッタリング装置によって作製され、膜厚は５ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。

第１の磁性層４、スペーサ層３および第２の磁性層２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）チャンバと、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。

バッファ層１２は、下部電極層５のラフネスを改善するために下部電極５と第１の磁性層４との間に配置される層である。シード層１１は、下部電極５と第１の磁性層４との間に配置され、下部電極５の結晶性を遮断することにより、第１の強磁性層４の配向・粒径を制御する機能を持つ。バッファ層１２およびシード層１１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１２およびシード層１１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。

第１の磁性層４は、その磁化方向が実質的に一方向に固定された磁化固定層であり、その中を流れる電流が第１の磁性層４の磁化、すなわち局在スピンによってスピン偏極され、スペーサ層３を介して第２の磁性層２にスピン偏極された伝導電子が注入される際に、角運動量の保存（局在スピンと伝導スピンの相互作用）により第２の磁性層２の磁化にスピントルクを生じさせる効果を与える。具体的には、第１の磁性層４は好適な形態として、反強磁性層１０、第３の磁性層９、非磁性層８および第１の磁性層４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反強磁性層１０、第３の磁性層９および非磁性層８とともに構成している。

第１の磁性層４および第３の磁性層９は、例えば、Ｃｏまたは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の磁性層４と第３の磁性層９は、非磁性層８を介し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。

第１の磁性層４および第３の磁性層９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合金との積層構造により構成されることが好ましい。第１の磁性層４の膜厚は２〜１０ｎｍ、第３の磁性層９の膜厚は１〜７ｎｍ程度とすることが好ましい。第１の磁性層４は、ホイスラー合金を含んでいても良い。

非磁性層８は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、ＣｒおよびＺｒＣｕ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。非磁性層８の膜厚は、例えば０．３５ｎｍ〜１．０ｎｍ程度とされる。非磁性層８は、第１の磁性層４の磁化と第３の磁性層９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、非磁性層８を介した第１の磁性層４と第３の磁性層９の磁気結合が弱くなる。

スペーサ層３は、第２の磁性層２と第１の磁性層４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いる。また、スペーサ層３は、第１の磁性層４と第２の磁性層２とを電気的に接続する複数の導電部３２と、導電部３２を取り囲む絶縁部３１によって構成されており、電流による電子の流れを導電部３２により狭窄することで電流密度の大きい電流を第２の磁性層２に流し、信号を高出力化させる役割を有している。導電部３２の材料としてはＡｌ、ＣｕまたはＭｇなどの導電材料、絶縁部３１の材料としてはＡｌ_２Ｏ_３、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはＳｉＯ_２などが望ましい。また、スペーサ層３の膜厚は０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが望ましい。

絶縁部３１に酸化物を用いる場合、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酸化物とすることができる。自然酸化は例えば、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。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の条件下で５ｓｅｃ〜２００ｓｅｃ放置することが望ましい。ＩＡＯ処理の場合、酸素流量を１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ、処理時間を５ｓｅｃ〜１００ｓｅｃとすることが望ましい。

導電部３２の直径は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましく、隣接する複数の導電部３２の間隔は１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが望ましい。

内側領域３４と外側領域３３の導電部３２の合計面積が違う二つの領域は、例えば、それぞれ別の酸化処理を成膜された非磁性金属に施すことによって形成される。具体的には、成膜された非磁性金属の内側領域３４となる領域以外の最表面をレジストパターンで覆い、内側領域３４となる領域のみが露出されている状態で第１の酸化処理を行って内側領域３４を形成する。第１の酸化処理後、今度は内側領域３４の最表面のみをレジストパターンで覆い、内側領域３４以外の部分の第２の酸化処理を行う。このとき、第２の酸化処理条件を第１の酸化処理条件より強い酸化条件にすることにより内側領域３４と外側領域３３を形成する。非磁性金属が酸化された箇所が絶縁部３１となり、酸化されずに金属として残存した箇所が導電部３２となる。第２の酸化処理条件を第１の酸化処理条件より強い酸化条件にすることにより、外側領域３３における導電部３２の合計面積は、内側領域３４における導電部３２の合計面積よりも小さくなる。

第２の磁性層２は、その中を流れる電流（スピン偏極電流）によって磁化が振動する磁化振動層である。第２の磁性層２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程度の強磁性体の膜により構成される。この膜に、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。

第２の磁性層２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。

また、第２の磁性層２とスペーサ層３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。高スピン分極材料としては、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金が挙げられる。ＣｏＦｅ合金およびＣｏＦｅＢ合金のいずれの膜厚も０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることが好ましい。また、第２の磁性層２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。

キャップ層７は、第２の磁性層２の上に積層される。キャップ層７の材料は、ＣｕあるいはＲｕである。キャップ層７は直下の磁性層を保護する機能を有する。キャップ層７の膜厚は０．５〜１０ｎｍ程度が好ましい。キャップ層７として、Ｃｕ層あるいはＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層７の構成は特に限定されず、キャップ効果を発揮できるものであれば他の材料を用いてもよい。

下部電極５の一部からキャップ層７までの積層部分は、レジストパターニング後にイオンビームエッチングにより所望の形状に加工される。エッチング工程後、スパッタリング装置などにより絶縁体６を配置し、有機溶剤などを用いてレジストパターンを除去するリフトオフ工程を行う。リフトオフ工程後、スパッタリング装置などにより上部電極１となる膜を成膜し、フォトリソグラフィーおよびレジスト剥離工程により最終的な上部電極１を形成する。絶縁体６の材料はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などが望ましい。

下部電極の一部から上部電極の一部までの積層部分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。

磁気抵抗効果素子１００により、高い発振出力かつ高Ｑ値が得られる理由を、図面を参照しつつ説明をする。図４に、外部磁界Ｈ_ｅｘｔが印加されている磁性層において磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４を示す模式図を示す。マイクロ磁気学に基づいて考えると、無限に細長い強磁性体ではその長手方向に磁化が向いて、磁気モーメントがすべて平行に並んでいる状態が最も安定な状態である。しかし、磁化をもつ強磁性体が有限な形状をもつときにこのような磁気モーメントの分布をとると、その表面に磁極が現れ、静磁エネルギーＵ_ｍａｇが増加する。この静磁エネルギーＵ_ｍａｇはかなり大きいので、強磁性体内部の磁気モーメントはその分布を変え、静磁エネルギーＵ_ｍａｇを減らそうとする。その結果、磁気モーメントの平行性は失われ、交換エネルギーＵ_ｅｘと磁気異方性エネルギーＵ_ａや磁気弾性エネルギーＵ_λが増すことになる。そして安定な磁気モーメントの分布は、式（１）で表されるこれらのエネルギーの総和を極小にするような条件できまる。
Ｕ＝ Ｕ_ｍａｇ ＋ Ｕ_ｅｘ ＋ Ｕ_ａ ＋ Ｕ_λ ・・・（１）

有限の形状をもつ磁性層の側面には磁極が現れ、静磁エネルギーＵ_ｍａｇが増加するが、この静磁エネルギーＵ_ｍａｇを減少させるように、側面に近い外縁部側の領域における磁気モーメントが側面に沿った向きとなる。すなわち、磁性層は、図４に示すように、静磁エネルギーを減らそうとすることで磁気モーメントの平行性が失われる外縁部を含む外側の領域４３と、外部磁界によって磁気モーメントの平行性が保たれる内側の領域４４とに分けられる。領域４３と領域４４の境界は、磁性層の交換長によって決まり、磁気モーメントの平行性が失われる外側の領域４３の磁性層の外縁部からの幅は磁性層の交換長となる。

磁性層の交換長Ｌ_ｅｘは、以下の式（２）で表される。
Ｌ_ｅｘ ＝ （２Ａ_０／ＨＭ）^１／２ ・・・（２）
ここで、Ａ_０（ｅｒｇ／ｃｍ）は、磁性層の交換スティフネス定数である。Ｍ（ｅｍｕ／ｃｍ^３）は、磁性層の飽和磁化である。 Ｈ（Ｏｅ）は、外部磁界と異方性磁界との和である。

図２Ａに示すように、磁気抵抗効果素子１００において、スペーサ層３は外縁部からの幅が第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長である外側領域３３と、その内側の内側領域３４の２つに分けられ、外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積は、内側領域３４の膜面に平行な面における導電部３２の合計面積よりも小さくなっている。スペーサ層３の外側領域３３が、磁性層における静磁エネルギーを減らそうとすることで磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応し、スペーサ層３の内側領域３４が、磁性層における外部磁界によって磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する。

磁化固定層である第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３に電流を流した場合、さまざまな向きのスピンを有する伝導電子による電流が発生し、スペーサ層３を介し第２の磁性層２の磁化に不均一なスピントルクを与える。一方で、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４に電流を流した場合、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、スペーサ層３を介し第２の磁性層２の磁化に均一なスピントルクを与える。第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３４の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積よりも小さくなっているため、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン電流が流れにくくなる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生する。

磁化固定層（第１の磁性層４）から磁化振動層（第２の磁性層２）に伝導電子が流れる際に、伝導電子は第１の磁性層４の磁化（局在スピン）によってスピン偏極される。第１の磁性層４の磁化方向にスピン偏極された伝導電子のスピンは第２の磁性層２を通る際に、第２の磁性層２の局在スピンによって第２の磁性層２の磁化方向にスピン偏極され、そのときに角運動量の保存（局在スピンと伝導スピンの相互作用）により第２の磁性層２の磁化にトルクを与える。このときに生じる力がスピントランスファートルクとなる。一方、第２の磁性層２の磁化には、第２の磁性層が受ける有効磁界に起因するダンピングトルクが働く。例えば、第２の磁性層２に第１の磁性層４の磁化方向とは異なる向きの外部磁界を印加しておくことで、スピントランスファートルクの向きとダンピングトルクの向きが異なる向きとなり、このスピントランスファートルクとダンピングトルクがつりあうときに、第２の磁性層２の磁化（磁気モーメント）の持続的な歳差運動が生じる。

磁化振動層である第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３にスピン偏極電流を流した場合、磁気モーメントの歳差運動の一貫性が失われ、磁気モーメントの歳差運動の周期にばらつきがみられ純度の高い発振が得られない。一方で、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４にスピン偏極電流を流した場合、一律にそろった磁気モーメントの歳差運動により一貫性のある純度の高い発振が得られる。第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３４の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積よりも小さく形成されているため、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン偏極電流が流れ込みにくくなる。その結果、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４での磁気モーメントの歳差運動が支配的になり、高い発振出力かつ高Ｑ値の発振が得られる。

第１の磁性層４および第２の磁性層２に外部磁界が印加されると、外部磁界が印加されない場合に比べて各磁性層の交換長は小さくなるので、各磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３は小さくなり、各磁性層の磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４は大きくなる。外側領域３３の幅は第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長であるので、外部磁界が印加される場合であっても、各磁性層の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３には電流が流れ込みにくくなるようにすることができる。従って、磁化振動層である第２の磁性層２の磁化の一貫性のある歳差運動を生み出すことができ、その結果、高い発振出力かつ高Ｑ値の発振が得られる。

このように、磁気抵抗効果素子１００によれば、スペーサ層３に導電部３２の合計面積が小さい外側領域３３を設けることによって、第１の磁性層４と第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３には電流が流れ込みにくくなるように制御することが可能となる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、さらにそのスピン偏極電流の多くが磁化振動層である第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に流れ、磁化振動層である第２の磁性層２の磁化の一貫性のある歳差運動を生み出すことができる。その結果、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

第１の磁性層４および第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３には電流がより流れ込みにくくなる効果を得るために、スペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が占める割合は１０％以下であることが好ましい。

第１の磁性層４および第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に電流がほとんど流れなくなる効果を得るために、図２Ｂに示すようにスペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な面における導電部３２の合計面積が占める割合は０％であることがより好ましい。

また、磁気抵抗効果素子１００は、第１の磁性層４は磁化方向が実質的に一方向に固定されているので、第１の磁性層４の局在スピンにスピン偏極された伝導電子により、磁化振動層である第２の磁性層２はスピントルクを受け、磁化振動層である第２の磁性層２の磁化の一貫性のある歳差運動が生じやすくなる。その結果、より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる。

なお、磁気抵抗効果素子に対する電流の流れは上部電極１から下部電極５に限定するものではなく、電流を逆方向に流した場合でも効果は得られる。この場合、第２の磁性層２から第１の磁性層４に伝導電子が流れる際に、スペーサ層３と第１の磁性層４の境界にて第１の磁性層４の磁化方向に追従できない、すなわちスピン偏極されない伝導電子のスピンがスピン蓄積効果によって跳ねかえる。その際に、第２の磁性層２にはスペーサ層３から第１の磁性層４の磁化方向と逆方向のスピンが流れることになり、角運動量保存により第２の磁性層２の磁化にトルク（スピントランスファートルク）が与えられる。例えば、第２の磁性層２に第１の磁性層４の磁化方向の反対方向とは異なる向きの外部磁界を印加しておくことで、スピントランスファートルクの向きとダンピングトルクの向きが異なる向きとなり、このスピントランスファートルクとダンピングトルクがつりあうときに、第２の磁性層２の磁化の持続的な歳差運動が生じることとなる。

図１に示す磁気抵抗効果素子１００では、第１の磁性層４、非磁性層８、第３の磁性層９および反強磁性層１０によりシンセティックピンド層が形成されているが、磁化方向が実質的に一方向に固定されていれば、図３に示す磁気抵抗効果素子１０１のように、第１の磁性層４の下に反強磁性層１０が積層される単純なピンド層構造をとってもよい。また、磁気抵抗効果素子１００では、スペーサ層３は複数の導電部３２を有しているが、スペーサ層３は少なくとも１つの導電部３２を有していれば良い。

なお本発明においては、磁気抵抗効果素子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。

（実施形態２）
次に、実施形態２の磁気抵抗効果素子２００の構成例について、図面を参照しつつ実施形態１の磁気抵抗効果素子１００と異なる点について説明を行う。図５は磁気抵抗効果素子２００の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。図１に示す実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１００との異なる点は、以下の２点である。１点目は、磁気抵抗効果素子１００における非磁性層８、第３の磁性層９および反強磁性層１０が無く、第１の磁性層４の磁化方向が実質的に一方向に固定されていない点である。２点目は第１の磁性層４の磁化方向が実質的に一方向に固定されていないため、第１の磁性層４と第２の磁性層２の２つの磁性層それぞれに発生する磁気双極子による磁界、すなわちダイポール磁界が、２つの磁性層それぞれに相互作用を及ぼす点である。それ以外の点は実施形態１の磁気抵抗効果素子１００と同様である。

より具体的には、上部電極１、キャップ層７、第２の磁性層２、スペーサ層３、第１の磁性層４、シード層１１、バッファ層１２および下部電極５がこの順に配置されており、キャップ層７、第２の磁性層２、スペーサ層３、第１の磁性層４、シード層１１およびバッファ層１２の各層および上部電極１と下部電極５の一部の周縁部を囲むように絶縁体６が配置されている。第１の磁性層４の膜厚は第２の磁性層２の膜厚より厚く、厚さ４〜４０ｎｍ程度である。第２の磁性層２の膜厚は第１の磁性層４の膜厚より薄く、厚さ１〜２０ｎｍ程度である。

磁気抵抗効果素子２００においては、第１の磁性層４の磁化方向と第２の磁性層２の磁化方向が反平行状態になっている。電流が上部電極１から下部電極５の方向に流れる場合、すなわち電流が第２の磁性層２から第１の磁性層４の方向に流れ、伝導電子が第１の磁性層４から第２の磁性層２の方向に流れる場合を想定する。その場合、伝導電子が第１の磁性層４の磁化、すなわち局在スピンによってスピン偏極され、スペーサ層３を介して第２の磁性層２にスピン偏極された伝導電子が注入される際に角運動量の保存（局在スピンと伝導スピンの相互作用）により第２の磁性層２の磁化にスピントルクが与えられる。

第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３に電流を流した場合、さまざまな向きのスピンを有する伝導電子による電流が発生し、スペーサ層３を介し第２の磁性層２の磁化に不均一なスピントルクを与える。一方で、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４に電流を流した場合、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、スペーサ層３を介し第２の磁性層２の磁化に均一なスピントルクを与える。第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３４の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積よりも小さくなっているため、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン電流が流れにくくなる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生する。このスピン偏極電流が与えるスピントルクにより、実施形態１の磁気抵抗効果素子１００と同様に、第２の磁性層２の磁化（磁気モーメント）の持続的な歳差運動が生じる。

第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３にスピン偏極電流を流した場合、磁気モーメントの歳差運動の一貫性が失われ、磁気モーメントの歳差運動の周期にばらつきがみられ純度の高い発振が得られない。一方で、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４にスピン偏極電流を流した場合、一律にそろった磁気モーメントの歳差運動により一貫性のある純度の高い発振が得られる。第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３４の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積よりも小さく形成されているため、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン偏極電流が流れ込みにくくなる。その結果、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４での磁気モーメントの歳差運動が支配的になり、高い発振出力かつ高Ｑ値の発振が得られる。

第２の磁性層２と第１の磁性層４の磁化は、外部磁界やダイポール磁界などの有効磁界を受ける。ダイポール磁界とは、有限形状の磁性薄膜において、磁気双極子をつくる場合に発生する空間的な漏洩磁界のことである。実施形態２の場合、磁気抵抗効果素子２００において、第１の磁性層４の磁気モーメントと第２の磁性層２の磁気モーメントは、それぞれの磁性層からダイポール磁界を発生する。また、一方の磁性層は、他方の磁性層から発生するダイポール磁界を受ける。第１の磁性層４の磁化方向は実質的に一方向に固定されていないため、有効磁界は、ある程度外部磁界が小さい場合にはダイポール磁界の影響が支配的となる。

第２の磁性層２は、磁化がスピントルクを受け歳差運動し、磁化の歳差運動に伴いダイポール磁界が変化する。このダイポール磁界が形状などに由来する数百エルステッドの比較的強い磁界である場合、ダイポール磁界よりも弱い外部磁界を与えた時に、ダイポール磁界が支配的となり、第１の磁性層４の磁気モーメントと、第２の磁性層２の磁気モーメントとがダイポール結合して、お互いが反平行状態を維持するように歳差運動する。すなわち、第１の磁性層４と第２の磁性層２の両方が磁化振動層として機能する。

電流が下部電極５から上部電極１の方向に流れる場合、すなわち電流が第１の磁性層４から第２の磁性層２の方向に流れ、伝導電子が第２の磁性層２から第１の磁性層４の方向に流れる場合は、第１の磁性層４と第２の磁性層２の役割は逆になる。

（実施形態３）
次に、実施形態３の磁気抵抗効果素子３００の構成例について、図面を参照しつつ実施形態１と異なる点について説明を行う。図６は磁気抵抗効果素子３００の構成例を示す膜面に垂直に切断した断面を示す模式図である。図１に示す実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１００との異なる点は、隣接する上下の層を電気的に接続する少なくともひとつの導電部３３２および絶縁部３３１を有する電流狭窄層１３が設けられている点とスペーサ層３０の構成である。それら以外の点は実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１と同様である。

磁気抵抗効果素子３００では、電流狭窄層１３は上部電極１と第２の磁性層２の間に設けられている。図７Ａは、電流狭窄層１３の膜面に平行な断面を示す模式図である。図６および図７Ａに示すように、電流狭窄層１３は隣接する上下の層を電気的に接続する複数の導電部３３２と、導電部３３２を取り囲む絶縁部３３１を有して構成されており、電流による電子の流れを導電部３３２により狭窄することで電流密度の大きい電流を第２の磁性層２に流し、信号を高出力化させる役割を有している。導電部３３２の材料としてはＡｌ、ＣｕまたはＭｇなどの導電材料、絶縁部３３１の材料としてはＡｌ_２Ｏ_３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはＳｉＯ_２などが望ましい。

図７Ａに示すように、磁気抵抗効果素子３００において、電流狭窄層１３は外縁部からの幅が第１の磁性層４と第２の磁性層２の交換長の最大長である外側領域３３３と、その内側の内側領域３３４の２つに分けられ、外側領域３３３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積は、内側領域３３４の膜面に平行な面における導電部３３２の合計面積よりも小さくなっている。また、膜面に平行な断面における、外側領域３３３の導電部３２の合計面積の外側領域３３３の面積に対する比率は、内側領域３３４の導電部３２の合計面積の内側領域３３４の面積に対する比率よりも小さくなっている。

絶縁部３３１に酸化物を用いる場合、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酸化物とすることができる。自然酸化は例えば、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。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の条件下で５ｓｅｃ〜２００ｓｅｃ放置することが望ましい。ＩＡＯ処理の場合、酸素流量を１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ、処理時間を５ｓｅｃ〜１００ｓｅｃとすることが望ましい。

導電部３３２の直径は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましく、隣接する複数の導電部３３２の間隔は１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが望ましい。

内側領域３３４と外側領域３３３の導電部３３２の合計面積が違う二つの領域は、例えば、それぞれ別の酸化処理を施すことによって形成される。具体的には、成膜された非磁性金属の内側領域３３４となる領域以外の最表面をレジストパターンで覆い、内側領域３３４となる領域のみが露出されている状態で第１の酸化処理を行って内側領域３３４を形成する。第１の酸化処理後、今度は内側領域３３４の最表面のみをレジストパターンで覆い、内側領域３３４以外の部分の第２の酸化処理を行う。このとき、第２の酸化処理条件は第１の酸化処理条件より強い酸化条件にすることにより内側領域３３４と外側領域３３３を形成する。非磁性金属が酸化された箇所が絶縁部３３１となり、酸化されずに金属として残存した箇所が導電部３３２となる。第２の酸化処理条件を第１の酸化処理条件より強い酸化条件にすることにより、外側領域３３３における導電部３３２の合計面積は、内側領域３３４における導電部３３２の合計面積よりも小さくなる。

スペーサー層３０は、第１の磁性層４と第２の磁性層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、スペーサー層３０の材料は絶縁体でも金属でもよく、絶縁体であればＡｌ_２Ｏ_３または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの非磁性体が好ましく、金属であれば、Ｃｕ，ＡｕまたはＡｇなどの非磁性の導電性材料が好ましい。スペーサー層３０の膜厚は０．５〜２．５ｎｍ程度とすることが望ましい。

電流狭窄層１３の外側領域３３３が、磁性層における静磁エネルギーを減らそうとすることで磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応し、電流狭窄層１３の内側領域３３４が、磁性層における外部磁界によって磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する。

磁化固定層である第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３に電流を流した場合、さまざまな向きのスピンを有する伝導電子による電流が発生し、スペーサ層３０を介し第２の磁性層２の磁化に不均一なスピントルクを与える。一方で、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４に電流を流した場合、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、スペーサ層３０を介し第２の磁性層２の磁化に均一なスピントルクを与える。第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積が、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３３４の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積よりも小さくなっているため、第１の磁性層４における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン電流が流れにくくなる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生する。

磁化振動層である第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われている領域４３にスピン偏極電流を流した場合、磁気モーメントの歳差運動の一貫性が失われ、磁気モーメントの歳差運動の周期にばらつきがみられ純度の高い発振が得られない。一方で、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４にスピン偏極電流を流した場合、一律にそろった磁気モーメントの歳差運動により一貫性のある純度の高い発振が得られる。第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に対応する外側領域３３３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積が、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に対応する内側領域３４の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積よりも小さくなっているため、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が失われる領域４３にスピン偏極電流が流れ込みにくくなる。その結果、第２の磁性層２における磁気モーメントの平行性が保たれている領域４４での磁気モーメントの歳差運動が支配的になり、高い発振出力かつ高Ｑ値の発振が得られる。

このように、磁気抵抗効果素子３００によれば、電流狭窄層１３に導電部３３２の合計面積が小さい外側領域３３３を設けることによって、第１の磁性層４と第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３には電流が流れ込みにくくなる。その結果、一方向にスピン偏極された伝導電子によるスピン偏極電流が多く発生し、さらにそのスピン偏極電流の多くが磁化振動層である第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が保たれる領域４４に流れ、磁化振動層である第２の磁性層２の磁化の一貫性のある歳差運動を生み出すことができる。その結果、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる磁気抵抗効果素子を提供できる。

第１の磁性層４および第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に電流がより流れ込みにくくなる効果を得るために、電流狭窄層１３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積のうち、外側領域３３３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積が占める割合は１０％以下であることが好ましい。

第１の磁性層４および第２の磁性層２の磁気モーメントの平行性が失われる領域４３に電流がほとんど流れなくなる効果を得るために、図７Ｂに示すように電流狭窄層１３の膜面に平行な断面における導電部３３２の合計面積のうち、外側領域３３３の膜面に平行な面における導電部３３２の合計面積が占める割合は０％であることがより好ましい。

また、磁気抵抗効果素子３００は、第１の磁性層４は磁化方向が実質的に一方向に固定されているので、第１の磁性層４の局在スピンにスピン偏極された伝導電子により、磁化振動層である第２の磁性層２はスピントルクを受け、磁化振動層である第２の磁性層２の磁化の一貫性のある歳差運動が生じやすくなる。その結果、より高い発振出力が得られ、より高Ｑ値の発振が得られる。

実施形態３の磁気抵抗効果素子３００では、電流狭窄層１３は上部電極１と第２の磁性層２の間に設けられているが、電流狭窄層１３は他の箇所に設けられていても良い。例えば、電流狭窄層１３はシード層１１とバッファ層１２の間に設けられていても良い。また、磁気抵抗効果素子３００では、電流狭窄層１３は複数の導電部３３２を有しているが、電流狭窄層１３は少なくとも１つの導電部３２を有していれば良い。

実施形態３の磁気抵抗効果素子３００は、実施形態１の磁気抵抗効果素子１００と同様に、第１の磁性層４が磁化固定層であり、第２の磁性層２が磁化振動層であるが、磁気抵抗効果素子３００において、実施形態２の磁気抵抗効果素子２００と同様に、第１の磁性層４と第２の磁性層２の両方が磁化振動層として機能する層としてもよい。このような形態の磁気抵抗効果素子においても、実施形態２および３と同様にして、高い発振出力が得られ、かつ高Ｑ値の発振が得られる。

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１）
上記の実施形態１において説明した磁気抵抗効果素子１００を作製した。熱酸化Ｓｉ基板上に、下部電極５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下部電極５をＣＰＷ形状に形成した。

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１２、シード層１１、第１の磁性層４、スペーサ層３、第２の磁性層２、キャップ層７および上部電極１をこの順に作製した。各層の膜構成は、バッファ層１２をＴａ（２ｎｍ）、シード層１１をＲｕ（２ｎｍ）、第１の磁性層４をＩｒＭｎ（７ｎｍ）／９０ＣｏＦｅ（２．４ｎｍ）、スペーサ層３をＩＡＯ処理（第１のＩＡＯ処理条件：酸素ガス１ｓｃｃｍ、Ａｒガス１０ｓｃｃｍ、２０ｓｅｃ、第２のＩＡＯ処理条件：酸素ガス１ｓｃｃｍ、Ａｒガス６ｓｃｃｍ、２００ｓｅｃ）した７０ＡｌＣｕ（１．３ｎｍ）、第２の磁性層２を９０ＣｏＦｅ（１０ｎｍ）、キャップ層７をＲｕ（２ｎｍ）、上部電極１をＣｕ（１００ｎｍ）とした。括弧内の数値は各層の厚さである。

内側領域３４の導電部３２は以下の方法により作製した。スペーサ層３となる膜として７０ＡｌＣｕを成膜後に、７０ＡｌＣｕ膜上にレジスト膜を形成し、直径１００ｎｍの円形状の部分の７０ＡｌＣｕ膜が露出するようにレジストパターンを形成した。この状態において、第１のＩＡＯ処理（Ｏ_２ガス１ｓｃｃｍ、Ａｒガス１０ｓｃｃｍ、２０ｓｅｃ）を行い、内側領域３４を作製した。このＩＡＯ処理工程では、Ａｌは酸化されやすいが、Ｃｕは酸化されにくいので、Ａｌ_２Ｏ_３からなる絶縁部３１とＣｕからなる導電部３２とを有するスペーサ層３の内側領域３４が形成される。その後、内側領域３４の直上に内側領域３４を覆うように直径１００ｎｍの円形状のレジストパターニングを行い、内側領域３４以外の領域の７０ＡｌＣｕ膜を露出させて第２のＩＡＯ処理（Ｏ_２ガス１ｓｃｃｍ、Ａｒガス６ｓｃｃｍ、２００ｓｅｃ）を施し、外側領域３３を形成した。このＩＡＯ処理工程では、内側領域３４の形成時のＩＡＯ処理条件よりも酸素流量比が大きく処理時間が長いので、ＡｌだけでなくＣｕも酸化され、Ａｌ_２Ｏ_３とＣｕ酸化物からなる絶縁部３１からなり、導電部３２を有さないスペーサ層３の外側領域３３が形成される。

磁気抵抗効果素子１００の円柱形状部は以下の方法により作成した。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７からバッファ層１２までの各層の大きさをφ２００ｎｍの円形にパターニングした。内側領域３４の円形の中心軸と、外側領域３３の円形の中心軸が一致するように作製した。続いて、スパッタ法、リフトオフ法により絶縁体６を形成した。絶縁体６にはＡｌ_２Ｏ_３を用いた。

次に、フォトリソグラフィー、スパッタ法およびリフトオフ法により上部電極１を形成した。上部電極１はＣｕ（１００ｎｍ）とした。

この磁気抵抗効果素子１００の磁化振動層である第２の磁性層２の交換スティフネス定数Ａ_０（ｅｒｇ／ｃｍ）、飽和磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、異方性磁界 Ｈ_ａ（Ｏｅ）は、Ａ_０＝１．５×１０^−６（ｅｒｇ／ｃｍ）、Ｍ＝１５００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｈ_ａ＝８０（Ｏｅ）であるため、外部磁界が加わってない状態の第２の磁性層２の交換長は５０ｎｍとなる。また、第１の磁性層４の交換スティフネス定数Ａ_０（ｅｒｇ／ｃｍ）、飽和磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、異方性磁界 Ｈ_ａ（Ｏｅ）は、Ａ_０＝１．５×１０^−６（ｅｒｇ／ｃｍ）、Ｍ＝１７００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｈ_ａ＝１００（Ｏｅ）であるため、外部磁界が加わってない状態の第１の磁性層４の交換長は４２ｎｍとなる。

以上の方法で作製した磁気抵抗効果素子１００に対して、磁界印加方向を膜面平行方向に、第１の磁性層４の磁化固定方向から反時計回りに１２０度傾けた角度として、磁界強度２００（Ｏｅ）の磁界を加え、発振出力の測定を行った。

磁気抵抗効果素子１００に印加する電流を３．１４ｍＡに設定し、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および半値幅（半値全幅）を考慮して発振出力を計算した結果、発振出力は１３４［ｎＷ］となった。

（実施例２〜５、比較例１）
上記本発明の実施形態１において説明した磁気抵抗効果素子１００について、スペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な断面における全ての導電部３２の合計面積が占める割合をそれぞれ異ならせたものを、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、および比較例１として作製した。作製方法は実施例１と一部異なり、外側領域３３の導電部３２の面積を変化させる目的で、外側領域３３の導電部３２の形成過程における第２のＩＡＯ処理において、ＩＡＯ処理時のガス流量およびＩＡＯの処理時間を変化させた。実施例１〜５および比較例１の作製過程における第２のＩＡＯ処理時のガス流量および第２のＩＡＯ処理時間を表１に示す。

以上の方法で作製した磁気抵抗効果素子１００に対して、実施例１と同様にして、発振出力の測定を行った。スペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が占める割合をＸ（％）とし、Ｘ、発振出力、発振周波数、発振ピークの半値幅およびＱ値（発振周波数／半値幅）の結果を表２に示す。

図８、９は実施例１〜５および比較例１の発振測定結果に対して、外側領域３３の導電部３２の面積が占める割合Ｘ（％）と出力された信号の半値幅とＱ値との関係をそれぞれ示している。

Ｘが１０％以下の範囲で半値幅が減少し、Ｑ値が明確に向上していることがわかる。これは、スペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が占める割合が小さくなるにつれ、全体に流れる電流のうち、外側領域３３に流れる電流の割合が小さくなる効果によるものと考えられる。より詳細には、第１の磁性層４における伝導電子がスピン偏極される領域と、第２の磁性層２におけるスピントルクが働く領域が、外部磁界により磁気モーメントの平行性が保たれる内側の領域に絞られることによって、発振周波数の均一性の向上につながったと考えられる。その結果、半値幅の減少、Ｑ値の向上につながったと考えられる。

図１０は実施例１〜５および比較例１の発振測定結果に対して、外側領域３３の導電部３２の面積が占める割合Ｘ（％）と出力された信号の発振出力との関係を示している。

Ｘが１０％以下の範囲で発振出力が明確に向上していることがわかる。これは、スペーサ層３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積のうち、外側領域３３の膜面に平行な断面における導電部３２の合計面積が占める割合が小さくなるにつれ、全体に流れる電流のうち、外側領域３３に流れる電流の割合が小さくなる効果によるものと考えられる。より詳細には、第１の磁性層４における伝導電子がスピン偏極される領域と、第２の磁性層２におけるスピントルクが働く領域が、外部磁界により磁気モーメントの平行性が保たれる内側の領域に絞られることによってスピントルクの大きさが増大し、結果的に発振出力の増大につながったと考えられる。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、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。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用して、例えば、発振器、検波器、ミキサー、フィルターといったデバイスとして利用可能である。

１ 上部電極
２ 第２の磁性層
３、３０ スペーサ層
４ 第１の磁性層
５ 下部電極層
６ 絶縁体
７ キャップ層
８ 非磁性層
９ 強磁性層
１０ 反強磁性層
１１ シード層
１２ バッファ層
１３ 電流狭窄層
３１、３３１ 絶縁部
３２、３３２ 導電部
３３、３３３ 外側領域
３４、３３４ 内側領域
１００、１０１、２００、３００ 磁気抵抗効果素子

Claims (8)

1. 第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを電気的に接続する少なくともひとつの導電部および絶縁部を有するスペーサ層と、を有し、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともどちらか一方は、その中を流れる電流によってその磁化が振動する磁化振動層であり、
   前記スペーサ層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置され、
   前記スペーサ層は、外縁部からの幅が前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の交換長の最大長である外側領域と、その内側の内側領域の２つに分けられ、
   前記外側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積は、前記内側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記スペーサ層の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積のうち、前記外側領域の前記導電部の合計面積が占める割合は１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記割合は０％であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のどちらか一方は、磁化方向が実質的に一方向に固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 第１の磁性層と、スペーサ層と、第２の磁性層と、隣接する上下の層を電気的に接続する少なくともひとつの導電部および絶縁部を有する電流狭窄層と、を有し、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともどちらか一方は、その中を流れる電流によって磁化が振動する磁化振動層であり、
   前記スペーサ層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置され、
   前記電流狭窄層は、外縁部からの幅が前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の交換長の最大長である外側領域と、その内側の内側領域の２つに分けられ、
   前記外側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積は、前記内側領域の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
6. 前記電流狭窄層の膜面に平行な断面における前記導電部の合計面積のうち、前記外側領域の前記導電部の合計面積が占める割合は１０％以下であることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記割合は０％であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のどちらか一方は、磁化方向が実質的に一方向に固定されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

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