專利名稱：磁性傳感器、磁性檢測裝置以及磁頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性傳感器、磁性檢測裝置以及磁頭。
背景技術(shù)：
一直以來，檢測外部磁場的各種元件已為人熟知，例如眾所周知的霍爾元件、 MI (Magneto Impedance)元件、MR (Magneto Resistive)元件、GMR (Giant Magneto Resisitive)元件、TMR(Tunnel MagnetoResistive)元件、自旋累積型的元件(spin accumulation)(參照日本專利申請公開2007-299467號公報)等。這種磁場檢測元件例如可以被運用于檢測來自于微小區(qū)域的磁場的HDD頭或者運用于檢測地磁的傳感器等。

發(fā)明內(nèi)容
被運用于上述HDD頭的磁場檢測元件中，對于從更加微小的區(qū)域檢測磁通量來說是采取所謂對元件實行細(xì)微化的方法。但是，在元件細(xì)微化技術(shù)方面已開始顯露出極限。另外，通過對元件實施細(xì)微化從而會增大元件電阻以至于變成低消耗功率以及高速動作的阻礙。即，能夠檢測來自于微小區(qū)域的磁通量與抑制元件電阻增大是一種權(quán)衡的關(guān)系。本發(fā)明就是為了解決上述課題所做出的悉心研究之結(jié)果，其目的在于提供一種能夠檢測來自于微小區(qū)域的磁通量并且能夠抑制元件電阻增大的磁性傳感器。為了解決上述課題，本發(fā)明的磁性傳感器的特征在于具備第一強磁性體、第二強磁性體、從第一強磁性體延伸至第二強磁性體的通道、覆蓋通道的隔磁套(magnetic shield)、被設(shè)置于通道與隔磁套之間的絕緣膜；隔磁套具有朝著通道延伸的貫通孔。上述第一強磁體以及第二強磁體中的一者是作為用于向通道注入自旋的注入電極而起作用，另一者是作為用于從通道接收自旋的接收電極而起作用。通道是作為從第一強磁性體或者第二強磁性體注入的自旋的傳導(dǎo)部分而起作用。該磁性傳感器中，在覆蓋通道的隔磁套中設(shè)置有朝著通道延伸的貫通孔。如果通過該貫通孔將外部磁場施加于通道的話，那么在通道內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)的自旋的朝向是圍繞著施加磁場的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且自旋一邊伴隨著該旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行擴(kuò)散(即所謂Hanle效應(yīng))。另一方面，在不將外部磁場施加于通道的情況下，通道內(nèi)的自旋的朝向不發(fā)生變化而就這樣進(jìn)行擴(kuò)散。因此，如果接收電極上讀出相對于外部磁場的電壓輸出或者電阻輸出的話，那么就能夠檢測對應(yīng)于由外部磁場的有無所產(chǎn)生的自旋旋轉(zhuǎn)程度的值。因此，就能夠檢測來自于與上述貫通孔大小對應(yīng)的微小區(qū)域的磁通量。此時，因為不用對第一強磁性體以及第二強磁性體的尺寸進(jìn)行細(xì)微化就能檢測磁通量，所以能夠抑制由于對第一強磁性體以及第二強磁性體進(jìn)行細(xì)微化而引起的元件電阻的增大。另外，貫通孔的軸方向與第一強磁性體以及第二強磁性體的磁化方向優(yōu)選為非平行。如以上所述，如果通過貫通孔將外部磁場施加于通道的話，那么通道內(nèi)的自旋的朝向是圍繞著施加磁場的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。假定在貫通孔的軸方向與第一強磁性體以及第二強磁性體的磁化方向為平行的情況下，無論從哪一個強磁性體注入自旋也不會在由外部磁場的施加而引起的自旋的朝向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因而磁通量的檢測是困難的。因此，如果貫通孔的軸方向與第一強磁性體以及第二強磁性體的磁化方向為非平行的話那么合適地就能夠檢測如上述那樣的磁通量。另外，從貫通孔的軸方向看優(yōu)選為貫通孔的整個截面與通道相對。由此，就能夠更加正確地進(jìn)行對來自于所期望區(qū)域的外部磁場的讀取。另外，貫通孔底部的直徑可以為小于貫通孔頂部的直徑。也就是說，貫通孔可以有錐形側(cè)面。在此情況下，由于外部磁場而引起的磁通量即使相對于通道斜著入射也不會被隔磁套吸收。因此，對應(yīng)于錐形側(cè)面的錐形角度能夠變更外部磁場的入射角度。另外，優(yōu)選為通道具有彎曲形狀，貫通孔與通道彎曲部的外側(cè)面相對設(shè)置。由此， 就能夠緊縮外部磁場等的磁通量的讀取區(qū)域。另外，優(yōu)選為第一強磁性體以及第二強磁性體被埋設(shè)于通道中，由第一以及第二強磁性體的上表面和絕緣膜的上表面形成平坦面，設(shè)置有貫通孔的隔磁套覆蓋在該平坦面上。這樣，通過設(shè)置有貫通孔的隔磁套覆蓋在第一強磁性體和第二強磁性體以及絕緣膜的上表面被平坦化了的平坦面上，從而就能夠相對于記錄介質(zhì)等的磁場形成面平行地配置設(shè)置有貫通孔的隔磁套。因此，能夠順暢地進(jìn)行對磁場的讀取。另外，優(yōu)選為通道中的位于貫通孔側(cè)的部分的寬度窄于通道中的位于第一強磁性體側(cè)的部分以及位于第二強磁性體側(cè)的部分。這樣，通過將通道當(dāng)中位于貫通孔之下的部分制作成被縮窄的形狀從而就能夠使在通道內(nèi)擴(kuò)散的自旋流集中于這個狹窄部分。因此，就能夠從貫通孔有效地將外部磁場施加于改被集中了的自旋。因此，就能夠提高磁場的輸出靈敏度。另外，優(yōu)選為第一強磁性體以及第二強磁性體中的至少一者的磁化方向由反強磁性體、形狀各向異性中至少一個來固定。反強磁性體通過與第一強磁性體以及第二強磁性體中的至少一者進(jìn)行交換結(jié)合， 從而就變得能夠在第一強磁性體以及第二強磁性體的至少一者的磁化方向上賦予單方向各向異性。在此情況下，與不設(shè)置反強磁性體的情況相比能夠獲得在單方向上具有更高頑磁力的第一強磁性體或者第二強磁性體。另外，在由形狀各向異性來固定磁化的情況下，能夠省略用于區(qū)別頑磁力差的反強磁性體。另外，第一強磁性體的磁化方向優(yōu)選為與第二強磁性體的磁化方向相同。在此情況下，就能夠容易地對第一強磁性體以及第二強磁性體進(jìn)行磁化固定。另外，優(yōu)選進(jìn)一步具備將與貫通孔的軸方向相同的方向的磁場提供給貫通孔的永久磁石。在使用永久磁石而不將磁場施加于通道層的情況下，雖然在檢測對象的外部磁場為零時出現(xiàn)輸出的峰值，但是通過使用永久磁石而將磁場施加于通道層從而就能夠移動輸出峰值的位置，并能夠在外部磁場不為零的時候產(chǎn)生輸出峰值。另外，第一強磁性體以及第二強磁性體的材料優(yōu)選為從由Cr、Mn、Co、Fe、Ni構(gòu)成的群中選擇的金屬、含有一個以上所述群的元素的合金、或者含有從所述群中選擇的一個以上的元素和從由B、C、N、Si、Ge構(gòu)成的群中選擇一個以上的元素的化合物。這些材料因為是自旋極化率(spin polarizability)為較大的強磁性材料所以能夠合適地實現(xiàn)作為自旋注入電極或者自旋接收電極的功能。另外，通道材料優(yōu)選為含有Si、Ge、GaAs、C、SiO中任意一個的半導(dǎo)體。這些半導(dǎo)體因為自旋擴(kuò)散長度比較長所以能夠合適地將自旋積蓄于通道內(nèi)。另外，優(yōu)選在第一強磁性體以及第二強磁性體中的至少一者與通道之間形成有障壁層。由此，就能夠從第一強磁性體以及第二強磁性體中的至少一者較多地將自旋極化 (spin polarization) 了的電子注入到通道中，并且還能夠提高磁性傳感器的電位輸出。另外，優(yōu)選為進(jìn)一步具備第一參照電極以及第二參照電極，且通道在與從第一強磁性體延伸至第二強磁性體的方向不相同的方向上從第一強磁性體延伸至第一參照電極， 通道在與從第二強磁性體延伸至第一強磁性體的方向不相同的方向上從第二強磁性體延伸至第二參照電極。由此，例如就能夠?qū)⒌谝粡姶判泽w以及第一參照電極與電流源連接，并且將第二強磁性體以及第二參照電極與輸出測定器連接。在上述構(gòu)成中優(yōu)選進(jìn)一步具備電流源以及輸出測定器，且電流源以及輸出測定器中的一者電連接于第一強磁性體以及第一參照電極，電流源以及輸出測定器中的另一者則電連接于第二強磁性體以及第二參照電極。由此，例如通過將第一強磁性體以及第一參照電極連接于電流源從而就能夠使檢測用電流流過第一強磁性體。通過電流從作為強磁性體的第一強磁性體流向非磁性的通道，從而就能夠?qū)⑴c第一強磁性的磁化方向?qū)?yīng)方向的自旋注入到通道中。另外，通過將第二強磁性體以及第二參照電極連接于輸出測定器從而就能夠讀取對應(yīng)于外部磁場的輸出。另外，優(yōu)選為不使用第一參照電極以及第二參照電極而進(jìn)一步具備被設(shè)置于第一強磁性體與第二強磁性體之間的電源。在第一強磁性體與第二強磁性體之間，根據(jù)由外部磁場施加的有無而產(chǎn)生的磁性電阻效應(yīng)，電阻也會發(fā)生變化。因此，不設(shè)置第一參照電極以及第二參照電極而在第一強磁性體與第二強磁性體之間設(shè)置電源并通過監(jiān)測電流和電壓的變化也能夠檢測外部磁場。另外，優(yōu)選為磁性檢測裝置具備多個上述磁性傳感器。在此情況下能夠?qū)⒏鱾€磁性傳感器的輸出合計起來。像這樣的磁性檢測裝置例如能夠適用于檢測癌細(xì)胞等的生物體傳感器等。另外，磁頭可以具備由上述磁性傳感器構(gòu)成的讀取頭部和寫入用記錄頭部。由此， 就能夠提供一種利用了所謂Hanle效應(yīng)的新型的磁頭。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠檢測來自于微小區(qū)域的磁通量并且能夠抑制元件電阻增大的磁性傳感器。


圖1是磁性傳感器的上表面圖。圖2是沿著圖1中的II-II線的截面圖。圖3是用于說明磁性傳感器效果的側(cè)面圖。圖4(a)是表示在隔磁套層形成的貫通孔例子的上表面圖。圖4(b)是沿著圖4(a) 的Bl-Bl線的截面圖。圖4(c)是表示在隔磁套層形成的貫通孔例子的上表面圖。圖4(d) 是沿著圖4(c)的D-D線的截面圖。圖5(a)是表示在隔磁套層形成的貫通孔例子的上表面圖。圖5(b)是沿著圖5(a)
6的B2-B2線的截面圖。圖5 (c)是表示沿著圖5(a)的C-C線的截面圖。圖6是表示磁性傳感器具備永久磁石的例子的上表面圖。圖7是表示磁性傳感器的變形例1的側(cè)面圖。圖8是表示磁性傳感器的變形例2的側(cè)面圖。圖9是表示磁性傳感器的變形例3的上表面圖。圖10是表示沿著圖9的J-J線的截面的側(cè)面圖。圖11是表示磁性傳感器的變形例4的側(cè)面圖。圖12是表示磁性傳感器的變形例5的側(cè)面圖。圖13是表示磁性傳感器的變形例6的側(cè)面圖。圖14是表示外部磁場與電阻輸出的關(guān)系的圖表。圖15是表示由于貫通孔直徑的不同而引起的輸出強度不同的模擬結(jié)果的圖表。符號說明1、2、3、4、5、6 磁性傳感器7通道層77a、7b、7c、7d 絕緣膜8 永久磁石12A第一強磁性層12B第二強磁性層20A第一參照電極20B第二參照電極Si、S3下部隔磁套層S2上部隔磁套層S10,Sll 側(cè)部隔磁套層H貫通孔8IA障壁層8IB 障壁層K 彎曲部
具體實施例方式以下是一邊參照附圖一邊就有關(guān)本發(fā)明所涉及的磁性傳感器的優(yōu)選實施方式作詳細(xì)說明。在圖面中表示有MZ直角坐標(biāo)軸系統(tǒng)。(第1實施方式)圖1是第一實施方式所涉及的磁性傳感器的上表面圖。圖2是沿著圖1中的II-II 線的截面圖。如圖2所示，磁性傳感器1是一種具備通道層7、第一強磁性層12A、第二強磁性層 12B以及隔磁套層并且能夠檢測Z軸方向的外部磁場的裝置。如圖1所示，通道層7從第一強磁性層12A延伸至第二強磁性層12B，并從通道層 7的厚度方向進(jìn)行觀察被形成為矩形狀。在通道層7中也可以添加用于給予導(dǎo)電性的離子。 離子濃度例如可以是1. OX IO15 1. OX 1022cm_3。通道層7優(yōu)選為自旋壽命長的材料，例如可以是含有Si、Ge、GaAs, C以及SiO中任意一個的半導(dǎo)體。另外，通道層7中的從第一強磁性層12A至第二強磁性層12B的距離優(yōu)選為通道層7的自旋擴(kuò)散長度以下。第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B是作為用于向通道層7注入自旋的注入電極或者作為用于檢測從傳導(dǎo)通道層7傳遞而來的自旋的接收電極而起作用。第一強磁性層12A被設(shè)置于通道層7的第一區(qū)域71上。第二強磁性層12B被設(shè)置于通道層7的第二區(qū)域72上。第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B分別具有將Y軸方向作為長軸的長方體形狀。第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的X軸方向上的寬度可以是相同的。如圖 1所示，第一強磁性層12A的磁化方向Gl例如可以與第二強磁性層12B的磁化方向G2相同。在此情況下，就能夠容易地進(jìn)行第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化固定。第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B是由強磁性材料所構(gòu)成。第一強磁性層 12A以及第二強磁性層12B的材料可以是從由Cr、Mn、Co、i^、Ni構(gòu)成的群中選擇的金屬、含有一個以上所述群的元素的合金、或者含有從所述群中選擇的一個以上的元素和從由B、C、 N、Si、Ge構(gòu)成的群中選擇一個以上的元素的化合物。隔磁套層中間隔著絕緣膜(例如絕緣膜7a、7b)而至少部分覆蓋通道層7的表面， 為遮蔽外部磁場向通道層7侵入的層。為此，隔磁套層覆蓋存在于第一區(qū)域71與第二區(qū)域 72之間的通道層7的上表面、側(cè)面以及下表面中的至少一個面。在圖2所示的例子中，隔磁套層是由下部隔磁套層Sl和上部隔磁套層S2所構(gòu)成。下部隔磁套層Sl被設(shè)置于通道層 7的下方。上部隔磁套層S2被設(shè)置于通道層7的上方。隔磁套層具有朝著通道層7延伸的貫通孔H。貫通孔H是為了將外部磁場施加于通道層7的貫通孔。在圖2所示的例子中，貫通孔H被設(shè)置于上部隔磁套層S2，并且與存在于第一區(qū)域71與第二區(qū)域72之間的通道層7的部分的上表面相對地配置。從該貫通孔H的軸方向(例如在圖1的例子中為Z軸方向)進(jìn)行觀察的話，優(yōu)選為貫通孔H的整個截面與通道層7相對。即，從貫通孔H的軸方向進(jìn)行觀察的話，則貫通孔 H不從通道層7露出。由此，就能夠更加正確地進(jìn)行對外部磁場的讀取。圖4(a)是表示在隔磁套層S形成的貫通孔H例子的上表面圖。貫通孔H從隔磁套層S的厚度方向(Z軸方向)觀察的話，可為各種各樣的形狀，例如可以形成為矩形。在圖4(a)所示的例子中，貫通孔H從隔磁套層S的厚度方向(Z軸方向)觀察被形成為長方形狀。在此情況下，能夠?qū)⒇炌譎的短邊長度(X軸方向的長度)D1設(shè)置為例如0. 003μπι 0. 3 μ m，且能夠?qū)㈤L邊的長度(Y軸方向的長度)D2設(shè)置為例如0. 01 μ m 1 μ m。圖4(b)是沿著圖4(a)的Bl-Bl線的截面圖。如圖4(b)所示，貫通孔H底部hi的直徑可以與貫通孔H頂部h2的直徑相同。即，貫通孔H是朝著通道層7進(jìn)行垂直延伸的。作為隔磁套層的材料例如可以列舉含有Ni以及!^e的合金、鐵硅鋁磁性合金 (sendust)、含有！^以及Co的合金、含有!^e和Co以及Ni的合金等的軟磁性材料。磁性傳感器1進(jìn)一步具備第一參照電極20A和第二參照電極20B。第一參照電極 20A被設(shè)置于通道層7的第三區(qū)域73上。第二參照電極20B被設(shè)置于通道層7的第四區(qū)域 74上。另外，通道層7優(yōu)選在與從第一強磁性層12A到第二強磁性層12B進(jìn)行延伸的方向不相同的方向上從第一強磁性層12A延伸至第一參照電極20A，且通道層7優(yōu)選在與從第二強磁性層12B到第一強磁性層12A進(jìn)行延伸的方向不相同的方向上從第二強磁性層12B延伸至第二參照電極20B。第一參照電極20A以及第二參照電極20B是由導(dǎo)電性材料所構(gòu)成，例如是由Al等的相對于Si具有低電阻的非磁性金屬所構(gòu)成。如圖2所示，在第三區(qū)域73與第四區(qū)域74之間存在有第一區(qū)域71以及第二區(qū)域 72。在通道層7上在X軸方向以規(guī)定的間隔按下列順序配置有第一參照電極20A、第一強磁性層12A、第二強磁性層12B以及第二參照電極20B。磁性傳感器1進(jìn)一步具備障壁層81A、81B。障壁層81A、81B被設(shè)置于通道層7與第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B中的至少一者之間。由此，能夠從第一強磁性層 12A以及第二強磁性層12B中的至少一者向通道層7較多地注入進(jìn)行自旋極化了的電子，并且能夠提高磁性傳感器的電位輸出。障壁層81A、81B是例如由絕緣性材料的膜構(gòu)成的隧道障壁。在圖2中，障壁層81A、81B是表示由單層所構(gòu)成的例子，但是障壁層81A、81B也可以具有由多層所構(gòu)成的層疊構(gòu)造。作為障壁層81A、81B例如可以使用氧化鎂層、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅或者氧化鈹?shù)?。從抑制電阻的增大并且作為隧道絕緣層而起作用的觀點出發(fā)，障壁層81A、81B的膜厚優(yōu)選為3nm以下。另外，障壁層81A、81B的膜厚在考慮了 1原子層厚而優(yōu)選為0. 4nm以上。磁性傳感器1進(jìn)一步具備絕緣膜(或者絕緣體)。絕緣膜具有防止通道層7的露出并且對通道層7進(jìn)行電絕緣以及磁絕緣的功能。絕緣膜優(yōu)選存在于隔磁套層與通道層7 之間。由此，就會有特別容易抑制在通道層7中流動的自旋流朝隔磁套層流出的效果。另外，絕緣膜優(yōu)選覆蓋通道層7的表面(例如下表面、側(cè)面或者上表面)的所必要的區(qū)域。在由圖2所表示的例子中，絕緣膜7a被設(shè)置于通道層7的下表面，絕緣膜7b則被設(shè)置于通道層7的上表面上。具體地，絕緣膜7b被設(shè)置于存在于通道層7的第一區(qū)域71與第二區(qū)域 72之間的區(qū)域的上表面、存在于通道層7的第一區(qū)域71與第三區(qū)域73之間的區(qū)域的上表面、存在于第二區(qū)域72與第四區(qū)域74之間的區(qū)域的上表面上。在該絕緣膜7b上如果設(shè)置有連接于第一參照電極20A、第一強磁性層12A、第二強磁性層12B以及第二參照電極20B 的配線，那么就能夠抑制由該配線的通道層7的自旋被吸收。另外，通過將配線設(shè)置于絕緣膜7b上從而也就能夠抑制電流從配線流向通道層7。在絕緣膜存在的情況下，下部隔磁套層Sl是中間隔著絕緣膜7a而被設(shè)置于通道層7的下表面。另外，上部隔磁套層S2是中間隔著絕緣膜7b而被設(shè)置于通道層7的上表以下是說明本實施方式所涉及的磁性傳感器1制造方法的一個例子。首先，在預(yù)先準(zhǔn)備好的基板上形成定位標(biāo)記。作為基板例如可以使用Altic基板。將定位標(biāo)記作為一個基準(zhǔn)記號從而在基板上形成下部隔磁套層Si。接著，例如由分子束外延(MBE =Molecular Beam Epitaxy)法將絕緣膜7a形成于下部隔磁套層Sl上。接著，例如由MBE法將通道層7形成于絕緣膜7a上。將用于給予導(dǎo)電性的離子注入到通道層7從而調(diào)節(jié)通道層7的傳導(dǎo)特性。之后，對應(yīng)于必要而由熱退火(thermal annealing)來使離子擴(kuò)散。接著，通過清洗從而除去通道層7表面的附著物、有機(jī)物以及氧化膜。作為清洗液例如可以使用被稀釋了的HF溶液。之后，例如由MBE法在通道層7上依次形成成為障壁層81A、81B的障壁膜、成為第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的強磁性膜。接著，使用例如由電子束(EB)法制作的掩模來加工這些障壁膜以及強磁性膜。由此，在通道層7的第一區(qū)域71上經(jīng)由障壁層81A而形成第一強磁性層12A，在通道層7的第二區(qū)域72上經(jīng)由障壁層81B而形成第二強磁性層12B。此外，對應(yīng)于必要，也可以例如由MBE法在第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B上進(jìn)一步形成反強磁性層。然后，為了固定第一強磁性層12A或者第二強磁性層12B 的磁化方向而進(jìn)行在磁場下的退火。之后，例如由離子研磨(ion milling)來除去被形成于通道層7上的不要的障壁膜和強磁性膜。接著，在不要的障壁膜和強磁性膜被除去了的通道層7上形成絕緣層7b。另外，除去通道層7的第三區(qū)域73以及第四區(qū)域74上的絕緣膜7b并分別形成第一參照電極20A 以及第二參照電極20B。第一參照電極20A以及第二參照電極20B例如是由Al等所形成。另外，在被設(shè)置于存在于第一區(qū)域71與第二區(qū)域72之間的通道層7的區(qū)域的上表面的絕緣膜7b上形成有上部隔磁套層S2。在該上部隔磁套層S2上設(shè)置有用于使來自于外部磁場的磁通量侵入的貫通孔H。貫通孔H例如能夠由光刻法來形成。由以上所述方法就可制作出由圖1以及圖2所表示的磁性傳感器1。以下是說明本實施方式所涉及的磁性傳感器1的作用效果。圖3是用于說明第一實施方式所涉及的磁性傳感器1的動作的側(cè)面圖。首先，固定第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化方向。在圖3所示的例子中，第一強磁性層12A的磁化方向Gl被固定于與第二強磁性層12B的磁化方向G2相同的方向(Y軸方向)。例如，通過將第一強磁性層12A以及第一參照電極20A連接于電流源70，從而就能夠使檢測用電流流動于第一強磁性層12A。通過從作為強磁性體的第一強磁性層12A經(jīng)由障壁層81A使電流流向非磁性的通道層7，從而將具有對應(yīng)于第一強磁性層12A的磁化方向Gl的方向的自旋Pl的電子注入到通道層7。被注入的自旋Pl向第二強磁性層12B側(cè)擴(kuò)散。這樣，可以制作出流過通道層7的電流以及自旋流主要是在X軸方向上進(jìn)行流動的構(gòu)造。圖14是表示外部磁場與電阻輸出的關(guān)系的一個例子的圖表。在此，在不將外部磁場B施加于通道層7的時候，即在外部磁場B為零的時候，在通道層7的第一區(qū)域71與第二區(qū)域72之間的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散的自旋方向不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。因此，與預(yù)先設(shè)定的第二強磁性層 12B的磁化方向G2相同的方向的自旋擴(kuò)散至第二區(qū)域72。因此，在外部磁場B為零的時候， 電阻輸出或者電壓輸出變成極值。另外，根據(jù)電流或者磁化的方向可獲得極大值或者極小值。輸出可以由連接于第二強磁性層12B以及第二參照電極20B的電壓測定器80等的輸出測定器來評價。相對地，考慮從貫通孔H向通道層7施加外部磁場B的情況。此外，在圖3的例子中，外部磁場B相對于第一強磁性層12A的磁化方向Gl以及第二強磁性層12B的磁化方向 G2是從垂直方向(Z軸方向)施加的。如果施加了外部磁場B的話，那么在通道層7內(nèi)在貫通孔H相對的區(qū)域擴(kuò)散開來的自旋P2的方向是將外部磁場B的軸方向(Z軸方向)作為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(所謂Hanle效果)。這個自旋P2由擴(kuò)散至通道層7第二區(qū)域72的時候的旋轉(zhuǎn)方向與預(yù)先設(shè)定的第二強磁性層12B的磁化方向G2(即自旋)的相對角決定了通道層7 與第二強磁性層12B的界面的電壓輸出和電阻輸出。在施加外部磁場B的情況下，因為在通道層7中進(jìn)行擴(kuò)散的自旋的方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，所以不會與第二強磁性層12B的磁化方向 G2方向一致。因此，電阻輸出或者電壓輸出如果是在外部磁場B為零的時候取得極大值的情況，那么在施加外部磁場B的時候?qū)⒆優(yōu)椴蛔銟O大值，如果是在外部磁場B為零的時候取
10得極小值的情況，那么在施加了外部磁場B之后將變成超過極小值。因此，如圖14所示在外部磁場B為零的時候出現(xiàn)輸出峰值，如果使外部磁場B增加或者減少，則輸出就會發(fā)生減少?？傊?，因為由于外部磁場B的有無而使得輸出發(fā)生變化，所以可以將本實施方式所涉及的磁性傳感器1作為磁性檢測元件來使用。這樣，使用被設(shè)置于隔磁套層的貫通孔H從而能夠檢測對應(yīng)于貫通孔H大小的微小磁通量。此時，清晰度因為是由貫通孔H的大小所決定的，所以不用對第一強磁性層12A 以及第二強磁性層12B的尺寸實施微小化而就能夠檢測出來自微小區(qū)域磁通量。因此，能夠抑制由于對第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B實施微小化而引起的元件電阻的增大。此外，在以往的利用自旋的磁性傳感器中，雖然由磁化自由層和磁化固定層的磁化方向為平行或者反平行(anti parallel)時的相對角下出現(xiàn)輸出峰值，但是在本發(fā)明的磁性傳感器中如上述那樣在外部磁場為零的情況下出現(xiàn)輸出峰值。因此，本發(fā)明的磁性傳感器適用于例如磁頭，在讀取外部磁場正負(fù)的時機(jī)的情況下，因為磁壁的磁場被取消而為零時出現(xiàn)輸出峰值，所以能夠判斷在此為翻轉(zhuǎn)。另外，在本發(fā)明的磁性傳感器中，如圖14所示，沒有滯后現(xiàn)象也是其特征。以下關(guān)于輸出與貫通孔H直徑的關(guān)系進(jìn)行補充說明。圖15是表示由于貫通孔H 直徑的不同而引起的輸出強度不同的模擬結(jié)果的圖表。在圖15中設(shè)想貫通孔H為正方形的情況。圖15 (a)是表示正方形貫通孔H的一邊為0. 01 μ m的例子。圖15 (b)是表示正方形貫通孔H的一邊為0. 1 μ m的例子。圖15 (c)是表示正方形貫通孔H的一邊為1 μ m的例子。圖15(d)是表示正方形貫通孔H的一邊為10 μ m的例子。此時，設(shè)想通道層7是Si并且用于給予導(dǎo)電性的離子濃度為lX1020cm-3的情況。Si的自旋擴(kuò)散長度大約為2. 5 μ m。 因此，根據(jù)圖15的模擬結(jié)果，正方形的貫通孔H的一邊如果是小于自旋擴(kuò)散長度的話，則在輸出波形和輸出強度上基本上沒有什么差別。以上雖就有關(guān)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式作了詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明并不限定于上述實施方式。例如，貫通孔H的形狀并不限定于上述的形狀。圖4(c)是表示隔磁套層S的貫通孔的一個方式的上表面圖。圖4(d)是沿著圖4(c)的D-D線的截面圖。如圖4(c)所示，貫通孔H的底部hi的直徑可以被設(shè)置為小于貫通孔H的頂部h2的直徑。也就是說，貫通孔H可以具有錐形側(cè)面。在此情況下，由于外部磁場B而引起的磁通量即使相對于通道層7上表面而斜著進(jìn)行入射也不會被隔磁套層S吸收。因此，對應(yīng)于錐度角θ而能夠變更外部磁場B的入射角度。另外，圖5(a)是表示隔磁套層S的貫通孔的一個方式的上表面圖。圖5(b)是沿著圖5 (a)的B2-B2線的截面圖。圖5 (c)是表示沿著圖5(a)的C-C線的截面圖。如圖5(a) 所示在從隔磁套層S的厚度方向進(jìn)行觀察，貫通孔H被形成為矩形狀的情況，例如制作出一種在短邊上設(shè)置錐形側(cè)面而在長邊上不設(shè)置錐形側(cè)面的構(gòu)造。即，如圖5(b)所示在貫通孔 H的長邊方向上可以將貫通孔H的底部hi的直徑與頂部h2的直徑設(shè)置為相同。另外，如圖 5(c)所示在貫通孔H的短邊方向上貫通孔H的底部hi的直徑可以被制成小于貫通孔H的頂部h2的直徑。即使是在該情況下也能夠?qū)?yīng)于錐形角度θ來變更外部磁場B的入射角度。另外，磁性傳感器優(yōu)選進(jìn)一步具備將與貫通孔H的軸方向相同的方向的磁場提供給貫通孔H的永久磁石。圖6是表示磁性傳感器具備永久磁石的例子的上表面圖。在由圖 6所表示的磁性傳感器1中隔著被形成于通道層7側(cè)面的絕緣膜7c而進(jìn)一步具備永久磁石 8。永久磁石8優(yōu)選為將與貫通孔H的軸方向(在圖6的例子中為Z軸方向)相同的方向的磁場Zl提供給貫通孔H。在使用永久磁石8而不將磁場施加于通道層7的情況下，雖然在檢測對象的外部磁場B為零的時候出現(xiàn)輸出峰值，但是通過使用永久磁石8來將磁場施加于通道層7從而在外部磁場B不為零的時候也能夠出現(xiàn)輸出峰值。另外，貫通孔H只要被設(shè)置于覆蓋了通道層7的隔磁套層中即可，例如也可以被形成于下部隔磁套層中。圖7是表示磁性傳感器的變形例1的側(cè)面圖。在由圖7所表示的磁性傳感器2中貫通孔H是被形成于下部隔磁套層S3中。貫通孔H與存在于第一區(qū)域71與第二區(qū)域72之間的通道層7下表面相對配置。即，在貫通孔H被形成于下部隔磁套層S3 中的情況下，在被設(shè)置于通道層上面和側(cè)面的隔磁套層上沒有形成貫通孔。由此，就能夠從通道層7的下表面讀取外部磁場。另外，貫通孔H例如也可以被形成于側(cè)部的隔磁套層中。圖8是表示磁性傳感器的變形例2的側(cè)面圖。在由圖8所表示的磁性傳感器3中，貫通孔H被形成于側(cè)部隔磁套層SlO中，并且檢測Y軸方向的外部磁場。貫通孔H與存在于第一區(qū)域71與第二區(qū)域72 之間的通道層7側(cè)面相對配置。即，在貫通孔H被形成于側(cè)部隔磁套層SlO中的情況下，在上部隔磁套層上或者在下部隔磁套層中不形成貫通孔。由此，就能夠從通道層7的側(cè)面讀取外部磁場。另外，從通道層7的厚度方向(Z軸方向)看到的形狀也可以是矩形狀以外的形狀。圖9是表示磁性傳感器的變形例3的上表面圖。圖10是表示沿著圖9的J-J線的截面的側(cè)面圖。由圖9所表示的磁性傳感器4是檢測Y軸方向的外部磁場的裝置。在該磁性傳感器4中，從通道層7的厚度方向進(jìn)行觀察的話，則通道層7具有彎曲形狀。此外，在圖9 中通道層7因為是被設(shè)置于絕緣膜7b之下，所以通道層7沒有被圖示。在此情況下，貫通孔H與制作成彎曲形狀的通道層7的彎曲部K外側(cè)面KS相對配置。在由圖9以及圖10所表示的例子中，貫通孔H是設(shè)置于被形成于通道層7側(cè)面的側(cè)部隔磁套層S11。這樣，通過使通道層7發(fā)生彎曲，且貫通孔H與彎曲形狀的彎曲部K外側(cè)面KS相對配置，從而就能夠使外部磁場B等的磁通量讀取區(qū)域小型化。另外，如圖9所示優(yōu)選為通道層7的彎曲部K外側(cè)面KS被平坦化并且沿著該外側(cè)面KS形成側(cè)部隔磁套層S11。由此，讀取外部磁場的面變得平坦，例如如果使該外側(cè)面KS 與記錄介質(zhì)等的讀取對象面相對，就能夠容易地進(jìn)行磁場檢測。此外，在圖9以及圖10中， 表示了第一強磁性層12A的磁化方向G5被固定于與第二強磁性層12B的磁化方向G6相同的方向(Z軸方向)的例子。而且，也可以以與通道層7的彎曲部K的上表面以及下表面相對的形式配置永久磁石8，并且由該永久磁石8將Y軸方向的磁場提供給貫通孔H。另外，與貫通孔H相對的位置的通道層7的部分也可以是被縮窄的形狀。圖11是表示磁性傳感器的變形例4的側(cè)面圖。在由圖11所示的磁性傳感器5中，貫通孔H被形成于側(cè)部隔磁套層SlO中。通道層7中的位于貫通孔H側(cè)的部分優(yōu)選為其寬度窄于通道層7 上的位于第一強磁性層12A側(cè)的部分以及位于第二強磁性層12B側(cè)的部分。S卩，通道層7 中的垂直于傳導(dǎo)自旋的方向(在圖11的例子中為X軸方向)的面(在圖11的例子中為H 面)的截面積優(yōu)選為，位于貫通孔H側(cè)的部分小于位于第一強磁性層12A側(cè)的部分以及位于第二強磁性層12B側(cè)的部分中的至少一者。如以上所述，通過將通道層7中位于貫通孔H 的部分制作成被縮窄的形狀，從而就能夠使在通道層7內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散的自旋流集中于這個狹窄的部分。因此，就能夠從貫通孔H有效地將外部磁場B施加于該被集中了的自旋上。因此，就能夠提高磁場的輸出靈敏度。另外，在圖11中所表示的例子雖然是貫通孔H被形成于側(cè)部隔磁套層SlO中并且將與貫通孔H相對的位置的通道層7的部分制作成被縮窄的形狀，但是例如如圖1或者如圖7那樣也可以是貫通孔H被形成于上部隔磁套層或者下部隔磁套層中并且將與貫通孔的相對位置的通道層的部分制作成被縮窄的形狀。另外，在圖11中所表示的例子雖然是只將通道層7的下表面制作成斜面，但通道層7的上表面、下表面以及側(cè)面中至少一個面若是斜面即可。例如，通道層7的表面中也可以是幾個面成為斜面。另外，可以制作出具備多個上述磁性傳感器的磁性檢測裝置。在此情況下能夠?qū)⒏鱾€磁性傳感器的輸出合計起來。像這樣的磁性檢測裝置能夠適用于例如檢測癌細(xì)胞等的生物體傳感器等。例如，并列多個上述磁性傳感器或者層疊多個上述磁性傳感器從而就能夠制得磁性檢測裝置。圖12是表示磁性傳感器的變形例5的側(cè)面圖。作為一個例子，在圖 12中表示了層疊多個圖11所示的磁性傳感器5的結(jié)構(gòu)。另外，上述中展示了一個例子是在通道層7的上表面上以突出的形式形成經(jīng)由障壁層81A、81B的第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B、以及第一參照電極20A以及第二參照電極20B。但是，第一強磁性層12A、第二強磁性層12B、第一參照電極20A以及第二參照電極20B也可以被埋設(shè)于通道層7內(nèi)。圖13是表示磁性傳感器的變形例6的側(cè)面圖。例如，在由圖13所表示的磁性傳感器6中，第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B是與障壁層81A、81B —起被埋設(shè)于通道層7。由第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的上表面、絕緣膜7d的上表面、第一參照電極20A以及第二參照電極20B的上表面形成了平坦面 Z。設(shè)置有貫通孔H的上部隔磁套層S6優(yōu)選為覆蓋在該平坦面Z上。還有，在圖13的例子中，絕緣膜7d覆蓋通道層7的上表面，且這個絕緣層7d還進(jìn)一步被設(shè)置于通道層7與第一強磁性層12A側(cè)面之間以及通道層7與第二強磁性層12B側(cè)面之間。上部隔磁套層S6經(jīng)由絕緣膜7d而被形成于通道層7上。此外，第一參照電極20A以及第二參照電極20B也可以不被埋設(shè)于通道層7內(nèi)。這樣，設(shè)置有貫通孔H的上部隔磁套層S6通過覆蓋在第一強磁性層12A、第二強磁性層12B以及絕緣膜7d的上表面被平坦化了的平坦面Z上，從而能夠相對于記錄介質(zhì)等的磁場形成面而平行地配置設(shè)置有貫通孔H的上部隔磁套層S6。因此，就能夠順暢地進(jìn)行對磁場的讀取。另外，固定第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化方向的磁場優(yōu)選為大于作為評價對象的外部磁場B。由此，就能夠穩(wěn)定檢測外部磁場B。另外，例如在具備寫入用記錄頭部的磁頭中，能夠?qū)⒈景l(fā)明的磁性傳感器適用于讀取頭部。由此，能夠提供可以從例如記錄介質(zhì)等的微小區(qū)域檢測出磁通量的磁頭。另外，在第一強磁性層12A與第二強磁性層12B之間，根據(jù)由于外部磁場B施加的有無而產(chǎn)生的磁性電阻效果，電阻也會發(fā)生變化。因此，不設(shè)置第一參照電極20A以及第二參照電極20B而將電源設(shè)置于第一強磁性層12A與第二強磁性層12B之間，并且通過監(jiān)測電流和電壓的變化也能夠檢測出外部磁場B。
另外，也可以對電流源70和輸出測定器(例如電壓測定器80)的配置進(jìn)行交換。 也就是說，也可以將第一強磁性層12A以及第一參照電極20A連接于輸出測定器并且將第二強磁性層12B以及第二參照電極20B連接于電流源70。在此情況下，第一強磁性層12A 作為接收電極而起作用，第二強磁性層12B則作為注入電極而起作用。另外，以上所表示的一個例子是障壁層81A、81B為由絕緣膜構(gòu)成隧道障壁。但是， 障壁層81A、81B也可以是由金屬膜構(gòu)成的隧道障壁，在此情況下就能夠制得半導(dǎo)體通道層 7和金屬障壁層81A、81B的肖特基(Schottky)障壁。另外，第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B中至少一者的磁化方向，也可以由被設(shè)置于第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B中至少一者上的反強磁性層、形狀各向異性中的至少一個因素來固定。例如，第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B中，根據(jù)X 軸方向與Y軸方向的縱橫比差異可以區(qū)別翻轉(zhuǎn)磁場的差?；蛘?，在第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B中至少一者上也可以具備為了固定磁化方向的反強磁性層。在此情況下， 與不設(shè)置反強磁性層的情況相比，能夠獲得在一個方向上具有更高頑磁力的第一強磁性層 12A或者第二強磁性層12B。另外，在以上所述內(nèi)容中雖然所表示的例子是在同一個方向上固定第一強磁性層 12A以及第二強磁性層12B的磁化方向，但是貫通孔H的軸方向(在圖1的例子中為Z方向)和第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化方向優(yōu)選為非平行。如以上所述， 如果通過貫通孔將外部磁場B施加于通道層7的話，那么通道層7內(nèi)的自旋方向?qū)@著施加磁場的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。假定是在貫通孔的軸方向和第一強磁性層以及第二強磁性層的磁化方向為平行的情況下，無論從哪一個強磁性層注入自旋，也不會在由外部磁場的施加而引起的自旋方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因而磁通量的檢測是困難的。因此，貫通孔的軸方向和第一強磁性層以及第二強磁性層的磁化方向如果是非平行的話，就能夠合適地進(jìn)行對上述那樣的磁通量的檢測。因此，第一強磁性層12A的磁化方向也可以是與第二強磁性層12B的磁化方向不相同的方向，例如也可以是逆方向。在此情況下的外部磁場的評價中的輸出峰值，與在第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化方向為同一個方向的情況下的輸出峰值成為正負(fù)相反。此外，第一強磁性層12A以及第二強磁性層12B的磁化方向如圖1所示既可以與通道層7的相對面平行，也可以如圖8或者圖9所示與通道層7的相對面垂直。另外，相對于外部磁場的電壓輸出和電阻輸出峰值的半寬度因為與通道層7中的自旋壽命的倒數(shù)成比例，所以自旋壽命越長磁場靈敏度就變得越好。作為被用于通道層7 的自旋壽命長的材料例如可以列舉Si和GaAs等，特別為優(yōu)選Si。另外，雖然通道層7中的自旋壽命較短的話，磁場靈敏度就會變差，但是能夠檢測出較廣范圍的磁場。另外，在以上所述內(nèi)容中是使用了通道層7、第一強磁性層12A、第二強磁性層12B 以及隔磁套層為所謂的“層”的例子來加以說明的，但是本發(fā)明并不限定于此。通道層7、第一強磁性層12A、第二強磁性層12B以及隔磁套層如果分別是能夠作為上述磁性傳感器的構(gòu)成物而使用的話，就能夠作為各種各樣方式的通道、第一強磁性體、第二強磁性體以及隔磁套。在此情況下，通道、第一強磁性體、第二強磁性體以及隔磁套可以分別被制成例如球體狀以及圓柱形狀等的形態(tài)。
1權(quán)利要求
1.一種磁性傳感器，其特征在于 具備第一強磁性體； 第二強磁性體；從所述第一強磁性體延伸至所述第二強磁性體的通道； 覆蓋所述通道的隔磁套；以及被設(shè)置于所述通道與所述隔磁套之間的絕緣膜， 所述隔磁套具有朝著所述通道延伸的貫通孔。
2.如權(quán)利要求1所記載的磁性傳感器，其特征在于所述貫通孔的軸方向與所述第一強磁性體以及所述第二強磁性體中的至少一者的磁化方向為非平行。
3.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 從所述貫通孔的軸方向看，所述貫通孔的整個截面與所述通道相對。
4.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 所述貫通孔底部的直徑小于所述貫通孔頂部的直徑。
5.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 所述通道具有彎曲形狀，所述貫通孔與所述通道彎曲部的外側(cè)面相對地設(shè)置。
6.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于所述第一強磁性體以及所述第二強磁性體被埋設(shè)于所述通道中，由所述第一以及所述第二強磁性體的上表面和所述絕緣膜的上表面形成平坦面， 設(shè)置有所述貫通孔的所述隔磁套覆蓋在所述平坦面上。
7.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于所述通道中位于所述貫通孔側(cè)的部分的寬度窄于所述通道中位于所述第一強磁性體側(cè)的部分以及位于所述第二強磁性體側(cè)的部分。
8.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于所述第一強磁性體以及所述第二強磁性體中的至少一者的磁化方向由反強磁性體以及形狀各向異性中至少一個來固定。
9.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 所述第一強磁性體的磁化方向與所述第二強磁性體的磁化方向相同。
10.如權(quán)利要求項1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于進(jìn)一步具備將與所述貫通孔的軸方向相同的方向的磁場提供給所述貫通孔的永久磁石。
11.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于所述第一強磁性體以及所述第二強磁性體的材料為從由Cr、Mn、Co、i^、Ni構(gòu)成的群中選擇的金屬、含有一個以上所述群的元素的合金或者含有從所述群中選擇的一個以上的元素和從由B、C、N、Si、Ge構(gòu)成的群中選擇一個以上的元素的化合物。
12.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 所述通道材料為含有Si、Ge、GaAS、C、ZnO中任意一個的半導(dǎo)體。
13.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于在所述第一強磁性體以及所述第二強磁性體中的至少一者與所述通道之間形成有障壁層。
14.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 還具備第一參照電極以及第二參照電極，在與從所述第一強磁性體延伸至所述第二強磁性體的方向不同的方向上，所述通道從所述第一強磁性體延伸至所述第一參照電極，在與從所述第二強磁性體延伸至所述第一強磁性體的方向不同的方向上，所述通道從所述第二強磁性體延伸至所述第二參照電極。
15.如權(quán)利要求14所記載的磁性傳感器，其特征在于 還具備電流源以及輸出測定器，所述電流源以及所述輸出測定器中的一者電連接于所述第一強磁性體以及所述第一參照電極，所述電流源以及所述輸出測定器中的另一者電連接于所述第二強磁性體以及所述第二參照電極。
16.如權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器，其特征在于 還具備設(shè)置于第一強磁性體與第二強磁性體之間的電源。
17.一種磁性檢測裝置，其特征在于具備多個權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器。
18.—種磁頭，其特征在于具備由權(quán)利要求1或者2所記載的磁性傳感器構(gòu)成的讀取頭部和寫入用記錄頭部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁性傳感器、磁性檢測裝置以及磁頭。本發(fā)明的磁性傳感器具備第一強磁性體(12A)、第二強磁性體(12B)、從第一強磁性體(12A)延伸至第二強磁性體(12B)的通道(7)、覆蓋通道(7)的隔磁套(S2)、被設(shè)置于通道(7)與隔磁套(S2)之間的絕緣膜(7b)；隔磁套(S2)具有朝著通道(7)延伸的貫通孔(H)。
文檔編號G11B5/39GK102194466SQ201110045918
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者佐佐木智生, 及川亨, 野口潔 申請人:Tdk株式會社