(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気シールド層を有するベース基板と、
前記ベース基板の前記磁気シールド層上の絶縁膜を介して貼り付けられた単一ドメインからなる半導体の結晶層と、
前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に、第１トンネル障壁層を介して形成された第１強磁性層と、
前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して形成された第２強磁性層と、
を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に設けられ、前記第１強磁性層との間に電子が流れる第１電極と、
前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に設けられ、前記第２強磁性層との間の電圧を測定するための第２電極と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記半導体の結晶層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、又はグラフェンからなること特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記半導体の結晶層は、磁気ヘッドにおける媒体対向面側に先端部が位置する突出部を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、前記半導体基板とショットキー接触する金属層との界面に形成されるショットキー障壁からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記半導体の結晶層の厚みは、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが反対方向であること特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが同じであること特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記半導体の結晶層は、ダイヤモンド構造又は閃亜鉛鉱構造の半導体からなることを特徴とする請求項１、２及び３乃至９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁場によってスピンが回転することを利用した磁気センサ、特にスピン伝導型磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の磁気ヘッドは、磁気抵抗効果を利用した磁気センサである。磁気ヘッドに用いられるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は、スピンバルブ型の構造を有しており、比較的大きな出力変化が得られるという優れた特性を有している。しかしながら、磁気情報の読出速度を向上させた場合、特に、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ以上の記録密度領域の磁気情報を読み出す場合には、磁気ヘッドの検出原理を変えなければ、磁気情報が検出できなくなると考えられている。そこで、このような問題を解決するため、出願人は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板における半導体層を走行するスピン流を利用したスピン伝導型磁気センサを提案している（特許文献１及び特許文献２参照）。なお、一般的なＳｉスピン拡散長は１μｍ以下、スピン寿命が１ｎｓｅｃ以下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２０１０−３７３６２号
【特許文献２】特願２０１０−２１３９１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＳＯＩ基板を用いたスピン伝導型磁気センサのスピン伝導特性には改善の余地がある。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、スピン伝導特性を改善可能なスピン伝導型磁気センサ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】
【０００５】
本願発明者らが、スピン伝導型磁気センサのスピン伝導特性について、鋭意検討したところ、結晶成長により、ＳｉＯｘやＭｇＯなどの絶縁層上に、半導体の結晶層を成長させた場合、その結晶性が十分ではなく、これがスピン伝導特性に影響を与えていることが判明した。
【０００６】
そこで、本発明に係る磁気センサは、磁気シールド層を有するベース基板と、前記ベース基板の前記磁気シールド層上の絶縁膜を介して貼り付けられた単一ドメインからなる半導体の結晶層と、前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に、第１トンネル障壁層を介して形成された第１強磁性層と、前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に、前記第１強磁性層から離間し、第２トンネル障壁層を介して形成された第２強磁性層と、を備えることを特徴とする
【０００７】
すなわち、半導体の結晶層は、絶縁層上への薄膜成長によって形成されるのではなく、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法あるいはＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）法などの単一ドメインの結晶が得られる方法により別途作製されたインゴッドなどの単結晶体をスライスして切り出したもの或いは剥離したものを用いる。この場合、半導体の結晶層の結晶性は、絶縁層上に薄膜成長を用いて形成したものよりも高くなる。したがって、この半導体の結晶層をスピン伝導層として利用すれば、スピン伝導特性が改善し、出力の向上、磁場解像度の向上及び素子作製における制約が緩和される。また、ベース基板の外側からの磁場の結晶層への導入は、磁気シールド層により抑制される。
【０００８】
前記半導体の結晶層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、又はグラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）からなることが好ましく、これらは単一ドメインからなる結晶を得るとができる。
【０００９】
第１強磁性層と第２強磁性層との間に存在するスピンの向きは、半導体の結晶層に導入される磁場の影響を受けて回転し、第２強磁性層側の出力が変動する。第２強磁性層側の出力を検出する方式としては、磁気抵抗効果測定方式と、スピン流方式がある。
【００１０】
前者の磁気抵抗効果測定方式の場合、第１強磁性層と第２強磁性層との間に電子流を流し、これらの間の磁気抵抗の変化を測定することで、半導体の結晶層内に導入された磁場の大きさを計測することができる。
【００１１】
第１及び第２強磁性層間に電子を流した場合、そのスピンが上記磁場により回転し、出力が変動する。半導体の結晶層はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作製したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００１２】
一方、上述のように、情報の読み出し速度を更に向上させる場合には、スピン流方式を用いる。
【００１３】
すなわち、本発明に係る磁気センサは、前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に設けられ、前記第１強磁性層との間に電子が流れる第１電極と、前記半導体の結晶層における前記絶縁膜とは反対側の表面上に設けられ、前記第２強磁性層との間の電圧を測定するための第２電極と、を更に備えることを特徴とする。
【００１４】
スピン流方式では、第１強磁性層と第１電極との間に電子流を流す。この場合、第１強磁性層直下の半導体の結晶層からスピン流が拡散する。このスピン流は、半導体の結晶層をチャネル層として伝播し第２強磁性層側に至る。スピン流の伝播過程でスピンが受けた磁場に応じて、スピンの向きが回転して、第２強磁性層と第２電極との間の電圧が変動するので、半導体の結晶層内に導入された磁場の大きさを計測することができる。
【００１５】
詳説すれば、第１強磁性層と第１電極との間に電子を流すと、半導体の結晶層内にスピンが蓄積され、このスピンが第２強磁性層方向へと拡散する。拡散したスピンの偏極の方向に応じて、第２強磁性層と第２電極との間の電圧が変化する。この構造のスピン伝導型磁気センサでは、媒体対向面（ＡＢＳ）が対向する磁気記録媒体から、半導体の結晶層内に磁場が導入され、伝導中にスピンの偏極が回転する。したがって、出力電圧は、半導体の結晶層内に導入された磁場の大きさに依存することとなり、磁気センサとして機能する。ここで、半導体の結晶層はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作成したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層の結晶性よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００１６】
なお、前記半導体の結晶層は、磁気ヘッドにおける媒体対向面側に先端部が位置する突出部を有していることを特徴とする。この場合、突出部を介して、上記磁場を半導体の結晶層内部に導入することができる。
【００１７】
特に、突出部以外の半導体の結晶層が磁場の影響を受けたくない場合、磁気センサは、前記突出部が内部に位置する貫通孔を有する磁気シールドを前記ベース基板上の媒体対向面側に更に備え、前記貫通孔は、前記半導体の結晶層における前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との領域の側方に位置していることが好ましい。半導体の結晶層の側方には磁気シールドが位置しているため、突出部以外からは磁場が内部に導入されず、正確な測定が可能となる。
【００１８】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなることを特徴とする。これらの材料の場合、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。
【００１９】
前記第１及び第２トンネル障壁層は、前記半導体基板とショットキー接触する金属層との界面に形成されるショットキー障壁からなることを特徴とする。トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキー障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキー障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００２０】
半導体の結晶層の厚みは、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。この場合、バックグラウンド電圧を低く抑えることができるという利点がある。すなわち、磁気センサにおいて、半導体の結晶層の厚みを薄くすることには利点がある。絶縁層上に半導体の結晶層を結晶成長させた場合、薄くしすぎると、半導体の結晶層の結晶性が十分ではない。一方、バルクの半導体の結晶層を用いた場合には、厚みを薄くしても、高い結晶性を有しているので、十分にノイズを低下させることができる。
【００２１】
また、磁気抵抗効果測定方式において、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが反対方向（反平行）である場合、これらを平行とした場合よりも、磁場変化に対する第２強磁性層への到達スピン量の変化率が大きくなり、大きな出力を得ることができるので、好ましい。
【００２２】
また、スピン流方式の場合、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが同じ（平行）であれば、磁化方向の固定には熱と磁場をかけて一度加熱するのみでよいため、好ましい。
【００２３】
なお、Ｓｉどの立方晶のダイヤモンド構造や、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造の半導体は、良質なバルク結晶が数多く製造され、市販されているため、チャネル材料としては好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、スピン伝導特性を改善可能なスピン伝導型磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】磁気センサ主要部の斜視図である。
【図２】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図３】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図４】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図５】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図６】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図７】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図８】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図９】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図１０】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図１１】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図１２】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図１３】製造工程を示すための磁気センサ中間体の斜視図である。
【図１４】磁気センサの斜視図である。
【図１５】外部磁場（Ｏｅ）と電圧Ｖnon-Local（μＶ）の関係を示すグラフである。
【図１６】外部磁場（Ｏｅ）と電圧Ｖnon-Local（μＶ）の関係を示すグラフである。
【図１７】半導体の結晶層の厚み（Ｓｉ膜厚）（μｍ）とバックグラウンド電圧（μＶ）との関係を示すグラフである。
【図１８】磁気センサを備えた磁気ヘッドの縦断面図である。
【図１９】半導体の結晶層上に形成された各層の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、実施の形態に係る磁気センサについて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する符号は省略する。
【００２７】
図１は、磁気センサ主要部の斜視図である。
【００２８】
この磁気センサは、ベース基板１０と、ベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付けられた単一ドメインのバルクの半導体の結晶層３とを備えている。ベース基板１０は、下部ベース基板１０Ａ、下部磁気シールド１０Ｂ、及び、上部ベース基板１０Ｃを積層してなる。半導体の結晶層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第１トンネル障壁層５Ａを介して第１強磁性層１が形成されており、同様に、半導体の結晶層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第２トンネル障壁層５Ｂを介して第２強磁性層２が形成されている。第２強磁性層２は、第１強磁性層１からＹ軸方向に離間している。また、ベース基板１０の外側からの磁場の結晶層３への導入は、磁気シールド１０Ｂにより抑制され、媒体対向面側からの磁場の結晶層３への導入は、磁気シールドＳＨ１により抑制され、ベース基板１０の磁気シールド１０Ｂとは逆側からの結晶層３への磁場の導入は、磁気シールドＳＨ２により抑制される（図１４参照）。
【００２９】
なお、基板厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２軸をＸ軸及びＹ軸とする三次元直交座標系が設定される。
【００３０】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の長手方向は、共にＸ軸方向であり、これらの磁化方向は、本例では、共にＹ軸の正方向に向いている（平行）。もちろん、これらの磁化方向を逆方向に設定した場合（反平行）においても、磁気センサは動作することができる。
【００３１】
半導体の結晶層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第１強磁性層１との間に電子が流れる第１電極１Ｍが設けられている。同様に、半導体の結晶層３における絶縁膜４とは反対側の表面上には、第２強磁性層２との間の電圧を測定するための第２電極２Ｍが設けられている。第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは、半導体の結晶層３に直接接触している。
【００３２】
ここで、半導体の結晶層３は、絶縁層上への薄膜成長によって形成されるのではない。半導体の結晶層３は、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法あるいはＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）法により作製された単結晶インゴッドをスライスして切り出したものを用いる。半導体の結晶層３は、必要に応じて、貼り合わせ後に研磨を行うことで、薄膜化することができる。すなわち、結晶層３を、単一ドメインの単結晶から製造するように、絶縁層上への結晶成長を用いず、別の工程において、結晶層３を作製しておき、これをベース基板１０に絶縁膜４を介して貼り付ける。別工程としては、ＭＢＥ法を用いた結晶成長法を用いることができる。ＭＢＥ法を用いた結晶成長法を用いる場合、例えば、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）を採用することができる。グラファイトは、複数の単原子層からなるグラフェンを積層したものであり、単一のグラフェンは、半導体としての機能しうることが知られている。すなわち、グラファイトの元の結晶層を別工程で形成した後、これを絶縁膜４を介してベース基板１０に貼り付け、元の結晶層を剥離することで、単一原子層のグラフェン層が、結晶層３として絶縁膜４上に残留する。
【００３３】
バルクの半導体の結晶層の結晶性は、絶縁膜上への薄膜成長を用いて形成したものの結晶性よりも高くなる。したがって、この半導体の結晶層３をスピン伝導層として利用すれば、スピン伝導特性が改善し、出力の向上、磁場解像度の向上及び素子作製における制約が緩和される。
【００３４】
第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に存在するスピンの向きは、半導体の結晶層３に導入される磁場Ｂの影響を受けて回転し、第２強磁性層２側の電圧出力が変動する。第２強磁性層２側の出力を検出する方式としては、（１）磁気抵抗効果測定方式と、（２）スピン流方式がある。
【００３５】
（１）磁気抵抗効果測定方式の場合、第１電極１Ｍと第２電極２Ｍは用いない。すなわち、これらの形成を省略するか、例え形成した場合においても利用しない。この場合、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に、電子流源を接続し、これらの間に電子流を供給する。注入された電子のスピンの偏極方向は、半導体の結晶層３の突出部３Ｂを介して内部に導入される磁場Ｂの向きに依存して、回転する。したがって、第１強磁性層１から第２強磁性層２に至る電子量、換言すれば分極率が変化するため、これらの間の半導体の結晶層を含む領域の磁気抵抗が変化する。したがって、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の電圧を電圧測定回路によって計測することで、半導体の結晶層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００３６】
このように、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電子を流した場合、そのスピンが上記磁場Ｂにより回転し、出力が変動する。半導体の結晶層３はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作製したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００３７】
また、情報の読み出し速度を更に向上させる場合には、スピン流方式を用いる。
【００３８】
（２）スピン流方式では、図１に示す通り、第１電極１と第２電極２とを用いる。第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間には、電子流源Ｅを接続する。一方、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間には、電圧測定回路（手段）Ｖを接続する。
【００３９】
電子流源Ｅから、第１強磁性層１と第１電極１Ｍとの間に電子流を供給する。この場合、第１強磁性層１の直下の半導体の結晶層３からスピン流が拡散する。このスピン流は、半導体の結晶層３をチャネル層として伝播し、第２強磁性層２側に至る。スピン流の伝播過程でスピンが受けた磁場Ｂに応じて、スピンの向きが回転して、第２強磁性層２と第２電極２Ｍとの間の電圧が変動する。この電圧は、電圧測定回路Ｖによって測定する。したがって、半導体の結晶層３内に導入された磁場Ｂの大きさを計測することができる。
【００４０】
この構造のスピン伝導型磁気センサでは、Ｘ軸の負方向側のＹＺ平面が、媒体対向面（ＡＢＳ）を構成している。媒体対向面が対向する磁気記録媒体から、突出部３Ｂを介して半導体の結晶層３のチャネルである本体部３Ａ内に磁場Ｂが導入される。半導体の結晶層本体部３Ａにおいて、スピンの偏極が回転する。
【００４１】
半導体の結晶層３は、本体部３Ａと突出部３Ｂとを備えている。本体部３Ａの形状はＹ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を短手方向とし、Ｚ軸方向を厚み方向とする直方体である。突出部３Ｂの平面形状は、台形柱である。この台形は、媒体対向面とＸＹ平面との交線を上底とし、また本体部に連続しているため実際には下底はないが、仮想的には本体部３Ａとの境界線を台形の下底とみなすことができる。
【００４２】
したがって、出力電圧は、半導体の結晶層３内に導入された磁場の大きさに依存することとなり、磁気センサとして機能する。ここで、半導体の結晶層はバルクからなるので、その結晶性は、結晶成長により作成したＳＯＩ基板の場合の半導体の結晶層の結晶性よりも高い。したがって、スピン伝導特性を改善することができ、より精密な計測を行うことができる。
【００４３】
このように、半導体の結晶層３は、磁気ヘッドにおける媒体対向面側に先端部が位置する突出部３Ｂを有している。この場合、突出部３Ｂを介して、上記磁場を半導体の結晶層３内部に導入することができる。
【００４４】
特に、突出部３Ｂ以外の半導体の結晶層３である本体部３Ａは、磁気シールドＳＨ（１０Ｂを含む）によりＹ軸まわりに囲まれており、磁場の影響を受けにくくなっている。すなわち、この磁気センサは、突出部３Ｂが内部に位置する貫通孔ＴＨ（図１４参照）を有する磁気シールドＳＨを更に備えており、この貫通孔ＴＨは、半導体の結晶層３における第１強磁性層１と第２強磁性層２との間の領域の側方（Ｘ軸負方向）に位置している。媒体対向面における貫通孔ＴＨの一辺の長さ（Ｙ軸方向の長さ）を例えば０．００５μｍ〜０．１μｍとし、他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）を例えば０．００１μｍ〜０．１μｍとすることができる。半導体の結晶層３の側方には磁気シールドＳＨ（特に側部磁気シールドＳＨ１：図１２参照）が位置しているため、突出部３Ｂ以外からは磁場が内部に導入されず、正確な測定が可能となる。
【００４５】
次に、各要素の材料について説明する。
【００４６】
下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉなどの半導体のように絶縁性の高い材料からなる。
【００４７】
下部磁気シールド１０Ｂを含む磁気シールドＳＨの材料は、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からなり、一例としてはＮｉＦｅからなる。なお、側部に立設された側部磁気シールドＳＨ１のＺ軸方向の厚みは、半導体の結晶層３の厚みよりも大きく、例えば０．０２μｍ〜１μｍである。同様に上部磁気シールドＳＨ２と、下部磁気シールド１０ＢのＺ軸方向の厚みも、それぞれ０．０２μｍ〜１μｍである。
【００４８】
上部ベース基板１０Ｃは、下部磁気シールド１０Ｂ内に埋め込まれた絶縁層からなり、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。なお、下部磁気シールド１０Ｂは、上部ベース基板１０Ｃの下面に接触する第１磁気シールド１０Ｂ１と、側面に接触する第２磁気シールド１０Ｂ２からなり、ＸＺ断面の形状はＬ字型である。
【００４９】
絶縁膜４の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などを用いることができるが、絶縁膜であれば特に制限されるものではない。
【００５０】
半導体の結晶層３の材料としては、バルク或いは単一ドメインからなる単結晶半導体からなればよく、結晶欠陥の少ないＳｉが好ましいが、その他のＧｅなどの半導体の他、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ダイヤモンド（Ｃ）又はＳｉＣなどの化合物半導体、或いはグラフェンを採用することも可能である。この中で、半導体の結晶層３が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、又はグラフェンからなる場合、これらは良質な単一ドメインの結晶を得ることができることが知られているため、好適である。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することができる。  
【００５１】
半導体の結晶層３上に形成された第１トンネル障壁層５Ａ及び第２トンネル障壁層５Ｂは、それぞれＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４などの厚さ２ｎｍ以下の絶縁層からなる。これらの材料の場合、スピンの注入及び検出の効率が高いという利点がある。なお、本例では、第１及び第２トン熱障壁層５Ａ，５Ｂは、共通の絶縁層５であって連続している。
【００５２】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の材料は、それぞれ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。
【００５３】
一例としては、これらの強磁性層１，２は、ＣｏＦｅからなる。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。
【００５４】
第１電極１Ｍ及び第２電極２Ｍの材料は、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどの非磁性金属からなる。
【００５５】
なお、上述の第１及び第２トンネル障壁層は、半導体基板とショットキー接触する金属層との界面に形成されるショットキー障壁からなることとしてもよい。
【００５６】
トンネル障壁層は、電子がトンネルする厚みのポテンシャル障壁を構成しており、本例では２ｎｍ以下であることとする。２ｎｍ以下の絶縁膜であれば、電子はこれをトンネルすることができ、ショットキー障壁の場合も、電子がこれをトンネルすることができる。なお、絶縁膜の方が、ショットキー障壁よりも厚みを制御することが容易であるという利点がある。
【００５７】
半導体の結晶層３の厚みは、０．４ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。この場合、バックグラウンド電圧を低く抑えることができるという利点がある。すなわち、磁気センサにおいて、半導体の結晶層３の厚みを薄くすることには利点がある。従来のＳＯＩ基板のように、絶縁層上に半導体の結晶層を結晶成長させた場合、薄くしすぎると、半導体の結晶層の結晶性が十分ではない。一方、バルクの半導体の結晶層３を用いた場合には、厚みを薄くしても、高い結晶性を有しているので、十分にノイズを低下させることができる。
【００５８】
次に、磁気センサの製造方法について、図２〜図１４を参照して説明する。
【００５９】
まず、図２に示すように、下部ベース基板１０Ａを用意する。本例では、下部ベース基板１０Ａは、ＡｌＴｉＣからなることとする。同図では、長方形で板状の下部ベース基板１０Ａが示されているが、これは最終的にダイシングを行った後の形状であり、実際に最初に用意される基板は直径６インチのウェハである。また、下部ベース基板１０Ａとして、ＳＯＩ基板を用いることも可能である。この下部ベース基板１０Ａに適当なアライメントマークを形成しておき、これを以後のパターニングの基準として使用する。
【００６０】
次に、図３に示すように、下部磁気シールド１０Ｂとなる磁性層１０Ｂ’を下部ベース基板１０Ａ上に形成する。この磁性層１０Ｂ’は、軟磁性体からなり、例えば、ＮｉＦｅからなる。形成方法としては、スパッタ法などを用いることができる。
【００６１】
しかる後、図４に示すように、磁性層１０Ｂ’を、そのＸＺ断面がＬ字型となるように加工し、Ｙ軸に平行に延びた境界線を有する段差を形成する。この加工には、Ａｒを用いたイオンミリング法又は公知の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。
【００６２】
次に、図５に示すように、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、下部磁気シールド１０Ｂの上面の全面上に形成した後、ＸＹ平面に平行な研磨面を有する研磨部材を用いて、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃを、第２磁気シールド１０Ｂ２の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）し、露出表面を平坦化する。
【００６３】
次に、貼り合わせ用のバルクの半導体の結晶層（半導体基板）３を用意する。この半導体の結晶層３は、ＦＺ法あるいはＣＺ法で作製された単結晶半導体基板であり、本例ではＳｉである。この半導体の結晶層３（例：厚さ１００ｎｍ）の表面を熱酸化することで、表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜４（例：厚さ２０ｎｍ）を形成する。絶縁膜４の形成方法はスパッタ法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いてもよい。この半導体の結晶層３は必要に応じてダイシングして適当な大きさに加工され、図６に示すように、前述のベース基板１０の表面に貼り付ける。
【００６４】
ベース基板１０の最表面には絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃが位置しており、半導体の結晶層３の表面には絶縁層１０が形成されている。したがって、これらの絶縁体を接触させて、熱と圧力を加えることで、ベース基板１０に、半導体の結晶層３が固定される。
【００６５】
更に、半導体の結晶層３の露出表面を洗浄する。この洗浄には、いわゆるＲＣＡ洗浄を用いることができる。ＲＣＡ洗浄は、フッ酸水溶液（ＨＦ）を露出表面に接触させた後、アンモニア（ＮＨ４ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、次に、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を露出表面に接触させ、最後に純水で洗浄を行う。
【００６６】
しかる後、半導体の結晶層３の表面上に、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、トンネル障壁層５としてＭｇＯ（１ｎｍ〜１．５ｎｍ）を形成し、続いて、トンネル障壁層５上に、Ｆｅ（５ｎｍ〜１０ｎｍ）を形成し、この上にＴｉ層（３ｎｍ）を形成し、更に、スパッタ法を用いて、この上にＣｏＦｅ層、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層を順次形成して、強磁性層６を形成する。更に、必要に応じて、強磁性層６を構成する最表面のＣｏＦｅ層上に反強磁性層（ＩｒＭｎ）６１を形成し（図１９参照）、更に、Ｒｕ層及びＴａ層をバリア膜６２として反強磁性層６１上に形成する（図１９参照）が、構造の明瞭化のため図６には図示していない。
【００６７】
次に、強磁性層６の磁化方向を固定するため、磁場下でのアニールを行う。例えば、Ｙ軸負方向に磁化方向を固定することとする。
【００６８】
次に、図６に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上にマスクＲ１を形成する。このマスクＲ１を用いて、マスクＲ１で被覆されていない各層６、５、３の領域をイオンミリングして除去し、図７に示すように、絶縁膜４を露出させる。なお、イオンミリングと併用して化学的なエッチングを用いることもできる。
【００６９】
しかる後、露出した半導体の結晶層３の側面を被覆する絶縁膜（厚さ２０ｎｍ：図示せず）を形成してから、マスクＲを除去する。
【００７０】
次に、図７に示すように、フォトレジストを塗布してからこれのパターニングを行い、強磁性層６（バリア層）上に第２のマスクＲ２を形成する。このマスクＲ２は、Ｘ軸方向に延びた一対の領域からなる。マスクＲ２を用いて、強磁性層６（バリア層）の露出領域を、イオンミリングあるいは化学的なエッチングによって、トンネル障壁層５が露出するまで除去し、露出した半導体の結晶層３を被覆する絶縁膜（厚さ２０ｎｍ：図示せず）を形成してから、次に、マスクＲ２を除去する。図８に示すように、ここで残留した強磁性層を第１強磁性１を第２強磁性層２とする。なお、ここでの除去工程は、半導体の結晶層３が露出するまで行うこととしてもよい。スピン流型の検出を行う場合、トンネル障壁層あるいは絶縁膜が露出して残留している場合には、第１強磁性層１と第２強磁性層２に隣接する領域のトンネル障壁層及び絶縁膜をフォトレジストを用いたパターニングとエッチングによって除去し、図９に示すように、露出した半導体の結晶層３の表面上に、それぞれ第１電極１Ｍ及び第２電極２Ｍを形成する。この形成には、スパッタ法や蒸着法を用いることができる。
【００７１】
更に、ベース基板１０上の半導体の結晶層３から離間した適当な位置に、蒸着法などで４つの電極パッド（図示せず）を形成する。次に、図１０に示すように、これらの電極パッドと、上記第１強磁性層１、第２強磁性層２、第１電極１Ｍ、第２電極２Ｍを、それぞれ配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍを用いて接続する。すなわち、配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１Ｍ，Ｗ２Ｍの一端部は、図１０に示すように、各層１、２、１Ｍ、２Ｍに電気的及び物理的に接続される。
【００７２】
次に、図１１に示すように、リフトオフプロセスを用いて、強磁性電極１，２及び電極１Ｍ，２Ｍの媒体対向面側の表面を覆うように、厚さ２０ｎｍの絶縁膜ＰＦをこれらの上に形成する。これは強磁性電極１，２及び電極１Ｍ，２Ｍが、次のプロセスで側部磁気シールド層ＳＨ１と電気的に接触することを防ぐためであり、絶縁膜ＰＦは例えばＳｉＯ２からなる。
【００７３】
次に、図１２に示すように、Ｙ軸に沿って延びた側部磁気シールド層ＳＨ１によって、突出部３Ｂ形成領域以外の媒体対向面側の絶縁膜４の表面を被覆する。側部磁気シールド層ＳＨ１は、第２磁気シールド１０Ｂ２上に、絶縁膜４を介して形成される。側部磁気シールド層ＳＨ１の形成においては、この形成領域のみが開口したマスクパターンをフォトレジストで基板表面上に形成し、開口内に側部磁気シールドを構成する軟磁性材料を堆積し、しかる後、フォトレジストを除去すればよい。軟磁性材料の堆積にはスパッタ法を用いることができる。
【００７４】
次に、図１３示すように、必要に応じてスペーサとしての絶縁膜ＳＰを、スパッタ法を用いて露出した基板表面上に形成し、絶縁膜ＳＰで各種配線を被覆し、絶縁膜ＳＰの露出表面を化学機械研磨し、平坦化する。このとき、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸方向の高さが同じになることが好ましい。
【００７５】
次に、図１４に示すように、側部磁気シールドＳＨ１と絶縁膜ＳＰのＺ軸正方向の露出表面上に、上部磁気シールドＳＨ２を形成する。この形成には、スパッタ法を用いることができる。以上の工程により、磁気センサが完成する。なお、上述の各磁気シールド１０Ｂ、ＳＨ１，ＳＨ２は、磁気シールド層であり、一定の厚みを有している。
【００７６】
図１５は、実施例として、上記実施形態に係るスピン流型の磁気センサにおける外部磁場（Ｏｅ）と電圧Ｖnon-Local（μＶ）の関係を示すグラフである(貼り付け型のＳＯＩ基板を用いた例)。なお、半導体の結晶層３としてはＣＺ法により作製されたもの（Ｐドープ、１×２０cm-3）を用い、磁気シールドとしてはＮｉＦｅ、トンネル障壁層はＭｇＯ、絶縁膜はＳｉＯ２を用いた。
第１強磁性層と第１電極との間の離間距離：５０μｍ
第２強磁性層と第２電極との間の離間距離：５０μｍ
第１強磁性層と第２強磁性層との間の離間距離：１μｍ
半導体の結晶層３の厚み：５０ｎｍ
突出部３Ｂの本体部３ＡからのＸ軸方向突出量：１００ｎｍ
突出部３Ｂの媒体対向面におけるＹ軸方向寸法：５０ｎｍ
突出部３Ｂの媒体対向面におけるＺ軸方向寸法：４０ｎｍ
トンネル障壁層の厚み：１ｎｍ
第１電極と第１強磁性層間の電流：１ｍＡ
第１強磁性層と第２強磁性層の中心間距離ｄ：３．６μｍ
スピン拡散長ＬＮ：２．１５μｍ
スピン寿命ｔ：９．２ｎｓｅｃ
【００７７】
図１６は、比較例として、基板貼り付け工程を用いる代わりに、絶縁体からなる上部ベース基板１０Ｃ上に、同一スケールの半導体の結晶層をＭＢＥ法（固体ソース：Ｓｉ、成長温度：５００℃）で形成し、残りの工程は、上記実施例と同様にして形成したスピン流型の磁気センサの出力特性を示すグラフである（Ｓｉ成膜基板を用いた例）。
第1強磁性層と第1電極との間の離間距離：５０μｍ
第２強磁性層と第２電極との間の離間距離：５０μｍ
第1強磁性層と第２強磁性層との間の離間距離：１μｍ
半導体の結晶層３の厚み：５０ｎｍ
突出部３Ｂの本体部３ＡからのＸ軸方向突出量：１００ｎｍ
突出部３Ｂの媒体対向面におけるＹ軸方向寸法：５０ｎｍ
突出部３Ｂの媒体対向面におけるＺ軸方向寸法：４０ｎｍ
トンネル障壁層の厚み：１ｎｍ
第１電極と第１強磁性層間の電流：１ｍＡ
第１強磁性層と第２強磁性層の中心間距離d：１．３μｍ
スピン拡散長ＬＮ：０．５２μｍ
スピン寿命t：０．８６ｎｓｅｃ
【００７８】
このグラフでは、磁気センサにおける外部磁場（Ｏｅ）と、出力電圧Ｖnon-Local（μＶ）の関係が示されている。なお、図１５及び図１６では、第１強磁性層１、第２強磁性層２の磁化の向きが平行の場合（点線）と反平行の場合（実線）を示している。また、図１５は本実施例のバルク基板を貼り付けた場合の結果であり、図１６はＭＢＥ法にてＳｉを結晶成長させた場合のＨａｎｌｅ効果の測定の図である。
【００７９】
実施例の場合、比較例と比較して、僅かな磁場の変化に対しても、大きく出力が変化しており、より高感度の磁気センサとして機能していることが分かる。実施例の場合には、半導体の結晶層３は、単一ドメインからなる単結晶であるが、比較例の場合には単一ドメインの単結晶とはなっていない。これらが単一ドメインの結晶層であるかどうかは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察により確認した。
【００８０】
図１７は、上記実施例に係る磁気センサにおける半導体の結晶層３の厚み（Ｓｉ膜厚）（μｍ）とバックグラウンド電圧（μＶ）との関係を示すグラフである。なお、半導体の結晶層３の厚みは変化させ、ｄ＝１．３μｍとし、第１電極と第１強磁性層間の電圧Ｖ=１Ｖとした。半導体の結晶層３の厚みが、７０ｎｍ以下である場合には、バックグラウンド電圧を特に低く抑えることができる。１５ｎｍ以上であれば、バックグランド電圧が低くなることが確認された。また、半導体の結晶層３の厚みが薄くなるにしたがってバックグラウンド電圧は減少しているが、薄すぎる場合には、単結晶の膜として存在できないという課題があるため、これは０．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００８１】
図１８は、磁気センサを備えた磁気ヘッドの縦断面図である。
【００８２】
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１８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を備えている。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、支持基板１０１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層ＩＮＳにより覆われている。  
【００８３】
上述の磁気センサ（１００とする）は、磁気ヘッド内に組み込まれている。支持基板１０１上に、磁気センサ１００が読取ヘッド部として形成されており、その上に絶縁層ＩＮＳを介して、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが形成されている。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。  
【００８４】
なお、強磁性層の磁化方向は、上述のように、スピン流のみを用いる非局所配置の場合であっても、磁気抵抗効果を用いる場合であっても、どのような向きであっても使用することが可能であり、前者の非局所配置の場合には、磁化方向を平行とする場合と、反平行とする場合において、出力結果に差は生じないが、製造段階においては、同一方向に磁場をかけて強磁性層を加熱することで、磁化方向を平行とする方が容易であるため、第１及び第２強磁性層の磁化方向は平行であることが好ましい。一方、後者の磁気抵抗効果を用いる配置の場合には、第１及び第２強磁性層の磁化方向を反平行とした方が、平行とした場合よりも、大きな出力を得ることができるので、好ましい。
【００８５】
また、第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向は、これらの形状異方性（アスペクト比を高くする）か、あるいは反強磁性膜と強磁性層とを交換結合することで、固定することができる。また、半導体の結晶層３におけるスピン緩和時間は１ｎｓｅｃ以上である。
【００８６】
なお、上述の結晶層３として、グラフェンを用いた場合の製造方法について補足説明をしておく。グラフェンは、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。グラフェンからなる半導体結晶層３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。
【００８７】
このようなグラフェンは、例えば、剥離法、分解法により得ることができる。剥離法では、例えば、（Ａ）高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）を用意する。この高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）は、単層グラフェンシートが多数積層されたものであって、単一のドメインからなる単結晶であり、市販されている。
【００８８】
また、（Ｂ）有機溶媒に可溶なフィルム基材上に、レジスト層を塗布した第１の剥離板、第１の剥離板と同一構造の第２の剥離板、第３の剥離板、第４の剥離板、・・・第Ｎの剥離板を用意しておく。
【００８９】
常圧下でフィルム基材上のレジスト層をＨＯＰＧと接触させる。これにより、レジスト層とＨＯＰＧとが接着する。続いて、ＨＯＰＧと第１の剥離板とを真空下に配置し、ＨＯＰＧから第１の剥離板をはがすことにより、元のＨＯＰＧから、一部のグラフェンシートが剥離され、レジスト層上に複数層のグラフェンシートが残留する。
【００９０】
真空を維持した状態で、第１の剥離板上に残留した複数のグラフェンシートの表面に、第２の剥離板のレジスト層を接触させ、第１の剥離板を第２の剥離板から剥がすことにより、第２の剥離板のレジスト層上にグラフェンシートを残留させる。このような作業を、第Ｎの剥離版のレジスト層上に残留したグラフェンシートの厚みが、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、剥離を工程と、真空中で繰り返す。
【００９１】
その後、最終的に第Ｎの剥離板のレジスト層上に付着したグラフェンシートを、絶縁膜４上に真空中で接触させ、しかる後、常圧に戻してから有機溶媒でフィルム基材を溶かし、レジストを溶解・洗浄することにより、絶縁膜４上にグラフェンからなる結晶層を接着することができる。最終的に残留するグラフェン層は、１層であることが好ましく、この場合には非常に微細な領域からの磁場を検出することができる。
【００９２】
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することができる。分解法を用いる場合、ＳｉＣのインゴットから切り出した半導体基板を、絶縁膜４上に熱と圧力をかけて貼り付けた後、この半導体基板に分解法を適用することで、グラフェン層を絶縁膜４上に形成することができる。
【００９３】
以上、説明したように、本発明では、単一ドメインの結晶層をスピン伝導チャネルとして用いているため、Ｓｉ以外の材料の場合においても、スピン伝導特性を改善することができるが、特に、Ｓｉどの立方晶のダイヤモンド構造や、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造の半導体は、良質なバルク結晶が数多く製造され、市販されているため、チャネル材料としては好ましい。
【符号の説明】
【００９４】
１０・・・ベース基板、３・・・半導体の結晶層、１，２・・・強磁性層、３Ｂ・・・突出部、１Ｍ，２Ｍ・・・電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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