JP5157676B2

JP5157676B2 - 磁気センサー

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Publication number: JP5157676B2
Application number: JP2008166175A
Authority: JP
Inventors: 智生佐々木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: US20090323230A1; US8637170B2; JP2010010294A

Description

本発明は、磁気センサーに関するものである。

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

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

特開２００７−２９９４６７号公報特許第４０２９７７２号公報

ところで、薄型あるいは超小型のセンサーを作る観点からは、基体上に非磁性導電層を設け、さらに、非磁性導電層の第一の部分及び基体上に亘って磁化固定層を設けると共に、非磁性導電層の第一の部分とは異なる第二の部分及び基体上に亘って磁化自由層を設け、磁化固定層における非磁性導電層と重ならない端部から、磁化固定層における非磁性導電層と重なる部分を介して非磁性導電層に電流を印加し、また、磁化自由層における非磁性導電層と重なる部分を介して磁化自由層における非磁性導電層と重ならない端部から電圧を取り出すことが考えられる。

しかしながら、磁化自由層や磁化固定層は、非磁性導電層に比べて電気抵抗率が大きい場合が多い。したがって、磁化固定層における非磁性導電層と重ならない端部から非磁性導電層に電流を流す際に、磁化固定層における非磁性導電層と重なる部分の内の磁化固定層における非磁性導電層と重ならない端部に近い場所から選択的にスピン電流が非磁性導電層に供給されてしまい、非磁性導電層へのスピンの注入場所や拡散の開始場所が場所的に不均一となりやすい。また、磁化自由層における非磁性導電層と重なる部分の内の非磁性導電層と重ならない端部から遠い場所で発生する電圧を検出することが、磁化自由層自体の抵抗によって困難となることがある。したがって、磁化固定層に電流を注入する電極や、磁化自由層の電圧を検出する電極の位置の設計の自由度が低く、最適な設計が困難となることが判明した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電流注入位置や出力電圧検出位置の設計の自由度が高い磁気センサーを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の磁気センサーは、基体と、基体上に設けられた非磁性導電層と、非磁性導電層の第一の部分及び基体上に亘って設けられた磁化固定層と、非磁性導電層の第一の部分とは異なる第二の部分及び基体上に亘って設けられた磁化自由層と、磁化固定層及び磁化自由層のうちの少なくとも一方の層における非磁性導電層と重なる部分上に設けられ、且つ一方の層の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性低抵抗層と、を備えている。

なお、「電気抵抗率(ElectricalResistivity)」とは、「比抵抗」、「体積抵抗率」とも呼ばれ、その物質に固有の値である。電気抵抗率をρ（Ωｃｍ）、物質の長さをＬ（ｃｍ）、物質の断面積をＳ（ｃｍ^２）とした場合、物質の導電性の尺度である電気抵抗（Resistance）Ｒ（Ω）は下記の式で表される。

本発明の磁気センサーによれば、磁化固定層及び磁化自由層のうちの少なくとも一方の層における非磁性導電層と重なる部分上に、当該一方の層の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性低抵抗層が設けられている。このため、当該一方の層が磁化固定層である場合には、磁化固定層の内の非磁性導電層と重なる部分の広い範囲からスピン電流を非磁性導電層に供給することが容易である。一方、当該一方の層が磁化自由層である場合には、磁化自由層の内の非磁性導電層と重なる部分の広い範囲から効率よくスピンの相互作用により生ずる電圧を取り出すことが可能である。

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性低抵抗層は、当該一方の層における、非磁性導電層と重なる部分から基体上の部分まで亘って設けられていることが好ましい。これにより、当該一方の層が磁化固定層である場合には、電流が主として非磁性低抵抗層を流れ易くなり、磁化固定層の内の非磁性導電層と重なる部分の広い範囲からスピン電流を非磁性導電層に供給することがより容易となる。一方、当該一方の層が磁化自由層である場合には、磁化自由層の内の非磁性導電層と重なる部分の広い範囲から、より一層効率良く、スピンの相互作用により生ずる電圧を取り出すことが可能である。

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性導電層の電気抵抗率は、当該一方の層の電気抵抗率よりも低いことが好ましい。

これにより、当該一方の層と非磁性低抵抗層とを流れた電流が非磁性導電層へ流れ易くなり、磁気センサーへの電流注入を好適に実現することが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層及び磁化自由層は、形状異方性によって保磁力差が付けられていることが好ましい。

磁化固定層及び磁化自由層に形状異方性を設けることで、磁化固定層の磁化の向きを外部磁界に反応し難くし、一方、磁化自由層の磁化の向きを外部磁界に反応し易くすることが容易となる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層の上に設けられた反強磁性層を更に備え、反強磁性層は磁化固定層の磁化の向きを固定することが好ましい。

磁化固定層上に反強磁性層を設けることで、磁化固定層の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが容易となる。

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

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

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性低抵抗層を、磁化固定層及び磁化自由層の両方の層の上にそれぞれ備えることが好ましい。

これにより、特に配線の設計自由度が上がり、また、スピン電流に対して効率的な検出が可能になる。

本発明の磁気センサーにおいて、磁化固定層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金又は酸化物であることが好ましい。

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

本発明の磁気センサーにおいて、磁化自由層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金又は酸化物であることが好ましい。

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

本発明の磁気センサーにおいて、非磁性低抵抗層の材料は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、及びＰｔからなる群から選択される金属、又は群の元素を１以上含む合金であることが好ましい。

これらの材料は電気抵抗率が低いため、磁気センサーにおける非磁性低抵抗層を好適に実現することが可能となる。

本発明によれば、電流注入位置や出力電圧検出位置の設計の自由度が高い磁気センサーを提供することができる。

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

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサーの一例を説明する。

図１に、磁気センサー２００を示す上面模式図を示す。図２は、図１の破線枠１００に対応する斜視図である。図１に示すＹ−Ｙ´線と、図２のＹ−Ｙ´線とが対応している。

図１及び図２に示すように、磁気センサー２００は、基体１上に、電子のスピンを蓄積する非磁性導電層２と、非磁性導電層２の第一の部分及び基体１上に亘って設けられた磁化固定層３と、非磁性導電層２の第一の部分上とは異なる第二の部分及び基体１上に亘って設けられた磁化自由層４と、磁化固定層３上に設けられた非磁性低抵抗層１０ａと、磁化自由層４上に設けられた非磁性低抵抗層１０ｂと、を主として備えている。

（基体）
基体１としては、例えば、基板単独、又は、基板１ａ上に絶縁膜や金属膜などの下地膜１ｂを形成したもの（図２参照）を用いることができる。基板として、例えば、ガラス基板、ＳｉＯ₂基板、ＭｇＯ基板、ＧａＡｓ基板、ＡｌＴｉＣ基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ₂Ｏ₃基板等が挙げられる。また、絶縁膜として、アルミナ等が挙げられる。

（非磁性導電層）
非磁性導電層２は、スピン注入によりスピンが蓄積される層である。非磁性導電層２は、基体１上において、Ｘ方向を短軸方向とし、Ｙ方向を長軸方向とした矩形形状に設けられている。非磁性導電層２の電気抵抗率は、磁化固定層３及び磁化自由層４の電気抵抗率よりも低い。

非磁性導電層２の材料には、非強磁性導電材料を用いる。非磁性導電層２の材料として、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料が選択されることが好ましい。例えば、非磁性導電層２の材料として、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、及びＣｕからなる群から選択される１つ以上の元素を含む材料が挙げられる。具体的には、Ｃｕ、Ａｌが挙げられる。非磁性導電層２の幅Ｗ２（図２に示すＸ軸方向の長さ）は、例えば、１０〜５００ｎｍとすることができる。また、非磁性導電層２の厚みＴ２（図２に示すＺ軸方向の長さ）は、例えば、１０〜１００ｎｍとすることができる。

（磁化固定層）
磁化固定層３は、所定のスピンを有する電子を非磁性導電層２へ注入するための層である。磁化固定層３は、非磁性導電層２上において、Ｙ方向を短軸方向とし、Ｘ方向を長軸方向として延在するように設けられており、非磁性導電層２と重なる部分と、重ならない部分とを有している。磁化固定層３の長軸方向（Ｘ方向）は、非磁性導電層２の長軸方向（Ｙ方向）に概略直交する方向に延在している。また、図１に示すように、磁化固定層３の平面形状は、長さ方向の両端が尖った形状とされている。

磁化固定層３の材料として、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を使用することができ、例えば、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金や酸化物が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＦｅＭｎが挙げられる。磁化固定層３の幅Ｗ３（図２に示すＹ軸方向の長さ）は、例えば、５０〜５００ｎｍとすることができる。また、磁化固定層３の厚みＴ３（図２に示すＺ軸方向の長さ）は、例えば、１０〜１００ｎｍとすることができる。

磁化固定層３の保磁力は、磁化自由層４の保磁力よりも大きい。磁化固定層３の磁化は、後述する反強磁性層を用いる磁化固定方法、及び磁化固定層３の形状異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれか一の磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これにより、磁化固定層３の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが可能となる。

磁化固定層３の磁化固定方法として、反強磁性層を用いる磁化固定方法を用いる場合、反強磁性層が、磁化固定層３上に設けられている。この場合、非磁性低抵抗層１０ａは反強磁性層の上に設けられている。

反強磁性層が磁化固定層３と交換結合することにより、磁化固定層３の磁化方向を固定（一方向異方性を付与）することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層３が得られる。従って、反強磁性層に用いられる材料は、磁化固定層３に用いられる材料に合わせて選択される。

例えば、反強磁性層として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｐｄ，及びＮｉのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。

一方、磁化固定層３に形状異方性を持たせて、磁化固定層３の磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層を省略することが可能である。たとえば、磁化固定層３を、Ｚ方向から見てＸ方向が長軸となる矩形形状にすればよい。なお、反強磁性層及び形状異方性の両方によって磁化を固定してもよいことは言うまでもない。

（磁化自由層）
磁化自由層４は、外部磁界を検出し、磁気記録媒体などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。例えば、磁化自由層４を磁気記録媒体に近接して設置することにより、媒体から磁気情報を好適に読み取ることが可能である。

磁化自由層４の長軸方向（Ｘ方向）は、非磁性導電層２の長軸方向（Ｙ方向）に概略直交する方向に延在しており、非磁性導電層２と重なる部分と、重ならない部分とを有している。また、磁化自由層４の長軸方向（Ｘ方向）は、磁化固定層３の長軸方向（Ｘ方向）に概略平行な方向に延在している。図１に示すように、磁化自由層４の形状は、長さ方向の一端が尖っており、他端には、幅が広くされた矩形の部分が形成されている。

磁化自由層４は、磁化固定層３とは所定距離だけ離間されている。具体的には、図１では、磁化固定層３よりも下側に設けられている。磁化自由層４と磁化固定層３との距離は、例えば、２０〜３５０ｎｍとすることができる。

磁化自由層４として強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金や酸化物が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。磁化自由層４の幅Ｗ４（図２に示すＹ軸方向の長さ）は、例えば、５０〜５００ｎｍとすることができる。また、磁化自由層４の厚みＴ４（図２に示すＺ軸方向の長さ）は、例えば、１０〜１００ｎｍとすることができる。

（非磁性低抵抗層）
非磁性低抵抗層１０ａは磁化固定層３上に設けられ、非磁性低抵抗層１０ｂは磁化自由層４上に設けられている。

非磁性低抵抗層１０ａは磁化固定層３の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有し、非磁性低抵抗層１０ｂは磁化自由層４の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する。

例えば、非磁性低抵抗層１０ａ，１０ｂの材料として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、及びＰｔからなる群から選択される金属、又はこの群の元素を１以上含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｕ、ＡｕＣｕが挙げられる。本実施形態では、非磁性低抵抗層１０ａ，１０ｂは、それぞれ、磁化固定層３及び磁化自由層４の上面の全面を覆っており、基体１に対して垂直な方向から見て磁化固定層３及び磁化自由層４と同様の形状を有している。

なお、非磁性低抵抗層１０ａ，１０ｂの上に、磁化固定層３や磁化自由層４などの劣化を防ぐためのキャップ層（図示しない）が設けられていても良い。キャップ層の材料として、例えば、Ａｌ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔａ、及びＴｉからなる群から選択される金属、又は群の元素を１以上含む合金、酸化物、並びに窒化物等が挙げられる。具体的には、Ｔａ、Ｐｔが挙げられる。

（電極）
磁化固定層３へ検出用電流を流すべく、図１に示すように、非磁性低抵抗層１０ａにおける非磁性導電層２と重ならない部分（図１では右側端部）に電極Ｅ１が接続されており、非磁性導電層２における磁化固定層３と重ならず、且つ磁化固定層３に近い下側端部に電極Ｅ２が接続されている。

また、出力電圧を検出するために、非磁性低抵抗層１０ｂにおける非磁性導電層２と重ならない右側端部に電極Ｅ３が接続されており、非磁性導電層２における磁化自由層４と重ならず、且つ磁化自由層４に近い上側の端部に電極Ｅ４が接続されている。なお、非磁性低抵抗層１０ｂにおける非磁性導電層２と重ならない左側の端部にも検出補助用としての電極Ｅ５が接続されている。

なお、電極Ｅ１〜Ｅ５の材料として、例えば、Ｃｕ、ＣｒやＡｌなどの金属材料が用いられる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサー２００の動作について、図１を用いて説明する。

まず、電極Ｅ１及び電極Ｅ２に接続された電流源７０から非磁性低抵抗層１０ａへ検出用電流を流す。この際、検出用電流は、磁化固定層３の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性低抵抗層１０ａ内を流れ易い。そして、検出用電流は、主として、非磁性低抵抗層１０ａ内を長軸方向へ流れていき、非磁性低抵抗層１０ａの非磁性導電層２と重なる部分に達し、その後、磁化固定層３を通過して、概ね少なくともＸ方向に均等に非磁性導電層２に流入することができる。

すると、磁化固定層３と非磁性導電層２との界面から効率よく非磁性導電層２内に磁化固定層３の磁化の向きに対応するスピンを有する電子が注入され、非磁性導電層２内を磁化固定層３側から磁化自由層４側に向かってスピンが拡散する。

そして、外部からの磁界によって変化される磁化自由層４の磁化の向き、すなわち電子のスピンと、非磁性導電層２の磁化自由層４と接する部分の電子のスピンとの相互作用により、非磁性導電層２と磁化自由層４との界面において電圧出力が発生する。本実施形態では、非磁性導電層２と磁化自由層４との間に生じるこの電圧を、電極Ｅ３及び電極Ｅ４間に設けられた電圧測定器８０、もしくは電極Ｅ５及び電極Ｅ４間に設けられた電圧測定器９０を用いて検出することができる。このようにして、磁気センサー２００を外部磁場センサーとして応用することができる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサー２００による効果を説明する。

第１実施形態に係る磁気センサー２００によれば、磁化固定層３上に非磁性低抵抗層１０ａが設けられている。このため、磁化固定層３の内の非磁性導電層２と重なる部分の広い範囲からスピン電流を非磁性導電層２に供給することが容易である。また、磁化自由層４上に非磁性低抵抗層１０ｂが設けられている。このため、磁化自由層４の内の非磁性導電層２と重なる部分の広い範囲から効率よく、非磁性導電層２と磁化自由層４との界面のスピンの相互作用により生ずる電圧を取り出すことが可能である。したがって、電極Ｅ１〜Ｅ５による電流注入位置や出力電圧検出位置の設計の自由度が広くなり、実用化が容易となる。

以上において説明した本発明の磁気センサー２００は、例えば、小型ロボット、ディジタルカメラ、及びインクジェットプリンターなどで使用される磁気エンコーダー装置、薄膜磁気記録再生ヘッド、磁場計測装置、生体センサーなどの磁気検知装置等の各種用途に適用することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず様々な変形態様が可能である。例えば、上記実施形態では、非磁性低抵抗層１０ａ，１０ｂを両方備えているが、非磁性低抵抗層１０ａのみを備える構成、或いは、非磁性低抵抗層１０ｂのみを備える構成でも本発明の実施は可能である。

また、上記実施形態では、非磁性低抵抗層１０ａ及び１０ｂは、磁化固定層３及び磁化自由層４の上面の全面上に形成されているが、非磁性低抵抗層１０ａ、１０ｂのそれぞれが、少なくとも非磁性導電層２と重なる部分上に設けられていれば本発明の実施は可能である。

さらに、上記実施形態では、電流源７０や電圧測定器８０、９０と接続するための電極Ｅ１〜Ｅ５が、非磁性低抵抗層１０ａ、１０ｂにおける非磁性導電層２と重ならない部分と直接接触して接続されているが、磁化固定層３や磁化自由層４における非磁性導電層２とは重ならない部分に直接接触して接続されていても本発明の実施は可能である。この場合でも、磁化固定層３や磁化自由層４における非磁性導電層２と重なる部分に非磁性低抵抗層１０ａ、１０ｂがあれば、上述と同様の作用効果を奏する。

また、上記実施形態において、磁化固定層３に対して電流注入を行い、磁化自由層４において外部磁場による電圧検出を行う例を説明したが、逆に、電流注入を磁化自由層４において行い、外部磁場による電圧検出を磁化固定層３において行っても構わない。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜磁気センサーの作製方法＞
先ず、基板及び下地膜からなる基体上にＣｕ膜を成膜した。続いて、この膜をフォトリソグラフィー法によりパターンニングして、図３に示すような矩形形状を有する非磁性導電層２を形成した。非磁性導電層２の長軸方向（Ｙ方向）の長さＬ２は２０μｍ、短軸方向（Ｘ方向）の長さＷ２は０．５μｍ、膜厚Ｔ２は０．１μｍであった。

次に、非磁性導電層２の上に、Ｃｏ及びＦｅを含む合金からなる膜（厚み５０ｎｍ）と、Ｃｕ膜（厚み１００ｎｍ）とを連続成膜し、フォトリソグラフィーによりパターンニングして、図４（ａ）に示すような両端部が尖った鑓型形状を有する磁化固定層３及び非磁性低抵抗層１０ａと、図４（ｂ）に示すような一方の端部が正方形状を有し、他方の端部が尖った鑓型形状を有する磁化自由層４及び非磁性低抵抗層１０ｂと、を形成した。

磁化固定層３及び非磁性低抵抗層１０ａの長軸方向（Ｘ方向）の長さＬ３は１５μｍ、短軸方向（Ｙ方向）の長さＷ３は０．１μｍ、合計膜厚は０．１μｍであった。一方、磁化自由層４及び非磁性低抵抗層１０ｂの長軸方向（Ｘ方向）の長さＬ４は２０μｍ、短軸方向（Ｙ方向）の長さＷ４は０．１μｍであり、正方形形状の一辺Ｓｑ_１が４μｍであり、合計膜厚は０．１μｍであった。このような形状を設けることにより、磁化固定層３と磁化自由層４との間に保磁力差を形成した。また、磁化固定層３と磁化自由層４との距離は０．１μｍとした。

次に、下から順にＣｒ膜及びＡｕ膜を有する積層膜を基体上に成膜し、イオンミリングによって余分な膜を取り除き、リフトオフ加工によって、図１に示すような電極Ｅ１〜Ｅ５を形成した。

こうして、図１に示す磁気センサー２００と同様の構成を有する実施例１の磁気センサーを得た。

＜外部磁界測定時における出力電圧の評価＞
実施例１で作製した磁気センサーに対して外部磁界を印加し、これに応じて出力される出力電圧を測定した。外部磁界は、５００Ｏｅの範囲とした。また、磁化固定層３から非磁性導電層２へスピンを注入するために、電極Ｅ１及びＥ２に接続された電流源７０からの検出用電流を磁化固定層３から非磁性導電層２へ流した。また、磁化自由層４の磁化変化による電圧出力を、電極Ｅ３、Ｅ４間に接続された電圧測定器８０、及び、電極Ｅ４、Ｅ５間に接続された電圧測定器９０により測定した。

その結果、電圧測定器８０すなわち電極Ｅ３及び電極Ｅ４間で観測された出力電圧を１とすると、電圧測定器９０すなわち電極Ｅ５及び電極Ｅ４間で観測された出力電圧は０．９３であった。

この理由を、図５を用いて説明する。図５は、実施例１で作製した磁気センサーの主要部の上面模式図である。

実施例１で作製した磁気センサーは、磁化固定層３上に非磁性低抵抗層１０ａが設けられているため、電極Ｅ１及び電極Ｅ２間に検出用電流Ｉ_Ｅを流すと、検出用電流Ｉ_Ｅは、磁化固定層３の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性低抵抗層１０ａの方に多く流れると推察される。

図５に示すように、電極Ｅ１から注入された検出用電流Ｉ_Ｅは、非磁性低抵抗層１０ａの長軸方向（Ｘ方向）に向かって流れ、検出用電流Ｉ_Ｅは、非磁性低抵抗層１０ａから磁化固定層３を介して非磁性導電層２に流れると考えられる。すなわち、電極Ｅ１から注入された検出用電流Ｉ_Ｅは、図５に示す領域Ａのみならず領域Ｄまで流れる。その結果、領域Ａから電子のスピン流Ｓｂが領域Ｂへ注入され、領域Ｄからも電子のスピン流Ｓｃが領域Ｃへ注入されると推察される。

これにより、非磁性導電層２から磁化自由層４へ流れるスピン流の殆どが、非磁性導電層２における磁化固定層３と重なった部分と磁化自由層４との間の距離ｄｃを辿ることになり、一定のスピン抵抗を受け、Ｘ方向でほぼ同等の大きさのスピンが磁化自由層４付近まで拡散できるものと推察される。

従って、実施例１で作製した磁気センサーでは、電圧測定器８０、９０でも殆ど変わらない電圧が観測されたと推測される。このように、磁化固定層３上に設けられた非磁性低抵抗層１０ａへ電流が流れ易くなったため、電流注入位置と出力電圧検出位置との距離に関わらず、出力電圧のばらつきが低減できたことが判る。

（比較例１）
比較例１で作製した磁気センサーが、実施例１で作製した磁気センサーと異なる点は、非磁性低抵抗層１０ａ，１０ｂがいずれも形成されていない点である。従って、電極Ｅ１が磁化固定層３の非磁性導電層２と重ならない部分に接続され、電極Ｅ３が磁化自由層４の非磁性導電層２と重ならない一方の端部に接続され、電極Ｅ５が磁化自由層４の非磁性導電層２と重ならない他方の端部に接続されている。その他の構成は実施例１と同様であるので、説明を省略する。

＜外部磁界測定時における出力電圧の評価＞
次に、比較例１で作製した磁気センサーを用いて、外部磁界による出力電圧を測定した。その結果、電圧測定器８０すなわち電極Ｅ３及び電極Ｅ４間で観測された出力電圧を１とすると、電圧測定器９０すなわち電極Ｅ５及び電極Ｅ４間で観測された出力電圧は０．２７であった。

これは以下のように説明できる。比較例１で作製した磁気センサーでは、電極Ｅ１及び電極Ｅ２間に検出用電流Ｉ_ｃを流すと、検出用電流Ｉ_ｃは、磁化固定層３の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性導電層２の方へ流れ易くなると考えられる。

その結果、図６に示すように、電極Ｅ１から注入された検出用電流Ｉ_ｃは、主として、領域Ａの辺りにおいて、磁化固定層３から非磁性導電層２へ流れてしまうと推測される。その結果、領域Ａから領域Ｂへ電子のスピン流Ｓｂが注入されるとともに、領域Ａから領域Ｃへも電子のスピン流Ｓｄが注入されるものと考えられる。

ここで、領域Ａから領域Ｂへ流れるスピン流Ｓｂは、非磁性導電層２における磁化固定層３と重なった部分と磁化自由層４との間の距離ｄｃを辿るが、領域Ａから対角線上にある領域Ｃへ流れるスピン流Ｓｄは、距離ｄｃよりも長い距離を辿ることと推測される。これにより、スピン流Ｓｄはスピン流Ｓｂよりもスピン抵抗を多く受けることになり、電極Ｅ３及び電極Ｅ４間における出力電圧と、電極Ｅ５及び電極Ｅ４間における出力電圧との間にばらつきが生じたと考えられる。すなわち、電極Ｅ１の磁化固定層３に対するＸ方向の接続位置や、電極Ｅ３、Ｅ５の磁化自由層４に対するＸ方向の接続位置の影響を大きく受けるセンサーとなり、好ましくない。

磁気センサー２００を示す上面模式図である。図１の破線枠１００に対応する斜視図である。非磁性導電層２の形状を説明するための模式図である。磁化固定層３と非磁性低抵抗層１０ａ及び磁化自由層４と非磁性低抵抗層１０ｂの形状を説明するための模式図である。実施例１で作製した磁気センサーの上面図である。比較例１で作製した磁気センサーの上面図である。

符号の説明

２００…磁気センサー、１…基体、１ａ…基板、１ｂ…下地膜、２…非磁性導電層、３…磁化固定層、４…磁化自由層、１０ａ，１０ｂ…非磁性低抵抗層、７０…電流源、８０，９０…電圧測定器、Ｅ１〜Ｅ５…電極、Ｉ_Ｅ，Ｉ_Ｃ…検出用電流、Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ…スピン流。

Claims

基体と、
前記基体上に設けられた非磁性導電層と、
前記非磁性導電層の第一の部分及び前記基体上に亘って設けられた磁化固定層と、
前記非磁性導電層の前記第一の部分とは異なる第二の部分及び前記基体上に亘って設けられた磁化自由層と、
前記磁化固定層及び前記磁化自由層のうちの少なくとも一方の層における前記非磁性導電層と重なる部分上に設けられ、且つ前記一方の層の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する非磁性低抵抗層と、を備える磁気センサー。
前記非磁性低抵抗層は、前記一方の層における、前記非磁性導電層と重なる部分から
前記基体上の部分まで亘って設けられている請求項１に記載の磁気センサー。
前記非磁性導電層の電気抵抗率は、前記一方の層の電気抵抗率よりも低い請求項１〜２に記載の磁気センサー。
前記磁化固定層及び前記磁化自由層は、形状異方性によって保磁力差が付けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
前記磁化固定層の上に設けられた反強磁性層を更に備え、
前記反強磁性層は前記磁化固定層の磁化の向きを固定する請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気センサー。
前記磁化固定層の保磁力は、前記磁化自由層の保磁力よりも大きい請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサー。
前記非磁性低抵抗層を、前記磁化固定層及び前記磁化自由層の両方の層の上にそれぞれ備える請求項１〜６のいずれか記載の磁気センサー。
前記磁化固定層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金又は酸化物である請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気センサー。
前記磁化自由層の材料は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択される１以上の元素を含む合金又は酸化物である請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサー。
前記非磁性低抵抗層の材料は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、及びＰｔからなる群から選択される金属、又は前記群の元素を１以上含む合金である請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサー。