WO2002101406A1 - Magnetoresistive schichtanordnung und gradiometer mit einer derartigen schichtanordnung - Google Patents

Magnetoresistive schichtanordnung und gradiometer mit einer derartigen schichtanordnung Download PDF

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WO2002101406A1
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magnetic
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layer arrangement
hard magnetic
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Peter Schmollngruber
Henrik Siegle
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Robert Bosch Gmbh
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a magnetoresistive layer arrangement, in particular for use in a GMR sensor element, an AMR sensor element or a gradiometer, and a gradiometer with this layer arrangement according to the type of the independent claims.
  • Magnetic sensors are widely used in motor vehicles, for example as speed sensors on the wheel, as speed or
  • Phase encoder for engine control or as a steering angle sensor for vehicle dynamics control systems Phase encoder for engine control or as a steering angle sensor for vehicle dynamics control systems.
  • GMR technology (“Giant Magneto Resistance”) and also AMR technology (“Anisotropy Magneto Resistance”) allow sensor elements to be manufactured that meet these requirements.
  • coupled multilayer coating systems and so-called spin valve coating systems with a GMR effect or AMR sensor elements with a so-called “barber-pole structure” are relevant for use in motor vehicles. Coupled multilayer coating systems, as described, for example, by G. Binasch et al. , Phys. Rev. B, 39 (1989), page 4828 ff., And MN Baibic et al. , Phys. Rev.
  • a magnetically soft or soft-magnetic detection layer is separated from a magnetically harder layer by a non-magnetic intermediate layer.
  • the non-magnetic layer is so thick that there is only a slight magnetic coupling between the two magnetic layers via the non-magnetic intermediate layer. This ensures that the direction of magnetization of the soft magnetic layer already follows very small external magnetic fields. It is also provided there that the direction of magnetization of the magnetically hard layer is aligned and fixed by a so-called “pinning layer” Magnet field and turns its direction, the magnetization of the magnetically soft layer follows the direction of this magnetic field, while the direction of magnetization of the magnetically hard layer remains fixed.
  • the angle of the external magnetic field is thus transferred to the angle between the magnetization directions of these two magnetic layers, and an angle-dependent electrical resistance results in the layer arrangement.
  • the “pinning layer” is usually designed as an antiferromagnet or as a combination of an antiferromagnet and a so-called artificial antiferromagnet. Details of such spin valve layer systems are described in DE 199 49 714 A1.
  • a disadvantage of known magnetoresistive layer systems for example in the form of a GMR sensor element with coupled multilayers, is that when the relative change in resistance .DELTA.R / R is applied as a function of the external magnetic field B or H, it is approximately triangular-shaped characteristic curve which surrounds the zero field, i.e. in the case of a weak external magnetic field, runs flat, so that such sensor elements are not very sensitive to changes in a small, external magnetic field.
  • the magnetoresistive layer arrangement according to the invention has the advantage over the prior art that the hard magnetic layer integrated therein, which arrangement, at least in regions, with an internal magnetic field, a shift in the working point of the ⁇ R / RB characteristic of the magnetoresistive layer arrangement is achieved.
  • the working point can be selected by the integrated hard magnetic layer in such a way that a maximum sensitivity of the gradedoder is achieved without an external holding magnet is required.
  • the integrated hard magnetic layer creates an internal magnetic field, a so-called “bias
  • Magnetic field " which acts as a magnetic field offset, so that even with only a slight variation of an external magnetic field superimposed on the internal magnetic field, for example a few mTesla, a well-measurable and relatively large change in the actual measured value ⁇ R / R, which acts as a change in resistance in the
  • the internal magnetic field caused by the hard magnetic layer prevents the working point of the magnetoresistive layer arrangement from being in the region of the so-called zero field according to FIG. 2, where this characteristic curve varies when the external magnetic field B or H is varied runs relatively flat.
  • Magnetic field can be omitted via a separate magnet mounted externally on the magnetoresistive layer arrangement. This saves considerable material and assembly costs, especially for aligning such an external magnet in production.
  • Advantageous developments of the invention result from the measures mentioned in the subclaims.
  • the strength of the magnetic field caused by the hard magnetic layer is in the range between 1 mTesla and 30 mTesla, in particular 2 mTesla to 15 mTesla. Such fields achieve a largely optimal shift in the working point.
  • a plurality of layer arrangements are interconnected to form a gradiometer sensitive to field inhomogeneities, the internal magnetic field generated by the hard magnetic layer being dimensioned in each case in the layer arrangement, which is preferably structured in a meandering manner, in such a way that all meandering regions have at least one strength and direction approximately the same magnetic field can be applied.
  • a gradiometer In order to implement a gradiometer, several layer arrangements according to the invention are advantageously interconnected in the form of a Wheatstone bridge, for example for scanning magnetic pole wheels during speed detection, two of the four resistors of the Wheatstone bridge being spatially arranged such that the difference in field strength between the two bridge parts or Half bridges is maximum. In this case, the local field strength is not detected by the bridge parts, but the difference.
  • a gradiometer produces large differential voltages even with small field differences, it is necessary to operate the individual layer arrangements in the region of the steep flank according to FIG. 2.
  • it is particularly advantageous that the direction and strength of the internal bias field generated in the layer arrangement can be selected uniformly for all parts of the Wheatstone bridge.
  • thin-film hard magnets with, for example, different coercive field strengths.
  • the generated internal magnetic field applies at least approximately evenly to the sensitive layer sequence of the magnetoresistive layer arrangement, so that the magnetic layers and the electrically conductive intermediate layers are exposed to a largely identical internal magnetic field.
  • the magnetoresistive layer arrangement according to the invention is in the form of coupled multilayers, it is further advantageous if the sensitive layer sequence consists of a plurality of soft magnetic layers arranged one above the other, each of which is separated from one another by an intermediate layer. In this way, the total sensor signal available is considerably increased by adding the signals of the individual intermediate layers.
  • the hard magnetic layer integrated in the layer arrangement there are advantageously a multitude of possibilities which, depending on the individual case, can be adapted to the specific requirements. It is particularly advantageous if the hard magnetic layer is arranged on the sensitive layer sequence and / or under the sensitive layer sequence and / or at least in regions laterally on one side or on both sides next to the sensitive layer sequence. These arrangements of the hard magnetic layer can be integrated particularly easily into the production process and allow simple and reliable production of the hard magnetic layer. For the rest, it is advantageous that the integration of the hard magnetic layer in the layer arrangement means that it can now have a largely arbitrary structuring.
  • all hard magnetic materials that can be deposited using thin film technology such as SmCo, NdFeB, CoPt or CoCr, are suitable in principle.
  • the coercivity of the hard magnetic layer is advantageously chosen such that the magnetization direction of the hard magnetic layer can still be easily imprinted in terms of production technology, for example by applying a corresponding magnetic field during the deposition, but on the other hand when using the magnetoresistive layer arrangement according to the invention in the small field area below 100 mTesla there are also no irreversible changes due to an external magnetic field or encoder field or other interference fields.
  • FIG. 1 shows schematically a magnetoresistive layer system for a GMR sensor element with coupled multilayers, as is known from the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a characteristic curve of such a layer system
  • FIGS. 3a, 3b and 3c each show an exemplary embodiment of a magnetoresistive device according to the invention LayerSystems
  • Figure 4 is a schematic diagram of a characteristic of a layer system according to Figure 3a, 3b or 3c
  • Figure 5 shows another embodiment of a magnetoresistive layer system according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of a gradiometer with four magnetoresistive layer systems connected in the form of a Wheatstone bridge
  • FIG. 7 shows a top view of correspondingly structured layer arrangements on a substrate
  • FIG. 8 shows a continuation of FIG. 7 with a meandering structure combined to form a gradiometer summed up layer arrangements.
  • a first exemplary embodiment of the invention is based initially on a magnetoresistive layer system which is known in principle and is based on coupled multilayers and which has a GMR effect under the influence of an external magnetic field B or H, and therefore for example, is suitable for use in a GMR sensor element.
  • this magnetoresistive layer system has a substrate 10 made of silicon dioxide or silicon, on which a buffer layer or matching layer 11 (“buffer layer”), for example made of iron or NiFe, is provided.
  • first soft magnetic layer 12 which consists of an alloy of iron and cobalt, for example 80 atom% to 95 atom% cobalt and 20 atom% to 5 atom% iron, cobalt or an alloy of nickel and iron or nickel and cobalt, the thickness of the first soft magnetic layer 12 lies in the range from approx. 0.5 nm to approx. 3 n.
  • a soft magnetic layer is understood to mean a layer made of a ferromagnetic material in which the direction of the magnetization in the layer can be influenced by an external magnetic field.
  • the magnetization in a soft magnetic layer is aligned as lightly as possible and as largely as possible parallel to the direction of the external magnetic field.
  • a hard magnetic layer is understood to mean a layer made of a ferromagnetic material in which the direction of the magnetization and in particular also its strength remains as unaffected as possible by an external magnetic field, apart from extremely strong external fields.
  • a copper layer is also located on the first soft magnetic layer 12 as a non-magnetic, electrically conductive intermediate layer 13. Its thickness is 1 nm to
  • the intermediate layer 13 can also be made from an alloy of copper, silver and gold, for example from 80 atom% to 90 atom% copper.
  • a second soft magnetic layer 12 ⁇ is further applied, which is designed in accordance with the first soft magnetic layer 12.
  • the two magnetic layers 12, 12 and the immediately adjacent intermediate layer 13 located therebetween thus form a layer sequence 16 which is preferably covered on the top by a cover layer 14, for example made of tantalum, for protection against corrosion or environmental influences.
  • the buffer layer 11 and / or the cover layer 14 shown can also be omitted.
  • the layer sequence 16 has a plurality of stacks of the first magnetic layer 12, the intermediate layer 13 and the second magnetic layer 12 ′ arranged one above the other , This is explained using the example of FIG. 5.
  • the thickness of the intermediate layer 13 is selected such that the two soft magnetic layers 12, 12 ⁇ couple antiferromagnetically via the intermediate layer 13 in the absence of an external magnetic field, ie their respective magnetizations are aligned antiparallel to one another in the absence of an external magnetic field.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the characteristic curve of the magnetoresistive layer system according to FIG. 1, the change in the electrical resistance in the layer sequence 16 based on the minimum electrical resistance in the case of a large magnetic field, ie the value ⁇ R / R, as a function of an external magnetic field (B ) is applied.
  • the external magnetic field has a defined, fixed direction in the first quadrant of the characteristic according to FIG. 2, while the characteristic never corresponds to an analog, but oppositely directed external magnetic field in the fourth quadrant according to FIG. 2.
  • FIG. 3a shows, as the first exemplary embodiment of a resistive layer arrangement according to the invention, a layer arrangement 5 which is initially constructed analogously to FIG. 1, but in which a hard magnetic layer 15 is additionally provided between the buffer layer 11 and the first soft magnetic layer 12.
  • This hard magnetic layer 15 consists, for example, of a SmCo alloy, an NdFeB alloy, a CoPt alloy, a CoCr alloy, or another hard magnetic material that can be deposited using thin-film technology.
  • a magnetic field was further applied, so that the hard magnetic layer 15 has a magnetization which is predetermined with regard to strength and direction and is at least largely constant over time.
  • the magnetization of the hard magnetic layer 15 is also at least largely unaffected by an external magnetic field, to which the magnetoresistive layer arrangement 5 is exposed during operation, for example in a sensor element.
  • the hard magnetic layer 15 forms a thin-film bias magnet integrated in the magnetoresistive layer arrangement 5.
  • the thickness of the hard magnetic layer 15 is, for example, 30 nm to 500 nm, for example approximately 150 nm.
  • FIG. 3b explains a second exemplary embodiment of a magnetoresistive layer arrangement 5 according to the invention, in which, in contrast to FIG. 3a, the hard magnetic layer 15 is arranged on the layer sequence 16 or on the second soft magnetic layer 12x between the latter and the cover layer 14. Otherwise, the hard magnetic layer 15 according to FIG. 3b is analogous to the hard magnetic layer 15 according to FIG. 3a.
  • FIG. 3c explains a third exemplary embodiment of the invention, the hard magnetic layer 15 being arranged laterally on both sides next to the layer sequence 16 composed of the magnetic layers 12, 12 'and the intermediate layer 13.
  • FIG. 5 finally shows a layer sequence 16 composed of a plurality, preferably a plurality, of stacks arranged one above the other, consisting of the first magnetic layer 12, the intermediate layer 13 and the second magnetic layer 12 1 .
  • the hard magnetic layer 15 is arranged directly on the substrate 10 in FIG. 5, and is first separated from the layer sequence 16 via an insulation layer 18 and a buffer layer 11 produced thereon.
  • FIG. 4 explains how the hard magnetic layer 15 in the form of a thin-film bias magnet integrated in the layer arrangement 5 shifts the operating point 17 in the characteristic curve of the magnetoresistive layer arrangement 5. It can be clearly seen in comparison to FIG. 2 that the internal magnetic field generated by the hard magnetic layer 15, which is between 1 mTesla and 30 mTesla, in particular 2 mTesla to 15 mTesla, results in a shift of the operating point 17 from the area of the zero field , In particular, the operating point 17 according to FIG. 4 now lies on the steep flank of the characteristic curve, so that small changes in an externally th magnetic field cause a significantly greater change in the quantity ⁇ R / R, which ultimately forms the actual sensor signal.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of the interconnection of several layer arrangements 5 according to FIGS. 3a, 3b, 3c or 5 via a known Wheatstone bridge to form a gradiometer 30, the strength and direction of the internal magnetic field H generated in the layer arrangements 5 by the hard magnetic layer 15 Bias is the same in each case. The difference in the field strength of an external magnetic field between the two half bridges 19, 20 of the Wheatstone bridge can thus be detected.
  • FIG. 7 shows four layer arrangements 5 according to FIG. 5 in plan view on a substrate, these being structured in pairs to form adjacent strips.
  • the individual layer arrangements 5 in FIG. 7 are also connected analogously to FIG. 6 by means of conductor tracks (not shown) in the form of a Wheatstone bridge.
  • FIG. 8 shows a gradiometer 30, the individual layer arrangements 5 each being structured in a meandering manner in plan view and arranged adjacent to one another in pairs. In this way, two half-bridges 19, 20 are formed, which are interconnected to form a Wheatstone bridge via conductor tracks (not shown).

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Abstract

Es wird eine magnetoresistive Schichtanordnung (5) mit einer Schichtfolge (16) mit mindestens zwei magnetischen Schichten (12, 12') vorgeschlagen, zwischen denen sich eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht (13) befindet, wobei der elektrische Widerstand der Schichtanordnung (5) in Abhängigkeit von einem externen, auf die Schichtanordnung (5) einwirkenden Magnetfeld veränderbar ist. Weiter ist zumindest bereichsweise mindestens eine hartmagnetische Schicht (15) in die Schichtanordnung (5) integriert, die zumindest einen Bereich einer Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht (12, 12') und der Zwischenschicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Die vorgeschlagene magnetoresistive Schichtanordnung (5) eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem GMR-Sensorelement mit gekoppelten Multilagen oder einem AMR-Sensorelement mit einer Barber-Pole-Struktur. Daneben wir auch ein Gradiometer (30) mit einer Mehrzahl von derartigen Schichtanordnungen (5) vorgeschlagen.

Description

Magnetoresistive Schichtanordnung und Gradiometer mit einer derartigen Schichtanordnung
Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Schichtanordnung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement, einem AMR-Sensorelement oder einem Gradiometer, sowie ein Gradiometer mit dieser Schichtanordnung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche .
Stand der Technik
Magnetsensoren finden breiten Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Drehzahlfühler am Rad, als Drehzahl- bzw.
Phasengeber für die Motorsteuerung oder als Lenkwinkelsensor für Fahrdynamikregelsysteme. Dabei machen die steigenden Anforderungen nach größeren Arbeitsabständen, d.h. entsprechend größeren Luftspalten, und größeren Messbereichen, d.h. größeren abzudeckenden Winkel- bzw. Magnetfeldbereichen, immer robustere Sensoren erforderlich.
Die GMR-Technologie („Giant Magneto Resistance") und auch die AMR-Technologie („Anisotropie Magneto Resistance") er- laubt es, Sensorelemente herzustellen, die diesen Anforderungen gerecht werden. So sind zum Einsatz in Kraf fahrzeugen insbesondere gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme und sogenannte Spin-Valve-Schichtsysteme mit einem GMR-Effekt o- der auch AMR-Sensorelemente mit einer sogenannten „Barber- Pole-Struktur" relevant. Gekoppelte Multilagen-Schichtsysteme, wie sie beispielsweise aus G. Binasch et al . , Phys . Rev. B, 39 (1989), Seite 4828 ff., und M. N. Baibic et al . , Phys. Rev. Letters, 61 (1988), Seite 2472 ff., bekannt sind, bestehen aus alternierenden, ultradünnen weichmagnetischen und unmagnetischen Schichten, beispielsweise alternierenden Kobalt-Schichten und Kupfer-Schichten, wobei durch die Wahl der Dicke der Kupfer-Schichten eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den benachbarten Kobalt-Schichten einstellbar ist. Auf diese Weise richten sich die Magnetisierungsrichtungen dieser magnetischen Kobalt-Schichten ohne ein äußeres Magnetfeld antiparallel zueinander aus, so dass der elektrische Widerstand für einen in der Schichtanordnung geführten elektrischen Strom durch eine Spin-abhängige Elektronenstreuung maximal ist. Wird nun zusätzlich ein externes Magnetfeld angelegt, so richten sich die Magnetisierungen in den magnetischen Schichten weitgehend parallel zu diesem aus, wodurch der e- lektrische Widerstand in der Schichtanordnung deutlich sinkt. Insbesondere sind Effektgrößen von 20 % bis 30 % relativer Widerstandsänderung bei Raumtemperatur erreichbar.
Bei den darüber hinaus bekannten Spin-Valve-Schichtsystemen wird eine magnetisch weiche bzw. weichmagnetische Detekti- onsschicht durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht getrennt. Die unmagnetische Schicht ist dabei so dick ausgebildet, dass nur eine geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden magnetischen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht schon sehr kleinen externen Magnetfeldern folgt. Weiter ist dort vorgesehen, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht durch eine sogenannte „Pinning-Schicht" aus- gerichtet und festgehalten wird. Legt man nun ein äußeres Magnetfeld an und dreht dessen Richtung, so folgt die Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht der Richtung dieses Magnetfeldes, während die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht fest bleibt. Somit überträgt sich der Winkel des externen Magnetfeldes auf den Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen dieser beiden magnetischen Schichten und es resultiert ein winkelabhängiger elektrischer Widerstand in der Schichtanordnung. Die „Pinning- Schicht" ist dabei üblicherweise als Antiferromagnet oder als Kombination aus einem Antiferromagneten und einem sogenannten künstlichen Antiferromagneten ausgebildet. Einzelheiten zu derartigen Spin-Valve-Schichtsystemen sind in DE 199 49 714 AI beschrieben.
Einen Überblick über magnetoresistive Sensorelemente, der auch AMR-Sensorelemente mit einer Barber-Pole-Struktur um- fasst, gibt U. Dibbern in „Sensors - A Comprehensive Sur- vey" , herausgegeben von W. Göpel et al . , Band 5, Magnetic Sensors, VCH Verlag, Weinheim, 1989, Seiten 342 bis 380.
Nachteilig bei bekannten magnetoresistiven SchichtSystemen, beispielsweise in Form eines GMR-Sensorelementes mit gekoppelten Multilagen, ist deren bei Auftrag der relativen Widerstandsänderung ΔR/R als Funktion des äußeren Magnetfeldes B bzw. H annähernd dreiecksförmige Kennlinie, die um das Nullfeld herum, d.h. bei einem schwachen externen Magnetfeld, flach verläuft, so dass solche Sensorelemente wenig sensitiv auf Änderungen eines kleinen, externen Magnetfeldes sind.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die darin integrierte hartmagnetische Schicht, die die Schicht- anordnung zumindest bereichsweise mit einem internen Magnetfeld beaufschlagt, eine Verschiebung des Arbeitspunktes der ΔR/R-B-Kennlinie der magnetoresistiven Schichtanordnung erreicht wird.
Daneben ist vorteilhaft, dass im Fall des Einsatzes solcher Schichtanordnungen mit gekoppelten Multilagen in einem Gradiometer, beispielsweise zur Polradabtastung, durch die integrierte hartmagnetische Schicht der Arbeitspunkt so ge- wählt werden kann, dass eine maximale Sensitivität des Gra- dio eters erreicht wird, ohne dass dazu ein externer Haltemagnet erforderlich ist.
Insbesondere wird durch die integrierte hartmagnetische Schicht ein internes Magnetfeld, ein sogenanntes „Bias-
Magnetfeld" , erzeugt, das als Magnetfeld-Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfeldes von beispielsweise einigen mTesla eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes ΔR/R, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist. Insbesondere wird durch das von der hartmagnetischen Schicht hervorgerufene interne Magnetfeld vermieden, dass der Arbeitspunkt der magnetoresistiven Schichtan- Ordnung im Bereich des sogenannten Nullfeldes gemäß Figur 2 liegt, wo diese Kennlinie bei Variation des externen Magnetfeldes B bzw. H relativ flach verläuft.
Zudem ist vorteilhaft, dass durch die zusätzlich vorgesehene hartmagnetische Schicht die Erzeugung eines Bias-
Magnetfeldes über einen extern auf die magnetoresistive Schichtanordnung montierten separaten Magneten unterbleiben kann. Dies spart erhebliche Materialkosten und Montagekosten, insbesondere auch für eine Ausrichtung eines solchen externen Magneten in der Fertigung. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn die Stärke des von der hartmagnetischen Schicht hervorgerufenen Magnetfeldes im Bereich zwischen 1 mTesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, liegt. Durch derartige Felder wird eine weitgehend optimale Verschiebung des Arbeitspunktes erreicht.
Daneben ist vorteilhaft, wenn mehrere Schichtanordnungen zu einem auf Feldinhomogenitäten sensitiven Gradiometer zusammengeschaltet sind, wobei das von der hartmagnetischen Schicht erzeugte, interne Magnetfeld in den vorzugsweise je- weils mäanderförmig strukturierten Schichtanordnungen jeweils derart dimensioniert ist, dass alle Mäanderbereiche mit einem hinsichtlich Stärke und Richtung zumindest näherungsweise gleichen Magnetfeld beaufschlagt werden.
Zur Realisierung eines Gradiometers werden, beispielsweise zur Abtastung magnetischer Polräder bei der Drehzahlerfas- sung, mehrere erfindungsgemäße Schichtanordnungen vorteilhaft in Form einer Wheatstonebrücke zusammengeschaltet, wobei jeweils zwei der vier Widerstände der Wheatstonbrücke räumlich so angeordnet sind, dass die Differenz der Feldstärke zwischen den beiden Brückenteilen bzw. Halbbrücken maximal ist. In diesem Fall wird durch die Brückenteile nicht die lokale Feldstärke erfasst, sondern deren Differenz. Damit mit einem solchen Gradiometer dann auch schon bei kleinen Feldunterschieden große DifferenzSpannungen entstehen, ist es erforderlich, die einzelnen Schichtanordnungen im Bereich der steilen Flanke gemäß Figur 2 zu betreiben. Insbesondere ist bei einem solchen Gradiometer vorteilhaft, dass die Richtung und Stärke des in der Schichtanordnung erzeugten, internen Bias-Feldes für alle Teile der Wheatsto- nebrücke einheitlich wählbar ist. Somit ist man nicht darauf angewiesen, Dünnschichthartmagnete mit beispielsweise unterschiedlichen Koerzitivfeidstärken einzusetzen.
Besonders vorteilhaft ist weiter, wenn das erzeugte interne Magnetfeld die sensitive Schichtfolge der magnetoresistiven Schichtanordnung zumindest näherungsweise gleichmäßig beaufschlagt, so dass die magnetischen Schichten und die elektrisch leitfähigen Zwischenschichten einem weitgehend gleichen internen Magnetfeld ausgesetzt sind.
Sofern die erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtanordnung in Form gekoppelter Multilagen ausgeführt ist, ist weiter vorteilhaft, wenn die sensitive Schichtfolge aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten weichmagnetischen Schichten besteht, die jeweils voneinander über eine Zwi- schenschicht getrennt sind. Auf diese Weise wird das insgesamt erhältliche Sensorsignal durch Addition der Signale der einzelnen Zwischenschichten erheblich vergrößert.
Hinsichtlich der Anordnung der in die Schichtanordnung in- tegrierten hartmagnetischen Schicht bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten, die je nach Einzelfall an die konkreten Erfordernisse angepasst werden können. Besonders vorteilhaft ist, wenn die hartmagnetische Schicht auf der sensitiven Schichtfolge und/oder unter der sensitiven Schichtfolge und/oder zumindest bereichsweise lateral einseitig oder beidseitig neben der sensitiven Schichtfolge angeordnet ist. Diese Anordnungen der hartmagnetischen Schicht lassen sich besonders leicht in den Fertigungsprozess integrieren und erlauben eine einfache und zuverlässige Herstel- lung der hartmagnetischen Schicht. Im Übrigen ist vorteilhaft, dass durch die Integration der hartmagnetischen Schicht in die Schichtanordnung diese nun auch eine weitgehend beliebige Strukturierung aufweisen kann. Damit wird es möglich, die integrierte hartmagnetische Schicht lediglich bereichsweise auf, unter oder neben der eigentlich sensitiven Schichtfolge anzuordnen, so dass durch die spezielle geometrische Formgebung der als Dünnschicht- Bias-Magnet dienenden hartmagnetischen Schicht neue Funktio- nalitäten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schichtanordnung realisierbar sind. Insbesondere lassen sich auf diese Weise bei Positionssensoren Nichtlinearitäten ausgleichen.
Weiter ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Verschiebung des Arbeitspunktes einer magnetoresistiven Schichtanordnung durch Integration einer als Dünnschicht- Bias-Magnet dienenden hartmagnetischen Schicht auch bei AMR- Sensorele enten einsetzbar ist, die auf sogenannten Barber- Pole-Strukturen basieren. Auch dort kann nun ein externer, der Stabilisierung dienender Haltemagnet durch eine in eine entsprechende Schichtanordnung integrierte hartmagnetische Schicht ersetzt werden.
Hinsichtlich des Materials für die integrierte hartmagnetische Schicht eignen sich prinzipiell alle in Dünnschichttechnik abscheidbaren hartmagnetischen Materialien wie beispielsweise SmCo, NdFeB, CoPt oder CoCr. Die Koerzitivität der hartmagnetischen Schicht ist vorteilhaft so gewählt, dass ein Einprägen der Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht bei deren Abscheidung einerseits fertigungstechnisch noch leicht möglich ist, beispielsweise indem beim Abscheiden ein entsprechendes Magnetfeld angelegt wird, dass andererseits aber bei einem Einsatz der erfindungsgemä- ßen magnetoresistiven Schichtanordnung im Kleinfeldbereich unter 100 mTesla auch keine irreversiblen Änderungen durch ein externes Magnetfeld bzw. Geberfeld oder durch sonstige Störfelder auftreten.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 schematisch ein magnetoresistives Schichtsystem für ein GMR- Sensorelement mit gekoppelten Multilagen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, Figur 2 eine Prinzipskizze einer Kennlinie eines solchen Schichtsystems, die Figuren 3a, 3b und 3c jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven SchichtSystems , Figur 4 eine Prinzipskizze einer Kennlinie eines Schichtsystems gemäß Figur 3a, 3b oder 3c, und Figur 5 eine weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schichtsystems. Die Figur 6 zeigt eine Prinzipskizze eines Gradio- meters mit vier in Form einer Wheatstonebrücke verschalteten magnetoresistiven Schichtsystemen, Figur 7 eine Draufsicht auf entsprechend strukturierte Schichtanordnungen auf einem Substrat und Figur 8 eine Weiterführung von Figur 7 mit mä- anderförmig strukturierten, zu einem Gradiometer zusammenge- fassten Schichtanordnungen.
Ausführungsbeispiele
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung geht, wie in Figur 1 dargestellt, zunächst von einem prinzipiell bekann- ten magnetoresistiven Schichtsystem auf der Basis von gekoppelten Multilagen aus, das unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes B bzw. H einen GMR-Effekt aufweist, und das daher beispielsweise zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement geeignet ist. Im Einzelnen weist dieses magnetoresistive Schichtsystem ein Substrat 10 aus Siliziumdioxid oder Silizium auf, auf dem eine Pufferschicht oder Anpassschicht 11 („Bufferschicht"), beispielsweise aus Eisen oder NiFe, vorgesehen ist. Auf der Pufferschicht 11 befindet sich eine dünne erste weichmagnetische Schicht 12, die aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, beispielsweise 80 Atom% bis 95 Atom% Kobalt und 20 Atom% bis 5 Atom% Eisen, aus Kobalt oder aus einer Legierung von Nickel und Eisen oder Nickel und Kobalt besteht. Die Dicke der ersten weichmagnetischen Schicht 12 liegt im Bereich von ca. 0,5 nm bis ca. 3 n .
Unter einer weichmagnetischen Schicht wird eine Schicht aus einem ferromagnetischen Material verstanden, bei der die Richtung der Magnetisierung in der Schicht durch ein externes Magnetfeld beeinflussbar ist. Insbesondere richtet sich die Magnetisierung in einer weichmagnetischen Schicht möglichst leicht und möglichst weitgehend parallel zu der Richtung des externen Magnetfeldes aus . Demgegenüber wird unter einer hartmagnetischen Schicht eine Schicht aus einem ferromagnetischen Material verstanden, bei der die Richtung der Magnetisierung und insbesondere auch deren Stärke von einem externen Magnetfeld, abgesehen von extrem starken externen Feldern, möglichst unbeeinflusst bleibt.
Auf der ersten weichmagnetischen Schicht 12 befindet sich weiter als nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht 13 eine KupferSchicht . Ihre Dicke beträgt 1 nm bis
4 nm, insbesondere 2 nm bis 2,5 nm. Alternativ kann die Zwi- schenschicht 13 auch aus einer Legierung von Kupfer, Silber und Gold, beispielsweise aus 80 Atom% bis 90 Atom% Kupfer,
5 Atom% bis 15 Atom% Silber und 2 Atom% bis 8 Atom% Gold, bestehen. Auf der Zwischenschicht 13 ist weiter eine zweite weichmagnetische Schicht 12 λ aufgebracht, die entsprechend der ersten weichmagnetischen Schicht 12 ausgebildet ist. Die beiden magnetischen Schichten 12, 12 und die dazwischen befindli- ehe, unmittelbar benachbarte Zwischenschicht 13 bilden somit eine Schichtfolge 16, die bevorzugt zum Schutz vor Korrosion oder Umwelteinflüssen auf der Oberseite von einer Deckschicht 14, beispielsweise aus Tantal, bedeckt ist. Die dargestellte Pufferschicht 11 und/oder die Deckschicht 14 kön- nen im Übrigen auch entfallen.
Weiter ist bevorzugt, abweichend von der vereinfachten Darstellung gemäß Figur 1 bzw. den Figuren 3a bis 3c, vorgesehen, dass die Schichtfolge 16 eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stapeln aus der ersten magnetischen Schicht 12, der Zwischenschicht 13 und der zweiten magnetischen Schicht 12' aufweist. Dies wird beispielhaft mit Hilfe der Figur 5 erläutert .
Die Dicke der Zwischenschicht 13 ist so gewählt, dass die beiden weichmagnetischen Schichten 12 , 12 λ in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes über die Zwischenschicht 13 antiferromagnetisch koppeln, d.h. ihre jeweiligen Magnetisierungen richten sich in Abwesenheit eines externen Magnetfel- des antiparallel zueinander aus.
Die Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze der Kennlinie des magnetoresistiven Schichtsyste s gemäß Figur 1, wobei die Änderung des elektrischen Widerstandes in der Schichtfolge 16 bezogen auf den minimalen elektrischen Widerstand bei großem Magnetfeld, d.h. der Wert ΔR/R, als Funktion eines externen Magnetfeldes (B) aufgetragen ist. Das externe Magnetfeld hat dabei im ersten Quadranten der Kennlinie gemäß Figur 2 eine definierte, feste Richtung, während die Kennli- nie im 4. Quadranten gemäß Figur 2 einem analogen, jedoch entgegengesetzt gerichteten externen Magnetfeld entspricht.
Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass bei einer beispielsweise periodischen Variation des externen Magnetfeldes B um das Nullfeld herum, d.h. im Fall eines schwachen externen Magnetfeldes von unter 5 mTesla, der Wert von ΔR/R, d.h. die Antwort des Sensorelementes, aufgrund des flachen Verlaufes der Kennlinie nur wenig schwankt.
Die Figur 3a zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen resistiven Schichtanordnung eine Schichtanordnung 5, die zunächst analog der Figur 1 aufgebaut ist, bei der aber zwischen der Pufferschicht 11 und der ersten weichmagnetischen Schicht 12 zusätzlich eine hartmagnetische Schicht 15 vorgesehen ist. Diese hartmagnetische Schicht 15 besteht beispielsweise aus einer SmCo-Legierung, einer NdFeB-Legierung, einer CoPt-Legierung, einer CoCr-Legierung, oder aus einem anderen, in Dünnschichttechnik abscheidbaren hartmagnetischen Material. Bei der Erzeugung der hartmagnetischen Schicht 15 wurde weiter ein Magnetfeld angelegt, so dass die hartmagnetische Schicht 15 eine Magnetisierung aufweist, die hinsichtlich Stärke und Richtung vorgegeben und zeitlich zumindest weitgehend konstant ist. Weiter ist die Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht 15 auch von einem externen Magnetfeld, dem die magnetoresistive Schichtanordnung 5 bei Betrieb beispielsweise in einem Sensorelement ausgesetzt ist, hinsichtlich Richtung und Stärke zumindest weitgehend unbeeinflusst . Insofern bildet die hartmagneti- sehe Schicht 15 einen in die magnetoresistive Schichtanordnung 5 integrierten Dünnschicht-Bias-Magneten. Die Dicke der hartmagnetischen Schicht 15 beträgt beispielsweise 30 nm bis 500 nm, beispielsweise etwa 150 nm. Die Figur 3b erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen magnetoresistiven Schichtanordnung 5, bei der die hartmagnetische Schicht 15 im Gegensatz zu Figur 3a auf der Schichtfolge 16 bzw. auf der zweiten weichmagneti- sehen Schicht 12 x zwischen dieser und der Deckschicht 14 angeordnet ist. Ansonsten ist die hartmagnetische Schicht 15 gemäß Figur 3b analog der hartmagnetischen Schicht 15 gemäß Figur 3a.
Die Figur 3c erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die hartmagnetische Schicht 15 lateral beidseitig neben der Schichtfolge 16 aus den magnetischen Schichten 12, 12' und der Zwischenschicht 13 angeordnet ist.
Die Figur 5 zeigt schließlich eine Schichtfolge 16 aus mehreren, vorzugsweise einer Vielzahl von übereinander angeordneten Stapeln aus der ersten magnetischen Schicht 12, der Zwischenschicht 13 und der zweiten magnetischen Schicht 121. Daneben ist in Figur 5 die hartmagnetische Schicht 15 unmit- telbar auf dem Substrat 10 angeordnet, und von der Schichtfolge 16 zunächst über eine Isolationsschicht 18 und einer auf dieser erzeugten Pufferschicht 11 getrennt.
Die Figur 4 erläutert, wie durch die in die Schichtanordnung 5 integrierte hartmagnetische Schicht 15 in Form eines Dünnschicht-Bias-Magneten eine Verschiebung des Arbeitspunktes 17 in der Kennlinie der magnetoresistiven Schichtanordnung 5 erreicht wird. Man erkennt deutlich im Vergleich zu Figur 2, dass durch das von der hartmagnetischen Schicht 15 erzeugte interne Magnetfeld, das zwischen 1 mTesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, liegt, eine Verschiebung des Arbeitspunktes 17 aus dem Bereich des Nullfeldes erreicht wird. Insbesondere liegt der Arbeitspunkt 17 gemäß Figur 4 nun in der steilen Flanke der Kennlinie, so dass nunmehr auch geringe Veränderungen eines von Außen angeleg- ten Magnetfeldes eine deutlich stärkere Veränderung der Größe ΔR/R bewirken, die letztlich das eigentliche Sensorsignal bildet.
Die Figur 6 zeigt als Prinzipskizze die Zusammenschaltung von mehreren Schichtanordnungen 5 gemäß den Figuren 3a, 3b, 3c oder 5 über eine bekannte Wheatstonebrücke zu einem Gradiometer 30, wobei die Stärke und Richtung des in den Schichtanordnungen 5 durch die hartmagnetische Schicht 15 erzeugten internen Magnetfeldes HBias jeweils gleich ist. Damit ist die Differenz der Feldstärke eines externen Magnetfeldes zwischen den beiden Halbbbrücken 19, 20 der Wheatstonebrücke erfassbar.
Ein solches Gradiometer 30 wird durch Figur 7 näher erläutert, die vier Schichtanordnungen 5 gemäß Figur 5 in Draufsicht auf einem Substrat zeigt, wobei diese paarweise zu benachbarten Streifen strukturiert sind. Auch in diesem Fall sind die Stärken und Richtungen der internen Magnetfelder HBias jeweils gleich. Die einzelnen Schichtanordnungen 5 in Figur 7 sind zudem analog Figur 6 mittels nicht dargestellter Leiterbahnen in Form einer Wheatstonebrücke verschaltet.
Die Figur 8 zeigt in Weiterführung von Figur 7 ein Gradiome- ter 30, wobei die einzelnen Schichtanordnungen 5 in Draufsicht jeweils mäanderförmig strukturiert und paarweise benachbart angeordnet sind. Auf diese Weise bilden sich zwei Halbbrücken 19, 20, die über nicht dargestellte Leiterbahnen zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind.

Claims

Ansprüche
1. Magnetoresistive Schichtanordnung, insbesondere zur Verwendung in einem GMR-Sensorelement, einem AMR-Sensorelement oder einem Gradiometer (30) , mit einer Schich folge
(16) mit mindestens zwei magnetischen Schichten (12, 12') zwischen denen sich eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht (13) befindet, wobei der elektrische Widerstand der Schichtanordnung (5) in Abhängigkeit einem externen, auf die Schichtanordnung (5) einwirkenden Magnetfeld veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise mindestens eine hartmagnetische Schicht (15) in die Schichtanordnung (5) integriert ist, die zumindest einen Bereich einer Grenzfläche zwischen der magnetischen
Schicht (12, 12 v ) und der Zwischenschicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt.
2. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der hartmagnetischen
Schicht (15) hervorgerufene, interne Magnetfeld hinsichtlich Stärke und Richtung zeitlich zumindest weitgehend konstant ist, und insbesondere von dem externen Magnetfeld zumindest weitgehend unbeeinflusst bleibt.
3. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1 o- der 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der hartmagnetischen Schicht (15) hervorgerufene, interne Magnetfeld eine beim Erzeugen der hartmagnetischen Schicht (15) eingestellte Richtung und Stärke aufweist.
4. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des von der hartmagnetischen Schicht (15) hervorgeru- fenen, internen Magnetfeldes im Bereich der Grenzfläche zwischen 1 mTesla und 30 mTesla, insbesondere 2 mTesla bis 15 mTesla, beträgt.
5. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vo- rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) derart in die Schichtanordnung (5) integriert und das von ihr hervorgerufene, interne Magnetfeld derart dimensioniert ist, dass es sich zumindest be- reichsweise über die Schichtfolge (16) erstreckt und diese insbesondere näherungsweise gleichmäßig beaufschlagt.
6. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht
(15) aus SmCo, NdFeB, CoPt, CoCr oder einem anderen in Dünn- Schichttechnik abscheidbaren hartmagnetischen Material besteht .
7. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtfolge (16) mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten weichmagnetischen Schichten (12, 12 v ) , die jeweils voneinander zumindest bereichsweise über eine Zwischenschicht (13) getrennt sind, vorgesehen ist.
8. Magnetoresistive Schichtanordnung nach Anspruch 1 o- der 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) zumindest bereichsweise auf der Schichtfolge
(16) und/oder zumindest bereichsweise unter der Schichtfolge (16) und/oder zumindest bereichsweise lateral einseitig oder beidseitig neben der Schichtfolge (16) angeordnet ist.
9. Magnetoresistive Schichtanordnung nach einem der vo- rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) von der Schichtfolge (16) über eine Trennschicht, insbesondere eine elektrisch isolierende Trennschicht, getrennt ist.
10. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (15) eine Strukturierung aufweist, und dass sie insbesondere lediglich bereichsweise auf und/oder unter der Schichtfolge (16) angeordnet ist.
11. Magnetisch sensitive Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der magnetischen Schichten (12, 12') Fe, Co o- der Ni enthält und/oder aus NiFe, CoFe, NiCo oder Co be- steht.
12. Gradiometer mit einer Mehrzahl von Schichtanordnungen (5 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche .
13. Gradiometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das von der integrierten hartmagnetischen Schicht (15) in den verschiedenen Schichtanordnungen (5) erzeugte Magnetfeld hinsichtlich Stärke und Richtung jeweils zumindest näherungsweise gleich ist.
14. Gradiometer nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen (5) zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind.
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