交換結合された反強磁性／強磁性構造による垂直磁気バイアスを有する異常磁気抵抗センサ
【課題】小さい印加磁場においてセンサの磁気抵抗がより高く、印加磁場への応答がより直線的な、改良型磁場バイアスを備えたＥＭＲセンサを得る。
【解決手段】ＥＭＲセンサ１１０は、ＥＭＲ活性フィルム１３０の上部に交換結合された反強磁性／強磁性積層膜構造を有する。積層膜構造内の強磁性層１８０は垂直磁気異方性を有し、反強磁性層１９０により交換バイアスされている。積層膜構造は、ＥＭＲ活性フィルム１３０の面に対して垂直な磁場１８１を提供し、ＥＭＲセンサ１１０の磁場応答に対して磁気抵抗をバイアスする。強磁性層１８０は垂直磁気記録にとって有益な任意の強磁性材料から形成することができ、その異方性軸が著しく面外となるように作成される。反強磁性層１９０は、Ｍｎ合金あるいは絶縁性反強磁性材料で形成される。
【解決手段】ＥＭＲセンサ１１０は、ＥＭＲ活性フィルム１３０の上部に交換結合された反強磁性／強磁性積層膜構造を有する。積層膜構造内の強磁性層１８０は垂直磁気異方性を有し、反強磁性層１９０により交換バイアスされている。積層膜構造は、ＥＭＲ活性フィルム１３０の面に対して垂直な磁場１８１を提供し、ＥＭＲセンサ１１０の磁場応答に対して磁気抵抗をバイアスする。強磁性層１８０は垂直磁気記録にとって有益な任意の強磁性材料から形成することができ、その異方性軸が著しく面外となるように作成される。反強磁性層１９０は、Ｍｎ合金あるいは絶縁性反強磁性材料で形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に磁気抵抗センサに関し、より詳細には、異常磁気抵抗（ＥＭＲ：Extraordinary Magnetoresistance）に基づくこのようなセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ハードディスクドライブ用読取りヘッドセンサとして、異常磁気抵抗（ＥＭＲ）による磁気抵抗センサが提案されてきた。ＥＭＲセンサ内の活性領域は非磁性半導体から形成されるため、ＥＭＲセンサは、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）（いずれも活性領域に磁気フィルムを使用する）による読取りヘッドセンサに存在する磁気ノイズの問題に悩まされることはない。
【０００３】
ＥＭＲは、活性領域の片側に接触する一対の電圧リードおよび一対の電流リードと、活性領域のもう片側に接触する導電性シャントとを含む。印加磁場が存在しなければ、電流リードを通るセンス電流が半導体の活性領域の中を通り、シャントを通してシャントされる。印加磁場が存在すれば、電流はシャントから偏向され、主として半導体の活性領域中を通過する。印加磁場による電気抵抗の変化は電圧リードの両端で検出される。ＥＭＲは非特許文献１で説明されている。読取りヘッドを応用するためのＥＭＲセンサは非特許文献２で説明されている。
【０００４】
ＥＭＲセンサの問題の１つに、その磁気抵抗が印加磁場のほぼ二次関数であるということがある。このように、磁気抵抗応答は、記録の行われる磁気媒体からの小さな磁場が存在する場合、小さくかつ非線形である。電圧リードを非対称に配置することによって、ＥＭＲセンサのバイアスが提案されてきた。ＥＭＲセンサのバイアスは、特許文献１に記載されているように、センサに垂直磁場を印加する単一の強磁性層の使用によっても提案されてきた。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７１４３７４号明細書
【非特許文献１】T. Zhou et al著「Extraordinary magnetoresistance in externally shunted van der Pauw plates」, Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.5、2001年1月29日、p.667‐669
【非特許文献２】S. A. Solin et al著「Nonmagnetic semiconductors as read-head sensors for ultra-high-density magnetic recording」, Appl. Phys. Lett., Vol. 80, No. 21、2002年5月27日、p.4012‐4014
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
必要とされているのは、小さい印加磁場においてセンサの磁気抵抗がより高く、印加磁場への応答がより直線的な、改良型磁場バイアスを備えたＥＭＲセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は交換結合された反強磁性／強磁性積層膜構造を使用するＥＭＲセンサであり、この構造がセンサ用垂直磁気バイアスを提供する。積層膜構造内の強磁性層は垂直磁気異方性を有し、反強磁性層によって交換バイアスされている。反強磁性／強磁性の積層膜構造はＥＭＲ活性フィルムの上部にあり、活性フィルムの面に対して垂直な磁場を提供して、ＥＭＲセンサの磁気抵抗を磁場応答に対してバイアスする。
【０００８】
強磁性層は、その磁化を層の面に対して実質的に垂直に配向できるような方法で作成可能な、任意の強磁性材料あるいは多層膜から形成することができる。本来の磁気異方性が事実上面外である強磁性材料を選択することにより、実質的に面に対して垂直な磁化を実現することができる。反強磁性層は、公知のＭｎ合金、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、およびＲｈＭｎのうちのいずれか、あるいは絶縁反強磁性材料、例えば酸化コバルトおよび酸化ニッケル反強磁性材料に基づくもののうちのいずれかから形成される。強磁性層あるいは反強磁性層のいずれも、積層膜構造内で下層とすることができる。ＥＭＲ活性フィルムと、交換結合された反強磁性／強磁性の積層膜との間には、拡散隔壁を配置することができる。
【０００９】
本発明の性質および利点を完全に理解するために、添付の図と合わせて考慮される以下の詳細な説明を参照すべきである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小さい印加磁場においてセンサの磁気抵抗がより高く、印加磁場への応答がより直線的な、改良型磁場バイアスを備えたＥＭＲセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜従来技術＞
図１は従来技術によるＥＭＲセンサ１０の等角図である。ＥＭＲセンサ１０は、ＧａＡｓなどの半導体基板１２上に形成されたＩＩＩ‐Ｖヘテロ構造である構造２０を含む。しかし本発明で説明するＥＭＲセンサはＩＩＩ‐Ｖ半導体に限定されるものではなく、例えば、シリコンからなる基板上に形成することもできる。ヘテロ構造２０は、第一バンドギャップを有する半導体材料の第一層２２と、第一層２２の上に形成されて第一バンドギャップよりも小さい第二バンドギャップを有する半導体材料の第二層３０と、第二層３０の上部に形成されて第二バンドギャップよりも大きい第三バンドギャップを有する半導体材料の第三層２４とを含む。第一層２２および第三層２４の材料は、類似あるいは同一にすることもできる。種々のバンドギャップが種々の材料からできているため、第一、第二、第三の半導体材料層によってエネルギー的ポテンシャル井戸（量子井戸）を作ることができる。したがって、センサ１０内のＥＭＲ活性フィルムと見做される層３０の内部に担体を閉じ込めることができる。
【００１２】
第一層２２は通常、単数または複数の層とすることのできるバッファ層２６の上部に形成される。バッファ層２６は、基板中に存在する不純物が機能層２２、２４、３０へ移動するのを防ぐよう機能する数周期の超格子構造を含む。さらにバッファ層２６は、基板１２とヘテロ構造２０の機能層との通常は異なる格子定数を適応させ、基板と機能層との間の張力緩和層の機能を果たすように選択される。
【００１３】
第一層２２、または第三層２４、あるいは両層２２、２４にある半導体材料には単数または複数のドープ層が組み込まれており、このドープ層は第二および第三半導体材料の境界から離間している。ドープ層は量子井戸へ、電子（ｎ型ドープの場合）、あるいは正孔（ｐ型ドープの場合）を提供する。電子あるいは正孔は、それぞれ二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの形態で量子井戸に集められる。
【００１４】
先に言及した参考文献に記載されているように、層２２／３０／２４は、バッファ層２６を間にして半絶縁性基板ＧａＡｓ１２上へと成長したＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ／ＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂヘテロ構造であってもよい。ＩｎＳｂは細いバンドギャップ半導体である。バンドギャップ半導体が細ければ、有効電子質量が著しく減少するため、一般に電子移動度が高くなる。一般的な細いバンドギャップの材料はＩｎＳｂおよびＩｎＡｓである。例えば、ＩｎＳｂおよびＩｎＡｓの室温電子移動度は、それぞれ７０，０００ｃｍ２／Ｖｓおよび３５，０００ｃｍ２／Ｖｓである。
【００１５】
バッファ層２６上に形成されるＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ底層２２は約１〜３ミクロンの範囲の厚さを有し、Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ最上層２４は約１０〜１０００ｎｍの範囲、通常５０ｎｍの厚さを有する。層２２あるいは２４に組み込まれたドーピング層は、１モノレイヤー（デルタ‐ドープ層）〜最大１０ｎｍの厚さを有する。ドーピング層は、第一と第二半導体材料、あるいは第二と第三半導体材料のＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ境界から１０〜３００オングストロームの距離で離間している。電子は通常、正孔よりも移動度が高いので、Ｎ型ドーピングが好ましい。通常のＮ型ドーパントは、１〜１０１９／ｃｍ３の範囲の濃度のシリコンである。ヘテロ構造２０の蒸着方法は分子線エピタキシー法が好ましいが、別のエピタキシャル成長法を使用することもできる。
【００１６】
ヘテロ構造２０の上にはキャッピング層４０が形成されて、装置を腐食から保護する。キャッピング層は、アルミニウムやシリコンの酸化物または窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁材料、あるいは非腐食性の半絶縁性半導体から形成される。
【００１７】
２つの電流リード５０、５２、および２つの電圧リード６０、６２がＥＭＲ構造２０の片側にパターニングされ、これらが量子井戸と電気的に接触する。ＥＭＲ構造２０の電流リードおよび電圧リードの反対側には金属シャント７０がパターニングされ、これが量子井戸と電気的に接触する。印加磁場Ｈ、すなわち検知されるべき磁場を矢印で示す。これはＥＭＲ構造２０のフィルム面に対して垂直である。リードは通常、装置中に拡散させた金属接触部、例えば、Ａｕ、ＡｕＧｅ、あるいはＧｅを含む。リードは通常、キャッピング層４０形成後に形成されるが、キャッピング層材料の一部を除去した後に形成されることもある。
【００１８】
図２はＥＭＲセンサ１０の活性フィルム３０の一区域を通る上面概略図であり、センサの基本動作を示す。印加磁場Ｈが存在しない場合、リード５０、５２を通るセンス電流は半導体活性フィルム３０の中を通り、線８０に示すようにシャント７０を通ってシャントされる。図２の紙面に矢印後部が示すような印加磁場Ｈが存在する場合、電流がシャント７０から偏向され、線８２に示すように主として半導体活性フィルム３０中を通過する。印加磁場による電気抵抗の変化は電圧リード６０、６２の両端で検出される。
【００１９】
従来技術によるＥＭＲセンサ１０の問題の１つに、その磁気抵抗［（Ｒ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ］が印加磁場の関数としてほぼ二次関数になるというものがある。したがって、対象範囲の印加磁場、すなわち記録の行われる磁気媒体からの小さい磁場において、磁気抵抗応答は小さくかつ非線形である。このことは図３Ａにおいて、図１、図２と図３Ａの線図とに示すような、電流リードおよび電圧リードが対称的であるＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗により示される。
【００２０】
図３Ｂの線図に示すように、電圧リードの非対称配置によるＥＭＲセンサのバイアスが提案されてきた。図３Ｂは、電圧リードが非対称であるＥＭＲセンサの磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す。図３Ｂのセンサは、印加磁場ゼロにおいて、図３Ａのセンサよりも磁気抵抗が高く、応答がより線形的である。
【００２１】
特許文献１に記載されているように、ＥＭＲセンサのバイアスは、垂直磁場をセンサに印加する単一の強磁性層を使用することによっても提案されてきた。
【００２２】
＜本発明＞
本発明のＥＭＲセンサは、反強磁性層を有する層の面に対して垂直に交換バイアスされ、ＥＭＲフィルム構造の上部に配置された強磁性材料層を含む。この反強磁性／強磁性（ＡＦ／Ｆ）積層膜構造は、ＥＭＲセンサの磁気抵抗を磁場応答に対してバイアスする磁場をもたらす。米国特許第６６５０５１３号明細書には、ＡＦ／Ｆ構造において保磁力が強化されてヒステリシス・ループをシフトできる、面に対して垂直で強磁性層が面外の強磁性容易軸を有する交換‐バイアスが記載されている。垂直な交換‐バイアス効果の規模は、強磁性層が層の面内で交換バイアスされている、同様のＡＦ／Ｆ構造内に見受けられるものに匹敵する。
【００２３】
図４は本発明によるＥＭＲセンサの等角図である。ＥＭＲセンサ１１０は、第一半導体層１２２、第二半導体ＥＭＲ活性層１３０、および第三半導体層１２４と、半導体基板１１２上に形成されたバッファ層１２６とを含む量子井戸フィルム構造１２０を有するという点では従来技術のセンサ１０と同じである。２つの電流リード１５０、１５２、および２つの電圧リード１６０、１６２がＥＭＲ活性フィルム１３０と電気接触し、電流リードおよび電圧リードの反対側では金属シャント１７０がＥＭＲ活性フィルム１３０と電気接触する。印加磁場Ｈ、すなわち検知されるべき磁場を矢印で示す。これはＥＭＲ構造１２０のフィルム面に対して垂直である。センサ１１０の上部にはキャッピング層１４０がある。
【００２４】
ＥＭＲセンサ１１０は基板１１２上に強磁性層１８０も含む。図４の好ましい実施態様において、基板１１２と強磁性層１８０との間にＥＭＲ構造１２０が描かれる。強磁性層１８０は垂直磁気異方性を有し、ＥＭＲ活性フィルム１３０の面に対して垂直に配向された面外の磁気モーメント１８１を有する。強磁性層１８０からのモーメント１８１はバイアス磁場であり、これに対してＥＭＲ活性フィルム１３０が晒されている。これにより、印加磁場ゼロにおいてセンサ１１０がより高い磁気抵抗と、より線形的な応答を有するように、磁気抵抗が磁場応答曲線に対してシフトされる。バイアス磁場をもたらす強磁性層１８０は反強磁性層１９０により交換バイアスされる。
【００２５】
面に対して垂直に帯磁する強磁性層から生成された磁場Ｈに、均一に帯磁する厚さｔ、長さＬの平方ブロックの磁場を接近させることができる。原点を平方ブロックの上面とすれば、層に対して垂直なＹ軸に沿う磁場Ｈは次式により得られ、
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここでｑ２およびｑ１は、
【００２８】
【数２】
【００２９】
であり、ｙはＹ軸に沿う距離である。一例として、面に対して垂直に帯磁するＣｏ層が、磁化ＭＳ約１４００ｅｍｕ／ｃｍ３、長さＬ＝１００ｎｍ、厚さｔ＝１０ｎｍの場合、ｙ＝１０ｎｍにおいて、磁場Ｈは約１４００Ｏｅである。
【００３０】
強磁性バイアス層１８０の材料は、垂直磁気記録に有益な強磁性材料のうちの任意のものであってよく、化学的規則性のあるＬ１０相のＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、あるいは（ＦｅＣｏ）Ｐｔ合金や、ＣｏＣｒＰｔ合金、およびＣｏ／Ｐｄ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜を含む。この強磁性層は、その異方性軸が著しく面外となるように作成されるので、「垂直」磁気異方性を有すると見做される。これらの合金および多層膜は付加的元素でドープされていてもよい。例えば、垂直記録用にＣｏＣｒＰｔＸ合金が提案される（Ｘ＝Ｂ、Ｎｂ、Ｔａは一般的なドーパント）。同様に、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜およびＣｏ／Ｐｔ多層膜におけるＣｏ層はしばしば元素Ｙを含み、ＣｏはＣｏ‐Ｙ合金である（Ｙ＝Ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ）。別の好適な強磁性材料として、フェライト、例えばＣｏ‐フェライトあるいはＮｉ‐フェライトがある。これらのフェライトは絶縁性であり、したがって絶縁層を使用してＥＭＲヘテロ構造を強磁性バイアス層１８０から離間する必要がないという利点を有する。
【００３１】
反強磁性層１９０は十分に厚いＭｎ合金層（ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、あるいはＲｈＭｎ）とすることができる。ＰｔＭｎ層であれば、アニーリングの際、化学的規則性があり、かつ反強磁性となるように約１００オングストロームより厚くする必要があり、ＩｒＭｎ層であれば、約４０オングストロームよりも厚い場合、蒸着すると反強磁性となる。これらの反強磁性Ｍｎ合金は、通常、腐食抵抗を向上、あるいは電気抵抗を増加するために付加される付加的元素、例えばＣｒ、Ｖ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉを少量含んでもよい。これらの反強磁性材料は金属であるため、電気的絶縁材料である反強磁性層１９０を形成するのが望ましいことがあり、これには例えば酸化コバルト、酸化ニッケル、およびコバルトとニッケルとの合金の酸化物から形成される公知の反強磁性材料などがある。
【００３２】
強磁性層１８０はＨＣ０の本来の保磁力を有する。反強磁性層１９０に交換結合される場合、その保磁力はＨＣ＞ＨＣ０へと強化されることになり、そのＭ‐Ｈループは交換磁場ＨＥによりシフトされることになる。交換磁場ＨＥは、強磁性層１８０と反強磁性層１９０との間の磁気結合力ＪＡ、強磁性層１８０の厚さｔＦと磁化ＭＦにより、次式で確定する。
【００３３】
ＨＥ＝ＪＡ／ＭＦｔＦ
したがって、ＥＭＲセンサ１１０が磁気記録読取りヘッドでの使用を意図されている場合、値（ＨＥ＋ＨＣ）は、磁気媒体上の磁気遷移からの磁場、すなわち、通常＋／−２００〜＋／−５００Ｏｅの範囲の検知磁場よりも大きく、しかし磁気媒体のビットを反転するのに必要な磁場よりも低くなければならない。値（ＨＥ＋ＨＣ）が磁気遷移からの磁場よりも大きければ、印加磁場に晒されても、強磁性層１８０のモーメント１８１が切り換わらないことが保証される。したがって、交換‐バイアス磁場ＨＥを比較的大きくすることができることにより、強磁性層１８０の本来の保磁力ＨＣ０は比較的低くすることができる。このことにより、強磁性層１８０の材料および厚さの選択肢を広げることができる。例えば、［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜を強磁性層１８０として使用し、１５ｎｍ厚のＰｔＭｎ層を反強磁性層１９０として使用する結果、ＨＥが約２００Ｏｅ、ＨＣが約４５０Ｏｅとなる。［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜は本来の保磁力ＨＣ０が約１００Ｏｅ程度と比較的低く、これは検知磁場よりもさらに少ない。
【００３４】
上記事例における［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜は、面に対して垂直な本来の磁気異方性を呈するＣｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜の群のうちの１つである。これらの多層膜は、室温あるいは低温で蒸着する際でも、保磁力および有効磁化を広い範囲内で作成できるので本発明において特別有益である。これらの多層膜の可同調性が高いことは、Ｆｅ層あるいはＣｏ層の強磁性結合がＰｔあるいはＰｄよりも高いうえ、ＣｏおよびＦｅのモーメントが大きく、ＰｔあるいはＰｄの誘発的モーメントがはるかに小さいことに起因する。さらに、これらの多層膜は、直角度の高いＭ‐Ｈループを有する。すなわち、飽和磁気モーメントへの残留率が１に近い。
【００３５】
ＥＭＲセンサ１１０は、任意でＥＭＲ構造１２０と強磁性層１８０との間に拡散隔壁１８２を含むこともできる。拡散隔壁１８２にとって好ましい材料には、アルミニウムおよびシリコンの酸化物および窒化物、例えばＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ０２、Ｓｉ３Ｎ４を含む。
【００３６】
図４では、反強磁性／強磁性積層膜１８０／１９０を、反強磁性層１９０を強磁性層１８０の上にして示す。一方で、反強磁性層１９０は強磁性層１８０の下に配置することもできる。このような配置において、反強磁性層１９０が電気的に絶縁性であれば、拡散隔壁１８２は必ずしも必要でない。
【００３７】
ＥＭＲセンサ１１０は次のようにして作製される。半絶縁性基板上に、先に述べたようなヘテロ構造を成長させる。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいはイオンミリングにより、作製すべきＥＭＲセンサの形状を画定するメサをエッチングする。そして、例えばシャドーマスクを使用してリード１５０、１５２、１６０、１６２、およびシャント１７０を蒸着する。次に、拡散隔壁１８２として、メサ、リード、シャントの上にアルミナなどの絶縁材料を蒸着する。そして例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）により、構造を平坦化する。スパッタリング、イオンビーム堆積、蒸着、分子気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいはこれらの技術の組み合わせにより、平坦化した表面の上部に強磁性層１８０および反強磁性層１９０を成膜する。
【００３８】
そして、ＥＭＲメサ構造の真上と、特にＥＭＲ活性領域の上とにこれらの層の一部のみが残るように、ＲＩＥあるいはイオンミリングにより強磁性層１８０および反強磁性層１９０を部分的に除去する。ＰｔＭｎあるいはＮｉＭｎのような化学的規則性のある反強磁性体が層１９０に使用される場合、層の面に対して垂直に配向された磁場が存在すると構造はアニーリングされる。合金は化学的に配列して常磁性‐反強磁性の相転移を受ける。反強磁性体を、ブロッキング温度以下、すなわち強磁性層１８０と反強磁性層１９０との間で交換結合が生ずる温度以下に冷却すると、強磁性層１８０の磁化方向１８１が設定され、反強磁性層１９０により固定される。選択的に、強磁性層１８０および反強磁性層１９０を高温で蒸着して、反強磁性層１９０の化学的規則が蒸着中にはすでに含まれているようにすることができる。そして、層の面に対して垂直に配向された磁場内で、蒸着温度からブロッキング温度へと構造を冷却する。
【００３９】
ＩｒＭｎあるいはＦｅＭｎのように化学的に不規則な反強磁性体を層１９０に使用すれば、アニーリングは不要となる。層の面に対して垂直に配向された磁場が存在する場合には、強磁性層１８０および反強磁性層１９０を蒸着するだけで十分である。一方で、層の面に対して垂直に配向された磁場が存在する場合、蒸着後にアニーリングすると、バイアス磁場ＨＥが増加し得るので好ましいことがある。
【００４０】
本発明を、好ましい実施態様を参照して具体的に示し記述したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更できるということが当業者には理解されよう。したがって、開示された本発明は、単に説明するためのものであり、添付の特許請求の範囲で規定される範囲においてのみ限定されるものと見做されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術によるＥＭＲセンサの等角図である。
【図２】図１の従来技術によるＥＭＲセンサの、ＥＭＲ活性フィルムの一区域を通る上面概略図であり、センサの基本動作を示す。
【図３Ａ】電流リードおよび電圧リードが対称的である従来技術のＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す図である。
【図３Ｂ】電圧リードが非対称的である従来技術のＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す図である。
【図４】本発明によるＥＭＲセンサの等角図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１０…ＥＭＲセンサ、
１１２…基板、
１２０…ＥＭＲ構造、
１２２…第一半導体層、
１２４…第三半導体層、
１２６…バッファ層、
１３０…第二半導体ＥＭＲ活性層、
１４０…キャッピング層、
１５０，１５２…電流リード、
１６０，１６２…電圧リード、
１７０…金属シャント、
１８０…強磁性層、
１８１…磁気モーメント、
１８２…拡散隔壁、
１９０…反強磁性層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に磁気抵抗センサに関し、より詳細には、異常磁気抵抗（ＥＭＲ：Extraordinary Magnetoresistance）に基づくこのようなセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ハードディスクドライブ用読取りヘッドセンサとして、異常磁気抵抗（ＥＭＲ）による磁気抵抗センサが提案されてきた。ＥＭＲセンサ内の活性領域は非磁性半導体から形成されるため、ＥＭＲセンサは、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）（いずれも活性領域に磁気フィルムを使用する）による読取りヘッドセンサに存在する磁気ノイズの問題に悩まされることはない。
【０００３】
ＥＭＲは、活性領域の片側に接触する一対の電圧リードおよび一対の電流リードと、活性領域のもう片側に接触する導電性シャントとを含む。印加磁場が存在しなければ、電流リードを通るセンス電流が半導体の活性領域の中を通り、シャントを通してシャントされる。印加磁場が存在すれば、電流はシャントから偏向され、主として半導体の活性領域中を通過する。印加磁場による電気抵抗の変化は電圧リードの両端で検出される。ＥＭＲは非特許文献１で説明されている。読取りヘッドを応用するためのＥＭＲセンサは非特許文献２で説明されている。
【０００４】
ＥＭＲセンサの問題の１つに、その磁気抵抗が印加磁場のほぼ二次関数であるということがある。このように、磁気抵抗応答は、記録の行われる磁気媒体からの小さな磁場が存在する場合、小さくかつ非線形である。電圧リードを非対称に配置することによって、ＥＭＲセンサのバイアスが提案されてきた。ＥＭＲセンサのバイアスは、特許文献１に記載されているように、センサに垂直磁場を印加する単一の強磁性層の使用によっても提案されてきた。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７１４３７４号明細書
【非特許文献１】T. Zhou et al著「Extraordinary magnetoresistance in externally shunted van der Pauw plates」, Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.5、2001年1月29日、p.667‐669
【非特許文献２】S. A. Solin et al著「Nonmagnetic semiconductors as read-head sensors for ultra-high-density magnetic recording」, Appl. Phys. Lett., Vol. 80, No. 21、2002年5月27日、p.4012‐4014
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
必要とされているのは、小さい印加磁場においてセンサの磁気抵抗がより高く、印加磁場への応答がより直線的な、改良型磁場バイアスを備えたＥＭＲセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は交換結合された反強磁性／強磁性積層膜構造を使用するＥＭＲセンサであり、この構造がセンサ用垂直磁気バイアスを提供する。積層膜構造内の強磁性層は垂直磁気異方性を有し、反強磁性層によって交換バイアスされている。反強磁性／強磁性の積層膜構造はＥＭＲ活性フィルムの上部にあり、活性フィルムの面に対して垂直な磁場を提供して、ＥＭＲセンサの磁気抵抗を磁場応答に対してバイアスする。
【０００８】
強磁性層は、その磁化を層の面に対して実質的に垂直に配向できるような方法で作成可能な、任意の強磁性材料あるいは多層膜から形成することができる。本来の磁気異方性が事実上面外である強磁性材料を選択することにより、実質的に面に対して垂直な磁化を実現することができる。反強磁性層は、公知のＭｎ合金、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、およびＲｈＭｎのうちのいずれか、あるいは絶縁反強磁性材料、例えば酸化コバルトおよび酸化ニッケル反強磁性材料に基づくもののうちのいずれかから形成される。強磁性層あるいは反強磁性層のいずれも、積層膜構造内で下層とすることができる。ＥＭＲ活性フィルムと、交換結合された反強磁性／強磁性の積層膜との間には、拡散隔壁を配置することができる。
【０００９】
本発明の性質および利点を完全に理解するために、添付の図と合わせて考慮される以下の詳細な説明を参照すべきである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小さい印加磁場においてセンサの磁気抵抗がより高く、印加磁場への応答がより直線的な、改良型磁場バイアスを備えたＥＭＲセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜従来技術＞
図１は従来技術によるＥＭＲセンサ１０の等角図である。ＥＭＲセンサ１０は、ＧａＡｓなどの半導体基板１２上に形成されたＩＩＩ‐Ｖヘテロ構造である構造２０を含む。しかし本発明で説明するＥＭＲセンサはＩＩＩ‐Ｖ半導体に限定されるものではなく、例えば、シリコンからなる基板上に形成することもできる。ヘテロ構造２０は、第一バンドギャップを有する半導体材料の第一層２２と、第一層２２の上に形成されて第一バンドギャップよりも小さい第二バンドギャップを有する半導体材料の第二層３０と、第二層３０の上部に形成されて第二バンドギャップよりも大きい第三バンドギャップを有する半導体材料の第三層２４とを含む。第一層２２および第三層２４の材料は、類似あるいは同一にすることもできる。種々のバンドギャップが種々の材料からできているため、第一、第二、第三の半導体材料層によってエネルギー的ポテンシャル井戸（量子井戸）を作ることができる。したがって、センサ１０内のＥＭＲ活性フィルムと見做される層３０の内部に担体を閉じ込めることができる。
【００１２】
第一層２２は通常、単数または複数の層とすることのできるバッファ層２６の上部に形成される。バッファ層２６は、基板中に存在する不純物が機能層２２、２４、３０へ移動するのを防ぐよう機能する数周期の超格子構造を含む。さらにバッファ層２６は、基板１２とヘテロ構造２０の機能層との通常は異なる格子定数を適応させ、基板と機能層との間の張力緩和層の機能を果たすように選択される。
【００１３】
第一層２２、または第三層２４、あるいは両層２２、２４にある半導体材料には単数または複数のドープ層が組み込まれており、このドープ層は第二および第三半導体材料の境界から離間している。ドープ層は量子井戸へ、電子（ｎ型ドープの場合）、あるいは正孔（ｐ型ドープの場合）を提供する。電子あるいは正孔は、それぞれ二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの形態で量子井戸に集められる。
【００１４】
先に言及した参考文献に記載されているように、層２２／３０／２４は、バッファ層２６を間にして半絶縁性基板ＧａＡｓ１２上へと成長したＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ／ＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂヘテロ構造であってもよい。ＩｎＳｂは細いバンドギャップ半導体である。バンドギャップ半導体が細ければ、有効電子質量が著しく減少するため、一般に電子移動度が高くなる。一般的な細いバンドギャップの材料はＩｎＳｂおよびＩｎＡｓである。例えば、ＩｎＳｂおよびＩｎＡｓの室温電子移動度は、それぞれ７０，０００ｃｍ２／Ｖｓおよび３５，０００ｃｍ２／Ｖｓである。
【００１５】
バッファ層２６上に形成されるＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ底層２２は約１〜３ミクロンの範囲の厚さを有し、Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ最上層２４は約１０〜１０００ｎｍの範囲、通常５０ｎｍの厚さを有する。層２２あるいは２４に組み込まれたドーピング層は、１モノレイヤー（デルタ‐ドープ層）〜最大１０ｎｍの厚さを有する。ドーピング層は、第一と第二半導体材料、あるいは第二と第三半導体材料のＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ境界から１０〜３００オングストロームの距離で離間している。電子は通常、正孔よりも移動度が高いので、Ｎ型ドーピングが好ましい。通常のＮ型ドーパントは、１〜１０１９／ｃｍ３の範囲の濃度のシリコンである。ヘテロ構造２０の蒸着方法は分子線エピタキシー法が好ましいが、別のエピタキシャル成長法を使用することもできる。
【００１６】
ヘテロ構造２０の上にはキャッピング層４０が形成されて、装置を腐食から保護する。キャッピング層は、アルミニウムやシリコンの酸化物または窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁材料、あるいは非腐食性の半絶縁性半導体から形成される。
【００１７】
２つの電流リード５０、５２、および２つの電圧リード６０、６２がＥＭＲ構造２０の片側にパターニングされ、これらが量子井戸と電気的に接触する。ＥＭＲ構造２０の電流リードおよび電圧リードの反対側には金属シャント７０がパターニングされ、これが量子井戸と電気的に接触する。印加磁場Ｈ、すなわち検知されるべき磁場を矢印で示す。これはＥＭＲ構造２０のフィルム面に対して垂直である。リードは通常、装置中に拡散させた金属接触部、例えば、Ａｕ、ＡｕＧｅ、あるいはＧｅを含む。リードは通常、キャッピング層４０形成後に形成されるが、キャッピング層材料の一部を除去した後に形成されることもある。
【００１８】
図２はＥＭＲセンサ１０の活性フィルム３０の一区域を通る上面概略図であり、センサの基本動作を示す。印加磁場Ｈが存在しない場合、リード５０、５２を通るセンス電流は半導体活性フィルム３０の中を通り、線８０に示すようにシャント７０を通ってシャントされる。図２の紙面に矢印後部が示すような印加磁場Ｈが存在する場合、電流がシャント７０から偏向され、線８２に示すように主として半導体活性フィルム３０中を通過する。印加磁場による電気抵抗の変化は電圧リード６０、６２の両端で検出される。
【００１９】
従来技術によるＥＭＲセンサ１０の問題の１つに、その磁気抵抗［（Ｒ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ］が印加磁場の関数としてほぼ二次関数になるというものがある。したがって、対象範囲の印加磁場、すなわち記録の行われる磁気媒体からの小さい磁場において、磁気抵抗応答は小さくかつ非線形である。このことは図３Ａにおいて、図１、図２と図３Ａの線図とに示すような、電流リードおよび電圧リードが対称的であるＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗により示される。
【００２０】
図３Ｂの線図に示すように、電圧リードの非対称配置によるＥＭＲセンサのバイアスが提案されてきた。図３Ｂは、電圧リードが非対称であるＥＭＲセンサの磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す。図３Ｂのセンサは、印加磁場ゼロにおいて、図３Ａのセンサよりも磁気抵抗が高く、応答がより線形的である。
【００２１】
特許文献１に記載されているように、ＥＭＲセンサのバイアスは、垂直磁場をセンサに印加する単一の強磁性層を使用することによっても提案されてきた。
【００２２】
＜本発明＞
本発明のＥＭＲセンサは、反強磁性層を有する層の面に対して垂直に交換バイアスされ、ＥＭＲフィルム構造の上部に配置された強磁性材料層を含む。この反強磁性／強磁性（ＡＦ／Ｆ）積層膜構造は、ＥＭＲセンサの磁気抵抗を磁場応答に対してバイアスする磁場をもたらす。米国特許第６６５０５１３号明細書には、ＡＦ／Ｆ構造において保磁力が強化されてヒステリシス・ループをシフトできる、面に対して垂直で強磁性層が面外の強磁性容易軸を有する交換‐バイアスが記載されている。垂直な交換‐バイアス効果の規模は、強磁性層が層の面内で交換バイアスされている、同様のＡＦ／Ｆ構造内に見受けられるものに匹敵する。
【００２３】
図４は本発明によるＥＭＲセンサの等角図である。ＥＭＲセンサ１１０は、第一半導体層１２２、第二半導体ＥＭＲ活性層１３０、および第三半導体層１２４と、半導体基板１１２上に形成されたバッファ層１２６とを含む量子井戸フィルム構造１２０を有するという点では従来技術のセンサ１０と同じである。２つの電流リード１５０、１５２、および２つの電圧リード１６０、１６２がＥＭＲ活性フィルム１３０と電気接触し、電流リードおよび電圧リードの反対側では金属シャント１７０がＥＭＲ活性フィルム１３０と電気接触する。印加磁場Ｈ、すなわち検知されるべき磁場を矢印で示す。これはＥＭＲ構造１２０のフィルム面に対して垂直である。センサ１１０の上部にはキャッピング層１４０がある。
【００２４】
ＥＭＲセンサ１１０は基板１１２上に強磁性層１８０も含む。図４の好ましい実施態様において、基板１１２と強磁性層１８０との間にＥＭＲ構造１２０が描かれる。強磁性層１８０は垂直磁気異方性を有し、ＥＭＲ活性フィルム１３０の面に対して垂直に配向された面外の磁気モーメント１８１を有する。強磁性層１８０からのモーメント１８１はバイアス磁場であり、これに対してＥＭＲ活性フィルム１３０が晒されている。これにより、印加磁場ゼロにおいてセンサ１１０がより高い磁気抵抗と、より線形的な応答を有するように、磁気抵抗が磁場応答曲線に対してシフトされる。バイアス磁場をもたらす強磁性層１８０は反強磁性層１９０により交換バイアスされる。
【００２５】
面に対して垂直に帯磁する強磁性層から生成された磁場Ｈに、均一に帯磁する厚さｔ、長さＬの平方ブロックの磁場を接近させることができる。原点を平方ブロックの上面とすれば、層に対して垂直なＹ軸に沿う磁場Ｈは次式により得られ、
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここでｑ２およびｑ１は、
【００２８】
【数２】
【００２９】
であり、ｙはＹ軸に沿う距離である。一例として、面に対して垂直に帯磁するＣｏ層が、磁化ＭＳ約１４００ｅｍｕ／ｃｍ３、長さＬ＝１００ｎｍ、厚さｔ＝１０ｎｍの場合、ｙ＝１０ｎｍにおいて、磁場Ｈは約１４００Ｏｅである。
【００３０】
強磁性バイアス層１８０の材料は、垂直磁気記録に有益な強磁性材料のうちの任意のものであってよく、化学的規則性のあるＬ１０相のＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、あるいは（ＦｅＣｏ）Ｐｔ合金や、ＣｏＣｒＰｔ合金、およびＣｏ／Ｐｄ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜を含む。この強磁性層は、その異方性軸が著しく面外となるように作成されるので、「垂直」磁気異方性を有すると見做される。これらの合金および多層膜は付加的元素でドープされていてもよい。例えば、垂直記録用にＣｏＣｒＰｔＸ合金が提案される（Ｘ＝Ｂ、Ｎｂ、Ｔａは一般的なドーパント）。同様に、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜およびＣｏ／Ｐｔ多層膜におけるＣｏ層はしばしば元素Ｙを含み、ＣｏはＣｏ‐Ｙ合金である（Ｙ＝Ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ）。別の好適な強磁性材料として、フェライト、例えばＣｏ‐フェライトあるいはＮｉ‐フェライトがある。これらのフェライトは絶縁性であり、したがって絶縁層を使用してＥＭＲヘテロ構造を強磁性バイアス層１８０から離間する必要がないという利点を有する。
【００３１】
反強磁性層１９０は十分に厚いＭｎ合金層（ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、あるいはＲｈＭｎ）とすることができる。ＰｔＭｎ層であれば、アニーリングの際、化学的規則性があり、かつ反強磁性となるように約１００オングストロームより厚くする必要があり、ＩｒＭｎ層であれば、約４０オングストロームよりも厚い場合、蒸着すると反強磁性となる。これらの反強磁性Ｍｎ合金は、通常、腐食抵抗を向上、あるいは電気抵抗を増加するために付加される付加的元素、例えばＣｒ、Ｖ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉを少量含んでもよい。これらの反強磁性材料は金属であるため、電気的絶縁材料である反強磁性層１９０を形成するのが望ましいことがあり、これには例えば酸化コバルト、酸化ニッケル、およびコバルトとニッケルとの合金の酸化物から形成される公知の反強磁性材料などがある。
【００３２】
強磁性層１８０はＨＣ０の本来の保磁力を有する。反強磁性層１９０に交換結合される場合、その保磁力はＨＣ＞ＨＣ０へと強化されることになり、そのＭ‐Ｈループは交換磁場ＨＥによりシフトされることになる。交換磁場ＨＥは、強磁性層１８０と反強磁性層１９０との間の磁気結合力ＪＡ、強磁性層１８０の厚さｔＦと磁化ＭＦにより、次式で確定する。
【００３３】
ＨＥ＝ＪＡ／ＭＦｔＦ
したがって、ＥＭＲセンサ１１０が磁気記録読取りヘッドでの使用を意図されている場合、値（ＨＥ＋ＨＣ）は、磁気媒体上の磁気遷移からの磁場、すなわち、通常＋／−２００〜＋／−５００Ｏｅの範囲の検知磁場よりも大きく、しかし磁気媒体のビットを反転するのに必要な磁場よりも低くなければならない。値（ＨＥ＋ＨＣ）が磁気遷移からの磁場よりも大きければ、印加磁場に晒されても、強磁性層１８０のモーメント１８１が切り換わらないことが保証される。したがって、交換‐バイアス磁場ＨＥを比較的大きくすることができることにより、強磁性層１８０の本来の保磁力ＨＣ０は比較的低くすることができる。このことにより、強磁性層１８０の材料および厚さの選択肢を広げることができる。例えば、［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜を強磁性層１８０として使用し、１５ｎｍ厚のＰｔＭｎ層を反強磁性層１９０として使用する結果、ＨＥが約２００Ｏｅ、ＨＣが約４５０Ｏｅとなる。［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜は本来の保磁力ＨＣ０が約１００Ｏｅ程度と比較的低く、これは検知磁場よりもさらに少ない。
【００３４】
上記事例における［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）］３多層膜は、面に対して垂直な本来の磁気異方性を呈するＣｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜の群のうちの１つである。これらの多層膜は、室温あるいは低温で蒸着する際でも、保磁力および有効磁化を広い範囲内で作成できるので本発明において特別有益である。これらの多層膜の可同調性が高いことは、Ｆｅ層あるいはＣｏ層の強磁性結合がＰｔあるいはＰｄよりも高いうえ、ＣｏおよびＦｅのモーメントが大きく、ＰｔあるいはＰｄの誘発的モーメントがはるかに小さいことに起因する。さらに、これらの多層膜は、直角度の高いＭ‐Ｈループを有する。すなわち、飽和磁気モーメントへの残留率が１に近い。
【００３５】
ＥＭＲセンサ１１０は、任意でＥＭＲ構造１２０と強磁性層１８０との間に拡散隔壁１８２を含むこともできる。拡散隔壁１８２にとって好ましい材料には、アルミニウムおよびシリコンの酸化物および窒化物、例えばＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ０２、Ｓｉ３Ｎ４を含む。
【００３６】
図４では、反強磁性／強磁性積層膜１８０／１９０を、反強磁性層１９０を強磁性層１８０の上にして示す。一方で、反強磁性層１９０は強磁性層１８０の下に配置することもできる。このような配置において、反強磁性層１９０が電気的に絶縁性であれば、拡散隔壁１８２は必ずしも必要でない。
【００３７】
ＥＭＲセンサ１１０は次のようにして作製される。半絶縁性基板上に、先に述べたようなヘテロ構造を成長させる。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいはイオンミリングにより、作製すべきＥＭＲセンサの形状を画定するメサをエッチングする。そして、例えばシャドーマスクを使用してリード１５０、１５２、１６０、１６２、およびシャント１７０を蒸着する。次に、拡散隔壁１８２として、メサ、リード、シャントの上にアルミナなどの絶縁材料を蒸着する。そして例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）により、構造を平坦化する。スパッタリング、イオンビーム堆積、蒸着、分子気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいはこれらの技術の組み合わせにより、平坦化した表面の上部に強磁性層１８０および反強磁性層１９０を成膜する。
【００３８】
そして、ＥＭＲメサ構造の真上と、特にＥＭＲ活性領域の上とにこれらの層の一部のみが残るように、ＲＩＥあるいはイオンミリングにより強磁性層１８０および反強磁性層１９０を部分的に除去する。ＰｔＭｎあるいはＮｉＭｎのような化学的規則性のある反強磁性体が層１９０に使用される場合、層の面に対して垂直に配向された磁場が存在すると構造はアニーリングされる。合金は化学的に配列して常磁性‐反強磁性の相転移を受ける。反強磁性体を、ブロッキング温度以下、すなわち強磁性層１８０と反強磁性層１９０との間で交換結合が生ずる温度以下に冷却すると、強磁性層１８０の磁化方向１８１が設定され、反強磁性層１９０により固定される。選択的に、強磁性層１８０および反強磁性層１９０を高温で蒸着して、反強磁性層１９０の化学的規則が蒸着中にはすでに含まれているようにすることができる。そして、層の面に対して垂直に配向された磁場内で、蒸着温度からブロッキング温度へと構造を冷却する。
【００３９】
ＩｒＭｎあるいはＦｅＭｎのように化学的に不規則な反強磁性体を層１９０に使用すれば、アニーリングは不要となる。層の面に対して垂直に配向された磁場が存在する場合には、強磁性層１８０および反強磁性層１９０を蒸着するだけで十分である。一方で、層の面に対して垂直に配向された磁場が存在する場合、蒸着後にアニーリングすると、バイアス磁場ＨＥが増加し得るので好ましいことがある。
【００４０】
本発明を、好ましい実施態様を参照して具体的に示し記述したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更できるということが当業者には理解されよう。したがって、開示された本発明は、単に説明するためのものであり、添付の特許請求の範囲で規定される範囲においてのみ限定されるものと見做されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術によるＥＭＲセンサの等角図である。
【図２】図１の従来技術によるＥＭＲセンサの、ＥＭＲ活性フィルムの一区域を通る上面概略図であり、センサの基本動作を示す。
【図３Ａ】電流リードおよび電圧リードが対称的である従来技術のＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す図である。
【図３Ｂ】電圧リードが非対称的である従来技術のＥＭＲセンサの、磁場応答に対する理論上の磁気抵抗を示す図である。
【図４】本発明によるＥＭＲセンサの等角図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１０…ＥＭＲセンサ、
１１２…基板、
１２０…ＥＭＲ構造、
１２２…第一半導体層、
１２４…第三半導体層、
１２６…バッファ層、
１３０…第二半導体ＥＭＲ活性層、
１４０…キャッピング層、
１５０，１５２…電流リード、
１６０，１６２…電圧リード、
１７０…金属シャント、
１８０…強磁性層、
１８１…磁気モーメント、
１８２…拡散隔壁、
１９０…反強磁性層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記基板上にある異常磁気抵抗（ＥＭＲ）活性フィルムであって、当該ＥＭＲ活性フィルムに対して概ね垂直な磁場に応答する非磁性半導体材料を含むＥＭＲ活性フィルムと、
前記活性フィルムに接触する導電性シャントと、
前記活性フィルムに接触する一対の電流リードと、
前記活性フィルムに接触する一対の電圧リードと、
前記基板上にある強磁性層であって、その磁気モーメントが当該強磁性層および前記活性フィルムの面に対して概ね垂直に配向されている強磁性層と、
前記強磁性層に接触する反強磁性層であって、前記強磁性層の磁気モーメントが当該反強磁性層によって垂直にバイアスされる反強磁性層と、
を有することを特徴とする異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサ。
【請求項２】
前記強磁性層の材料が、コバルト‐白金‐クロム合金、鉄‐白金合金、単数または複数のコバルト‐白金積層膜、単数または複数のコバルト‐パラジウム積層膜、単数または複数の鉄‐白金積層膜および単数または複数の鉄‐パラジウム積層膜からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記強磁性層の材料が、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜およびＦｅ／Ｐｄ多層膜の群から選択される多層膜であることを特徴とする請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記強磁性層の材料が、（ａ）Ｃｏ‐Ｙ合金およびＰｔの単数または複数の積層膜、および（ｂ）Ｃｏ‐Ｙ合金およびＰｄの単数または複数の積層膜からなる群から選択される（ここでＹはＢ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択される）ことを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記強磁性層の材料が、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔおよび（ＦｅＣｏ）Ｐｔからなる群から選択された材料の化学的規則性のあるL１０相であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
前記強磁性層の材料が電気的に絶縁性のフェライトであることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
前記強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
前記反強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記ＥＭＲ活性フィルムが前記基板と前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記反強磁性層が、酸化コバルト、酸化ニッケルおよびコバルトとニッケルの合金の酸化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】
前記反強磁性層が、Ｍｎと、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＩｒおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に拡散隔壁をさらに有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記拡散隔壁が、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸化物およびシリコン窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
半導体基板と、
前記基板上にある異常磁気抵抗（ＥＭＲ）活性フィルムであって、当該活性フィルムに対して概ね垂直な磁場に応答する非磁性半導体材料を含むＥＭＲ活性フィルムと、
前記活性フィルムに接触する導電性シャントと、
前記活性フィルムに接触する一対の電流リードと、
前記活性フィルムに接触する一対の電圧リードと、
前記活性フィルム上にあり、前記活性フィルムの面に対して実質的に垂直なバイアス磁場を提供する交換結合された反強磁性／強磁性積層膜であって、（ａ）コバルト‐白金‐クロム合金、鉄‐白金合金、単数または複数のコバルト‐白金積層膜および単数または複数のコバルト‐パラジウム積層膜からなる群から選択された材料で形成される強磁性層と、（ｂ）前記強磁性層と交換結合され、酸化コバルト、酸化ニッケル、コバルトとニッケルの合金の酸化物およびＭｎと、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｐｄからなる群から選択された１種の元素とを含む合金からなる群から選択された材料から形成される反強磁性層とを有する積層膜と、
を有することを特徴とする異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサ。
【請求項１５】
前記強磁性層の材料が、コバルトおよび白金からなる単数または複数の積層膜、あるいはコバルトおよびパラジウムからなる単数または複数の積層膜であり、かつ、前記積層膜中のコバルト層がＢ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択された１種の元素を含むことを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１６】
前記強磁性層の材料が、Ｂ、ＮｂおよびＴａからなる群から選択された１種の元素を含むコバルト‐白金‐クロム合金であることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１７】
前記反強磁性層が前記強磁性層に交換磁場ＨＥを提供し、前記強磁性層がＨＥにより強化されてＨＣ０よりも大きい保磁力ＨＣとなる本来の保磁力ＨＣ０を有し、ＨＥとＨＣとの和がセンサにより検知されるべき磁場よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１８】
前記強磁性層の本来の保磁力ＨＣ０が検知されるべき磁場よりも小さいことを特徴とする請求項１６記載のセンサ。
【請求項１９】
前記強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２０】
前記反強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２１】
前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性／強磁性積層膜との間に拡散隔壁をさらに有することを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２２】
前記拡散隔壁が、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸化物およびシリコン窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項２１記載のセンサ。
【請求項１】
半導体基板と、
前記基板上にある異常磁気抵抗（ＥＭＲ）活性フィルムであって、当該ＥＭＲ活性フィルムに対して概ね垂直な磁場に応答する非磁性半導体材料を含むＥＭＲ活性フィルムと、
前記活性フィルムに接触する導電性シャントと、
前記活性フィルムに接触する一対の電流リードと、
前記活性フィルムに接触する一対の電圧リードと、
前記基板上にある強磁性層であって、その磁気モーメントが当該強磁性層および前記活性フィルムの面に対して概ね垂直に配向されている強磁性層と、
前記強磁性層に接触する反強磁性層であって、前記強磁性層の磁気モーメントが当該反強磁性層によって垂直にバイアスされる反強磁性層と、
を有することを特徴とする異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサ。
【請求項２】
前記強磁性層の材料が、コバルト‐白金‐クロム合金、鉄‐白金合金、単数または複数のコバルト‐白金積層膜、単数または複数のコバルト‐パラジウム積層膜、単数または複数の鉄‐白金積層膜および単数または複数の鉄‐パラジウム積層膜からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記強磁性層の材料が、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜およびＦｅ／Ｐｄ多層膜の群から選択される多層膜であることを特徴とする請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記強磁性層の材料が、（ａ）Ｃｏ‐Ｙ合金およびＰｔの単数または複数の積層膜、および（ｂ）Ｃｏ‐Ｙ合金およびＰｄの単数または複数の積層膜からなる群から選択される（ここでＹはＢ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択される）ことを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記強磁性層の材料が、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔおよび（ＦｅＣｏ）Ｐｔからなる群から選択された材料の化学的規則性のあるL１０相であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
前記強磁性層の材料が電気的に絶縁性のフェライトであることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
前記強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
前記反強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記ＥＭＲ活性フィルムが前記基板と前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記反強磁性層が、酸化コバルト、酸化ニッケルおよびコバルトとニッケルの合金の酸化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】
前記反強磁性層が、Ｍｎと、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＩｒおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に拡散隔壁をさらに有することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記拡散隔壁が、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸化物およびシリコン窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
半導体基板と、
前記基板上にある異常磁気抵抗（ＥＭＲ）活性フィルムであって、当該活性フィルムに対して概ね垂直な磁場に応答する非磁性半導体材料を含むＥＭＲ活性フィルムと、
前記活性フィルムに接触する導電性シャントと、
前記活性フィルムに接触する一対の電流リードと、
前記活性フィルムに接触する一対の電圧リードと、
前記活性フィルム上にあり、前記活性フィルムの面に対して実質的に垂直なバイアス磁場を提供する交換結合された反強磁性／強磁性積層膜であって、（ａ）コバルト‐白金‐クロム合金、鉄‐白金合金、単数または複数のコバルト‐白金積層膜および単数または複数のコバルト‐パラジウム積層膜からなる群から選択された材料で形成される強磁性層と、（ｂ）前記強磁性層と交換結合され、酸化コバルト、酸化ニッケル、コバルトとニッケルの合金の酸化物およびＭｎと、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｐｄからなる群から選択された１種の元素とを含む合金からなる群から選択された材料から形成される反強磁性層とを有する積層膜と、
を有することを特徴とする異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサ。
【請求項１５】
前記強磁性層の材料が、コバルトおよび白金からなる単数または複数の積層膜、あるいはコバルトおよびパラジウムからなる単数または複数の積層膜であり、かつ、前記積層膜中のコバルト層がＢ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｏ、Ｃｕ、Ａｇ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択された１種の元素を含むことを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１６】
前記強磁性層の材料が、Ｂ、ＮｂおよびＴａからなる群から選択された１種の元素を含むコバルト‐白金‐クロム合金であることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１７】
前記反強磁性層が前記強磁性層に交換磁場ＨＥを提供し、前記強磁性層がＨＥにより強化されてＨＣ０よりも大きい保磁力ＨＣとなる本来の保磁力ＨＣ０を有し、ＨＥとＨＣとの和がセンサにより検知されるべき磁場よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項１８】
前記強磁性層の本来の保磁力ＨＣ０が検知されるべき磁場よりも小さいことを特徴とする請求項１６記載のセンサ。
【請求項１９】
前記強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２０】
前記反強磁性層が前記ＥＭＲ活性フィルムと前記強磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２１】
前記ＥＭＲ活性フィルムと前記反強磁性／強磁性積層膜との間に拡散隔壁をさらに有することを特徴とする請求項１４記載のセンサ。
【請求項２２】
前記拡散隔壁が、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸化物およびシリコン窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項２１記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１９７２８（Ｐ２００６−１９７２８Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８４５７４（Ｐ２００５−１８４５７４）
【出願日】平成１７年６月２４日（２００５．６．２４）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２４日（２００５．６．２４）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
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