DE69631917T2 - Magnetsensor mit einem Riesenmagnetowiderstand und sein Herstellungsverfahren - Google Patents

Magnetsensor mit einem Riesenmagnetowiderstand und sein Herstellungsverfahren Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell Detektoren magnetischer Felder oder Flüsse und insbesondere magnetoresitive Sensoren des Typs, der zum Beispiel zum Auslesen der auf einem magnetischen Träger aufgezeichneten Daten benutzt wird. Sie betrifft auch die Magnetowiderstände, die das empfindliche Bauteil dieser Sensoren bilden. Der Magnetowiderstand der Erfindung, hergestellt aus dünnen Schichten nach den Techniken der Mikroelektronik, ist besonders gut an das Messen von Magnetfeldern von einigen A/m bis mehrere tausend A/m angepasst. Er kann aufgrund von Magnetfeldern, die in der Umgebung von Leitern herrschen, auch zur Bestimmung des in diesen Leitern fließenden elektrischen Stroms benutzt werden oder zur Herstellung von magnetoresistiven Kompassen bzw. Bussolen oder auch von diversen Positions- bzw. Lagesensoren.
  • Stand der Technik
  • Man weiß, dass die Funktionsweise der magnetoresistiven Sensoren, die zur Detektion schwacher Magnetfelder benutzt werden, insbesondere zum Auslesen von auf einem magnetischen Träger aufgezeichneten Daten, auf einem Effekt beruht, der als Spontananisotropie-Effekt des Magnetowiderstands bezeichnet wird. Dieser Effekt, der bei ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel, Kobalt und Eisen und ihren Legierungen auftritt, besteht aus einer Änderung der Resistivität des magnetischen Materials in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der Richtung des in dem magnetoresistiven Element fließenden Messstroms und der Magnetisierung des Materials. Eine detailliertere Beschreibung dieses Effekts findet man in dem Dokument (1), dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind. Die relative Resistivitätsänderung des magnetischen Materials Δρ/ρ kann bei Umgebungstemperatur für Felder der Größenordnung 1000 Alm in den massiven ferromagnetischen Übergangsmetallen 4 bis 5 % erreichen. Diese Größe reduziert sich jedoch bis auf 1 oder 2 %, wenn dieselben Materialien als Dünnschichten mit einer Dicke von 15 bis 30 nm abgeschieden werden. Dieser Dickenbereich ist der der gegenwärtigen magnetoresistiven Sensoren, die nach den Techniken von mikroelektronischen Bauteilen hergestellt werden. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren ist also begrenzt. Außerdem ist ihr Verhalten nicht linear, da die Resistivitätsänderung proportional ist zum Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der Stromrichtung und der Magnetisierung.
  • Ein anderer bei magnetischen Sensoren genutzter Effekt wird als "Riesen-Magnetowiderstandseffekt" oder "Spinventil-Effekt" ("giant magnetoresistance" oder "spin valve effect" bezeichnet). Dieser Effekt ereignet sich in Multischicht-Strukturen, bestehend aus einer Abwechslung von Schichten aus ferromagnetischem Übergangsmetall und Schichten aus nichtmagnetischem Metall, und ist verbunden mit einer Änderung der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der aufeinandertolgenden fenomagnetischen Schichten unter dem Einfluss eines zu messenden äußeren Magnetfelds. Dieser Effekt drückt sich durch eine Veränderung der Resistivität der Struktur aus. Die Dokumente (2) und (3), deren Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind, erläutern dieses Phänomen detaillierter.
  • Das Dokument (4), ebenfalls am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben, beschreibt sehr allgemein die Benutzung dieses Magnetowiderstandseffekts bei der Herstellung von Magnetfeldsensoren. Es spezifiziert auch, dass die verwendeten magnetischen und nichtmagnetischen Materialien derart ausgewählt werden müssen, dass sich an der Grenzfläche zwischen dem magnetischen Material und dem nichtmagnetischen Material eine von ihrem Spin abhängige Diffusion der Elektronen ereignet.
  • Das Dokument (5) beschreibt eine "Spinventil"-Struktur, die in dieser Reihenfolge ein Siliciumsubstrat, eine erste fenomagnetische Schicht aus NiFe, eine nichtmagnetische Schicht aus Kupfer, eine zweite fenomagnetische Schicht aus NiFe und eine antiferromagnetische Schicht aus FeMn umfasst.
  • Diese Spinventil-Struktur umfasst also im Wesentlichen zwei fenomagnetische Schichten, magnetisch nicht gekoppelt und getrennt durch ein nichtmagnetisches Metall.
  • Die Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht, magnetisch "freie" Schicht genannt, ist frei, dem angelegten Feld zu folgen, während die Magnetisierung der zweiten Schicht fixiert ist durch Austausch-Anisotropie (anisotropie d'échange) mit der antifenomagnetischen Schicht. Wenn sich also das angelegte Feld verändert, ändert sich die relative Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden Schichten. Dies hat auch eine Veränderung des Widerstands der Struktur zur Folge, die bei Feldern unter 1000 A/m und bei Umgebungstemperatur einige Prozent betragen kann.
  • Der niedrige Wert der Veränderung des elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 4 % wird noch reduziert, wenn die Spinventil-Struktur wegen einer Selbstpolarisation der "freien" Schicht unter der Wirkung eines durch den Messstrom erzeugten Magnetfelds von einem Messstrom durchquert wird. Dieser Messstrom erreicht Werte in der Größenordnung von 107 A/cm2.
  • Diese Art von Struktur ermöglicht nicht, eine Messung mit einer hohen Empfindlichkeit zu realisieren.
  • Man kann auch feststellen (Dokument (5)), dass das zu messende Magnetfeld parallel zu der Achse leichter Magnetisierung der "freien" magnetischen Schicht angelegt wird, wobei diese Achse selbst parallel zu der Fixierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht ist. Daraus resultiert ein quasi treppenstufenartiges Verhalten des Widerstands der Struktur.
  • Das Dokument (6), dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind, betrifft einen magnetoresistiven Sensor, der ebenfalls den Spinventil-Effekt nutzt, aber bei einer doppelten Spinventil-Struktur. Diese Struktur umfasst drei magnetische Schichten, voneinander getrennt durch ein nichtmagnetisches Metall. Die Magnetisierungen der beiden äußeren ferromagnetischen Schichten werden feststehend und parallel zueinander aufrechterhalten durch Austausch-Anisotropie mit benachbarten Schichten aus ferromagnetischem Material, die ihnen jeweils zugeordnet sind. Die zentrale magnetische Schicht wird durch ein weichmagnetisches Material gebildet und ihre Magnetisierung ist ohne angelegtes Feld im Wesentlichen senkrecht zu derjenigen der beiden äußeren Schichten ausgerichtet. Diese Struktur bietet einen größeren Magnetowiderstandseffekt als ein einfaches Spinventil. Es ist jedoch nicht leicht, die Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht durch Austausch-Anisotropie zu fixieren.
  • Das antiferromagnetische Material des Dokuments (5) ist eine FeMn-Legierung, wegen ihren guten Austauschanisotropie-Eigenschaften. Diese Eigenschaften manifestieren sich jedoch nur, wenn das FeMn sich in seiner kubischen kristallographischen Phase befindet, mit zentrierten Flächen (cfc). So ist es notwendig, eine Unterschicht aus NiFe vorzusehen, um der FeMn-Schicht ihre Eigenschaften zu verleihen und eine gute Fixierung der ersten ferromagnetischen Schicht des doppelten Spinventils zu erhalten. Die Notwendigkeit, eine FeMn-Schicht in ihrer kubischen kristallographischen Phase zu erhalten, kompliziert folglich die Herstellung solcher Strukturen. Außerdem wird ein Teil des Messstroms in die NiFe-Unterschicht abgeleitet, die nichts beiträgt zu dem Magnetowiderstandseffekt, und die Größe der Veränderung des Widerstands unter der Wirkung eines magnetischen Feldes ist gering.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dann, einen Magnetowiderstand vorzuschlagen, der nicht die oben genannten Nachteile aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetowiderstand mit guter Empfindlichkeit vorzuschlagen, der eine starke Veränderung des Widerstands unter der Wirkung eines angelegten äußeren Magnetfelds aufweist.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetowiderstand vorzuschlagen, dessen Betrieb ermöglicht, sich frei zu machen von der nachteiligen Auswirkung des Phänomens der Selbstpolarisation, verursacht durch den Messstrom in den ferromagnetischen Schichten der Spinventil-Strukturen.
  • Schließlich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung noch darin, einen Magnetowiderstand, dessen Herstellung einfach ist, und einen magnetoresitiven Sensor mit einer guten Empfindlichkeit vorzuschlagen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Zur Lösung dieser Aufgaben empfiehlt die Erfindung einen Magnetfeldsensor und sein Herstellungsverfahren wie in den Ansprüchen definiert.
  • Unter fixierter Magnetisierung versteht man eine Magnetisierung, die im Wesentlichen konstant bleibt über den gesamten Bereich der zu messenden Magnetfelder.
  • Die vorgeschlagene Struktur liefert eine deutlich größere Magnetowiderstands-Amplitude als die Spinventil-Strukturen, die nur zwei magnetische Schichten umfassen. Die Magnetowiderstands-Amplitude ist um 50 bis 100 % größer als bei einer einfachen Spinventil-Struktur infolge des Vorhandenseins von drei magnetischen Schichten anstatt zwei. Zudem befindet sich die zweite, freie magnetische Schicht bei dieser Struktur ungefähr im Zentrum des diesen Multischicht-Magnetowiderstand durchfließenden Stroms. Daher ist das durch den Messstrom erzeugte Polarisationsfeld in Höhe dieser Schicht quasi null, was ihr ermöglicht, selbst bei Vorhandensein einer großen Stromdichte eine hohe Suszeptibilität oder Empfindlichkeit zu bewahren.
  • Außerdem – bezogen auf die in dem Dokument (6) beschriebene doppelte Spinventil-Struktur -, vermeidet die vorliegende Erfindung das Abscheiden einer Unterschicht aus NiFe und einer ersten Schicht aus FeMn, die nötig ist zur Fixierung von einer der äußeren Schichten aus magnetischem Material. Daraus resultiert eine Vereinfachung der Herstellung. Das Weglassen der Unterschichten aus NiFe und FeMn ermöglicht auch eine größere Amplitude des Magnetowiderstands-Effekts, da kein Strom in diese beiden Unterschichten abgeleitet wird, das heißt nicht dem Magnetowiderstands-Effekt entzogen wird.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die zweite Schicht bei Fehlen eines äußeren Magnetfelds eine Magnetisierung aufweisen, die im Wesentlichen zu der Messrichtung senkrecht ist, was ermöglicht, eine linearere Reaktion des Magnetowiderstands auf ein zu messendes Magnetfeld zu erhalten.
  • Die fixierte Magnetisierung einer der Schichten, der ersten oder der dritten, kann realisiert werden, indem diese Schicht aus einer Legierung auf der Basis von Kobalt und Eisen erzeugt wird, die anisotrope Seltene Erden enthält, die ihr eine starke Koerzitivkraft verleihen und die auf diese Weise ermöglichen, die Magnetisierung dieser Schicht in einer gewünschten Richtung zu "blockieren".
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, der ferromagnetischen Schicht eine Schicht aus antiferromagnetischem Material hinzuzufügen, die Kontakt hat mit ihr, um die Magnetisierung durch Austausch-Anisotropie (anisotropie d'échange) zu blockieren.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Stapel zwischen jeweils jeder ferromagnetischen Schicht und jeder benachbarten nichtmagnetischen Schicht Zwischenschichten aus einem Material umfassen, das Kobalt umfasst.
  • Diese Schichten aus Kobalt oder einer hauptsächlich Kobalt enthaltenden Legierung ermöglichen, den Magnetowiderstandseffekt noch zu erhöhen.
  • Die Erfindung schlägt auch einen Sensor vor, der mit einem wie beschriebenen Magnetowiderstand ausgerüstet ist.
  • Dieser Magnetowiderstand kann nach einem Herstellungsverfahren realisiert werden, bei dem man durch sukzessives Abscheiden auf einem Substrat einen Stapel mit einer ersten Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer unter der Wirkung eines elektrischen Stroms ausrichtbaren Magnetisierung, einer Schicht aus unmagnetischem leitfähigem Material, einer zweiten Schicht aus einem weich-ferromagnetischen Material, einer zweiten Schicht aus unmagnetischem leitfähigem Material und einer dritten Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer fixierten Magnetisierung bildet, wobei während der Abscheidung der zweiten Schicht aus weich-ferromagnetischem Material ein Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu der Messrichtung angelegt wird, um dieser Schicht eine Achse leichter Magnetisierbarkeit zu verleihen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, nicht einschränkenden, rein erläuternden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die 1 ist eine explodierte Ansicht der hauptsächlichen funktionellen Schichten eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands;
  • die 2 ist eine schematische Darstellung des durch einen Messstrom in dem Magnetowiderstand erzeugten Magnetfelds;
  • die 3 ist eine Kurve bzw. Kennlinie, welche die Veränderung der Spannung an den Anschlüssen eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands als Funktion des zu messenden Felds darstellt;
  • die 4 ist ein schematischer Schnitt eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands;
  • die 5 ist ein schematischer Schnitt eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands und stellt eine Variante in Bezug auf die 4 dar.
  • Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten
  • Wie die 1 zeigt, umfasst die Multischicht-Struktur des Magnetowiderstands im Wesentlichen drei Schichten 10, 20, 30 auf der Basis von ferromagnetischen Übergangsmetallen (wie Eisen, Kobalt, Nickel oder ihre Legierungen), deren Dicken enthalten sind zwischen einigen Atomebenen und ungefähr zehn Nanometer. Diese drei magnetischen Schichten werden getrennt durch zwei Schichten 15, 25 aus einem nichtmagnetischen, elektrisch gut leitfähigen Metall, dessen Dicke ausreichend sein muss für eine schwache Kopplung der Magnetisierung der Schichten durch diese Trennschichten hindurch, aber gleichwohl deutlich kleiner ist als der mittlere freien Weg der Elektronen durch das nichtmagnetische Metall hindurch. Der diesen Bedingungen entsprechende Dickenbereich erstreckt sich von 1,0 nm bis 5 nm.
  • Die Schichten 15, 25, jeweils zwischen einerseits den Schichten 10 und 20 und andererseits den Schichten 20 und 30 angeordnet, sind vorzugsweise aus Kupfer, aus Silber oder aus Gold. Diese Wahl schließt jedoch andere gut leitfähige Metalle nicht aus, zum Beispiel Aluminium oder Platin.
  • Die Struktur des Magnetowiderstands und die Materialien, die weiter unten detailliert werden, werden so ausgewählt, dass sie einen Riesen-Magnetowiderstandseffekt aufweisen. Dieser Effekt drückt sich im vorliegenden Fall durch eine große Veränderung der Resistivität aus, wenn die Ausrichtung der Schichten von einem sogenannten parallelen Zustand, der dem Zustand entspricht, wo die Schichten 10, 20 und 30 zueinander parallele Magnetisierungen aufweisen, in einen sogenannten antiparallelen Zustand wechselt, wo die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30 parallel sind, die Magnetisierung der Schicht 20 aber im Wesentlichen derjenigen der Schichten 10 und 30 entgegengesetzt ist.
  • Die Magnetisierung der Schicht 30 ist fixiert, das heißt blockiert in der zu dem zu messenden Feld parallelen Richtung oder Messrichtung. Die Fixierung erfolgt durch einen Austauschanisotropie-Effekt mit einer antifenomagnetischen Schicht 40. Die Schicht 40 ist zum Beispiel eine antiferromagnetische FeMn-Schicht oder eine fenomagnetische TbCo-Schicht, abgeschieden auf der Schicht 30. Die magnetische Fixierung der Schicht 30 kann auch durch andere, weiter unten beschriebene Mittel realisiert werden.
  • Die Schicht 20 ist eine Schicht aus weichmagnetischem Material, deren Magnetisierungsrichtung leicht verändert werden kann durch das zu messende Feld, dem der Magnetowiderstand ausgesetzt ist. Es handelt sich zum Beispiel um eine Permalloy-Schicht der Zusammensetzung Ni80Fe20.
  • Um ein lineares Verhalten eines Sensors mit einem erfindungsgemäßen Magnetowiderstand zu erhalten, ist die Magnetisierung der Schicht 20 vorzugsweise senkrecht zu der Messrichtung, wenn auf den Magnetowiderstand ein äußeres Null-Feld angewendet wird. Diese bevorzugte Richtung einer spontanen Ausrichtung der Magnetisierung der Schicht 20 kann aus Formanisotropieeffekten des Magnetowiderstand resultieren, wo eine Achse leichter Magnetisierbarkeit der Schicht 20 parallel ist zu der größeren Länge des Magnetowiderstands. Unter "Achse leichter Magnetisierbarkeit" versteht man eine Achse, die der spontanen Ausrichtungsrichtung der Magnetisierung des Materials im Null-Feld entspricht.
  • Die bevorzugte Richtung kann auch, wie weiter unten beschrieben, bei der Bildung der Schicht 20 erzwungen werden.
  • Die Schicht 10 aus einer Legierung auf der Basis von Nickel, Eisen und vorzugsweise Kobalt weist eine Magnetisierung auf, die bei Fehlen eines in dem Magnetowiderstand fließenden Stroms nicht fixiert ist.
  • Wenn hingegen ein elektrischer Strom – hier ein Messstrom – durch den Magnetowiderstand fließt, richtet sich die Magnetisierung der Schicht 10 – unter der Wirkung des durch den elektrischen Strom im Innern des Magnetowiderstands erzeugten Magnetfelds – entsprechend einer im Wesentlichen zu der Magnetisierung der Schicht 30 parallelen Richtung aus. Die Pfeile 1, 2 und 3 der 1 zeigen jeweils die Ausrichtung der Magnetisierungen der Schichten 10, 20 und 30 bei Fehlen eines angelegten äußeren Felds und bei Vorhandensein eines Messstroms J. Der Pfeil 2' zeigt die Magnetisierung der Schicht 20 bei Präsenz eines zu messenden Feldes H.
  • Der Pfeil 1 zeigt die Polarisation der Schicht 10 unter der Wirkung des Messstroms K an. Dieser Effekt wird besser verständlich durch die 2, in der das Rechteck 100 einen Querschnitt des Multischicht-Magnetowiderstands senkrecht zu seiner größeren Achse und senkrecht zu dem Messstrom J darstellt. Das Rechteck 100 stellt auch eine gleichmäßige "Schicht" des den Magnetowiderstand durchquerenden Messstroms J dar.
  • Wenn der elektrische Messstrom J mit einer typischen Stromdichte j der Größenordnung 5.106 – 5.107 A/cm2 durch den Magnetowiderstand fließt, erzeugt dieser elektrische Strom im Innern des Sensors ein Magnetfeld B, das groß sein kann im Vergleich zur Größenordnung des Felds B, das man messen will. Nehmen wir an, die Stromdichte in dem Material sei gleichmäßig (gleich j), so dass der Strom über die gesamte Dicke der Multischicht-Struktur eine gleichmäßige "Schicht" 100 bildet, dann ist das Feld in der Mittelebene P null, das heißt der Ebene, die zu den Außenflächen parallel ist und sich in der Mitte der Dicke der Multischicht-Struktur befindet, und nimmt in dem Maße linear zu, wie man sich von dieser Mittelebene P entfernt, um seinen Höchstwert an den seitlichen Außenflächen 100a und 100b des Magnetowiderstands zu erreichen. Mit Hilfe des Ampère-Theorems:
    Figure 00080001
    kann man zeigen, dass das durch die "Stromschicht" des Werts z (z=0 entspricht der Mitelebene) erzeugte Magnetfeld variiert wie H(z)=jz. Zum Beispiel für j=2.107 A/cm2, H(z)=0,2z, wo z in Nanometer, H(z) in kA/m ausgedrückt wird. Für ein Multischicht-System der Gesamtdicke e=20nm beträgt das Feld an der Oberfläche 100a oder 100b also
    Figure 00080002
    vergleichbar einem zu messenden Feld von 1 bis 2 kA/m.
  • Da die in der 2 angedeutete Schicht 20 sich in der Umgebung des Mittelpunkts der durch den Magnetowiderstand fließenden Stromschicht J befindet, ist das durch den Messstrom in dieser zentralen magnetischen Schicht erzeugte Magnetfeld null oder sehr schwach in Bezug auf das Feld, das man messen will. Daher kann die Magnetisierung der zentralen Schicht 20 leicht den Veränderungen des angelegten, zu messenden äußeren Feldes folgen.
  • In der der Oberflächenschicht 100b benachbarten Schicht 10 erzeugt der Messstrom hingegen ein größeres Magnetfeld. Dieses Feld wirkt auf die Magnetisierung dieser Schicht und richtet sich in einer zu der Messrichtung im Wesentlichen parallelen Richtung aus.
  • Für die üblichen Messstromwerte ist das Selbstpolarisations-Magnetfeld (N) hingegen zu schwach, um die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 30 zu beeinflussen.
  • Jedenfalls ist es möglich, die Fließrichtung des elektrischen Stroms oder die Anfangsrichtung der Magnetisierungsfixierung der Schicht 30 so zu wählen, dass die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30 bei Vorhandensein eines Messstroms in der Größenordnung von zum Beispiel 2.107 A/m2 und bei Fehlen eines äußeren Feldes im Wesentlichen parallel sind.
  • Die 3 zeigt die Spannungsänderung an den Anschlüssen des Magnetowiderstands als Funktion des zu messenden Feldes. Die Anschlüsse 70, 72 sind zum Beispiel in den 4 oder 5 zu sehen. Bei einem Feld N in der Größenordnung von 1 kA/m sind die Magnetisierungen der drei magnetischen Schichten 10, 20, 30 parallel. Die Resistivität des Magnetowiderstands ist dann minimal und daraus resultiert eine minimale Spannung Vmin an den Anschlüssen. Bei einem Feld H der Größenordnung –1 kA/m ist die Magnetisierung der Schicht 20 umgekehrt in Bezug auf die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30, die im Wesentlichen parallel zueinander bleiben. Wenn der Wert des Feldes H zunimmt, nimmt die Resistivität um einige Prozente ab, was auch zu einer Abnahme der Spannung um ungefähr 1 mV führt. Zwischen den beiden Grenzwerten Vmax und Vmin ist die Veränderung der Spannung im Wesentlichen linear. Eine leichte Asymmetrie in Bezug auf das Nullfeld kann vorhanden sein, wenn eine magnetische Kopplung zwischen der Schicht 20 und den Schichten 10 und 30 durch die nichtmagnetischen Metalle der Schichten 15 und 25 besteht. Es ist bekannt, dass eine solche magnetische Kopplung bei geringen Dicken der magnetischen Materialien vorhanden ist. Aber bei Materalien für die Schichten 15 und 25, insbesondere Kupfer und Silber, abgeschieden bei niedriger Temperatur, sowie Gold, nimmt diese Kopplung schnell ab, wenn die Dicken dieser Schichten 2 nm überschreiten.
  • Die 4 und 5 zeigen detaillierter die Struktur von erfindungsgemäßen Magnetowiderständen in zwei Ausführungsarten. Diese Figuren tiefem außerdem Beispiele der Reihenfolge der Schichten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens von Magnetowiderständen.
  • Gleiche oder ähnliche Elemente der Figuren tragen übereinstimmende Bezugszeichen.
  • In dem Beispiel der 4 ist der Magnetowiderstand auf einem Siliciumsubstrat 6 ausgebildet. Er umfasst, ausgehend von dem Substrat, sukzessive Schichten, deren Bezugszeichen, Art und Dicke beispielartig in der nachfolgenden Tabelle I angegeben sind.
  • TABELLE I
    Figure 00090001
  • Die Schichten des Magnetowiderstands können durch Katodenzerstäubung oder Sputtern erzeugt werden.
  • Wenn zur Herstellung der Schichten 15 und 25 Silber verwendet wird, ist es vorteilhaft, das Substrat mit flüssigem Stickstoff anzukühlen, um eine gute Struktur dieser Schichten zu erhalten. Zu diesem Thema kann man sich zum Beispiel auf das Dokument (7) beziehen, das am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist. Wie schon erwähnt, können die Schichten 15 und 25 auch aus Kupfer oder aus Gold realisiert werden, was eine Kühlung des Substrats überflüssig macht. Diese Materialien haben jedoch im Laufe der anschließenden Wärmebehandlungen keine so gute thermische Stabilität wie das Silber.
  • Erfindungsgemäß wendet man während des Abscheiden der Schicht 20 ein zu der Messrichtung im Wesentlichen senkrechtes Magnetfeld an. Dieses Magnetfeld mit einem Wert in der Größenordnung von 800 bis 8000 A/m (10 bis 100 Oe) ermöglicht, in der "zentralen" Schicht 20 eine Achse leichter Magnetisierung zu induzieren.
  • Wie die 4 zeigt, hat der Magnetowiderstand auch eine längliche Form, zum Beispiel eine Stabform, deren Länge L vorzugsweise parallel ist zu dieser Achse leichter Magnetisierung. Ein Formanisotriopieeffekt trägt also auch bei zur Ausrichtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht 20 entsprechend ihrer Achse leichter Magnetisierung. In den Beispielen der 4 und 5 fließt der Messstrom entsprechend der großen Länge des Stabs.
  • Die Magnetisierung der Schicht 30 kann senkrecht zu der Achse leichter Magnetisierung der Schicht 20 ausgerichtet und fixiert werden, indem man die Struktur bis auf eine Temperatur erwärmt, die knapp über der Néel-Temperatur der Fe50Mn50-Schicht 41 liegt, das heißt einer Temperatur von ungefähr 200 °C, und dann die Struktur abkühlt, wobei ein Magnetfeld in der Richtung der erwünschten Magnetisierung angelegt wird, im vorliegenden Fall im Wesentlichen parallel zu der Messrichtung. Es sei daran erinnert, dass die Neel-Temperatur die Temperatur ist, unterhalb der die Spins eines antiferromagnetischen Materials entsprechend einem antiparallelen Arrangement angeordnet sind.
  • Zur Erläuterung kann man das Dokument (8) konsultieren, das am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
  • Nach einer der 5 entsprechenden Ausführungsvariante der Erfindung umfasst der Magnetowiderstand keine antiferromagnetische Schicht 40. Mit Ausnahme der Schicht 40 ist die Struktur des Magnetowiderstands also derjenigen der 4 ähnlich. Jedoch ist die Schicht 30', die der Schicht 30 der 4 entspricht, eine Schicht aus einem stark koerzitiven Material, bei dem die Magnetisierung unempfindlich ist für jedes äußere Feld unter ungefähr 10 kA/m. Die Schicht 30' ist zum Beispiel aus einer Eisen- und Kobaltlegierung, die auch anisotrope Seltenerden enthält, ausgewählt unter Samarium, Neodym, Terbium und Dysprosium.
  • Die Schichten 11, 16, 21 und 26, deren Vorhandensein gewiss fakultativ ist, stellen jedoch eine interessante Verbesserung der Erfindung dar. Diese Schichten aus Kobalt oder Co1–xFex Legierung mit 0≤x≤0,3 und einer Dicke von 0,2 bis 1 nm ermöglichen nämlich, die Amplitude des Riesenmagnetowiderstands-Effekts zu vergrößern, ohne zu große Zunahme des Sättigungsfelds oder der Hysteresis der Schicht 20.
  • Eine weitere Verbesserung der Erfindung besteht darin, das Material der Schichten 10 und 30 durch Kobalt oder kobaltreiche Legierungen wie Co70Fe30 zu ersetzen. Die Schicht 20 bleibt jedoch aus einem weichmagnetischen Material.
  • Ein wie oben beschriebener Magnetowiderstand kann zur Herstellung eines Magnetowiderstands-Sensors verwendet werden. In diesem Fall können Verbindungen 70, 72, schematisch dargestellt in der 4, an den Enden des in Längsrichtung betrachteten Magnetowiderstands angeordnet werden. Diese Verbindungen ermöglichen, eine nicht dargestellte Messschaltung anzuschließen.
  • Ein Messstrom in der Größenordnung von 2.107A/cm2 ermöglicht, in Höhe der Schicht 10 ein Feld der Größenordnung 1600 A/m (20 Oe) zu erzeugen, das ausreicht, um die Magnetisierung der Schicht 10 im Wesentlichen senkrecht zu derjenigen der Schicht 20 auszurichten. Die Richtung des Messstroms in dem Sensor wird dann so gewählt, dass die Magnetisierung der Schichten 10 und 30 parallel ist und nicht antiparallel.
  • IN DER VORLIEGENDEN BESCHREIBUNG GENANNTE DOKUMENTE
    • (1) D.A. Thompson et al., IEEE Trans. Mag. Mag-11, S. 1039 (1975).
    • (2) IEEE Translation Journal on magnetics in Japan, Vol. 7, Nr. 9, September 1992, "Magnetoresistance of multilayers" von H. Yamamoto and T. Shinjo, Seiten 674-684.
    • (3) B. DIENY, Journal of Magnetism and magnetic Materials 136 (1994), Seiten 335-359.
    • (4) US-A-4 949 039
    • (5) Physical review B, Vol 43, Nr. 1, 1. Januar 1991, "Giant magnetoresistance in soff ferromagnetic multilayers" von B. Dieny et al., Seiten 1297-1300.
    • (6) US-A-5 287 238
    • (7) FR-A-2 698 965
    • (8) US-A-625 343

Claims (12)

  1. Magnetfeldsensor, umfassend: – einen Magnetowiderstand, gebildet durch einen Stapel aus einer ersten (10), zweiten (20) und dritten (30) Schicht aus ferromagnetischem Material, wobei die zweite Schicht (20) von der ersten (10) und der dritten (30) Schicht jeweils durch eine erste (15) und eine zweite (25) Schicht aus elektrisch leitfähigem und unmagnetischem Material getrennt wird, und die genannte zweite Schicht durch ein weiches bzw. weichmagnetisches Material gebildet wird, das eine Magnetisierung aufweist, die durch ein äußeres Magnetfeld (H) modifiziert werden kann, und – Einrichtungen zur Anwendung eines Messstroms durch den Magnetowiderstand hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten, die erste (10) oder die dritte (30), eine in einer Fixierungsrichtung festgelegte Magnetisierung aufweist, und die jeweils andere Schicht eine durch die Wirkung des den Magnetowiderstand durchquerenden elektrischen Messstroms (J) ausrichtbare Magnetisierung aufweist, wobei die Fließrichtung des elektrischen Stroms und die Fixierungsrichtung so gewählt werden, dass die erste und die dritte Schicht eine parallele und nicht antiparallele Magnetisierung aufweisen, wenn der Messstrom angewendet wird.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fehlen des äußeren Magnetfeldes die zweite Schicht (20) eine im Wesentlichen zu der Messrichtung senkrechte Magnetisierung aufweist.
  3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unmagnetische Material ausgewählt wird unter Kupfer, Silber und Gold.
  4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (15, 25) aus unmagnetischem Material eine zwischen 1,0 nm und 5 nm enthaltene Dicke aufweisen.
  5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine fixierte Magnetisierung aufweisende Schicht (30) durch eine auf Kobalt und Eisen mit anisotropen Seltenen Erden basierende Legierung mit starker Koerzitivkraft gebildet wird.
  6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel außerdem eine Schicht (40) aus antiferromagnetischem Material umfasst, die Kontakt hat mit der eine fixierte Magnetisierung aufweisenden Schicht (30), um deren Magnetisierung zu blockieren.
  7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel jeweils zwischen jeder ferromagnetischen Schicht (10, 20, 30) und zwischen jeder angrenzenden unmagnetischen Schicht (15, 25) Zwischenschichten (11, 16, 21, 26) aus einem Kobalt enthaltenden Material umfasst.
  8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (11, 16, 21, 26) durch eine Co(1–x)Fex-Legierung gebildet wird, mit 0≤x≤0,3.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man durch sukzessives Abscheiden auf einem Substrat einen Stapel mit einer ersten Schicht (10) aus ferromagnetischem Material mit einer unter der Wirkung eines elektrischen Stroms ausrichtbaren Magnetisierung, einer Schicht (15) aus unmagnetischem leitfähigem Material, einer zweiten Schicht (20) aus einem weichferromagnetischen Material, einer zweiten Schicht (25) aus unmagnetischem leitfähigem Material und einer dritten Schicht (30) aus ferromagnetischem Material mit einer fixierten Magnetisierung bildet, wobei während der Abscheidung der zweiten Schicht (20) aus weichferromagnetischem Material ein Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu der Messrichtung angewendet wird, um dieser Schicht eine Achse leichter Magnetisierbarkeit zu verleihen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schichten durch Kathodenzerstäubung herstellt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man auf der dritten ferromagnetischen Schicht (30) eine Schicht (40) aus antiferromagnetischer Fe50Mn50-Legierung abscheidet, man den Stapel auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als die Neel-Temperatur der antiferromagnetischen Schicht, und man beim Abkühlen des Stapels parallel zu der Messrichtung ein Magnetfeld anwendet.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Abscheiden der ersten antiferromagnetischen Schicht (10) auf dem Substrat auf diesem Substrat eine Tantalschicht (9) ausbildet.
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