特許 6652014 磁気抵抗効果素子および磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6652014

(24)【登録日】2020年1月27日

(45)【発行日】2020年2月19日

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子および磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G11B 5/39 20060101AFI20200210BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20200210BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20200210BHJP

【ＦＩ】

   G11B5/39

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-165736(P2016-165736)

(22)【出願日】2016年8月26日

(65)【公開番号】特開2018-32459(P2018-32459A)

(43)【公開日】2018年3月1日

【審査請求日】2019年6月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】小池 勇人

【審査官】 斎藤 眞

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０２０８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３４６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２６２４５８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ１１Ｂ ５／３３−５／３９

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／００−４３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャネル層と、第１強磁性層と、第２強磁性層と、参照電極とを有し、
前記第１強磁性層と、前記第２強磁性層と、前記参照電極とは、互いに離間し、かつ、前記チャネル層を介して互いに電気的に接続され、
前記第１強磁性層と、前記第２強磁性層とは、前記チャネル層の厚み方向から見て互いに重ならずに離間しており、
前記チャネル層は、前記第１強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第１領域、前記第２強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第２領域および、前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域を有し、
前記参照電極の少なくとも一部が、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域からなる領域に接しており、
前記チャネル層の材料がＳｉまたはＧｅを母材として含む半導体であり、
前記参照電極の熱伝導率が前記チャネル層の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記参照電極の少なくとも一部が、前記第２領域に接していることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記第１領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記第３領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする請求項２または３に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記チャネル層の材料がＳｉを母材として含む半導体であり、
前記参照電極の材料がＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａまたはＰｔであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

前記チャネル層の材料がＧｅを母材として含む半導体であり、
前記参照電極の材料がＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＮｂまたはＴａであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる再生素子として、磁気抵抗効果素子が知られている。一般的な磁気抵抗効果素子は、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの層の間に電流を流すため、高出力が得られる。

【0003】

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面上（スピンを蓄積するためのチャネル層上）に形成するスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が知られている。スピン蓄積型磁気抵抗効果素子は、例えば、薄膜磁気記録再生ヘッド等の磁気センサに用いられた場合、高い空間分解能が得られることが期待されている。また、デバイス設計の自由度を向上できる利点も期待されている。特許文献１には、２つの強磁性電極と２つの非磁性電極を有する４端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献２には、２つの強磁性電極と１つの非磁性電極を有する３端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。

【0004】

特許文献２には、図９に示すような磁気抵抗効果素子１ｘが記載されている。磁気抵抗効果素子１ｘは、支持基板３０ｘ上に下地絶縁層８０ｘを介してチャネル層７ｘを有し、チャネル層７ｘ上に、障壁層１４Ａｘを介して第１強磁性層１２Ａｘを有し、障壁層１４Ｂｘを介して第２強磁性層１２Ｂｘを有している。チャネル層７ｘは、第１強磁性層１２Ａｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる第１領域Ａ１ｘと、第２強磁性層１２Ｂｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる第２領域Ａ２ｘとを有している。さらに、チャネル層７ｘは図９に示すような延在部ＡＥｘを有している。磁気抵抗効果素子１ｘにおいて、延在部ＡＥｘは、第２領域Ａ２ｘから離間して設けられた参照電極２０ｘ（非磁性電極）とチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第２領域Ａ２ｘとの間の領域とからなる領域である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−２８７６６６号公報

【特許文献2】国際公開第２０１５／０７６１８７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、スピン蓄積型磁気抵抗効果素子を実用的なものにするには、信号雑音比（ＳＮ比）はいまだに小さく、ＳＮ比のさらなる向上が必要である。本発明は、高いＳＮ比を有する磁気抵抗効果素子および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】

【0007】

上記の課題を解決するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、チャネル層と、第１強磁性層と、第２強磁性層と、参照電極とを有し、前記第１強磁性層と、前記第２強磁性層と、前記参照電極とは、互いに離間し、かつ、前記チャネル層を介して互いに電気的に接続され、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、前記チャネル層の厚み方向から見て互いに重ならずに離間しており、前記チャネル層は、前記第１強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第１領域、前記第２強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第２領域および、前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域を有し、前記参照電極の少なくとも一部が、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域からなる領域に接していることを特徴とする。

【0008】

上記の磁気抵抗効果素子に対し、第１強磁性層と第２強磁性層との間に第１強磁性層から第２強磁性層へチャネル層を介してスピン偏極キャリアを流すことにより、チャネル層の第２領域にスピンが蓄積され、チャネル層を介して第２強磁性層および参照電極の間において電圧（出力信号）を検出することにより、第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が検出される。上記の磁気抵抗効果素子によれば、第１領域、第２領域および第３領域からなる領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層の延在部（チャネル層全体からスピン偏極キャリアが流れる部分を除いた部分）の体積を小さくすることができる。その結果、チャネル層の第２領域に蓄積したスピンの第２領域から延在部への拡散を抑制することができ、第２領域にスピンを高密度に蓄積することができる。したがって、本発明の磁気抵抗効果素子の出力信号を大きくすることができ、高いＳＮ比を実現することができる。

【0009】

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の少なくとも一部が前記第２領域に接していることを特徴とする。

【0010】

これによれば、参照電極の少なくとも一部が第１領域、第２領域および第３領域からなる領域と接するとともに第２領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層と参照電極との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。

【0011】

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第１領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。

【0012】

これによれば、第１領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。

【0013】

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第３領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。

【0014】

これによれば、第３領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。

【0015】

また、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の熱伝導率が前記チャネル層の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。

【0016】

これによれば、チャネル層のスピン輸送経路内において生じるジュール熱の参照電極による放熱作用を抑制することができ、チャネル層の内部における温度勾配を小さくすることができる。チャネル層の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、本発明の磁気抵抗効果素子のＳＮ比をさらに高くすることができる。

【0017】

さらに、本発明の磁気センサは、上記の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。

【0018】

これによれば、高いＳＮ比を有する磁気センサを実現することが出来る。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、高いＳＮ比を有する磁気抵抗効果素子および磁気センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。

【図5】図５は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。

【図6】図６は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。

【図7】図７は、第４実施形態に係る磁気センサの要部断面図である。

【図8】図８は、図７の磁性媒体対向面（Ｘ方向）から見た側面図である。

【図9】図９は、従来例に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

【0022】

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１について説明する。

【0023】

（基本構造）
図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の斜視図である。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１は、チャネル層７と、第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂと、参照電極２０とを有している。チャネル層７および参照電極２０は、下地絶縁層８０を介して支持基板３０上に設けられている。第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂと、参照電極２０とは、互いに離間し、かつ、チャネル層７を介して互いに電気的に接続されている。第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂとは、チャネル層７の厚み方向から見て互いに重ならずに離間している。チャネル層７は、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとが並ぶ方向（膜面内における方向）が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向（膜面内における方向）が短辺方向である矩形の平面視形状を有しており、直方体形状となっている。

【0024】

チャネル層７は、チャネル層７の厚み方向で互いに対向する第１の面と第２の面とを有している。磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂは、チャネル層７の第１の面の側（図１に示される例では、チャネル層７の上面側）に設けられている。

【0025】

第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂは、これらの間を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへチャネル層７を介してスピン偏極キャリア（電子またはホール）が流れる部分であり、第２強磁性層１２Ｂおよび参照電極２０は、チャネル層７を介して電圧が検出される部分である。

【0026】

チャネル層７は、第１強磁性層１２Ａとチャネル層７の厚み方向から見て重なる第１領域Ａ１、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の厚み方向から見て重なる第２領域Ａ２および、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間の第３領域Ａ３を有している。

【0027】

参照電極２０は少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接するように設けられている。図１に示す例では、参照電極２０は少なくとも一部が、第２領域Ａ２に接するように設けられている。磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が、チャネル層７の第２の面の側（図１に示す例では、チャネル層７の下面側）に設けられ、第２領域Ａ２の下面に接するように配置されている。すなわち、参照電極２０は、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の厚み方向から見て重なる位置に配置されている。磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０は、第２領域Ａ２の下面の全面のみでチャネル層７と接しており、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３とは接していない。

【0028】

磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａ、第１領域Ａ１、第３領域Ａ３、第２領域Ａ２および第２強磁性層１２Ｂがスピン輸送経路に相当する領域（スピン偏極キャリアが流れる部分）であり、第２強磁性層１２Ｂ、第２領域Ａ２および参照電極２０がスピン検出経路に相当する領域（電圧が検出される部分）である。

【0029】

第１強磁性層１２Ａとチャネル層７との間には、障壁層１４Ａが設けられ、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間には、障壁層１４Ｂが設けられている。

【0030】

（支持基板および下地絶縁層）
支持基板３０の材料としては、例えば、ＡｌＴｉＣまたはＳｉが挙げられる。支持基板３０上に設けられる下地絶縁層８０の材料としては、例えばＳｉＯ_ｘ（酸化シリコン）、ＨｆＯ_ｘ（酸化ハフニウム）またはＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）などが挙げられる。下地絶縁層８０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さくなっている。

【0031】

（強磁性層）
第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの材料としては、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群の金属を１種以上含む合金、又は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素とを含む合金が挙げられ、具体的には、ＣｏＦｅＢまたはＮｉＦｅ等が挙げられる。

【0032】

（障壁層）
第１強磁性層１２Ａとチャネル層７との間には、障壁層１４Ａが設けられているので、第１強磁性層１２Ａからチャネル層７へスピン偏極したキャリア（電子またはホール）を多く注入することが可能となり、磁気抵抗効果素子１の出力信号を高めることが可能となる。第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間には、障壁層１４Ｂが設けられているので、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間におけるスピン偏極キャリアのスピン偏極率の低下が抑制され、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへの効率的なスピンの輸送が可能になる。

【0033】

障壁層１４Ａ、１４Ｂは、トンネル障壁層であることが好ましい。トンネル障壁層の材料として、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、スピネル酸化膜または酸化亜鉛などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル障壁層として機能させる観点から、トンネル障壁層の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、トンネル障壁層の膜厚は、１原子層の厚みを考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。

【0034】

（チャネル層）
チャネル層７はスピンが輸送・蓄積される層である。チャネル層７の材料は、非磁性材料であり、スピン拡散長が長い材料であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の材料は非磁性半導体となっている。この場合、チャネル層７の材料（母材）は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓおよびＣ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、チャネル層７の材料は、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｌ等の非磁性金属とすることもできる。磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の材料は第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３で同じである。

【0035】

チャネル層７の材料として非磁性半導体を用いる場合、母材となる半導体材料には導電性を付与するための不純物を少量添加（不純物ドーピング）することが好ましい。不純物ドーピングの手法としては、例えば、イオン注入法、熱拡散法などが挙げられる。例えば、母材となる半導体材料としてＳｉ、ＧｅまたはＣなどの１４族（ＩＶ族）の元素を用いる場合、Ｎ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどの１５族（Ｖ族）の元素を不純物としてドーピングすれば、電子が多数キャリアとなるため、キャリア濃度として電子の濃度を調整することができる。この場合、チャネル層７はｎ型半導体となる。また、Ｂ、ＡｌまたはＧａなどの１３族（ＩＩＩ族）の元素を不純物としてドーピングすれば、ホールが多数キャリアとなるため、キャリア濃度としてホールの濃度を調整することができる。この場合、チャネル層７はｐ型半導体となる。チャネル層７の不純物濃度は、１．０×１０^１６〜１．０×１０^２１ｃｍ^−３とすることが好ましい。

【0036】

チャネル層７の材料がｎ型半導体である場合は、電子がスピン偏極キャリアとなる。この場合、第２強磁性層１２Ｂから第１強磁性層１２Ａへチャネル層７を介して流れる電流が、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから印加される。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こした電子が、第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７の内部を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送される。これにより、チャネル層７の内部（第２領域Ａ２）にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成される。

【0037】

チャネル層７の材料がｐ型半導体である場合は、ホールがスピン偏極キャリアとなる。この場合、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへチャネル層７を介して流れる電流が、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから印加される。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こしたホールが、第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７の内部を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送される。これにより、チャネル層７の内部（第２領域Ａ２）にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成される。

【0038】

（参照電極）
図１に示すように、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が、下地絶縁層８０の凹部に設けられ、チャネル層７の第２領域Ａ２の下面に接している。

【0039】

参照電極２０の材料は導体である非磁性材料、特に非磁性の金属であることが好ましい。さらに、参照電極２０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。表１に、参照電極２０またはチャネル層７に用いることができる主な非磁性材料の例とその熱伝導率を示す。例えば、チャネル層７の材料としてＳｉを用いる場合、参照電極２０に用いる好ましい材料として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、ＣｒまたはＮｂなどが挙げられる。チャネル層７の材料としてＣｕを用いる場合、参照電極２０に用いる好ましい材料として、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、ＣｒまたはＮｂなどが挙げられる。なお、参照電極２０の材料として、これらの元素を主成分とする合金や窒化物などを用いてもよい。

【0040】

【表1】

【0041】

磁気抵抗効果素子１では、スピン輸送経路に相当する領域にスピン偏極キャリアを流すために、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が流される。第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が流れる間、スピン輸送経路内には電流値の二乗とスピン輸送経路の材料の抵抗値に比例した量の熱（ジュール熱）が発生するが、磁気抵抗効果素子１のようにチャネル層７の材料が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３で同じ場合、チャネル層７のそれぞれの領域においてジュール熱は均一に発生する。

【0042】

ここで、参照電極２０の熱伝導率がチャネル層７の熱伝導率よりも大きい場合、参照電極２０とチャネル層７とが接する面において、チャネル層７（熱伝導率が小さい側）から参照電極２０（熱伝導率が大きい側）への方向に向かって熱の拡散（放熱）が起こり、チャネル層７の内部に温度勾配が生じてしまう。より具体的には、チャネル層７の温度分布は、第１領域Ａ１側（参照電極２０から離れた側）で温度が高く、第２領域Ａ２側（参照電極２０に近い側）で温度が低いものになる。

【0043】

一方、参照電極２０の熱伝導率がチャネル層７の熱伝導率よりも小さい場合、チャネル層７の内部で生じたジュール熱の参照電極２０の方向への拡散（放熱）は抑制され、チャネル層７の内部において生じる温度勾配は小さく抑制される。チャネル層７の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、この場合、磁気抵抗効果素子１のＳＮ比をさらに高くすることができる。したがって、参照電極２０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。

【0044】

（作製方法）
磁気抵抗効果素子１は、例えば、以下の手順で作製することが好ましい。

【0045】

支持基板３０上に絶縁層を有する基板を準備し、フォトリソグラフィ、イオンミリングおよびスパッタリング法などにより、下地絶縁層８０に相当する絶縁層、および参照電極２０に相当する非磁性導体層からなる構造体を作製する。

【0046】

次に、ＣＭＰ（化学機械研磨）処理などにより、上記構造体の表面を平坦化し、下地絶縁層８０および参照電極２０を形成する。また、薬液洗浄やプラズマ処理などにより、下地絶縁層８０および参照電極２０からなる構造体表面の付着物（パーティクル、有機物、及び自然酸化膜など）を除去し、清浄化する。

【0047】

次に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などにより、上記構造体上に非磁性半導体層、障壁層および強磁性層を成膜し、積層膜を形成する。

【0048】

次に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層膜を矩形状にパターニングして、上記構造体の上部にチャネル層７、障壁層および強磁性層からなる積層構造体を作製する。なお、上記積層構造体は、チャネル層７の第２領域に相当する領域の下面のみが、参照電極２０の上面と接するようにパターニングされる。

【0049】

最後に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層構造体の障壁層および強磁性層をパターニングし、障壁層１４Ａ、第１強磁性層１２Ａ、障壁層１４Ｂおよび第２強磁性層１２Ｂを形成する。これにより、チャネル層７の第１領域Ａ１の上部には障壁層１４Ａおよび第１強磁性層１２Ａが積層しており、チャネル層７の第２領域Ａ２の上部には障壁層１４Ｂおよび第２強磁性層１２Ｂが積層した構造が作製される。

【0050】

このように作製された磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の長辺側の側面と、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に沿う側面）とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層７の短辺側の一方の側面と、第１強磁性層１２Ａの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２強磁性層１２Ｂとは反対側の側面）とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層７の短辺側の他方の側面と、第２強磁性層１２Ｂの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第１強磁性層１２Ａとは反対側の側面）とが、同一の面上に存在している。

【0051】

なお、チャネル層７における第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂまでの距離は、チャネル層７に用いる材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。

【0052】

（効果の説明）
チャネル層７の材料としてｎ型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第２強磁性層１２Ｂを正、第１強磁性層１２Ａを負とする電圧を印加した場合、第２強磁性層１２Ｂからチャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａへと電流が流れるとともに、チャネル層７の内部には、第２領域Ａ２側を正、第１領域Ａ１側を負とした電界が生じる。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こした電子が第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７を介し、第２強磁性層１２Ｂへと輸送されるが、チャネル層７の内部においては、スピン偏極した電子が流れる方向と同じ方向にスピン偏極した電子を加速させて輸送しようという力（ドリフト電界）が、スピン偏極した電子に加わる。これにより、スピン偏極した電子が第２領域Ａ２（特に、第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に高密度に蓄積する。

【0053】

チャネル層７の材料としてｐ型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第１強磁性層１２Ａを正、第２強磁性層１２Ｂを負とする電圧を印加した場合、第１強磁性層１２Ａからチャネル層７を介して第２強磁性層１２Ｂへと電流が流れるとともに、チャネル層７の内部には、第１領域Ａ１側を正、第２領域Ａ２側を負とした電界が生じる。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こしたホールが第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７を介し、第２強磁性層１２Ｂへと輸送されるが、チャネル層７の内部においては、スピン偏極したホールが流れる方向と同じ方向にスピン偏極したホールを加速させて輸送しようという力（ドリフト電界）が、スピン偏極したホールに加わる。これにより、スピン偏極したホールが第２領域Ａ２（特に、第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に高密度に蓄積する。

【0054】

このように、スピン偏極キャリアが、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送され、第２領域Ａ２にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成されることにより、磁気抵抗効果素子１には、第１強磁性層１２Ａの磁化と第２強磁性層１２Ｂの磁化に起因した磁気抵抗効果が発生し、第１強磁性層１２Ａの磁化方向と第２強磁性層１２Ｂの磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が生じる。このうち、主に、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の第２領域Ａ２との間の磁気抵抗効果による抵抗変化に対応した電圧変化（出力値）が、チャネル層７を介して第２強磁性層１２Ｂおよび参照電極２０の間において検出される。

【0055】

磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接している。そのため、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と参照電極２０とが離間して配置されている場合（従来例）に比べて、チャネル層７の延在部（チャネル層全体からスピン輸送経路に相当する領域を除いた部分）の体積を小さくすることができる。

【0056】

従来例に係る磁気抵抗効果素子１ｘの斜視図を図９に示す。図９に示すように、磁気抵抗効果素子１ｘのチャネル層７ｘは、第２領域Ａ２ｘから離間して設けられた参照電極２０ｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第２領域Ａ２ｘとの間の領域とからなる領域である延在部ＡＥｘを有している。磁気抵抗効果素子１ｘにおいて、チャネル層７ｘは、第１領域Ａ１ｘ、第２領域Ａ２ｘ、第１領域Ａ１ｘと第２領域Ａ２ｘの間の領域である第３領域Ａ３ｘおよび延在部ＡＥｘから構成されている。参照電極２０ｘは、第２領域Ａ２ｘには接しておらず、延在部ＡＥｘに接している。

【0057】

第２領域Ａ２（Ａ２ｘ）に蓄積したスピンは、第２領域Ａ２（Ａ２ｘ）を中心にチャネル層７（７ｘ）の内部を三次元的に拡散する性質がある。したがって、磁気抵抗効果素子１のように、チャネル層７の延在部の体積を小さくすることにより、第２領域Ａ２に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部への方向への拡散を抑制することができる。その結果、第２領域Ａ２にスピンを高密度に蓄積することができ、磁気抵抗効果素子１の出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子１は、高いＳＮ比を有することができる。

【0058】

なお、磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７において、スピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が存在する。チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積を小さくするほど、スピン輸送経路に生じる電圧降下の影響を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。また、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が大きいほど、スピン検出経路における抵抗値を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。磁気抵抗効果素子１は、参照電極２０の少なくとも一部が第２領域Ａ２に接しているので、参照電極２０の少なくとも一部が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と接するとともに第２領域Ａ２と参照電極２０とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズを小さくすることができる。

【0059】

また、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第１領域Ａ１に接していないので、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が、第１領域Ａ１においては存在せず、チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズを小さくすることができる。

【0060】

また、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第３領域Ａ３に接していないので、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が、第３領域Ａ３においても存在せず、チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズをさらに小さくすることができる。

【0061】

なお、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとがチャネル層７の上面側に、参照電極２０がチャネル層７の下面側に設けられている例で説明したが、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとがチャネル層７の下面側に、参照電極２０がチャネル層７の上面側に設けられていてもよい。また、第１強磁性層１２Ａと参照電極２０とがチャネル層７の上面側に、第２強磁性層１２Ｂがチャネル層７の下面側に設けられていてもよい。また、第１強磁性層１２Ａと参照電極２０とがチャネル層７の下面側に、第２強磁性層１２Ｂがチャネル層７の上面側に設けられていてもよい。

【0062】

また、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面に接するように配置される例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２の側面に接するように配置されていてもよい。図２に、第２領域Ａ２が第３領域Ａ３と接する面に対向する第２領域Ａ２の端面（チャネル層７の短辺側の側面）に参照電極２０が配置されている磁気抵抗効果素子１ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子１ａにおいても、参照電極２０が第２領域Ａ２に接するように設けられていることで、高いＳＮ比が得られる。

【0063】

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子２について、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

【0064】

磁気抵抗効果素子２は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１に対して、チャネル層７の構成が異なる。図３に示すように、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２が第３領域Ａ３と接する面に対向する第２領域Ａ２の端面から、第３領域Ａ３から離れる方向へ向かって延びる延在部ＡＥを有している。図３に示す磁気抵抗効果素子２では、延在部ＡＥは、チャネル層７が参照電極２０とチャネル層７の厚み方向から見て重なる領域から、第２領域Ａ２を除いた領域となっている。参照電極２０は、第２領域Ａ２および延在部ＡＥの下面に接している。磁気抵抗効果素子２のその他の点は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と同じである。

【0065】

磁気抵抗効果素子２では、従来例（磁気抵抗効果素子１ｘ）と同様、チャネル層７に延在部ＡＥが設けられているが、参照電極２０の少なくとも一部が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接するように設けられていることにより、従来例（磁気抵抗効果素子１ｘ）よりも延在部ＡＥの体積が小さくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部ＡＥへの方向への拡散を抑制することができる。これにより、磁気抵抗効果素子１に比べて出力信号増大効果は小さくなるものの、出力信号を従来例に比べて大きくすることができる。

【0066】

また、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２および延在部ＡＥの下面に参照電極２０が設けられていることにより、磁気抵抗効果素子１よりもチャネル層７と参照電極２０との接触面積が大きくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子２は、磁気抵抗効果素子１に比べて出力ノイズを小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子２においても、高いＳＮ比が得られる。

【0067】

なお、第２実施形態の磁気抵抗効果素子２では、チャネル層７の形状が直方体である例で説明したが、チャネル層７がテーパー形状を有していてもよい。図４にチャネル層７の延在部ＡＥの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２領域Ａ２とは反対側の側面）の部分の形状がテーパー形状である磁気抵抗効果素子２ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子２ａにおいては、チャネル層７は、チャネル層７の厚み方向に垂直な断面が、上面側（第２強磁性層１２Ｂとの対向面側）から下面側（参照電極２０との対向面側）に向かって広くなるような形状となっている。磁気抵抗効果素子２ａにおいては、チャネル層７の第１強磁性層１２Ａ側の側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面）と、第１強磁性層１２Ａの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２強磁性層１２Ｂとは反対側の側面）とは、同一の面上に存在している。

【0068】

磁気抵抗効果素子２ａは、例えば、非磁性半導体層、障壁層および強磁性層からなる積層膜をパターニングする工程において、テーパーを有する側面を形成する際にイオンミリングの傾斜角を大きくすることにより、作製することができる。

【0069】

磁気抵抗効果素子２ａは、チャネル層７の形状が直方体である場合（磁気抵抗効果素子２）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が同じ場合で比較すると、チャネル層７における延在部ＡＥの体積を小さくすることができる。これにより、磁気抵抗効果素子２ａでは、チャネル層７と参照電極２０との接触面積を大きくすることによって得られる出力ノイズ低減効果を備えながら、第２領域Ａ２の上部（第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部ＡＥへの方向への拡散を抑制することができ、出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子２ａでは、磁気抵抗効果素子２よりも高いＳＮ比が得られる。

【0070】

（第３実施形態）
以下、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子３について、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。

【0071】

磁気抵抗効果素子３は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１に対して、参照電極２０の設置位置が異なる。図５に示すように、磁気抵抗効果素子３では、参照電極２０は、チャネル層７の第２領域Ａ２の下面の一部に接するように設けられている。

【0072】

磁気抵抗効果素子３は、参照電極２０を形成する工程、チャネル層７を形成する工程、および第２強磁性層１２Ｂを形成する工程のそれぞれのパターンレイアウトを、磁気抵抗効果素子１の作製方法に対して変更することにより、作製することができる。

【0073】

磁気抵抗効果素子３は、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面全体に接している場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が小さくなっている。これにより、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子３の出力ノイズを小さくすることができる。

【0074】

なお、磁気抵抗効果素子３では、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面全体に接している場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との界面における抵抗値が大きくなっている。この場合、スピン検出経路の抵抗値に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子１に比べて大きくなるが、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子３においても、高いＳＮ比が得られる。

【0075】

なお、これまで説明した第１〜第３実施形態では、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面だけでなく、第３領域Ａ３または第１領域Ａ１の下面においても接するように配置されていてもよい。図６に、参照電極２０が第２領域Ａ２および第３領域Ａ３の下面に接するように配置されている磁気抵抗効果素子３ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子３ａにおいても、参照電極２０は、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから離間して設けられている。

【0076】

磁気抵抗効果素子３ａでは、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との界面における抵抗値が小さくなっている。これにより、磁気抵抗効果素子３ａの出力ノイズを小さくすることができる。

【0077】

一方、磁気抵抗効果素子３ａでは、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積が大きくなっている。この場合、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子１に比べて大きくなるが、スピン検出経路の抵抗値を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子３ａにおいても、高いＳＮ比が得られる。

【0078】

また、第１〜第３実施形態では、参照電極２０の少なくとも一部が第２領域Ａ２に接している例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２に接していなくても良い。例えば、チャネル層７と参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１と第３領域Ａ３の両方のみ、またはいずれか一方のみで接するように設けられていてもよい。このような場合の磁気抵抗効果素子であっても、参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接していることで、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と参照電極２０とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層７の延在部の体積を小さくすることができ、高いＳＮ比を実現することができる。

【0079】

（第４実施形態）
以下、第４実施形態に係る磁気センサ１００について説明する。図７は、磁気センサ１００の要部断面図であり、図８は、図７における磁性媒体Ｍから見た側面図（Ｘ方向から見た側面図）である。図７および図８に示すように、磁気センサ１００は、支持基板３０上に下地絶縁層８０を介して、磁気抵抗効果素子１と、磁気抵抗効果素子１を膜面直交方向（Ｚ方向）に挟むように設けられた下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０とを有している。また、図８に示すように、磁気センサ１００は、磁気抵抗効果素子１の幅方向であるＹ方向（図７においては紙面直交方向）の両側に設けられたバイアス磁界印加層１６を有している。チャネル層７と下部磁気シールド４０の間、および磁気抵抗効果素子１とバイアス磁界印加層１６の間には絶縁膜４が設けられている。絶縁膜４は、バイアス磁界印加層１６と磁気抵抗効果素子１を絶縁分離するとともに、下部磁気シールド４０およびバイアス磁界印加層１６などによるスピンの吸収を抑制するために形成される。バイアス磁界印加層１６は、磁気抵抗効果素子１の第１強磁性層１２Ａを単磁区化するために、第１強磁性層１２ＡにＹ方向のバイアス磁界を印加する。絶縁膜４の材料は、例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２など、バイアス磁界印加層１６の材料は、例えばＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔなど、下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０の材料は、例えばＮｉＦｅなどが好ましい。

【0080】

図７に示すように、下部磁気シールド４０は、チャネル層７および参照電極２０の下部に設けられている。参照電極２０は、下部磁気シールド４０の凹部に接して設けられている。上部磁気シールド５０は、第１強磁性層１２Ａの上部に設けられている。第２強磁性層１２Ｂの上部には、配線５が設けられている。上部磁気シールド５０は磁気抵抗効果素子１に電流を印加するための配線を兼ねている。下部磁気シールド４０は磁気抵抗効果素子１の電圧を検出するための配線を兼ねている。配線５の材料は、下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０の材料と同じであってもよい。上部磁気シールド５０と配線５との間には電流源６０が接続され、チャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が印加されるようになっている。配線５と下部磁気シールド４０との間には電圧計７０が接続され、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０との間の電圧が検出されるようになっている。

【0081】

磁気センサ１００について、検出する外部磁界として、磁性媒体Ｍから生じる磁界を検出する例で説明する。図７に示すように、磁気センサ１００では、磁気抵抗効果素子１の先端部（第１強磁性層１２Ａの一端）が、磁気センサ１００の磁性媒体Ｍとの対向面に配置されている。磁気センサ１００において、第１強磁性層１２Ａは、磁性媒体Ｍから生じる磁界に応じてその磁化方向が変化する層（磁化自由層）として機能する。第１強磁性層１２Ａとしては、特に軟磁性材料が適用される。なお、磁気センサ１００の磁性媒体Ｍとの対向面には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の保護膜が形成されていることが好ましいが、図７および図８においては、保護膜は省略している。

【0082】

図７に示すように、磁気センサ１００において、第２強磁性層１２Ｂは、磁性媒体Ｍから離れた位置に配置されている。このため、第２強磁性層１２Ｂは、磁性媒体Ｍから生じる磁界の影響を受けにくくなっているため、その磁化方向が一方向に固定された層（磁化固定層）として機能する。第２強磁性層１２Ｂの磁化の固定をより強固にする（第２強磁性層１２Ｂの保磁力を大きくする）ために、第２強磁性層１２Ｂに形状異方性を付与してもよい。または、第２強磁性層１２Ｂ上に反強磁性層を積層することにより、第２強磁性層１２Ｂと反強磁性層との間に働く交換結合を利用してもよい。または、第２強磁性層１２Ｂをシンセティックピンド構造にすることにより、第２強磁性層１２Ｂの内部に働く交換結合を利用してもよい。

【0083】

チャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が印加され、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０の間の電圧を測定することにより、磁性媒体Ｍから生じる磁界を検出することが可能となる。磁性媒体Ｍから生じる磁界の変化に応じて、第１強磁性層１２Ａの磁化方向と第２強磁性層１２Ｂの磁化方向の相対角が変化して、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０との間の電圧が変化する。

【0084】

磁気センサ１００は、高いＳＮ比を得ることができる磁気抵抗効果素子１を有するので、精度よく外部磁場を検出することができる。

【0085】

第４実施形態の磁気センサ１００は、磁気抵抗効果素子１を有する例であるが、磁気抵抗効果素子１にかえて、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子２、磁気抵抗効果素子２ａ、磁気抵抗効果素子３または磁気抵抗効果素子３ａを用いてもよい。

【符号の説明】

【0086】

１、１ａ、２、２ａ、３、３ａ…磁気抵抗効果素子
７…チャネル層
１２Ａ…第１強磁性層
１２Ｂ…第２強磁性層
１４Ａ、１４Ｂ…障壁層
２０…参照電極
Ａ１…第１領域
Ａ２…第２領域
Ａ３…第３領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】