DE10114197C1 - Tunnel magnetoresistive sensor element for external magnetic field measurement has soft magnetic measuring layer separated by tunnel barrier from hard magnetic reference layer or reference layer system - Google Patents

Tunnel magnetoresistive sensor element for external magnetic field measurement has soft magnetic measuring layer separated by tunnel barrier from hard magnetic reference layer or reference layer system

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Abstract

The sensor element (1) has a layer structure with a soft magnetic measuring layer (5), a tunnel barrier (4) and a hard magnetic reference layer (3) or reference layer system. The measuring layer and the reference layer or reference layer system are each divided via insulation barriers (6,7), projecting into the tunnel barrier, into several sections (3a,5a) connected in cascade, the stray field of the reference layer or reference layer system sections compensating the coupling field resulting from the orange-peel-effect for the measuring layer. An Independent claim for a sensor element device with tunnel magnetoresistive sensor elements connected in a Wheatstone bridge circuit is also included.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement vom TMR-Typ mit einem Schichtsystem, bestehend aus einer weichmagnetischen Messschicht, einer Tunnelbarriere und einer hartmagnetischen Referenzschicht oder einem Referenzschichtsystem. Ein ent­ sprechendes Sensorelement ist beispielsweise aus der US 5 764 567 bekannt.The invention relates to a sensor element of the TMR type a layer system consisting of a soft magnetic Measuring layer, a tunnel barrier and a hard magnetic Reference layer or a reference layer system. A ent speaking sensor element is for example from the US 5 764 567 known.

Solche TMR-Sensorelemente (TMR = tunnel magneto resistiv) dienen zur Messung eines externen, auf das Sensorelement ein­ wirkenden Magnetfelds. Die Messung der relevanten Magnetfeld­ parameter erfolgt anhand eines über das bestromte Sensorele­ ment abgreifbaren Tunnelstroms. Die Funktion derartiger TMR- Sensorelemente ist an und für sich bekannt, hierauf muss nicht näher eingegangen werden.Such TMR sensor elements (TMR = tunnel magneto resistive) are used to measure an external one on the sensor element acting magnetic field. Measuring the relevant magnetic field parameter takes place on the basis of an energized sensor element tapping tunnel current. The function of such TMR Sensor elements are known in and of themselves not be discussed in more detail.

Die Tunnelstromdichte unterliegt jedoch bei bekannten Sensor­ elementen mitunter starken Schwankungen, was auf Inhomogeni­ täten der Tunnelbarriere zurückzuführen ist. Ursache hierfür sind vor allem Schwankungen der Barrierendicke über die Flä­ che der Tunnelbarriere. Hieraus resultieren sogenannte Hotspots, das heißt Stellen mit unterschiedlicher, mithin sehr hoher Stromdichte, nämlich an Stellen, wo die Barrieren­ dicke relativ dünn verglichen zur durchschnittlichen Barrie­ rendicke ist. Der Einfluss der Hotspots bzw. die Schwankung der Zahl der Hotspots und demzufolge auch der Leitwert der Tunnelbarriere ist proportional zur Wurzel aus der Barrieren­ fläche (central limit theorem). Infolgedessen werden Elemente mit großer Fläche zur Verringerung des Einflusses der Hotspots bevorzugt.However, the tunnel current density is subject to known sensors elements sometimes strong fluctuations, which is due to Inhomogeni of the tunnel barrier. Cause of this are mainly fluctuations in the barrier thickness across the surface surface of the tunnel barrier. This results in so-called Hotspots, i.e. jobs with different, therefore very high current density, namely in places where the barriers thickness relatively thin compared to the average Barrie is thick. The influence of the hotspots or the fluctuation the number of hotspots and consequently the leading value of the Tunnel barrier is proportional to the root of the barrier area (central limit theorem). As a result, elements with large area to reduce the influence of Hotspots preferred.

Eine relativ große Barrierenfläche wird auch im Hinblick auf aus der Strukturtechnik resultierende Fehler wie z. B. Unter­ ätzen und dergleichen bevorzugt, da auch hier die relativen Schwankungen im Leitwert der Barriere umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Barrierenfläche abnehmen. Dies gilt auch im Hinblick auf etwaige Kurzschlusswege am Rand des Sensor­ elements. Auch hier klingt die Streuung mit wachsender Tun­ nelbarrierenfläche ab.A relatively large barrier area is also considered errors resulting from the structural engineering such as B. Sub etching and the like preferred, since here too the relative  Fluctuations in the conductance of the barrier are inversely proportional Remove to the root from the barrier area. this is also valid with regard to possible short circuit paths at the edge of the sensor elements. Here too, the dispersion sounds with increasing activity barrier surface.

Demgegenüber soll die Fläche der Tunnelbarriere wegen des er­ wünschten Impedanzniveaus bei kleinen Barrierendicken klein sein. Ein weiterer, eine kleine Barrierenfläche und damit ein kleines Sensorelement fordernder Effekt ist der sogenannte Orange-Peel-Effekt (auch "Orangenhauteffekt" genannt, vgl. die Druckschrift "Appl. Phys. Lett.", Vol. 77, No. 15, 9 oct. 2000, Seiten 2373 bis 2375). Dieser magnetostatische Kopplungseffekt resultiert aus der Rauigkeit (Welligkeit) des Schichtstapels. Diese Welligkeit führt in der unmittelbar an der Tunnelbarriere liegenden Referenzschicht zur lokalen Aus­ bildung positiver und negativer Pole. Diese positiven und ne­ gativen Pole bewirken nun eine magnetostatische Kopplung zur Magnetisierung der überhalb der Tunnelbarriere liegenden weichmagnetischen Messschicht, wo sich ebenfalls entsprechen­ de Pole anlagern und mithin zumindest eine lokale Fixierung der Magnetisierung eintritt (ferromagnetische Kopplung). Die­ ser magnetostatischen Orange-Peel-Kopplung wirkt zwar das Streufeld der hartmagnetischen Referenzschicht oder des hart­ magnetischen Referenzschichtsystems (auch Biasschicht oder Biasschichtsystem genannt) entgegen. Je größer jedoch die E­ lementfläche ist desto kleiner ist das Streufeld und umso ge­ ringer ist die Kompensation dieser unerwünschten magnetosta­ tischen Kopplung.In contrast, the area of the tunnel barrier due to the wanted impedance levels to be small with small barrier thicknesses his. Another, a small barrier area and thus one The small sensor element demanding effect is the so-called Orange peel effect (also called "orange peel effect", cf. the publication "Appl. Phys. Lett.", Vol. 77, No. 15 9 oct. 2000, pages 2373 to 2375). This magnetostatic Coupling effect results from the roughness (ripple) of the Layer stack. This ripple leads directly to the the reference layer for the local barrier formation of positive and negative poles. These positive and ne negative poles now cause magnetostatic coupling to the Magnetization of those located above the tunnel barrier soft magnetic measuring layer, where also correspond de Pole attach and therefore at least a local fixation magnetization occurs (ferromagnetic coupling). the This magnetostatic orange peel coupling does Stray field of the hard magnetic reference layer or hard magnetic reference layer system (also bias layer or Called bias layer system). However, the larger the E element area is the smaller the stray field and the more ringer is the compensation of this unwanted magnetosta table coupling.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Sensor­ element anzugeben, das zumindest hinsichtlich der aus dem Vorhandensein der Hotspots sowie der Orange-Peel-Kopplung re­ sultierenden Effekte verbessert ist.The invention is therefore based on the problem of a sensor to indicate the element, at least with regard to the from the Existence of the hotspots and the orange-peel coupling right sulting effects is improved.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Sensorelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messschicht und die Referenzschicht oder das Referenzschicht­ system durch erste und zweite sich bis an oder in der Tunnel­ barriere erstreckenden Isolationsbarrieren in mehrere kaska­ denartig hintereinander angeordnete Messschichtabschnitte und Referenzschichtabschnitte getrennt sind, wobei die Referenz­ schichtabschnitte derart lateral bemessen sind, dass das Streufeld der Referenzschichtabschnitte das aufgrund des Orange-Peel-Effekts erzeugte Kopplungsfeld zur weichmagneti­ schen Messschicht weitgehend kompensiert.To solve this problem, the sensor element initially mentioned type provided according to the invention that the  Measuring layer and the reference layer or the reference layer system through first and second itself up to or in the tunnel Isolation barriers extending into several casas the measuring layer sections arranged one behind the other and  Reference layer sections are separated, the reference layer sections are dimensioned laterally such that the Stray field of the reference layer sections due to the Coupling field to soft magnetic generated by orange peel effect measuring layer largely compensated.

Das erfindungsgemäße Sensorelement zeichnet sich also dadurch aus, dass es durch entsprechend gesetzte Isolationsbarrieren in mehrere separate Sensorelementabschnitte aufgeteilt ist. Jeder Sensorelementabschnitt wirkt quasi wie ein eigenes kleines Sensorelement, in der Summe jedoch wirken alle Sen­ sorelementabschnitte zusammen, so dass sich trotz kleiner Di­ mensionierung der Sensorelementabschnitte eine hinreichend große Sensorelementfläche und damit Tunnelbarrierenfläche er­ gibt. Diese Aufteilung in die Sensorelementabschnitte hat ei­ ne Reihe von Vorteilen.The sensor element according to the invention is therefore characterized by this that it is due to appropriately placed insulation barriers is divided into several separate sensor element sections. Each sensor element section acts as if it were its own small sensor element, but in total, all sen act sor element sections together, so that despite small Di a sufficient measurement of the sensor element sections large sensor element area and thus tunnel barrier area gives. This division into the sensor element sections has ei a number of advantages.

Zum einen bewirkt die Kaskadierung, dass bei Verwendung einer hinreichenden Anzahl an einzelnen Sensorelementabschnitten eine hinreichend große Barrierenfläche gegeben ist, um den Einfluss von Hotspots zu verringern, wobei gleichzeitig auch die anderen genannten Parameter oder Effekte, die zu ihrer Minimierung eine möglichst große Fläche benötigen, vorteil­ haft berücksichtigt und verringert werden können.On the one hand, cascading means that when using a sufficient number of individual sensor element sections there is a sufficiently large barrier area around which Reduce influence of hotspots, while at the same time the other mentioned parameters or effects related to their Minimization need as large an area as possible, advantage can be taken into account and reduced.

Zum anderen kann durch die Verkürzung der lateralen Ausdeh­ nung der Referenzschicht bzw. der Referenzschichtsysteme in Richtung ihrer Magnetisierung ein hinreichend hohes Streufeld erzielt werden, das der magnetostatischen Kopplung aufgrund des Orange-Peel-Effekts entgegenwirkt. Somit ist es möglich, durch entsprechende Dimensionierung der lateralen Ausdehnung der Sensorelementabschnitte in Richtung der Magnetisierung das Streufeld so einzustellen, dass sich die gewünschte Un­ terdrückung der magnetostatischen Kopplung erzielen lässt. Dies kann im günstigsten Fall so weit gehen, dass die Orange- Peel-Kopplung vollständig unterdrückt wird. Damit lassen sich vorteilhaft die hieraus resultierenden Nachteile wie eine Verschiebung der Hysteresekurve und damit das Erfordernis hö­ herer Feldstärken des externen Felds zur Drehung der Magneti­ sierung der weichmagnetischen Messschicht vermeiden.Secondly, by shortening the lateral extent the reference layer or the reference layer systems in A sufficiently high stray field in the direction of their magnetization be achieved due to the magnetostatic coupling counteracts the orange peel effect. So it is possible by dimensioning the lateral dimension accordingly the sensor element sections in the direction of the magnetization adjust the stray field so that the desired Un suppression of the magnetostatic coupling can be achieved. In the best case scenario, this can go so far that the orange Peel coupling is completely suppressed. With that you can advantageous the resulting disadvantages as one  Displacement of the hysteresis curve and thus the requirement high Herer field strengths of the external field for the rotation of the Magneti Avoid the soft magnetic measuring layer.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil der Kaskadierung liegt fer­ ner darin, dass sich der Gesamtwiderstand des Sensorelements problemlos einstellen und anpassen lässt. Aufgrund der erfin­ dungsgemäß vorgesehenen Isolationsbarrieren muss der über das Element fließende Strom mehrfach durch die Tunnelbarriere tunneln, wobei dies abhängig von der Anzahl der Sensorele­ mentabschnitte ist. Der Widerstand steigt mit der Anzahl der Isolationsbarrieren. Mithin kann also durch entsprechende Wahl der Barrierenanzahl der Gesamtwiderstand des Sensorele­ ments ebenfalls eingestellt werden.Another remarkable advantage of cascading is fer ner in that the total resistance of the sensor element can be easily set and adjusted. Because of the invent The insulation barriers provided in accordance with the Element flowing electricity multiple times through the tunnel barrier tunnel, depending on the number of sensor elements sections. The resistance increases with the number of Isolation barriers. Hence, by appropriate Selection of the number of barriers the total resistance of the sensor element also be discontinued.

Nach einer vorteilhaften Erfindungsausgestaltung kann vorge­ sehen sein, dass die ersten und die zweiten Isolationsbarrie­ ren versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine mäanderartige Tunnelstruktur, wobei die leitfähige weichmagnetische Messschicht und die hartmagnetische Refe­ renzschicht bzw. das Referenzschichtsystem durch die jeweili­ gen Isolationsbarrieren unterbrochen sind, so dass der Strom gezwungen ist, mehrfach zu tunneln. Die zweite Isolationsbar­ riere erstreckt sich dabei zweckmäßigerweise bis in die weichmagnetische Messschicht hinein.According to an advantageous embodiment of the invention can pre can be seen that the first and the second isolation barrier ren are staggered. This gives a meandering tunnel structure, the conductive soft magnetic measuring layer and the hard magnetic refe renzschicht or the reference layer system by the respective insulation barriers are broken, so that the current is forced to tunnel several times. The second isolation bar Riere expediently extends into the soft magnetic measuring layer.

Im einfachsten Fall kann lediglich eine einzelne Referenz­ schicht, z. B. aus Kobalt-Eisen vorgesehen sein. Alternativ dazu kann die Referenzschicht ein Schichtsystem, z. B. aus Permalloy und einen natürlichen Antiferromagneten, der die Magnetisierung der Referenzschicht koppelt und pinnt, sein. Daneben kann das Referenzschichtsystem auch ein AAF-System sein. Die Verwendung eines solchen AAF-Systems (AAF = artifi­ cial antiferromagnetic) ist dahingehend von Vorteil, dass die Referenzschicht durch ein äußeres Feld nachträglich ausge­ richtet werden kann. Die Verwendung dünner Referenzschichten bzw. Teilschichten des AAF-Systems ist zweckmäßig, um die unerwünschte magnetostatische Kopplung zur weichmagnetischen Messschicht hin möglichst gering zu halten.In the simplest case, only a single reference can be used layer, e.g. B. made of cobalt iron. alternative the reference layer can be a layer system, e.g. B. from Permalloy and a natural antiferromagnet that the Magnetization of the reference layer couples and pins. In addition, the reference layer system can also be an AAF system his. The use of such an AAF system (AAF = artifi cial antiferromagnetic) is advantageous in that the Subsequent reference layer through an outer field can be judged. The use of thin reference layers or sub-layers of the AAF system is useful to avoid the unwanted  magnetostatic coupling for soft magnetic To keep the measuring layer as low as possible.

Unter Umständen reicht das von der Referenzschicht oder dem Referenzschichtsystem erzeugte Streufeld in einem Sensorele­ mentabschnitt nicht aus, die Orange-Peel-Kopplung hinreichend weit zu kompensieren. Dies ist insbesondere im Falle von AAF- Systemen möglich, da diese ein sehr geringes Nettomoment auf­ weisen und deshalb ein niedriges Streufeld erzeugen. Um auch in solchen Fällen trotz allem eine hinreichende Kompensation des Orange-Peel-Effekts zu erzielen kann erfindungsgemäß fer­ ner vorgesehen sein, dass mehrere übereinander gestapelte Re­ ferenzschichtsysteme vorgesehen sind. Die Streufelder der mehreren Referenzschichtsysteme überlagern sich additiv, so dass durch entsprechende Übereinanderlagerung der erforderli­ chen Anzahl an Referenzschichtsystemen ein Gesamtstreufeld erzeugt werden kann, das zu der gewünschten Kompensation der magnetostatischen Orange-Peel-Kopplung bzw. dieser Neel- Kopplung führt. Die Referenzschichtsysteme sind zweckmäßiger­ weise über gemeinsame Isolationsbarrieren kaskadiert in Refe­ renzschichtabschnitte getrennt.Under certain circumstances, this ranges from the reference layer or the Reference layer system generated stray field in a sensor element section is not sufficient, the orange-peel coupling is sufficient to compensate widely. This is especially true in the case of AAF Systems possible because this has a very low net moment point and therefore generate a low stray field. Too in such cases, adequate compensation in spite of everything To achieve the orange peel effect can fer according to the invention ner provided that a plurality of stacked Re reference layer systems are provided. The stray fields of the several reference layer systems additively overlap, see above that by appropriately superimposing the required total number of reference layer systems can be generated that to the desired compensation of the magnetostatic orange peel coupling or this neel Coupling leads. The reference layer systems are more appropriate wise cascaded over common isolation barriers in Refe boundary layer sections separated.

Wie beschrieben können diese mehreren Referenzschichtsysteme direkt übereinander gestapelt sein. Das heißt auf dem Sub­ strat ist ein erstes Referenzschichtsystem aufgebracht, ge­ folgt von einem zweiten etc., wonach anschließend die Tunnel­ barriere und schließlich die weichmagnetische Messschicht aufgebracht werden. Alternativ ist es aber auch denkbar, we­ nigstens ein weiteres Referenzschichtsystem oberhalb der weichmagnetischen Messschicht anzuordnen, das über eine Ent­ kopplungsschicht von dieser entkoppelt ist. Auch dieses wei­ tere Referenzschichtsystem erzeugt ein sich additiv mit dem Streufeld des unterhalb der Tunnelbarriere liegenden Refe­ renzschichtsystems überlagerndes Streufeld. Natürlich ist es auch möglich, eine Kombination von mehreren unterhalb und mehreren oberhalb der weichmagnetischen Messschicht vorgese­ henen Referenzschichtsystemen zu verwenden. Auch hier werden Isolationsbarrieren zur Trennung des weiteren Referenz­ schichtsystems in entsprechende Abschnitte verwendet.As described, these can use several reference layer systems stacked directly on top of each other. That is on the sub strat a first reference layer system is applied, ge follows from a second etc., followed by the tunnels barrier and finally the soft magnetic measuring layer be applied. Alternatively, it is also conceivable at least one more reference layer system above the Arrange soft magnetic measuring layer, which has a Ent coupling layer is decoupled from this. This white too tere reference layer system creates an additive with the Stray field of the reef located below the tunnel barrier stray field overlying the boundary layer system. Of course it is also possible a combination of several below and several above the soft magnetic measuring layer to use the reference layer systems. Also be here  Isolation barriers to separate the further reference layer system used in corresponding sections.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Sensorelementanord­ nung umfassend mehrere Sensorelemente der vorbeschriebenen Ausführung, die als Wheatstone'sche Brückenschaltung geschal­ tet sind.Finally, the invention relates to a sensor element arrangement tion comprising several sensor elements of the above Execution that is formulated as a Wheatstone bridge circuit are.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention he result from the implementation described below play as well as based on the drawings. Show:

Fig. 1 eine Prinzipskizze im Schnitt durch ein erfindungs­ gemäßes Sensorelement, Fig. 1 is a schematic diagram in section through a fiction, according to the sensor element,

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Darstellung des Orange-Peel- Effekts, Fig. 2 is a schematic diagram showing the orange-peel effect,

Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines weiteren Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Sensorele­ ments, Figure 3 is a schematic diagram of management. Showing another layer structure of a Sensorele according to the invention,

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines dritten Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Sensorele­ ments, und Fig. 4 is a schematic diagram showing a third layer structure of a sensor element according to the invention, and

Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines vierten Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Sensorele­ ments. Fig. 5 is a schematic diagram showing a fourth layer structure of a sensor element according to the invention.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement 1, bestehend aus einem Substrat 2, auf das eine hartmagnetische Referenz­ schicht oder ein Referenzschichtsystem 3 aufgebracht ist. Auf die Referenzschicht 3 oder das Referenzschichtsystem 3 ist eine Tunnelbarriere 4, z. B. aus Al2O3 aufgebracht. Auf die­ ser Tunnelbarriere 4 wiederum ist eine weichmagnetische Mess­ schicht 5 vorgesehen. Fig. 1 shows an inventive sensor element 1, comprising a substrate 2 on which a hard magnetic reference layer or a reference layer system 3 is applied. On the reference layer 3 or the reference layer system 3 , a tunnel barrier 4 , z. B. made of Al 2 O 3 . On the water tunnel barrier 4 in turn a soft magnetic measuring layer 5 is provided.

Die hartmagnetische Referenzschicht 3 bzw. das hartmagneti­ sche Referenzschichtsystem 3 ist durch Isolierbarrieren 6 in einzelne Referenzschichtabschnitte 3a unterteilt. Die Refe­ renzschichtabschnitte 3a sind über diese Isolierbarrieren 6 gegeneinander isoliert. Die Isolierbarrieren 6 erstrecken sich durch die Tunnelbarriere 4 bis in den Bereich der weich­ magnetischen Schicht 5 hinein.The hard magnetic reference layer 3 or the hard magnetic reference layer system 3 is divided into individual reference layer sections 3 a by insulating barriers 6 . The Refe rence layer sections 3 a are insulated from each other through this insulating barriers. 6 The insulating barriers 6 extend through the tunnel barrier 4 into the area of the soft magnetic layer 5 .

Die weichmagnetische Messschicht 5 ihrerseits ist über weite­ re Isolierbarrieren 7 in Messschichtabschnitte 5a unterteilt, die gegeneinander über diese Isolierbarrieren 7 ebenfalls i­ soliert sind. Die Isolierbarrieren sind z. B. aus SiO2. Sie erstrecken sich bis in die Tunnelbarriere 4.The soft magnetic measuring layer 5, in turn, is divided over wide insulating barriers 7 into measuring layer sections 5 a, which are also isolated from one another via these insulating barriers 7 . The insulating barriers are e.g. B. from SiO 2 . They extend into the tunnel barrier 4 .

Auf der weichmagnetischen Messschicht 5 sind im gezeigten Beispiel mehrere Kontakte angebracht. Wird über einen der Kontakte ein Strom eingeprägt, so kann an einem anderen Kon­ takt ein Signal abgegriffen werden, dessen Höhe von der Stel­ lung der von einem äußeren Magnetfeld leicht drehbaren Magne­ tisierung der weichmagnetischen Messschicht zur feststehenden Magnetisierung der hartmagnetischen Referenzschicht 3 bzw. des Referenzschichtsystems 3 abhängig ist. Die Funktionsweise eines solchen TMR-Elements ist bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.In the example shown, several contacts are attached to the soft magnetic measuring layer 5 . If a current is impressed via one of the contacts, a signal can be tapped at another contact, the height of which from the position of the magnetization of the soft magnetic measuring layer, which can be rotated easily by an external magnetic field, to the fixed magnetization of the hard magnetic reference layer 3 or the reference layer system 3 is dependent. The mode of operation of such a TMR element is known and requires no further explanation here.

Das abgreifbare Signal wird durch Tunnelströme hervorgerufen. Wird z. B. das Signal zwischen den beiden äußeren Kontakten 8 angelegt bzw. abgegriffen, so muss ein über den linken Kon­ takt eingeprägter Strom aufgrund der Positionierung der Iso­ lierbarrieren 6, 7 mehrfach durch die Tunnelbarriere 4 tun­ neln. Dies ist durch die Pfeile I dargestellt. Durch die An­ zahl der Durchtunnelungen erhöht sich der Gesamtwiderstand des Sensorelements 1, das heißt, er kann entsprechend einge­ stellt werden. Gleichzeitig bleibt die Summenfläche der Tun­ nelbarriere 4 über das ganze Sensorelement hinreichend groß, um die nachteiligen Auswirkungen etwaiger Hotspots, etwaiger Fehler in der Strukturtechnik wie ein Unterätzen oder aber etwaige randseitige Kurzschlusswege möglichst gering zu hal­ ten.The tapped signal is caused by tunnel currents. Is z. B. the signal between the two outer contacts 8 applied or tapped, then a current impressed via the left Kon clock due to the positioning of the insulating barrier 6 , 7 multiple times through the tunnel barrier 4 do neln. This is represented by the arrows I. Due to the number of tunnels, the total resistance of the sensor element 1 increases , that is, it can be adjusted accordingly. At the same time, the total area of the tunnel barrier 4 remains sufficiently large over the entire sensor element in order to keep the adverse effects of any hot spots, any errors in the structural technology such as undercutting or any short circuit paths on the edge as small as possible.

Insgesamt werden also die Referenzschicht oder das Referenz­ schichtsystem 3 sowie die weichmagnetische Messschicht 5 durch die Tunnelbarrieren in ihrer lateralen Länge begrenzt und deutlich verkürzt. Jede Schicht ist also kaskadisch aus separaten Schichtabschnitten 3a bzw. 5a aufgebaut.Overall, the reference layer or the reference layer system 3 and the soft magnetic measuring layer 5 are limited in their lateral length by the tunnel barriers and significantly shortened. Each layer is thus cascade composed of separate layer portions 3 a and 5 a.

Die Verkürzung der hartmagnetischen Referenzschicht bzw. des Referenzschichtsystems 3 und der Umstand, dass die Isolier­ barrieren 6 sich bis in die weichmagnetische Messschicht 5 erstrecken und diese folglich im unmittelbaren Bereich zur Tunnelbarriere 4 ebenfalls auf die Länge der Schichtabschnit­ te 3a begrenzen, hat den weiteren Vorteil, dass hierdurch der Orange-Peel-Effekt und die hieraus resultierende nachteilige magnetostatische Kopplung zwischen der Referenzschicht bzw. dem Referenzschichtsystem 3 und der weichmagnetischen Mess­ schicht 5 in diesem Bereich weitgehend kompensiert werden kann. Insgesamt kann so über die gesamte Fläche der Tunnel­ barriere bzw. des Sensorelements weitgehend eine Kompensation dieser Kopplung erreicht werden.The shortening of the hard-magnetic reference layer or the reference layer system 3 and the fact that the insulating barriers 6 extend and into the soft magnetic measurement layer 5, this thus in the immediate vicinity of the tunnel barrier 4 also te to the length of Schichtabschnit limit 3 a, has the further Advantage that the orange peel effect and the resulting disadvantageous magnetostatic coupling between the reference layer or the reference layer system 3 and the soft magnetic measuring layer 5 can be largely compensated in this area. Overall, this coupling can be largely compensated for over the entire area of the tunnel barrier or the sensor element.

Fig. 2 zeigt in Form einer Prinzipskizze den Orange-Peel- Effekt bzw. die Neel-Kopplung. Gezeigt ist das Substrat 2, auf dem die hartmagnetische Referenzschicht 3 aufgebracht ist. Diese zeigt eine gewisse Welligkeit, die sich in der Form der Tunnelbarriere 4 sowie dem angrenzenden Bereich der weichmagnetischen Messschicht 5 fortsetzt. Aufgrund der Wel­ ligkeit bilden sich an der Grenzfläche Bereiche definierter positiver oder negativer Polung aus. Diese Bereiche koppeln nun über die unmagnetische Zwischenschicht mit der weichmag­ netischen Messschicht 5 (Magnetisierung M"). Diese ferromag­ netische Kopplung bewirkt eine Verschiebung der Hysteresekur­ ve bezüglich der Ummagnetisierung der Magnetisierung der weichmagnetischen Messschicht 5, das heißt, es sind je nach Drehrichtung der Magnetisierung größere oder kleinere Feld­ stärken erforderlich, uni die Magnetisierung zu drehen. Fig. 2 shows a schematic diagram in the form of the Orange-peel effect or the Neel coupling. The substrate 2 is shown , on which the hard magnetic reference layer 3 is applied. This shows a certain ripple, which continues in the shape of the tunnel barrier 4 and the adjacent area of the soft magnetic measuring layer 5 . Due to the waviness, areas of defined positive or negative polarity form at the interface. These areas now couple via the non-magnetic intermediate layer with the soft magnetic measuring layer 5 (magnetization M "). This ferromagnetic coupling causes a shift in the hysteresis curve with respect to the reversal of magnetization of the soft magnetic measuring layer 5 , that is, depending on the direction of rotation of the magnetization Larger or smaller field strengths are required to turn the magnetization.

Die Magnetisierung M der Referenzschicht 3 bzw. des Referenz­ schichtsystems 3 erzeugt jedoch auch ein Streufeld Hstreu, das der Magnetisierung M" in der weichmagnetischen Messschicht 5 entgegengerichtet ist. Diese Kopplung bevorzugt eine antipa­ rallele Ausrichtung von M' und M" kompensiert die uner­ wünschte Orange-Peel-Kopplung. Eine Kompensierung ist jedoch nur dann gegeben, wenn das Streufeld Hstreu hinreichend groß ist. Hat die Referenzschicht oder das Referenzschichtsystem 3 eine relativ große laterale Ausdehnung in Richtung der Magne­ tisierung M, so ist das Streufeld klein. Die Verkürzung der Referenzschicht bzw. des Referenzschichtsystems 3 durch die Isolationsbarriere 6 unter Bildung der Referenzschichtab­ schnitte 3a jedoch bewirkt, dass das Streufeld Hstreu jedes Referenzschichtabschnitts 3a beachtlich groß ist bzw. zumin­ dest so groß ist, dass die in der durch die Isolationsbarrie­ ren 6 nahe der Tunnelbarriere 4 ebenfalls verkürzten weich­ magnetischen Messschicht gegebene Orange-Peel-Kopplung bzw. die Magnetisierung M" in diesem Bereich kompensiert wird bzw. gänzlich aufgehoben wird. Durch entsprechende Positio­ nierung und Bemessung der Isolationsbarrieren 6 und damit der lateralen Ausdehnung der Schichtabschnitte 3a kann das Streu­ feld Hstreu exakt so bemessen werden, dass eine weitgehende Kompensation erreicht werden kann.However, the magnetization M of the reference layer 3 and the reference layer system 3 also generates a stray field H scattering that is "opposite direction in the soft magnetic measurement layer. 5 This coupling preferably a antipa rallele alignment of M 'and M" of the magnetization M compensates for the desired uner orange-peel coupling. However, compensation is only given if the stray field H scatter is sufficiently large. If the reference layer or the reference layer system 3 has a relatively large lateral extent in the direction of the magnetization M, the stray field is small. The shortening of the reference layer or of the reference layer system 3 by the insulation barrier 6, with the formation of the reference layer sections 3 a, however, has the effect that the stray field H scatter of each reference layer section 3 a is considerably large or at least so large that that in the insulation barrier Ren 6 near the tunnel barrier 4 also shortened soft magnetic measuring layer given orange peel coupling or the magnetization M "in this area is compensated for or completely eliminated. By appropriate positioning and dimensioning of the insulation barriers 6 and thus the lateral extent of the layer sections 3 a, the stray field H scatter can be dimensioned exactly so that extensive compensation can be achieved.

Kommt ein Referenzschichtsystem 3 in Form eines AAF-Systems (AAF = artificial anti ferromagnetic) zum Einsatz, so ist in­ folge des sehr geringen Nettomoments dieses AAF-Systems das Streufeld Hstreu klein. Um dennoch eine weitgehende Kompensa­ tion der Orange-Peel-Kopplung zu erzielen ist es in einem solchen Fall zweckmäßig, wenn - siehe Fig. 3 - mehrere AAF- Referenzschichtsysteme 3' vorgesehen sind. Jedes Referenz­ schichtsystem 3' besteht aus einer ersten Magnetschicht 9, einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht 10 sowie einer zweiten Magnetschicht 11, wobei die beiden AAF-Systeme über eine weitere antiferromagnetische Kopplungsschicht 10 vonein­ ander getrennt sind. In diesem Fall erstreckt sich die in Fig. 3 nicht gezeigte Isolationsbarriere der Referenzschicht­ systeme 3' vom Substrat durch alle Referenzschichten 3' bis in bzw. über die Tunnelbarriere. Natürlich ist auch die Mess­ schicht 5 durch entsprechende Isolationsbarrieren kaskadiert.If a reference layer system 3 in the form of an AAF system (AAF = artificial anti ferromagnetic) is used, the stray field H scatter is small due to the very low net moment of this AAF system. In order to achieve extensive compensation of the orange-peel coupling, it is expedient in such a case if - see FIG. 3 - several AAF reference layer systems 3 'are provided. Each reference layer system 3 'consists of a first magnetic layer 9 , an antiferromagnetic coupling layer 10 and a second magnetic layer 11 , the two AAF systems being separated from one another by a further antiferromagnetic coupling layer 10 . In this case, the insulation barrier of the reference layer systems 3 '(not shown in FIG. 3) extends from the substrate through all reference layers 3 ' to or into the tunnel barrier. Of course, the measuring layer 5 is cascaded by appropriate insulation barriers.

Jedes der Referenzschichtsysteme 3' erzeugt ein eigenes, aus der Nettomagnetisierung resultierendes Streufeld Hstreu, wobei sich die Streufelder beider Referenzschichtsysteme am Ort des Übergangs der Tunnelbarriere 4 zur weichmagnetischen Mess­ schicht 5 additiv überlagern. Das heißt, durch periodische Hintereinanderschaltung mehrerer AAF-Referenzschichtsysteme 3' ist es möglich, das Kompensationsfeld zur Orange-Peel- Kopplung zu vergrößern.Each of the reference layer systems 3 'generates its own stray field H scatter resulting from the net magnetization, the stray fields of the two reference layer systems at the location of the transition from the tunnel barrier 4 to the soft magnetic measuring layer 5 being superimposed. This means that by periodically connecting several AAF reference layer systems 3 'in series, it is possible to enlarge the compensation field for the orange-peel coupling.

Während Fig. 3 eine erste Ausführungsform mit gleichdicken ersten und zweiten Magnetschichten 9, 11 zeigt, zeigt Fig. 4 eine zweite Ausführungsform, bei der ebenfalls zwei Referenz­ schichtsysteme 3" vorgesehen sind, jedoch sind hier die un­ terste erste Magnetschicht 12 und die oberste zweite Magnet­ schicht 13 innerhalb des Schichtverbundes nur etwa halb so dick wie die inneren Magnetschichten. Hier wird ungefähr gleiche Sättigungsmagnetisierung vorausgesetzt.While Fig. 3 shows a first embodiment with equal thickness first and second magnetic layers 9, 11, Fig. 4 shows a second embodiment, layer systems in which also two reference 3 "are provided, however, here are the un bottommost first magnetic layer 12 and the uppermost second Magnet layer 13 within the layer composite is only about half as thick as the inner magnetic layers, which assumes approximately the same saturation magnetization.

Schließlich zeigt Fig. 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Schichtaufbau. Hier kommt ein erstes Referenzschichtsystem 3''' zum Einsatz, das unmittelbar auf dem Substrat 2 angeord­ net ist. Über die Tunnelbarriere 4 getrennt ist die weichmag­ netische Messschicht 5. Auf dieser ist eine Entkopplungs­ schicht 14 vorgesehen, die ein erstes sowie ein zweites über der Entkopplungsschicht 14 aufgebrachtes Referenzschichtsys­ tem 3''' von der weichmagnetischen Messschicht 5, deren Mag­ netisierung sich trotz der beiden darüber befindlichen AAF- Systeme noch frei bewegen können muss, entkoppelt. Die Ent­ kopplungsschicht 14 entkoppelt die beiden AAF-Systeme auch von dem untersten Referenzschichtsystem. Auch hier kann durch Addition der systemeigenen Streufelder das auf die weichmag­ netische Messschicht 5 wirkende Gesamtstreufeld vergrößert werden.Finally, FIG. 5 shows a further layer structure according to the invention. Here, a first reference layer system 3 '''is used, which is arranged directly on the substrate 2 . The soft magnetic measuring layer 5 is separated via the tunnel barrier 4 . On this a decoupling is layer 14 is provided, which, as well as a second deposited over the decoupling layer 14 Referenzschichtsys 3 can still move freely by the soft magnetic measurement layer 5 whose Mag netisierung in spite of the two overlying AAF systems, a first system '''must decoupled. The decoupling layer 14 also decouples the two AAF systems from the lowest reference layer system. Here, too, the total stray field acting on the soft magnetic measuring layer 5 can be enlarged by adding the system-specific stray fields.

Auch bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 sind die Referenzschichtsysteme 3", 3''' durch entsprechende mehrere Referenzschichtsysteme 3", 3''' durchsetzende Isolationsbar­ rieren kaskadiert, Gleiches gilt betreffend die Messschicht.Also in the embodiments according to FIGS. 4 and 5, the reference layer systems 3 ", 3 '''by a corresponding plurality of reference layer systems 3", 3' cascaded centering penetrating Isolationsbar '', the same applies concerning the measuring layer.

Prinzipiell bietet die Verwendung des oder der Referenz­ schichtsysteme aus einem AAF-System die Möglichkeit, einen Bias in der Sensorantwort zu erzeugen. Diese Biasverschiebung hat ferner den Vorteil, dass das Verschiebungsfeld wenig an­ fällig gegen Störfelder ist.In principle, the use of the reference or offers layer systems from an AAF system the possibility of one Generate bias in the sensor response. This bias shift also has the advantage that the displacement field is little is due to interference fields.

Claims (10)

1. Sensorelement (1)vom TMR-Typ mit einem Schichtsystem, be­ stehend aus einer weichmagnetischen Messschicht (5), einer Tunnelbarriere (4) und einer hartmagnetischen Referenzschicht oder einem Referenzschichtsystem (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (5) und die Referenzschicht oder das Referenzschichtsystem (3) durch erste und zweite sich bis an oder in der Tunnelbarriere (4) erstreckenden Isolationsbarrieren (6, 7) in mehrere kaskaden­ artige hintereinander angeordnete Messschichtabschnitte (5a) und Referenzschichtabschnitte (3a) getrennt sind, wobei die Referenzschichtabschnitte derart lateral bemessen sind, dass das Streufeld (Hstreu) der Referenzschichtabschnitte (3a) das aufgrund des Orange-Peel-Effekts erzeugte Kopplungsfeld zur weichmagnetischen Messschicht (5, 5a) weitgehend kompensiert.1. Sensor element ( 1 ) of the TMR type with a layer system, consisting of a soft magnetic measuring layer ( 5 ), a tunnel barrier ( 4 ) and a hard magnetic reference layer or a reference layer system ( 3 ), characterized in that the measuring layer ( 5 ) and the reference layer or the reference layer system ( 3 ) are separated by first and second insulation barriers ( 6 , 7 ) extending up to or in the tunnel barrier ( 4 ) into several cascade-like measuring layer sections ( 5 a) and reference layer sections ( 3 a) arranged one behind the other, whereby the reference layer sections are dimensioned laterally such that the stray field (H scatter ) of the reference layer sections ( 3 a) largely compensates for the coupling field to the soft magnetic measuring layer ( 5 , 5 a) generated due to the orange peel effect. 2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die erste und die zweite Isolationsbarriere (6, 7) versetzt zueinander angeordnet sind.2. Sensor element according to claim 1, characterized in that the first and the second insulation barrier ( 6 , 7 ) are arranged offset from one another. 3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Isolati­ onsbarriere (6) bis in die weichmagnetische Messschicht (5) hinein erstreckt.3. Sensor element according to claim 1 or 2, characterized in that the second isolation barrier ( 6 ) extends into the soft magnetic measuring layer ( 5 ). 4. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Re­ ferenzschichtsystem (3, 3', 3", 3''') ein AAF-System ist.4. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the re reference layer system ( 3 , 3 ', 3 ", 3 ''') is an AAF system. 5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass das Refe­ renzschichtsystem eine Referenzschicht und einen natürlichen Antiferromagneten umfasst. 5. Sensor element according to one of claims 1 to 3, there characterized by that the Refe reference layer system a reference layer and a natural one Antiferromagnet includes.   6. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere übereinander gestapelte Referenzschichtsysteme (3', 3", 3''') vorgesehen sind.6. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of reference layer systems ( 3 ', 3 ", 3 ''') stacked one above the other are provided. 7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die gestapelten Referenz­ schichtsysteme (3', 3", 3''') über gemeinsame Isolationsbar­ rieren in kaskadierte Referenzschichtabschnitte getrennt sind.7. Sensor element according to claim 6, characterized in that the stacked reference layer systems ( 3 ', 3 ", 3 ''') are separated over common insulation barriers in cascaded reference layer sections. 8. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein we­ nigstens weiteres Referenzschichtsystem (3''') oberhalb der weichmagnetischen Messschicht (5) angeordnet ist, das über eine Entkopplungsschicht (14) von dieser entkoppelt ist.8. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that a we at least another reference layer system ( 3 ''') is arranged above the soft magnetic measuring layer ( 5 ), which is decoupled from this via a decoupling layer ( 14 ). 9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das weitere Referenz­ schichtsystem über eine Isolationsbarriere und Referenz­ schichtabschnitte getrennt ist.9. Sensor element according to claim 8, characterized ge indicates that the further reference layer system over an insulation barrier and reference layer sections is separated. 10. Sensorelementanordnung umfassend mehrere Sensorelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die als Wheatstone'sche Brückenschaltung geschaltet sind.10. Sensor element arrangement comprising a plurality of sensor elements according to one of claims 1 to 9, the Wheatstone Bridge circuit are connected.
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