JP6263344B2 - 磁気センサー装置、ハードディスクヘッド、および磁気記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、３端子非局所スピンバルブ素子、ハードディスクヘッド、および磁気記録再生装置に関する。

現在、ハードディスクドライブにおける記録信号の読み取りは、磁気ディスクに書き込まれた記録ビットからの漏れ磁界を、磁気センサーによって検出することによって行われている。

しかしながら、記録密度の向上に伴い、記録ビットのサイズは１０ｎｍ程度と非常に小さくなってきており、このため磁気センサー自体の小型化と、高感度化の両立が必須となっている。特にリーダーの磁気シールドのギャップ間隔の極小化にともない、磁気センサー自体の厚さも１０ｎｍ以下にする事が望まれている。

しかし、現在一般に用いられている、スピンバルブ素子は、磁化フリー層／非磁性中間層／シンセティック・磁化固着層／反強磁性層という４層積層構成をとっており、特に十分な磁化固着層の磁化固着特性を出すためには磁化固着層の磁化を固定する反強磁性層の厚さが１０ｎｍ程度必要であることから、４層積層膜全体の厚さを２０ｎｍ以下にする事は容易ではない。

特開２０１２−２３４６０２号公報

そこで、磁気シールドの１０ｎｍのギャップの中にも挟むことが可能な、薄型磁気センサーとして非局所スピンバルブ素子が注目を集めている。

しかし、後述するように、この非局所スピンバルブ素子は、ビット・サイズの微小なハードディスク装置（磁気記録再生装置）から、データの読出しを行うハードディスクヘッドに用いる事が困難で、かつ小型化が難しく、外部の影響を受け易いという課題がある。

本実施形態は、小型化が可能でかつ外部の影響を受けにくい３端子非局所スピンバルブ素子、ハードディスクヘッド、および磁気記録再生装置を提供する。

本実施形態による３端子非局所スピンバルブ素子は、非磁性ベース層と、前記非磁性ベース層が延在する方向における前記非磁性ベース層の対向する一対の端面のうち一方の端面の近傍に接合し、磁化の方向が可変な第１磁性層を含む第１端子と、前記非磁性ベース層が延在する前記方向に沿って前記第１端子から離れて設けられ前記非磁性ベース層に接合し、磁化の方向が固着された第２磁性層を含む第２端子と、前記非磁性ベース層が延在する前記方向に沿って前記第１端子から離れるとともに前記第２端子と離間して設けられ、前記非磁性ベース層に接合し、磁化の方向が前記第２磁性層の磁化方向と反平行に固着された第３磁性層を含む第３端子と、を備え、前記第２端子と前記第３端子は、センス電流を流す電流源に接続され、前記第１端子と、前記第２端子および第３端子のうちの一方の端子は、電圧を検出する電圧検出部に接続される。

一般的な非局所スピンバルブ素子を示す模式図。 一般的な非局所スピンバルブ素子におけるアップスピン電子とダウンスピン電子の電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 図３（ａ）、３（ｂ）は、一般的な非局所スピンバルブ素子における非磁性ベース電極の経路に沿った、電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 一般的な非局所スピンバルブ素子を用いて、ハードディスクヘッドを構成した一例を示す断面図。 一般的な非局所スピンバルブ素子におけるスピン注入磁性体と非磁性ベース電極のグランド位置との長さを変えた場合の電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 一般的な非局所スピンバルブ素子に必要なサイズを説明する図。 外部リード端子を接続した非局所スピンバルブ素子の例を示す図。 スピン注入磁性体側の外部リード端子の有無による電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 スピン検出磁性体側の外部リード端子の有無による電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 第１実施形態による３端子非局所スピンバルブ素子の１例を示す図。 第１実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子のアップスピン電子とダウンスピン電子の経路に沿った電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 第１実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子の非磁性ベース層の中心に沿った電気化学ポテンシャルの分布を示す図。 図１３（ａ）、１３（ｂ）は、第１実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子の経路に沿った電気化学ポテンシャルの分布の例を示す図。 第１実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子を用いてハードディスクヘッドを構成する場合の磁化配列の一例を示す図。 第１実施形態の変形例による３端子非局所スピンバルブ素子の一例を示す図。 第２実施形態によるハードディスクヘッドを示す断面図。 第２実施形態の変形例によるハードディスクヘッドを示す断面図。 実施例１によるハードディスクヘッドを示す断面図。 実施例２によるハードディスクヘッドを示す断面図。 実施例３によるハードディスクヘッドを示す断面図。 実施例４によるハードディスクヘッドを示す断面図。 比較例１によるハードディスクヘッドを示す断面図。 比較例２によるハードディスクヘッドを示す断面図。 比較例３による３端子非局所スピンバルブ素子を示す断面図。 比較例４による３端子非局所スピンバルブ素子を示す断面図。 第３実施形態による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図。 ヘッドスタックアッセンブリを示す斜視図。 ヘッドスタックアッセンブリを示す分解斜視図。

まず、実施形態を説明する前に、実施形態に至った経緯について説明する。

図１に一般的な非局所スピンバルブ素子の模式図を示す。この非局所スピンバルブ素子は非磁性ベース電極２００にスピン注入磁性体２１０とスピン検出磁性体２２０が電気的に接続された構造を有している。スピン注入磁性体２１０と非磁性ベース電極２００の１端との間に電流源が接続され、センス電流が流される。そして、スピン検出磁性体２２０と非磁性ベース電極２００の他端には電圧計が接続されており、この間の電圧の測定が行われる。なお、非局所スピンバルブ素子においては、非磁性ベース電極２００の他端にリード２３０が設けられ、このリード２３０を介して非磁性ベース電極２００の他端は上記電圧計に接続される。

非磁性ベース電極２００はスピン注入磁性体２１０との間でセンス電流が流されるが、磁性体中の電気抵抗は多数スピン電子と小数スピン電子で異なる。このため、非磁性ベース電極２００にもスピン偏極電流が流れることになり、非磁性ベース電極２００中の伝導電子の電気化学ポテンシャルは、アップスピン電子とダウンスピン電子とで異なる値をとるようになる。

図２に非磁性ベース電極２００の中心線に沿って、アップスピン電子とダウンスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↑、μ↓をプロットした例を示す。図２の横軸は、非磁性ベース電極２００のある位置を原点にとり、この原点から非磁性ベース電極２００の中心線に沿った距離を示し、縦軸は、電気化学ポテンシャルを示す。

この例では非磁性ベース電極２００が０Ｖに、スピン注入電極２１０に正電圧を印加しているため、アップスピン電流Ｉ↑もダウンスピン電流Ｉ↓もスピン注入電極２１０から非磁性ベース電極２００に流れている。これによって生じた電気化学ポテンシャルの差（μ↑−μ↓）はスピン注入電極との接合面の位置で最大値をとり、そこから離れるにしたがって零に緩和する。この電気化学ポテンシャルの差（μ↑−μ↓）を以下スピン蓄積ともいう。すなわち、アップスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↑と、ダウンスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↓が同じ値となるように距離に対して指数関数的に緩和していく。このスピン蓄積が１／ｅ（ｅは自然対数の底）に緩和する距離の事をスピン緩和長λｎと呼ぶが、この値は材料物性値であり、非磁性ベース電極２００を構成する材料により異なってくる。

なお電気化学ポテンシャルの微分値は各スピン方向の電子による電流に比例しており、図２からスピン注入電極２１０より大きい位置ではμ↑とμ↓の傾きが逆、すなわち、アップスピン電流Ｉ↑とダウンスピン電流Ｉ↓は逆方向に流れている事が分かる。このため両方を足し合わせた電流（＝Ｉ↑＋Ｉ↓）は零となっており、スピン注入電極２１０の位置より正方向の位置では電流は流れていない。しかしながら、Ｉ↑―Ｉ↓で定義されるスピン流は流れており、このような状態を純スピン流と呼ぶ。

次に、スピン検出磁性体２２０は、非磁性ベース電極２００に電気的に接触しているが、磁性体中のスピン緩和長λｆは数ｎｍ〜１０ｎｍ程度と一般に非常に短いため、アップスピン電子とダウンスピン電子は磁性体中で短絡された状態になり急速に緩和する。すなわち、非磁性ベース電極２００中の電気化学ポテンシャルが図２に示すような分布をしている場合には、ダウンスピン電子がスピン検出磁性体２２０中に流れ込み、アップスピン電子は逆に流れ出る事になる。

このとき、スピン検出磁性体２２０の多数キャリア比抵抗ρ^＋と少数キャリア比抵抗ρ^―も値が異なるため、スピン検出磁性体２２０中で電気化学ポテンシャルが緩和した電圧（μ↑＝μ↓である電圧）は、スピン注入磁性体２１０とスピン検出磁性体２２０の磁化が互いに平行な場合と反平行な場合では異なる電圧となる。

図３（ａ）、３（ｂ）に２つの磁性体２１０、２２０の磁化が互いに反平行な場合および互いに平行な場合の、スピン検出磁性体２２０から非磁性ベース電極２００の経路に沿った、電気化学ポテンシャルの分布例をそれぞれ示す。スピン検出磁性体２２０と非磁性ベース電極２００との間の電位差は図３（ａ）、３（ｂ）における左右両端の電気化学ポテンシャルの差となるが、磁化が平行の場合と反平行の場合では、その符号が逆になっていることがわかる。したがって、その電圧を測定することにより、２つの磁化が平行になっているか反平行になっているかを測定することが可能になる。

また、２つの磁性体２１０、２２０の磁化が角度θをなしている場合には、平行な場合の電位差をＶｐ、反平行な場合の電位差Ｖａｐ、その差をＶａｐ−Ｖｐ＝Ｖｓとすると、その電位差はＶ＝（Ｖｐ＋Ｖａｐ）／２−Ｖｓ／２・ｃｏｓθ となる。このため、その電位差を測定することにより、２つの磁性体の磁化の相対角度を測定する事が出来る。したがって、例えば、どちらか一方の磁性体は、その磁化が反強磁性体によって固着されたピンド層（磁化固着層）とし、他方の磁性体は、その磁化が外部磁場によって動くフリー層（磁化自由層）とする。これにより、いわゆるスピンバルブ構造とすることができ、ハードディスクヘッド等の磁場センサーとして用いることが可能となる。

図４に、非局所スピンバルブ素子を用いて、ハードディスクヘッドを構成した一例を示す。この非局所スピンバルブ素子は、非磁性ベース電極２００上に、磁性体からなるスピン注入層２１０、反強磁性体２４０、およびリード２５０がこの順序で積層された第１積層構造と、磁性体からなるスピン検出層２２０、導電層２７０ａ、および上磁気シールド２６０がこの順序で積層された第２積層構造と、導電層２７０ｂおよび下磁気シールド２８０がこの順序で積層された第３積層構造と、を備えている。第１積層構造と第２積層構造とは、非磁性ベース電極２００に対して同じ側に離間して設けられ、第３積層構造は非磁性ベース電極２００を挟んで第２積層構造と反対側に対向して設けられる。非磁性ベース電極２００とリード２５０との間にセンス電流が流され、上磁気シールド２６０と、下磁気シールド２８０との間の電圧が測定される。上磁気シールド２６０と下磁気シールド２８０との間の距離がギャップとなる。また、上磁気シールド２６０、導電層２７０ａ、スピン検出層２２０、非磁性ベース電極２００、導電層２７０ｂ、および下磁気シールド２８０の端面は同一平面上に位置し、この端面がＡＢＳ(Air Bearing Surface)となる。

図４に示す非局所スピンバルブ素子は、磁性体／非磁性体／磁性体／反強磁性体の積層構造で構成される一般的なスピンバルブ素子と比べた場合、スピン注入層２１０とスピン検出層２２０とを横に並べて配置する事が出来るため、その分トータルの厚さを薄くすることが可能になる。すなわちハードディスクヘッドにおいて磁場センサーとして用いる場合、ＡＢＳ面に出ているのはフリー層と非磁性ベース電極だけで良いため、反強磁性体と磁化固着層の厚さ分、薄くすることが可能となり、シールド・ギャップ間隔を狭くして、より高い線分解能を持つヘッドを提供する事が可能になる。

以上説明したように、非局所スピンバルブ素子は、非磁性ベース電極中のスピン蓄積によりμ↑とμ↓が差を持つことを利用した素子となっている。このため、スピン検出磁性体との接合面において非磁性ベース電極のスピン蓄積が大きい方が、より大きな検出出力を得ることが可能になる。そのため非磁性ベース電極のスピン緩和長は出来るだけ長く、またスピン注入磁性体とスピン検出磁性体との間の距離は出来るだけ近くすることが望ましい。

また、スピン注入磁性体と非磁性ベース電極との接合を詳細に検討した結果、非磁性ベース電極中の電気化学ポテンシャルは、スピン注入磁性体と非磁性ベース電極の接合位置からスピン緩和長λｎ程度離れたところまではスピン蓄積が緩和しないため、非磁性ベース電極のグランド位置（外部リード端子を取り付ける位置）は上記接合位置からスピン緩和長λｎ程度離したほうが、より大きなスピン蓄積を得ることが出来る事が分かった。スピン緩和長λｎよりも短い距離に、外部リード端子との接合のような不均質構造や、スピン緩和長が短い材料があると、それによりスピン緩和が促進されてしまうため、スピン蓄積が小さくなってしまう可能性が出来てしまう。

図５に、スピン注入磁性体と非磁性ベース電極のグランド位置（外部リード端子を取り付ける位置）との間の距離を変えた場合の電気化学ポテンシャルの分布例を示した。図５からわかるように、上記距離がスピン緩和長λｎ程度まで話したほうが、スピン蓄積が大きくなっているのが分かる。

また、スピン検出磁性体と非磁性ベース電極との接合を詳細に検討した結果、非磁性ベース電極中の電気化学ポテンシャルは、スピン注入磁性体と非磁性ベース電極の接合位置からスピン緩和長λｎの数倍離れたところまでは、スピン蓄積が緩和せずμ↑＝μ↓とならないため、非磁性ベース電極のグランド位置（外部リード端子を取り付ける位置）は上記接合位置からスピン緩和長λｎの数倍離すことが望ましいことが分かった。それよりも短い距離に外部リード端子との接合のような不均質構造や、スピン緩和長が短い材料があると、それによりスピン緩和が促進され、スピン蓄積の減少や、ノイズの原因となる事が考えられる。

以上のように、非局所スピンバルブ素子においては、スピン注入磁性体、スピン検出磁性体は高密度なハードディスクのヘッドに用いる事ができるように、十分小さなサイズ、例えば幅１０ｎｍ、長さ１０ｎｍ、厚さ５ｎｍの直方体にする事も可能である。しかし、その場合でも、非磁性ベース電極２００はスピン緩和長λｎよりも十分に長くする必要があり、図６に示したように、非局所スピンバルブ素子全体の大きさとしては数μｍの長さが必要となる事が分かった。

このため設計の自由度が制限され、この数μｍの非磁性ベース電極のどこかに非均一性や欠陥が出来てしまうか、この数μｍ以内の場所で外部リード端子との接触を作ってしまうと、それがスピン蓄積に影響を与えてしまい、出力特性が劣化してしまうなど、外乱を受けやすく作るのが困難な素子である事がわかった。

このことをより詳細に示すために図７のように、外部リード端子２９０ａ、２９０ｂをスピン注入磁性体２１０、スピン検出磁性体２２０の近くまで持ってきた構造について検討を行った。

図８は、スピン注入磁性体２１０側の近くまで外部リード端子２９０ａを持ってきた場合と外部リード端子２９０ａを持ってこなかった場合の電気化学ポテンシャルの分布例を示す。図８からわかるように、外部リード端子２９０ａをスピン注入磁性体２１０の近くまで持ってくると、スピン蓄積が減少してしまっているのが分かる。

図９は、スピン検出磁性体２２０側の近くまで外部リード端子２９０ｂを持ってきた場合と外部リード端子２９０ｂを持ってこなかった場合の電気化学ポテンシャルの分布例を示す。図９からわかるように、外部リード端子２９０ｂをスピン検出磁性体２２０の近くまで持ってくると、スピン蓄積が減少してしまっているのが分かる。

このように一般的な非局所スピンバルブ素子では外部リード端子をつなぐ位置によっても出力特性が大きく劣化してしまうなど、外乱を受けやすい素子であることが分かった。

また、以上で説明した一般的な非局所スピンバルブ素子は４端子構造である事から、外部リード端子が４つ必要であり、従来の２端子構造スピンバルブに比べると、端子数が倍になる。このため、ヘッドのＡＢＳ面に配置された非局所スピンバルブ素子から端子を取り出す事が困難であるという問題もある。２端子の場合には上下磁気シールドをそのまま外部端子として用いる事が可能であり、作成も比較的容易となるが、４端子の場合にはそれに加えて２つの外部リード端子が必要になるため、プロセスが複雑になってしまい、歩留まりの悪化、コストの上昇を招いてしまう。

そこで特許文献１には、３端子化した非局所スピンバルブ素子が提案されている。特許文献１で提案されている構造では、非磁性ベース電極側の電流印加部の端子と、非磁性ベース電極側の電圧検出部の端子を共通端子とし、これによって３端子化を達成している。

しかしながら、この方法では非磁性ベース電極中に十分なスピン蓄積を起こすためには、共通端子の位置をスピン注入磁性体、スピン検出磁性体からスピン緩和長λｎの数倍離れた場所に設置しなければならない。このため、非磁性ベース電極は数μｍ程度と大きくする必要がある。したがって、設計の自由度が制限された、外部からの外乱を受けやすいという欠点は無くならない。また、非磁性ベース電極を長くする必要がある事から、素子抵抗が大きくなりＳＮ比が劣化するという問題も発生する。また非磁性ベース電極が長く、かつそこに大電流密度のセンス電流を流す必要がある事から、発熱、エレクトロマイグレーション等の問題も発生する可能性が高くなる。

そこで、本発明者達が鋭意研究し、ビット・サイズの微小なハードディスク装置から、データの読出しを行うハードディスクヘッドに用いることができ、小型化が可能でかつ外部の影響を受けにくい３端子非局所スピンバルブ素子を得ることができた。この３端子非局所スピンバルブ素子を、図面を参照して以下の実施形態で説明する。

（第１実施形態）
図１０に第１実施形態による３端子非局所スピンバルブ素子を示す。本実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子１は、非磁性ベース層（非磁性ベース電極）１０と、この非磁性ベース層１０の延在する方向にそって、非磁性ベース層１０上にそれぞれが離間して設けられ、それぞれが磁性層を含む、スピン注入端子１２、グランド端子１４、およびスピン検出端子１６と、を備えている。本実施形態においては、グランド端子１４は、スピン注入端子１２とスピン検出端子１６との間に位置する。また、スピン注入端子１２、グランド端子１４、およびスピン検出端子１６は、非磁性ベース層１０に対して同じ側の面上に設けられる。なお、スピン注入端子１２およびグランド端子１４は、非磁性ベース電極１０のスピン緩和長λｎに比べて十分短い距離に配置される。

スピン注入端子１２は、磁化の方向が固着された磁性層を備えている。グランド端子１４は、磁化の方向が固着された磁性層を備え、この磁性層の磁化の方向は、スピン注入端子１２の磁性層の磁化の方向と反平行となっている。スピン検出端子１６は、磁化の方向が可変の磁性層を備えている。ここで、磁化の方向が可変とは、外部磁界に応じて磁化の方向が変化することを意味する。

スピン注入端子１２とグランド端子１４のそれぞれの磁性層には外部リード端子（図示せず）が接続され、これらの外部リード端子は電流源３０に接続され、センス電流が注入される。またスピン検出端子１６の磁性層にも外部リード端子（図示せず）が接続され、このスピン検出端子の外部リード端子と、グランド端子１４の外部リード端子が電圧計３２に接続され、これらの外部リード端子間の電圧の測定が行われる。すなわち、本実施形態の非局所スピンバルブ素子は、グランド端子１４が電流源３０と電圧計３２で共用される３端子構造を有している。

非磁性ベース電極１０には、スピン注入端子１２とグランド端子１４を通してセンス電流が流される。これら２つの端子のうちの一方の端子の磁性層を通して電流が流入し、もう片方の端子の磁性層を通して電流が流出する。このとき、磁性層中の電気抵抗は、多数スピン電子と少数スピン電子で異なるため、非磁性ベース電極１０にもスピン偏極された電流が流れることとなる。非磁性ベース電極１０中の伝導電子の電気化学ポテンシャルは、アップスピン電子とダウンスピン電子とで異なる値を取るようになる。

図１１に、注入したセンス電流の経路に沿って、アップスピン電子とダウンスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↑、μ↓をプロットした例を示す。この例では、グランド端子１４の磁性層を０Ｖに、スピン注入端子１２の磁性層を正電圧としている。図１１に示す、センス電流の経路は、スピン注入端子１２の上面（外部リード端子との接続面）から、スピン注入端子１２，スピン注入端子と非磁性ベース電極１０と接合する第１接合面、非磁性ベース電極１０、非磁性ベース電極１０とグランド端子１４と接合する第２接合面、グランド端子１４、およびグランド端子１４の上面（外部リード端子との接続面）までとなる。このため、アップスピン電流Ｉ↑もダウンスピン電流Ｉ↓もスピン注入端子１２から非磁性ベース電極１０に流れ、その後、非磁性ベース電極１０からグランド端子１４へと流れる。

本実施形態においては、スピン注入端子１２の磁性層の磁化方向と、グランド端子１４の磁性層の磁化方向が反平行になっているため、スピン注入端子１２と非磁性ベース電極１０との第１接合面でも、グランド端子１４と非磁性ベース電極１０との第２接合面でも、両方ともアップスピン電流μ↑が大きくなるようなスピン蓄積が発生する。また、スピン注入端子１２とグランド端子１４は非磁性ベース電極１０のスピン緩和長λｎに比べて十分短い距離に配置してあるため、第１接合面と第２接合面との間の非磁性ベース電極１０内のスピン蓄積は、非磁性ベース電極１０中の場所によらず殆ど均一に大きく起こっているのがわかる。

本実施形態においては、磁性体の短いスピン拡散長を利用することによって、磁性体内において短距離でアップスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↑と、ダウンスピン電子の電気化学ポテンシャルμ↓との分離を引き起こすことが可能となっている。このため、従来のように非磁性ベース電極に外部リード端子を直接つなぐときに必要となるスピン緩和長λｎ程度の長さが必要なくなり、非磁性ベース電極１０を短くすることができる。

図１２に、非磁性ベース電極１０の中心に沿った電気化学ポテンシャルの分布を示す。本実施形態においては、非磁性ベース電極１０の長さをスピン緩和長λｎに比べて十分小さくすることが出来るため、スピン蓄積は非磁性ベース電極１０全体に渡って大きな分布を持たず、ほぼ均一に大きなスピン蓄積が起こっていることがわかる。

次に、スピン検出端子１６は、非磁性ベース層１０に電気的に接触しているが、磁性体中のスピン緩和長λｆは数ｎｍ〜１０ｎｍ程度と一般に非常に短い。このため、アップスピン電子とダウンスピン電子は磁性体中で短絡された状態になる。すなわち、非磁性ベース電極１０中の電気化学ポテンシャルが図１２に示す分布をしている場合には、ダウンスピン電子がスピン検出端子１６中に流れ込み、アップスピン電子は逆にスピン検出端子１６から流れ出る事になる。このとき、スピン検出端子１６の多数キャリア比抵抗ρ^＋と、少数キャリア比抵抗ρ^―との値が異なるため、電気化学ポテンシャルがスピン検出端子１６中で緩和する電圧はスピン注入端子１２およびスピン検出端子１６のそれぞれの磁性層の磁化が平行な場合と反平行な場合では異なる電圧となる。

図１３（ａ）、１３（ｂ）に、２つの磁化が反平行な場合と平行な場合の、グランド端子１４から非磁性ベース電極１０、スピン検出端子１６の経路に沿った、電気化学ポテンシャルの分布例を示す。磁化が平行の場合においては、電気化学ポテンシャルは高い電圧に緩和し、反平行の場合においては、より低い電圧に緩和していることがわかる。したがって、その電圧を測定することにより、２つの磁化が平行になっているか反平行になっているかを測定することができる。

また、スピン注入端子１２およびスピン検出端子１６のそれぞれの磁性層の磁化が角度θをなしている場合には、磁化が平行な場合の電位差をＶｐ、反平行な場合の電位差Ｖａｐ、その差をＶａｐ−Ｖｐ＝Ｖｓとすると、その電位差は Ｖ＝（Ｖｐ＋Ｖａｐ）／２−Ｖｓ／２・ｃｏｓθ となる。このため、その電位差を測定することにより、スピン注入端子１２およびスピン検出端子１６のそれぞれの磁性層の磁化の相対角度を測定する事が出来る。したがって、本実施形態の３端子非局所スピンバルブ素子１は、ハードディスクヘッド等の磁場センサーとして用いる事ができる。

なお、非磁性ベース電極１０としては、出来るだけスピン緩和長λｎが長いほうがより大きなスピン蓄積が起こり、より大きな出力を得る事ができるため、Ｃｕ，Ａｇ、Ａｕのようなスピン緩和長の長い材料を用いる事が望ましい。

また、スピン注入端子１２、グランド端子１４、およびスピン検出端子のそれぞれの磁性層の材料としては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢのような、多数キャリア比抵抗ρ^＋と小数キャリア比抵抗ρ⁻の差が大きい材料を用いる事が望ましい。より望ましくは、多数キャリアは存在するが、少数キャリアがほとんど存在しない、ハーフメタルを用いる事が望ましい。ハーフメタルとしてはホイスラー合金系のＣｏ_２Ｆｅ（Ｇｅ_０．５Ｇａ_０．５）、Ｃｏ_２Ｍｎ（Ｇｅ_０．５Ｇａ_０．５）などを用いる事ができるが、それ以外の材料であっても、ハーフメタルで有れば用いる事が出来る。また上記端子１２、１４、１６と非磁性ベース電極１０は直接接続してもかまわないが、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｃｕのように，間にトンネルバリアを挟んだ、トンネル接続としてもかまわない。ここで、ＭｇＯ（１ｎｍ）は厚さが１ｎｍのＭｇＯを意味する。

スピン注入端子１２およびグランド端子１４の磁性層の磁化固着は、上記磁性層に接して反強磁性層を積層する事により、一方向異方性を付与することにより行うことが出来る。反強磁性層の材料としてはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどを用いる事が出来る。また磁化が固着される磁性層は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのように、間に上下の磁性体が反強磁性結合するような材料を挟んだ、いわゆるシンセティック構造とする事が出来る。シンセティック構造にする事により、磁化固着をより強固に行うことが出来る。

図１４に、本実施形態の非局所スピンバルブ素子１を用いて、ハードディスクヘッドを構成する場合の磁化配列を示す。ハードディスクヘッドに使う場合にはスピン注入端子１２とグランド端子１４のそれぞれの磁性層の磁化は互いに反平行になるように反強磁性層を用いて磁化固着し、スピン検出端子の磁性層はそれに直交するように、ハードバイス層を用いてバイアス磁場をかけることが望ましい。

なお、図１０に示す非局所スピンバルブ素子１は、非磁性ベース電極１０の延在する方向に沿って、スピン注入端子１２、グランド端子１４、スピン検出端子１６が非磁性ベース電極１０に対して同じ側の面上に離間して設けられている。しかし、図１５に示すように、非磁性ベース電極１０に対して、スピン注入端子１２とグランド端子１４が同一面ではなくて、スピン注入端子１２が設けられた面に対向する面に配置してもよい。

また、後述するように、図１０に示す非局所スピンバルブ素子１において、スピン検出端子１６を、スピン注入端子１２およびグランド端子１４が設けられている面に対向する非磁性ベース電極１０の面に設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、ビット・サイズの微小なハードディスク装置から、データの読出しを行うハードディスクヘッドに用いることができ、小型化が可能でかつ外部の影響を受けにくい３端子非局所スピンバルブ素子を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるハードディスクヘッドを図１６に示す。この第２実施形態のハードディスクヘッドは、第１実施形態の非局所スピンバルブ素子１を磁気センサーとして用いている。第２実施形態のハードディスクヘッドは、第１実施形態の非局所スピンバルブ素子１と、下磁気シールド２２と、上磁気シールド２４とを備えている。この非局所スピンバルブ素子１は、非磁性ベース電極１０と、この非磁性ベース電極１０上に離間して設けられた、スピン注入端子１２、グランド端子１４、およびスピン検出端子１６とを備えている。この第２実施形態においては、スピン注入端子１２およびグランド端子１４は、非磁性ベース電極１０に対して同じ側に設けられ、スピン検出端子１６は、非磁性ベース電極１０の一方の端子近傍に設けられるとともに非磁性ベース電極１０に対してスピン注入端子１２およびグランド端子１４と反対側に設けられる。

スピン注入端子１２は、磁化固着層１２ａと、この磁化固着層１２ａ上に設けられ磁化固着層１２ａの磁化方向を固定する反強磁性層１２ｂとを備えている。この反強磁性層１２ｂ上にリード端子１７ａが設けられている。

また、グランド端子１４は、磁化固着層１４ａと、この磁化固着層１４ａ上に設けられ磁化固着層１４ａの磁化方向を固定する反強磁性層１４ｂとを備えている。この反強磁性層１４ｂ上にリード端子１７ｂが設けられている。

スピン検出端子１６下にリード端子１７ｃが設けられ、このリード端子１７ｃは下磁気シールド２２に接続する。また、スピン検出端子１６の直上の非磁性ベース電極１０の領域上にはギャップを形成する絶縁層１９を積層して、非磁性ベース電極１０と磁気シールド２４がこの領域では電気的に絶縁されるようにする。リード端子１７ｂは上磁気シールド２４に接続される。下磁気シールド２２は、リード端子１７ｃに接続する第１部分と、この第１部分に接続し非磁性ベース電極１０の延在する方向に沿って延在する第２部分とを備えている。上磁気シールド２４は、グランド端子１４上のリード端子１７ｂに接続する第１部分と、この第１部部に接続し、ＡＢＳ面に延在する第２部分と、上記第１部分に接続し、外部リード端子１８の上方に位置する第３部分と、を備えている。

非磁性ベース電極１０のスピン検出端子１６が設けられた側の端面、スピン検出端子１６のグランド端子１４と反対側の側面、下磁気シールド２２および上磁気シールド２４のグランド端子１４と反対側の側面は、同一面上に位置し、この面がＡＢＳとなる。

上磁気シールド２４と外部リード端子１８とは電流源３０に接続され、下磁気シールド２２と上磁気シールド２４とは電圧計３２が接続される。これにより、スピン注入端子１２とグランド端子１４との間にセンス電流が流れ、非磁性ベース電極１０を介してグランド端子１４とスピン検出端子１６との間の電圧が計測される。

なお、非局所スピンバルブ素子１と下磁気シールド２２との間、および非局所スピンバルブ素子１と上磁気シールド２４との間には、不必要な電気的な接触を防ぐために、電気的に絶縁する絶縁層２５が設けられる。この絶縁層２５としては、例えばアルミナが用いられる。

（変形例）
第２実施形態の変形例によるハードディスクヘッドを図１７に示す。この変形例によるハードディスクヘッドは、図１６に示すハードディスクヘッドにおいて、スピン注入端子１２とスピン検出端子１６の位置を入れ替えるとともに、スピン検出端子１６およびグランド端子１４のそれぞれの磁性層１６ａ、１４ａを磁化固着層として、スピン注入端子１２の磁性層をフリー層として用いた構成となっている。この場合、スピン検出端子１６およびグランド端子１４のそれぞれの磁性層１６ａ、１４ａの磁化方向は互いに平行に固着する。そして、電流源３０は、下磁気シールド２２および上磁気シールド２４に接続され、電圧計３２は外部リード端子１８と上磁気シールド２４に接続される。

この変形例においては、スピン検出端子１６、グランド端子１４の磁化固着層１６ａ、１４ａとフリー層であるスピン注入端子１２の磁性層の磁化のなす角が外部磁場によって変動する。この角度が反平行により近づくほど、非磁性ベース電極１０へのスピン蓄積が大きくなり、平行に近づくほど、スピン蓄積が小さくなる。このため、スピン検出端子１６の電圧が変化する。これによって外部磁場を検出することが出来る。この配置の場合には、スピン検出端子１６およびグランド端子１４のそれぞれの磁化固着層１６ａ、１４ａの磁化を反平行にしなくてもいいため、ヘッド作成をより簡単にすることが可能になる。

（実施例１）
実施例１によるハードディスクヘッドを図１８に示す。この実施例１のハードディスクヘッドは、第２実施形態のハードディスクヘッドであって、以下のように作製される。

まず、スピン検出端子１６としてハーフメタルであるＣｏ_２Ｆｅ（Ｇｅ_０．５Ｇａ_０．５）ホイスラー合金（以下ＣＦＧＧと表記）を下磁気シールド２２上に厚さ２ｎｍのＣｕからなるリード端子１７ｃを挟んでスパッタ法で成膜する。スピン検出端子１６のサイズは厚さが５ｎｍ、幅（ＡＢＳ面に並行方向）が１２ｎｍ、長さ（ＡＢＳ面に垂直方向）が１０ｎｍとする。そして、スピン検出端子１６の周りは、アルミナからなるギャップ膜２５を成膜する。このギャップ膜２５の上に作成する非磁性ベース電極１０と下磁気シールド２２とが不必要な部分で電気的接触しないように絶縁されるようにする。そしてスピン検出端子１６にオーバーラップするように非磁性ベース電極１０としてＣｕを、長さが１００ｎｍ、幅が１２ｎｍ、厚さがスピン注入端子１２との接合面から、グランド端子１４との接合面までは１０ｎｍ、グランド端子１４との接合面からスピン検出端子１６までは５ｎｍとなるように２度に分けてスパッタ法で成膜する。

続いて、非磁性ベース電極１０上に、スピン注入端子１２およびグランド端子１４を、スパッタ法を用いて成膜する。このとき、スピン注入端子１２の磁化固着層１２ａは、Ｒｕからなるスペーサを用いたシンセティック構造とする。すなわち、スピン注入端子１２は、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層１２ａ_１、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅ層１２ａ_２、厚さが１ｎｍのＲｕ層１２ａ_３、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅ層１２ａ_４、および厚さが１０ｎｍのＩｒＭｎの反強磁性層１２ｂがこの順序で積層された積層構造を有している。したがって、スピン注入端子１２においては、ＩｒＭｎ側の磁性層１２ａ_４の磁化のほうが大きい構造とする。

また、グランド端子１４の磁化固着層１４ａも、同様にＲｕからなるスペーサを用いたシンセティック構造とする。すなわち、グランド端子１４は、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層１４ａ_１、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅ層１４ａ_２、厚さが１ｎｍのＲｕ層１４ａ_３、厚さが３ｎｍのＣｏＦｅ層１４ａ_４、および厚さが１０ｎｍのＩｒＭｎの反強磁性層１４ｂがこの順序で積層された積層構造を有している。したがって、グランド端子１４においては、ＣＦＧＧ側の磁性層１４ａ_１の磁化のほうが大きい構造とする。

このようにシンセティック構造の厚みを変える事により、磁化固着層をスピンバルブ素子の長手方向（非磁性ベース電極１０の延在する方向）に磁場をかけた磁場中アニールによって固着すると、スピン注入端子１２においては、磁化の大きいＩｒＭｎ側の磁性層１２_４の磁化が磁場方向を向くため、非磁性ベース電極１０側の磁性層１２ａ_２の磁化が磁場に対して反平行となる。これに対して、グランド端子１４においては、磁化の大きいＣＦＧＧ側の磁性層１４_２の磁化が磁場方向を向くため平行になって固着され、スピン注入端子１２およびグランド端子１４の磁性層１２ａ_２、１４ａ_２の磁化方向を反平行に固着することができる。なお、スピン注入端子１２もグランド端子１４も幅が１２ｎｍ、長さが１０ｎｍとした。そして、スピン注入端子１２、グランド端子１４の上面にスルーホールを残して周りをアルミナギャップ膜で覆い、上磁気シールド２４と絶縁されるようにした。そしてスピン注入端子１２の上面は、Ｃｕからなるリード端子１７ａを介して、電流源３０につなげる、Ｃｕからなる外部リード端子１８に接続し、グランド端子１４は、Ｃｕからなるリード端子１７ｂを介して上磁気シールド２４につなげる。

この実施例１においては、外部リード端子１８と上磁気シールド２４とが電流源３０に接続され、上磁気シールド２４と下磁気シールド２２とが電圧計３２に接続される。

この構成により、下磁気シールド２２と上磁気シールド２４との間のギャップ１５ｎｍを実現することができ、５０μＡのセンス電流で、２ｍＶのヘッド出力を得る事ができる。これにより５Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当の磁気媒体と組み合わせて、２５ｄＢのヘッドＳＮを得る事が出来る。

（実施例２）
実施例２によるハードディスクヘッドを図１９に示す。この実施例２のハードディスクヘッドは、第２実施形態のハードディスクヘッドであって、スピン注入端子１２、グランド端子１４、およびスピン検出端子１６を構成する材料が異なる以外は、実施例１のハードディスクヘッドと同じ構成となっており、各要素のサイズも実施例の各要素と同じサイズとする。この実施例２において、スピン検出端子１６は、厚さが５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１６_１と、このＣｏＦｅＢ層１６_１上に形成された厚さが１ｎｍのＭｇＯ層１６_２との積層構造を有する。

スピン注入端子１２は、非磁性ベース電極１０上に設けられた厚さが１ｎｍのＭｇＯからなるトンネルバリア層１３ａ上に形成され、磁性層１２ａと、この磁性層１２ａ上に設けられ磁性層１２ａの磁化方向を固着する厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１２ｂとを備えている。磁性層１２ａは、Ｒｕからなるスペーサを用いたシンセティック構造を有している。すなわち、磁性層１２ａは、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅＢ層１２ａ_２と、厚さが１ｎｍのＲｕ層１２ａ_３と、厚さが５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１２ａ_４とがこの順序で積層された積層構造を有している。

グランド端子１４は、非磁性ベース電極１０上に設けられた厚さが１ｎｍのＭｇＯからなるトンネルバリア層１３ｂ上に形成され、磁性層１４ａと、この磁性層１４ａ上に設けられ磁性層１４ａの磁化方向を固着する厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１４ｂとを備えている。磁性層１４ａは、Ｒｕからなるスペーサを用いたシンセティック構造を有している。すなわち、磁性層１４ａは、厚さが５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_２と、厚さが１ｎｍのＲｕ層１４ａ_３と、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_４とがこの順序で積層された積層構造を有している。

この実施例２においては、外部リード端子１８と上磁気シールド２４とが電流源３０に接続され、上磁気シールド２４と下磁気シールド２２とが電圧計３２に接続される。

このように、スピン注入、スピン検出を、ＣｏＦｅＢとＭｇＯからなるトンネル接合によって行うことにより、スピン検出側の端子間の抵抗値が３ｋΩと高くなってしまう。しかし、３０μＡのセンス電流で出力として５ｍＶの大きな値を得ることができる。このため５Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当の磁気記録媒体と組み合わせて２５ｄＢのヘッド出力を得ることができる。

（実施例３）
実施例３によるハードディスクヘッドを図２０に示す。この実施例３のハードディスクヘッドは、図１７に示す第２実施形態の変形例によるハードディスクヘッドであって、各要素のサイズは、実施例１の要素のサイズと同じになっている。すなわち、グランド端子１４およびスピン検出端子１６のそれぞれの磁性層は磁化固着層である。

グランド端子１４は、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層１４ａ_１と、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_２と、厚さが１ｎｍのＲｕ層１４ａ_３と、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_４と、厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎ層１４ｂがこの順序で積層された積層構造を有している。すなわち、ＣＦＧＧ層１４ａ_１、ＣｏＦｅＢ層１４ａ_２、Ｒｕ層１４ａ_３、およびＣｏＦｅＢ層１４ａ_４からなる磁性層１４ａは、シンセティック構造を有している。

同様に、スピン検出端子１６も、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層１６ａ_１と、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ層１６ａ_２と、厚さが１ｎｍのＲｕ層１６ａ_３と、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅＢ層１６ａ_４と、厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎ層１６ｂがこの順序で積層された積層構造を有している。すなわち、ＣＦＧＧ層１６ａ_１、ＣｏＦｅＢ層１６ａ_２、Ｒｕ層１６ａ_３、およびＣｏＦｅＢ層１６ａ_４からなる磁性層１６ａは、シンセティック構造を有している。

また、スピン注入端子１２は、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層を備えている。

この実施例３においては、下磁気シールド２２と上磁気シールド２４とが電流源３０に接続され、外部リード端子１８と上磁気シールド２４とが電圧計３２に接続される。

また、この実施例３においては、２つのグランド端子１４およびスピン検出端子１６は、同一構成を有しているため、スピンバルブ素子の長手方向に磁場をかけながら磁場中でのアニールを行うと、磁化は同一方向に固着される。それに対してフリー層となる磁性層を有するスピン注入端子１２は、スピン注入端子１２の側面に配置したハード膜によって磁場バイアスをされているため、磁化がＡＢＳ面に対して平行になっている。この状態で記録媒体からの記録磁場がかかると、フリー層であるスピン注入端子１２の磁性層の磁化が回転するため、それに伴ってＣｕからなる非磁性ベース電極１０中のスピン蓄積量が変動する。すなわち、スピン注入端子１２とグランド端子１４のそれぞれの磁性層の磁化がより反平行に近づくほどスピン蓄積量がふえ、平行に近づくほどスピン蓄積量が減少する。このため、磁化固着層を有するスピン検出端子１６に発生する電圧が変化する。それを検出することにより出力を得ることができる。５０μＡのセンス電流で出力として１．５ｍＶの値を得ることができる。

（実施例４）
実施例４によるハードディスクヘッドを図２１に示す。この実施例４のハードディスクヘッドにおいては、スピン注入端子１２は下磁気シールド２２と、Ｃｕからなる非磁性ベース電極１０との間に設けられるとともにＣｕからなるリード端子１７ａを介して下磁気シールド２２に接続する。このスピン注入端子１２は、リード端子１７ａ上に、厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１２ｂと、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅＢ層１２ａ_４と、厚さが１ｎｍのＲｕ層１２ａ_３と、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ層１２ａ_２と、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層１２ａ_１とがこの順序で積層された積層構造を有している。ＣｏＦｅＢ層１２ａ_４、Ｒｕ層１２ａ_３、ＣｏＦｅＢ層１２ａ_２、およびＣＦＧＧ層１２ａ_１はシンセティック構造の磁性層１２ａを形成する。ＣＦＧＧ層１２ａ_１が非磁性ベース電極１０の下側の面に接続する。なお、スピン注入端子１２のサイズは幅が１２ｎｍ、長さが１０ｎｍである。また、Ｃｕからなる非磁性ベース電極１０のサイズは、長さが５０ｎｍ、幅が１２ｎｍ、厚さが１０ｎｍである。なお、長さは、非磁性ベース電極１０の延在する方向における寸法を意味する。また、厚さは、上面と下面との間の寸法を意味し、幅は、長さ方向と厚さ方向に直交する方向の寸法を意味する。

グランド端子１４は、非磁性ベース電極１０のスピン注入端子１２が設けられた側と反対側の面におけるスピン注入端子１２にほぼ対向する位置に設けられている。このグランド端子１４は、厚さが３ｎｍのＣＦＧＧ層１４ａ_１、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_２、厚さが１ｎｍのＲｕ層１４ａ_３、厚さが５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１４ａ_４と、厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１４ｂとが、この順序で積層された積層構造を有している。ＣＦＧＧ層１４ａ_１、ＣｏＦｅＢ層１４ａ_２、Ｒｕ層１４ａ_３、およびＣｏＦｅＢ層１４ａ_４は、シンセティック構造の磁性層１４ａを形成する。グランド端子１４は、反強磁性層１４ｂ上に設けられたリード端子１７ｂを介して外部リード端子１８に接続される。

スピン検出端子１６は、グランド端子１４が設けられた側の非磁性ベース電極１０の面に設けられ、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層からなっている。このＣＦＧＧ層１６上に厚さが２ｎｍのＣｕからなるリード端子１７ｃが設けられる。このリード端子１７ｃを介してスピン検出端子１６は上磁気シールド２４に接続する。スピン検出端子１６およびリード端子１７ｃは、非磁性ベース電極１０の端面からＡＢＳに向かって張り出すように形成される。スピン検出端子１６のサイズは、幅が１２ｎｍ、長さが１０ｎｍ、厚さが５ｎｍである。

なお、非磁性ベース電極１０、下磁気シールド２２、上磁気シールド２４がそれぞれ直接に接触しないように、それらの間には絶縁層２５が設けられている。この絶縁層２５としては、例えばアルミナが用いられる。

また、スピン検出端子１６の両脇にはハード磁性膜（図示せず）を配置して、ハード膜バイアス磁界をかけ、その磁化がＡＢＳ面に対して平行方向を向くように配置した。スピン注入端子１２、グランド端子１４は磁場中アニールによって、それぞれのＣＦＧＧ層１２ａ_１、１４ａ_１の磁化が反平行になるように磁化固着する。

この実施例４においては、下磁気シールド２２と外部リード端子１８とが電流源３０に接続され、外部リード端子１８と上磁気シールド２４とが電圧計３２に接続される。

このような構成とすることにより、磁気シールド間のギャップを１５ｎｍすることができ、実施例１と同様に、５０μＡのセンス電流で、２ｍＶのヘッド出力を得る事ができる。これにより５Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当の磁気記録媒体と組み合わせて、２５ｄＢのヘッドＳＮを得る事が出来る。

（実施例５）
実施例１の変形例として、図１８に示す実施例１ハードディスクヘッドにおいて、スピン注入端子１２をシンセティック構造とせず、単純な磁化固着構造とした。すなわち図１８において、スピン注入端子を、厚さが５ｎｍのＣＦＧＧ層、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ層、および厚さが１０ｎｍのＩｒＭｎの反強磁性層がこの順序で積層された積層構造に置き換えた。それ以外は実施例１と同じ構成となっている。

この実施例においては、スピン注入端子はシンセティック構造でなく、一方、グランド端子はシンセティック構造となっているため、シンセティック構造の磁化が同じ方向を向く程度の高磁場下で磁化固着アニールを行えば、磁化固着後に低磁場ではスピン注入端子と、グランド端子におけるＣＦＧＧ層の磁化が互いに反並行に固着される。

この構成により、下磁気シールドと上磁気シールドとの間のギャップ１５ｎｍを実現することができ、５０μＡのセンス電流で、２ｍＶのヘッド出力を得ることができる。これにより５Ｔｂｉｔ／ｉｎ ^２ の磁気媒体と組み合わせて、２５ｄＢのヘッドＳＮを得ることができる。

（比較例１）
実施例１に対する比較例１によるハードディスクヘッドを図２２に示す。この比較例１のハードディスクヘッドは、図１８に示す実施例１ハードディスクヘッドにおいて、スピン注入端子１２をＣｕ層１３に置き換えた構成を有している。Ｃｕ層１３以外は、実施例１と同じ構成となっている。

この比較例１においては、外部リード端子１８によって非磁性ベース電極１０のスピン蓄積が大きく減少してしまい、５０μＡのセンス電流を流しても、０．２ｍＶの出力しか得る事が出来ない。このため、５Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当の磁気記録媒体と組み合わせても、出力を読み取ることは出来ない。

（比較例２）
比較例２によるハードディスクヘッドを図２３に示す。この比較例２のハードディスクヘッドは、比較例１のハードディスクヘッドにおいて、Ｃｕからなる非磁性ベース電極１０の長さを長くし、かつＣｕ層１３とグランド端子１４までの距離が１００ｎｍとなるように構成したものである。

この比較例２においても、Ｃｕ中のスピン緩和長が４００ｎｍ程度であるため、非磁性ベース電極１０の長さが十分ではなく、十分なスピン蓄積を得ることができない。そればかりではなく、非磁性ベース電極１０が長くなったために、外部リード端子１８と、スピン検出端子１６間の抵抗が大きくなってしまい、熱ノイズが増加する。また、センス電流による発熱が大きくなり、熱安定性が劣化する。また、プロセス上の欠陥が発生する確率が増し、歩留まりも悪くなる。以上の影響により、５０μＡのセンス電流を流しても、０．５ｍＶの出力しか得る事が出来ず、ＳＮ比は１５ｄＢしか得られない。このため、５Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当の磁気記録媒体と組み合わせても、出力を読み取ることは出来ない。

（比較例３）
比較例３による３端子非局所スピンバルブ素子を図２４に示す。この比較例３の３端子非局所スピンバルブ素子は、以下のように作製される。下磁気シールド２２上にＣｕ層２３を形成し、このＣｕ層２３の周囲は例えばアルミナからなる絶縁層（図示せず）で取り囲む。その後、Ｃｕ層２３に接続するように、上記絶縁層上にＣｕからなる非磁性ベース電極１０を、スパッタ法を用いて形成する。この非磁性ベース電極１０のサイズは、厚さが５ｎｍ、幅が１２ｎｍ、長さが１００ｎｍである。そして、非磁性ベース電極１０に接するようにスピン注入端子１２、スピン検出端子１６をスパッタ法で成膜する。このとき、スピン注入端子１２は、Ｒｕからなるスペーサを用いたシンセティック構造の磁性層１２ａと、この磁性層１２ａ上に形成された反強磁性層１２ｂとを備えている。磁性層１２ａは、厚さが４ｎｍのＣＦＧＧ層、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さが１ｎｍのＲｕ層、および厚が５ｎｍのＣｏＦｅ層がこの順序で積層された積層構造を有している。反強磁性層１２ｂとしては、厚さが１０ｎｍのＰｔＭｎが用いられる。

スピン検出端子１６として、ハーフメタルであるＣＦＧＧホイスラー合金をスパッタ法で成膜する。このスピン検出端子１６のサイズは厚さ５ｎｍ、幅１２ｎｍ、長さ１０ｎｍである。

そして、スピン注入端子１２の上部がＣｕスルーホール（図示せず）を通じて上磁気シールド２４ａと接続されるように、厚さが２ｎｍのＣｕ層と、このＣｕ層の周囲にアルミナギャップ膜を成膜する。また、スピン検出端子１６の上部がＣｕスルーホール（図示せず）を通じて上磁気シールド２４ｂと接続されるように、厚さが２ｎｍのＣｕ層と、このＣｕ層の周囲にアルミナギャップ膜を成膜する。その後、上磁気シールド２４ａ、２４ｂを形成する。

スピン注入端子１２の磁性層の磁化固着は、スピンバルブ素子の長手方向（非磁性ベース電極の延在する方向）に磁場をかけた磁場中アニールによって固着を行う。スピン検出端子１６は側面に設けたハード膜バイアスによって、ＡＢＳ面に対して並行に磁化バイアスを行う。

この構成により、下磁気シールド２２と上磁気シールド２４ｂとの間のギャップが１５ｎｍとなるようにすることができる。

この比較例３においては、下磁気シールド２２と上磁気シールド２４ａに電流源３０が接続され、下磁気シールド２２と上磁気シールドに電圧計３２が接続される。

しかしながら、非磁性ベース電極１０と下磁気シールド２２が非磁性体であるＣｕスルーホール２３を通じてごく短距離で下磁気シールド２２に接続されているため、非磁性ベース電極１０のスピン蓄積が下磁気シールド２２でショートされてしまい、ほとんどスピン蓄積が起こらなかった。また磁気シールドとして用いられる材料は十分なスピン分極を持っておらず、接合面で不要なスピン散乱が発生し、また下磁気シールド２２の磁化が外部磁場によって変動することによりノイズが発生して、良好なＳＮ比を得ることができない。磁気シールドは磁気シールドとしての役割を果たすように設計されているが、スピンバルブＭＲを起こすには出来ておらず、このため、ハードディスクヘッドとして、磁気媒体からの信号を再生することは出来ない。

（比較例４）
比較例４によるハードディスクヘッドを図２５に示す。この比較例４のハードディスクヘッドは、比較例３のハードディスクヘッドにおいて、Ｃｕからなる非磁性ベース電極１０の長さを長くし、かつＣｕ層１３とグランド端子１４までの距離が１００ｎｍとなるように構成したものである。

Ｃｕ中のスピン緩和長が４００ｎｍ程度あるため、この比較例４の場合でも、非磁性ベース電極１０の長さが十分ではなく、十分なスピン蓄積を得ることができなかった。そればかりではなく、非磁性ベース電極１０が長くなったために、下磁気シールド２２と、スピン検出端子間の抵抗が大きくなってしまい、熱ノイズが増加する。またセンス電流による発熱が大きくなり、熱安定性が劣化した。またプロセス上の欠陥が発生する確率がまし、歩留まりも悪くなる。以上の影響により、ハードディスクヘッドとして、磁気媒体からの信号を再生することは出来ない。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気記録再生装置について説明する。

上述した第２実施形態に記載のハードディスクヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置（ＨＤＤ）に搭載することができる。なお、本実施形態による磁気記録再生装置は、再生機能を有することもできるし、記録機能と再生機能の両方を有することもできる。

図２６は第３実施形態による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図である。図２６に示すように、磁気記録再生装置は、筐体１１０を備えている。筐体１１０は、上面の開口した矩形箱状のベース１１２と、複数のねじ１１１によりベース１１２にねじ止めされてベース１１２の上端開口を閉塞したトップカバー１１４と、を有している。ベース１１２は、矩形状の底壁１１２ａと、底壁１１２ａの周縁に沿って立設された側壁１１２ｂとを有している。

筐体１１０内には、記録媒体としての１枚の磁気ディスク１１６、およびこの磁気ディスク１１６を支持および回転させる駆動部としてのスピンドルモータ１１８が設けられている。スピンドルモータ１１８は、底壁１１２ａ上に配設されている。なお、筐体１１０は、複数枚、例えば、２枚の磁気ディスクを収容可能な大きさに形成され、スピンドルモータ１１８は、２枚の磁気ディスクを支持および駆動可能に形成されている。

筐体１１０内には、磁気ディスク１１６に対して情報の記録、再生を行なう複数のハードディスクヘッド１１７と、これらのハードディスクヘッド１１７を磁気ディスク１１６に対して移動自在に支持したヘッドスタックアッセンブリ（以下ＨＳＡともいう）１２２と、ＨＳＡ１２２を回動および位置決めするボイスコイルモータ（以下ＶＣＭともいう）１２４と、ハードディスクヘッド１１７が磁気ディスク１１６の最外周に移動した際、ハードディスクヘッド１１７を磁気ディスク１１６から離間した退避位置に保持するランプロード機構１２５と、ＨＤＤに衝撃などが作用した際、ＨＳＡ１２２を退避位置に保持するラッチ機構１２６と、プリアンプなどを有する基板ユニット１２１と、が収納されている。ベース１１２の底壁１１２ａ外面には、図示しないプリント回路基板がねじ止めされている。プリント回路基板は、基板ユニット１２１を介してスピンドルモータ１１８、ＶＣＭ１２４、およびハードディスクヘッド１１７の動作を制御する。ベース１１２の側壁には、可動部の稼動によって筐体内に発生した塵埃を捕獲する循環フィルタ１２３が設けられ、磁気ディスク１１６の外側に位置している。

磁気ディスク１１６は、例えば、直径６５ｍｍ（２．５インチ）に形成され、上面および下面に磁気記録層を有している。磁気ディスク１１６は、スピンドルモータ１１８の図示しないハブに互いに同軸的に嵌合されているとともにクランプばね１２７によりクランプされ、ハブに固定されている。これにより、磁気ディスク１１６は、ベース１１２の底壁１１２ａと平行に位置した状態に支持されている。そして、磁気ディスク１１６は、スピンドルモータ１１８により所定の速度、例えば、５４００ｒｐｍあるいは７２００ｒｐｍの速度で回転される。

図２７は、本実施形態の磁気記録再生装置のヘッドスタックアッセンブリ（ＨＳＡ）１２２を示す斜視図、図２８はＨＳＡ１２２を示す分解斜視図である。図２７、図２８に示すように、ＨＳＡ１２２は、回転自在な軸受部１２８と、軸受部から延出した２本のヘッドジンバルアッセンブリ（以下、ＨＧＡと称する）１３０と、ＨＧＡ１３０間に積層配置されたスペーサリング１４４と、ダミースペーサ１５０とを備えている。

軸受部１２８は、ベース１１２の長手方向に沿って磁気ディスク１１６の回転中心から離間して位置しているとともに、磁気ディスク１１６の外周縁近傍に配置されている。軸受部１２８は、ベース１１２の底壁１１２ａに立設される枢軸１３２と、枢軸に軸受１３４を介して回転自在にかつ枢軸と同軸的に支持された円筒形状のスリーブ１３６とを有している。スリーブ１３６の上端には環状のフランジ１３７が形成され、下端部外周には、ねじ部１３８が形成されている。軸受部１２８のスリーブ１３６は、最大本数として、例えば４本のＨＧＡと、隣り合う２つのＨＧＡ１４０間に位置するスペーサとを積層状態で取付け可能な大きさ、ここでは取付け可能な軸方向長さを有して形成されている。

本実施形態において、磁気ディスク１１６は１枚に設定されていることから、取付け可能な最大本数である４本よりも少ない２本のＨＧＡ１３０が軸受部１２８に設けられている。各ＨＧＡ１３０は、軸受部１２８から延出したアーム１４０、アームから延出したサスペンション１４２、およびサスペンションの延出端にジンバル部を介して支持されたハードディスクヘッド１１７を有している。

アーム１４０は、例えば、ステンレス、アルミニウム、ステンレスを積層して薄い平板状に形成され、その一端、つまり、基端には円形の透孔１４１が形成されている。サスペンション１４２は、細長い板ばねにより構成され、その基端がスポット溶接あるいは接着によりアーム１４０の先端に固定され、アームから延出している。なお、サスペンション１４２およびアーム１４０は、同一材料で一体に形成してもよい。

ハードディスクヘッド１１７は、第２実施形態のいずれか１つの磁気ヘッドであって、図示しないほぼ矩形状のスライダとこのスライダに形成された記録ヘッドを備えている。このハードディスクヘッド１１７は、サスペンション１４２の先端部に形成されたジンバル部に固定されている。また、ハードディスクヘッド１１７は、図示しない４つの電極を有している。アーム１４０およびサスペンション１４２上には図示しない中継フレキシブルプリント回路基板（以下、中継ＦＰＣと称する）が設置され、ハードディスクヘッド１１７は、この中継ＦＰＣを介してメインＦＰＣ１２１ｂに電気的に接続される。

スペーサリング１４４は、アルミニウムなどにより所定の厚さおよび所定の外径に形成されている。このスペーサリング１４４には、合成樹脂からなる支持フレーム１４６が一体的に成形され、スペーサリングから外方に延出している。支持フレーム１４６には、ＶＣＭ１２４のボイスコイル１４７が固定されている。

ダミースペーサ１５０は、環状のスペーサ本体１５２と、スペーサ本体から延出したバランス調整部１５４とを有し、例えば、ステンレスなどの金属に一体的に形成されている。スペーサ本体１５２の外径は、スペーサリング１４４の外径と等しく形成されている。すなわち、スペーサ本体１５２のアームと接触する部分の外径は、スペーサリング１４４がアームに接触する部分の外径と同一に形成されている。また、スペーサ本体１５２の厚さは、ＨＧＡの最大本数よりも少ない本数分、ここでは、２本のＨＧＡにおけるアームの厚さ、つまり、２本のアーム分の厚さと、これらアーム間に配設されるスペーサリングの厚さとを合計した厚さに形成されている。

ダミースペーサ１５０、２本のＨＧＡ１３０、スペーサリング１４４は、スペーサ本体１５２の内孔、アーム１４０の透孔１４１、スペーサリングの内孔に軸受部１２８のスリーブ１３６が挿通された状態でスリーブの外周に嵌合され、スリーブの軸方向に沿ってフランジ１３７上に積層配置されている。ダミースペーサ１５０のスペーサ本体１５２は、フランジ１３７と一方のアーム１４０との間、およびスペーサリング１４４は、２本のアーム１４０間にそれぞれ挟まれた状態でスリーブ１３６の外周に嵌合されている。更に、スリーブ１３６の下端部外周には、環状のワッシャ１５６が嵌合されている。

スリーブ１３６の外周に嵌合されたダミースペーサ１５０、２本のアーム１４０、スペーサリング１４４、ワッシャ１５６は、スリーブ１３６のねじ部１３８に螺合されたナット１５８とフランジ１３７との間に挟持され、スリーブの外周上に固定保持されている。

２本のアーム１４０は、スリーブ１３６の円周方向に対して互いに所定位置に位置決めされ、スリーブから同一の方向へ延出している。これにより、２本のＨＧＡは、スリーブ１３６と一体的に回動可能となっているとともに、磁気ディスク１１６の表面と平行に、かつ、互いに所定の間隔を置いて向かい合っている。また、スペーサリング１４４と一体の支持フレーム１４６は、軸受部１２８からアーム１４０と反対の方向へ延出している。支持フレーム１４６からはピン状の２本の端子１６０が突出し、これらの端子は、支持フレーム１４６内に埋め込まれた図示しない配線を介してボイスコイル１４７に電気的に接続されている。

サスペンション１４２は信号の書き込み及び読み取り用のリード線（図示しない）を有し、このリード線とスライダに組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、図示しない電極パッドが、磁気ヘッドアセンブリ１３０に設けられる。

そして、磁気ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う、図示しない信号処理部が設けられる。この信号処理部は、例えば、図２６に示した磁気記録再生装置の図面中の背面側に設けられる。上記信号処理部の入出力線は、電極パッドに接続され、磁気ヘッドと電気的に結合される。

このように、本実施形態に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、第２実施形態のいずれかによるハードディスクヘッドと、磁気記録媒体とハードディスクヘッドとを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部（移動制御部）と、ハードディスクヘッドを磁気記録媒体の所定記録位置に位置合せする位置制御部と、ハードディスクヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。すなわち、上記の磁気記録媒体として、記録用媒体ディスク１１６が用いられる。上記の可動部は、スライダを含むことができる。また、上記の位置制御部は、ＨＳＡ１２２を含むことができる。

磁気ディスク１１６を回転させ、ボイスコイルモータ１２４にアクチュエータアーム１４０を回転させてスライダを磁気ディスク１１６上にロードすると、ハードディスクヘッドに搭載したスライダの媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１１６の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１１６に記録された情報を読み出すことができる。

この第３実施形態の磁気記録再生装置は、第２実施形態のいずれかのハードディスクヘッドを用いているので、出力電圧を増大することができるとともにシールド間のギャップを狭めることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ ３端子非局所スピンバルブ素子
１０ 非磁性ベース層（非磁性ベース電極）
１２ スピン注入端子
１２ａ 磁性層
１２ｂ 反強磁性層
１４ グランド端子
１４ａ 磁性層
１４ｂ 反強磁性層
１６ スピン検出端子
１６ａ 磁性層
１６ｂ 反強磁性層
１７ａ リード端子
１７ｂ リード端子
１７ｃ リード端子
３０ 電流源
３２ 電圧計

Claims (10)

1. 非磁性層と、
   前記非磁性層が延在する方向における前記非磁性層の対向する一対の端面のうち一方の端面の近傍に接合し、磁化の方向が可変な第１磁性層を含む第１端子と、
   前記非磁性層が延在する前記方向に沿って前記第１端子から離れて設けられ前記非磁性層に接合し、磁化の方向が固着された第２磁性層を含む第２端子と、
   前記非磁性層が延在する前記方向に沿って前記第１端子から離れるとともに前記第２端子と離間して設けられ、前記非磁性層に接合し、磁化の方向が前記第２磁性層の磁化方向と反平行に固着された第３磁性層を含む第３端子と、
   前記第２端子と前記第３端子間に電流を供給可能な電流回路と、
   前記電流が供給されている状態で、前記第１端子と前記第２端子間または、前記第１端子と前記第３端子間の電圧を検出可能な電圧検出部と、
   を備える磁気センサー装置。
2. 非磁性層と、
   前記非磁性層の第１部分に接合し、磁化の方向が可変な第１磁性層を含む第１端子と、
   前記非磁性層の第２部分に接合し、磁化の方向が予め固着された第２磁性層を含む第２端子と、
   前記非磁性層の第３部分に接合し、磁化の方向が前記第２磁性層と反平行に予め固着された第３磁性層を含む第３端子と、
   前記第２端子と前記第３端子との間に電流を供給可能な電流回路と、
   前記電流が供給されている状態で、前記第１端子と前記第２端子間または、前記第１端子と前記第３端子間の電圧を検出可能な電圧検出部と、
   を備える磁気センサー装置。
3. 前記第１乃至第３端子のうちの少なくとも１つの端子が、ハーフメタル磁性体からなる層を含む請求項１または２記載の磁気センサー装置。
4. 前記第１端子乃至第３端子のそれぞれの端子と、前記非磁性層との間に設けられたトンネルバリア層を更に備える請求項１または２記載の磁気センサー装置。
5. 前記第１端子は前記非磁性層の一方の面上に設けられ、前記第２および第３端子は、前記非磁性層の、前記第１端子が設けられた側と反対側の面上に設けられる請求項１乃至４のいずれか１つに記載の磁気センサー装置。
6. 前記第２端子は前記非磁性層の一方の面上に設けられ、前記第１端子および第３端子は、前記非磁性層の、前記第２端子が設けられた側と反対側の面上に設けられ、かつ前記第３端子は前記２端子と前記非磁性層を挟んでほぼ対向する位置に設けられる請求項１乃至４のいずれか１つに記載の磁気センサー装置。
7. 第１磁気シールドと、
   第２磁気シールドと、
   前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間に設けられた請求項１または２記載の磁気センサー装置と、
   を備えたハードディスクヘッド。
8. 前記磁気センサー装置の前記第２端子に接続する外部リード端子を更に備え、
   前記第１磁気シールドは、前記磁気センサー装置の前記第１端子に接続し、
   前記第２磁気シールドは、前記磁気センサー装置の前記第３端子に接続する請求項７記載のハードディスクヘッド。
9. 前記磁気センサー装置の前記第３端子に接続する外部リード端子を更に備え、
   前記第１磁気シールドは、前記磁気センサー装置の前記第１端子に接続し、
   前記第２磁気シールドは、前記磁気センサー装置の前記第２端子に接続する請求項７記載のハードディスクヘッド。
10. 磁気記録媒体と、
    請求項７乃至９のいずれか１つに記載のハードディスクヘッドと、
    前記磁気記録媒体と前記ハードディスクヘッドとが浮上または接触の状態で対峙しながら相対的に移動するように制御する移動制御部と、
    前記ハードディスクヘッドを前記磁気記録媒体の所定記録位置に位置するように制御する位置制御部と、
    前記ハードディスクヘッドを用いて前記磁気記録媒体への書き込み信号および前記磁気記録媒体からの読み出し信号を処理する信号処理部と、
    を備えている磁気記録再生装置。