JP5495108B2 - スピンバルブ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スピンバルブ素子、及びその駆動方法に関する。より具体的には、本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を応用したスピンバルブ素子及びその駆動方法に関する。

近年、ナノエレクトロニクスの進展に伴い、微小サイズの磁性材料固有の物理現象を応用した製品の開発が進められている。それらのうち、特に、磁性材料の自由電子が持つスピンを利用するスピンエレクトロニクス分野が急速に発展している。

スピンエレクトロニクス分野の中で、現在最も実用される可能性が高いと見られているのは、強磁性層、絶縁層、強磁性層の順に積層配置された磁性多層膜において生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または強磁性層、非磁性層（導電層）、強磁性層の積層構造において生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を応用したスピンバルブ素子である。

図５及び図６は、従来のスピンバルブ素子の構成を示す断面図である。このうち図５にはＴＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。この素子は、１層の絶縁体層２４と該絶縁体層を挟む強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）が基板５の上に構成された構成を有しており、そこには、必要に応じて、電極層２１、２７、反強磁性層（ピン止め層）２２、キャッピング層２６などがさらに付加される。固定層２３の磁化は反強磁性層２２との磁気結合などによりその向きが固定されている。この素子に固定層２３からフリー層２５に向かって電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化に対して平行となろうとするトルクが働く。また、また逆にフリー層２５から固定層２３に向かって電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化に対して反平行になろうとするトルクが働く。このため、フリー層２５の電流の向きによりフリー層２５の磁化方向を制御することが可能となる。このように電子のスピンによって磁化が反転する現象は、スピン注入磁化反転と呼ばれる。後述する理由から、従来の構造ではこの素子における磁性層の面内の方向の大きさは超微小サイズ（〜１５０ｎｍ以下）にする必要があり電子ビーム露光など、高額の設備が用いられている。

なお、絶縁体層２４を挟む強磁性層２３（固定層）と２５（フリー層）の膜端部からの漏洩磁界による交換結合を抑制するため、絶縁体層２４より上側の部分は基板側よりも充分小さくし、その周囲に絶縁膜３０を形成するのが一般的である。これらの構造を形成するには幾つかの方法があるが、例えば基板から電極２７までの積層膜を形成後、ネガレジスト塗布とフォトリゾグラフィー法による露光処理の後、イオンミリングにより絶縁体層２４の上の部分を切り出し、その後、ＳｉＯ_２被覆等により絶縁層３０を形成し、リフトオフ後に配線２７を施すことができる。

また図６にはＧＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。図５のＴＭＲを利用した素子とＧＭＲを利用した素子との違いは絶縁体層２４を非磁性層５１に置き換えたことであり、それ以外の構成は基本的に同じである。

これらの技術の応用としては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が最も注目を浴びており、従来のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＤＲＡＭ）の代替として注目されている。

また、これらのスピンバルブ素子に電流と外部磁場を同時に印加すると、マイクロ波の発振が生じることが知られている（例えば、非特許文献１）。互いに例えば、電流の向きについては、フリー層２５の磁化に対して働くトルクが固定層２３の磁化と反平行となるように電流を流すこととし、外部磁場については、フリー層２５の磁化に対して働くトルクが固定層２３の磁化と平行となるようにする。この場合、両者のトルクが拮抗する条件において、マイクロ波領域の高周波を発振させることができる。

加えて、２つの素子を隣接して形成し、これらに適当な電流と外部磁場を印加すると、両者の発振周波数と位相が揃って周波数幅が狭まり、さらに、その際のマイクロ波の出力も増大することが報告されている（例えば、非特許文献２、３および４）。この現象は位相ロッキング現象と呼ばれ、メカニズムは未だ明確ではないが、各素子で発生する高周波磁場の相互作用に起因すると推定されており、出力増大の手段として注目されている。

上記マイクロ波発振素子の発振出力は、多くの報告例ではＴＭＲを用いた場合で０．１６μＷ程度、ＧＭＲを用いた場合で１０ｐＷ程度に止まっており、実用とするには微小である。出力を増大させる最も簡便な手段は素子を大面積化することであるが、これは以下の理由により困難である。即ち、スピンバルブ素子において、スピン注入磁化反転に必要なスピンの一斉回転を容易にするには、磁性膜の磁区が単一であることが必要である。例えば、図５および６における左右の絶縁膜３０によって周縁が規定される磁性膜において単一の磁区が得られるように、左右の絶縁膜３０により規定される大きさを小さくする必要がある。このように、素子の大きさは磁壁が存在しない大きさ以下とすることが求められるが、この大きさは、材料や形状により変わるものの、おおよそ１５０ｎｍ程度である。従来の１個のスピンバルブ素子の大きさはこの寸法より大きくすることができない。

１個のスピンバルブ素子の大きさに上限があることから、大きな出力を得るには、多数の微小素子を集積化する必要がある。集積化の手段としてはフォトリソグラフィー法が最も一般的であり、かつ高精度であるが、超微小サイズ（〜１５０ｎｍ以下）の磁性体の作製には電子ビーム露光など、高額の設備投資が必要であり、製品が高コストになるという問題があった。

また、非特許文献５には、アルミニウム膜からポーラスアルミナの膜を作製する際にポーラス孔のサイズ、ピッチおよび深さを外部条件の操作により制御することが開示されている。そして、非特許文献６には、ハードディスクの所謂ビットパターンドメディアへの適用を目指して開発が開示されている。

S. I. Kiselev, et al, "Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current", Nature, Vol.425, p. 380 (2003) S. Kaka, et al, "Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators", Nature, Vol.437, p. 389 (2005) F. B. Mancoff, et al, "Phase-locking in double- point-contact spin-transfer devices", Nature, Vol.437, p. 393 (2005) J. Grollier, et al, "Synchronizaion of spin-transfer oscillator driven by stimulated microwave currents", Physical Review B73, p.060409 (2006) 益田秀樹、「陽極酸化アルミナにもとづく高規則性メタルナノホールアレー」固体物理、第３１巻、第５号、ｐ．４９３、１９９６年 X. M. Yang, et al, "Nanoscopic templates using self-assembled cylindrical diblock co-polymers for patterned media", J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.22, p. 3331 (2004)

ところが、上記のように素子を多数の素子を並列接続した場合、集積素子全体のインピーダンスは素子数、即ち素子の合計面積の増加にともなって低下する。ところが一般に高周波回路では、伝送損失を抑制するためインピーダンスのマッチングをとる必要がある。ここで、マイクロ波領域では、入出力インピーダンスは５０Ωに設定されるのが一般的である。そのような入出力インピーダンスの設定値がある場合であっても上記のように素子を並列接続して発振出力を上げることは可能であるが、素子数の増大とともに低下する全体の電気抵抗については対策が必要である。さらには、単に並列接続しただけの磁性素子では、これらの素子の間で同期した発振が必ずしも起こらないという課題もある。

また、スピンバルブ素子は並列接続以外にも直列接続することによっても発振出力を上げることが可能である。この直列接続の場合は素子数の増大とともに全体の電気抵抗は増加する。直列接続をスピンバルブ素子を用いて実現するためには、フォトリソグラフィー法により平面的に個別素子を多数形成し、個別に配線により接続する手法や、別基板に形成した素子を配線で接続する手法が考えられる。しかしながら、一般に行われている電子ビーム露光などの手段により平面的に多数の個別素子を形成する手法では、高額の設備投資が必要という従来と同様の問題があり、別基板に形成した素子を配線によって接続する手法では、工数がかかり、かつ素子寸法の制限から接続素子数が限定されてしまうという実用上の問題がある。

このような状況から、素子のインピーダンスを調整し、発振したマイクロ波の伝送損失を抑制する低コストな手法が求められている。

さらに、スピンバルブ素子を多孔質膜によって作製する場合にあっては、良好な多孔質膜が得られるサイズには上限があり、多孔質膜を用いて任意の面積のスピンバルブ素子を形成することは困難である。その結果、インピーダンスを低くしたい場合であっても、スピンバルブ素子の面積を広げてインピーダンスを調整することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑み、多数のスピンバルブ素子を集積化し、かつ素子のインピーダンスを調整して伝送ロスを抑制し、大出力のマイクロ波発振素子を低コストで提供することを目的とする。

本願発明者は、マイクロ波発振素子を同期するために、ある適切な範囲に複数のマイクロ波発振素子（スピンバルブ素子）が配置されて同時に駆動される必要がある点を考慮して、所定のインピーダンスにマッチングさせる構成を検討した。その結果、別々のスピンバルブ素子が互いに同期して発振する場合であっても、インピーダンスマッチングを行うために複数のマイクロ波発振素子を直列あるいは並列に接続することが有効であることを見出した。

本発明によれば、絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数並列に接続してなる並列磁性素子群を複数備えており、各並列磁性素子群が互いに直列または並列に接続されているスピンバルブ素子が提供される。また、本発明によれば、絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数直列に接続してなる直列磁性素子群を複数備えており、各直列磁性素子群が互いに並列に接続されているスピンバルブ素子が提供される。

上記発明は、複数の磁性素子が互いに同期して発振させ、かつインピーダンスマッチングを適切に行うにあたり、磁性素子を直列と並列とを組み合わせて接続するスピンバルブ素子（磁性素子）によってこれが達成されることを本願発明者が見出してなしたものである。本発明のある態様においては、前記磁性素子が互いに同期した発振信号を生成する程度に近接して配置されていることができる。この場合、実際に複数のスピンバルブ素子に同期した発振が生じ、その際のインピーダンスが影響を受ける原因は、発振されるマイクロ波などの電磁波に基づくスピンバルブ素子間の相互作用であるが、その種類は必ずしも特定できてはいない。スピンの運動は、スピンに作用する有効磁場とスピン注入電流に依存し、発振の同期現象はそれらの交流成分により引き起こされるものである。このうち、直列接続されたスピンバルブ素子間の相互作用は電流の交流成分による可能性があり素子間の距離に依存しないが、並列接続されたスピンバルブ素子間の相互作用はスピンの回転に起因した磁場によるものと推定され、スピンバルブ素子の互いの距離が重要な役割を果たしていることを本願の発明者は確認している。この場合、各スピンバルブ素子は、発振マイクロ波の波長程度の範囲に配置されていることが同期発振およびインピーダンス整合を行う上で好適である。

本発明のいずれかの実施形態により、マイクロ波などの高周波の発振を行うスピンバルブ素子を複数同期させて発振させながら、インピーダンスマッチングを取ることができる。また、本発明のいずれかの実施形態により、安価な作製プロセスによってこのようなスピンバルブ素子を製造することができる。

本発明の第１の実施形態のスピンバルブ素子の構成を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態のスピンバルブ素子の構成を示す要部拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態のスピンバルブ素子の構成を示す水平断面図である。 本発明の第２の実施形態のスピンバルブ素子の構成を示す縦断面図である。 従来のスピンバルブ素子の構成を示す断面図である。 従来のスピンバルブ素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

５ 基板
１０ 多孔質層
１１ 絶縁体
１２ 微細孔
２０ 磁性多層膜
２１ 電極層
２３ 強磁性層
２５ 強磁性層
３１ 配線
４１ 微細孔直径
５１ 非磁性層

本発明においては、複数のスピンバルブ素子が近接して位置され、それらが互いに電気的に接続されている。スピンバルブ素子の形成方法は、従来の電子ビーム露光などの手段を用いることができる。以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は本発明の第１の実施の形態におけるスピンバルブ素子の構造を示す縦断面図であり、図２は、第１の実施形態にかかるスピンバルブ素子の構造を拡大して示す断面図である。本実施形態では、図示するように、ポーラス絶縁層１０において絶縁体１１に形成された複数の微細孔１２内にスピンバルブ層２０を複数積層して直列接続するように形成し、それらを電極３１と電極層２１により並列に接続することができる。ここでは積層したものを図示しているが、本発明では微細孔１２内のスピンバルブ層２０がひとつだけ各微細孔１２に配置されて積層は行わない構成とすることも可能である。なお、スピンバルブ層２０がＧＭＲ構造である場合を例として以下記述するが、本実施形態はＴＭＲ構造であっても同様の機能を得ることが可能である。

図２に示したように、本実施形態においてスピンバルブ層２０は非磁性層５１と該非磁性層を挟む１対の強磁性層２３（固定層）と２５（フリー層）からなっており、必要に応じて、反強磁性層（ピン止め層）、キャッピング層（いずれも図示しない）などが例えば一方の強磁性層２３に積層するように付加される。微細孔１２の内部には、この構造を有するスピンバルブ層２０と中間電極２９からなる磁性素子が図２に示すように積層され、各微細孔１２の内部において磁性素子の直列接続された群（直列磁性素子群）となっている。

各微細孔１２の直列磁性素子群の上下面には電極３１、２１が配置されており、こうして、各微細孔１２の内部にある個々の直列磁性素子には電気的な接続が微細孔１２の外部にて取られている。電極３１、２１は複数の磁性素子群を並列に接続している。

第１の実施形態のスピンバルブ素子を構成する材料としては、基板５としてシリコン基板、ガラス基板、電極層２１、２９、３１としてＴａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、反強磁性層（図示しない）として、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、強磁性層２３（固定層）としてＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、絶縁層２４として、ＭｇＯ、Ａｌ酸化物、非磁性層５１としてＣｕ、強磁性層２５（フリー層）としてＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、キャッッピング層（図示しない）としてＣｕ、Ｐｄが代表例としてあげられるが、これに限定されるものではない。また、強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）の材質を同じにして、前者の膜厚を後者の膜厚より大きくすることにより保磁力の差によってスピンバルブ機能を発現することも可能である。作製にあたっては、上記の各材料を積層した後、各層の結晶性や固定層の磁気異方性を調整するため、磁場中にてアニール処理を施すことが有効である。また必要に応じて、強磁性層２３（固定層）や強磁性層２５（フリー層）を、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢなど反強磁性結合膜とすることも可能である。なお、斜線（／）によって区切った複数の材質を列記する表記は、各材質による層がこの順に積層されて多層膜とすることを示している。

ポーラス絶縁層１０を形成する手法としては、例えばアルミニウム膜を陽極酸化する処理や、樹脂膜に自己組織化によって微細構造を形成させる処理、あるいはナノインプリント技術による微細構造を転写する処理がある。これらのいずれの手法によっても形状の揃った微細孔を安価なプロセスで形成することが可能である。特に、ナノインプリントによれば、高いアスペクト比（孔径に対する孔深さの比率）を持つ微細孔の形成が可能であり、多層の積層構造を形成するのに好適である。また、ナノインプリント処理には、形状の制御も容易であるという利点がある。

図３は、この例を示す、ポーラス絶縁層１０の水平断面図である。一般にスピンバルブ素子では磁性膜の面内異方性の方向を制御する目的で磁性膜形状を楕円形とすることが多く行われるが、図３に示したような形状も容易に形成することができる。

これとは異なり、アルミニウム膜の陽極酸化処理では微細孔形状は円形であり、磁性膜の面内異方性の方向を制御することは困難である。しかし、膜面に垂直な方向に結晶異方性を配向させた垂直磁化型を用いる場合には、このような形状制御性の限界は問題にならず、本発明を実施することは可能である。また、樹脂の自己組織化による微細構造形成処理でも微細孔形状は通常は円形であり、膜面に垂直な方向に結晶異方性を配向させた垂直磁化型とすることが有利となる。樹脂自己組織化では、ナノインプリント技術以上に高いアスペクト比の微細孔が得られるので、多層の積層構造を得るのに好適である。

ナノインプリントを利用したポーラス絶縁層１０の作製方法としては、例えばポリメチルメタクレートなどの熱可塑性樹脂を基板に塗布した後、当該熱可塑性樹脂のガラス転移点よりも高い温度に加熱することで熱可塑性樹脂を軟化させ、その後にスタンパを押し付けることによってスタンパの凹凸を転写する。その後、基板を冷却することで、基板上に所定の微細孔構造をもつポーラス絶縁層１０を得ることができる。スタンパの材質としてはシリコン、石英、炭化珪素、タンタルなどが一般的であるが、本発明の用途には、微細加工が可能なシリコンが特に好適である。スタンパとポリマー層の離型性を改善するために、スタンパの表面にフッ素系ポリマーや界面活性剤を塗布することも好適である。また、ポーラス絶縁層１０の材料として紫外線硬化樹脂を用い、スタンパを押し付け後に光硬化させることによって基板の加熱冷却工程を省くことも可能である。

このナノインプリント法に用いるポリマーとしては、ポリメチルメタクレート、ポリスチレン、ポリカーボネート等の熱可塑性樹脂、１，６−ヘキサンジオールジアクリレートや、ビスヒドロキシエチル−ビスフェノールＡ−ジメチルアクレート等があるが、本発明の多孔質膜として用いることのできる材料がそれに限定されるものでは無い。

このナノインプリント法によれば、スタンパの加工精度が得られる範囲であれば、その凹凸を正確に転写することが可能である。製造コストは、個々の素子を電子線リゾグラフなどにより加工するのに比べれば、はるかに安価である。なお、スタンパの加工精度を保てる範囲や、加工精度の高いスタンパにはサイズに上限があったり、あるいはサイズが大きくなると極端に高価になる場合がある。このため、多孔質膜１０において適切な微細孔１２が得られる範囲は必然的に限定されてしまう。本実施形態においては、その適切な微細孔１２が得られる範囲に広がった面積を有する個々のスピンバルブ素子（磁性素子）を作製する。そして、インピーダンスが所望の値となるように、島状に作製されたスピンバルブ素子を図４のように互いに接続する。これにより、加工精度上のサイズの制限とインピーダンスマッチングを両立させることができる。

アルミニウム膜に陽極酸化処理を施してポーラスアルミナ層を得る技術それ自体は既に利用されている技術であるが、本発明に必要なナノオーダーサイズの微細孔を作製する技術は、未だ実用化されていない。陽極酸化処理を用いる手法では、基本的にはポーラス孔のサイズ、ピッチおよび深さを外部条件の操作により制御する（例えば、非特許文献５）。この方法によれば、ナノサイズの微細孔を２次元的に稠密に形成することができる。とりわけ、ポーラスアルミナ層は高い耐熱性を持つので、後述するようなスピンバルブ構造に必要なアニール工程に対しても充分な耐久性があり、本発明のプロセス上好適である。

ポーラスアルミナ層１０の作製方法としては、まずアルミニウム膜をスパッタ法などにより形成する。必要に応じて不活性ガス、もしくは真空中で４００〜５００℃での熱処理を施すと結晶粒が粗大化し、結晶粒界を少なくして、ポーラスアルミナ層の微細孔の配列秩序をよくすることができる。その後、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｈ_２ＳＯ_４の水溶液などにより電解研磨を行うことによって表面を平坦化する。陽極酸化処理は、例えば電解液としてシュウ酸を用い、化成電圧として３０〜６０Ｖ程度の定電圧を用いることにより、微細な穴が規則的に配列して高密度に形成されるようになる。この微細な穴の配列の規則化は、陽極酸化の処理時間の経過に伴って進行するので、長時間陽極酸化処理することにより、高度に規則化して高密度に配置された微細な穴を形成することができる。また、陽極酸化処理により形成される微細孔の間隔は、印加電圧で制御することが可能であり、おおよそ２．８ｎｍ／Ｖとなる。即ち、４０Ｖ印加した場合は１１２ｎｍ程度の間隔となる。また、微細孔の間隔と直径の比率は、電解液と処理温度に依存するが、おおよそ１．５〜５程度の範囲において調整することができる。一例として、電解液としてシュウ酸を用いた場合の電圧あたりの直径は４．９ｎｍ／Ｖ程度であり、従って４０Ｖ印加した場合は２３ｎｍ程度の直径となる。

以上のようにして得られるポーラスアルミナ層１０においては、多数の微細な穴が規則的に配列して形成され、穴はポーラスアルミナ層１０の表面に対して垂直に形成されるが、その底部は閉じられた円柱状空間となっている。楕円断面の微細孔ができる場合のようにこの穴を貫通させるには、陽極酸化処理後、Ｈ_３ＰＯ_４への浸漬処理などを施す必要がある。

樹脂の自己組織化によってできる微細構造が形成される現象を利用してポーラス絶縁層１０を作製する技術も、近年、ハードディスクの所謂ビットパターンドメディアへの適用を目指して開発が進められているものである（例えば非特許文献６）。この技術は、基本的には２種類以上の相溶しないポリマーの溶液を基板上に塗布し、熱処理によりポリマーを相分離させた後、一方のポリマーを化学的手段などにより除去することで微細孔構造を得るものである。通常、この方法により、数１０ｎｍ径の微細孔を数１０ｎｍピッチで得ることができる。

樹脂の自己組織化を利用したポーラス絶縁層１０の作製方法としては、例えばポリスチレン−メチルメタクレート−コポリマー（ＰＳ−ＰＭＭＡ ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）をトルエン等の溶剤に溶解させ、これをスピンコートなどの方法で基板上に塗布する。ここで、コポリマーの成分はＰＳ：ＰＭＭＡ＝７０：３０程度とするのが多孔質構造を得るには好適である。スピンコート条件や溶液濃度は目的とするポーラス絶縁層１０の膜厚によって適宜調整することができるが、例えば４０〜５０ｎｍの厚さを得るには、スピンコート回転数１８００〜２４００ｒｐｍ、固形分濃度１〜３重量％が望ましい。その後、真空中、１７０℃で数時間のアニールを行うと、ポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクレート（ＰＭＭＡ）が相分離する。一方のポリマー（上記材料ではＰＭＭＡ）を選択的に除去することにより多孔質構造を得る。上記組成の場合は、紫外光を照射してＰＭＭＡを劣化させた後、氷酢酸と水で洗浄して除去することで、直径２０ｎｍの孔を凡そ４０ｎｍピッチで得ることができる。

なお、アスペクト比の高い微細孔を基板に垂直に形成するには、予め基板を自己組織化膜などで処理して基板の表面エネルギーを調整しておくことも行われる。この方法に用いるポリマーとしては、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクレート（ＰＭＭＡ）、ポリイソプレン、ポリラクチドなどが用いられるが、それに限定されるものでは無い。

上記方法により形成される微細孔の間隔は、主としてコポリマーの成分比で制御することが可能である。また、微細孔の直径は、相分離時のポリマー材料の表面エネルギー比により決定され、コポリマー材料、溶剤、アニール温度などにより制御される。

なお、ナノインプリント、もしくは、樹脂自己組織化で形成されたポーラス絶縁層１０は、高分子材料からなり、一般に耐熱性に乏しい。このため、一旦、微細孔中に磁性多層膜構造と電極を形成した後、ポーラス絶縁層１０を除去し、残った磁性多層膜の微細柱構造をＳｉＯ_２等の無機絶縁材料で被覆し、その後に表面を研磨して電極を露出させることにより、耐熱性の高いポーラス絶縁層１０を形成することも有効である。これは、特に、スピンバルブ素子をアニールする工程のために必要な手段である。ＳｉＯ_２等の無機絶縁材料で被覆手段としては、ＣＶＤ、もしくはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）を塗布した後熱処理によりＳｉＯ_２に変換せしめるなどの手段を用いることができる。

多孔質層の微細孔の間隔は任意に選択が可能であるが、発明者らは、特にスピンバルブ間の位相ロッキングにより出力の増大効果については、これが各スピンバルブから発振されるマイクロ波の電磁界による相互作用に起因するものであることを見出した。従って、この効果を得るには、各スピンバルブ間の距離が、おおよそ相当するマイクロ波の波長程度であれば充分する。すなわち、例えば周波数２０ＧＨｚのマイクロ波であれは、その波長は大気中で約１５ｍｍであり、その範囲にあるスピンバルブ素子では、位相ロッキングによる出力の増大を期待することができる。また、それ以上の距離があっても、電気配線により各素子が接続されていれば、同様の効果を得ることも可能である。

［第２実施形態］
本発明における第２の実施形態のスピンバルブ素子の１例を図４に示す。第２の実施形態のスピンバルブ素子は、例えば、上記の方法で、得た集積スピンバルブ素子を、基板上で一辺が数μｍ程度の島状に分離されたように形成し、全体が１００μｍ程度の範囲に入るようにする。そして各スピンバルブ素子を基板上で並列もしくは直列に接続し、これ全体をスピンバルブ素子とするものである。前述のように、個別のスピンバルブ素子（磁性素子）の寸法はおおよそ１５０ｎｍ以下の寸法であることが必要であり、それらの素子間の配線は電子ビーム露光など、高価な設備投資が必要であった。本発明の第２の実施形態は、数百〜数千個の素子が集積したスピンバルブ素子群を一括して形成し、また、複数の素子群を設けてそれらの群を配線する構成にする。この構造を採用することにより、素子群の個々の素子をリソグラフィーを用いずに作製することができる。これにより、安価な可視光露光によって配線や素子群全体の形状を形成することができ、可視光によるパターニングによって十分な性能が得られるように構成することができる。島状に別れた個々のスピンバルブ群は、微細孔に単層のスピンバルブを形成した単純な並列構造でも良いし、実施形態１のように微細孔に積層のスピンバルブを形成した直並列構造とすることもできる。単層のスピンバルブを形成した場合には、各島のスピンバルブ群が並列磁性素子群となる。このとき、並列素子群を有する島状にされた各磁性素子をさらに並列にする事もできる。この場合には、例えば全ての磁性素子の合計と同じ面積を持つ単一の磁性素子の場合には、その面積の中に一箇所でも短絡する部分があると全体が短絡するが、いくつかのグループに分割しておいて検査を行って問題のない島のみを並列にすることなどにより、良品率を改善することができる。

個々のスピンバルブ素子のインピーダンスは膜厚や素子面積に依存するが、ＴＭＲの場合はおおよそ５０Ω〜１．５ＭΩ、ＧＭＲの場合はおおよそ５〜５０Ωであるので、全体の素子のインピーダンスを５０Ωとするには、ＴＭＲの場合は直列接続数：並列接続数＝１ ：１００〜３００００、ＧＭＲの場合は直列接続数：並列接続数＝１〜１０：１が好適である。

このように、ポーラス絶縁層を用い、その微細孔にスピンバルブ層を形成することにより安価にスピンバルブ素子を得ることができる。また、微細孔に複数のスピンバルブ層を積層することにより、直列構造のスピンバルブ素子を得ることができ、更にはこれらを並列構造とすることにより、直並列構造のスピンバルブ素子を得ることができる。あるいは、基板上に並列形成された複数のスピンバルブ素子をグループ化し、それらを一括して直列接続することにより、必要なリソグラフ精度を低くして製造コストを低減することが可能となる。これらの構成によれば、並列接続数と直列接続数のスピンバルブ層を任意に選択することが可能であるので、スピンバルブ素子としてのインピーダンスを容易に調整することが可能となる。

このようにして、多数のスピンバルブ素子を集積化し、かつ素子のインピーダンスを調整して伝送ロスを抑制し、大出力のマイクロ波発振素子を低コストで提供することができる。

以下、上述の各実施形態の実施例について説明する。

第１の実施形態の構造を用い、まずＴＭＲ層を以下の手順で作製した。なお、各材質に続く括弧内にその層の膜厚を記す。シリコン基板５の上に、スパッタにより電極層２１としてＣｕ（８０ｎｍ）薄膜を形成した。その後、強磁性層２３としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０（２０ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０（２ｎｍ）、キャッピング層（図示しない）としてＣｕ（２ｎｍ）、中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）を順次積層して、スピンバルブ層２０を１層得た。更に、このプロセスを繰り返すことにより、合計５層のスピンバルブ層を積層した。

次いで、スピンバルブ層の最上面にネガレジストを塗布し、長径１２０ｎｍ×短径６０ｎｍの楕円が孔中心間距離３２０ｎｍでハニカム様に配列した領域となるよう、各楕円領域に電子線を照射した。これにより、楕円のパターンにレジストが残り、そのパターンが配列したネガレジストパターンを得た。そして、そのレジストパターンを利用したイオンミリングを行って、レジストがない領域の直下のスピンバルブ層を５層とも除去した。そして、絶縁体１１（図１、２）を形成するため、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を形成した。スピンバルブ素子上のレジストをリフトオフにより除去した後、再度ネガレジストを塗布し、フォトリソグラフにより複数の６μmφのレジストパターンを得、これを利用してレジストがない領域を除去する事で、６μmφの島を得た。１個の６μｍφの島にはスピンバルブ層構造が約１７６個形成された。６μmφの島上のレジストを剥離後、更にスパッタによりＣｕを積層して上部電極３１を形成した後、４ｋＯｅ程度の磁場中、３５０℃でアニールを行って、実施例１の試料を作製した。この構成によるスピンバルブ層２０の電気抵抗は１層あたり約１．７７ｋΩ、５層での合計は約８．８５ｋΩであり、６μｍφの島の約１７６個の微細孔が電極２１と電極２７で並列に接続された結果、島全体での電気抵抗は約５０Ωとなった。

シリコン基板５の上に、スパッタにより電極層２１としてＣｕ（８０ｎｍ）薄膜を形成した。その後、ポリメチルメタクレートのトルエン溶液（固形分濃度３％）をスピンコート法により塗布し乾燥させてポリメチルメタクレート薄膜（厚さ１２０ｎｍ）を得た。更に、これを約１２０℃に加熱し、シリコン製のスタンパを押し付けることにより、１２０ｎｍ×６０ｎｍの楕円形の微細孔パターンを、孔中心間距離４００ｎｍ（図３）でハニカム構造に配置した多孔質膜構造を転写して作製した。次いで、上記多孔質膜にフォトレジストを塗布、露光して、６μmφの孔を複数個形成した。６μｍφの島には微細孔が約１１２個の微細孔が形成された。その後、イオンエッチングによって底部を除去して貫通孔とした。

その後、スパッタ法を用い微細孔１２内に、強磁性層２３としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０（２０ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．８ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０（２ｎｍ）、キャッピング層（図示しない）としてＣｕ（２ｎｍ）を順次積層して、スピンバルブ層２０を１層得て、中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）をさらに積層した。更に、このプロセスを繰り返すことにより、合計３層のスピンバルブ層を積層した。フォトレジストをその後、剥離除去した。

その後、上部電極層３１としてＣｕをスパッタにより積層し微細孔１２内に充填し、続いて、残存したポリマーを酸素プラズマ処理により除去することでスピンバルブの積層柱構造を形成した。さらに、積層柱構造間のスペースにＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を注入後、４００℃で熱処理することによりＳｉＯ_２に変換して、積層柱構造の空間をＳｉＯ_２で充填して積層柱構造を被覆した。その後、表面を研磨して上部電極層３１のＣｕを露出させた。このプロセスにより、ポーラス絶縁層１０を構成する材料はポリマーから耐熱性を持つＳｉＯ_２に転換される。上部電極３１をポーラス絶縁層１０の上部にまで延長した後、４ｋＯｅ程度の磁場中、３５０℃でアニールを行って実施例２の試料とした。

その結果、この構成による６μｍφの島の微細孔数が約１１２個、スピンバルブ層２０の電気抵抗が１層あたり約１３．０ｋΩ、３層での合計は約３９．０ｋΩであり、島全体での電気抵抗は約３４８Ωとなった。この場合は、７個のs島間を並列接続することで、素子全体のインピーダンスとして約５０Ωを得た。島間の配線は、ネガレジスト塗布と通常の可視光を用いたフォトリゾグラフ手法による露光処理後、スパッタによりＡｌ膜配線を施すことによった。

いくつかの変更のほかは実施例２と同様に実施例３の試料を作製した。変更したのは以下の通りである。ポリメチルメタクレートのトルエン溶液の固形分濃度を５％としてスピンコートした。その際の膜厚は１２００ｎｍであった。これによりポリメチルメタクリレートによる多孔質層１０を形成した。ここで、楕円形の微細孔を、孔中心間距離２００ｎｍのハニカム構造パターンとなっていた。そして、６μｍφの直径の島になるようリフトオフにより分割した。これにより、各島の微細孔数が約４５０個となる。そして、多孔質層１０に生成された微細孔１２内に、以下のようにしてスピンバルブ層を形成した。

まず、電気メッキにより、微細孔１２内に、強磁性層２３としてＮｉ_８０Ｆｅ_２０（２０ｎｍ）、非磁性層５１としてＣｕ（６ｎｍ）、強磁性層２５としてＮｉ_８０Ｆｅ_２０（２ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）を順次３０層積層しＧＭＲを利用するスピンバルブ層を形成し、さらに中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）を形成した。アニール条件が、４ｋＯｅの磁場中、２５０℃であった他は、実施例２と同様にして実施例３の試料を作製した。基板からポーラス絶縁層１０の上部までの積層厚さは、約１２００ｎｍであった。

この構成によるスピンバルブ層２０の電気抵抗は１層あたり２２．９Ω、３０層での合計は６８７Ωであり、島全体での電気抵抗は約１．５３Ωとなった。さらに、これを３３個の島間を直列接続することで、素子全体のインピーダンスとして約５０Ωを得た。

実施例１とほぼ同様の方法により実施例４の試料を作製した。実施例１と同様に、シリコン基板５の上に、スパッタにより電極層２１としてＣｕ（８０ｎｍ）薄膜を形成した。その後、強磁性層２３としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０（２０ｎｍ）、絶縁層２４としてＭｇＯ層（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＮｉＦｅ（４．５ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）、中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）を順次積層し、更に、このプロセスを繰り返すことにより、合計３層のスピンバルブ層を積層したことと、楕円形の微細孔パターンの寸法が３０×５０ｎｍであり、ハニカム構造に孔中心間距離が１４０ｎｍであり、分割した島の寸法が２μｍφで、それらの島が、同一の基板上に合計８個形成され、その配列が１００μｍピッチの４行２列となるようにした以外は、実施例１と同様の方法で、実施例４の試料を得た。２μｍφの島には微細孔が約１００個、８個の島の合計では８００個の積層スピンバルブ素子が形成された。

この構成によるスピンバルブ層２０の電気抵抗は１層あたり１３．５ｋΩ、３層での合計は約４０．５ｋΩであり、島全体での電気抵抗は約４０５Ωとなった。さらに、これの島を８個並列接続することで、素子全体のインピーダンスとして約５０Ωを得た。

実施例１とほぼ同様の方法により実施例５の試料を作製した。シリコン基板５を、ＯＴＳ（ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）の自己組織化膜で処理した後、ポリスチレン−メチルメタクレート−コポリマー（ＰＳ−ＰＭＭＡ ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）薄膜をスピンコートにより塗布した。即ち、ポリスチレン−メチルメタクレート−コポリマー（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｃ．社製、ＰＳ：ＰＭＭＡ＝７０：３０）のトルエン溶液（固形分濃度５重量％）を、スピンコート回転数９００ｒｐｍで塗布して、膜厚４８００ｎｍの薄膜を得た。更に、真空中、１７０℃で３時間のアニールを行う事により、ポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクレート（ＰＭＭＡ）が相分離させた。その後、紫外光を照射してポリメチルメタクレート（ＰＭＭＡ）を劣化させた後、氷酢酸と水で洗浄して選択的に除去する事で、微細孔がハニカム状に規則的に配列した多孔質構造を得た。微細孔は基板に垂直な円筒状で直径は約２０ｎｍ、ピッチは約４０ｎｍであった。

その後、電気メッキにより、微細孔１２内に、強磁性層２３としてＲｕ（５ｎｍ）／Ｃｏ７０Ｆｅ３０（２０ｎｍ）、非磁性層５１としてＣｕ層（６ｎｍ）、強磁性層２５としてＮｉＦｅ（４．５ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）、中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）を順次積層して、スピンバルブ層２０を１層得た。更に、このプロセスを繰り返す事により、合計１００層のスピンバルブ層を積層した。その後、上部電極層３１としてＣｕをスパッタにより積層し微細孔１２内に充填した後、実施例２と同様の手段により、ポーラス絶縁層１０を構成する材料はポリマーから耐熱性を持つＳｉＯ２に転換した。更にスパッタによりＣｕを積層し上部電極３１をポーラス絶縁層１０の上部にまで延長した後、４ｋＯｅ程度の磁場中、２５０℃でアニールを行って、実施例５の試料を作製した。基板からポーラス絶縁層１０の上部までの積層厚さは、約４８００ｎｍであった。

この構成によるスピンバルブ層２０の電気抵抗は１層あたり３１０Ωであり、１００層での合計は３１ｋΩであった。その後、２μｍφの面積の島を形成すると、一つの島に１２５０個の微細孔が存在し、島のインピーダンスは約２４．８Ωとなった。これらの島を２個直列接続して、素子全体のインピーダンスを約５０Ωとする事ができた。

実施例１〜５の試料に対し、固定層の磁界と平行方向に１Ｔの直流磁場を印加して、フリー層から固定層へ電子が流れ込む方向に直流電流を流すことにより、マイクロ波の発振が得られた。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明により数１０００〜数１０万個のスピンバルブ層を複合化して全体のインピーダンスを約５０Ωに整合させて、高出力（３５μＷ〜１．８ｍＷ）のマイクロ波発振素子を作製することができた。これは従来の単一素子の出力（ＴＭＲを用いた場合で０．１６μＷ、ＧＭＲを用いた場合で１０ｐＷ程度）に比して大きな改善である。また、本発明における各微細孔のスピンバルブ層毎の平均出力はＴＭＲを用いた実施例１、２、４においてそれぞれ１．５μＷ、１．４μＷ、１．８μＷ、ＧＭＲを用いた実施例３においてそれぞれ９０ｐＷが得られており、単一素子としても大きな改善が得られている。この原因は、前述のように複数の素子を隣接して形成した場合に観測されている位相ロッキング現象に起因しているものと推定される。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合わせが可能である。本発明によって、多数のスピンバルブ素子を集積化し、かつ素子のインピーダンスを調整して伝送ロスを抑制し、大出力のマイクロ波発振素子を低コストで提供することができる。
［実施形態例］
［実施形態１］
絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数並列に接続してなる並列磁性素子群を複数備えており、各並列磁性素子群が互いに直列または並列に接続されているスピンバルブ素子。
［実施形態２］
前記磁性素子が互いに同期した発振信号を生成する程度に近接して配置されている、実施形態１に記載のスピンバルブ素子。
［実施形態３］
複数の微細孔を有する多孔質層をさらに備え、
該微細孔のそれぞれの内部に前記磁性素子が配置され、各磁性素子が該微細孔の外部で互いに並列に接続されて、これにより、各磁性素子が前記並列磁性素子群をなしていることを特徴とする実施形態１に記載のスピンバルブ素子。
［実施形態４］
絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数直列に接続してなる直列磁性素子群を複数備えており、各直列磁性素子群が互いに並列に接続されているスピンバルブ素子。
［実施形態５］
前記磁性素子が互いに同期した発振信号を生成する程度に近接して配置されている実施形態４に記載のスピンバルブ素子。
［実施形態６］
複数の微細孔を有する多孔質層をさらに備え、
該微細孔のそれぞれの内部に前記直列磁性素子群が配置され、各直列磁性素子群が該微細孔の外部で互いに並列に接続されていることを特徴とする実施形態４に記載のスピンバルブ素子。
［実施形態７］
前記多孔質層に配置され前記微細孔の外部において互いに並列に接続された実施形態６に記載のスピンバブル素子を複数備え、各スピンバブル素子が互いに直列に接続されているスピンバブル素子群。
［実施形態８］
実施形態３、６、７のいずれかに記載のスピンバルブ素子を製造する製造方法であって、
ナノインプリント法により前記多孔質層を形成するステップを含むスピンバルブ素子の製造方法。
［実施形態９］
実施形態３、６、７のいずれかに記載のスピンバルブ素子を製造する製造方法であって、
アルミニウム薄膜を陽極酸化するステップか、または、樹脂膜に自己組織化を行わせるステップにより前記多孔質層を形成するステップを含むスピンバルブ素子の製造方法。

Claims (9)

1. 絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数個直列に接続してなる第１の直列磁性素子群を複数個並列に接続してなる複数の第１の並列磁性素子群を備え、
   前記複数の第１の並列磁性素子群を直列に接続してなる１以上の第２の直列磁性素子群を備え、
   前記１以上の第２の直列磁性素子群内の全ての前記磁性素子が同時に駆動され、同期して前記所定周波数についてのマイクロ波発振をするように構成されるマイクロ波発振素子。
2. 絶縁体または非磁性体からなる中間層と該中間層を挟持する一対の強磁性層との少なくとも３層を含んでなる磁性素子を複数個直列に接続してなる第１の直列磁性素子群を複数個並列に接続してなる複数の第１の並列磁性素子群を備え、
   前記複数の第１の並列磁性素子群を並列に接続してなる１以上の第２の並列磁性素子群を備え、
   前記１以上の第２の並列磁性素子群内の全ての前記磁性素子が同時に駆動され、同期して前記所定周波数についてのマイクロ波発振をするように構成されるマイクロ波発振素子。
3. 前記マイクロ波発振素子の入出力インピーダンスが５０Ωとなるように構成される請求項１または２に記載のマイクロ波発振素子。
4. 前記磁性素子はスピンバルブ素子である、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波発振素子。
5. 前記磁性素子が互いに同期した発振信号を生成する程度に近接して配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波発振素子。
6. 前記磁性素子のそれぞれに、前記１対の強磁性体のそれぞれの磁化に対して働くトルクが反平行となるように電流を流し、前記１対の強磁性体のそれぞれの磁化に働くトルクが互いに平行となるように前記磁性素子に外部磁場を与えることにより、マイクロ波発振をさせるように構成される請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ波発振素子。
7. 複数の微細孔を有する多孔質層をさらに備え、
   該微細孔のそれぞれの内部に前記第１の直列磁性素子群が配置され、前記第１の直列磁性素子群は該微細孔の外部で互いに並列に接続されて前記第１の並列磁性素子群をなすことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ波発振素子。
8. 請求項７に記載のマイクロ波発振素子を製造する製造方法であって、
   ナノインプリント法により前記多孔質層を形成するステップを含むマイクロ波発振素子の製造方法。
9. 請求項７に記載のマイクロ波発振素子を製造する製造方法であって、
   アルミニウム薄膜を陽極酸化するステップか、または、樹脂膜に自己組織化を行わせるステップにより前記多孔質層を形成するステップを含むマイクロ波発振素子の製造方法。
   

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