DE4243358A1

DE4243358A1 - Magnetowiderstands-Sensor mit künstlichem Antiferromagneten und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4243358A1
Application number: DE4243358A
Authority: DE
Inventors: Hugo Van Den Dr Berg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1994-06-23
Also published as: JP2846472B2; EP0674769B1; ES2086993T3; DE59302536D1; EP0674769A1; ATE137866T1; JPH07509811A; US5686838A; KR950704694A; WO1994015223A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetowiderstands-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) und in Legierungen mit 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 mit unterschiedlichem Spin, die entsprechend als Majoritäts- und Minoritätselek tronen des D-Bandes 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 Strom richtung kann einige Prozent des normalen isotropen Wider standes betragen.

Es sind Mehrschichtsysteme bekannt mit mehreren, zu einem Stapel angeordneten ferromagnetischen Schichten, die durch metallische Zwischenschichten voneinander getrennt sind, und deren Magnetisierungen jeweils in der Schichtebene liegen. Die jeweiligen Schichtdicken sind dabei wesentlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselek tronen gewählt. In solchen Schichtsystemen tritt nun zu sätzlich zu dem anisotropen magnetoresistiven Effekt in den einzelnen Schichten der sogenannte Giant-magnetoresi stive Effekt oder Giant-Magnetowiderstand (Giant-MR) auf, der auf der unterschiedlich starken Streuung von Majori täts- und Minoritäts-Leitungselektronen im Volumen der Schichten, insbesondere in Legierungen, sowie an den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und den Zwischenschichten 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 solchen Giant-MR-Mehrschicht systemen bekannt. Bei dem ersten Typ sind die ferromagne tischen Schichten über die Zwischenschichten antiferro magnetisch aneinander gekoppelt, so daß sich die in den Schichtebenen liegenden Magnetisierungen von zwei benach barten ferromagnetischen Schichten ohne äußeres Magnetfeld antiparallel zueinander ausrichten. Ein Beispiel für die sen Typ sind Eisen-Chrom-Übergitter (Fe-Cr-Superlattices) mit ferromagnetischen Schichten aus Fe und antiferromagne tischen Zwischenschichten aus Cr. Durch ein äußeres Ma gnetfeld werden nun die Magnetisierungen von benachbarten ferromagnetischen Schichten gegen die antiferromagneti schen Kopplungskräfte gedreht und parallel ausgerichtet. Diese Umorientierung der Magnetisierungen durch das Ma gnetfeld 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 dann parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Giant-MR hängt dabei lediglich von dem Betrag der Feldstärke ab ("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 benach barten ferromagnetischen Schichten aufzeigen. Aus diesen Berechnungen ergibt sich, daß der Giant-MR bei von 0° auf 180° wachsendem Winkel zwischen den beiden Magnetisierun gen 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 Giant-MR-Mehrschichtsystems sind ferromagnetische Schichten mit zueinander im Mittel paral lelen Magnetisierungen in den Schichtebenen durch dia- oder paramagnetische Zwischenschichten aus Metall vonein ander getrennt. Die Zwischenschichten sind so dick ge wählt, daß die magnetische Austauschkopplung zwischen den Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten möglichst gering ist. Jeweils benachbarte ferromagnetische Schichten weisen unterschiedliche Koerzitivfeldstärken auf. Dadurch werden die in der Sättigung zunächst parallelen Mittel werte der Magnetisierungen M₁ und M₂ von magnetisch wei cheren Meßschichten und benachbarten, magnetisch härteren Biasschichten durch ein Magnetfeld H unterschiedlich stark gedreht, und es stellt sich ein vom Magnetfeld H abhängi ger Winkel Phi zwischen den Mittelwerten der Magnetisie rungen M₁ und M₂ ein. Die Abhängigkeit der einzelnen Magnetisierungen M₁ und M₂ vom Magnetfeld H ergibt sich dabei aus den entsprechenden Hysteresekurven des magne tisch weicheren bzw. des magnetisch härteren Materials. Zwischen den Koerzitivfeldstärken H_c1 der weichmagneti schen und H_c2 der hartmagnetischen Schichten und zwischen -H_c2 und -H_c1 liegt jeweils ein Bereich, in dem die Magne tisierung M₁ schon in Sättigung ist und die Magnetisierung M₂ noch ihren der Sättigung entsprechenden Wert hat und antiparallel zur Magnetisierung M₁ gerichtet ist, d. h. Phi = 180°. In diesem Bereich ist das MR-Signal maximal und konstant. Verschiedene Koerzitivfeldstärken |H_c1||H_c2| kann man durch die Wahl unterschiedlicher Materialien oder durch unterschiedliche Herstellungsprozesse bzw. die Wahl unterschiedlicher Dicken des gleichen Materials einstel len. Bekannte Schichtstrukturen mit unterschiedlichen Materialien sind beispielsweise NiFe-Cu-Co-Schichtstruktu ren und Fe-Cu-Co-Strukturen. Ein auf unterschiedlicher Herstellung oder unterschiedlichen Dicken beruhendes, be kanntes Schichtsystem ist ein Co-Au-Co-System ("Journal of Applied Physics", Vol. 70, No. 10, 15. Nov. 1991, Sei ten 5864-5866). Das MR-Signal dieser bekannten Schicht systeme hängt nun jedoch von ihrer Vorgeschichte ab, d. h. auf welchem Weg und zwischen welchen Werten für das Magnetfeld sowie in welcher Richtung die Hysteresekurven durchlaufen werden. Mit einem solchen Schichtsystem läßt sich daher kein MR-Sensor mit einer eindeutigen Kennlinie realisieren. Außerdem schließt sich bei diesen bekannten Schichtsystemen ein Teil des Magnetflusses der härteren Biasschichten über den weicheren Meßschichten. Dieses magnetische Störfeld verringert die Meßempfindlichkeit des Sensors und hat eine unerwünschte Verschiebung der Sensor kennlinie zur Folge.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Magnetowiderstands-Sensor mit einem Schichtsystem aus wenigstens einer Meßschicht und wenigstens einer durch eine Zwischenschicht von der Meßschicht austauschent koppelten Biasschicht anzugeben, der eine eindeutige Kennlinie aufweist und bei dem Störfelder der Biasschicht in der Meßschicht weitgehend unterdrückt werden. Insbeson dere soll ein linearer Magnetowiderstands-Sensor angegeben werden. Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetowiderstands-Sensors anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 20. Die Ma gnetisierung _M der Meßschicht hängt wenigstens in einer Richtung reversibel und damit eindeutig vom zu messenden Magnetfeld ab und die Biasschicht ist mit einer im Meßbe reich wenigstens annähernd konstanten Magnetisierung _B versehen. Dadurch erhält man ein Widerstandssignal, das eindeutig von dem Magnetfeld abhängt. Um zu verhindern, daß sich ein Teil des Magnetflusses der Biasschicht, ins besondere bei großem _B, über der Meßschicht schließt, ist nun die Biasschicht an ihrer von der Meßschicht abge wandten Seite antiferromagnetisch über eine Kopplungs schicht an eine Magnetschicht angekoppelt. Die Bias schicht, die Kopplungsschicht und die Magnetschicht bilden einen "künstlichen Antiferromagneten", der nach außen ma gnetisch weitgehend neutral ist, d. h. dessen Magnetfluß sich praktisch ganz zwischen der Biasschicht und der Magnetschicht schließt. Ein besonderer Vorteil dieses "künstlichen Antiferromagneten" ist die Stabilisierung der Magnetisierung _B der Biasschicht auch bei starken äußeren Magnetfeldern H. Zur Messung des Widerstands des Schicht systems sind wenigstens zwei Meßkontakte vorgesehen.

Diese Meßkontakte können in einem Abstand voneinander vorzugsweise auf der obersten Schicht angeordnet sein, so daß der Meßstrom im Mittel parallel zu den Schichtebenen fließt (cip = current-in-planes). In einer anderen Ausfüh rungsform sind die Meßkontakte auf der obersten und der untersten Schicht angeordnet, so daß der Meßstrom senk recht zu den Schichtebenen fließt (cpp = current-perpen dicular-to-planes). Ein Schichtsystem mit derartig ange ordneten cpp-Meßkontakten ist aus "Physical Review B", Vol. 46, No. 1 (1992), Seiten 548-551 bekannt.

In einem vorteilhaften, symmetrischen Aufbau ist auf der anderen Seite der Magnetschicht eine weitere Biasschicht angeordnet, die über eine Kopplungsschicht mit der Ma gnetschicht antiferromagnetisch gekoppelt ist.

Vorzugsweise ist die Meßschicht mit einer magnetischen Vorzugsachse A_M versehen. Die Meßschicht kann allerdings auch aus einem superparamagnetischen Material gewählt sein. Dann ist ihre Magnetisierung _M in allen Richtungen reversibel vom Magnetfeld abhängig.

Im Grundzustand, d. h. wenn kein Magnetfeld anliegt, stellt sich eine Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meßschicht ein. Diese Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meßschicht ist nun in einer Ausführungsform parallel zur Magnetisie rung oder den Magnetisierungen _B der Biasschicht bzw. der Biasschichten parallel gerichtet. Dazu wird die Meßschicht entlang einer parallel zur Magnetisierung _B gerichteten Vorzugsachse magnetisiert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meßschicht und die feste Magnetisierung _B der Biasschicht wenigstens an nähernd senkrecht zueinander gerichtet. Dadurch wird der Arbeitspunkt des Sensors bei nicht vorhandenem Magnetfeld H = 0 in einem Bereich eingestellt, in dem die Kennlinie wenigstens annähernd linear ist und eine maximale Steigung aufweist.

Um die Magnetisierungen _MO und _B wenigstens annähernd senkrecht zueinander auszurichten, wird die Meßschicht vorzugsweise mit einer magnetischen Vorzugsachse A_M ver sehen, die wenigstens annähernd senkrecht zur festen Mag netisierung _B der Biasschicht gerichtet ist, und entlang dieser Vorzugsachse A_M magnetisiert.

In einer 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 Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meßschicht im Mittel automatisch unter einem Winkel von 90° zur Magnetisierung _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 _MO und _B einzustel len, um den für Linearität und Empfindlichkeit des Sensors optimalen Arbeitspunkt zu erreichen.

Stärkere Abweichungen von der wenigstens annähernd senk rechten Ausrichtung der Magnetisierungen _MO und _B zuein ander verschlechtern die Empfindlichkeit und die Lineari tät des Sensors.

Eine Ursache für solche störende Abweichungen des Winkels zwischen den beiden Magnetisierungen _MO und _B von den gewünschten etwa 90° kann sein, wenn sich immer noch ein Rest des magnetischen Flusses der Biasschicht über der Meßschicht schließt. Die Grundzustandsmagnetisierung _MO in der Meßschicht wird dann im ungünstigsten Fall dieser magnetostatischen Kopplung von Meßschicht und Biasschicht schon antiparallel zur Magnetisierung _B in der Bias schicht ausgerichtet, ohne daß ein Magnetfeld anliegt.

In einer besonderen Ausführungsform ist die Meßschicht zur zusätzlichen magnetostatischen Entkopplung von der Biasschicht wenigstens in Richtung der Magnetisierung _B der Biasschicht und vorzugsweise ringsum außen kürzer ausgebildet als wenigstens die Biasschicht. Vorzugsweise werden die Übergänge zwischen den Randbereichen ohne Meß schicht und dem mittleren Meßbereich mit der Meßschicht fließend gestaltet. Beispielsweise kann die Dicke der Meßschicht in diesen Übergangsbereichen zur Mitte hin kontinuierlich zunehmen.

In einer weiteren Ausführungsform ist zur weiteren magne tostatischen Entkopplung die Magnetisierung |_B| der Bias schicht niedriger gewählt als die Grundzustandsmagnetisie rung |_MO| der Meßschicht.

Auch aufgrund von entmagnetisierenden Feldern vor allem in den Randbereichen der Schichten und insbesondere in der Biasschicht können Abweichungen von den vorgegebenen Richtungen für die Magnetisierungen _MO und _B auftreten. Deshalb sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Meßkontakte zur Widerstandsmessung in einen inneren Meßbe reich des Schichtsystems verlegt, um den Einfluß dieser Randbereiche auf das Meßsignal zu vermeiden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Schichten länglich ausgebildet, wobei ihre Längsrichtung senkrecht zur Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meß schicht verläuft. Dadurch ist die relative Lage der Grund zustandsmagnetisierung _MO und der Magnetisierung _B zu einander besonders stabil. Zudem erreicht man eine hohe Empfindlichkeit des Sensors und verringert die Verschie bung seiner Kennlinie, weil die von der Meßschicht bzw. der Biasschicht erzeugten entmagnetisierenden Felder stark abgeschwächt werden und ihr dem zu messenden Magnetfeld entgegenwirkender Einfluß verringert wird.

Zur Magnetflußumlenkung und für eine geringere Domänen bildung kann in einer weiteren Ausführungsform wenigstens eine Meßschicht durch zwei Meßschichten mit antiparallel zueinander gerichteten Magnetisierungen ersetzt werden, die durch eine Zwischenschicht getrennt sind. Vorzugsweise sind beide Magnetisierungen gegen die Normalenrichtung zur Magnetisierung _B der Biasschicht so geneigt, daß sie einen Winkel kleiner als 180° einschließen. Dadurch wird die Bildung von Domänen in den Meßschichten verringert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Materialien für die Schichten des Sensors derart gewählt, daß der spezifische Widerstand für denjenigen Elektronentyp, der in der Meßschicht bei parallel zu einander gerichteten Magnetisierungen _M und _B in Meß schicht und Biasschicht nur wenig gestreut wird, auch in den anderen Schichten, insbesondere der Magnetschicht des künstlichen Antiferromagneten, und an ihren Grenzflächen möglichst gering ist. Bei einer solchen Wahl erreicht man einen sehr guten Kontrast zwischen dem maximalen und dem minimalen Magnetowiderstandssignal. Als entscheidende Parameter werden dabei die Verhältnisse von spezifischem Widerstand für die Minoritätsträger und spezifischen Widerstand für die Majoritätsträger in den einzelnen Schichten und an ihren Grenzflächen eingestellt. Diese Parameter werden durch die jeweiligen Wirtsmaterialien und Fremdatome als Streuzentren bestimmt. Die parallele Aus richtung der Magnetisierungen _M und _B kann dabei schon im Grundzustand oder erst bei einem parallel zu _B an liegenden Magnetfeld vorliegen.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen von Schicht subsystemen können miteinander kombiniert werden und in einem Stapel aus einer Vielzahl solcher Subsysteme an ge ordnet werden. Die Zahl dieser Schichtsubsysteme wird im allgemeinen zwischen 1 und 100 gewählt. Das Basissubsystem ist das System Meßschicht-Zwischenschicht- "künstlicher Antiferromagnet", wobei der "künstliche Antiferromagnet" aus Biasschicht, Kopplungsschicht und Magnetschicht oder im symmetrischen Aufbau aus zwei Biasschichten mit einer dazwischen angeordneten und jeweils über eine Kopplungs schicht antiferromagnetisch an die Biasschichten gekop pelten Magnetschicht bestehen kann. Die Magnetisierungen _B der Biasschichten sind in allen Ausführungsformen gleich gerichtet. Die Grundzustandsmagnetisierungen _MO der Meßschichten sind entweder kollinear oder senkrecht zu den Magnetisierungen _B der Biasschichten gerichtet. Die Subsysteme sind jeweils durch eine weitere Zwischenschicht voneinander getrennt.

Ein Magnetowiderstands-Sensor gemäß der Erfindung, ins besondere der "künstliche Antiferromagnet", kann auf mehreren Wegen hergestellt werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, für die Biasschicht und die Magnetschicht des "künstlichen Antiferromagneten" Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken zu wählen. Die beiden Schichten werden in einem uniformen Biasmagnetfeld, das größer ist als beide Koerzitivfeld stärken, gesättigt. Bei abnehmendem Magnetfeld richtet sich nun die Magnetisierung des magnetisch weicheren Mate rials wegen der antiferromagnetischen Austauschkoppelung antiparallel zur Magnetisierung des magnetisch härteren Materials aus.

Eine zweite Möglichkeit ist das Einprägen einer feldindu zierten Vorzugsachse in die Biasschicht durch ein Bias magnetfeld während der Ablagerung der Schichten in einem Vakuumsystem und ein anschließendes Magnetisieren der Biasschicht entlang dieser Vorzugsachse. Die Magnetisie rung der antiferromagnetisch gekoppelten Magnetschicht stellt sich dann von selbst antiparallel zur Magnetisie rung _B der Biasschicht ein. Es kann allerdings auch um gekehrt die Magnetschicht mit einer Vorzugsachse versehen werden und entlang dieser Vorzugsachse magnetisiert wer den.

Eine dritte Möglichkeit der Herstellung des künstlichen Antiferromagneten bietet die Wahl zweier magnetischer Materialien mit unterschiedlicher Curietemperatur und wenigstens annähernd gleicher Magnetisierung bei Raum temperatur bzw. allgemein der Einsatztemperatur des Sensors für die Biasschicht und die Magnetschicht. Die Biasschicht und die Magnetschicht werden zusammen mit der dazwischen angeordneten Kopplungsschicht auf eine Einprä getemperatur gebracht, bei der sich die Magnetisierbar keiten der beiden Materialien unterscheiden, und in einem temperaturabhängigen Biasmagnetfeld gesättigt, das wenig stens bei der Einprägetemperatur einen von Null verschie denen Wert zum Sättigen hat und beispielsweise kontinuier lich oder sprunghaft von der Temperatur abhängen kann. Liegt die Einprägetemperatur oberhalb der Einsatztempera tur, so wird die Schicht mit der höheren Curietemperatur stärker magnetisiert. Bei einer tiefer als die Einsatz temperatur liegenden Einprägetemperatur wird im allgemei nen die Schicht mit der niedrigeren Curietemperatur stär ker magnetisiert. Bei einer darauffolgenden Temperatur änderung auf die Einsatztemperatur wird sich die Magneti sierung der stärker magnetisierten Schicht nicht mehr ändern und die Magnetisierung der anderen Schicht wird durch die antiferromagnetische Kopplung antiparallel aus gerichtet. Im allgemeinen wird die Einprägetemperatur höher gewählt als die Einsatztemperatur.

Die drei genannten Möglichkeiten der Wahl der Material eigenschaften für den "künstlichen Antiferromagneten" können natürlich auch beliebig kombiniert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 und 2 jeweils eine Ausführungsform eines Magneto widerstands-Sensors gemäß der Erfindung im Quer schnitt,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit nach innen verlegten Meß kontakten in der Draufsicht,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit Randbereichen ohne Meß schicht im Querschnitt und

Fig. 5 eine Ausführungsform mit zwei benachbarten Meß schichten im Querschnitt schematisch dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Magnetowiderstand- Sensors mit einem Schichtsubsystem, das aus einer magneti schen Meßschicht 2 und einer magnetischen Biasschicht 6, einer dazwischen angeordneten, nicht magnetischen Zwi schenschicht 4, sowie einer an die von der Meßschicht 2 abgewandten Seite der Biasschicht 6 über eine Kopplungs schicht 8 antiferromagnetisch angekoppelte Magnetschicht 10 gebildet ist. Alle Schichten bestehen aus einem elek trisch leitendem Material, und ihre Dicken sind wesentlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselek tronen. Die Meßschicht 2 weist eine Grundzustandsmagne tisierung _MO entlang einer Vorzugsachse auf, die mit A_M bezeichnet ist und in der Schichtebene der Meßschicht 2 verläuft. Die Biasschicht 6 ist mit einer festen Magneti sierung _B in ihrer Schichtebene versehen, die wenigstens annähernd senkrecht zur Vorzugsachse A_M der Meßschicht 2 gerichtet ist und in der Zeichenebene dargestellt ist. Die Magnetisierung _B kann allerdings auch umgekehrt gerichtet sein. Durch die wenigstens annähernd orthogonale Ausrich tung der Vorzugsachse A_M und damit der Grundzustands magnetisierung _MO relativ zur Magnetisierung _B liegt der Arbeitspunkt des Sensors in dieser bevorzugten Ausfüh rungsform in einem wenigstens annähernd linearen Bereich der Kennlinie mit zugleich der größten Steigung. Der Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen _MO und _B kann zur Kompensation von entmagnetisierenden Feldern etwas von 90° abweichen.

Wegen der antiferromagnetischen Kopplung ist die Mag netisierung _AF der Magnetschicht 10 antiparallel zur Mag netisierung _B der Biasschicht 6 gerichtet. Die Bias schicht 6, die Kopplungsschicht 8 und die Magnetschicht 10 bilden zusammen einen "künstlichen Antiferromagneten", der nach außen weitgehend magnetisch neutral ist, weil der Magnetfluß im wesentlichen nur zwischen der Biasschicht 6 und der Magnetschicht 10 verläuft. Die Richtung der Mag netisierung _B der Biasschicht 6 ist dadurch auch bei hohen äußeren Feldern sehr stabil.

Wird nun ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Magnetfeld in der Schichtebene angelegt, dann ändert sich die Magneti sierung _M in der Meßschicht 2 aus der Grundzustandsmagne tisierung _MO und die Magnetisierung _B der Biasschicht 6 bleibt im wesentlichen unverändert. Eine Komponente H_v des Magnetfeldes senkrecht zur Vorzugsachse A_M der Meß schicht 2 dreht die Magnetisierung _M der Meßschicht 2 in Richtung zur Magnetisierung _B bzw. -_B, entsprechend der Feldrichtung . In der Sättigung sind die beiden Magne tisierungen _M und _B dann parallel bzw. antiparallel gerichtet. Dieser Drehprozeß erzeugt ein Ciant-Magneto widerstandssignal in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Eine Komponente _p des Magnetfeldes H parallel zur Vorzugsachse A_M dagegen bewirkt eine Domänenwandverschiebung und somit lediglich eine Richtungsumkehr der Magnetisierung _M an den Domänenwänden. Ein Magnetowiderstandssignal wird dadurch nicht erzeugt. Bei einem Magnetfeld senkrecht zur Schichtebene finden wegen der hohen entmagnetisierenden Felder in der Meßschicht 2 ebenfalls praktisch keine Drehprozesse statt, und damit wird auch kein Magnetowider standssignal gemessen. Der Magnetowiderstands-Sensor ist also im wesentlichen nur empfindlich für die Komponente _v des Magnetfeldes , die orthogonal zur Vorzugsachse A_M in dieser Ausführungsform bzw. allgemein zur Grundzustands magnetisierung _MO der Meßschicht 2 gerichtet ist.

Die Magnetisierung _B der Biasschicht 6 soll in dem Meß bereich des anliegenden Feldes H konstant bleiben und insbesondere sich nicht in der Schichtebene drehen. Dazu kann in einer Ausführungsform in die wenigstens eine Bias schicht eine magnetische, uniaxiale Anisotropie, insbeson dere eine Kristallanisotropie, eine feldinduzierte Aniso tropie oder eine spannungsinduzierte Anisotropie, einge prägt werden. Die Biasschicht wird dann entlang der Aniso tropieachse magnetisiert.

In einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein "künst licher Antiferromagnet" mit einem symmetrischen Aufbau vorgesehen. Die Magnetschicht 10 ist auf einer Seite wieder über die Koppelungsschicht 8 an die Biasschicht 6 antiferromagnetisch angekoppelt. Auf der anderen Seite der Magnetschicht 10 sind nun eine weitere Kopplungsschicht 8′ und darauf eine weitere Biasschicht 6′ angeordnet. Die Bias schicht 6′ und die Magnetschicht 10 sind ebenfalls antiferro magnetisch gekoppelt, so daß die Magnetisierungen _B und _B′ der beiden Biasschichten 6 und 6′ parallel zueinander und beide antiparallel zur Magnetisierung _AF der Magnet schicht 10 gerichtet sind. Auf der Biasschicht 6 ist wieder die Zwischenschicht 4 und auf dieser die Meßschicht 2 an geordnet. Auch an die Biasschicht 6′ können sich eine wei tere Zwischenschicht und eine weitere Meßschicht anschließen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Magnetisierung _M der Meßschicht 2 parallel zu den Magnetisierungen _B und _B′ der Biasschichten 6 und 6′ gerichtet. In diese Lage kann die Magnetisierung _M aus der zu _B orthogonalen Grundzustandsmagnetisierung _MO durch ein Magnetfeld gedreht worden sein oder auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform schon im Grundzustand eingestellt sein, beispielsweise durch Einprägen einer entsprechenden Vor zugsachse.

Zur Widerstandsmessung sind, vorzugsweise auf der obersten Schicht des Schichtsystems, zwei Meßkontakte in einem Abstand zueinander angeordnet, der vorzugsweise wesentlich größer als die Dicke des Schichtsystems ist (cip). In einer anderen Ausführungsform sind die Meßkontakte auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtsystems angeordnet (cpp). Ihr Abstand entspricht dann der Dicke des Schicht systems. Typische Dicken des gesamten Schichtsystems liegen zwischen 3 nm und 400 nm und typische Abstände der Meßkontakte in einem Bereich von 3 nm bis 1 mm. Zwischen den beiden - in Fig. 2 nicht dargestellten - Meßkontakten bildet sich in dem gesamten Schichtsystem ein elektri scher Strom von Leitungselektronen aus. Dieser Strom läßt sich aus zwei nicht wechselwirkenden Teilströmen super ponieren, die sich aus Elektronen unterschiedlichen Spins zusammensetzen. In den magnetisierten Schichten gibt es nun einen Teilstrom von Majoritätselektronen, deren Spins im Mittel parallel zur Magnetisierung der entsprechenden Schicht gerichtet sind, und einen Teilstrom von Minori tätsträgern mit im Mittel antiparallel zur Magnetisierung gerichteten Spins. In magnetischen Übergangsmetallen, die vorzugsweise als Materialien für diese Schichten vorge sehen sind, sind die Streuquerschnitte der aus Fremdatomen gebildeten Streuzentren für Elektronen mit unterschiedli chem Spin unterschiedlich groß. Solche Streuzentren be finden sich sowohl innerhalb der magnetischen Schichten als auch an ihren Grenzflächen. Die Streuung der Elektro nen in den nicht-magnetischen Zwischenschichten und den Kopplungsschichten ist dagegen spinunabhängig. Somit weisen sowohl die magnetischen Schichten als auch die Grenzflächen zu diesen Schichten für Majoritätselektronen und Minoritätselektronen unterschiedliche spezifische Widerstände RHOMAJ bzw. RHOMIN auf. Das Verhältnis ALPHA = RHOMIN/RHOMAJ des Widerstandes RHOMIN für die Minoritäts träger zum Widerstand RHOMAJ für die Majoritätsträger ist abhängig vom Wirtsmaterial und den Defekten.

Um einen möglichst großen Unterschied zwischen minimalem und maximalem Giant-Magnetowiderstandssignal zu erhalten, werden nun die Materialien für die einzelnen Schichten so gewählt, daß die Elektronen mit dem geringeren Widerstand in der Meßschicht 2 bei parallel zueinander gerichteten Magnetisierungen _M und _B der Meßschicht 2 und der Bias schicht 6 auch in allen anderen magnetischen Schichten und an allen Grenzflächen zwischen den Schichten weniger ge streut werden. Das erreicht man, indem man die Parameter ALPHA für die Schichten mit zur Meßschicht 2 paralleler Magnetisierung und für ihre Grenzflächen alle größer oder alle kleiner als eins wählt. Das bedeutet in der darge stellten Ausführungsform, daß die Parameter ALPHA für die Meßschicht 2, ihre Grenzfläche zur Zwischenschicht 4, für die Biasschicht 6 und ihre beiden Grenzflächen zur Zwi schenschicht 4 bzw. zur Kopplungsschicht 8 und für die weitere Biasschicht 6′ und ihre Grenzfläche zur Kopp lungsschicht 8′ entweder alle größer oder alle kleiner als eins eingestellt werden.

In der Magnetschicht 10 ist nun die Magnetisierung _AF antiparallel zu den Magnetisierungen _M, _B und _B′ der anderen magnetisierten Schichten gerichtet. Elektronen, die in der Meßschicht 2 und den Biasschichten 6 und 6′ Majoritätsträger sind, werden in der Magnetschicht 10 daher zu Minoritätsträgern und umgekehrt. Deshalb werden die Parameter ALPHA für die Magnetschicht 10 und ihre beiden Grenzflächen zu den Koppelungsschichten 8 und 8′ größer als eins gewählt, wenn die ALPHAs der anderen magnetisierten Schichten und ihrer Grenzflächen kleiner als eins sind, und kleiner als eins, wenn die anderen ALPHAs größer eins sind. Vorzugsweise werden die ALPHAs der Meßschicht 2 und der Biasschichten 6 und 6′ sowie ihrer Grenzflächen größer als eins und der Magnetschicht 10 und ihrer Grenzflächen kleiner eins gewählt. Dann trägt zum Strom zwischen den Meßkontakten hauptsächlich nur der Teilstrom der Majoritätsträger bei, wenn die Magnetisierung _M parallel zu _B ist.

Dreht nun ein äußeres Magnetfeld die Magnetisierung _M der Meßschicht 2 in eine zur Magnetisierung _B der Bias schicht 6 antiparallele Lage, so werden die bisherigen Majoritätselektronen in der Meßschicht 2 zu Minoritäts elektronen in den Biasschichten 6 und somit in dem gesam ten Schichtsystem stark gestreut. Damit steigt das Giant- Widerstandsignal auf seinen maximalen Wert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Schichten als längliche Streifen ausgebildet, deren Längsrichtung senkrecht zur Grundzustandsmagnetisierung _MO der Meßschicht 2 und damit auch parallel zur Magne tisierung _B der Biasschicht 6 verläuft. Durch diese Maß nahme werden die dem Meßfeld entgegengesetzt gerichteten entmagnetisierenden Felder deutlich abgeschwächt und somit die Empfindlichkeit des Sensors erhöht sowie eine Ver schiebung der Meßkennlinie vermieden. An den Enden 15 und 16 der Meßschicht 2 treten jedoch immer noch entmagneti sierende Felder auf, die eine Messung im Bereich dieser Enden 15 und 16 verfälschen. Deshalb sind zwei zur Wider standsmessung vorgesehene Meßkontakte 11A und 11B in Längsrichtung um einen Abstand a bzw. b nach innen ver setzt. Vorzugsweise sind beide Abstände a und b gleich groß. Die Meßkontakte 11A und 11B sind vorzugsweise auf der Meßschicht 2 angeordnet, können aber auch auf einer Biasschicht oder einer Zwischenschicht angeordnet sein.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform mit cpp-Meß kontakten können die Meßkontakte ebenfalls in einen inne ren Meßbereich verlegt sein.

Um den Magnetfluß der Biasschichten 6 über den Meßschich ten 2 weiter zu unterdrücken, sind in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 4 zwei Randbereiche 21 und 25 vorgesehen, in denen keine Meßschicht 2 vorhanden ist, und ein mittlerer Meßbereich 23 mit Meßschichten 2. Diese Ver kürzung der Meßschichten 2 wird wenigstens in Richtung pa rallel zur Magnetisierung _B der Biasschicht 6 und vor zugsweise in allen Richtungen vorgenommen, so daß die Biasschichten 6 ringsum über die Meßschichten hinausragen. Die Zwischenschichten 4 sind vorzugsweise so lang wie die Biasschichten 6. Der "künstliche Antiferromagnet" besteht in der dargestellten Ausführungsform aus zwei Biasschich ten 6 und 6′ und einer mittleren Magnetschicht 10 mit ei ner Magnetisierung _AF, die über jeweils eine Kopplungs schicht 8 oder 8′ mit den Biasschichten 6 bzw. 6′ anti ferromagnetisch gekoppelt ist. Auf jeder Biasschicht 6 und 6′ ist im Meßbereich 23 eine Zwischenschicht 4 und darauf eine Meßschicht 2 angeordnet. Es können natürlich auch wieder mehrere Subsysteme gemäß den in Fig. 1 oder 2 dar gestellten Ausführungsformen vorgesehen sein. Die Magneti sierungen _M der Meßschichten 2 sind, vorzugsweise durch ein nicht dargestelltes äußeres Sättigungsmagnetfeld, pa rallel zu den Magnetisierungen _B gerichtet.

Zwischen den Randbereichen 21 und 25 und dem Meßbereich 23 ist jeweils ein Übergangsbereich 22 bzw. 24 vorgesehen, in dem die Dicke der Meßschichten 2 von außen nach innen kontinuierlich zunimmt. Während die Biasschichten 6 und die Zwischenschichten 4 in den Übergangsbereichen 22 und 24 wenigstens annähernd genauso dick sind wie in den Randbereichen 21 und 25 sowie im Meßbereich 23, nehmen die Dicken d der Meßschichten 2 in den Übergangsbereichen 22 und 24 unter einem bestimmten Öffnungswinkel von d=0 in den Randbereichen 21 und 25 bis zu einem konstanten Wert d=d_M im Meßbereich 23 linear zu.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können zwi schen den Randbereichen 21 und 25 und dem Meßbereich 23 jeweils eine Stufe sein, deren Höhen der Gesamtdicke der in den Randbereichen 21 und 25 fehlenden Meßschichten 2 entspricht.

In einer Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist wenigstens eine Meßschicht 6 durch zwei Meßschichten 2′ und 2′′ ersetzt. Die Grundzustandsmagnetisierungen _MO′ und _MO′′ dieser beiden Meßschichten 2′ und 2′′ sind nun, vorzugsweise durch Einprägen entsprechender Vorzugsachsen, antiparallel zu einander gerichtet und vorzugsweise gleich groß, d. h. _MO′ = -_MO′′. Damit bleibt der Magnetfluß der Meßschichten 2′ und 2′′ im wesentlichen auf die Meßschichten 2′ und 2′′ selbst beschränkt und greift nicht auf die benachbarten Biasschichten 6 über. Die Biasschichten 6 sind jeweils mit gleichgerichteten Magnetisierungen _B versehen, die zu mindest annähernd senkrecht zu den Grundzustandsmagne tisierungen _MO′ und _MO′′ der Meßschichten 2′ bzw. 2′′ ge richtet sind.

Wegen Schwankungen in den Richtungen der Vorzugsachsen und einem daraus resultierenden nicht eindeutigen Drehsinn für die Magnetisierungen _M′ und _M′′ aus den Grundzu standsmagnetisierungen _MO′ bzw. _MO′′ bilden sich im allgemeinen nach Sättigung in den Meßschichten 2′ und 2′′ bei kleineren Feldwerten Domänen. In einer besonderen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Grundzu standsmagnetisierungen _MO′ und _MO′′ der beiden Meß schichten 2′ bzw. 2′′ zur Vermeidung dieser Domänenbildung jeweils um einen kleinen Winkel gegen die Normalenrichtung zur Magnetisierung _B der Biasschichten 6 in unterschied lichem Drehsinn eingestellt, so daß sie einen Winkel von etwas weniger als 180° miteinander einschließen. Dies kann durch Einprägen entsprechend zueinander geneigter Vorzugs achsen in die entsprechenden Meßschichten 2′ und 2′′ er reicht werden. Dadurch ist für jede der beiden Magnetisie rungen _M′ und _M′′ bei Anliegen eines Magnetfeldes H ein eindeutiger Drehsinn aus der Sättigung vorgegeben.

Als magnetische Materialien für die Meßschichten können beispielsweise Co, Fe, Ni, SmCo oder auch TbFeCo und für die Biasschichten Ni₈₀Fe₂₀ oder auch Ni₆₆CoFe vorgesehen sein. Die Zwischenschichten bestehen vorzugsweise aus Cu, Au, Ag oder Cr.

Claims

1. Magnetowiderstands-Sensor mit

a) einem Schichtsystem mit folgenden Merkmalen:
- a1) Es ist wenigstens eine Meßschicht (2) vorgesehen mit einer wenigstens in einer Richtung reversibel von einem anliegenden Magnetfeld () abhängenden Magneti sierung (_M) in der Schichtebene, wobei diese Magne tisierung (_M) bei fehlendem Magnetfeld () einer vor gegebenen Grundzustandsmagnetisierung (_MO) ent spricht;
- a2) auf wenigstens einer Seite der Meßschicht (2) ist eine Biasschicht (6) mit einer im Meßbereich des Magnetfel des () wenigstens annähernd konstanten Magnetisierung (_B) in der Schichtebene vorgesehen, die von der Meß schicht (2) durch eine Zwischenschicht (4) wenigstens annähernd magnetisch austauschentkoppelt ist;
- a3) an wenigstens eine Biasschicht (6) ist über eine Kopplungsschicht (8) eine Magnetschicht (10) anti ferromagnetisch angekoppelt; und
d) Meßkontakten (11A und 11B) an dem Schichtsystem zum Erfassen eines Widerstandssignals, das ein Maß für das anliegende Magnetfeld (H) ist.

2. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß an die Magnetschicht (10) an ihrer von der einen Biasschicht (6) abgewandten Seite eine weitere Biasschicht (6′) über eine weitere Kopplungsschicht (8′) antiferromagnetisch ange koppelt ist.

3. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Biasschicht (6, 6′) ein Material mit einer von der Magnetschicht (10) verschiedenen Curietemperatur vorge sehen ist.

4. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Biasschicht (6, 6′) ein Material mit einer von der Magnetschicht (10) verschiedenen Koerzitivfeld stärke vorgesehen ist.

5. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Biasschicht (6, 6′) entlang einer Vorzugsachse magnetisiert ist.

6. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Grundzustandsmagnetisierung (_MO) der Meßschicht (2) und die Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) wenigstens annähernd senkrecht zueinander gerichtet sind.

7. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundzustandsmagnetisierung (_MO) der Meßschicht (2) und die Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) paral lel zueinander gerichtet sind.

8. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien für die Schichten derart gewählt sind, daß bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen (_M und _B) der Meßschicht (2) und der Biasschicht (6) der in der Meßschicht (2) am wenigsten gestreute Elektronentyp in mit dem einen Spinzustand auch in allen anderen magne tischen Schichten und an deren Grenzflächen weniger ge streut wird als der Elektronentyp mit dem anderen Spinzu stand.

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

10. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Meßschicht (2) und die Biasschicht (6) in einer Längsrichtung senkrecht zur Grundzustandsmagne tisierung (_MO) der Meßschicht (2) bevorzugt ausgedehnt sind.

11. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Meßschicht (2) wenigstens in einer Rich tung parallel zur Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) kürzer ausgebildet ist als die Biasschicht (6).

12. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Meßschicht (2) in Übergangsbereichen (22 und 24) zwi schen Randbereichen (21 bzw. 25) des Schichtsystems ohne die Meßschicht (2) und einem inneren Meßbereich (23) mit der Meßschicht (2) kontinuierlich zunimmt.

13. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Meßkontakte (11A und 11B) vom Rand des Schichtsystems beabstandet angeordnet sind.

14. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Meßkontakte auf der obersten und/oder der untersten Schicht des Schichtsystems angeordnet sind.

15. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens eine Meßschicht (2) durch zwei Meßschichten (2′ und 2′′) ersetzt ist, die durch eine Zwi schenschicht (4) austauschentkoppelt sind.

16. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 15, da durch gekennzeichnet, daß die Grundzustandsmagnetisierungen (M_MO′ und M_MO′′) der beiden Meßschichten (2′ und 2′′) wenigstens annähernd antiparallel zueinander gerichtet sind, wenn kein Magnetfeld (H) an liegt.

17. Magnetowiderstands-Sensor nach Anspruch 16, da durch gekennzeichnet, daß die Grund zustandsmagnetisierungen (_M′ und _M′′) der beiden Meß schichten (2′ und 2′′) um jeweils wenigstens annähernd den gleichen Winkel gegen die Normalenrichtung zur Magnetisie rung (_B) der Biasschicht (6) geneigt sind und einen Win kel von weniger als 180° miteinander einschließen.

18. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß jede Meßschicht (2′ und 2′′) in Richtung ei ner Vorzugsachse magnetisiert ist, wenn kein Magnetfeld anliegt.

19. Magnetowiderstands-Sensor nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß jede Magnetschicht (10) entlang einer Vor zugsachse magnetisiert ist.

20. Verfahren zur Herstellung eines Magnetowiderstands- Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Merkmalen:

a) Für die Biasschicht (6) und die Magnetschicht (10) werden magnetische Materialien mit unterschiedlicher Curie-Temperatur T_c1 und T_c2 und wenigstens annähernd gleicher Magnetisierung bei einer Einsatztemperatur gewählt;
b) die durch die Kopplungsschicht (8) miteinander verbun denen Biasschicht (6) und Magnetschicht (10) werden auf eine von der Einsatztemperatur verschiedene Ein prägetemperatur (T_E) gebracht und in einem temperatur abhängigen Biasmagnetfeld (H_B) angeordnet, das wenig stens bei dieser Einprägetemperatur (T_E) einen vorbe stimmten Wert hat;
c) anschließend werden die Schichten auf die Einsatztempe ratur gebracht.

21. Verfahren zur Herstellung eines Magnetowiderstands- Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit folgenden Merkmalen:

a) Für die Biasschicht (6) und die Magnetschicht (10) werden magnetische Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken ausgewählt;
b) die durch die Kopplungsschicht (8) miteinander verbun dene Biasschicht (6) und Magnetschicht (10) werden in einem Sättigungsmagnetfeld gesättigt.