(57)【要約】【課題】  高い出力が得られるスピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置を提供する。【解決手段】  このスピン蓄積型磁気センサは、非磁性層２の第１領域上に設けられたピンド層５Ａと、非磁性層２の第２領域上に設けられたフリー層５Ｂとを備えている。非磁性層２とピンド層５Ａとの間に電流を供給し、非磁性層２とフリー層５Ｂとの間の電圧を測定する。非磁性層２はＣｕからなり、第１磁性層３Ａ及び第２磁性層３ＢはＣｏＦｅＢからなり、第１絶縁層４Ａ及び第２絶縁層４ＢはＭｇＯからなる。この構造の場合、出力電圧を飛躍的に増加させることができる。【選択図】  図２
2010127695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性層の第１領域上に設けられたピンド層と、前記非磁性層の第２領域上に設けられたフリー層とを備え、前記非磁性層と前記ピンド層との間に電流を供給し、前記非磁性層と前記フリー層との間の電圧を測定するスピン蓄積型磁気センサであって、
前記非磁性層と前記ピンド層との間には、第１磁性層及び第１絶縁層が順次介在し、
前記非磁性層と前記フリー層との間には、第２磁性層及び第２絶縁層が順次介在し、
前記非磁性層はＣｕからなり、
前記第１及び第２磁性層はＣｏＦｅＢからなり、
前記第１及び第２絶縁層はＭｇＯからなる、
ことを特徴とするスピン蓄積型磁気センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２磁性層の厚みは、それぞれ０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスピン蓄積型磁気センサ。
【請求項３】
前記非磁性層の一端に電気的に接続された第１電極パッドと、
前記ピンド層に電気的に接続された第２電極パッドと、
前記非磁性層の他端に電気的に接続された第３電極パッドと、
前記フリー層に電気的に接続された第４電極パッドと、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン蓄積型磁気センサ。
【請求項４】
請求項３に記載のスピン蓄積型磁気センサと、
前記第１及び第２電極パッド間に電流を供給する電流源と、
前記第３及び第４電極パッド間の電圧を測定する電圧計と、
を備えることを特徴とするスピン蓄積型磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛躍的な出力が得られるスピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気ヘッド等で広く用いられている磁気抵抗素子（ＭＲ素子）が知られている。ＭＲ素子は、電子のスピンを利用している。電子がスピンを保持できるスピン拡散長は数十〜数百ｎｍ程度であるため、電子走行距離は、スピン拡散長以下にする必要がある。近年のＭＲ素子は、積層された磁性層／非磁性層／磁性層からなる構造を有しており、層面に垂直な方向に電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular to Plane)構造を構成している。層厚を薄くする製造技術は確立しているため、積層方向に電子を流す構造の場合、各層の厚みを薄くすることで、電子走行距離を短くすることができる。
【０００３】
近年、積層技術のみでなく、横方向の微細構造作製技術が進歩し、面内において電流を流す構造においても、電子走行距離を、スピン拡散長以下にすることができるようになった。このような面内デバイスでは、２端子構造のデバイスのみならず、３端子以上の構造のデバイスの作製も容易であり、例えば、ソース電極とドレイン電極との間の領域に、ゲート電極を配置したスピントランジスタに応用することも可能となる。
【０００４】
２端子のＭＲ素子を面内に形成した磁気デバイスとして、局所構造及び非局所構造の磁気センサが考えられる。図１０（ａ）は局所構造の磁気センサを示し、図１０（ｂ）は非局所構造の磁気センサを示している。
【０００５】
図１０（ａ）に示すように、局所構造の磁気センサでは、Ｃｕなどの非磁性層２上の一箇所に強磁性体からなるピンド層（固定層）Ａ’を配置し、これから離隔した非磁性層２上の他の箇所に強磁性体からなるフリー層Ｂ’を配置する。これにより、ピンド層Ａ’とフリー層Ｂ’は非磁性層２を介して電気的に接続されたことになる。局所構造の磁気センサでは、電流源Ｊからの流れる電流Ｉは、フリー層Ｂ’、非磁性層２及びピンド層Ａ’を順次介して流れる。電子の流れる向きは電流Ｉとは逆である。これにより、フリー層Ｂ’の受ける外部磁場に応じて、ＭＲ素子の抵抗値Ｒが変化し、ＭＲ素子の両端子を構成するピンド層Ａ’とフリー層Ｂ’との間の電圧Ｖ（＝Ｉ×Ｒ）が変化する。この電圧Ｖを電圧計Ｖによって、測定することで、外部磁場の大きさを測定することができる。
【０００６】
図１０（ｂ）に示すように、非局所構造の磁気センサは、一対の電極パッドＰＡ１、ＰＢ１を備えており、電極パッドＰＡ１、ＰＢ１はＣｕなどの非磁性層２を介して接続されている。非磁性層２上の一箇所に強磁性体からなるピンド層Ａ’を配置し、これから離隔した非磁性層２上の他の箇所に強磁性体からなるフリー層Ｂ’を配置する。これにより、ピンド層Ａ’とフリー層Ｂ’は非磁性層２を介して電気的に接続されたことになるが、非局所構造の磁気センサにおいては、電流の流れる経路と、電圧を測定する経路が異なっており、スピン流を用いるスピン蓄積型磁気センサ構成する。
【０００７】
スピン流に関しては幾つかの現象が知られている。例えば、上向きのスピン電子と下向きのスピン電子が互いに逆方向に同一量だけ流れる場合、電子の流れは相殺されるが、スピン流は発生している。すなわち、電子流が存在しない場合においてもスピン流は発生し、一領域内に電荷蓄積が行われる現象が存在する。このような現象は、スピン電子が蓄積された領域からスピン流が染み出していると捉えることもできる。
【０００８】
また、ピンド層Ａ’に電流Ｉを流すことにより、ピンド層Ａ’中でスピン流が発生する。ピンド層Ａ’を通過した電子はフリー層Ｂ’内には流れ込まないため、ピンド層Ａ’とフリー層Ｂ’との間のチャネル領域では電流がゼロである。スピン流は保存量であるため、ピンド層Ａ’／非磁性層２の界面からスピン流が非磁性層２中にも染み出すと捉えることもできる。ピンド層Ａ’／非磁性層２の界面近傍では、スピンの向きによって電子濃度が異なる領域が形成されており、このような現象はスピン蓄積と呼ばれている。
【０００９】
いずれにしても、スピン電子が非磁性層２中を流れる場合において、電子流とは別にスピン流が発生し、スピン流が流れている状態では、フリー層Ｂ’の磁化の向きに応じて、電圧が観察される。詳説すれば、ピンド層Ａ’に流れる電子流によってピンド層Ａ’中にスピン流が生成され，ピンド層Ａ’/非磁性層２の界面付近にスピン蓄積が生じる。スピンが蓄積された領域からスピンが拡散してスピン流が発生し、このスピン流はフリー層Ｂ’が吸収する。このときフリー層Ｂ’とピンド層Ａ’の磁化の向きの相対角度によって、フリー層Ｂ’の電位が変動し、非磁性層２とフリー層Ｂ’との間に電圧変化が発生する。この電圧変化を検出する。すなわち，フリー層Ｂ’の磁化の向きだけを外部磁化で変化させると、磁化の向きに応じた電圧Ｖが発生し、これをセンサ出力として検出することができる。
【００１０】
この電圧を測定することが、スピン蓄積型磁気センサの原理である。このような構造の場合、電圧測定経路内において電流が寄与していないため、精密な測定が期待される。
【００１１】
なお、非特許文献１には、ピンド層とフリー層との間のチャネル領域を拡散してきたスピン流は、主にフリー層で吸収されることが示されている。このとき、ピンド層とフリー層の磁化の相対的な向きの相違によって、フリー層の電位が変化するため、これを電圧計で測定する旨が示されている。
【００１２】
上述の非局所構造によれば、スピン流だけを発生させ、これに伴うフリー層の磁化反転前後の電圧差を精度よく測定できるため、スピン流の定量的な評価手法として用いることができる。
【００１３】
上述のような原理の磁気センサへの応用は、例えば、下記特許文献１，２に記載されている。これらのデバイスは注入電流を入力とし、外部磁場によるフリー層の電圧変化を出力としている。
【００１４】
上記のような磁気センサにおいては、一般に出力電圧値そのものはオフセットを含んでおり、意味のある出力は電圧計の値そのものでなく、外部磁場による電圧変化量ΔＶとなる。
【００１５】
非特許文献１及び非特許文献２は、物性物理学的な観点で、非局所測定の原理を報告したものである。電流Ｉを入力とし、出力をΔＶとすると、ΔＶはＩに比例することから、原理的に意味のある量はその比であるΔＲ＝ΔＶ／Ｉである。非特許文献２に示されるように、フリー層の磁化反転に伴う磁気抵抗変化量ΔＲは、非磁性層からなるチャネル長を短くしても、理論的に１ｍΩ程度が限界である。通電可能な電流Ｉの上限はおよそ１〜１０ｍＡなので（焼き切れるため）、出力ΔＶの上限は実質的に１０μＶ程度となる。センサとして用いる場合は、完全な磁化反転には至らないわずかな磁化変化での出力を検出しなくてはならず、その大きさは高々１００ｎＶ程度となってしまい、理論的なノイズが数十ｎＶであるとすると、出力がノイズに埋もれる虞がある。
【００１６】
出力ΔＶを増加させるための考慮事項として、スピン抵抗がある。スピン抵抗は、スピン流の流れやすさを定量的に示す量である。非特許文献２には、スピン抵抗の理論的な取り扱いが開示されている。それによれば、非磁性体と磁性体ではスピン抵抗が異なり、スピン拡散長の長い非磁性体はスピン抵抗が大きいとされている。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射が生じる。すなわちスピン抵抗の小さい磁性体からスピン抵抗の大きい非磁性体へはスピン流の一部しか注入されない。界面に絶縁層（トンネル障壁層）を挿入し、その抵抗を非磁性体のスピン抵抗以上に設定すれば、非磁性体中のスピン流を大きくすることが可能である。従って大きな出力ΔＶを得ることが可能となる。
【００１７】
特許文献１、２では出力ΔＶを大きくするために、磁性体と非磁性体の間に絶縁層を挿入した構造が開示されている。特許文献２には、このような絶縁層として、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｚｒ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＭｇＡｌＯ２が開示されている。特に結晶質であるＭｇＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＭｇＡｌＯ３、ＳｒＴｉＯ３では、適切な磁性層との組み合わせにより、コヒーレントトンネルが期待されるため、大きな出力ΔＲ（ΔＶ）が理論的に予想されているが、実際には理論より小さな出力しか得られていない。特許文献２には種々の結晶質の絶縁層が開示されているものの、実際にコヒーレントトンネルが実現されているのはＭｇＯのみである。なお、ＭｇＯを用いたトンネル障壁の構造は、非特許文献３、非特許文献４に開示されている。
【００１８】
【特許文献１】特開２００４−１８６２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９４６７号公報
【非特許文献１】木村崇、ヤロスラフ ハムル、大谷義近、「非局所手法を用いたスピン蓄積およびホール効果の測定」、日本応用磁気学会誌、２００５年、Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．３，ｐ．１９２−１９８
【非特許文献２】T.Kimura,J.Hamrle,Y.Otani,「Estimation of spin-diffusion length fromthe magnitude of spin-current absorption: Multiterminalferromagnetic/nonferromagnetic hybrid structures」、Physical Review Ｂ７２、２００５年、文献番号０１４４６１
【非特許文献３】湯浅新治、David D. Djayaprawira、恒川孝二、永峰佳紀、前原大樹、「MgOトンネル障壁を用いた超低抵抗MTJ素子技術」、まぐね、２００７年、Vol.2、No.10、ｐ．496
【非特許文献４】Tsunekawa、ｅｔ  ａｌ、「Huge magnetoresistance and low junction resistancein magnetic tunnel junctions with crystalline MgO barrier」、２００６年、IEEE  Transactionson Magnetics, Vol.42、No.2、p.103-107
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、磁性体とＣｕなどの非磁性体との間に、ＭｇＯを挿入した場合においても、スピン蓄積型磁気センサの出力は不十分である。
【００２０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高い出力が得られるスピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン蓄積型磁気センサは、非磁性層の第１領域上に設けられたピンド層と、非磁性層の第２領域上に設けられたフリー層とを備え、非磁性層とピンド層との間に電流を供給し、非磁性層とフリー層との間の電圧を測定するスピン蓄積型磁気センサであって、非磁性層とピンド層との間には、第１磁性層及び第１絶縁層が順次介在し、非磁性層とフリー層との間には、第２磁性層及び第２絶縁層が順次介在し、非磁性層はＣｕからなり、第１及び第２磁性層はＣｏＦｅＢからなり、第１及び第２絶縁層はＭｇＯからなることを特徴とする。
【００２２】
スピン蓄積型磁気センサでは、フリー層の磁化の向きが、外部磁場によって変化し、フリー層の磁化の向きに応じて、非磁性層とフリー層との間の電圧が変化する。ここで、非磁性層をＣｕとし、その上にＣｏＦｅＢとＭｇＯを順次介してピンド層又はフリー層を配置する構造とすると、その出力電圧を飛躍的に増加させることができる。
【００２３】
また、第１及び第２磁性層の厚みは、それぞれ０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、磁気センサの出力を特に大きくすることが可能である。
【００２４】
また、ピンド層及びフリー層は、それぞれ面内のアスペクト比は適切なアスペクトに調整する。例えば、このアスペクト比は３：１以下である。この場合、形状異方性が低いので、磁化の向きが固定されたピンド層の磁化の向きの調整を容易に行うことができ、また、形状異方性が低いので、フリー層の外部磁場に対する変動量を大きくすることができる。このようなアスペクト比が小さなピンド層或いはフリー層は、非磁性層から食み出ることなく製造することも可能であるため、Ｃｕからなる非磁性層上に連続的にＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、及びピンド層（フリー層）を順次形成することができ、したがって、製造チャンバから素子を外部に取り出す必要がないため、これらの層が大気に晒されず、その界面の酸化や粗れを抑制することができる。したがって、各層の結晶性が向上することにより、この磁気センサは、より精密な動作を行うことができるようになる。
【００２５】
また、本発明に係るスピン蓄積型磁気センサは、非磁性層の一端に電気的に接続された第１電極パッドと、ピンド層に電気的に接続された第２電極パッドと、記非磁性層の他端に電気的に接続された第３電極パッドと、フリー層に電気的に接続された第４電極パッドと、を備えることが好ましい。すなわち、磁気センサとして用いるために、上述の電流を第１及び第２電極パッド間に供給し、第３及び第４電極パッド間の電圧を測定する。
【００２６】
また、本発明に係るスピン蓄積型磁気検出装置は、上述のスピン蓄積型磁気センサと、第１及び第２電極パッド間に電流を供給する電流源と、第３及び第４電極パッド間の電圧を測定する電圧計とを備えることを特徴とする。この場合、電流源から電流を供給し、電圧計によって電圧を測定すれば、上述のスピン蓄積型磁気センサの受けた外部磁場を精密に検出することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のスピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置によれば、高い出力が得られるスピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、実施の形態に係るスピン蓄積型センサを備えたスピン蓄積型磁気検出装置について説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２９】
図１は、第１実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの斜視図である。
【００３０】
このスピン蓄積型磁気センサは、少なくとも表面が絶縁性材料からなる支持基板１と、支持基板１上に形成された非磁性層（チャネル層）２と、非磁性層２の第１領域上に設けられた第１積層体Ａと、非磁性層２の第２領域上に設けられた第２積層体Ｂとを備えている。第１積層体Ａは磁化の向きが固定された強磁性体からなるピンド層（固定層）を含み、第２積層体Ｂは磁化の向きが外部磁場に応じて変動する強磁性体からなるフリー層を含んでいる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系を構成しており、各積層体Ａ，Ｂの積層方向は、Ｚ軸に一致している。
【００３１】
非磁性層２の形状はライン状であってＸ軸方向に沿って延びており、その両端にはそれぞれ電極パッドＰＡ１及び電極パッドＰＢ１がそれぞれ接触し、非磁性層２と電極パッドＰＡ１，ＰＡ２とはそれぞれ電気的に接続されている。
【００３２】
第１積層体Ａの上面には第１電極層７Ａが接触しており、第２積層体Ｂの上面には第２電極層７Ｂが接触している。第１電極層７ＡはＹ軸方向に沿って延びており、第２電極層７ＢもＹ軸方向に沿って延びている。第１電極層７Ａの一端には電極パッドＰＡ２が接触しており、第２電極層７Ｂの一端には電極パッドＰＢ２が接触している。
【００３３】
したがって、第1積層体Ａの上面は、第１電極層７Ａを介して、電極パッドＰＡ２に電気的に接続されており、第1積層体Ａの下面は、非磁性層２を介して電極パッドＰＡ１に電気的に接続されている。また、第２積層体Ｂの上面は、第２電極層７Ｂを介して、電極パッドＰＢ２に電気的に接続されており、第２積層体Ｂの下面は、非磁性層２を介して電極パッドＰＢ１に電気的に接続されている。
【００３４】
なお、同図では、支持基板１上に形成された電極パッドＰＡ１，ＰＡ２，ＰＢ１，ＰＢ２上に、非磁性層２或いは電極層７Ａ，７Ｂが形成されているが、これらの上下の位置は逆であってもよい。
【００３５】
また、上部の電極層７Ａと積層体Ａの側面とは非接触であり、これらの間には図示しない絶縁層が介在している。また、上部の電極層７Ｂと積層体Ｂの側面とは非接触であり、これらの間には図示しない絶縁層が介在している。
【００３６】
また、測定されるべき外部磁場ＭＦは、Ｙ軸方向に沿っている。外部磁場ＭＦに応じて、第２積層体Ｂ内に含まれるフリー層の磁化の向きが変動する。
【００３７】
ピンド層の磁化の向きは＋Ｙ方向に平行に固定されており、フリー層の磁化の向きは、外部磁場ＭＦが存在しないときには、例えばＹ軸に直交し＋Ｘ方向に平行であるとする。外部磁場ＭＦが大きくなると、フリー層の磁化の向きにＹ方向に平行な成分が含まれることになる。外部磁場ＭＦの向きに応じて、フリー層の磁化の向きがピンド層の磁化の向きに平行な成分を有するか、反平行な成分を有するかが決定される。例えば、ピンド層の磁化の向きが＋Ｙ方向であり、フリー層の磁化の向きが＋Ｘ方向である状態から、−Ｙ方向の外部磁場ＭＦを増加させていくと、フリー層の磁化の向きが−Ｙ方向を向いたときに、ピンド層の磁化の向き（＋Ｙ）とフリー層の磁化の向き（−Ｙ）は反平行となって出力電圧Ｖは大きくなり、更に外部磁場ＭＦを増加させると、ピンド層の磁化の向きも反転して−Ｙ方向を向いてしまうため、出力電圧Ｖは低下する。
【００３８】
図２は、第１実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの縦断面図である。
【００３９】
なお、同図には電源（電流源）ＢＡＴＴと電圧計Ｖも示されており、これらはスピン蓄積型磁気センサと共にスピン蓄積型磁気検出装置を構成している。
【００４０】
第１積層体Ａは、非磁性層２の第1領域上に順次形成された第１磁性層３Ａ、第１絶縁層４Ａ、ピンド層５Ａ、及び導電性の酸化防止層６Ａを備えており、酸化防止層６Ａ上には第１電極層７Ａが形成されている。同様に、第２積層体Ｂは、非磁性層２の第２領域上に順次形成された第２磁性層３Ｂ、第２絶縁層４Ｂ、フリー層５Ｂ、及び導電性の酸化防止層６Ｂを備えており、酸化防止層６Ｂ上には第２電極層７Ｂが形成されている。換言すれば、非磁性層２とピンド層５Ａとの間には、第１磁性層３Ａ及び第１絶縁層４Ａが順次介在し、非磁性層２とフリー層５Ｂとの間には、第２磁性層３Ｂ及び第２絶縁層４Ｂが順次介在している。なお、酸化防止層６Ａ,６Ｂは電極層７Ａ，７Ｂの成膜前に、大気に露出させないで剥離できる場合はイオンミリング等で剥離してもよい。
【００４１】
なお、ピンド層５Ａが形成された第１領域と、フリー層５Ｂが形成された第２領域との離隔距離はスピン拡散長以下を目安に設定されることが好ましく、物質にもよるが、おおむね１０ｎｍから１μｍである。本例では、この離隔距離は、スピンの最短走行距離であり、３００ｎｍであるとする。なお、Ｃｕのスピン拡散長は７００ｎｍである。
【００４２】
この磁気センサでは、図１に示した電極パッドＰＡ１とＰＡ２を介して、非磁性層２とピンド層５Ａとの間に電流源ＢＡＴＴから電流を供給する一方で、電極パッドＰＢ１とＰＢ２を介して、非磁性層２とフリー層５Ｂとの間の電圧Ｖを電圧計Ｂによって測定している。このスピン蓄積型磁気センサでは、フリー層５Ｂの磁化の向きが、外部磁場によって変化し、フリー層５Ｂの磁化の向きに応じて、非磁性層２とフリー層５Ｂとの間の電圧Ｖが変化する。
【００４３】
電流源ＢＡＴＴから電極層７Ａ及び酸化防止層６Ａを介してピンド層５Ａに注入された電子は、特定の向きのスピンを有して、トンネル障壁を構成する絶縁層４Ａ及び磁性層３Ａを順次通過し、ピンド層５Ａの直下の非磁性層２内の領域ＳＡ内に蓄積される。非磁性層２内に注入された電子は矢印Ｄ１の向き従って流れ、電極パッドＰＡ１に流れ込む。一方、領域ＳＡ内に蓄積されたスピンは、スピン流として、矢印Ｄ１方向へ拡散するが、矢印Ｄ２の方向にも拡散していき、一部分は矢印Ｄ４で示されるように、磁性層３Ｂ、絶縁層４Ｂを介して、フリー層５Ｂ内に流れ込む。
【００４４】
このときフリー層５Ｂとピンド層５Ａの磁化の向きの相対角度によって、フリー層５Ｂの電位が変動し、非磁性層２とフリー層５Ｂとの間に電圧変化が発生する。電圧計Ｖによって、この電圧変化を検出する。すなわち，フリー層５Ｂの磁化の向きだけを外部磁化で変化させると、磁化の向きに応じた電圧Ｖが発生し、これをセンサ出力として検出することができる。
【００４５】
以上、説明したように、上述のスピン蓄積型磁気検出装置は、図１に示したように、スピン蓄積型磁気センサと、第１電極パッドＰＡ１及び第２電極パッドＰＡ２間に電流を供給する電流源（ＢＡＴＴ）と、第３電極パッドＰＢ１及び第４電極パッドＰＢ２間の電圧を測定する電圧計Ｖとを備えている。この場合、電流源ＢＡＴＴから電流を供給し、電圧計Ｖによって電圧を測定すれば、上述のスピン蓄積型磁気センサの受けた外部磁場を精密に検出することができる。
【００４６】
ここで、非磁性層２はＣｕからなり、第１磁性層３Ａ及び第２磁性層３ＢはＣｏＦｅＢからなり、第１絶縁層４Ａ及び第２絶縁層４ＢはＭｇＯからなる。この構造の場合、出力電圧を飛躍的に増加させることができる。ＭｇＯの面抵抗ＲＡ（Ωμｍ２）の好適な値は１〜１００Ωμｍ２であって、例えば５Ωμｍ２であり、絶縁層４Ａ，４Ｂの面抵抗ＲＡを大きくすると出力が増加すると理論的には予想される。
【００４７】
なお、ピンド層５Ａ及びフリー層５Ｂの材料は、本例では、軟磁気特性に優れる強磁性体を用いることとされている。このような強磁性としては、Ｂ（ホウ素）を含まないＣｏＦｅが挙げられるが、Ｂを含んでいてもよい。このような材料は、Ｂ（ホウ素）を含有しないにも拘らず、ｂｃｃ構造（体心立方構造）を形成しやすく、結晶は（００１）方向に配向しやすいという傾向がある。なお、ピンド層５Ａ及び又はフリー層５Ｂとして他の強磁性体を用いることもできる。
【００４８】
上述のＣｏＦｅＢ及びＣｏＦｅの実用的で好ましい組成範囲は、Ｘ（％）及びＹ（％）を組成比とすると、以下の通りである。
・（ＣｏＸＦｅ１００−Ｘ）１００−ＹＢＹ：（但し、２０≦Ｘ≦９５，５≦Ｙ≦３０）
・ＣｏＸＦｅ１００−Ｘ：（但し、２０≦Ｘ≦９５）
【００４９】
なお、本例における好適な具体値は、以下の通りであるとする。
・（Ｃｏ７０Ｆｅ３０）８５Ｂ１５
・Ｃｏ７０Ｆｅ３０
【００５０】
また、非磁性層２の厚みｄ２、磁性層３Ａ，３Ｂの厚みｔ１、絶縁層４Ａ，４Ｂの厚みｄ４、ピンド層５Ａの厚みｄ５Ａ、フリー層５Ｂの厚みｄ５Ｂ、酸化防止層６Ａ，６Ｂの厚みｄ６、電極層７Ａ，７Ｂの厚みｄ７は以下の通りである。なお、磁性層３Ａ，３Ｂの厚みｔ１は、電子の平均自由行程以下の距離を目安に設定されている。
【００５１】
・電極層７Ａ，７Ｂ（Ｃｕ）：５ｎｍ≦ｄ７≦１００ｎｍ
・酸化防止層６Ａ，６Ｂ（Ｔａ）：１ｎｍ≦ｄ６≦１０ｎｍ
・ピンド層５Ａ（ＣｏＦｅ）：２ｎｍ≦ｄ５Ａ≦２０ｎｍ
・フリー層５Ｂ：（ＣｏＦｅ）：２ｎｍ≦ｄ５Ｂｔ３≦２０ｎｍ
・絶縁層４Ａ，４Ｂ（ＭｇＯ）：０．５ｎｍ≦ｄ４≦２ｎｍ
・磁性層３Ａ，３Ｂ（ＣｏＦｅＢ）：０．５ｎｍ≦ｔ１≦３ｎｍ：
・非磁性層２（Ｃｕ）：５ｎｍ≦ｄ２≦１００ｎｍ
【００５２】
なお、本例における好適な具体値は、以下の通りであるとする。
・電極層７Ａ，７Ｂ（Ｃｕ）：ｄ７＝３０ｎｍ
・酸化防止層６Ａ，６Ｂ（Ｔａ）：ｄ６＝３ｎｍ
・ピンド層５Ａ（ＣｏＦｅ）：ｄ５Ａ＝５ｎｍ
・フリー層５Ｂ：（ＣｏＦｅ）：ｄ５Ｂ＝５ｎｍ
・絶縁層４Ａ，４Ｂ（ＭｇＯ）：ｄ４＝０．９ｎｍ
・磁性層３Ａ，３Ｂ（ＣｏＦｅＢ）：ｔ１＝１ｎｍ
・非磁性層２（Ｃｕ）：ｄ２＝３０ｎｍ
【００５３】
また、支持基板１は、表面にＳｉＯ２層を備えたＳｉ基板からなり、このＳｉＯ２層はＳｉの熱酸化によって形成されたものである。なお、上記では、ピンド層５Ａやフリー層５Ｂは単一の強磁性層からなることとしてあるが、これらはそれぞれ複数の磁性層からなることとしてもよい。例えば、ＣｏＦｅ層からなるピンド層５ＡにＩｒＭｎなどの反強磁性層を接触させて交換結合を構成してもよく、フリー層５ＢとしてＣｏＦｅ/ＮｉＦｅなどの積層構造を採用することも可能である。また、電極パッドＰＡ１，ＰＡ２，ＰＢ１，ＰＢ２の材料は好ましくは厚さ１００ｎｍ程度のＡｕからなる。
【００５４】
ＭｇＯは（００１）配向で結晶化し易いが、ＣｏＦｅＢは、成層時においてはアモルファスであり、熱処理を行うことによってＭｇＯ（００１）と格子整合するようにｂｃｃ構造の（００１）配向で結晶化するものと考えられる。すなわち熱処理後はＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅＢ（００１）という構造が形成され、積層体Ａ，Ｂでは、素子が形成される表面に垂直な方向のみならず、この表面に平行な方向にも良好な配向性をもった構造に結晶化するため、コヒーレントなスピン電子のトンネルが起こるものと思われる。このような規則性の高い結晶構造の場合、各層の界面における電子の散乱が抑制される。
【００５５】
一方、従来の電極構造では、非磁性層に絶縁層が直接接合している。非磁性層の材料は一般にはＣｕやＡｌが用いられるが、その上に積層した結晶質の絶縁層は、結晶性が良くない。従って、選択性の高いスピンのトンネリングは生じず、さらに絶縁層／非磁性体の界面の乱れによって、界面通過時に電子が散乱され、スピンが減衰していると考えられる。
【００５６】
なお、ピンド層５ＡのＸＹ平面内の形状は長方形又は楕円形であり（ドット形状）、その縦方向（Ｙ軸方向）の寸法は２５０ｎｍ、横方向（Ｘ軸方向）の寸法は１００ｎｍである（アスペクト比＝２５０：１００＝２．５）。フリー層５ＢのＸＹ平面内の形状も長方形又は楕円形であり（ドット形状）、その縦方向（Ｙ軸方向）の寸法は２５０ｎｍ、横方向（Ｘ軸方向）の寸法は１５０ｎｍである（アスペクト比＝２５０：１５０＝１．６７）。ピンド層５Ａの方が、フリー層５Ｂよりもアスペクト比が高く、磁化反転が生じにくい構造となっている。
【００５７】
このように、本例では、ピンド層５Ａ及びフリー層５Ｂは、それぞれ面内のアスペクト比が３：１以下に設定されている。このアスペクト比は、形状異方性が適度に低くなるように設定されることが好ましい。この場合、形状異方性が低いので、磁化の向きが固定されたピンド層５Ａの磁化の向きの調整を容易に行うことができ、また、形状異方性が低いので、フリー層５Ｂの外部磁場に対する変動量を大きくすることができる。このようなアスペクト比が小さなピンド層５Ａ或いはフリー層５Ｂは、非磁性層２から食み出ることなく製造することも可能である。
【００５８】
例えば、非磁性層２上にコンタクトホール程度の開口を有するマスク層を設け、この開口内に連続的にＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、及びピンド層５Ａ（フリー層５Ｂ）を順次形成する。逆に、連続的な製膜を行った後に、この上のみにマスクを形成し、周囲の不要膜をイオンミリングなどで除去して、これらの積層体を形成することもできる。したがって、このような製造方法では、製造チャンバから素子を外部に取り出す必要がないため、これらの層が大気に晒されず、その界面の酸化や粗れを抑制することができる。したがって、各層の結晶性が向上することにより、また、界面散乱を低減することにより、この磁気センサは、より精密な動作を行うことができるようになる。
【００５９】
（製造方法）
次に、図１及び図２に示したスピン蓄積型磁気センサの製造方法について説明する。
【００６０】
Ｓｉからなるウェハを酸素雰囲気中で加熱し（９００℃〜１１００℃）、露出表面を熱酸化して表面にＳｉＯ２層を形成する。次に、ＳｉＯ２層上に、電極パッドＰＡ１，ＰＡ２，ＰＢ１，ＰＢ２が形成される予定の領域が開口したマスクを、電子線リソグラフィ又はフォトリソグラフィで形成する。しかる後、Ａｕをマスク上及び開口内に蒸着し、このマスクを除去することにより、開口内に電極パッドＰＡ１，ＰＡ２，ＰＢ１，ＰＢ２を残留させて形成する。
【００６１】
しかる後、露出した基板表面上に非磁性層２が形成される予定の領域が開口したマスクを、電子線リソグラフィ又はフォトリソグラフィで形成する。しかる後、Ｃｕをマスク上及び開口内に蒸着し、或いは、メッキによって形成し、このマスクを除去することにより、開口内に非磁性層２を残留させて形成する。
【００６２】
次に、露出した基板表面上に積層体Ａ，Ｂの形成予定領域が開口したマスクを形成し、これらの開口内に、順次、図２に示した磁性層３Ａ，３Ｂ、絶縁層４Ａ，４Ｂ、ピンド層５Ａ（フリー層５Ｂ）、酸化防止層６Ａ，７Ａを高周波スパッタ法を用いて連続的に堆積する。最後に、このマスクの電極パッドＰＡ２，ＰＢ２の位置にコンタクトホールを形成し、或いは、積層体Ａ，Ｂと電極パッドＰＡ２，ＰＢ２を接続するようにＹ軸に沿って延びた開口を形成し、電極層７Ａ，７Ｂを高周波スパッタ法で形成する。
【００６３】
これらの層の形成後、２７０℃で数分（例：１０分）の熱処理を行い、アモルファスである磁性層を（００１）配向を有するように結晶化させる。ピンド層５Ａの磁化の向きは、この層に強い磁場を与えることによって固定する。
【００６４】
なお、上述のパターニングには、マスクを除去することによって行っているが、Ａｒなどを用いたイオンミリングを用いて、マスク直下の領域の層を残留させることで、形成することも可能である。
【００６５】
すなわち、電極パッドの形成後、基板露出表面の全面上に非磁性層を形成し、その上に、レジストからなるマスクを形成し、電子ビーム露光を行うことにより、電極パッドＰＡ１，ＰＢ１間を接続する領域のみに、マスクが残留するように、マスクを現像処理し、この上から、イオンミリングで目的の非磁性層２の周囲の領域をスパッタリングして除去し、しかる後、非磁性層２のパターニングの後に、このマスクを除去する。
【００６６】
次に、基板露出表面の全面上に、順次、図２に示した磁性層３Ａ，３Ｂ、絶縁層４Ａ，４Ｂ、ピンド層５Ａ（フリー層５Ｂ）、酸化防止層６Ａ，７Ａを高周波スパッタ法を用いて連続的に堆積し、その上にレジストからなるマスクを形成する。このマスクに電子ビーム露光を行うことにより、積層体Ａ，Ｂの形成する領域のみに、マスクが残留するように、マスクを現像処理し、この上から、イオンミリングで目的の積層体Ａ，Ｂの周囲の領域をスパッタリングして除去し、このミリングによって積層体Ａ，Ｂのパターニングを行う。
【００６７】
しかる後、ＳｉＯ２などの絶縁膜を露出表面上に形成した後、積層体Ａ，Ｂ上のマスクを除去し、積層体Ａ，Ｂの上面を露出させる。そして、この絶縁膜上に電極パッドＰＡ２，ＰＢ２の位置が開口したコンタクトホールを形成し、この上に電極層７Ａ，７Ｂをパターニングする。パターニングの方法は、まず、電極材料を基板の全面堆積し、続いて、電極層７Ａ，７Ｂの形成予定領域にのみにマスクを形成し、これをマスクとして、目的の電極層７Ａ，７Ｂの周囲をイオンミリングを用いて除去する。
【００６８】
これらの層の形成後、２７０℃で数分（例：１０分）の熱処理を行い、アモルファスである磁性層を（００１）配向を有するように結晶化させる。ピンド層５Ａの磁化の向きは、この層に磁場を与えることによって固定する。
【００６９】
（実験例）
平面形状が長方形の積層体Ａ，Ｂを有する上記スピン蓄積型磁気センサを後者の製造方法を用いて作製した。
【００７０】
各素子の寸法は以下の通りである。
・非磁性層（Ｃｕ）２のＸ軸方向長：１２００ｎｍ
・非磁性層２のＹ軸方向長：２５０ｎｍ
・非磁性層２のＺ軸方向の厚み：３０ｎｍ
・第１積層体（Ｔａ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ/ＣｏＦｅＢ）ＡのＸ軸方向長：１００ｎｍ
・第１積層体ＡのＹ軸方向長：２５０ｎｍ
・第１積層体ＡのＺ軸方向の厚み：（ｔ１＋ｄ４＋ｄ５Ａ＋ｄ６＝１４．９ｎｍ）
・第２積層体（Ｔａ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ/ＣｏＦｅＢ）ＢのＸ軸方向長：１５０ｎｍ
・第２積層体ＢのＹ軸方向長：２５０ｎｍ
・第２積層体ＢのＺ軸方向の厚み：（ｔ１＋ｄ４＋ｄ５Ｂ＋ｄ６＝１４．９ｎｍ）
・電極層（Ｃｕ）７ＡのＸ軸方向長：１００ｎｍ
・電極層７ＡのＹ軸方向長：８００ｎｍ
・電極層７ＢのＸ軸方向長：１５０ｎｍ
・電極層７ＢのＹ軸方向長：８００ｎｍ
・電極層７Ａ，７ＢのＺ軸方向の厚み：３０ｎｍ
・積層体Ａ，Ｂ間の離隔距離：３００ｎｍ
【００７１】
この実施例にかかる磁気センサでは、絶縁層を挿入しない場合（比較例）に比べて、１００倍以上の出力が得られた。素子の出力Ｖを測定した結果を図３〜図６に示す。
【００７２】
図３〜図６は、外部磁場の強さＨ（Ｏｅ）と出力電圧Ｖ（μＶ）との関係を示すグラフである（電流Ｉ＝４９μＡ〜１．８ｍＡ）。
【００７３】
これらのグラフでは、初期のオフセット値をゼロに補正し、この値からの変動出力ΔＶを出力Ｖとして示している。外部磁場が３００（Ｏｅ）付近のピークと、十分大きな磁場がかかったレベルの差が磁化反転に伴う出力Ｖである。出力Ｖは電流Ｉが大きくなると大きくなる傾向がある。フリー層の磁化反転が生じると、電圧出力は急激に大きくなり、この磁化反転によって、Ｉ＝４９μＡでは、電圧Ｖ＝１５μＶが得られ（図３）、Ｉ＝９８μＡでは、電圧Ｖ＝３０μＶが得られ（図４）、Ｉ＝０．８９ｍＡでは、電圧Ｖ＝１５０μＶが得られ（図５）、Ｉ＝１．８ｍＡでは、電圧Ｖ＝２５０μＶが得られている（図６）。
【００７４】
図７は、下地を構成する磁性層の厚みｔ１（ｎｍ）と抵抗変化量ΔＲ（ｍΩ）の関係を示すグラフである。なお、抵抗は、出力電圧を電流で割った値である。
【００７５】
下地となる磁性層３Ａ，３Ｂの厚みｔ１が小さい領域では、各層の結晶性が悪く、出力は小さい。また、厚みｔ１が大きな領域では、拡散伝導が行われるため出力は低下している。すなわち、厚さｔ１は、電子がバリスティックに伝導する、平均自由行程以下の厚さが好ましい。このように、磁性層３Ａ，３Ｂの厚みｔ１は、有効な出力（ΔＲ）が得られるという観点からは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが更に好ましい。なお、ΔＲ＝２５０ｍΩの場合、理論的にはＣｏＦｅの分極率は０．４を超えているものと考えられる。
【００７６】
図８は、第２実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの平面図であり、図９は図８に示したスピン蓄積型磁気センサのＩＸ−ＩＸ矢印縦断面図である。
【００７７】
第２実施形態では、第１実施形態と比較して、積層体Ａ，Ｂが電極パッドＰＡ２，ＰＢ２までそれぞれ延びており、電極層７Ａ，７Ｂが省略され、また、電極パッドＰＢ２に強磁性体層が用いられている点のみが、第１実施形態と異なる。この構造の場合、積層体Ａ，Ｂを構成する各層の平面形状は、積層体Ａ，Ｂの平面形状と同一であって、特に、ピンド層５Ａ，フリー層５Ｂはアスペクト比が増加するため、第１実施形態よりも高い形状異方性を有する。なお、大面積の電極パッドＰＢ２は、フリー層５Ｂと同じ強磁性層を有しており、この電極パッドＰＢ２から、フリー層５Ｂに磁壁が供給され、磁化反転に必要な磁場を低減している。ピンド層５Ｂ側には、磁壁供給用の強磁性層の電極パッドは設けない。
【００７８】
以上、説明したように、上述のスピン蓄積型磁気センサにおいては、非磁性層２はＣｕからなり、第１磁性層３Ａ及び第２磁性層３ＢはＣｏＦｅＢからなり、第１絶縁層４Ａ及び第２絶縁層４ＢはＭｇＯからなっており、出力電圧が飛躍的に増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの縦断面図である。
【図３】外部磁界の強さＨ（Ｏｅ）と出力電圧Ｖ（μＶ）との関係を示すグラフである（電流Ｉ＝４９μＡ）。
【図４】外部磁界の強さＨ（Ｏｅ）と出力電圧Ｖ（μＶ）との関係を示すグラフである（電流Ｉ＝９８μＡ）。
【図５】外部磁界の強さＨ（Ｏｅ）と出力電圧Ｖ（μＶ）との関係を示すグラフである（電流Ｉ＝０．８９ｍＡ）。
【図６】外部磁界の強さＨ（Ｏｅ）と出力電圧Ｖ（μＶ）との関係を示すグラフである（電流Ｉ＝１．８ｍＡ）。
【図７】下地を構成する磁性層の厚みｔ１（ｎｍ）と抵抗変化量ΔＲ（ｍΩ）の関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの平面図である。
【図９】第２実施形態に係るスピン蓄積型磁気センサの縦断面図である。
【図１０】局所構造の磁気センサの模式図（図１０（ａ））、非局所構造の磁気センサの模式図（図１０（ｂ））である。
【符号の説明】
【００８０】
Ａ，Ｂ…積層体、７Ａ，７Ｂ…電極層、６Ａ，６Ｂ…酸化防止層、５Ａ…ピンド層、５Ｂ…フリー層、４Ａ，４Ｂ…絶縁層、３Ａ，３Ｂ…磁性層、２…非磁性層、１…支持基板。
【図１】
2010127695.tif 000003
【図２】
2010127695.tif 000004
【図３】
2010127695.tif 000005
【図４】
2010127695.tif 000006
【図５】
2010127695.tif 000007
【図６】
2010127695.tif 000008
【図７】
2010127695.tif 000009
【図８】
2010127695.tif 000010
【図９】
2010127695.tif 000011
【図１０】
2010127695.tif 000012