JP5257007B2 - 磁気センサー - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサーに関するものである。

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

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面（スピンを蓄積するためのチャンネル層）上に形成するスピン蓄積型（SA: Spin Accumulation）磁気センサーが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。例えば、薄膜磁気記録再生ヘッドにスピン蓄積型磁気センサーを用いた場合、磁気記録媒体などの外部磁場を感知する磁化自由層には、電流を流す必要がない。すなわち、スピン蓄積型磁気センサーでは、スピン電流のみを利用して、磁気状態を出力電圧として検出することが可能である。従って、磁気抵抗素子で観測されてしまう不必要な信号が、スピン蓄積型磁気センサーでは観測される恐れは少ない。
特開２００７−２９９４６７号公報 特許第４０２９７７２号公報

ところで、高い出力を有するスピン蓄積型磁気センサーを作る観点からは、磁化自由層及び磁化固定層間の距離をスピン拡散長よりも十分に短くする方法や、スピン流の二次元的な流れを考慮した電極配置を行う方法などが考えられる。あるいは磁化固定層からチャンネル層へスピン偏極した電子を多く注入するために、磁化自由層及び磁化固定層とチャンネル層との間に絶縁層を設ける方法などが考えられるが、十分ではなかった。

また、電流を大きくすることによって出力を高めることも考えられるが、単に電流値を高めても、電流密度が高くなると、磁化固定層とチャンネル層との対向面における抵抗が高くなる。その結果、磁化固定層からチャンネル層へスピンを注入しにくくなり、結果として、電位出力が十分とはならない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電位出力を高くすることが可能な磁気センサーを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の磁気センサーは、チャンネル層と、チャンネル層の第一の部分上に設けられ、外部磁界を検出する磁化自由層と、チャンネル層の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、チャンネル層と対向する面における磁化固定層の断面積が、チャンネル層と対向する面における磁化自由層の断面積よりも大きいことを特徴とする。

このように、本発明の磁気センサーでは、磁化自由層とチャネル層との対向面の面積が、磁化固定層とチャネル層との対向面の面積に比べて相対的に小さい。このため、磁化固定層とチャネル層との対向面の面積を大きくして、磁化固定層からチャンネル層へ流れる電流の当該対向面における単位面積当たりの電流密度を低くすることができる。よって、この対向面における抵抗を抑制して、従来の磁気センサーに比して効率的にスピンを磁化固定層からチャンネル層へ注入することが可能となる。一方、磁化自由層とチャネル層との対向面の面積を小さくして、チャンネル層から磁化自由層に流入するスピンの当該対向面における単位面積当たりの密度を高くすることができ、磁化自由層から発生する電圧を高めることができる。これにより、本発明の磁気センサーでは、従来の磁気センサーに比して高い電位出力を得ることができる。

また、本発明の磁気センサーにおいて、チャンネル層の厚み方向から見て、磁化自由層の幾何学的重心と、磁化固定層の幾何学的重心と、を結ぶ直線と直交する方向における磁化固定層の幅は、当該直線と直交する方向における磁化自由層の幅よりも大きいことが好ましい。磁化固定層と磁化自由層の形状をこのようにすることにより、当該直線と直交する方向における磁化固定層の幅が、当該直線と直交する方向における磁化自由層の幅よりも小さい場合と比較して、磁化固定層からチャンネル層を介して磁化自由層へ伝播するスピンの全体としての移動距離を相対的に短くすることができるため、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。ここで、「幾何学的重心」とは、ある図形において、そのまわりでの一次モーメントが０であるような点のことをいう。

また、本発明の磁気センサーにおいて、チャンネル層の厚み方向から見て、上記直線に沿う方向の磁化固定層の長さは、磁化固定層の上記幅よりも小さいことが好ましい。磁化固定層の形状をこのようにすることにより、上記直線に沿う方向の磁化固定層の長さが磁化固定層の幅よりも大きいものと比較して、磁化固定層からチャンネル層を介して磁化自由層へ伝播させるスピン全体における移動距離を相対的に短くすることができる。このため、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。

また、本発明の磁気センサーにおいて、チャンネル層の厚み方向から見て、磁化固定層は、磁化自由層の幾何学的重心を中心とする円環の一部を構成する円弧形状をなすことが好ましい。このように、磁化固定層が円弧形状であることにより、磁化固定層内の各部と磁化自由層との距離がほぼ等間隔となるので、磁化固定層から磁化自由層へのスピン注入を効率的に行うことが可能となり、従来の磁気センサーに比して高い電位出力を得ることができる。

さらに、磁化固定層が上述したような円弧形状をなすとともに、上記直線に対して線対称であることが好ましい。これにより、磁化固定層における複数のスピンがそれぞれ有するスピンベクトルの総和を、上記直線に対して垂直な方向の磁化の向きとして、磁化自由層へ伝播させることが可能となる。このように磁化固定層の形状を工夫することによって、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。

また、本発明の磁気センサーにおいて、チャンネル層の厚み方向から見て、上記直線と直交する方向におけるチャンネル層の幅が、磁化固定層から磁化自由層に向かって狭くなることが好ましい。これにより、磁化固定層からチャンネル層に注入されたスピンを集中させて、磁化自由層側へ伝播させることができる。その結果、磁気センサーにおける電位出力をより効率的に高くすることが可能となる。

また、磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石を更に備えることが好ましい。これにより、磁化自由層の磁気異方性が制御されるため、磁化自由層の磁区構造が単一化されて安定化し、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。

また、磁化固定層の磁化方向が、反強磁性層、形状異方性、及び成膜時における外部磁場のうち少なくとも一つによって固定されていることが好ましい。磁化固定層の磁化の向きを、磁化固定層上に反強磁性層を設けることや、磁化固定層の形状異方性によって固定することで、磁化固定層の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが容易となる。

また、磁化固定層の保磁力は、磁化自由層の保磁力よりも大きいことが好ましい。これにより、磁気センサーにおける磁化固定層及び磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。

また、磁化自由層は、チャンネル層の検出対象となる磁束が進入する側に配置され、磁化固定層は、チャンネル層の検出対象となる磁束が進入する側の反対側に配置されていることが好ましい。磁化自由層側を磁気記録媒体に近接して設置することで、磁気記録媒体の磁気情報を検出して磁気情報の再生を行うことが可能となる。

また、磁化自由層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及び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以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金であることが好ましい。これらの材料は軟磁性材料であるため、磁気センサーにおける磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。

また、磁化固定層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及び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以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金であることが好ましい。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁気センサーにおける磁化固定層としての機能を好適に実現することが可能である。

また、チャンネル層の材料は、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む材料であることが好ましい。これらの材料はスピン拡散長が長く、且つ導電率が比較的小さいため、チャンネル層がスピン蓄積層として機能することを好適に実現することが可能となる。また、チャンネル層の材料は、Ｓｉ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体化合物であることも好ましい。これらの半導体化合物はスピン拡散長が更に長いため、チャンネル層をスピン蓄積層として機能させることにより好適であり、なおかつ上記金属や上記合金を用いたチャンネル層よりも、電位出力を高くすることが可能となる。

本発明によれば、電位出力を高くすることが可能な磁気センサーを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

以下、第１実施形態に係る磁気センサーの一例として、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを説明する。

図１は、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを示す部分断面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。なお、図２では、後述する第三絶縁層１４及び永久磁石１５を省略してチャンネル層の形状を示している。

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）Ｓ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。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、図中Ｚ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磁気センサー１００ａ及び磁気記録媒体２０への記録を行う磁気記録部１００ｂを備える。磁気センサー１００ａ及び磁気記録部１００ｂは、基板ＳＢ上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。図１に示すように、磁気センサー１００ａの上に磁気記録部１００ｂが設けられている。磁気記録部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。

磁気センサー１００ａは、電子のスピンを蓄積するチャンネル層５と、チャンネル層５の第一の部分上に設けられた磁化自由層６と、チャンネル層５の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層７とを主として備えている。

さらに、図１に示すように、磁気センサー１００ａは、チャンネル層５を間に挟んで対向する下部磁気シールド層１と上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２と、下部磁気シールド層１とチャンネル層５との間に設けられた第一絶縁層３及び第一電極４と、磁化固定層７上に設けられた反強磁性層８と、反強磁性層８上に設けられた第二電極９とを更に備えている。

磁化自由層６は、外部磁界を検出し、磁気記録媒体２０などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。磁化自由層６は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側すなわちエアベアリング面Ｓ側に配置されている。磁化自由層６を磁気記録媒体２０に近接して設置することにより、媒体２０から磁気情報を好適に読み取ることが可能である。磁化自由層６として強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。

磁化固定層７は、所定のスピンを有する電子をチャンネル層５へ注入するための層であり、磁化固定層７は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側の反対側、すなわち、エアベアリング面Ｓから離れた側に配置されている。

図２に示すように、チャンネル層５と対向する面における磁化固定層７の断面積は、チャンネル層５と対向する面における磁化自由層６の断面積よりも大きい。すなわち、ＸＹ平面に平行な面における磁化固定層７の断面積は、当該ＸＹ平面に平行な面における磁化自由層６の断面積よりも大きい。

また、チャンネル層５の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、磁化自由層６の幾何学的重心Ｏ_６と、磁化固定層７の幾何学的重心Ｏ_７と、を結ぶ直線Ｌ１と直交する方向（Ｘ方向）における磁化固定層７の幅Ｗ４は、当該直線Ｌ１と直交する方向における磁化自由層６の幅Ｗ３よりも大きい。ここで、例えば、図２に示すように、磁化自由層６及び磁化固定層７が矩形である場合、幾何学的重心Ｏ_６，Ｏ_７は、矩形の対角線が交わる交点である。

また、チャンネル層５の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、上記直線Ｌ１に沿う方向（Ｙ軸方向）の磁化固定層７の長さＮ１は、磁化固定層７の幅Ｗ４よりも小さい。

ここで、磁化固定層７の幅Ｗ４とは、磁化固定層７の直線Ｌ１と直交する方向における幅のうち、最大値を示す部分の幅のことをいう。同様に、磁化自由層６の幅Ｗ３とは、磁化自由層６の直線Ｌ１と直交する方向における幅のうち、最大値を示す部分の幅のことをいう。

また、図２に示すように、チャンネル層５の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、磁化固定層７の形状は、上記直線Ｌ１に対して線対称である。

磁化固定層７の材料として、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を使用することができ、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１種以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される一種以上の元素を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。

磁化固定層７の保磁力は、磁化自由層６の保磁力よりも大きい。磁化固定層７の磁化は、後述する反強磁性層８を用いる磁化固定方法、及び磁化固定層７の形状異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれか一の磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これにより、磁化固定層７の磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが可能となる。

磁化固定層７の磁化固定方法として、反強磁性層８を用いる磁化固定方法を採用する場合、図１に示すように、反強磁性層８は、磁化固定層７上に設けられている。反強磁性層８が磁化固定層７と交換結合することにより、磁化固定層７の磁化方向を固定（一方向異方性を付与）することが可能となる。この場合、反強磁性層８を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層７が得られる。従って、反強磁性層８に用いられる材料は、磁化固定層７に用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層８として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。

一方、磁化固定層７に形状異方性を持たせて、磁化固定層７の磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。なお、反強磁性層８及び形状異方性の両方によって磁化を固定してもよいことは言うまでもない。

チャンネル層５は、スピン注入によりスピンが蓄積される層である。図１に示すように、チャンネル層５は、第一絶縁層３及び第一電極４により形成される平面（ＸＹ平面）上に設けられている。

また、チャンネル層５は、チャンネル形成層５Ａ，５Ｂ，５Ｃを含んでいる。図２に示すように、チャンネル層の一部を構成するチャンネル形成層５Ａ，５Ｂ，５ＣがＸＹ平面上に設けられている。なお、図示されていないが、磁化自由層６及び磁化固定層７の下にはチャンネル層５のそのほかの一部がそれぞれ設けられている。

チャンネル形成層５Ａは、磁化固定層７のＹ軸方向側に設けられている。チャンネル形成層５Ａは、検出用電流が流れる領域として機能する。チャンネル形成層５Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、上記直線Ｌ１と直交する方向におけるチャンネル形成層５Ａの幅は、磁化固定層７から＋Ｙ方向へ離れるに従って、広くなっている。すなわち、図２に示すように、チャンネル形成層５Ａの磁化固定層７側の幅Ｗ２よりも、チャンネル形成層５Ａの磁化固定層７と反対側の幅Ｗ１の方が大きい。また、チャンネル形成層５Ｃは、磁化自由層６の−Ｘ方向側に設けられている。

チャンネル形成層５Ｂは、磁化自由層６と磁化固定層７との間の領域に設けられている。チャンネル層５の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、上記直線Ｌ１と直交する方向（Ｘ軸方向）におけるチャンネル形成層５Ｂ（チャンネル層５の一部）の幅は、磁化固定層７から磁化自由層６に向かって狭くなっている。図２に示すように、Ｘ軸方向におけるチャンネル形成層５Ｂの磁化固定層７側の長さＷ４は、Ｘ軸方向におけるチャンネル形成層５Ｂの磁化自由層６側の長さＷ３よりも大きい。

チャンネル層５の材料として、非強磁性導電材料が挙げられ、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料が選択されることが好ましい。例えば、チャンネル層５の材料として、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、及びＺｎからなる群から選択される１つ以上の元素を含む材料が挙げられる。特に、Ｃｕ、ＭｇＢ_２が好ましい。また、チャンネル層５として、Ｓｉ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体化合物も挙げられる。これらの半導体化合物はスピン拡散長が更に長く、導電率が比較的小さいため、これらの半導体化合物を用いたチャンネル層５はスピン蓄積層としてより好適であり、なおかつ上記金属や合金を用いたチャンネル層５よりも、出力を高くすることも可能である。

図１に示すように、下部磁気シールド層１は、外部、特に磁気センサー１００ａの下部から、磁化自由層６及び磁化固定層７に侵入する磁気をそれぞれ遮断するためのものであり、第一絶縁層３及び第一電極４の下に形成されている。一方、上部第一磁気シールド層１１は磁化自由層６上に形成されている。また、上部第二磁気シールド層１２は、磁化固定層７、反強磁性層８、及び、第二電極９からなる層構造の上に形成されている。上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２は、外部、特に磁気センサー１００ａの上部から、磁化自由層６、磁化固定層７に侵入する磁気をそれぞれ遮断する。なお、上部第一磁気シールド層１１と上部第二磁気シールド層１２とが、互いに独立して設けられていることにより、上部第一磁気シールド層１１を磁化自由層６用の電極として、上部第二磁気シールド層１２を磁化固定層７用の電極としてそれぞれ利用することができる。下部磁気シールド層１、上部第一磁気シールド層１１、及び上部第二磁気シールド層１２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。

第一絶縁層３は、チャンネル層５に蓄積させる電子のスピンが下部磁気シールド層１側へ流出することを防ぐものである。第一絶縁層３は、チャンネル層５と下部磁気シールド層１との間に設けられている。スピン蓄積を効率良く行う観点から、第一絶縁層３は、チャンネル層５の下部面上において、磁化固定層７側から磁化自由層６側に亘って設けられていることが好ましい。さらに、チャンネル層５において磁化固定層７から磁化自由層６側まで効率よくスピンを拡散させる観点から、第一絶縁層３が、チャンネル層５を介して磁化自由層６に一部重なるように設けられていることが好ましい。第一絶縁層３として、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。

第一電極４は、磁化固定層７へ検出用電流を流すための電極である。第一電極４は、チャンネル層５の下面上において、エアベアリング面Ｓとは反対側に第一絶縁層３と隣接して設けられている。図１では、第一電極４を介して、チャンネル層５は下部磁気シールド層１と電気的に接続している。従って、第一電極４下に設けられている下部磁気シールド層１を磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流すための電極として用いることができる。第一電極４として、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。

第二電極９は、上部第二磁気シールド層１２を電極として磁化固定層７に電流を流すべく、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８とを電気的に接続するための層である。第二電極９は、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８や磁化固定層７との間の原子の拡散等を抑制する効果もある。第二電極９の材料として、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。

第二絶縁層１３は、第二電極９の両端に形成されている。第二絶縁層１３として、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。

なお、チャンネル層５と磁化自由層６との間、及びチャンネル層５と磁化固定層７との間には障壁層が設けられていてもよい。例えば、障壁層は、チャンネル層５上において、磁化固定層７側から磁化自由層６側に亘って設けられていればよい。障壁層はトンネル絶縁層であり、障壁層として、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどの絶縁体、あるいは酸化亜鉛などの半導体が適用される。

次に、図３を用いて、図１に示した磁気センサー１００ａのＸ方向に平行な断面形状を説明する。図３は、図１のIII−III線に沿った断面構成を説明するための概略図である。

図３に示すように、チャンネル層５の内の磁化自由層６の直下に設けられる部分は、チャンネル層５の内の磁化自由層６の直下以外に設けられる部分よりも、後述する第三絶縁層１４の厚さｔの分だけ厚いことが好ましい。これは、磁化自由層６の厚さと、後述する永久磁石１５の厚さを揃えるためであり、これにより磁化自由層６の磁区構造の安定化をより均一に行うことが可能となる。

第三絶縁層１４は、チャンネル層５及び磁化自由層６と永久磁石１５との間に設けられ、チャンネル層５及び磁化自由層６と永久磁石１５とを絶縁するためのものである。第三絶縁層１４として、ＳｉＯ_２などが用いられる。

永久磁石１５は、第三絶縁層１４を介して、磁化自由層６の両側に配置されている。永久磁石１５からの漏洩磁束を用いて、磁化自由層６にバイアス磁界を印加することにより、磁化自由層６の磁区構造を安定化（一軸化）することが可能となる。これにより、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサー１００ａの製造方法の一例について説明する。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板ＳＢ上に、下部磁気シールド層１、第一絶縁層３をこの順にスパッタ法によって連続成膜する。次に、第一絶縁層３の一部をミリングによって削り取り、この削った部分に第一電極４を成膜する。

次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦となるように研磨する。その後、平坦化面上に、チャンネル層５、磁化自由層６及び磁化固定層７、反強磁性層８、第二絶縁層１３をこの順に成膜する。そして、図２に示すような磁化自由層６及び磁化固定層７の形状となるように、磁化自由層６及び磁化固定層７までをミリングで削り取る。さらに、図２に示すような形状となるように、チャンネル層をミリングで削り取る。

この後、磁化自由層６上の余分な層を削り取り、上部第一磁気シールド層１１を形成する。一方、反強磁性層８上の第二絶縁層１３の一部を削り取り、第二電極９を成膜した後、上部第二磁気シールド層１２を形成する。以上のようにして、磁気センサーが完成する。

以下に、図１で示した第１実施形態に係る磁気センサー１００ａの動作について説明する。磁化固定層７へ検出用電流を流すために、下部磁気シールド層１と、上部第二磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、チャンネル層５及び上部第一磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。なお、上部第一磁気シールド層１１が磁化自由層６から離れて設けられていて磁化自由層６と絶縁されている場合には、チャンネル層５及び磁化自由層６が電圧測定器８０に電気的に接続されていても良い。

まず、磁気センサー１００ａの磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流す。例えば、図1に示すように、電流源７０から検出用電流Ｉを、上部第二磁気シールド層１２、第二電極９、反強磁性層８、磁化固定層７、チャンネル層５、第一電極４、下部磁気シールド層１の順に流す。

このように、強磁性体である磁化固定層７からチャンネル層５へ検出用電流Ｉを流すと、磁化固定層７とチャンネル層５との界面からチャンネル層５内に磁化固定層７の磁化の向きに対応するスピンを有する電子が流入される（スピン注入）。そして、このスピンは、チャンネル層５内をさらに磁化固定層７側から磁化自由層６側に向かって拡散する。

そして、外部からの磁界によって磁化の向きが変化する磁化自由層６の磁化の向きと、磁化固定層７の磁化の向きとの相対角に応じて、磁化自由層６とチャンネル層５との界面において互いに異なる電圧出力が発生することとなる。本実施形態では、チャンネル層５と上部第一磁気シールド層１１との間に生じる電圧を検出している。このようにして、磁気センサー１００ａを外部磁場センサーとして応用することができる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサー１００ａによる効果を説明する。第１実施形態に係る磁気センサーによれば、チャンネル層と対向する面における磁化固定層の断面積は、チャンネル層と対向する面における磁化自由層の断面積よりも大きい。すなわち、磁化自由層とチャネル層との対向面の面積が、磁化固定層とチャネル層との対向面の面積に比べて相対的に小さい。このため、磁化固定層とチャネル層との対向面の面積を大きくして、磁化固定層とチャネル層との間を流れる電流の対向面における単位面積当たりの電流密度を低くするができ、当該対向面の抵抗を抑制して、従来の磁気センサーに比して効率的にスピンをチャンネル層に注入することが可能となる。一方、磁化自由層とチャネル層との対向面の面積を小さくして、チャンネル層から磁化自由層に流入するスピンの当該対向面における単位面積当たりの密度を高くすることができ、磁化自由層から発生する電圧を高めることができる。これにより、本発明の磁気センサーでは、従来の磁気センサーに比して高い電位出力を得ることができる。

また、チャンネル層の厚み方向から見て、磁化自由層の幾何学的重心と、磁化固定層の幾何学的重心と、を結ぶ直線と直交する方向における磁化固定層の幅は、当該方向における磁化自由層の幅よりも大きいことにより、当該直線と直交する方向における磁化固定層の幅が、当該方向における磁化自由層の幅よりも小さい場合と比較して、磁化固定層からチャンネル層を介して磁化自由層へ伝播するスピンの全体としての移動距離を相対的に短くすることができる。このようにして、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。

また、チャンネル層の厚み方向から見て、上記直線に沿う方向の磁化固定層の長さは、磁化固定層の幅よりも小さいことにより、上記直線に沿う方向の磁化固定層の長さが磁化固定層の幅よりも大きいものと比較して、磁化固定層からチャンネル層を介して磁化自由層へ伝播させるスピンの全体としての移動距離を相対的に短くすることができる。このようにしても、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。

また、本発明の磁気センサーにおいて、チャンネル層の厚み方向から見て、上記直線と直交する方向におけるチャンネル層の幅が、磁化固定層から磁化自由層に向かって狭くなっていることにより、磁化固定層からチャンネル層に注入されたスピンを集中させて、磁化自由層側へ伝播させることができる。その結果、磁気センサーにおける電位出力をより効率的に高くすることが可能となる。

以下に、上記効果の補足説明を示す。図２に示すように、磁化固定層７内において、直線Ｌ１よりも−Ｘ方向に存在するスピンＳ_１，Ｓ_２が、チャンネル形成層５Ｂ内へ注入されると、磁化固定層７内における位置よりも＋Ｘ方向（図２に示すスピンＳ_５，Ｓ_６の位置）へ伝播される。反対に、磁化固定層７内において、直線Ｌ１よりも＋Ｘ方向に存在するスピンＳ_３，Ｓ_４が、チャンネル形成層５Ｂ内へ注入されると、磁化固定層７内における位置よりも−Ｘ方向（図２に示すスピンＳ_７，Ｓ_８の位置）へと伝播される。

伝播してきたスピンＳ_５，Ｓ_６は、チャンネル形成層５Ｂ内において、さらに＋Ｘ方向（図２に示すスピンＳ_９，Ｓ_１０の位置）へ、それぞれ伝播していくこととなる。反対に、伝播してきたスピンＳ_７，Ｓ_８は、チャンネル形成層５Ｂ内において、さらに−Ｘ方向（図２に示すスピンＳ_１１，Ｓ_１２の位置）へ、それぞれ伝播していくこととなる。

これらのチャンネル形成層５Ｂの磁化自由層６側の領域まで伝播してきたスピンＳ_９，Ｓ_１０，Ｓ_１１，Ｓ_１２のスピンベクトルの総和Ｓ_１３として、磁化自由層６へスピンを注入することが可能となる。このようにして、磁化固定層７からチャンネル層５（チャンネル形成層５Ｂ）に注入されたスピンを好適に集中させて磁化自由層６側へ伝播させることができ、磁気センサーにおける電位出力をより効率的に高くすることが可能となる。
（第２実施形態）

以下、第２実施形態に係る磁気センサーについて説明する。図４は、図１におけるIV−IV線に沿った断面図である。なお、図４では、前述した第三絶縁層１４及び永久磁石１５を省略してチャンネル層の形状を示す。

図４に示す磁気センサーが、第一実施形態に係る磁気センサーと異なる点は、磁化固定層及びチャンネル層の形状であるので、これらについてのみ説明する。

図４に示すように、第２実施形態に係る磁気センサーでは、チャンネル層の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、磁化固定層７Ｃは、磁化自由層６の幾何学的重心Ｏ_６を中心とする円環の一部を構成する円弧形状をなしている。さらに、磁化固定層７Ｃは、チャンネル層の厚み方向から見て、磁化自由層６の幾何学的重心Ｏ_６と、磁化固定層７Ｃの幾何学的重心Ｏ_７Ｃと、を結ぶ直線Ｌ２に対して線対称である。

そして、チャンネル層と対向する面における磁化固定層７Ｃの断面積は、チャンネル層と対向する面における磁化自由層６の断面積よりも大きい。また、チャンネル層の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、磁化自由層６の幾何学的重心Ｏ_６と、磁化固定層７Ｃの幾何学的重心Ｏ_７Ｃと、を結ぶ直線Ｌ２と直交する方向（Ｘ軸方向）における磁化固定層７Ｃの幅Ｗ７は、当該方向における磁化自由層６の幅Ｗ１０よりも大きい。また、チャンネル層の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、上記直線Ｌ２に沿う方向（Ｙ軸方向）の磁化固定層７Ｃの長さＮ２は、磁化固定層７Ｃの幅Ｗ７よりも小さい。

ここで、磁化固定層７Ｃの幅Ｗ７とは、磁化固定層７Ｃの直線Ｌ２と直交する方向における幅のうち、最大値を示す部分の幅のことをいう。また、磁化固定層７Ｃの長さＮ２とは、磁化固定層７Ｃの直線Ｌ２に沿う方向における長さのうち、最大値を示す部分の長さのことをいう。同様に、磁化自由層６の幅Ｗ１０とは、磁化自由層６の直線Ｌ２と直交する方向における幅のうち、最大値を示す部分の幅のことをいう。

また、チャンネル層は、チャンネル形成層５Ｄ，５Ｅ，５Ｆを含んでいる。図４に示すように、チャンネル層の一部を構成するチャンネル形成層５Ｄ，５Ｅ，５ＦがＸＹ平面上に設けられている。図示されていないが、磁化自由層６及び磁化固定層７Ｃの下にはチャンネル層のそのほかの一部がそれぞれ設けられている。

チャンネル形成層５Ｄは、磁化固定層７Ｃの＋Ｙ方向側に設けられている。チャンネル形成層５Ｄは、検出用電流が流れる領域として機能する。チャンネル形成層５Ｆは、磁化自由層６の−Ｘ方向側に設けられている。チャンネル層の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、上記直線Ｌ２と直交する方向におけるチャンネル形成層５Ｅ（チャンネル層５の一部）の幅が、磁化固定層７Ｃから磁化自由層６に向かって狭くなっている。

第２実施形態に係る磁気センサーでは、磁化固定層７Ｃが円弧形状を有していることにより、磁化固定層７Ｃ内の各部と磁化自由層６との距離がほぼ等間隔となる。これにより、磁化固定層７Ｃから磁化自由層６へのスピン注入を効率的に行うことが可能となり、従来の磁気センサーに比して高い電位出力を得ることができる。

さらに、磁化固定層７Ｃが上述したような円弧形状をなすとともに、上記直線Ｌ２に対して線対称であることにより、磁化固定層７Ｃにおける複数のスピンがそれぞれ有するスピンベクトルの総和を、上記直線Ｌ２に対して垂直な方向の磁化の向きとして、磁化自由層６へ伝播させることが可能となる。このように磁化固定層７Ｃの形状を工夫することによって、磁気センサーにおける電位出力を効率的に高くすることが可能となる。

以下に、効果の補足説明を示す。図４に示すように、磁化固定層７Ｃ内において、直線Ｌ２よりも−Ｘ方向に存在するスピンＳ_２０，Ｓ_２１が、チャンネル形成層５Ｅ内へ注入されると、スピンＳ_２０に対応するスピンＳ_３１と、スピンＳ_２１に対応するスピンＳ_３０とのスピンベクトルの和Ｓ_３２として伝播していく。一方、磁化固定層７Ｃ内において、直線Ｌ２よりも＋Ｘ方向に存在するスピンＳ_２２，Ｓ_２３が、チャンネル形成層５Ｅ内へ注入されると、スピンＳ_２２に対応するスピンＳ_４１と、スピンＳ_２３に対応するスピンＳ_４０とのスピンベクトルの和Ｓ_４２として伝播していく。

さらに、チャンネル形成層５Ｅ内では、スピンＳ_３２に対応するスピンＳ_５１と、スピンＳ_４２に対応するスピンＳ_５０とのスピンベクトルの総和Ｓ_５２としてスピンが伝播していくこととなる。そして、このスピンベクトルの総和Ｓ_５２がチャンネル形成層５Ｅの磁化自由層６側の領域まで伝播され、磁化自由層６へ注入されることとなる。このようにして、磁化固定層７Ｃからチャンネル層（チャンネル形成層５Ｅ）に注入されたスピンを好適に集中させて磁化自由層６側へ伝播させることができ、磁気センサーにおける電位出力をより効率的に高くすることが可能となる。

以上、各実施形態において、本発明の磁気センサーを薄膜磁気記録再生ヘッドに適用する例を用いて説明したが、本発明の磁気センサーは、薄膜磁気記録再生ヘッド以外の例えば小型ロボット、ディジタルカメラ、及びインクジェットプリンターなどで使用される磁気エンコーダー装置、磁場計測装置、磁気検知装置等の各種用途にも適用することが可能である。

磁気センサー１００ａを備える薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを示す模式図である。 図１のII−II線に沿った断面構成を説明するための概略図である。 図１のIII−III線に沿った断面構成を説明するための概略図である。 図１のIV−IV線に沿った断面構成を説明するための概略図である。

符号の説明

１００Ａ…薄膜磁気記録再生ヘッド、１００ａ…磁気センサー、１００ｂ…記録部、１…下部磁気シールド層、３…第一絶縁層、４…第一電極、５…チャンネル層、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ…チャンネル形成層、６…磁化自由層、７，７Ｃ…磁化固定層、８…反強磁性層、９…第二電極、１１…上部第一磁気シールド層、１２…上部第二磁気シールド層、１３…第二絶縁層、１４…第三絶縁層、１５…永久磁石、２０…磁気記録媒体、２０ａ…記録面、２０ｂ…記録層、２０ｃ…裏打ち層、３０…リターンヨーク、３１…薄膜コイル、３２…コンタクト部、３３…主磁極、Ｉ…検出用電流方向。

Claims (13)

1. チャンネル層と、
   前記チャンネル層の第一の部分上に設けられ、外部磁界を検出する磁化自由層と、
   前記チャンネル層の前記第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、
   前記チャンネル層と対向する面における前記磁化固定層の断面積が、前記チャンネル層と対向する面における前記磁化自由層の断面積よりも大きく、
   前記チャンネル層の厚み方向から見て、前記磁化自由層の幾何学的重心と、前記磁化固定層の幾何学的重心と、を結ぶ直線と直交する方向における前記チャンネル層の幅が、前記磁化固定層から前記磁化自由層に向かって狭くなる磁気センサー。
2. 前記チャンネル層の厚み方向から見て、前記磁化自由層の幾何学的重心と、前記磁化固定層の幾何学的重心と、を結ぶ直線と直交する方向における前記磁化固定層の幅は、前記方向における前記磁化自由層の幅よりも大きい請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記チャンネル層の厚み方向から見て、前記直線に沿う方向の前記磁化固定層の長さは、前記磁化固定層の前記幅よりも小さい請求項２に記載の磁気センサー。
4. 前記チャンネル層の厚み方向から見て、前記磁化固定層は、前記磁化自由層の幾何学的重心を中心とする円環の一部を構成する円弧形状をなす請求項２または３に記載の磁気センサー。
5. 前記チャンネル層の厚み方向から見て、前記直線に対して線対称である請求項４に記載の磁気センサー。
6. 前記磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石を更に備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサー。
7. 前記磁化固定層の磁化方向が、反強磁性層、形状異方性、及び成膜時における外部磁場のうち少なくとも一つによって固定されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気センサー。
8. 前記磁化固定層の保磁力は、前記磁化自由層の保磁力よりも大きい請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気センサー。
9. 前記磁化自由層は、前記チャンネル層の検出対象となる磁束が進入する側に配置され、前記磁化固定層は、前記チャンネル層の検出対象となる磁束が進入する側の反対側に配置されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサー。
10. 前記磁化自由層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及び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以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサー。
11. 前記磁化固定層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及び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以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気センサー。
12. 前記チャンネル層の材料は、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む材料である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁気センサー。
13. 前記チャンネル層の材料は、Ｓｉ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体化合物である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁気センサー。
    

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