DE19924756A1 - Magnetoresistives Element - Google Patents

Abstract

Magnetoresistives Element, insbesondere GMR-Zelle, mit abwechselnd übereinander angeordneten ersten Schichten mit magnetischen Eigenschaften und zweiten Schichten mit nichtmagnetischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schichten einen wenigstens dreilagigen Aufbau aufweisen, wobei wenigstens zwei der wenigstens drei Lagen magnetische Eigenschaften aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element, insbesondere eine GMR-Zelle, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schichtpakete aus ultradünnen magnetischen und unmagnetischen Einzelschichten können unter bestimmten Voraussetzungen den an sich bekannten magnetoresistiven Effekt bzw. den sogenannten GMR-Effekt (englisch: Giant magneto-resistance) zeigen. Als gekoppelte Schichtsysteme werden Elemente bezeichnet, welche im einfachsten Fäll aus zwei dünnen Magnetschichten bestehen, welche durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht getrennt sind. Die magnetischen Schichten treten miteinander in Wechselwirkung, wobei sich die magnetischen Momente in den Schichten in Abhängigkeit von der Dicke der Zwischenschicht parallel oder antiparallel ausrichten. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung von Elementen, bei welchen die magnetischen Schichten aus Kobalt bestehen und die nicht- magnetische Schicht aus Kupfer hergestellt ist, bei üblichen Schichtdicken der magnetischen Schicht von 10 bis 40 Å im Falle einer Schichtdicke der nicht-magnetischen Schicht von etwa 10 oder etwa 20 Å eine antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen benachbarter Schichten (erstes und zweite antiferromagnetisches Maximum), und im Falle einer Zwischenschichtdicke von etwa 15 Å eine parallele Ausrichtung der Magnetisierung der magnetischen Schichten (erstes ferromagnetisches Maximum). Es ist üblich, eine große Anzahl derartiger dreilagiger Elemente übereinander anzuordnen.

Derart aufgebaute Elemente bzw. Materialien sind als Funktionsschichtmaterialien für verschiedenartige Magnetsensoren von großem Interesse. Anwendungsspezifisch muß jedoch die magnetfeldabhängige Widerstandskennlinie der Elemente (MR-Kennlinie) charakteristische Kenngrößen aufweisen. Es ist beispielsweise bekannt, daß man die MR- Kennlinie durch Materialauswahl der einzelnen Schichten, die Schichtfolge, die Dicke der einzelnen Schichten sowie Prozeßparameter bei der Präparation beeinflussen kann. Als charakteristische Kenngrößen sind beispielsweise zu nennen die absolute Änderung des elektrischen Widerstands des magnetoresistiven Elements in einem angelegten Magnetfeld, die sogenannte Effektgröße, das Magnetfeld, bei dem keine Widerstandsänderung mehr auftritt, das sogenannte Sättigungsfeld, sowie die Hysterese der Kennlinie des magnetoresistiven Elements. Diese Kenngrößen können bei herkömmlichen magnetoresistiven Elementen, insbesondere herkömmlichen GMR-Zellen, jedoch nicht beliebig und unabhängig voneinander mittels Variation der genannten Parameter (Materialauswahl, Schichtfolge, Einzelschichtdicken, Prozeßparameter) eingestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines magnetoresistiven Elements, insbesondere einer GMR-Zelle, bei welcher die Kenngrößen des Elements, d. h. die Kenngrößen der MR-Kennlinie des Elements, im Vergleich zu herkömmlichen Elementen im größeren Maße und mit größerer Unabhängigkeit voneinander einstellbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein magnetoresistives Element, insbesondere eine GMR-Zelle, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mit dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Element können die Kenngrößen der MR-Kurve in wesentlich größerem Maße und unabhängiger voneinander, als dies bei herkömmlichen magnetoresistiven Elementen möglich war, eingestellt werden. Auf der Grundlage des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements sind somit wesentlich flexiblere Funktionsschichtmaterialien für unterschiedliche Anwendungsfälle realisierbar. Im einfachsten Falle wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem mehrschichtigen magnetoresistiven Element, bei welchem abwechselnd magnetische und nicht-magnetische Schichten übereinander angeordnet sind, die jeweilige magnetische Schicht in Form eines sogenannten Trilayers bzw. dreilagig ausgebildet, wobei eine nichtmagnetische Lage zwischen zwei magnetischen Lagen ausgebildet ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß zum Zwecke der Darstellung der Erfindung der Begriff "Lage" im Sinne einer einzelnen schichtartigen Komponente einer "Schicht" verwendet wird, wobei die magnetoresistiven Elemente aus einer Anzahl von "Schichten" bestehen, die ihrerseits aus einer Anzahl von Lagen zusammengesetzt sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements weisen sämtliche Lagen der jeweiligen magnetische Eigenschaften aufweisenden Schichten ihrerseits magnetische Eigenschaften auf. Durch das Zusammenwirken dieser magnetische Eigenschaften aufweisenden Schichten mit den jeweils dazwischen angeordneten Schichten mit nicht-magnetischen Eigenschaften lassen sich, durch Variation der Parameter der einzelnen Lagen der magnetischen Schicht, gegenüber herkömmlichen Elementen verbesserte Kennlinieneinstellungen vornehmen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements weist eine mittlere von drei Lagen einer magnetischen Schicht eine Dicke auf, welche eine parallele oder antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung der zwei benachbarten äußeren Lagen verursacht. Im Gegensatz zu herkömmlichen magnetoresistiven Elementen ist es also möglich, den magnetischen Schichten "intern" verschiedene Magnetisierungszustände zuzuordnen. Waren bei einer herkömmlichen magnetischen Schicht nur zwei "interne" Zustände realisierbar, sind erfindungsgemäß innerhalb einer magnetischen Schicht vier Magnetisierungszustände realisierbar. Beispielsweise bei Verwendung des magnetoresistiven Elements als Speicherelement oder Sensorelement sind hierdurch vorteilhafte Anwendungen möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements sind die magnetischen Lagen der jeweiligen magnetischen Schichten aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Wird beispielsweise für die erste magnetische Lage Kobalt (Co), und für die zweite magnetische Lage Nickel-Eisen (NiFe) verwendet, lassen sich durch Wahl der Einzellagendicken MR- Kennlinien mit großer Variationsmöglichkeit erzeugen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements sind die nicht-magnetischen Schichten zwischen magnetischen Schichten und die nicht-magnetischen Lagen innerhalb der magnetischen Schichten aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Auch durch diese Maßnahme lassen sich MR- Kennlinien in weit größerem Maße, als dies bisher möglich war, variieren.

Es sei ferner gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Elements möglich, daß die magnetischen Lagen wenigstens einer magnetischen Schicht unterschiedliche Dicken aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 in einer seitlichen schematischen Ansicht eine GMR-Zelle gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 in einer seitlichen schematischen Ansicht eine als Trilayer ausgebildete magnetische Schicht, welche einen Bestandteil eines magnetoresistiven Elements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und

Fig. 3 in einer seitlichen schematischen Ansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer GMR-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer herkömmlichen GMR- Zelle in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Man erkennt ein gekoppeltes Schichtensystem, bei dem die magnetischen Einzelschichten 1 jeweils durch nicht-magnetische Zwischenschichten 2 getrennt sind. Die Dicke der Schichten 2 ist derart gewählt, daß sich eine antiparallele Ausrichtung der magnetischen Momente der Schichten 1 ergibt, wie mittels Pfeilen angedeutet ist (erstes oder zweites antiferromagnetisches Maximum). Strebt man bei einer derartigen GMR-Zelle beispielsweise an, durch Variation der Materialauswahl oder der Einzelschichtdicken eine Erhöhung der Effektgröße zu erzielen, stellt man fest, daß auch das Sättigungsfeld zunimmt. Beispielsweise bei Verwendung von Co-haltigen Legierungen für die magnetischen Lagen 1 stellt man ferner fest, daß bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 stets Hysterese auftritt, was für die meisten Anwendungen nachteilig ist.

Zur Vermeidung derartiger Nachteile wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die homogenen magnetischen Schichten 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, durch magnetische Trilayer, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, zu ersetzen. In Fig. 2 erkennt man, daß ein derartiges Trilayer, welches insgesamt mit 10 bezeichnet ist, zwei äußere magnetische Lagen 10a, 10b, sowie eine Zwischenlage 10c aufweist. Obwohl auch die Zwischenlage 10c erfindungsgemäß magnetisch ausgebildet sein kann, wird in der folgenden Darstellung davon ausgegangen, daß die Lage 10c aus einem nicht-magnetischen Material, beispielsweise Kupfer oder Ruthenium (Ru), besteht. Durch Wahl der Dicke der Zwischenlage 10c kann eine parallele oder antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen der Lagen 10a, 10b im Falle geeigneter Magnetfelder bewirkt werden.

In Fig. 3 ist schließlich eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen GMR-Zelle dargestellt, bei welcher die magnetischen Schichten 10 als Trilayer ausgebildet sind. Man erkennt, daß zwischen den jeweiligen Trilayern 10 nicht-magnetische Schichten 20 ausgebildet sind. Die für die nicht-magnetischen Schichten 20 der GMR-Zelle verwendeten Materialien können sich von dem Material für die nicht-magnetische Zwischenlage 10c der magnetischen Schicht 10 unterscheiden.

Ein Vergleich des in Fig. 3 dargestellten Magnetisierungszustands (antiparallele Ausrichtung der einzelnen Lagen) der jeweiligen magnetischen Schichten mit dem Magnetisierungszustand der Fig. 1 verdeutlicht, daß mit einer GMR-Zelle, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, innerhalb einer magnetischen Schicht vier verschiedene Magnetisierungszustände realisierbar sind, während bei einer herkömmlichen magnetischen Schicht lediglich zwei Zustände möglich waren.

Das erfindungsgemäße magnetoresistive Element zeichnet sich ferner dadurch aus, daß innerhalb der magnetischen Schichten 10 eine Variation der einzelnen Lagendicken möglich ist.

Durch die genannten Variationsmöglichkeiten können beispielsweise sowohl die Effektgröße als auch das Sättigungsfeld und damit die Empfindlichkeit der Lagen bzw. Schichten gleichzeitig optimiert werden. Werden beispielsweise die nicht-magnetischen Zwischenschichten 20 über eine kleine Austauschwechselwirkung in Richtung kleinerer Sättigungsfelder optimiert, können gleichzeitig die als Trilayer ausgebildeten magnetischen Schichten 10 zur Erzielung großer Effektgrößen hin optimiert werden, wodurch eine MR-Kennlinie mit kleinen Sättigungsfeldern und großen Effektgrößen bereitstellbar ist. Die beiden Größen sind somit im wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar bzw. optimierbar.

Die einzelnen Lagendicken der jeweiligen magnetischen Schichten 10 können, wie bereits erwähnt, unterschiedliche Dicken aufweisen. Beispielsweise kann eine Lage 10a bezüglich einer Lage 10b eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Es sei schließlich noch einmal angemerkt, daß die dargestellte Ausbildung der magnetischen Schichten 10 als Trilayer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bildet. Es sind beliebige Multilayer-Schichtstrukturen der jeweiligen Schichten 10 denkbar.

Die MR-Kennlinie eines magnetoresistiven Elements gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch Vermessung in herkömmlicher Weise, sowie durch eine Analyse des Lagen- bzw. Schichtaufbaus des Elements nachgewiesen werden.

Claims (6)

1. Magnetoresistives Element, insbesondere GMR-Zelle, mit abwechselnd übereinander angeordneten ersten Schichten (10) mit magnetischen Eigenschaften und zweiten Schichten (20) mit nicht-magnetischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schichten (10) einen wenigstens dreilagigen Aufbau (10a, 10b, 10c) aufweisen, wobei wenigstens zwei der wenigstens drei Lagen (10a, 10b, 10c) magnetische Eigenschaften aufweisen.

2. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Lagen wenigstens einer der ersten Schichten (10), insbesondere sämtliche drei Lagen (10a, 10b, 10c), magnetische Eigenschaften aufweisen.

3. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der drei Lagen der wenigstens einen der ersten Schichten (10), insbesondere die mittlere Lage einer dreilagigen ersten Schicht (10), eine Dicke aufweist, welche bei Anliegen eines geeigneten Magnetfeldes eine parallele oder eine antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung der zwei benachbarten Lagen (10a, 10b) verursacht.

4. Magnetoresistives Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Eigenschaften aufweisenden Lagen wenigstens einer der ersten Schichten (10) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.

5. Magnetoresistives Element nach einem der vorstehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der zweiten Schichten (20) und wenigstens eine nicht-magnetische Lage (10c) einer ersten Schicht (10) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.

6. Magnetoresistives Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Lagen wenigstens einer ersten Schicht (10) unterschiedliche Dicken aufweisen.