DE4232244A1

DE4232244A1 - Magnetowiderstands-Sensor

Info

Publication number: DE4232244A1
Application number: DE4232244A
Authority: DE
Inventors: Hugo Van Den Dr Berg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: DE4232244C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetowiderstands-Sensor.

In ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) und in Legierungen aus diesen Metallen ist der elektrische Widerstand abhängig von der Größe und Richtung eines das Material durchdringenden Magnetfeldes. Diesen Effekt nennt man anisotropen Magneto widerstand (AMR) oder anisotropen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen des D-Bandes mit unter schiedlichem Spin, die entsprechend als Majoritäts- und Minoritätselektronen bezeichnet werden. Für magnetoresi stive Sensoren wird im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresistiven Material mit einer Magne tisierung in der Schichtebene verwendet. Die Widerstands änderung bei Drehung der Magnetisierung bezüglich der Stromrichtung kann einige Prozent des normalen isotropen Widerstandes betragen.

Es sind Mehrschichtsysteme bekannt mit mehreren, in einem Stapel angeordneten ferromagnetischen Schichten, die durch metallische Zwischenschichten voneinander getrennt und deren Magnetisierungen jeweils in der Schichtebene liegen. Die jeweiligen Schichtdicken sind dabei wesentlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen ge wählt. In solchen Schichtsystemen tritt nun zusätzlich zu dem anisotropen magnetoresistiven Effekt in den einzelnen Schichten der sogenannte Giant-magnetoresistive Effekt oder Giant-Magnetowiderstand (Giant-MR) auf, der auf der unterschiedlich starken Streuung von Majoritäts- und Mino ritäts-Leitungselektronen an den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und den Zwischenschichten so wie auf Streuungen innerhalb der Schichten, insbesondere in Legierungen, beruht. Dieser Giant-MR ist ein isotroper Effekt und kann erheblich größer sein als der anisotrope MR mit Werten von bis zu 70% des normalen isotropen Widerstandes.

Es sind zwei Grundtypen von Mehrschichtsystemen bekannt. Bei dem ersten Typ sind die ferromagnetischen Schichten über die Zwischenschichten antiferromagnetisch aneinander gekoppelt, so daß sich die in den Schichtebenen liegenden Magnetisierungen von zwei benachbarten ferromagnetischen Schichten ohne äußeres Magnetfeld antiparallel zueinander ausrichten. Ein Beispiel für diesen Typ sind Eisen-Chrom- Übergitter (Fe-Cr-Superlattices) mit ferromagnetischen Schichten aus Fe und antiferromagnetischen Zwischenschich ten aus Cr. Durch ein äußeres Magnetfeld werden nun die Magnetisierungen von benachbarten ferromagnetischen Schichten gegen die antiferromagnetischen Kopplungskräfte gedreht und parallel ausgerichtet. Diese Umorientierung der Magnetisierung durch das Magnetfeld hat eine stetige Abnahme des Giant-MR zur Folge, die ein Maß für die Größe des Magnetfeldes ist. Bei einer Sättigungsfeldstärke H_s tritt keine Änderung des Giant-MR mehr auf, weil sämtliche Magnetisierungen parallel ausgerichtet sind. Der Giant-MR ist symmetrisch für positive und negative Feldstärken, d. h. für parallel und antiparallel zu einer der beiden Magnetisierungsrichtungen ausgerichtete Magnetfelder ("Physical Review Letters", Vol. 61, No. 21, 21. Nov. 1988, Seiten 2472-2475).

Für diesen Typ mit antiferromagnetisch gekoppelten, ferro magnetischen Schichten wurden auch theoretische Berechnun gen durchgeführt, die eine Abhängigkeit der Strom- und der Transmissionskoeffizienten für an den Grenzflächen ge streute Elektronen mit Spin up und solche mit Spin down von dem Winkel zwischen den Magnetisierungen in den fer romagnetischen Schichten aufzeigen. Aus diesen Berechnun gen ergibt sich, daß der Giant-MR bei von 0° auf 180° wachsendem Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen, entsprechend einer Drehung von einer parallelen in eine antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen zueinander, stetig zunimmt und am größten bei einem Winkel von 180° ist ("Physical Review Letters", Vol. 63, No. 6, August 1989, Seiten 664 bis 667).

Bei dem zweiten Typ eines MR-Mehrschichtsystems sind fer romagnetische Schichten mit zueinander parallelen Magne tisierungen in den Schichtebenen durch dia- oder parama gnetische Zwischenschichten voneinander getrennt. Die Zwi schenschichten sind so dick gewählt, daß keine magnetische Austauschkopplung zwischen den Magnetisierungen der ferro magnetischen Schichten auftritt. Jeweils benachbarte fer romagnetische Schichten weisen unterschiedliche Koerzitiv feldstärken auf. Dadurch werden die in der Sättigung zu nächst parallelen Magnetisierungen M₁ und M₂ von zwei be nachbarten Schichten durch das Magnetfeld H unterschied lich stark gedreht und es stellt sich ein vom Magnetfeld H abhängiger Winkel Phi zwischen den beiden Magnetisierungen M₁ und M₂ ein. Dieser Winkel Phi nimmt für Feldstärken H zwischen 0 und einem Grenzwert H_S1 unterhalb der Koerzitiv feldstärke H_c1 des magnetisch weicheren Materials von Phi = 0° auf Phi = 180° zu, bleibt bei Phi = 180° zwischen diesem Grenzwert H_S1 und einem zweiten Grenzwert H_S2 ober halb der Koerzitivfeldstärke H_c2 des härteren Materials und nimmt dann wieder bis auf Phi = 0° ab. Für H_S1 H H_S2 sind die Magnetisierungen M1 und M2 also antiparallel gerichtet und die Magnetowiderstandskurve weist ein Pla teau auf. In diesem Bereich ist der Magnetowiderstand besonders groß und annähernd konstant. Verschiedene Koerzitivfeldstärken H_c1 H_c2 kann man durch die Wahl unterschiedlicher Materialien oder durch unterschiedliche Herstellungsprozesse oder unterschiedliche Dicken des gleichen Materials einstellen. Bekannte Schichtstrukturen mit unterschiedlichen Materialien sind beispielsweise NiFe-Cu-Co-Schichtstrukturen und Fe-Cu-Co-Strukturen. Ein auf unterschiedlicher Herstellung oder unterschiedlichen Dicken beruhendes, bekanntes Schichtsystem ist ein Co-Au-Co-System ("Journal of Applied Physics", Vol. 70, No. 10, 15. Nov. 1991, Seiten 5864-5866).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Magne towiderstands-Sensor mit einem Mehrschichtsystem anzuge ben, der eine wenigstens annähernd lineare Kennlinie und eine hohe Meßempfindlichkeit hat.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es sind wenigstens zwei Ma gnetschichten vorgesehen, die durch eine Zwischenschicht getrennt sind. Eine der beiden Magnetschichten ist als Meßschicht vorgesehen und ist mit einer Magnetisierung _M in ihrer Schichtebene versehen. Die andere Magnetschicht ist als Biasschicht vorgesehen und ist mit einer im Meß bereich wenigstens annähernd konstanten Magnetisierung _B in ihrer Schichtebene versehen. Die Magnetisierung _M der Meßschicht und die feste Magnetisierung _B der Biasschicht sind gemäß der Erfindung wenigstens annähernd senkrecht zueinander gerichtet, wenn kein Magnetfeld H anliegt. Dadurch wird der Arbeitspunkt des Sensors bei nicht vor handenem Magnetfeld H = 0 in einem Bereich eingestellt, in dem die Kennlinie wenigstens annähernd linear ist und eine maximale Steigung aufweist. Zur Messung des Wider stands des Schichtsystems sind zwei Meßkontakte vorge sehen. Dieser Widerstand ist ein Maß für die Größe des Magnetfeldes.

Die wenigstens annähernd senkrechte Ausrichtung der Magne tisierungen _M und _B zueinander kann auf zwei Arten er reicht werden.

In der einen vorteilhaften Ausführungsform wird die Meß schicht mit einer magnetischen Vorzugsachse A_M versehen, die wenigstens annähernd senkrecht zur festen Magnetisie rung _B der Biasschicht gerichtet ist, und entlang dieser Vorzugsachse A_M magnetisiert. Die Zwischenschicht und insbesondere ihre Dicke werden dann so gewählt, daß die Meßschicht und die Biasschicht magnetisch austauschent koppelt sind.

In der anderen Ausführungsform wird die sogenannte 90°- Kopplung ausgenutzt. Die Dicke der Zwischenschicht wird auf einen Wert eingestellt, bei dem die magnetische Aus tauschkopplung zwischen Meßschicht und Biasschicht ihr Vorzeichen wechselt, d. h. von einer ferromagnetischen in eine antiferromagnetische Kopplung übergeht bzw. umge kehrt. Durch die statistischen Schwankungen der Dicke stellt sich nun die Magnetisierung _M der Meßschicht im Mittel automatisch unter einem Winkel von 90° zur Magneti sierung _B der Biasschicht ein.

Bei verschiedenen Materialien und verschiedener Geometrie der Schichten kann es zur Kompensation der entstehenden entmagnetisierenden Felder erforderlich sein, einen etwas von 90° abweichenden Winkel zwischen _M und _B einzustel len, um den für Linearität und Empfindlichkeit des Sensors optimalen Arbeitspunkt zu erreichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Meßschicht aus einem weichmagnetischen und die Biasschicht ist aus einem hartmagnetischen Material.

Es können nun Abweichungen des Winkels zwischen den beiden Magnetisierungen _M und _B von den gewünschten etwa 90° auftreten, wenn sich der magnetische Fluß der Biasschicht über der Meßschicht schließt. Die Magnetisierung _M in der Meßschicht wird dann im ungünstigsten Fall antiparallel zur Magnetisierung _B in der Biasschicht ausgerichtet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Magnetisie rung |_B| der Biasschicht deshalb niedriger gewählt als die Magnetisierung |_M| der Meßschicht.

Vorzugsweise sind mehrere, jeweils durch eine Zwischen schicht getrennte Schichtsysteme aus einer Meßschicht, einer Zwischenschicht und einer Biasschicht in einem periodischen Stapel angeordnet. Die Magnetisierungen der Biasschichten sind dabei alle gleichgerichtet magneti siert. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft mit den vorgenannten Ausführungsformen kombiniert werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren einziger Figur eine Ausführungsform eines Magnetowider stands-Sensors gemäß der Erfindung mit einem Schichtsystem im Querschnitt schematisch dargestellt ist.

Es ist ein Schichtsystem 10 vorgesehen, das aus einer magnetischen Meßschicht 2 und einer magnetischen Bias schicht 6 sowie einer dazwischen angeordneten Zwischen schicht 4 gebildet ist. Alle drei Schichten bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, und ihre Dicken sind wesentlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen. Die Meßschicht 2 weist eine Magne tisierung _M entlang einer Vorzugsachse auf, die mit A_M bezeichnet ist und in der Schichtebene parallel zur Meß schicht 2 verläuft. Die Biasschicht 6 ist mit einer festen Magnetisierung _B in ihrer Schichtebene versehen, die wenigstens annähernd senkrecht zur Vorzugsachse A_M der Meßschicht 2 gerichtet ist und als in die Zeichenebene hineinragend dargestellt ist. Die Magnetisierung _B kann allerdings auch umgekehrt gerichtet sein. Durch die im Grundzustand wenigstens annähernd orthogonale Ausrichtung der Vorzugsachse A_M, und damit der Magnetisierung _M, relativ zur Magnetisierung _B liegt der Arbeitspunkt des Sensors in einem wenigstens annähernd linearen Bereich der Kennlinie mit zugleich der größten Steigung.

Der Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen _M und _B kann zur Kompensation von entmagnetisierenden Feldern etwas von 90° abweichen.

Die Magnetisierung _B soll in dem Meßbereich des anlie genden Feldes wenigstens annähernd konstant bleiben und insbesondere sich nicht in der Schichtebene drehen. Dazu wird in einer bevorzugten Ausführungsform in die Bias schicht 6 eine magnetische, uniaxiale Anisotropie, insbe sondere eine Kristallanisotropie, eine feldinduzierte Anisotropie oder eine spannungsinduzierte Anisotropie, eingeprägt und die Biasschicht 6 entlang der Anisotropie achse magnetisiert.

Wird nun ein Magnetfeld in der Schichtebene angelegt, dann ändert sich die Magnetisierung _M in der Meßschicht 2 und die Magnetisierung _B der Biasschicht 6 bleibt unver ändert. Eine Komponente _v des Magnetfeldes senkrecht zur Vorzugsachse A_M der Meßschicht 2 dreht die Magneti sierung _M der Meßschicht 2 in Richtung zur Magnetisierung _B bzw. -_B, entsprechend der Feldrichtung _v. In der Sättigung sind die beiden Magnetisierungen _M und _B dann parallel bzw. antiparallel gerichtet. Dieser Drehprozeß erzeugt zwischen zwei nicht dargestellten Meßkontakten ein Giant-Magnetowiderstandssignal in Abhängigkeit vom Dreh winkel. Eine Komponente _p des Magnetfeldes parallel zur Vorzugsachse A_M dagegen bewirkt eine Domänenwandverschie bung und somit lediglich eine Richtungsumkehr der Magne tisierung _M an den Domänenwänden. Ein Magnetowiderstands signal wird dadurch nicht erzeugt. Bei einem Magnetfeld senkrecht zur Schichtebene finden wegen der hohen entmagne tisierenden Felder in der Meßschicht 2 ebenfalls praktisch keine Drehprozesse statt, und damit wird auch kein Magneto widerstandssignal gemessen. Der Magnetowiderstands-Sensor ist also im wesentlichen nur empfindlich für die Kompo nente _v des Magnetfeldes , die orthogonal zur Vorzugs achse A_M bzw. allgemein zur Magnetisierung _M der Meß schicht 2 im Grundzustand, d. h. bei H = 0, gerichtet ist.

Vorzugsweise sind mehrere Schichtsysteme vorgesehen, die durch jeweils eine Zwischenschicht getrennt und in einem periodischen Stapel angeordnet sind. Die Zahl dieser Schichtsysteme kann bis zu 100 betragen. Die Schicht dicken liegen typischerweise in einem Bereich zwischen 1 nm und 1 µm, während die anderen Abmessungen der Schich ten typischerweise in der Größenordnung von mm bis cm liegen.

Claims

1. Magnetowiderstands-Sensor mit folgenden Merkmalen:

a) Es ist wenigstens eine Meßschicht (2) vorgesehen, die mit einer Magnetisierung (_M) in ihrer Schichtebene versehen ist;
b) auf wenigstens einer Seite der Meßschicht (2) ist eine Biasschicht (6) mit einer im Meßbereich wenigstens annähernd konstanten Magnetisierung (_B) in ihrer Schichtebene vorgesehen, die von der Meßschicht (2) durch eine Zwischenschicht (4) getrennt ist;
c) die Magnetisierung (_M) der Meßschicht (2) und die Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) sind wenigstens annähernd senkrecht zueinander gerichtet, wenn kein äußeres Magnetfeld () anliegt;
d) es sind Meßkontakte vorgesehen zum Erfassen eines Widerstandssignals, das ein Maß für ein anliegendes Magnetfeld () ist.

2. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß

a) die Meßschicht (2) und die Biasschicht (6) durch die Zwischenschicht (4) magnetisch austauschentkoppelt sind und
b) die Meßschicht mit einer magnetischen Vorzugsachse (A_M) versehen ist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) gerichtet ist.

3. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht (4) auf einen Wert eingestellt ist, bei dem die magnetische Austauschkopplung zwischen der Meßschicht (2) und der Biasschicht (6) ihr Vorzeichen ändert.

4. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2) aus einem weichmagnetischen Mate rial besteht und die Biasschicht (6) aus einem hartmagne tischen Material besteht.

5. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) betrags mäßig kleiner gewählt ist als die Magnetisierung (_M) der Meßschicht (2).

6. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß mehrere aus jeweils einer Meßschicht (2), einer Zwischenschicht (4) und einer Biasschicht (6) ge bildeten Schichtsysteme (10) periodisch übereinander an geordnet sind, und jeweils durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind.