JP2018032459A - Magnetoresistance effect element and magnetic sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistance effect element with high SN ratio, and a magnetic sensor.SOLUTION: A magnetoresistance effect element 1 comprises a channel layer 7, a first ferromagnetic layer 12A, a second ferromagnetic layer 12B, and a reference electrode 20. The first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the reference electrode 20 are separate from each other and electrically connected to each other via the channel layer 7. The channel layer 7 includes: a first area A1 overlapping with the first ferromagnetic layer 12A when viewed from a depthwise direction; a second area A2 overlapping with the second ferromagnetic layer 12B when viewed from the depthwise direction; and a third area A3 between the first area A1 and the second area A2. At least part of the reference electrode 20 is in contact with an area including the first area, the second area A2 and the third area A3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気センサに関するものである。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic sensor.

薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる再生素子として、磁気抵抗効果素子が知られている。一般的な磁気抵抗効果素子は、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの層の間に電流を流すため、高出力が得られる。   A magnetoresistive element is known as a reproducing element used in a thin film magnetic recording / reproducing head or the like. Since a general magnetoresistive effect element passes a current between the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, and these layers, a high output can be obtained.

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面上(スピンを蓄積するためのチャネル層上)に形成するスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が知られている。スピン蓄積型磁気抵抗効果素子は、例えば、薄膜磁気記録再生ヘッド等の磁気センサに用いられた場合、高い空間分解能が得られることが期待されている。また、デバイス設計の自由度を向上できる利点も期待されている。特許文献1には、2つの強磁性電極と2つの非磁性電極を有する4端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献2には、2つの強磁性電極と1つの非磁性電極を有する3端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。   On the other hand, a spin accumulation type magnetoresistive effect element is known in which a magnetization free layer and a magnetization fixed layer are formed on the same horizontal plane (on a channel layer for accumulating spins). The spin accumulation type magnetoresistive effect element is expected to obtain a high spatial resolution when used in a magnetic sensor such as a thin film magnetic recording / reproducing head. In addition, an advantage that the degree of freedom in device design can be improved is also expected. Patent Document 1 discloses a four-terminal spin accumulation type magnetoresistive element having two ferromagnetic electrodes and two nonmagnetic electrodes. Patent Document 2 discloses a three-terminal spin accumulation type magnetoresistive effect element having two ferromagnetic electrodes and one nonmagnetic electrode.

特許文献2には、図9に示すような磁気抵抗効果素子1xが記載されている。磁気抵抗効果素子1xは、支持基板30x上に下地絶縁層80xを介してチャネル層7xを有し、チャネル層7x上に、障壁層14Axを介して第1強磁性層12Axを有し、障壁層14Bxを介して第2強磁性層12Bxを有している。チャネル層7xは、第1強磁性層12Axとチャネル層7xの厚み方向から見て重なる第1領域A1xと、第2強磁性層12Bxとチャネル層7xの厚み方向から見て重なる第2領域A2xとを有している。さらに、チャネル層7xは図9に示すような延在部AExを有している。磁気抵抗効果素子1xにおいて、延在部AExは、第2領域A2xから離間して設けられた参照電極20x(非磁性電極)とチャネル層7xの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第2領域A2xとの間の領域とからなる領域である。   Patent Document 2 describes a magnetoresistive effect element 1x as shown in FIG. The magnetoresistive effect element 1x has a channel layer 7x on a support substrate 30x through a base insulating layer 80x, and has a first ferromagnetic layer 12Ax on the channel layer 7x through a barrier layer 14Ax. The second ferromagnetic layer 12Bx is provided via 14Bx. The channel layer 7x includes a first region A1x that overlaps the first ferromagnetic layer 12Ax when viewed from the thickness direction of the channel layer 7x, and a second region A2x that overlaps when viewed from the thickness direction of the second ferromagnetic layer 12Bx and the channel layer 7x. have. Further, the channel layer 7x has an extending portion AEx as shown in FIG. In the magnetoresistive effect element 1x, the extending portion AEx includes a reference electrode 20x (nonmagnetic electrode) provided apart from the second region A2x and a region overlapping with the channel layer 7x as viewed in the thickness direction, This is a region composed of a region between two regions A2x.

特開2010−287666号公報JP 2010-287666 A 国際公開第2015/076187号International Publication No. 2015/076187

しかしながら、スピン蓄積型磁気抵抗効果素子を実用的なものにするには、信号雑音比(SN比)はいまだに小さく、SN比のさらなる向上が必要である。本発明は、高いSN比を有する磁気抵抗効果素子および磁気センサを提供することを目的とする。   However, in order to make a spin accumulation type magnetoresistive element practical, the signal-to-noise ratio (S / N ratio) is still small, and further improvement of the S / N ratio is necessary. An object of this invention is to provide the magnetoresistive effect element and magnetic sensor which have a high S / N ratio.

上記の課題を解決するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、チャネル層と、第1強磁性層と、第2強磁性層と、参照電極とを有し、前記第1強磁性層と、前記第2強磁性層と、前記参照電極とは、互いに離間し、かつ、前記チャネル層を介して互いに電気的に接続され、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とは、前記チャネル層の厚み方向から見て互いに重ならずに離間しており、前記チャネル層は、前記第1強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第1領域、前記第2強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第2領域および、前記第1領域と前記第2領域との間の第3領域を有し、前記参照電極の少なくとも一部が、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域からなる領域に接していることを特徴とする。   In order to solve the above problem, a magnetoresistive element of the present invention includes a channel layer, a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and a reference electrode, and the first ferromagnetic layer, The second ferromagnetic layer and the reference electrode are separated from each other and electrically connected to each other through the channel layer, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are The channel layers are separated from each other without overlapping with each other when viewed from the thickness direction of the channel layer, and the channel layer includes a first region overlapping with the first ferromagnetic layer when viewed from the thickness direction, the second ferromagnetic layer, and the thickness. A second region that overlaps when viewed from the direction, and a third region between the first region and the second region, wherein at least part of the reference electrode includes the first region, the second region, and the second region It is characterized in that it is in contact with a region composed of the third region.

上記の磁気抵抗効果素子に対し、第1強磁性層と第2強磁性層との間に第1強磁性層から第2強磁性層へチャネル層を介してスピン偏極キャリアを流すことにより、チャネル層の第2領域にスピンが蓄積され、チャネル層を介して第2強磁性層および参照電極の間において電圧(出力信号)を検出することにより、第1強磁性層の磁化方向と第2強磁性層の磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が検出される。上記の磁気抵抗効果素子によれば、第1領域、第2領域および第3領域からなる領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層の延在部(チャネル層全体からスピン偏極キャリアが流れる部分を除いた部分)の体積を小さくすることができる。その結果、チャネル層の第2領域に蓄積したスピンの第2領域から延在部への拡散を抑制することができ、第2領域にスピンを高密度に蓄積することができる。したがって、本発明の磁気抵抗効果素子の出力信号を大きくすることができ、高いSN比を実現することができる。   For the magnetoresistive element described above, by causing spin-polarized carriers to flow from the first ferromagnetic layer to the second ferromagnetic layer through the channel layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, Spin is accumulated in the second region of the channel layer, and a voltage (output signal) is detected between the second ferromagnetic layer and the reference electrode via the channel layer, so that the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the second A resistance change corresponding to a change in the relative angle of the magnetization direction of the ferromagnetic layer is detected. According to the magnetoresistive effect element described above, the channel layer extending portion (channel layer) can be formed as compared with the case where the region composed of the first region, the second region, and the third region and the reference electrode are arranged apart from each other. The volume of the entire portion excluding the portion where spin-polarized carriers flow can be reduced. As a result, diffusion of spin accumulated in the second region of the channel layer from the second region to the extending portion can be suppressed, and spins can be accumulated in the second region with high density. Therefore, the output signal of the magnetoresistive effect element of the present invention can be increased, and a high S / N ratio can be realized.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の少なくとも一部が前記第2領域に接していることを特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive effect element of the present invention is characterized in that at least a part of the reference electrode is in contact with the second region.

これによれば、参照電極の少なくとも一部が第1領域、第2領域および第3領域からなる領域と接するとともに第2領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層と参照電極との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。   According to this, as compared with the case where at least a part of the reference electrode is in contact with the region including the first region, the second region, and the third region, the second region and the reference electrode are spaced apart from each other. When the contact area of the layer and the reference electrode is the same, the volume of the region where the part where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and the part where the voltage is detected (spin detection path) overlaps in the channel layer Can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistive element of the present invention can be reduced.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第1領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive element of the present invention is characterized in that the first region is not in contact with the reference electrode.

これによれば、第1領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。   According to this, compared with the case where the first region and the reference electrode are in contact with each other, there are a portion where the spin-polarized carriers flow in the channel layer (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path). The volume of the overlapping region can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistive element of the present invention can be reduced.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第3領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive element of the present invention is characterized in that the third region is not in contact with the reference electrode.

これによれば、第3領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。   According to this, as compared with the case where the third region and the reference electrode are in contact with each other, the portion where the spin-polarized carriers flow in the channel layer (spin transport path) and the portion where the voltage is detected (spin detection path) are formed. The volume of the overlapping region can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistive element of the present invention can be reduced.

また、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の熱伝導率が前記チャネル層の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。   In the magnetoresistive element of the invention, the thermal conductivity of the reference electrode is smaller than the thermal conductivity of the channel layer.

これによれば、チャネル層のスピン輸送経路内において生じるジュール熱の参照電極による放熱作用を抑制することができ、チャネル層の内部における温度勾配を小さくすることができる。チャネル層の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、本発明の磁気抵抗効果素子のSN比をさらに高くすることができる。   According to this, the heat radiation effect by the reference electrode of Joule heat generated in the spin transport path of the channel layer can be suppressed, and the temperature gradient inside the channel layer can be reduced. Since the output noise decreases as the temperature gradient inside the channel layer decreases, the SN ratio of the magnetoresistive element of the present invention can be further increased.

さらに、本発明の磁気センサは、上記の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。   Furthermore, the magnetic sensor of the present invention is characterized by having the magnetoresistive element described above.

これによれば、高いSN比を有する磁気センサを実現することが出来る。   According to this, a magnetic sensor having a high S / N ratio can be realized.

本発明によれば、高いSN比を有する磁気抵抗効果素子および磁気センサを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the magnetoresistive effect element and magnetic sensor which have high SN ratio can be provided.

図1は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a modification of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図3は、第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. 図4は、第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a modification of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. 図5は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment. 図6は、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a modification of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment. 図7は、第4実施形態に係る磁気センサの要部断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of a magnetic sensor according to the fourth embodiment. 図8は、図7の磁性媒体対向面(X方向)から見た側面図である。FIG. 8 is a side view seen from the magnetic medium facing surface (X direction) of FIG. 図9は、従来例に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a magnetoresistive effect element according to a conventional example.

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Preferred embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are equivalent. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of components can be made without departing from the scope of the present invention.

(第1実施形態)
以下、図面を参照して、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子1について説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the magnetoresistive effect element 1 according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.

(基本構造)
図1は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子1の斜視図である。図1に示すように、磁気抵抗効果素子1は、チャネル層7と、第1強磁性層12Aと、第2強磁性層12Bと、参照電極20とを有している。チャネル層7および参照電極20は、下地絶縁層80を介して支持基板30上に設けられている。第1強磁性層12Aと、第2強磁性層12Bと、参照電極20とは、互いに離間し、かつ、チャネル層7を介して互いに電気的に接続されている。第1強磁性層12Aと、第2強磁性層12Bとは、チャネル層7の厚み方向から見て互いに重ならずに離間している。チャネル層7は、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとが並ぶ方向(膜面内における方向)が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向(膜面内における方向)が短辺方向である矩形の平面視形状を有しており、直方体形状となっている。
(Basic structure)
FIG. 1 is a perspective view of a magnetoresistive element 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the magnetoresistive effect element 1 includes a channel layer 7, a first ferromagnetic layer 12 </ b> A, a second ferromagnetic layer 12 </ b> B, and a reference electrode 20. The channel layer 7 and the reference electrode 20 are provided on the support substrate 30 through the base insulating layer 80. The first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the reference electrode 20 are separated from each other and are electrically connected to each other through the channel layer 7. The first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B are separated from each other without overlapping each other when viewed from the thickness direction of the channel layer 7. In the channel layer 7, the direction in which the first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B are aligned (the direction in the film surface) is the long side direction, and the direction perpendicular to the long side direction (the direction in the film surface) ) Has a rectangular plan view shape that is a short side direction, and has a rectangular parallelepiped shape.

チャネル層7は、チャネル層7の厚み方向で互いに対向する第1の面と第2の面とを有している。磁気抵抗効果素子1では、第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bは、チャネル層7の第1の面の側(図1に示される例では、チャネル層7の上面側)に設けられている。   The channel layer 7 has a first surface and a second surface that face each other in the thickness direction of the channel layer 7. In the magnetoresistive effect element 1, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are provided on the first surface side of the channel layer 7 (in the example shown in FIG. 1, the upper surface side of the channel layer 7). It has been.

第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bは、これらの間を第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bへチャネル層7を介してスピン偏極キャリア(電子またはホール)が流れる部分であり、第2強磁性層12Bおよび参照電極20は、チャネル層7を介して電圧が検出される部分である。   Between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, spin-polarized carriers (electrons or holes) flow through the channel layer 7 from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. The second ferromagnetic layer 12 </ b> B and the reference electrode 20 are portions where a voltage is detected via the channel layer 7.

チャネル層7は、第1強磁性層12Aとチャネル層7の厚み方向から見て重なる第1領域A1、第2強磁性層12Bとチャネル層7の厚み方向から見て重なる第2領域A2および、第1領域A1と第2領域A2との間の第3領域A3を有している。   The channel layer 7 includes a first region A1 that overlaps the first ferromagnetic layer 12A when viewed from the thickness direction of the channel layer 7, a second region A2 that overlaps when viewed from the thickness direction of the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7, and A third area A3 is provided between the first area A1 and the second area A2.

参照電極20は少なくとも一部が、第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域に接するように設けられている。図1に示す例では、参照電極20は少なくとも一部が、第2領域A2に接するように設けられている。磁気抵抗効果素子1では、参照電極20が、チャネル層7の第2の面の側(図1に示す例では、チャネル層7の下面側)に設けられ、第2領域A2の下面に接するように配置されている。すなわち、参照電極20は、第2強磁性層12Bとチャネル層7の厚み方向から見て重なる位置に配置されている。磁気抵抗効果素子1では、参照電極20は、第2領域A2の下面の全面のみでチャネル層7と接しており、第1領域A1および第3領域A3とは接していない。   The reference electrode 20 is provided so that at least a part thereof is in contact with a region composed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. In the example shown in FIG. 1, at least a part of the reference electrode 20 is provided in contact with the second region A2. In the magnetoresistive effect element 1, the reference electrode 20 is provided on the second surface side of the channel layer 7 (in the example shown in FIG. 1, on the lower surface side of the channel layer 7), and is in contact with the lower surface of the second region A2. Is arranged. That is, the reference electrode 20 is arranged at a position overlapping the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7 when viewed from the thickness direction. In the magnetoresistive effect element 1, the reference electrode 20 is in contact with the channel layer 7 only on the entire lower surface of the second region A2, and is not in contact with the first region A1 and the third region A3.

磁気抵抗効果素子1では、第1強磁性層12A、第1領域A1、第3領域A3、第2領域A2および第2強磁性層12Bがスピン輸送経路に相当する領域(スピン偏極キャリアが流れる部分)であり、第2強磁性層12B、第2領域A2および参照電極20がスピン検出経路に相当する領域(電圧が検出される部分)である。   In the magnetoresistive element 1, the first ferromagnetic layer 12A, the first region A1, the third region A3, the second region A2, and the second ferromagnetic layer 12B are regions corresponding to the spin transport path (spin-polarized carriers flow). And the second ferromagnetic layer 12B, the second region A2, and the reference electrode 20 are regions corresponding to the spin detection path (portions where voltage is detected).

第1強磁性層12Aとチャネル層7との間には、障壁層14Aが設けられ、第2強磁性層12Bとチャネル層7との間には、障壁層14Bが設けられている。 A barrier layer 14 A is provided between the first ferromagnetic layer 12 A and the channel layer 7, and a barrier layer 14 B is provided between the second ferromagnetic layer 12 B and the channel layer 7.

(支持基板および下地絶縁層)
支持基板30の材料としては、例えば、AlTiCまたはSiが挙げられる。支持基板30上に設けられる下地絶縁層80の材料としては、例えばSiO(酸化シリコン)、HfO(酸化ハフニウム)またはSiN(窒化シリコン)などが挙げられる。下地絶縁層80の熱伝導率は、チャネル層7の熱伝導率よりも小さくなっている。
(Support substrate and base insulating layer)
Examples of the material of the support substrate 30 include AlTiC or Si. Examples of the material of the base insulating layer 80 provided on the support substrate 30 include SiO x (silicon oxide), HfO x (hafnium oxide), SiN x (silicon nitride), and the like. The thermal conductivity of the base insulating layer 80 is smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7.

(強磁性層)
第1強磁性層12A及び第2強磁性層12Bの材料としては、例えば、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群の金属を1種以上含む合金、又は、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される1又は複数の金属と、B、C、N、Al、Si、Ga及びGeからなる群から選択される1種以上の元素とを含む合金が挙げられ、具体的には、CoFeBまたはNiFe等が挙げられる。
(Ferromagnetic layer)
As a material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, for example, a metal selected from the group consisting of Co, Fe and Ni, a metal of the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni are 1 An alloy containing at least seeds, or one or more metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and a group consisting of B, C, N, Al, Si, Ga and Ge Examples include alloys containing one or more elements, and specific examples include CoFeB or NiFe.

(障壁層)
第1強磁性層12Aとチャネル層7との間には、障壁層14Aが設けられているので、第1強磁性層12Aからチャネル層7へスピン偏極したキャリア(電子またはホール)を多く注入することが可能となり、磁気抵抗効果素子1の出力信号を高めることが可能となる。第2強磁性層12Bとチャネル層7との間には、障壁層14Bが設けられているので、第2強磁性層12Bとチャネル層7との間におけるスピン偏極キャリアのスピン偏極率の低下が抑制され、第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bへの効率的なスピンの輸送が可能になる。
(Barrier layer)
Since the barrier layer 14A is provided between the first ferromagnetic layer 12A and the channel layer 7, many spin-polarized carriers (electrons or holes) are injected from the first ferromagnetic layer 12A to the channel layer 7. Thus, the output signal of the magnetoresistive effect element 1 can be increased. Since the barrier layer 14B is provided between the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7, the spin polarization rate of the spin-polarized carriers between the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7 can be reduced. The decrease is suppressed, and efficient spin transport from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B becomes possible.

障壁層14A、14Bは、トンネル障壁層であることが好ましい。トンネル障壁層の材料として、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、スピネル酸化膜または酸化亜鉛などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル障壁層として機能させる観点から、トンネル障壁層の膜厚は、3nm以下であることが好ましい。また、トンネル障壁層の膜厚は、1原子層の厚みを考慮して、0.4nm以上であることが好ましい。 The barrier layers 14A and 14B are preferably tunnel barrier layers. As a material of the tunnel barrier layer, for example, magnesium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, spinel oxide film, zinc oxide, or the like can be used. From the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel barrier layer, the thickness of the tunnel barrier layer is preferably 3 nm or less. The thickness of the tunnel barrier layer is preferably 0.4 nm or more in consideration of the thickness of one atomic layer.

(チャネル層)
チャネル層7はスピンが輸送・蓄積される層である。チャネル層7の材料は、非磁性材料であり、スピン拡散長が長い材料であることが好ましい。磁気抵抗効果素子1では、チャネル層7の材料は非磁性半導体となっている。この場合、チャネル層7の材料(母材)は、Si、Ge、GaAsおよびC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、チャネル層7の材料は、Cu、AgまたはAl等の非磁性金属とすることもできる。磁気抵抗効果素子1では、チャネル層7の材料は第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3で同じである。
(Channel layer)
The channel layer 7 is a layer in which spin is transported and accumulated. The material of the channel layer 7 is preferably a nonmagnetic material and a material having a long spin diffusion length. In the magnetoresistive effect element 1, the material of the channel layer 7 is a nonmagnetic semiconductor. In this case, the material (base material) of the channel layer 7 can be a semiconductor including any one of Si, Ge, GaAs, and C. The material of the channel layer 7 can also be a nonmagnetic metal such as Cu, Ag, or Al. In the magnetoresistive effect element 1, the material of the channel layer 7 is the same in the first region A1, the second region A2, and the third region A3.

チャネル層7の材料として非磁性半導体を用いる場合、母材となる半導体材料には導電性を付与するための不純物を少量添加(不純物ドーピング)することが好ましい。不純物ドーピングの手法としては、例えば、イオン注入法、熱拡散法などが挙げられる。例えば、母材となる半導体材料としてSi、GeまたはCなどの14族(IV族)の元素を用いる場合、N、P、AsまたはSbなどの15族(V族)の元素を不純物としてドーピングすれば、電子が多数キャリアとなるため、キャリア濃度として電子の濃度を調整することができる。この場合、チャネル層7はn型半導体となる。また、B、AlまたはGaなどの13族(III族)の元素を不純物としてドーピングすれば、ホールが多数キャリアとなるため、キャリア濃度としてホールの濃度を調整することができる。この場合、チャネル層7はp型半導体となる。チャネル層7の不純物濃度は、1.0×1016〜1.0×1021cm−3とすることが好ましい。 When a nonmagnetic semiconductor is used as the material of the channel layer 7, it is preferable to add a small amount of impurities (impurity doping) for imparting conductivity to the semiconductor material as a base material. Examples of the impurity doping method include an ion implantation method and a thermal diffusion method. For example, when a group 14 (group IV) element such as Si, Ge, or C is used as a base semiconductor material, a group 15 (group V) element such as N, P, As, or Sb is doped as an impurity. In this case, since electrons become majority carriers, the electron concentration can be adjusted as the carrier concentration. In this case, the channel layer 7 is an n-type semiconductor. In addition, if a Group 13 (Group III) element such as B, Al, or Ga is doped as an impurity, holes become majority carriers, so that the hole concentration can be adjusted as the carrier concentration. In this case, the channel layer 7 is a p-type semiconductor. The impurity concentration of the channel layer 7 is preferably 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 21 cm −3 .

チャネル層7の材料がn型半導体である場合は、電子がスピン偏極キャリアとなる。この場合、第2強磁性層12Bから第1強磁性層12Aへチャネル層7を介して流れる電流が、第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bから印加される。この場合、第1強磁性層12Aによってスピン偏極を起こした電子が、第1強磁性層12Aから注入され、チャネル層7の内部を第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bの方向に輸送される。これにより、チャネル層7の内部(第2領域A2)にスピンの非平衡状態(スピン蓄積)が生成される。   When the material of the channel layer 7 is an n-type semiconductor, electrons become spin-polarized carriers. In this case, a current flowing from the second ferromagnetic layer 12B to the first ferromagnetic layer 12A via the channel layer 7 is applied from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, electrons whose spin polarization is caused by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A, and the inside of the channel layer 7 is directed from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Be transported to. As a result, a spin non-equilibrium state (spin accumulation) is generated inside the channel layer 7 (second region A2).

チャネル層7の材料がp型半導体である場合は、ホールがスピン偏極キャリアとなる。この場合、第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bへチャネル層7を介して流れる電流が、第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bから印加される。この場合、第1強磁性層12Aによってスピン偏極を起こしたホールが、第1強磁性層12Aから注入され、チャネル層7の内部を第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bの方向に輸送される。これにより、チャネル層7の内部(第2領域A2)にスピンの非平衡状態(スピン蓄積)が生成される。   When the material of the channel layer 7 is a p-type semiconductor, holes become spin-polarized carriers. In this case, a current flowing from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7 is applied from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, holes whose spin polarization is caused by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A, and the inside of the channel layer 7 is directed from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Be transported to. As a result, a spin non-equilibrium state (spin accumulation) is generated inside the channel layer 7 (second region A2).

(参照電極)
図1に示すように、磁気抵抗効果素子1では、参照電極20が、下地絶縁層80の凹部に設けられ、チャネル層7の第2領域A2の下面に接している。
(Reference electrode)
As shown in FIG. 1, in the magnetoresistive effect element 1, the reference electrode 20 is provided in the concave portion of the base insulating layer 80 and is in contact with the lower surface of the second region A <b> 2 of the channel layer 7.

参照電極20の材料は導体である非磁性材料、特に非磁性の金属であることが好ましい。さらに、参照電極20の熱伝導率は、チャネル層7の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。表1に、参照電極20またはチャネル層7に用いることができる主な非磁性材料の例とその熱伝導率を示す。例えば、チャネル層7の材料としてSiを用いる場合、参照電極20に用いる好ましい材料として、Ti、Zr、V、Ta、CrまたはNbなどが挙げられる。チャネル層7の材料としてCuを用いる場合、参照電極20に用いる好ましい材料として、Al、W、Mo、Ti、Zr、V、Ta、CrまたはNbなどが挙げられる。なお、参照電極20の材料として、これらの元素を主成分とする合金や窒化物などを用いてもよい。 The material of the reference electrode 20 is preferably a nonmagnetic material that is a conductor, particularly a nonmagnetic metal. Further, the thermal conductivity of the reference electrode 20 is preferably smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7. Table 1 shows examples of main nonmagnetic materials that can be used for the reference electrode 20 or the channel layer 7 and their thermal conductivity. For example, when Si is used as the material of the channel layer 7, preferable materials used for the reference electrode 20 include Ti, Zr, V, Ta, Cr, Nb, and the like. When Cu is used as the material of the channel layer 7, preferable materials used for the reference electrode 20 include Al, W, Mo, Ti, Zr, V, Ta, Cr, or Nb. Note that, as a material of the reference electrode 20, an alloy or nitride containing these elements as main components may be used.

Figure 2018032459
Figure 2018032459

磁気抵抗効果素子1では、スピン輸送経路に相当する領域にスピン偏極キャリアを流すために、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間に電流が流される。第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間に電流が流れる間、スピン輸送経路内には電流値の二乗とスピン輸送経路の材料の抵抗値に比例した量の熱(ジュール熱)が発生するが、磁気抵抗効果素子1のようにチャネル層7の材料が第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3で同じ場合、チャネル層7のそれぞれの領域においてジュール熱は均一に発生する。 In the magnetoresistive effect element 1, a current flows between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B in order to allow spin-polarized carriers to flow in a region corresponding to the spin transport path. While a current flows between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, an amount of heat (Joule heat) in the spin transport path is proportional to the square of the current value and the resistance value of the material in the spin transport path. However, when the material of the channel layer 7 is the same in the first region A1, the second region A2, and the third region A3 as in the magnetoresistive element 1, the Joule heat is uniform in each region of the channel layer 7. Occurs.

ここで、参照電極20の熱伝導率がチャネル層7の熱伝導率よりも大きい場合、参照電極20とチャネル層7とが接する面において、チャネル層7(熱伝導率が小さい側)から参照電極20(熱伝導率が大きい側)への方向に向かって熱の拡散(放熱)が起こり、チャネル層7の内部に温度勾配が生じてしまう。より具体的には、チャネル層7の温度分布は、第1領域A1側(参照電極20から離れた側)で温度が高く、第2領域A2側(参照電極20に近い側)で温度が低いものになる。 Here, when the thermal conductivity of the reference electrode 20 is larger than the thermal conductivity of the channel layer 7, the reference electrode from the channel layer 7 (the side with the lower thermal conductivity) is formed on the surface where the reference electrode 20 and the channel layer 7 are in contact with each other. Thermal diffusion (heat dissipation) occurs in the direction toward 20 (the side with higher thermal conductivity), and a temperature gradient is generated inside the channel layer 7. More specifically, the temperature distribution of the channel layer 7 is high on the first region A1 side (side away from the reference electrode 20) and low on the second region A2 side (side near the reference electrode 20). Become a thing.

一方、参照電極20の熱伝導率がチャネル層7の熱伝導率よりも小さい場合、チャネル層7の内部で生じたジュール熱の参照電極20の方向への拡散(放熱)は抑制され、チャネル層7の内部において生じる温度勾配は小さく抑制される。チャネル層7の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、この場合、磁気抵抗効果素子1のSN比をさらに高くすることができる。したがって、参照電極20の熱伝導率は、チャネル層7の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。 On the other hand, when the thermal conductivity of the reference electrode 20 is smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7, the diffusion (heat dissipation) of Joule heat generated in the channel layer 7 in the direction of the reference electrode 20 is suppressed, and the channel layer The temperature gradient generated inside 7 is suppressed to be small. The smaller the temperature gradient inside the channel layer 7, the smaller the output noise. In this case, the SN ratio of the magnetoresistive effect element 1 can be further increased. Therefore, the thermal conductivity of the reference electrode 20 is preferably smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7.

(作製方法)
磁気抵抗効果素子1は、例えば、以下の手順で作製することが好ましい。
(Production method)
For example, the magnetoresistive effect element 1 is preferably manufactured by the following procedure.

支持基板30上に絶縁層を有する基板を準備し、フォトリソグラフィ、イオンミリングおよびスパッタリング法などにより、下地絶縁層80に相当する絶縁層、および参照電極20に相当する非磁性導体層からなる構造体を作製する。 A substrate having an insulating layer on a support substrate 30 and comprising an insulating layer corresponding to the base insulating layer 80 and a nonmagnetic conductor layer corresponding to the reference electrode 20 by photolithography, ion milling, sputtering, or the like. Is made.

次に、CMP(化学機械研磨)処理などにより、上記構造体の表面を平坦化し、下地絶縁層80および参照電極20を形成する。また、薬液洗浄やプラズマ処理などにより、下地絶縁層80および参照電極20からなる構造体表面の付着物(パーティクル、有機物、及び自然酸化膜など)を除去し、清浄化する。 Next, the surface of the structure is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like, and the base insulating layer 80 and the reference electrode 20 are formed. In addition, deposits (particles, organic substances, natural oxide film, etc.) on the surface of the structure including the base insulating layer 80 and the reference electrode 20 are removed and cleaned by chemical cleaning or plasma treatment.

次に、MBE(分子線エピタキシー)法などにより、上記構造体上に非磁性半導体層、障壁層および強磁性層を成膜し、積層膜を形成する。 Next, a nonmagnetic semiconductor layer, a barrier layer, and a ferromagnetic layer are formed on the structure by MBE (molecular beam epitaxy) or the like to form a laminated film.

次に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層膜を矩形状にパターニングして、上記構造体の上部にチャネル層7、障壁層および強磁性層からなる積層構造体を作製する。なお、上記積層構造体は、チャネル層7の第2領域に相当する領域の下面のみが、参照電極20の上面と接するようにパターニングされる。 Next, the laminated film is patterned into a rectangular shape by photolithography, ion milling, or the like, so that a laminated structure including a channel layer 7, a barrier layer, and a ferromagnetic layer is formed on the structure. The laminated structure is patterned so that only the lower surface of the region corresponding to the second region of the channel layer 7 is in contact with the upper surface of the reference electrode 20.

最後に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層構造体の障壁層および強磁性層をパターニングし、障壁層14A、第1強磁性層12A、障壁層14Bおよび第2強磁性層12Bを形成する。これにより、チャネル層7の第1領域A1の上部には障壁層14Aおよび第1強磁性層12Aが積層しており、チャネル層7の第2領域A2の上部には障壁層14Bおよび第2強磁性層12Bが積層した構造が作製される。 Finally, the barrier layer and the ferromagnetic layer of the stacked structure are patterned by photolithography and ion milling to form the barrier layer 14A, the first ferromagnetic layer 12A, the barrier layer 14B, and the second ferromagnetic layer 12B. To do. As a result, the barrier layer 14A and the first ferromagnetic layer 12A are stacked above the first region A1 of the channel layer 7, and the barrier layer 14B and the second strong layer are stacked above the second region A2 of the channel layer 7. A structure in which the magnetic layer 12B is laminated is produced.

このように作製された磁気抵抗効果素子1では、チャネル層7の長辺側の側面と、第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に沿う側面)とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層7の短辺側の一方の側面と、第1強磁性層12Aの側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に交差する側面であって、第2強磁性層12Bとは反対側の側面)とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層7の短辺側の他方の側面と、第2強磁性層12Bの側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に交差する側面であって、第1強磁性層12Aとは反対側の側面)とが、同一の面上に存在している。 In the magnetoresistive effect element 1 manufactured in this way, the side surface on the long side of the channel layer 7 and the side surfaces of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B (the first ferromagnetic layer 12A and the second strong layer). The side surfaces along the arrangement direction of the magnetic layer 12B) are present on the same surface. Also, one side surface of the short side of the channel layer 7 and the side surface of the first ferromagnetic layer 12A (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, The side surface opposite to the ferromagnetic layer 12B) exists on the same surface. In addition, the other side surface of the short side of the channel layer 7 and the side surface of the second ferromagnetic layer 12B (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, The side surface opposite to the ferromagnetic layer 12A) exists on the same surface.

なお、チャネル層7における第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bまでの距離は、チャネル層7に用いる材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。 Note that the distance from the first ferromagnetic layer 12 </ b> A to the second ferromagnetic layer 12 </ b> B in the channel layer 7 is preferably equal to or shorter than the spin diffusion length of the material used for the channel layer 7.

(効果の説明)
チャネル層7の材料としてn型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第2強磁性層12Bを正、第1強磁性層12Aを負とする電圧を印加した場合、第2強磁性層12Bからチャネル層7を介して第1強磁性層12Aへと電流が流れるとともに、チャネル層7の内部には、第2領域A2側を正、第1領域A1側を負とした電界が生じる。この場合、第1強磁性層12Aによってスピン偏極を起こした電子が第1強磁性層12Aから注入され、チャネル層7を介し、第2強磁性層12Bへと輸送されるが、チャネル層7の内部においては、スピン偏極した電子が流れる方向と同じ方向にスピン偏極した電子を加速させて輸送しようという力(ドリフト電界)が、スピン偏極した電子に加わる。これにより、スピン偏極した電子が第2領域A2(特に、第2強磁性層12Bと第2領域A2との間の界面付近)に高密度に蓄積する。
(Explanation of effect)
When an n-type semiconductor is used as the material of the channel layer 7 and a voltage with the second ferromagnetic layer 12B being positive and the first ferromagnetic layer 12A being negative is applied in the spin transport path, the second ferromagnetic layer 12B A current flows through the channel layer 7 to the first ferromagnetic layer 12A, and an electric field is generated inside the channel layer 7 with the second region A2 side being positive and the first region A1 side being negative. In this case, electrons that have undergone spin polarization by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A and transported to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7, but the channel layer 7 Inside, the force (drift electric field) for accelerating and transporting the spin-polarized electron in the same direction as the direction of flow of the spin-polarized electron is applied to the spin-polarized electron. As a result, spin-polarized electrons are accumulated at high density in the second region A2 (particularly, near the interface between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2).

チャネル層7の材料としてp型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第1強磁性層12Aを正、第2強磁性層12Bを負とする電圧を印加した場合、第1強磁性層12Aからチャネル層7を介して第2強磁性層12Bへと電流が流れるとともに、チャネル層7の内部には、第1領域A1側を正、第2領域A2側を負とした電界が生じる。この場合、第1強磁性層12Aによってスピン偏極を起こしたホールが第1強磁性層12Aから注入され、チャネル層7を介し、第2強磁性層12Bへと輸送されるが、チャネル層7の内部においては、スピン偏極したホールが流れる方向と同じ方向にスピン偏極したホールを加速させて輸送しようという力(ドリフト電界)が、スピン偏極したホールに加わる。これにより、スピン偏極したホールが第2領域A2(特に、第2強磁性層12Bと第2領域A2との間の界面付近)に高密度に蓄積する。   When a p-type semiconductor is used as the material of the channel layer 7 and a voltage with the first ferromagnetic layer 12A being positive and the second ferromagnetic layer 12B being negative is applied in the spin transport path, the first ferromagnetic layer 12A A current flows through the channel layer 7 to the second ferromagnetic layer 12B, and an electric field is generated inside the channel layer 7 with the first region A1 side being positive and the second region A2 side being negative. In this case, holes whose spin polarization is caused by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A and transported to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7, but the channel layer 7 Inside the, a force (drift electric field) that accelerates and transports the spin-polarized hole in the same direction as the spin-polarized hole flows is applied to the spin-polarized hole. Thereby, spin-polarized holes accumulate at high density in the second region A2 (particularly, near the interface between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2).

このように、スピン偏極キャリアが、第1強磁性層12Aから第2強磁性層12Bの方向に輸送され、第2領域A2にスピンの非平衡状態(スピン蓄積)が生成されることにより、磁気抵抗効果素子1には、第1強磁性層12Aの磁化と第2強磁性層12Bの磁化に起因した磁気抵抗効果が発生し、第1強磁性層12Aの磁化方向と第2強磁性層12Bの磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が生じる。このうち、主に、第2強磁性層12Bとチャネル層7の第2領域A2との間の磁気抵抗効果による抵抗変化に対応した電圧変化(出力値)が、チャネル層7を介して第2強磁性層12Bおよび参照電極20の間において検出される。   Thus, spin-polarized carriers are transported in the direction from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B, and a spin non-equilibrium state (spin accumulation) is generated in the second region A2. In the magnetoresistive effect element 1, a magnetoresistive effect caused by the magnetization of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization of the second ferromagnetic layer 12B occurs, and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer A resistance change corresponding to a change in the relative angle of the magnetization direction of 12B occurs. Among these, the voltage change (output value) corresponding to the resistance change due to the magnetoresistive effect between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2 of the channel layer 7 mainly passes through the channel layer 7 to the second. It is detected between the ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20.

磁気抵抗効果素子1では、参照電極20の少なくとも一部が、第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域に接している。そのため、第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域と参照電極20とが離間して配置されている場合(従来例)に比べて、チャネル層7の延在部(チャネル層全体からスピン輸送経路に相当する領域を除いた部分)の体積を小さくすることができる。   In the magnetoresistive effect element 1, at least a part of the reference electrode 20 is in contact with a region composed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. Therefore, compared with the case where the region composed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3 and the reference electrode 20 are arranged apart from each other (conventional example), the extending portion of the channel layer 7 (channel The volume of the entire layer excluding the region corresponding to the spin transport path can be reduced.

従来例に係る磁気抵抗効果素子1xの斜視図を図9に示す。図9に示すように、磁気抵抗効果素子1xのチャネル層7xは、第2領域A2xから離間して設けられた参照電極20xとチャネル層7xの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第2領域A2xとの間の領域とからなる領域である延在部AExを有している。磁気抵抗効果素子1xにおいて、チャネル層7xは、第1領域A1x、第2領域A2x、第1領域A1xと第2領域A2xの間の領域である第3領域A3xおよび延在部AExから構成されている。参照電極20xは、第2領域A2xには接しておらず、延在部AExに接している。   A perspective view of a magnetoresistive effect element 1x according to a conventional example is shown in FIG. As shown in FIG. 9, the channel layer 7x of the magnetoresistive effect element 1x includes a reference electrode 20x provided apart from the second region A2x and a region overlapping with the channel layer 7x as viewed in the thickness direction, It has the extension part AEx which is an area | region which consists of an area | region between 2 area | regions A2x. In the magnetoresistive effect element 1x, the channel layer 7x includes a first region A1x, a second region A2x, a third region A3x that is a region between the first region A1x and the second region A2x, and an extending portion AEx. Yes. The reference electrode 20x is not in contact with the second region A2x, but is in contact with the extending part AEx.

第2領域A2(A2x)に蓄積したスピンは、第2領域A2(A2x)を中心にチャネル層7(7x)の内部を三次元的に拡散する性質がある。したがって、磁気抵抗効果素子1のように、チャネル層7の延在部の体積を小さくすることにより、第2領域A2に蓄積したスピンの第2領域A2から延在部への方向への拡散を抑制することができる。その結果、第2領域A2にスピンを高密度に蓄積することができ、磁気抵抗効果素子1の出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子1は、高いSN比を有することができる。   The spin accumulated in the second region A2 (A2x) has a property of three-dimensionally diffusing inside the channel layer 7 (7x) around the second region A2 (A2x). Therefore, as in the magnetoresistive effect element 1, by reducing the volume of the extending portion of the channel layer 7, the spin accumulated in the second region A2 is diffused in the direction from the second region A2 to the extending portion. Can be suppressed. As a result, spins can be accumulated in the second region A2 with high density, and the output signal of the magnetoresistive effect element 1 can be increased. Therefore, the magnetoresistive effect element 1 can have a high SN ratio.

なお、磁気抵抗効果素子1では、チャネル層7において、スピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域が存在する。チャネル層7におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積を小さくするほど、スピン輸送経路に生じる電圧降下の影響を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。また、チャネル層7と参照電極20との接触面積が大きいほど、スピン検出経路における抵抗値を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。磁気抵抗効果素子1は、参照電極20の少なくとも一部が第2領域A2に接しているので、参照電極20の少なくとも一部が第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域と接するとともに第2領域A2と参照電極20とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層7と参照電極20との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子1の出力ノイズを小さくすることができる。   In the magnetoresistive effect element 1, there is a region in the channel layer 7 where a portion where a spin-polarized carrier flows (spin transport path) and a portion where a voltage is detected (spin detection path) overlap. As the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path overlap in the channel layer 7 is reduced, the influence of the voltage drop generated in the spin transport path can be reduced and the output noise can be reduced. Further, as the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is larger, the resistance value in the spin detection path can be reduced, and the output noise can be reduced. In the magnetoresistive effect element 1, since at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the second region A2, at least a part of the reference electrode 20 is a region composed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. As compared with the case where the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is the same as compared with the case where the second region A2 and the reference electrode 20 are spaced apart from each other, the spin in the channel layer 7 is compared. It is possible to reduce the volume of the region where the part where the polarized carriers flow (spin transport path) and the part where the voltage is detected (spin detection path) overlap. As a result, the output noise of the magnetoresistive effect element 1 can be reduced.

また、磁気抵抗効果素子1では、参照電極20が第1領域A1に接していないので、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域が、第1領域A1においては存在せず、チャネル層7におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子1の出力ノイズを小さくすることができる。   Further, in the magnetoresistive effect element 1, since the reference electrode 20 is not in contact with the first region A1, a portion where the spin-polarized carriers flow in the channel layer 7 (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path) ) Does not exist in the first region A1, and the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path in the channel layer 7 overlap is small. As a result, the output noise of the magnetoresistive effect element 1 can be reduced.

また、磁気抵抗効果素子1では、参照電極20が第3領域A3に接していないので、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分(スピン輸送経路)と電圧が検出される部分(スピン検出経路)とが重なる領域が、第3領域A3においても存在せず、チャネル層7におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子1の出力ノイズをさらに小さくすることができる。   Further, in the magnetoresistive effect element 1, since the reference electrode 20 is not in contact with the third region A3, a portion where the spin-polarized carriers flow in the channel layer 7 (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path) ) Does not exist even in the third region A3, and the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path in the channel layer 7 overlap is small. As a result, the output noise of the magnetoresistive effect element 1 can be further reduced.

なお、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1では、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとがチャネル層7の上面側に、参照電極20がチャネル層7の下面側に設けられている例で説明したが、第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとがチャネル層7の下面側に、参照電極20がチャネル層7の上面側に設けられていてもよい。また、第1強磁性層12Aと参照電極20とがチャネル層7の上面側に、第2強磁性層12Bがチャネル層7の下面側に設けられていてもよい。また、第1強磁性層12Aと参照電極20とがチャネル層7の下面側に、第2強磁性層12Bがチャネル層7の上面側に設けられていてもよい。 In the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are provided on the upper surface side of the channel layer 7, and the reference electrode 20 is provided on the lower surface side of the channel layer 7. However, the first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B may be provided on the lower surface side of the channel layer 7, and the reference electrode 20 may be provided on the upper surface side of the channel layer 7. Further, the first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the reference electrode 20 may be provided on the upper surface side of the channel layer 7, and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B may be provided on the lower surface side of the channel layer 7. In addition, the first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the reference electrode 20 may be provided on the lower surface side of the channel layer 7, and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B may be provided on the upper surface side of the channel layer 7.

また、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1では、参照電極20が第2領域A2の下面に接するように配置される例で説明したが、参照電極20が第2領域A2の側面に接するように配置されていてもよい。図2に、第2領域A2が第3領域A3と接する面に対向する第2領域A2の端面(チャネル層7の短辺側の側面)に参照電極20が配置されている磁気抵抗効果素子1aの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子1aにおいても、参照電極20が第2領域A2に接するように設けられていることで、高いSN比が得られる。 Moreover, in the magnetoresistive effect element 1 of 1st Embodiment, although the reference electrode 20 demonstrated the example arrange | positioned so that the lower surface of 2nd area | region A2 might be contacted, it seems that the reference electrode 20 contacts the side surface of 2nd area | region A2. May be arranged. In FIG. 2, the magnetoresistive effect element 1 a in which the reference electrode 20 is disposed on the end surface (side surface on the short side of the channel layer 7) of the second region A <b> 2 facing the surface in which the second region A <b> 2 contacts the third region A <b> 3. FIG. Also in the magnetoresistive effect element 1a, since the reference electrode 20 is provided so as to be in contact with the second region A2, a high SN ratio can be obtained.

(第2実施形態)
以下、第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子2について、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the magnetoresistive effect element 2 according to the second embodiment will be described mainly with respect to differences from the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment, and description of common matters will be omitted as appropriate.

磁気抵抗効果素子2は、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1に対して、チャネル層7の構成が異なる。図3に示すように、磁気抵抗効果素子2では、第2領域A2が第3領域A3と接する面に対向する第2領域A2の端面から、第3領域A3から離れる方向へ向かって延びる延在部AEを有している。図3に示す磁気抵抗効果素子2では、延在部AEは、チャネル層7が参照電極20とチャネル層7の厚み方向から見て重なる領域から、第2領域A2を除いた領域となっている。参照電極20は、第2領域A2および延在部AEの下面に接している。磁気抵抗効果素子2のその他の点は、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1と同じである。 The magnetoresistive effect element 2 is different from the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment in the configuration of the channel layer 7. As shown in FIG. 3, in the magnetoresistive effect element 2, the second region A2 extends from the end surface of the second region A2 facing the surface in contact with the third region A3 toward the direction away from the third region A3. Part AE. In the magnetoresistive effect element 2 shown in FIG. 3, the extending portion AE is a region obtained by removing the second region A2 from the region where the channel layer 7 overlaps the reference electrode 20 and the channel layer 7 when viewed in the thickness direction. . The reference electrode 20 is in contact with the second region A2 and the lower surface of the extending part AE. The other points of the magnetoresistive effect element 2 are the same as those of the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment.

磁気抵抗効果素子2では、従来例(磁気抵抗効果素子1x)と同様、チャネル層7に延在部AEが設けられているが、参照電極20の少なくとも一部が第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域に接するように設けられていることにより、従来例(磁気抵抗効果素子1x)よりも延在部AEの体積が小さくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子2では、第2領域A2に蓄積したスピンの第2領域A2から延在部AEへの方向への拡散を抑制することができる。これにより、磁気抵抗効果素子1に比べて出力信号増大効果は小さくなるものの、出力信号を従来例に比べて大きくすることができる。 In the magnetoresistive effect element 2, as in the conventional example (the magnetoresistive effect element 1x), the extending portion AE is provided in the channel layer 7. However, at least a part of the reference electrode 20 includes the first region A1 and the second region. By being provided so as to be in contact with the region composed of A2 and the third region A3, the volume of the extending portion AE is smaller than that of the conventional example (the magnetoresistive effect element 1x). Therefore, in the magnetoresistive effect element 2, the diffusion of the spin accumulated in the second region A2 in the direction from the second region A2 to the extending portion AE can be suppressed. Thereby, although the output signal increasing effect is reduced as compared with the magnetoresistive effect element 1, the output signal can be increased as compared with the conventional example.

また、磁気抵抗効果素子2では、第2領域A2および延在部AEの下面に参照電極20が設けられていることにより、磁気抵抗効果素子1よりもチャネル層7と参照電極20との接触面積が大きくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子2は、磁気抵抗効果素子1に比べて出力ノイズを小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子2においても、高いSN比が得られる。 Further, in the magnetoresistive effect element 2, since the reference electrode 20 is provided on the lower surface of the second region A2 and the extending portion AE, the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 rather than the magnetoresistive effect element 1. Is getting bigger. Therefore, the magnetoresistive effect element 2 can reduce the output noise as compared with the magnetoresistive effect element 1. As a result, a high SN ratio can be obtained also in the magnetoresistive effect element 2.

なお、第2実施形態の磁気抵抗効果素子2では、チャネル層7の形状が直方体である例で説明したが、チャネル層7がテーパー形状を有していてもよい。図4にチャネル層7の延在部AEの側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に交差する側面であって、第2領域A2とは反対側の側面)の部分の形状がテーパー形状である磁気抵抗効果素子2aの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子2aにおいては、チャネル層7は、チャネル層7の厚み方向に垂直な断面が、上面側(第2強磁性層12Bとの対向面側)から下面側(参照電極20との対向面側)に向かって広くなるような形状となっている。磁気抵抗効果素子2aにおいては、チャネル層7の第1強磁性層12A側の側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に交差する側面)と、第1強磁性層12Aの側面(第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bの配列方向に交差する側面であって、第2強磁性層12Bとは反対側の側面)とは、同一の面上に存在している。 In the magnetoresistive effect element 2 according to the second embodiment, the channel layer 7 has a rectangular parallelepiped shape. However, the channel layer 7 may have a tapered shape. FIG. 4 shows a side surface of the extending portion AE of the channel layer 7 (a side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and opposite to the second region A2). The perspective view of the magnetoresistive effect element 2a whose shape of a part is a taper shape is shown. In the magnetoresistive effect element 2a, the channel layer 7 has a cross section perpendicular to the thickness direction of the channel layer 7 from the upper surface side (opposite surface side to the second ferromagnetic layer 12B) to the lower surface side (opposite the reference electrode 20). The shape becomes wider toward the surface side. In the magnetoresistive effect element 2a, the side surface of the channel layer 7 on the first ferromagnetic layer 12A side (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B) and the first ferromagnetic layer The side surface of 12A (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and opposite to the second ferromagnetic layer 12B) exists on the same surface. doing.

磁気抵抗効果素子2aは、例えば、非磁性半導体層、障壁層および強磁性層からなる積層膜をパターニングする工程において、テーパーを有する側面を形成する際にイオンミリングの傾斜角を大きくすることにより、作製することができる。 The magnetoresistive effect element 2a, for example, by increasing the inclination angle of ion milling when forming a side surface having a taper in a step of patterning a laminated film composed of a nonmagnetic semiconductor layer, a barrier layer, and a ferromagnetic layer, Can be produced.

磁気抵抗効果素子2aは、チャネル層7の形状が直方体である場合(磁気抵抗効果素子2)に比べて、チャネル層7と参照電極20との接触面積が同じ場合で比較すると、チャネル層7における延在部AEの体積を小さくすることができる。これにより、磁気抵抗効果素子2aでは、チャネル層7と参照電極20との接触面積を大きくすることによって得られる出力ノイズ低減効果を備えながら、第2領域A2の上部(第2強磁性層12Bと第2領域A2との間の界面付近)に蓄積したスピンの第2領域A2から延在部AEへの方向への拡散を抑制することができ、出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子2aでは、磁気抵抗効果素子2よりも高いSN比が得られる。   In the magnetoresistive effect element 2a, compared with the case where the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is the same as in the case where the shape of the channel layer 7 is a rectangular parallelepiped (the magnetoresistive effect element 2), The volume of the extending part AE can be reduced. Thereby, in the magnetoresistive effect element 2a, while providing the output noise reduction effect obtained by enlarging the contact area of the channel layer 7 and the reference electrode 20, the upper part of the second region A2 (with the second ferromagnetic layer 12B) The diffusion of the spin accumulated in the vicinity of the interface between the second region A2 and the second region A2 in the direction from the second region A2 to the extending portion AE can be suppressed, and the output signal can be increased. Accordingly, the magnetoresistive effect element 2a can obtain a higher SN ratio than the magnetoresistive effect element 2.

(第3実施形態)
以下、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子3について、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the magnetoresistive effect element 3 according to the third embodiment will be described mainly with respect to differences from the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment, and description of common matters will be omitted as appropriate.

磁気抵抗効果素子3は、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1に対して、参照電極20の設置位置が異なる。図5に示すように、磁気抵抗効果素子3では、参照電極20は、チャネル層7の第2領域A2の下面の一部に接するように設けられている。 The magnetoresistive effect element 3 is different from the magnetoresistive effect element 1 of the first embodiment in the installation position of the reference electrode 20. As shown in FIG. 5, in the magnetoresistive effect element 3, the reference electrode 20 is provided in contact with a part of the lower surface of the second region A <b> 2 of the channel layer 7.

磁気抵抗効果素子3は、参照電極20を形成する工程、チャネル層7を形成する工程、および第2強磁性層12Bを形成する工程のそれぞれのパターンレイアウトを、磁気抵抗効果素子1の作製方法に対して変更することにより、作製することができる。 The magnetoresistive effect element 3 uses the pattern layout of the step of forming the reference electrode 20, the step of forming the channel layer 7, and the step of forming the second ferromagnetic layer 12 </ b> B as a manufacturing method of the magnetoresistive effect element 1. It can produce by changing with respect to it.

磁気抵抗効果素子3は、参照電極20が第2領域A2の下面全体に接している場合(磁気抵抗効果素子1)に比べて、チャネル層7と参照電極20との接触面積が小さくなっている。これにより、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子3の出力ノイズを小さくすることができる。 The magnetoresistive effect element 3 has a smaller contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 than when the reference electrode 20 is in contact with the entire lower surface of the second region A2 (the magnetoresistive effect element 1). . As a result, the volume of the region where the portion where the spin-polarized carriers flow and the portion where the voltage is detected overlaps in the channel layer 7 can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistive effect element 3 can be reduced.

なお、磁気抵抗効果素子3では、参照電極20が第2領域A2の下面全体に接している場合(磁気抵抗効果素子1)に比べて、チャネル層7と参照電極20との界面における抵抗値が大きくなっている。この場合、スピン検出経路の抵抗値に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子1に比べて大きくなるが、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子3においても、高いSN比が得られる。 The magnetoresistive effect element 3 has a resistance value at the interface between the channel layer 7 and the reference electrode 20 as compared with the case where the reference electrode 20 is in contact with the entire lower surface of the second region A2 (the magnetoresistive effect element 1). It is getting bigger. In this case, the output noise due to the resistance value of the spin detection path is larger than that of the magnetoresistive effect element 1, but the volume of the region in the channel layer 7 where the portion where the spin-polarized carriers flow and the portion where the voltage is detected overlaps. An output noise reduction effect can be obtained by reducing. Therefore, a high SN ratio can be obtained also in the magnetoresistive effect element 3.

なお、これまで説明した第1〜第3実施形態では、参照電極20がチャネル層7と第2領域A2のみで接するように配置される例で説明したが、参照電極20が第2領域A2の下面だけでなく、第3領域A3または第1領域A1の下面においても接するように配置されていてもよい。図6に、参照電極20が第2領域A2および第3領域A3の下面に接するように配置されている磁気抵抗効果素子3aの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子3aにおいても、参照電極20は、第1強磁性層12Aおよび第2強磁性層12Bから離間して設けられている。 In the first to third embodiments described so far, the example in which the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the channel layer 7 only in the second region A2 is described. However, the reference electrode 20 is formed in the second region A2. You may arrange | position so that it may contact | connect also not only on the lower surface but on the lower surface of 3rd area | region A3 or 1st area | region A1. FIG. 6 shows a perspective view of the magnetoresistive effect element 3a in which the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the lower surfaces of the second region A2 and the third region A3. Also in the magnetoresistive effect element 3a, the reference electrode 20 is provided apart from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

磁気抵抗効果素子3aでは、参照電極20がチャネル層7と第2領域A2のみで接するように配置される場合(磁気抵抗効果素子1)に比べて、チャネル層7と参照電極20との界面における抵抗値が小さくなっている。これにより、磁気抵抗効果素子3aの出力ノイズを小さくすることができる。 In the magnetoresistive effect element 3a, compared with the case where the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the channel layer 7 only in the second region A2 (the magnetoresistive effect element 1), at the interface between the channel layer 7 and the reference electrode 20 The resistance value is small. Thereby, the output noise of the magnetoresistive effect element 3a can be reduced.

一方、磁気抵抗効果素子3aでは、参照電極20がチャネル層7と第2領域A2のみで接するように配置される場合(磁気抵抗効果素子1)に比べて、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積が大きくなっている。この場合、チャネル層7におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子1に比べて大きくなるが、スピン検出経路の抵抗値を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子3aにおいても、高いSN比が得られる。 On the other hand, in the magnetoresistive effect element 3a, the spin-polarized carriers in the channel layer 7 are smaller than in the case where the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the channel layer 7 only in the second region A2 (magnetoresistance effect element 1). The volume of the region where the flowing part and the part for detecting the voltage overlap is large. In this case, the output noise due to the volume of the region where the portion where the spin-polarized carriers flow in the channel layer 7 and the portion where the voltage is detected overlaps is larger than that in the magnetoresistive element 1, but the resistance value of the spin detection path An output noise reduction effect can be obtained by reducing. Therefore, a high SN ratio can be obtained also in the magnetoresistive effect element 3a.

また、第1〜第3実施形態では、参照電極20の少なくとも一部が第2領域A2に接している例で説明したが、参照電極20が第2領域A2に接していなくても良い。例えば、チャネル層7と参照電極20の少なくとも一部が、第1領域A1と第3領域A3の両方のみ、またはいずれか一方のみで接するように設けられていてもよい。このような場合の磁気抵抗効果素子であっても、参照電極20の少なくとも一部が、第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域に接していることで、第1領域A1、第2領域A2および第3領域A3からなる領域と参照電極20とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層7の延在部の体積を小さくすることができ、高いSN比を実現することができる。 In the first to third embodiments, the example in which at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the second region A2 has been described. However, the reference electrode 20 may not be in contact with the second region A2. For example, at least a part of the channel layer 7 and the reference electrode 20 may be provided so as to be in contact with both or only one of the first region A1 and the third region A3. Even in the magnetoresistive effect element in such a case, at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the region composed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3, so that the first region Compared with the case where the reference electrode 20 and the region composed of A1, the second region A2, and the third region A3 are separated from each other, the volume of the extending portion of the channel layer 7 can be reduced, and the high SN Ratio can be realized.

(第4実施形態)
以下、第4実施形態に係る磁気センサ100について説明する。図7は、磁気センサ100の要部断面図であり、図8は、図7における磁性媒体Mから見た側面図(X方向から見た側面図)である。図7および図8に示すように、磁気センサ100は、支持基板30上に下地絶縁層80を介して、磁気抵抗効果素子1と、磁気抵抗効果素子1を膜面直交方向(Z方向)に挟むように設けられた下部磁気シールド40及び上部磁気シールド50とを有している。また、図8に示すように、磁気センサ100は、磁気抵抗効果素子1の幅方向であるY方向(図7においては紙面直交方向)の両側に設けられたバイアス磁界印加層16を有している。チャネル層7と下部磁気シールド40の間、および磁気抵抗効果素子1とバイアス磁界印加層16の間には絶縁膜4が設けられている。絶縁膜4は、バイアス磁界印加層16と磁気抵抗効果素子1を絶縁分離するとともに、下部磁気シールド40およびバイアス磁界印加層16などによるスピンの吸収を抑制するために形成される。バイアス磁界印加層16は、磁気抵抗効果素子1の第1強磁性層12Aを単磁区化するために、第1強磁性層12AにY方向のバイアス磁界を印加する。絶縁膜4の材料は、例えばAlまたはSiOなど、バイアス磁界印加層16の材料は、例えばCoPtまたはCoCrPtなど、下部磁気シールド40及び上部磁気シールド50の材料は、例えばNiFeなどが好ましい。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the magnetic sensor 100 according to the fourth embodiment will be described. 7 is a cross-sectional view of the main part of the magnetic sensor 100, and FIG. 8 is a side view (side view seen from the X direction) seen from the magnetic medium M in FIG. As shown in FIGS. 7 and 8, the magnetic sensor 100 includes the magnetoresistive effect element 1 and the magnetoresistive effect element 1 in a film surface orthogonal direction (Z direction) via a base insulating layer 80 on a support substrate 30. A lower magnetic shield 40 and an upper magnetic shield 50 are provided so as to be sandwiched therebetween. As shown in FIG. 8, the magnetic sensor 100 includes bias magnetic field application layers 16 provided on both sides in the Y direction (the direction perpendicular to the paper in FIG. 7) that is the width direction of the magnetoresistive element 1. Yes. An insulating film 4 is provided between the channel layer 7 and the lower magnetic shield 40 and between the magnetoresistive effect element 1 and the bias magnetic field applying layer 16. The insulating film 4 is formed to insulate and separate the bias magnetic field application layer 16 and the magnetoresistive element 1 and to suppress spin absorption by the lower magnetic shield 40 and the bias magnetic field application layer 16. The bias magnetic field application layer 16 applies a Y-direction bias magnetic field to the first ferromagnetic layer 12A in order to make the first ferromagnetic layer 12A of the magnetoresistive effect element 1 into a single magnetic domain. The material of the insulating film 4 is, for example, Al 2 O 3 or SiO 2 , the material of the bias magnetic field applying layer 16 is, for example, CoPt or CoCrPt, and the material of the lower magnetic shield 40 and the upper magnetic shield 50 is preferably, for example, NiFe .

図7に示すように、下部磁気シールド40は、チャネル層7および参照電極20の下部に設けられている。参照電極20は、下部磁気シールド40の凹部に接して設けられている。上部磁気シールド50は、第1強磁性層12Aの上部に設けられている。第2強磁性層12Bの上部には、配線5が設けられている。上部磁気シールド50は磁気抵抗効果素子1に電流を印加するための配線を兼ねている。下部磁気シールド40は磁気抵抗効果素子1の電圧を検出するための配線を兼ねている。配線5の材料は、下部磁気シールド40及び上部磁気シールド50の材料と同じであってもよい。上部磁気シールド50と配線5との間には電流源60が接続され、チャネル層7を介して第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間に電流が印加されるようになっている。配線5と下部磁気シールド40との間には電圧計70が接続され、第2強磁性層12Bと参照電極20との間の電圧が検出されるようになっている。 As shown in FIG. 7, the lower magnetic shield 40 is provided below the channel layer 7 and the reference electrode 20. The reference electrode 20 is provided in contact with the concave portion of the lower magnetic shield 40. The upper magnetic shield 50 is provided on the first ferromagnetic layer 12A. A wiring 5 is provided on the second ferromagnetic layer 12B. The upper magnetic shield 50 also serves as a wiring for applying a current to the magnetoresistive effect element 1. The lower magnetic shield 40 also serves as a wiring for detecting the voltage of the magnetoresistive effect element 1. The material of the wiring 5 may be the same as the material of the lower magnetic shield 40 and the upper magnetic shield 50. A current source 60 is connected between the upper magnetic shield 50 and the wiring 5, and a current is applied between the first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B via the channel layer 7. ing. A voltmeter 70 is connected between the wiring 5 and the lower magnetic shield 40 so that the voltage between the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 is detected.

磁気センサ100について、検出する外部磁界として、磁性媒体Mから生じる磁界を検出する例で説明する。図7に示すように、磁気センサ100では、磁気抵抗効果素子1の先端部(第1強磁性層12Aの一端)が、磁気センサ100の磁性媒体Mとの対向面に配置されている。磁気センサ100において、第1強磁性層12Aは、磁性媒体Mから生じる磁界に応じてその磁化方向が変化する層(磁化自由層)として機能する。第1強磁性層12Aとしては、特に軟磁性材料が適用される。なお、磁気センサ100の磁性媒体Mとの対向面には、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)等の保護膜が形成されていることが好ましいが、図7および図8においては、保護膜は省略している。 The magnetic sensor 100 will be described using an example in which a magnetic field generated from the magnetic medium M is detected as an external magnetic field to be detected. As shown in FIG. 7, in the magnetic sensor 100, the tip portion (one end of the first ferromagnetic layer 12 </ b> A) of the magnetoresistive effect element 1 is disposed on the surface facing the magnetic medium M of the magnetic sensor 100. In the magnetic sensor 100, the first ferromagnetic layer 12A functions as a layer (magnetization free layer) whose magnetization direction changes according to the magnetic field generated from the magnetic medium M. As the first ferromagnetic layer 12A, in particular, a soft magnetic material is applied. A protective film such as DLC (diamond-like carbon) is preferably formed on the surface of the magnetic sensor 100 facing the magnetic medium M, but the protective film is omitted in FIGS. 7 and 8. Yes.

図7に示すように、磁気センサ100において、第2強磁性層12Bは、磁性媒体Mから離れた位置に配置されている。このため、第2強磁性層12Bは、磁性媒体Mから生じる磁界の影響を受けにくくなっているため、その磁化方向が一方向に固定された層(磁化固定層)として機能する。第2強磁性層12Bの磁化の固定をより強固にする(第2強磁性層12Bの保磁力を大きくする)ために、第2強磁性層12Bに形状異方性を付与してもよい。または、第2強磁性層12B上に反強磁性層を積層することにより、第2強磁性層12Bと反強磁性層との間に働く交換結合を利用してもよい。または、第2強磁性層12Bをシンセティックピンド構造にすることにより、第2強磁性層12Bの内部に働く交換結合を利用してもよい。 As shown in FIG. 7, in the magnetic sensor 100, the second ferromagnetic layer 12 </ b> B is disposed at a position away from the magnetic medium M. For this reason, since the second ferromagnetic layer 12B is not easily affected by the magnetic field generated from the magnetic medium M, the second ferromagnetic layer 12B functions as a layer whose magnetization direction is fixed in one direction (magnetization fixed layer). In order to make the magnetization of the second ferromagnetic layer 12B fixed more firmly (increase the coercive force of the second ferromagnetic layer 12B), shape anisotropy may be imparted to the second ferromagnetic layer 12B. Alternatively, an exchange coupling acting between the second ferromagnetic layer 12B and the antiferromagnetic layer may be used by stacking an antiferromagnetic layer on the second ferromagnetic layer 12B. Alternatively, exchange coupling acting inside the second ferromagnetic layer 12B may be used by forming the second ferromagnetic layer 12B in a synthetic pinned structure.

チャネル層7を介して第1強磁性層12Aと第2強磁性層12Bとの間に電流が印加され、第2強磁性層12Bと参照電極20の間の電圧を測定することにより、磁性媒体Mから生じる磁界を検出することが可能となる。磁性媒体Mから生じる磁界の変化に応じて、第1強磁性層12Aの磁化方向と第2強磁性層12Bの磁化方向の相対角が変化して、第2強磁性層12Bと参照電極20との間の電圧が変化する。 A current is applied between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7, and the voltage between the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 is measured, whereby the magnetic medium It becomes possible to detect the magnetic field generated from M. In accordance with the change in the magnetic field generated from the magnetic medium M, the relative angle between the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B changes, and the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 The voltage between changes.

磁気センサ100は、高いSN比を得ることができる磁気抵抗効果素子1を有するので、精度よく外部磁場を検出することができる。 Since the magnetic sensor 100 has the magnetoresistive effect element 1 that can obtain a high S / N ratio, it can detect an external magnetic field with high accuracy.

第4実施形態の磁気センサ100は、磁気抵抗効果素子1を有する例であるが、磁気抵抗効果素子1にかえて、磁気抵抗効果素子1a、磁気抵抗効果素子2、磁気抵抗効果素子2a、磁気抵抗効果素子3または磁気抵抗効果素子3aを用いてもよい。 The magnetic sensor 100 of the fourth embodiment is an example having the magnetoresistive effect element 1, but instead of the magnetoresistive effect element 1, the magnetoresistive effect element 1a, the magnetoresistive effect element 2, the magnetoresistive effect element 2a, and the magnetism The resistance effect element 3 or the magnetoresistance effect element 3a may be used.

1、1a、2、2a、3、3a…磁気抵抗効果素子
7…チャネル層
12A…第1強磁性層
12B…第2強磁性層
14A、14B…障壁層
20…参照電極
A1…第1領域
A2…第2領域
A3…第3領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 2, 2a, 3, 3a ... Magnetoresistance effect element 7 ... Channel layer 12A ... 1st ferromagnetic layer 12B ... 2nd ferromagnetic layer 14A, 14B ... Barrier layer 20 ... Reference electrode A1 ... 1st area | region A2 ... 2nd area A3 ... 3rd area

Claims (6)

チャネル層と、第1強磁性層と、第2強磁性層と、参照電極とを有し、
前記第1強磁性層と、前記第2強磁性層と、前記参照電極とは、互いに離間し、かつ、前記チャネル層を介して互いに電気的に接続され、
前記第1強磁性層と、前記第2強磁性層とは、前記チャネル層の厚み方向から見て互いに重ならずに離間しており、
前記チャネル層は、前記第1強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第1領域、前記第2強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第2領域および、前記第1領域と前記第2領域との間の第3領域を有し、
前記参照電極の少なくとも一部が、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域からなる領域に接していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A channel layer, a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and a reference electrode;
The first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, and the reference electrode are separated from each other and electrically connected to each other through the channel layer,
The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are separated from each other without overlapping each other when viewed from the thickness direction of the channel layer,
The channel layer includes a first region overlapping with the first ferromagnetic layer as viewed from the thickness direction, a second region overlapping with the second ferromagnetic layer as viewed from the thickness direction, and the first region and the second region. A third region between the regions,
At least a part of the reference electrode is in contact with a region composed of the first region, the second region, and the third region.
前記参照電極の少なくとも一部が、前記第2領域に接していることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein at least part of the reference electrode is in contact with the second region. 前記第1領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 2, wherein the first region is not in contact with the reference electrode. 前記第3領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする請求項2または3に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 2, wherein the third region is not in contact with the reference electrode. 前記参照電極の熱伝導率が前記チャネル層の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermal conductivity of the reference electrode is smaller than the thermal conductivity of the channel layer. 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ。   The magnetic sensor which has a magnetoresistive effect element as described in any one of Claims 1 thru | or 5.
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