JP2018037688A - ホール素子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子、磁気記録媒体とホール素子が一体化された磁気センサを提供する。【解決手段】磁気記録媒体１０上に配置され、クロスバー形状を有する電極層１４と、電極層１４のクロスバー部に接続されたパッド電極Ｐ1〜Ｐ4とを備えるホール素子１、およびこのホール素子を備える磁気センサ。【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子、磁気センサ、および磁気記録装置に関し、特に、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子、磁気センサ、および磁気記録装置に関する。

従来の磁気記録装置では、例えばハードディスクや磁気テープを例にすると、磁気記録媒体自体を動作させ、固定された検出素子により磁気情報を検出している。当該検出方式の問題点として、例えば、動作部を有するために耐衝撃性が低く、読取エラーや磁気情報の破損が発生しやすいといった点が挙げられる。

一方で、固定された磁気記録媒体中の磁区を物理的に動作させ、固定された検出素子により磁気情報を検出する磁気記録装置としては、磁気バブルメモリが挙げられる（例えば、非特許文献１参照。）。当該デバイスにおいては物理的な可動部が存在しないために、上記のような低耐衝撃性の問題は発生しない。しかしながら、１９８０年代当時の技術では、リソグラフィーの解像度及び磁区の大きさがμｍオーダーと大きかったため、微小検出素子を磁性体に接して作製する、という試みはなされていない。微小磁区動作型磁気記録装置の磁気情報の検出を考えた場合、微小検出素子を磁気記録媒体に接近させる必要がある。

微小磁区の検出が可能となる従来技術としては、Ｂｉをホール素子材料として用いた走査型プローブ顕微鏡がすでに報告されている。それによると、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＢｉを蒸着した後、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）ミリングにより５０ｎｍ×５０ｎｍのホール素子を作製している。しかしながら、磁性体上に接してホール素子を作製する場合、ＦＩＢミリングは加工速度の制御が困難であり、意図しない下地層へのダメージを回避し難く、磁気記録媒体と検出素子の一体化には適さない。Ｂｉをホール素子材料として用いた例としては、フレキシブル基板上に配置されたＢｉを用いたホール素子についても開示されている（例えば、特許文献１および非特許文献２参照。）。

特開２００４−１６５３６２号公報

A. H. Bobeck, "Properties and Device Applications of Magnetic Domains in Orthoferrites", Bell System Tech. J. 46, 1901 (1967). Adarsh SANDHU, Kouichi KUROSAWA, Munir DEDE, and Ahmet ORAL, "50nm Hall Sensors for Room Temperature Scanning Hall Probe Microscopy", Japanese Jounal of Applied Physics 43, 777(2004), Feb. 10, 2004

高記録密度化のためには、磁区の微小化が必須であるが、磁区から放出される磁場は、磁区幅の減少、磁性体からの距離の増加に従って減少する。よって、微小磁区動作を検出するためには、微小検出素子を磁性体に近づける必要がある。

磁区検出法としては、ハードディスク装置の磁気情報検出素子として用いられている磁気ヘッドの他、ホール素子、超伝導量子干渉計、磁気力、磁気抵抗プローブなどを用いた走査型プローブ顕微鏡が知られている。しかしながら、これらの検出素子を磁性体へ外部から近づけた場合（接触させた場合においても同様に）、検出素子と磁性体間に物理的な距離が発生する。外部に検出素子配置する手法は耐衝撃性の観点からも好ましくない。

デバイス化という観点からは、磁気記録媒体と検出素子が一体化された構造が望ましい。

例えば、上記の検出方法の内、ホール素子に注目すると、半導体はホール係数は大きいが、その特性は半導体層の結晶性に大きく依存するために、磁性体上への直接製膜は困難である。また、半導体はキャリア濃度が低いために、微小化した際に表面空乏化による特性劣化が発生する。一方で、金属であれば磁性体上への直接製膜は可能となるが、金属はホール係数が小さい。

本発明の目的は、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子、磁気センサ、および磁気記録装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、磁気記録媒体上に配置され、クロスバー形状を有する電極層と、前記電極層の前記クロスバー部に接続されたパッド電極とを備えるホール素子が提供される。

本発明の他の態様によれば、磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体上に配置され、クロスバー形状を有する電極層と、前記電極層の前記クロスバー部に接続されたパッド電極とを有するホール素子とを備える磁気センサが提供される。

本発明の他の態様によれば、上記の磁気センサを備える磁気記録装置が提供される。

本発明によれば、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子、磁気センサおよびその製造方法、および磁気記録装置を提供することができる。

実施の形態に係るホール素子の模式的平面パターン構成図。 実施の形態に係るホール素子の模式的鳥瞰構成図。 実施の形態に係るホール素子の１つの素子部分の表面光学顕微鏡写真。 実施の形態に係るホール素子であって、図３のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。 実施の形態に係るホール素子のホールクロスバー中央部分の表面走査型電子顕微鏡ＳＥＭ写真とホールクロスバー中央部分の説明図。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、印加磁場Ｂにより駆動されるホールプローブ動作の説明図であって、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、（ａ）ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホール係数Ｒ_H(ｃｍ³／Ｃ)および直列抵抗Ｒ_S（ｋΩ）の温度特性例。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、積感度Ｋ_H(Ｖ／Ａ・Ｔ)と直列抵抗Ｒ_S（ｋΩ）の関係を示す特性例。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、（ａ）、磁気記録媒体の各部の寸法例（ドメイン幅ｄ、磁気記録媒体厚さｔ）、（ｂ）ドメイン幅ｄをパラメータとする磁気記録媒体から放出される垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）と高さＺとの関係を示す特性例。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体厚さｔをパラメータとする磁気記録媒体から放出される垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）と高さＺとの関係を示す特性例。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体厚さｔおよびドメイン幅ｄをパラメータとする垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）、出力ホール電圧Ｖ_H（μＶ）、信号対雑音比Ｓ／Ｎと高さＺとの関係を示す特性例。 実施の形態に係るホール素子を適用し、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系の模式的構成図。 （ａ）比較例に係る半導体ホール素子の模式的断面構造図、（ａ）実施の形態に係るホール素子の模式的断面構造図。 実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサの製造方法の説明図であって、（ａ）磁気記録媒体上にアラインメント電極層を形成後、絶縁層を形成する工程を示す模式的断面構造図、（ｂ）絶縁層上にＢｉ（ビスマス）電極層をパターン形成する工程を示す模式的断面構造図、（ｃ）Ｂｉ（ビスマス）電極層に接してパッド電極をパターン形成した後、全面にパッシベーション膜を形成する工程を示す模式的断面構造図、（ｄ）パッド電極に対するコンタクトホールを形成する工程を示す模式的断面構造図。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層を形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ（ビスマス）電極層を形成した比較例に係る模式的断面構造図、（ｂ）図１６（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の比較例に係る模式的断面構造図。 図１６（ｂ）の工程後の表面光学顕微鏡写真例。 図１６（ｂ）の工程後のホール素子部分の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層を１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ（ビスマス）電極層を３０ｎｍ形成した比較例に係る模式的断面構造図、（ｂ）図１９（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造図、（ｃ）図１９（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層を１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ（３０ｎｍ）／Ｔｉ（１ｎｍ）電極層を形成した比較例に係る模式的断面構造図、（ｂ）図２０（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造図、（ｃ）図２０（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層を１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ（３０ｎｍ）／Ｔｉ（５ｎｍ）電極層を形成した比較例に係る模式的断面構造図、（ｂ）図２１（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造図、（ｃ）図２１（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／低分子量ＺＥＰを形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ電極層を３０ｎｍ形成した比較例に係る模式的断面構造図、（ｂ）図２２（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造図、（ｃ）図２２（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）磁気記録媒体上にポジ型レジスト層ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／ＰＭＧＩ（７０ｎｍ）を形成後、ポジ型レジスト層上にＢｉ電極層を３０ｎｍ形成した実施の形態に係るホール素子の模式的断面構造図、（ｂ）図２３（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造図、（ｃ）図２３（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２４（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝０（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２５（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝５．２５（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２６（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１．５５（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２７（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１．９０（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２８（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１４．００（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２９（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１．９０（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）とＤＭ（−）の境界が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３０（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝９．９８（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３１（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝９．６３（ｍＴ））。 （ａ）実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例、（ｂ）出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３２（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝５．２５（ｍＴ））。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（ホール素子）
実施の形態に係るホール素子１の模式的平面パターン構成は、図１に示すように表され、模式的鳥瞰構成は、図２に示すように表される。

また、実施の形態に係るホール素子１の１つの素子部分の表面光学顕微鏡写真は、図３に示すように表され、図３のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図４に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１は、図１〜図４に示すように、磁気記録媒体１０上に配置され、クロスバー形状を有する電極層１４と、電極層１４のクロスバー部に接続されたパッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８とを備える。

ここで、クロスバー形状を有する電極層１４は、例えば、厚さ約１００ｎｍのＢｉ電極層で形成されていても良い。また、Ｂｉ電極層１４の下地層として、下地金属層を配置すると、Ｂｉ電極層１４のリフトオフ工程において、Ｂｉリフトオフの効果を改善可能である。下地金属層としては、例えば、厚さ約３ｎｍのＣｒ層を適用可能である。

実施の形態に係るホール素子１のホールクロスバー中央部分の表面ＳＥＭ写真とホールクロスバー中央部分の説明図は、図５に示すように表される。実施の形態に係るホール素子１において、クロスバー部の面積は、１００ｎｍ×１００ｎｍ以下であっても良い。すなわち、図５に示すように、クロスバー形状を有する電極層１４のクロスバー部の寸法は、Ｗ₁×Ｗ₂＝１００ｎｍ×１００ｎｍ以下、望ましくは、例えば、５０ｎｍ×５０ｎｍであっても良い。

また、実施の形態に係るホール素子１は、図１〜図４に示すように、磁気記録媒体１０と電極層１４との間に配置された絶縁層１２を備えていてもよい。実施の形態に係るホール素子１は、絶縁層１２を備えることによって、電極層１４・パッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８は、磁気記録媒体１０と一体化形成される。このように、磁気記録媒体１０と一体化形成されたホール素子１は、磁気センサを構成する。したがって、このように、磁気記録媒体１０と一体化形成された検出素子は、実施の形態に係る磁気センサと呼ぶことができる。

（磁気センサ）
実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、図１〜図４に示すように、磁気記録媒体１０と、磁気記録媒体１０上に配置され、クロスバー形状を有する電極層１４と、電極層１４のクロスバー部に接続されたパッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８とを有するホール素子１とを備える。

ここで、クロスバー形状を有する電極層１４は、ビスマス層で形成されていても良い。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、クロスバー部の面積は、１００ｎｍ×１００ｎｍ以下であっても良い。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、図１〜図４に示すように、磁気記録媒体１０と電極層１４との間に配置された絶縁層１２を備えていてもよい。実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、絶縁層１２を備えることによって、電極層１４・パッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８は、磁気記録媒体１０と一体化形成される。その他の構成は、実施の形態に係るホール素子１と同様である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体１０は、例えば、Ｂｉ置換ガーネットで形成されていても良い。磁気記録媒体１０を形成する磁性体には、液相成長法により厚さ、約３００μｍの（１１１）（ＧａＧｄ）₃（ＭｇＧａＺｒ）₅Ｏ₁₂基板上へ製膜された厚さ、約１００μｍのＢｉ置換ガーネットを用いていても良い。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、絶縁層１２は、例えば、厚さ約３０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃で形成されていても良い。ここで、Ａｌ₂Ｏ₃は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって、形成可能である。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、パッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８は、Ａｕ層を備えていても良い。さらに詳細には、パッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８は、厚さ約５ｎｍのＣｒ層／厚さ約２００ｎｍのＡｕ層／厚さ約５ｎｍのＣｒ層の積層構造によって形成されていても良い。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、図４に示すように、デバイス表面を被覆するパッシベーション膜２０を備えていても良い。ここで、パッシベーション膜２０は、例えば、厚さ約３０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃で形成されていても良い。同様に、Ａｌ₂Ｏ₃は、例えばＡＬＤ法によって、形成可能である。ＡＬＤ−Ａｌ₂Ｏ₃層をパッシベーション膜２０として適用することによって、下地のクロスバー形状を有するビスマス電極層１４の酸化による劣化を防止することができる。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、図４に示すように、パッシベーション膜２０にパッド電極１６・１８への開口部１６Ｈ・１８Ｈを形成し（図１５（ｄ）参照）、この開口部１６Ｈ・１８Ｈにおいて、パッド電極１６・１８に対して、ボンディングワイヤ２２₁・２２₂接続しても良い。尚、図４に示されるボンディングワイヤ２２₁・２２₂は、図３では、図示を省略している。

尚、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、磁気記録媒体１０と一体化形成されるパッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄のパッド電極Ｐ₄からＰ₂方向に電流Ｉ_Oを導通し、磁気記録媒体１０からクロスバー部に印加される磁場（磁束密度）Ｂ_Oとすると、パッド電極Ｐ₁・Ｐ₄間には、積感度をＫ_H（Ｖ／（Ａ・Ｔ））とすると、次式で表される出力ホール電圧Ｖ_H（μＶ）が発生する。

Ｖ_H＝Ｋ_H×Ｉ_C×Ｂ_O （１）

ここで、積感度Ｋ_H（Ｖ／（Ａ・Ｔ））は、材料および幾何学的寸法によって決まる定数であり、実施の形態に係るホール素子１においては、例えば、４．４（Ｖ／（Ａ・Ｔ））である。

磁区動作を原理とする磁気記録装置を考えた際、磁区から放出される磁場を、磁気記録媒体からの距離による減衰の無いように、磁気記録媒体上に接してホール素子を配置し、このホール素子により磁場を検出することができれば、磁区の微小化による高記録密度化が可能となる。

磁区から放出される磁場は距離に従い減少するが、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１を直接磁性体（磁気記録媒体）１０上に作製することで磁場の減衰を最小限に抑制し、効率良く磁性体（磁気記録媒体）１０からの磁場を検出することができる。実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、検出素子の磁気記録媒体１０への一体化が可能となり、デバイス応用上好適である。

Ｂｉ電極層１４は典型的な金属の中で最大のホール係数を有し、蒸着等により作製可能であるため、実施の形態に係るホール素子１においては、下地の材料に依らず高感度なホール素子の作製が可能である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１のサイズを小さくすることにより、微小磁区の検出が可能となる。電極層１４を構成するＢｉは半金属であるために、半導体ホール素子のように素子の微小化による表面空乏化の影響で特性劣化することがない。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１と磁性体（磁気記録媒体）１０の間に絶縁層１２を介することで、磁性体（磁気記録媒体）１０の導電性に依らず、適用可能である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、磁気記録装置への応用を想定した磁気記録情報の検出素子として、磁気記録媒体１０上に接して作製した微小Ｂｉホール素子により磁区動作検出可能なホール素１と磁気記録媒体１０が一体化された磁気記録装置を提供することができる。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、オンウェハホールプローブを備えている。

磁気記録媒体１０には、液相成長法により厚さ、約３００μｍの（１１１）（ＧａＧｄ）₃（ＭｇＧａＺｒ）₅Ｏ₁₂基板（ＳＧＧＧ基板）上へ製膜された厚さ、約１００μｍのＢｉ置換ガーネットを用いた。

適用した磁性体（磁気記録媒体）１０の飽和磁化は、室温で約２１．８ｍＴであり、消磁状態での磁区幅が約３０μｍであることから、磁気光学顕微鏡を用いた磁区評価を容易に行うことができる。

さらに、保持力が約１６．２ｍＴと小さいことから、電磁石と磁気光学顕微鏡を組み合わせることによる磁場印加時の磁区動作評価の測定系構築が容易となる。

この磁気記録媒体１０上へ接してＢｉホール効果素子を作製することにより、磁区動作の磁気光学顕微鏡とホール素子による同時検出が可能となるため、確実にホール素子が磁区検出として機能していることを確認することができる。

（磁気記録媒体上へのＢｉホール素子の作製）
―絶縁層の製膜―
磁気記録媒体１０上へ原子層堆積（ALD:Atomic Layer Deposition）法（Fiji F200, Cambridge Nanotech）により、約１００℃においてトリメチルアンモニウムと水を反応させることにより、厚さ、約３０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、磁気記録媒体１０は絶縁体であるために絶縁層１２は必須では無いが、例えば、磁気記録媒体１０が電導性を有する場合は、絶縁層１２を介してホール素子１を作製する必要がある。

―ホールクロスバーの作製―
磁気記録媒体１０上へスピンコート法により厚さ約１７０ｎｍのポジ型電子線ビームレジスト（ＺＥＰ５２０Ａ, Zeon Co．）を塗布した後、ホットプレート上で、温度約１８０℃、時間約２分のベーキングを実施した。

その後、電子ビーム描画装置（ELS-700, Elionix Inc．）により、加速電圧約１００ｋＶ、ビーム電流約２０ｐＡ、ドーズ量約１７６μＣ／ｃｍ²の条件で露光し、ｎ-酢酸アミル（ZEN-50, Zeon Co．）により、約３０秒の現像、メチルイソブチルケトン：イソプロピルアルコール＝８９％：１１％混合液（ZMD-B, Zeon Co．）により、約２０秒のリンスを行った。

電子ビーム蒸着法により、厚さ約３ｎｍのＣｒ層を堆積後、抵抗加熱蒸着法により、厚さ約１００ｎｍのＢｉを、真空度約３×１０^-4Ｐａ、製膜速度約０．５ｎｍ／ｓの条件で堆積した。ここで、Ｃｒ層は、Ｂｉ電極層１４のリフトオフ精度と密着性の向上のために挿入している。Ｂｉ単体とした場合、リフトオフ後にＢｉのサンプルへの再付着が発生し易いために、良好なバー形状を得ることが困難である。また、Ｂｉは酸化し易い性質があるため、蒸着直前にＢｉを希塩酸によりエッチングし、表面酸化膜を除去し、Ｗボートにセットした。

Ｂｉ金属蒸着後にジメチルアセトアミド（ZDMAC, Zeon Co．）除去液を用いてリフトオフを行った。

リフトオフ後のホールクロスオーバーを走査型電子顕微鏡で観察し、有効面積５０ｎｍ×５０ｎｍの良好なバー形状が作製できていることを確認した（図３および図４参照）。

―パッド電極の作製―
典型的なフォトリソグラフィー法によって、Ｃｒ（５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｃｒ（５ｎｍ）パッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄・１６・１８をリフトオフにより作製した。

―パッシベーション膜の製膜―
ＡＬＤ法により、温度約１００℃においてトリメチルアンモニウムと水を反応させることにより、厚さ約３０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃層からなるパッシベーション膜２０を堆積した。ここで、当該Ａｌ₂Ｏ₃は、Ｂｉ電極層１４の酸化によるデバイス特性劣化の抑制のためのパッシベーション膜２０として用いている。ＡＬＤ-Ａｌ₂Ｏ₃は、他の手法により作製された絶縁膜と比較してピンホールが少なく、耐酸素・耐水透過性が高いことが知られており、パッシベーション膜として好適である。

―ワイヤーボンディング部開口―
典型的なフォトリソグラフィー法により、ワイヤーボンディング部にレジスト開口部を設け、Ａｌ₂Ｏ₃を約６０℃の希リン酸によりエッチング除去後、Ｃｒを誘導結合プラズマエッチング装置（RIE-200iPT，SAMCO Inc．）によりＣｌ₂／Ｏ₂混合ガス中でエッチング除去し、コンタクトホール１６Ｈ・１８Ｈを形成した。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、印加磁場Ｂにより駆動されるホールプローブ動作の説明であって、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係は、図６に示すように表される。ここで、印加磁場Ｂは、外部から印加される磁場であって、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石１０２と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系（図１３参照）により、電磁石１０２から、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサに供給される。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図７（ａ）に示すように表され、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、図７（ｂ）に示すように表される。ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、紙面上表面から裏面方向に出力磁場Ｂ_Oが発生する例に対応しており、図６において太線矢印（出力磁場Ｂ_Oが正から負方向へ向かう）に対応している。一方、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、紙面上裏面から表面方向に出力磁場Ｂ_Oが発生する例に対応しており、図６において細線矢印（出力磁場Ｂ_Oが負から正方向へ向かう）に対応している。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、図６、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ガーネット磁性体１０の磁区動作により、出力ホール電圧Ｖ_Hのスイッチング動作を確認することができる。すなわち、ホール素子１直下を磁区が横切ることによる出力ホール電圧Ｖ_Hのスイッチング動作を確認することができる。

現在は、ローレンツ電子顕微鏡によるイメージングが主な微小磁区の観測手段であるが、磁区動作速度が速く、カメラでは最小露光時間の制約により、磁区動作を捉えきれず、定量的な評価が難しい。これに対して、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石１０２と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系（図１３参照）により、電気的検出による磁区動作の定量評価、外部印加磁場応答の評価が可能である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、図６、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、外部磁場駆動により、ガーネット磁性体１０の磁区動作検出可能である。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホール係数Ｒ_H(ｃｍ³／Ｃ)および直列抵抗Ｒ_S（ｋΩ）の温度特性例は、図８に示すように表され、積感度Ｋ_H(Ｖ／Ａ・Ｔ)と直列抵抗Ｒ_S（ｋΩ）の関係を示す特性例は、図９に示すように表される。図９においては磁性体上に作製した実施の形態に係るホール素子と他のホール素子の報告例を比較して示してあるが、ＥＢは電子線リソグラフィー、ＦＩＢは、収束イオンビームリソグラフィーを表し、数値はＢｉ電極層１４の線幅を示す。実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、相対的に高い積感度Ｋ_H(Ｖ／Ａ・Ｔ)と相対的に低い直列抵抗Ｒ_S（ｋΩ）を同時に実現可能である。

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体１０の各部の寸法例（ドメイン幅ｄ、磁気記録媒体厚さｔ）は、図１０（ａ）に示すように表され、ドメイン幅ｄをパラメータとする磁気記録媒体に対する垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）と高さＺとの関係を示す特性例は、図１０（ｂ）に示すように表される。図１０（ｂ）においては、磁気記録媒体厚さｔ＝１００ｎｍ一定としている。

ここで、垂直方向の磁場Ｂ_Zは、Ｍ_Ｚを飽和磁化、α＝２Ｚ／ｔ、β＝ｄ／ｔとすると、高さＺの関数として、次式で表される（W.Straus, JAP 42, 1251 (1971)）。

Ｂ_Ｚ＝Ｍ_Ｚ[（α＋１）／｛（α＋１）²＋β²｝^1/2−（α−１）／｛（α−１）²＋β²｝^1/2] （２）

また、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体厚さｔをパラメータとする垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）と高さＺとの関係を示す特性例は、図１１に示すように表され、磁気記録媒体厚さｔおよびドメイン幅ｄをパラメータとする垂直方向の磁場Ｂ_Z（ｍＴ）、出力ホール電圧Ｖ_H（μＶ）、信号対雑音比Ｓ／Ｎと高さＺとの関係を示す特性例は、図１２に示すように表される。図１１においては、ドメイン幅ｄ＝５０ｎｍ一定としている。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、高さＺの増加・ドメイン幅ｄの減少・磁気記録媒体厚さｔの減少と共に、磁場Ｂ_Zは減少する。

すなわち、磁区から放出される磁場Ｂ_Zは、高さＺの増加に従って減少し、その傾向は、一般的にドメイン幅ｄ・磁気記録媒体厚さｔの減少に従い、顕著となる。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１を磁区（ドメイン）に近接配置することが望ましい。

（測定系）
実施の形態に係るホール素子１を適用し、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石１０２と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系の模式的構成は、図１３に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した測定系は、図１３に示すように、電磁石１０２と、電磁石１０２上にスペース１０３を介して配置された透過性両面研磨サファイア１０４と、透過性両面研磨サファイア１０４上に配置された磁気センサ（１０、１２、１４、２０）と、磁気センサ（１０、１２、１４、２０）上に配置された検光子１０６と、検光子１０６上に配置されたＣＣＤカメラ１０８とを備え、電磁石１０２の空芯部を介して、光ｈνは偏光子１００を通して、電磁石１０２の中央部に導入され、かつ透過性両面研磨サファイア１０４・磁気センサ（１０、１２、１４、２０）・検光子１０６を透過して、ＣＣＤカメラ１０８においてイメージ検出可能になされている。

このようにして、磁区動作のイメージングの測定結果が、例えば、図７（ａ）および図７（ｂ）に示された写真である。

（ホール素子の評価）
ホール素子の特性を物理特性測定装置（Physica Property Measurement System：PPMS）（Quantum Design, Inc.）により測定した。３００Ｋにおいて得られたホール係数Ｒ_H、積感度Ｋ_H、直列抵抗Ｒ_Sは、それぞれ約０．４４（ｃｍ³／Ｃ）、約４．４（Ｖ／Ａ・Ｔ）、約１．７（ｋΩ）であった。

（磁区動作によるホール素子応答評価）
電磁石と磁気光学顕微鏡を組み合わせることにより、磁場印加時の磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能となる測定系を構築した。

評価系は、ハロゲンタングステンランプ光源ｈν、電磁石１０２、偏光子１００、長焦点対物レンズ（CFILU Plan EPI ELWD×50，Nikon Instruments Inc.）、検光子１０６、ＣＣＤ（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）カメラ１０８（C10600 RCA-R², Hamamatsu Photonics K．K．）により構築される。

直線偏光された光を、電磁石１０２の中央部・透過性両面研磨サファイア１０４により作製されたステージを通して、磁気センサ（１０、１２、１４、２０）へファラデー配置で入射し、磁気センサ（１０、１２、１４、２０）からの透過光を検光子１０６を通して、ＣＣＤカメラ１０８により検出した。ここで、透過性両面研磨サファイア１０４の厚さは、約３００μｍ、熱分離のためのスペース１０３の高さは、約１ｍｍである。

同測定系のステージ位置における電磁石１０２による磁場強度は、市販のＧａＡｓホール素子により補正を行っている。

電磁石１０２への電流の入力、ホール素子の出力ホール電圧Ｖ_H、ＣＣＤカメラ１０８のシャッターを同期させた。

この結果、ホールクロスバー直下を磁区が横切った際のホール電圧Ｖ_Hのスイッチングを確認できた。

（半導体ホール素子との比較）
比較例に係る半導体ホール素子を適用した磁気センサの模式的断面構造は、図１４（ａ）に示すように表され、実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサの模式的断面構造は、図１４（ｂ）に示すように表される。

感度を示すホール係数Ｒ_Hの値は、比較例に係るＧａＡｓ半導体ホール素子では、約１．２×１０²(ｃｍ³／Ｃ)、実施の形態に係るＢｉホール素子では、約２．４×１０^-1(ｃｍ³／Ｃ)である。

熱雑音（Thermal Noise ∝Ｒ^1/2）に関係する抵抗率（Ω・ｃｍ）の値は、比較例に係るＧａＡｓ半導体ホール素子では、約３．９×１０^-2（Ω・ｃｍ）、実施の形態に係るＢｉホール素子では、約１．１×１０^-5（Ω・ｃｍ）である。

最小サイズ限界は、比較例に係るＧａＡｓ半導体ホール素子では、表面キャリア空乏化のために、〜１００ｎｍ程度であるのに対して、実施の形態に係るＢｉホール素子では、このようなサイズ限界は無く、例えば、１００ｎｍ以下、望ましくは、例えば、５０ｎｍ程度であっても良い。

結晶品質は、比較例に係るＧａＡｓ半導体ホール素子では、単結晶であるのに対して、実施の形態に係るＢｉホール素子では、単結晶若しくは多結晶である。

高さの制御性については、比較例に係る半導体ホール素子を適用した磁気センサにおいては、半導体ホール素子１ａと磁気記録媒体１０との距離は、約Ｈ１と相対的に離隔して配置される。これに対して、実施の形態に係るＢｉホール素子を適用した磁気センサにおいては、Ｂｉホール素子１は、磁気記録媒体１０上に絶縁層１２を介して接して配置されるため、Ｂｉホール素子１と磁気記録媒体１０との距離は、約Ｈ２と相対的に近接して配置される。

磁区動作を原理とする磁気記録装置を考えた際、磁区から放出される磁場を、磁気記録媒体からの距離による減衰の無いように、磁気記録媒体上に接してホール素子を配置し、このホール素子により磁場を検出することができれば、磁区の微小化による高記録密度化が可能となる。

磁区から放出される磁場は距離に従い減少するが、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１を直接磁性体（磁気記録媒体）１０上に作製することで磁場の減衰を最小限に抑制し、効率良く磁性体（磁気記録媒体）１０からの磁場を検出することができる。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、検出素子の磁気記録媒体１０への一体化が可能となり、デバイス応用上好適である。

Ｂｉ電極層１４は典型的な金属の中で最大のホール係数を有し、蒸着等により作製可能であるため、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、下地の材料に依らず高感度なホール素子の作製が可能である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１のサイズを小さくすることにより、微小磁区の検出が可能となる。電極層１４を構成するＢｉは半金属であるために、半導体ホール素子のように素子の微小化による表面空乏化の影響で特性劣化することがない。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、ホール素子１と磁性体（磁気記録媒体）１０の間に絶縁層１２を介することで、磁性体（磁気記録媒体）１０の導電性に依らず、適用可能である。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、磁気記録装置への応用を想定した磁気記録情報の検出素子として、磁気記録媒体１０上に接して作製した微小Ｂｉホール素子により磁区動作検出可能なホール素１と磁気記録媒体１０が一体化された磁気記録装置を提供することができる。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、オンウェハホールプローブを備えている。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサは、微小Ｂｉホール素子のオンウエハ構造によって、磁区動作を検出可能である。

（磁気センサの製造方法）
実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサの製造方法の説明図であって、磁気記録媒体１０上にアラインメント電極層１７を形成後、絶縁層１２を形成する工程を示す模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように表される。

絶縁層１２上にＢｉ（ビスマス）電極層１４をパターン形成する工程を示す模式的断面構造は、図１５（ｂ）に示すように表される。

Ｂｉ（ビスマス）電極層１４に接してパッド電極１６・１８をパターン形成した後、全面にパッシベーション膜２０を形成する工程を示す模式的断面構造は、図１５（ｃ）に示すように表される。

パッド電極１６・１８に対するコンタクトホール１６Ｈ・１８Ｈを形成する工程を示す模式的断面構造は、図１５（ｄ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサの製造方法は、磁気記録媒体１０上に絶縁層１２を形成する工程と、絶縁層１２上にビスマス電極層１４をパターン形成する工程と、ビスマス電極層１４上にパッド電極１６・１８をパターン形成する工程と、パッド電極１６・１８上にパッシベーション膜２０を形成する工程と、パッシベーション膜２０にパッド電極１６・１８に対する開口部１６Ｈ・１８Ｈを形成する工程と、開口部１６Ｈ・１８Ｈにボンディングワイヤ２２₁・２２₂を接続する工程とを有する。

また、絶縁層１２上にビスマス電極層１４をパターン形成する工程は、磁気記録媒体１０上にレジスト層を形成する工程と、レジスト層上にビスマス電極層１４を形成する工程と、レジスト層をリフトオフする工程とを有していても良い。

また、磁気記録媒体１０上にレジスト層を形成する工程は複数層レジスト工程、例えば、磁気記録媒体１０上にＰＭＧＩを形成後、ＰＭＧＩ上にポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０）を形成する工程を有していても良い。

以下、詳細に実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサの製造方法を説明する。
（ａ）まず、図１５（ａ）に示すように、第１のリソグラフィー工程により、磁気記録媒体１０上にアラインメント電極層１７をパターン形成後、絶縁層１２を形成する。
（ａ−１）すなわち、磁気記録媒体１０上に例えば、Ｃｒ（５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｃｒ（５ｎｍ）の積層からなるアラインメント電極層１７を、電子ビーム蒸着法およびリフトオフにより、パターン形成する。
（ａ−２）次に、ＡＬＤ法によって、Ａｌ₂Ｏ₃(膜厚３０ｎｍ、酸素供給源Ｈ₂Ｏ、製膜温度約１００℃)からなる絶縁層１２を形成する。
（ｂ）次に、図１５（ｂ）に示すように、第２のリソグラフィー工程により、絶縁層１２上にホールクロスバーをパターン形成する
（ｂ−１）すなわち、絶縁層１２上に、Ｃｒ（３ｎｍ）層を、電子ビーム蒸着法により、パターン形成する。
（ｂ−２）次に、厚さ、約１００ｎｍのビスマス電極層１４を抵抗加熱蒸着法およびリフトオフ法により、パターン形成する。
（ｃ）次に、図１５（ｃ）に示すように、第３のリソグラフィー工程により、ビスマス電極層１４に接して、絶縁層１２上にパッド電極１６・１８をパターン形成する。
（ｃ−１）すなわち、ビスマス電極層１４に接して、絶縁層１２上に例えば、Ｃｒ（５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｃｒ（５ｎｍ）の積層からなるパッド電極１６・１８を、電子ビーム蒸着法およびリフトオフにより、パターン形成する。
（ｃ−２）次に、ＡＬＤ法によって、Ａｌ₂Ｏ₃(膜厚３０ｎｍ、酸素供給源Ｈ₂Ｏ、製膜温度約１００℃)からなるパッシベーション膜２０を形成する。
（ｄ）次に、図１５（ｄ）に示すように、第４のリソグラフィー工程により、パッド電極１６・１８に対して、コンタクトホールをパターン形成する。
（ｄ−１）すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃からなるパッシベーション膜２０を希リン酸Ｈ₃ＰＯ₄（リン酸：純水＝１：４、約６０℃）によりエッチングする。
(ｄ−２)さらに、Ｃｒ層を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法（Ｃｌ₂／Ｏ₂＝２／２ｓｃｃｍ，圧力０．２Ｐａ、パワー１００Ｗ）により、エッチングする。

（リフトオフ工程）
磁気記録媒体１０からなる基板上にポジ型レジスト層１３Ｚを形成後、ポジ型レジスト層１３Ｚ上にＢｉ電極層１４を形成した比較例に係る模式的断面構造は、図１６（ａ）に示すように表され、図１６（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図１６（ｂ）に示すように表される。

また、図１６（ｂ）の工程後の表面光学顕微鏡写真例は、図１７に示すように表され、ホール素子部分の表面光学顕微鏡写真例は、図１８に示すように表される。図１７では、複数のホール素子１が配置されている様子が示されているが、詳細な拡大光学顕微鏡写真（図１８）に示すように、Ｂｉ電極層１４の露出部分ＥＡに対して、本来Ｂｉ電極層１４がリフトオフ工程により除去されるべき非露出部分ＵＥＡ（磁気記録媒体１０）上に、Ｂｉ電極層１４の再付着が生じて、Ｂｉ付着部２４が存在している。すなわち、上記の比較例では、図１６（ｂ）および図１８に示すように、リフトオフ工程後、磁気記録媒体１０からなる基板上へのＢｉ電極層１４の再付着が生じている。

（下地金属層および２層レジストによる改善）
磁気記録媒体１０からなる基板上にポジ型レジスト層１３Ｚを１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層１３Ｚ上にＢｉ電極層１４を３０ｎｍ形成した比較例に係る模式的断面構造は、図１９（ａ）に示すように表され、図１９（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図１９（ｂ）に示すように表され、図１９（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例は、図１９（ｃ）に示すように表される。図１９の比較例では、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図１９（ｂ）に示すように、磁気記録媒体１０からなる基板上へのＢｉ電極層１４の再付着が生じている。また、図１９（ｃ）に示す表面光学顕微鏡写真例からも、Ｂｉ付着部が存在し、良好なリフトオフ工程が実施されていない。

また、磁気記録媒体１０からなる基板上にポジ型レジスト層１３Ｚを１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層１３Ｚ上にＢｉ（３０ｎｍ）／Ｃｒ（１ｎｍ）電極層１４Ｔを形成した比較例に係る模式的断面構造は、図２０（ａ）に示すように表され、図２０（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２０（ｂ）に示すように表され、図２０（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例は、図２０（ｃ）に示すように表される。図２０の比較例では、Ｂｉ電極層１４の下地に下地金属層となるＴｉ層を１ｎｍ形成しているが、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２０（ｂ）に示すように、磁気記録媒体１０からなる基板上へのＢｉ電極層１４の再付着が生じている。また、図２０（ｃ）に示す表面光学顕微鏡写真例からも、Ｂｉ付着部が存在し、良好なリフトオフ工程が実施されていない。

一方、磁気記録媒体１０からなる基板上にポジ型レジスト層１３Ｚを１００ｎｍ形成後、ポジ型レジスト層１３Ｚ上にＢｉ（３０ｎｍ）／Ｔｉ（５ｎｍ）電極層１４Ｔを形成した比較例に係る模式的断面構造は、図２１（ａ）に示すように表され、図２１（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２１（ｂ）に示すように表され、図２１（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例は、図２１（ｃ）に示すように表される。図２１の比較例では、Ｂｉ電極層１４の下地に下地金属層となるＴｉ層を５ｎｍ形成しているため、図２１（ｂ）に示すように、良好なリフトオフ工程が実施可能である。また、図２１（ｃ）に示す表面光学顕微鏡写真例からも、Ｂｉ付着部は存在しない。

また、磁気記録媒体１０からなる基板上に２層構造のポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／低分子量ＺＥＰ）１３ＺＭを形成後、ポジ型レジスト層１３ＺＭ上にＢｉ電極層１４を３０ｎｍ形成した比較例に係る模式的断面構造は、図２２（ａ）に示すように表され、図２２（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２２（ｂ）に示すように表され、図２２（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例は、図２２（ｃ）に示すように表される。図２２の比較例では、２層構造のポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／低分子量ＺＥＰ）１３ＺＭを形成しているが、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２２（ｂ）に示すように、磁気記録媒体１０からなる基板上へのＢｉ電極層１４の再付着が生じている。また、図２２（ｃ）に示す表面光学顕微鏡写真例からも、Ｂｉ付着部が存在し、良好なリフトオフ工程が実施されていない。以上により２層レジストとして同一剥離液に可溶なレジストを用いた場合はＢｉ再付着の問題解決が困難であることが分かる。

これに対して、磁気記録媒体１０からなる基板上に２層構造のポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／ＰＭＧＩ（７０ｎｍ））１３ＺＰを形成後、ポジ型レジスト層１３ＺＰ上にＢｉ電極層１４を３０ｎｍ形成した実施の形態に係る模式的断面構造は、図２３（ａ）に示すように表され、図２３（ａ）の構造において、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２３（ｂ）に示すように表され、図２３（ｂ）の表面光学顕微鏡写真例は、図２３（ｃ）に示すように表される。図２３の実施の形態では、２層構造のポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／ＰＭＧＩ（７０ｎｍ））１３ＺＰを形成しているため、リフトオフ工程を実施した後の模式的断面構造は、図２３（ｂ）に示すように、磁気記録媒体１０からなる基板上へのＢｉ電極層１４の再付着は生じていない。また、図２３（ｃ）に示す表面光学顕微鏡写真例からも、Ｂｉ付着部が存在せず、良好なリフトオフ工程が実施されている。特に、図２３（ｂ）に示すように、Ｂｉ電極層１４は、ＰＭＧＩからなるレジスト層１３Ｐとともに剥離されるため、上記の２層構造のポジ型レジスト層（ＺＥＰ５２０Ａ（５０ｎｍ）／ＰＭＧＩ（７０ｎｍ））１３ＺＰの適用は、有効である。ここで、リムーバーとして作用するＺＥＰ５２０Ａは、ジメチルアセトアミド（Dimethyl acetamide）であり、同じくリムーバーとして作用するＰＭＧＩは、n-メチルピロリジノン（n-Methyl pyrrolidinone）である。以上により２層レジストとして同一剥離液に非可溶なレジストを用いた場合はＢｉ再付着の問題解決が可能であることが分かる。

（磁区動作）
実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図２４（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２４（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝０（ｍＴ））は、図２４（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図２５（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２５（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝５．２５（ｍＴ））は、図２５（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図２６（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２６（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１．５５（ｍＴ））は、図２６（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、図２７（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２７（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１．９０（ｍＴ））は、図２７（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、図２８（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２８（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１４.００（ｍＴ））は、図２８（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、図２９（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図２９（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝１１.９０（ｍＴ））は、図２９（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）とＤＭ（−）の境界が存在する例は、図３０（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３０（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝９．９８（ｍＴ））は、図３０（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図３１（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３１（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝９．６３（ｍＴ））は、図３１（ｂ）に示すように表される。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいて、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、図３２（ａ）に示すように表される。また、出力ホール電圧Ｖ_H(μＶ)および出力磁場Ｂ_Oと、印加磁場Ｂとの関係を示す図において、図３２（ａ）に対応する例（印加磁場Ｂ＝５．２５（ｍＴ））は、図３２（ｂ）に示すように表される。

ここで、印加磁場Ｂは、外部から印加される磁場であって、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石１０２と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系（図１３参照）により、電磁石１０２から、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサに供給される。

ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（−）が存在する例は、紙面上表面から裏面方向に出力磁場Ｂ_Oが発生する例に対応しており、出力磁場Ｂ_Oが正から負方向へ向かう例に対応している。一方、ホールクロスバー中央部分直下にガーネット磁性体のバブルドメインＤＭ（＋）が存在する例は、紙面上裏面から表面方向に出力磁場Ｂ_Oが発生する例に対応しており、出力磁場Ｂ_Oが負から正方向へ向かう例に対応している。

実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、図２４〜図３２に示すように、ガーネット磁性体１０の磁区動作により、ホール素子１直下を磁区が横切ることによる出力ホール電圧Ｖ_Hのスイッチング動作を確認することができる。

尚、実施の形態に係るホール素子を適用した磁気センサにおいて、磁気記録媒体１０の磁性体材料としては、微小ホール素子を用いて磁区動作によるホール電圧のスイッチングを実証するために磁区幅が比較的大きい（１１１）（ＧａＧｄ）₃（ＭｇＧａＺｒ）₅Ｏ₁₂基板上へ製膜されたＢｉ置換ガーネットの例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、スキルミオン金属材料であるＦｅ_0.5Ｃｏ_0.5Ｓｉ、ＦｅＧｅ、ＭｎＳｉ、ＭｎＧｅや、スキルミオン絶縁材料であるＣｕ₂ＯＳｅＯ₃なども適用可能である。

本発明によれば、磁気記録装置への応用を想定した磁気記録情報の検出素子として、磁気記録媒体上に接して作製した微小Ｂｉホール素子により磁区動作検出可能なホール素子、磁気記録媒体と検出素子が一体化された磁気センサおよびその製造方法、および磁気記録装置を提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

本発明のホール素子および磁気センサは、大容量・高密度の磁気記録装置に適用可能である。

１、１ａ…ホール素子（ホール素子を適用した磁気センサ）
１０…磁性体（磁気記録媒体）
１２…絶縁層
１３Ｚ、１３ＺＭ、１３ＺＰ、１３Ｐ…レジスト層
１４…Ｂｉ（ビスマス）電極層
１６、１８、Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄…ホールプローブパッド電極
１６Ｈ、１８Ｈ…コンタクトホール（開口部）
１７…アラインメント電極層
２０…パッシベーション膜
２２₁、２２₂…ボンディングワイヤ
２４…Ｂｉ（ビスマス）付着部
１００…偏光子
１０２…電磁石
１０３…スペース
１０４…透過性両面研磨サファイア
１０６…検光子
１０８…ＣＣＤカメラ
ＤＭ、ＤＭ（＋）、ＤＭ（−）…ドメイン
Ｂ…印加磁場
Ｂ_O…出力磁場

本発明は、ホール素子に関し、特に、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子に関する。

本発明の目的は、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子を提供することにある。

本発明の一態様によれば、矩形の磁性体と、前記磁性体上に形成された第１の絶縁層と 、前記第１の絶縁層上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層上から前記第１の 絶縁層上に跨って形成された第２の金属層と、前記第２の金属層上に、前記第２の金属層 の一部を露出させて形成された第２の絶縁層と、を備え、前記第１の金属層は、前記磁性 体の一辺から対向する他辺に向かう第１方向に延びる第１金属部と、前記第１金属部の一 端に接続され、前記第１方向と垂直方向である第２方向において前記第１金属部の長さよ りも長い第２金属部と、前記第１金属の他端に接続され、前記第２方向において前記第１ 金属部の長さよりも長い第３金属部と、を備え、前記第２の金属層は、前記第２金属部と 接続され且つ前記第２方向に延在する第４金属部と、前記第３金属部と接続され且つ前記 第２方向に延在する第５金属部と、を備える、ホール素子が提供される。

本発明の他の態様によれば、矩形の磁性体と、前記磁性体上に形成された第１の絶縁層 と、前記第１の絶縁層上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層上から前記第１ の絶縁層上に跨って形成された第２の金属層と、前記第２の金属層上に、前記第２の金属 層の一部を露出させて形成された第２の絶縁層と、を備え、前記第１の金属層は、前記磁 性体の一辺から対向する他辺に向かう第１方向から所定の角度回転した第２方向に延びる 第１金属部と、前記第１金属部の一端に接続され、前記第２方向と垂直方向である第３方 向において前記第１金属部の長さよりも長い第２金属部と、前記第１金属の他端に接続さ れ、前記第３方向において前記第１金属部の長さよりも長い第３金属部と、を備え、前記 第２の金属層は、前記第２金属部と接続され且つ前記第１方向と垂直方向である第４方向 に延在する第４金属部と、前記第３金属部と接続され且つ前記第４方向に延在する第５金 属部と、を備える、ホール素子が提供される。

本発明によれば、磁気記録媒体の磁区動作検出可能なホール素子を提供することができる。

尚、実施の形態に係るホール素子１を適用した磁気センサにおいては、磁気記録媒体１０と一体化形成されるパッド電極Ｐ₁〜Ｐ₄のパッド電極Ｐ₄からＰ₂方向に電流Ｉ_Oを導通し、磁気記録媒体１０からクロスバー部に印加される磁場（磁束密度）Ｂ_Oとすると、パッド電極Ｐ₁・Ｐ ₃ 間には、積感度をＫ_H（Ｖ／（Ａ・Ｔ））とすると、次式で表される出力ホール電圧Ｖ_H（μＶ）が発生する。

本発明によれば、磁気記録装置への応用を想定した磁気記録情報の検出素子として、磁気記録媒体上に接して作製した微小Ｂｉホール素子により磁区動作検出可能なホール素子を提供することができる。

本発明のホール素子は、磁気センサや、大容量・高密度の磁気記録装置に適用可能である。

Claims (10)

1. 磁気記録媒体上に配置され、クロスバー形状を有する電極層と、
   前記電極層の前記クロスバー部に接続されたパッド電極と
   を備えることを特徴とするホール素子。
2. 前記電極層は、ビスマス層を備えることを特徴とする請求項１に記載のホール素子。
3. 前記クロスバー部の面積は、１００ｎｍ×１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のホール素子。
4. 前記磁気記録媒体と前記電極層との間に配置された絶縁層を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のホール素子。
5. 磁気記録媒体と、
   前記磁気記録媒体上に配置され、クロスバー形状を有する電極層と、前記電極層の前記クロスバー部に接続されたパッド電極とを有するホール素子と
   を備えることを特徴とする磁気センサ。
6. 前記電極層は、ビスマス層を備えることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
7. 前記クロスバー部の面積は、１００ｎｍ×１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の磁気センサ。
8. 前記磁気記録媒体と前記電極層との間に配置された絶縁層を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 前記磁気記録媒体は、Ｂｉ置換ガーネットであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
10. 請求項５〜９のいずれか１項に記載の磁気センサを備えることを特徴とする磁気記録装置。