JP2000049029A - Manufacture of layer structure containing artificial antiferromagnetic system and magnetoresistance sensor system - Google Patents

Manufacture of layer structure containing artificial antiferromagnetic system and magnetoresistance sensor system

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JP2000049029A
JP2000049029A JP11190424A JP19042499A JP2000049029A JP 2000049029 A JP2000049029 A JP 2000049029A JP 11190424 A JP11190424 A JP 11190424A JP 19042499 A JP19042499 A JP 19042499A JP 2000049029 A JP2000049029 A JP 2000049029A
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sensor
sensor system
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bias
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Den Berg Hugo Dr Van
ファン デン ベルク フーゴ
Mathais Roland
マタイス ローラント
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
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    • GPHYSICS
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    • H01F10/3268Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a layer structure where a magnetoresistance sensor system comprising at least two sensor elements is formed, a method for allowing the layer structure or a corresponding sensor element to be oriented anti-parallel to the magnetization of a bias layer in a homogeneous adjustment magnetic field by a simple method, and a magnetoresistance sensor system. SOLUTION: A magnetoresistance sensor system has at least at artificial antiferromagnetic system(AAF system) comprising at least one bias layer 5, at least one magnetic flux guiding layer 7 formed. At least one combination layer 6, which provided between the layers, combines the adjoining both magnetic layers in antiferromagnetism, with at least two sensor elements being provided, such that a range where layer structure is affected and that which is not affected partially effect on the symmetry of the AAF system for different behaviors in a homogeneous magnetic field, after the AAF system has been formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも1つの
バイアス層と少なくとも1つの磁束誘導層とまたこれら
の層間に配置され2つの隣接する磁気層を反強磁性に結
合する少なくとも1つの結合層から成る人工反強磁性シ
ステム(artificial−antiferrom
agnetic−sistem、以下AAFシステムと
称する)を含んでいる、少なくとも2つのセンサ素子を
有する磁気抵抗センサシステムを形成することができる
層構造の製造方法に関する。
The present invention relates to at least one bias layer, at least one flux induction layer, and at least one coupling layer disposed between these layers and anti-ferromagnetically coupling two adjacent magnetic layers. Artificial-antiferrom system
The present invention relates to a method for manufacturing a layered structure that can form a magnetoresistive sensor system having at least two sensor elements, including a magnetic-system (hereinafter, referred to as an AAF system).

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば360°の角度検出器の製造に使
用することができ、また磁気抵抗効果を示すセンサ・ブ
リッジの形成には、このブリッジを形成する4個のセン
サのうち2個のセンサをそのバイアス層の磁化に関して
他のセンサに対し逆向きに方向付け、全ての角度範囲に
わたって相応する信号を得ることが必要である。これは
また、磁気のトンネル効果をベースとするか又はスピン
・バルブ−トランジスタで作動するセンサの場合にも必
要である。これは磁気調整場(調整磁場)により行われ
る。しかしこの場合の欠点は、ブリッジを形成する隣接
センサ素子においてセンサ素子からセンサ素子へ調整磁
場を種々に方向づけ、磁化の方向を強制的に調整しなけ
ればならないことである。これは全てのセンサ素子の構
造がセンサ・ブリッジ内或いは多数のセンサ・ブリッジ
を含む全体のセンサ基板上で各々同じであることに起因
する。
2. Description of the Prior Art For forming a sensor bridge which can be used, for example, for a 360 ° angle detector and which exhibits a magnetoresistive effect, two of the four sensors forming this bridge are used. Need to be oriented in the opposite direction with respect to the magnetization of the bias layer with respect to the other sensors to obtain a corresponding signal over the entire angular range. This is also necessary in the case of sensors based on magnetic tunneling or operating with spin valve transistors. This is performed by a magnetic adjustment field (adjustment magnetic field). The disadvantage in this case, however, is that in the adjacent sensor elements forming the bridge, the adjustment field must be oriented differently from sensor element to sensor element and the direction of magnetization must be forced. This is due to the fact that the structure of all sensor elements is the same in the sensor bridge or on the entire sensor substrate including multiple sensor bridges.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、層構
造もしくは相応するセンサ素子を簡単な方法で均質な調
整磁場内でバイアス層の磁化に関して種々の方向付けを
達成又は形成できる方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a method in which a layer structure or a corresponding sensor element can be achieved or formed in a simple manner with different orientations of the magnetization of the bias layer in a homogeneous adjusting field. Is to do.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明によれば、バイアス層の磁化に部分的に逆並行の
方向付けを可能にするためにAAFシステムを形成した
後に部分的にAAFシステムの対称性に影響を及ぼし、
均質な磁場内で層構造の影響を受けた範囲と受けない範
囲が異なる挙動を示すようにする。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, there is provided, in accordance with the present invention, an AAF system that is partially formed after an AAF system has been formed to allow for partially anti-parallel orientation of the bias layer magnetization. Affect the symmetry of the system,
In a homogeneous magnetic field, a range affected by the layer structure and a range not affected by the layer structure behave differently.

【0005】即ち本発明は全てのセンサ素子もしくはセ
ンサ素子を形成すべき全ての範囲に対して一つの同じ層
構造から出発する。本発明によればこのシステムの部分
的対称性は、異なる挙動を示す種々の範囲を形成するよ
うにする。本発明によれば層構造に部分的に影響を及ぼ
すのにマスクを使用することができる。
In other words, the invention starts with one and the same layer structure for all sensor elements or for all areas in which sensor elements are to be formed. According to the present invention, the partial symmetry of the system allows to form different ranges which exhibit different behavior. According to the invention, a mask can be used to partially affect the layer structure.

【0006】本発明の第1の実施形態によれば部分的に
単数又は複数の範囲に磁気的に結合された補助層を形成
し、均質な磁場内の範囲に部分的非対称挙動を生じるの
に寄与するようにしてもよい。即ちもう1つの層が追加
されるが、しかしこの層は補助層を備えられていない範
囲の磁化と逆向きに磁化を調整しなければならない範囲
のみに追加される。その際本発明ではこの部分的補助層
はマスクを通して堆積可能である。またそれとは異なり
まず完成した層を施し、この層から影響を受けてはなら
ない範囲に相当する範囲をマスクにより除去する。
[0006] According to a first embodiment of the present invention, an auxiliary layer is formed which is partially magnetically coupled to one or more regions and which produces a partially asymmetric behavior in regions within a homogeneous magnetic field. You may make it contribute. That is, another layer is added, but this layer is added only to the area where the magnetization must be adjusted in the opposite direction to the area without the auxiliary layer. According to the invention, this partial auxiliary layer can then be deposited through a mask. Alternatively, a completed layer is first applied and the area corresponding to the area which should not be affected by this layer is removed by means of a mask.

【0007】上記のように補助層は当該AAFシステム
上に堆積される。このAAFシステムを万一の損傷又は
堆積工程中に起こり得る層の組成の変化に対し保護する
ため、補助層を形成する前にバイアス層又は磁束誘導層
の上にカバー層を施すと有利である。
[0007] As described above, an auxiliary layer is deposited on the AAF system. In order to protect the AAF system against damage or possible changes in the composition of the layer during the deposition process, it is advantageous to apply a cover layer on the bias layer or flux induction layer before forming the auxiliary layer. .

【0008】この層構造の完成後その調整は均質な磁場
により行うことができ、その後この補助層はセンサシス
テムの最終形成及びその作動にもやは必要ではないの
で、除去すると有利である。補助層が予め完全な層とし
て基板全体に施され、所定の範囲のみが除去される場
合、除去には第2のマスクを使用することができる。補
助層の他の範囲も除去できるようにするためには第2の
マスクを加工しなければならない。
After completion of the layer structure, the adjustment can be effected by means of a homogeneous magnetic field, after which the auxiliary layer is advantageously not necessary for the final formation of the sensor system and its operation, and is therefore advantageously removed. If the auxiliary layer is previously applied as a complete layer over the entire substrate and only a certain area is removed, a second mask can be used for the removal. The second mask must be processed so that other areas of the auxiliary layer can also be removed.

【0009】これに対して部分的補助層を形成するため
のもう1つの方法では、影響を及ぼすために部分的にA
AFシステムの一つの層の組成及び/又は厚さを変更す
るようにする。この組成もしくは厚さの変更はまた同様
に均質な磁場内の各範囲の挙動に影響を及ぼすので、そ
れによっても逆並行の方向付けを達成することができ
る。本発明によればこの変更は部分酸化、部分注入によ
り及び/又は部分的エッチング工程で行ってもよい。こ
の場合もまたAAFシステムを少なくとも影響を受けて
は成らない範囲を保護するため、本発明ではこの影響の
前にバイアス層又は磁束誘導層の上にカバー層を施して
もよく、この層の変更すべき範囲を場合によってはマス
クを使用して除去する。このようなマスクはリソグラフ
ィ、特にフォトリソグラフィにより形成されると有利で
ある。
Another method for forming a partial auxiliary layer, on the other hand, involves a partial A
The composition and / or thickness of one layer of the AF system is changed. This change in composition or thickness also affects the behavior of each region in a homogeneous magnetic field, so that antiparallel orientation can be achieved. According to the invention, this modification may be performed by partial oxidation, partial implantation and / or in a partial etching step. Again, in order to protect the AAF system at least to the extent that it must not be affected, the present invention may apply a cover layer on top of the bias layer or flux induction layer prior to this effect, and modify this layer. The area to be removed is optionally removed using a mask. Such a mask is advantageously formed by lithography, in particular by photolithography.

【0010】上記のようにこの層構造は分離されたセン
サ素子に分割されていない一つのまとまった構造であ
る。最終的に影響された範囲及び影響されない範囲に相
当する個々の分離されたセンサ素子を構造化するには、
共通の基板上に配置されたそれらの範囲を磁化の調整前
に互いに減結合するか又は分離すると有利であり、これ
は部分的エッチング工程により、特にマスクの除去が行
われる前に簡単に行われる。
As described above, this layer structure is a unitary structure that is not divided into separated sensor elements. To structure the individual isolated sensor elements corresponding to the ultimately affected and unaffected areas,
Advantageously, those regions arranged on a common substrate are decoupled or separated from one another before the adjustment of the magnetization, which is easily achieved by a partial etching step, especially before the removal of the mask takes place. .

【0011】更に本発明は、上記の方法により製造され
る磁気抵抗センサ素子もしくは磁気抵抗センサシステム
を形成するための層構造に関する。
The invention further relates to a layer structure for forming a magnetoresistive sensor element or a magnetoresistive sensor system manufactured by the above method.

【0012】その他に本発明は、少なくとも2つのセン
サ素子から成り、それぞれ少なくとも1つのバイアス
層、少なくとも1つの磁束誘導層及びこれらの間に配置
されこれらの2層を反強磁性に結合する少なくとも1つ
の結合層から成るAAFシステムを有する磁気抵抗セン
サシステムに関する。このセンサシステムはバイアス層
の磁化に逆並行の方向付けを可能にするために、1つの
センサ素子又は複数のセンサ素子のうちの一部に、均質
な磁場内でセンサ素子に非対称挙動を生じるのに寄与す
る少なくとも1つの磁気的に結合された補助層を備えて
いる点で優れている。
In another aspect, the invention comprises at least two sensor elements, each having at least one bias layer, at least one flux induction layer, and at least one disposed therebetween to couple the two layers antiferromagnetically. The invention relates to a magnetoresistive sensor system having an AAF system consisting of two tie layers. The sensor system provides a sensor element or a portion of a plurality of sensor elements with an asymmetric behavior of the sensor element in a homogeneous magnetic field to allow anti-parallel orientation of the bias layer magnetization. In that it comprises at least one magnetically coupled auxiliary layer that contributes to

【0013】その際本発明によれば補助層はモーメント
に寄与し、即ち補助層が結合されている層の磁気モーメ
ントはそれにより高められる。付加的に又はそれとは異
なり補助層は保持力に寄与し、即ち補助層とこれに結合
された層との結合の全摩擦モーメントが変えられる。同
様に補助層は部分的な非対称性を導く磁気異方性にも寄
与する。補助層は強磁性、反強磁性又はフェリ磁性層で
あってもよい。補助層の相転移温度、場合によってはキ
ュリー温度又はネール温度はセンサシステムの動作温度
範囲以下であってもよい。動作温度範囲が例えば室温で
あればセンサシステムは調整のため相転移温度以下の温
度に冷却される。即ちセンサシステムは補助層が寄与す
ることのできる温度範囲にもたらされる。これに対して
動作温度では補助層は常磁性に挙動する。
In this case, according to the invention, the auxiliary layer contributes to the moment, ie the magnetic moment of the layer to which the auxiliary layer is connected is increased. Additionally or alternatively, the auxiliary layer contributes to the holding force, i.e. the total frictional moment of the connection between the auxiliary layer and the layer connected thereto is changed. Similarly, the auxiliary layer also contributes to magnetic anisotropy leading to partial asymmetry. The auxiliary layer may be a ferromagnetic, antiferromagnetic or ferrimagnetic layer. The phase transition temperature of the auxiliary layer, possibly the Curie temperature or the Neel temperature, may be below the operating temperature range of the sensor system. If the operating temperature range is, for example, room temperature, the sensor system is cooled to a temperature below the phase transition temperature for adjustment. That is, the sensor system is brought to a temperature range to which the auxiliary layer can contribute. In contrast, at the operating temperature, the auxiliary layer behaves paramagnetically.

【0014】補助層は直接バイアス層又は磁束誘導層上
に施されてもよく、或いはこれとは異なりバイアス層又
は磁束誘導層にカバー層を備え、その上に補助層が施さ
れ、両層を磁気的に結合するようにしてもよい。更に補
助層が除去可能、特にエッチング可能であると有利であ
る。センサシステムの場合センサ素子内に起こり得る差
異により、特にこれらが共通の基板上に形成されていな
い限り、測定信号に影響を及ぼす温度の変動が起こりか
ねないので、センサシステムのそれぞれ4個のセンサ素
子をホイートストーン・ブリッジ方式で結合すると有利
である。こうして十分な温度補償を得ることができる。
The auxiliary layer may be applied directly on the bias layer or the flux induction layer, or alternatively, the bias layer or the flux induction layer may be provided with a cover layer, on which the auxiliary layer is applied and both layers You may make it couple | bond magnetically. It is furthermore advantageous if the auxiliary layer is removable, in particular etchable. In the case of a sensor system, each of the four sensors of the sensor system may be subject to possible variations in the sensor elements, especially if they are not formed on a common substrate, temperature fluctuations that may affect the measurement signal. It is advantageous to combine the components in a Wheatstone bridge manner. Thus, sufficient temperature compensation can be obtained.

【0015】更に本発明は上記の形式のセンサシステム
に相当するもう1つの磁気抵抗センサシステムに関す
る。このセンサシステムは複数のバイアス層の磁化に逆
並行の方向付けを可能にするために、1つのセンサ素子
の層又は複数のセンサ素子の一部の層、及び従って各A
AFシステムの対称性を、均質な磁場内で影響された及
び影響されないセンサ素子が異なった挙動を示すように
影響させる点で優れている。その際本発明によればこの
層はこの影響により組成及び/又は厚さを変更すること
ができ、その際これは部分的酸化、部分的注入及び/又
は部分的エッチングにより達成することができる。この
場合もそれぞれ4個のセンサ素子を温度補償を考慮して
ホイートストーンブリッジ方式により結合すると有利で
ある。
The invention further relates to another magnetoresistive sensor system corresponding to a sensor system of the type described above. The sensor system may have a layer of a sensor element or a layer of a plurality of sensor elements, and thus each A, to allow anti-parallel orientation of the magnetizations of the plurality of bias layers.
The advantage is that the symmetry of the AF system is influenced such that the affected and unaffected sensor elements behave differently in a homogeneous magnetic field. According to the invention, this layer can change its composition and / or its thickness by this effect, which can be achieved by partial oxidation, partial implantation and / or partial etching. In this case as well, it is advantageous to combine the four sensor elements in each case in a Wheatstone bridge manner in consideration of temperature compensation.

【0016】最後に本発明は少なくとも1つのバイアス
層と複数の磁束誘導層から成るもう1つのセンサシステ
ムを提供するが、その際バイアス層の磁化に逆並行の方
向付けを可能にするため1つのセンサ素子又は複数のセ
ンサ素子のうちの一部の磁束誘導層が除去されており、
それにより同様に均質な磁場内に種々の層挙動を達成す
ることができる。
Finally, the present invention provides another sensor system comprising at least one bias layer and a plurality of magnetic flux guiding layers, wherein one of the sensors is provided to allow the magnetization of the bias layer to be antiparallel. A part of the magnetic flux induction layer of the sensor element or the plurality of sensor elements has been removed,
Thereby, different layer behaviors can be achieved in a homogeneous magnetic field as well.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明の利点、特徴の詳細を以下
に記載する実施例並びに図面に基づき明らかにする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The advantages and features of the present invention will be clarified with reference to the embodiments described below and the drawings.

【0018】図1には層構造の切断面が示されている。
この層構造は基板層1、緩衝層2、測定層3、減結合層
4、バイアス層5、反強磁性結合層6、並びに磁束誘導
層7から成る。層5、6、7はAAFシステムを形成す
る。センサ基板全体の上にできるだけ均質に設けられる
この層構造は図面では一部しか示されていないが、その
上にはその下にあるAAFシステムを保護するカバー層
8が施されている。均質な磁場内でAAFシステムの挙
動を部分的に異なる挙動が得られるように部分的に影響
を及ぼすことができるように、部分的にカバー層上に磁
気に関して重要な寄与をする補助層を施す。カバー層8
は施される補助層をその下にあるAAFシステムの層
(この例では磁束誘導層7)に結合する。それぞれ第1
の形式のセンサ素子に相当する部分的に選択された範囲
の補助層の周りには(補助層を備えていない範囲は第2
の形式のセンサ素子を形成し、このセンサ素子は磁化層
及びバイアス層が異なっている)、相応する窓10を有
するリソグラフィマスク9がカバー層上に施されている
(図2参照)。この窓10を通して補助層11(この場
合破線のみで示されている)が堆積される。補助層11
をその下にある磁束誘導層7に結合することにより磁場
内のこのAAFシステム範囲の挙動は部分的に変化され
るので、このセンサ素子に逆向きのバイアスの方向付け
を達成することができる。磁化を均質な磁場により調整
する前に主としてマスクのエッジに沿って垂直に選択し
て行われる部分的選択エッチング工程により個々の範囲
を互いに分離して、センサ素子を構造化する。磁化の調
整を行った後補助層並びにマスク、場合によってはカバ
ー層も除去可能である。
FIG. 1 shows a section of the layer structure.
This layer structure includes a substrate layer 1, a buffer layer 2, a measurement layer 3, a decoupling layer 4, a bias layer 5, an antiferromagnetic coupling layer 6, and a magnetic flux guiding layer 7. Layers 5, 6, 7 form an AAF system. This layer structure, which is provided as homogeneously as possible over the entire sensor substrate, is only partially shown in the drawing, but is provided thereon with a cover layer 8 which protects the underlying AAF system. Applying an auxiliary layer that makes a significant contribution to magnetism over a partial cover layer so that the behavior of the AAF system in a homogeneous magnetic field can be partially influenced so as to obtain partially different behaviors . Cover layer 8
Couples the applied auxiliary layer to the underlying layer of the AAF system (in this example, the flux guiding layer 7). Each first
Around a partly selected area of the auxiliary layer corresponding to a sensor element of the type (the area without the auxiliary layer is the second
A sensor element of the type described above, which differs in the magnetization layer and the bias layer), is provided with a lithographic mask 9 having corresponding windows 10 on the cover layer (see FIG. 2). Through this window 10 an auxiliary layer 11 (in this case only shown with broken lines) is deposited. Auxiliary layer 11
By coupling this to the underlying magnetic flux guiding layer 7, the behavior of this AAF system area in the magnetic field is partially changed, so that a reverse biasing of the sensor element can be achieved. Prior to adjusting the magnetization with a homogeneous magnetic field, the individual areas are separated from one another by a partial selective etching process, which is performed primarily along the edges of the mask, vertically, to structure the sensor element. After adjusting the magnetization, the auxiliary layer and the mask, and in some cases, the cover layer can be removed.

【0019】補助層は低いキュリー温度を有する強磁性
体又は低いネール温度を有する反強磁性体であると有利
である。補助層の相転移温度はセンサシステムの使用温
度範囲以下であり、従って補助層は動作温度範囲では常
磁性であり、即ち磁気挙動は影響を受けない。バイアス
層の磁化の調整のため、その動作温度が例えば室温であ
るセンサシステムは相転移温度以下の温度に冷却され、
従って補助層はその都度寄与することができる。
The auxiliary layer is advantageously a ferromagnetic material having a low Curie temperature or an antiferromagnetic material having a low Neel temperature. The phase transition temperature of the auxiliary layer is below the operating temperature range of the sensor system, so that the auxiliary layer is paramagnetic in the operating temperature range, ie the magnetic behavior is not affected. To adjust the magnetization of the bias layer, a sensor system whose operating temperature is, for example, room temperature is cooled to a temperature below the phase transition temperature,
The auxiliary layer can therefore contribute in each case.

【0020】前述のようにして補助層を施す方式とは異
なり補助層をまず大表面で施し、引続き部分的にマスク
により除去してもよい。その後の除去には第2のマスク
が必要である。
Unlike the method of applying the auxiliary layer as described above, the auxiliary layer may be applied first on the large surface and then partially removed by a mask. Subsequent removal requires a second mask.

【0021】補助層の寄与はモーメントに対する寄与で
あり、付加的に又はその他に保磁力及び/又は磁気異方
性に関する寄与であってもよい。
The contribution of the auxiliary layer is a contribution to the moment, and may additionally or additionally be a contribution to the coercive force and / or the magnetic anisotropy.

【0022】モーメントに寄与する場合補助層は調整温
度で磁気モーメントを生じる。このモーメントは補助層
及び場合によってはカバー層の選択次第でバイアス層5
を磁化するために並行にも逆並行にもなり得る。磁束誘
導層7の磁化M2の方向は次式(1)
When contributing to the moment, the auxiliary layer produces a magnetic moment at a controlled temperature. This moment depends on the selection of the auxiliary layer and, if appropriate, the cover layer, of the bias layer 5.
Can be parallel or antiparallel to magnetize. The direction of the magnetization M2 of the magnetic flux induction layer 7 is given by the following equation (1).

【数1】 [式中M1=バイアス層の飽和磁化 M2=磁束誘導層の飽和磁化 d2=バイアス層の厚さ d2=磁束誘導層の厚さ Hein=調整磁場] により与えられる。(Equation 1) Where M1 = saturation magnetization of bias layer M2 = saturation magnetization of flux induction layer d2 = thickness of bias layer d2 = thickness of flux induction layer Hein = adjustment magnetic field.

【0023】M2d2>M1d1の場合磁化M2は調整
磁場に並行している。補助層は調整温度で補助モーメン
トmzを生じる。その際M2の磁化の方向は式(2)
When M2d2> M1d1, the magnetization M2 is parallel to the adjusting magnetic field. The auxiliary layer produces an auxiliary moment mz at the regulated temperature. At this time, the direction of the magnetization of M2 is given by equation (2).

【数2】 に従い、その際+の符号はmzのM2への並行結合を、
また−の符号は反並行結合を表す。M2の方向は式
(3)
(Equation 2) Where the + sign indicates a parallel join of mz to M2,
The sign of-represents antiparallel coupling. The direction of M2 is given by equation (3)

【数3】 を満たすとき反転可能である。(Equation 3) When it satisfies, it can be inverted.

【0024】補助層の材料としてはTbx(FeyCo
1−y)1−x、Smx(FeyCo1−y)1−x、
Hox(FeyCo1−y)1−x、Dyx(FeyC
o1−y)1−x、Ndx(FeyCo1−y)1−x
のような希土類の豊富な希土類/遷移物質合金並びに弱
められた強磁性材料を使用することができる。
The material of the auxiliary layer is Tbx (FeyCo
1-y) 1-x, Smx (FeyCo1-y) 1-x,
Hox (FeyCo1-y) 1-x, Dyx (FeyC
o1-y) 1-x, Ndx (FeyCo1-y) 1-x
Rare earth rich / rare earth / transition material alloys as well as weakened ferromagnetic materials can be used.

【0025】上記のように磁化の方向付けの制御は保磁
力又は磁気異方性を介しても行うことができる。この場
合M2d2=M1d1を前提とする。次に反強磁性又は
調整温度でほぼ反強磁性の補助層を観察する。この補助
層もまた直接又は間接的にカバー層を介してAAFシス
テムの磁束誘導層7と結合されている。ネール温度以下
に冷却した場合磁気スピンは磁場により飽和されたAA
Fシステムの方向に方向づけられる。しかし反強磁性の
補助層は磁気ネット(正味)モーメントを持たないの
で、前記の式(1)によるM2の磁化方向は特定されな
い。この場合保磁力及び磁気異方性は方向付けにとって
重要である。保磁力による制御、即ち回転摩擦により惹
起される方向に対する影響の場合式(1)は次式(4
a)
As described above, the control of the direction of magnetization can also be performed through coercive force or magnetic anisotropy. In this case, it is assumed that M2d2 = M1d1. Next, an antiferromagnetic or substantially antiferromagnetic auxiliary layer at the adjusted temperature is observed. This auxiliary layer is also directly or indirectly connected to the flux guiding layer 7 of the AAF system via a cover layer. When cooled below the Neel temperature, the magnetic spin becomes AA saturated by the magnetic field.
Oriented in the direction of the F system. However, since the antiferromagnetic auxiliary layer has no magnetic net (net) moment, the magnetization direction of M2 according to the above equation (1) is not specified. In this case, coercivity and magnetic anisotropy are important for orientation. In the case of the control by the coercive force, that is, the influence on the direction caused by the rotational friction, the equation (1) is expressed by the following equation (4).
a)

【数4】 [式中T1=バイアス層の回転摩擦の体積密度 T2=磁束誘導層の回転摩擦の体積密度] と置き換えられる。(Equation 4) [Where T1 = volume density of rotational friction of bias layer T2 = volume density of rotational friction of magnetic flux guide layer]

【0026】各層の調整磁場に並行な容易軸及び磁気異
方性定数K1、K2及びKzを有する一軸異方性に対し
ては式(4b)
For uniaxial anisotropy having an easy axis parallel to the adjustment magnetic field of each layer and magnetic anisotropy constants K1, K2 and Kz, the equation (4b)

【数5】 が該当する。(Equation 5) Is applicable.

【0027】ネール温度以下の温度では補助層は磁気モ
ーメントを示さないが、大抵の場合回転摩擦Tzdz又
は異方性エネルギーKzdzはかなり大きい。磁化の方
向は従って保磁力による制御の場合式(5a)
At temperatures below the Neel temperature, the auxiliary layer shows no magnetic moment, but in most cases the rotational friction Tzdz or the anisotropic energy Kzdz is quite large. The direction of the magnetization is therefore determined by the coercive force equation (5a).

【数6】 に基づいて、又は磁気異方性による場合式(5b)(Equation 6) Or (5b) based on magnetic anisotropy

【数7】 に基づいて行われる。(Equation 7) It is performed based on.

【0028】Tzdzはが常に正であることは明らかな
ので、磁化M2の反転はT2d2−T1d1が0以下で
あるときにのみ、即ちバイアス層が最大の総摩擦を示す
ときにのみ可能である。磁場を低温で0に減少した後M
2はマスクされた範囲では調整磁場に逆並行であり、マ
スクされていない範囲では並行している。
Since it is clear that Tzdz is always positive, the reversal of the magnetization M2 is only possible when T2d2-T1d1 is less than 0, ie when the bias layer exhibits the maximum total friction. After reducing the magnetic field to zero at low temperature,
2 is antiparallel to the tuning field in the masked area and parallel in the unmasked area.

【0029】それに反してKzは正の符号も負の符号も
持つことができるので、低温でもM2は調整磁場に並行
であり得る。
On the other hand, since Kz can have both positive and negative signs, M2 can be parallel to the tuning field even at low temperatures.

【0030】この場合材料として調整温度に近い補償温
度及び低いキュリー温度を有するTbx(FeyCo1
−y)1−x、Hox(FeyCo1−y)1−x、D
yx(FeyCo1−y)1−xのような希土類の豊富
な希土類/遷移材合金を使用することができる。同様に
MnO、FeO、V2O3又はMnSのような純粋な反
強磁性体を使用することができる。
In this case, as a material, Tbx (FeyCo1) having a compensation temperature close to the adjustment temperature and a low Curie temperature is used.
-Y) 1-x, Hox (FeyCo1-y) 1-x, D
Rare earth rich rare earth / transition material alloys such as yx (FeyCo1-y) 1-x can be used. Similarly, pure antiferromagnets such as MnO, FeO, V2O3 or MnS can be used.

【0031】図3及び図4には磁化の逆並行の調整の別
の方法が示されている。AAFシステムが合わせて4つ
の磁気作用層12、13、14、15から成る図3によ
る層構造から出発して、物理的又は化学的エッチング工
程により、構造化は第1の形式のセンサ素子を形成すべ
き一定の範囲内で、層15及びその下にある結合層16
を例えば図4に示されているように除去して行われる。
次式(6)
FIGS. 3 and 4 show another method for adjusting the antiparallel magnetization. Starting from the layer structure according to FIG. 3 in which the AAF system consists of a total of four magnetically active layers 12, 13, 14, 15, by means of a physical or chemical etching step, the structuring forms a first type of sensor element. To a certain extent, the layer 15 and the underlying tie layer 16
For example, as shown in FIG.
The following equation (6)

【数8】 の条件で調整磁場の作用時に構造化されていない範囲に
対して構造化された範囲のバイアス層12の逆並行の個
所が得られる。M12d12項の“+”符号は層12の
層13への強磁性結合時に、また“−”符号は層12の
層13への反強磁性結合時に該当する。このシステムの
均質性(温度に依存しないオフセット電圧)を改善する
ために調整後それまで構造化されていないセンサブリッ
ジ部分も層15及び結合層16を除去することができ
る。
(Equation 8) In the condition (1), the antiparallel portion of the bias layer 12 in the structured range is obtained with respect to the unstructured range when the adjusting magnetic field is applied. The "+" sign of the M12d12 term corresponds to ferromagnetic coupling of the layer 12 to the layer 13, and the "-" sign corresponds to antiferromagnetic coupling of the layer 12 to the layer 13. In order to improve the homogeneity of the system (temperature-independent offset voltage), the sensor bridge portion, which has not yet been structured after adjustment, can also remove the layer 15 and the coupling layer 16.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】マスクのない層構造の切断面図。FIG. 1 is a cutaway view of a layer structure without a mask.

【図2】マスクのある層構造の切断面図。FIG. 2 is a cutaway view of a layer structure with a mask.

【図3】多層のAAFシステムから成る層構造の切断面
図。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a layer structure including a multi-layer AAF system.

【図4】AAFシステムの磁気に関連する層が部分的に
除去されている図3の層構造。
FIG. 4 is the layer structure of FIG. 3 with the magnetically relevant layers of the AAF system partially removed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板層 2 緩衝層 3 計測層 4 減結合層 5 バイアス層 6、 16 結合層 7 磁束誘導層 8 カバー層 9 マスク 10 窓 11 補助層 12、13、14、15 磁気的効果層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate layer 2 Buffer layer 3 Measurement layer 4 Decoupling layer 5 Bias layer 6, 16 Coupling layer 7 Magnetic flux induction layer 8 Cover layer 9 Mask 10 Window 11 Auxiliary layer 12, 13, 14, 15 Magnetic effect layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラント マタイス ドイツ連邦共和国 07743 イエナ ター ルシュトラーセ 36 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Laurent Mattheis Germany 07743 Jena ter Rustrasse 36

Claims (34)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1つのバイアス層(5)、少
なくとも1つの磁束誘導層(7)及びこれらの層間に配
置され2つの隣接する磁気層を反強磁性に結合する少な
くとも1つの結合層(6)から成る人工反強磁性システ
ムを含み、この層構造により少なくとも2つのセンサ素
子を有する磁気抵抗センサシステムを形成することがで
きる層構造の製造方法において、バイアス層(5)の磁
化に部分的逆並行の方向付けを可能にするため部分的に
人工反強磁性システムの対称性に影響を与え、人工反強
磁性システムを形成した後に層構造の影響された範囲と
影響されない範囲が均質な磁場内で異なった挙動を示す
ようにすることを特徴とする人工反強磁性システムを含
む層構造の製造方法。
At least one bias layer, at least one flux guide layer, and at least one coupling layer disposed between these layers and anti-ferromagnetically coupling two adjacent magnetic layers. A method of manufacturing a layer structure comprising an artificial antiferromagnetic system comprising at least two sensor elements, the method comprising the steps of: Partially affects the symmetry of the artificial antiferromagnetic system to allow for parallel orientation, and after forming the artificial antiferromagnetic system, the affected and unaffected areas of the layer structure will be A method for producing a layer structure including an artificial antiferromagnetic system, wherein the layer structure exhibits different behavior in the above.
【請求項2】 層構造に部分的に影響を与えるのにマス
クを使用することを特徴とする請求項1記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein a mask is used to partially affect the layer structure.
【請求項3】 単数又は複数の範囲に、均質な磁場内で
これらの範囲が部分的に非対称挙動を示すのに寄与する
磁気的に結合された補助層(11)を部分的に形成する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
3. Forming, in a region or regions, a magnetically coupled auxiliary layer (11) which in a homogeneous magnetic field contributes to these regions exhibiting partially asymmetric behavior. The method according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 部分的な補助層(11)をマスクを通し
て堆積することを特徴とする請求項3記載の方法。
4. The method according to claim 3, wherein the partial auxiliary layer is deposited through a mask.
【請求項5】 まず完全な補助層(11)を施し、この
層からマスクにより相応する範囲を除去することを特徴
とする請求項2記載の方法。
5. The method according to claim 2, wherein a complete auxiliary layer is first applied and a corresponding area is removed from this layer by means of a mask.
【請求項6】 補助層を形成する前にバイアス層(5)
又は磁束誘導層(7)の上にカバー層(8)を施すこと
を特徴とする請求項2乃至5のいずれか1つに記載の方
法。
6. A bias layer (5) before forming an auxiliary layer.
6. The method according to claim 2, wherein a cover layer (8) is applied on the magnetic flux guiding layer (7).
【請求項7】 均質な磁場により磁化を調整した後に補
助層(11)を除去することを特徴とする請求項2乃至
6のいずれか1つに記載の方法。
7. The method according to claim 2, wherein the auxiliary layer is removed after adjusting the magnetization with a homogeneous magnetic field.
【請求項8】 除去のために第2のマスク又は第1のマ
スクを使用することを特徴とする請求項6又は7記載の
方法。
8. The method according to claim 6, wherein a second mask or a first mask is used for the removal.
【請求項9】 影響を及ぼすために人工反強磁性システ
ムの層の組成及び/又は厚さを部分的に変更することを
特徴とする請求項1又は2記載の方法。
9. The method as claimed in claim 1, wherein the composition and / or the thickness of the layers of the artificial antiferromagnetic system are partially changed in order to influence them.
【請求項10】 部分酸化、部分注入により及び/又は
部分的エッチング工程でこの変更を行うことを特徴とす
る請求項9記載の方法。
10. The method according to claim 9, wherein the modification is performed by partial oxidation, partial implantation and / or in a partial etching step.
【請求項11】 影響を及ぼす前にバイアス層(5)又
は磁束誘導層(7)の上にカバー層(8)を施し、この
カバー層(8)の変更すべき範囲内を場合によってはマ
スクの使用下に除去することを特徴とする請求項9又は
10記載の方法。
11. A cover layer (8) is applied before the influence on the bias layer (5) or the flux guide layer (7) and, if necessary, a mask within the area of the cover layer (8) to be changed. The method according to claim 9 or 10, wherein the removal is carried out by using.
【請求項12】 影響を及ぼすために、複数の層を含む
人工反強磁性システムの磁気挙動に関連する層を部分的
に除去することを特徴とする請求項1又は2記載の方
法。
12. The method according to claim 1, wherein the layers involved in the magnetic behavior of the artificial antiferromagnetic system comprising a plurality of layers are partially removed for influencing.
【請求項13】 この層をマスクの使用下にエッチング
により除去することを特徴とする請求項12記載の方
法。
13. The method according to claim 12, wherein the layer is removed by etching using a mask.
【請求項14】 均質な磁場により調整を行った後に部
分的に除去されたこの層の残りの範囲も除去することを
特徴とする請求項12又は13記載の方法。
14. The method according to claim 12, further comprising removing the remaining area of the layer which has been partially removed after the adjustment by means of a homogeneous magnetic field.
【請求項15】 各々のマスクをリソグラフィ、特にフ
ォトリソグラフィにより形成することを特徴とする請求
項2乃至14のいずれか1つに記載の方法。
15. The method according to claim 2, wherein each mask is formed by lithography, in particular by photolithography.
【請求項16】 個々に分離されたセンサ素子を形成す
るために、基板上に配置された層構造の影響された範囲
と影響されない範囲を減結合するか又は分離することを
特徴とする請求項1乃至15のいずれか1つに記載の方
法。
16. The method according to claim 1, further comprising decoupling or separating affected and unaffected areas of the layer structure arranged on the substrate to form individually separated sensor elements. 16. The method according to any one of 1 to 15.
【請求項17】 これらの範囲を部分的エッチング工程
中、特にマスクが除去されないうちに減結合するか又は
分離することを特徴とする請求項16記載の方法。
17. The method according to claim 16, wherein these areas are decoupled or separated during a partial etching step, especially before the mask is removed.
【請求項18】 請求項1乃至17記載の方法により形
成される磁気抵抗センサ素子もしくは磁気抵抗センサシ
ステムを形成するための層構造。
18. A layer structure for forming a magnetoresistive sensor element or a magnetoresistive sensor system formed by the method according to claim 1. Description:
【請求項19】 少なくとも2つのセンサ素子からな
り、それぞれ少なくとも1つのバイアス層(5)、少な
くとも1つの磁束誘導層(7)及びこれらの層間に配置
され2つの隣接する磁気層を反強磁性に結合する少なく
とも1つの結合層(6)から成る人工反強磁性システム
を有する磁気抵抗センサシステムにおいて、バイアス層
(5)の磁化に部分的に逆並行の方向付けを可能にする
ために、1つのセンサ素子又は複数のセンサ素子のうち
一部に、均質な磁場内でセンサ素子に非対称挙動をさせ
るのに寄与する、少なくとも1つの磁気的に結合された
補助層(11)を備えることを特徴とする磁気抵抗セン
サシステム。
19. At least two sensor elements, each comprising at least one bias layer (5), at least one flux induction layer (7) and two adjacent magnetic layers arranged between these layers being made antiferromagnetic. In a magnetoresistive sensor system having an artificial antiferromagnetic system consisting of at least one coupling layer (6) that couples, one to allow the magnetization of the bias layer (5) to be partially antiparallel oriented. A sensor element or part of the plurality of sensor elements, comprising at least one magnetically coupled auxiliary layer (11), which contributes to the asymmetric behavior of the sensor element in a homogeneous magnetic field. Magnetoresistive sensor system.
【請求項20】 補助層(11)がモーメントに寄与す
ることを特徴とする請求項19記載のセンサシステム。
20. The sensor system according to claim 19, wherein the auxiliary layer contributes to the moment.
【請求項21】 補助層(11)が場合によっては付加
的な保磁力に寄与することを特徴とする請求項18又は
19に記載のセンサシステム。
21. Sensor system according to claim 18, wherein the auxiliary layer (11) contributes an additional coercivity if necessary.
【請求項22】 補助層(11)が場合によっては付加
的な磁気異方性に寄与することを特徴とする請求項19
乃至21のいずれか1つに記載のセンサシステム。
22. The device according to claim 19, wherein the auxiliary layer contributes additional magnetic anisotropy.
22. The sensor system according to any one of claims 21 to 21.
【請求項23】 補助層(11)が強磁性、反強磁性又
はフェリ磁性層であることを特徴とする請求項19乃至
22のいずれか1つに記載のセンサシステム。
23. The sensor system according to claim 19, wherein the auxiliary layer is a ferromagnetic, antiferromagnetic or ferrimagnetic layer.
【請求項24】 補助層(11)の相転移温度、場合に
よってはキュリー温度又はネール温度がセンサシステム
の動作温度範囲以下であることを特徴とする請求項19
乃至23のいずれか1つに記載のセンサシステム。
24. The sensor according to claim 19, wherein the auxiliary layer has a phase transition temperature, possibly a Curie temperature or a Neel temperature, which is below the operating temperature range of the sensor system.
24. The sensor system according to any one of items 23 to 23.
【請求項25】 補助層(11)が直接バイアス層
(5)又は磁束誘導層(7)の上に施されていることを
特徴とする請求項19乃至24のいずれか1つに記載の
センサシステム。
25. A sensor as claimed in claim 19, wherein the auxiliary layer is provided directly on the bias layer or the magnetic flux guiding layer. system.
【請求項26】 バイアス層(5)又は磁束誘導層
(7)の上にカバー層(8)が施され、その上に施され
る補助層(11)を磁気的に結合することを特徴とする
請求項19乃至24のいずれか1つに記載のセンサシス
テム。
26. A cover layer (8) is provided on a bias layer (5) or a magnetic flux induction layer (7), and an auxiliary layer (11) provided thereon is magnetically coupled. A sensor system according to any one of claims 19 to 24.
【請求項27】 補助層(11)が除去可能、特にエッ
チング可能であることを特徴とする請求項19乃至26
のいずれか1つに記載のセンサシステム。
27. The auxiliary layer according to claim 19, wherein the auxiliary layer is removable, in particular etchable.
The sensor system according to any one of the above.
【請求項28】 4個又はその倍数のセンサ素子を含ん
でおり、それぞれ4つのセンサ素子がホイートストン・
ブリッジを形成することを特徴とする請求項19乃至2
7のいずれか1つに記載のセンサシステム。
28. A system comprising four or multiple sensor elements, each having four Wheatstone elements.
A bridge is formed.
8. The sensor system according to any one of 7 above.
【請求項29】 少なくとも2つのセンサ素子から成
り、それぞれ少なくとも1つのバイアス層(5)、少な
くとも1つの磁束誘導層(7)及びこれらの層間に配置
され隣接する磁気層を反強磁性に結合する少なくとも1
つの結合層(6)から成る人工反強磁性システムを有す
る磁気抵抗センサシステムにおいて、バイアス層(5)
の磁化の逆並行の方向付けを可能にするために、1つの
センサ素子又は複数のセンサ素子のうちその一部の層及
び各々の人工反強磁性システムの対称性が、均質な磁場
内で影響されたセンサ素子と影響されないセンサ素子が
異なる挙動を示すように影響を受けていることを特徴と
する磁気抵抗センサシステム。
29. At least two sensor elements, each having at least one bias layer (5), at least one magnetic flux guiding layer (7) and an adjacent magnetic layer disposed between these layers to antiferromagnetically couple. At least one
In a magnetoresistive sensor system having an artificial antiferromagnetic system comprising two tie layers (6), a bias layer (5)
In order to allow for the antiparallel orientation of the magnetization of a single or multiple sensor elements, the symmetry of the artificial antiferromagnetic system and of some of the layers of the sensor element is affected in a homogeneous magnetic field. A magnetoresistive sensor system, wherein the affected sensor element and the unaffected sensor element are affected so as to behave differently.
【請求項30】 影響によりこの層が組成及び/又は厚
さを変えられていることを特徴とする請求項29記載の
センサシステム。
30. The sensor system according to claim 29, wherein the composition and / or the thickness of the layer are changed by an influence.
【請求項31】 この層が部分酸化、部分注入及び/又
は部分エッチングにより影響を受けていることを特徴と
する請求項30記載のセンサシステム。
31. The sensor system according to claim 30, wherein this layer has been affected by partial oxidation, partial implantation and / or partial etching.
【請求項32】 4個又はその倍数のセンサ素子を含ん
でおり、それぞれ4個のセンサ素子がホイートストン・
ブリッジを形成することを特徴とする請求項29乃至3
1のいずれか1つに記載のセンサシステム。
32. A sensor comprising four or multiple sensor elements, each having four Wheatstone elements.
A bridge is formed.
A sensor system according to any one of the preceding claims.
【請求項33】 少なくとも2つのセンサ素子から成
り、それぞれ少なくとも1つのバイアス層、複数の磁束
誘導層及びこのバイアス層と1つの磁束誘導層とを反強
磁性に結合する少なくとも1つの結合層から成る人工反
強磁性システムを有する磁気抵抗センサシステムにおい
て、バイアス層の磁化の逆並行の方向付けを可能にする
ために、1つのセンサ素子又は複数のセンサ素子のうち
一部の磁束誘導層(15)が除去されていることを特徴
とする磁気抵抗センサシステム。
33. At least two sensor elements, each comprising at least one bias layer, a plurality of flux guide layers, and at least one coupling layer for antiferromagnetically coupling the bias layer and one flux guide layer. In a magnetoresistive sensor system having an artificial antiferromagnetic system, a flux guiding layer (15) of a sensor element or a portion of a plurality of sensor elements to enable antiparallel orientation of the magnetization of the bias layer. A magnetoresistive sensor system characterized in that the magnetic field is removed.
【請求項34】 4個又はその倍数のセンサ素子を含ん
でおり、それぞれ4個のセンサ素子がホイートストン・
ブリッジを形成することを特徴とする請求項33記載の
センサシステム。
34. A sensor comprising four or multiple sensor elements, each having four Wheatstone elements.
34. The sensor system according to claim 33, wherein the sensor system forms a bridge.
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