EP1497667A1 - Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven schichtelementen mit invertierten ausgangssignalen - Google Patents

Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven schichtelementen mit invertierten ausgangssignalen

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EP1497667A1
EP1497667A1 EP03724862A EP03724862A EP1497667A1 EP 1497667 A1 EP1497667 A1 EP 1497667A1 EP 03724862 A EP03724862 A EP 03724862A EP 03724862 A EP03724862 A EP 03724862A EP 1497667 A1 EP1497667 A1 EP 1497667A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
elements
magnetoresistive
circuit part
layers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03724862A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Bangert
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10217593A external-priority patent/DE10217593C1/de
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1497667A1 publication Critical patent/EP1497667A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/16—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using saturable magnetic devices
    • H03K19/168—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using saturable magnetic devices using thin-film devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one galvanomagnetic or Hall-effect element covered by groups H10N50/00 - H10N52/00

Definitions

  • Circuit part with at least two magnetoresistive layer elements with inverted output signals
  • the invention relates to circuit parts with at least two magnetoresistive layer elements, each of which has an increased magnetoresistive XMR effect compared to an AMR effect and each has a thin layer sequence with at least one soft magnetic detection layer, a comparatively magnetically harder reference layer or a corresponding reference layer system and one have a decoupling intermediate layer of non-magnetic material located between these layers, the output signals of the two layer elements caused by an external magnetic field being inverted from one another in sign.
  • a corresponding circuit part goes e.g. from DE 100 28 640 A.
  • circuit parts which are to be referred to as components and which generate inverted digital signals, for example for clocking or at the inputs and outputs of logic gate elements, are also required.
  • programmable modules such as, in particular, programmable logic matrix elements (so-called programmable logic arrays or PLAs) are required.
  • a corresponding PLA circuit part has both a programmable AND matrix and a programmable OR matrix. The input of the first UTSTD matrix is buffered with an inverter and made available directly to the matrix of the module. on the other hand, this signal is inverted again.
  • the second inverter provided for this purpose also generates a buffered output signal which is in phase with the input.
  • decision speaking modules or circuit parts must also be used as output drivers of the OR matrix if, for example in the case of a PLA circuit part, the output signals are to be inverted and non-inverted.
  • an inverter e.g. a NOR or a NAND gate element can be used, the inputs of which are interconnected.
  • Corresponding gates of magnetic logic are from the publication "Journ. of Appl. Phys. ", Vol. 87, No. 9, May 1, 2000, pages 6674 to 6679. They each contain a magnetoresistive thin-layer sequence with a detection layer which can also be called an information or measurement layer and a spaced apart by a non-magnetic intermediate layer Reference layer, which has a comparatively greater magnetic hardness (coercive field strength) and is possibly a single layer of a corresponding, also magnetically harder reference layer system.
  • the layer sequences can in particular be of the so-called GMR (Giant Magneto Resistance) type or in the same way of the TMR (tunneling Magneto Resistance) type or of the SDT (Spin Dependent Tunneling) type.
  • GMR Global Magnetic Resonance
  • TMR tunnel Magneto Resistance
  • SDT Spin Dependent Tunneling
  • the current direction can, for example, be exchanged in comparison to a non-inverting layer element. It is also possible to use a programming option for reference layers to implement inverter functions. Corresponding inverter circuits have so far been used for sensor circuits in the form of Wheatstone bridge not used because the implementation effort required here is relatively high.
  • Circuit components with magnetoresistive layer elements that generate inverted output signals are also required for such sensor applications.
  • a Wheatstone bridge with magnetoresistive bridge elements of the so-called spin valve type is known, each of which has a thin layer sequence composed of several layers.
  • the spin valve type can be designed as a GMR or TMR type.
  • Two diagonal elements of the bridge must produce inverted output signals compared to the other bridge elements.
  • a natural antiferromagnet consisting of two layers, used as a reference layer system can be reprogrammed accordingly by ion bombardment (cf. also “Physical Review B”, Vol. 63, No. 6, 060409 (R), February 1, 2001 , Pages 1 to 4.)
  • ion bombardment cf. also “Physical Review B”, Vol. 63, No. 6, 060409 (R), February 1, 2001 , Pages 1 to 4.
  • programming multilayer layers of a thin layer sequence is difficult, and one is therefore restricted to elements with a thin layer sequence comprising at most a few layers
  • the object of the present invention is to design the circuit part with the features mentioned at the outset in such a way that inverting and non-inverting layer elements can be designed for it in a relatively simple manner.
  • the setting of the different signs of the magnetoresistive effect of the two layer elements should be predetermined by means of different layer structures of at least their detection layers.
  • structure includes a special choice of materials for the respective Detection layer and / or a multilayer formation of this layer from different materials.
  • the setting parameters for the layer structure of the detection layers of the layer elements are preferably the choice of material and / or the choice of layer thickness both in the case of single-layer and multi-layer designs. These setting parameters can be easily adapted to the respective requirements.
  • the material of the detection layer of the at least one layer element with a positive magnetoresistive effect can be contained, at least one additional additional material being added to this base material.
  • the additional material can be alloyed in or dispersed in finely divided form. Also one Doping with this additional material is possible.
  • the additional material added to the base material can also be in the form of an additional layer of the additional material which is integrated in the detection layer or which is adjacent to the detection layer. With the amount and / or the shape of the additional material added, the size of the negative magnetoresistive effect of the layer element in question can then advantageously be set within wide limits.
  • TMR layer learners are selected as special XMR layer elements, the respective intermediate layers of insulating material forming a tunnel barrier.
  • the solution to the problem can be achieved with the measures specified in claim 5. Accordingly, the setting of the different signs of the magnetoresistive effect of the two layer elements should be predetermined by means of different layer structures for their intermediate layers.
  • This embodiment of the circuit part has the same advantages as in the case of the circuit part according to claim 1.
  • a multi-layer structure of the intermediate layers of at least one layer element can be provided.
  • Such a multilayer multilayer structure is particularly advantageous from the point of view of epitaxial deposition of the individual layers.
  • the material and / or the layer thickness can be provided as setting parameters for the layer structure of the intermediate layers of the layer elements.
  • the at least one layer element with a positive magnetoresistive effect as an intermediate layer material a first oxide material, in particular Al0 3 or Al 2 0 3 / SrTi0 3 , and for the at least one magnetoresistive layer element with a negative magnetoresistive effect as
  • Interlayer material a second oxide material, in particular Ta0 5 or SrTi0 3 can be selected.
  • the circuit part can have at least four magnetoresistive elements connected to form a Wheatstone bridge with two parallel, current-carrying bridge branches
  • the magnitude of the magnetoresistive effects of the at least two magnetoresistive layer elements is advantageously at least approximately the same.
  • the difference between the two output signal values should not exceed 10%. It is also advantageous if the internal resistances of the layer elements are at least approximately the same size. The difference between the values of the two internal resistances should not exceed 10%. This ensures that, for example, a lower bridge offset voltage is generated in a bridge arrangement, or in the case of the Processing logic data the same output signal strokes can be obtained.
  • the setting of the magnitude of the magnetoresistive effect and / or the internal resistance of a thin layer sequence can advantageously be achieved by material processing such as e.g. ion bombardment of at least one of the layers of the respective layer structure.
  • the thin-layer sequences of the layer elements of the circuit part can be formed using a mask technique. This also significantly simplifies the manufacture of larger circuit parts, in particular with a larger number of layer elements with different signs of the XMR effect or the TMR effect.
  • FIGS. 1 to 6 illustrate the manufacture of a circuit part according to the invention as a preferred exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows the mask for producing a lower conductor track of such a circuit part
  • FIGs 3 and 4 the masks for two inverted working
  • Figure 5 shows the mask for an upper conductor track and Figure 6 shows a circuit part formed with these masks in the form of a Wheatstone bridge.
  • Figure 6 shows a circuit part formed with these masks in the form of a Wheatstone bridge.
  • At least two magnetoresistive layer elements are to be provided for the circuit part according to the invention, the thin-layer sequence of which in each case forms a so-called XMR type.
  • Corresponding components are generally known (see, for example, "Phys. Rev. Lett.”, Vol. 74, No. 26, June 26, 1995, pages 5260 to 5263, WO 96/07208 A, GB 2 333 900 A or the volume "XMR Technologies” - Technology Analysis: Magnetism; Vol. 2, VDI Technology Center “Physical Technologies", Düsseldorf (DE), 1997, pages 11 to 46).
  • Such XMR elements which are suitable for the circuit part according to the invention, are each distinguished by this that they have a thin layer sequence with at least the following layers, namely a soft magnetic detection layer, a comparatively magnetically harder reference layer and an intermediate layer made of a non-magnetic material arranged between these layers for decoupling the detection layer from the reference layer.
  • the reference layer can also be part of a reference layer system
  • the detection layer is characterized by a special structure by making a special choice of material for it n is and / or a multi-layered training from different materials is provided. If necessary, the aforementioned
  • the reference layer can also be part of a reference layer system.
  • Corresponding components can in particular be designed in such a way that they show a comparatively higher magnetoresistive effect, especially at room temperature, than a single-layer magnetoresistive component of the AMR type.
  • a thin-layer sequence of the XMR type is shown in FIG. 1.
  • 11 generally denotes the layer element, 12 its magnetically harder reference layer system, for example a so-called artificial antiferromagnet (cf. WO 94/15223 A), 13 a decoupling intermediate layer, 14 a soft magnetic detection layer, 16 a substrate , 17 a lower ferromagnetic layer of the reference layer system, 18 an upper ferromagnetic layer
  • the magnetization M of the upper ferromagnetic layer 18 thus represents a hard magnetic reference layer or bias layer magnetization which is insensitive to external magnetic fields H ex and with respect to which the magnetization M 'of the soft magnetic detection layer 14 can be rotated or switched if a sufficiently high one external field H ex acts.
  • circuit part according to the invention forms a Wheatstone bridge, so that for these four corresponding magnetoresistive layer elements of XMR-yp e.g. 1 are to be provided, which are to generate output signals in pairs with opposite signs.
  • FIG. 2 shows a mask 2 with openings 2a and 2b, by means of which corresponding parts 3a and 3b of a lower conductor track of the assumed bridge circuit are to be deposited on a first level. These conductor track parts define two bridge branches ZI and Z2 connected in parallel.
  • the respective XMR elements are to be formed on the conductor track parts 3a and 3b using known thin-film technology.
  • the two masks 5 and 6 with openings 5a, 5b and 6a, 6b illustrated in FIGS. 3 and 4 serve for this purpose.
  • the two masks are necessary because XMR elements arranged diagonally in the bridge circuit should have different characteristics according to the invention, which lead to magnetoresistive effects with different signs.
  • the two XMR elements E2 and E3 are to be formed in the region of the ends 4b and 4c with the mask 5, while the mask 6 is used to form the XMR elements E1 and E4 in the end regions 4a and 4d.
  • the mask 7 shown in FIG. 5 is used for this purpose with openings 7a and 7b, through which upper conductor track parts 8a and 8b are to be deposited.
  • the Wheatstone bridge to be obtained in this way is indicated schematically in FIG. 6 and labeled B. It contains four layer elements E1, E2, E3 and E4, which are only indicated by dashed lines in the figure, since they are covered by the upper conductor track parts 8a and 8b in the view shown.
  • the layer elements E1 and E2 are arranged one behind the other in the current-carrying direction in the first bridge branch ZI.
  • the layer elements E3 and E4 lie in the second bridge branch Z2.
  • bridges B lying diagonally to one another are intended in each case
  • Layer elements have the same structure; that is, elements E2 and E3 are of the same type with the aid of mask 5 (see FIG. 3).
  • the diagonal elements E1 and E4 are of the same type.
  • the elements of the two element pairs E2-E3 or E1-E4 should differ in terms of the sign of their magnetoresistive effect or their output signal. Therefore, according to the invention, at least for the detection layers of the elements of the one pair of elements, for example the pair E1-E4, a certain different material and / or a different structure is selected than for the detection layers of the elements of the other pair of elements E2-E3. It is advantageous if the layer elements are formed by all element pairs in such a way that their magnetoresistive effect is of the same magnitude. Furthermore, the internal resistances of all elements should be the same in order to maintain a low bridge off-set voltage in the bridge.
  • metallic materials such as Cu in the case of GMR elements
  • insulating materials such as Al 2 O 3 in the case of TMR elements
  • the sign of the XMR effect or the output signals to be tapped from the elements should be set at least by means of the choice of a special layer structure for the cover layers 14.
  • a change of sign can be brought about by introducing impurities into a soft magnetic Fe layer, for example V, which is to be regarded as a base material (cf. “J. Appl. Phys.”, Vol. 79, No. 8, April 15, 1996) , Pages 5270 to 5275) Without this additional material, the layer element would have a positive magnetoresistive effect.
  • a thin metallic intermediate layer made of an additional material, for example Cr into a soft magnetic Fe layer as a base material also has a corresponding sign reversal a layer sequence with a detection layer only from the base material (cf. "Phys. Rev. Lett.”, Vol. 72, No. 3, January 17, 1994, pages 408 to 411).
  • TMR layer sequences for example, by forming a thin Fe 3 0 layer on a soft magnetic Fe layer on the side of an Al 2 0 3 decoupling intermediate layer generate a negative output signal (see, for example, March Meeting 2001 of the American Physical Society, Session N7, contribution N7.006 by the authors PE Scott et al. with the title "Transport studies of magnetic tunnel junctions exhibiting negative tunneling magnetoresistance", abstract at the Internet address
  • DH // www. eps.org/aps/meet/MAR01/baps/abs/S5070006.html "published). DH; the additional layer made of the additional material need not be fully integrated into the detection layer, but can also delimit it from the decoupling intermediate layer ,
  • the measures relating to the soft magnetic detection layers can of course be accompanied by measures relating to the respective intermediate layer and / or the magnetically harder reference layer.
  • measures relating to the respective intermediate layer and / or the magnetically harder reference layer For example, in “J. of Magn. and Magn. Mat. ", Vol. 165, 1997, pages 100 to 103 pointed out that a sign reversal of a GMR effect in Fe / Cu / Co / Cu multilayer systems not only through impurity elements in the soft magnetic Fe layer, but also through Cu Contamination in the co-reference layer is promoted, but even in such a case, the sign reversal is essentially brought about by the measure relating to the detection layer, ie, in addition to the different design of the detection layers, that for the desired one
  • the individual layer elements can also differ with regard to the design of their intermediate layers and / or their reference layers.
  • the materials selected for the detection layers do not lead to identical surface resistances, they can can be compensated for, for example, by the dimensions of the individual layer elements. Adaptation via the respective layer thickness is also possible. For example, ion beam deposition or ablation of the corresponding material can be provided for this purpose.
  • an Fe layer instead of a Co layer; in the case of a GMR layer sequence
  • an Al layer on Al 2 O 3 ; in the case of a TMR layer sequence
  • additional layers can be used
  • Thin layers can also be arranged on or under a detection layer in order to change the band structure of the adjacent layer. If necessary, at least one reflector layer can also be introduced into the respective detection layer in order to change the electronic structure. Doping of the detection layer material with another material is of course also conceivable in order to influence the XMR property of the layer structure.
  • the circuit part according to the invention has four layer elements of the XMR type.
  • other circuit parts are also possible that have only two layer elements that differ in the sign of their XMR effect.
  • Corresponding circuit parts can be provided in particular in the field of combinatorial logic, which requires inverting and non-inverting components at the same time. If special TMR-type elements are provided for the layer elements of the XMR-type assumed for the exemplary embodiment, the structure of these TMR-layer elements is largely the same as that explained with reference to the figures. In a departure from this, the intermediate layer 13 shown in FIG.
  • a circuit part now comprises at least two corresponding magnetoresistive layer elements of the TMR type, which produce output signals in an external magnetic field that are inverted in terms of their signs.
  • the different signs of the magnetoresistive effect of the two layer elements are set by means of different layer structures for their intermediate layers.
  • layer elements lying diagonally to one another in the bridge B should have the same structure; i.e., elements E2 and E3 are of the same type with the aid of mask 5 (see FIG. 2).
  • the diagonal elements E1 and E4 are of the same type.
  • the elements of the two element pairs E2-E3 and E1-E4 should differ in terms of the sign of their magnetoresistive effect. Therefore, according to the invention, for the tunnel barrier intermediate layers of the elements of the one pair of elements, e.g. of the pair E1-E4, a certain different material and / or a different structure is chosen than for the intermediate layers of the elements of the other element pair E2-E3.
  • Al 2 0 3 or a double layer Al 2 0 3 / SrTi0 3 can be used as a first oxide material in order to obtain a positive TMR effect while in use of a different second oxide material, in particular of Ta 2 0s or SrTi0 3 , a negative TMR effect results.
  • interlayer materials for TMR layer elements with positive or negative magnetoresistive effect there, for example, Al 2 0 3 or an Al 2 0 3 / SrTi0 3 double-layer system are mentioned as an interlayer material which has a positive magnetoresistive effect, while with SrTi0 3 or Ce ⁇ - x La x 0 2 interlayers negative ones magnetoresistive effects can be achieved.
  • TMR layer elements with a negative magnetoresistive effect can be obtained by forming the intermediate layer from a double layer system, which has a first system layer made of an insulating material such as Al 2 O 3 and a second system layer made of a thin metallic layer such as contains from Au. The sign of the magnetoresistive effect can then be set via the thickness of this metallic system layer (see, for example, the article by W. de Jonge et al. Dated September 29, 1990 with the title "Magnetic Tunnel Junctions"; on the Internet at "http: //www.phys.tue.nl/fna/research/pdfs/eps99_01.pdf "to” ... / eps99_26.pdf ").
  • the size of the TMR effect of one pair of elements differs from that of the other pair, adaptation is also possible by means of further measures, for example by means of under- or overoxidation or by inserting additional spin-scattering layers.
  • additional layers have other functions such as those of diffusion barriers.
  • Thin layers can also be arranged on or under an intermediate layer in order to change the band structure of the adjacent layer (cf. the Internet address "... /eps99_26.pdf").
  • at least one reflector layer can also be introduced into the respective barrier layer in order to change the electronic structure.
  • doping the interlayer material with another material is also conceivable in order to influence the TMR property of the layer structure. For example, a nitriding of Ta 2 0 5 is conceivable for this.
  • TMR layer elements are the other, generally specified for XMR layer elements in question.
  • TMR layer elements only with regard to the design of their intermediate layers.
  • the layer elements can also have different detection layers and / or reference layers.

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Abstract

Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelementen mit invertierten Ausgangssignalen. Der Schaltungsteil (B) enthält mindestens zwei Schichtelemente (E1-E4), die jeweils einen erhöhten magnetoresistiven XMR-Effekt, beispielsweise TMR-Effekt zeigen und eine Dünnschichtenfolge mit einer weichmagnetischen Detektionsschicht, einer magnetisch härteren Referenzschichtund, einer dazwischenliegenden entkoppelnden Zwischenschicht aufweisen. Die beiden Schichtelemente sollen vom Vorzeichen her zueinander invertierte Ausgangssignale erzeugen. Hierzu ist die Einstellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes der beiden Schichtelemente (E1, E2 bzw. E3, E4) mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus zumindest ihrer Detektionsschichten oder Zwischenschichten vorgegeben.

Description

Beschreibung
Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelementen mit invertierten AusgangsSignalen
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsteile mit mindestens zwei magnetoresitiven Schichtelementen, die jeweils einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven XMR- Effekt zeigen und jeweils eine Dünnschichtenfolge mit wenigs- tens einer weichmagnetischen Detektionsschicht, einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht oder einem entsprechenden Referenzschichtsystem und - einer zwischen diesen Schichten befindlichen entkoppelnden Zwischenschicht aus nicht-magnetischem Material aufweisen, wobei die von einem äußeren Magnetfeld hervorgerufenen Ausgangssignale der beiden Schichtelemente vom Vorzeichen her zueinander invertiert sind. Ein entsprechender Schaltungsteil geht z.B. aus der DE 100 28 640 A hervor.
In vielen Anwendungen der magnetischen Logik werden auch als Bausteine zu bezeichnende Schaltungsteile benötigt, die invertierte digitale Signale erzeugen, z.B. zu einer Taktung oder an den Ein- und Ausgängen von logischen Gatterelementen. So sind beispielsweise auf dem Gebiet der kombinatorischen Logik programmierbare Bausteine (sogenannte Programmable Logic Devices bzw. PLDs) wie insbesondere programmierbare logische Matrixelemente (sogenannte Programmable Logic Arrays bzw. PLAs) erforderlich. Ein entsprechender PLA-Schaltungsteil hat sowohl eine programmierbare UND-Matrix als auch eine programmierbare ODER-Matrix. Hierbei wird der Eingang der ersten UTSTD-Matrix mit einem Inverter gepuffert und zum einen direkt der Matrix des Bausteins zur Verfügung gestellt; zum anderen wird dieses Signal erneut invertiert. Der hierfür vorgesehene zweite Inverter erzeugt ebenfalls ein gepuffertes Ausgangssignal, das mit dem Eingang gleichphasig ist. Ent- sprechende Bausteine oder Schaltungsteile müssen auch als Augangstreiber der ODER-Matrix eingesetzt werden, wenn wie z.B. bei einem PLA-Schaltungsteil die AusgangsSignale invertiert und nicht-invertiert vorliegen sollen.
Für den Bereich der magnetischen Logik kann als ein Inverter z.B. ein NOR- oder ein NAND-Gatterelement eingesetzt werden, dessen Eingänge zusammengeschaltet sind. Entsprechende Gatter der magnetischen Logik sind aus der Veröffentlichung „Journ. of Appl. Phys.", Vol. 87, No . 9,, 1. Mai 2000, Seiten 6674 bis 6679 bekannt. Sie enthalten jeweils eine magnetoresistive Dünnschichtenfolge mit einer auch als Informations- oder Messschicht zu bezeichnenden Detektionsschicht und einer durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Referenzschicht, die eine vergleichsweise größere magnetische Härte (Koerzitivfeidstärke) aufweist und gegebenenfalls eine Einzelschicht eines entsprechenden, ebenfalls magnetisch härteren Referenzschichtsystems ist. Die Schichtenfolgen können dabei insbesondere vom sogenannten GMR(Giant Magneto Re- sistance) -Typ oder in gleicher Weise vom TMR(Tunneling Magneto Resistance) -Typ oder vom SDT ( Spin Dependent Tunneling) -Typ sein. Die genannten Typen werden der Familie der XMR-Elemente hinzugerechnet (vgl. z.B. den Band "XMR-Technologien" - Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten
11 bis 46). Schaltungsteile mit entsprechenden Elementen, die invertierte Ausgangssignale erzeugen, erfordern jedoch bisher einen erheblichen Platzbedarf innerhalb einer integrierten Schaltung.
Um ein invertiertes Ausgangssignal in einem solchen Schichtelement zu erhalten, lässt sich beispielsweise die Stromrichtung im Vergleich zu einem nicht-invertierenden Schichtelement vertauschen. Auch kann man eine Programmiermöglichkeit von Referenzschichten zur Realisierung von Inverterfunktionen heranziehen. Entsprechende InverterSchaltungen werden bisher für Sensorschaltungen in Form von Wheatstone-Brückenschal- tungen nicht eingesetzt, da der hier erforderliche Realisierungsaufwand verhältnismäßig hoch ist.
Gerade auch für derartige Sensoranwendungen werden Schal- tungsteile mit magnetoresistiven Schichtelementen gefordert, die invertierte Ausgangssignale erzeugen. So ist aus der eingangs genannten DE 100 28 640 A eine Wheatstone-Brücke mit magnetoresistiven Brückenelementen vom sogenannten Spin- Valve-Typ bekannt, die jeweils eine Dünnschichtenfolge aus mehreren Schichten haben. Der Spin-Valve-Typ kann dabei als GMR- oder TMR-Typ ausgebildet sein. Zwei diagonale Elemente der Brücke müssen gegenüber den anderen Brückenelementen invertierte Ausgangssignale erzeugen. Hierzu kann durch Ionen- beschuss ein als ein Referenzschichtsystem verwendeter natür- lic er Antiferromagnet aus zwei Schichten entsprechend umprogrammiert werden (vgl. auch „Physical Review B", Vol. 63, No. 6, 060409 (R), 1. Febr. 2001, Seiten 1 bis 4). Eine entsprechende Programmierung von Viellagenschichten einer Dünnschichtenfolge ist jedoch schwierig. Man ist deshalb auf Ele- mente mit höchstens wenige Schichten umfassender Dünnschichtenfolge beschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Schaltungsteil mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestal- ten, dass für ihn auf verhältnismäßig einfache Weise invertierende und nicht-invertierende Schichtelemente auszubilden sind.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen zu realisieren. Demgemäss soll bei einem Schaltungsteil mit den eingangs genannten Merkmalen die Einstellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes der beiden Schichtelemente mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus zumindest ihrer De- tektionsschichten vorgegeben sein. Der Begriff „Aufbau" beinhaltet dabei eine besondere Materialwahl für die jeweilige Detektionsschicht und/oder eine mehrschichtige Ausbildung dieser Schicht aus unterschiedlichen Materialien.
Es wurde nämlich erkannt, dass für den Schaltungsteil durch einen unterschiedlichen Schichtaufbau für die Detektions- schichten unterschiedliche Kennlinien der Schichtelemente unter Einwirkung gleichartiger Magnetfelder derart zu erhalten sind, dass diese Elemente einen positiven bzw. negativen magnetoresistiven Effekt zeigen.
Als Einstellparameter für den Schichtaufbau der Detektions- schichten der Schichtelemente kommt dabei bevorzugt die Materialwahl und/oder die Wahl der Schichtdicke sowohl bei ein- wie auch bei mehrschichtiger Ausbildung in Frage. Diese Ein- Stellparameter sind in einfacher Weise den jeweiligen Forderungen anzupassen.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird also ein neuer Ansatz zur gezielten Definition der Widerstandsänderung in Ab- hängigkeit von magnetischen Feldern gemacht, der sich Kennlinieneigenschaften von magnetoresistiven Bauelementen zu Nutze macht. Entsprechende Schichtelemente sind verhältnismäßig einfach herzustellen und lassen sich leicht zu Logikschaltungen oder Sensorschaltungen zusammenfügen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Schaltungsteilen nach Anspruch 1 sind den davon abhängigen Ansprüchen zu entnehmen .
So kann zur Ausbildung des mindestens einen Schichtelements mit negativem magnetoresistiven Effekt insbesondere dessen Detektionsschicht als ein Grundmaterial das Material der Detektionsschicht des mindestens einen Schichtelementes mit positivem magnetoresistiven Effekt enthalten, wobei diesem Grundmaterial wenigstens ein weiteres Zusatzmaterial hinzugefügt ist. Beispielsweise kann das Zusatzmaterial hinzulegiert oder in fein verteilter Form eindispergiert sein. Auch eine Dotierung mit diesem Zusatzmaterial ist möglich. Stattdessen kann das dem Grundmaterial hinzugefügte Zusatzmaterial auch in Form einer in die Detektionsschicht integrierten oder einer an der Detektionsschicht anliegenden zusätzlichen Schicht aus dem Zusatzmaterial vorliegen. Mit der Menge und/oder der Form des hinzugefügten Zusatzmaterials lässt sich dann vorteilhaft die Größe des negativen magnetoresistiven Effekt des betreffenden Schichtelementes in weiten Grenzen einstellen.
Für eine zweite Lösung der genannten Aufgabe werden als spezielle XMR-Schichtelemente TMR-Schichtelerne te ausgewählt, deren jeweilige Zwischenschichten aus isolierendem Material eine Tunnelbarriere bilden. Die Lösung der Aufgabe ist mit den aus Anspruch 5 angegebenen Maßnahmen zu erreichen. Demge- mäss soll die Einstellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes der beiden Schichtelemente mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus für ihre Zwischenschichten vorgegeben sein.
Für diese Ausführungsform des Schaltungsteils ergeben sich dieselben Vorteile wie im Falle des Schaltungsteils nach Anspruch 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Schaltungsteilen nach Anspruch 5 sind den davon abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
So kann insbesondere ein mehrschichtiger Schichtaufbau der Zwischenschichten zumindest eines Schichtelementes vorgesehen sein. Ein solcher mehrschichtiger Mehrschichtaufbau ist insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt einer epitaktischen Abscheidung der einzelnen Schichten von Vorteil .
Auch für diese Ausführungsform lässt sich als Einstellparameter für den Schichtaufbau der Zwischenschichten der Schichtelemente das Material und/oder die Schichtdicke vorsehen. Da- bei kann vorteilhaft für das mindestens eine Schichtelement mit positivem magnetoresistiven Effekt als Zwischenschichtmaterial ein erstes Oxidmaterial, insbesondere Al03 oder Al203/SrTi03, und für das mindestens eine magnetoresistive Schichtelement mit negativem magnetoresistiven Effekt als
Zwischenschichtmaterial ein zweites Oxidmaterial, insbesondere Ta05 oder SrTi03 gewählt werden.
Für Schaltungsteile nach beiden Lösungswegen sind vorteilhaf- te Ausgestaltungen dem gemeinsam von Anspruch 1 und Anspruch 5 abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
So kann insbesondere der Schaltungsteil mindestens vier zu einer Wheatstone-Brücke mit zwei parallelgeschalteten, strom- durchflossenen Brückenzweigen verschaltete magnetoresistive
Schichtelemente aufweisen, von denen jeweils zwei Schichtelemente einen der Zweige der Brücke bilden, in Stromzuführungsrichtung hintereinander angeordnet sind sowie magnetoresistive Effekte mit unterschiedlichen Vorzeichen zeigen, wobei zueinander diagonale Schichtelemente aus den beiden Brückenzweigen jeweils einen magnetoresistiven Effekt mit dem gleichem Vorzeichen zeigen.
Dabei sind vorteilhaft die magnetoresistiven Effekte der mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelemente betragsmäßig zumindest annähernd gleich groß. Der Unterschied zwischen beiden Ausgangssignalwerten sollte dabei höchstens 10 % betragen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Innenwiderstände der Schichtelemente zumindest annähernd gleich groß sind. Der Unterschied zwischen den Werten der beiden Innenwiderstände sollte dabei höchstens 10 % betragen. Damit ist zu gewährleisten, dass z.B. bei einer Brückenanordnung eine geringere Brücken-off-set-Spannung erzeugt wird, oder bei der Bearbeitung logischer Daten die gleichen Ausgangssignalhübe erhalten werden.
Die Einstellung der Größe des magnetoresistiven Effektes und/oder des Innenwiderstandes einer Dünnschichtenfolge kann dabei vorteilhaft durch eine Materialbearbeitung wie z.B. einen Ionenbeschuss wenigsten einer der Schichten des jeweiligen Schichtaufbaus vorgenommen sein.
Besonders vorteilhaft ist, dass sich die Dünnschichtenfolgen der Schichtelemente des Schaltungsteil mittels einer Maskentechnik ausbilden lassen. Damit ist auch eine Herstellung größerer Schaltungsteile insbesondere mit einer größeren Anzahl von Schichtelementen mit unterschiedlichem Vorzeichen des XMR-Effektes bzw. des TMR-Effektes deutlich vereinfacht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Schaltungsteilen gehen aus den übrigen, vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor .
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand deren Figuren 1 bis 6 als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsteils veranschaulicht ist. Dabei zeigen die
Figur 1 eine an sich bekannte Dünnschichtenfolge eines
Schichtelementes vom XMR-Typ, wie es für einen Schaltungsteil nach der Erfindung geeignet ist, Figur 2 die Maske zur Herstellung einer unteren Leiterbahn eines solchen Schaltungsteils,
Figuren 3 und 4 die Masken für zwei invertiert arbeitende
XMR-Systeme, Figur 5 die Maske für eine obere Leiterbahn und Figur 6 einen mit diesen Masken ausgebildeten Schaltungsteil in Form einer Wheatstone-Brücke . In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Für den erfindungsgemäßen Schaltungsteil sollen mindestens zwei magnetoresistive Schichtelemente vorgesehen sein, deren Dünnschichtenfolge jeweils einen sogenannten XMR-Typ bildet. Entsprechende Bauelemente sind allgemein bekannt (vgl. z.B. „Phys. Rev. Lett.", Vol. 74, No. 26, 26. Juni 1995, Seiten 5260 bis 5263, WO 96/07208 A, GB 2 333 900 A oder den Band „XMR-Technologien" - Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Solche, für den erfindungsgemäßen Schaltungsteil geeigneten XMR- Elemente zeichnen sich jeweils dadurch aus, dass sie eine Dünnschichtenfolge mit wenigstens folgenden Schichten aufweisen, nämlich eine weichmagnetische Detektionsschicht, eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht sowie eine zwischen diesen Schichten angeordnete Zwischenschicht aus einem nicht-magnetischen Material zur Entkopplung der Detektionsschicht von der Referenzschicht. Die Referenzschicht kann auch Teil eines Referenzschichtensystems sein. Die Detektionsschicht zeichnet sich durch einen besonderen Aufbau aus, indem für sie eine besondere Materialwahl getroffen ist und/ oder eine mehrschichtige Ausbildung aus unterschiedlichen Materialien vor- gesehen wird. Gegebenenfalls kann sich dabei die genannte
Schichtenfolge in bekannter Weise insbesondere zur Erhöhung des zu gewinnenden AusgangsSignals periodisch wiederholen. Ein weiterer Einstellparameter ist die Schichtdicke der jeweiligen Schicht oder bei einem mehrschichtigen Aufbau der jeweiligen Unterschicht. Die Referenzschicht kann auch Teil eines Referenzschichtensystems sein. Entsprechende Bauelemente lassen sich insbesondere so ausbilden, dass sie gerade bei Raumtemperatur einen gegenüber einem einschichtigen magnetoresistiven Bauelement vom AMR-Typ vergleichsweise höheren magnetoresistiven Effekt zeigen. Eine Dünnschichtenfolge vom XMR-Typ, wie sie für Schichtelemente eines Schaltungsteils nach der Erfindung vorgesehen werden kann, geht aus Figur 1 hervor. In dieser Figur sind bezeichnet mit 11 allgemein das Schichtelement, mit 12 dessen magnetisch härteres, beispielsweise als sogenannter künstlicher Antiferromagnet (vgl. WO 94/15223 A) ausgebildetes Referenzschichtsystem, mit 13 eine entkoppelnde Zwischenschicht, mit 14 eine weichmagnetische Detektionsschicht, mit 16 ein Substrat, mit 17 eine untere ferromagnetische Schicht des Re- ferenzschichtsystems, mit 18 eine obere ferromagnetische
Schicht des Referenzschichtsystems sowie mit 19 eine Kopplungsschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 17 und 18 des Referenzschichtsystems . Die Magnetisierung M der oberen ferromagnetischen Schicht 18 stellt also eine hartmagnetische Referenzschicht- oder Biasschichtmagnetisie- rung dar, die gegen externe Magnetfelder Hex unempfindlich ist und bezüglich welcher die Magnetisierung M' der weichmagnetischen Detektionsschicht 14 gedreht bzw. geschaltet werden kann, wenn ein hinreichend hohes externes Feld Hex einwirkt.
Für das Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der erfindungsgemäße Schaltungsteil eine Wheatstone-Brücke bildet, so dass für diese vier entsprechende magnetoresistive Schichtelemente vom XMR- yp z.B. gemäß Figur 1 vorzusehen sind, die paarweise Ausgangssignale mit entgegengesetzten Vorzeichen erzeugen sollen.
Zur Herstellung eines entsprechenden Schaltungsteils kann insbesondere eine Sputter- oder MBE-Anlage vorgesehen werden. Hierbei lassen sich durch Schattenmasken die unterschiedlichen Materialsysteme zur Herstellung und Definition der unterschiedlichen Materialien für die einzelnen XMR-Bauelemente einsetzen. Dabei wird im Vergleich zu der bisherigen XMR- Herstellung eine zusätzliche Maske benötigt oder eine Maske für die Detektionsschichten uss gedreht werden. In Figur 2 ist eine Maske 2 mit Öffnungen 2a und 2b veranschaulicht, mittels derer entsprechende Teile 3a bzw. 3b einer unteren Leiterbahn der angenommenen Brückenschaltung in einer ersten Ebene abzuscheiden sind. Diese Leiterbahnteile legen zwei parallelgeschaltete Brückenzweige ZI bzw. Z2 fest. In den Bereichen ihrer einander zugewandten Enden 4a bis 4d sollen auf den Leiterbahnteilen 3a und 3b die jeweilige XMR- Elemente in bekannter Dünnschichttechnik ausgebildet werden. Hierzu dienen die in den Figuren 3 und 4 veranschaulichten beiden Masken 5 bzw. 6 mit Öffnungen 5a, 5b bzw. 6a, 6b. Die beiden Masken sind deshalb erforderlich, weil jeweils diagonal in der Brückenschaltung angeordnete XMR-Elemente erfindungsgemäß unterschiedliche Kennlinien haben sollen, die zu magnetoresistiven Effekten mit unterschiedlichen Vorzeichen führen. Dementsprechend sind mit der Maske 5 die beiden XMR- Elemente E2 und E3 im Bereich der Enden 4b und 4c auszubilden, während die Maske 6 zur Ausbildung der XMR-Elemente El und E4 in den Endbereichen 4a und 4d dient. Nach Abscheidung der einzelnen Schichten der Schichtenfolge der jeweiligen XMR-Elemente wird dann eine Zusammenschaltung dieser Elemente über eine obere Leiterbahn vorgenommen. Hierzu dient die in Figur 5 gezeigte Maske 7 mit Öffnungen 7a und 7b, durch welche hindurch obere Leiterbahnteile 8a bzw. 8b zu deponieren sind.
Die so zu erhaltende Wheatstone-Brücke ist in Figur 6 schematisch angedeutet und mit B bezeichnet. Sie enthält vier Schichtelemente El, E2 , E3 und E4, die in der Figur nur gestrichelt angedeutet sind, da sie in der gezeigten Aufsicht durch die oberen Leiterbahnteile 8a und 8b abgedeckt sind.
Die Schichtelemente El und E2 sind in dem ersten Brückenzweig ZI in Stromführungsrichtung hintereinander angeordnet . Entsprechend liegen die Schichtelemente E3 und E4 in dem zweiten Brückenzweig Z2.
Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sollen jeweils diagonal zueinander in der Brücke B liegende Schichtelemente den gleichen Aufbau haben; d.h. , die Elemente E2 und E3 sind mit Hilfe der Maske 5 (vgl. Figur 3) vom selben Typ. Ebenso sind die diagonalen Elemente El und E4 vom selben Typ. Dabei sollen sich die Elemente der beiden Ele- mentpaare E2-E3 bzw. E1-E4 hinsichtlich des Vorzeichens ihres magnetoresistiven Effektes bzw. ihres Ausgangssignals unterscheiden. Deshalb wird erfindungsgemäß zumindest für die Detektionsschichten der Elemente des einen Elementpaares, z.B. des Paares E1-E4, ein bestimmtes anderes Material und/oder ein anderer Aufbau gewählt als für die Detektionsschichten der Elemente des anderen Elementpaares E2-E3. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schichtelemente von allen Elementpaaren so ausgebildet werden, dass ihr magnetoresistiver Effekt betragsmäßig gleich groß ist. Weiterhin sollten die Innenwider- stände aller Elemente gleich groß sind, um so in der Brücke eine geringe Brücken-Off-Set-Spannung zu erhalten.
Für die entkoppelnden Zwischenschichten 13 der Schichtelemente können je nach gewähltem XMR-Typ metallische Materialien (wie z.B. Cu im Falle von GMR-Elementen) oder isolierende Materialien (wie z.B. Al203 im Falle von TMR-Elementen) gewählt werden.
Erfindungsgemäß soll zumindest mittels der Wahl eines beson- deren Schichtaufbaus für die Deckschichten 14 die Einstellung des Vorzeichens des XMR-Effektes bzw. der an den Elementen abzugreifenden Ausgangssignale erfolgen. So lässt sich z.B. ein Vorzeichenwechsel durch Einbringen von Verunreinigungen in eine als ein Grundmaterial anzusehende weichmagnetische Fe-Schicht, z.B. von V, herbeiführen (vgl. „J. Appl . Phys . " , Vol. 79, No. 8, 15. April 1996, Seiten 5270 bis 5275). Ohne dieses Zusatzmaterial würde des Schichtelement einen positiven magnetoresistiven Effekt zeigen. Auch die Einlagerung einer dünnen metallischen Zwischenschicht aus einem Zusatzma- terial, z.B. von Cr, in eine weichmagnetische Fe-Schicht als einem Grundmaterial hat eine entsprechende Vorzeichenumkehr gegenüber einer Schichtenfolge mit einer Detektionsschicht nur aus dem Grundmaterial zur Folge (vgl. „Phys. Rev. Lett . " , Vol. 72, No. 3, 17. Januar 1994, Seiten 408 bis 411). In TMR- Schichtenfolgen lässt sich z.B. durch Ausbildung einer dünnen Fe30-Schicht an einer weichmagnetischen Fe-Schicht auf der Seite einer Al203-entkoppelnden Zwischenschicht ein negatives Ausgangssignal erzeugen (vgl. z.B. March Meeting 2001 der American Physical Society, Session N7 , Beitrag N7.006 der Autoren P.E. Scott et al . mit dem Titel „Transport studies of magnetic tunnel junctions exhibiting negative tunneling magnetoresistance" , Abstract unter der Internetadresse
„http: //www. eps.org/aps/meet/MAR01/baps/abs/S5070006.html" veröffentlicht) . D.H. ; die zusätzliche Schicht aus dem Zusatzmaterial braucht nicht in die Detektionsschicht voll integriert zu sein, sondern kann diese auch gegenüber der ent- koppelnden Zwischenschicht abgrenzen.
Selbstverständlich können die sich auf die weichmagnetischen Detektionsschichten beziehenden Maßnahmen begleitet sein von Maßnahmen, die sich auf die jeweilige Zwischenschicht und/oder die magnetisch härtere Referenzschicht beziehen. So ist z.B. in „J. of Magn. and Magn. Mat . " , Vol. 165, 1997, Seiten 100 bis 103 darauf hingewiesen, dass eine Vorzeichenumkehr eines GMR-Effektes in Fe/Cu/Co/Cu-Mehrschichten- systemen nicht nur durch Verunreinigungselemente in der weichmagnetischen Fe-Schicht, sondern auch durch Cu-Verun- reinigungen in der Co-Referenzschicht gefördert wird. Aber auch in einem solchen Fall wird im Wesentlichen die Vorzeichenumkehr durch die sich auf die Detektionsschicht beziehende Maßnahme bewirkt. D.h., neben der unterschiedlichen Aus- gestaltung der Detektionsschichten, die für den erwünschten
Vorzeichenwechsel verantwortlich ist, können sich die einzelnen Schichtelemente auch hinsichtlich der Ausgestaltung ihrer Zwischenschichten und/oder ihrer Referenzschichten unterscheiden.
Falls die für die Detektionsschichten gewählten Materialien nicht zu identischen Flächenwiderständen führen, können diese beispielsweise über die Abmessung der einzelnen Schichtelemente ausgeglichen werden. Auch eine Anpassung über die jeweilige Schichtdicke ist möglich. Hierzu kann z.B. eine Ionenstrahlabscheidung oder eine Ablation des entsprechenden Materials vorgesehen werden.
Bei unterschiedlicher Größe des XMR-Effektes des einen Ele- mentpaares gegenüber dem des anderen Paares ist auch eine Anpassung mittels weiterer Maßnahmen wie z.B. mittels einer Un- ter- oder Überoxidation oder durch Einfügen zusätzlicher spinstreuender Schichten möglich. So kann beispielsweise auf einer entkoppelnden Zwischenschicht eine Fe-Schicht (statt einer Co-Schicht; bei einer GMR-Schichtenfolge) oder eine Al- Schicht (auf Al203; bei einer TMR-Schichtenfolge) vorgesehen werden. Außerdem können mit zusätzliche Schichten weitere
Funktionen wie z.B. die von Diffusionsbarrieren ausgeübt werden. Auch lassen sich dünne Schichten auf oder unter einer Detektionsschicht anordnen, um so die Bandstruktur der anliegenden Schicht zu verändern. Gegebenenfalls kann man auch mindestens eine Reflektorschicht in die jeweilige Detektionsschicht einbringen, um so die elektronische Struktur zu ändern. Selbstverständlich ist auch eine Dotierung des Detek- tionsschichtmaterials mit einem anderen Material denkbar, um die XMR-Eigenschaft des Schichtaufbaus zu beeinflussen.
Bei dem an Hand der Figuren vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die erfindungsgemäße Schaltungsteil vier Schichtelemente vom XMR-Typ aufweist. Selbstverständlich sind auch andere Schaltungsteile möglich, die nur zwei Schichtelemente aufweisen, die sich hinsichtlich des Vorzeichens ihres XMR-Effektes unterscheiden. Entsprechende Schaltungsteile können insbesondere auf dem Gebiet der kombinatorischen Logik vorgesehen werden, die zugleich invertierende und nicht-invertierende Bauelemente erfordert. Sieht man für die für das Ausführungsbeispiel angenommenen Schichtelemente vom XMR-Typ spezielle vom TMR-Typ vor, so ist der Aufbau dieser TMR-Schichtelemente weitgehend gleich dem des an Hand der Figuren erläuterten. Abweichend davon muss die in Figur 1 gezeigte Zwischenschicht 13 zwischen einer weichmagnetischen Detektionsschicht 14 und einer magnetisch härteren Referenzschicht 18 aus einem isolierenden Material bestehen, das eine sogenannte Tunnelbarriere bildet. Gemäß der Erfindung umfasst nun ein Schaltungsteil mindestens zwei entsprechender magnetoresistiver Schichtelemente vom TMR-Typ, die in einem äußeren Magnetfeld Ausgangssignale hervorrufen, die vom Vorzeichen her zueinander invertiert sind. Bei Verwendung derartiger Schichtelemente erfolgt die Einstellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effek- tes der beiden Schichtelemente mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus für ihre Zwischenschichten.
Für eine an Hand der Figuren 2 bis 6 mit solchen TMR-Schicht- elementen herzustellende Brücke B sollen jeweils diagonal zu- einander in der Brücke B liegende Schichtelemente den gleichen Aufbau haben; d.h., die Elemente E2 und E3 sind mit Hilfe der Maske 5 (vgl. Figur 2) vom selben Typ. Ebenso sind die diagonalen Elemente El und E4 vom selben Typ. Dabei sollen sich die Elemente der beiden Elementpaare E2-E3 bzw. E1-E4 hinsichtlich des Vorzeichens ihres magnetoresistiven Effektes unterscheiden. Deshalb wird erfindungsgemäß für die Tunnelbarrieren-Zwischenschichten der Elemente des einen Elementpaares, z.B. des Paares E1-E4, ein bestimmtes anderes Material und/oder ein anderer Aufbau gewählt als für die Zwischen- schichten der Elemente des anderen Elementpaares E2-E3.
Als Materialien bzw. -Systeme für unterschiedliche Barrieren- Zwischenschichten der einzelnen Schichtelemente können als ein erstes Oxidmaterial z.B. Al203 oder eine Doppelschicht Al203/SrTi03 verwendet werden, um einen positiven TMR-Effekt zu erhalten, während sich bei Verwendung eines davon verschiedenen zweiten Oxidmaterials, insbesondere von Ta20s oder SrTi03, ein negativer TMR-Effekt ergibt. Aus dem Beitrag von J. M. De Teresa et al . in "The Annais of the Marie Curie Fel- lowship Association" , vol. 1 (1999) mit dem Titel "Role of the Barrier in Magnetic Tunnel Junctions" (im Internet unter "http://www.mariecurie.org/annals volumel/deteresa.pdf" ) lassen sich geeignete Zwischenschichtmaterialien für TMR- Schichtelemente mit positivem oder negativem magnetoresistiven Effekt entnehmen. Dort sind beispielsweise als ein einen positiven magnetoresistiven Effekt hervorrufendes Zwischen- Schichtmaterial Al203 oder ein Al203/SrTi03-Doppelschicht- system erwähnt, während mit SrTi03- oder Ceι-xLax02-Zwischen- schichten negative magnetoresistive Effekte zu erreichen sind.
Ferner lassen sich TMR-Schichtelemente mit negativem magnetoresistiven Effekt dadurch erhalten, dass man die Zwischenschicht aus einem Doppelschichtsystem bildet, das eine erste Systemschicht aus einem isolierenden Material wie z.B. aus Al203 und eine zweite Systemschicht aus einer dünnen metalli- sehen Schicht wie z.B. aus Au enthält. Über die Dicke dieser metallischen Systemschicht lässt sich dann das Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes einstellen (vgl. z.B. den Beitrag von W. de Jonge et al . vom 29. Sept. 1990 mit dem Titel "Magnetic Tunnel Junctions"; im Internet unter "http://www.phys.tue.nl/fna/research/pdfs/eps99_01.pdf" bis ".../eps99_26.pdf") .
Werden die Zwischenschichtmaterialien von verschiedenen Schichtelementen zunächst in metallischer Form aufgebracht, so ist gegebenenfalls auch eine gemeinsame Oxidation deren beider Barrierenmaterialien möglich.
Bei unterschiedlicher Größe des TMR-Effektes des einen Elementpaares gegenüber dem des anderen Paares ist auch eine An- passung mittels weiterer Maßnahmen wie z.B. mittels einer Unter- oder Überoxidation oder durch Einfügen zusätzlicher spinstreuender Schichten möglich. Außerdem können mit zusätz- liehen Schichten weitere Funktionen wie z.B. die von Diffusionsbarrieren ausgeübt werden. Auch lassen sich dünne Schichten auf oder unter einer Zwischenschicht anordnen, um so die Bandstruktur der anliegenden Schicht zu verändern (vgl. die genannte Internetadresse " ... /eps99_26.pdf" ) . Gegebenenfalls kann man auch mindestens eine Reflektorschicht in die jeweilige Barrierenschicht einbringen, um so die elektronische Struktur zu ändern. Selbstverständlich ist auch eine Dotierung des Zwischenschichtmaterials mit einem anderen Ma- terial denkbar, um die TMR-Eigenschaft des Schichtaufbaus zu beeinflussen. Beispielsweise ist hierfür eine Nitrierung von Ta205 denkbar .
Soweit vorstehend nicht besonders erläutert, kommen für Aus- führungsformen von Schaltungsteilen nach der Erfindung mit
TMR-Schichtelementen die übrigen, allgemein für XMR-Schicht- elenaente angegebenen speziellen Ausgestaltungen in Frage.
Hierzu ist es nicht unbedingt erforderlich, dass sich die
TMR-Schichtelemente nur hinsichtlich der Ausgestaltung ihrer Zwischenschichten unterscheiden. Selbstverständlich können die Schichtelemente auch unterschiedliche Detektionsschichten und/oder Referenzschichten aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelementen, die jeweils einen gegenüber einem AMR- Effekt erhöhten magnetoresistiven XMR-Effekt zeigen und jeweils eine Dünnschichtenfolge mit wenigstens einer weichmagnetischen Detektionsschicht, einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht oder einem entsprechenden Referenzschichtsystem und einer zwischen diesen Schichten befindlichen entkoppelnden Zwischenschicht aus nicht-magnetischem Material aufweisen, wobei die von einem äußeren Magnetfeld hervorgerufenen Ausgangssignale der beiden Schichtelemente vom Vorzei- chen her zueinander invertiert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass die Einstellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes der beiden Schichtelemente (El, E2 bzw. E3 , E4) mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus zumindest ihrer De- tektionsschichten (14) vorgegeben ist.
2. Schaltungsteil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Einstellparameter für den Schichtaufbau der Detektionsschichten (14) der Schicht- elemente (El bis E4) das Material und/oder die Schichtdicke vorgesehen sind/ist.
3. Schaltungsteil nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass das mindestens eine Schichtelement (E2, E3 ) mit negativem magnetoresistiven Effekt eine Detektionsschicht (14) enthält, die als ein Grundmaterial das Material der Detektionsschicht des mindestens einen Schichtelementes (El, E4) mit positivem magnetoresistiven Effekt enthält, wobei diesem Grundmaterial wenigstens ein weiteres Zusatzmaterial hinzugefügt ist.
4. Schaltungsteil nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das hinzugefügte mindestens eine Zusatzmaterial in Form einer in die Detektionsschicht (14) integrierten oder an dieser anliegenden zusätzlichen Schicht vorliegt.
5. Schaltungsteil mit mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelementen, die einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigen und jeweils eine Dünnschichtenfolge mit wenigstens
- einer weichmagnetischen Detektionsschicht,
- einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht und
- einer zwischen diesen Schichten befindlichen Zwischen- schicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere aufweisen, wobei die von einem äußeren Magnetfeld hervorgerufenen Ausgangssignale der beiden Schichtelemente vom Vorzeichen her zueinander invertiert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ein- Stellung der unterschiedlichen Vorzeichen des magnetoresistiven Effektes der beiden Schichtelemente (El, E2 bzw. E3 , E4) mittels unterschiedlichen Schichtaufbaus für ihre Zwischenschichten (13) vorgegeben ist.
6. Schaltungsteil nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t durch einen mehrschichtigen Schichtaufbau der Zwischenschicht zumindest eines Schichtelementes (El bis E4) .
7. Schaltungsteil nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Einstellparameter für den Schichtaufbau der Zwischenschichten der Schichtelemente (El bis E4) das Material und/oder die Schichtdicke vorgesehen sind/ist.
8. Schaltungsteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für das mindestens eine Schichtelement (El, E4) mit positivem magnetore- sistiven Effekt als Zwischenschichtmaterial ein erstes Oxidmaterial, insbesondere Al203 oder Al203/SrTi03, und für das mindestens eine magnetoresistive Schichtelement (E2, E3) mit negativem magnetoresistiven Effekt als Zwischenschichtmateri- al ein zweites Oxidmaterial, insbesondere Ta2Os oder SrTi03, gewählt sind.
9. Schaltungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch mindestens vier zu einer Wheatstone-Brücke (B) mit zwei parallelgeschalteten, ström- durchflossenen Brückenzweigen (ZI, Z2 ) verschalteten magnetoresistiven Schichtelementen (El bis E4), von denen jeweils zwei einen der Zweige (ZI bzw. Z2) der Brücke (B) bilden, - in Stromführungsrichtung hintereinander angeordnet sind sowie magnetoresistive Effekte mit unterschiedlichem Vorzeichen zeigen, wobei zueinander diagonale Schichtelemente (E1-E4 bzw. E2-E3) aus den beiden Brückenzweigen (ZI, Z2) jeweils einen magnetoresistiven Effekt mit dem gleichem Vorzeichen haben.
10. Schaltungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die magnetoresistiven Effekte der mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelemente (El bis E4) betragsmäßig zumindest annähernd gleich groß sind.
11. Schaltungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Innenwiderstände der mindestens zwei magnetoresistiven Schichtelemente (El bis E4) zumindest annähernd gleich groß sind.
12. Schaltungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zusätzlich eine Einstellung der Größe des magnetoresistiven Effektes von wenigstens einem Schichtelement durch Materialbear- beitung mindestens einer der Schichten der Dünnschichtenfolge dieses Elementes vorgenommen ist.
13. Schaltungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine mittels einer Maskentechnik ausgebildeten Dünnschichtenfolge seiner Schichtelemente (El bis E4) .
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