JP2012128899A - Magnetic sensor and magnetic head - Google Patents

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Tomoo Sasaki
智生 佐々木
Toru Oikawa
亨 及川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor and a magnetic head which are suitable for mass production and can raise output in such a structure that a magnetic flux from a minute area can be detected.SOLUTION: A magnetic sensor 1 includes: a main channel layer 7a which has a first area 71, a second area 72, and a third area 73 and extends in a first direction; a first ferromagnetic layer 12A laminated on the first area 71; a second ferromagnetic layer 12B laminated on the second area 72; a projection channel layer 7b which projects in the direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer 7a from the side of the third area 73 between the first area 71 and the second area 72 in the main channel layer 7a; and a magnetic shield S which covers both sides in the thickness direction of the projection channel layer 7b and both sides in the first direction of the projection channel layer 7b, and exposes an end surface 7c in the projection direction of the projection channel layer 7b. The magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is in antiparallel with the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B.

Description

本発明は、磁気センサ及び磁気ヘッドに関する。   The present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic head.

従来、外部磁場を検出する種々の素子が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。例えばHDDなどに用いられる磁気ヘッドや磁気センサには、微小領域からの磁場の検出や高出力特性が望まれている。従来のTMR素子はスピンバルブ型構造を有し、比較的大きな出力特性を有する。微小領域から磁場を検出するには素子を微細化するという方法が取られるが、素子を微細化することによって素子抵抗が増大してしまう。例えば1Tbit/inch以上の記録密度領域では特性向上に限界が見え始め、別の構造や方式が必要とされている。   Conventionally, various elements for detecting an external magnetic field are known (see, for example, Patent Document 1 below). For example, magnetic heads and magnetic sensors used in HDDs and the like are desired to detect magnetic fields from minute regions and to have high output characteristics. A conventional TMR element has a spin valve type structure and has a relatively large output characteristic. In order to detect a magnetic field from a minute region, a method of miniaturizing the element is taken, but the element resistance increases when the element is miniaturized. For example, in the recording density region of 1 Tbit / inch or higher, there is a limit to improvement in characteristics, and another structure or method is required.

特開2007−299467号公報JP 2007-299467 A

そこで、例えば図7に示すような磁気センサP1の構造が考えられる。磁気センサP1では、基板SB上にチャンネル7eが積層されており、このチャンネル7eの上に第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bと、第1参照電極20A及び第2参照電極20Bとが積層されている。チャンネル7eにおける第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間の部分は、磁気シールド層S11に覆われている。磁気シールド層S11にはチャンネル7eに向かって延びる貫通穴Hが形成されている。この構造において、第1強磁性層12Aの磁化方向G11及び第2強磁性層12Bの磁化方向G12をY軸方向とし、Z軸方向から外部磁場を貫通穴Hを介してチャンネル7eに印加することが考えられる。チャンネル7e内を伝導するスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転し、スピンはこの回転を伴いながら拡散していく(いわゆるHanle効果)。このような磁気センサP1の構造では、外部磁場の検出の解像度が磁気シールド層S11に設けられた貫通穴Hの大きさによって決定される。したがって、貫通穴Hの大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。この際、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bのサイズを微細化することなく磁束を検出できるので、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bを微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することが可能となる。   Thus, for example, the structure of the magnetic sensor P1 as shown in FIG. In the magnetic sensor P1, a channel 7e is stacked on the substrate SB, and the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, the first reference electrode 20A and the second reference electrode 20B are formed on the channel 7e. Are stacked. A portion of the channel 7e between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is covered with the magnetic shield layer S11. A through hole H extending toward the channel 7e is formed in the magnetic shield layer S11. In this structure, the magnetization direction G11 of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G12 of the second ferromagnetic layer 12B are set to the Y-axis direction, and an external magnetic field is applied to the channel 7e from the Z-axis direction through the through hole H. Can be considered. The direction of the spin conducted in the channel 7e rotates around the axis of the applied magnetic field, and the spin diffuses with this rotation (so-called Hanle effect). In such a structure of the magnetic sensor P1, the resolution of detection of the external magnetic field is determined by the size of the through hole H provided in the magnetic shield layer S11. Therefore, the magnetic flux from the minute region corresponding to the size of the through hole H can be detected. At this time, since the magnetic flux can be detected without reducing the size of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, the element by miniaturizing the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. It is possible to suppress an increase in resistance.

しかしながら、図7に示す構造では、外部磁場の侵入する貫通穴Hの軸方向が、基板SBに対するチャンネル7eの積層方向と同じである。すなわち、このような磁気センサP1を磁気ヘッドの読取ヘッド部に適用する場合、ABS(Air Bearing Surface)と平行な積層プロセスとなる。一方、磁気ヘッドの書き込み用の記録ヘッド部は、通常ABS面と垂直な積層プロセスで作製される。したがって、読取ヘッド部と記録ヘッド部を連続的に製造することが困難であり、量産に不向きである。   However, in the structure shown in FIG. 7, the axial direction of the through hole H into which the external magnetic field penetrates is the same as the stacking direction of the channel 7e on the substrate SB. That is, when such a magnetic sensor P1 is applied to a read head portion of a magnetic head, a lamination process parallel to ABS (Air Bearing Surface) is performed. On the other hand, the recording head portion for writing of the magnetic head is usually produced by a lamination process perpendicular to the ABS surface. Therefore, it is difficult to continuously manufacture the reading head unit and the recording head unit, which is not suitable for mass production.

また、図8に示す磁気センサP2のように、貫通穴Hをチャンネル7eの側部を覆う磁気シールド層S12に形成する構造も考えられる。この構造において、第1強磁性層12Aの磁化方向G13及び第2強磁性層12Bの磁化方向G14をZ軸方向とし、Y軸方向からの外部磁界を検出することが考えられる。貫通穴Hは、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間に存在するチャンネル7の側面に対向配置されている。この配置により、微小領域からの外部磁場を貫通穴Hを介してチャンネル7の側面から読み取ることができる。なお、図8における81A,81B,7f,7gは絶縁膜を示し、8は永久磁石を示す。   Further, as in the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, a structure in which the through hole H is formed in the magnetic shield layer S12 covering the side portion of the channel 7e is also conceivable. In this structure, it is conceivable that the magnetization direction G13 of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G14 of the second ferromagnetic layer 12B are Z-axis directions and an external magnetic field from the Y-axis direction is detected. The through hole H is disposed to face the side surface of the channel 7 existing between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. With this arrangement, the external magnetic field from the minute region can be read from the side surface of the channel 7 through the through hole H. In FIG. 8, 81A, 81B, 7f, and 7g denote insulating films, and 8 denotes a permanent magnet.

しかしながら、図8に示す構造の磁気センサP2を製造する場合、基板上にチャンネル7eや第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bなどを形成する積層プロセスの後に、基板を切断・加工する。そして、加工後、磁気シールド層S12をチャンネル7eの側部に再度積層し、フォト加工によって微小な貫通穴Hを形成する必要がある。このような製造手法は量産に不向きである。   However, when the magnetic sensor P2 having the structure shown in FIG. 8 is manufactured, the substrate is cut and processed after the lamination process for forming the channel 7e, the first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the like on the substrate. . And after processing, it is necessary to laminate | stack again the magnetic shielding layer S12 on the side part of the channel 7e, and to form the micro through-hole H by photo processing. Such a manufacturing method is not suitable for mass production.

さらに、図7に示す磁気センサP1の構造では、チャンネル7eを覆う磁気シールド層S11を形成後に、位置合わせをして貫通穴Hを開けるので、スピンが伝導するチャンネル7eの幅(図7におけるY軸方向の長さ)に対して貫通穴Hの幅(図7におけるY軸方向の長さ)を小さくせざるを得ない。このため、貫通穴Hから印加される外部磁場が、スピンの流れるチャンネル7eの幅のうちの一部にしか届かず、出力の向上が困難である。同様に、図8に示す磁気センサP2の構造では、チャンネル7eを覆う磁気シールド層S12を形成後に、位置合わせをして貫通穴Hを開けるので、スピンが伝導するチャンネル7eの厚み(図8におけるZ軸方向の長さ)に対して貫通穴Hの高さ(図8におけるZ軸方向の長さ)を小さくせざるを得ない。このため、貫通穴Hから印加される外部磁場が、スピンの流れるチャンネル7eの厚みのうちの一部にしか届かず、出力の向上が困難である。   Further, in the structure of the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7, since the magnetic shield layer S11 covering the channel 7e is formed and then the alignment is made and the through hole H is opened, the width of the channel 7e through which spin is conducted (Y in FIG. 7) The width of the through hole H (the length in the Y-axis direction in FIG. 7) must be made smaller than the length in the axial direction. For this reason, the external magnetic field applied from the through hole H reaches only a part of the width of the channel 7e through which the spin flows, and it is difficult to improve the output. Similarly, in the structure of the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, after the magnetic shield layer S12 covering the channel 7e is formed, alignment is performed and the through hole H is opened, so that the thickness of the channel 7e through which spin is conducted (in FIG. 8) The height of the through hole H (the length in the Z-axis direction in FIG. 8) must be reduced with respect to the length in the Z-axis direction. For this reason, the external magnetic field applied from the through hole H reaches only a part of the thickness of the channel 7e through which the spin flows, and it is difficult to improve the output.

また、図7に示す磁気センサP1及び図8に示す磁気センサP2では、第1強磁性層12A又は第2強磁性層12Bからチャンネル7eにスピンが注入され、このスピン注入方法では電荷の流れは伴わない(いわゆる非局所スピン注入法)。この非局所スピン注入法におけるスピンの伝導距離は、図9に示される長さdNLである。この長さdNLは、第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bまでの距離に、第1強磁性層12Aの長さ(図7〜図9に示すX軸方向の長さ)の半分及び第2強磁性層12Bの長さ(図7〜図9に示すX軸方向の長さ)の半分を加えたものである。したがって、非局所スピン注入法を用いた磁気センサでは、第1強磁性層12A又は第2強磁性層12Bを巨大化しても微小な領域からの磁場を検出できるというメリットがある反面、実効的なスピンの伝導距離dNLが長くなるというデメリットがあった。 Further, in the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7 and the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, spins are injected from the first ferromagnetic layer 12A or the second ferromagnetic layer 12B into the channel 7e. In this spin injection method, the flow of charge is Not accompanied (so-called nonlocal spin injection method). The spin conduction distance in this non-local spin injection method is the length d NL shown in FIG. This length d NL is equal to the length of the first ferromagnetic layer 12A (the length in the X-axis direction shown in FIGS. 7 to 9) at a distance from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Half and the half of the length of the second ferromagnetic layer 12B (the length in the X-axis direction shown in FIGS. 7 to 9) are added. Therefore, the magnetic sensor using the non-local spin injection method has an advantage that the magnetic field from a minute region can be detected even if the first ferromagnetic layer 12A or the second ferromagnetic layer 12B is enlarged, but it is effective. There is a demerit that the spin conduction distance d NL becomes longer.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、微小領域からの磁束が検出可能な構造において、量産に適し、なおかつ出力を向上することが可能な磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a magnetic sensor and a magnetic head that are suitable for mass production and can improve output in a structure capable of detecting magnetic flux from a minute region. For the purpose.

上述の課題を解決するため、本発明の磁気センサは、第1領域、第2領域、及び第3領域を有し、第1方向に延びる主チャンネル層、第1領域上に積層された第1強磁性層、第2領域上に積層された第2強磁性層、主チャンネル層における、第1領域と第2領域との間の第3領域の側面から主チャンネル層の厚み方向に垂直な方向に突出する突出チャンネル層、突出チャンネル層の厚み方向の両側、及び突出チャンネル層の第1方向の両側を覆い、かつ、突出チャンネル層の突出方向の端面を露出させる磁気シールドを備え、第1強磁性層の磁化の方向が、第2強磁性層の磁化の方向に対して反平行であることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the magnetic sensor of the present invention has a first region, a second region, and a third region, a main channel layer extending in the first direction, and a first layer stacked on the first region. A direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer from the side surface of the third region between the first region and the second region in the ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer stacked on the second region, and the main channel layer A projecting channel layer projecting in the direction of thickness, both sides of the projecting channel layer in the thickness direction, and both sides of the projecting channel layer in the first direction, and exposing a projecting direction end surface of the projecting channel layer. The magnetization direction of the magnetic layer is antiparallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer.

本発明の磁気センサでは、チャンネルが、主チャンネル層と、突出チャンネル層とを有し、磁気シールドが、突出チャンネル層の端面を露出させるように、突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。したがって、露出した端面から外部磁界を選択的にチャンネルに供給させることができる。この構成において、第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化の向きを反平行とすると、チャンネルに注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、チャンネル内に留まり易くなるものと考えられる。このチャンネル内を伝導するスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転し、スピンはこの回転を伴いながら拡散していく(いわゆるHanle効果)。このスピンの回転に起因して、電気抵抗は変化する(いわゆる磁気抵抗効果)。一方、チャンネルに外部磁場を印加しない場合、チャンネル内のスピンの向きは変化せず、そのまま拡散する。これ故、第1強磁性層と第2強磁性層との間に電源及び出力測定器を設け、出力の変化をモニターすることにより、外部磁場の印加の有無によって、スピンの回転の度合いに応じた出力を検出できる。   In the magnetic sensor of the present invention, the channel has a main channel layer and a protruding channel layer, and the magnetic shield surrounds the protruding direction of the protruding channel layer so as to expose the end face of the protruding channel layer. . Therefore, the external magnetic field can be selectively supplied to the channel from the exposed end face. In this configuration, if the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are antiparallel, the spin injected into the channel is less likely to be absorbed by the other ferromagnetic layer and is likely to remain in the channel. it is conceivable that. The direction of the spin conducted in the channel rotates around the axis of the applied magnetic field, and the spin diffuses with this rotation (so-called Hanle effect). Due to this spin rotation, the electrical resistance changes (so-called magnetoresistance effect). On the other hand, when an external magnetic field is not applied to the channel, the spin direction in the channel does not change and diffuses as it is. Therefore, a power source and an output measuring device are provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and the change in the output is monitored, depending on whether or not an external magnetic field is applied, depending on the degree of spin rotation. Output can be detected.

なお、第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化の向きを平行とすると、出力の変化を読み取ることが困難である。これは、チャンネルに注入されたスピンがチャンネル内を素早く伝播し、突出チャンネル層から印加される外部磁場の影響を受けにくくなるためであると考えられる。また、磁気抵抗測定法を用いる本発明の磁気センサでは、図7や図8に示すような従来の非局所測定法を用いる磁気センサよりも格段に出力を高めることができる。   If the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are parallel, it is difficult to read the change in output. This is presumably because the spin injected into the channel quickly propagates through the channel and is less affected by the external magnetic field applied from the protruding channel layer. Further, in the magnetic sensor of the present invention using the magnetoresistance measurement method, the output can be remarkably increased as compared with the magnetic sensor using the conventional non-local measurement method as shown in FIGS.

また、上述のように、本発明の磁気センサでは、磁気シールドが、突出チャンネル層の端面を露出させるように、突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドの一部を形成しておき、その上に、主チャンネル層及び突出チャンネル層を含むチャンネルを形成し、さらに、その後、突出チャンネル層の横及び上に磁気シールドの他の一部を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。また、例えば、本発明の磁気センサを磁気ヘッドに適用する場合には、ABS面と垂直に積層できるので、同様にABS面と垂直に積層して形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。   Further, as described above, in the magnetic sensor of the present invention, the magnetic shield surrounds the protruding direction of the protruding channel layer so as to expose the end face of the protruding channel layer. In such a structure, a part of the magnetic shield is formed in advance, a channel including the main channel layer and the protruding channel layer is formed thereon, and then the magnetic shield is formed on the side and above the protruding channel layer. By forming the other part, it can be formed easily and has high mass productivity. Further, for example, when the magnetic sensor of the present invention is applied to a magnetic head, it can be stacked perpendicularly to the ABS surface, so that it is also compatible with a method for manufacturing a recording head part formed by vertically stacking the ABS surface. Highly preferable.

さらに、本発明の磁気センサでは、磁気シールドに、磁界供給用の貫通穴を開けるプロセスが必要ないので、突出チャンネル層の端面の厚みを、主チャンネル層の厚みと同じにすることが容易である。したがって、突出チャンネル層の端面から印可される外部磁界の侵入領域の厚みを、スピンの流れる主チャンネル層の厚みと同等とすることができるので、出力を高めることができる。そして、チャンネルの露出した端面の大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。   Furthermore, in the magnetic sensor of the present invention, since the magnetic shield does not require a process of making a through hole for supplying a magnetic field, it is easy to make the thickness of the end face of the protruding channel layer the same as the thickness of the main channel layer. . Therefore, the thickness of the intrusion region of the external magnetic field applied from the end face of the protruding channel layer can be made equal to the thickness of the main channel layer through which spin flows, so that the output can be increased. And the magnetic flux from the micro area | region corresponding to the magnitude | size of the exposed end surface of a channel is detectable.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向は、突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向であることが好ましい。上述のように、外部磁場をチャンネルに印加すると、チャンネル内のスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転する。仮に、第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化の方向が、突出チャンネル層が突出する方向に平行な方向である場合、どちらの強磁性層からスピンを注入しても、突出チャンネル層が突出する方向から印加される外部磁場によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化の方向が、突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向であれば、上述のような磁束の検出を好適にできる。   The magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are preferably perpendicular to the direction in which the protruding channel layer protrudes. As described above, when an external magnetic field is applied to the channel, the spin direction in the channel rotates around the axis of the applied magnetic field. If the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are parallel to the direction in which the protruding channel layer protrudes, the protruding channel layer can be injected from either ferromagnetic layer. Rotation does not occur in the spin direction due to the external magnetic field applied from the direction in which the magnetic field protrudes, and it is difficult to detect the magnetic flux. Therefore, if the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is a direction perpendicular to the direction in which the protruding channel layer protrudes, it is possible to suitably detect the magnetic flux as described above.

また、第1強磁性層の磁化の方向は、第1方向に平行な方向であり、第2強磁性層の磁化の方向は、第1方向に反平行な方向であることが好ましい。あるいは、第1強磁性層の磁化の方向は、チャンネル層に対する第1強磁性層及び第2強磁性層の積層方向に平行な方向であり、第2強磁性層の磁化の方向は、チャンネル層に対する第1強磁性層及び第2強磁性層の積層方向に反平行な方向であることが好ましい。いずれの場合においても、突出チャンネル層が突出する方向から印加される外部磁場に起因して、上述のような磁束の検出を好適にできる。   In addition, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is preferably parallel to the first direction, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is preferably antiparallel to the first direction. Alternatively, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers with respect to the channel layer, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is the channel layer. The direction is preferably antiparallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers. In any case, the detection of the magnetic flux as described above can be suitably performed due to the external magnetic field applied from the direction in which the protruding channel layer protrudes.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、第1強磁性層あるいは第2強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることが好ましい。反強磁性層が、第1強磁性層あるいは第2強磁性層と交換結合することにより、第1強磁性層あるいは第2強磁性層の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第1強磁性層や第2強磁性層を得られる。   At least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is caused by an antiferromagnetic layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. It is preferably fixed. When the antiferromagnetic layer is exchange coupled with the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, unidirectional anisotropy can be imparted to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer. It becomes possible. In this case, a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されていることが好ましい。この場合、第1強磁性層及び第2強磁性層のうちの少なくとも一方を適切な形状になるように形成することにより、その磁化方向を固定することができる。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer has a magnetization direction fixed by shape anisotropy. In this case, the magnetization direction can be fixed by forming at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer so as to have an appropriate shape.

また、第1強磁性層及び第2強磁性層間において、主チャンネル層及び突出チャンネル層の表面は絶縁膜に覆われていることが好ましい。この場合、主チャンネル層及び突出チャンネル層からの磁気シールドへのスピンの流出を防ぎ、外部磁場による出力の測定を的確に行うことができる。また、第1強磁性層及び第2強磁性層間において、主チャンネル層及び突出チャンネル層は磁気シールドと電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合、主チャンネル層及び突出チャンネル層から磁気シールドに電流やスピン流が流出することを好適に抑制できる。   Moreover, it is preferable that the surfaces of the main channel layer and the protruding channel layer are covered with an insulating film between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. In this case, spin outflow from the main channel layer and the protruding channel layer to the magnetic shield can be prevented, and the output measurement by the external magnetic field can be accurately performed. In addition, the main channel layer and the protruding channel layer are preferably electrically insulated from the magnetic shield between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. In this case, it is possible to suitably suppress the outflow of current and spin current from the main channel layer and the protruding channel layer to the magnetic shield.

また、突出チャンネル層の端面を介して主チャンネル層に磁界を供給する永久磁石をさらに備えることが好ましい。永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。   Moreover, it is preferable to further include a permanent magnet that supplies a magnetic field to the main channel layer through the end face of the protruding channel layer. When a magnetic field is not applied to a channel using a permanent magnet, an output peak appears when the external magnetic field to be detected is zero, but the peak position of the output is shifted by applying a magnetic field to the channel using a permanent magnet. It is possible to generate an output peak when the external magnetic field is not zero.

また、第1強磁性層及び第2強磁性層の材料は、Cr、Mn、Co、Fe、Niからなる群から選択される金属、群の元素を1以上含む合金、又は、群から選択される1以上の元素と、B、C、N、Si、Geからなる群から選択される1以上の元素とを含む化合物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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。   The material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is selected from a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or a group. It is preferable that the compound includes at least one element selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge. Since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, the function as a spin injection electrode or a spin reception electrode can be suitably realized.

また、主チャンネル層及び突出チャンネル層の材料は、Si、Ge、GaAs、C、ZnOのうちのいずれか1つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積できる。   Further, the material of the main channel layer and the protruding channel layer is preferably a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Since these semiconductors have a relatively long spin diffusion length, spins can be suitably accumulated in the channel.

また、第1強磁性層及び第2強磁性層の少なくとも一方と、主チャンネル層との間に、障壁が形成されていることが好ましい。これにより、第1強磁性層及び第2強磁性層の少なくとも一方から主チャンネル層にスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサの電位出力を高めることが可能となる。このような、障壁として、MgO膜、Al膜、TiO膜、MgAl膜、又はZnO膜からなるトンネル障壁を適用することが好ましい。あるいは、障壁はショットキー障壁であることも好ましい。 In addition, a barrier is preferably formed between at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and the main channel layer. This makes it possible to inject a large amount of spin-polarized electrons from at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer into the main channel layer, and to increase the potential output of the magnetic sensor. As such a barrier, a tunnel barrier made of an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, an MgAl 2 O 4 film, or a ZnO film is preferably applied. Alternatively, the barrier is preferably a Schottky barrier.

また、本発明の磁気ヘッドは、上述の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部と、を備えることを特徴とする。これにより、いわゆるHanle効果及び磁気抵抗効果を利用した新規な磁気ヘッドを提供できる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic head comprising: a reading head unit comprising the above-described magnetic sensor; and a recording head unit for writing. Thereby, a novel magnetic head using the so-called Hanle effect and magnetoresistive effect can be provided.

本発明によれば、微小領域からの磁束が検出可能な構造において、量産に適し、なおかつ出力を向上することが可能な磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a magnetic sensor and a magnetic head that are suitable for mass production and capable of improving output in a structure capable of detecting magnetic flux from a minute region.

図1は、本実施形態における磁気センサの概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a magnetic sensor according to the present embodiment. 図2は、チャンネルの形状を示す概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view showing the shape of the channel. 図3(a)は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状を示す側面図である。図3(b)は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状の変形例を示す側面図である。図3(c)は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状の変形例を示す側面図である。Fig.3 (a) is a side view which shows the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. FIG.3 (b) is a side view which shows the modification of the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. FIG.3 (c) is a side view which shows the modification of the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. 図4(a)は、チャンネルの形状を示す上面図である。図4(b)は、チャンネルの形状の変形例を示す上面図である。FIG. 4A is a top view showing the shape of the channel. FIG. 4B is a top view showing a modification of the shape of the channel. 図5は、磁気センサを備える薄膜磁気記録再生ヘッドを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a thin film magnetic recording / reproducing head including a magnetic sensor. 図6は、磁気抵抗測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output in the magnetoresistance measurement method. 図7は、磁気センサの一例を示す上面図である。FIG. 7 is a top view showing an example of a magnetic sensor. 図8は、磁気センサの一例を示す側面図である。FIG. 8 is a side view showing an example of a magnetic sensor. 図9は、非局所測定法と磁気抵抗測定法とにおけるスピン伝導のための実効的な距離の比較を示す上面図である。FIG. 9 is a top view showing a comparison of effective distances for spin conduction between the non-local measurement method and the magnetoresistance measurement method. 図10は、非局所測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output in the non-local measurement method. 図11は、所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を(a)〜(c)の順に示す概略斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view showing a method of obtaining a desired number of graphene layers by a peeling method in the order of (a) to (c). 図12は、図11に続き、所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を(a)〜(d)の順に示す概略斜視図である。FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating a method of obtaining a desired number of graphene layers by a peeling method in the order of (a) to (d), following FIG. 11.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る磁気抵抗型の磁気センサの好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、XYZ直交座標軸系が示されている。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a magnetoresistive magnetic sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the figure, an XYZ orthogonal coordinate axis system is shown.

図1は、本実施形態における磁気センサ1の概略斜視図である。磁気センサ1は、基板21と、チャンネル7と、第1強磁性層12Aと、第2強磁性層12Bと、磁気シールドSとを主として備え、−Y軸方向からの外部磁場Bを検出するものである。基板21は、例えばAlTiC基板である。基板21は、第1部分21aと第2部分21bとを有する。第1部分21a及び第2部分21bは、基板21内において所定の軸方向(この例ではX軸方向)に延在し、互いに平行に配列されている。   FIG. 1 is a schematic perspective view of a magnetic sensor 1 in the present embodiment. The magnetic sensor 1 mainly includes a substrate 21, a channel 7, a first ferromagnetic layer 12A, a second ferromagnetic layer 12B, and a magnetic shield S, and detects an external magnetic field B from the −Y-axis direction. It is. The substrate 21 is, for example, an AlTiC substrate. The substrate 21 has a first portion 21a and a second portion 21b. The first portion 21a and the second portion 21b extend in a predetermined axial direction (X-axis direction in this example) in the substrate 21 and are arranged in parallel to each other.

チャンネル7は、第1方向(ここではX軸方向)に延びる主チャンネル層7aと、Y軸方向に突出する突出チャンネル層7bとを含む。図1に示されるように、主チャンネル層7aは基板21の第1部分21aの上方に配置されており、突出チャンネル層7bは、基板21の第2部分21bの上方に配置されている。   The channel 7 includes a main channel layer 7a extending in the first direction (here, the X-axis direction) and a protruding channel layer 7b protruding in the Y-axis direction. As shown in FIG. 1, the main channel layer 7 a is disposed above the first portion 21 a of the substrate 21, and the protruding channel layer 7 b is disposed above the second portion 21 b of the substrate 21.

図2は、チャンネル7の形状を示す概略斜視図である。主チャンネル層7aは、チャンネル7の厚み方向(Z軸方向)から見て矩形状をなす。主チャンネル層7aは、第1領域71、第2領域72、及び第3領域73を有する。ここで、第3領域73は、第1領域71と第2領域72との間に配置されている。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the shape of the channel 7. The main channel layer 7a has a rectangular shape when viewed from the thickness direction of the channel 7 (Z-axis direction). The main channel layer 7 a has a first region 71, a second region 72, and a third region 73. Here, the third region 73 is disposed between the first region 71 and the second region 72.

突出チャンネル層7bは、主チャンネル層7aにおける第3領域73の側面から主チャンネル層7aの厚み方向(Z軸方向)と垂直な方向(Y軸方向)に突出する。より具体的には、突出チャンネル層7bは、第1方向(X軸方向)に垂直な方向、かつチャンネル7に対する第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの積層方向(Z軸方向)に垂直な方向(Y軸方向)に突出する。   The protruding channel layer 7b protrudes from the side surface of the third region 73 in the main channel layer 7a in a direction (Y axis direction) perpendicular to the thickness direction (Z axis direction) of the main channel layer 7a. More specifically, the protruding channel layer 7b has a direction perpendicular to the first direction (X-axis direction) and a stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel 7 (Z-axis direction). Projecting in a direction perpendicular to (Y-axis direction).

チャンネル7には、導電性を付与するためのイオンが添加されていてもよい。イオン濃度は、例えば1.0×1015〜1.0×1022cm−3とすることができる。チャンネル7は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、Si、Ge、GaAs、C、ZnOのうちのいずれか1つを含む半導体とすることができる。また、チャンネル7における第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bまでの距離dMRは、チャンネル7におけるスピン拡散長以下であることが好ましい。 An ion for imparting conductivity may be added to the channel 7. The ion concentration can be, for example, 1.0 × 10 15 to 1.0 × 10 22 cm −3 . The channel 7 is preferably made of a material having a long spin lifetime, and can be, for example, a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. The distance d MR from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B in the channel 7 is preferably equal to or less than the spin diffusion length in the channel 7.

第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bは、チャンネル7にスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル7を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。第1強磁性層12Aは、チャンネル7の第1領域71上に積層されている。第2強磁性層12Bは、チャンネル7の第2領域72上に積層されている。第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bは、それぞれY軸方向を長軸とした直方体形状を有している。第1強磁性層12A及び第2強磁性層12BのX軸方向における長さは、同一とすることができる。   The first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B function as an injection electrode for injecting spin into the channel 7 or a receiving electrode for detecting the spin conducted through the channel 7. The first ferromagnetic layer 12 </ b> A is stacked on the first region 71 of the channel 7. The second ferromagnetic layer 12 </ b> B is stacked on the second region 72 of the channel 7. Each of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has a rectangular parallelepiped shape with the major axis in the Y-axis direction. The first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B can have the same length in the X-axis direction.

図1及び図2に示すように、第1強磁性層12Aの磁化方向G1(この例では、第1方向に平行な方向、すなわちX軸方向)は、第2強磁性層12Bの磁化方向G2(この例では、第1方向に反平行な方向、すなわち−X軸方向)に対して反平行である。第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bは、強磁性材料からなる。第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの材料は、例えば、Cr、Mn、Co、Fe、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以上の元素と、B、C、N、Si、Geからなる群から選択される1以上の元素とを含む化合物とすることができる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A (in this example, the direction parallel to the first direction, that is, the X-axis direction) is the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 12B. (In this example, the direction is antiparallel to the first direction, that is, the -X axis direction). The first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are made of a ferromagnetic material. The material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or the above The compound may include one or more elements selected from the group and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge.

図2に示すように、磁気シールドSは、チャンネル7、第1強磁性層12A、及び第2強磁性層12Bに外部磁場が侵入することを遮蔽するものである。磁気シールドSは、突出チャンネル層7bの厚み方向(Z軸方向)の両側、及び突出チャンネル層7bの第1方向(X軸方向)の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、突出チャンネル層7bの突出方向の端面7cを露出させる。このような磁気シールドSは、第1磁気シールド層S1及び第2磁気シールド層S2によって構成される。第1磁気シールド層S1は、基板21の第2部分21bの上方に配置されている。第2磁気シールド層S2は、基板21の第2部分21b上に設けられている。磁気シールドS(第1磁気シールド層S1及び第2磁気シールド層S2)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1磁気シールド層のS1の厚み(Z軸方向の長さ)は、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bの厚み(Z軸方向の長さ)よりも大きく、例えば0.02μm〜1μmである。また、第2磁気シールド層のS2の厚み(Z軸方向の長さ)は例えば0.02μm〜1μmである。   As shown in FIG. 2, the magnetic shield S shields the external magnetic field from entering the channel 7, the first ferromagnetic layer 12A, and the second ferromagnetic layer 12B. The magnetic shield S covers both sides of the protruding channel layer 7b in the thickness direction (Z-axis direction) and both sides of the protruding channel layer 7b in the first direction (X-axis direction) via an insulating layer, and the protruding channel layer 7b. The end surface 7c in the protruding direction is exposed. Such a magnetic shield S is constituted by the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2. The first magnetic shield layer S1 is disposed above the second portion 21b of the substrate 21. The second magnetic shield layer S2 is provided on the second portion 21b of the substrate 21. Examples of the material of the magnetic shield S (the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2) include an alloy containing Ni and Fe, sendust, an alloy containing Fe and Co, an alloy containing Fe, Co, and Ni. Examples include soft magnetic materials. The thickness (length in the Z-axis direction) of S1 of the first magnetic shield layer is larger than the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b, for example, 0.02 μm to 1 μm. . Moreover, the thickness (length in the Z-axis direction) of S2 of the second magnetic shield layer is, for example, 0.02 μm to 1 μm.

磁気シールドSは、突出チャンネル層7bの突出方向(Y軸方向)の端面7cを露出させる貫通穴Hを有する。貫通穴Hは、突出チャンネル層7bを介して主チャンネル層7aに外部磁場Bを印加するためのものである。外部磁場Bは、貫通穴Hにおいて露出した突出チャンネル層7bの端面7cからチャンネル7に侵入することとなる。   The magnetic shield S has a through hole H that exposes the end face 7c in the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b. The through hole H is for applying an external magnetic field B to the main channel layer 7a via the protruding channel layer 7b. The external magnetic field B enters the channel 7 from the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed in the through hole H.

図3(a)は、貫通穴H及び突出チャンネル層7bの突出方向の端面7cの形状の一例を示す側面図である。貫通穴Hで露出する端面7cは平坦面であり、また端面7cの形状は矩形状である。貫通穴Hの形状は、端面7cの形状に対応しており、貫通穴Hの軸方向(−Y軸方向)から見て種々の形状をとることが可能であり、この例では矩形状をなしている。貫通穴Hの一辺の長さ(X軸方向の長さ)D1を例えば0.01μm〜0.1μmとし、他辺の長さ(Z軸方向の長さ)D2を例えば0.001μm〜0.1μmとすることができる。この貫通穴Hの他辺の長さ(Z軸方向の長さ)D2は、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bの厚みと同じとなっている。   FIG. 3A is a side view showing an example of the shape of the end face 7c in the protruding direction of the through hole H and the protruding channel layer 7b. The end surface 7c exposed through the through hole H is a flat surface, and the end surface 7c has a rectangular shape. The shape of the through hole H corresponds to the shape of the end face 7c, and can take various shapes when viewed from the axial direction (−Y axis direction) of the through hole H. In this example, the shape is rectangular. ing. The length of one side (length in the X-axis direction) D1 of the through hole H is, for example, 0.01 μm to 0.1 μm, and the length of the other side (length in the Z-axis direction) D2 is, for example, 0.001 μm to 0.00. It can be 1 μm. The length of the other side of the through hole H (the length in the Z-axis direction) D2 is the same as the thickness of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b.

磁気センサ1は更に障壁を備えていることが好ましい。障壁は、主チャンネル層7aと、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの少なくとも一方から主チャンネル層7aにスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサの電位出力を高めることが可能となる。図1や図2に示す例では、障壁は、絶縁膜81A,81Bからなるトンネル障壁である。絶縁膜81Aは、主チャンネル層7aの第1領域71と第1強磁性層12Aとの間に設けられている。絶縁膜81Bは、主チャンネル層7aの第2領域72と第2強磁性層12Bとの間に設けられている。この例では、絶縁膜81A,81Bが単層からなる場合を示すが、絶縁膜81A,81Bは複数の層からなる積層構造を有していてもよい。絶縁膜81A,81Bとして、例えばMgO膜、Al膜、TiO膜、ZnO膜、又はスピネル型構造のMgAl膜などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、絶縁膜81A,81Bの膜厚は、3nm以下であることが好ましい。また、絶縁膜81A,81Bの膜厚は、1原子層厚を考慮して、0.4nm以上であることが好ましい。 The magnetic sensor 1 preferably further includes a barrier. The barrier is provided between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. As a result, it is possible to inject many spin-polarized electrons from at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B into the main channel layer 7a, and to increase the potential output of the magnetic sensor. Become. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the barrier is a tunnel barrier made of insulating films 81A and 81B. The insulating film 81A is provided between the first region 71 of the main channel layer 7a and the first ferromagnetic layer 12A. The insulating film 81B is provided between the second region 72 of the main channel layer 7a and the second ferromagnetic layer 12B. Although this example shows a case where the insulating films 81A and 81B are formed of a single layer, the insulating films 81A and 81B may have a stacked structure including a plurality of layers. As the insulating films 81A and 81B, for example, an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, a ZnO film, or a MgAl 2 O 4 film having a spinel structure can be used. From the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel insulating layer, the thickness of the insulating films 81A and 81B is preferably 3 nm or less. The film thickness of the insulating films 81A and 81B is preferably 0.4 nm or more in consideration of the thickness of one atomic layer.

磁気センサ1は、更に、下部絶縁層22及び中間絶縁層23を備えている。下部絶縁層22や中間絶縁層23はチャンネル7の下地として機能する。下部絶縁層22は基板21の第1部分21a上に設けられている。中間絶縁層23は、下部絶縁層22及び第2磁気シールド層S2上に設けられている。すなわち中間絶縁層23は、基板21の第1部分21a及び第2部分21bの上方に配置されている。よって、主チャンネル層7aは、基板21の第1部分21aの上方に配置された中間絶縁層23上に積層されている。また、突出チャンネル層7bは、基板21の第2部分21bの上方に配置された中間絶縁層23上に積層されている。   The magnetic sensor 1 further includes a lower insulating layer 22 and an intermediate insulating layer 23. The lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 function as a base of the channel 7. The lower insulating layer 22 is provided on the first portion 21 a of the substrate 21. The intermediate insulating layer 23 is provided on the lower insulating layer 22 and the second magnetic shield layer S2. That is, the intermediate insulating layer 23 is disposed above the first portion 21 a and the second portion 21 b of the substrate 21. Therefore, the main channel layer 7 a is laminated on the intermediate insulating layer 23 disposed above the first portion 21 a of the substrate 21. Further, the protruding channel layer 7 b is laminated on the intermediate insulating layer 23 disposed above the second portion 21 b of the substrate 21.

下部絶縁層22及び中間絶縁層23は絶縁性材料からなり、例えばアルミナ等の酸化膜である。下部絶縁層22の厚み(Z軸方向の長さ)は例えば0.02μm〜1μmである。また、中間絶縁層23の厚み(Z軸方向の長さ)は例えば0.003μm〜0.03μmである。このようにチャンネル7の下地である下部絶縁層22や中間絶縁層23を比較的厚くすることにより、チャンネル7からスピン流や電流がリークすることを抑制できる。   The lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 are made of an insulating material, for example, an oxide film such as alumina. The thickness (length in the Z-axis direction) of the lower insulating layer 22 is, for example, 0.02 μm to 1 μm. Moreover, the thickness (length in the Z-axis direction) of the intermediate insulating layer 23 is, for example, 0.003 μm to 0.03 μm. Thus, by making the lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 that are the base of the channel 7 relatively thick, it is possible to suppress the leakage of spin current and current from the channel 7.

磁気センサ1は、更に、チャンネル−磁気シールド間絶縁層24を備えている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層24は、チャンネル7(主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7b)と第1磁気シールド層S1との間に設けられている。突出チャンネル層7bの下面に設けられた中間絶縁層23と、突出チャンネル層7bの上面及び側面さらには主チャンネル層7aのY軸方向側の一側面に設けられたチャンネル−磁気シールド間絶縁層24とによって、チャンネル7は、第1磁気シールド層S1及び第2磁気シールド層S2から絶縁されている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層24は絶縁性材料からなり、例えばSiO等の酸化膜である。 The magnetic sensor 1 further includes a channel-magnetic shield insulating layer 24. The channel-magnetic shield insulating layer 24 is provided between the channel 7 (the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b) and the first magnetic shield layer S1. The intermediate insulating layer 23 provided on the lower surface of the protruding channel layer 7b, and the channel-magnetic shield insulating layer 24 provided on the upper surface and side surfaces of the protruding channel layer 7b and further on one side surface of the main channel layer 7a in the Y-axis direction. Thus, the channel 7 is insulated from the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2. The channel-magnetic shield insulating layer 24 is made of an insulating material, and is an oxide film such as SiO 2 .

以下、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ1の製造方法の一例を説明する。まず、予め準備した基板21に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板21上において、第2磁気シールド層S2となる磁気シールド膜を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、ミリング法あるいはRIE法によって余分な磁気シールド膜を除去する。これにより、基板21の第2部分21b上に第2磁気シールド層S2が形成される。   Hereinafter, an example of a method for manufacturing the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment will be described. First, alignment marks are formed on a substrate 21 prepared in advance. Using the alignment mark as a mark, a magnetic shield film to be the second magnetic shield layer S2 is formed on the substrate 21. Next, a resist mask is formed by photolithography, and an excess magnetic shield film is removed by milling or RIE. Thus, the second magnetic shield layer S2 is formed on the second portion 21b of the substrate 21.

続いて、下部絶縁層22となる絶縁膜を基板21の全面に形成し、CMP法により第2磁気シールド層S2が露出するまで研磨する。これにより、基板21の第1部分21a上に下部絶縁層22が形成される。次いで、MBE法によって、中間絶縁層23となる絶縁層を基板21の全面、すなわち第1部分21a及び第2部分21b上に形成する。この中間絶縁層23となる絶縁層として、例えばHfO膜、SiO膜、Al膜、MgO膜、SiC膜、又はMgAl膜などが挙げられ、厚さを例えば3〜30nmとする。 Subsequently, an insulating film to be the lower insulating layer 22 is formed on the entire surface of the substrate 21 and polished by CMP until the second magnetic shield layer S2 is exposed. As a result, the lower insulating layer 22 is formed on the first portion 21 a of the substrate 21. Next, an insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 is formed on the entire surface of the substrate 21, that is, on the first portion 21a and the second portion 21b by MBE. Examples of the insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 include an HfO 2 film, an SiO 2 film, an Al 2 O 3 film, an MgO film, an SiC film, or an MgAl 2 O 4 film, and the thickness is, for example, 3 to 30 nm. And

その後、MBE法によって、中間絶縁層23となる絶縁層上にチャンネル7となる半導体層を形成する。この半導体層として例えば50nmのSi層が挙げられる。この半導体層をレーザーアニールにより結晶化する。   Thereafter, a semiconductor layer to be the channel 7 is formed on the insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 by MBE. An example of this semiconductor layer is a 50 nm Si layer. This semiconductor layer is crystallized by laser annealing.

半導体層の結晶化後、RCA洗浄及びフッ酸により半導体層の表面を洗浄する。続いて、MBE法により半導体層上に障壁として例えばMgO層を1nm、第1強磁性層12A,第2強磁性層12Bとして例えばFe層を5nm、保護膜としてTi層を3nm形成する。その後、イオンミリング法により保護膜を除去し、第1強磁性層12A,第2強磁性層12BとなるFe層の一部を除去し、例えば3nmのFe層とする。   After crystallization of the semiconductor layer, the surface of the semiconductor layer is cleaned by RCA cleaning and hydrofluoric acid. Subsequently, for example, an MgO layer having a thickness of 1 nm, a first ferromagnetic layer 12A and a second ferromagnetic layer 12B having a thickness of, for example, 5 nm, and a protective layer having a thickness of 3 nm are formed on the semiconductor layer by MBE. Thereafter, the protective film is removed by an ion milling method, and a part of the Fe layer that becomes the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is removed to form, for example, a 3 nm Fe layer.

さらに、第1強磁性層12A,第2強磁性層12BとなるFe層上に、スパッタ法により、例えばCoFe、Ru、CoFe、IrMn、Ru、Taの順からなるシンセティック複合膜を形成する。この構造により、Fe層が反強磁性層で固定されることとなる。   Further, a synthetic composite film made of, for example, CoFe, Ru, CoFe, IrMn, Ru, and Ta in this order is formed on the Fe layer to be the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B by sputtering. With this structure, the Fe layer is fixed by the antiferromagnetic layer.

続いて、磁場下でのアニールを行うことにより、第1強磁性層12A,第2強磁性層12BとなるFe層とCoFe層の結合性向上、及び反強磁性層により第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化方向を固定する。この際、第1強磁性層12Aの磁化方向G1(例えばX軸方向)が、第2強磁性層12Bの磁化方向G2(例えば−X軸方向)に対して反平行となるよう磁化方向を固定する。   Subsequently, annealing is performed under a magnetic field, thereby improving the coupling between the Fe layer and the CoFe layer that become the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, and the first ferromagnetic layer 12A by the antiferromagnetic layer. The magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B is fixed. At this time, the magnetization direction is fixed so that the magnetization direction G1 (for example, the X-axis direction) of the first ferromagnetic layer 12A is antiparallel to the magnetization direction G2 (for example, the -X-axis direction) of the second ferromagnetic layer 12B. To do.

アニール後、フォトリソグラフィ法により、レジストマスクを形成し、エッチング及びイオンミリングによって素子全体を加工する。この際、半導体層を加工することにより、図2に示すような主チャンネル層7aと突出チャンネル層7bとを含むチャンネル7を形成する。   After annealing, a resist mask is formed by photolithography, and the entire device is processed by etching and ion milling. At this time, by processing the semiconductor layer, the channel 7 including the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b as shown in FIG. 2 is formed.

その後、チャンネル7の露出した側面に絶縁層を例えば50nm形成する。そして、EB法あるいはフォトリソグラフィ法により、第1強磁性層12A,第2強磁性層12BとなるFe層と、シンセティック複合膜とを例えば矩形状に加工するためのマスクを形成する。このマスクを用いて、イオンミリング法により、チャンネル7上の不要な障壁層及び強磁性層及びチャンネル7の一部を除去する。これにより、チャンネル7の第1領域71上に絶縁膜81Aを介して第1強磁性層12Aが形成され、チャンネル7の第2領域72上に絶縁膜81Bを介して第2強磁性層12Bが形成される。   Thereafter, an insulating layer of, eg, 50 nm is formed on the exposed side surface of the channel 7. Then, a mask for processing the Fe layer to be the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and the synthetic composite film into, for example, a rectangular shape is formed by an EB method or a photolithography method. Using this mask, unnecessary barrier layers and ferromagnetic layers on the channel 7 and a part of the channel 7 are removed by ion milling. As a result, the first ferromagnetic layer 12A is formed on the first region 71 of the channel 7 via the insulating film 81A, and the second ferromagnetic layer 12B is formed on the second region 72 of the channel 7 via the insulating film 81B. It is formed.

さらに、チャンネル7の露出した表面、絶縁膜81A,81Bの側面や第1強磁性層12A,第2強磁性層12Bの側面に、絶縁層を例えば20nm形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、基板21の第1部分21aの上方をレジストマスクで覆い、第1磁気シールド層S1を基板21の第2部分21bの上方に形成する。これにより、突出チャンネル層7bが絶縁層(チャンネル−磁気シールド間絶縁層24)を介して第1磁気シールド層S1で覆われる。また、第1磁気シールド層S1が中間絶縁層23を介して第2磁気シールド層S2上に形成される。このようにして、磁気シールドSが、突出チャンネル層7bの厚み方向(Z軸方向)の両側、及び突出チャンネル層7bの第1方向(X軸方向)の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、突出チャンネル層7bの突出方向の端面7cを露出させることとなる。   Further, an insulating layer of 20 nm, for example, is formed on the exposed surface of the channel 7, the side surfaces of the insulating films 81A and 81B, and the side surfaces of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. Subsequently, the upper portion of the first portion 21a of the substrate 21 is covered with a resist mask by photolithography, and the first magnetic shield layer S1 is formed above the second portion 21b of the substrate 21. Thereby, the protruding channel layer 7b is covered with the first magnetic shield layer S1 via the insulating layer (channel-magnetic shield insulating layer 24). The first magnetic shield layer S1 is formed on the second magnetic shield layer S2 via the intermediate insulating layer 23. Thus, the magnetic shield S covers both sides of the protruding channel layer 7b in the thickness direction (Z-axis direction) and both sides of the protruding channel layer 7b in the first direction (X-axis direction) via the insulating layer, and The end surface 7c in the protruding direction of the protruding channel layer 7b is exposed.

さらに、基板21上に複数の電極用パッドを形成し、複数の電極用パッドを用いて、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間を配線する。以上の方法により、図1、図2及び図3に示す磁気センサ1が作製される。   Further, a plurality of electrode pads are formed on the substrate 21, and wiring is provided between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B using the plurality of electrode pads. By the above method, the magnetic sensor 1 shown in FIGS. 1, 2, and 3 is manufactured.

以下、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ1の作用効果を説明する。磁気センサ1を動作させる前に、例えば、図1、図2、及び図4(a)に示すように、第1強磁性層12Aの磁化方向G1(ここでは、第1方向に平行な方向、すなわちX軸方向)が第2強磁性層12Bの磁化方向G2(ここでは、第1方向に反平行な方向、すなわち−X軸方向)に対して反平行となるよう磁化方向を固定する。   Hereinafter, the operation and effect of the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment will be described. Before operating the magnetic sensor 1, for example, as shown in FIGS. 1, 2, and 4A, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A (here, a direction parallel to the first direction, That is, the magnetization direction is fixed so that the X-axis direction is antiparallel to the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 12B (here, the direction antiparallel to the first direction, that is, the −X axis direction).

この磁気センサ1では、チャンネル7が、主チャンネル層7aと突出チャンネル層7bとを有し、磁気シールドSが、突出チャンネル層7bの端面7cを露出させるように、突出チャンネル層7bの突出方向の周りを取り囲んでいる。したがって、外部からの磁場Bを、露出した端面7cから選択的にチャンネル7に供給させることができる。   In this magnetic sensor 1, the channel 7 has a main channel layer 7a and a protruding channel layer 7b, and the magnetic shield S in the protruding direction of the protruding channel layer 7b so that the end surface 7c of the protruding channel layer 7b is exposed. Surrounds. Therefore, the magnetic field B from the outside can be selectively supplied to the channel 7 from the exposed end surface 7c.

図1に示すように、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bを電流源70に接続し、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bの間に検出用電流を流す。例えば、強磁性体である第1強磁性層12Aから絶縁膜81Aを介して非磁性の主チャンネル層7aに電流が流れることにより、第1強磁性層12Aの磁化の向きG1に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル7に注入される。注入されたスピンは電荷と共に第2強磁性層12B側へ拡散していく。このように、チャンネル7に流れる電流及びスピン流が、主に第1方向(X軸方向)に流れる構造とすることができる。この構成において、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが反平行である場合、チャンネル7に注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、チャンネル7内に留まり易くなると考えられる。   As shown in FIG. 1, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are connected to a current source 70, and a detection current is passed between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. For example, when a current flows from the first ferromagnetic layer 12A, which is a ferromagnetic material, to the nonmagnetic main channel layer 7a via the insulating film 81A, the direction corresponding to the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A is obtained. Electrons having a spin are injected into the channel 7. The injected spin is diffused along with the electric charge toward the second ferromagnetic layer 12B. In this way, the current and spin current flowing through the channel 7 can be configured to flow mainly in the first direction (X-axis direction). In this configuration, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the spin injected into the channel 7 is difficult to be absorbed by the other ferromagnetic layer, It is thought that it becomes easy to stay in.

ここで、チャンネル7に外部磁場Bを印加しないとき、すなわち外部磁場Bがゼロのとき、チャンネル7の第1領域71と第2領域72との間の第3領域73を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第2強磁性層12Bの磁化の向きG2と同一方向のスピンが第2領域72まで拡散してくることとなる。したがって、外部磁場Bがゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が最大値となる。出力は、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bに接続した電圧測定器80などの出力測定器により評価することができる。   Here, when the external magnetic field B is not applied to the channel 7, that is, when the external magnetic field B is zero, the direction of the spin that diffuses in the third region 73 between the first region 71 and the second region 72 of the channel 7 is Does not rotate. Therefore, spins in the same direction as the magnetization direction G 2 of the second ferromagnetic layer 12 B set in advance diffuse to the second region 72. Therefore, when the external magnetic field B is zero, the resistance output or voltage output becomes the maximum value. The output can be evaluated by an output measuring device such as a voltage measuring device 80 connected to the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

対して、チャンネル7に外部磁場Bを印加する場合を考える。外部磁場Bは、貫通穴Hで露出する突出チャンネル層7bの端面7cからチャンネル7に印加される。図1の例では、外部磁場Bを、第1強磁性層12Aの磁化方向G1(X軸方向)及び第2強磁性層12Bの磁化方向G2(−X軸方向)に対して垂直な方向(−Y軸方向)から印加する。外部磁場Bを印加すると、チャンネル7内であって貫通穴Hに対応する領域を伝播してきたスピンの向きは、外部磁場Bの軸方向(−Y軸方向)を中心として回転する(いわゆるHanle効果)。このスピンの回転に起因して、電気抵抗は変化する(いわゆる磁気抵抗効果)。つまり、外部磁場Bを印加する場合、第1強磁性層12Aから注入されチャンネル7を伝播するスピンの向きは回転するので第1強磁性層12Aにおける磁化の向きからずれた状態になる。よって、出力は、外部磁場Bがゼロのときに最大値をとる場合、外部磁場Bを印加することにより、最大値から減少することとなる。これ故、外部磁場の印加の有無によって、スピンの回転の度合いに応じた出力を検出できる。また、チャンネルの露出した端面の大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。   On the other hand, consider a case where an external magnetic field B is applied to the channel 7. The external magnetic field B is applied to the channel 7 from the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed at the through hole H. In the example of FIG. 1, the external magnetic field B is perpendicular to the magnetization direction G1 (X-axis direction) of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G2 (−X-axis direction) of the second ferromagnetic layer 12B ( -Apply from (Y axis direction). When the external magnetic field B is applied, the direction of the spin that has propagated through the region corresponding to the through hole H in the channel 7 rotates around the axial direction (−Y axis direction) of the external magnetic field B (so-called Hanle effect). ). Due to this spin rotation, the electrical resistance changes (so-called magnetoresistance effect). That is, when the external magnetic field B is applied, the direction of the spin injected from the first ferromagnetic layer 12A and propagating through the channel 7 is rotated, so that it is deviated from the magnetization direction in the first ferromagnetic layer 12A. Therefore, when the maximum value is obtained when the external magnetic field B is zero, the output is decreased from the maximum value by applying the external magnetic field B. Therefore, an output corresponding to the degree of spin rotation can be detected depending on whether or not an external magnetic field is applied. Further, it is possible to detect a magnetic flux from a minute region corresponding to the size of the exposed end face of the channel.

なお、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが平行である場合、出力の変化を読み取ることは困難である。これは、チャンネル7に注入されたスピンがチャンネル内を素早く伝播し、突出チャンネル層7bから印加される外部磁場の影響を受けにくくなるためであると考えられる。   In addition, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, it is difficult to read the change in output. This is presumably because the spin injected into the channel 7 quickly propagates through the channel and is less affected by the external magnetic field applied from the protruding channel layer 7b.

図6は、磁気センサ1における磁気抵抗測定法による外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。図6中にR1で示すように、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが反平行である場合、外部磁場がゼロのときの最大値は0.00008(V)程度となっている。対して、図6中にR2で示すように、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが平行である場合、外部磁場がゼロのときのピークが見られない。これは、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが反平行である場合、チャンネル7に注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、逆に、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが平行である場合、チャンネル7に注入されたスピンは素早くチャンネル7を伝播し、外部磁場Bの影響を受けにくくなることに起因すると考えられる。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output by the magnetoresistance measurement method in the magnetic sensor 1. As indicated by R1 in FIG. 6, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the maximum value when the external magnetic field is zero is 0.00008 (V). It is about. On the other hand, as indicated by R2 in FIG. 6, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, no peak is observed when the external magnetic field is zero. This is because when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the spin injected into the channel 7 is not easily absorbed by the other ferromagnetic layer. When the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, the spin injected into the channel 7 quickly propagates through the channel 7 and is less affected by the external magnetic field B. Conceivable.

また、磁気抵抗測定法を用いる本発明の磁気センサでは、図7や図8に示すような従来の非局所測定法を用いる磁気センサよりも格段に出力を高めることができる。比較として、図10に、図7や図8に示す磁気センサP1、P2のような非局所測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示す。図10中にR3で示すように第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが平行である場合、外部磁場がゼロのときの極大値は0.00002(V)程度となっている。また、図10中にR4で示すように第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きが反平行である場合、外部磁場がゼロのときの極小値は−0.00002(V)程度となっている。このように、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の向きを反平行とし、磁気抵抗測定法を用いる磁気センサ1では、非局所測定法を用いる磁気センサP1、P2よりも格段に高い出力を得ることができる。   Further, in the magnetic sensor of the present invention using the magnetoresistance measurement method, the output can be remarkably increased as compared with the magnetic sensor using the conventional non-local measurement method as shown in FIGS. As a comparison, FIG. 10 shows the relationship between the external magnetic field and the resistance output in a non-local measurement method such as the magnetic sensors P1 and P2 shown in FIGS. As indicated by R3 in FIG. 10, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, the maximum value when the external magnetic field is zero is about 0.00002 (V). It has become. Further, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel as indicated by R4 in FIG. 10, the minimum value when the external magnetic field is zero is −0.00002 ( V) grade. As described above, in the magnetic sensor 1 using the magnetoresistance measurement method in which the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the magnetic sensors P1 and P2 using the nonlocal measurement method are used. A remarkably high output can be obtained.

また、磁気抵抗測定法におけるスピン伝導のための実効的な距離dMRは、チャンネル7における第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bまでの距離であり、図9に示す非局所測定法におけるスピン伝導のための実効的な距離dNLよりも短い。よって、スピンの伝導距離に起因する出力の減衰の影響が小さくなり、高出力化が実現できる。実際、図6のR1に示したように、磁気抵抗測定法を用い、第1強磁性層12Aの磁化方向を第2強磁性層12Bの磁化方向に反平行とした場合の出力は、0.00008Vである。対して、図10のR3に示したように、非局所測定法を用い、第1強磁性層12Aの磁化方向を第2強磁性層12Bの磁化方向に平行とした場合の出力は、0.00002Vである。よって、磁気抵抗測定法における出力は、非局所測定法における出力の4倍とすることができる。これは、実効的なスピンの伝導距離が短くなったことによって2倍程度の出力の増大を得られるとともに、非局所測定法と磁気抵抗測定法とによる原理的な観測手法の違いによって、更に2倍程度の出力の増大を得られることを示していると考えられる。また、実効的なスピンの伝導距離が短くなることによって、温度に対しての出力変化も抑制できると考えられる。 Further, the effective distance d MR for spin conduction in the magnetoresistance measurement method is the distance from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B in the channel 7, and the non-local measurement method shown in FIG. Shorter than the effective distance d NL for spin conduction at. Therefore, the influence of output attenuation due to the spin conduction distance is reduced, and high output can be realized. Actually, as shown by R1 in FIG. 6, when the magnetoresistance measurement method is used and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is antiparallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B, the output is 0. 00008V. On the other hand, as shown by R3 in FIG. 10, the output when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B using the non-local measurement method is 0. 00002V. Therefore, the output in the magnetoresistance measurement method can be four times the output in the non-local measurement method. This is because an increase in output of about 2 times can be obtained by shortening the effective spin conduction distance, and it is further reduced by 2 due to the difference in the principle observation method between the non-local measurement method and the magnetoresistance measurement method. This is considered to indicate that an output increase of about double is obtained. Moreover, it is considered that the change in output with respect to temperature can be suppressed by shortening the effective spin conduction distance.

また、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ1では、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bを電極とする2端子構造とすることができるので、図7や図8に示す従来の非局所型の磁気センサP1、P2のような4端子構造における第一参照電極20Aや第二参照電極20Bを不要とすることができる。   Further, in the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment, a two-terminal structure using the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B as electrodes can be used, and therefore, as shown in FIG. 7 and FIG. The first reference electrode 20A and the second reference electrode 20B in a four-terminal structure such as the conventional non-local type magnetic sensors P1 and P2 can be eliminated.

上述のように、本実施形態に係る磁気センサ1では、外部磁場Bがゼロのときに最大出力のピークが現れ、外部磁場Bを増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場Bの有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサ1を磁気検出素子として使用できる。よって、例えば磁気ヘッドなどに本実施形態に係る磁気センサ1を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、この磁気センサ1では、ヒステリシスがない。   As described above, in the magnetic sensor 1 according to this embodiment, the peak of the maximum output appears when the external magnetic field B is zero, and when the external magnetic field B is increased or decreased, the output decreases. That is, since the output varies depending on the presence or absence of the external magnetic field B, the magnetic sensor 1 according to the present embodiment can be used as a magnetic detection element. Therefore, for example, when the magnetic sensor 1 according to the present embodiment is applied to a magnetic head or the like and the positive / negative timing of the external magnetic field is read, an output peak appears at the zero where the magnetic field of the domain wall cancels. Judgment can be made. Further, this magnetic sensor 1 has no hysteresis.

また、磁気シールドSから露出させた突出チャンネル層7bの端面7cを用いることにより、端面7cの大きさに対応する微小な磁束が検出可能となる。この際、外部磁場の検出の解像度は端面7cの大きさで決定されるので、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bのサイズ(例えばXY平面の面積)を微細化することなく、微小領域から磁束を検出できる。よって、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bを微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することも可能となる。   Further, by using the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed from the magnetic shield S, a minute magnetic flux corresponding to the size of the end face 7c can be detected. At this time, since the resolution of detection of the external magnetic field is determined by the size of the end face 7c, the size (for example, the area of the XY plane) of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is not reduced. Magnetic flux can be detected from a minute region. Therefore, it is also possible to suppress an increase in element resistance due to the miniaturization of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

また、磁気センサ1では上述のように、磁気シールドSが、突出チャンネル層7bの端面7cを露出させるように、突出チャンネル層7bの突出方向(Y軸方向)の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドSの一部(第2磁気シールド層S2)を基板21上に形成しておき、その上に、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bを含むチャンネル7を形成し、さらに、その後、突出チャンネル層7bの横及び上に磁気シールドSの他の一部(第1磁気シールド層S1)を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。また、例えば、磁気センサ1を磁気ヘッドに適用する場合には、ABS面と垂直に積層することができるので、同様にABS面と垂直に積層されて形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。   In the magnetic sensor 1, as described above, the magnetic shield S surrounds the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b so that the end surface 7c of the protruding channel layer 7b is exposed. In such a structure, a part of the magnetic shield S (second magnetic shield layer S2) is previously formed on the substrate 21, and the channel 7 including the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b is formed thereon. Furthermore, after that, by forming another part (first magnetic shield layer S1) of the magnetic shield S on the side and on the protruding channel layer 7b, it can be easily formed and the mass productivity is high. Further, for example, when the magnetic sensor 1 is applied to a magnetic head, the magnetic sensor 1 can be stacked perpendicularly to the ABS surface. High compatibility and preferable.

さらに、本実施形態に係る磁気センサ1では、図7に示す磁気センサP1や図8に示す磁気センサP2のように、位置合わせを用いて磁気シールドに磁界供給用の貫通穴を開けるプロセスを必要としない。よって、突出チャンネル層7bの端面7cの厚み(Z軸方向の長さ)を、主チャンネル層7aの厚み(Z軸方向の長さ)と同じにすることが容易である。したがって、突出チャンネル層7bの端面7cから印可される外部磁場Bの侵入領域の厚み(Z軸方向の長さ)を、スピンの流れる主チャンネル層7aの厚み(Z軸方向の長さ)と同等とすることができるので、出力も高めることができる。   Furthermore, in the magnetic sensor 1 according to the present embodiment, a process for forming a through hole for supplying a magnetic field in the magnetic shield using alignment is required as in the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7 and the magnetic sensor P2 shown in FIG. And not. Therefore, it is easy to make the thickness (length in the Z-axis direction) of the end face 7c of the protruding channel layer 7b the same as the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a. Therefore, the thickness (length in the Z-axis direction) of the penetration region of the external magnetic field B applied from the end face 7c of the protruding channel layer 7b is equal to the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a through which spin flows. Therefore, the output can be increased.

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。突出チャンネル層7bの突出方向の端面7cの形状は上述した矩形に限定されず、例えば三角形、台形、又は円形であってもよい。いずれの形状においても、外部磁場Bを好適に検出できる。例えば図3(b)に示す例では、端面7cの形状は、上底の長さが下底の長さよりも短い台形である。また、図3(c)に示す例では、端面7cの形状は、上底の長さが下底の長さよりも長い台形である。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment. The shape of the end surface 7c in the protruding direction of the protruding channel layer 7b is not limited to the above-described rectangle, and may be, for example, a triangle, a trapezoid, or a circle. In any shape, the external magnetic field B can be suitably detected. For example, in the example shown in FIG. 3B, the shape of the end surface 7c is a trapezoid in which the length of the upper base is shorter than the length of the lower base. In the example shown in FIG. 3C, the shape of the end surface 7c is a trapezoid in which the length of the upper base is longer than the length of the lower base.

また、上記実施形態では図4(a)に示すように、チャンネル7の主チャンネル層7aが厚み方向からみて矩形である例を示した。しかし、図4(b)に示すように、主チャンネル層7aにおける、突出チャンネル層7bと反対側の側面が窪んでいることが好ましい。すなわち、第3領域73におけるチャンネル7が突出チャンネル層7bにおいて蛇行した形状をなしている。このような形状により、チャンネル7内のスピン流を突出チャンネル層7b、すなわち貫通穴H側に好適に通過させることができる。よって、外部磁場Bに対する磁気センサ1の感度を高くすることができ、出力特性をより向上することができる。   Moreover, in the said embodiment, as shown to Fig.4 (a), the main channel layer 7a of the channel 7 showed the example which is a rectangle seeing from the thickness direction. However, as shown in FIG. 4B, the side surface of the main channel layer 7a opposite to the protruding channel layer 7b is preferably recessed. That is, the channel 7 in the third region 73 has a meandering shape in the protruding channel layer 7b. With such a shape, the spin current in the channel 7 can be suitably passed to the protruding channel layer 7b, that is, the through hole H side. Therefore, the sensitivity of the magnetic sensor 1 with respect to the external magnetic field B can be increased, and the output characteristics can be further improved.

また、図4(a)や図4(b)の例では、突出チャンネル層7bは、チャンネル7の厚み方向(Z軸方向)から見て傾斜部を有する台形状をなす。すなわち、図4(a)や図4(b)の例では、チャンネル7の厚み方向(Z軸方向)から見て突出チャンネル層7bの形状が、突出方向(Y軸方向)の先端側の幅(X軸方向の長さ)よりも、主チャンネル層7a側の幅(X軸方向の長さ)が広い山形となっている。しかし、突出チャンネル層7bの形状はこれに限定されない。例えば、突出チャンネル層7bにおける突出方向(Y軸方向)の先端側の幅(X軸方向の長さ)が、主チャンネル層7a側の幅(X軸方向の長さ)と同じでもよい。ただし、突出チャンネル層7bの露出する端面7cは平坦面であることが好ましい。   4A and 4B, the protruding channel layer 7b has a trapezoidal shape having an inclined portion when viewed from the thickness direction of the channel 7 (Z-axis direction). That is, in the examples of FIGS. 4A and 4B, the shape of the protruding channel layer 7b when viewed from the thickness direction (Z-axis direction) of the channel 7 is the width on the tip side in the protruding direction (Y-axis direction). The main channel layer 7a side has a wider width (length in the X-axis direction) than (length in the X-axis direction). However, the shape of the protruding channel layer 7b is not limited to this. For example, the width (length in the X-axis direction) on the front end side in the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b may be the same as the width (length in the X-axis direction) on the main channel layer 7a side. However, the exposed end surface 7c of the protruding channel layer 7b is preferably a flat surface.

また、上記実施形態では、第1強磁性層12Aの磁化の方向が第1方向に平行な方向(X軸方向)であり、第2強磁性層12Bの磁化の方向が第1方向に反平行な方向(−X軸方向)である場合を示した。上述のように、外部磁場Bをチャンネル7に印加すると、チャンネル7内のスピンの向きは、印加磁場Bの軸周り(Y軸周り)に回転する。仮に、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の方向が、突出チャンネル層7bの突出する方向に平行な場合、どちらの強磁性層からスピンを注入しても、外部磁場Bの印加によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、磁場を好適に検出するために、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの磁化の方向は、突出チャンネル層7bが突出する方向(Y軸方向)に垂直な方向であればよい。   In the above embodiment, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is a direction parallel to the first direction (X-axis direction), and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B is antiparallel to the first direction. In this case, the direction is a negative direction (−X axis direction). As described above, when the external magnetic field B is applied to the channel 7, the spin direction in the channel 7 rotates around the axis of the applied magnetic field B (around the Y axis). If the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel to the protruding direction of the protruding channel layer 7b, the external magnetic field B can be generated regardless of which ferromagnetic layer the spin is injected. Rotation does not occur in the spin direction due to the application of magnetic flux, and it is difficult to detect the magnetic flux. Therefore, in order to detect the magnetic field appropriately, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are perpendicular to the direction in which the protruding channel layer 7b protrudes (Y-axis direction). Good.

例えば、第1強磁性層12Aの磁化の方向は、チャンネル層7に対する第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの積層方向に平行な方向(例えばZ軸方向)であり、第2強磁性層12Bの磁化の方向は、チャンネル層7に対する第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの積層方向に反平行な方向(例えば−Z軸方向)であってもよい。この場合においても、強磁性層から注入されチャンネル7内を伝導するスピンの磁化方向が、突出チャンネル層7bの端面7cから印可される外部磁場Bによって回転することとなる。よって、上述のような磁束の検出を好適にできる。   For example, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is a direction parallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel layer 7 (for example, the Z-axis direction), and the second strong layer The direction of magnetization of the magnetic layer 12B may be a direction (eg, −Z axis direction) antiparallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel layer 7. Also in this case, the magnetization direction of the spin injected from the ferromagnetic layer and conducted in the channel 7 is rotated by the external magnetic field B applied from the end face 7c of the protruding channel layer 7b. Therefore, it is possible to suitably detect the magnetic flux as described above.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、第1強磁性層あるいは第2強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることが好ましい。反強磁性層が、第1強磁性層あるいは第2強磁性層と交換結合することにより、第1強磁性層あるいは第2強磁性層の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第1強磁性層や第2強磁性層を得られる。   At least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is caused by an antiferromagnetic layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. It is preferably fixed. When the antiferromagnetic layer is exchange coupled with the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, unidirectional anisotropy can be imparted to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer. It becomes possible. In this case, a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されていることが好ましい。この場合、第1強磁性層及び第2強磁性層のうちの少なくとも一方を適切な形状になるように形成することにより、その磁化方向を固定することができる。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer has a magnetization direction fixed by shape anisotropy. In this case, the magnetization direction can be fixed by forming at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer so as to have an appropriate shape.

また、第1強磁性層の磁化の方向及び第2強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方が、反強磁性層及び形状異方性によって固定されていることが好ましい。この場合、さらなる高出力化が可能である。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by the antiferromagnetic layer and the shape anisotropy. In this case, further higher output is possible.

また、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12B間において、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bの表面は絶縁層に覆われていることが好ましい。また、突出チャンネル層7bの端面7cは磁気シールドSには覆われておらず、露出している。なお、この端面7cが磁気記録媒体20と接触することを抑制するために、突出チャンネル層7bの端面7cには、保護用の絶縁膜が形成されていてもよく、あるいは端面7cに潤滑剤が塗布されていてもよい。   Moreover, it is preferable that the surfaces of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b are covered with an insulating layer between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. Further, the end face 7c of the protruding channel layer 7b is not covered with the magnetic shield S but is exposed. In order to prevent the end surface 7c from coming into contact with the magnetic recording medium 20, a protective insulating film may be formed on the end surface 7c of the protruding channel layer 7b, or a lubricant may be applied to the end surface 7c. It may be applied.

また、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12B間において、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bは磁気シールドSと電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合、主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7bから磁気シールドに電流やスピン流が流出することを抑制できる。   Further, it is preferable that the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b are electrically insulated from the magnetic shield S between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, it is possible to suppress the outflow of current and spin current from the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b to the magnetic shield.

また、図1に点線で示すように、突出チャンネル層7bの端面7cを介して主チャンネル層7aにバイアス磁界を供給する永久磁石90をさらに備えることが好ましい。永久磁石による磁場をチャンネルに印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石90を用いて磁場をチャンネルに印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。なお、図1では、磁気センサ1が二つの永久磁石90を備える例を示すが、磁気センサ1は一つ以上の永久磁石90を備えればよい。   Further, as indicated by a dotted line in FIG. 1, it is preferable to further include a permanent magnet 90 for supplying a bias magnetic field to the main channel layer 7a via the end face 7c of the protruding channel layer 7b. When a magnetic field by a permanent magnet is not applied to the channel, an output peak appears when the detection-target external magnetic field is zero, but the output peak position is shifted by applying a magnetic field to the channel using the permanent magnet 90. It is possible to generate an output peak when the external magnetic field is not zero. 1 illustrates an example in which the magnetic sensor 1 includes two permanent magnets 90, the magnetic sensor 1 may include one or more permanent magnets 90.

また、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの材料は、Cr、Mn、Co、Fe、Niからなる群から選択される金属、群の元素を1以上含む合金、又は、群から選択される1以上の元素と、B、C、N、Si、Geからなる群から選択される1以上の元素とを含む化合物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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。   The material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or a group. A compound containing one or more selected elements and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge is preferable. Since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, the function as a spin injection electrode or a spin reception electrode can be suitably realized.

また、チャンネル7(主チャンネル層7a及び突出チャンネル層7b)の材料は、Si、Ge、GaAs、C、ZnOのうちのいずれか1つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル7内に好適にスピンを蓄積できる。また、外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力のピークの半値幅は、チャンネル7におけるスピン寿命の逆数に比例するので、スピン寿命が長ければ磁場感度が良くなることとなる。チャンネル7に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばSiやGaAsなどが挙げられるが、特にSiが好ましい。また、チャンネル7におけるスピン寿命が短い方が磁場感度は悪くなるものの、広い範囲の磁場を検出できる。   The material of the channel 7 (the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b) is preferably a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Since these semiconductors have a relatively long spin diffusion length, spins can be suitably accumulated in the channel 7. Further, the half width of the peak of the voltage output or resistance output with respect to the external magnetic field is proportional to the reciprocal of the spin lifetime in the channel 7, so that the magnetic field sensitivity is improved if the spin lifetime is long. Examples of the material having a long spin life used for the channel 7 include Si and GaAs, and Si is particularly preferable. Moreover, although the magnetic field sensitivity becomes worse as the spin lifetime in the channel 7 is shorter, a wide range of magnetic fields can be detected.

また、上述した磁気センサ1の製造方法では、障壁としてMgO層を半導体層上に形成する例を示したが、障壁としてMgAl層を半導体層上に形成してもよい。この場合、例えば、チャンネル7となる半導体層(例えばSi)の表面を洗浄する。次いで、洗浄された半導体層上にMg膜、Al膜を順に成膜し、その後、酸化チャンバーにおいて酸化工程を行う。障壁の膜厚が所定の膜厚に達するまで、このMg膜、Al膜の酸化工程を繰り返し行う。但し、かかる繰り返し工程における最後の工程では、Mg膜、Al膜、Mg膜の順に成膜を実施する。また、Mg膜とAl膜との比が定量比となるように実施する。続いて、上述した磁気センサ1の製造方法と同様に、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bや、Cap層(例えば上述のシンセティック複合膜)を障壁の上に形成する。その後、磁場下でのアニール(例えば250度、3時間、3kOe)を実施することにより、MgAl層の結晶膜を形成する。 In the manufacturing method of the magnetic sensor 1 described above, although an example of forming the MgO layer on the semiconductor layer as a barrier may be formed MgAl 2 O 4 layer on the semiconductor layer as a barrier. In this case, for example, the surface of the semiconductor layer (for example, Si) that becomes the channel 7 is cleaned. Next, an Mg film and an Al film are sequentially formed on the cleaned semiconductor layer, and then an oxidation process is performed in an oxidation chamber. This Mg film and Al film oxidation process is repeated until the barrier film thickness reaches a predetermined film thickness. However, in the last step in such a repetition step, the Mg film, the Al film, and the Mg film are formed in this order. Moreover, it implements so that ratio of Mg film | membrane and Al film | membrane may become a quantitative ratio. Subsequently, similarly to the method for manufacturing the magnetic sensor 1 described above, the first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the Cap layer (for example, the above-described synthetic composite film) are formed on the barrier. Thereafter, annealing is performed under a magnetic field (for example, 250 degrees, 3 hours, 3 kOe) to form a MgAl 2 O 4 layer crystal film.

また、主チャンネル層7aと、第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの少なくとも一方との間に設けられる障壁として、絶縁膜からなるトンネル障壁を適用する例を示したが、障壁はショットキー障壁でもよい。このようなショットキー障壁は、例えば、金属からなる第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの少なくとも一方が、半導体からなる主チャンネル層7aとショットキー接合することで形成される。あるいは、ショットキー障壁は、主チャンネル層7aと第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの少なくとも一方との間に配置された金属層が、半導体からなる主チャンネル層7aとショットキー接合することで形成されてもよい。   Further, an example in which a tunnel barrier made of an insulating film is applied as a barrier provided between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has been shown. A Schottky barrier may be used. Such a Schottky barrier is formed, for example, when at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B made of metal is in Schottky junction with the main channel layer 7a made of semiconductor. Alternatively, the Schottky barrier is configured such that the metal layer disposed between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has a Schottky junction with the main channel layer 7a made of a semiconductor. It may be formed by doing.

図5は、薄膜磁気記録再生ヘッド(磁気ヘッド)100Aを示す模式図である。上述の磁気センサ1を薄膜磁気記録再生ヘッド100Aの読取ヘッド部100aに適用することができる。具体的に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)ABS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。上述の磁気センサ1における貫通穴Hから露出した突出チャンネル層7bの端面7cが、このエアベアリング面ABSに対応するように配置されることとなる。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a thin film magnetic recording / reproducing head (magnetic head) 100A. The magnetic sensor 1 described above can be applied to the read head portion 100a of the thin film magnetic recording / reproducing head 100A. Specifically, the thin film magnetic recording / reproducing head 100 </ b> A performs magnetic information recording and reading operations at a position where its air bearing surface (air bearing surface) ABS is disposed opposite to the recording surface 20 a of the magnetic recording medium 20. I do. The end surface 7c of the protruding channel layer 7b exposed from the through hole H in the magnetic sensor 1 is disposed so as to correspond to the air bearing surface ABS.

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5中Z軸方向で示す方向に、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読取ヘッド部100aの他に、磁気記録媒体20への記録を行う記録ヘッド部100bを備える。読取ヘッド部100a及び記録ヘッド部100bは、基板21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。   The magnetic recording medium 20 includes a recording layer 20b having a recording surface 20a and a soft magnetic backing layer 20c laminated on the recording layer 20b. A thin film is formed in the direction indicated by the Z-axis direction in FIG. Progress relative to the magnetic recording / reproducing head 100A. The thin-film magnetic recording / reproducing head 100 </ b> A includes a recording head unit 100 b that performs recording on the magnetic recording medium 20 in addition to the reading head unit 100 a that reads records from the magnetic recording medium 20. The read head unit 100a and the recording head unit 100b are provided on the substrate 21 and are covered with a nonmagnetic insulating layer such as alumina.

図5に示すように、読取ヘッド部100aの上に、書き込み用の記録ヘッド部100bが設けられている。記録ヘッド部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。以上のように、本発明の磁気センサ1を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な薄膜磁気記録再生ヘッド100Aを提供できる。   As shown in FIG. 5, a recording head unit 100b for writing is provided on the reading head unit 100a. In the recording head portion 100b, a contact portion 32 and a main magnetic pole 33 are provided on the return yoke 30, and these form a magnetic flux path. A thin film coil 31 is provided so as to surround the contact portion 32. When a recording current is passed through the thin film coil 31, magnetic flux is emitted from the tip of the main magnetic pole 33, and information is recorded on the recording layer 20b of the magnetic recording medium 20 such as a hard disk. Can be recorded. As described above, the thin film magnetic recording / reproducing head 100A capable of detecting a magnetic flux from a minute region such as a recording medium can be provided by using the magnetic sensor 1 of the present invention.

また、例えば、チャンネル7として例えばグラフェン層70aを用いることができる。グラフェン層70aは、スピン注入によりスピンが蓄積される層である。グラフェンとは、炭素原子が6角形の網の目状に平面的に結合した構造のシートである。グラフェン層70aは、複数のグラフェンシートが積層したものであってもよいが、3層以下のグラフェンシートであることが好ましく、2層以下がより好ましく、単層グラフェンシートであることが最も好ましい。これにより、グラフェン層70aの厚みを極限まで薄くでき、極めて微小領域からの磁束を選択的に検出可能となる。   For example, the graphene layer 70 a can be used as the channel 7, for example. The graphene layer 70a is a layer in which spins are accumulated by spin injection. Graphene is a sheet having a structure in which carbon atoms are planarly bonded in a hexagonal network. The graphene layer 70a may be a laminate of a plurality of graphene sheets, but is preferably a graphene sheet having three or less layers, more preferably two or less layers, and most preferably a single-layer graphene sheet. As a result, the thickness of the graphene layer 70a can be made as thin as possible, and the magnetic flux from an extremely small region can be selectively detected.

このようなグラフェン層70aは、例えば、剥離用、分解法により得ることができる。剥離法では、例えば、図11(a)に示すように、高配向熱分解グラファイト(HOPG)400を用意する。この高配向熱分解グラファイト(HOPG)400は、単層グラフェンシート401が多数積層されたものである。また、有機溶媒に可溶なフィルム基材501上に、レジスト層503を塗布した剥離板500を用意する。   Such a graphene layer 70a can be obtained by, for example, a peeling or decomposition method. In the peeling method, for example, as shown in FIG. 11A, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) 400 is prepared. This highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) 400 is obtained by laminating a large number of single-layer graphene sheets 401. In addition, a release plate 500 in which a resist layer 503 is applied on a film substrate 501 that is soluble in an organic solvent is prepared.

続いて、図11(b)に示すように、常圧下でフィルム基材501上のレジスト層503をHOPG400と接触させる。これにより、レジスト層50とHOPG400とが付着する。続いて、HOPG400と剥離板500とを真空下におき、図11(c)に示すように、HOPG400から剥離板500をはがす。これにより、剥離板500のレジスト層503上に、最初のHOPG400から、一部の、すなわち、1層又は複数層のグラフェンシートが剥離されて付着する。   Subsequently, as shown in FIG. 11B, the resist layer 503 on the film substrate 501 is brought into contact with the HOPG 400 under normal pressure. As a result, the resist layer 50 and the HOPG 400 are attached. Subsequently, the HOPG 400 and the peeling plate 500 are placed under vacuum, and the peeling plate 500 is peeled from the HOPG 400 as shown in FIG. Thereby, a part of the graphene sheet, that is, one layer or a plurality of layers of the graphene sheet is peeled and attached from the first HOPG 400 on the resist layer 503 of the peeling plate 500.

さらに、図12(a)に示すように、別の剥離板500を用意し、真空を維持した状態で、剥離された複数層のグラフェンシート401にレジストを接触させ、再び、図12(b)に示すように剥離する。このような作業を、付着したレジスト層が、所望の膜厚になるように光学顕微鏡等で観察しながら、この付着、剥離を真空中で繰り返す。   Further, as shown in FIG. 12 (a), another release plate 500 is prepared, and the resist is brought into contact with the peeled plural layers of graphene sheets 401 in a state where the vacuum is maintained. Peel off as shown. Such adhesion and peeling are repeated in vacuum while observing such an operation with an optical microscope or the like so that the adhered resist layer has a desired film thickness.

その後、剥離板500のレジスト層503上に付着したグラフェンシート401を、基材、図12(c)に示すように、例えば、基板21上に、下部絶縁層22、中間絶縁層23、及び第2磁気シールド層S2を積層した基材の中間絶縁層23上に真空中で付着させ、その後、常圧に戻してから有機溶媒でフィルム基材501を溶かし、レジストを溶解・洗浄することにより、図12(d)に示すように、剥離板500から所望の基材上に所望の層数のグラフェンシート401を配置することができる。   After that, the graphene sheet 401 attached on the resist layer 503 of the peeling plate 500 is formed on the base material, for example, on the substrate 21 as shown in FIG. (2) By adhering in vacuum on the intermediate insulating layer 23 of the base material on which the magnetic shield layer S2 is laminated, and then returning to normal pressure, dissolving the film base material 501 with an organic solvent, dissolving and washing the resist, As illustrated in FIG. 12D, a graphene sheet 401 having a desired number of layers can be disposed on a desired base material from the release plate 500.

また、分解法では、まず、例えば、CVD法等により形成したSiC層に対して必要に応じて、酸化及び水素エッチングを行なった後、電子衝撃加熱等によってシリコン原子を脱離させることによって、SiC層上に、グラフェンシートを形成できる。   Further, in the decomposition method, first, for example, after performing oxidation and hydrogen etching on the SiC layer formed by the CVD method or the like as necessary, the silicon atoms are desorbed by electron impact heating or the like, so that the SiC layer is desorbed. A graphene sheet can be formed on the layer.

また、図4(a)に示したように、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間で主チャンネル層7aが第1方向の直線に沿って延びる例を示したが、チャンネル7の形状はこれに限定されない。例えば、積層方向(Z軸方向)から見て、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間で主チャンネル層7aがV字状、U字状、弧状でも実施は可能である。   In addition, as shown in FIG. 4A, an example in which the main channel layer 7a extends along a straight line in the first direction between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is shown. The shape of the channel 7 is not limited to this. For example, when viewed from the stacking direction (Z-axis direction), the main channel layer 7a may be V-shaped, U-shaped, or arc-shaped between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. .

1…磁気センサ、7…チャンネル、7a…主チャンネル層、7b…突出チャンネル層、7c…端面、12A…第1強磁性層、12B…第2強磁性層、21…基板、22…下部絶縁層、23…中間絶縁層、24…チャンネル−磁気シールド間絶縁層、81A…絶縁膜、81B…絶縁膜、S…磁気シールド、S1…第1磁気シールド層、S2…第2磁気シールド層、H…貫通穴。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic sensor, 7 ... Channel, 7a ... Main channel layer, 7b ... Projection channel layer, 7c ... End surface, 12A ... First ferromagnetic layer, 12B ... Second ferromagnetic layer, 21 ... Substrate, 22 ... Lower insulating layer 23 ... intermediate insulation layer, 24 ... channel-magnetic shield insulation layer, 81A ... insulation film, 81B ... insulation film, S ... magnetic shield, S1 ... first magnetic shield layer, S2 ... second magnetic shield layer, H ... Through hole.

Claims (15)

第1領域、第2領域、及び第3領域を有し、第1方向に延びる主チャンネル層、
前記第1領域上に積層された第1強磁性層、
前記第2領域上に積層された第2強磁性層、
前記主チャンネル層における、前記第1領域と前記第2領域との間の前記第3領域の側面から前記主チャンネル層の厚み方向に垂直な方向に突出する突出チャンネル層、
前記突出チャンネル層の厚み方向の両側、及び前記突出チャンネル層の前記第1方向の両側を覆い、かつ、前記突出チャンネル層の前記突出方向の端面を露出させる磁気シールドを備え、
前記第1強磁性層の磁化の方向が、前記第2強磁性層の磁化の方向に対して反平行である、磁気抵抗型の磁気センサ。
A main channel layer having a first region, a second region, and a third region and extending in a first direction;
A first ferromagnetic layer stacked on the first region;
A second ferromagnetic layer stacked on the second region;
A protruding channel layer protruding in a direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer from a side surface of the third region between the first region and the second region in the main channel layer;
A magnetic shield that covers both sides of the protruding channel layer in the thickness direction and both sides of the protruding channel layer in the first direction and exposes end surfaces of the protruding channel layer in the protruding direction;
A magnetoresistive magnetic sensor in which a magnetization direction of the first ferromagnetic layer is antiparallel to a magnetization direction of the second ferromagnetic layer.
前記第1強磁性層の前記磁化の方向及び前記第2強磁性層の前記磁化の方向は、前記突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向である、請求項1に記載の磁気センサ。   2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are perpendicular to a direction in which the protruding channel layer protrudes. 前記第1強磁性層の前記磁化の方向は、前記第1方向に平行な方向であり、
前記第2強磁性層の前記磁化の方向は、前記第1方向に反平行な方向である、請求項1又は請求項2に記載の磁気センサ。
The direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the first direction;
The magnetic sensor according to claim 1 or 2, wherein the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is a direction antiparallel to the first direction.
前記第1強磁性層の前記磁化の方向は、前記チャンネル層に対する前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層の積層方向に平行な方向であり、
前記第2強磁性層の前記磁化の方向は、前記チャンネル層に対する前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層の積層方向に反平行な方向である、請求項1又は請求項2に記載の磁気センサ。
The magnetization direction of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer with respect to the channel layer,
The direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer is a direction antiparallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers with respect to the channel layer. Magnetic sensor.
前記第1強磁性層の前記磁化の方向及び前記第2強磁性層の前記磁化の方向のうち少なくとも一方は、前記第1強磁性層あるいは前記第2強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されている、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の磁気センサ。   At least one of the direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer and the direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer is an anti-reflection layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic sensor is fixed by a ferromagnetic layer. 前記第1強磁性層の前記磁化の方向及び前記第2強磁性層の前記磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されている、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetization direction of at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by shape anisotropy. The magnetic sensor as described in any one. 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層間において、前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層の表面は絶縁膜に覆われている、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の磁気センサ。   7. The surface of the main channel layer and the protruding channel layer is covered with an insulating film between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, according to claim 1. Magnetic sensor. 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層間において、前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層は前記磁気シールドと電気的に絶縁されている、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The main channel layer and the protruding channel layer are electrically insulated from the magnetic shield between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, respectively. The magnetic sensor described. 前記突出チャンネル層の前記端面を介して前記主チャンネル層に磁界を供給する永久磁石をさらに備える、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, further comprising a permanent magnet that supplies a magnetic field to the main channel layer through the end face of the protruding channel layer. 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層の材料は、Cr、Mn、Co、Fe、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以上の元素と、B、C、N、Si、Geからなる群から選択される1以上の元素とを含む化合物である、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or from the group The compound according to any one of claims 1 to 9, which is a compound including one or more elements selected and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge. Magnetic sensor. 前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層の材料は、Si、Ge、GaAs、C、ZnOのうちのいずれか1つを含む半導体である、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の磁気センサ。   11. The material according to claim 1, wherein a material of the main channel layer and the protruding channel layer is a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Magnetic sensor. 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層の少なくとも一方と、前記主チャンネル層との間に、障壁が形成されている、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetic field according to any one of claims 1 to 11, wherein a barrier is formed between at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and the main channel layer. Sensor. 前記障壁は、MgO膜、Al膜、TiO膜、MgAl膜、又はZnO膜からなるトンネル障壁である、請求項12に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 12, wherein the barrier is a tunnel barrier made of an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, an MgAl 2 O 4 film, or a ZnO film. 前記障壁はショットキー障壁である、請求項12に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor of claim 12, wherein the barrier is a Schottky barrier. 請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部とを備える、磁気ヘッド。   A magnetic head comprising: a read head unit comprising the magnetic sensor according to claim 1; and a recording head unit for writing.
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JP5920510B1 (en) * 2015-03-25 2016-05-18 Tdk株式会社 Magnet member
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