JP6439413B6 - 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ - Google Patents

磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ Download PDF

Info

Publication number
JP6439413B6
JP6439413B6 JP2014243063A JP2014243063A JP6439413B6 JP 6439413 B6 JP6439413 B6 JP 6439413B6 JP 2014243063 A JP2014243063 A JP 2014243063A JP 2014243063 A JP2014243063 A JP 2014243063A JP 6439413 B6 JP6439413 B6 JP 6439413B6
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
channel layer
channel
magnetization
interface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2014243063A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6439413B2 (ja
JP2016105340A (ja
Inventor
智生 佐々木
智生 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to JP2014243063A priority Critical patent/JP6439413B6/ja
Priority to US14/941,062 priority patent/US9720056B2/en
Publication of JP2016105340A publication Critical patent/JP2016105340A/ja
Publication of JP6439413B2 publication Critical patent/JP6439413B2/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6439413B6 publication Critical patent/JP6439413B6/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3929—Disposition of magnetic thin films not used for directly coupling magnetic flux from the track to the MR film or for shielding
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3945—Heads comprising more than one sensitive element
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/398—Specially shaped layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0223—Magnetic field sensors

Description

本発明は、磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサに関するものである。
薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる磁気センサとして、磁気抵抗効果型磁気センサが知られている。一般的に磁気抵抗効果型磁気センサは、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、磁気抵抗効果型磁気センサは、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、磁気センサとしては不必要な信号が得られる。
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チャンネル層）上に形成するスピン蓄積型（ＳＡ： Ｓｐｉｎ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）磁気センサが知られている（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では、スピン流のみを利用して、磁気状態を出力電圧として検出することが可能である。
特開２００７−２９９４６７号公報 特許第４０２９７７２号公報 特開２０１０−１１３７８８号公報
スピン蓄積型磁気センサを実用的なものにするためにはいくつかの課題を解決する必要がある。その一つがノイズの問題である。例えば、磁気抵抗効果型磁気センサの場合には電流を流す積層膜と電圧を検出する積層膜が同じであるため、積層膜の抵抗がジョンソンノイズなどの原因となりうる。スピン蓄積型磁気センサの場合にはチャンネル層にスピンを流すために積層膜とチャンネル層の間に電流を流して、スピンをチャンネル層に注入する。この時の電流がノイズの原因であり、電流のノイズがスピン流のノイズとなり、出力と共に検出され、大きなＳ／Ｎが得られない。この問題の解決法の一つとしては例えば特許文献３にチャンネル層と積層膜の接する断面積を大きくすることが提案されている。しかしながら、スピン流の検出側に起因するノイズについての解決策は記載されていない。
また、スピン蓄積型磁気センサの場合、外部磁場に対する空間分解能を高めるため外部磁場を検出する磁化自由層を磁化固定層よりも小さくする必要があるので、一般的にこれらの界面の抵抗は、磁化自由層の方が高くなる。これはチャンネル層上に形成される磁化自由層と磁化固定層の構造が同じ積層構造であると、チャンネル層と磁化自由層の界面の面積抵抗とチャンネル層と磁化固定層の界面の面積抵抗が同一となる。したがって、磁化自由層を磁化固定層よりも小さく作製すると、チャンネル層と磁化自由層の界面の抵抗はチャンネル層と磁化固定層の界面の抵抗よりも高くなる。これは磁化自由層をスピン流の注入源とした場合でも、磁化自由層をスピン流の検出電極とした場合でも同様である。磁化自由層とチャンネル層の界面の抵抗が高くなると、回路抵抗に比例するジョンソンノイズが増大して大きなＳ／Ｎが得られないことが問題となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大きなＳ／Ｎが得られる磁気センサおよび、この磁気センサを用いた磁気ヘッドおよび生体磁気センサを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の磁気センサは、チャンネル層とチャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、チャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層を備え、チャンネル層と磁化自由層の界面の面積抵抗が、チャンネル層と磁化固定層の界面の面積抵抗よりも低いことを特徴とする。
磁化固定層とチャンネル層の界面の面積抵抗よりも磁化自由層とチャンネル層の界面の面積抵抗の方が低いことにより、磁化自由層とチャンネル層の界面の面積抵抗が磁化固定層とチャンネル層の界面の面積抵抗と同じ場合に比べ、磁化自由層とチャンネル層の界面の抵抗が低くなり、検出側のノイズ低減が可能になる。また、磁化自由層とチャンネル層の界面の面積抵抗が磁化固定層とチャンネル層の界面の面積抵抗と同じ場合に比べ、磁化固定層とチャンネル層の界面の抵抗が大きくなり、大きな出力が得られる。これらの作用のいずれか、または両方により、本発明の磁気センサは大きなＳ／Ｎが得られる。
ここで面積抵抗（ＲＡ ： ａｒｅａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）とは、抵抗（Ω）と電流方向に垂直な断面の面積（μｍ２）の積で表される。すなわち、面積抵抗を断面積で割ることによって抵抗が得られる。
また、本発明において界面の抵抗とは磁化自由層や磁化固定層における強磁性層とチャンネル層の間の抵抗を指し、界面の抵抗には強磁性層とチャンネル層の間に設置されたトンネル障壁層、ショットキー障壁、あるいは、その両方に起因した抵抗も含む。
チャンネル層と磁化自由層の界面の面積抵抗は、上記の界面の抵抗とチャンネル層と磁化自由層の界面の面積の積となる。チャンネル層と磁化自由層における強磁性層の間にトンネル障壁層を挿入した場合は、チャンネル層と磁化自由層の界面の面積抵抗は、上記の界面の抵抗と磁化自由層における強磁性層とトンネル障壁層の界面の面積の積となる。同様に、チャンネル層と磁化固定層の界面の面積抵抗は、上記の界面の抵抗とチャンネル層と磁化固定層の界面の面積の積となる。チャンネル層と磁化固定層における強磁性層の間にトンネル障壁層を挿入した場合は、チャンネル層と磁化固定層の界面の面積抵抗は、上記の界面の抵抗と磁化固定層における強磁性層とトンネル障壁層の界面の面積の積となる。
チャンネル層と磁化自由層の間に第１トンネル障壁層が設置され、前記チャンネル層と磁化固定層の間に第２トンネル障壁層が設置され、前記第１トンネル障壁層の厚さが、前記第２トンネル障壁層の厚さよりも薄いことが好ましい。
第１トンネル障壁層と第２トンネル障壁層の厚さを変えることによって、チャンネル層と磁化自由層の界面の面積抵抗が、チャンネル層と磁化固定層の界面の面積抵抗よりも低くすることが容易になる。すなわち、工業的に安定した特性の磁気センサを得ることができる。
また、チャンネル層の第一の部分の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さは、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いことが好ましい。この場合、外部磁場に対する空間分解能が高くなるため好ましい。
また、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２は、チャンネル層の第一の部分の厚さｄ１より薄いことが好ましい。この場合、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２よりチャンネル層の第一の部分の厚さｄ１が薄い場合よりも、得られる出力が高くなる。
また、本発明の磁気ヘッドは、上記の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部とを備える磁気ヘッドとすることができる。この場合、外部からの磁束を検出する磁化自由層の上下、および、左右を、磁気シールドで覆うことが好ましい。このときの上下の磁気シールドの間の距離（Ｒｅａｄ ｇａｐ）が外部からの磁束を検出する空間分解能になる。このＲｅａｄ ｇａｐの間には、スピンが伝導する部分のチャンネル層と下部磁気シールドを電気的・磁気的に分離するための絶縁層、スピンが伝導する部分のチャンネル層および磁化自由層の少なくとも三層が存在する。チャンネル層の第一の部分の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いと、Ｒｅａｄ ｇａｐが狭くなるためより空間分解能が高くなる。
また、本発明の生体磁気センサは、上記の磁気センサを複数備える生体磁気センサとすることができる。このような生体磁気センサは、一般的に磁化自由層と磁化固定層の距離が短いほど高い出力が得られる。また磁気センサを複数備えることによって、微小な磁性粒子がどの位置にどれくらいの量や大きさがあるのかを検出することが可能である。
本発明によれば、大きなＳ／Ｎが得られる磁気センサおよび、この磁気センサを用いた磁気ヘッドおよび生体磁気センサを提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサの概略断面図である。 図２は、磁化自由層の詳細を示した断面図である。 図３は、磁化固定層の詳細を示した断面図である。 図４は、図１とは異なる態様の磁気センサの概略断面図である。 図５は、磁気センサ１００ａを備える磁気ヘッド１００Ａを示す模式図である。 図６は、磁気センサを複数設置した生体磁気センサを示す模式図である。
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。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る磁気センサの一例として、チャンネル層の第一の部分の厚さｄ１、すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２、すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄い場合の磁気センサについて説明する。
磁気センサ１００ａは、基板上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。図１に示すように、磁気センサ１００ａは、チャンネル層５を間に挟んで対向する下部磁気シールド層１と上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２と、下部磁気シールド層１とチャンネル層５との間に設けられた第一絶縁層３及び第一電極４と、磁化固定層７上に設けられた反強磁性層８と、反強磁性層８上に設けられた第二電極９とを更に備えている。
磁気センサ１００ａは、電子のスピンを蓄積・伝導するチャンネル層５と、チャンネル層５の第一の部分上に設けられた磁化自由層６と、チャンネル層５の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層７とを備えている。なお、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１はチャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２よりも薄くなっている。ノイズ低減の効果には、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２とチャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１の厚さの違いは大きな影響を与えないが、特に磁気ヘッド１００Ａとして利用する場合には、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１はチャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２よりも薄い方が外部磁場に対する空間分解能が高くなるため好ましい。
磁化自由層６と磁化固定層７をそれぞれ別の積層構造で作製する場合には、これらの層は薄膜プロセスにおいて別々のプロセスで作製される。例えば、磁化固定層７を作製した後に磁化自由層６を作製する場合、磁化自由層６に接するチャンネル層５の表面は磁化固定層７を作製するときのプロセスによって汚染されている。従って、磁化自由層６を作製する時にチャンネル層５の表面を、例えば、化学処理やイオンミリングによって洗浄することが好ましい。このプロセスによってチャンネル層５の表面の洗浄度が改善する。さらに、図１に示したように、このプロセスによって磁化自由層６の下のチャンネル層５はエッチングされ、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１はチャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２より薄くなる。
磁化自由層６は、図２に拡大して示すように、第一強磁性層６Ｂ及び、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂとの間に配置される第一トンネル障壁層６Ａによって構成される。第一強磁性層６Ｂ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。磁化自由層６は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側に配置されている。また、図２における第一トンネル障壁層６Ａを省略してもよい。この場合、第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５の間の界面において、チャンネル層５の表面をＡｒプラズマにて表面改質を行い、界面の面積抵抗を調整することも可能である。
第一トンネル障壁層６Ａは絶縁材料からなることが好ましい。絶縁材料の例としては、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＴａＯｘ、ＳｉＯｘなどが挙げられる。また、第一トンネル層６Ａは結晶化していることが好ましい。この場合、スピン偏極電流が第一トンネル障壁層６Ａを通過する際にスピンのフィルタ効果によってスピンの分極率が向上し、高い出力特性を得ることができる。また、第一トンネル障壁層６Ａはチャンネル層５に形成されたショットキー障壁で代用してもよい。チャンネル層５が半導体の材料の場合、強磁性層の金属との間にショットキー障壁が形成される。あるいは、第一トンネル障壁層６Ａが絶縁膜とショットキー障壁の両方の機能を保持しても良い。
第一強磁性層６Ｂの材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群の金属を１種以上含む合金、又は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
磁化固定層７は、図３に拡大して示すように、第二強磁性層７Ｂ及び、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂとの間に配置される第二トンネル障壁層７Ａによって構成される。第二強磁性層７Ｂは、所定のスピンを有する電子をチャンネル層５へ注入するための層であり、磁化固定層７は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側の反対側に配置されている。また、図３における第二トンネル障壁層７Ａを省略してもよい。この場合、第二強磁性層７Ｂとチャンネル層５の間の界面において、チャンネル層５の表面をＡｒプラズマにて表面改質を行い、界面の面積抵抗を調整することも可能である。
第二トンネル障壁層７Ａは絶縁材料からなることが好ましい。絶縁材料の例としては、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＴａＯｘ、ＳｉＯｘなどが挙げられる。また、第二トンネル障壁層７Ａは結晶化していることが好ましい。この場合、スピン偏極電流が第二トンネル障壁層７Ａを通過する際にスピンのフィルタ効果によってスピンの分極率が向上し、高い出力特性を得ることができる。また、第二トンネル障壁層７Ａはチャンネル層５に形成されたショットキー障壁で代用してもよい。チャンネル層５が半導体の材料の場合、強磁性層の金属との間にショットキー障壁が形成される。あるいは、第二トンネル障壁層７Ａが絶縁膜とショットキー障壁の両方の機能を保持しても良い。
第１トンネル障壁層６Ａの厚さが第２トンネル障壁層７Ａの厚さよりも薄いことが好ましい。この構造にすることによって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも容易に低くすることができる。また、第１トンネル障壁層６Ａを省略し、第２トンネル障壁層７Ａが存在するようにしてもよい。
第二強磁性層７Ｂ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、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群の元素を１種以上含む合金、又は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。さらに、高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金が好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉやＣｏ２ＭｎＳｉなどが挙げられる。
第二強磁性層７Ｂの保磁力は、第一強磁性層６Ｂの保磁力よりも大きい。第二強磁性層７Ｂの磁化は、後述する反強磁性層８を用いる磁化固定方法、及び第二強磁性層７Ｂの形状磁気異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれか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、第二強磁性層７Ｂ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。
第二強磁性層７Ｂの磁化固定方法として、反強磁性層８を用いる磁化固定方法を採用する場合、図１に示すように、反強磁性層８は、第二強磁性層７Ｂ上に設けられている。反強磁性層８が第二強磁性層７Ｂと交換結合することにより、第二強磁性層７Ｂの磁化方向を固定（第二強磁性層７Ｂに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８を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第二強磁性層７Ｂが得られる。従って、反強磁性層８を形成するために用いられる材料は、第二強磁性層７Ｂを形成するために用いられる材料に合わせて選択される。反強磁性層８を形成するために用いられる材料の例として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、ＩｒおよびＦｅのうちから選ばれる少なくとも１種以上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、第二強磁性層７Ｂに形状磁気異方性を持たせて、第二強磁性層７Ｂの磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。なお、反強磁性層８及び形状磁気異方性の両方によって磁化を固定してもよい。
チャンネル層５の材料として、非強磁性導電材料が挙げられ、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、チャンネル層５の材料として、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ及びＭｇからなる群から選択される１種以上の元素を含む金属材料が挙げられる。特に、Ａｇ、ＣｕまたはＭｇＢ２が好ましい。これらの金属材料は、金属材料の中でも比較的スピン拡散長が長く、低ノイズで高出力を得ることが可能である。
また、チャンネル層５の材料として、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、 Ｇｅ、 ＺｎＯ、 ＧａＡｓ、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）またはダイヤモンド等の半導体材料であることが好ましい。これらの材料はスピン拡散長が非常に長く、高出力を得ることが可能である。
第一絶縁層３は、チャンネル層５に蓄積させる電子のスピンが下部磁気シールド層１側へ流出することを防ぐものである。第一絶縁層３は、チャンネル層５と下部磁気シールド層１との間に設けられている。スピン蓄積を効率良く行う観点から、第一絶縁層３は、チャンネル層５の下部面上において、磁化固定層７側から磁化自由層６側に亘って設けられていることが好ましい。第一絶縁層３の材料としては、例えばＳｉＯ２が挙げられる。
第一電極４は、磁化固定層７へ検出用電流を流すための電極である。第一電極４は、チャンネル層５の下部面上において、外部磁場が侵入する面とは反対側に第一絶縁層３と隣接して設けられている。図１では、第一電極４を介して、チャンネル層５は下部磁気シールド層１と電気的に接続している。従って、第一電極４の下に設けられている下部磁気シールド層１を磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流すための電極として用いることができる。第一電極４を形成するために、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。
第二電極９は、上部第二磁気シールド層１２を電極として磁化固定層７に電流を流し、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８とを電気的に接続するための層である。第二電極９は、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８や磁化固定層７との間の原子の拡散等を抑制する効果がある。第二電極９として、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。
第１実施形態に係る磁気センサ１００ａでは、磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）とチャンネル層５との間に電流が流され、磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）とチャンネル層５の間の電圧が検出される。磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）とチャンネル層５との間に電流が流されることで、磁化固定層７からチャンネル層５にスピンが注入される。
チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗はスピン抵抗よりも高い方が好ましい。この場合、磁化固定層７からチャンネル層５に注入されたスピンが、逆にチャンネル層５から磁化固定層７に戻る効果を抑制することができるので、この効果による出力の低下を抑制できる。チャンネル層５と磁化自由層６の間ではスピン注入がされないのでチャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗は高い必要がない。磁気センサ１００ａでは、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くして、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を下げることによって、検出回路におけるノイズを低減できる。また、磁気センサ１００ａは、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗が磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗と同じ場合に比べ、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗が大きくなり、大きな出力が得られる。したがって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることで、上記したノイズを低減できる作用および大きな出力が得られる作用のいずれか、または両方により、大きなＳ／Ｎを得ることができる。
スピン抵抗は次の式で定義される。
Figure 0006439413
 Ｐはスピンの注入・検出効率、λＮはスピン拡散長、σはチャンネル層の電気伝導度、Ａはチャンネル層の断面積である。但し、上記の式によるスピン抵抗の定義は、チャンネル層が電流を流せる程度の導体の場合に限定される。チャンネル層が絶縁体に代表される高抵抗材料からなる場合は上記の式ではスピン抵抗は定義されない。
以下に、図１で示した第１実施形態に係る磁気センサ１００ａの動作について説明する。磁化固定層７へ検出用電流を流すために、下部磁気シールド層１と、上部第二磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、チャンネル層５と磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）との間に発生する電圧を測定するために、チャンネル層５及び上部第一磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。なお、上部第一磁気シールド層１１が第一強磁性層６Ｂから離れて設けられていて第一強磁性層６Ｂと絶縁されている場合には、チャンネル層５及び第一強磁性層６Ｂが電圧測定器８０に電気的に接続されていても良い。
まず、磁気センサ１００ａの磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流す。例えば、図１に示すように、電流源７０から検出用電流Ｉを、下部磁気シールド層１、第一電極４、チャンネル層５、磁化固定層７、反強磁性層８、第二電極９、上部第二磁気シールド層１２、の順に流す。
このように、チャンネル層５から強磁性体である第二強磁性層７Ｂへ検出用電流Ｉを流すと、第二強磁性層７Ｂからチャンネル層５内に第二強磁性層７Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子が流入する（スピン注入）。そして、このスピンは、チャンネル層５内に蓄積（スピン蓄積）し、をさらに磁化固定層７側から磁化自由層６側に向かって拡散する。また、電流を逆方向に流した場合は、スピンを有する電子がチャンネル層５から第二強磁性層７Ｂへ抽出されることになるが、この時も同様にチャンネル層５にスピンが蓄積される。
そして、外部からの磁界によって磁化の向きが変化する第一強磁性層６Ｂの磁化の向きと、第二強磁性層７Ｂの磁化の向きとの相対角に応じた電圧出力が第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５との間において発生する。本実施形態では、チャンネル層５と上部第一磁気シールド層１１との間に生じる電圧を検出している。このようにして、磁気センサ１００ａを外部磁場センサとして応用することができる。この評価方法は非局所測定法と呼ばれ、例えばＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２， ０５３００３ （２００９）に記載された方法によって測定できる。
本第１実施形態では、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間に第一トンネル障壁層６Ａがあり、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間に第二トンネル障壁層７Ａがある例について説明したが、トンネル障壁である第一トンネル障壁層６Ａおよび第二トンネル障壁層７Ａの一方または両方にかえてショットキー障壁としてもよい。また、トンネル障壁層とショットキー障壁の両方を、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間やチャンネル層５と二強磁性層７Ｂの間に設けても良い。また、磁化自由層６が第一トンネル障壁層６Ａを含まず、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂが接していてもよい。また、磁化固定層７が第二トンネル障壁層７Ａを含まず、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂが接していてもよい。このような場合でも、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることによって、大きなＳ／Ｎが得られる。
チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間やチャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間にトンネル障壁層やショットキー障壁を設ける場合には、例えば、これらの障壁の厚みを磁化自由層６と磁化固定層７とで異ならせることによって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることができる。また、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂが接しており、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂが接している場合には、例えば、第一強磁性層６Ｂと第二強磁性層７Ｂを成膜する前のチャンネル層５の表面状態を、第一強磁性層６Ｂと第二強磁性層７Ｂとで異ならせることによって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることができる。
（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る磁気ヘッド１００Ａについて説明する。第１実施形態の磁気センサ１００ａを形成した後、磁気ヘッド１００Ａにおける書き込み部を作製する。なお、第１実施形態の磁気センサ１００ａは磁気ヘッド１００Ａにおける読込み部分として機能する。
図５は磁気センサ１００ａを備える磁気ヘッド１００Ａを示す模式図である。磁気ヘッド１００Ａでは、磁気センサ１００ａが読取ヘッド部に適用され、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体の記録層に情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサを用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド１００Ａを提供できる。
本実施形態では、外部からの磁束を検出する磁化自由層が磁気シールドで覆われており、チャンネル層の第一の部分の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、チャンネル層の第二の部分の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いため、上下の磁気シールドの間の距離（Ｒｅａｄ ｇａｐ）が狭くなるためより空間分解能が高くなる。
（第３実施形態）
図６に示すように、本発明の第３実施形態の生体磁気センサは第１実施形態の磁気センサ１００ａと同一の構成要素を持つ磁気センサを複数備えている。また、図６に示したように素子間絶縁層２０が設置され、互いの素子のスピン流が他の素子に流れないような構造である。
磁化固定層７とチャンネル層５の間に電流を流すと、チャンネル層５にスピンが注入される。チャンネル層５に注入されたスピンは磁化自由層６の第一強磁性層６Ｂに伝導し、それぞれの第一強磁性層６Ｂの磁化の向きと注入されたスピンの向きの相対角によって、出力を得ることができる。Ｘ方向から進入した磁束はそれぞれの第一強磁性層６Ｂの磁化の方向を回転させるので、それぞれの第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５の間の電圧を測定することによって磁束の大きさを検出することが可能である。さらに、図６に示したようにスピンの注入源である磁化固定層７が各磁気センサで共通であるのに対して、磁化自由層６が複数並んでいるため、隣り
合う磁化自由層６の電圧を比較することで外部磁場の大きさや形状を計測することが可能である。
また、スピン蓄積型磁気センサは一般的に磁化自由層６と磁化固定層７の距離が狭いほど高い出力が得られる。このスピン蓄積型磁気センサを複数設置することによって、微小な磁性粒子がどの位置にどれくらいの量や大きさがあるのかを検出することが可能である。例えば、特定の細胞に磁性ビーズを修飾させ、これを図６のような磁気センサ上を流動させる。磁性ビーズが図６の磁気センサに近づくと磁性ビーズからの磁束を磁気センサが検知し、それぞれの磁気センサで検出した信号を解析することによって磁性ビーズの量や大きさを判定できる。
（実施例１）
以下に、第１実施形態に係る磁気センサ１００ａの製造方法の一例について説明する。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、下部磁気シールド層１および第一絶縁層３をこの順にスパッタ法によって連続成膜した。次に、第一絶縁層３の一部をミリングによって削り取り、この削った部分に第一電極４を成膜した。
次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦になるように研磨した。その後、平坦化した表面上に、チャンネル層５、磁化固定層７および反強磁性層８をこの順に成膜する。チャンネル層５の厚さは０．０１μｍとした。
さらに、Ｘ方向を長軸とした短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで加工した。なお、磁化固定層７は第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５および第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。第二トンネル障壁層７Ａは形成していない。チャンネル層５の材料はＡｇとした。なお、第二強磁性層７Ｂを形成する前に、成膜されたＡｇのチャンネル層５の表面をＡｒプラズマにて表面改質を行った。第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
第二の部分として、Ｚ方向を長軸とした短冊状の磁化固定層７になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、反強磁性層８の上に絶縁膜を設けた。その後、第一の部分として、矩形状の磁化自由層６の形状になるようにチャンネル層５を削り取り、このチャンネル層５の上に磁化自由層６を成膜して、磁化自由層６を形成した。この時、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１は、０．００５μｍになるまで削り込んだ。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に０．１μｍで作製し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に１μｍで作製した。磁化自由層６と磁化固定層７のＸ方向の最近接の距離は１μｍで作製した。なお、磁化自由層６は第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５および第一強磁性層６Ｂをこの順に形成した。第一トンネル障壁層６Ａは形成していない。第一強磁性層６Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。なお、第一強磁性層６Ｂを形成する前に、チャンネル層５と同じ材料を０．００２μｍ成膜し、続けて、磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）を成膜した。
第二強磁性層７Ｂが形成されるチャンネル層５の表面はＡｒプラズマにて表面改質されるため、チャンネル層５と磁化固定層７の界面は乱れた状態になる。逆に、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂは連続で形成されるため、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の乱れは少ない。これによって界面が乱されていないチャンネル層５と磁化自由層６の界面の方が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面よりも面積抵抗が低くなった。また、ここまでのプロセスで、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１は０．００７μｍであり、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２は０．０１μｍであった。
磁化自由層６上の余分な層を削り取り、上部第一磁気シールド層１１を形成した。一方、反強磁性層８上の絶縁膜を削り取り、第二電極９を成膜した後、上部第二磁気シールド層１２を形成した。以上のようにして、磁気センサ１００ａが完成した。
図１に示したように第一電極４からチャンネル層５を介して磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）に電流を流し、電圧は磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）とチャンネル層５の間で測定した。その結果、電流５ｍＡを磁化固定層７に印加した時、出力は６μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．０４μＶであった。
また、チャンネル層５と磁化自由層６または磁化固定層７の界面の抵抗は３端子法によって測定した。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗の測定は、上部第一磁気シールド層１１と上部第二磁気シールド層１２に電流源を接続し、第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５の間に電流を流し、チャンネル層５の磁化自由層６が形成されている側の端部と上部第一磁気シールド層１１に電圧測定器を接続して、第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５との間の電圧を測定することにより行った。磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗の測定は、下部磁気シールド層１と上部第二磁気シールド層１２に電流源を接続し、第二強磁性層７Ｂとチャンネル層５の間に電流を流し、チャンネル層５の磁化自由層６が形成されている側の端部と上部第二磁気シールド層１２に電圧測定器を接続して、第二強磁性層７Ｂとチャンネル層５との間の電圧を測定することにより行った。この時、電圧測定器をチャンネル層５の磁化自由層６が形成されている側の端部に接続するのは、チャンネル層５内を流れる電流による電圧降下が測定されるのを避け、界面の抵抗を主として検出するためである。この測定法で観測される電圧は、第一強磁性層６Ｂの抵抗と磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗の足し合わせの電圧降下、または、第二強磁性層７Ｂの抵抗と磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗の足し合わせの電圧降下であり、第一強磁性層６Ｂおよび第二強磁性層７Ｂの抵抗は低いので、主として界面の抵抗が観測される。このようにして測定した磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は４．０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は１．０Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．０４Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．１Ω・μｍ２であった。
（実施例２）
実施例２の磁気センサは、図４に示すような構成を有し、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２が、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１より薄くなっている点が磁気センサ１００ａと異なる。実施例２の磁気センサを、磁化自由層６と磁化固定層７を形成する順番を逆にした以外は、実施例１と同様にして作製した。
化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦となるように研磨した。その後、平坦化面上に、チャンネル層５、磁化自由層６をこの順に続けて成膜した。チャンネル層５の厚さは０．０１μｍとした。そして、Ｘ方向を長軸とする短冊状に磁化自由層６およびチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで加工した。なお、磁化自由層６は第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５および第一強磁性層６Ｂをこの順に形成した。第一トンネル障壁層６Ａは形成していない。なお、チャンネル層５の材料はＡｇとした。第一強磁性層６Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
矩形状の磁化自由層６になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、磁化自由層６上に絶縁膜を形成した。その後、Ｚ方向を長軸とする短冊状の磁化固定層７の形状になるようにチャンネル層５を削り取り、このチャンネル層５の上に磁化固定層７を形成した。この時、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２が０．００７μｍになるまで削り込んだ。その後、磁化固定層７を形成する前に、チャンネル層５の表面をＡｒプラズマにて表面改質を行った。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に０．１μｍで作製し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に１μｍで作製した。磁化自由層６と磁化固定層７のＸ方向の最近接の距離は１μｍで作製した。なお、磁化固定層７は第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５および第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。第二トンネル障壁層７Ａは形成していない。第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。第二強磁性層７Ｂが形成されるチャンネル層５の表面はＡｒプラズマにて表面改質されるため、チャンネル層５と磁化固定層７の界面が乱れた状態になる。逆に、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂは連続で形成されるため、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の乱れは少ない。これによって界面が乱されていないチャンネル層５と磁化自由層６の界面の方が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面よりも面積抵抗が低くなる。また、ここまでのプロセスで、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１は、０．０１μｍであり、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２は、０．００７μｍである。チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２が、チャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１より薄い場合、チャンネル層５の第二の部分の厚さｄ２よりチャンネル層５の第一の部分の厚さｄ１が薄い場合よりも、得られる出力が高くなる。
磁化自由層６上の絶縁膜を削り取り、上部第一磁気シールド層１１を形成した。一方、反強磁性層８上の絶縁膜を削り取り、第二電極９を成膜した後、上部第二磁気シールド層１２を形成した。以上のようにして、実施例２の磁気センサが完成した。
実施例１と同様に評価をした結果、電流５ｍＡの印加状態で出力は８μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．０４μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は３．０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は１．０Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．０３Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．１Ω・μｍ２であった。
（実施例３）
実施例３の磁気センサを実施例１と同様にして作製した。但し、実施例１で行ったＡｇのチャンネル層５の表面のＡｒプラズマによる表面改質は行わなかった。また、実施例１と異なり、磁化固定層７において、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間に第二トンネル障壁層７Ａを設置し、磁化自由層６においてチャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間に第一トンネル障壁層６Ａを設置した。
磁化固定層７は第二トンネル障壁層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル障壁層７Ａおよび第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。なお、チャンネル層５の材料はＡｇとした。第二トンネル障壁層７Ａの厚さは２．２ｎｍとし、材料はのＭｇＯとした。第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
磁化自由層６は第一トンネル障壁層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル障壁層６Ａ、第一強磁性層６Ｂの順に形成される。第一トンネル障壁層６Ａの厚さは０．８ｎｍとし、材料はＭｇＯとした。第一強磁性層６Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
実施例１と同様に評価をした結果、電流５ｍＡを磁化固定層７に印加したとき、出力は３０μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．５μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は１０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は８００Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．１Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は８０Ω・μｍ２であった。
（実施例４）
実施例４の磁気センサを実施例２と同様にして作製した。但し、実施例２で行ったＡｇのチャンネル層５の表面のＡｒプラズマによる表面改質は行わなかった。また、実施例２と異なり、磁化固定層７において、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間に第二トンネル障壁層７Ａを設置し、磁化自由層６においてチャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間に第一トンネル障壁層６Ａを設置した。
磁化自由層６は第一トンネル障壁層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル障壁層６Ａおよび第一強磁性層６Ｂをこの順に形成した。なお、チャンネル層５の材料はＡｇとした。第一トンネル障壁層６Ａの厚さは０．８ｎｍとし、材料はＭｇＯとした。第一強磁性層６Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
磁化固定層７は第二トンネル障壁層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル障壁層７Ａおよび第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。第二トンネル障壁層７Ａの厚さは２．２ｎｍとし、材料はＭｇＯとした。第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
実施例１と同様に評価をした結果、電流５ｍＡを磁化固定層７に印加したとき、出力は３３μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．５μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は８．０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は８２０Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．０８Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は８２Ω・μｍ２であった。
（比較例１）
比較例１では実施例１及び実施例２と同様の磁気センサを作製した。但し、磁化固定層７は磁化自由層６と同じプロセスで作製した。チャンネル層５の厚さは、ｄ１＝０．００７μｍ、ｄ２＝０．００７μｍとした。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、下部磁気シールド層１および第一絶縁層３をこの順にスパッタ法によって連続成膜した。次に、第一絶縁層３の一部をミリングによって削り取り、この削った部分に第一電極４を成膜した。
次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦になるように研磨した。その後、平坦化した表面上に、チャンネル層５、磁化自由層６および磁化固定層７および反強磁性層８をこの順に成膜した。チャンネル層５の厚さは０．００７μｍとした。比較例１では、磁化自由層６と磁化固定層７とは同じ膜であり、成膜時には同一の膜として形成した。磁化自由層６および磁化固定層７を成膜する前に、チャンネル層５の表面をＡｒプラズマにて表面改質を行った。
さらに、Ｘ方向を長軸とする短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで加工した。なお、磁化固定層７は第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５および第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。また、磁化自由層６は第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５および第一強磁性層６Ｂをこの順に形成した。なお、チャンネル層５の材料はＡｇとした。第一強磁性層６Ｂ及び第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
矩形状の磁化自由層６とＺ方向を長軸とする短冊状の磁化固定層７になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、磁化自由層６および磁化固定層７の上の反強磁性層８の上に絶縁膜を設けた。この時、磁化固定層７の縦横比は磁化自由層６の縦横比よりも大きくなる構造とした。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に０．１μｍで作製し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に１μｍで作製した。磁化自由層６と磁化固定層７のＸ方向の最近接の距離は１μｍで作製した。次に、磁化自由層６の上部に設置されている絶縁膜および反強磁性層８をイオンミリングによって削り取り、その後は実施例１と同様にして、上部第一磁気シールド層１１、第二電極９、上部第二磁気シールド層１２を形成した。
次に実施例１と同様に評価した結果、電流５ｍＡを磁化固定層７に印加したとき、出力は４μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．１６ μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は１０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は１．０Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．１Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は０．１Ω・μｍ２であった。
（比較例２）
比較例２では実施例３及び実施例４と同様の磁気センサを作製した。但し、磁化固定層７は磁化自由層６と同じプロセスで作製した。チャンネル層５の厚さは、ｄ１＝０．００７μｍ、ｄ２＝０．００７μｍとした。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、下部磁気シールド層１および第一絶縁層３をこの順にスパッタ法によって連続成膜した。次に、第一絶縁層３の一部をミリングによって削り取り、この削った部分に第一電極４を成膜した。
次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦になるように研磨した。その後、平坦化した表面上に、チャンネル層５、磁化自由層６および磁化固定層７および反強磁性層８をこの順に成膜した。チャンネル層５は０．００７μｍとした。比較例２では、磁化自由層６と磁化固定層７とは同じ積層膜であり、成膜時には同一の膜として形成した。
さらに、Ｘ方向を長軸とする短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで加工した。なお、磁化固定層７は第二トンネル障壁層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル障壁層７Ａおよび第二強磁性層７Ｂをこの順に形成した。また、磁化自由層６は第一トンネル障壁層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル障壁層６Ａおよび第一強磁性層６Ｂをこの順に形成した。なお、チャンネル層５の材料はＡｇとした。第一トンネル障壁層６Ａ及び第二トンネル障壁層７Ａの厚さは２．２ｎｍとし、材料はＭｇＯとした。第一強磁性層６Ｂ及び第二強磁性層７Ｂの材料はコバルトと鉄の合金とした。
矩形状の磁化自由層６とＺ方向を長軸とする短冊状の磁化固定層７になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、磁化自由層６および磁化固定層７の上の反強磁性層８の上に絶縁膜を設けた。この時、磁化固定層７の縦横比は磁化自由層６の縦横比よりも大きくなる構造とした。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に０．１μｍで作製し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Ｚ方向に１μｍで作製した。磁化自由層６と磁化固定層７のＸ方向の最近接の距離は１μｍで作製した。次に、磁化自由層６の上部に設置されている絶縁膜および反強磁性層８をイオンミリングによって削り取り、その後は実施例１と同様にして、上部第一磁気シールド層１１、第二電極９、上部第二磁気シールド層１２を形成した。
次に実施例１と同様に評価した結果、電流５ｍＡを磁化固定層７に印加したとき、出力は２９μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは４μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は７５００Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は７５０Ωであった。磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積は０．０１μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積は０．１μｍ２であるので、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の面積抵抗は７５Ω・μｍ２であり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の面積抵抗は７５Ω・μｍ２であった。
Figure 0006439413
表１に実施例１から４と比較例１と２で得られた結果をまとめた。トンネル障壁層の有無で区別して、それぞれの実施例と比較例を比較すると、出力はほぼ同等であるが、実施例のノイズレベルが比較例のノイズレベルの数分の１まで減少していることがわかる。したがって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることによって、大きなＳ／Ｎを得ることができることがわかる。
実施例１と２は、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも高い例であり、実施例３と実施例４は、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低い例であるが、いずれの場合でも、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることで、大きなＳ／Ｎが得られることがわかる。また、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗が、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗と同じ場合でも、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の面積抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の面積抵抗よりも低くすることで、大きなＳ／Ｎが得られる。
１００Ａ…磁気ヘッド、１００ａ…磁気センサ、１００ｂ…記録部、１…下部磁気シールド層、３…第一絶縁層、４…第一電極、５…チャンネル層、６…磁化自由層、６Ａ…第一トンネル障壁層、６Ｂ…第一強磁性層、７…磁化固定層、７Ａ…第二トンネル障壁層、７Ｂ…第二強磁性層、８…反強磁性層、９…第二電極、１１…上部第一磁気シールド層、１２…上部第二磁気シールド層、２０…素子間絶縁層、３０…リターンヨーク、３１…薄膜コイル、３２…コンタクト部、３３…主磁極、Ｂ…磁束の方向

Claims (5)

  1. チャンネル層と、
    前記チャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、
    前記チャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、
    前記チャンネル層と前記磁化自由層の間に第１トンネル障壁層が設置され、
    前記チャンネル層と前記磁化固定層の間に第２トンネル障壁層が設置され、
    前記第１トンネル障壁層の厚さが前記第２トンネル障壁層の厚さよりも薄く、
    前記チャンネル層と前記磁化自由層の界面の面積抵抗が、前記チャンネル層と前記磁化固定層の界面の面積抵抗よりも低いことを特徴とする磁気センサ。
  2. 前記チャンネル層の第一の部分の厚さは、前記チャンネル層の第二の部分の厚さより薄いことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 前記チャンネル層の第二の部分の厚さは、前記チャンネル層の第一の部分の厚さより薄いことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部と、を備える、磁気ヘッド。
  5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサを複数備える生体磁気センサ。
JP2014243063A 2014-12-01 2014-12-01 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ Expired - Fee Related JP6439413B6 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014243063A JP6439413B6 (ja) 2014-12-01 2014-12-01 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ
US14/941,062 US9720056B2 (en) 2014-12-01 2015-11-13 Magnetic sensor, magnetic head, and biomagnetic sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014243063A JP6439413B6 (ja) 2014-12-01 2014-12-01 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2016105340A JP2016105340A (ja) 2016-06-09
JP6439413B2 JP6439413B2 (ja) 2018-12-19
JP6439413B6 true JP6439413B6 (ja) 2019-01-30

Family

ID=56079057

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014243063A Expired - Fee Related JP6439413B6 (ja) 2014-12-01 2014-12-01 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9720056B2 (ja)
JP (1) JP6439413B6 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9478240B1 (en) 2015-05-21 2016-10-25 Seagate Technology Llc Spin-signal enhancement in a lateral spin valve reader
US9685178B1 (en) * 2015-06-15 2017-06-20 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with large-area tunneling spin-injector
US9704515B2 (en) * 2015-09-29 2017-07-11 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with in-plane detector
US10908234B2 (en) 2016-09-02 2021-02-02 Tdk Corporation Magnetoresistance effect element, magnetic sensor and magnetic memory
JP6103123B1 (ja) 2016-09-02 2017-03-29 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子、磁気センサ及び磁気メモリ
US9934798B1 (en) * 2016-09-28 2018-04-03 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with vertically-integrated two-dimensional semiconducting channel
JP2019021751A (ja) 2017-07-14 2019-02-07 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子及びその製造方法
US11282538B1 (en) 2021-01-11 2022-03-22 Seagate Technology Llc Non-local spin valve sensor for high linear density

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4029772B2 (ja) 2003-05-16 2008-01-09 株式会社日立製作所 磁気ヘッドおよびそれを用いた磁気記録再生装置
JP3818276B2 (ja) * 2003-06-24 2006-09-06 独立行政法人科学技術振興機構 スピン注入素子及びそれを用いた磁気装置
US7522392B2 (en) * 2005-05-17 2009-04-21 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Magnetoresistive sensor based on spin accumulation effect with terminal connection at back end of sensor
JP4731393B2 (ja) 2006-04-28 2011-07-20 株式会社日立製作所 磁気再生ヘッド
JP5251281B2 (ja) * 2008-06-11 2013-07-31 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP5338264B2 (ja) * 2008-11-05 2013-11-13 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP5257007B2 (ja) 2008-11-10 2013-08-07 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP5326841B2 (ja) * 2009-06-10 2013-10-30 Ｔｄｋ株式会社 スピン伝導素子
FR2954622B1 (fr) * 2009-12-21 2013-12-20 Commissariat Energie Atomique Oscillateur radiofrequence
US8248100B2 (en) * 2010-04-19 2012-08-21 Grandis, Inc. Method and system for providing spin transfer based logic devices
JP5651826B2 (ja) * 2010-09-03 2015-01-14 Tdk株式会社 スピン注入電極構造、スピン伝導素子及びスピン伝導デバイス
JP5736836B2 (ja) * 2011-02-23 2015-06-17 Tdk株式会社 スピン伝導型磁気センサ
EP2768769A1 (en) * 2011-10-19 2014-08-27 Regents of the University of Minnesota Magnetic biomedical sensors and sensing system for high-throughput biomolecule testing
US8711528B1 (en) * 2012-06-29 2014-04-29 Western Digital (Fremont), Llc Tunnel magnetoresistance read head with narrow shield-to-shield spacing
JP6413428B2 (ja) 2013-08-02 2018-10-31 Tdk株式会社 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ
CN105745761B (zh) * 2013-11-20 2019-04-09 Tdk株式会社 磁阻效应元件、自旋mosfet和自旋传导元件
US9123361B1 (en) * 2014-04-29 2015-09-01 Seagate Technology Llc Reader with at least two-spin detectors
US9633678B2 (en) * 2015-09-29 2017-04-25 Seagate Technology Llc Data reader with spin filter
US9704515B2 (en) * 2015-09-29 2017-07-11 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with in-plane detector

Also Published As

Publication number Publication date
JP6439413B2 (ja) 2018-12-19
US9720056B2 (en) 2017-08-01
JP2016105340A (ja) 2016-06-09
US20160154071A1 (en) 2016-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6439413B6 (ja) 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ
JP6413428B2 (ja) 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ
JP5257007B2 (ja) 磁気センサー
US8238064B2 (en) Magnetic head and magnetic recording apparatus
JP4758812B2 (ja) スピン流狭窄層を備えたスピン蓄積素子及びその作製方法
US8502332B2 (en) Magnetic sensor and magnetic head
JP5326841B2 (ja) スピン伝導素子
JP2009037702A (ja) 磁気再生ヘッド及び磁気記録装置
JP2012230751A (ja) 磁気抵抗センサ、装置および方法
JP2008181592A (ja) 磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
JP2009301625A (ja) 磁気センサー
US20120038355A1 (en) Magnetic sensor and magnetic detection apparatus
US8861136B2 (en) Spin conduction element and magnetic sensor and magnetic head using spin conduction
JP5338264B2 (ja) 磁気センサー
JP2012234602A (ja) 磁気ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置
JP2010020826A (ja) 磁気センサー
JP2010055657A (ja) Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果型ヘッド
JP2001256620A (ja) 磁気抵抗センサおよびこれを搭載した磁気記録再生装置
JP2013020672A (ja) 磁気記録再生装置
US10950783B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic sensor
JP4686616B2 (ja) 磁気再生ヘッドおよび磁気記録再生装置
JP6614002B2 (ja) 磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録装置
JP5157676B2 (ja) 磁気センサー
JP2011018415A (ja) 磁気センサ
JP2017188183A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171006

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180420

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180605

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180621

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181023

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181105

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6439413

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees