JP2003069107A - 磁界センサー及び磁気ヘッド - Google Patents

磁界センサー及び磁気ヘッド

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホール効果を用いた磁界センサーで外部磁場
を感知する。 【解決手段】 センサー部分に、異常ホール効果の大き
いＦｅＮ等の化合物材料、閃亜鉛構造を持つ磁性半導
体、ペロブスカイト構造を持つ酸化物などの磁性体を含
む材料を用いる。膜の電流端子と電圧端子を、膜厚方向
と膜面内方向にそれぞれとることで、磁界を膜面内方向
に誘導可能な素子形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁界を感知するた
めの磁界センサー及び磁気ディスクに記録された情報を
再生するための磁気ヘッドに関し、特に再生分解能に優
れた磁界センサー及び磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録再生装置における記録密度は著
しい向上を続けており、その磁気記録再生ヘッドは、記
録、再生の両特性に関し高性能化の要求が高い。再生素
子に関しては、（１）高感度化技術の向上、（２）トラ
ック幅の狭小化技術向上、及び（３）再生ギャップ間隔
の狭小化技術の向上という３点の技術を向上させること
が要求されている。（１）については磁気抵抗効果を利
用したＭＲヘッドを発展させることにより高感度化が進
められている。数（Ｇｂ／ｉｎ2）の低記録密度では異
方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）を用いて記録媒体上の磁気
的信号を電気信号に変換していたが、これを超える高記
録密度になると、より高感度の得られる巨大磁気抵抗効
果（ＧＭＲ）を用いてこの高記録密度に対応してきた。
ＧＭＲを用いた磁気ヘッドに関しては、例えば特開平４
−３５８３１０号公報にスピンバルブと呼ばれる構造が
記されている。スピンバルブは、反強磁性層によって磁
化が特定の方向に固定された磁性体からなる固定層と、
この固定層に非磁性薄膜を介して積層された磁性膜から
なる自由層とで構成されており、固定層と自由層の磁化
の相対的な角度で電気抵抗が変化するものである。
【０００３】しかしながら、昨今の高感度化の進展によ
り、さらなる高感度化に対処するための新規な再生方式
が必要とされている。この候補として現在のところ、高
分極率材料や酸化物層をＧＭＲ構造の界面に挟んで電子
のスピンの多重反射効果により出力の増大をねらったス
ペキュラーＧＭＲやＮＯＬ−ＧＭＲと呼ばれるアドバン
スＧＭＲ効果や、あるいは、膜面に垂直な方向に検出電
流を流す方式のＧＭＲ（ＣＰＰ−ＧＭＲ）や、トンネル
磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が有力である。
【０００４】これらの効果は、磁気電気効果における磁
気抵抗変化現象の応用によるものである。ここで、ホー
ル効果も電気磁気効果の一種であり、物質中を流れる電
流に直交する方向に磁界を印加したときに、電流、磁界
の両者と直交する方向に電圧が発生する現象である。ホ
ール効果は古くから認知されており、キャリア密度と電
子の散乱係数が関与している。今日では、半導体を材料
に用い、ホール素子として磁界測定に応用されている。
これを磁気ヘッドに応用しようとする試みは特開平２−
３０８４０９号公報などにも記載されている。この場
合、半導体からなるホール素子と同様に、膜面内で電流
端子と電圧端子の４端子の電極をとり、膜面に垂直な信
号磁界を測定する方式と、これを２枚重畳したもので磁
気記録のビット間隔よりも素子厚さの狭い構造を用いる
ことで、磁界の反転部分を感知する機構（差動型）が提
案されている。また、特開平９−２８９３４４号公報
に、３ｄ金属の異常ホール効果を利用した磁界センサー
として面内磁気記録に対する基本的な原理が提案されて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】再生素子の将来的構造
を考えた場合、記録素子が従来の面内磁気記録方式では
十分な記録磁界を出すことが困難である点と、さらに高
感度な磁気抵抗センサーであるＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲ
が膜面に垂直なセンス電流を流す構造を利用した磁界セ
ンサーであることから、ＣＰＰ方式のセンス電流を流す
構造に移行するようになると考えられる。しかし、この
ような構造を採用し、磁気抵抗センサー膜の素子面積を
小さくした場合に、磁気抵抗センサー素子が微細、薄膜
化することでセンサー膜を構成する磁性膜膜厚の占める
体積が小さくなり、その磁化が熱揺らぎによって揺動
し、所定の磁化比を確保できなくなるという新たな問題
が生じる。
【０００６】ホール効果を用いた場合、基本的に現状の
半導体ホール素子材料は磁界に対して出力電圧が線形で
あることから、広範囲の磁界測定については利点がある
が、微小な磁界に対する出力は小さい。また、これらの
半導体材料は一般に非磁性（反磁性）であるから、磁界
センサーを構成した場合にセンサー部に記録媒体からの
漏洩磁界を集中させることが困難であり、感度を上昇さ
せることが困難である。このような膜で高感度の磁界セ
ンサーを作る場合は、磁界がセンサー部に集中するよう
な構造にすることと、磁場に対する出力が大きいセンサ
ー膜が必要である。
【０００７】本発明は、このようなホール効果を用いた
磁界センサーの問題点に鑑み、磁気ヘッドあるいはＭＲ
ＡＭに適用可能な構造、構成をもつ磁界センサーを提供
することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、異常ホール効果（磁性体ホール効果）
を示す材料を用いて磁界センサーを構成する。この磁界
センサーは、磁界が印加されることによって異常ホール
効果成分を含む信号を検知する。
【０００９】図１は、ホール効果をもつ材料と、異常ホ
ール効果をもつ材料についての磁界Ｂとホール電圧Ｖｈ
の関係を示す図である。従来のホール効果（正常ホール
効果）を用いた磁界センサー、特にホール素子として使
用されているものは、ＩｎＳｂなどの非磁性の半導体を
使用したものであった。このときの出力（ホール抵抗）
ρHは、図１からもわかるように外部磁界（磁束密度）
をＢとして ρH＝ＲHＢ と記述され、外部磁界Ｂに比例する値である。ここで、
ＲHはホール定数で、センサーとなる物質のキャリア密
度に反比例する特徴を有する。これに対し、ホール効果
をもつ材料が磁性体である場合には、出力（ホール抵
抗）ρHは、外部磁界（磁束密度）をＢ、磁性体の磁化
をＭとして ρH＝ＲHＢ＋ＲSＭ と表される。このＲｓは異常ホール定数である。また、
このρHは磁化Ｍに比例する成分をもつ。さらに、Ｒｓ
は温度、磁化の揺らぎが関与した値である。従って、低
磁界における磁化の磁界依存性が大きい軟磁気特性から
なる磁性体では、ρHは磁性体の磁化Ｍに比例するた
め、低磁界における異常ホール抵抗の変化、すなわちＲ
ｓの値は大きい。よって、低磁界をセンシングするセン
サー膜の提供を目的とする本発明では、センサー膜の材
料に磁性材料を含む材料を用い、磁性体に特有の異常ホ
ール効果を利用したほうが出力は高い値が得られる可能
性がある。
【００１０】電流方向、磁界方向、出力電圧方向の関係
について従来は、膜面内の４個所に電極を設けて、膜面
内に電流を流しながら、膜厚方向に磁界を印加して、こ
のとき膜面の電流方向と直交する方向に発生する電圧を
出力として得ていた。通常の膜で磁気ヘッドのような構
造への適用を考えた場合、膜面を媒体面に平行にした場
合には、媒体対向面のセンサー膜よりも媒体側に電極が
ある構造をとらなければならないため、通常の磁気ヘッ
ドにおける素子浮上高さに加えて電極膜厚が重畳してセ
ンサー膜と媒体面の距離（実効浮上高さ）が開くため
に、センサー膜に到達する磁界が弱くなる。これに対
し、媒体対抗面側に電極の無いホール素子構造をとるこ
とで媒体からの磁界を最小限の損失で感知できる構造を
考案した。これは、電流、あるいは電圧を膜厚方向にと
ることによって可能となる。
【００１１】このときに異常ホール効果素子の場合、セ
ンサー膜だけが磁性膜なので磁場がセンサー部分に集中
しやすい構造である。ただし、磁界集中の効率を向上さ
せるために、周囲を磁気回路構造にして、一部分をセン
サー膜にするヨーク構造やフラックスガイド型構造を適
用することで磁界に対する出力の効率を向上できる。
【００１２】このような異常ホール効果を示す材料とし
て、従来は鉄やコバルト、ニッケルのような３ｄ電子に
よる強磁性金属、合金などが考えられていた。例えば、
また、不純物添加した材料による異常ホール効果はしば
しば不純物濃度や電気抵抗にほぼ比例して増大する傾向
があるため（正比例する成分と二乗比例する成分があ
る）、不純物添加した金属材料も考えられる。また、最
近の研究から、反強磁性体と強磁性体の境界領域の組成
をもつＬａＳｔＭｎＯやＬａＣａＭｎＯなどの一部の材
料では、電子相関に伴うエネルギーが系の物理的性質を
支配し、ある組成近辺で反強磁性になろうとしつつも強
磁性体であるといった臨界状態になり、個々のスピンの
揺動（ゆらぎ）が大きくなる傾向があり、このとき大き
な異常ホール抵抗が見られる場合がある。また、磁性体
と半導体を組み合わせた材料から構成される磁性半導体
では、大きなモーメントと大きな異常ホール効果が見ら
れることがわかってきた。特に、閃亜鉛型の結晶構造を
もつ、III−Ｖ族化合物半導体にＭｎなどの磁性体をド
ープした希薄磁性半導体や、ＺｎＯやＧａＮに遷移金属
をドープした磁性半導体、その他の閃亜鉛型結晶構造を
もつ磁性半導体には、室温で強磁性的挙動を示し、室温
での異常ホール定数が１×１０-11Ｖｃｍ／ＡＧ（ボル
トセンチメートル／アンペアガウス）以上となる高異常
ホール効果材料が存在する。したがって、これらの材料
をセンサー部分に用いることで、所望の出力をもつ磁界
センサーあるいはこれを応用した磁気デバイスを作るこ
とが可能である。
【００１３】本発明による磁界センサー及び磁気ヘッド
は以下の特徴を有する。 （１）第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成され
た異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜上に形成
された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向に互いに
離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３及び第４
の電極とを備えることを特徴とする磁界センサー。 （２）（１）記載の磁界センサーにおいて、前記磁性膜
は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガンから選択された
少なくとも１種類の元素を含有する強磁性体膜あるいは
反強磁性膜であることを特徴とする磁界センサー。
【００１４】（３）（１）記載の磁界センサーにおい
て、前記磁性膜は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガ
ン、バナジウム、クロムから選択された少なくとも１種
類の元素と、ガリウム、砒素、インジウム、アンチモ
ン、シリコン、ゲルマニウム、テルル、酸化亜鉛、酸化
チタンから選択された少なくとも一つを含有する閃亜鉛
構造をもつ半導体材料との化合物からなる強磁性体膜あ
るいは反強磁性膜であることを特徴とする磁界センサ
ー。 （４）（１）記載の磁界センサーにおいて、前記磁性膜
は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、
クロムから選択された少なくとも１種類の元素と、ガリ
ウム、砒素、インジウム、アンチモン、シリコン、ゲル
マニウム、テルル、酸化亜鉛、酸化チタンの少なくとも
一つを含有する半導体材料とを積層することで作製した
強磁性体膜あるいは反強磁性膜であることを特徴とする
磁界センサー。
【００１５】（５）（１）記載の磁界センサーにおい
て、前記磁性膜は、ランタン、ストロンチウム、カルシ
ウム、マンガン、ホウ素、銅、酸素から選択された３種
類以上の元素を含有するペロブスカイト構造を持つ強磁
性体膜あるいは反強磁性膜であることを特徴とする磁界
センサー。 （６）第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成され
た異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜上に形成
された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向に互いに
離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３及び第４
の電極とを備え、前記第１の電極と第２の電極の間に電
流を流し、前記第３の電極と第４の電極の間に発生する
電圧を検出することを特徴とする磁界センサー。
【００１６】（７）第１の電極膜と、前記第１の電極膜
上に形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁
性膜上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面
方向に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された
第３及び第４の電極とを備え、前記第３の電極と第４の
電極の間に電流を流し、前記第１の電極と第２の電極の
間に発生する電圧を検出することを特徴とする磁界セン
サー。 （８）第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成され
た異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜上に形成
された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向に互いに
離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３及び第４
の電極とを備え、前記第１の電極と第２の電極の間に電
流を流し、前記第３の電極と第４の電極の間に発生する
電圧を検出する素子を複数含み、各素子の電圧を検出す
る電極が直列に接続され、少なくとも１つの素子の電流
が他の素子と逆方向に流れるように各電極が接続されて
いることを特徴とする磁界センサー。
【００１７】（９）第１の電極膜と、前記第１の電極膜
上に形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁
性膜上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面
方向に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された
第３及び第４の電極とを備え、前記第３の電極と第４の
電極の間に電流を流し、前記第１の電極と第２の電極の
間に発生する電圧を検出する素子を複数含み、各素子の
電圧を検出する電極が直列に接続され、少なくとも１つ
の素子の電流が他の素子と逆方向に流れるように各電極
が接続されていることを特徴とする磁界センサー。 （１０）下部磁気シールドと上部磁気シールドからなる
一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シールド間に配
置された磁界センサーとを含む磁気ヘッドにおいて、前
記磁界センサーとして請求項１〜７のいずれか１項記載
の磁界センサーを用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
【００１８】（１１）下部磁気シールドと上部磁気シー
ルドからなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シ
ールド間に配置された磁界センサーとを含む磁気ヘッド
において、前記磁界センサーは、第１の電極膜と、前記
第１の電極膜上に形成された異常ホール効果を示す第１
の磁性膜と、前記第１の磁性膜上に形成された第２の電
極膜と、前記第２の電極膜上に形成された異常ホール効
果を示す第２の磁性膜と、前記第２の磁性膜上に形成さ
れた第３の電極膜とを備え、前記第１の磁性膜と第２の
磁性膜に媒体対向面に略平行な方向の同一方向の電流を
流し、前記第１の電極膜と第３の電極膜の間に発生する
電圧を検出することを特徴とする磁気ヘッド。 （１２）下部磁気シールドと上部磁気シールドからなる
一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シールド間に配
置された磁界センサーとを含む磁気ヘッドにおいて、前
記磁界センサーは、第１の電極膜と、前記第１の電極膜
上に形成された異常ホール効果を示す第１の磁性膜と、
前記第１の磁性膜上に形成された第２の電極膜と、前記
第２の電極膜上に形成された異常ホール効果を示す第２
の磁性膜と、前記第２の磁性膜上に形成された第３の電
極膜とを備え、前記第１の電極膜と第３の電極膜の間に
電流を印加し、前記第１の磁性膜と第２の磁性膜に発生
する媒体対向面に逆平行な方向の電圧を合成して検出す
ることを特徴とする磁気ヘッド。
【００１９】（１３）下部磁気シールドと上部磁気シー
ルドからなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シ
ールド間に配置され媒体対向面に露出した位置から素子
高さ方向に伸び磁界を内部に導く磁気ヨーク膜と、磁界
センサーとを含む磁気ヘッドにおいて、前記磁気センサ
ーは、第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成され
た異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜上に形成
された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向に互いに
離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３及び第４
の電極とを備え、前記磁気ヨーク膜の媒体対向面より後
退した位置で前記磁気ヨーク膜の切断部に配置されてい
ることを特徴とする磁気ヘッド。 （１４）（１１），（１２）又は（１３）記載の磁気ヘ
ッドにおいて、前記磁界センサーは、媒体面に平行な方
向の長さが媒体面に垂直な方向の長さより長いことを特
徴とする磁気ヘッド。
【００２０】（１５）情報を記録する磁界センサー膜
と、磁界センサー膜に接続したビット線と、磁界センサ
ー膜から離れた位置にあって磁界センサー膜を挟んでビ
ット線と対向し、かつ、ビット線に直交し、磁界センサ
ー膜に対して記録動作を行うワード線と、記録信号を増
幅する増幅系と、読み出し書き込みのスイッチを行う読
み出しワード線とを備えたセルが複数個並列している構
造を持つ磁気記憶素子において、磁界センサーが異常ホ
ール効果を示す強磁性膜を含む前記（１）〜（９）のい
ずれか１項記載の磁界センサであることを特徴とする磁
気記憶素子。
【００２１】上記磁界センサー及び磁気ヘッドは、異常
ホール効果を示す磁性膜の両脇に永久磁石材料からな
る、バルクハウゼンノイズを抑制するための磁区制御膜
を配置するのが好ましい。本発明の磁気ヘッドは、磁気
ディスクに記録再生を行う磁気記録再生装置に組み込む
ことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 ［実施の形態１］図２は、従来の薄膜ホール素子、ホー
ル効果を用いた薄膜磁界センサーの形態を示す模式図で
ある。これは、膜面内の一方向２０１に電流を印加し、
膜厚方向２０２に磁界が加わった場合に、２０１，２０
２の両方向と直交する２０３方向に起電力が生じる現象
を応用したものであり、膜面に印加された磁界強度が起
電力として測定される磁界センサーを構成するものであ
る。このような素子を構成する材料は、磁界−電圧特性
の関係が広い磁界範囲で比例関係であるＧａＡｓ，Ｉｎ
Ａｓ，ＩｎＳｂなどの非磁性半導体が報告され、広く実
用化されている。
【００２３】これに対し、本発明による磁界センサー
は、例えば図３に示すような構成を有する。この例の磁
界センサーは、センサー膜（異常ホール効果を示す強磁
性体を含む膜）３０５を２枚の電極３０４，３０６で挟
んだ構造を有し、膜厚方向３０２に電流を流した状態で
面内方向３０３に磁界を印加したときに、膜面内方向３
０１に発生する出力電圧を感知するものである。センサ
ー膜を構成する材料は、強磁性体あるいは反強磁性を含
む磁性膜を含む膜により構成された膜であり、構成材料
の詳細は後述する。
【００２４】また、図４は、本発明による磁界センサー
のもうひとつの構成例を示す図である。この例の磁界セ
ンサーは、センサー膜（異常ホール効果発生する強磁性
体を含む膜）４０５を２枚の電極４０４，４０６で挟ん
だ構造を有するが、膜の面内方向４０１に電流を流しな
がら、これと直交する面内方向４０３に入った磁界に対
して４０２の膜厚方向に発生する電圧を感知するもので
ある。センサー膜としては、強磁性体あるいは反強磁性
を含む磁性膜を含む膜を用いる。図３に示した磁界セン
サーも、図４に示した磁界センサーも、膜断面部分から
磁界が侵入する形状である。
【００２５】図５に、図３にて説明した磁界センサーの
媒体面に対向する面側の素子構造例を示す。また、図６
に素子を媒体面の直上から見た構造例を示す。図５を参
照すると、基体５０１上に電極膜５０２を例えばＡｒ雰
囲気中のスパッタリング法で形成し、さらにセンサー膜
５０３を形成する。基体となる材料は、半導体単結晶
（ＧａＡｓ，Ｓｉ，ドープ半導体（ＩｎＧａＡｓ）、Ｉ
ｎＰ等）、単結晶（ＭｇＯ、サファイアなど）、ガラ
ス、シリコン酸化物、セラミック等である。基体５０１
がガラス、酸化物、セラミックの場合、基体上に絶縁膜
を形成し、これを化学機械研磨（ＣＭＰ）する方法で平
坦化し、この上に磁性体からなるシールド膜を形成した
ものを基体とした。さらにこれを平坦化するための方法
としては、クラスター状イオンを基板面に照射すること
で膜面を平坦化する処理を施すことによって膜面の平坦
性は面粗さ０．１ｎｍ程度に低減することが可能であ
り、これを用いた基板も素子作製の結果有効であった。
単結晶基板は上述の表面処理あるいは、真空中で３００
℃から６００℃に基板温度を昇温する加熱処理を施すこ
とで清浄かつ平坦な表面を形成して用いた。センサー膜
の作製方法は、例えばスパッタリング法、イオンビーム
スパッタリング法、ＭＢＥ、ＣＶＤあるいはめっき法を
採用することができる。材料に対する詳細は後述する。
また、このときの基板温度は、材料によって室温から数
１００℃の範囲の適当な温度を適宜設定して用いた。例
えばＦｅ−ＮやＭｎＧａＡｓなどは、基板温度２５０℃
で、ＣｒＡｓは２００℃の温度で作製した。
【００２６】このセンサー膜を所定の大きさ、形状にレ
ジストマスクでパターニングし、他の部分にイオンミリ
ング等の除去手段を施した後、レジストを剥離した。例
えばこのセンサー膜上にリフトオフパターンを形成した
後に、その膜の周辺部分に絶縁膜５０４／電極膜５０５
／絶縁膜５０６からなる膜を同様に形成する。この絶縁
膜にはＡｌ2Ｏ3あるいはＳｉＯ2を用いた。更に、この
上に電極膜５０７を形成した。電極膜５０５は、例えば
Ａｕからなり、センサー膜５０３の膜面上で接触してい
ても、センサー膜の断面部分で接触していても、あるい
は、その両方で接触していても、センサー膜上下の電極
膜５０２，５０７に対して絶縁されていればよい。これ
ら４本の電極の引出し方法は、例えば図６に示されるよ
うな形態である。電極材料には、Ａｕのほかに例えばＣ
ｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｔａ／Ａｕ／Ｔａ，Ａｌなどを用いる
ことができる。この磁界センサーは、電極５０２，５０
７から膜厚方向に電流を流し、５０８方向に磁気信号が
入るとき電極５０５，５０５の間に発生する電圧を出力
として感知する。
【００２７】図４に示したセンサー構造についても、素
子形状としては例えば上述の形を用い、材料としてもほ
ぼ同様なものを使用して構成される。この場合、電極５
０５，５０５から膜面内に電流を流し、５０８方向に磁
気信号が入るとき電極５０２と電極５０７の間に発生す
る電圧を出力として感知する構造である。
【００２８】本実施の形態の素子構造と入射電流に対す
る出力電圧との関係は、例えば図３の構造で、素子の基
体上の形状が２．０μｍ×０．５μｍであり、膜厚ｄｙ
が０．２μｍの場合、電流Ｉを膜厚方向に流すと、素子
の電流が流れる部分の面積がＳ＝（２．０μｍ×０．５
μｍ）、センサー膜の材料として例えばＲSが１０-10Ｖ
ｃｍ／ＡＧ（ボルトセンチメートル／アンペアガウス）
の材料を用いた場合、出力電圧ΔＶｈ（Ｖ）は次のよう
になる。
【００２９】ΔＶｈ＝ＲS・ｄｙ・Ｉ・Ｍ（Ｈ）／Ｓす
なわち、ある出力ΔＶｈのとき、これを得るために必要
な電流は Ｉ＝ΔＶｈ・Ｓ／ＲS・ｄｙ・Ｍ（Ｈ） 但し、磁界は、媒体記録部から約１０ｎｍ浮上した位置
の磁束密度Ｍ（Ｈ）の値１００００Ｇと仮定すると、 Ｉ＝ΔＶｈ・Ｓ・１０‐4／ＲS・ｄｙ となる。電流値は、最大でも1ｍＡしか流せないと仮定
すると、素子面積が1μｍ 2の場合、ΔＶｈは2ｍＶ以下
になる。この値は測定可能な値である。したがって、Ｒ
ｓが１０-10Ｖｃｍ／ＡＧであれば、出力として測定可
能な値となる。素子が、ＥＢリソグラフなどを用いた現
状の技術で約一桁小さくすることが可能であることか
ら、Ｒｓが１０-11Ｖｃｍ／ＡＧ以上であれば、素子出
力を得る上では妥当な値である。
【００３０】さらに、この出力電圧ΔＶｈを大きくする
方法は、（１）電流値を高くするか（２）素子サイズ
（Ｓ）を小さくする、（３）高磁化材料の適用、（４）
高ＲSの材料探索あるいは、（５）膜厚ｄｙを大きくす
ることで、２桁以上大きい値の素子を作製することが可
能である。これらの素子における出力は、素子構造が同
じ場合に、材料を変えた場合には個々のＲｓ、Ｍｓを用
いて上記に示す式によっておおよそ計算される値にな
る。
【００３１】これに対し、図４に示した素子構造、すな
わち、電流を面内に、出力端子を膜厚方向にとった場
合、膜厚ｄｙが０．２μｍかつ、ＲSが１０-10Ｖｃｍ／
ＡＧの場合、素子の電流が流れる部分の面積は０．５μ
ｍ×０．２μｍとなり、出力電圧ΔＶｈ（Ｖ）は次のよ
うになる。 ΔＶｈ＝ＲS・２．０（μｍ）・Ｉ・Ｍ（Ｈ）／Ｓ＝５
×１０-4・Ｉ
【００３２】図３の素子構造の場合と単純比較するとΔ
Ｖｈは小さくなるが、素子の膜厚を５０ｎｍとして計算
することも可能であり、この場合には、ΔＶｈは８×Ｉ
（Ｖ）で、１Ｖの出力を得るために必要な電流は１２５
ｍＡである。さらに、ＲSが１０-9Ｖｃｍ／ＡＧでは１
２．５ｍＡと一桁小さくなり、電流に対する出力値とし
ては妥当な値となる。よって、ΔＶｈは、ＲSが十分大
きいときか、あるいは、センサー膜厚がより薄く、幅が
狭い場合に大きい値をとる効果が生じるため、単位電流
に対する出力は、これらの方法によって向上する可能性
がある。従って、センサー膜の形状はできる限り薄くす
ることと、膜上面からの形状として電流パスがなるべく
長くなるような形状が有利である。具体的には、上述し
たようなサイズにおいては、ＲSは１０-10Ｖｃｍ／ＡＧ
以上であれば、センサーとして必要な条件になると考え
られる。
【００３３】面内の磁化の回転に必要な磁界は、膜の結
晶磁気異方性と、形状で調整することが可能である。軟
磁性膜では、形状による効果は、回転楕円体モデルをも
ちいて近似的に見積もることができる。特に、結晶磁気
異方性の困難軸方向に長い形状にすることで、困難軸方
向に安定点をつくることが可能である。形状として、
１：２以上の長辺／短辺比をとると、これらは顕著に変
化する。上記の異方性と、出力計算から、１：３以上の
長辺／短辺比をもつ素子では、出力および磁化の調整が
容易な膜が作製されるといえる。
【００３４】センサー膜を構成する材料としては、例え
ば、（１）Ｆｅ16Ｎ2、（２）ＭｎＡｓ−ＧａＭｎＡ
ｓ、（３）ＣｄＭｎＴｅ、（４）ＩｎＭｎＡｓ、（５）
ＺｎＯ＋（Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉの
いずれかひとつ以上）、（６）ＺｎＣｏＯ、（７）Ｃｒ
Ａｓ、（８）ＬＣＭＯ，ＬＳＭＯ等の強相関電子系材料
又は、Ｍｎを含む反強磁性体膜、グラニュラー構造をも
つ磁性体からなる膜を用いることができる。
【００３５】（１）の膜は、以下のように作製される。
超高真空蒸着装置（ＭＢＥ）中で、２００℃に昇温した
Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ（００１）単結晶基板上にアンモニ
ア２０％を含む窒素ガス中でＦｅを０．０１〜０．０２
オングストローム毎秒の速度で蒸着することで作製され
る。基板は、Ｈ2Ｏ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2ＳＯ4＝１：１：３か
らなる液に１０秒ほど浸漬し、水洗後、真空中で基板ホ
ルダー裏面温度６４０℃に加熱し、ＲＨＥＥＤにより表
面が清浄面であることを確認した。この材料は、室温で
の飽和磁化が３．０テスラ、電気抵抗が３２μΩｃｍで
あった。さらに、ファンデアパウの方式でホール効果を
測定したところ、ＲＡは温度上昇にしたがって増加し、
室温で約２×１０-11Ｖｃｍ／ＡＧの異常ホール定数と
なった。これは、純Ｆｅの３〜４倍である。同様の反応
性蒸着法を使って、３ｄ金属系の強磁性金属と窒素や炭
素、酸素を反応させた化合物を形成することができる。
例えば、鉄と窒素からなるＦｅ−Ｎマルテンサイト
（Ｎ：５−１１アトミック％）でも約１．０×１０-11
Ｖｃｍ／ＡＧとなる。
【００３６】（２）から（３）の膜は、ＭＢＥ法を用い
て超高真空中でＧａＡｓ（００１）面上に形成される。
（２）についてＧａＡｓにＭｎを５％程度ドープした化
合物膜（最大膜厚約２００ｎｍ）は、基板上に直接成長
すると磁化容易軸が膜面内であるが、ＩｎＧａＡｓなど
を含むバッファ層を挟むと垂直に容易軸を持つ膜にする
ことができる。この膜は、現状では１００Ｋ以下の低温
でのみ異常ホール抵抗が６×１０-6Ｖｃｍ／ＡＧ（４０
Ｋ）、１５０Ｋでは、これより１−２桁ほど小さい値と
なる。また、（３）はＣｄＴｅに２％程度のＭｎをドー
プしたＣｄＭｎＴｅは磁性半導体の性質を低温で示す。
【００３７】（４）から（７）までの膜はイオンビーム
法あるいはＭＢＥ法で作製することが可能である。ただ
し、これらの系の特徴的な結晶構造である閃亜鉛型構造
を形成するためにはＭＢＥ法を用いた成膜がよい。
（４）のＩｎＭｎＡｓはＩｎＡｓにＭｎをドープしたも
ので、真空中でＧａＡｓ基板上やＩｎＡｓ基板上に基板
温度５００℃〜７００℃でのスパッタリング法、イオン
ビーム法で作製する。半導体の不純物によってｐ型とｎ
型をとるが、ｐ型のものは低温で強磁性となり異常ホー
ル効果を持つ。ＲSは、１０-10Ｖｃｍ／ＡＧの範囲であ
る。（５）はワイドギャップ型の半導体といわれるＺｎ
Ｏに遷移金属をドープしたものである。第一原理による
理論計算ではＭｎをドープすると反強磁性や強磁性を示
し、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉをドープすると常磁性
となることが報告されている。ＧａＮにＭｎをドープす
るものも強磁性を示す可能性があるとされている。これ
らのうち顕著な例として、（６）ＺｎＣｏＯは室温でも
強磁性を示し、異常ホール定数を持つ。（７）のＣｒＡ
ｓはＧａＡｓ（１００）上にエピタキシャル成長し、室
温で強磁性体である。この他、ＭｎＳｂも、直径１００
ｎｍ程度のグラニュラー構造を薄膜状態で形成したもの
については室温で強磁性を示すことが確認されており、
異常ホール定数も本発明の範囲のものが得られる。
（８）は組成、温度により強磁性、反強磁性、超伝導を
取りうるものである。特に反強磁性体と強磁性体を発現
する組成付近で、スピンの揺らぎが大きく、異常ホール
効果が大きくなる領域（例えばＬａ0.7Ｃａ0.3Ｍｎ
Ｏ3、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3）が存在する。さらに、例
えば（３）の膜をＧａＡｓとＭｎＧａＡｓとの薄膜を多
層にしたものについても同様の特性を示す。
【００３８】異常ホール効果のホール定数ＲSは、近藤
理論によれば磁化の揺らぎの３乗依存性をもつため、特
にスピンの揺らぎが大きくなる状態になると異常ホール
定数自体が大きくなる。上記のほとんどの場合で、電子
のクーロン相互作用が特異的に大きくなっていたり（強
相関電子状態）、強制的にスピン間の相互作用が弱めら
れている状態になっており、異常ホール定数を大きくし
ていると考えられる。この、材料を薄膜化、微細化した
場合、電子数に関するスケーリング則が成り立たなくな
り、スピンの揺らぎが大きくなると予想される。実際、
同様にスピン揺らぎを大きくするために高温にしたとき
の異常ホール効果は図７に示すように大きくなることを
確認している。異常ホール定数は、図７に示すように、
ＲＴ（room temperature）において、温度が高くなると
上昇する場合が多い。特に、上記材料のうち、（１）
（５）（６）（７）はこのパターンを示す。それ以外の
材料は図7のピークが室温よりも低い温度にあるため、
低温での異常ホール係数値が大きいものとなる。
【００３９】［実施の形態２］図３あるいは図４の構造
を持つ２つ以上の、同形、同サイズの素子の出力端子を
直列に配し、少なくとも一つの電流導入端子の極性を他
と逆方向に流れるようにした素子を作製した。
【００４０】図８はこの一例を示すもので、図３の構造
をもつ同構造、同サイズ、同型の磁界センサーを２個配
置し、面内の出力端子（３０１）を直列に配置し、電流
端子（３０２）は膜厚のそれぞれ逆向きで直列に電流８
０２が通るように配置したセンサーの原理図である。セ
ンサー膜の材料は実施の形態１において述べたものと同
様である。また、素子の構造としてみれば電流端子の一
端が逆向きに接続されるだけであり、同一基板上に形成
する場合は容易に形成することができるので、素子の詳
細な製造工程の説明は省略する。
【００４１】この構造を持つ磁界センサーは、その設置
される状況により機能が異なると考えられる。一例で
は、測定したい磁界を擾乱する磁界が外界に存在する場
合で、一方の素子を測定したい磁界のある場所に置き、
他方の素子を測定したい磁界を擾乱する磁界が存在する
場所に置くと、擾乱する磁界による異常ホール電圧出力
成分を相殺して測定したい磁界のみを検出することので
きる磁界センサーとなる。すなわち、測定したい磁界の
ある場所に置かれた素子は、測定したい磁界に擾乱磁界
が重畳した磁界８０３を検出する。他方、測定したい磁
界を擾乱する磁界が存在する場所に置かれた素子は、擾
乱磁界８０４を検出する。その結果、磁界センサーの出
力電圧８０１は磁界８０３から擾乱磁界８０４を差し引
いた測定したい磁界の強度を指示することになる。
【００４２】この磁界センサーの使用法の一例を説明す
ると、磁気ヘッドのセンサー部に一つのセンサー膜を配
置し、センサー部分から離れた位置にもう一つのセンサ
ーを配置するような使用法である。この磁界センサー
は、例えば地磁気や再生したい磁気記録部分以外の記録
部分による平均的外場の影響を差し引いて磁界を測定し
たい場合に有効である。
【００４３】図９に、同形、同サイズの２個のセンサー
膜を用いた磁界センサーの他の構造例を示す。図９に示
した磁界センサーは、間に電極膜を挟んで積層した２枚
のセンサー膜９０３，９０３を更に一対の電極膜９０
４，９０４で挟持した構造を有する。異常ホール効果を
発生する強磁性体を含む２枚のセンサー膜９０３，９０
３の膜面方向に電流９０１を印加し、外部磁界との相互
作用によって膜厚方向に発生する異常ホール電圧９０２
を直列的に検出する。
【００４４】２枚のセンサー膜９０３，９０３を磁気デ
ィスクの記録トラック幅よりも小さい幅で配置し、この
磁界センサーを磁気ディスクの再生ヘッドとして用いる
と、出力信号を微分的に得ることができる。
【００４５】センサー膜９０３，９０３に同じ方向に電
流を流した場合について以下述べる。この磁界センサー
を磁気ディスクの再生ヘッドに適用した場合、素子の厚
さが記録部分の幅よりも小さいとき、媒体面に垂直に記
録磁化９０７がある垂直磁気記録媒体９０５を再生した
場合の出力（ホール電圧）は出力波形９０８ａに示すよ
うな場所依存性を示し、媒体面内に記録磁化がある面内
磁気記録媒体９０６を再生した場合には出力波形９０８
ｂに示すような場所依存性を示す。電流９０１の方向を
逆に取ると、垂直磁気記録媒体９０５に対する出力は波
形９０８ｂに示した場所依存性となり、面内磁気記録媒
体９０６に対する出力は波形９０８ａに示した場所依存
性となる。このように本実施形態の磁界センサーは、面
内記録媒体に対しても、垂直記録媒体に対しても、再生
ヘッドとして使用することが可能である。
【００４６】［実施の形態３］本発明の磁界センサーを
磁気ヘッドに応用した場合の例について説明する。磁界
センサーに用いる異常ホール効果を発生する磁性体を含
む膜は、例えば図６に示すような膜構造をもち、例えば
実施の形態１にて提示した構造をもつ。膜厚はヘッド応
用と実用的出力のために、膜厚１ｎｍから１００ｎｍの
適当な膜厚とした。本実施例の場合、膜厚１５ｎｍの膜
を用いた。
【００４７】これらの磁界センサーを用いた磁気ヘッド
構造は、インギャップタイプとよばれるセンサーがシー
ルド間に挟まれた構造が、媒体対向面に露出した形状の
ヘッド構造であっても、ヨーク構造と呼ばれるセンサー
が露出せず、例えばアルファベットのＣ文字型形状の軟
磁性体からなるヨークの奥にセンサーを配置したヘッド
構造でも、（１）電極をシールドと兼用したもの、
（２）電極とシールドとを分離したものに大別され、さ
らに、それぞれについて、（Ａ）磁区制御のある構造、
（Ｂ）磁区制御無しの構造が考えられる。
【００４８】図１０に、上記の（１）電極をシールドと
兼用したインギャップ形状の素子の媒体対向面の模式図
を示す。膜形成後に感磁部となる場所（例えば下部シー
ルド兼電極膜面１００１上）にリフトオフ材料を塗布
し、形成した後、イオンミリング法などの方法でこれら
のセンサー膜（異常ホール効果発生する強磁性体を含む
膜）１００５をエッチングする。エッチング後に絶縁膜
１００２／電極膜１００６／絶縁膜１００７を膜形成
し、リフトオフマスクを除去する。
【００４９】このほか、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔＺ
ｒＯ2などによってなる磁区制御膜１００３を絶縁膜１
００２と電極膜１００６の間か、絶縁膜１００４の下あ
るいは上につけると、よりセンサー膜の磁区挙動による
ノイズを防ぐことができるため、磁界測定精度を高める
ことができる。ここでＣｒやＴａなどの適当な下地上に
磁区制御膜１００３を形成すると磁区制御膜の特性に関
し有効である場合があった。この後、磁区制御膜、セン
サー部の素子高さ方向のパターンを形成し、周囲の部分
をイオンミリングで除去し、この上に保護絶縁膜１００
７として例えばＡｌ2Ｏ3とＳｉＯ2の混合膜を１００ｎ
ｍ形成し、上部シールド膜兼電極膜１００８を形成す
る。
【００５０】図１１に、上記（２）の電極とシールドを
分離したインギャップ形状の素子の媒体対向面の模式図
を示す。この場合、例えば下部シールド１１０１を形成
後、リフトオフパターンで周囲を掘り込み、そこに磁区
制御膜１１０３を形成し、ＣＭＰで平坦化した上にギャ
ップ絶縁膜１１０４を形成し、電極膜１１０５、センサ
ー膜１１０６を形成し、素子形状に加工して、周囲に絶
縁膜１１０７を形成し、素子部分にリフトオフパターン
を形成して、このうえに横からの電極膜１１０８、絶縁
膜１１０９を形成し、リフトオフパターンを剥離した後
に上部電極１１１１、絶縁膜１１０９（上部ギャップ膜
１１１０）上部シールド１１１２形成という手順で作製
することができる。１１０２は絶縁膜である。
【００５１】図１２は、代表的なヨーク構造と、磁区制
御膜を模式的に表した立体図である。１２０８の矢印は
素子の各方向を示し、１２０９はトラック幅方向、１２
１０は膜厚方向、１２１１は素子高さ方向を示す。
【００５２】図示の構造は、媒体に対向した面に磁気セ
ンサー膜１２０５が露出しない構造をとっている。ここ
で、図に示すＮｉ81Ｆｅ19からなる下部磁気シールド１
２０３と上部磁気シールド１２０７に挟まれたギャップ
に、同様の軟磁性材料からなるヨーク膜が挟まれた構造
を作製した。ヨーク膜は、図１２では上部ヨーク１２０
６と下部ヨーク１２０２が接合したＣリング形状になっ
ている。このほかにも、下部ヨークを先端で絞った形式
や、厚膜にした形式、ヨークが磁界センサー下で不連続
になっている構造がある。図中、磁区制御膜として１２
０１が示されている。これによって、少なくとも下部の
ヨーク１２０２と磁気センサー膜１２０５は磁区制御さ
れ、かつ、周囲の分流は無い。この磁区制御膜１２０１
の構造としては、上下ヨーク膜と磁気センサー膜を同時
に磁区制御する形式と、それぞれを磁区制御する構造の
いずれでも分流の無い、良好な磁区制御が可能である。
【００５３】図１２にはヨーク構造の磁区制御膜の位置
を簡略に示したが、実際には、図１０あるいは図１１の
ような構造に作製される。また、図１３あるいは図１４
に示すように、磁気センサー膜にセンスされる磁束の量
を増すために、ヨークのセンサー膜に接する部分を不連
続にした構造でも、磁区制御膜の材料を高抵抗膜にする
ことによって、磁区制御膜を形成する事が可能である。
これらの磁界センサーは、半導体をセンサー膜として使
用した場合に比べて、センサー膜の透磁率が１０００倍
程度になるために、媒体からの磁界を効率良く活用する
ことが可能である。
【００５４】本構造ではセンスする磁界はセンサー膜の
面内方向に印加される成分であることから、垂直磁気記
録されたものであれば、記録の漏洩磁界、また、面内記
録されたものでは記録端部の漏洩磁束をセンスする構造
を作ることができる。
【００５５】本実施の形態では上記記載の磁気センサー
膜を用い、再生シールド間隔（ギャップ間距離）が８０
ｎｍ以下でも磁気抵抗変化膜と磁区制御膜の導通による
再生特性の劣化は認められなかった。
【００５６】［実施の形態４］図１５は、本発明による
磁気ヘッドを用いた磁気デイスク装置の一例を示す模式
図である。この磁気デイスク装置は、同心円状のトラッ
クとよばれる記録領域にデータを記録するための、デイ
スク状に形成された磁気記録媒体としての磁気デイスク
１５０１と、磁気トランスデユーサーからなり、上記デ
ータの読み取り、書き込みを実施するための本発明によ
る磁気ヘッド１５０６と、磁気ヘッド１５０６を支え磁
気デイスク１５０１上の所定位置へ移動させるアクチュ
エーター手段１５１１と、磁気ヘッドが読み取り、書き
込みするデータの送受信及びアクチェータ手段の移動な
どを制御する制御手段１５０５とを備える。少なくとも
一枚の回転可能な磁気デイスク１５０１は回転軸１５０
２によって支持され、駆動用モーター１５０３によって
回転させられる。少なくとも一個のスライダー１５０９
が磁気デイスク１５０１上に設置され、スライダー１５
０９は本発明による磁界センサー１５１０を支持してい
る。
【００５７】磁気デイスク１５０１が回転すると同時
に、スライダー１５０９がディスク表面を移動すること
によって、目的とするデータが記録されている所定位置
へアクセスされる。スライダー１５０９は、ジンバル１
５０７によってアーム１５０８にとりつけられる。ジン
バル１５０７はわずかな弾力性を有し、スライダー１５
０９を磁気デイスク１５０１に密着させる。アーム１５
０８はアクチュエーター１５１１に取り付けられる。
【００５８】アクチュエーター１５１１としてはボイス
コイルモーター（以下、ＶＣＭという）を用いる。ＶＣ
Ｍは固定された磁界中に置かれた移動可能なコイルから
なり、コイルの移動方向及び移動速度等は、制御手段１
５０５からライン１５０４を介して与えられる電気信号
によって制御される。したがって、本実施例によるアク
チュエーター手段は、例えば、スライダー１５０９とジ
ンバル１５０７とアーム１５０８とアクチュエーター１
５１１とライン１５０４を含み構成されるものである。
【００５９】磁気デイスクの動作中、磁気デイスク１５
０１の回転によってスライダー１５０９とデイスク表面
の間に空気流によるエアベアリングが生じ、それがスラ
イダー１５０９を磁気デイスク１５０１の表面から浮上
させる。したがって、磁気デイスク装置の動作中、本エ
アベアリングはジンバル１５０７のわずかな弾性力とバ
ランスをとり、スライダー１５０９は磁気デイスク表面
にふれずに、かつ磁気デイスク１５０１と一定間隔を保
って浮上するように維持される。
【００６０】通常、制御手段１５０５はロジック回路、
メモリ、及びマイクロプロセッサなどから構成される。
そして、制御手段１５０５は、各ラインを介して制御信
号を送受信し、かつ磁気デイスク装置の種々の構成手段
を制御する。例えば、モーター１５０３はライン１５０
４を介し伝達されるモーター駆動信号によって制御され
る。アクチュエーター１５１１はライン１５０４を介し
たヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって、
その関連する磁気デイスク１５０１上の目的とするデー
タートラックへ選択されたスライダー１５０９を最適に
移動、位置決めするように制御される。
【００６１】そして、データ再生／復号系１５１２は、
磁気ヘッド１５０６が磁気デイスク１５０１のデータを
読み取り変換した電気信号を、ライン１５０４を介して
受信し解読する。また、磁気デイスク１５０１にデータ
として書き込むための電気信号を、ライン１５０４を介
して磁気ヘッド１５０６に送信する。すなわち、データ
再生／復号系１５１２は、磁気ヘッド１５０６が読み取
り又は書き込みする情報の送受信を制御している。ま
た、制御信号として例えばアクセス制御信号及びクロッ
ク信号などがある。さらに、磁気デイスク装置は複数の
磁気デイスクやアクチュエーター等を有し、アクチュエ
ーターが複数の磁気ヘッドを有してもよい。このような
複数の機構を兼ね備えることによって、いわゆるデイス
クアレイ装置を形成することが可能である。
【００６２】［実施の形態５］図１６は、本発明の磁界
センサーを用いたＭＲＡＭ構造の磁気記憶素子の一例を
示す模式図である。図示したＭＲＡＭ構造は、情報を記
録する磁界センサー１６０６と、磁界センサーに接続し
素子に電流を流す線１６０９と、センサー膜と接続し、
該１６０９からの電流に対し、略平行な方向に端子を持
って、出力電圧信号を伝えるビット線１６０７と、セン
サー膜１６０６を挟んでビット線１６０７と対向した位
置の、センサー膜１６０６から離れた位置にあって、か
つ、ビット線に直交し、センサー膜に記録動作を行うワ
ード線１６０５と、記録信号を増幅する増幅系１６０
１、１６０２、１６０３、１６０４、１６１０と、読み
出し、書き込みのスイッチをおこなう読み出しワード線
１６１１を備えたセルが、複数個並列している構造を持
つ。この磁気記憶素子は、磁界センサー１６０６を構成
する膜として、発明の実施の形態１に示すような異常ホ
ール効果をもつ磁性体を含む磁界センサーを適用したも
のである。
【００６３】はじめに、ＭＲＡＭの動作原理を示すた
め、センサー膜にＭＲ膜を用いた場合の一例を図１７に
示す。磁界センサー膜の磁化ベクトルを駆動するために
必要な駆動線として、銅線からなる互いに直交した配線
を設ける。これを、それぞれワード線１７０５、ビット
線１７０７と称する。一般的には、磁界センサー膜１７
０６の磁化容易軸と平行に配置されている線をワード
線、そして、ワード線と直交する線をビット線と定義す
る。このとき膜中の磁化ベクトルは磁化容易軸に平行に
（１）か（０）の抵抗値の異なる状態をとる。この抵抗
の異なる状態は、通常のＭＲＡＭでは、（Ａ）膜面内の
一方向と、膜厚方向が磁化容易軸になるような構造を持
ち、電流と磁界の方向との関係が平行と直交になるよう
な構造か、あるいは、（Ｂ）センサー膜がＧＭＲのＳＶ
膜のような二枚の磁性膜からなり、両者の磁化方向が平
行状態と直交状態をとりうるような構造で実現される。
ワード線およびビット線は、電流が流れることで周囲に
磁界が発生し、ワード線とビット線に挟まれたセンサー
膜に作用する磁界を発生する。ワード線にパルス電流を
流すときその立ち上がり時をタイミングとして情報を信
号として取り出す。また、パルスの立下り時を契機にビ
ット線を流して書き込みを行うものである。ワード線の
電流は、センサー膜における作用磁界が薄膜の異方性磁
界を超える電流で、ビット線の電流は磁性センサー膜の
保磁力の１／２を越える程度の磁界を発生させるために
必要な電流である。
【００６４】ここで、ワード線に必要な電流を流し、そ
の線の下にあるすべてのセンサー膜に磁界を印加する。
このときセンサ膜の磁界は面内の磁化困難軸方向を向く
ことになる。このとき磁化の状態が平行（１）の状態か
ら回転したか、直交（０）の状態から回転したかで各ビ
ット線にはそれぞれ異なった極性のパルス電圧が誘導さ
れる。これが、読み出し電圧となる。また、記録時はワ
ード線のパルス電流の立下りとタイミングをあわせてビ
ット線にパルス電流を流し、磁化が困難軸を向いた状態
で、ビット線からの磁界で磁化の向きを決定し（１）や
（０）の状態を記録する。
【００６５】ここで図１６に戻り、ＣＭＯＳ用半導体基
板１６０１として、ＧａＡｓ基板を用い、この上にｐ
型、ｎ型となる不純物をドープし、さらに両ドープ領域
に挟まれた部分に電極（ゲート膜）１６１０を設けてト
ランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）を形成する。このト
ランジスタを形成するドレイン側を１６０２、ソース側
を１６０３とした。このトランジスタのスイッチ動作に
より、ワード線やビット線に流れるパルス電流の動作が
決定する。
【００６６】ここで、このセンサー膜に本発明による異
常ホール素子膜を適用し、膜面内に電流が流れるように
電極を配置し、センサー膜の磁化容易軸が面内で９０°
離れた位置にあり、磁化が電流に対して平行と直交の状
態をとりうるため、ＭＲＡＭ的挙動を示す。ただし、困
難軸との磁気異方性を調整するため、素子形状を例え
ば、困難軸方向に異方的に伸ばす等することが必要な場
合もある。
【００６７】そうすると、電流は膜面垂直方向に流れる
か、あるいは膜面の一方向に流れるので、同様の磁界セ
ンサーとして使用できる。また、磁界センサー素子の大
きさは一辺が０．２〜０．２５μｍである。ＩＢＭによ
るＴＭＲをセンサー膜に用いた構造では、消費電力５ｍ
Ｗ（読み出し）、４０ｍＷ（書き込み）、書き込み時間
が１０ｎｓ、読み出し時間が１０ｎｓ程度で、セル面積
が４９Ｆ2のセンサが作成されているが、異常ホール効
果膜をこの構造に適用すれば、速度等は同程度で、さら
にセンサー膜の抵抗値を低減できるため、消費電力が低
く押さえられる可能性がある。このセンサー膜の磁化方
向を回転させる時に、磁区が発生すると、磁界に対する
抵抗値が変動し、Ｓ／Ｎが低下するために、記憶が読み
出せなくなる。これを制御性良く行うためには磁区制御
膜を必要とする。この磁区制御膜を１６０６の磁界セン
サーの両端に位置することにより、磁区制御膜への分流
損失無しに磁区制御することが可能である。
【００６８】
【発明の効果】本発明によると、異常ホール効果を磁界
センサー、磁気ヘッド、記憶素子のセンサー部、磁気記
録再生装置として利用することができ、素子サイズが小
さい場合でも高い出力が期待できる。異常ホール効果自
体が素子が小さくなったときに出力増大する傾向があ
り、高密度記録に対応する上で有効である。また、本発
明の磁界センサーは、媒体の記録方式によらずヘッドと
して活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な半導体のホール電圧の磁界依存性を、
異常ホール効果の場合と併せて示した図。
【図２】従来のホール効果を用いた薄膜磁界センサーの
電流、磁界、出力の関係を示す構造図。
【図３】本発明による異常ホール効果を用いた薄膜磁界
センサーの電流、磁界、出力の関係の一例を示す構造
図。
【図４】本発明による異常ホール効果を用いた薄膜磁界
センサーの電流、磁界、出力の関係の他の例を示す構造
図。
【図５】本発明による磁界センサーの一例を媒体対向面
側から見た断面模式。
【図６】本発明による磁界センサーの一例を膜面上方か
らみた図。
【図７】異常ホール効果の温度依存性を示す図。
【図８】本発明による異常ホール効果を用いた薄膜磁界
センサーの他の例の電流、磁界、出力の関係を示す構造
図。
【図９】本発明による再生ヘッドの他の例の構造図、及
び媒体の磁気記録状態とＶｈの場所依存性を示した図。
【図１０】本発明によるインギャップ型の異常ホール効
果を用いた磁気ヘッドの構造例を示す媒体対向面側の構
造図（電極とシールドが兼用の場合）。
【図１１】本発明によるインギャップ型の異常ホール効
果を用いた磁気ヘッドの構造例を示す媒体対向面側の構
造図（電極とシールドが別の場合）。
【図１２】ヨーク構造の例を示す図。
【図１３】ヨークと磁界センサーとの位置関係の一例を
示す図。
【図１４】ヨークと磁界センサーとの位置関係の他の例
を示す図。
【図１５】磁気記録再生装置の構造と動作の模式図。
【図１６】本発明による磁気センサーを用いたＭＲＡＭ
の構造の模式図。
【図１７】センサー膜にＭＲ膜を用いたＭＲＡＭの模式
図。
【符号の説明】
１０１：（正常）ホール効果、１０２：異常ホール効
果、２０１：電流印加方向、２０２：磁場印加方向、２
０３：ホール電圧、２０４：半導体膜、３０１：異常ホ
ール電圧、３０２：電流印加方向、３０３：磁場印加方
向、３０４：電極、３０５：センサー膜、３０６：電
極、４０１：電流印加方向、４０２：異常ホール電圧、
４０３：磁場印加方向、４０４：電極、４０５：センサ
ー膜、４０６：電極、５０１：基体、５０２：電極、５
０３：センサー膜、５０４：絶縁体、５０５：電極、５
０６：絶縁体、５０７：上部電極、５０８：磁界印加方
向、８０１：異常ホール電圧、８０２：電流印加方向、
８０３：磁界印加方向、８０４：磁界印加方向、９０
１：電流印加方向、９０２：異常ホール電圧、９０３：
センサー膜（異常ホール効果発生する強磁性体を含む
膜）、９０４：電極、９０５：磁気記録媒体（垂直記
録）、９０６：磁気記録媒体（面内記録）、９０７：磁
化の方向、９０８ａ，９０８ｂ：ホール電圧（出力）、
１００１：下部シールド兼電極膜、１００２：絶縁膜、
１００３：磁区制御膜、１００４：絶縁膜、１００５：
センサー膜、１００６：電極膜、１００７：絶縁膜、１
００８：上部シールド兼電極膜、１１０１：下部シール
ド、１１０２：絶縁膜、１１０３：磁区制御膜、１１０
４：絶縁膜（ギャップ膜）、１１０５：下部電極膜、１
１０６：センサー膜（異常ホール効果発生する強磁性体
を含む膜）、１１０７：絶縁体、１１０８：電極膜、１
１０９：絶縁膜、１１１０：絶縁膜（上部ギャップ
膜）、１１１１：電極膜、１１１２：上部シールド膜、
１２０１：磁区制御膜、１２０２：下部磁気ヨーク、１
２０３：下部磁気シールド、１２０５：磁気抵抗センサ
ー膜、１２０６：上部磁気ヨーク、１２０７：上部磁気
シールド、１５０１：磁気デイスク、１５０２：回転
軸、１５０３：モーター、１５０４：ライン、１５０
５：制御手段、１５０６：磁気ヘッド、１５０７：ジン
バル、１５０８：アーム、１５０９：スライダー、１５
１０：磁界センサー、１５１１：アクチュエーター、１
５１２：制御手段、１６０１：ＣＭＯＳ用半導体基板、
１６０２：ドレイン膜、１６０３ソース膜、１６０４：
ゲート膜、１６０５：ワード線、１６０６：磁界センサ
ー（異常ホール効果）膜、１６０７：ビット線、１６０
８：導電部、１６０９：電流印加線、１６１０：ゲート
制御電圧印加用電極、１６１１：読み出しワード線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 43/10 43/04 27/10 ４４７ 43/10 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｈ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に
    形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜
    上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向
    で互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３
    及び第４の電極とを備えることを特徴とする磁界センサ
    ー。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の磁界センサーにおいて、
    前記磁性膜は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガンから
    選択された少なくとも１種類の元素を含有する強磁性体
    膜あるいは反強磁性膜であることを特徴とする磁界セン
    サー。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の磁界センサーにおいて、
    前記磁性膜は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、バ
    ナジウム、クロムから選択された少なくとも１種類の元
    素と、ガリウム、砒素、インジウム、アンチモン、シリ
    コン、ゲルマニウム、テルル、酸化亜鉛、チタン酸化物
    から選択された少なくとも一つを含有する閃亜鉛構造を
    もつ半導体材料との化合物からなる強磁性体膜あるいは
    反強磁性膜でることを特徴とする磁界センサー。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の磁界センサーにおいて、
    前記磁性膜は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、バ
    ナジウム、クロムから選択された少なくとも１種類の元
    素と、ガリウム、砒素、インジウム、アンチモン、シリ
    コン、ゲルマニウム、テルル、酸化亜鉛、酸化チタンの
    少なくとも一つを含有する半導体材料とを積層すること
    で作製した強磁性体膜あるいは反強磁性膜であることを
    特徴とする磁界センサー。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の磁界センサーにおいて、
    前記磁性膜は、ランタン、ストロンチウム、カルシウ
    ム、マンガン、ホウ素、銅、酸素から選択された３種類
    以上の元素を含有するペロブスカイト構造を持つ強磁性
    体膜あるいは反強磁性膜であることを特徴とする磁界セ
    ンサー。
  6. 【請求項６】 第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に
    形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜
    上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向
    に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３
    及び第４の電極とを備え、 前記第１の電極と第２の電極の間に電流を流し、前記第
    ３の電極と第４の電極の間に発生する電圧を検出するこ
    とを特徴とする磁界センサー。
  7. 【請求項７】 第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に
    形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜
    上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向
    に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３
    及び第４の電極とを備え、 前記第３の電極と第４の電極の間に電流を流し、前記第
    １の電極と第２の電極の間に発生する電圧を検出するこ
    とを特徴とする磁界センサー。
  8. 【請求項８】 第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に
    形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜
    上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向
    に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３
    及び第４の電極とを備え、前記第１の電極と第２の電極
    の間に電流を流し、前記第３の電極と第４の電極の間に
    発生する電圧を検出する素子を複数含み、 各素子の電圧を検出する電極が直列に接続され、少なく
    とも１つの素子の電流が他の素子と逆方向に流れるよう
    に各電極が接続されていることを特徴とする磁界センサ
    ー。
  9. 【請求項９】 第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に
    形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記磁性膜
    上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜面方向
    に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続された第３
    及び第４の電極とを備え、前記第３の電極と第４の電極
    の間に電流を流し、前記第１の電極と第２の電極の間に
    発生する電圧を検出する素子を複数含み、 各素子の電圧を検出する電極が直列に接続され、少なく
    とも１つの素子の電流が他の素子と逆方向に流れるよう
    に各電極が接続されていることを特徴とする磁界センサ
    ー。
  10. 【請求項１０】 下部磁気シールドと上部磁気シールド
    からなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シール
    ド間に配置された磁界センサーとを含む磁気ヘッドにお
    いて、 前記磁界センサーとして請求項１〜７のいずれか１項記
    載の磁界センサーを用いたことを特徴とする磁気ヘッ
    ド。
  11. 【請求項１１】 下部磁気シールドと上部磁気シールド
    からなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シール
    ド間に配置された磁界センサーとを含む磁気ヘッドにお
    いて、 前記磁界センサーは、第１の電極膜と、前記第１の電極
    膜上に形成された異常ホール効果を示す第１の磁性膜
    と、前記第１の磁性膜上に形成された第２の電極膜と、
    前記第２の電極膜上に形成された異常ホール効果を示す
    第２の磁性膜と、前記第２の磁性膜上に形成された第３
    の電極膜とを備え、前記第１の磁性膜と第２の磁性膜に
    媒体対向面に略平行な方向の電流を流し、前記第１の電
    極膜と第３の電極膜の間に発生する電圧を検出すること
    を特徴とする磁気ヘッド。
  12. 【請求項１２】 下部磁気シールドと上部磁気シールド
    からなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シール
    ド間に配置された磁界センサーとを含む磁気ヘッドにお
    いて、 前記磁界センサーは、第１の電極膜と、前記第１の電極
    膜上に形成された異常ホール効果を示す第１の磁性膜
    と、前記第１の磁性膜上に形成された第２の電極膜と、
    前記第２の電極膜上に形成された異常ホール効果を示す
    第２の磁性膜と、前記第２の磁性膜上に形成された第３
    の電極膜とを備え、前記第１の電極膜と第３の電極膜の
    間に電流を印加し、前記第１の磁性膜と第２の磁性膜に
    発生する媒体対向面に略平行な方向の電圧を合成して検
    出することを特徴とする磁気ヘッド。
  13. 【請求項１３】 下部磁気シールドと上部磁気シールド
    からなる一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シール
    ド間に配置され媒体対向面に露出した位置から素子高さ
    方向に伸び磁界を内部に導く磁気ヨーク膜と、磁界セン
    サーとを含む磁気ヘッドにおいて、 前記磁気センサーは、第１の電極膜と、前記第１の電極
    膜上に形成された異常ホール効果を示す磁性膜と、前記
    磁性膜上に形成された第２の電極膜と、前記磁性膜の膜
    面方向に互いに離間した２つの領域にそれぞれ接続され
    た第３及び第４の電極とを備え、前記磁気ヨーク膜の媒
    体対向面より後退した位置で前記磁気ヨーク膜の切断部
    に配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
  14. 【請求項１４】 請求項１１，１２又は１３記載の磁気
    ヘッドにおいて、前記磁界センサーは、媒体面に平行な
    方向の長さが媒体面に垂直な方向の長さより長いことを
    特徴とする磁気ヘッド。
  15. 【請求項１５】 情報を記録する磁界センサー膜と、前
    記磁界センサー膜に接続したビット線と、前記磁界セン
    サー膜から離れた位置にあって前記磁界センサー膜を挟
    んで前記ビット線と対向し、かつ、前記ビット線に直交
    し、前記磁界センサー膜に対して記録動作を行うワード
    線と、記録信号を増幅する増幅系と、読み出し書き込み
    のスイッチを行う読み出しワード線とを備えたセルが複
    数個並列している構造を持つ磁気記憶素子において、 前記磁界センサーが異常ホール効果を示す強磁性膜を含
    む請求項１〜９のいずれか１項記載の磁界センサである
    ことを特徴とする磁気記憶素子。
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