(57)【要約】【課題】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。【解決手段】磁気センサ１は、第１領域７１、第２領域７２、及び第３領域７３を有し、第１方向に延びる主チャンネル層７ａと、第１領域７１上に積層された第１強磁性層１２Ａと、第２領域７２上に積層された第２強磁性層１２Ｂと、主チャンネル層７ａにおける第１領域７１と第２領域７２との間の第３領域７３の側面から主チャンネル層７ａの厚み方向と垂直な方向に突出する突出チャンネル層７ｂと、突出チャンネル層７ｂの厚み方向の両側、及び突出チャンネル層７ｂの第１方向の両側を覆い、かつ、突出チャンネル層７ｂの突出方向の端面７ｃを露出させる磁気シールドＳとを備える。第１強磁性層１２Ａの磁化の方向は、第２強磁性層１２Ｂの磁化の方向に対して反平行であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】図２は、チャンネルの形状を示す概略斜視図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】図７は、磁気センサの一例を示す上面図である。
【図８】図８は、磁気センサの一例を示す側面図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
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。
【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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