JP2010020826A - 磁気センサー - Google Patents

Abstract

【課題】磁化自由層へスピン流を注入し易くすることにより、出力効率を向上させることが可能な磁気センサーを提供することを目的とする。
【解決手段】磁気センサー１００ａにおいて、非磁性導電層５と、非磁性導電層５の第一の部分上に設けられた磁化自由層６と、非磁性導電層５の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層７と、非磁性導電層５及び磁化自由層６を間に挟んで対向する上部第一磁気シールド層１１及び下部第一磁気シールド層１と、非磁性導電層５及び磁化固定層７を間に挟んで対向する上部第二磁気シールド層１２及び下部第二磁気シールド層２と、下部第二磁気シールド層２と非磁性導電層５との間に設けられた第一電気絶縁層２１と、下部第二磁気シールド層２と非磁性導電層５とを電気的に接続する第一電極層４と、を備え、非磁性導電層５を間に介して、磁化固定層７と第一電極層４とが互いに対向していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサーに関するものである。

従来より、薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる磁気センサーとして、磁気抵抗（MR: Magneto Resistive）素子が知られている。一般的にＭＲ素子では、磁化固定層と磁化自由層との間に電流を流すため、高出力が得られる。しかしながら、ＭＲ素子では、電流が与えるスピントルクによる磁壁の移動などに起因する、磁気センサーとして不必要な信号が得られてしまう。

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面（スピンを蓄積するための非磁性導電層）上に形成するスピン蓄積型（SA: Spin Accumulation）磁気センサーが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。例えば、薄膜磁気記録再生ヘッドにスピン蓄積型磁気センサーを用いた場合、磁気記録媒体などの外部磁場を感知する磁化自由層には、電流を流す必要がない。すなわち、スピン蓄積型磁気センサーでは、スピン電流のみを利用して、磁気状態を出力電圧として検出することが可能である。従って、ＭＲ素子で観測されてしまう不必要な信号が、スピン蓄積型磁気センサーでは観測される恐れは少ない。

特開２００７−２９９４６７号公報 特許第４０２９７７２号公報

図５に、従来のスピン蓄積型磁気センサーの一例を示す。図５に示す従来のスピン蓄積型磁気センサー５０では、非磁性導電層５上に磁化自由層６及び磁化固定層７が設けられており、磁化固定層７上に反強磁性層８及び第二電極層９がこの順に設けられている。また、第二電極層９は電気絶縁層１３に挟まれており、上部第一磁気シールド層１１及び下部第一磁気シールド層１が非磁性導電層５及び磁化自由層６を間に挟んで対向して設けられている。さらに、上部第二磁気シールド層１２が第二電極層９上に設けられており、電気絶縁層３及び第一電極層４が下部第一磁気シールド層１と非磁性導電層５との間に設けられている。

図５に示すように、従来のスピン蓄積型磁気センサー５０では、磁化固定層７が設けられている位置を基準として、磁化自由層６が設けられている位置とは反対側に、第一電極層４が下部第一磁気シールド層１上に設けられている。すなわち、第一電極層４は、非磁性導電層５を介して磁化固定層７から離れた位置に設けられている。

図６に、図５の領域６０の拡大図を示す。従来のスピン蓄積型磁気センサーでは、磁化固定層７から第一電極層４へ検出用電流Ｉを印加することによって、非磁性導電層５における磁化固定層７と対向する領域のうち、磁化自由層６側とは反対側の第一電極層４側の領域Ａに、最も多くスピンＳｐが注入されることとなる。したがって、磁化自由層６側へスピンＳｐが拡散しにくく、その結果、磁気センサーの出力効率が悪いといった問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化自由層へスピン流を注入し易くすることにより、出力効率を向上させることが可能な磁気センサー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、本発明の磁気センサーは、非磁性導電層と、非磁性導電層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、非磁性導電層の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層と、非磁性導電層及び磁化自由層を間に挟んで対向する上部第一磁気シールド層及び下部第一磁気シールド層と、非磁性導電層及び磁化固定層を間に挟んで対向する上部第二磁気シールド層及び下部第二磁気シールド層と、下部第二磁気シールド層と非磁性導電層との間に設けられた第一電気絶縁層と、下部第二磁気シールド層と非磁性導電層とを電気的に接続する第一電極層と、を備え、非磁性導電層を間に介して、磁化固定層と第一電極層とが互いに対向していることを特徴とする。

これにより、磁化固定層から非磁性導電層を介して第一電極層へ電流を流すと、非磁性導電層における磁化固定層と第一電極層とが対向している領域にスピン流が多く注入され易くなる。その結果、従来の磁気センサーに比べて、非磁性導電層における磁化自由層に近い位置に多くのスピンを注入することができるため、注入されたスピンの拡散距離が短くなる。従って、スピンが磁化自由層側へ拡散し易くなるので、従来の磁気センサーよりも出力効率を向上することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、第一電極層は、磁化固定層のうちの磁化自由層側の部分と対向していることが好ましい。

これにより、磁化固定層から非磁性導電層を介して第一電極層へ電流を流すと、非磁性導電層における磁化固定層と第一電極層とが対向している領域の中でも特に磁化自由層側の部分にスピン流が多く注入され易くなる。その結果、磁化自由層側へスピン流がより一層拡散し易くなるので、従来の磁気センサーよりも出力効率をより効果的に向上することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性導電層及び第一電極層は同一の材料から形成されており、非磁性導電層の厚みと第一電極層の厚みとの和が、磁化固定層から磁化自由層までの距離よりも大きいことが好ましい。

これにより、スピン流が、第一電極層に流出されにくくなる一方、磁化自由層側へ注入され易くなり、その結果、磁気センサーの出力効率をより一層効果的に向上することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、下部第一磁気シールド層は下部第二磁気シールド層よりも非磁性導電層に近く配置されていることが好ましい。

これにより、磁化自由層を挟む上部磁気シールド層及び下部第一磁気シールド層間のギャップを小さくでき、磁気センサーの分解能を向上することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、下部第一磁気シールド層と下部第二磁気シールド層とは接触しており、下部第一磁気シールド層と非磁性導電層との間に第二電気絶縁層を更に備えていることが好ましい。

これにより、下部第一磁気シールド層と下部第二磁気シールド層とを一体に形成することができるため、製造が容易となる。また、第二電気絶縁層が下部第一磁気シールド層と非磁性導電層との間に設けられていることにより、非磁性導電層から下部第一磁気シールド層へスピン流が流失することを抑制することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、下部第一磁気シールド層と下部第二磁気シールド層とは互いに独立して設けられていることが好ましい。

これにより、下部第一磁気シールド層を磁化自由層と非磁性導電層との界面で生じる電圧測定用の電極として使用し、かつ、下部第二磁気シールド層を非磁性導電層へのスピン注入のための電極として使用することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石を更に備えることが好ましい。

これにより、磁化自由層の磁気異方性が制御されるため、磁化自由層の磁区構造が単一化されて安定化し、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層の磁化方向は、磁化固定層上に設けられた反強磁性層、及び磁化固定層の形状異方性のうち少なくとも一つによって固定されることが好ましい。

磁化固定層の磁化の向きを、磁化固定層上に反強磁性層を設けることや、磁化固定層の形状異方性によって固定することで、磁化固定層の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが容易となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層の保磁力は、磁化自由層の保磁力よりも大きいことが好ましい。

これにより、磁気センサーにおける磁化固定層及び磁化自由層を好適に実現することが可能である。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化自由層は、非磁性導電層の磁束が進入する側に配置され、磁化固定層は、非磁性導電層の磁束が進入する側の反対側に配置されていることが好ましい。

これにより、磁化固定層側とは反対側に配置した磁化自由層側を磁気記録媒体側に近接して設置することで、記録媒体の磁気情報を検出して磁気情報の再生を行うことが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化自由層は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金であることが好ましい。

これらの材料は軟磁性材料であるため、磁気センサーにおける磁化自由層を好適に実現することが可能である。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金であることが好ましい。

これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁気センサーにおける磁化固定層を好適に実現することが可能である。

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性導電層は、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ及びＣｕからなる群から選択される一種以上の元素を含む材料であることが好ましい。

これらの材料はスピン拡散長が長く、且つ導電率が比較的小さいため、スピン蓄積層を好適に実現することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性導電層は、Ｓｉ又はＺｎＯを含む半導体化合物であることも好ましい。

これらの半導体化合物はスピン拡散長が更に長いため、スピン蓄積層としてより好適であり、なおかつ上記金属や上記合金を用いた非磁性導電層よりも、出力を高くすることが可能となる。

本発明によれば、スピン流を磁化自由層側へ注入し易くすることにより、出力効率を向上することが可能な磁気センサーを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る磁気センサーの一例として、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを説明する。

図１に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを示す部分断面図を示す。

薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（Air Bearing Surface：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体２０の記録面２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。

磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図中Ｙ方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。

薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体２０から記録を読み取る磁気センサー１００ａ及び磁気記録媒体２０への記録を行う磁気記録部１００ｂを備える。磁気センサー１００ａ及び磁気記録部１００ｂは、基板ＳＢ上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。

図１に示すように、磁気センサー１００ａの上に磁気記録部１００ｂが設けられている。磁気記録部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが、磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。

磁気センサー１００ａは、電子のスピンを蓄積する非磁性導電層５と、非磁性導電層５の第一の部分上に設けられた磁化自由層６と、非磁性導電層５の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層７と、非磁性導電層５及び磁化自由層６を間に挟んで対向する上部第一磁気シールド層１１及び下部第一磁気シールド層１と、非磁性導電層５及び磁化固定層７を間に挟んで対向する上部第二磁気シールド層１２及び下部第二磁気シールド層２と、下部第二磁気シールド層２と非磁性導電層５との間に設けられた第一電気絶縁層２１と、下部第二磁気シールド層２と非磁性導電層５とを電気的に接続する第一電極層４とを主として備えている。

非磁性導電層５は、スピン注入によりスピンが蓄積される層であり、第一電極層４、第一電気絶縁層２１及び第二電気絶縁層２２により形成される平面上に設けられている。非磁性導電層５の材料は非強磁性導電材料を用いる。非磁性導電層５の材料として、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料が選択されることが好ましい。

例えば、非磁性導電層５の材料として、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕからなる群から選択される１つ以上の元素を含む材料が挙げられる。具体的には、Ｃｕ、Ａｌが挙げられる。また、非磁性導電層５として、Ｓｉ、ＺｎＯ、又はＧａＡｓ等の半導体化合物も挙げられる。これらの半導体化合物はスピン拡散長が更に長く、導電率が比較的小さいため、これらの半導体化合物を用いた非磁性導電層５はスピン蓄積層としてより好適であり、なおかつ上記金属や合金を用いた非磁性導電層５よりも、出力を高くすることも可能である。

磁化自由層６は、外部磁界を検出し、磁気記録媒体２０などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。磁化自由層６は、非磁性導電層５の上面上において非磁性導電層５の磁束が進入する側すなわちエアベアリング面Ｓ側に配置されている。磁化自由層６を磁気記録媒体２０に近接して設置することにより、磁気記録媒体２０から磁気情報を好適に読み取ることが可能である。磁化自由層６として強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。

磁化固定層７は、所定のスピンを有する電子を非磁性導電層５へ注入するための層であり、磁化固定層７は、非磁性導電層５の上面上において非磁性導電層５の磁束が進入する側の反対側、すなわち、エアベアリング面Ｓから離れた側に配置されている。磁化固定層７の材料として、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を使用することができ、例えば、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１種以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される一種以上の元素を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＦｅＭｎが挙げられる。

磁化固定層７の保磁力は、磁化自由層６の保磁力よりも大きい。磁化固定層７の磁化は、後述する反強磁性層８を用いる磁化固定方法、及び磁化固定層７の形状異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれか一の磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これにより、磁化固定層７の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが可能となる。

磁化固定層７の磁化固定方法として、反強磁性層８を用いる磁化固定方法を用いる場合、反強磁性層８は、磁化固定層７上に設けられている。反強磁性層８が磁化固定層７と交換結合することにより、磁化固定層７の磁化方向を固定（一方向異方性を付与）することが可能となる。この場合、反強磁性層８を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層７が得られる。従って、反強磁性層８に用いられる材料は、磁化固定層７に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層８として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。

一方、磁化固定層７に形状異方性を持たせて、磁化固定層７の磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。たとえば、磁化固定層７を、Ｙ方向から見てＺ方向が長軸となる矩形形状にすればよい。なお、反強磁性層８及び形状異方性の両方によって磁化を固定してもよいことは言うまでもない。

第二電極層９は、上部第二磁気シールド層１２を電極として磁化固定層７に電流を流すべく、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８とを電気的に接続するための層である。なお、反強磁性層８が存在しない場合には、第二電極層９は、磁化固定層７と接触することとなる。また、第二電極層９は、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８や磁化固定層７との間の原子の拡散等を抑制する効果もある。なお、第二電極層９を有さず、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８又は磁化固定層７とが接触していても実施は可能である。第二電極層９の材料として、例えば、ＣｒやＡｌなどの金属材料が用いられる。

上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２が、上部磁気シールド層を構成し、外部、特に磁気センサー１００ａの上部から、磁化自由層６、磁化固定層７に侵入する磁気をそれぞれ遮断する。上部第一磁気シールド層１１は、上部第二磁気シールド層１２よりも非磁性導電層５に近く配置されている。これにより、磁化自由層６と上部第一磁気シールド層１１との間隔を小さくすることが可能となるため、磁気センサーの分解能を向上することが可能となる。また、上部第一磁気シールド層１１は磁化自由層６に接触している。これにより、磁化自由層６と上部第一磁気シールド層１１との間隔を更に小さくすることが可能となるため、磁気センサーの分解能をより一層向上することが可能となる。

磁化固定層７については、反強磁性層８や第二電極層９等によって、非磁性導電層５と上部第二磁気シールド層１２との間隔が大きくなりやすい傾向があるが、上部第一磁気シールド層１１を、上部第二磁気シールド層１２よりも非磁性導電層５に近づけることにより、磁化自由層６において、上部第一磁気シールド層１１と下部第一磁気シールド層１との間隔を狭くしやすい。

図１に示すように、上部第一磁気シールド層１１は磁化自由層６上に形成されている。一方、上部第二磁気シールド層１２は、磁化固定層７、反強磁性層８、及び、第二電極層９からなる層構造の上に形成されている。

そして、本実施形態では、上部第一磁気シールド層１１と上部第二磁気シールド層１２とは、互いに独立して離間して設けられている。これにより、上部第一磁気シールド層１１を非磁性導電層５と磁化自由層６との界面に生じる電圧測定用の電極として使用し、かつ、上部第二磁気シールド層１２を非磁性導電層５にスピン注入するための電極として使用することが可能となる。

下部第一磁気シールド層１及び下部第二磁気シールド層２は、下部磁気シールド層を構成し、外部、特に磁気センサー１００ａの下部から、磁化自由層６、磁化固定層７に侵入する磁気をそれぞれ遮断するためのものである。本実施形態では、下部第一磁気シールド層１と下部第二磁気シールド層２とが接触して一体に形成されており、互いに電気的に接続されているので、製造が容易である。

また、後述する第二電気絶縁層２２を間に介して磁化自由層６と対向する下部第一磁気シールド層１は、磁化固定層７と対向する下部第二磁気シールド層２よりも非磁性導電層５に近くに位置するように非磁性導電層５に向かって突出している。このため、磁化自由層６と下部第一磁気シールド層１との間隔を従来の磁気センサーよりも小さくすることができ、上部第一磁気シールド層１１と下部第一磁気シールド層１との間隔を小さくできる。これにより、分解能の目安となる磁化自由層６を挟む上部第一磁気シールド層１１と下部第一磁気シールド層１との間隔を狭くすることができ、磁気センサーの分解能を向上することが可能となる。

下部第一磁気シールド層１、下部第二磁気シールド層２、上部第一磁気シールド層１１、及び上部第二磁気シールド層１２の材料として、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料が挙げられる。

第一電気絶縁層２１は、非磁性導電層５と、下部第二磁気シールド層２との間に設けられている。第一電気絶縁層２１は、非磁性導電層５に蓄積させる電子のスピンが下部第二磁気シールド層２側へ流出することを防ぐためのものである。スピン蓄積を効率良く行う観点から、第一電気絶縁層２１は、非磁性導電層５の下部面上において、磁化固定層７側から磁化自由層６側に亘って設けられている。

また、下部第一磁気シールド層１と非磁性導電層５との間に第二電気絶縁層２２が設けられているため、下部第一磁気シールド層１は非磁性導電層５と接触していない。このため、磁化自由層６と対向する非磁性導電層５から下部第一磁気シールド層１へスピン流が流失することを防ぐことが可能となる。第一電気絶縁層２１及び第二電気絶縁層２２として、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。

第一電極層４は、磁化固定層７へ検出用電流を流すための電極である。図１では、第一電極層４を介して、非磁性導電層５は下部第二磁気シールド層２と電気的に接続している。従って、第一電極層４下に設けられている下部第二磁気シールド層２を磁化固定層７へ検出用電流を流すための電極として用いることができる。

第一電極層４は、非磁性導電層５を介して、磁化固定層７と互いに対向する位置に設けられている。また、第一電極層４は、磁化固定層７下における領域のうち、なるべく磁化自由層６側の部分と対向して設けられていることが好ましい。

また、図１のＹ軸方向から見た場合、第一電極層４の外郭は磁化固定層７の外郭からはみ出さない範囲に設けられている。例えば、図１において、第一電極層４の磁化自由層６側の一端（図１に示す第一電極層４の左側部分）と、磁化固定層７の磁化自由層６側の一端（図１に示す磁化固定層７の左側部分）とがＸ軸方向に整列している例を示した。電流ノイズによるＳ／Ｎ比の低下を抑制する観点から、磁化固定層７の磁化自由層６側の一端はＸ方向に整列して配置していることが望ましい。しかしながら、磁化固定層７の磁化自由層６側の一端が、第一電極層４の磁化自由層６側の一端よりも磁化自由層６側にずれて配置されていても実施は可能である。

第一電極層４及び非磁性導電層５が同一の材料から形成されている場合、第一電極層４の厚みＴ４と非磁性導電層５の厚みＴ５との和が、磁化固定層７から磁化自由層６までの距離Ｌ１よりも大きいことが好ましい。

第一電極層４として、例えば、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、及びＣｕからなる群から選択される一つ以上の元素を含む材料を用いることができる。また、第一電極層４として、ＳｉやＺｎＯなどの半導体化合物を用いることもできる。第一電極層４の材料は非磁性導電層５と同一材料であることが好ましい。

第三電気絶縁層１３は、第二電極層９の両端に形成されている。第三電気絶縁層１３として、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。なお、第三電気絶縁層１３は省略することが可能である。

次に、図２を用いて、図１に示した磁気センサー１００ａのＺ方向に平行な断面形状を説明する。図２は、図１のII−II線に沿った断面構成を説明するための概略図である。

図２に示すように、非磁性導電層５の内の磁化自由層６の直下に設けられる部分は、非磁性導電層５の内の磁化自由層６の直下以外に設けられる部分よりも、後述する第四電気絶縁層１４の厚さｔの分だけ厚いことが好ましい。これは、磁化自由層６の厚さと、後述する永久磁石１５の厚さを揃えるためであり、これにより磁化自由層６の磁区構造の安定化をより均一に行うことが可能となる。

下部第一磁気シールド層１と磁化自由層６との間には、第二電気絶縁層２２が設けられている。第四電気絶縁層１４は、非磁性導電層５及び磁化自由層６と永久磁石１５との間に設けられ、非磁性導電層５及び磁化自由層６と永久磁石１５とを絶縁するためのものである。第四電気絶縁層１４として、ＳｉＯ_２などが用いられる。

永久磁石１５は、第四電気絶縁層１４を介して、磁化自由層６の両側に配置されている。永久磁石１５からの漏洩磁束を用いて、磁化自由層６にバイアス磁界を印加することにより、磁化自由層６の磁区構造を安定化（一軸化）することが可能となる。これにより、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサー１００ａの動作と効果について、図１及び図３を用いて説明する。図３は、図１における第一電極層４と磁化固定層７とが互いに対向している領域を拡大した図である。

図１に示すように、磁化固定層７へ検出用電流を流すために、下部第二磁気シールド層２と、上部第二磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、非磁性導電層５及び上部第一磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。なお、上部第一磁気シールド層１１が磁化自由層６から離れて設けられていて磁化自由層６と絶縁されている場合には、非磁性導電層５及び磁化自由層６が電圧測定器８０に電気的に接続されていても良い。

まず、磁気センサー１００ａの磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流す。例えば、図１に示すように、電流源７０から検出用電流Ｉを、上部第二磁気シールド層１２、第二電極層９、反強磁性層８、磁化固定層７、非磁性導電層５、第一電極層４、下部第二磁気シールド層２の順に流す。

図３に示すように、強磁性体である磁化固定層７から非磁性導電層５へ検出用電流Ｉを流す。本実施形態では、非磁性導電層５を介して第一電極層４と磁化固定層７とが互いに対向して設けられているため、従来の磁気センサーよりも、磁化固定層７と非磁性導電層５との界面において、磁化自由層６に近い領域Ｂに、磁化固定層７の磁化の向きに対応するスピンＳｐを有する電子が多く注入され易くなる。従って、注入されたスピンＳｐの拡散距離が短くなり、スピンＳｐは磁化自由層６側へ拡散し易くなる。その結果、磁気センサーの出力効率を向上することが可能となる。

また、第一電極層４が、磁化固定層７下における領域のうち、磁化自由層６側の部分と対向して設けられている場合、より効果的にスピン流を磁化自由層６側へ注入させることが可能となる。その結果、磁気センサーの出力効率を一層向上することが可能となる。

さらに、第一電極層４及び非磁性導電層５が同一の材料から形成されている場合、第一電極層４の厚みＴ４と非磁性導電層５の厚みＴ５との和が、磁化固定層７から磁化自由層６までの距離Ｌ１よりも大きいと、スピン流は磁化自由層６側へ注入され易くなる。従って、磁気センサーの出力効率をより一層向上することが可能となる。

そして、外部からの磁界によって磁化の向きが変化する磁化自由層６の磁化の向きと、磁化固定層７の磁化の向きとの相対角に応じて、磁化自由層６と非磁性導電層５との界面において互いに異なる電圧出力が発生する。本実施形態では、非磁性導電層５と上部第一磁気シールド層１１との間に生じる電圧を検出している。このようにして、磁気センサー１００ａを外部磁場センサーとして応用することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る、磁気センサーの一例としての薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ｂを説明する。

図４に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ｂを示す部分断面図を示す。

図４に示す薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ｂが、第一実施形態に係る薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａと異なる点は、磁気センサー１００ｃにおける下部第一磁気シールド層１、下部第二磁気シールド層２、第一電気絶縁層２１、第二電気絶縁層２２であるので、これらについてのみ説明する。

本実施形態では、第一電気絶縁層２１は、下部第一磁気シールド層１及び下部第二磁気シールド層２の間にも設けられているため、下部第一磁気シールド層１及び下部第二磁気シールド層２は互いに独立して離間して設けられている。これにより、下部第一磁気シールド層１を非磁性導電層５と磁化自由層６との界面に生じる電圧測定用の電極として使用し、かつ、下部第二磁気シールド層２を非磁性導電層５にスピン注入するための電極として使用することが可能となる。

また、図４に示すように、第二電気絶縁層２２を省略することで、下部第一磁気シールド層１が非磁性導電層５と接触して設けられている。これにより、磁化自由層６と下部第一磁気シールド層１との間隔を更に小さくすることができ、磁気センサー１００ｃの分解能を更に向上することが可能となる。

第２実施形態に係る磁気センサー１００ｃにおいても、第１実施形態に係る磁気センサー１００ａによる効果と同様な効果が得られる。

以上、各実施形態において、本発明の磁気センサーを薄膜磁気記録再生ヘッドに適用する例を用いて説明したが、本発明の磁気センサーは、薄膜磁気記録再生ヘッド以外の例えば小型ロボット、ディジタルカメラ、及びインクジェットプリンターなどで使用される磁気エンコーダー装置、磁場計測装置、磁気検知装置等の各種用途にも適用することが可能である。

磁気センサー１００ａを備える薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａ及び動作を説明するための模式図である。 図１のII−II線に沿った断面構成を説明するための概略図である。 第一電極層４及び磁化固定層７の対向領域の拡大図である。 磁気センサー１００ｃを備える薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ｂ及び動作を説明するための模式図である。 従来の磁気センサー５０の模式図である。 図５に示す磁気センサー５０の領域６０の拡大図である。

符号の説明

１…下部第一磁気シールド層、２…下部第二磁気シールド層、４…第一電極、５…非磁性導電層、６…磁化自由層、７…磁化固定層、８…反強磁性層、９…第二電極層、１１…上部第一磁気シールド層、１２…上部第二磁気シールド層、１３…第三電気絶縁層、１４…第四電気絶縁層、１５…永久磁石、２０…磁気記録媒体、２０ａ…記録面、２０ｂ…記録層、２０ｃ…裏打ち層、２１…第一電気絶縁層、２２…第二電気絶縁層、３０…リターンヨーク、３１…薄膜コイル、３２…コンタクト部、３３…主磁極、１００Ａ，１００Ｂ…薄膜磁気記録再生ヘッド、１００ａ，１００ｃ…磁気センサー、１００ｂ…記録部、Ｉ…検出電流方向、Ｓｐ…スピン。

Claims (14)

1. 非磁性導電層と、
   前記非磁性導電層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、
   前記非磁性導電層の前記第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層と、
   前記非磁性導電層及び前記磁化自由層を間に挟んで対向する上部第一磁気シールド層及び下部第一磁気シールド層と、
   前記非磁性導電層及び前記磁化固定層を間に挟んで対向する上部第二磁気シールド層及び下部第二磁気シールド層と、
   前記下部第二磁気シールド層と前記非磁性導電層との間に設けられた第一電気絶縁層と、
   前記下部第二磁気シールド層と前記非磁性導電層とを電気的に接続する第一電極層と、を備え、
   前記非磁性導電層を間に介して、前記磁化固定層と前記第一電極層とが互いに対向している磁気センサー。
2. 前記第一電極層は、前記磁化固定層のうちの前記磁化自由層側の部分と対向している請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記非磁性導電層及び前記第一電極層は同一の材料から形成されており、
   前記非磁性導電層の厚みと前記第一電極層の厚みとの和が、前記磁化固定層から前記磁化自由層までの距離よりも大きい請求項１又は２に記載の磁気センサー。
4. 前記下部第一磁気シールド層は前記下部第二磁気シールド層よりも前記非磁性導電層に近く配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
5. 前記下部第一磁気シールド層と前記下部第二磁気シールド層とは接触しており、
   前記下部第一磁気シールド層と前記非磁性導電層との間に第二電気絶縁層を更に備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気センサー。
6. 前記下部第一磁気シールド層と前記下部第二磁気シールド層とは互いに独立して設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気センサー。
7. 前記磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石を更に備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気センサー。
8. 前記磁化固定層の磁化方向は、
   前記磁化固定層上に設けられた反強磁性層、及び前記磁化固定層の形状異方性のうち少なくとも一つによって固定されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気センサー。
9. 前記磁化固定層の保磁力は、前記磁化自由層の保磁力よりも大きい請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサー。
10. 前記磁化自由層は、前記非磁性導電層の磁束が進入する側に配置され、
    前記磁化固定層は、前記非磁性導電層の磁束が進入する側の反対側に配置されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサー。
11. 前記磁化自由層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気センサー。
12. 前記磁化固定層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁気センサー。
13. 前記非磁性導電層の材料は、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、及びＣｕからなる群から選択される一つ以上の元素を含む材料である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気センサー。
14. 前記非磁性導電層の材料は、Ｓｉ又はＺｎＯを含む半導体化合物である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気センサー。

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