JP6413428B2

JP6413428B2 - 磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサ

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Description

本発明は、磁気センサ、磁気ヘッド及び生体磁気センサに関するものである。

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

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面（スピンを蓄積するためのチャンネル層）上に形成するスピン蓄積型（SA: Spin Accumulation）磁気センサが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。例えば、薄膜磁気記録再生ヘッドにスピン蓄積型磁気センサを用いた場合、磁気記録媒体などの外部磁場を感知する磁化自由層には、電流を流す必要がない。すなわち、スピン蓄積型磁気センサでは、スピン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。

特開２００７−２９９４６７号公報特許第４０２９７７２号公報特開２０１０−１１３７８８号公報

スピン蓄積型磁気センサを実用的なものにするためにはいくつかの課題を解決する必要がある。その一つがノイズの問題である。例えば、磁気抵抗効果型磁気センサの場合には電流を流す積層膜と電圧を検出する積層膜が同じであるため、積層膜の抵抗がジョンソンノイズなどの原因となりうる。スピン蓄積型磁気センサの場合にはチャンネル層にスピンを流すため積層膜とチャンネル層の間に電流を流して、スピンをチャンネル層に注入する。この時の電流がノイズの原因であり、電流のノイズがスピン流のノイズとなり、出力として検出される。この解決法の一つとしては例えば特許文献３にチャンネル層と積層膜の接する断面積を大きくすることが提案されている。しかしながら、スピン流の検出側に起因するノイズについての解決策は記載されていない。

また、スピン蓄積型磁気ヘッドの場合、外部磁束に対する空間分解能を高めるため外部磁束を検出する磁化自由層を磁化固定層よりも小さくする必要があるので、一般的にこれらの界面の抵抗は、磁化自由層の方が高くなる。これは磁化自由層をスピン流の注入源とした場合でも、磁化自由層をスピン流の検出電極とした場合でも同様である。磁化自由層とチャンネル層の界面の抵抗が高くなると、回路抵抗に比例するジョンソンノイズが増大することが問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ノイズを小さくすることが可能な磁気センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の磁気センサは、チャンネル層とチャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、チャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層を備え、第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１と、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２が異なり、第一の部分のチャンネル層と磁化自由層の界面の抵抗が、第二の部分のチ
ャンネル層と磁化固定層の界面の抵抗よりも低いことを特徴とする磁気センサである。

磁化固定層とチャンネル層の界面の抵抗よりも磁化自由層とチャンネル層の界面の抵抗の方が低いことにより、検出側のノイズ低減が可能になる。

また、本発明において界面の抵抗とは磁化自由層や磁化固定層における強磁性層とチャンネル層の間の抵抗を指し、界面の抵抗には強磁性層とチャンネル層の間に設置されたトンネル障壁層、ショットキー障壁、あるいは、その両方に起因した抵抗も含む。

また、第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さは、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いことが好ましい。この場合、外部磁束に対する空間分解能が高くなるため好ましい。

また、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２は、第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１より薄いことが好ましい。この場合、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２より第一の部分のチャンネル層の厚さｄ２が薄い場合よりも、得られる出力が高くなる。

また、本発明の磁気ヘッドは、上記の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部とを備える磁気ヘッドとすることができる。この場合、外部からの磁束を検出する磁化自由層の上下、および、左右を、磁気シールドで覆うことが好ましい。このときの上下の磁気シールドの間の距離（Ｒｅａｄｇａｐ）が外部からの磁束を検出する空間分解能になる。このＲｅａｄｇａｐの間には、スピンが伝導する部分のチャンネル層と下部磁気シールドを電気的・磁気的に分離するための絶縁層、スピンが伝導する部分のチャンネル層、磁化自由層の少なくとも三層が存在する。第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いと、Ｒｅａｄｇａｐの距離が狭くなるためより空間分解能が高くなる。

また、本発明の生体磁気センサは、上記の磁気センサを複数設置した生体磁気センサとすることができる。このような生体磁気センサは、一般的に磁化自由層と磁化固定層の距離が短いほど高い出力が得られる。また複数設置することによって、微小な磁性粒子がどの位置にどれくらいの量や大きさがあるのかを検出することが可能である。

本発明によれば、ノイズを小さくすることが可能な磁気センサを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る磁気センサの概略断面図である。図２は、磁化自由層の詳細を示した図である。図３は、磁化固定層の詳細を示した図である。図４は、図１とは異なる態様の磁気センサの概略断面図である。図５は、磁気センサ１００ａを備える薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを示す模式図である。図６は、磁気センサを複数設置した生体磁気センサを示す模式図である。

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

以下、第１実施形態に係る磁気センサの一例として、第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１、すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２、すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄い場合の磁気センサについて説明する。

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

磁気センサ１００ａは、電子のスピンを蓄積・伝導するチャンネル層５と、チャンネル層５の第一の部分上に設けられた磁化自由層６と、チャンネル層５の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層７とを備えている。なお、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２よりも薄くなっている。ノイズ低減の効果には、磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２と磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１の厚さの違いは大きな影響を与えないが、特に薄膜磁気再生ヘッド１００Aとして利用する場合には、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２よりも薄い方が外部磁束に対する空間分解能が高くなるため好ましい。

磁化自由層６と磁化固定層７をそれぞれ別の積層構造で作成する場合には、これらは薄膜プロセスにおいて別々のプロセスで作成される。例えば、磁化固定層を作成した後に磁化自由層６を作成する場合、磁化自由層６に接するチャンネル層５の表面は磁化固定層７を作成するときのプロセスによって汚染されている。従って、磁化自由層６を作成する時にチャンネル層５の表面を、例えば、化学処理やイオンミリングによって洗浄することが好ましい。このプロセスによってチャンネル層５の表面の洗浄度が改善する。さらに、図１に示したように、このプロセスによって磁化自由層６の下のチャンネル層５はエッチングされ、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２より薄くなる。

磁化自由層６は、図２に拡大して示すように、第一強磁性層６Ｂ及び、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂとの間に配置される第一トンネル層６Ａによって構成される。第一強磁性層６Ｂは、外部磁界を検出し、磁気記録媒体などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。磁化自由層６は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側に配置されている。

第一トンネル層６Ａは絶縁膜を材料とした膜であることが好ましい。例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＴａＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘなどが挙げられる。また、これらの絶縁膜は結晶化していることが好ましい。この場合、スピン偏極電流がトンネル層を通過する際にスピンのフィルタ効果によってスピンの分極率が向上し、高い出力特性を得ることができる。また、第一トンネル層６Ａはチャンネル層５に形成されたショットキー障壁で代用してもよい。チャンネル層５が半導体の材料の場合、強磁性層の金属の間にショットキー障壁が形成される。あるいは、第一トンネル層６Ａが絶縁膜とショットキー障壁の両方の機能を保持しても良い。

第一強磁性層６Ｂの材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、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又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。

磁化固定層７は、図３に拡大して示すように、第二強磁性層７Ｂ及び、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂとの間に配置される第二トンネル層７Ａによって構成される。第二強磁性層７Ｂは、所定のスピンを有する電子をチャンネル層５へ注入するための層であり、磁化固定層７は、チャンネル層５の上面上においてチャンネル層５の検出対象となる磁束が進入する側の反対側に配置されている。

第二強磁性層７Ｂの材料として、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を使用することができ、例えば、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又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。さらに、高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金が好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、III族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉやＣｏ２ＭｎＳｉなどが挙げられる。

第二強磁性層７Ｂの保磁力は、第一強磁性層６Ｂの保磁力よりも大きい。第二強磁性層７Ｂの磁化は、後述する反強磁性層８を用いる磁化固定方法、及び第二強磁性層７Ｂの形状異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれかの磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これにより、第二強磁性層７Ｂの磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが可能となる。

第二強磁性層７Ｂの磁化固定方法として、反強磁性層８を用いる磁化固定方法を採用する場合、図１に示すように、反強磁性層８は、第二強磁性層７Ｂ上に設けられている。反強磁性層８が第二強磁性層７Ｂと交換結合することにより、第二強磁性層７Ｂの磁化方向を固定（一方向異方性を付与）することが可能となる。この場合、反強磁性層８を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する第二強磁性層７Ｂが得られる。従って、反強磁性層８に用いられる材料は、第二強磁性層７Ｂ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１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。

一方、第二強磁性層７Ｂに形状異方性を持たせて、第二強磁性層７Ｂの磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。なお、反強磁性層８及び形状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の材料として、非強磁性導電材料が挙げられ、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料が選択されることが好ましい。例えば、チャンネル層５の材料として、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ及びＭｇからなる群から選択される１種以上の元素を含む金属材料が挙げられる。特に、Ａｇ、Ｃｕ、ＭｇＢ２が好ましい。これらの金属材料は、金属材料の中でも比較的スピン拡散長が長く、低ノイズで高出力を得ることが可能である。

また、チャンネル層５の材料として、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）、ダイヤモンド等の半導体材料であることが好ましい。これらの材料はスピン拡散長が非常に長く、高出力を得ることが可能である。

第一絶縁層３は、チャンネル層５に蓄積させる電子のスピンが下部磁気シールド層１側へ流出することを防ぐものである。第一絶縁層３は、チャンネル層５と下部磁気シールド層１との間に設けられている。スピン蓄積を効率良く行う観点から、第一絶縁層３は、チャンネル層５の下部面上において、磁化固定層７側から磁化自由層６側に亘って設けられていることが好ましい。第一絶縁層３の材料としては、例えばＳｉＯ２が挙げられる。

第一電極４は、磁化固定層７へ検出用電流を流すための電極である。第一電極４は、チャンネル層５の下部面上において、外部磁場が侵入する面とは反対側に第一絶縁層３と隣接して設けられている。図１では、第一電極４を介して、チャンネル層５は下部磁気シールド層１と電気的に接続している。従って、第一電極４の下に設けられている下部磁気シールド層１を磁化固定層７へ検出用電流Ｉを流すための電極として用いることができる。第一電極４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に電流を流し、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８とを電気的に接続するための層である。第二電極９は、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８や磁化固定層７との間の原子の拡散等を抑制する効果がある。第二電極９として、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。

第１実施形態に係る磁気センサでは、磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）とチャンネル層５との間に電流が流され、磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）とチャンネル層５の間の電圧が検出される。磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）とチャンネル層５との間に電流が流されることで、磁化固定層７からチャンネル層５にスピンが注入される。

第一の部分のチャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗は、第二の部分のチャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くなっている。チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗はスピン抵抗よりも高い方が好ましい。この場合、磁化固定層７からチャンネル層５に注入されたスピンが、逆にチャンネル層５から磁化固定層７に戻る効果を抑制することができるので、出力の低下を抑制できる。チャンネル層５と磁化自由層６の間ではスピン注入がされないのでチャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗は高い必要がない。チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を下げることによって、検出回路におけるノイズを低減できる。

スピン抵抗は次の式で定義される。

Ｐは、スピンの注入・検出効率、λ_Nは、スピン拡散長、σは、チャンネル層の電気伝導
度、Ａは、チャンネル層の断面積である。但し、上記の式によるスピン抵抗の定義は、チャンネル層が電流を流せる程度の導体の場合に限定される。チャンネル層が絶縁体に代表される高抵抗材料の場合は上記の式ではスピン抵抗は定義されない。

（実施例１）
以下に、第１実施形態に係る磁気センサ１００ａの製造方法の一例について説明する。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、下部磁気シールド層１、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の表面が平坦になるように研磨する。その後、平坦化した表面上に、チャンネル層５、磁化固定層７、反強磁性層８をこの順に成膜する。チャンネル層５は０．０１μｍとした。

さらに、Ｘ方向を長軸とした短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで削り取る。なお、磁化固定層７は第二トンネル層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル層７Ａ、第二強磁性層７Ｂの順に形成される。なお、チャンネル層５は、Ａｇである。第二トンネル層７Ａは２．２ｎｍのＭｇＯである。第二強磁性層７Ｂはコバルトと鉄の合金である。

第二の部分として、Ｚ方向を長軸とした短冊状の磁化固定層７になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、絶縁膜を設ける。その後、第一の部分として、矩形状の磁化自由層６の形状になるようにチャンネル層５を削り取り、このチャンネル層５の上に磁化自由層６を成膜して、磁化自由層６を形成する。この時、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は、０．００５μｍになるまで削り込んだ。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に０．１μｍで作成し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に１０μｍで作成した。なお、磁化自由層６は第一トンネル層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル層６Ａ、第一強磁性層６Ｂの順に形成される。第一トンネル層６Ａは０．８ｎｍのＭｇＯである。第一強磁性層６Ｂはコバルトと鉄の合金である。第一トンネル層６Ａは第二トンネル層７Ａよりも膜厚が薄いため、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗は、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くなる。また、ここまでのプロセスで、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は０．００５μｍであり、磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２は０．０１μｍである。

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１００ａの動作について説明する。磁化固定層７へ検出用電流を流すために、下部磁気シールド層１と、上部第二磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、チャンネル層５と磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）との間に発生する電圧を測定するために、チャンネル層５及び上部第一磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。なお、上部第一磁気シールド層１１が第一強磁性層６Ｂから離れて設けられていて第一強磁性層６Ｂと絶縁されている場合には、チャンネル層５及び第一強磁性層６Ｂが電圧測定器８０に電気的に接続されていても良い。

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

このように、チャンネル層５から強磁性体である第二強磁性層７Ｂへ検出用電流Ｉを流すと、第二強磁性層７Ｂからチャンネル層５内に第二強磁性層７Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子が流入される（スピン注入）。そして、このスピンは、チャンネル層５内に蓄積（スピン蓄積）し、をさらに磁化固定層７側から磁化自由層６側に向かって拡散する。また、電流を逆方向に流した場合は、スピンを有する電子がチャンネル層５から第二強磁性層７Ｂへ抽出されることになるが、この時も同様にチャンネル層５にスピンが蓄積される。

そして、外部からの磁界によって磁化の向きが変化する第一強磁性層６Ｂの磁化の向きと、第二強磁性層７Ｂの磁化の向きとの相対角に応じた電圧出力が第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５との間において発生する。本実施形態では、チャンネル層５と上部第一磁気シールド層１１との間に生じる電圧を検出している。このようにして、磁気センサ１００ａを外部磁場センサとして応用することができる。

実施例で作成された素子は非局所測定法、例えばApplied Physics Express 2, 053003 (2009)に記載された方法によって測定した。図１に示したように第一電極４からチャンネル層５を介して磁化固定層７（第二強磁性層７Ｂ）に電流を流し、電圧は磁化自由層６（第一強磁性層６Ｂ）とチャンネル層５の間で測定した。その結果、電流５ｍＡの印加状態で出力２７μＶであった。また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．４μＶであった。

また、チャンネル層５と磁化自由層６または磁化固定層７の界面の抵抗は３端子法によって測定した。例えば、図１において磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗を測定する場合には、第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５の間に電流を流し、第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５との間で電圧を測定する。この時、界面の抵抗を主として検出するために、チャンネル層５側の端子についてはチャンネル層５内で電流が流れる方向と別の方向の端子で電圧を測定する。この測定法で観測される電圧は、第一強磁性層６Ｂ及び磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗の足し合わせの電圧降下であり、第一強磁性層６Ｂの抵抗は低いので、主として界面の抵抗が観測される。このようにして測定した磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は１０Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は７８Ωであった。

（実施例２）
実施例２は、図４に示すような磁気センサの構成とし、磁化自由層６と磁化固定層７を形成する順番を逆にした以外は、実施例１と同様にして作成した。

化学機械研磨（ＣＭＰ）によって、第一絶縁層３及び第一電極４の表面が平坦となるように研磨する。その後、平坦化面上に、チャンネル層５、磁化自由層６、第二絶縁層１３をこの順に成膜する。チャンネル層５は０．０１μｍとした。そして、Ｘ方向を長軸とする短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで削り取る。なお、磁化自由層６は第一トンネル層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル層６Ａ、第一強磁性層６Ｂの順に形成される。なお、チャンネル層５はＡｇである。第一トンネル層６Ａは０．８ｎｍのＭｇＯである。第一強磁性層６Ｂはコバルトと鉄の合金である。

矩形状の磁化自由層６になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、絶縁膜を形成する。その後、Ｚ方向を長軸とする短冊状の磁化固定層７の形状になるようにチャンネル層５を削り取り、このチャンネル層５の上に磁化固定層７を形成する。この時、磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２が０．００５μｍになるまで削り込んだ。磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に０．１μｍで作成し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に１０μｍで作成した。なお、磁化固定層７は第二トンネル層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル層７Ａ、第二強磁性層７Ｂの順に形成される。第二トンネル層７Ａは２．２ｎｍのＭｇＯである。第二強磁性層７Ｂはコバルトと鉄の合金である。第一トンネル層６Ａは第二トンネル層７Ａよりも膜厚が薄いため、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗は、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くなる。また、ここまでのプロセスで、磁化自由層６の下のチャンネル層５の厚さｄ１は、０．０１μｍであり、磁化固定層７の下のチャンネル層５の厚さｄ２は、０．００５μｍである。

実施例１と同様に評価をした結果、電流５ｍＡの印加状態で出力２９μVであった。ま
た、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは０．８μＶであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は８Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は８０Ωであった。

（比較例1）
比較例１では実施例１及び実施例２と同様の素子を作成した。但し、磁化固定層７は磁化自由層６と同じプロセスで作成した。チャンネル層５の厚さは、ｄ１＝０．００５μｍ、ｄ２＝０．００５μｍとした。まず、熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、下部磁気シールド層１、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の表面が平坦になるように研磨する。その後、平坦化した表面上に、チャンネル層５、磁化自由層６および磁化固定層７、反強磁性層８をこの順に成膜する。チャンネル層５は０．００５μｍとした。比較例１では、磁化自由層６と磁化固定層７とは同じ積層膜であり、成膜時には同一の膜として形成した。

さらに、Ｘ方向を長軸とする短冊状にチャンネル層５をミリング及び化学的エッチングで削り取る。なお、磁化固定層７は第二トンネル層７Ａ及び第二強磁性層７Ｂによって構成され、チャンネル層５、第二トンネル層７Ａ、第二強磁性層７Ｂの順に形成される。また、磁化自由層６は第一トンネル層６Ａ及び第一強磁性層６Ｂによって構成され、チャンネル層５、第一トンネル層６Ａ、第一強磁性層６Ｂの順に形成される。なお、チャンネル層５は、Ａｇである。第一トンネル層６Ａ及び第二トンネル層７Ａは２．２ｎｍのＭｇＯである。第一強磁性層６Ｂ及び第二強磁性層７Ｂはコバルトと鉄の合金である。

第二の部分として、矩形状の磁化自由層６とＺ方向を長軸とする短冊状の磁化固定層７になるようにチャンネル層５及びその上の膜をイオンミリングで削り取り、絶縁膜を設ける。この時、磁化固定層７の形状の縦横比は磁化自由層６の縦横比よりも大きくなる構造とする。すなわち、磁化自由層６はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に０．１μｍで作成し、磁化固定層７はＸ方向に０．１μｍ、Z方向に１０μｍで作成した。次に、磁化自由層６の上部に設置されている反強磁性層８をイオンミリングによって削り取り、その後は実施例１と同様にして、上部第一磁気シールド層１１、第二電極９、上部第二磁気シールド層１２を形成した。

次に実施例１と同様に評価した結果、電流５ｍＡの印加状態で出力３０μVであった。
また、出力波形に対する信号の振動幅で定義されるノイズは４ μVであった。さらに、磁化自由層６とチャンネル層５の界面の抵抗は７５Ωであり、磁化固定層７とチャンネル層５の界面の抵抗は７５Ωであった。

表１に実施例１、２と比較例１で得られた結果をまとめた。それぞれの実施例と比較例を比較すると、出力はほぼ同等であるが、ノイズレベルが数倍以上実施例の方が低くなっていることがわかる。したがって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くすることによって、出力を保持しつつノイズを低減できる効果があることがわかる。

本第１実施形態では、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間に第一トンネル層６Ａがあり、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間に第二トンネル層７Ａがある例について説明したが、トンネル障壁である第一トンネル層６Ａおよび第二トンネル層７Ａの一方または両方にかえてショットキー障壁としてもよい。また、トンネル障壁層とショットキー障壁の両方を、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間やチャンネル層５と二強磁性層７Ｂの間に設けても良い。また、磁化自由層６が第一トンネル層６Ａを含まず、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂが接していてもよい。また、磁化固定層７が第二トンネル層７Ａを含まず、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂが接していてもよい。このような場合でも、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くすることによって、ジョンソンノイズなどの抵抗に比例するノイズを低減することができる。

チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂの間やチャンネル層５と第二強磁性層７Ｂの間にトンネル障壁層やショットキー障壁を設ける場合には、例えば、これらの障壁の厚みを磁化自由層６と磁化固定層７とで異ならせることによって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くすることができる。また、チャンネル層５と第一強磁性層６Ｂが接しており、チャンネル層５と第二強磁性層７Ｂが接している場合には、例えば、第一強磁性層６Ｂと第二強磁性層７Ｂを成膜する前のチャンネル層５の表面状態を、第一強磁性層６Ｂと第二強磁性層７Ｂとで異ならせることによって、チャンネル層５と磁化自由層６の界面の抵抗を、チャンネル層５と磁化固定層７の界面の抵抗よりも低くすることができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る磁気センサについて説明する。第２実施形態は第１実施形態と同様であるが、第１実施形態を形成した後、磁気ヘッドにおける書き込み部を作製した。なお、第1実施形態の磁気センサ１００ａは磁気ヘッドにおける読込み部分として機能する。

図５は磁気センサ１００ａを備える薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを示す模式図である。磁気センサ１００ａを読取ヘッド部に適用し、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体の記録層に情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサを用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッド１００Ａを提供できる。

本実施形態では、外部からの磁束を検出する磁化自由層が磁気シールドで覆われており、第一の部分のチャンネル層の厚さｄ１すなわち磁化自由層の下のチャンネル層の厚さが、第二の部分のチャンネル層の厚さｄ２すなわち磁化固定層の下のチャンネル層の厚さより薄いため、上下の磁気シールドの間の距離（Ｒｅａｄｇａｐ）が狭くなるためより空間分解能が高くなる。

（第３実施形態）
図６に示すように磁気センサを複数設置した生体磁気センサとして適用することが可能である。作成方法は第１実施形態と同様であるが、図６のような形状とし、第１実施形態の素子を横に並べ、素子の間に磁気シールド１６が設置された構造である。また、図６に示したように素子間絶縁層２０を設置し、互いの素子のスピン流が他の素子に流れないような構造とした。

磁化固定層７とチャンネル層５の間に電流を流すと、チャンネル層５にスピンが注入される。チャンネル層５に注入されたスピンは磁化自由層６の第一強磁性層６Ｂに伝導し、それぞれの第一強磁性層６Ｂの磁化の向きと注入されたスピンの向きの相対角によって、出力を得ることができる。Ｘ方向から進入した磁束はそれぞれの第一強磁性層６Ｂの磁化の方向を回転させるので、それぞれの第一強磁性層６Ｂとチャンネル層５の間の電圧を測定することによって磁束の大きさを検出することが可能である。さらに、図６に示したようにスピンの注入源が1つであるのに対して、磁化自由層６が複数並んでいるため、隣り合う磁化自由層６の電圧を比較することで外部磁場の大きさや形状を計測することが可能である。

また、スピン蓄積型磁気センサは一般的に磁化自由層６と磁化固定層７の距離が狭いほど高い出力が得られる。このスピン蓄積型磁気センサを複数設置することによって、微小な磁性粒子がどの位置にどれくらいの量や大きさがあるのかを検出することが可能である。例えば、特定の細胞に磁性ビーズを修飾させ、これを図６のような磁気センサ上を流動させる。磁性ビーズが図４の磁気センサに近づくと磁性ビーズからの磁束を磁気センサが検知し、それぞれの磁気センサで検出した信号を解析することによって磁性ビーズの量や大きさを判定できる。

１００Ａ…薄膜磁気記録再生ヘッド、１００ａ…磁気センサ、１００ｂ…記録部、１…下部磁気シールド層、３…第一絶縁層、４…第一電極、５…チャンネル層、６…磁化自由層、６Ａ…第一トンネル層、６Ｂ…第一強磁性層、７…磁化固定層、７Ａ…第二トンネル層、７Ｂ…第二強磁性層、８…反強磁性層、９…第二電極、１１…上部第一磁気シールド層、１２…上部第二磁気シールド層、１６…磁気シールド、２０…素子間絶縁層、３０…リターンヨーク、３１…薄膜コイル、３２…コンタクト部、３３…主磁極、Ｂ…磁束の方向。

Claims

チャンネル層と、
前記チャンネル層の第一の部分上に設けられた磁化自由層と、
前記チャンネル層の第二の部分上に設けられた磁化固定層と、を備え、
前記磁化自由層の前記チャンネル層側の面と、前記磁化固定層の前記チャンネル層側の面と、が平行であり、
前記第一の部分のチャンネル層の厚さは、前記第二の部分のチャンネル層の厚さより薄く、
前記チャンネル層と前記磁化自由層の界面の抵抗が、前記チャンネル層と前記磁化固定層の界面の抵抗よりも低いことを特徴とする磁気センサ。
請求項１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。
請求項１に記載の磁気センサを複数設置した生体磁気センサ。