DE10105894A1 - Magnetisch sensitive Schichtanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine magnetisch sensitive Schichtanordnung (10, 20) mit verbesserter Temperatur- und Langzeitstabilität zum Einsatz in einem GMR-Sensorelement vorgeschlagen, die mindestens zwei übereinander liegende magnetische Schichten (14, 16, 18) aufweist, zwischen denen sich eine nichtmagnetische, kupferhaltige Zwischenschicht (15) befindet, die mindestens ein Edelmetall enthält. Insbesondere besteht die Zwischenschicht aus CuAgAu.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetisch sensitive Schicht­ anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensor­ element, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Magnetsensoren finden breiten Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Drehzahlfühler am Rad, als Drehzahl- bzw. Phasengeber für die Motorsteuerung oder als Lenkwinkelsensor für Fahrdynamikregelsysteme. Dabei machen die steigenden An­ forderungen nach größeren Arbeitsabständen, d. h. entspre­ chend größeren Luftspalten, und größeren Messbereichen, d. h. größeren abzudeckenden Winkel- bzw. Magnetfeldbereichen, im­ mer robustere Sensoren erforderlich.

Die GMR-Technologie ("Giant Magneto Resistance") erlaubt es, Sensorelemente herzustellen, die diesen Anforderungen gerecht werden. So sind zum Einsatz in Kraftfahrzeugen sind insbesondere gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme und soge­ nannte Spin-Valve-Schichtsysteme mit einem GMR-Effekt rele­ vant.

Gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme, wie sie beispielsweise aus G. Binasch et al., Phys. Rev. B, 39 (1989), Seite 4828 ff., und M. N. Baibich et al., Phys. Rev. Letters, 61 (1988), Seite 2472 ff., bekannt sind, bestehen aus alternierenden, ultradünnen magnetischen und unmagnetischen Schich­ ten, beispielsweise alternierenden Kobalt-Schichten und Kup­ fer-Schichten, wobei durch die Wahl der Dicke der Kupfer- Schichten eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den benachbarten Kobalt-Schichten einstellbar ist. Auf diese Weise richten sich die Magnetisierungsrichtungen dieser ma­ gnetischen Kobalt-Schichten ohne ein äußeres Magnetfeld an­ tiparallel zueinander aus, so dass der elektrische Wider­ stand für einen in der Zwischenschicht geführten elektri­ schen Strom durch eine Spin-abhängige Elektronenstreuung ma­ ximal ist. Wird nun zusätzlich ein externes Magnetfeld ange­ legt, so richten sich die Magnetisierungen in den magneti­ schen Schichten weitgehend parallel zu diesem aus, wodurch der elektrische Widerstand in der Zwischenschicht deutlich sinkt. Insbesondere sind Effektgrößen von 20% bis 30% re­ lativer Widerstandsänderung bei Raumtemperatur erreichbar.

Bei den darüber hinaus bekannten Spin-Valve-Schichtsystemen wird eine magnetisch weiche Detektionsschicht durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härte­ ren Schicht getrennt. Die unmagnetische Schicht ist dabei so dick ausgebildet, dass keine magnetische Kopplung zwischen den beiden magnetischen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt. Weiter ist dort vorgesehen, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht durch eine sogenannte "Pinning-Schicht" ausgerichtet und festgehalten wird. Legt man nun ein äußeres Magnetfeld an und dreht dessen Richtung, so folgt die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht der Richtung dieses Magnet­ feldes, während die Richtung der Magnetisierung der magne­ tisch harten Schicht fest bleibt. Somit überträgt sich der Winkel des externen Magnetfeldes auf den Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen dieser beiden magnetischen Schich­ ten und es resultiert ein winkelabhängiger elektrischer Wi­ derstand in der dazwischen befindlichen nichtmagnetischen Zwischenschicht. Die "Pinning-Schicht" ist dabei üblicher­ weise als Antiferromagnet oder als Kombination aus einem An­ tiferromagneten und einem sogenannten künstlichen Antiferro­ magneten ausgebildet. Einzelheiten zu derartigen Spin-Valve- Schichtsystemen sind beispielsweise in DE 199 49 714.1 be­ schrieben.

Nachteilig bei bekannten Multilagen-Schichtsystemen und Spin-Valve-Schichtsystemen ist die Tatsache, dass deren Tem­ peraturstabilität bei Temperaturen um und über 200°C sowie ihre Langzeitstabilität, beispielsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, vielfach nicht ausreichend ist. Zudem lie­ gen übliche Halbleiter-Prozesstemperaturen, beispielsweise zur Erzeugung von Passivierungsschichten aus Siliziumdi­ oxid/Siliziumnitrid mit 300°C bis 350°C deutlich oberhalb der Temperaturen, denen bekannte Schichtsysteme ohne Degra­ dation aussetzbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstel­ lung von magnetisch sensitiven Schichtanordnungen, die ins­ besondere in GMR-Elementen einsetzbar sind, und die gegen­ über dem Stand der Technik eine verbesserte Temperaturbe­ ständigkeit und Langzeitstabilität aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße magnetisch sensitive Schichtanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch den Zusatz eines Edelmetalls zu der Zwischenschicht die In­ terdiffusion der Materialien der Zwischenschicht bzw. der benachbarten magnetischen Schichten vermindert wird, was bisher im Temperaturbereich zwischen 200°C und 250°C zu ei­ ner irreversiblen Schädigung der Schichtanordnung führte.

Dies gilt vor allem für Schichtanordnungen auf Basis einer Kobalt-Eisen-Legierung (CoFe) als magnetische Schicht mit einer Zwischenschicht aus Kupfer.

Insbesondere wird durch den Zusatz des Edelmetalls zu der Zwischenschicht erreicht, dass die genannte Degradation erst bei Temperaturen zwischen 270°C bis 280°C einsetzt, was für den Einsatz solcher Schichtanordnungen in GMR-Sensorelemen­ ten in Kraftfahrzeugen ausreichend ist. Daneben ist auch das Langzeitverhalten solcher Schichtanordnungen bezüglich der in Kraftfahrzeugen gestellten Anforderungen ausreichend.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den in den Un­ teransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht aus einer Mischung oder Legierung von Kupfer, Silber und Gold besteht, die bevorzugt die Zusammensetzung 85 Atom% Kupfer, 10 Atom% Silber und 5 Atom% Gold aufweist. Diese Zusammen­ setzung ist besonders günstig hinsichtlich Langzeitverhalten und Temperaturstabilität. Insbesondere wird durch das Zule­ gieren von Silber und Gold zu der Zwischenschicht aus Kupfer eine Korngrenzendiffusion durch die Kupferschicht gehemmt.

Weiter ist vorteilhaft, dass der Zusatz des Edelmetalls zu der Zwischenschicht sowohl bei üblichen Multilagen-Schicht­ systemen als auch bei Spin-Valve-Schichtsystemen einsetzbar ist.

Zudem lässt sich eine Zwischenschicht auf Basis von Kupfer, Gold und Silber zusammen mit einer Vielzahl von benachbarten magnetischen, insbesondere weichmagnetischen und/oder hart­ magnetischen Schichten einsetzen. Insbesondere lassen sich bekannte Schichten auf Basis von CoFe-Legierungen oder NiFe- Legierungen vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Zwischen­ schicht kombinieren.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch ein Multilagen-Schichtsystem für ein GMR- Sensorelement, Fig. 2 ein Spin-Valve-Schichtsystem für ein GMR-Sensorelement und Fig. 3 die erreichte Verbesserung der Temperaturstabilität eines erfindungsgemäßen Mulitlagen- Schichtsystems gegenüber dem Stand der Technik.

Ausführungsbeispiele

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung geht von einem prinzipiell bekannten Multilagen-Schichtsystem 10 aus, das unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes einen GMR- Effekt aufweist, und das daher zur Verwendung in einem GMR- Sensorelement geeignet ist.

Im Einzelnen weist das Multilagen-Schichtsystem 10 ein Sub­ strat 11 aus Siliziumdioxid auf, auf dem eine Bufferschicht 12 beispielsweise aus Eisen oder NiFe vorgesehen ist. Auf der Bufferschicht 12 befindet sich zunächst eine dünne weichmagnetische Schicht 18, die im erläuterten Beispiel aus einer Legierung von Eisen und Kobalt mit einem Anteil von 80 Atom% bis 95 Atom% Kobalt und 20 Atom% bis 5 Atom% Eisen, beispielsweise 90 Atom% Kobalt und 10 Atom% Eisen, besteht. Die Dicke der weichmagnetischen Schicht 18 liegt im Bereich einiger Nanometer. Auf der weichmagnetischen Schicht 18 be­ findet sich dann eine nichtmagnetische Zwischenschicht 15, die im erläuterten Beispiel neben Kupfer Silber und Gold enthält.

Konkret besteht die Zwischenschicht 15 aus einer Mischung oder Legierung von Kupfer, Silber und Gold mit 80 Atom% bis 90 Atom% Kupfer, 5 Atom% bis 15 Atom% Silber und 2 Atom% bis 8 Atom% Gold. Besonders bevorzugt besteht sie aus 85 Atom% Kupfer, 10 Atom% Silber und 5 Atom% Gold. Die Dicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht beträgt 1 nm bis 4 nm, insbesondere 2 nm bis 2,5 nm.

Auf der nichtmagnetischen Zwischenschicht 15 befindet sich dann erneut eine weichmagnetische Schicht 18. Weiter sind bevorzugt gemäß Fig. 1 eine Mehrzahl von derartigen Schich­ tabfolgen aus alternierenden Schichten 18, 15 vorgesehen.

Auf der Oberseite des Multilagen-Schichtsystems 10 ist dann abschließend eine übliche Deckschicht 17 zum Schutz der dar­ unter liegenden Schichten vorgesehen, die beispielsweise aus Tantal besteht.

Die Fig. 2 erläutert als zweites Ausführungsbeispiel eine magnetisch sensitive Schichtanordnung zur Verwendung in ei­ nem GMR-Sensorelement auf Basis eines Spin-Valve-Schichtsys­ tems 20. Dabei ist abweichend von Fig. 1 vorgesehen, dass sich auf der Bufferschicht 12 eine antiferromagnetische Schicht als Pinning-Schicht 13 befindet. Auf dieser ist dann eine Referenzschicht 14 aus einem magnetisch harten Material aufgebracht, wobei durch die Pinning-Schicht 13 in dem ma­ gnetisch harten Material der Referenzschicht 14 eine vorge­ gebene Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht 14 eingeprägt wird, die möglichst unabhängig von der Richtung eines äußeren Magnetfeldes ist.

Auf der Referenzschicht 14 befindet sich dann analog Fig. 1 eine Zwischenschicht 15, die hinsichtlich ihrer Zusammenset­ zung analog dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgebil­ det ist, auf der wiederum eine magnetisch weiche Schicht als Detektionsschicht 16 angeordnet ist, bei der sich die Rich­ tung der Magnetisierung entsprechend der Richtung eines äu­ ßeren Magnetfeldes ausrichtet. Auf der Detektionsschicht 16 befindet sich dann erneut eine Deckschicht 17 analog Fig. 1.

Im Einzelnen besteht die Bufferschicht 12 in Fig. 2 aus Fe oder NiFe, die Pinning-Schicht 13 aus IrMn, PtMn oder NiMn, die Referenzschicht 14 aus CoFe und die Detektionsschicht aus CoFe und NiFe.

Die Dicke der Pinning-Schicht 13 liegt beispielsweise bei 8 nm bis 25 nm, die Dicke der Referenzschicht 14 bei 3 nm bis 6 nm, die Dicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht 15 bei 2 nm bis 3 nm und die Dicke der Detektionsschicht 16 bei 3 nm bis 10 nm.

Die Fig. 3 erläutert den bei einem Multilagen-Schichtsystem 10 auftretenden GMR-Effekt, d. h. die relative Änderung des elektrischen Widerstandes in der nichtmagnetischen Zwischen­ schicht 15 als Funktion der Temperatur, der das Multilagen- Schichtsystem 10 über eine Auslagerungszeit ausgesetzt war.

Im Einzelnen ist in Fig. 3 zunächst dargestellt, wie sich im Fall einer Zwischenschicht 15 aus Kupfer, die sich zwi­ schen zwei weichmagnetischen Schichten 18 aus CoFe befindet, der GMR-Effekt, d. h. die relative Widerstandsänderung, als Funktion der Auslagerungstemperatur T ändert, wenn dieses Multilagen-Schichtsystem der jeweiligen Auslagerungstempera­ tur zuvor über eine Zeit von 15 Minuten ausgesetzt war. Ein solches Multilagen-Schichtsystem, das aus dem Stand der Technik ist und hier lediglich als Referenz gezeigt wird, degradiert bereits bei Auslagerungstemperaturen von ca. 250°C.

Weiter sind in Fig. 3 auch zwei entsprechende Messreihen für erfindungsgemäße Multilagen-Schichtsysteme 10 wiederge­ geben, wobei in beiden Fällen die nichtmagnetische Zwischen­ schicht 15 aus einer CuAgAu-Legierung mit einem jeweiligen Anteil von 85 : 15 : 5 Atom% besteht, und zwischen weichmagneti­ schen Schichten 18 aus CoFe angeordnet ist.

Obwohl in Fig. 3 diese beiden erfindungsgemäßen Multilagen- Schichtsysteme 10 der jeweiligen Auslagerungstemperatur T über eine Zeit von 30 Minuten bzw. 60 Minuten ausgesetzt wa­ ren, setzt bei diesen eine Degradation des GMR-Effektes erst bei Temperaturen zwischen 270°C bis 280°C ein.

Claims (6)

1. Magnetisch sensitive Schichtanordnung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement, mit mindestens zwei übereinander liegenden magnetischen Schichten (14, 16, 18) zwischen denen sich eine nichtmagnetische, kupferhaltige Zwischenschicht (15) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) mindestens ein Edelmetall enthält.

2. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) Silber und Gold enthält.

3. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) aus einer Mischung oder Legierung von Kupfer, Silber und Gold besteht und 80 Atom% bis 90 Atom% Kupfer, 5 Atom% bis 15 Atom% Silber und 2 Atom% bis 8 Atom% Gold, insbesondere 85 Atom% Kupfer, 10 Atom% Silber und 5 Atom% Gold, enthält.

4. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der magneti­ schen Schichten (14, 16, 18) Fe, Co oder Ni enthält.

5. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der magneti­ schen Schichten (14, 16, 18) aus einer Mischung oder Legie­ rung von Eisen und Kobalt, insbesondere mit einem Anteil von 80 Atom% bis 95 Atom% Kobalt und 20 Atom% bis 5 Atom% Eisen, besteht.

6. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) eine Dicke von 1 nm bis 4 nm, insbesondere 2 nm bis 2,5 nm bei einem Multilagen-Schichtsystem (10) oder 2 nm bis 3 nm bei Spin-Valve-Schichtsystem (20), aufweist.