JP2012128899A - Magnetic sensor and magnetic head - Google Patents

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Tomoo Sasaki
智生 佐々木
Toru Oikawa
亨 及川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor and a magnetic head which are suitable for mass production and can raise output in such a structure that a magnetic flux from a minute area can be detected.SOLUTION: A magnetic sensor 1 includes: a main channel layer 7a which has a first area 71, a second area 72, and a third area 73 and extends in a first direction; a first ferromagnetic layer 12A laminated on the first area 71; a second ferromagnetic layer 12B laminated on the second area 72; a projection channel layer 7b which projects in the direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer 7a from the side of the third area 73 between the first area 71 and the second area 72 in the main channel layer 7a; and a magnetic shield S which covers both sides in the thickness direction of the projection channel layer 7b and both sides in the first direction of the projection channel layer 7b, and exposes an end surface 7c in the projection direction of the projection channel layer 7b. The magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is in antiparallel with the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B.

Description

本発明は、磁気センサ及び磁気ヘッドに関する。   The present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic head.

従来、外部磁場を検出する種々の素子が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。例えばＨＤＤなどに用いられる磁気ヘッドや磁気センサには、微小領域からの磁場の検出や高出力特性が望まれている。従来のＴＭＲ素子はスピンバルブ型構造を有し、比較的大きな出力特性を有する。微小領域から磁場を検出するには素子を微細化するという方法が取られるが、素子を微細化することによって素子抵抗が増大してしまう。例えば１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ以上の記録密度領域では特性向上に限界が見え始め、別の構造や方式が必要とされている。   Conventionally, various elements for detecting an external magnetic field are known (see, for example, Patent Document 1 below). For example, magnetic heads and magnetic sensors used in HDDs and the like are desired to detect magnetic fields from minute regions and to have high output characteristics. A conventional TMR element has a spin valve type structure and has a relatively large output characteristic. In order to detect a magnetic field from a minute region, a method of miniaturizing the element is taken, but the element resistance increases when the element is miniaturized. For example, in the recording density region of 1 Tbit / inch or higher, there is a limit to improvement in characteristics, and another structure or method is required.

特開２００７−２９９４６７号公報JP 2007-299467 A

そこで、例えば図７に示すような磁気センサＰ１の構造が考えられる。磁気センサＰ１では、基板ＳＢ上にチャンネル７ｅが積層されており、このチャンネル７ｅの上に第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂと、第１参照電極２０Ａ及び第２参照電極２０Ｂとが積層されている。チャンネル７ｅにおける第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間の部分は、磁気シールド層Ｓ１１に覆われている。磁気シールド層Ｓ１１にはチャンネル７ｅに向かって延びる貫通穴Ｈが形成されている。この構造において、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１１及び第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ１２をＹ軸方向とし、Ｚ軸方向から外部磁場を貫通穴Ｈを介してチャンネル７ｅに印加することが考えられる。チャンネル７ｅ内を伝導するスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転し、スピンはこの回転を伴いながら拡散していく（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このような磁気センサＰ１の構造では、外部磁場の検出の解像度が磁気シールド層Ｓ１１に設けられた貫通穴Ｈの大きさによって決定される。したがって、貫通穴Ｈの大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。この際、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂのサイズを微細化することなく磁束を検出できるので、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂを微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することが可能となる。   Thus, for example, the structure of the magnetic sensor P1 as shown in FIG. In the magnetic sensor P1, a channel 7e is stacked on the substrate SB, and the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, the first reference electrode 20A and the second reference electrode 20B are formed on the channel 7e. Are stacked. A portion of the channel 7e between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is covered with the magnetic shield layer S11. A through hole H extending toward the channel 7e is formed in the magnetic shield layer S11. In this structure, the magnetization direction G11 of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G12 of the second ferromagnetic layer 12B are set to the Y-axis direction, and an external magnetic field is applied to the channel 7e from the Z-axis direction through the through hole H. Can be considered. The direction of the spin conducted in the channel 7e rotates around the axis of the applied magnetic field, and the spin diffuses with this rotation (so-called Hanle effect). In such a structure of the magnetic sensor P1, the resolution of detection of the external magnetic field is determined by the size of the through hole H provided in the magnetic shield layer S11. Therefore, the magnetic flux from the minute region corresponding to the size of the through hole H can be detected. At this time, since the magnetic flux can be detected without reducing the size of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, the element by miniaturizing the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. It is possible to suppress an increase in resistance.

しかしながら、図７に示す構造では、外部磁場の侵入する貫通穴Ｈの軸方向が、基板ＳＢに対するチャンネル７ｅの積層方向と同じである。すなわち、このような磁気センサＰ１を磁気ヘッドの読取ヘッド部に適用する場合、ＡＢＳ（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）と平行な積層プロセスとなる。一方、磁気ヘッドの書き込み用の記録ヘッド部は、通常ＡＢＳ面と垂直な積層プロセスで作製される。したがって、読取ヘッド部と記録ヘッド部を連続的に製造することが困難であり、量産に不向きである。   However, in the structure shown in FIG. 7, the axial direction of the through hole H into which the external magnetic field penetrates is the same as the stacking direction of the channel 7e on the substrate SB. That is, when such a magnetic sensor P1 is applied to a read head portion of a magnetic head, a lamination process parallel to ABS (Air Bearing Surface) is performed. On the other hand, the recording head portion for writing of the magnetic head is usually produced by a lamination process perpendicular to the ABS surface. Therefore, it is difficult to continuously manufacture the reading head unit and the recording head unit, which is not suitable for mass production.

また、図８に示す磁気センサＰ２のように、貫通穴Ｈをチャンネル７ｅの側部を覆う磁気シールド層Ｓ１２に形成する構造も考えられる。この構造において、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１３及び第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ１４をＺ軸方向とし、Ｙ軸方向からの外部磁界を検出することが考えられる。貫通穴Ｈは、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に存在するチャンネル７の側面に対向配置されている。この配置により、微小領域からの外部磁場を貫通穴Ｈを介してチャンネル７の側面から読み取ることができる。なお、図８における８１Ａ，８１Ｂ，７ｆ，７ｇは絶縁膜を示し、８は永久磁石を示す。   Further, as in the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, a structure in which the through hole H is formed in the magnetic shield layer S12 covering the side portion of the channel 7e is also conceivable. In this structure, it is conceivable that the magnetization direction G13 of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G14 of the second ferromagnetic layer 12B are Z-axis directions and an external magnetic field from the Y-axis direction is detected. The through hole H is disposed to face the side surface of the channel 7 existing between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. With this arrangement, the external magnetic field from the minute region can be read from the side surface of the channel 7 through the through hole H. In FIG. 8, 81A, 81B, 7f, and 7g denote insulating films, and 8 denotes a permanent magnet.

しかしながら、図８に示す構造の磁気センサＰ２を製造する場合、基板上にチャンネル７ｅや第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂなどを形成する積層プロセスの後に、基板を切断・加工する。そして、加工後、磁気シールド層Ｓ１２をチャンネル７ｅの側部に再度積層し、フォト加工によって微小な貫通穴Ｈを形成する必要がある。このような製造手法は量産に不向きである。   However, when the magnetic sensor P2 having the structure shown in FIG. 8 is manufactured, the substrate is cut and processed after the lamination process for forming the channel 7e, the first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the like on the substrate. . And after processing, it is necessary to laminate | stack again the magnetic shielding layer S12 on the side part of the channel 7e, and to form the micro through-hole H by photo processing. Such a manufacturing method is not suitable for mass production.

さらに、図７に示す磁気センサＰ１の構造では、チャンネル７ｅを覆う磁気シールド層Ｓ１１を形成後に、位置合わせをして貫通穴Ｈを開けるので、スピンが伝導するチャンネル７ｅの幅（図７におけるＹ軸方向の長さ）に対して貫通穴Ｈの幅（図７におけるＹ軸方向の長さ）を小さくせざるを得ない。このため、貫通穴Ｈから印加される外部磁場が、スピンの流れるチャンネル７ｅの幅のうちの一部にしか届かず、出力の向上が困難である。同様に、図８に示す磁気センサＰ２の構造では、チャンネル７ｅを覆う磁気シールド層Ｓ１２を形成後に、位置合わせをして貫通穴Ｈを開けるので、スピンが伝導するチャンネル７ｅの厚み（図８におけるＺ軸方向の長さ）に対して貫通穴Ｈの高さ（図８におけるＺ軸方向の長さ）を小さくせざるを得ない。このため、貫通穴Ｈから印加される外部磁場が、スピンの流れるチャンネル７ｅの厚みのうちの一部にしか届かず、出力の向上が困難である。   Further, in the structure of the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7, since the magnetic shield layer S11 covering the channel 7e is formed and then the alignment is made and the through hole H is opened, the width of the channel 7e through which spin is conducted (Y in FIG. 7) The width of the through hole H (the length in the Y-axis direction in FIG. 7) must be made smaller than the length in the axial direction. For this reason, the external magnetic field applied from the through hole H reaches only a part of the width of the channel 7e through which the spin flows, and it is difficult to improve the output. Similarly, in the structure of the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, after the magnetic shield layer S12 covering the channel 7e is formed, alignment is performed and the through hole H is opened, so that the thickness of the channel 7e through which spin is conducted (in FIG. 8) The height of the through hole H (the length in the Z-axis direction in FIG. 8) must be reduced with respect to the length in the Z-axis direction. For this reason, the external magnetic field applied from the through hole H reaches only a part of the thickness of the channel 7e through which the spin flows, and it is difficult to improve the output.

また、図７に示す磁気センサＰ１及び図８に示す磁気センサＰ２では、第１強磁性層１２Ａ又は第２強磁性層１２Ｂからチャンネル７ｅにスピンが注入され、このスピン注入方法では電荷の流れは伴わない（いわゆる非局所スピン注入法）。この非局所スピン注入法におけるスピンの伝導距離は、図９に示される長さｄＮＬである。この長さｄＮＬは、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂまでの距離に、第１強磁性層１２Ａの長さ（図７〜図９に示すＸ軸方向の長さ）の半分及び第２強磁性層１２Ｂの長さ（図７〜図９に示すＸ軸方向の長さ）の半分を加えたものである。したがって、非局所スピン注入法を用いた磁気センサでは、第１強磁性層１２Ａ又は第２強磁性層１２Ｂを巨大化しても微小な領域からの磁場を検出できるというメリットがある反面、実効的なスピンの伝導距離ｄＮＬが長くなるというデメリットがあった。 Further, in the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7 and the magnetic sensor P2 shown in FIG. 8, spins are injected from the first ferromagnetic layer 12A or the second ferromagnetic layer 12B into the channel 7e. In this spin injection method, the flow of charge is Not accompanied (so-called nonlocal spin injection method). The spin conduction distance in this non-local spin injection method is the length d NL shown in FIG. This length d NL is equal to the length of the first ferromagnetic layer 12A (the length in the X-axis direction shown in FIGS. 7 to 9) at a distance from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Half and the half of the length of the second ferromagnetic layer 12B (the length in the X-axis direction shown in FIGS. 7 to 9) are added. Therefore, the magnetic sensor using the non-local spin injection method has an advantage that the magnetic field from a minute region can be detected even if the first ferromagnetic layer 12A or the second ferromagnetic layer 12B is enlarged, but it is effective. There is a demerit that the spin conduction distance d NL becomes longer.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、微小領域からの磁束が検出可能な構造において、量産に適し、なおかつ出力を向上することが可能な磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a magnetic sensor and a magnetic head that are suitable for mass production and can improve output in a structure capable of detecting magnetic flux from a minute region. For the purpose.

上述の課題を解決するため、本発明の磁気センサは、第１領域、第２領域、及び第３領域を有し、第１方向に延びる主チャンネル層、第１領域上に積層された第１強磁性層、第２領域上に積層された第２強磁性層、主チャンネル層における、第１領域と第２領域との間の第３領域の側面から主チャンネル層の厚み方向に垂直な方向に突出する突出チャンネル層、突出チャンネル層の厚み方向の両側、及び突出チャンネル層の第１方向の両側を覆い、かつ、突出チャンネル層の突出方向の端面を露出させる磁気シールドを備え、第１強磁性層の磁化の方向が、第２強磁性層の磁化の方向に対して反平行であることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the magnetic sensor of the present invention has a first region, a second region, and a third region, a main channel layer extending in the first direction, and a first layer stacked on the first region. A direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer from the side surface of the third region between the first region and the second region in the ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer stacked on the second region, and the main channel layer A projecting channel layer projecting in the direction of thickness, both sides of the projecting channel layer in the thickness direction, and both sides of the projecting channel layer in the first direction, and exposing a projecting direction end surface of the projecting channel layer. The magnetization direction of the magnetic layer is antiparallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer.

本発明の磁気センサでは、チャンネルが、主チャンネル層と、突出チャンネル層とを有し、磁気シールドが、突出チャンネル層の端面を露出させるように、突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。したがって、露出した端面から外部磁界を選択的にチャンネルに供給させることができる。この構成において、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化の向きを反平行とすると、チャンネルに注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、チャンネル内に留まり易くなるものと考えられる。このチャンネル内を伝導するスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転し、スピンはこの回転を伴いながら拡散していく（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンの回転に起因して、電気抵抗は変化する（いわゆる磁気抵抗効果）。一方、チャンネルに外部磁場を印加しない場合、チャンネル内のスピンの向きは変化せず、そのまま拡散する。これ故、第１強磁性層と第２強磁性層との間に電源及び出力測定器を設け、出力の変化をモニターすることにより、外部磁場の印加の有無によって、スピンの回転の度合いに応じた出力を検出できる。   In the magnetic sensor of the present invention, the channel has a main channel layer and a protruding channel layer, and the magnetic shield surrounds the protruding direction of the protruding channel layer so as to expose the end face of the protruding channel layer. . Therefore, the external magnetic field can be selectively supplied to the channel from the exposed end face. In this configuration, if the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are antiparallel, the spin injected into the channel is less likely to be absorbed by the other ferromagnetic layer and is likely to remain in the channel. it is conceivable that. The direction of the spin conducted in the channel rotates around the axis of the applied magnetic field, and the spin diffuses with this rotation (so-called Hanle effect). Due to this spin rotation, the electrical resistance changes (so-called magnetoresistance effect). On the other hand, when an external magnetic field is not applied to the channel, the spin direction in the channel does not change and diffuses as it is. Therefore, a power source and an output measuring device are provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and the change in the output is monitored, depending on whether or not an external magnetic field is applied, depending on the degree of spin rotation. Output can be detected.

なお、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化の向きを平行とすると、出力の変化を読み取ることが困難である。これは、チャンネルに注入されたスピンがチャンネル内を素早く伝播し、突出チャンネル層から印加される外部磁場の影響を受けにくくなるためであると考えられる。また、磁気抵抗測定法を用いる本発明の磁気センサでは、図７や図８に示すような従来の非局所測定法を用いる磁気センサよりも格段に出力を高めることができる。   If the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are parallel, it is difficult to read the change in output. This is presumably because the spin injected into the channel quickly propagates through the channel and is less affected by the external magnetic field applied from the protruding channel layer. Further, in the magnetic sensor of the present invention using the magnetoresistance measurement method, the output can be remarkably increased as compared with the magnetic sensor using the conventional non-local measurement method as shown in FIGS.

また、上述のように、本発明の磁気センサでは、磁気シールドが、突出チャンネル層の端面を露出させるように、突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドの一部を形成しておき、その上に、主チャンネル層及び突出チャンネル層を含むチャンネルを形成し、さらに、その後、突出チャンネル層の横及び上に磁気シールドの他の一部を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。また、例えば、本発明の磁気センサを磁気ヘッドに適用する場合には、ＡＢＳ面と垂直に積層できるので、同様にＡＢＳ面と垂直に積層して形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。   Further, as described above, in the magnetic sensor of the present invention, the magnetic shield surrounds the protruding direction of the protruding channel layer so as to expose the end face of the protruding channel layer. In such a structure, a part of the magnetic shield is formed in advance, a channel including the main channel layer and the protruding channel layer is formed thereon, and then the magnetic shield is formed on the side and above the protruding channel layer. By forming the other part, it can be formed easily and has high mass productivity. Further, for example, when the magnetic sensor of the present invention is applied to a magnetic head, it can be stacked perpendicularly to the ABS surface, so that it is also compatible with a method for manufacturing a recording head part formed by vertically stacking the ABS surface. Highly preferable.

さらに、本発明の磁気センサでは、磁気シールドに、磁界供給用の貫通穴を開けるプロセスが必要ないので、突出チャンネル層の端面の厚みを、主チャンネル層の厚みと同じにすることが容易である。したがって、突出チャンネル層の端面から印可される外部磁界の侵入領域の厚みを、スピンの流れる主チャンネル層の厚みと同等とすることができるので、出力を高めることができる。そして、チャンネルの露出した端面の大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。   Furthermore, in the magnetic sensor of the present invention, since the magnetic shield does not require a process of making a through hole for supplying a magnetic field, it is easy to make the thickness of the end face of the protruding channel layer the same as the thickness of the main channel layer. . Therefore, the thickness of the intrusion region of the external magnetic field applied from the end face of the protruding channel layer can be made equal to the thickness of the main channel layer through which spin flows, so that the output can be increased. And the magnetic flux from the micro area | region corresponding to the magnitude | size of the exposed end surface of a channel is detectable.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向は、突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向であることが好ましい。上述のように、外部磁場をチャンネルに印加すると、チャンネル内のスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転する。仮に、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化の方向が、突出チャンネル層が突出する方向に平行な方向である場合、どちらの強磁性層からスピンを注入しても、突出チャンネル層が突出する方向から印加される外部磁場によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化の方向が、突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向であれば、上述のような磁束の検出を好適にできる。   The magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are preferably perpendicular to the direction in which the protruding channel layer protrudes. As described above, when an external magnetic field is applied to the channel, the spin direction in the channel rotates around the axis of the applied magnetic field. If the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are parallel to the direction in which the protruding channel layer protrudes, the protruding channel layer can be injected from either ferromagnetic layer. Rotation does not occur in the spin direction due to the external magnetic field applied from the direction in which the magnetic field protrudes, and it is difficult to detect the magnetic flux. Therefore, if the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is a direction perpendicular to the direction in which the protruding channel layer protrudes, it is possible to suitably detect the magnetic flux as described above.

また、第１強磁性層の磁化の方向は、第１方向に平行な方向であり、第２強磁性層の磁化の方向は、第１方向に反平行な方向であることが好ましい。あるいは、第１強磁性層の磁化の方向は、チャンネル層に対する第１強磁性層及び第２強磁性層の積層方向に平行な方向であり、第２強磁性層の磁化の方向は、チャンネル層に対する第１強磁性層及び第２強磁性層の積層方向に反平行な方向であることが好ましい。いずれの場合においても、突出チャンネル層が突出する方向から印加される外部磁場に起因して、上述のような磁束の検出を好適にできる。   In addition, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is preferably parallel to the first direction, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is preferably antiparallel to the first direction. Alternatively, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers with respect to the channel layer, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is the channel layer. The direction is preferably antiparallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers. In any case, the detection of the magnetic flux as described above can be suitably performed due to the external magnetic field applied from the direction in which the protruding channel layer protrudes.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることが好ましい。反強磁性層が、第１強磁性層あるいは第２強磁性層と交換結合することにより、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第１強磁性層や第２強磁性層を得られる。   At least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is caused by an antiferromagnetic layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. It is preferably fixed. When the antiferromagnetic layer is exchange coupled with the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, unidirectional anisotropy can be imparted to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer. It becomes possible. In this case, a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されていることが好ましい。この場合、第１強磁性層及び第２強磁性層のうちの少なくとも一方を適切な形状になるように形成することにより、その磁化方向を固定することができる。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer has a magnetization direction fixed by shape anisotropy. In this case, the magnetization direction can be fixed by forming at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer so as to have an appropriate shape.

また、第１強磁性層及び第２強磁性層間において、主チャンネル層及び突出チャンネル層の表面は絶縁膜に覆われていることが好ましい。この場合、主チャンネル層及び突出チャンネル層からの磁気シールドへのスピンの流出を防ぎ、外部磁場による出力の測定を的確に行うことができる。また、第１強磁性層及び第２強磁性層間において、主チャンネル層及び突出チャンネル層は磁気シールドと電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合、主チャンネル層及び突出チャンネル層から磁気シールドに電流やスピン流が流出することを好適に抑制できる。   Moreover, it is preferable that the surfaces of the main channel layer and the protruding channel layer are covered with an insulating film between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. In this case, spin outflow from the main channel layer and the protruding channel layer to the magnetic shield can be prevented, and the output measurement by the external magnetic field can be accurately performed. In addition, the main channel layer and the protruding channel layer are preferably electrically insulated from the magnetic shield between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. In this case, it is possible to suitably suppress the outflow of current and spin current from the main channel layer and the protruding channel layer to the magnetic shield.

また、突出チャンネル層の端面を介して主チャンネル層に磁界を供給する永久磁石をさらに備えることが好ましい。永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。   Moreover, it is preferable to further include a permanent magnet that supplies a magnetic field to the main channel layer through the end face of the protruding channel layer. When a magnetic field is not applied to a channel using a permanent magnet, an output peak appears when the external magnetic field to be detected is zero, but the peak position of the output is shifted by applying a magnetic field to the channel using a permanent magnet. It is possible to generate an output peak when the external magnetic field is not zero.

また、第１強磁性層及び第２強磁性層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。   The material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is selected from a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or a group. It is preferable that the compound includes at least one element selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge. Since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, the function as a spin injection electrode or a spin reception electrode can be suitably realized.

また、主チャンネル層及び突出チャンネル層の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積できる。   Further, the material of the main channel layer and the protruding channel layer is preferably a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Since these semiconductors have a relatively long spin diffusion length, spins can be suitably accumulated in the channel.

また、第１強磁性層及び第２強磁性層の少なくとも一方と、主チャンネル層との間に、障壁が形成されていることが好ましい。これにより、第１強磁性層及び第２強磁性層の少なくとも一方から主チャンネル層にスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサの電位出力を高めることが可能となる。このような、障壁として、ＭｇＯ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＴｉＯ２膜、ＭｇＡｌ２Ｏ４膜、又はＺｎＯ膜からなるトンネル障壁を適用することが好ましい。あるいは、障壁はショットキー障壁であることも好ましい。 In addition, a barrier is preferably formed between at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and the main channel layer. This makes it possible to inject a large amount of spin-polarized electrons from at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer into the main channel layer, and to increase the potential output of the magnetic sensor. As such a barrier, a tunnel barrier made of an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, an MgAl 2 O 4 film, or a ZnO film is preferably applied. Alternatively, the barrier is preferably a Schottky barrier.

また、本発明の磁気ヘッドは、上述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、を備えることを特徴とする。これにより、いわゆるＨａｎｌｅ効果及び磁気抵抗効果を利用した新規な磁気ヘッドを提供できる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic head comprising: a reading head unit comprising the above-described magnetic sensor; and a recording head unit for writing. Thereby, a novel magnetic head using the so-called Hanle effect and magnetoresistive effect can be provided.

本発明によれば、微小領域からの磁束が検出可能な構造において、量産に適し、なおかつ出力を向上することが可能な磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a magnetic sensor and a magnetic head that are suitable for mass production and capable of improving output in a structure capable of detecting magnetic flux from a minute region.

図１は、本実施形態における磁気センサの概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a magnetic sensor according to the present embodiment. 図２は、チャンネルの形状を示す概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view showing the shape of the channel. 図３（ａ）は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状を示す側面図である。図３（ｂ）は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状の変形例を示す側面図である。図３（ｃ）は、貫通穴及び突出チャンネル層の突出方向の端面の形状の変形例を示す側面図である。Fig.3 (a) is a side view which shows the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. FIG.3 (b) is a side view which shows the modification of the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. FIG.3 (c) is a side view which shows the modification of the shape of the end surface of the protrusion direction of a through-hole and a protrusion channel layer. 図４（ａ）は、チャンネルの形状を示す上面図である。図４（ｂ）は、チャンネルの形状の変形例を示す上面図である。FIG. 4A is a top view showing the shape of the channel. FIG. 4B is a top view showing a modification of the shape of the channel. 図５は、磁気センサを備える薄膜磁気記録再生ヘッドを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a thin film magnetic recording / reproducing head including a magnetic sensor. 図６は、磁気抵抗測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output in the magnetoresistance measurement method. 図７は、磁気センサの一例を示す上面図である。FIG. 7 is a top view showing an example of a magnetic sensor. 図８は、磁気センサの一例を示す側面図である。FIG. 8 is a side view showing an example of a magnetic sensor. 図９は、非局所測定法と磁気抵抗測定法とにおけるスピン伝導のための実効的な距離の比較を示す上面図である。FIG. 9 is a top view showing a comparison of effective distances for spin conduction between the non-local measurement method and the magnetoresistance measurement method. 図１０は、非局所測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output in the non-local measurement method. 図１１は、所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を（ａ）〜（ｃ）の順に示す概略斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view showing a method of obtaining a desired number of graphene layers by a peeling method in the order of (a) to (c). 図１２は、図１１に続き、所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を（ａ）〜（ｄ）の順に示す概略斜視図である。FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating a method of obtaining a desired number of graphene layers by a peeling method in the order of (a) to (d), following FIG. 11.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る磁気抵抗型の磁気センサの好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、ＸＹＺ直交座標軸系が示されている。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a magnetoresistive magnetic sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the figure, an XYZ orthogonal coordinate axis system is shown.

図１は、本実施形態における磁気センサ１の概略斜視図である。磁気センサ１は、基板２１と、チャンネル７と、第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂと、磁気シールドＳとを主として備え、−Ｙ軸方向からの外部磁場Ｂを検出するものである。基板２１は、例えばＡｌＴｉＣ基板である。基板２１は、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを有する。第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂは、基板２１内において所定の軸方向（この例ではＸ軸方向）に延在し、互いに平行に配列されている。   FIG. 1 is a schematic perspective view of a magnetic sensor 1 in the present embodiment. The magnetic sensor 1 mainly includes a substrate 21, a channel 7, a first ferromagnetic layer 12A, a second ferromagnetic layer 12B, and a magnetic shield S, and detects an external magnetic field B from the −Y-axis direction. It is. The substrate 21 is, for example, an AlTiC substrate. The substrate 21 has a first portion 21a and a second portion 21b. The first portion 21a and the second portion 21b extend in a predetermined axial direction (X-axis direction in this example) in the substrate 21 and are arranged in parallel to each other.

チャンネル７は、第１方向（ここではＸ軸方向）に延びる主チャンネル層７ａと、Ｙ軸方向に突出する突出チャンネル層７ｂとを含む。図１に示されるように、主チャンネル層７ａは基板２１の第１部分２１ａの上方に配置されており、突出チャンネル層７ｂは、基板２１の第２部分２１ｂの上方に配置されている。   The channel 7 includes a main channel layer 7a extending in the first direction (here, the X-axis direction) and a protruding channel layer 7b protruding in the Y-axis direction. As shown in FIG. 1, the main channel layer 7 a is disposed above the first portion 21 a of the substrate 21, and the protruding channel layer 7 b is disposed above the second portion 21 b of the substrate 21.

図２は、チャンネル７の形状を示す概略斜視図である。主チャンネル層７ａは、チャンネル７の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て矩形状をなす。主チャンネル層７ａは、第１領域７１、第２領域７２、及び第３領域７３を有する。ここで、第３領域７３は、第１領域７１と第２領域７２との間に配置されている。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the shape of the channel 7. The main channel layer 7a has a rectangular shape when viewed from the thickness direction of the channel 7 (Z-axis direction). The main channel layer 7 a has a first region 71, a second region 72, and a third region 73. Here, the third region 73 is disposed between the first region 71 and the second region 72.

突出チャンネル層７ｂは、主チャンネル層７ａにおける第３領域７３の側面から主チャンネル層７ａの厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直な方向（Ｙ軸方向）に突出する。より具体的には、突出チャンネル層７ｂは、第１方向（Ｘ軸方向）に垂直な方向、かつチャンネル７に対する第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｙ軸方向）に突出する。   The protruding channel layer 7b protrudes from the side surface of the third region 73 in the main channel layer 7a in a direction (Y axis direction) perpendicular to the thickness direction (Z axis direction) of the main channel layer 7a. More specifically, the protruding channel layer 7b has a direction perpendicular to the first direction (X-axis direction) and a stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel 7 (Z-axis direction). Projecting in a direction perpendicular to (Y-axis direction).

チャンネル７には、導電性を付与するためのイオンが添加されていてもよい。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３とすることができる。チャンネル７は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体とすることができる。また、チャンネル７における第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂまでの距離ｄＭＲは、チャンネル７におけるスピン拡散長以下であることが好ましい。 An ion for imparting conductivity may be added to the channel 7. The ion concentration can be, for example, 1.0 × 10 15 to 1.0 × 10 22 cm −3 . The channel 7 is preferably made of a material having a long spin lifetime, and can be, for example, a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. The distance d MR from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B in the channel 7 is preferably equal to or less than the spin diffusion length in the channel 7.

第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂは、チャンネル７にスピンを注入するための注入電極、あるいはチャンネル７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。第１強磁性層１２Ａは、チャンネル７の第１領域７１上に積層されている。第２強磁性層１２Ｂは、チャンネル７の第２領域７２上に積層されている。第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂは、それぞれＹ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２ＢのＸ軸方向における長さは、同一とすることができる。   The first ferromagnetic layer 12 </ b> A and the second ferromagnetic layer 12 </ b> B function as an injection electrode for injecting spin into the channel 7 or a receiving electrode for detecting the spin conducted through the channel 7. The first ferromagnetic layer 12 </ b> A is stacked on the first region 71 of the channel 7. The second ferromagnetic layer 12 </ b> B is stacked on the second region 72 of the channel 7. Each of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has a rectangular parallelepiped shape with the major axis in the Y-axis direction. The first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B can have the same length in the X-axis direction.

図１及び図２に示すように、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１（この例では、第１方向に平行な方向、すなわちＸ軸方向）は、第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２（この例では、第１方向に反平行な方向、すなわち−Ｘ軸方向）に対して反平行である。第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂは、強磁性材料からなる。第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの材料は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A (in this example, the direction parallel to the first direction, that is, the X-axis direction) is the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 12B. (In this example, the direction is antiparallel to the first direction, that is, the -X axis direction). The first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are made of a ferromagnetic material. The material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or the above The compound may include one or more elements selected from the group and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge.

図２に示すように、磁気シールドＳは、チャンネル７、第１強磁性層１２Ａ、及び第２強磁性層１２Ｂに外部磁場が侵入することを遮蔽するものである。磁気シールドＳは、突出チャンネル層７ｂの厚み方向（Ｚ軸方向）の両側、及び突出チャンネル層７ｂの第１方向（Ｘ軸方向）の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、突出チャンネル層７ｂの突出方向の端面７ｃを露出させる。このような磁気シールドＳは、第１磁気シールド層Ｓ１及び第２磁気シールド層Ｓ２によって構成される。第１磁気シールド層Ｓ１は、基板２１の第２部分２１ｂの上方に配置されている。第２磁気シールド層Ｓ２は、基板２１の第２部分２１ｂ上に設けられている。磁気シールドＳ（第１磁気シールド層Ｓ１及び第２磁気シールド層Ｓ２）の材料として、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料が挙げられる。第１磁気シールド層のＳ１の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂの厚み（Ｚ軸方向の長さ）よりも大きく、例えば０．０２μｍ〜１μｍである。また、第２磁気シールド層のＳ２の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．０２μｍ〜１μｍである。   As shown in FIG. 2, the magnetic shield S shields the external magnetic field from entering the channel 7, the first ferromagnetic layer 12A, and the second ferromagnetic layer 12B. The magnetic shield S covers both sides of the protruding channel layer 7b in the thickness direction (Z-axis direction) and both sides of the protruding channel layer 7b in the first direction (X-axis direction) via an insulating layer, and the protruding channel layer 7b. The end surface 7c in the protruding direction is exposed. Such a magnetic shield S is constituted by the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2. The first magnetic shield layer S1 is disposed above the second portion 21b of the substrate 21. The second magnetic shield layer S2 is provided on the second portion 21b of the substrate 21. Examples of the material of the magnetic shield S (the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2) include an alloy containing Ni and Fe, sendust, an alloy containing Fe and Co, an alloy containing Fe, Co, and Ni. Examples include soft magnetic materials. The thickness (length in the Z-axis direction) of S1 of the first magnetic shield layer is larger than the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b, for example, 0.02 μm to 1 μm. . Moreover, the thickness (length in the Z-axis direction) of S2 of the second magnetic shield layer is, for example, 0.02 μm to 1 μm.

磁気シールドＳは、突出チャンネル層７ｂの突出方向（Ｙ軸方向）の端面７ｃを露出させる貫通穴Ｈを有する。貫通穴Ｈは、突出チャンネル層７ｂを介して主チャンネル層７ａに外部磁場Ｂを印加するためのものである。外部磁場Ｂは、貫通穴Ｈにおいて露出した突出チャンネル層７ｂの端面７ｃからチャンネル７に侵入することとなる。   The magnetic shield S has a through hole H that exposes the end face 7c in the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b. The through hole H is for applying an external magnetic field B to the main channel layer 7a via the protruding channel layer 7b. The external magnetic field B enters the channel 7 from the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed in the through hole H.

図３（ａ）は、貫通穴Ｈ及び突出チャンネル層７ｂの突出方向の端面７ｃの形状の一例を示す側面図である。貫通穴Ｈで露出する端面７ｃは平坦面であり、また端面７ｃの形状は矩形状である。貫通穴Ｈの形状は、端面７ｃの形状に対応しており、貫通穴Ｈの軸方向（−Ｙ軸方向）から見て種々の形状をとることが可能であり、この例では矩形状をなしている。貫通穴Ｈの一辺の長さ（Ｘ軸方向の長さ）Ｄ１を例えば０．０１μｍ〜０．１μｍとし、他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ２を例えば０．００１μｍ〜０．１μｍとすることができる。この貫通穴Ｈの他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ２は、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂの厚みと同じとなっている。   FIG. 3A is a side view showing an example of the shape of the end face 7c in the protruding direction of the through hole H and the protruding channel layer 7b. The end surface 7c exposed through the through hole H is a flat surface, and the end surface 7c has a rectangular shape. The shape of the through hole H corresponds to the shape of the end face 7c, and can take various shapes when viewed from the axial direction (−Y axis direction) of the through hole H. In this example, the shape is rectangular. ing. The length of one side (length in the X-axis direction) D1 of the through hole H is, for example, 0.01 μm to 0.1 μm, and the length of the other side (length in the Z-axis direction) D2 is, for example, 0.001 μm to 0.00. It can be 1 μm. The length of the other side of the through hole H (the length in the Z-axis direction) D2 is the same as the thickness of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b.

磁気センサ１は更に障壁を備えていることが好ましい。障壁は、主チャンネル層７ａと、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの少なくとも一方から主チャンネル層７ａにスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサの電位出力を高めることが可能となる。図１や図２に示す例では、障壁は、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂからなるトンネル障壁である。絶縁膜８１Ａは、主チャンネル層７ａの第１領域７１と第１強磁性層１２Ａとの間に設けられている。絶縁膜８１Ｂは、主チャンネル層７ａの第２領域７２と第２強磁性層１２Ｂとの間に設けられている。この例では、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂが単層からなる場合を示すが、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂは複数の層からなる積層構造を有していてもよい。絶縁膜８１Ａ，８１Ｂとして、例えばＭｇＯ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＴｉＯ２膜、ＺｎＯ膜、又はスピネル型構造のＭｇＡｌ２Ｏ４膜などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂの膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂの膜厚は、１原子層厚を考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。 The magnetic sensor 1 preferably further includes a barrier. The barrier is provided between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. As a result, it is possible to inject many spin-polarized electrons from at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B into the main channel layer 7a, and to increase the potential output of the magnetic sensor. Become. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the barrier is a tunnel barrier made of insulating films 81A and 81B. The insulating film 81A is provided between the first region 71 of the main channel layer 7a and the first ferromagnetic layer 12A. The insulating film 81B is provided between the second region 72 of the main channel layer 7a and the second ferromagnetic layer 12B. Although this example shows a case where the insulating films 81A and 81B are formed of a single layer, the insulating films 81A and 81B may have a stacked structure including a plurality of layers. As the insulating films 81A and 81B, for example, an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, a ZnO film, or a MgAl 2 O 4 film having a spinel structure can be used. From the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel insulating layer, the thickness of the insulating films 81A and 81B is preferably 3 nm or less. The film thickness of the insulating films 81A and 81B is preferably 0.4 nm or more in consideration of the thickness of one atomic layer.

磁気センサ１は、更に、下部絶縁層２２及び中間絶縁層２３を備えている。下部絶縁層２２や中間絶縁層２３はチャンネル７の下地として機能する。下部絶縁層２２は基板２１の第１部分２１ａ上に設けられている。中間絶縁層２３は、下部絶縁層２２及び第２磁気シールド層Ｓ２上に設けられている。すなわち中間絶縁層２３は、基板２１の第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂの上方に配置されている。よって、主チャンネル層７ａは、基板２１の第１部分２１ａの上方に配置された中間絶縁層２３上に積層されている。また、突出チャンネル層７ｂは、基板２１の第２部分２１ｂの上方に配置された中間絶縁層２３上に積層されている。   The magnetic sensor 1 further includes a lower insulating layer 22 and an intermediate insulating layer 23. The lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 function as a base of the channel 7. The lower insulating layer 22 is provided on the first portion 21 a of the substrate 21. The intermediate insulating layer 23 is provided on the lower insulating layer 22 and the second magnetic shield layer S2. That is, the intermediate insulating layer 23 is disposed above the first portion 21 a and the second portion 21 b of the substrate 21. Therefore, the main channel layer 7 a is laminated on the intermediate insulating layer 23 disposed above the first portion 21 a of the substrate 21. Further, the protruding channel layer 7 b is laminated on the intermediate insulating layer 23 disposed above the second portion 21 b of the substrate 21.

下部絶縁層２２及び中間絶縁層２３は絶縁性材料からなり、例えばアルミナ等の酸化膜である。下部絶縁層２２の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．０２μｍ〜１μｍである。また、中間絶縁層２３の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．００３μｍ〜０．０３μｍである。このようにチャンネル７の下地である下部絶縁層２２や中間絶縁層２３を比較的厚くすることにより、チャンネル７からスピン流や電流がリークすることを抑制できる。   The lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 are made of an insulating material, for example, an oxide film such as alumina. The thickness (length in the Z-axis direction) of the lower insulating layer 22 is, for example, 0.02 μm to 1 μm. Moreover, the thickness (length in the Z-axis direction) of the intermediate insulating layer 23 is, for example, 0.003 μm to 0.03 μm. Thus, by making the lower insulating layer 22 and the intermediate insulating layer 23 that are the base of the channel 7 relatively thick, it is possible to suppress the leakage of spin current and current from the channel 7.

磁気センサ１は、更に、チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４を備えている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４は、チャンネル７（主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂ）と第１磁気シールド層Ｓ１との間に設けられている。突出チャンネル層７ｂの下面に設けられた中間絶縁層２３と、突出チャンネル層７ｂの上面及び側面さらには主チャンネル層７ａのＹ軸方向側の一側面に設けられたチャンネル−磁気シールド間絶縁層２４とによって、チャンネル７は、第１磁気シールド層Ｓ１及び第２磁気シールド層Ｓ２から絶縁されている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４は絶縁性材料からなり、例えばＳｉＯ２等の酸化膜である。 The magnetic sensor 1 further includes a channel-magnetic shield insulating layer 24. The channel-magnetic shield insulating layer 24 is provided between the channel 7 (the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b) and the first magnetic shield layer S1. The intermediate insulating layer 23 provided on the lower surface of the protruding channel layer 7b, and the channel-magnetic shield insulating layer 24 provided on the upper surface and side surfaces of the protruding channel layer 7b and further on one side surface of the main channel layer 7a in the Y-axis direction. Thus, the channel 7 is insulated from the first magnetic shield layer S1 and the second magnetic shield layer S2. The channel-magnetic shield insulating layer 24 is made of an insulating material, and is an oxide film such as SiO 2 .

以下、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ１の製造方法の一例を説明する。まず、予め準備した基板２１に、アライメントマークを形成する。アライメントマークを目印として、基板２１上において、第２磁気シールド層Ｓ２となる磁気シールド膜を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、ミリング法あるいはＲＩＥ法によって余分な磁気シールド膜を除去する。これにより、基板２１の第２部分２１ｂ上に第２磁気シールド層Ｓ２が形成される。   Hereinafter, an example of a method for manufacturing the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment will be described. First, alignment marks are formed on a substrate 21 prepared in advance. Using the alignment mark as a mark, a magnetic shield film to be the second magnetic shield layer S2 is formed on the substrate 21. Next, a resist mask is formed by photolithography, and an excess magnetic shield film is removed by milling or RIE. Thus, the second magnetic shield layer S2 is formed on the second portion 21b of the substrate 21.

続いて、下部絶縁層２２となる絶縁膜を基板２１の全面に形成し、ＣＭＰ法により第２磁気シールド層Ｓ２が露出するまで研磨する。これにより、基板２１の第１部分２１ａ上に下部絶縁層２２が形成される。次いで、ＭＢＥ法によって、中間絶縁層２３となる絶縁層を基板２１の全面、すなわち第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂ上に形成する。この中間絶縁層２３となる絶縁層として、例えばＨｆＯ２膜、ＳｉＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＯ膜、ＳｉＣ膜、又はＭｇＡｌ２Ｏ４膜などが挙げられ、厚さを例えば３〜３０ｎｍとする。 Subsequently, an insulating film to be the lower insulating layer 22 is formed on the entire surface of the substrate 21 and polished by CMP until the second magnetic shield layer S2 is exposed. As a result, the lower insulating layer 22 is formed on the first portion 21 a of the substrate 21. Next, an insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 is formed on the entire surface of the substrate 21, that is, on the first portion 21a and the second portion 21b by MBE. Examples of the insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 include an HfO 2 film, an SiO 2 film, an Al 2 O 3 film, an MgO film, an SiC film, or an MgAl 2 O 4 film, and the thickness is, for example, 3 to 30 nm. And

その後、ＭＢＥ法によって、中間絶縁層２３となる絶縁層上にチャンネル７となる半導体層を形成する。この半導体層として例えば５０ｎｍのＳｉ層が挙げられる。この半導体層をレーザーアニールにより結晶化する。   Thereafter, a semiconductor layer to be the channel 7 is formed on the insulating layer to be the intermediate insulating layer 23 by MBE. An example of this semiconductor layer is a 50 nm Si layer. This semiconductor layer is crystallized by laser annealing.

半導体層の結晶化後、ＲＣＡ洗浄及びフッ酸により半導体層の表面を洗浄する。続いて、ＭＢＥ法により半導体層上に障壁として例えばＭｇＯ層を１ｎｍ、第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２Ｂとして例えばＦｅ層を５ｎｍ、保護膜としてＴｉ層を３ｎｍ形成する。その後、イオンミリング法により保護膜を除去し、第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２ＢとなるＦｅ層の一部を除去し、例えば３ｎｍのＦｅ層とする。   After crystallization of the semiconductor layer, the surface of the semiconductor layer is cleaned by RCA cleaning and hydrofluoric acid. Subsequently, for example, an MgO layer having a thickness of 1 nm, a first ferromagnetic layer 12A and a second ferromagnetic layer 12B having a thickness of, for example, 5 nm, and a protective layer having a thickness of 3 nm are formed on the semiconductor layer by MBE. Thereafter, the protective film is removed by an ion milling method, and a part of the Fe layer that becomes the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is removed to form, for example, a 3 nm Fe layer.

さらに、第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２ＢとなるＦｅ層上に、スパッタ法により、例えばＣｏＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、ＩｒＭｎ、Ｒｕ、Ｔａの順からなるシンセティック複合膜を形成する。この構造により、Ｆｅ層が反強磁性層で固定されることとなる。   Further, a synthetic composite film made of, for example, CoFe, Ru, CoFe, IrMn, Ru, and Ta in this order is formed on the Fe layer to be the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B by sputtering. With this structure, the Fe layer is fixed by the antiferromagnetic layer.

続いて、磁場下でのアニールを行うことにより、第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２ＢとなるＦｅ層とＣｏＦｅ層の結合性向上、及び反強磁性層により第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化方向を固定する。この際、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１（例えばＸ軸方向）が、第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２（例えば−Ｘ軸方向）に対して反平行となるよう磁化方向を固定する。   Subsequently, annealing is performed under a magnetic field, thereby improving the coupling between the Fe layer and the CoFe layer that become the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, and the first ferromagnetic layer 12A by the antiferromagnetic layer. The magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B is fixed. At this time, the magnetization direction is fixed so that the magnetization direction G1 (for example, the X-axis direction) of the first ferromagnetic layer 12A is antiparallel to the magnetization direction G2 (for example, the -X-axis direction) of the second ferromagnetic layer 12B. To do.

アニール後、フォトリソグラフィ法により、レジストマスクを形成し、エッチング及びイオンミリングによって素子全体を加工する。この際、半導体層を加工することにより、図２に示すような主チャンネル層７ａと突出チャンネル層７ｂとを含むチャンネル７を形成する。   After annealing, a resist mask is formed by photolithography, and the entire device is processed by etching and ion milling. At this time, by processing the semiconductor layer, the channel 7 including the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b as shown in FIG. 2 is formed.

その後、チャンネル７の露出した側面に絶縁層を例えば５０ｎｍ形成する。そして、ＥＢ法あるいはフォトリソグラフィ法により、第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２ＢとなるＦｅ層と、シンセティック複合膜とを例えば矩形状に加工するためのマスクを形成する。このマスクを用いて、イオンミリング法により、チャンネル７上の不要な障壁層及び強磁性層及びチャンネル７の一部を除去する。これにより、チャンネル７の第１領域７１上に絶縁膜８１Ａを介して第１強磁性層１２Ａが形成され、チャンネル７の第２領域７２上に絶縁膜８１Ｂを介して第２強磁性層１２Ｂが形成される。   Thereafter, an insulating layer of, eg, 50 nm is formed on the exposed side surface of the channel 7. Then, a mask for processing the Fe layer to be the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and the synthetic composite film into, for example, a rectangular shape is formed by an EB method or a photolithography method. Using this mask, unnecessary barrier layers and ferromagnetic layers on the channel 7 and a part of the channel 7 are removed by ion milling. As a result, the first ferromagnetic layer 12A is formed on the first region 71 of the channel 7 via the insulating film 81A, and the second ferromagnetic layer 12B is formed on the second region 72 of the channel 7 via the insulating film 81B. It is formed.

さらに、チャンネル７の露出した表面、絶縁膜８１Ａ，８１Ｂの側面や第１強磁性層１２Ａ，第２強磁性層１２Ｂの側面に、絶縁層を例えば２０ｎｍ形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、基板２１の第１部分２１ａの上方をレジストマスクで覆い、第１磁気シールド層Ｓ１を基板２１の第２部分２１ｂの上方に形成する。これにより、突出チャンネル層７ｂが絶縁層（チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４）を介して第１磁気シールド層Ｓ１で覆われる。また、第１磁気シールド層Ｓ１が中間絶縁層２３を介して第２磁気シールド層Ｓ２上に形成される。このようにして、磁気シールドＳが、突出チャンネル層７ｂの厚み方向（Ｚ軸方向）の両側、及び突出チャンネル層７ｂの第１方向（Ｘ軸方向）の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、突出チャンネル層７ｂの突出方向の端面７ｃを露出させることとなる。   Further, an insulating layer of 20 nm, for example, is formed on the exposed surface of the channel 7, the side surfaces of the insulating films 81A and 81B, and the side surfaces of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. Subsequently, the upper portion of the first portion 21a of the substrate 21 is covered with a resist mask by photolithography, and the first magnetic shield layer S1 is formed above the second portion 21b of the substrate 21. Thereby, the protruding channel layer 7b is covered with the first magnetic shield layer S1 via the insulating layer (channel-magnetic shield insulating layer 24). The first magnetic shield layer S1 is formed on the second magnetic shield layer S2 via the intermediate insulating layer 23. Thus, the magnetic shield S covers both sides of the protruding channel layer 7b in the thickness direction (Z-axis direction) and both sides of the protruding channel layer 7b in the first direction (X-axis direction) via the insulating layer, and The end surface 7c in the protruding direction of the protruding channel layer 7b is exposed.

さらに、基板２１上に複数の電極用パッドを形成し、複数の電極用パッドを用いて、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間を配線する。以上の方法により、図１、図２及び図３に示す磁気センサ１が作製される。   Further, a plurality of electrode pads are formed on the substrate 21, and wiring is provided between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B using the plurality of electrode pads. By the above method, the magnetic sensor 1 shown in FIGS. 1, 2, and 3 is manufactured.

以下、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ１の作用効果を説明する。磁気センサ１を動作させる前に、例えば、図１、図２、及び図４（ａ）に示すように、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１（ここでは、第１方向に平行な方向、すなわちＸ軸方向）が第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２（ここでは、第１方向に反平行な方向、すなわち−Ｘ軸方向）に対して反平行となるよう磁化方向を固定する。   Hereinafter, the operation and effect of the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment will be described. Before operating the magnetic sensor 1, for example, as shown in FIGS. 1, 2, and 4A, the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A (here, a direction parallel to the first direction, That is, the magnetization direction is fixed so that the X-axis direction is antiparallel to the magnetization direction G2 of the second ferromagnetic layer 12B (here, the direction antiparallel to the first direction, that is, the −X axis direction).

この磁気センサ１では、チャンネル７が、主チャンネル層７ａと突出チャンネル層７ｂとを有し、磁気シールドＳが、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃを露出させるように、突出チャンネル層７ｂの突出方向の周りを取り囲んでいる。したがって、外部からの磁場Ｂを、露出した端面７ｃから選択的にチャンネル７に供給させることができる。   In this magnetic sensor 1, the channel 7 has a main channel layer 7a and a protruding channel layer 7b, and the magnetic shield S in the protruding direction of the protruding channel layer 7b so that the end surface 7c of the protruding channel layer 7b is exposed. Surrounds. Therefore, the magnetic field B from the outside can be selectively supplied to the channel 7 from the exposed end surface 7c.

図１に示すように、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂを電流源７０に接続し、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂの間に検出用電流を流す。例えば、強磁性体である第１強磁性層１２Ａから絶縁膜８１Ａを介して非磁性の主チャンネル層７ａに電流が流れることにより、第１強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル７に注入される。注入されたスピンは電荷と共に第２強磁性層１２Ｂ側へ拡散していく。このように、チャンネル７に流れる電流及びスピン流が、主に第１方向（Ｘ軸方向）に流れる構造とすることができる。この構成において、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが反平行である場合、チャンネル７に注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、チャンネル７内に留まり易くなると考えられる。   As shown in FIG. 1, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are connected to a current source 70, and a detection current is passed between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. For example, when a current flows from the first ferromagnetic layer 12A, which is a ferromagnetic material, to the nonmagnetic main channel layer 7a via the insulating film 81A, the direction corresponding to the magnetization direction G1 of the first ferromagnetic layer 12A is obtained. Electrons having a spin are injected into the channel 7. The injected spin is diffused along with the electric charge toward the second ferromagnetic layer 12B. In this way, the current and spin current flowing through the channel 7 can be configured to flow mainly in the first direction (X-axis direction). In this configuration, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the spin injected into the channel 7 is difficult to be absorbed by the other ferromagnetic layer, It is thought that it becomes easy to stay in.

ここで、チャンネル７に外部磁場Ｂを印加しないとき、すなわち外部磁場Ｂがゼロのとき、チャンネル７の第１領域７１と第２領域７２との間の第３領域７３を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きＧ２と同一方向のスピンが第２領域７２まで拡散してくることとなる。したがって、外部磁場Ｂがゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が最大値となる。出力は、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂに接続した電圧測定器８０などの出力測定器により評価することができる。   Here, when the external magnetic field B is not applied to the channel 7, that is, when the external magnetic field B is zero, the direction of the spin that diffuses in the third region 73 between the first region 71 and the second region 72 of the channel 7 is Does not rotate. Therefore, spins in the same direction as the magnetization direction G 2 of the second ferromagnetic layer 12 B set in advance diffuse to the second region 72. Therefore, when the external magnetic field B is zero, the resistance output or voltage output becomes the maximum value. The output can be evaluated by an output measuring device such as a voltage measuring device 80 connected to the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

対して、チャンネル７に外部磁場Ｂを印加する場合を考える。外部磁場Ｂは、貫通穴Ｈで露出する突出チャンネル層７ｂの端面７ｃからチャンネル７に印加される。図１の例では、外部磁場Ｂを、第１強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１（Ｘ軸方向）及び第２強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２（−Ｘ軸方向）に対して垂直な方向（−Ｙ軸方向）から印加する。外部磁場Ｂを印加すると、チャンネル７内であって貫通穴Ｈに対応する領域を伝播してきたスピンの向きは、外部磁場Ｂの軸方向（−Ｙ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンの回転に起因して、電気抵抗は変化する（いわゆる磁気抵抗効果）。つまり、外部磁場Ｂを印加する場合、第１強磁性層１２Ａから注入されチャンネル７を伝播するスピンの向きは回転するので第１強磁性層１２Ａにおける磁化の向きからずれた状態になる。よって、出力は、外部磁場Ｂがゼロのときに最大値をとる場合、外部磁場Ｂを印加することにより、最大値から減少することとなる。これ故、外部磁場の印加の有無によって、スピンの回転の度合いに応じた出力を検出できる。また、チャンネルの露出した端面の大きさに対応する微小領域からの磁束を検出できる。   On the other hand, consider a case where an external magnetic field B is applied to the channel 7. The external magnetic field B is applied to the channel 7 from the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed at the through hole H. In the example of FIG. 1, the external magnetic field B is perpendicular to the magnetization direction G1 (X-axis direction) of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction G2 (−X-axis direction) of the second ferromagnetic layer 12B ( -Apply from (Y axis direction). When the external magnetic field B is applied, the direction of the spin that has propagated through the region corresponding to the through hole H in the channel 7 rotates around the axial direction (−Y axis direction) of the external magnetic field B (so-called Hanle effect). ). Due to this spin rotation, the electrical resistance changes (so-called magnetoresistance effect). That is, when the external magnetic field B is applied, the direction of the spin injected from the first ferromagnetic layer 12A and propagating through the channel 7 is rotated, so that it is deviated from the magnetization direction in the first ferromagnetic layer 12A. Therefore, when the maximum value is obtained when the external magnetic field B is zero, the output is decreased from the maximum value by applying the external magnetic field B. Therefore, an output corresponding to the degree of spin rotation can be detected depending on whether or not an external magnetic field is applied. Further, it is possible to detect a magnetic flux from a minute region corresponding to the size of the exposed end face of the channel.

なお、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが平行である場合、出力の変化を読み取ることは困難である。これは、チャンネル７に注入されたスピンがチャンネル内を素早く伝播し、突出チャンネル層７ｂから印加される外部磁場の影響を受けにくくなるためであると考えられる。   In addition, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, it is difficult to read the change in output. This is presumably because the spin injected into the channel 7 quickly propagates through the channel and is less affected by the external magnetic field applied from the protruding channel layer 7b.

図６は、磁気センサ１における磁気抵抗測定法による外部磁場と抵抗出力との関係を示すグラフである。図６中にＲ１で示すように、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが反平行である場合、外部磁場がゼロのときの最大値は０．００００８（Ｖ）程度となっている。対して、図６中にＲ２で示すように、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが平行である場合、外部磁場がゼロのときのピークが見られない。これは、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが反平行である場合、チャンネル７に注入されたスピンは他方の強磁性層に吸収されにくくなり、逆に、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが平行である場合、チャンネル７に注入されたスピンは素早くチャンネル７を伝播し、外部磁場Ｂの影響を受けにくくなることに起因すると考えられる。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the resistance output by the magnetoresistance measurement method in the magnetic sensor 1. As indicated by R1 in FIG. 6, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the maximum value when the external magnetic field is zero is 0.00008 (V). It is about. On the other hand, as indicated by R2 in FIG. 6, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, no peak is observed when the external magnetic field is zero. This is because when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the spin injected into the channel 7 is not easily absorbed by the other ferromagnetic layer. When the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, the spin injected into the channel 7 quickly propagates through the channel 7 and is less affected by the external magnetic field B. Conceivable.

また、磁気抵抗測定法を用いる本発明の磁気センサでは、図７や図８に示すような従来の非局所測定法を用いる磁気センサよりも格段に出力を高めることができる。比較として、図１０に、図７や図８に示す磁気センサＰ１、Ｐ２のような非局所測定法における外部磁場と抵抗出力との関係を示す。図１０中にＲ３で示すように第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが平行である場合、外部磁場がゼロのときの極大値は０．００００２（Ｖ）程度となっている。また、図１０中にＲ４で示すように第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きが反平行である場合、外部磁場がゼロのときの極小値は−０．００００２（Ｖ）程度となっている。このように、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の向きを反平行とし、磁気抵抗測定法を用いる磁気センサ１では、非局所測定法を用いる磁気センサＰ１、Ｐ２よりも格段に高い出力を得ることができる。   Further, in the magnetic sensor of the present invention using the magnetoresistance measurement method, the output can be remarkably increased as compared with the magnetic sensor using the conventional non-local measurement method as shown in FIGS. As a comparison, FIG. 10 shows the relationship between the external magnetic field and the resistance output in a non-local measurement method such as the magnetic sensors P1 and P2 shown in FIGS. As indicated by R3 in FIG. 10, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel, the maximum value when the external magnetic field is zero is about 0.00002 (V). It has become. Further, when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel as indicated by R4 in FIG. 10, the minimum value when the external magnetic field is zero is −0.00002 ( V) grade. As described above, in the magnetic sensor 1 using the magnetoresistance measurement method in which the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are antiparallel, the magnetic sensors P1 and P2 using the nonlocal measurement method are used. A remarkably high output can be obtained.

また、磁気抵抗測定法におけるスピン伝導のための実効的な距離ｄＭＲは、チャンネル７における第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂまでの距離であり、図９に示す非局所測定法におけるスピン伝導のための実効的な距離ｄＮＬよりも短い。よって、スピンの伝導距離に起因する出力の減衰の影響が小さくなり、高出力化が実現できる。実際、図６のＲ１に示したように、磁気抵抗測定法を用い、第１強磁性層１２Ａの磁化方向を第２強磁性層１２Ｂの磁化方向に反平行とした場合の出力は、０．００００８Ｖである。対して、図１０のＲ３に示したように、非局所測定法を用い、第１強磁性層１２Ａの磁化方向を第２強磁性層１２Ｂの磁化方向に平行とした場合の出力は、０．００００２Ｖである。よって、磁気抵抗測定法における出力は、非局所測定法における出力の４倍とすることができる。これは、実効的なスピンの伝導距離が短くなったことによって２倍程度の出力の増大を得られるとともに、非局所測定法と磁気抵抗測定法とによる原理的な観測手法の違いによって、更に２倍程度の出力の増大を得られることを示していると考えられる。また、実効的なスピンの伝導距離が短くなることによって、温度に対しての出力変化も抑制できると考えられる。 Further, the effective distance d MR for spin conduction in the magnetoresistance measurement method is the distance from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B in the channel 7, and the non-local measurement method shown in FIG. Shorter than the effective distance d NL for spin conduction at. Therefore, the influence of output attenuation due to the spin conduction distance is reduced, and high output can be realized. Actually, as shown by R1 in FIG. 6, when the magnetoresistance measurement method is used and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is antiparallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B, the output is 0. 00008V. On the other hand, as shown by R3 in FIG. 10, the output when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B using the non-local measurement method is 0. 00002V. Therefore, the output in the magnetoresistance measurement method can be four times the output in the non-local measurement method. This is because an increase in output of about 2 times can be obtained by shortening the effective spin conduction distance, and it is further reduced by 2 due to the difference in the principle observation method between the non-local measurement method and the magnetoresistance measurement method. This is considered to indicate that an output increase of about double is obtained. Moreover, it is considered that the change in output with respect to temperature can be suppressed by shortening the effective spin conduction distance.

また、本実施形態に係る磁気抵抗型の磁気センサ１では、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂを電極とする２端子構造とすることができるので、図７や図８に示す従来の非局所型の磁気センサＰ１、Ｐ２のような４端子構造における第一参照電極２０Ａや第二参照電極２０Ｂを不要とすることができる。   Further, in the magnetoresistive magnetic sensor 1 according to the present embodiment, a two-terminal structure using the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B as electrodes can be used, and therefore, as shown in FIG. 7 and FIG. The first reference electrode 20A and the second reference electrode 20B in a four-terminal structure such as the conventional non-local type magnetic sensors P1 and P2 can be eliminated.

上述のように、本実施形態に係る磁気センサ１では、外部磁場Ｂがゼロのときに最大出力のピークが現れ、外部磁場Ｂを増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場Ｂの有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサ１を磁気検出素子として使用できる。よって、例えば磁気ヘッドなどに本実施形態に係る磁気センサ１を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、この磁気センサ１では、ヒステリシスがない。   As described above, in the magnetic sensor 1 according to this embodiment, the peak of the maximum output appears when the external magnetic field B is zero, and when the external magnetic field B is increased or decreased, the output decreases. That is, since the output varies depending on the presence or absence of the external magnetic field B, the magnetic sensor 1 according to the present embodiment can be used as a magnetic detection element. Therefore, for example, when the magnetic sensor 1 according to the present embodiment is applied to a magnetic head or the like and the positive / negative timing of the external magnetic field is read, an output peak appears at the zero where the magnetic field of the domain wall cancels. Judgment can be made. Further, this magnetic sensor 1 has no hysteresis.

また、磁気シールドＳから露出させた突出チャンネル層７ｂの端面７ｃを用いることにより、端面７ｃの大きさに対応する微小な磁束が検出可能となる。この際、外部磁場の検出の解像度は端面７ｃの大きさで決定されるので、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂのサイズ（例えばＸＹ平面の面積）を微細化することなく、微小領域から磁束を検出できる。よって、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂを微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することも可能となる。   Further, by using the end face 7c of the protruding channel layer 7b exposed from the magnetic shield S, a minute magnetic flux corresponding to the size of the end face 7c can be detected. At this time, since the resolution of detection of the external magnetic field is determined by the size of the end face 7c, the size (for example, the area of the XY plane) of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is not reduced. Magnetic flux can be detected from a minute region. Therefore, it is also possible to suppress an increase in element resistance due to the miniaturization of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

また、磁気センサ１では上述のように、磁気シールドＳが、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃを露出させるように、突出チャンネル層７ｂの突出方向（Ｙ軸方向）の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドＳの一部（第２磁気シールド層Ｓ２）を基板２１上に形成しておき、その上に、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂを含むチャンネル７を形成し、さらに、その後、突出チャンネル層７ｂの横及び上に磁気シールドＳの他の一部（第１磁気シールド層Ｓ１）を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。また、例えば、磁気センサ１を磁気ヘッドに適用する場合には、ＡＢＳ面と垂直に積層することができるので、同様にＡＢＳ面と垂直に積層されて形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。   In the magnetic sensor 1, as described above, the magnetic shield S surrounds the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b so that the end surface 7c of the protruding channel layer 7b is exposed. In such a structure, a part of the magnetic shield S (second magnetic shield layer S2) is previously formed on the substrate 21, and the channel 7 including the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b is formed thereon. Furthermore, after that, by forming another part (first magnetic shield layer S1) of the magnetic shield S on the side and on the protruding channel layer 7b, it can be easily formed and the mass productivity is high. Further, for example, when the magnetic sensor 1 is applied to a magnetic head, the magnetic sensor 1 can be stacked perpendicularly to the ABS surface. High compatibility and preferable.

さらに、本実施形態に係る磁気センサ１では、図７に示す磁気センサＰ１や図８に示す磁気センサＰ２のように、位置合わせを用いて磁気シールドに磁界供給用の貫通穴を開けるプロセスを必要としない。よって、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃの厚み（Ｚ軸方向の長さ）を、主チャンネル層７ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）と同じにすることが容易である。したがって、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃから印可される外部磁場Ｂの侵入領域の厚み（Ｚ軸方向の長さ）を、スピンの流れる主チャンネル層７ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）と同等とすることができるので、出力も高めることができる。   Furthermore, in the magnetic sensor 1 according to the present embodiment, a process for forming a through hole for supplying a magnetic field in the magnetic shield using alignment is required as in the magnetic sensor P1 shown in FIG. 7 and the magnetic sensor P2 shown in FIG. And not. Therefore, it is easy to make the thickness (length in the Z-axis direction) of the end face 7c of the protruding channel layer 7b the same as the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a. Therefore, the thickness (length in the Z-axis direction) of the penetration region of the external magnetic field B applied from the end face 7c of the protruding channel layer 7b is equal to the thickness (length in the Z-axis direction) of the main channel layer 7a through which spin flows. Therefore, the output can be increased.

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。突出チャンネル層７ｂの突出方向の端面７ｃの形状は上述した矩形に限定されず、例えば三角形、台形、又は円形であってもよい。いずれの形状においても、外部磁場Ｂを好適に検出できる。例えば図３（ｂ）に示す例では、端面７ｃの形状は、上底の長さが下底の長さよりも短い台形である。また、図３（ｃ）に示す例では、端面７ｃの形状は、上底の長さが下底の長さよりも長い台形である。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment. The shape of the end surface 7c in the protruding direction of the protruding channel layer 7b is not limited to the above-described rectangle, and may be, for example, a triangle, a trapezoid, or a circle. In any shape, the external magnetic field B can be suitably detected. For example, in the example shown in FIG. 3B, the shape of the end surface 7c is a trapezoid in which the length of the upper base is shorter than the length of the lower base. In the example shown in FIG. 3C, the shape of the end surface 7c is a trapezoid in which the length of the upper base is longer than the length of the lower base.

また、上記実施形態では図４（ａ）に示すように、チャンネル７の主チャンネル層７ａが厚み方向からみて矩形である例を示した。しかし、図４（ｂ）に示すように、主チャンネル層７ａにおける、突出チャンネル層７ｂと反対側の側面が窪んでいることが好ましい。すなわち、第３領域７３におけるチャンネル７が突出チャンネル層７ｂにおいて蛇行した形状をなしている。このような形状により、チャンネル７内のスピン流を突出チャンネル層７ｂ、すなわち貫通穴Ｈ側に好適に通過させることができる。よって、外部磁場Ｂに対する磁気センサ１の感度を高くすることができ、出力特性をより向上することができる。   Moreover, in the said embodiment, as shown to Fig.4 (a), the main channel layer 7a of the channel 7 showed the example which is a rectangle seeing from the thickness direction. However, as shown in FIG. 4B, the side surface of the main channel layer 7a opposite to the protruding channel layer 7b is preferably recessed. That is, the channel 7 in the third region 73 has a meandering shape in the protruding channel layer 7b. With such a shape, the spin current in the channel 7 can be suitably passed to the protruding channel layer 7b, that is, the through hole H side. Therefore, the sensitivity of the magnetic sensor 1 with respect to the external magnetic field B can be increased, and the output characteristics can be further improved.

また、図４（ａ）や図４（ｂ）の例では、突出チャンネル層７ｂは、チャンネル７の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て傾斜部を有する台形状をなす。すなわち、図４（ａ）や図４（ｂ）の例では、チャンネル７の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て突出チャンネル層７ｂの形状が、突出方向（Ｙ軸方向）の先端側の幅（Ｘ軸方向の長さ）よりも、主チャンネル層７ａ側の幅（Ｘ軸方向の長さ）が広い山形となっている。しかし、突出チャンネル層７ｂの形状はこれに限定されない。例えば、突出チャンネル層７ｂにおける突出方向（Ｙ軸方向）の先端側の幅（Ｘ軸方向の長さ）が、主チャンネル層７ａ側の幅（Ｘ軸方向の長さ）と同じでもよい。ただし、突出チャンネル層７ｂの露出する端面７ｃは平坦面であることが好ましい。   4A and 4B, the protruding channel layer 7b has a trapezoidal shape having an inclined portion when viewed from the thickness direction of the channel 7 (Z-axis direction). That is, in the examples of FIGS. 4A and 4B, the shape of the protruding channel layer 7b when viewed from the thickness direction (Z-axis direction) of the channel 7 is the width on the tip side in the protruding direction (Y-axis direction). The main channel layer 7a side has a wider width (length in the X-axis direction) than (length in the X-axis direction). However, the shape of the protruding channel layer 7b is not limited to this. For example, the width (length in the X-axis direction) on the front end side in the protruding direction (Y-axis direction) of the protruding channel layer 7b may be the same as the width (length in the X-axis direction) on the main channel layer 7a side. However, the exposed end surface 7c of the protruding channel layer 7b is preferably a flat surface.

また、上記実施形態では、第１強磁性層１２Ａの磁化の方向が第１方向に平行な方向（Ｘ軸方向）であり、第２強磁性層１２Ｂの磁化の方向が第１方向に反平行な方向（−Ｘ軸方向）である場合を示した。上述のように、外部磁場Ｂをチャンネル７に印加すると、チャンネル７内のスピンの向きは、印加磁場Ｂの軸周り（Ｙ軸周り）に回転する。仮に、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の方向が、突出チャンネル層７ｂの突出する方向に平行な場合、どちらの強磁性層からスピンを注入しても、外部磁場Ｂの印加によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、磁場を好適に検出するために、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの磁化の方向は、突出チャンネル層７ｂが突出する方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向であればよい。   In the above embodiment, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is a direction parallel to the first direction (X-axis direction), and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B is antiparallel to the first direction. In this case, the direction is a negative direction (−X axis direction). As described above, when the external magnetic field B is applied to the channel 7, the spin direction in the channel 7 rotates around the axis of the applied magnetic field B (around the Y axis). If the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are parallel to the protruding direction of the protruding channel layer 7b, the external magnetic field B can be generated regardless of which ferromagnetic layer the spin is injected. Rotation does not occur in the spin direction due to the application of magnetic flux, and it is difficult to detect the magnetic flux. Therefore, in order to detect the magnetic field appropriately, the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are perpendicular to the direction in which the protruding channel layer 7b protrudes (Y-axis direction). Good.

例えば、第１強磁性層１２Ａの磁化の方向は、チャンネル層７に対する第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの積層方向に平行な方向（例えばＺ軸方向）であり、第２強磁性層１２Ｂの磁化の方向は、チャンネル層７に対する第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの積層方向に反平行な方向（例えば−Ｚ軸方向）であってもよい。この場合においても、強磁性層から注入されチャンネル７内を伝導するスピンの磁化方向が、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃから印可される外部磁場Ｂによって回転することとなる。よって、上述のような磁束の検出を好適にできる。   For example, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A is a direction parallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel layer 7 (for example, the Z-axis direction), and the second strong layer The direction of magnetization of the magnetic layer 12B may be a direction (eg, −Z axis direction) antiparallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B with respect to the channel layer 7. Also in this case, the magnetization direction of the spin injected from the ferromagnetic layer and conducted in the channel 7 is rotated by the external magnetic field B applied from the end face 7c of the protruding channel layer 7b. Therefore, it is possible to suitably detect the magnetic flux as described above.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることが好ましい。反強磁性層が、第１強磁性層あるいは第２強磁性層と交換結合することにより、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の磁化方向に、一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第１強磁性層や第２強磁性層を得られる。   At least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is caused by an antiferromagnetic layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. It is preferably fixed. When the antiferromagnetic layer is exchange coupled with the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, unidirectional anisotropy can be imparted to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer. It becomes possible. In this case, a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer having a higher coercive force in one direction can be obtained than when no antiferromagnetic layer is provided.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されていることが好ましい。この場合、第１強磁性層及び第２強磁性層のうちの少なくとも一方を適切な形状になるように形成することにより、その磁化方向を固定することができる。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer has a magnetization direction fixed by shape anisotropy. In this case, the magnetization direction can be fixed by forming at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer so as to have an appropriate shape.

また、第１強磁性層の磁化の方向及び第２強磁性層の磁化の方向のうち少なくとも一方が、反強磁性層及び形状異方性によって固定されていることが好ましい。この場合、さらなる高出力化が可能である。   In addition, it is preferable that at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by the antiferromagnetic layer and the shape anisotropy. In this case, further higher output is possible.

また、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂ間において、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂの表面は絶縁層に覆われていることが好ましい。また、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃは磁気シールドＳには覆われておらず、露出している。なお、この端面７ｃが磁気記録媒体２０と接触することを抑制するために、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃには、保護用の絶縁膜が形成されていてもよく、あるいは端面７ｃに潤滑剤が塗布されていてもよい。   Moreover, it is preferable that the surfaces of the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b are covered with an insulating layer between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. Further, the end face 7c of the protruding channel layer 7b is not covered with the magnetic shield S but is exposed. In order to prevent the end surface 7c from coming into contact with the magnetic recording medium 20, a protective insulating film may be formed on the end surface 7c of the protruding channel layer 7b, or a lubricant may be applied to the end surface 7c. It may be applied.

また、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂ間において、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂは磁気シールドＳと電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合、主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂから磁気シールドに電流やスピン流が流出することを抑制できる。   Further, it is preferable that the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b are electrically insulated from the magnetic shield S between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, it is possible to suppress the outflow of current and spin current from the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b to the magnetic shield.

また、図１に点線で示すように、突出チャンネル層７ｂの端面７ｃを介して主チャンネル層７ａにバイアス磁界を供給する永久磁石９０をさらに備えることが好ましい。永久磁石による磁場をチャンネルに印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石９０を用いて磁場をチャンネルに印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。なお、図１では、磁気センサ１が二つの永久磁石９０を備える例を示すが、磁気センサ１は一つ以上の永久磁石９０を備えればよい。   Further, as indicated by a dotted line in FIG. 1, it is preferable to further include a permanent magnet 90 for supplying a bias magnetic field to the main channel layer 7a via the end face 7c of the protruding channel layer 7b. When a magnetic field by a permanent magnet is not applied to the channel, an output peak appears when the detection-target external magnetic field is zero, but the output peak position is shifted by applying a magnetic field to the channel using the permanent magnet 90. It is possible to generate an output peak when the external magnetic field is not zero. 1 illustrates an example in which the magnetic sensor 1 includes two permanent magnets 90, the magnetic sensor 1 may include one or more permanent magnets 90.

また、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。   The material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or a group. A compound containing one or more selected elements and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge is preferable. Since these materials are ferromagnetic materials having a high spin polarizability, the function as a spin injection electrode or a spin reception electrode can be suitably realized.

また、チャンネル７（主チャンネル層７ａ及び突出チャンネル層７ｂ）の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル７内に好適にスピンを蓄積できる。また、外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力のピークの半値幅は、チャンネル７におけるスピン寿命の逆数に比例するので、スピン寿命が長ければ磁場感度が良くなることとなる。チャンネル７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。また、チャンネル７におけるスピン寿命が短い方が磁場感度は悪くなるものの、広い範囲の磁場を検出できる。   The material of the channel 7 (the main channel layer 7a and the protruding channel layer 7b) is preferably a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Since these semiconductors have a relatively long spin diffusion length, spins can be suitably accumulated in the channel 7. Further, the half width of the peak of the voltage output or resistance output with respect to the external magnetic field is proportional to the reciprocal of the spin lifetime in the channel 7, so that the magnetic field sensitivity is improved if the spin lifetime is long. Examples of the material having a long spin life used for the channel 7 include Si and GaAs, and Si is particularly preferable. Moreover, although the magnetic field sensitivity becomes worse as the spin lifetime in the channel 7 is shorter, a wide range of magnetic fields can be detected.

また、上述した磁気センサ１の製造方法では、障壁としてＭｇＯ層を半導体層上に形成する例を示したが、障壁としてＭｇＡｌ２Ｏ４層を半導体層上に形成してもよい。この場合、例えば、チャンネル７となる半導体層（例えばＳｉ）の表面を洗浄する。次いで、洗浄された半導体層上にＭｇ膜、Ａｌ膜を順に成膜し、その後、酸化チャンバーにおいて酸化工程を行う。障壁の膜厚が所定の膜厚に達するまで、このＭｇ膜、Ａｌ膜の酸化工程を繰り返し行う。但し、かかる繰り返し工程における最後の工程では、Ｍｇ膜、Ａｌ膜、Ｍｇ膜の順に成膜を実施する。また、Ｍｇ膜とＡｌ膜との比が定量比となるように実施する。続いて、上述した磁気センサ１の製造方法と同様に、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂや、Ｃａｐ層（例えば上述のシンセティック複合膜）を障壁の上に形成する。その後、磁場下でのアニール（例えば２５０度、３時間、３ｋＯｅ）を実施することにより、ＭｇＡｌ２Ｏ４層の結晶膜を形成する。 In the manufacturing method of the magnetic sensor 1 described above, although an example of forming the MgO layer on the semiconductor layer as a barrier may be formed MgAl 2 O 4 layer on the semiconductor layer as a barrier. In this case, for example, the surface of the semiconductor layer (for example, Si) that becomes the channel 7 is cleaned. Next, an Mg film and an Al film are sequentially formed on the cleaned semiconductor layer, and then an oxidation process is performed in an oxidation chamber. This Mg film and Al film oxidation process is repeated until the barrier film thickness reaches a predetermined film thickness. However, in the last step in such a repetition step, the Mg film, the Al film, and the Mg film are formed in this order. Moreover, it implements so that ratio of Mg film | membrane and Al film | membrane may become a quantitative ratio. Subsequently, similarly to the method for manufacturing the magnetic sensor 1 described above, the first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the Cap layer (for example, the above-described synthetic composite film) are formed on the barrier. Thereafter, annealing is performed under a magnetic field (for example, 250 degrees, 3 hours, 3 kOe) to form a MgAl 2 O 4 layer crystal film.

また、主チャンネル層７ａと、第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に設けられる障壁として、絶縁膜からなるトンネル障壁を適用する例を示したが、障壁はショットキー障壁でもよい。このようなショットキー障壁は、例えば、金属からなる第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの少なくとも一方が、半導体からなる主チャンネル層７ａとショットキー接合することで形成される。あるいは、ショットキー障壁は、主チャンネル層７ａと第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの少なくとも一方との間に配置された金属層が、半導体からなる主チャンネル層７ａとショットキー接合することで形成されてもよい。   Further, an example in which a tunnel barrier made of an insulating film is applied as a barrier provided between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has been shown. A Schottky barrier may be used. Such a Schottky barrier is formed, for example, when at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B made of metal is in Schottky junction with the main channel layer 7a made of semiconductor. Alternatively, the Schottky barrier is configured such that the metal layer disposed between the main channel layer 7a and at least one of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B has a Schottky junction with the main channel layer 7a made of a semiconductor. It may be formed by doing.

図５は、薄膜磁気記録再生ヘッド（磁気ヘッド）１００Ａを示す模式図である。上述の磁気センサ１を薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａの読取ヘッド部１００ａに適用することができる。具体的に薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（Air Bearing Surface：媒体対向面）ＡＢＳが磁気記録媒体２０の記録面２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサ１における貫通穴Ｈから露出した突出チャンネル層７ｂの端面７ｃが、このエアベアリング面ＡＢＳに対応するように配置されることとなる。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a thin film magnetic recording / reproducing head (magnetic head) 100A. The magnetic sensor 1 described above can be applied to the read head portion 100a of the thin film magnetic recording / reproducing head 100A. Specifically, the thin film magnetic recording / reproducing head 100 </ b> A performs magnetic information recording and reading operations at a position where its air bearing surface (air bearing surface) ABS is disposed opposite to the recording surface 20 a of the magnetic recording medium 20. I do. The end surface 7c of the protruding channel layer 7b exposed from the through hole H in the magnetic sensor 1 is disposed so as to correspond to the air bearing surface ABS.

磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図５中Ｚ軸方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体２０から記録を読み取る読取ヘッド部１００ａの他に、磁気記録媒体２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備える。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、基板２１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。   The magnetic recording medium 20 includes a recording layer 20b having a recording surface 20a and a soft magnetic backing layer 20c laminated on the recording layer 20b. A thin film is formed in the direction indicated by the Z-axis direction in FIG. Progress relative to the magnetic recording / reproducing head 100A. The thin-film magnetic recording / reproducing head 100 </ b> A includes a recording head unit 100 b that performs recording on the magnetic recording medium 20 in addition to the reading head unit 100 a that reads records from the magnetic recording medium 20. The read head unit 100a and the recording head unit 100b are provided on the substrate 21 and are covered with a nonmagnetic insulating layer such as alumina.

図５に示すように、読取ヘッド部１００ａの上に、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２０の記録層２０ｂ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１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薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを提供できる。   As shown in FIG. 5, a recording head unit 100b for writing is provided on the reading head unit 100a. In the recording head portion 100b, a contact portion 32 and a main magnetic pole 33 are provided on the return yoke 30, and these form a magnetic flux path. A thin film coil 31 is provided so as to surround the contact portion 32. When a recording current is passed through the thin film coil 31, magnetic flux is emitted from the tip of the main magnetic pole 33, and information is recorded on the recording layer 20b of the magnetic recording medium 20 such as a hard disk. Can be recorded. As described above, the thin film magnetic recording / reproducing head 100A capable of detecting a magnetic flux from a minute region such as a recording medium can be provided by using the magnetic sensor 1 of the present invention.

また、例えば、チャンネル７として例えばグラフェン層７０ａを用いることができる。グラフェン層７０ａは、スピン注入によりスピンが蓄積される層である。グラフェンとは、炭素原子が６角形の網の目状に平面的に結合した構造のシートである。グラフェン層７０ａは、複数のグラフェンシートが積層したものであってもよいが、３層以下のグラフェンシートであることが好ましく、２層以下がより好ましく、単層グラフェンシートであることが最も好ましい。これにより、グラフェン層７０ａの厚みを極限まで薄くでき、極めて微小領域からの磁束を選択的に検出可能となる。   For example, the graphene layer 70 a can be used as the channel 7, for example. The graphene layer 70a is a layer in which spins are accumulated by spin injection. Graphene is a sheet having a structure in which carbon atoms are planarly bonded in a hexagonal network. The graphene layer 70a may be a laminate of a plurality of graphene sheets, but is preferably a graphene sheet having three or less layers, more preferably two or less layers, and most preferably a single-layer graphene sheet. As a result, the thickness of the graphene layer 70a can be made as thin as possible, and the magnetic flux from an extremely small region can be selectively detected.

このようなグラフェン層７０ａは、例えば、剥離用、分解法により得ることができる。剥離法では、例えば、図１１（ａ）に示すように、高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）４００を用意する。この高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）４００は、単層グラフェンシート４０１が多数積層されたものである。また、有機溶媒に可溶なフィルム基材５０１上に、レジスト層５０３を塗布した剥離板５００を用意する。   Such a graphene layer 70a can be obtained by, for example, a peeling or decomposition method. In the peeling method, for example, as shown in FIG. 11A, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) 400 is prepared. This highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) 400 is obtained by laminating a large number of single-layer graphene sheets 401. In addition, a release plate 500 in which a resist layer 503 is applied on a film substrate 501 that is soluble in an organic solvent is prepared.

続いて、図１１（ｂ）に示すように、常圧下でフィルム基材５０１上のレジスト層５０３をＨＯＰＧ４００と接触させる。これにより、レジスト層５０とＨＯＰＧ４００とが付着する。続いて、ＨＯＰＧ４００と剥離板５００とを真空下におき、図１１（ｃ）に示すように、ＨＯＰＧ４００から剥離板５００をはがす。これにより、剥離板５００のレジスト層５０３上に、最初のＨＯＰＧ４００から、一部の、すなわち、１層又は複数層のグラフェンシートが剥離されて付着する。   Subsequently, as shown in FIG. 11B, the resist layer 503 on the film substrate 501 is brought into contact with the HOPG 400 under normal pressure. As a result, the resist layer 50 and the HOPG 400 are attached. Subsequently, the HOPG 400 and the peeling plate 500 are placed under vacuum, and the peeling plate 500 is peeled from the HOPG 400 as shown in FIG. Thereby, a part of the graphene sheet, that is, one layer or a plurality of layers of the graphene sheet is peeled and attached from the first HOPG 400 on the resist layer 503 of the peeling plate 500.

さらに、図１２（ａ）に示すように、別の剥離板５００を用意し、真空を維持した状態で、剥離された複数層のグラフェンシート４０１にレジストを接触させ、再び、図１２（ｂ）に示すように剥離する。このような作業を、付着したレジスト層が、所望の膜厚になるように光学顕微鏡等で観察しながら、この付着、剥離を真空中で繰り返す。   Further, as shown in FIG. 12 (a), another release plate 500 is prepared, and the resist is brought into contact with the peeled plural layers of graphene sheets 401 in a state where the vacuum is maintained. Peel off as shown. Such adhesion and peeling are repeated in vacuum while observing such an operation with an optical microscope or the like so that the adhered resist layer has a desired film thickness.

その後、剥離板５００のレジスト層５０３上に付着したグラフェンシート４０１を、基材、図１２（ｃ）に示すように、例えば、基板２１上に、下部絶縁層２２、中間絶縁層２３、及び第２磁気シールド層Ｓ２を積層した基材の中間絶縁層２３上に真空中で付着させ、その後、常圧に戻してから有機溶媒でフィルム基材５０１を溶かし、レジストを溶解・洗浄することにより、図１２（ｄ）に示すように、剥離板５００から所望の基材上に所望の層数のグラフェンシート４０１を配置することができる。   After that, the graphene sheet 401 attached on the resist layer 503 of the peeling plate 500 is formed on the base material, for example, on the substrate 21 as shown in FIG. (2) By adhering in vacuum on the intermediate insulating layer 23 of the base material on which the magnetic shield layer S2 is laminated, and then returning to normal pressure, dissolving the film base material 501 with an organic solvent, dissolving and washing the resist, As illustrated in FIG. 12D, a graphene sheet 401 having a desired number of layers can be disposed on a desired base material from the release plate 500.

また、分解法では、まず、例えば、ＣＶＤ法等により形成したＳｉＣ層に対して必要に応じて、酸化及び水素エッチングを行なった後、電子衝撃加熱等によってシリコン原子を脱離させることによって、ＳｉＣ層上に、グラフェンシートを形成できる。   Further, in the decomposition method, first, for example, after performing oxidation and hydrogen etching on the SiC layer formed by the CVD method or the like as necessary, the silicon atoms are desorbed by electron impact heating or the like, so that the SiC layer is desorbed. A graphene sheet can be formed on the layer.

また、図４（ａ）に示したように、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間で主チャンネル層７ａが第１方向の直線に沿って延びる例を示したが、チャンネル７の形状はこれに限定されない。例えば、積層方向（Ｚ軸方向）から見て、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間で主チャンネル層７ａがＶ字状、Ｕ字状、弧状でも実施は可能である。   In addition, as shown in FIG. 4A, an example in which the main channel layer 7a extends along a straight line in the first direction between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B is shown. The shape of the channel 7 is not limited to this. For example, when viewed from the stacking direction (Z-axis direction), the main channel layer 7a may be V-shaped, U-shaped, or arc-shaped between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. .

１…磁気センサ、７…チャンネル、７ａ…主チャンネル層、７ｂ…突出チャンネル層、７ｃ…端面、１２Ａ…第１強磁性層、１２Ｂ…第２強磁性層、２１…基板、２２…下部絶縁層、２３…中間絶縁層、２４…チャンネル−磁気シールド間絶縁層、８１Ａ…絶縁膜、８１Ｂ…絶縁膜、Ｓ…磁気シールド、Ｓ１…第１磁気シールド層、Ｓ２…第２磁気シールド層、Ｈ…貫通穴。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic sensor, 7 ... Channel, 7a ... Main channel layer, 7b ... Projection channel layer, 7c ... End surface, 12A ... First ferromagnetic layer, 12B ... Second ferromagnetic layer, 21 ... Substrate, 22 ... Lower insulating layer 23 ... intermediate insulation layer, 24 ... channel-magnetic shield insulation layer, 81A ... insulation film, 81B ... insulation film, S ... magnetic shield, S1 ... first magnetic shield layer, S2 ... second magnetic shield layer, H ... Through hole.

Claims (15)

第１領域、第２領域、及び第３領域を有し、第１方向に延びる主チャンネル層、
前記第１領域上に積層された第１強磁性層、
前記第２領域上に積層された第２強磁性層、
前記主チャンネル層における、前記第１領域と前記第２領域との間の前記第３領域の側面から前記主チャンネル層の厚み方向に垂直な方向に突出する突出チャンネル層、
前記突出チャンネル層の厚み方向の両側、及び前記突出チャンネル層の前記第１方向の両側を覆い、かつ、前記突出チャンネル層の前記突出方向の端面を露出させる磁気シールドを備え、
前記第１強磁性層の磁化の方向が、前記第２強磁性層の磁化の方向に対して反平行である、磁気抵抗型の磁気センサ。 A main channel layer having a first region, a second region, and a third region and extending in a first direction;
A first ferromagnetic layer stacked on the first region;
A second ferromagnetic layer stacked on the second region;
A protruding channel layer protruding in a direction perpendicular to the thickness direction of the main channel layer from a side surface of the third region between the first region and the second region in the main channel layer;
A magnetic shield that covers both sides of the protruding channel layer in the thickness direction and both sides of the protruding channel layer in the first direction and exposes end surfaces of the protruding channel layer in the protruding direction;
A magnetoresistive magnetic sensor in which a magnetization direction of the first ferromagnetic layer is antiparallel to a magnetization direction of the second ferromagnetic layer. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向及び前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向である、請求項１に記載の磁気センサ。   2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are perpendicular to a direction in which the protruding channel layer protrudes. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向は、前記第１方向に平行な方向であり、
前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記第１方向に反平行な方向である、請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。 The direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the first direction;
The magnetic sensor according to claim 1 or 2, wherein the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is a direction antiparallel to the first direction. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向は、前記チャンネル層に対する前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の積層方向に平行な方向であり、
前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記チャンネル層に対する前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の積層方向に反平行な方向である、請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。 The magnetization direction of the first ferromagnetic layer is a direction parallel to the stacking direction of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer with respect to the channel layer,
The direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer is a direction antiparallel to the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers with respect to the channel layer. Magnetic sensor. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向及び前記第２強磁性層の前記磁化の方向のうち少なくとも一方は、前記第１強磁性層あるいは前記第２強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の磁気センサ。   At least one of the direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer and the direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer is an anti-reflection layer disposed on the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer, respectively. The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic sensor is fixed by a ferromagnetic layer. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向及び前記第２強磁性層の前記磁化の方向のうち少なくとも一方は、形状異方性によって磁化方向が固定されている、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetization direction of at least one of the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by shape anisotropy. The magnetic sensor as described in any one. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層間において、前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層の表面は絶縁膜に覆われている、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の磁気センサ。   7. The surface of the main channel layer and the protruding channel layer is covered with an insulating film between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, according to claim 1. Magnetic sensor. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層間において、前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層は前記磁気シールドと電気的に絶縁されている、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The main channel layer and the protruding channel layer are electrically insulated from the magnetic shield between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, respectively. The magnetic sensor described. 前記突出チャンネル層の前記端面を介して前記主チャンネル層に磁界を供給する永久磁石をさらに備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, further comprising a permanent magnet that supplies a magnetic field to the main channel layer through the end face of the protruding channel layer. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, Ni, an alloy containing one or more elements of the group, or from the group The compound according to any one of claims 1 to 9, which is a compound including one or more elements selected and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N, Si, and Ge. Magnetic sensor. 前記主チャンネル層及び前記突出チャンネル層の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の磁気センサ。   11. The material according to claim 1, wherein a material of the main channel layer and the protruding channel layer is a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, C, and ZnO. Magnetic sensor. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の少なくとも一方と、前記主チャンネル層との間に、障壁が形成されている、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。   The magnetic field according to any one of claims 1 to 11, wherein a barrier is formed between at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and the main channel layer. Sensor. 前記障壁は、ＭｇＯ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＴｉＯ２膜、ＭｇＡｌ２Ｏ４膜、又はＺｎＯ膜からなるトンネル障壁である、請求項１２に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 12, wherein the barrier is a tunnel barrier made of an MgO film, an Al 2 O 3 film, a TiO 2 film, an MgAl 2 O 4 film, or a ZnO film. 前記障壁はショットキー障壁である、請求項１２に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor of claim 12, wherein the barrier is a Schottky barrier. 請求項１〜請求項１４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。   A magnetic head comprising: a read head unit comprising the magnetic sensor according to claim 1; and a recording head unit for writing.
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