WO2006100223A1 - Magnetoresistives mehrschichtensystem vom spin valve-typ mit einer magnetisch weicheren elektrode aus mehreren schichten - Google Patents

Magnetoresistives mehrschichtensystem vom spin valve-typ mit einer magnetisch weicheren elektrode aus mehreren schichten Download PDF

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WO2006100223A1
WO2006100223A1 PCT/EP2006/060883 EP2006060883W WO2006100223A1 WO 2006100223 A1 WO2006100223 A1 WO 2006100223A1 EP 2006060883 W EP2006060883 W EP 2006060883W WO 2006100223 A1 WO2006100223 A1 WO 2006100223A1
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layer
measuring electrode
electrode
layers
multilayer system
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PCT/EP2006/060883
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Theodoros Dimopoulos
Joachim Wecker
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange 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
    • H01F10/3272—Exchange 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • a spin valve-type magnetoresistive multi-layer system comprising a multilayer magnetically softer electrode
  • the invention relates to a magnetoresistive multilayer system of the spin valve type with XMR effect, comprising
  • first layer subsystem as a magnetically softer measuring electrode
  • second layer subsystem as a magnetically comparatively harder reference electrode
  • the one is at least antiferromagnetically coupled as ⁇ between located coupling layer of non-magnetic material of the reference electrode is at least largely decoupled decoupling layer of non-magnetic material
  • the measuring electrode comprising at least two layers of ferro- magnetic material and their Magne ⁇ thnesraumen in an external magnetic field in contrast to the reference electrode are variable, and wherein the Mag ⁇ netizations in the two ferromagnetic layers of the measuring electrode in the absence of external magnetic field to each other ⁇ at least approximately antiparallel, are aligned in the respective Schichtebe ⁇ ne.
  • a corresponding multi-layer system can be found in US Pat. No. 6,153,320 A.
  • Magnetoresistive thin film systems over a ⁇ layered elements with a so-called “classical AMR effect” substantially increased magnetoresistive effect (so-called “XMR effect”) show are generally known
  • the magnetization is a function of an applied external resistance Magnetfel ⁇ of.
  • Corresponding multilayer systems are therefore in particular special as transducers, magnetocouplers, field, current or position sensors or for the construction of elements and circuits of the magnetic logic or memory technology in question.
  • Corresponding multi-layer systems comprise in its simplest embodiment a ⁇ two ferromagnetic layers and electrodes which are spaced apart by a thin intermediate layer of non-magnetic metal ⁇ or an insulator.
  • a stream side in a parallel or perpendicular direction to the flat flow of the multilayer system depends on the relati ⁇ ven orientation of the magnetizations of the two ferromagnetic electrodes from tables, which can be influenced by an applied external Mag ⁇ netfeld.
  • the resistance of the multilayer system assumes extreme values for a parallel and antiparallel alignment of the magnetizations in the electrodes.
  • the electrodes In order to ensure well-defined orientations of the magnetizations in the parallel or antiparallel magnetization state with different magnetic fields, different magnetic hardnesses or coercive field strengths are provided for the electrodes.
  • the electrode having the relatively high coercive field strength as a reference electrode ⁇ be viewed while the electrode is to be described with the comparatively low coercive field strength as a magnetically softer measuring electrode.
  • Multilayer systems with such electrodes of ferromagnetic layers with different magnetic hardness are also referred to as systems of the so-called "spin valve" type.
  • AAF artificial antiferromagnet
  • the construction of corresponding AAF layer subsystems is known in principle (see WO 94/15223 A1)
  • an antiferromagnetic additional layer for example, of IrMn or PtMn.
  • Such an additional layer is also called a natural antiferromagnet.
  • the direction of Aus ⁇ exchange bias is set after the deposition of the individual layers of the layer subsystem by a tempera ture treatment in a sufficiently strong external magnetic field, so that ensures saturation of the magnetization of the AAF layer subsystem.
  • the axis of the so-called ⁇ easy magnetization of the AAF layer system part lies in the direction of the exchange bias, while the hard axis of the layers subsystem is perpendicular to the direction of the exchange bias.
  • a linear characteristic of magnetic field-dependent resistance is required, ie, the magnetization M x of the magnetically softer measuring electrode is longitudinally placed a is ⁇ external magnetic field linearly vary with the field strength H, while the magnetization of the magnetically harder reference electrode fixed rigidly should stay.
  • H linear saturated derarti- M x (H) behavior
  • attempts have been made of magnetically softer measuring electrode zu josgen anisotropy a ⁇ by a suitable magnetic field in the waste Divorce of the layers has been created, for example by sputtering (see DE 102 38 826 Al). Thereafter, the direction of the exchange bias for the reference electrode is impressed along the hard axis of the magnetically softer electrode.
  • H s -4J af / (M sl -ti + M s2 -t 2 ) and M sl -ti ⁇ M s2 -t 2 , where H s is the saturation field strength, J a f is the antiferromagnetic coupling strength,
  • M s i, M s2 are the saturation magnetizations of the respective ferromagnetic layer of the measuring electrode and ti, t 2 are the respective thickness of these layers.
  • the problems associated with such a design of the measuring layer electrode advantages are particularly to be seen in: (a) the sensitivity of the multilayer system based on the saturation magnetization can be adjusted to a large extent by af one single parameters of the layers subsystem of the measuring electrode such as the anti-ferromagnetic ⁇ diagram coupling J, the thickness of the individual ferromagnetic layers and the non-magnetic coupling layer, as well as the saturation magnetization of the ferromagnetic material selects suitable.
  • Polycrystalline and / or amorphous materials can be selected for the individual ferromagnetic layers, without any intrinsic magnetic anisotropy or shape anisotropy being required with a uniform orientation of the magnetization directions in the individual grains of the material. In particular, it requires no Mag ⁇ netfeld adaptation pien for impressing any Anisotro-.
  • the multilayer system of the invention can additionally have the following characteristics or be configured as follows: -
  • the saturation magnetizations M si, M s2, and ti is the thickness
  • t 2 of the ferromagnetic layers of the measuring electrode are selected such that the following rela ⁇ hung (M sl -ti-M s2 -t 2 ) / (M sl -ti + M s2 -t 2 ) ⁇ 0.05.
  • the magnetizations of the ferromagnetic layers of the measuring electrode at saturation in an external magnetic field can point at least approximately (including deviations by a maximum of ⁇ 10 degrees of angle, preferably of less than ⁇ 5 degrees of angle) in the same direction.
  • the reference electrode as a ⁇ layers follow an artificial antiferromagnet formed. This ensures a low interaction or good decoupling with respect to the measuring electrode.
  • the reference electrode can of course also be formed by a ferromagnetic single layer.
  • the magnetic saturation field of the Messelekt- rode maximum / m to 100 kA / m are preferably from more than 20 kA -. Namely, in such applications, often only relatively low field strengths can be achieved.
  • a Co-Fe alloy for the ferromagnetic layers of the measuring electrode comes as a material in particular, a Co-Fe alloy, be ⁇ vorzugt an at least 3-component Co-Fe-X alloy (X at least one of the elements Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo) in question.
  • Co-Fe-X alloy X at least one of the elements Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo
  • amorphous materials are characterized by a low intrinsic anisotropy.
  • the anisotropy of the ferromagnetic layers of its measuring electrode to a maximum of 0.8 kA / m, preferably at least Hoechsmann ⁇ 0.5 kA / m, to be adjusted.
  • the multi-layer system according to the invention can be used preferably as part of a magnetoresistive sensor element of a data storage device such as a read head or a position sensor of a crank or Nockenwel ⁇ le an automotive engine, a magnetore ⁇ sistiven logic element or a magnetoresistive coupler element.
  • a magnetoresistive sensor element of a data storage device such as a read head or a position sensor of a crank or Nockenwel ⁇ le an automotive engine, a magnetore ⁇ sistiven logic element or a magnetoresistive coupler element.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a multilayer system according to the invention as a sectional view
  • Figure 2 shows in a diagram the magnetization ⁇ nisse this multilayer system as a function of an external magnetic field whose Figure 3 in a diagram a specific magnetization curve of a Such multi-layer system and their Figure 4 in part figures (a) to (d) different schematic magnetization curves or a resistance curve of a multi-layer system according to the invention or of parts thereof.
  • a magnetoresisti ⁇ ven multilayer system is per se known embodiments of such systems with XMR effect the so-called "spin valve" type considered (see. For example the cited DE 102 38 826 Al).
  • the generally designated 2 has a magnetically harder reference Electrode 3 and a comparatively magne ⁇ table softer measuring electrode 4 on the other hand, which are at least largely decoupled magnetically via a thin Ent ⁇ coupling layer 5.
  • the decoupling layer 5 consists of a non-magnetic metal, such as a GMR element made of Ru, or an insulating material such as Al 2 O 3 for a TMR element.
  • the magnetically harder reference electrode 3 is constructed in a known manner from a trained as AAF layer subsystem having two ferromagnetic layers 3a and 3b, which are antiferromagnetically coupled via a coupling layer 3c. On the side of the reference electrode 3 facing away from the decoupling layer 5, the latter also has an antiferromagnetic ⁇ tional additional layer or natural antiferromagnets 3d, for example of PtMn. Further layers, such as for covering or contacting, for example, and a substrate layer or a substrate carrying the multi-layer system 2 have been omitted from the figure for reasons of clarity. Such parts are well known.
  • the magnetically softer measuring electrode 4 which is also to be designated as a detection electrode or information electrode depending on the application ⁇ case of the layer system, is fiction ⁇ according to a layer subsystem consist, which also has two ferromagnetic layers 4a and 4b with intervening ⁇ gender coupling layer 4c , This layer subsystem may also be referred to as a "balanced artificial antiferromagnet" or "balanced AAF", respectively.
  • Layer 4a and 4b are also composed of several individual layers, which are then generally made of different materials.
  • FIG. 1 The diagram schematically shows the curve of the magnetization M (in arbitrary units) as a function of the field strength H (in arbitrary units) of an applied external magnetic field.
  • Ml and M2 are generally the magneti ⁇ rule moments or 4a and 4b denotes the magnetizations of the layer, wherein the respective alignment of the moments edges for different field strengths by directional arrows at mar ⁇ points A to E is illustrated.
  • the dashed arrows in this case relate to the magnetization ⁇ directions in the layer 4a, which is hidden in the selected supervision in each case by the layer 4b.
  • the saturation magnetizations of these layers 4a and 4b are denoted by a magnetic field strength H s with M s i or M s2 which is sufficiently strong for their saturation (point A).
  • H s with M s i or M s2 which is sufficiently strong for their saturation (point A).
  • a net moment of the magnetization of the measuring electrode 4 formed with the soft-magnetic partial layer system should be at least approximately
  • the ferromagnetic layers 4a and 4b which have a thickness of ti and t 2 , respectively.
  • the two layers are anti-ferromagnetically via the intermediate layer 4c, for example, with the thickness t 3 are coupled, the coupling strength J af ⁇ be distinguished is.
  • a balanced AAF then:
  • the saturation magnetic field H s should be relatively small and preferably on the order of at most 100 kA / m, preferably at most 20 kA / m.
  • the antiferromagnetic coupling strength J af and / or the thickness ti or t 2 of the ferromagnetic electrode layers 4a and 4b should be kept relatively small, as is apparent from Eq. 3buslei ⁇ th is.
  • measures to achieve a small antiferromagnetic coupling strength J af can be provided:
  • a Co-Fe-X alloy may preferably be provided, wherein for the X component at least one of the elements of the group Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo is chosen. Specifically, as more compo nent ⁇ be alloyed X so-called glass former (Si, B). Similar to a known multi-layer subsystem (see “Appl. Phys. Lett.”, Vol.85, No. 11, Sept.
  • FIGS AAF layer subsystem 4 selected as a soft magnetic electrode with low antiferromagnetic coupling, the following structure: Co 60 Fe 20 B 20 / Ru (IIA) / Co 60 Fe 20 B 2 O •
  • a concrete layer subsystem for a soft magnetic measuring electrode 4 are: CoFe (30A) / CoFeB (10A) / Ru (IIA) / CoFeB (10A) / CoFe (30A), CoFe (30A) / Ru (IIA) / CoFeB (40A ), CoFeB (40A) / Ru (IIA) / CoFe (30A) or CoFe (40A) / Ru (IIA) / CoFe (40A).
  • an adjacent intermediate layer of Ru-4c thin CoFeB layer serves in particular to a reduction of the coupling strength J ⁇ af.
  • the CoFe layers are polycrystalline, while the CoFeB layers are amorphous or polycrystalline depending on the B content in the alloy.
  • the value of H s determines the sensitivity of the system which corresponds to the gradient of the R (H) curve. That is, smaller values of H s lead to greater sensitivity ⁇ Emp, which with a greater change in resistance per unit (A / m) of the applied external Mag ⁇ netfeldes H is equivalent.
  • the balanced AAF of the soft magnetic measuring electrode 4 can be combined with an AAF withjustvormagneti ⁇ tion as a reference electrode 3, as indicated in Figure 1.
  • the reference electrode it is also possible for the reference electrode a single layer of ferromagnetic
  • FIG. 4 a shows the magnetization curve of a balanced AAF, already explained in FIG. 2, as a soft-magnetic measuring electrode. If, instead, an exchange-biased ferromagnetic single layer is provided, the result is the curve progression indicated in FIG. 4b.
  • H EX is the replacement field.
  • the associated magnetoresistance curve is shown in Figure 4d. From this curve, the linear course of the R (H) curve between the saturation field strengths H s and -H s can be seen.
  • the multilayer system according to the invention is used in devices which require an external magnetic field with an arbitrarily predeterminable direction with respect to the reference electrode.
  • the multi-layer system according to the invention is particularly suitable for such devices, but not limited to a corresponding use. Of course, it can also be used for applications with a predetermined, in particular vertical direction of an external magnetic field with respect to the reference electrode.

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Abstract

Das magnetoresistive Mehrschichtensystem (2) mit XMR-Effekt umfasst eine magnetisch weichere Messelektrode (4), eine magnetisch härtere Referenzelektrode (3) und dazwischen eine diese Elektroden (4, 3) zumindest weitgehend entkoppelnde nicht-magnetische Entkopplungsschicht (5). Dabei weist die Messelektrode (4) zwei ferromagnetische Schichten (4a, 4b) auf, die über mindestens eine dazwischen befindliche nicht-magnetische Kopplungsschicht (4c) antiferromagnetisch gekoppelt sind und deren Magnetisierungsrichtungen (M1, M2) im Gegensatz zu der Referenzelektrode in einem äußeren Magnetfeld drehbar sind. Um eine lineare Charakteristik des magnetfeld-abhängigen Widerstands zu erreichen, sollen die Magnetisierungen (M1, M2) der zwei ferromagnetischen Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) bei fehlendem äußeren Magnetfeld zumindest annähernd antiparallel zueinander in ihrer jeweiligen Schichtebene ausgerichtet sein, so dass sich ein Nettomoment der Magnetisierung der Messelektrode (4) von zumindest annähernd Null ergibt.

Description

Beschreibung
Magnetoresistives Mehrschichtensystem vom Spin Valve-Typ mit einer magnetisch weicheren Elektrode aus mehreren Schichten
Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Mehr¬ schichtensystem vom Spin Valve-Typ mit XMR-Effekt, umfassend
- ein erstes Schichtenteilsystem als magnetisch weichere Messelektrode, - ein zweites Schichtenteilsystem als magnetisch vergleichsweise härtere Referenzelektrode,
- mindestens eine die Messelektrode von der Referenzelektrode zumindest weitgehend entkoppelnde Entkopplungsschicht aus nicht-magnetischem Material, wobei die Messelektrode wenigstens zwei Schichten aus ferro- magnetischem Material aufweist, die über mindestens eine da¬ zwischen befindliche Kopplungsschicht aus nicht-magnetischem Material antiferromagnetisch gekoppelt sind und deren Magne¬ tisierungsrichtungen in einem äußeren Magnetfeld im Gegensatz zu der Referenzelektrode veränderbar sind, und wobei die Mag¬ netisierungen in den zwei ferromagnetischen Schichten der Messelektrode bei fehlendem äußeren Magnetfeld zueinander zu¬ mindest annähernd antiparallel, in der jeweiligen Schichtebe¬ ne liegend ausgerichtet sind. Ein entsprechendes Mehrschich- tensystem ist der US 6,153,320 A zu entnehmen.
Magnetoresistive Dünnschichtensysteme, die gegenüber ein¬ schichtigen Elementen mit einem sogenannten „klassischen AMR- Effekt" einen wesentlich erhöhten magnetoresistiven Effekt (sogenannten „XMR-Effekt") zeigen, sind allgemein bekannt
(vgl. z.B. den Band „XMR-Technologien", Technologieanalyse: Magnetismus; Band 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Bei entsprechenden Mehrschichtensystemen ist der Magnetisierungs- widerstand eine Funktion eines angelegten externen Magnetfel¬ des. Entsprechende Mehrschichtensysteme kommen deshalb insbe- sondere als Messwandler, Magnetokoppler, Feld-, Strom- oder Positionssensoren oder zum Aufbau von Elementen und Schaltungen der magnetischen Logik oder Speichertechnik in Frage.
Entsprechende Mehrschichtensysteme umfassen in ihrer ein¬ fachsten Ausführungsform zwei ferromagnetische Schichten bzw. Elektroden, die durch eine dünne Zwischenschicht aus nicht¬ magnetischem Metall oder einem Isolator beabstandet sind. Ein Strom, der in paralleler oder senkrechter Richtung zur Flach- seite des Mehrschichtensystems fließt, hängt von der relati¬ ven Orientierung der Magnetisierungen der beiden ferromagne- tischen Elektroden ab, die durch ein angelegtes externes Mag¬ netfeld zu beeinflussen ist. Dabei nimmt der Widerstand des Mehrschichtensystems Extremwerte für eine parallele und anti- parallele Ausrichtung der Magnetisierungen in den Elektroden an. Um wohldefinierte Ausrichtungen der Magnetisierungen in dem parallelen bzw. antiparallelen Magnetisierungszustand bei unterschiedlichen Magnetfeldern zu gewährleisten, werden für die Elektroden unterschiedliche magnetische Härten bzw. Koer- zitivfeidstärken vorgesehen. Dabei kann die Elektrode mit der verhältnismäßig hohen Koerzitivfeidstärke als eine Referenz¬ elektrode angesehen werden, während die Elektrode mit der vergleichsweise geringeren Koerzitivfeidstärke als magnetisch weichere Messelektrode zu bezeichnen ist. Mehrschichtensyste- me mit solchen Elektroden aus ferromagnetischen Schichten mit unterschiedlicher magnetischer Härte werden auch als Systeme vom sogenannten „Spin Valve"-Typ bezeichnet.
Als Referenzelektrode kann bevorzugt ein sogenannter künstli- eher Antiferromagnet (Abkürzung: „AAF" = Artificial AntiFer- romagnet) vorgesehen sein. Der Aufbau entsprechender AAF- Schichtenteilsysteme ist prinzipiell bekannt (vgl. WO 94/15223 Al) . Ein solches Teilsystem besteht in der Regel aus wenigstens zwei ferromagnetischen Schichten, die über eine Kopplungsschicht aus nicht-magnetischem Material anti- ferromagnetisch gekoppelt sind. Um die magnetische Steifig- keit eines solchen AAF-Teilsystems, also seine Resistanz ge¬ genüber externen äußeren Magnetfeldern, zu verbessern, ist es bekannt, an diese eine antiferromagnetische Zusatzschicht z.B. aus IrMn oder PtMn anzufügen. Eine solche Zusatzschicht wird auch als natürlicher Antiferromagnet bezeichnet. Über diese antiferromagnetische Zusatzschicht wird die somit di¬ rekt benachbarte ferromagnetische Schicht des AAF auf Grund einer vorhandenen Austauschkopplung in ihrer Magnetisierung zusätzlich gepinnt, so dass das AAF-Teilsystem insgesamt mag- netisch härter wird (sogenanntes „Exchange Pinning" oder „Exchange Biasing") . Unter der Austauschvormagnetisierung (Exchange Bias) sei nachfolgend allgemein die Magnetisierung dieses natürlichen Antiferromagneten verstanden, mittels derer ein magnetisches Hintergrund- oder Zusatzfeld bzw. eine magnetische Vorspannung des die magnetisch härtere Referenzelektrode bildenden Schichtenteilsystems oder einer entspre¬ chenden Einzelschicht bewirkt wird. Die Richtung der Aus¬ tauschvormagnetisierung wird dabei nach der Abscheidung der einzelnen Lagen des Schichtenteilsystems durch eine Tempera- turbehandlung in einem hinreichend starken äußeren Magnetfeld eingestellt, so dass eine Sättigung der Magnetisierung des AAF-Schichtenteilsystems gewährleistet. Die Achse der soge¬ nannten leichten Magnetisierung des AAF-Schichtenteilsystems liegt dabei in der Richtung der Austauschvormagnetisierung, während die harte Achse des Schichtenteilsystems senkrecht zur Richtung der Austauschvormagnetisierung verläuft.
Insbesondere für Sensoranwendungen entsprechender Mehrschichtensysteme wird eine linearer Charakteristik des magnetfeld- abhängigen Widerstands gefordert, d.h., die Magnetisierung Mx der magnetisch weicheren Messelektrode soll längs eines ange¬ legten äußeren Magnetfeldes linear variieren mit der Feldstärke H, während die Magnetisierung der magnetisch härteren Referenzelektrode starr fixiert bleiben soll. Um ein derarti- ges lineares Mx (H) -Verhalten zu erreichen, hat man versucht, der magnetisch weicheren Messelektrode eine Anisotropie ein¬ zuprägen, indem man ein geeignetes Magnetfeld bei der Ab- Scheidung der Schichten beispielsweise durch Sputtern angelegt hat (vgl. DE 102 38 826 Al) . Danach wird die Richtung der Austauschvormagnetisierung für die Referenzelektrode längs der harten Achse der magnetisch weicheren Elektrode eingeprägt. Damit soll eine lineare R (H) -Antwort für den Fall erreicht werden, dass das Magnetfeld H längs der harten Achse der weichmagnetischen Messelektrode gerichtet ist. Es zeigt sich jedoch, dass bei einer solchen Einprägung einer Anisotropie in die weichmagnetische Messelektrode während des Abscheidungsvorganges zwei wesentliche Probleme auftreten, nämlich dass eine große Abhängigkeit von spezifischen Charakteristika und Parametern des Abscheidesystems gegeben ist und dass nur schwer eine hinreichende Homogenität der Anisotropie über die Schichtenfläche wegen Ungleichmäßigkeiten des magnetischen Feldes während der Abscheidungsvorgänge zu erreichen ist .
Aus der eingangs genannten US 6,153,320 A ist ein magnetore- sistives Mehrschichtensystem vom Spin Valve-Typ zu entnehmen, dass alle eingangs genannten Merkmale aufweist. Dabei ist dessen Messelektrode als magnetisch weicheres Schichtenteil¬ system lamelliert ausgebildet, indem es zwei antiparallel über eine nicht-magnetische Koppelschicht gekoppelte ferro- magnetische Schichten umfasst. Jede dieser ferromagnetischen Schichten besitzt dabei ein magnetisches Moment. Um eine drehbare Ausrichtung der magnetischen Momente in einem äußeren Magnetfeld zu gewährleisten, wird es für erforderlich an- gesehen, dass das aus den beiden Momenten der ferromagnetischen Schichten gebildete gesamte Nettomoment einen vorbe¬ stimmten Wert hat, um so parallel oder antiparallel zu dem Nettomoment eines magnetisch härteren Teilschichtensystems ausrichtbar zu sein. Es zeigt sich jedoch, dass die Lineari- tat der Arbeitskurve eines solchen Mehrschichtensystems für viele Anwendungsfälle noch nicht ausreicht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Mehrschichtensystem mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, dass bei ihm eine demgegenüber verbesserte lineare Charakteristik zu erreichen ist, ohne dass die vorer- wähnten Probleme von wesentlicher Bedeutung sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an¬ gegebenen Merkmalen gelöst. Demgemäß sollen die Magnetisie¬ rungen in den beiden ferromagnetischen Schichten der Mess- elektrode unter Berücksichtigung der Materialwahl und der
Wahl der einzelnen Schichtdicken bei fehlendem äußeren Magnetfeld zueinander zumindest so annähernd antiparallel, in der jeweiligen Schichtebene liegend ausgerichtet sein, dass sich ein Nettomoment der Magnetisierung der Messelektrode von zumindest annähernd Null ergibt. Ein Wert von exakt Null des Nettomomentes wird zwar angestrebt, ist jedoch aus experimen¬ tellen Gründen kaum erreichbar, so dass auch Abweichungen von wenigen Prozent des Wertes des Momentes einer der beiden fer- romagnetischen Schichten von dem Nullwert mit eingeschlossen sein sollen.
Dabei sei hier entweder die Magnetisierung jeweils der gesamten ferromagnetischen Schicht oder gegebenenfalls auch die zugrunde gelegt, die von zueinander korrespondierenden Domä- nenbereichen aus den beiden Schichten erzeugt wird. D.h., ein Nettomoment von zumindest annähernd Null wird auch dadurch erhalten, dass jeweils korrespondierende Domänenbereiche in den beiden parallel liegenden ferromagnetischen Schichten jeweils paarweise betrachtet ein Nettomoment Null ergeben und so alle Domänenbereiche zu einem Gesamtnettomoment von Null der Messelektrode führen.
Dabei ist es im Hinblick auf das angestrebte Nettomoment von zumindest annähernd Null besonders günstig, dass bei Sätti- gung in dem externen Magnetfeld zumindest annähernd die Be¬ ziehungen gelten: Hs = -4Jaf/ (Msl-ti + Ms2-t2) und Msl-ti ≡ Ms2-t2, wobei Hs die Sättigungsfeldstärke, Jaf die antiferromagnetische Kopplungsstärke,
Msi, Ms2 die Sättigungsmagnetisierungen der jeweiligen ferro- magnetischen Schicht der Messelektrode sowie ti, t2 die jeweilige Dicke dieser Schichten sind.
Die mit einer solchen Ausbildung der Messschichtelektrode verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen: (a) Die Empfindlichkeit des Mehrschichtensystems bezogen auf die Sättigungsmagnetisierung kann in weitem Umfang eingestellt werden, indem man einzelne Parameter des Schichtenteilsystems der Messelektrode wie die antiferromagne¬ tische Kopplung Jaf, die Dicke der einzelnen ferromagne- tischen Schichten und der nicht-magnetischen Kopplungsschicht, sowie die Sättigungsmagnetisierung des ferromag- netischen Materials geeignet wählt.
(b) Polykristalline und/oder amorphe Materialien können für die einzelnen ferromagnetischen Schichten gewählt werden, ohne dass eine intrinsische magnetische Anisotropie oder Formanisotropie erforderlich wäre mit einheitlicher Aus¬ richtung der Magnetisierungsrichtungen in den einzelnen Körnern des Materials. Insbesondere bedarf es keiner Mag¬ netfeldbehandlung zur Einprägung irgendwelcher Anisotro- pien.
(c) Es ist eine nur geringe magnetostatische Wechselwirkung der magnetisch weicheren Messelektrode mit der magnetisch härteren Referenzelektrode des Schichtensystems gegeben, da sich der magnetische Fluss innerhalb des Schichten- teilsystems der Messelektrode zumindest weitgehend schließt. Auf diese Weise können magnetostatische Kopp¬ lungseffekte in weitem Umfang reduziert werden, im Gegensatz zu dem Fall, wo nur eine einzige ferromagnetische Schicht als magnetisch weichere Messelektrode verwendet wird.
(d) Außerdem bestehen keine Abhängigkeiten von speziellen Charakteristika eines Abscheidesystems für die einzelnen Schichten. Vielmehr ist das lineare Verhalten der Magnetisierung des Schichtenteilsystems als Funktion des ange¬ legten Feldes eine intrinsische Eigenschaft des Teilsys¬ tems . (e) Außerdem kann auf eine beim Stand der Technik häufig erforderliche zusätzliche Kühlbehandlung unter einem magne¬ tischen Feld zur Einstellung der Richtung der leichten Achse der Messelektrode in senkrechter Richtung verzichtet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform des Mehrschichtensystems nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Insbesondere kann das Mehrschichtensystem nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen bzw. folgendermaßen ausgestaltet sein : - So werden bevorzugt die Sättigungsmagnetisierungen Msi, Ms2 und die Dicken ti, t2 der ferromagnetischen Schichten der Messelektrode so gewählt sind, dass folgende Bezie¬ hung gilt : (Msl-ti - Ms2-t2) /(Msl-ti + Ms2-t2) <0,05 . Mit dem höchstens 5% betragenden Unterschied ist auf alle Fälle zu gewährleisten, dass das Nettomoment, um die ge¬ forderte Linearität zu erreichen, hinreichend klein ist.
- Außerdem können die Magnetisierungen der ferromagneti- sehen Schichten der Messelektrode bei Sättigung in einem externen Magnetfeld zumindest annähernd (unter Einschluss von Abweichungen um maximal ± 10 Winkelgrad, vorzugsweise von unter ± 5 Winkelgrad) in dieselbe Richtung weisen.
Alternativ dazu ist selbstverständlich auch eine an sich bekannte antiferromagnetische Kopplung über Streufelder einplanbar . - Bevorzugt wird die Referenzelektrode als eine Schichten¬ folge eines künstlichen Antiferromagneten ausgebildet. Damit ist eine geringe Wechselwirkung bzw. gute Entkopp- lung gegenüber der Messelektrode zu gewährleisten.
- Stattdessen kann die Referenzelektrode selbstverständlich auch von einer ferromagnetischen Einzelschicht gebildet sein .
- Dabei ist es im Hinblick auf eine gute Entkopplung gegenüber der Messelektrode vorteilhaft, wenn die Referenz¬ elektrode eine antiferromagnetische Zusatzschicht als ei¬ nen natürlichen Antiferromagneten aufweist. Auch die mag- netische Härte der Referenzelektrode lässt sich so beein¬ flussen .
- Insbesondere im Hinblick auf empfindliche Sensoranwendun¬ gen sollte das magnetische Sättigungsfeld der Messelekt- rode höchstens 100 kA/m, vorzugsweise höchstens 20 kA/m betragen. Bei solchen Anwendungen sind nämlich häufig nur verhältnismäßig geringe Feldstärken zu erreichen.
- Für die ferromagnetischen Schichten der Messelektrode kommt als Material insbesondere eine Co-Fe-Legierung, be¬ vorzugt eine mindestens 3-komponentige Co-Fe-X-Legierung (mit X mindestens einem der Elemente Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo) in Frage. Entsprechende Legierungen können, gege¬ benenfalls nach eventueller Zulegierung weiterer Legie- rungspartner, polykristallin oder insbesondere im Fall von B-Zulegierungspartnern auch amorph sein. Gerade amorphe Materialien zeichnen sich durch eine geringe intrinsische Anisotropie aus.
- Bevorzugt sollte deshalb bei dem Mehrschichtensystem die Anisotropie der ferromagnetischen Schichten seiner Mess- elektrode auf höchstens 0,8 kA/m, vorzugsweise auf höchs¬ tens 0,5 kA/m, eingestellt sein.
- Das erfindungsgemäße Mehrschichtensystem lässt sich be- vorzugt als Teil eines magnetoresistiven Sensorelementes einer Datenspeichereinrichtung wie z.B. eines Lesekopfes oder eines Positionssensors einer Kurbel- oder Nockenwel¬ le eines Motors der Automobiltechnik, eines magnetore¬ sistiven Logikelementes oder eines magnetoresistiven Kopplerelementes verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems veranschaulicht ist. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form deren Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Mehrschichtensystems nach der Erfindung als Schnittansicht, deren Figur 2 in einem Diagramm die Magnetisierungsverhält¬ nisse dieses Mehrschichtensystems in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld, deren Figur 3 in einem Diagramm eine konkrete Magnetisierungskurve eines solchen Mehrschichtensystems sowie deren Figur 4 in Teilfiguren (a) bis (d) verschiedene schema- tische Magnetisierungskurven bzw. eine Widerstandskurve eines erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems bzw. von Teilen desselben .
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Figur 1 angedeuteten Aufbau eines magnetoresisti¬ ven Mehrschichtensystems nach der Erfindung wird von an sich bekannten Ausführungsformen solcher Systeme mit XMR-Effekt vom sogenannten „Spin Valve"-Typ ausgegangen (vgl. z.B. die genannte DE 102 38 826 Al) . Das allgemein mit 2 bezeichnete Mehrschichtensystem weist eine magnetisch härtere Referenz- elektrode 3 sowie eine demgegenüber vergleichsweise magne¬ tisch weichere Messelektrode 4 auf, die über eine dünne Ent¬ kopplungsschicht 5 magnetisch zumindest weitgehend entkoppelt sind. Je nach Typ des Mehrschichtensystems besteht dabei die Entkopplungsschicht 5 aus einem nicht-magnetischen Metall wie z.B. für ein GMR-Element aus Ru oder aus einem isolierenden Material wie z.B. Al2O3 für ein TMR-Element . Die magnetisch härtere Referenzelektrode 3 ist dabei in bekannter Weise aus einem als AAF ausgebildeten Schichtenteilsystem aufgebaut, das zwei ferromagnetische Schichten 3a und 3b aufweist, die über eine Kopplungsschicht 3c antiferromagnetisch gekoppelt sind. Auf der der Entkopplungsschicht 5 abgewandten Seite der Referenzelektrode 3 weist diese außerdem eine antiferromagne¬ tische Zusatzschicht bzw. natürlichen Antiferromagneten 3d z.B. aus PtMn auf. Weitere Schichten wie z.B. zur Abdeckung oder Kontaktierung sowie eine das Mehrschichtensystem 2 tragende Substratschicht bzw. ein Substrat sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Solche Teile sind allgemein bekannt .
Die magnetisch weichere Messelektrode 4, die auch als Detek- tionselektrode oder Informationselektrode je nach Anwendungs¬ fall des Schichtensystems zu bezeichnen ist, soll erfindungs¬ gemäß aus einem Schichtenteilsystem bestehen, das ebenfalls zwei ferromagnetische Schichten 4a und 4b mit dazwischen lie¬ gender Kopplungsschicht 4c aufweist. Dieses Schichtenteilsys¬ tem kann auch als ein „ausbalancierter künstlicher Antiferro- magnet" bzw. „ausbalancierter AAF" bezeichnet werden.
Selbstverständlich kann hier jede der ferromagnetischen
Schichte 4a und 4b auch aus mehreren Einzelschichten zusammengesetzt werden, die dann im Allgemeinen aus verschiedenen Materialien bestehen.
Zur Betrachtung des linearen R (H) -Verhaltens eines solchen ausbalancierten AAF als weichmagnetische Messelektrode 4 sei nachfolgend auch auf das Diagramm der Figur 2 Bezug genommen. Das Diagramm zeigt schematisiert die Kurve der Magnetisierung M (in willkürlichen Einheiten) in Abhängigkeit von der Feldstärke H (in willkürlichen Einheiten) eines angelegten äuße- ren Magnetfeldes. Mit Ml und M2 sind allgemein die magneti¬ schen Momente bzw. die Magnetisierungen der Schichte 4a bzw. 4b bezeichnet, wobei die jeweilige Ausrichtung der Momente für verschiedene Feldstärken durch gerichtete Pfeile an mar¬ kanten Punkten A bis E veranschaulicht ist. Die gestrichelt eingezeichneten Pfeile betreffen dabei die Magnetisierungs¬ richtungen in der Schicht 4a, die bei der gewählten Aufsicht jeweils durch die Schicht 4b verdeckt ist. Dabei ist auch der für die Darstellung der Figur 1 angenommene Fall ersichtlich (Punkt C) , dass die Magnetisierungen Ml und M2 der zwei fer- romagnetischen Schichten 4a und 4b der Messelektrode 4 bei fehlendem äußeren Magnetfeld H zumindest annähernd antiparal¬ lel zueinander ausgerichtet sind. Dabei liegen die Magneti¬ sierungsrichtungen jeweils in der Ebene der jeweiligen Schicht. In der Figur 1 sind für den gezeigten Querschnitt diese Richtungen senkrecht aus der bzw. in die Zeichnungsebe¬ ne durch die hierfür üblichen Zeichen <8> und Θ veranschaulicht . Dieser Zustand stellt sich remanent nach einer magne¬ tischen Sättigung des Schichtenteilsystems 4 in einem externen Magnetfeld und anschließender Magnetfeldreduktion auf Null ein.
Außerdem sind in dem Diagramm der Figur 2 die Sättigungsmagnetisierungen dieser Schichten 4a und 4b oberhalb einer zu ihrer Sättigung ausreichend starken Magnetfeldstärke Hs mit Msi bzw. Ms2 bezeichnet (Punkt A) . Allgemein sei der Sätti¬ gungsmagnetisierung die Größe Ms zugeordnet mit Ms = Ml + M2.
Wie erwähnt, soll sich erfindungsgemäß ein Nettomoment der Magnetisierung der mit dem weichmagnetischen Schichtenteil- System gebildeten Messelektrode 4 von zumindest annähernd
Null ergeben Ein angestrebter Wert von exakt Null des Netto¬ moments bei fehlendem äußeren Magnetfeld lässt sich kaum konkret einstellen, so dass erfindungsgemäß auch geringfügige Abweichungen der Magnetisierungen in den Begriff „zumindest annähernd Null" mit einbegriffen sein sollen und in der Praxis auch ausreichen, um zu einem annähernd linearen Verlauf der Magnetisierungskurve zu gelangen. Hierfür ist ausrei- chend, wenn die folgende Beziehung eingehalten ist: (Msl-ti - Ms2-t2) /(Msl-ti + Ms2-t2) <0,05 .
Betrachtet werden die ferromagnetischen Schichten 4a und 4b, die eine Dicke ist ti bzw. t2 besitzen. Die beiden Schichten sind antiferromagnetisch über die Zwischenschicht 4c z.B. mit der Dicke t3 gekoppelt, wobei die Kopplungsstärke mit Jaf be¬ zeichnet ist. Im Falle eines ausbalancierten AAF gilt dann:
Msl-ti ≡ Ms2-t2 (Gl. 1)
Wie dem Kurvenverlauf des Diagramms zu entnehmen ist, hat ei- ne Reduktion des Feldes H vom Bereich/Wert der positiven Sät¬ tigungsfeldstärke Hs zur Folge, dass die magnetischen Momente der ferromagnetischen Schichten 4a und 4b sich kontinuierlich drehen, wodurch eine lineare Abhängigkeit der Magnetisierung Mx des gesamten AAF als eine Funktion des magnetischen Feldes zu beobachten ist. Dabei ist zu betonen, dass dieses Mx(H)- Verhalten praktisch isotropisch ist; d.h., es besteht praktisch keine Abhängigkeit von der Richtung des angelegten magnetischen Feldes noch bedarf es irgendeiner Anisotropie in den magnetischen Lagen bzw. Schichten, die den ausbalancier- ten AAF bilden. Generell sollte die Anisotropie der ferromag¬ netischen Schichten 4a, 4b der Messelektrode 4 höchstens
0,8 kA/m, vorzugsweise auf höchstens 0,5 kA/m, betragen. Mit einem solchen geringen Wert ist auf alle Fälle das geforderte praktisch isotrope Verhalten zu gewährleisten. Für das Sätti- gungsfeld eines solchen AAF ergibt sich die folgende Bezie¬ hung:
Hs ≡ -4Jaf/ (Msl-ti + Ms2-t2) (Gl. 2)
Im Fall, dass Msi = Ms2 = Ms und ti = t2 = t gewählt werden, lässt sich Gl. 2 folgendermaßen schreiben: Hs = -2Jaf/Ms-t (Gl. 3) Es ergibt sich dann der in Figur 2 gezeigte Kurvenverlauf, aus dem ersichtlich ist, dass die Komponente der Magnetisie¬ rung längs des angelegten Feldes praktisch linear mit dem Feld zwischen den Sättigungsfeldstärkewerten Hs und -Hs für jede der ferromagnetischen Schichten 4a bzw. 4b des ausbalancierten AAF variiert .
Damit ein derartiger ausbalancierter AAF als weichmagnetische Elektrode in einem XMR-Mehrschichtensystem verwendet werden kann, sollte das Sättigungsmagnetfeld Hs verhältnismäßig klein sein und vorzugsweise in der Größenordnung von höchstens 100 kA/m, vorzugsweise von höchstens 20 kA/m liegen. Um einer entsprechenden Forderung zu genügen, sollte die anti- ferromagnetische Kopplungsstärke Jaf und/oder die Dicke ti bzw. t2 der ferromagnetischen Elektrodenschichten 4a und 4b verhältnismäßig klein gehalten werden, wie aus Gl. 3 abzulei¬ ten ist. Als Maßnahmen, eine kleine antiferromagnetische Kopplungsstärke Jaf zu erreichen, können vorgesehen werden:
(a) Geeignete Wahl der Materialien für die ferromagnetischen Elektrodenschichten 4a und 4b und/oder die nichtmagnetische Kopplungsschicht 4c der weichmagnetischen E- lektrode 4.
(b) Geeignete Wahl der Dicke t3 der nicht-magnetischen Zwischenschicht 4c. (c) Ausbildung von Defekten in der nicht-magnetischen Zwischenschicht 4c nach an sich bekannten Verfahren. Die vorstehenden Maßnahmen (a) bis (c) können dabei einzeln oder in Kombination ausgeführt werden. Bei der insbesondere von der Dicke der Kopplungsschicht 4c und dem für sie gewähl- ten Material abhängigen Kopplung zwischen den beiden ferro- magnetischen Schichten 4a und 4b kann es sich auch um eine bekannte Streufeldkopplung handeln.
Für die ferromagnetischen Schichten 4a und 4b der Messelekt- rode 4 kommen vorteilhaft 2- oder höherkomponentige Co-Fe- Legierungen in Frage. So kann bevorzugt eine Co-Fe-X- Legierung vorgesehen werden, wobei für die X-Komponente mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo gewählt wird. Insbesondere können als weitere Kompo¬ nente X sogenannte Glasbildner (Si, B) zulegiert sein. In Anlehnung an ein bekanntes Mehrschichtenteilsystem (vgl. „Appl. Phys. Lett.", Vol.85, No..11, Sept. 2004, Seiten 2020 bis 2022) wurde als ein konkretes Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 für ein ausbalanciertes AAF- Schichtenteilsystem 4 als weichmagnetischer Elektrode mit geringer antiferromagnetischer Kopplung der folgende Aufbau gewählt : Co60Fe20B20/Ru (IIA) /Co60Fe20B2O •
Für eine Dicke ti = t2 von 60 A der ferromagnetischen Schichten 4a und 4b aus der amorphen Co60Fe20B20-Legierung wird ein Sättigungsmagnetfeld Hs erhalten, das ungefähr bei 10 kA/m liegt. Dies ist aus der zugehörigen Magnetisierungskurve des Diagramms der Figur 3 ersichtlich. In dem Diagramm der Figur 3 ist die in Ordinatenrichtung aufgetragene Magnetisierung M in willkürlichen Einheiten angegeben, während die Stärke eines angelegten äußeren Magnetfeldes in Abszissenrichtung in kA/m gemessen ist. Die konkrete Struktur des hier zugrunde gelegten Schichtenteilsystems war dabei mit den in den Klam¬ mern angegebenen Dicken:
SiO2/Ta (50Ä) /Al2O3 (2Ä) / Co60Fe20B20 (60Ä) /Ru (IIA) /Co60Fe20B20 (60Ä) /Ta (100Ä) .
Weitere Beispiele eines konkreten Schichtenteilsystems für eine weichmagnetische Messelektrode 4 sind: CoFe (30Ä) /CoFeB (10Ä) /Ru (IIA) /CoFeB (10Ä) /CoFe (30Ä) , CoFe (30Ä) /Ru (IIA) /CoFeB (40Ä) , CoFeB (40Ä) /Ru (IIA) /CoFe (30Ä) oder CoFe (40Ä) /Ru (IIA) /CoFe (40Ä) .
Dabei dient eine zur Ru-Zwischenschicht 4c benachbarte dünne CoFeB-Schicht insbesondere zu einer Reduktion der Kopplungs¬ stärke Jaf . Die CoFe-Schichten sind polykristallin, während die CoFeB-Schichten in Abhängigkeit von dem B-Anteil in der Legierung amorph oder polykristallin sind.
Ein Beispiel für eine antiferromagnetische Kopplung über Streufluss ist bei dem Schichtenteilsystem CoFe (30Ä) /Ta (20Ä) /CoFe (30Ä) gegeben .
Generell ist bei den erfindungsgemäßen Schichtenteilsystemen zu berücksichtigen, dass der Wert von Hs die Empfindlichkeit des Systems bestimmt, welche dem Gradienten der R (H) -Kurve entspricht. D.h., kleinere Hs-Werte führen zu größerer Emp¬ findlichkeit, was gleichbedeutend mit einer größeren Änderung des Widerstandes pro Einheit (A/m) des angelegten äußeren Mag¬ netfeldes H ist.
Der ausbalancierte AAF der weichmagnetischen Messelektrode 4 kann kombiniert werden mit einem AAF mit Austauschvormagneti¬ sierung als Referenzelektrode 3, wie in Figur 1 angedeutet ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, für die Re- ferenzelektrode eine einzelne Schicht aus ferromagnetischem
Material hinreichender magnetischer Härte vorzusehen, die bevorzugt mit einer antiferromagnetischen Zusatzschicht 3d versehen ist.
Entsprechende Verhältnisse sind an Hand der einzelnen Kurven der schematischen Figur 4 ersichtlich. Dabei zeigt Figur 4a die bereits zu Figur 2 erläuterte Magnetisierungskurve eines ausbalancierten AAF als weichmagnetischer Messelektrode. Wird stattdessen eine austauschvormagnetisierte ferromagnetische Einzelschicht vorgesehen, so ergibt sich der in Figur 4b angedeutete Kurvenverlauf. HEX ist dabei das Austauschfeld. Kombiniert man diese austauschvormagnetisierte Einzelschicht als hartmagnetische Referenzelektrode mit einem erfindungsge¬ mäß ausgeführten ausbalancierten AAF als weichmagnetischer Messelektrode, so wird für ein solches XMR-Mehrschichten- system, beispielsweise ein GMR- oder TMR-Mehrschichtensystem, die aus Figur 4c entnehmbare Magnetisierungsschleife erhal¬ ten. Die dazugehörige Magnetowiderstandskurve ist in Figur 4d wiedergegeben. Aus dieser Kurve ist der lineare Verlauf der R (H) -Kurve zwischen den Sättigungsfeldstärken Hs und -Hs ersichtlich . Bei den vorstehen angesprochenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass das erfindungsgemäße Mehrschichtensystem bei Einrichtungen zum Einsatz kommt, die ein externes Magnetfeld mit beliebig vorgebbarer Richtung in Bezug auf die Referenzelektrode voraussetzen. Das Mehrschichtensystem nach der Erfindung ist zwar besonders für derartige Einrichtungen geeignet, jedoch nicht auf einen entsprechenden Einsatz beschränkt. Selbstverständlich ist es auch für Anwendungen mit vorgegebener, insbesondere senkrechter Richtung eines exter- nen Magnetfeldes bezüglich der Referenzelektrode einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetoresistives Mehrschichtensystem (2) vom Spin Valve- Typ mit XMR-Effekt, umfassend - ein erstes Schichtenteilsystem als magnetisch weichere Messelektrode (4), ein zweites Schichtenteilsystem als magnetisch vergleichsweise härtere Referenzelektrode (3), mindestens eine die Messelektrode (4) von der Referenz- elektrode (3) zumindest weitgehend entkoppelnde Entkopp¬ lungsschicht (5) aus nicht-magnetischem Material, wobei die Messelektrode (4) wenigstens zwei Schichten (4a, 4b) aus ferromagnetischem Material aufweist, die über mindes¬ tens eine dazwischen befindliche Kopplungsschicht (4c) aus nicht-magnetischem Material antiferromagnetisch gekoppelt sind und deren Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) in einem äußeren Magnetfeld (H) im Gegensatz zu der Referenzelektrode veränderbar sind, und wobei die Magnetisierungen (Ml, M2) in den zwei ferromagnetischen Schichten (4a, 4b) der Messelekt- rode (4) bei fehlendem äußeren Magnetfeld (H) zueinander zumindest annähernd antiparallel, in der jeweiligen Schichtebe¬ ne liegend ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Materialwahl und der Wahl der Dicken ti und t2 für die ferromag- netischen Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) ein Netto¬ moment der Magnetisierung des Messelektrode (4) von zumindest annähernd Null eingestellt ist, so dass bei Sättigung in einem externen Magnetfeld (Hs) zumindest annähernd die Beziehungen gelten: Hs = -4Jaf/(Msl-ti + Ms2-t2), Msl-ti = Ms2-t2 , mit
Jaf als der antiferromagnetischen Kopplungsstärke, Msi' und Ms2 als den Sättigungsmagnetisierungen der jeweili- gen ferromagnetischen Schicht (4a bzw. 4b) der Messelektrode (4) .
2. Mehrschichtensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungsmagnetisierungen Msi, Ms2 und die Dicken ti, t2 der ferromagnetischen Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) so gewählt sind, dass folgende Beziehung gilt : (Msrti - Ms2-t2) /(Msrti + Ms2-t2) <0,05 .
3. Mehrschichtensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungen (Ml, M2) der ferro- magnetischen Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) bei Sättigung in einem externen Magnetfeld (Hs) zumindest annähernd in dieselbe Richtung weisen.
4. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sättigungs- feld (Hs) der Messelektrode (4) höchstens 100 kA/m, vorzugs¬ weise höchstens 20 kA/m beträgt.
5. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie der ferro- magnetischen Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) auf höchstens 0,8 kA/m, vorzugsweise auf höchstens 0,5 kA/m ein¬ gestellt ist.
6. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass für die ferromagnetischen
Schichten (4a, 4b) der Messelektrode (4) eine Co-Fe-Legierung vorgesehen ist.
7. Mehrschichtensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass für die ferromagnetischen Schichten (4a, 4b) der
Messelektrode (4) eine Co-Fe-X-Legierung vorgesehen ist, wobei für die X-Komponente mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Ni, B, Si, Mn, Nb, Zr, Mo gewählt ist.
8. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (4) durch mehrere aneinander liegende Einzelschichten, insbesondere aus verschiedenem Material gebildet ist.
9. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (3) als eine Schichtenfolge eines künstlichen Antiferromagneten ausgebildet ist.
10. Mehrschichtensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine die Referenzelektrode (3) bildende ferromagnetische Einzelschicht.
11. Mehrschichtensystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (3) eine antiferro- magnetische Zusatzschicht (3d) aufweist.
12. Mehrschichtensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet als Teil eines magnetoresistiven Sensor¬ elementes, insbesondere der Datenspeicher- oder Automobil¬ technik, oder eines magnetoresistiven Logikelementes oder eines magnetoresistiven Kopplerelementes.
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