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Die
Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Mehrschichtensystem
vom Spin Valve-Typ mit XMR-Effekt, umfassend
- – ein erstes
Schichtenteilsystem als magnetisch weichere Messelektrode,
- – ein
zweites Schichtenteilsystem als magnetisch vergleichsweise härtere Referenzelektrode,
- – mindestens
eine die Messelektrode von der Referenzelektrode zumindest weitgehend
entkoppelnde Entkopplungsschicht aus nicht-magnetischem Material,
wobei
die Messelektrode wenigstens zwei Schichten aus ferromagnetischem
Material aufweist, die über mindestens
eine dazwischen befindliche Kopplungsschicht aus nicht-magnetischem
Material antiferromagnetisch gekoppelt sind und deren Magnetisierungsrichtungen
in einem äußeren Magnetfeld
im Gegensatz zu der Referenzelektrode veränderbar sind, und wobei die
Magnetisierungen in den zwei ferromagnetischen Schichten der Messelektrode
bei fehlendem äußeren Magnetfeld
zueinander zumindest annähernd
antiparallel, in der jeweiligen Schichtebene liegend ausgerichtet
sind. Ein entsprechendes Mehrschichtensystem ist der US 6 153 320 A , zu entnehmen.
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Magnetoresistive
Dünnschichtensysteme, die
gegenüber
einschichtigen Elementen mit einem sogenannten „klassischen AMR-Effekt” einen
wesentlich erhöhten
magnetoresistiven Effekt (sogenannten „XMR-Effekt”) zeigen,
sind allgemein bekannt (vgl. z. B. den Band „XMR-Technologien”, Technologieanalyse:
Magnetismus; Band 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien”, Düsseldorf
(DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Bei entsprechenden Mehrschichtensystemen
ist der Magnetisierungswiderstand eine Funktion eines angelegten externen
Magnetfeldes. Entsprechende Mehrschichtensysteme kommen deshalb
insbesondere als Messwandler, Magnetokoppler, Feld-, Strom- oder Positionssensoren
oder zum Aufbau von Elementen und Schaltungen der magnetischen Logik
oder Speichertechnik in Frage.
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Entsprechende
Mehrschichtensysteme umfassen in ihrer einfachsten Ausführungsform
zwei ferromagnetische Schichten bzw. Elektroden, die durch eine
dünne Zwischenschicht
aus nicht-magnetischem
Metall oder einem Isolator beabstandet sind. Ein Strom, der in paralleler
oder senkrechter Richtung zur Flachseite des Mehrschichtensystems
fließt, hängt von
der relativen Orientierung der Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen
Elektroden ab, die durch ein angelegtes externes Magnetfeld zu beeinflussen
ist. Dabei nimmt der Widerstand des Mehrschichtensystems Extremwerte
für eine
parallele und antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen in
den Elektroden an. Um wohldefinierte Ausrichtungen der Magnetisierungen
in dem parallelen bzw. antiparallelen Magnetisierungszustand bei
unterschiedlichen Magnetfeldern zu gewährleisten, werden für die Elektroden
unterschiedliche magnetische Härten
bzw. Koerzitivfeldstärken
vorgesehen. Dabei kann die Elektrode mit der verhältnismäßig hohen Koerzitivfeldstärke als
eine Referenzelektrode angesehen werden, während die Elektrode mit der
vergleichsweise geringeren Koerzitivfeldstärke als magnetisch weichere
Messelektrode zu bezeichnen ist. Mehrschichtensysteme mit solchen
Elektroden aus ferromagnetischen Schichten mit unterschiedlicher magnetischer
Härte werden
auch als Systeme vom sogenannten „Spin Valve”-Typ bezeichnet.
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Als
Referenzelektrode kann bevorzugt ein sogenannter künstlicher
Antiferromagnet (Abkürzung: „AAF” = Artificial
AntiFerromagnet) vorgesehen sein. Der Aufbau entsprechender AAF-Schichtenteilsysteme
ist prinzipiell bekannt (vgl.
WO
94/15 223 A1 ). Ein solches Teilsystem besteht in der Regel
aus wenigstens zwei ferromagnetischen Schichten, die über eine
Kopplungsschicht aus nicht-magnetischem Material antiferromagnetisch
gekoppelt sind. Um die magnetische Steifigkeit eines solchen AAF-Teilsystems,
also seine Resistenz gegenüber
externen äußeren Magnetfeldern,
zu verbessern, ist es bekannt, an diese eine antiferromagnetische
Zusatzschicht z. B. aus IrMn oder PtMn anzufügen. Eine solche Zusatzschicht
wird auch als natürlicher
Antiferromagnet bezeichnet. Über
diese antiferromagnetische Zusatzschicht wird die somit direkt benachbarte
ferromagnetische Schicht des AAF auf Grund einer vorhandenen Austauschkopplung
in ihrer Magnetisierung zusätzlich
gepinnt, so dass das AAF-Teilsystem insgesamt magnetisch härter wird
(sogenanntes „Exchange
Pinning” oder „Exchange
Biasing”).
Unter der Austauschvormagnetisierung (Exchange Bias) sei nachfolgend
allgemein die Magnetisierung dieses natürlichen Antiferromagneten verstanden,
mittels derer ein magnetisches Hintergrund- oder Zusatzfeld bzw.
eine magnetische Vorspannung des die magnetisch härtere Referenzelektrode
bildenden Schichtenteilsystems oder einer entsprechenden Einzelschicht
bewirkt wird. Die Richtung der Austauschvormagnetisierung wird dabei
nach der Abscheidung der einzelnen Lagen des Schichtenteilsystems
durch eine Temperaturbehandlung in einem hinreichend starken äußeren Magnetfeld
eingestellt, so dass eine Sättigung
der Magnetisierung des AAF-Schichtenteilsystems gewährleistet.
Die Achse der sogenannten leichten Magnetisierung des AAF-Schichtenteilsystems
liegt dabei in der Richtung der Austauschvormagnetisierung, während die
harte Achse des Schichtenteilsystems senkrecht zur Richtung der Austauschvormagnetisierung
verläuft.
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Insbesondere
für Sensoranwendungen
entsprechender Mehrschichtensysteme wird eine linearer Charakteristik
des magnetfeldabhängigen
Widerstands gefordert, d. h., die Magnetisierung M
x der magnetisch
weicheren Messelektrode soll längs
eines angelegten äußeren Magnetfeldes
linear variieren mit der Feldstärke
H, während
die Magnetisierung der magnetisch härteren Referenzelektrode starr
fixiert bleiben soll. Um ein derartiges lineares M
x(H)-Verhalten
zu erreichen, hat man versucht, der magnetisch weicheren Messelektrode
eine Anisotropie einzuprägen,
indem man ein geeignetes Magnetfeld bei der Abscheidung der Schichten
beispielsweise durch Sputtern angelegt hat (vgl.
DE 102 38 826 A1 ). Danach
wird die Richtung der Austauschvormagnetisierung für die Referenzelektrode
längs der
harten Achse der magnetisch weicheren Elektrode eingeprägt. Damit
soll eine lineare R(H)-Antwort für
den Fall erreicht werden, dass das Magnetfeld H längs der
harten Achse der weichmagnetischen Messelektrode gerichtet ist.
Es zeigt sich jedoch, dass bei einer solchen Einprägung einer
Anisotropie in die weichmagnetische Messelektrode während des
Abscheidungsvorganges zwei wesentliche Probleme auftreten, nämlich dass
eine große
Abhängigkeit
von spezifischen Charakteristika und Parametern des Abscheidesystems
gegeben ist und dass nur schwer eine hinreichende Homogenität der Anisotropie über die
Schichtenfläche
wegen Ungleichmäßigkeiten
des magnetischen Feldes während
der Abscheidungsvorgänge
zu erreichen ist.
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Aus
der eingangs genannten
US
6 153 320 A ist ein magnetoresistives Mehrschichtensystem
vom Spin Valve-Typ zu entnehmen, das die eingangs genannten Merkmale
aufweist. Dabei ist dessen Messelektrode als magnetisch weicheres
Schichtenteilsystem lamelliert ausgebildet, indem es zwei antiparallel über eine
nicht-magnetische Koppelschicht gekoppelte ferromagnetische Schichten
umfasst. Jede dieser ferromagnetischen Schichten besitzt dabei ein magnetisches
Moment. Um eine drehbare Ausrichtung der magnetischen Momente in
einem äußeren Magnetfeld
zu gewährleisten,
wird es für
erforderlich angesehen, dass das aus den beiden Momenten der ferromagnetischen
Schichten gebildete gesamte Nettomoment einen vorbestimmten Wert
hat, um so parallel oder antiparallel zu dem Nettomoment eines magnetisch
härteren
Teilschichtensystems ausrichtbar zu sein. Es zeigt sich jedoch,
dass die Linearität der
Arbeitskurve eines solchen Mehrschichtensystems für viele
Anwendungsfälle
noch nicht ausreicht. In der Veröffentlichung:
Wiese N. et al. in Applied Physic Letters (2004), Vol. 85, Nr. 11,
Seiten 2020 bis 2022 mit der Bezeichnung „Antiferromagnetically coupled
CoFeB/Ru/CoFeB trilayers” sind
die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge solcher Schichtsensoren
bekannt. Weiterhin sind aus der
US 6 221 172 B1 ein Herstellungsverfahren
für ein Spin-Valve-magnetoresistives
Dünnschichtelement und
aus der ”ein
Sensor bekannt, bei denen ein derartiger Schichtaufbau vorliegt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Mehrschichtensystem
mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, bei dem eine demgegenüber verbesserte
lineare Charakteristik zu erreichen ist, ohne dass die vorerwähnten Probleme von
wesentlicher Bedeutung sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
und eine spezifische Verwendung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung
sollen die Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen Schichten der
Messelektrode unter Berücksichtigung
der Materialwahl und der Wahl der einzelnen Schichtdicken bei fehlendem äußeren Magnetfeld
zueinander zumindest so annähernd
antiparallel, in der jeweiligen Schichtebene liegend ausgerichtet
sein, dass sich ein Nettomoment der Magnetisierung der Messelektrode
von zumindest annähernd
Null ergibt. Ein Wert von exakt Null des Nettomomentes wird dabei
angestrebt, ist jedoch aus experimentellen Gründen kaum erreichbar, so dass
auch Abweichungen von wenigen Prozent des Wertes des Momentes einer
der beiden ferromagnetischen Schichten von dem Nullwert mit eingeschlossen
sein sollen. Als Nebenbedingung wird dabei das magnetische Sättigungsfeld
der Messelektrode mit höchstens
20 kA/m gewählt
und wird die Anisotropie der ferromagnetischen Schichten der Messelektrode
auf höchstens
0,5 kA/m eingestellt.
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Bei
der Erfindung ist entweder die Magnetisierung jeweils der gesamten
ferromagnetischen Schicht oder gegebenenfalls auch die zugrunde
gelegt, die von zueinander korrespondierenden Domänenbereichen
aus den beiden Schichten erzeugt wird. D. h., ein Nettomoment von
zumindest annähernd
Null wird auch dadurch erhalten, dass jeweils korrespondierende
Domänenbereiche
in den beiden parallel liegenden ferromagnetischen Schichten jeweils
paarweise betrachtet ein Nettomoment Null ergeben und so alle Domänenbereiche
zu einem Gesamtnettomoment von Null der Messelektrode führen.
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Bei
der Erfindung ist es im Hinblick auf das angestrebte Nettomoment
von zumindest annähernd Null
besonders günstig,
dass bei Sättigung
in dem externen Magnetfeld zumindest annähernd die Beziehungen gelten: Hs ≅ –4Jaf/(Ms1t1 + Ms2t2) und Ms1t1 ≅ Ms2t2,wobei Hs die Sättigungsfeldstärke,
Jaf die antiferromagnetische Kopplungsstärke,
Ms1, Ms2 die Sättigungsmagnetisierungen
der jeweiligen ferromagnetischen Schicht der Messelektrode sowie
t1, t2 die jeweilige
Dicke dieser Schichten sind,
wobei die Sättigungsmagnetisierungen MS1, MS2 und die Dicken
(t1, t2) der ferromagnetischen
Schichten 4a, 4b der Messelektrode so gewählt sind,
dass folgende Beziehung gilt: (Ms1t1 – Ms2t2)/(Ms1t1 + Ms2t2) ≤ 0,05.
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Die
mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der
Messschichtelektrode verbundenen Vorteile sind insbesondere in Folgendem
zu sehen:
- (a) Die Empfindlichkeit des Mehrschichtensystems
bezogen auf die Sättigungsmagnetisierung kann
in weitem Umfang eingestellt werden, indem man einzelne Parameter
des Schichtenteilsystems der Messelektrode wie die antiferromagnetische
Kopplung Jaf, die Dicke der einzelnen ferromagnetischen
Schichten und der nicht-magnetischen Kopplungsschicht, sowie die
Sättigungsmagnetisierung
des ferromagnetischen Materials geeignet wählt.
- (b) Polykristalline und/oder amorphe Materialien können für die einzelnen
ferromagnetischen Schichten gewählt
werden, ohne dass eine intrinsische magnetische Anisotropie oder
Formanisotropie erforderlich wäre
mit einheitlicher Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen in den
einzelnen Körnern
des Materials. Insbesondere bedarf es keiner Magnetfeldbehandlung
zur Einprägung irgendwelcher
Anisotropien.
- (c) Es ist eine nur geringe magnetostatische Wechselwirkung
der magnetisch weicheren Messelektrode mit der magnetischhärteren Referenzelektrode
des Schichtensystems gegeben, da sich der magnetische Fluss innerhalb
des Schichtenteilsystems der Messelektrode zumindest weitgehend
schließt.
Auf diese Weise können
magnetostatische Kopplungseffekte in weitem Umfang reduziert werden,
im GegenGegensatz zu dem Fall, wo nur eine einzige ferromagnetische Schicht
als magnetisch weichere Messelektrode verwendet wird.
- (d) Außerdem
bestehen keine Abhängigkeiten von
speziellen Charakteristika eines Abscheidesystems für die einzelnen
Schichten. Vielmehr ist das lineare Verhalten der Magnetisierung
des Schichtenteilsystems als Funktion des angelegten Feldes eine
intrinsische Eigenschaft des Teilsystems.
- (e) Außerdem
kann auf eine beim Stand der Technik häufig erforderliche zusätzliche
Kühlbehandlung
unter einem magnetischen Feld zur Einstellung der Richtung der leichten
Achse der Messelektrode in senkrechter Richtung verzichtet werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems gehen
aus den von Anspruch 1 abhängigen
Unteransprüchen hervor.
Dabei kann die Ausführungsform
des Mehrschichtensystems nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines
der Unteransprüche
oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert
werden. Insbesondere kann das Mehrschichtensystem nach der Erfindung
zusätzlich
noch folgende Merkmale aufweisen bzw. folgendermaßen ausgestaltet
sein:
- – So
werden bevorzugt die Sättigungsmagnetisierungen
Ms1, Ms2 und die
Dicken t1, t2 der
ferromagnetischen Schichten der Messelektrode so gewählt sind,
dass folgende Beziehung gilt: (Ms1·t1 – Ms2·t2)/(Ms1·t1 + Ms2·t2) ≤ 0,05.Mit
dem höchstens
5% betragenden Unterschied ist auf alle Fälle zu gewährleisten, dass das Nettomoment,
um die geforderte Linearität
zu erreichen, hinreichend klein ist.
- – Außerdem können die
Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten der Messelektrode bei
Sättigung
in einem externen Magnetfeld zumindest annähernd (unter Einschluss von
Abweichungen um maximal ±10
winkelgrad, vorzugsweise von unter ±5 Winkelgrad) in dieselbe
Richtung weisen. Alternativ dazu ist selbstverständlich auch eine an sich bekannte
antiferromagnetische Kopplung über
Streufelder einplanbar.
- – Bevorzugt
wird die Referenzelektrode als eine Schichtenfolge eines künstlichen
Antiferromagneten ausgebildet. Damit ist eine geringe Wechselwirkung
bzw. gute Entkopplung gegenüber
der Messelektrode zu gewährleisten.
- – Stattdessen
kann die Referenzelektrode selbstverständlich auch von einer ferromagnetischen Einzelschicht
gebildet sein.
- – Dabei
ist es im Hinblick auf eine gute Entkopplung gegenüber der
Messelektrode vorteilhaft, wenn die Referenzelektrode eine antiferromagnetische
Zusatzschicht als einen natürlichen
Antiferromagneten aufweist. Auch die magnetische Härte der
Referenzelektrode lässt
sich so beeinflussen.
- – Insbesondere
im Hinblick auf empfindliche Sensoranwendungen sollte das magnetische
Sättigungsfeld
der Messelektrode höchstens
100 kA/m, vorzugsweise höchstens
20 kA/m betragen. Bei solchen Anwendungen sind nämlich häufig nur verhältnismäßig geringe
Feldstärken
zu erreichen.
- – Für die ferromagnetischen
Schichten der Messelektrode kommt als Material insbesondere eine Co-Fe-Legierung,
bevorzugt eine mindestens 3-komponentige Co-Fe-X-Legierung (mit
X mindestens einem der Elemente Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo) in Frage.
Entsprechende Legierungen können,
gegebenenfalls nach eventueller Zulegierung weiterer Legierungspartner,
polykristallin oder insbesondere im Fall von B-Zulegierungspartnern
auch amorph sein. Gerade amorphe Materialien zeichnen sich durch
eine geringe intrinsische Anisotropie aus.
- – Bevorzugt
sollte deshalb bei dem Mehrschichtensystem die Anisotropie der ferromagnetischen Schichten
seiner Messelektrode auf höchstens 0,8
kA/m, vorzugsweise auf höchstens
0,5 kA/m, eingestellt sein.
- – Das
erfindungsgemäße Mehrschichtensystem lässt sich
bevorzugt als Teil eines magnetoresistiven Sensorelementes einer
Datenspeichereinrichtung wie z. B. eines Lesekopfes oder eines Positionssensors
einer Kurbel- oder Nockenwelle eines Motors der Automobiltechnik,
eines magnetoresistiven Logikelementes oder eines magnetoresistiven
Kopplerelementes verwenden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert, in
der eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems
veranschaulicht ist. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter
Form
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deren 1 den
prinzipiellen Aufbau eines Mehrschichtensystems nach der Erfindung
als Schnittansicht,
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deren 2 in
einem Diagramm die Magnetisierungsverhältnisse dieses Mehrschichtensystems in
Abhängigkeit
von einem äußeren Magnetfeld,
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deren 3 in
einem Diagramm eine konkrete Magnetisierungskurve eines solchen
Mehrschichtensystems
sowie
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deren 4 in
Teilfiguren (a) bis (d) verschiedene schematische Magnetisierungskurven bzw.
eine Widerstandskurve eines erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems bzw.
von Teilen desselben.
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Dabei
sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Bei
dem in
1 angedeuteten Aufbau eines magnetoresistiven
Mehrschichtensystems nach der Erfindung wird von an sich bekannten
Ausführungsformen
solcher Systeme mit XMR-Effekt vom sogenannten „Spin Valve”-Typ ausgegangen
(vgl. z. B. die genannte
DE
102 38 826 A1 ). Das allgemein mit
2 bezeichnete
Mehrschichtensystem weist eine magnetisch härtere Referenzelektrode
3 sowie
eine demgegenüber
vergleichsweise magnetisch weichere Messelektrode
4 auf,
die über
eine dünne
Entkopplungsschicht
5 magnetisch zumindest weitgehend entkoppelt
sind. Je nach Typ des Mehrschichtensystems besteht dabei die Entkopplungsschicht
5 aus
einem nicht-magnetischen Metall wie z. B. für ein GMR-Element aus Ru oder
aus einem isolierenden Material wie z. B. Al
2O
3 für
ein TMR-Element. Die magnetisch härtere Referenzelektrode
3 ist
dabei in bekannter Weise aus einem als AAF ausgebildeten Schichtenteilsystem
aufgebaut, das zwei ferromagnetische Schichten
3a und
3b aufweist,
die über
eine Kopplungsschicht
3c antiferromagnetisch gekoppelt sind.
Auf der der Entkopplungsschicht
5 abgewandten Seite der
Referenzelektrode
3 weist diese außerdem eine antiferromagnetische
Zusatzschicht bzw. natürlichen
Antiferromagneten
3d z. B. aus PtMn auf. Weitere Schichten
wie z. B. zur Abdeckung oder Kontaktierung sowie eine das Mehrschichtensystem
2 tragende
Substratschicht bzw. ein Substrat sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit
weggelassen. Solche Teile sind allgemein bekannt.
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Die
magnetisch weichere Messelektrode 4, die auch als Detektionselektrode
oder Informationselektrode je nach Anwendungsfall des Schichtensystems
zu bezeichnen ist, soll erfindungsgemäß aus einem Schichtenteilsystem
bestehen, das ebenfalls zwei ferromagnetische Schichten 4a und 4b mit
dazwischen liegender Kopplungsschicht 4c aufweist. Dieses
Schichtenteilsystem kann auch als ein „ausbalancierter künstlicher
Antiferromagnet” bzw. „ausbalancierter
AAF” bezeichnet
werden.
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Selbstverständlich kann
hier jede der ferromagnetischen Schichte 4a und 4b auch
aus mehreren Einzelschichten zusammengesetzt werden, die dann im
Allgemeinen aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Zur
Betrachtung des linearen R(H)-Verhaltens eines solchen ausbalancierten
AAF als weichmagnetische Messelektrode 4 sei nachfolgend
auch auf das Diagramm der 2 Bezug
genommen. Das Diagramm zeigt schematisiert die Kurve der Magnetisierung
M (in willkürlichen
Einheiten) in Abhängigkeit
von der Feldstärke
H (in willkürlichen
Einheiten) eines angelegten äußeren Magnetfeldes.
Mit M1 und M2 sind allgemein die magnetischen Momente bzw. die Magnetisierungen
der Schichte 4a bzw. 4b bezeichnet, wobei die
jeweilige Ausrichtung der Momente für verschiedene Feldstärken durch
gerichtete Pfeile an markanten Punkten A bis E veranschaulicht ist.
Die gestrichelt eingezeichneten Pfeile betreffen dabei die Magnetisierungsrichtungen
in der Schicht 4a, die bei der gewählten Aufsicht jeweils durch
die Schicht 4b verdeckt ist. Dabei ist auch der für die Darstellung
der 1 angenommene Fall ersichtlich (Punkt C), dass
die Magnetisierungen M1 und M2 der zwei ferromagnetischen Schichten 4a und 4b der Messelektrode 4 bei
fehlendem äußeren Magnetfeld H
zumindest annähernd
antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Dabei liegen die Magnetisierungsrichtungen
jeweils in der Ebene der jeweiligen Schicht. In der 1 sind
für den
gezeigten Querschnitt diese Richtungen senkrecht aus der bzw. in
die Zeichnungsebene durch die hierfür üblichen Zeichen ⊗ und ⊙ veranschaulicht.
Dieser Zustand stellt sich remanent nach einer magnetischen Sättigung
des Schichtenteilsystems 4 in einem externen Magnetfeld
und anschließender
Magnetfeldreduktion auf Null ein.
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Außerdem sind
in dem Diagramm der 2 die Sättigungsmagnetisierungen dieser
Schichten 4a und 4b oberhalb einer zu ihrer Sättigung
ausreichend starken Magnetfeldstärke
H mit Ms1 bzw. Ms2 bezeichnet
(Punkt A). Allgemein sei der Sättigungsmagnetisierung
die Größe Ms zugeordnet mit Ms =
M1 + M2.
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Wie
erwähnt,
soll sich erfindungsgemäß ein Nettomoment
der Magnetisierung der mit dem weichmagnetischen Schichtenteilsystem
gebildeten Messelektrode 4 von zumindest annähernd Null
ergeben Ein angestrebter Wert von exakt Null des Netto moments bei
fehlendem äußeren Magnetfeld
lässt sich kaum
konkret einstellen, so dass erfindungsgemäß auch geringfügige Abweichungen
der Magnetisierungen in den Begriff „zumindest annähernd Null” mit einbegriffen
sein sollen und in der Praxis auch ausreichen, um zu einem annähernd linearen
Verlauf der Magnetisierungskurve zu gelangen. Hierfür ist ausreichend,
wenn die folgende Beziehung eingehalten ist: (Ms1·t1 – Ms2·t2)/(Ms1·t1 + Ms2·t2) ≤ 0,05.
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Betrachtet
werden die ferromagnetischen Schichten 4a und 4b,
die eine Dicke ist t1 bzw. t2 besitzen.
Die beiden Schichten sind antiferromagnetisch über die Zwischenschicht 4c z.
B. mit der Dicke t3 gekoppelt, wobei die
Kopplungsstärke
mit Jaf bezeichnet ist. Im Falle eines ausbalancierten
AAF gilt dann: Ms1·t1 ≅ Ms2·t2 (Gl.
1)
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Wie
dem Kurvenverlauf des Diagramms zu entnehmen ist, hat eine Reduktion
des Feldes H vom Bereich/Wert der positiven Sättigungsfeldstärke Hs zur Folge, dass die magnetischen Momente
der ferromagnetischen Schichten 4a und 4b sich
kontinuierlich drehen, wodurch eine lineare Abhängigkeit der Magnetisierung
Mx des gesamten AAF als eine Funktion des
magnetischen Feldes zu beobachten ist. Dabei ist zu betonen, dass
dieses Mx(H)-Verhalten praktisch isotropisch ist;
d. h., es besteht praktisch keine Abhängigkeit von der Richtung des
angelegten magnetischen Feldes noch bedarf es irgendeiner Anisotropie
in den magnetischen Lagen bzw. Schichten, die den ausbalancierten
AAF bilden. Generell sollte die Anisotropie der ferromagnetischen
Schichten 4a, 4b der Messelektrode 4 höchstens
0,8 kA/m, vorzugsweise auf höchstens
0,5 kA/m, betragen. Mit einem solchen geringen Wert ist auf alle
Fälle das
geforderte praktisch isotrope Verhalten zu gewährleisten. Für das Sättigungsfeld
eines solchen AAF ergibt sich die folgende Beziehung: Hs ≅ –4Jaf/(Ms1·t1 + Ms2·t2) (Gl.
2)
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Im
Fall, dass Ms1 = Ms2 =
Ms und t1 = t2 = t gewählt
werden, lässt
sich Gl. 2 folgendermaßen schreiben: Hs = –2Jaf/Ms·t (Gl. 3)
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Es
ergibt sich dann der in 2 gezeigte Kurvenverlauf, aus
dem ersichtlich ist, dass die Komponente der Magnetisierung längs des
angelegten Feldes praktisch linear mit dem Feld zwischen den Sättigungsfeldstärkewerten
Hs und –Hs für
jede der ferromagnetischen Schichten 4a bzw. 4b des
ausbalancierten AAF variiert.
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Damit
ein derartiger ausbalancierter AAF als weichmagnetische Elektrode
in einem XMR-Mehrschichtensystem verwendet werden kann, sollte das Sättigungsmagnetfeld
Hs verhältnismäßig klein
sein und vorzugsweise in der Größenordnung
von höchstens
100 kA/m, vorzugsweise von höchstens
20 kA/m liegen. Um einer entsprechenden Forderung zu genügen, sollte
die antiferromagnetische Kopplungsstärke Jaf und/oder
die Dicke t1 bzw. t2 der
ferromagnetischen Elektrodenschichten 4a und 4b verhältnismäßig klein
gehalten werden, wie aus Gl. 3 abzuleiten ist. Als Maßnahmen,
eine kleine antiferromagnetische Kopplungsstärke Jaf zu
erreichen, können
vorgesehen werden:
- (a) Geeignete Wahl der Materialien
für die
ferromagnetischen Elektrodenschichten 4a und 4b und/oder
die nicht-magnetische
Kopplungsschicht 4c der weichmagnetischen Elektrode 4.
- (b) Geeignete Wahl der Dicke t3 der
nicht-magnetischen Zwischenschicht 4c.
- (c) Ausbildung von Defekten in der nicht-magnetischen Zwischenschicht 4c nach
an sich bekannten Verfahren.
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Die
vorstehenden Maßnahmen
(a) bis (c) können
dabei einzeln oder in Kombination ausgeführt werden. Bei der insbesondere
von der Dicke der Kopplungsschicht 4c und dem für sie gewählten Material
abhängigen
Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 4a und 4b kann
es sich auch um eine bekannte Streufeldkopplung handeln.
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Für die ferromagnetischen
Schichten 4a und 4b der Messelektrode 4 kommen
vorteilhaft 2- oder höherkomponentige
Co-Fe-Legierungen
in Frage. So kann bevorzugt eine Co-Fe-X-Legierung vorgesehen werden, wobei für die X-Komponente
min destens eines der Elemente aus der Gruppe Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr,
Mo gewählt
wird. Insbesondere können
als weitere Komponente X sogenannte Glasbildner (Si, B) zulegiert
sein. In Anlehnung an ein bekanntes Mehrschichtenteilsystem (vgl. „Appl.
Phys. Lett.”,
Vol. 85, No..11, Sept. 2004, Seiten 2020 bis 2022) wurde als ein
konkretes Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 für ein ausbalanciertes
AAF-Schichtenteilsystem 4 als
weichmagnetischer Elektrode mit geringer antiferromagnetischer Kopplung
der folgende Aufbau gewählt.
Co60Fe20B20/Ru
(1,1 nm)/Co60Fe20B20.
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Für eine Dicke
t1 = t2 von 6,0
nm der ferromagnetischen Schichten 4a und 4b aus
der amorphen Co60Fe20B20-Legierung wird ein Sättigungsmagnetfeld Hs erhalten, das ungefähr bei 10 kA/m liegt. Dies ist
aus der zugehörigen
Magnetisierungskurve des Diagramms der 3 ersichtlich.
In dem Diagramm der 3 ist die in Ordinatenrichtung
aufgetragene Magnetisierung M in willkürlichen Einheiten angegeben,
während
die Stärke
eines angelegten äußeren Magnetfeldes
in Abszissenrichtung in kA/m gemessen ist. Die konkrete Struktur
des hier zugrunde gelegten Schichtenteilsystems war dabei mit den
in den Klammern angegebenen Dicken:
SiO2/Ta
(5,0 nm)/Al2O3 (0,2
nm)/Co60Fe20B20 (6,0 nm)/Ru (1,1 nm)/Co60Fe20B20 (6,0 nm)/Ta
(10,0 nm).
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Weitere
Beispiele eines konkreten Schichtenteilsystems für eine weichmagnetische Messelektrode 4 sind:
CoFe
(3,0 nm)/CoFeB (1,0 nm)/Ru (1,1 nm)/CoFeB (1,0 nm)/CoFe (3,0 nm),
CoFe
(3,0 nm)/Ru (1,1 nm)/CoFeB (4,0 nm), CoFeB (4,0 nm)/Ru (1,1 nm)/CoFe
(3,0 nm)
oder
CoFe (4,0 nm)/Ru (1,1 nm)/CoFe (4,0 nm).
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Dabei
dient eine zur Ru-Zwischenschicht 4c benachbarte dünne CoFeB-Schicht
insbesondere zu einer Reduktion der Kopplungsstärke Jaf.
Die CoFe-Schichten sind polykristallin, während die CoFeB-Schichten in
Abhängigkeit
von dem B-Anteil in der Legierung amorph oder polykristallin sind.
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Ein
Beispiel für
eine antiferromagnetische Kopplung über Streufluss ist bei dem
Schichtenteilsystem
CoFe (3,0 nm)/Ta (2,0 nm)/CoFe (3,0 nm)
gegeben.
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Generell
ist bei den erfindungsgemäßen Schichtenteilsystemen
zu berücksichtigen,
dass der Wert von Hs die Empfindlichkeit
des Systems bestimmt, welche dem Gradienten der R(H)-Kurve entspricht.
D. h., kleinere Hs-Werte führen zu
größerer Empfindlichkeit,
was gleichbedeutend mit einer größeren Änderung
des Widerstandes pro Einheit (A/m) des angelegten äußeren Magnetfeldes
H ist.
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Der
ausbalancierte AAF der weichmagnetischen Messelektrode 4 kann
kombiniert werden mit einem AAF mit Austauschvormagnetisierung als
Referenzelektrode 3, wie in 1 angedeutet
ist. Selbstverständlich
ist es aber auch möglich,
für die Referenzelektrode
eine einzelne Schicht aus ferromagnetischem Material hinreichender
magnetischer Härte
vorzusehen, die bevorzugt mit einer antiferromagnetischen Zusatzschicht 3d versehen
ist.
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Entsprechende
Verhältnisse
sind an Hand der einzelnen Kurven der schematischen 4 ersichtlich.
Dabei zeigt 4a die bereits zu 2 erläuterte Magnetisierungskurve
eines ausbalancierten AAF als weichmagnetischer Messelektrode. Wird stattdessen
eine austauschvormagnetisierte ferromagnetische Einzelschicht vorgesehen,
so ergibt sich der in 4b angedeutete
Kurvenverlauf. HEX ist dabei das Austauschfeld.
Kombiniert man diese austauschvormagnetisierte Einzelschicht als
hartmagnetische Referenzelektrode mit einem erfindungsgemäß ausgeführten ausbalancierten
AAF als weichmagnetischer Messelektrode, so wird für ein solches XMR-Mehrschichtensystem,
beispielsweise ein GMR- oder TMR-Mehrschichtensystem, die aus 4c entnehmbare Magnetisierungsschleife
erhalten. Die dazugehörige
Magnetowiderstandskurve ist in 4d wiedergegeben.
Aus dieser Kurve ist der lineare Verlauf der R(H)-Kurve zwischen
den Sättigungsfeldstärken Hs und –Hs ersichtlich.
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Bei
den vorstehen angesprochenen Ausführungsbeispielen wurde davon
ausgegangen, dass das erfindungsgemäße Mehrschichtensystem bei Einrichtungen
zum Einsatz kommt, die ein externes Magnetfeld mit beliebig vorgebbarer
Richtung in Bezug auf die Referenzelektrode voraussetzen. Das Mehrschichtensystem
nach der Erfindung ist zwar besonders für derartige Einrichtungen geeignet,
jedoch nicht auf einen entsprechenden Einsatz beschränkt. Selbstverständlich ist
es auch für
Anwendungen mit vorgegebener, insbesondere senkrechter Richtung
eines externen Magnetfeldes bezüglich
der Referenzelektrode einsetzbar.