JP3961777B2 - 磁気センサー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサーに関し、特に高密度ＨＤＤ用磁気へッドに好適な磁気抵抗効果型磁気センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気センサー、磁気ヘッドなどに用いられているとともに、磁気記録素子（磁気抵抗効果メモリー）などへの応用が提案されている。これらの磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対する感度が大きいこと、応答スピードが早いことが要求されている。
【０００３】
磁気抵抗効果は、磁性体に磁場を印加すると電気抵抗が変化する現象である。強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は、温度安定性に優れ、使用温度範囲が広いという特徴を有している。
【０００４】
また、近年、２つの磁性金属層の間に一層の誘電体を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）が見出されている。強磁性トンネル接合は、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから（J. Appl. Phys. 79,4724(1996) ）、磁気ヘッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性が高まってきた。
【０００５】
この強磁性トンネル接合は、薄い０．４ｎｍ〜２．０ｎｍ厚のＡｌ層を強磁性電極上に成膜した後、表面を純酸素または酸素グロー放電、または酸素ラジカルに曝すことによって、ＡｌＯx からなるトンネルバリア層を形成している。
【０００６】
この強磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）では、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵抗変化率がかなり減少するという問題（Phys. Rev. Lett. 74,3273(1995)）および、抵抗値が大きすぎるとショットノイズの影響で充分なＳ／Ｎ比が得られないこと、抵抗値を低くするためトンネルバリア層の厚さを薄くするとＭＲが小さくなってしまうことなどの問題があった。
【０００７】
また、上記強磁性１重トンネル接合の片一方の強磁性層に反強磁性層を付与し、片方を磁化固定層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案されている（特開平１０−４２２７）。しかし、この強磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）でも、同様の問題が存在する。
【０００８】
また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合、または、強磁性２重トンネル接合が提案されている（特願平９−２６０７４３、Phys. Rev. B56(10)，R5747(1997)、応用磁気学会誌23,4-2,(1999)、APPI. Phys. Lett. 73(19) ，2829(1998)）。これらにおいても、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから磁気へッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性がある。
【０００９】
これら強磁性２重トンネル接合では、強磁性１重トンネル接合に比べて、バイアス電圧にともなうＭＲ比の低下が少ないため、大きな出力が得られるという特徴を有している。しかし、バリア層が２層になるためＳ／Ｎ比に関しては強磁性１重トンネル接合と同様のまたはそれ以上の問題がある。
【００１０】
これらを解決するために、トランジスタのゲート部に強磁性体電極を設けその上にトンネルバリアを作製し、そのトンネルバリアの上に電気的に並列に接続された第二、第三の強磁性体膜を設けた磁気抵抗効果素子が提案されている（特開平１１−２６６０４３）。
【００１１】
しかし、この素子においては、１重トンネル接合を用いているため、バイアス電圧にともなうＭＲ比の低下が存在し、ゲートに十分な電圧差が印加できないとともに、トンネル接合のブレークダウン等の問題が生じる可能性がある。
【００１２】
また、強磁性体をゲート電極に用いているため、この膜厚はエレクトロマイグレーション（ＥＭ）などの問題を防ぐにはある程度以上にはしなければならない。そのため、ゲート電極上に作製したトンネルバリアは、ゲート電極のエッジ上の部分において膜厚が不均一となり、エツジからのリーク電流が増大し、歩留まりが非常に悪くなる可能性がある。また、強磁性層をゲート配線に用いた場合、プロセス温度の上昇に伴いトランジスタの特性がばらつく問題もある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、磁気センサーに使用される強磁性トンネル接合素子では、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵抗変化率がかなり減少する、あるいは磁気抵抗値が大きすぎるとショットノイズの影響で充分なＳ／Ｎ比が得られない、磁気抵抗値を低くするためトンネルバリア層の厚さを薄くするとＭＲ比が小さくなってしまうなどの問題があった。
【００１４】
このため、強磁性トンネル接合素子とトランジスタを組み合わせた磁気センサーが提案されているが、上記の強磁性トンネル接合素子の問題点が解決されておらず、また組み合わせ構造に起因する問題もある。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、大容量ＨＤＤ用に好適で信頼性の高い磁気抵抗効果型磁気センサーを提供することを課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の磁気センサーは、接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えたダイオードと、前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の磁気センサーは、接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えるダイオードと、前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子と、前記下地電極と前記強磁性トンネル接合素子との間、或いは前記第３の電極端子と前記強磁性トンネル接合素子との間に形成された抵抗層とを具備することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
（参考例）
図１は本発明の参考例に係る磁気抵抗効果型磁気センサーの原理を説明するための等価回路図である。図１（ａ）では、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）１の一端がＭＯＳＦＥＴ２のゲートに接続され、ＴＭＲ素子1にはその他端から定電流ｉを流す。ＴＭＲ素子１の他端を例えば接地電位とし、ＴＭＲ素子の一端の電位（ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電位）がＭＯＳＦＥＴ２の閾値電圧以下であれば、ＭＯＳＦＥＴ２は非導通であり、閾値電位以上になればＭＯＳＦＥＴ２は導通する。即ち、ＴＭＲ素子１の僅かな抵抗変化をＭＯＳＦＥＴ２により増幅することができる。
【００２２】
図１（ｂ）は、ＴＭＲ素子１に直列に調整用抵抗３を接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ２の閾値電圧近傍にゲート電圧の動作点を合わせるための調整を可能にした例である。
【００２３】
図２は、本参考例に係る磁気抵抗効果素子１０の摸式的な斜視図である。ＭＯＳＦＥＴ２は半導体基板１１に形成されたソース領域１２、ドレイン領域１３、ゲート絶縁膜１６を介して形成されたゲートとしての下地電極２０により構成されている。参照番号１４，１５は夫々ソース電極、ドレイン電極であり、１８は下地電極２０に接続されたゲート取り出し電極である。
【００２４】
ＴＭＲ素子１は下地電極２０上にゲート引き出し電極１８と隣接しかつ離隔して形成され、その上面には定電流を流し込むバイアス電極１７が形成されている。また、図示はしていないが、ＴＭＲ素子１と下地電極２０或いはバイアス電極１７との間にゲート電圧調整用の抵抗膜を備えることができる。
【００２５】
図３は、ＴＭＲ素子１の層構成を説明するための断面図である。半導体基板１１には、ソース・ドレイン領域１２，１３が形成され、このソース・ドレイン領域１２，１３に挟まれた領域上にはゲート絶縁膜１６を介して下地電極２０が形成されている。下地電極２０は、少なくともソース・ドレイン領域１２，１３に挟まれた半導体基板の領域上に形成されていることが望ましい。
【００２６】
下地電極２０の上面の１領域にはＴＭＲ素子１が形成されている。この例では、ＴＭＲ素子１は、下地電極２０上に抵抗調整膜２５を介して順次形成された反強磁性層２１、強磁性層（磁気固着層）２２、トンネルバリア層２３、強磁性層（記録層）２４から構成されている。強磁性層２４の上には、バイアス電極１７が形成されている。抵抗調整膜２５は下地電極２０上に必ずしも形成する必要は無く、ＴＭＲ素子１とバイアス電極１７の間、或いはバイアス電極１７につながる回路部に設けてもよい。或いは抵抗調整膜２５を設けなくてもよい。
【００２７】
下地電極２０の他の領域には、ゲート引出し電極１８が形成されている。ゲート引出し電極１８は、ＴＭＲ素子１の反強磁性層２１、あるいは強磁性層２２／反強磁性層２１をゲート引出し電極１８の下部まで延在させ、これらを介して接続するようにしてもよい。
【００２８】
図３では、ＴＭＲ素子１として、反強磁性層を磁気固着層側の１層だけとしたが、フリー層側の一部に、もう１層設けてもよい。また、図３では強磁性１重トンネル接合を示したが、図４に示すように、強磁性２重トンネル接合としてもよい。
【００２９】
即ち、図４のＴＭＲ素子は、反強磁性層３１／強磁性層（固着層）３２／トンネルバリア層３３／強磁性層（記録層）３４／トンネルバリア層３５／強磁性層（磁気固着層）３６／反強磁性層３７からなる強磁性２重トンネル接合構造を有する。
【００３０】
また、上記の強磁性層の少なくとも１層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造としても良い。図５は、図４の強磁性層３２を強磁性層３２−１／非磁性層３８／強磁性層３２−２とした例である。
【００３１】
本参考例では、図３に示したようにＭＯＳＦＥＴ２のゲート部に下地電極層を介して強磁性トンネル接合／抵抗調整膜の積層膜が配置されている。上記構造において、下地電極層は、磁性体の拡散が抑えられれば良く、Ｔｉ，Ｔａ，Ｗまたはこれらの金属の酸化膜、または窒化膜などを用いることができる。これらを設けることによって、ゲート部に磁性体を付与しても、ＭＯＳＦＥＴ２のゲート部形成後の３００℃以上のアニールプロセスにおいて特性が変動することが無く、信頼性の高い磁気センサーを提供することができる。
【００３２】
強磁性トンネル接合の記録層のスピンが媒体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固着層のスピンの方向との相対的な角度が変化するため、ＴＭＲ素子１の磁気抵抗が変化する。この抵抗変化がＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧を変化させ、ソース・ドレイン間の電流が大きく変化する。このようにして、Ｓ／Ｎ比の大きい磁気センサーを提供することができる。
【００３３】
図には示していないが、バルクハウゼンノイズを少なくするために、ＣｏＰｔなどのハードバイアス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合の記録層の一部に付与することが好ましい。また、ＨＤＤ用読み出しへッドとして用いる場合は、図３の上下にはＮｉ−Ｆｅなどのシールド層を設けて、記録ヘッドとの磁気シールドとする。
【００３４】
次に、具体例として図４のＴＭＲ素子を図３の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トンネル接合は、強磁性２重トンネル接合構造、即ち反強磁性層３１／強磁性層３２／バリア層３３／強磁性層３４／バリア層３５／強磁性層３６／反強磁性層３７として、Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯX／（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｎｉ20／ＡｌＯx／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎの積層体をＭＯＳＦＥＴ２のゲート部のＷの窒化膜からなる下部電極２０上に作製した。上記構造において、トンネルバリア層３３、３５は、金属Ａｌを成膜後プラズマ酸化を行って作製した。
【００３５】
上記の試料に関し、ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン・ソース間抵抗の相対値Ｒｄの変化を図６に示す。図示のように、フリー層のスピンの方向に応じて、ＭＲ変化率は１０5 ％オーダーもの大きな変化を示し、本例の有効性が確認された。
【００３６】
（第１の実施形態）
図７は本発明の第１の実施形態に係る磁気センサーの原理を説明するための等価回路図である。図７（ａ）では、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）１の一端がダイオード４のアノードに接続され、ＴＭＲ素子1には定電流ｉを流す。ＴＭＲ素子１の他端を例えば接地電位とし、ＴＭＲ素子の一端の電位（ダイオード４のアノード電位）とダイオードのカソード電位の差がダイオード４の閾値電圧以下であれば、ダイオード４は非導通であり、閾値電圧以上になればダイオード４は導通する。即ち、ＴＭＲ素子１の僅かな抵抗変化をダイオード４の順方向電流の立ち上がりカーブを利用して増幅することができる。
【００３７】
図７（ｂ）は、ＴＭＲ素子１に直列に調整用抵抗３を接続したもので、ダイオード４の閾値電圧近傍に動作点を合わせるために調整を可能にした例である。
【００３８】
図７ではＴＭＲ素子１の一端をダイオード４のアノード側に接続したが、カソード側に接続してもよい。即ち、ＴＭＲ素子はダイオードの第１導電型半導体領域でも第２導電型半導体領域でも接続することができる。
【００３９】
図８は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサー５０の摸式的な斜視図である。ダイオード４は半導体基板５１に形成されたアノード（ｐ＋）領域５２、カソード（ｎ＋）領域５３により構成されている。アノード（ｐ＋）領域５２とカソード（ｎ＋）領域５３は、その境界部でｐｎ接合を形成している。参照番号５４，５５は、夫々カソード電極、アノード電極である。
【００４０】
ＴＭＲ素子１はアノード領域５２上に下部電極５７を介して、アノード電極５５と離隔して形成され、その上面には定電流を流し込むバイアス電極５６が形成されている。なお、図示はしていないが、ＴＭＲ素子１と下地電極５７或いはバイアス電極５６との間に電圧調整用の抵抗膜を備えることができる。
【００４１】
図９は、ＴＭＲ素子１の層構成を説明するための断面図である。半導体基板５１には、ｐ型領域５２とその中にｎ型領域５３が形成され、ｐ型領域５２上には下地電極５７が形成されている。
【００４２】
下地電極５７の上面の１領域には、前記参考例の図３に示されたと同じＴＭＲ素子１が形成されている。即ち、ＴＭＲ素子１は、下地電極５７上に抵抗調整膜２５を介して順次形成された反強磁性層２１、強磁性層（磁気固着層）２２、トンネルバリア層２３、強磁性層（記録層）２４から構成されている。強磁性層２４の上には、バイアス電極５６が形成されている。抵抗調整膜２５は下地電極５７上に必ずしも形成する必要は無く、ＴＭＲ素子１とバイアス電極５６の間、或いはバイアス電極５６につながる回路部に設けてもよい。或いは抵抗調整膜２５を設けなくてもよい。
【００４３】
下地電極５７の他の領域には、アノード電極５５が形成されている。アノード電極５５は、ＴＭＲ素子１の反強磁性層２１、あるいは強磁性層２２／反強磁性層２１をアノード電極５５の下部まで延在させ、これらを介して接続するようにしてもよい。
【００４４】
図９では、ＴＭＲ素子１として、反強磁性層を磁気固着層側の１層としたが、フリー層側の一部に、もう１層設けてもよい。また、図９では強磁性１重トンネル接合を示したが、図４または図５に示したような、強磁性２重トンネル接合としてもよい。
【００４５】
第１の実施形態の変形例として、図１０、図１１に示すように構成しても良い。この変形例では、プラナー型のダイオードに代えて、アモルファスダイオード６１を用いているところに特徴がある。即ち、カソード電極６４の上にはアノード層６２、カソード層６３からなるアモルファスダイオード６１が形成されている。アノード層６２の上部には、下地電極６７を介してＴＭＲ素子１とアノード電極６５が離隔して形成されている。ＴＭＲ素子１の上部にはバイアス電極６６が形成されている。このように、アモルファスダイオードを使用すれば小型で安価な磁気センサーが実現できる。
【００４６】
本実施形態では、図８または図１０に示したように、ダイオードのアノード上に下地電極を介して強磁性トンネル接合または、強磁性トンネル接合／抵抗体層積層膜が配置されている。上記構造において、下地電極層は、磁性体の拡散が抑えられれば良く、Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ、あるいはこれらの酸化膜または窒化化膜などを用いることができる。これらを設けることによってダイオードの上面に磁性体を付与しても、プロセスの熱工程を経ても特性の変動が無く、信頼性の高い磁気センサーを提供することができる。
【００４７】
ダイオードを用いる方が、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合に比べて製造コストが安く安価な磁気センサを作製出来る。強磁性トンネル接合の記録（フリー）層のスピンが媒体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固着層のスピンの方向との相対的な角度が変化するため、磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗変化をダイオードの閾値近傍の電圧変化としてダイオードに印加すれば、ダイオードに流れる電流が大きく変化し、Ｓ／Ｎ比の高い磁気センサーが提供できる。
【００４８】
図には示していないが、バルクハウゼンノイズを少なくするために、ＣｏＰｔなどのハードバイアス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合のフリー層の一部に付与することが好ましい。また、ＨＤＤ用読み出しへッドとして用いる場合は、図８、図１０の磁気センサーの上下にはＮｉ−Ｆｅなどのシールド層を設けて、記録ヘッドとの磁気シールドとする。
【００４９】
ＴＭＲ素子１としては、前記参考例と同様に、図４、図５に示したスピンバルブ型強磁性２重接合構造を用いることが望ましい。
【００５０】
次に、具体例として図４のＴＭＲ素子を図８の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トンネル接合は、強磁性２重トンネル接合構造、即ち反強磁性層３１／強磁性層３２／バリア層３３／強磁性層３４／バリア層３５／強磁性層３６／反強磁性層３７として、Ｐｔ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯX／Ｎｉ40（Ｃｏ90Ｆｅ10）60／ＡｌＯx／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｐｔ−Ｍｎの積層体をダイオード４のアノード上のＴａ層からなる下地電極５７上に作製した。上記構造において、トンネルバリア層３３、３５は、金属Ａｌを成膜後プラズマ酸化を行って作製した。
【００５１】
上記の試料に関し、ダイオード４の順方向抵抗の相対値Ｒｄの変化を図１２に示す。図示のように、記録（フリー）層のスピンの方向に応じて、ＭＲ変化率は１０6 ％オーダーもの大きな変化を示し、本特許の有効性が確認された。
【００５２】
上記の第１の実施形態における強磁性トンネル接合としては、図４、図５に示したように反強磁性層を付与するいわゆるスピンバルブ型にすることが好ましい。
【００５３】
また、上記磁気固着層（ピン層）は、（強磁性層/非磁性層／強磁性層）の３層構造で非磁性層を介して反強磁性結合をしているいわゆる反強磁性結合記録層を用いることができる。この３層構造をピン層として用いることにより、より強固にピン層のスピンを固着することができるため、何度かの読み出しによって磁気固定層の一部の磁気モーメントが回転してしまい出力が徐々に低下してしまうという問題が完全になくなること、反強磁性膜の膜厚を薄くでき加工精度が上がることなどのメリットがあり、ピン層からのバイアス磁場も減少するため、バイアスポイントのバラツキが減少する。
【００５４】
また、磁気記録層（フリー層）も（強磁性層／非磁性層／強磁性層）の３層構造を用いることが好ましい。この場合、強磁性層間に強磁性層結合があることが好ましい。この構造を磁気フリー層に用いると、セル幅を小さくしても良好な感度が得られる。即ち、セル幅を小さくしても磁場応答を大きく保つことができる。強磁性結合の強さは弱い方が好ましく、弱いほど磁場応答が良好となる。
【００５５】
また、第１の実施形態の場合、ピン層のスピンとフリー層のスピンは、上から見たときに略直交していることが望ましい。
【００５６】
本発明の強磁性層の元素の種類には特に制限はなく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれら合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ2、ＺｎＭｎＰ2などの磁性半導体を用いることができる。
【００５７】
本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、あまり厚いと磁場感度が小さくなり、漏れ磁場が大きくなってしまうため、３．０ｎｍ以下で有ることが好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わないかぎり良い。
【００５８】
反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯなどを設けることができる。フリー層に強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層膜を用いる場合、その非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。
【００５９】
誘電体または絶縁層としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3 などの様々な誘電体を使用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が多少存在していてもかまわない。
【００６０】
誘電体層の厚さはＴＭＲ素子の接合面積に依存し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板上には、下地層，保護層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ，Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄなどを用いることが好ましい。
【００６１】
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成装置を用いれば作製することができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、本発明の磁気センサーを磁気ヘッドに応用した例を説明する。
【００６３】
図１３は、本発明の磁気センサー５０（６０）を搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム１０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム１０１の一端にはサスペンション１０２が固定されている。サスペンション１０２の先端には信号の書き込み、および読み取り用のリード線１０４が配線され、このリード線１０４の一端はヘッドスライダ１０３に組み込まれた磁気センサー１０の各電極に接続され、リード線１０４の他端は電極パッド１０５に接続されている。なお、磁気センサー５０（６０）は第１の実施形態のセンサーである。
【００６４】
図１４は、図１３に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク１１１はスピンドル１１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。
【００６５】
アクチュエータアーム１０１は固定軸１１３に固定され、サスペンション１０２およびその先端のヘッドスライダ１０３を支持している。磁気ディスク１１１が回転すると、ヘッドスライダ１０３の媒体対向面は磁気ディスク１１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。
【００６６】
アクチュエータアーム１０１の基端にはリニアモータの一種であるボイスコイルモータ１１４が設けられている。ボイスコイルモータ１１４はアクチュエータアーム１０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成されている。
【００６７】
アクチュエータアーム１０１は、固定軸１１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって支持され、ボイスコイルモータ１１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００６８】
上記のように本発明の磁気センサーを使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、磁気センサーから高出力信号が得られるので、安定した動作と１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2 以上の大容量化が可能になる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、出力信号電圧が大きく信頼性の高い磁気センサーが得られるので、１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2 以上の大容量磁気記録装置が実現できる。
【００７０】
また、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ゲート部は金属または金属酸化物からなるゲート電極（下地電極）を用いるので熱安定性が良く、ゲート電極上にそのエッジ部に懸かることなくＴＭＲ素子を作製するので、ゲートエッジからのリーク電流も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例に係る磁気センサーの等価回路図。
【図２】 参考例に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図３】 参考例に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図４】 他のＴＭＲ素子の層構成を示す断面図。
【図５】 更に他のＴＭＲ素子の層構成を示す断面図。
【図６】 図４の磁気センサーの出力信号特性を示す図。
【図７】 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサーの等価回路図。
【図８】 第１の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図９】 第１の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図１０】 第１の実施形態の変形例に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図１１】 第１の実施形態の変形例に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図１２】 第１の実施形態の磁気センサーの出力信号特性を示す図。
【図１３】 本発明の第２の実施形態に係る磁気ヘッドの摸式的な斜視図。
【図１４】 第２の実施形態の磁気ヘッドを搭載した磁気記録装置の摸式的な斜視図。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子
２…ＭＯＳＦＥＴ
３…調整抵抗
４…ダイオード
１０、５０、６０…磁気センサー
１１、５１…半導体基板
１２，１３…ソース・ドレイン領域
１４，１５…ソース・ドレイン電極
１６…ゲート絶縁膜
１７、５６，６６…バイアス電極
１８…ゲート引出し電極
２０、５７，６７…下地電極
２１、３１，３７…反強磁性層
２２，２４，３２，３２−１，３２−２、３４、３６…強磁性層
２３，３３，３５…トンネルバリア層
２５…調整抵抗層
３８…非磁性層
５２、６２…アノード層
５３，６３…カソード層
５４、６４…カソード電極
５５、６５…アノード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサーに関し、特に高密度ＨＤＤ用磁気へッドに好適な磁気抵抗効果型磁気センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気センサー、磁気ヘッドなどに用いられているとともに、磁気記録素子（磁気抵抗効果メモリー）などへの応用が提案されている。これらの磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対する感度が大きいこと、応答スピードが早いことが要求されている。
【０００３】
磁気抵抗効果は、磁性体に磁場を印加すると電気抵抗が変化する現象である。強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は、温度安定性に優れ、使用温度範囲が広いという特徴を有している。
【０００４】
また、近年、２つの磁性金属層の間に一層の誘電体を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）が見出されている。強磁性トンネル接合は、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから（J. Appl. Phys. 79,4724(1996) ）、磁気ヘッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性が高まってきた。
【０００５】
この強磁性トンネル接合は、薄い０．４ｎｍ〜２．０ｎｍ厚のＡｌ層を強磁性電極上に成膜した後、表面を純酸素または酸素グロー放電、または酸素ラジカルに曝すことによって、ＡｌＯx からなるトンネルバリア層を形成している。
【０００６】
この強磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）では、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵抗変化率がかなり減少するという問題（Phys. Rev. Lett. 74,3273(1995)）および、抵抗値が大きすぎるとショットノイズの影響で充分なＳ／Ｎ比が得られないこと、抵抗値を低くするためトンネルバリア層の厚さを薄くするとＭＲが小さくなってしまうことなどの問題があった。
【０００７】
また、上記強磁性１重トンネル接合の片一方の強磁性層に反強磁性層を付与し、片方を磁化固定層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案されている（特開平１０−４２２７）。しかし、この強磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）でも、同様の問題が存在する。
【０００８】
また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合、または、強磁性２重トンネル接合が提案されている（特願平９−２６０７４３、Phys. Rev. B56(10)，R5747(1997)、応用磁気学会誌23,4-2,(1999)、APPI. Phys. Lett. 73(19) ，2829(1998)）。これらにおいても、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから磁気へッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性がある。
【０００９】
これら強磁性２重トンネル接合では、強磁性１重トンネル接合に比べて、バイアス電圧にともなうＭＲ比の低下が少ないため、大きな出力が得られるという特徴を有している。しかし、バリア層が２層になるためＳ／Ｎ比に関しては強磁性１重トンネル接合と同様のまたはそれ以上の問題がある。
【００１０】
これらを解決するために、トランジスタのゲート部に強磁性体電極を設けその上にトンネルバリアを作製し、そのトンネルバリアの上に電気的に並列に接続された第二、第三の強磁性体膜を設けた磁気抵抗効果素子が提案されている（特開平１１−２６６０４３）。
【００１１】
しかし、この素子においては、１重トンネル接合を用いているため、バイアス電圧にともなうＭＲ比の低下が存在し、ゲートに十分な電圧差が印加できないとともに、トンネル接合のブレークダウン等の問題が生じる可能性がある。
【００１２】
また、強磁性体をゲート電極に用いているため、この膜厚はエレクトロマイグレーション（ＥＭ）などの問題を防ぐにはある程度以上にはしなければならない。そのため、ゲート電極上に作製したトンネルバリアは、ゲート電極のエッジ上の部分において膜厚が不均一となり、エツジからのリーク電流が増大し、歩留まりが非常に悪くなる可能性がある。また、強磁性層をゲート配線に用いた場合、プロセス温度の上昇に伴いトランジスタの特性がばらつく問題もある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、磁気センサーに使用される強磁性トンネル接合素子では、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵抗変化率がかなり減少する、あるいは磁気抵抗値が大きすぎるとショットノイズの影響で充分なＳ／Ｎ比が得られない、磁気抵抗値を低くするためトンネルバリア層の厚さを薄くするとＭＲ比が小さくなってしまうなどの問題があった。
【００１４】
このため、強磁性トンネル接合素子とトランジスタを組み合わせた磁気センサーが提案されているが、上記の強磁性トンネル接合素子の問題点が解決されておらず、また組み合わせ構造に起因する問題もある。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、大容量ＨＤＤ用に好適で信頼性の高い磁気抵抗効果型磁気センサーを提供することを課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の磁気センサーは、接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えたダイオードと、前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の磁気センサーは、接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えるダイオードと、前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子と、前記下地電極と前記強磁性トンネル接合素子との間、或いは前記第３の電極端子と前記強磁性トンネル接合素子との間に形成された抵抗層とを具備することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
（参考例）
図１は本発明の参考例に係る磁気抵抗効果型磁気センサーの原理を説明するための等価回路図である。図１（ａ）では、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）１の一端がＭＯＳＦＥＴ２のゲートに接続され、ＴＭＲ素子1にはその他端から定電流ｉを流す。ＴＭＲ素子１の他端を例えば接地電位とし、ＴＭＲ素子の一端の電位（ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電位）がＭＯＳＦＥＴ２の閾値電圧以下であれば、ＭＯＳＦＥＴ２は非導通であり、閾値電位以上になればＭＯＳＦＥＴ２は導通する。即ち、ＴＭＲ素子１の僅かな抵抗変化をＭＯＳＦＥＴ２により増幅することができる。
【００２２】
図１（ｂ）は、ＴＭＲ素子１に直列に調整用抵抗３を接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ２の閾値電圧近傍にゲート電圧の動作点を合わせるための調整を可能にした例である。
【００２３】
図２は、本参考例に係る磁気抵抗効果素子１０の摸式的な斜視図である。ＭＯＳＦＥＴ２は半導体基板１１に形成されたソース領域１２、ドレイン領域１３、ゲート絶縁膜１６を介して形成されたゲートとしての下地電極２０により構成されている。参照番号１４，１５は夫々ソース電極、ドレイン電極であり、１８は下地電極２０に接続されたゲート取り出し電極である。
【００２４】
ＴＭＲ素子１は下地電極２０上にゲート引き出し電極１８と隣接しかつ離隔して形成され、その上面には定電流を流し込むバイアス電極１７が形成されている。また、図示はしていないが、ＴＭＲ素子１と下地電極２０或いはバイアス電極１７との間にゲート電圧調整用の抵抗膜を備えることができる。
【００２５】
図３は、ＴＭＲ素子１の層構成を説明するための断面図である。半導体基板１１には、ソース・ドレイン領域１２，１３が形成され、このソース・ドレイン領域１２，１３に挟まれた領域上にはゲート絶縁膜１６を介して下地電極２０が形成されている。下地電極２０は、少なくともソース・ドレイン領域１２，１３に挟まれた半導体基板の領域上に形成されていることが望ましい。
【００２６】
下地電極２０の上面の１領域にはＴＭＲ素子１が形成されている。この例では、ＴＭＲ素子１は、下地電極２０上に抵抗調整膜２５を介して順次形成された反強磁性層２１、強磁性層（磁気固着層）２２、トンネルバリア層２３、強磁性層（記録層）２４から構成されている。強磁性層２４の上には、バイアス電極１７が形成されている。抵抗調整膜２５は下地電極２０上に必ずしも形成する必要は無く、ＴＭＲ素子１とバイアス電極１７の間、或いはバイアス電極１７につながる回路部に設けてもよい。或いは抵抗調整膜２５を設けなくてもよい。
【００２７】
下地電極２０の他の領域には、ゲート引出し電極１８が形成されている。ゲート引出し電極１８は、ＴＭＲ素子１の反強磁性層２１、あるいは強磁性層２２／反強磁性層２１をゲート引出し電極１８の下部まで延在させ、これらを介して接続するようにしてもよい。
【００２８】
図３では、ＴＭＲ素子１として、反強磁性層を磁気固着層側の１層だけとしたが、フリー層側の一部に、もう１層設けてもよい。また、図３では強磁性１重トンネル接合を示したが、図４に示すように、強磁性２重トンネル接合としてもよい。
【００２９】
即ち、図４のＴＭＲ素子は、反強磁性層３１／強磁性層（固着層）３２／トンネルバリア層３３／強磁性層（記録層）３４／トンネルバリア層３５／強磁性層（磁気固着層）３６／反強磁性層３７からなる強磁性２重トンネル接合構造を有する。
【００３０】
また、上記の強磁性層の少なくとも１層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造としても良い。図５は、図４の強磁性層３２を強磁性層３２−１／非磁性層３８／強磁性層３２−２とした例である。
【００３１】
本参考例では、図３に示したようにＭＯＳＦＥＴ２のゲート部に下地電極層を介して強磁性トンネル接合／抵抗調整膜の積層膜が配置されている。上記構造において、下地電極層は、磁性体の拡散が抑えられれば良く、Ｔｉ，Ｔａ，Ｗまたはこれらの金属の酸化膜、または窒化膜などを用いることができる。これらを設けることによって、ゲート部に磁性体を付与しても、ＭＯＳＦＥＴ２のゲート部形成後の３００℃以上のアニールプロセスにおいて特性が変動することが無く、信頼性の高い磁気センサーを提供することができる。
【００３２】
強磁性トンネル接合の記録層のスピンが媒体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固着層のスピンの方向との相対的な角度が変化するため、ＴＭＲ素子１の磁気抵抗が変化する。この抵抗変化がＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧を変化させ、ソース・ドレイン間の電流が大きく変化する。このようにして、Ｓ／Ｎ比の大きい磁気センサーを提供することができる。
【００３３】
図には示していないが、バルクハウゼンノイズを少なくするために、ＣｏＰｔなどのハードバイアス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合の記録層の一部に付与することが好ましい。また、ＨＤＤ用読み出しへッドとして用いる場合は、図３の上下にはＮｉ−Ｆｅなどのシールド層を設けて、記録ヘッドとの磁気シールドとする。
【００３４】
次に、具体例として図４のＴＭＲ素子を図３の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トンネル接合は、強磁性２重トンネル接合構造、即ち反強磁性層３１／強磁性層３２／バリア層３３／強磁性層３４／バリア層３５／強磁性層３６／反強磁性層３７として、Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯX／（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｎｉ20／ＡｌＯx／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎの積層体をＭＯＳＦＥＴ２のゲート部のＷの窒化膜からなる下部電極２０上に作製した。上記構造において、トンネルバリア層３３、３５は、金属Ａｌを成膜後プラズマ酸化を行って作製した。
【００３５】
上記の試料に関し、ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン・ソース間抵抗の相対値Ｒｄの変化を図６に示す。図示のように、フリー層のスピンの方向に応じて、ＭＲ変化率は１０5 ％オーダーもの大きな変化を示し、本例の有効性が確認された。
【００３６】
（第１の実施形態）
図７は本発明の第１の実施形態に係る磁気センサーの原理を説明するための等価回路図である。図７（ａ）では、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）１の一端がダイオード４のアノードに接続され、ＴＭＲ素子1には定電流ｉを流す。ＴＭＲ素子１の他端を例えば接地電位とし、ＴＭＲ素子の一端の電位（ダイオード４のアノード電位）とダイオードのカソード電位の差がダイオード４の閾値電圧以下であれば、ダイオード４は非導通であり、閾値電圧以上になればダイオード４は導通する。即ち、ＴＭＲ素子１の僅かな抵抗変化をダイオード４の順方向電流の立ち上がりカーブを利用して増幅することができる。
【００３７】
図７（ｂ）は、ＴＭＲ素子１に直列に調整用抵抗３を接続したもので、ダイオード４の閾値電圧近傍に動作点を合わせるために調整を可能にした例である。
【００３８】
図７ではＴＭＲ素子１の一端をダイオード４のアノード側に接続したが、カソード側に接続してもよい。即ち、ＴＭＲ素子はダイオードの第１導電型半導体領域でも第２導電型半導体領域でも接続することができる。
【００３９】
図８は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサー５０の摸式的な斜視図である。ダイオード４は半導体基板５１に形成されたアノード（ｐ＋）領域５２、カソード（ｎ＋）領域５３により構成されている。アノード（ｐ＋）領域５２とカソード（ｎ＋）領域５３は、その境界部でｐｎ接合を形成している。参照番号５４，５５は、夫々カソード電極、アノード電極である。
【００４０】
ＴＭＲ素子１はアノード領域５２上に下部電極５７を介して、アノード電極５５と離隔して形成され、その上面には定電流を流し込むバイアス電極５６が形成されている。なお、図示はしていないが、ＴＭＲ素子１と下地電極５７或いはバイアス電極５６との間に電圧調整用の抵抗膜を備えることができる。
【００４１】
図９は、ＴＭＲ素子１の層構成を説明するための断面図である。半導体基板５１には、ｐ型領域５２とその中にｎ型領域５３が形成され、ｐ型領域５２上には下地電極５７が形成されている。
【００４２】
下地電極５７の上面の１領域には、前記参考例の図３に示されたと同じＴＭＲ素子１が形成されている。即ち、ＴＭＲ素子１は、下地電極５７上に抵抗調整膜２５を介して順次形成された反強磁性層２１、強磁性層（磁気固着層）２２、トンネルバリア層２３、強磁性層（記録層）２４から構成されている。強磁性層２４の上には、バイアス電極５６が形成されている。抵抗調整膜２５は下地電極５７上に必ずしも形成する必要は無く、ＴＭＲ素子１とバイアス電極５６の間、或いはバイアス電極５６につながる回路部に設けてもよい。或いは抵抗調整膜２５を設けなくてもよい。
【００４３】
下地電極５７の他の領域には、アノード電極５５が形成されている。アノード電極５５は、ＴＭＲ素子１の反強磁性層２１、あるいは強磁性層２２／反強磁性層２１をアノード電極５５の下部まで延在させ、これらを介して接続するようにしてもよい。
【００４４】
図９では、ＴＭＲ素子１として、反強磁性層を磁気固着層側の１層としたが、フリー層側の一部に、もう１層設けてもよい。また、図９では強磁性１重トンネル接合を示したが、図４または図５に示したような、強磁性２重トンネル接合としてもよい。
【００４５】
第１の実施形態の変形例として、図１０、図１１に示すように構成しても良い。この変形例では、プラナー型のダイオードに代えて、アモルファスダイオード６１を用いているところに特徴がある。即ち、カソード電極６４の上にはアノード層６２、カソード層６３からなるアモルファスダイオード６１が形成されている。アノード層６２の上部には、下地電極６７を介してＴＭＲ素子１とアノード電極６５が離隔して形成されている。ＴＭＲ素子１の上部にはバイアス電極６６が形成されている。このように、アモルファスダイオードを使用すれば小型で安価な磁気センサーが実現できる。
【００４６】
本実施形態では、図８または図１０に示したように、ダイオードのアノード上に下地電極を介して強磁性トンネル接合または、強磁性トンネル接合／抵抗体層積層膜が配置されている。上記構造において、下地電極層は、磁性体の拡散が抑えられれば良く、Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ、あるいはこれらの酸化膜または窒化化膜などを用いることができる。これらを設けることによってダイオードの上面に磁性体を付与しても、プロセスの熱工程を経ても特性の変動が無く、信頼性の高い磁気センサーを提供することができる。
【００４７】
ダイオードを用いる方が、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合に比べて製造コストが安く安価な磁気センサを作製出来る。強磁性トンネル接合の記録（フリー）層のスピンが媒体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固着層のスピンの方向との相対的な角度が変化するため、磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗変化をダイオードの閾値近傍の電圧変化としてダイオードに印加すれば、ダイオードに流れる電流が大きく変化し、Ｓ／Ｎ比の高い磁気センサーが提供できる。
【００４８】
図には示していないが、バルクハウゼンノイズを少なくするために、ＣｏＰｔなどのハードバイアス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合のフリー層の一部に付与することが好ましい。また、ＨＤＤ用読み出しへッドとして用いる場合は、図８、図１０の磁気センサーの上下にはＮｉ−Ｆｅなどのシールド層を設けて、記録ヘッドとの磁気シールドとする。
【００４９】
ＴＭＲ素子１としては、前記参考例と同様に、図４、図５に示したスピンバルブ型強磁性２重接合構造を用いることが望ましい。
【００５０】
次に、具体例として図４のＴＭＲ素子を図８の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トンネル接合は、強磁性２重トンネル接合構造、即ち反強磁性層３１／強磁性層３２／バリア層３３／強磁性層３４／バリア層３５／強磁性層３６／反強磁性層３７として、Ｐｔ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯX／Ｎｉ40（Ｃｏ90Ｆｅ10）60／ＡｌＯx／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｐｔ−Ｍｎの積層体をダイオード４のアノード上のＴａ層からなる下地電極５７上に作製した。上記構造において、トンネルバリア層３３、３５は、金属Ａｌを成膜後プラズマ酸化を行って作製した。
【００５１】
上記の試料に関し、ダイオード４の順方向抵抗の相対値Ｒｄの変化を図１２に示す。図示のように、記録（フリー）層のスピンの方向に応じて、ＭＲ変化率は１０6 ％オーダーもの大きな変化を示し、本特許の有効性が確認された。
【００５２】
上記の第１の実施形態における強磁性トンネル接合としては、図４、図５に示したように反強磁性層を付与するいわゆるスピンバルブ型にすることが好ましい。
【００５３】
また、上記磁気固着層（ピン層）は、（強磁性層/非磁性層／強磁性層）の３層構造で非磁性層を介して反強磁性結合をしているいわゆる反強磁性結合記録層を用いることができる。この３層構造をピン層として用いることにより、より強固にピン層のスピンを固着することができるため、何度かの読み出しによって磁気固定層の一部の磁気モーメントが回転してしまい出力が徐々に低下してしまうという問題が完全になくなること、反強磁性膜の膜厚を薄くでき加工精度が上がることなどのメリットがあり、ピン層からのバイアス磁場も減少するため、バイアスポイントのバラツキが減少する。
【００５４】
また、磁気記録層（フリー層）も（強磁性層／非磁性層／強磁性層）の３層構造を用いることが好ましい。この場合、強磁性層間に強磁性層結合があることが好ましい。この構造を磁気フリー層に用いると、セル幅を小さくしても良好な感度が得られる。即ち、セル幅を小さくしても磁場応答を大きく保つことができる。強磁性結合の強さは弱い方が好ましく、弱いほど磁場応答が良好となる。
【００５５】
また、第１の実施形態の場合、ピン層のスピンとフリー層のスピンは、上から見たときに略直交していることが望ましい。
【００５６】
本発明の強磁性層の元素の種類には特に制限はなく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれら合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ2、ＺｎＭｎＰ2などの磁性半導体を用いることができる。
【００５７】
本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、あまり厚いと磁場感度が小さくなり、漏れ磁場が大きくなってしまうため、３．０ｎｍ以下で有ることが好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わないかぎり良い。
【００５８】
反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯなどを設けることができる。フリー層に強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層膜を用いる場合、その非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。
【００５９】
誘電体または絶縁層としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3 などの様々な誘電体を使用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が多少存在していてもかまわない。
【００６０】
誘電体層の厚さはＴＭＲ素子の接合面積に依存し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板上には、下地層，保護層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ，Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄなどを用いることが好ましい。
【００６１】
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成装置を用いれば作製することができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、本発明の磁気センサーを磁気ヘッドに応用した例を説明する。
【００６３】
図１３は、本発明の磁気センサー５０（６０）を搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム１０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム１０１の一端にはサスペンション１０２が固定されている。サスペンション１０２の先端には信号の書き込み、および読み取り用のリード線１０４が配線され、このリード線１０４の一端はヘッドスライダ１０３に組み込まれた磁気センサー１０の各電極に接続され、リード線１０４の他端は電極パッド１０５に接続されている。なお、磁気センサー５０（６０）は第１の実施形態のセンサーである。
【００６４】
図１４は、図１３に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク１１１はスピンドル１１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。
【００６５】
アクチュエータアーム１０１は固定軸１１３に固定され、サスペンション１０２およびその先端のヘッドスライダ１０３を支持している。磁気ディスク１１１が回転すると、ヘッドスライダ１０３の媒体対向面は磁気ディスク１１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。
【００６６】
アクチュエータアーム１０１の基端にはリニアモータの一種であるボイスコイルモータ１１４が設けられている。ボイスコイルモータ１１４はアクチュエータアーム１０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成されている。
【００６７】
アクチュエータアーム１０１は、固定軸１１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって支持され、ボイスコイルモータ１１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００６８】
上記のように本発明の磁気センサーを使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、磁気センサーから高出力信号が得られるので、安定した動作と１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2 以上の大容量化が可能になる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、出力信号電圧が大きく信頼性の高い磁気センサーが得られるので、１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2 以上の大容量磁気記録装置が実現できる。
【００７０】
また、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ゲート部は金属または金属酸化物からなるゲート電極（下地電極）を用いるので熱安定性が良く、ゲート電極上にそのエッジ部に懸かることなくＴＭＲ素子を作製するので、ゲートエッジからのリーク電流も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例に係る磁気センサーの等価回路図。
【図２】 参考例に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図３】 参考例に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図４】 他のＴＭＲ素子の層構成を示す断面図。
【図５】 更に他のＴＭＲ素子の層構成を示す断面図。
【図６】 図４の磁気センサーの出力信号特性を示す図。
【図７】 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサーの等価回路図。
【図８】 第１の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図９】 第１の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図１０】 第１の実施形態の変形例に係る磁気センサーの摸式的な斜視図。
【図１１】 第１の実施形態の変形例に係る磁気センサーの摸式的な断面図。
【図１２】 第１の実施形態の磁気センサーの出力信号特性を示す図。
【図１３】 本発明の第２の実施形態に係る磁気ヘッドの摸式的な斜視図。
【図１４】 第２の実施形態の磁気ヘッドを搭載した磁気記録装置の摸式的な斜視図。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子
２…ＭＯＳＦＥＴ
３…調整抵抗
４…ダイオード
１０、５０、６０…磁気センサー
１１、５１…半導体基板
１２，１３…ソース・ドレイン領域
１４，１５…ソース・ドレイン電極
１６…ゲート絶縁膜
１７、５６，６６…バイアス電極
１８…ゲート引出し電極
２０、５７，６７…下地電極
２１、３１，３７…反強磁性層
２２，２４，３２，３２−１，３２−２、３４、３６…強磁性層
２３，３３，３５…トンネルバリア層
２５…調整抵抗層
３８…非磁性層
５２、６２…アノード層
５３，６３…カソード層
５４、６４…カソード電極
５５、６５…アノード電極
Claims (4)
- 接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えたダイオードと、
前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、
前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、
前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、
前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子と、
を具備することを特徴とする磁気センサー。 - 接合を形成する第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とを備えるダイオードと、
前記ダイオードの前記第１導電型半導体領域上に形成された下地電極と、
前記下地電極上に形成され、前記ダイオードのアノードあるいはカソードの一方を引き出す第１の電極端子と、
前記第２導電型半導体領域上に形成され、前記ダイオードの前記アノードあるいはカソードの他方を引き出す第２の電極端子と、
前記下地電極上に、少なくとも１層の反強磁性層と、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とが積層されてなる強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子の上に形成され、前記強磁性トンネル接合素子にバイアス電流を供給するための第３の電極端子と、
前記下地電極と前記強磁性トンネル接合素子との間、或いは前記第３の電極端子と前記強磁性トンネル接合素子との間に形成された抵抗層と、
を具備することを特徴とする磁気センサー。 - 前記第１導電型半導体領域がｐ型半導体領域であり、前記第２導電型半導体領域がｎ型半導体領域であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の磁気センサー。
- 前記少なくとも２層の強磁性層の内の少なくとも１層が、第１の強磁性層と、その上に形成された非磁性金属層と、その上に形成された第２の強磁性層とを含む積層膜により置換されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサー。
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