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Dokumentenidentifikation DE69518146T2 22.03.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0744076
Titel MAGNETORESISTIVE STRUKTUR MIT EINER LEGIERUNGSSCHICHT
Anmelder Nonvolatile Electronics, Inc., Eden Prairie, Minn., US
Erfinder DAUGHTON, M., James, Edina, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69518146
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.01.1995
EP-Aktenzeichen 959115650
WO-Anmeldetag 18.01.1995
PCT-Aktenzeichen US9500718
WO-Veröffentlichungsnummer 9519627
WO-Veröffentlichungsdatum 20.07.1995
EP-Offenlegungsdatum 27.11.1996
EP date of grant 26.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2001
IPC-Hauptklasse H01F 1/00
IPC-Nebenklasse B32B 15/20   B32B 15/18   B32B 9/00   G11B 5/127   G11B 5/33   G01R 33/02   H01F 10/08   G01R 33/09   H01L 43/10   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ferromagnetische Dünnschichtstrukturen, insbesondere ferromagnetische Dünnschichtstrukturen, die relativ starke magneto- resistive Eigenschaften zeigen.

Die US 5 206 590 und die US 5 243 316 zeigen magnetoresistive Strukturen.

Zahlreiche Arten elektronischer Systeme machen von magnetischen Bauelementen Gebrauch. Digitale Speicher werden in großem Umfang in digitalen Systemen zahlreicher Arten eingesetzt, darunter Rechner und Rechnersystem-Komponenten sowie digitale Signalverarbeitungssysteme. Solche Speicher können in vorteilhafter Weise auf der Speicherung digitaler Bits als alternative Zustände der Magnetisierung in magnetischen Werkstoffen innerhalb jeder Speicherzelle basieren, insbesondere in Zellen unter Verwendung von magnetischen Dünnschichtmaterialien, die Speicher ergeben, welche weniger elektrische Leistung verbrauchen und ihre Information auch bei Wegfall solcher elektrischer Leistung nicht verlieren.

Magnetometer und andere magnetische Fühlerbauelemente werden ebenfalls in großem Umfang in zahlreichen Arten von Systemen eingesetzt, darunter Magnetplattenspeicher und Magnetband-Speichersysteme unterschiedlicher Bauart. Solche Geräte liefern Ausgangssignale, die die von ihnen in einer Vielfalt von Situationen abgefühlten Magnetfelder repräsentieren.

Derartige Speicherzellen und Sensoren lassen sich häufig in vorteilhafter Weise unter Einsatz von ferromagnetischen Dünnschichtstoffen herstellen und basieren häufig auf dem magnetoresistiven Abfühlen magnetischer Zustände oder magnetischer Bedingungen in dem Material. Derartige Bauelemente können auf einer Oberfläche einer monolithisch integrierten Schaltung vorgesehen sein, um geeignete elektrische Zwischenverbindungen zwischen dem Bauelement und der dazugehörigen Betriebsschaltung zu schaffen.

Ferromagnetische Dünnschicht-Speicherzellen können beispielsweise sehr klein und sehr dicht gepackt ausgebildet werden, um eine signifikante Informationsspeicherdichte zu erzielen, insbesondere dann, wenn sie auf der Oberfläche einer monolithisch integrierten Schaltung vorgesehen werden. In einer solchen Situation kann die magnetische Umgebung äußerst komplex werden, indem Felder in irgendeiner Speicherzelle die Schichtbereiche in benachbarten Speicherzellen abträglich beeinflussen. Außerdem können kleine ferromagnetische Filmbereiche in einer Speicherzelle zu beträchtlichen Entmagnetisierungsfeldern führen, die möglicherweise zu Instabilitäten des in einer solchen Zelle erwünschten Magnetisierungszustands führen.

Diese magnetischen Effekte zwischen Nachbarn in einem Array dicht gepackter ferromagnetischer Dünnschicht-Speicherzellen lassen sich in beträchtlichem Ausmaß dadurch verbessern, daß man eine Speicherzelle schafft, die auf einem Zwischen-Trennmaterial basiert, welches zwei Hauptflächen besitzt, auf denen jeweils eine anisotrope, ferromagnetische Speicherdünnschicht vorgesehen ist. Eine solche Anordnung sorgt für einen signifikanten "Flußeinschluß", d. i. ein enger umschlossener Induktionsfluß-Weg, um dadurch das in der Zelle entstehende Magnetfeld so einzugrenzen, daß es primär genau diese Zelle beeinflußt. Gesteigert wird dies in beträchtlichem Maß dadurch, daß man das Trennmaterial in den ferromagnetischen Dünnschicht-Speicherzellen jeweils ausreichend dünn macht. Ähnliche "Sandwich"-Strukturen werden auch in magnetischen Sensorstrukturen eingesetzt.

In der jüngeren Vergangenheit hat die Reduzierung der Dicke von ferromagnetischen Dünnschichten und den Zwischenschichten in erweiterten "Sandwich"-Strukturen mit zusätzlichen abwechselnden solchen Dünnschichten und Schichten, das heißt bei sogenannten Supergittern, zur Existenz eines sogenannten "magnetoresistiven Rieseneffekts" (giant magnetoresistive effect) geführt. Dieser Effekt liefert ein magnetoresistives Ansprechverhalten, welches bis zu einer Größenordnung stärker sein kann als das bekannte anisotrope magnetoresistive Ansprechverhalten.

Bei dem gewöhnlichen anisotropen magnetoresistiven Ansprechverhalten führen variierende Differenzen zwischen der Richtung des Magnetisierungsvektors in dem ferromagnetischen Film und der Richtung des durch den Film strömenden Lesestroms zu variierenden Differenzen des effektiven elektrischen Widerstands in Richtung des Stromflusses. Der maximale elektrische Widerstand tritt dann auf, wenn der Magnetisierungsvektor in dem Film und die Stromrichtung parallel zueinander verlaufen, wohingegen der kleinste Widerstand dann auftritt, wenn die beiden Größen senkrecht zueinander stehen. Der elektrische Gesamtwiderstand in einem derartigen magnetoresistiven ferromagnetischen Film läßt sich als konstanter Wert nachweisen, welcher den Minimum-Widerstand zuzüglich eines Zuschlagwerts repräsentiert, welcher von dem Winkel zwischen der Stromrichtung in dem Film und dem dortigen Magnetisierungsvektor abhängt. Dieser zusätzliche Widerstand entspricht dem Quadrat des Kosinus dieses Winkels.

Als Ergebnis lassen sich externe Betriebs-Magnetfelder dazu einsetzen, den Winkel des Magnetisierungsvektors in einem solchen Filmbereich bezüglich der leichten Achse dieses Filmbereichs zu variieren, welche aufgrund einer dort herrschenden Antisotropie zustande kommt, typischerweise resultierend aus dem Niederschlagen des Films in Beisein eines externen Herstellungs-Magnetfeldes, welches in der Ebene des Films entlang der für die einfache Achse des fertigen Films gewünschten Richtung orientiert ist. Während des späteren Betriebs des Bauelements mit dem fertigen Film können solche äußeren Betriebs-Magnetfelder den Winkel in einem solchen Ausmaß verändern, daß ein Umschalten des Film- Magnetisierungsvektors zwischen zwei stabilen Zuständen verursacht wird, welche als Magnetisierungen in Erscheinung treten, die in entgegengesetzte Richtungen entlang jener einfachen Achse orientiert sind. Der Zustand des Magnetisierungsvektors in einem solchen Filmbereich läßt sich messen oder fühlen anhand der Änderung des Widerstands, den der durch diesen Filmbereich geleitete Strom antrifft. Diese Anordnung wurde Grundlage dafür, daß eine ferromagnetische, magnetoresistive anisotrope Dünnschicht als Teil einer Speicherzelle diente.

Im Gegensatz zu dieser Anordnung ist der Widerstand in der Ebene eines ferromagnetischen Dünnfilms oder einer ferromagnetischen Dünnschicht isotop in Bezug auf den magnetoresistiven Rieseneffekt, anstatt von der Richtung eines durch die Schicht fließenden Lesestroms abzuhängen, wie dies bei dem anisotropen magnetoresistiven Effekt der Fall ist. Der magnetoresistive Rieseneffekt (im folgenden entsprechend der englischsprachigen Bezeichnung "giant magnetoresistive effect" (mit GMR-Effekt abgekürzt)) eine von der Magnetisierung abhängige Komponente des Widerstands, welche sich mit dem Kosinus des Winkels zwischen Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen Dünnschichten auf jeder Seite einer Zwischenschicht ändert. Bei dem GMR-Effekt ist der elektrische Widerstand durch das "Sandwich" oder das Supergitter dann, wenn die Magnetisierungen in den zwei getrennten ferromagnetischen Dünnschichten parallel sind, niedriger als dann, wenn die Magnetisierungen antiparallel sind, das heißt in entgegengesetzte Richtungen weisen. Darüber hinaus wird der anisotrope magnetoresistive Effekt in sehr dünnen Filmen oder Schichten beträchtlich gegenüber den entsprechenden Hauptwerten bei dickeren Filmen reduziert, was durch Oberflächenstreuung bewirkt wird, wohingegen sehr dünne Filme ein grundlegendes Erfordernis sind, um einen signifikanten GMR-Effekt zu erzielen. Darüber hinaus läßt sich der GMR-Effekt dadurch steigern, daß man weitere abwechselnde Zwischen- und ferromagnetische Dünnfilmschichten hinzufügt, um eine "Sandwich"- oder Supergitter-Struktur zu erweitern. Der GMR-Effekt wird manchmal auch "Drehventileffekt" im Hinblick auf die Erklärung bezeichnet, daß einem größeren Anteil von Leitungselektronen erlaubt wird, sich freier von einer ferromagnetischen Dünnfilmschicht zur anderen zu bewegen, wenn die Magnetisierungen in diesen Schichten parallel und nicht antiparallel sind, mit dem Ergebnis, daß die Magnetisierungszustände der Schichten als eine Art Ventil fungieren.

Diese Ergebnisse kommen zustande aufgrund der magnetischen Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Dünnschichten, die durch die Zwischenschichten voneinander getrennt sind, wobei diese Zwischenschichten typischerweise aus einem nicht-ferromagnetischen Übergangsmetall gebildet sind. Der Effekt der Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Dünnfilmschichten bestimmt sich in einem beträchtlichen Ausmaß durch die Dicke einer dazwischen liegenden Zwischenschicht. Der Effekt der Kopplung zwischen den voneinander getrennten ferromagnetischen Dünnfilmschichten erwies sich als oszillierend in Abhängigkeit dieser Trennungsdicke zwischen den Schichten bei der ferromagnetischen Kopplung (gemäß der die Magnetisierungen der getrennten Schichten parallel zueinander verlaufen) und der antiferromagnetischen Kopplung (gemäß der die Magnetisierungen der voneinander getrennten Schichten einander entgegengesetzt oder antiparallel sind). Dementsprechend hat bei einer gewissen Trennungsdicke die Schichtkopplung einen Wert von Null zwischen den Extremwerten derartiger Oszillationen.

Die Erzielung des GMR-Effekts in einer Supergitterstruktur oder in einer verkürzten, durch eine dreilagige "Sandwich"-Struktur gebildeten Supergitter-Struktur macht es erforderlich, daß es entsprechende Maßnahmen gibt, die die Schaffung alternativer sowohl paralleler als auch antiparalleler Orientierungen der Magnetisierungen in den dortigen abwechselnden ferromagnetischen Dünnfilmschichten gibt. Eine derartige Maßnahme besteht darin, für eine antiferromagnetische Kopplung der getrennten ferromagnetischen Dünnschichten in der mehrlagigen Struktur zu sorgen, wobei die Kopplung aber ausreichend gering ist, damit das Koppelfeld von einem äußeren Magnetfeld überwunden werden kann.

Eine weitere Maßnahme besteht in der Ausbildung der ferromagnetischen Dünnfilmschichten aus Materialien mit abwechselnd hoher und niedriger Koerzitivkraft, so daß die Magnetisierung der Materialschichten mit geringer Koerzitivkraft sich umkehren läßt, ohne gleichzeitig die Magnetisierungen der übrigen Schichten umzukehren. Eine weitere, alternative Maßnahme ist die Schaffung von "weichen" ferromagnetischen Dünnschichten mit einer Austauschkopplung jeder zweiten dieser Schichten mittels einer benachbarten magnetisch harten Schicht (wodurch eine ferromagnetische Dünnfilm-Doppelschicht gebildet wird), so daß die ferromagnetische Doppelschicht durch extern angelegte Magnetfelder auch dann relativ unbeeinflußt bleibt, wenn die Magnetisierungen der anderen ferromagnetischen Dünnfilmschichten durch ein solches äußeres Feld gesteuert beeinflußt werden.

Eine weitere alternative Maßnahme, die zu der erstgenannten Maßnahme in Beziehung steht, ist die Schaffung einer solchen mehrlagigen Struktur, die derart in Streifenform geätzt ist, daß man Entmagnetisierungseffekte und Ströme in einem solchen Streifen dazu benutzen kann, die Magnetisierungen antiparallel zu orientieren, und daß von außen angelegte Magnetfelder die Magnetisierungen parallel orientieren können. Somit lassen sich parallele und antiparallele Magnetisierungen innerhalb der ferromagnetischen Dünnfilme der Struktur für einen speziellen Anwendungsfall nach Belieben schaffen. Eine derartige Struktur muß derart gefertigt werden, daß jegliche ferromagnetische oder antiferromagnetische Kopplung zwischen getrennten antiferromagnetischen Filmen nicht zu stark ist, so daß sie diese Schaffung von Filmmagnetisierungen bei Einsatz praxistauglicher Verbindungsanordnungen verhindern könnte.

Ein umfassenderes Verständnis des magnetoresistiven Rieseneffekts (GMR-Effekts), das heißt des Drehventileffekts, läßt sich durch Betrachtung einer verallgemeinerten mehrlagigen Struktur gemäß Fig. 1 erlangen, wobei aus Gründen der Vereinfachung - allerdings ohne Notwendigkeit - der gewöhnliche anisotrope magnetoresistive Effekt ignoriert ist. Die Struktur ist typischerweise auf einem Halbleiterchip 10 mit dort ausgebil deter geeigneter Betriebsschaltung vorgesehen. Eine elektrisch isolierende Schicht 11 trägt N identische ferromagnetische, leitende Dünnfilmschichten, jeweils getrennt von einer benachbarten Schicht durch N-1 identische, nicht magnetische leitende Zwischenschichten, wodurch eine Supergitter- Struktur gebildet wird. Eine hoch resistive äußere Passivierungsschicht 12 bedeckt diese Struktur, und geeignete elektrische Zwischenverbindungen führen zu den leitenden Schichten, sind jedoch nicht dargestellt. Die Leitfähigkeit dieser Supergitter-Struktur entspricht der Summe der Leitfähigkeit der einzelnen Schichten, die effektiv parallel zueinander elektrisch geschaltet sind, allerdings führt der GMR-Effekt eine Magnetisierungsabhängigkeit der ferromagnetischen Dünnschichten ein. Im folgenden wird ein mögliches Modell in einem Umfang dargelegt, der das Modell geeignet macht als Grundlage für ein besseres Verständnis des elektrischen und des magnetischen Verhaltens dieser Struktur, wobei dieses Modell allerdings durch Approximationen vereinfacht ist und nicht jedermann mit jedem Aspekt der hier gewählten Vorgehensweise einverstanden sein wird.

Die Leitfähigkeit sehr dünner Filme hängt in starkem Maß von der Oberflächenstreuung ab, wenn die mittlere freie Weglänge von Leitungselektronen in dem massiven Material der Filme gleich oder größer ist als die Dicke der Filme. Das Verhältnis der Film- oder Schicht-Leitfähigkeit zu der Leitfähigkeit des massiven Filmmaterials läßt sich ausdrücken als eine Funktion des Verhältnisses der Filmdicke zu der mittleren freien Weglänge von Elektronen im massiven Material, entsprechend dem bekannten Fuchs- Sondheimer-Leitungsmodell unter der Annahme einer nicht-elastischen Streuung an den Filmoberflächen, oder gemäß weiterer entsprechender Modelle unter Einbeziehung weiterer Bedingungen, so zum Beispiel der Korngrenzen-Streuung sowie anderer Oberflächen-Streuungen.

Die Magnetisierungsabhängigkeit in den ferromagnetischen Dünnfilmen, die zu dem GMR-Effekt führt, scheint abhängig zu sein vom Verhältnis von Elektronen mit Aufwärtsspin zu Elektronen mit Abwärtsspin in der 3D-Schale der Übergangselemente, die in den ferromagnetischen Dünnschichten verwendet werden, das heißt der Spin-Polarisation P der Lei tungselektronen. Der Bruchteil f der 3D-Elektronen mit Aufwärtsspin besitzt typische Werte von 0,75 für Eisen, von 0,64 für Cobalt und 0,56 für Nickel. Leitungselektronen in Metallen sind normalerweise Elektronen der S-Schale, die sich theoretisch gleichermaßen auf Elektronen mit Aufwärtsspin und Elektronen mit Abwärtsspin aufteilen ließen. Wegen der Bandaufspaltung wird allerdings angenommen, daß die Leitungselektronen in den magnetischen Schichten einen Anteil von Elektronen mit Aufwärtsspin aufweisen, der ähnlich demjenigen der Elektronen in der 3D- Schale ist. Die Spin-Polarisation bestimmt sich dann durch P = 2f - 1. Von diesen Elektronen wird nun angenommen, daß sie beim Auftreffen auf atomar perfekte Grenzen zwischen den magnetischen Schichten, einschließlich der dünnen nicht magnetischen leitenden Zwischenschicht in dieser Grenze, entweder inelastisch gestreut werden oder frei in die nächste magnetische Schicht übergehen.

In Anbetracht der beobachteten Spin-Polarisation wird die vereinfachende Annahme gemacht, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Elektron mit Aufwärtsspin beim Eintritt in ein Material mit einer Mehrheit an Elektronen mit Aufwärtsspin nicht gestreut wird, ungefähr genauso groß ist wie der Anteil der Elektronen mit Aufwärtsspin im Leitungsband, und daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Elektron mit Abwärtsspin, welches in das gleiche Material eintritt, nicht gestreut wird, genauso groß ist wie der Anteil von Elektronen mit Abwärtsspin im Leitungsband. Ein Ändern der Magnetisierungsrichtungen zwischen parallel und antiparallel in einer benachbarten ferromagnetischen Dünnschicht ändert die Leitungsband- Elektronen in den Filmen von angepaßten Aufwärtsspin- und Abwärtsspin- Anteilen in jeder Schicht in entgegengesetzte Aufwärtsspin- und Abwärtsspin-Anteile in jeder Schicht. Somit wird ein größerer Anteil der Elektronen in der Supergitter-Struktur dann gestreut, wenn die Magnetisierungen in den ferromagnetischen Dünnschichten antiparallel sind, verglichen mit dem Zustand der parallelen Magnetisierung, da mehr als die Hälfte der Elektronen im Leitungsband solche mit Aufwärtsspin im Hinblick auf die oben angegebenen Aufwärtsspin-Anteilswerte sind. Wenn die ferromagnetischen Dünnschichten von einer Leiterschicht getrennt werden, die den Spin der Leitungselektronen beim Durchtritt durch die Leiterschicht erhält, können einige Leitungselektronen von der einen Schicht ohne Kollision zur anderen überwechseln und können somit eine effektiv dickere Schicht durchlaufen als die Elektronen, die gestreut werden und so innerhalb einer einzelnen Schicht eingegrenzt bleiben. Als Ergebnis haben die gestreuten Elektronen möglicherweise ein signifikant geringeres Leitvermögen, und wenn dies der Fall ist und die ferromagnetischen Schichten einander entgegengesetzt magnetisiert sind, bilden sie einen höheren effektiven Widerstand innerhalb der Struktur. Diese Betrachtung des Leitungselektronentransports zwischen ferromagnetischen Dünnfilmschichten läßt sich anpassen bezüglich Störstellen an den Grenzen zwischen einander benachbarten ferromagnetischen Dünnschichten für Leitungsbandelektronen, die wegen ihres Spins nicht gestreut werden, statt dessen aber durch physikalische Störstellen an der Grenzstelle möglicherweise gestreut werden.

Basierend auf dem oben Gesagten lassen sich die effektiven Leitfähigkeiten für parallele und antiparallele Magnetisierungszustände in der Supergitter-Struktur bestimmen und voneinander subtrahieren, um das Verhältnis der Änderung der effektiven Leitfähigkeiten der ferromagnetischen Dünnschichten aufgrund einer entsprechenden Änderung zwischen parallelen und antiparallelen Magnetisierungen in jenen Schichten zu der durchschnittlichen Leitfähigkeit in diesen Filmen zu erhalten. Auf das Ergebnis dieser Feststellung müssen noch die Leitfähigkeiten der nicht magnetischen, leitenden Zwischenschichten basierend darauf addiert werden, daß diese Schichten gleichermaßen von Leitungsbandelektronen mit Aufwärtsspin und solchen mit Abwärtsspin bevölkert sind, außerdem muß eine Leitfähigkeit addiert werden, die sich mit den Magnetisierungsrichtungen nicht ändert. Bei einer solchen Einstellung läßt sich das Verhältnis der Differenz der Flächenleitfähigkeiten der Supergitter-Struktur, wenn die ferromagnetischen Dünnschichten die Magnetisierung von parallel auf antiparallel ändern, nämlich Δγ→I, zu dem Mittelwert dieser Flächenleitfähigkeiten →I erhalten in der Form

wobei - wie oben angemerkt - der gewöhnliche anisotrope Magnetowiderstand beim Ermitteln dieses magnetoresistiven Riesen-Ansprechverhaltens ignoriert wird. Hier bedeutet q physikalische Rand-Störstellen und entspricht der Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Leitungselektron, welches aufgrund seines Spins nicht gestreut würde, auch nicht durch physikalische Störstellen oder Kollisionen in den nicht magnetischen, leitenden Zwischenschichten gestreut wird.

Das, Symbol γm1 ist der Flächenleitwert einer einzelnen ferromagnetischen Dünnschicht, wobei der Flächenleitwert pro Flächeneinheit einer Dünnschicht deren Leitfähigkeit multipliziert mit ihrer Dicke ist. Damit ist Nγm1 der Flächenleitwert von N parallelen ferromagnetischen Dünnschichten. Das Symbol γmN ist der Flächenleitwert einer Schicht aus N ferromagnetischen Dünnfilmen, multipliziert mit der Dicke eines einzelnen ferromagnetischen Dünnfilms, und γc1 ist der Flächenleitwert einer nicht magnetischen, leitenden Zwischenschicht.

Die Anzahl N ferromagnetischer Dünnfilme beeinflußt die Differenzen in den Flächenleitwerten deshalb, weil es eine Differenz der Leitfähigkeit zwischen einem ferromagnetischen Dünnfilm, der N Lagen dick ist, und N ferromagnetischen Dünnfilmen gibt, welche elektrisch parallel geschaltet sind. Der Polarisationsfaktor P ist, wie oben angedeutet, angenommenerweise wichtig beim GMR-Ansprechverhalten, indem er den Anteil von Leitungsbandelektronen mit Aufwärtsspin repräsentiert, wobei diese Erwartung aus dem Quadrat jenes Faktors im Zähler der obigen Gleichung resultiert.

Die Qualität der Grenzfläche zwischen den ferromagnetischen Dünnfilmen und den nicht magnetischen, leitenden Zwischenschichten ist von Bedeu tung, was in der obigen Gleichung durch das Symbol q repräsentiert wird. Die größten GMR-Effekt-Werte wurden in Materialsystemen erhalten, bei denen sowohl die Gitterkonstante als auch der Kristall und die Form der Kristallklasse jedes Grenzflächenmaterials in gute Übereinstimmung gebracht waren. Beispielsweise paßt Chrom zu der raumzentrierten kubischen Struktur von Eisen besser als sämtliche übrigen natürlichen raumzentrierten kubischen nicht magnetischen Metalle. Kupfer ist in ähnlicher Weise am besten passend für flächenzentriertes kubisches Cobalt oder für flächenzentrierte Permalloy-Gemische, die Nickel sehr ähnlich sind. Signifikante Fehlanpassungen ergeben wahrscheinlich einen sehr geringen Wert für q.

Außerdem ist Streuung in den nicht magnetischen leitenden Zwischenschichten dann wahrscheinlich, wenn die Dicke dieser Schichten kleiner ist als die mittlere freie Weglänge von Leitungselektronen im massiven Schichtmaterial. Folglich reduziert sich das Symbol q in seinem Wert bei dickeren Zwischenschichten.

Die Filmdicke hat außerdem einen signifikanten Einfluß auf das Verhältnis γmN/γm1, wobei dieses Verhältnis bei dünneren Filmen ansteigt, wie an dem Fuchs-Sondheimer-Leitungsmodell zu sehen ist. Die stärkste Leitfähigkeitsdifferenz zwischen paralleler und antiparalleler Magnetisierung in den ferromagnetischen Dünnfilmen ergibt sich, wie aus dem letzten obigen Ausdruck ersichtlich ist, bei den dünnsten magnetischen Schichten, gäbe es nicht die Streu- und Nebenschlußeffekte der nicht magnetischen leitenden Zwischenschichten. Gelangt aber der Leitwert der magnetischen Schichten, der durch das Dünner-Werden abnimmt, in die Größenordnung des Leitwerts der nicht magnetischen leitenden Schichten, so zeigt der obige Ausdruck außerdem, daß eine weitere Dickenabnahme den GMR-Effekt reduziert. Bei einem festen Satz von Parametern für die nicht magnetische leitende Zwischenschicht hat somit der GMR-Effekt eine Spitze bei einem gewissen Wert der Dicke des ferromagnetischen Dünnfilms.

Dies läßt vermuten, daß die Kopplung zwischen der Struktur der ferromagnetischen Dünnfilme auch zu einem betriebsfähigen Bauelement führt, da sie den Bereich von Magnetisierungswinkeln bestimmt, die sich bei einem Bauelement für gegebene Werte angelegter Magnetfelder erreichen lassen, also Grenzen bezüglich des Magnetoresistenz-Ansprechverhaltens setzt. Falls positive oder ferromagnetische Kopplung vorhanden und zu stark ist, liegen die Film-Magnetisierungen nicht ausreichend dicht beieinander, um antiparallel zu sein, und können möglicherweise nicht so gelegt werden, daß ein Lesestrom durch die Struktur geleitet wird, so daß der maximale, für die Konfiguration erwartete Widerstand nicht erzielt werden kann. Wenn andererseits negative oder antiferromagnetische Kopplung vorhanden und zu stark ist, sind die Film-Magnetisierung nicht ausreichend stark parallel genug, und können möglicherweise durch Anlegen eines externen Magnetfelds an die Struktur nicht weit genug parallel gemacht werden, so daß der minimale, für die Konfiguration erwartete Widerstand nicht erzielt werden kann.

Außerdem gibt es eine Grenze bezüglich der Dicke der nicht magnetischen, leitenden Zwischenschicht deshalb, weil es in dieser "Nadellöcher" gibt, mit dem Ergebnis, daß die Schicht weniger als 100% der Oberflächen der ferromagnetischen Dünnfilme auf jeder ihrer Seiten bedeckt. Diese "Nadellöcher" in den nicht magnetischen leitenden Zwischenschichten führen angenommener Weise zu einer Stromdichte-Abhängigkeit des GMR-Effekts, die von dem letzten obigen Ausdruck nicht wiedergespiegelt wird. Solche Nadellöcher in dieser Zwischenschicht treten als Ergebnis der ferromagnetischen Kopplung zwischen den ferromagnetischen Dünnfilmen auf jeder Seite dieser Schicht in der Nachbarschaft solcher Löcher in Erscheinung und erzeugen dabei ferromagnetisch gekoppelte Magnet-Domainen innerhalb dieser ferromagnetischen Dünnfilme, die ansonsten antiferromagnetisch gekoppelt sind (wobei angenommen wird, daß keine äußeren Magnetfelder angelegt werden).

Im Ergebnis kommt es zu einer unvollständigen Sättigung von Magnetisierungen im Supergitter entlang der einfachen Achsen, so daß stärkere Strö me durch die Supergitter-Struktur ein "scherendes" Magnetfeld erzeugen (ein Feld, welches die Magnetisierungen in Filmen benachbart zu einer Zwischenschicht in entgegengesetzte Richtungen zwingt), welches den Effekten der Nadellöcher dadurch entgegenwirkt, daß die Magnetisierungen in den Nadelloch-Domainen zwangsweise in eine engere Ausrichtung mit den Magnetisierungen im Rest der ferromagnetischen Dünnschicht gebracht werden, in welcher sie auftreten. Ausreichend starke Ströme können eine einzelne Domaine in jedem derartigen ferromagnetischen Dünnfilm verlassen.

Obschon der Effekt einer sehr niedrigen Nadelloch-Dichte sich möglicherweise für "Sandwich"-Strukturen mit zwei magnetischen Schichten dadurch korrigieren läßt, daß man einen Lesestrom ausreichender Stromdichte durch die Supergitter-Struktur leitet, führt dennoch eine relativ geringfügige Zunahme der Nadelloch-Dichte rasch dazu, daß sämtliche ferromagnetischen Dünnfilme ferromagnetisch gekoppelt sind, demzufolge die darin erfolgenden Magnetisierungen in oder nahezu in einer gemeinsamen Richtung verlaufen. Ein derartiges Ergebnis macht die Supergitter- Struktur als Bauelement funktionsuntüchtig, und demzufolge gibt es ein Bestreben, dünne nicht magnetische, leitende Zwischenschichten mit verringerten Nadelloch-Dichten zu schaffen. Außerdem wird angestrebt, daß diese Schichten in ihrem Verhalten über einen ausgedehnten Temperaturbereich stabil sind. Zusätzlich sollen die erhaltenen Bauelemente, wenn sie als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, ein Sensorverhalten in einem Bereich von Magnetfeldern aufweisen, welches bei schwacher Hysterese im wesentlichen linear ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine magnetoresistive Lagenstruktur mit einem Paar von magnetoresistiven, anisotropen ferromagnetischen Dünnfilmen, die von einer Zwischenschicht auf einem Substrat getrennt sind, gegebenenfalls mit zusätzlichen derartigen ferromagnetischen Dünnfilmen, jeweils durch eine weitere entsprechende Zwischenschicht voneinander getrennt. Jede solche Zwischenschicht hat eine Dicke von weniger als 5 nm (50 Å), und wird durch eine im wesentlichen nicht magnetische, leitende Legierung mit zwei darin enthaltenen, unvermischbaren Komponenten gebildet. Eine weitere Komponente zur Schaffung von Temperaturstabilität hat zumindest teilweise in den ersten beiden Komponenten mischbar zu sein. Die Dünnfilme können zweilagige oder dreilagige Filme sein, die jeweils mit einer Lage größeren magnetischen Moments an einer Zwischenschicht anliegen. Die resultierenden Bauelemente lassen sich als Magnetfeldsensoren in einem Schaltkreis verwenden, der so ausgebildet ist, daß er mindestens einen Sensor in einem Spalt oder in der Nähe eines Spalts zwischen zwei permeablen Massen und mindestens einen weiteren benachbart zu der anderen Seite einer dieser Massen abgewandt von dem Spalt oder im wesentlichen parallel zu einer solchen zugewandten Seite enthält.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines aus dem Stand der Technik bekannten Bauelements,

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Bauelements gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung einer Kennlinie eines erfindungsgemäßen Bauelements,

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Bauelements als Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung einer Kennlinie einer Reihe von Bauelementen, die erfindungsgemäß ausgeführt sind,

Fig. 6A und 6B sind schematische Diagramme von Schaltkreisen, die im Rahmen der Erfindung einsetzbar sind,

Fig. 7A und 7B sind schematische Lagediagramme, die im Rahmen der Erfindung verwendbar sind,

Fig. 8A und 8B sind graphische Darstellungen von Kennlinien eines erfindungsgemäßen Bauelements,

Fig. 9A und 9B sind schematische Darstellungen eines Bauelements, welches erfindungsgemäß ausgeführt ist, und

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Alternative für einen Teil des in den Fig. 9A und 9B dargestellten Bauelements.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 2 zeigt in schematischer Form eine Querschnittsansicht eines Teils eines Supergitter-Bauelements, welches in einem monolithisch integrierten Schaltkreischip oder auf einem Keramiksubstrat oder auf einem anderen geeigneten Material ausgebildet ist. Hier ist eine "Sandwich"-Struktur mit gerade zwei ferromagnetischen Dünnfilmen mit der allgemeinen Bezeichnung F'&sub1; und F'&sub2; getrennt von einer Zwischenschicht I'&sub1; als verkürztes Supergitter dargestellt, allerdings könnten weitere alternierende Schichtpaare aus Zwischenschichten und ferromagnetischen Dünnfilmen in einer größeren Supergitter-Struktur vorhanden sein, um den GMR-Effekt in der gleichen Weise zu steigern, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 2 ist nicht maßstabsgetreu und nicht im Verhältnis dargestellt, was aus Gründen der Klarheit getan wurde und ebenso für Fig. 1 gilt.

Das integrierte Schaltungschip oder ein anderes Substrat besitzt wiederum Halbleitermaterial oder ein anderes geeignetes Material für das Substrat 10, in welchem im Fall eines Halbleitermaterials in einem integrierten Schaltungschip in sich elektronisch integrierte Schaltkreise aufweist, die für den Betrieb der dort befindlichen verkürzten Supergitter-Struktur vorgesehen sind. Ein solches Bauelement könnte zur Verwendung als Spei cherzelle in einem digitalen Speicher oder als Magnetsensor vorgesehen sein, um Beispiele zu nennen. Eine elektrisch isolierende Schicht, wiederum mit 11 bezeichnet, befindet sich auch hier auf dem Substrat 10, wobei die Oberseite der Schicht 11 im dargestellten Bauelementbereich die oben angesprochene verkürzte Supergitter-Struktur trägt. Die Isolierschicht 11 ist hier in Form von drei separaten Schichten dargestellt, einer unteren Schicht 11' aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 200 bis 600 nm (2000 bis 6000 Å) und einer oberen Schicht 11" aus Siliciumnitrid mit einer typischen Dicke von 10 bis 100 nm (100 bis 1000 Å). Die Schichten 11' und 11" sind typischerweise nach dem bekannten Sputter-Aufbringverfahren ausgebildet. Die Verwendung der Nitritschicht 11" verhindert, daß Sauerstoffatome in die Schicht eindiffundieren und dort die Schicht chemisch attackieren.

Das Siliciumnitrid in der Schicht 11' bildet einen amorphen Isolator, das heißt einen Isolator ohne jegliche periodische Struktur, wie sie für Kristallinität typisch ist, oder - anders ausgedrückt - ohne großen Bereich atomarer oder molekularer Ordnung. Alternativ kann die Schicht 11" aus einem Material gebildet sein, welches die gleiche Form der gleichen Kristallinitätsklasse besitzt, wie sie die nächstfolgende Schicht aufweisen muß, um eine möglicherweise bessere Anpassung zwischen diesen beiden Stoffen zu erhalten. Da ein Permalloy-Material in der nachfolgenden Schicht mit flächenzentrierter kubischer Struktur verwendet wird, wäre ein alternativer Werkstoff Magnesiumoxid, welches ebenfalls eine kubische Struktur und eine kompatible Gitterkonstante besitzt.

Der nächstfolgende Verfahrensschritt bei der Herstellung der Struktur nach Fig. 2 ist die Sputter-Niederschlagung von 4 bis 5 nm (40 bis 50 Å) Permalloy-Material mit 20% Cobalt, 50% Eisen und 65% Nickel in Beisein eines äußeren Magnetfelds in der Ebene des Films, die senkrecht zu der Figurenansicht orientiert ist, was - wie bereits angesprochen - zu einem Film führt, der eine flächenzentrierte kubische Struktur besitzt. Außerdem läßt die Zusammensetzung dieses Gemisches bei der Bildung eines Permalloy-Materials die Schicht mit einer annähernd Null betragenden Ma gnetorestriktion zurück, und das Fertigungs-Magnetfeld läßt die einfache Achse des Films entlang der Senkrechten des Fertigungsfeldes verlaufen. Das magnetische Moment dieses Materials beträgt typischerweise etwa 12000 Gauss. Dies ist in Fig. 2 als Komponente F'&sub1;&submin;&sub1; des Films F'&sub1; angedeutet, und es ist die erste Lage in dem zweilagigen ersten ferromagnetischen Dünnfilm F'&sub1;.

Eine zweite Lage F'&sub1;&submin;&sub2; wird in einem Sputter-Niederschlagungsschritt in Beisein eines ähnlichen Fertigungs-Magnetfelds als Material aus 95% Cobalt und 5% Eisen in einer Stärke von mindestens 1 nm (10 Å) ausgebildet, um den vollen GMR-Effekt zu erzielen, wobei die Dicke typischerweise 1,5 nm (15 Å) beträgt. Das magnetische Moment dieses Materials beträgt 16.000 Gauss, einen Wert, der höher ist als der des magnetischen Moments der ersten Lage F'&sub1;&submin;&sub1; des ersten ferromagnetischen Films F'&sub1;. Da als allgemeine Regel die Polarisation eines Materials und dessen magnetisches Moment jeweils zur Zunahme neigen, wenn der andere Wert dies tut, liefert ein Material mit höherem Magnetisierungsmoment in der Struktur der ferromagnetischen Filme ein stärkeres GMR-Ansprechverhalten, wie aus dem obigen Ausdruck ersichtlich ist, in welchem das Quadrat der Polarisation im Nenner erscheint. Somit führt eine ferromagnetische Lage mit einem stärkeren magnetischen Moment in der Nähe der Zwischenschicht typischerweise zu einem stärkeren GMR-Ansprechverhalten.

Andererseits ist das Drehen der Film-Magnetisierung zum Ändern ihrer Richtung in der zweiten Lage F'&sub1;&submin;&sub2; durch ein äußeres Magnetfeld während des Betriebs in diesem härter magnetischen Material schwieriger. Im Ergebnis wird durch die Schaffung einer ersten Lage F'&sub1;&submin;&sub1; aus Permalloy- Material, bei dem es sich um ein weicheres magnetisches Material als das in der zweiten Lage handelt, erreicht, daß die Stärken für äußere Magnetfelder beim Betrieb des Bauelements bei Werten bleiben können, die keinen zu großen Stromfluß in den Verbindungen des Bauelements erfordern. Deshalb liefert ein zweilagiger ferromagnetischer Dünnfilm einen besseren Dünnfilm für eine Supergitter-Struktur, wenn es darum geht, ein GMR- Ansprechverhalten in einem monolithisch integrierten Schaltungschip zu erreichen. Außerdem bleibt die Magnetorestriktion für die zweite Lage F'&sub1;&submin;&sub2; in der Nähe von Null, so daß der erste ferromagnetische Dünnfilm F'&sub1; keinen besonderen Kräften zwischen diesem Film und dem darunter befindlichen Substrat oder dem Film auf der anderen Seite ausgesetzt ist, wenn Magnetfelder vorhanden sind, die zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Filmmaterials aufgrund der resultierenden Spannung führen könnten, oder gar zu der Möglichkeit eines mechanischen Ausfalls des Bauelements führen könnten.

Wie oben ausgeführt, führt die Schaffung einer typischerweise aus Kupfer bestehenden Zwischenschicht mit einer Dicke unter 3 nm (30 Å) zu einer Zunahme der Nadelloch-Dichte, wenn sich die Dicke dieser Schicht verringert. Das magnetische Koppelfeld beginnt, in die Größenordnung von einigen 10 Oersted anzusteigen, wenn diese Kupferdicke unter 2,5 bis 3,0 nm (25 bis 30 Å) sinkt (es gibt eine signifikante Schwankung bei verschiedenen Niederschlagungs-Parameterwerten für die Sputter-Niederschlagung dieser Schicht). Dennoch muß, wie oben ausgeführt wurde, die Dicke der Zwischenschicht verringert werden, wenn die Dicke der ferromagnetischen Dünnfilme reduziert wird, um das Potential für einen stärkeren GMR- Effekt zu steigern. Die Dicke der nicht magnetischen, leitenden Zwischenschicht wird derart reduziert, daß ihr Nebenschluß-Effekt in Bezug auf die Abnahme der Leitfähigkeit der ferromagnetischen Dünnfilme bei deren Dickenreduzierung nicht zu stark wird. Folglich stellt ein Maß zur Vermeidung einer erhöhten Nadelloch-Dichte bei Reduzierung der Zwischenschicht eine Grundlage zur Erzielung eines stärkeren GMR-Effekts dar.

Dementsprechend ist - nicht gemäß der Erfindung - eine Zwischenschicht I'&sub1; in Form eines eutektischen Legierungs-Durchgangs vorgesehen, umfassend zwei Metalle als Komponenten der eutektischen Legierung, welche im wesentlichen unvermischbar sind, so daß Nadellöcher, die sich in der Komponente des größeren Anteils bilden, durch die Komponente des klei neren Anteils zu einem beträchtlichen Maß "ausgefüllt" werden. Da die flächenzentrierte kubische Kristallstruktur von Kupfer sowie deren Gitterkonstante gut angepaßt sind an die entsprechenden Größen der zweiten Lage F'&sub1;&submin;&sub2;, wie oben ausgeführt wurde, besteht die Auswahl der Grundkomponente in Kupfer für die eutektische Legierung zur Bildung der Zwischenschicht. Eine zweite Komponente wird als Silber gewählt, welches ähnlich wie Kupfer eine flächenzentrierte kubische Struktur hat, wenngleich Silber eine etwas größere Gitterkonstante besitzt. Silber und Kupfer sind nur etwas ineinander löslich, um feste Lösungen zu bilden, etwa einige zehntel Prozent, und sie bilden eine eutektische Legierung mit einer Leitfähigkeit von etwa 2 bis 3 uΩ-cm im massiven Material, wobei es sich um einen Wert handelt, der in einem großen Bereich der Relativ- Zusammensetzung dieser beiden Metalle der resultierenden eutektischen Legierung erhalten bleibt (die spezifischen Widerstände dieser Legierung sind wenige bis einige mal größer, wenn sie zur Bildung einer Dünnschicht verwendet werden, wie es der Fall ist, wenn daraus die Zwischenschicht gebildet wird).

Wenngleich Kupfer durchaus im Stande ist, eine feste Lösung mit Nickel einzugehen, so tut es das nicht mit Cobalt oder mit Eisen, und Silber ist im wesentlichen unvermischbar mit irgendeinem dieser Stoffe. Folglich läßt sich eine äußerst dünne Schicht aus einer eutektischen Legierung aus Kupfer und Silber als äußerst dünne Zwischenschicht der aus Cobalt und Eisen gebildeten zweiten Lage F'&sub1;&submin;&sub2; bilden, eine Zwischenschicht, in der ein Material mit hohem Silberanteil die Nadellöcher "ausfüllt", die in dem Material mit hohem Kupferanteil auftreten und die Hauptmasse der dünnen Zwischenschicht I'&sub1; bildet. Die typische Dicke für einen solchen Film einer eutektischen Legierung als Zwischenschicht I'1 liegt in der Größenordnung von 1,4 bis 1,7 nm (14 bis 17 Å), wobei typischerweise 1,5 nm (15 Å) gewählt werden.

In einer aus durch bloßes Sputter-Niederschlagen von Kupfer gebildeten Zwischenschicht gibt es eine starke ferromagnetische Kopplung zwischen den dadurch getrennten ferromagnetischen Dünnschichten, wohingegen die Zugabe von etwa 15 bis 28 Atomprozent Silber beim Sputter- Niederschlagungsprozeß für eine Schicht gleicher Dicke zu einer antiferromagnetischen Kopplung relativ geringen Werts führt. Ein solches Ergebnis läßt sich erweitern auf eine Supergitter-Struktur mit einer größeren Anzahl abwechselnder Zwischen- und ferromagnetischer Dünnfilmschichten, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wobei ein ähnliches Ergebnis erhalten wird.

Der relative Silberanteil in dem Film wurde bei der Erzielung einer solchen antiferromagnetischen Kopplung möglichst gering gehalten, weil einerseits Silber selbst bekanntlich zu einer starken ferromagnetischen Kopplung führt und weil andererseits die Gitter-Fehlanpassung von Silber bezüglich der zweiten Lage F'&sub1;&submin;&sub2; der ersten ferromagnetischen Dünnschicht auf jeder Seite signifikant stärker ist als bei Kupfer. Dennoch führt das Beschränken des relativen Silberanteils auf unter 30% zu der Reduzierung der GMR-Ansprechempfindlichkeit aufgrund der Gitter- Fehlanpassung, wobei die Ansprechempfindlichkeit aber immer noch wesentlich geringer ist als die Verstärkungen des GMR-Effekts aufgrund der gesenkten oder beseitigten ferromagnetischen Kopplung wegen der ausgefüllten Nadellöcher. In einigen Situationen dürften sogar größere Silberanteile geeignet sein.

Folglich wird die Zwischenschicht I'&sub1; durch Sputter-Niederschlagung mittels eines Kupfer-Sputtertargets gebildet. Das Kupfertarget wird ergänzt durch Beigabe von Silber-Tabs in einem Ausmaß, bei dem sich der gewünschte relative Silberanteil in der resultierenden eutektischen Legierung einstellt, ein Anteil, der typischerweise 23% für das angestrebte Ergebnis beträgt. Man könnte ein separates Silber-Sputtertarget zusammen mit einem Kupfertarget verwenden, oder, alternativ, ein Target aus einer eutektischen Kupfer-Silber-Legierung mit der gleichen Zusammensetzung, wie sie für die niedergeschlagenen Schichten erwünscht ist. Die sich aus dem Niederschlagungsschritt ergebende Zwischenschicht hat eine metastabile flächenzentrierte kubische Struktur, die typischerweise über einen langen Zeitraum stabil bleibt, wenn das Bauelement während seines späteren Gebrauchs innerhalb der erwarteten Temperaturbereiche verbleibt.

Als Alternative zu der aus einer binären Legierung bestehenden Schicht in Form einer eutektischen Legierung mit Silberkörnern unter den Kupferkörnern kann man auch Gold mit dem Silber und dem Kupfer einsetzen, um eine ternäre Legierung zu erhalten, die dann als Zwischenschicht I'&sub1; fungiert. Wenngleich eine aus Kupfer und Silber gebildete Schicht einer binären Legierung gemäß obiger Beschreibung eine hervorragende Zwischenschicht bildet, welche eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den auf ihren beiden Seiten vorhandenen ferromagnetischen Schichten bei geeigneter Dickenauswahl liefert, hat sich die Fähigkeit der Zwischenschicht für solche günstigen Eigenschaften als bei Temperaturen oberhalb der Zimmertemperatur beeinträchtigt erwiesen, wobei es in einigen Fällen nur eine Sache von Stunden war, daß die Temperatur in die Nähe von 150ºC gelangt. Die Zugabe von 5 bis 10 Atomprozent Gold zur Bildung eines ternären Legierungssystems zeigte eine starke Verbesserung der Temperaturstabilität der magnetischen Kopplung bei beträchtlich höheren Temperaturen, das heißt, die Kopplung blieb im wesentlichen unbeeinträchtigt, als die Temperatur 200ºC bis 250ºC erreichte.

Bei einer derartigen ternären Legierung, die zur Bildung dieser Zwischenschicht verwendet wird, hatte die Zwischenschicht - in Gewichtsprozent - 75% Kupfer, 15% Silber und 10% Gold, was eine ternäre CuAgAu- Legierungsschicht ergab. Dies ist repräsentativ für geeignete ternäre Legierungszusammensetzungen für die Zwischenschicht mit einem Gewichtsanteil, der nicht mit dem Goldanteil behaftet ist, so daß etwa 80% Kupfer und 20% Silber vorhanden sind. Die Schaffung einer solchen Schicht aus einer ternären Legierung durch Sputter-Niederschlagung erfordert die Zugabe von Gold-Tabs sowie von Silber-Tabs zu dem Niederschlagungstarget aus Kupfer, so daß diese Stoffe in dem fertigen Target gemäß dem gewünschten Anteil vorhanden sind, oder man kann dem Kupfertarget ein geeignetes Silber- und Goldtarget separat hinzufügen. Alternativ könnte eine ternäre Legierung aus diesen Stoffen ein einziges Sputter-Niederschlagungstarget mit Anteilen jeder Komponente bilden, die der durch die Niederschlagung erhaltenen Schicht entsprechen. Auch hier ist wiederum das Ergebnis der Sputter-Niederschlagung eine Schicht mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur.

Der Erfolg einer solchen ternären Legierung für die Zwischenschicht ergibt sich aus Gründen, die nicht vollständig bekannt oder verifiziert sind. Wenngleich Kupfer und Silber im wesentlichen unvermischbar sind, so daß das Silber ersichtlich das ausfüllt, was ansonsten in Form von Nadellöchern in dem Kupfer vorhanden wäre, besteht die Möglichkeit, daß bei erhöhten Temperaturen etwas von den Kupfer- und Silberkörnern in der Legierung wächst, während andere Körner schrumpfen. Dies führt möglicherweise zu einer Struktur, die signifikant größere Körner aufweist, die entweder Material aus einigen der Nadellöcher abziehen oder das Auftreten zusätzlicher Nadellöcher bewirken, und was möglicherweise zu einer rauheren Oberfläche der Zwischenschicht führt. Diese zusätzlichen Nadellöcher oder Oberflächenrauhigkeiten oder beides kann die Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten auf beiden Seiten der Zwischenschicht in starkem Maß abträglich beeinflussen. Die in einem gewissen Maß erfolgende Zugabe von Gold, welches sowohl mit Kupfer als auch Silber mischbar ist, bildet möglicherweise Binärlegierungen an den Grenzen dieser Körner innerhalb der ternären Legierungsschicht, wodurch das Kornwachstum verhindert und damit die Schichtstruktur stabilisiert wird.

An die Schaffung der Zwischenschicht I'&sub1; schließt sich die Bildung eines zweilagigen ferromagnetischen Dünnfilms F'&sub2; an. Eine untere Lage dieses Films, F'&sub2;&submin;&sub2;, wird in der gleichen Weise und mit im wesentlichen den gleichen Ergebnissen niedergeschlagen wie die obere Lage F'&sub1;&submin;&sub2; des ersten ferromagnetischen Films F'&sub1;. In ähnlicher Weise wird eine obere Lage F'&sub2;&submin;&sub1; des zweiten ferromagnetischen Films F'&sub2; mit im wesentlichen gleichem Ergebnis niedergeschlagen wie die untere Lage F'&sub1;&submin;&sub1; des ersten ferromagnetischen Films F'&sub1;. Schließlich wird als Passivierungs- und Schutz schicht auf dem zweiten ferromagnetischen Film F'2 eine Tantal-Nitrid- Schicht 12 gebildet. Nach Fertigstellung der Passivierungsschicht 12 erfolgt zur Bildung der verkürzten Supergitter-Struktur in Form eines auf der Schicht 11" gelagerten Streifens ein Ionen-Fräsen. Eine Wolframverbindung 13 erstreckt sich gemäß Darstellung über das Ende der verkürzten Supergitter-Struktur und auf der Oberseite der Schicht 12.

Damit schafft das verkürzte Supergitter nach Fig. 2 antiferromagnetisch gekoppelte ferromagnetische Dünnfilmschichten, die durch eine nicht magnetische, leitende Zwischenschicht getrennt sind. Diese Struktur hat Koppelfelder von 10 bis 15 Oersted gebildet, die gut in dem gewünschten Bereich von 0 bis 50 Oersted lagen, um relativ einfache Manipulationen der Magnetisierungen in den ferromagnetischen Dünnschichten der Struktur mittels externer Magnetfelder zu ermöglichen. Somit sind die Magnetisierungen in jedem der ferromagnetischen Dünnfilme F'&sub1; und F'&sub2; stabil, wenn sie antiparallel zueinander in und außerhalb der Zeichnungsebene der Fig. 2 verlaufen, das heißt entlang der einfachen Achse der Struktur in dieser Figur.

Bei diesem letztgenannten Magnetisierungszustand gibt es keinen anisotropen magnetoresistiven Beitrag zu dem Widerstand des Bauelements, da jeder von der Anschlußstelle 13 am Ende in Fig. 2 kommende Lesestrom zu einem ähnlichen Anschluß am anderen Ende der Struktur, in dieser Figur nicht dargestellt, senkrecht zu den Magnetisierungen in beiden ferromagnetischen Dünnschichten fließt. Der magnetoresistive Rieseneffekt (GMR-Effekt) liefert in diesem Zustand den maximalen Widerstand, da die Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Dünnschichten F'&sub1; und F'&sub2; antiparallel verlaufen, wie oben ausgeführt wurde.

Wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird, welches in die Zeichnungsebene der Fig. 2 gerichtet ist, bleibt der anisotrope magnetoresistive Beitrag zu dem Widerstand des Bauelements unverändert, da ein ausreichend starkes äußeres Feld die Schichtmagnetisierungen parallel zueinander be läßt. Geht man allerdings davon aus, daß das äußere Feld stark genug ist, um die Magnetisierung in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, bezogen auf die Richtung vor dem Anlegen des Feldes, und dies für die Magnetisierung in einer der ferromagnetischen Dünnschichten stattfindet, so wird der GMR-Beitrag zu dem Widerstand deshalb minimiert, weil dann die Magnetisierungen parallel zueinander in die gleiche Richtung weisen.

Wenn alternativ das äußere Magnetfeld parallel zu dem Streifen angelegt wird, folglich entlang der Zeichnungsebene der Fig. 2, so bleibt der GMR-Beitrag zu dem Widerstand deshalb ein Minimum, weil die Magnetisierung in jedem der ferromagnetischen Dünnfilme F'&sub1; und F'&sub2; sich zu einem Punkt in Längsrichtung des Streifens dreht, was zu einer parallelen Orientierung führt. Andererseits erreicht der anisotrope magnetoresistive Effekt seinen maximalen Beitrag zu dem Widerstand, da die Magnetisierungen in jedem ferromagnetischen Dünnfilm - parallel zur Längsrichtung des Streifens - auch parallel zu dem Lesestrom verlaufen, der zwischen dem Anschluß 13 und dessen Partner am anderen Ende des Streifens fließt.

Solche externen Magnetfelder sind bei dem oben Gesagten ausreichend stark, um die Magnetisierungen in den ferromagnetischen Dünnfilmen F'&sub1; und F'&sub2; in Ausrichtung mit der Feldrichtung zu drängen. Dies ist möglicherweise nützlich bei der Verwendung in einem den magnetoresistiven Zustand fühlenden Speicher, der als Digitalspeicher fungiert. Alternativ können die externen Felder so beschaffen sein, daß sie nur teilweise Drehungen der Magnetisierungen veranlassen, so daß die beschriebene verkürzte Supergitter-Struktur oder ein ausgedehnteres Supergitter als Magnetfeldsensor fungieren kann.

Die oben beschriebene verkürzte Supergitter-Struktur mit einer die Zwischenschicht bildenden ternären Legierung, oder eine ausgedehntere Supergitter-Struktur, die auf der Hinzufügung weiterer Schichten basiert, so daß die Struktur, in der sich Schichten I'&sub1; und F'&sub2; abwechseln, kann nahezu ideale Eigenschaften für einen Magnetfeldsensor aufweisen. Eine derar tige Struktur kann im wesentlichen die Probleme vermeiden, die beim Einsatz anderer Materialien bei einer solchen Supergitter-Struktur zur Schaffung eines GMR-Ansprechverhaltens auftreten, beispielsweise bei der Verwendung von lediglich Kupfer zur Bildung der Zwischenschicht oder Zwischenschichten. Die Verwendung anderer Materialarten in einer solchen Struktur liefert Strukturen, die typischerweise relativ starke Magnetisierungssättigungs-Felder liefern, die zu einer unzureichenden Empfindlichkeit führen, wenn nicht Gegenmaßnahmen getroffen sind, die beim Ansprechen auf sich ändernde äußere Magnetfelder eine beträchtliche Hysterese zeigen, und die eine nicht-lineare Widerstands-Magnetfeld- Kennlinie zeigen, was häufig ein Vormagnetisierungsfeld erfordert, um eine vernünftige Linearität des Ausgangssignals in Abhängigkeit des Eingangs-Magnetfelds zu erhalten.

Eine den Widerstand in Abhängigkeit des angelegten Magnetfelds wiedergebende Kennlinie (skaliert von einem Wafer ohne Muster) ist in Fig. 3 für einen Magnetfeldsensor auf Magnetowiderstandsbasis der oben beschriebenen Art unter Verwendung der oben angegebenen Legierungsstoffe für die darin befindlichen nicht magnetischen Schichten dargestellt. Diese Kennlinie des Sensors zeigt eine maximale Widerstandsänderung zwischen einem angelegten Feld von Null und einem Feld, welches ausreichend stark ist, um den kleinstmöglichen Widerstand als Ergebnis des Anlegens des Feldes zu erreichen, das heißt Sättigung, was bei etwa 10% des insgesamt auftretenden Sensorwiderstands bei einem angelegten Feld der Fall ist, welches die Hälfte oder den Durchschnittswert einer solchen Widerstandsänderung liefert. Diese Widerstandsänderung aufgrund des GMR- Effekts resultiert aus dem Fühlen eines angelegten Magnetfelds durch diesen Sensor, wobei das Magnetfeld einen Betrag hat, der ausreicht für die Ausrichtung der Magnetisierungen der magnetischen Schichten mit der Richtung des angelegten Feldes, welches üblicherweise in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der einfachen Achse als der am meisten empfindlichen Achse des Sensors angelegt wird, wenngleich auch andere Richtungen verwendet werden können, um ein im wesentlichen ähnliches Verhalten zu erzielen.

Der Sensor mit dieser Kennlinie wurde grundsätzlich wie oben beschrieben hergestellt, allerdings unter Verwendung im wesentlichen zweier zusätzlicher ferromagnetischer Schichten und zweier zusätzlicher nicht magnetischer Zwischenschichten (zwei weitere Lagen mit hoher magnetischer Sättigung sind zusätzlich erforderlich). Außerdem sind die nicht magnetischen Zwischenschichten unter Verwendung einer ternären Legierung gebildet, um die Temperaturstabilität zu steigern, wobei die Legierung in diesem Fall ein Gemisch aus 82% Kupfer, 12% Silber und 6% Gold ist, um für diese Struktur eine Schichtdicke von 1,65 nm (16,5 Å) zu erreichen. Eine Darstellung dieser Struktur findet sich in Fig. 4, in der die für die Strukturschichten verwendeten Bezeichnungen eine Fortsetzung der Bezeichnungen aus Fig. 2 sind, ausgenommen die Zwischenschicht auf der Oberseite und die unteren ferromagnetischen Schichten. Die Bezeichnungen für die inneren ferromagnetischen Schichten unterscheiden sich dadurch, daß die inneren ferromagnetischen Schichten jeweils drei Lagen mit einer mittleren Lage aus Material vom Permalloy-Typ mit einer Dicke von 4,0 nm (40 Å), bezeichnet wie oben mit F'x-1 (wobei das x für die Nummer der ferromagnetischen Schicht steht und 2 oder 3 für die inneren Schichten betragen kann), aufweisen, weiterhin eine untere Lage aus einem Material mit hohem magnetischen Moment mit einer Dicke von 1,0 nm (10 Å) mit der Bezeichnung F'x-2 aufweisen, und schließlich eine obere Lage aus einem Material mit hohem magnetischen Moment mit ebenfalls einer Dicke von 1,0 nm (10 Å) mit der Bezeichnung F'x-3 aufweisen. Die Zwischenverbindungsschicht ist in 13' umbenannt, da sie jetzt nicht aus Wolfram, sondern aus Tantal gebildet ist, wobei die früher verwendete Tantalnitridschicht für die Passivierung und den Schutz nicht mehr vorhanden ist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, beträgt der maximale elektrische Widerstand des Sensors 9,77 kΩ und tritt bei Fehlen jeglichen nennenswerten Magnetfeldes auf. In der Sättigung, die bei etwa 200 Oe eintritt, fällt der Widerstand bei einem Feld in beliebiger Richtung auf etwa 8,82 kΩ ab. Die Differenz zwischen diesem letztgenannten Widerstand und dem ma ximalen Widerstand beträgt etwa 950 Ω, was der maximal möglichen Widerstandsänderung entspricht.

Wie man außerdem sehen kann, hat die Kennlinie, die sich von dem Wert maximalen Widerstands aus erstreckt (bei welchem Wert das angelegte Feld Null ist) sehr stark das Aussehen der gleichen Schenkel eines gleichschenkligen Dreiecks, da der Widerstand bei Anlegen eines Magnetfelds in die eine oder die andere Magnetfeldrichtung etwa linear abnimmt. Somit liegt die Magnetoresistenz-Kennlinie der Struktur in einer Zone für linearen Betrieb im wesentlichen zwischen einem Feldwert von Null bis zum Erreichen von nahezu Sättigung bei Anlegen eines Feldes in jeder Richtung. Folglich besteht kein Erfordernis, ein Vormagnetisierungsfeld an die Struktur anzulegen, um den Betrag des angelegten Feldes zu messen, wobei das Lesen des Meßwerts in einer linearen Zone der Kennlinie des Widerstands in Abhängigkeit des angelegten Feldes der Struktur erfolgt.

Darüber hinaus folgt die Kennlinie der Fig. 3 einem Änderungszyklus beim angelegten Magnetfeld insofern, als das Feld von Null zu einem der Sättigungswerte und dann wieder durch Null zu dem anderen Sättigungswert und schließlich wieder zurück auf Null geht. Wie man sieht, gibt es sehr wenig Hysterese in der Widerstandskennlinie während eines Durchlaufzyklus des Magnetfeldes von dem einen Sättigungswert zu dem entgegengesetzten Sättigungswert und zurück. Im Ergebnis ist diese Widerstandskennlinie im wesentlichen eine einwärtige Funktion des angelegten Feldes, was die Möglichkeit des Auftretens eines unerwünschten plötzlichen Übergangs von einem Widerstandswert zu einem anderen bei gegebener Feldstärke im wesentlichen ausschließt.

Bei der Herstellung eines Sensors mit einem solchen Aufbau muß die Betragsbeziehung zwischen dem zu messenden Magnetfeld und dem Sättigungsfeld für die Struktur berücksichtigt werden. Wenn das Sättigungsfeld der Struktur signifikant größer ist als das angelegte, zu messende Feld, so ist nur ein Bruchteil der möglichen Magnetowiderstands-Änderung aufgrund des gemessenen Feldes in dem Sensor nutzbar. Deshalb kann es zu der Schwierigkeit kommen, die Unterschiede zwischen Feldstärkenwerten aufzulösen, welche relativ klein im Vergleich zum Sättigungsfeld der Struktur sind. Dieses Problem geht einher mit dem Wunsch, ein relativ stark ausgeprägtes Magnetowiderstands-Ansprechverhalten, das heißt ein GMR-Ansprechverhalten in der Struktur zur Verfügung zu haben, um ein einfach zu handhabendes Ausgangssignal zu bilden. Dies deshalb, weil stärkere GMR-Effekte in derartigen Sensorstrukturen zur Korrelation mit stärkeren, solche Strukturen kennzeichnenden Sättigungsfeldern neigen, das heißt, es wird ein relativ starkes angelegtes Magnetfeld benötigt, um die Struktur-Widerstandsänderung dadurch zu sättigen, daß man die anfänglich antiparallelen Magnetisierungen in den antiferromagnetisch gekoppelten Magnetschichten in einen parallelen Zustand zwingt.

Es wird in diesem Zusammenhang angenommen, daß die antiferromagnetische Zwischenschicht-Kopplung zwischen ferromagnetischen Schichten, die jeweils eine Dicke TC und eine Sättigungsmagnetisierung MS quer zu einer nicht magnetischen leitenden Schicht haben, mit dem Phänomen an den Grenzflächen zwischen nicht magnetischen und ferromagnetischen Schichten zusammenhängt, das heißt an den Stoßflächen benachbarter Schichten mit jeweils einem Oberflächenbereich S. Die Stärke der resultierenden Oberflächen-Koppelenergie ist bei Materialien mit höherer Sättigungsmagnetisierung größer (angenommenerweise proportional zu dem Quadrat der Sättigungsmagnetisierung), nimmt aber mit zunehmender Dicke TC der nicht magnetischen Schichten exponentiell ab (wenngleich es eine Oszillation zwischen ferromagnetischer und antiferromagnetischer Kopplung im Bereich der Dicke gibt). Ein in eine Richtung entlang der einfachen Achsen der ferromagnetischen Schichten angelegtes äußeres Magnetfeld kann bei einer gewissen Stärke die Magnetisierungen dieser Schichten in parallelen Zustand entlang der angelegten Feldrichtung zwingen. An dieser Stelle sind die Änderung der Kopplungsenergie und die magnetostatische Energie des angelegten Feldes einander gleich. Wenn Ei für die Differenz der Oberflächenbereiches-Energiedichte zwischen paralleler und antiparalleler Orientierung der Magnetisierungen der ferromagne tischen Schichten steht, wenn das effektive Koppelfeld (ein Schwellenwert, den das angelegte äußere Feld überschreiten muß, um die antiparallel zu dem angelegten Feld orientierte Magnetisierung in der Schicht umzudrehen) mit Hcoupl bezeichnet wird, so läßt sich dieses Energiegleichgewicht annähernd darstellen in der Form MSSTm2Hcoupl = EiS, so daß sich für Hcoupl der Wert Ei/2MSTm ergibt.

Wenn eine weitere nicht magnetische und eine weitere ferromagnetische Schicht ähnlich den Schichten I'&sub1; und F'&sub2; auf der Schicht F'&sub2; hinzugefügt werden, so ist die Magnetisierungskonfiguration geringster Energie in Beisein eines kleinen extern angelegten Feldes für die beiden äußeren ferromagnetischen, zu magnetisierenden Schichten in Richtung jenes Feldes, wobei die innere ferromagnetische Schicht in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert ist. In dieser Situation besitzt die innere ferromagnetische Schicht aufgrund des extern angelegten Feldes eine potentielle Energie, deren Wert doppelt so hoch ist wie in der oben beschriebenen Struktur, da nunmehr zwei Oberflächen der in entgegengesetzte Richtungen erfolgenden Neuorientierung ihrer Magnetisierung widerstehen, das heißt Hcoupl = Ei/MSTm.

Somit erweist sich das koppelnde Feld als erhöht, wenn die Anzahl ferromagnetischer Schichten in der Sensorstruktur gesteigert wird. Es bestehen Zweifel, ob eine weitere Steigerung des Koppelfeldes erfolgt oder nicht, wenn weitere nicht magnetische und ferromagnetische Schichten hinzugefügt werden, wobei teilweise angenommen wird, daß es eine Erhöhung um einen Faktor (1 - 1/N) gibt, wobei N die Anzahl ferromagnetischer Schichten innerhalb der Struktur ist. In jedem Fall nimmt das Koppelfeld zumindest in gewissem Grad mit der Anzahl ferromagnetischer Schichten zu und es nimmt ebenfalls zu mit der Sättigungsmagnetisierung, wenngleich MS im Nenner der beiden letzten Gleichungen auftritt, da nämlich Ei proportional zum Quadrat der Sättigungsmagnetisierung ist, wie oben angedeutet wurde. Andererseits nimmt das Koppelfeld mit zunehmender Dicke der nicht magnetischen Schicht oder Schichten ab, da Ei damit exponentiell abnimmt. Eine Steigerung der Dicken der ferromagnetischen Schichten reduziert auch das Koppelfeld, wie anhand des Faktors Tm in dem Nenner der beiden letzten Gleichungen erkennbar ist.

Es sei nun der Betrag des obigen GMR-Effekts gegeben in der Form

welche umgeschrieben werden kann, wenn man berücksichtigt, daß die darin enthaltenen Flächenleitwerte in entsprechende Schicht- Leitfähigkeitswerte umgewandelt werden können, indem jene Flächenleitwerte durch die entsprechenden Schichtdicken dividiert werden. Das heißt: eine Substitution der Flächenleitwerte in der letzten Gleichung auf der Grundlage σmN = γmN/Tm, σm1 = γm1/Tm und σc = γc/Tc liefert

Da angenommen wird, daß P als Polarisation der Leitungselektronen in dem ferromagnetischen Material proportional zur Sättigungsmagnetisierung ist, nimmt das GMR-Ansprechverhalten auch mit größer werdenden Werten der Sättigungsmagnetisierung zu. Dieser Effekt steigt außerdem mit erhöhter Anzahl der ferromagnetischen Schicht an sowie bei abnehmender Dicke der nicht magnetischen Schicht, wie aus der letzten Gleichung ersichtlich ist. Ungeachtet des die Dicke der ferromagnetischen Schichten repräsentierenden Faktors, der unterhalb des Bruchstrichs des letzten Terms rechts im Nenner der obigen Gleichung auftaucht und vermuten läßt, daß der GMR-Effekt mit Verringerung des Wertes dieses Faktors abnimmt, ist das Gegenteil hiervon der Fall. Der GMR-Effekt nimmt vielmehr bei Abnahme der Dicke zu, weil der Zählerfaktor (σmN - σm1) noch stärker bei Abnahme der ferromagnetischen Schichtdicken zunimmt, da dieser Effekt wohl von der Oberflächenstreuung abhängt und diese Streuung im Verhältnis zur Streuung im massiven Material zunimmt, wenn die ferromagnetische Schicht dünner wird.

Folglich führen die gleichen Parameteränderungen, die zu größeren Werten des GMR-Effekts führen, auch zu höheren Werten für das Koppelfeld und damit für die hohe Korrelation zwischen diesen Werten. Im Ergebnis haben Supergitter- oder Sandwich-Strukturen, welche für hohe Werte des GMR-Effekts ausgelegt sind, auch die Tendenz starker Koppelfelder, was zu relativ hohen Werten des angelegten Feldes führen, um Sättigungswerte für die Widerstandsänderung in der Struktur aufgrund von deren Magnetoresistenz zu erreichen. Folglich ist eine Maßnahme erwünscht, die es einer Struktur ermöglicht, einen starken GMR-Effekt zu besitzen, um auch im größten Teil der möglichen Widerstandsänderung auf Änderungen ansprechen zu können, die bei Magnetfeldern mit relativ geringer Stärke in solchen Situationen auftreten, in denen solche Felder erfaßt werden sollen.

Eine Masse magnetisch permeablen Materials, speziell eines Materials, welches im Vergleich zu seiner Breite relativ lang ist und so positioniert ist, daß seine Länge mit der interessierenden Feldkomponente ausgerichtet ist, kann ein Mehrfaches des magnetischen Flusses konzentrieren, welcher aus solchen Flächen austritt, die etwa senkrecht zu jener Komponente gegenüber dem Umgebungswert dieser Feldkomponente orientiert sind. Ein solcher Flußkonzentrator konzentriert folglich den Umgebungsfluß, in welchem er sich befindet, wodurch er effektiv den Umgebungsfluß "verstärkt" und die resultierende Zunahme des Flusses irgendeinem Objekt vermittelt, welches sich mehr oder weniger nahe an dem betreffenden Ende befindet. Wenn dieses Objekt nun eine oben beschriebene GMR-Effekt- Struktur ist, so wird ein relativ schwaches Umgebungsfeld, in welchem Änderungen nur von einem relativ kleinen Anteil der in der Struktur aufgrund von deren Magnetoresistenz verfügbaren Widerstandsänderung Gebrauch machen würden, durch geeignete Konzentrator-Ausgestaltung in ausreichendem Maß "verstärkt", um dann von nahezu der gesamten in dieser Struktur verfügbaren Widerstandsänderung Gebrauch zu machen. Dies ergäbe eine viel bessere Empfindlichkeit für diese Struktur ungeachtet eines hohen Wertes für das Widerstands-Sättigungsfeld, wie er für den durch die Struktur gezeitigten großen GMR-Effekts charakteristisch ist.

Für den Konzentrationsfaktor eines Paares derartiger Flußkonzentratoren, die jeweils aus einem Feststoff-Parallelepiped mit der Länge L, der Breite W und der Dicke T gebildet sind, und die sich mit ihrer Längsrichtung parallel zu einer gemeinsamen Achse erstrecken, zwischen sich aber eine Lücke G haben, in der oder in der Nähe von der eine oder mehrere GMR- Effekt-Strukturen der oben beschriebenen Arten angeordnet sind, läßt sich eine Approximation für den Konzentrationsfaktor angeben. Die Approximation basiert darauf, daß jeder dieser Festkörper als angenäherter Sphäroid aufgefaßt wird, der maximale Querschnittsfläche senkrecht zu seiner Hauptachse besitzt, genauso groß wie die Querschnittsfläche des entsprechenden Feststoff-Parallelepipeds rechtwinklig zu dessen Länge, wobei die Länge seiner Hauptachse der Länge des entsprechenden Festkörpers entspricht. Jede magnetische Wechselwirkung zwischen einem Flußkonzentrator und dem anderen oder mit irgendeiner anderen Struktur aus magnetischem Material wird hierbei vernachlässigt.

Das interne Magnetfeld Hin ist in einer derartigen Masse magnetischen Materials die Differenz zwischen dem angelegten Magnetfeld Ha und dem im Inneren resultierenden Entmagnetisierungsfelds HD, das heißt Hin = Ha - HD. Da das Entmagnetisierungsfeld definiert ist durch HD = 4πNM, wobei N der Entmagnetisierungsfaktor des Magnetmaterial-Körpers und M dessen Magnetisierung ist, die bei einem gestreckten Sphäroid im wesentlichen konstant ist, wird das interne Feld zu Hin = Ha - 4πNM. Die magnetische Flußdichte in dem Sphäroid beträgt Bin = Hin + 4πM oder, alternativ, Bin = uHin, wobei von einer linearen Beziehung zwischen dem Fluß und dem internen Feld (nicht in der Nähe der Sättigung) ausgegangen wird und ur die reversible Permeabilität ist. Folglich läßt sich die Magnetisierung durch Gleichsetzung der beiden rechten Seiten der zwei letzten Gleichungen in folgender Form umschreiben:

M = (ur - 1)Hin / 4π.

Das Einsetzen von Hin vor den beiden Fluß-Ausdrücken in die letztere Gleichung ergibt

M = (ur - 1)Ha / 4π[1 - N(ur - 1)].

Wenn folglich ur ausreichend groß ist und die Magnetmaterialmasse die Form eines gestreckten Sphäroids einnimmt, bei dem die Länge der Hauptachse ausreichend stark begrenzt ist, damit N nicht zu klein ist, gilt M = Ha/4πN.

Bekanntlich ist ein magnetisierter gestreckter Sphäroid in der Lage, seinen Beitrag zu dem äußeren Magnetfeld aus seiner Magnetisierung zu leisten, gekennzeichnet durch eine effektive Oberflächenverteilung der freien magnetischen Pole. Bei der Bestimmung seines Beitrags zu dem äußeren Feld entlang der Achse, die sich von seiner Hauptachse (diese Hauptachse fällt mit der Sphäroid-x-Achse mit x = 0 in der Sphäroid-Mitte zusammen, wobei die y-Achse entlang der vertikalen Nebenachse bei gleichem Ursprung verläuft) in den Spalt erstreckt, läßt sich eine äquivalente Linien- Polyerteilung entlang der Sphäroid-Hauptachse dadurch finden, daß man die Änderung der Querschnittsfläche des Sphäroids senkrecht zu dessen Hauptachse für Lageänderungen entlang dieser Achse findet, multipliziert mit der dort angetroffenen ungefähren Magnetisierung. Dieser Querschnitt ist ein Kreis mit einem Radius, der sich mit der Position entlang der Hauptachse ändert und einen Maximalwert b auf einer Nebenachse in der Mitte des Sphäroids aufweist, und dort eine Fläche A hat, die sich durch πy² beschreiben läßt, demzufolge ihre Änderung mit dem Wert x lautet:

dA/dx = 2xy dy/dx.

Der Querschnitt des gestreckten Sphäroids durch sowohl die Hauptachse (x-Achse) als auch seine Nebenachse, die auch die y-Achse bildet (ein Querschnitt rechtwinklig zu dem soeben beschriebenen kreisförmigen Querschnitt) ist eine Ellipse mit einer Nebenachse der Länge 2b = 2(TW/π)1/2 und einer Hauptachse der Länge 2a = L gemäß folgender Gleichung:

woraus sich ergibt:

dy/dx = - xb²/ya².

Berücksichtigt man, daß die Magnetpol-Linienverteilung p(x) gleich MdA/dx ist, da es eine Poldichte-Zunahme in Richtung der Enden der Hauptachse des gestreckten Sphäroids in der Polyerteilung gibt, gegen die hin die kreisförmige Querschnittsfläche abnimmt, so lautet die Pol- Linienverteilung

Aus der Theorie des Elektromagnetismus liefert das Feld in dem Spalt aufgrund einer der Pol-Linienverteilungen des magnetisierten gestreckten Sphäroids, Hg:ld = p(x)/r, wobei r der Abstand von der Mitte des Spalts zu einem Magnetpol in dem Sphäroid ist, gegeben durch r = (G/2 + a) - x. Zwei derartige gestreckte Sphäroide, jeweils auf einer Seite des Spalts, bedeuten bei Abwesenheit einer gegenseitigen magnetischen Wechselwirkung, daß das Feld in der Mitte des Spalts doppelt so stark ist. Berücksichtigt man diese Erwägungen, so erhält man das Magnetfeld in der Mitte des Spalts, HG/2:2ld, durch Integrieren der Feldgleichung über die Magnetpolverteilung eines der Sphäroide:

Diese Integration läßt sich ausführen, so daß man das Ergebnis in geschlossener Form erhält:

Zusätzlich zu dem aufgrund der magnetisierten Feststoffe in dem Spalt vorhandenen Feld gibt es auch noch das angelegte Feld Ha, welches darauf addiert werden muß, um das Gesamtfeld in der Mitte des Spalts zu erhalten: HG/2:T oder HG/2:T = Ha + HG/2:2ld. Die Konzentration des Feldes in dem Spalt aufgrund des Vorhandenseins der magnetisierten Feststoffe läßt sich kennzeichnen durch einen Konzentrationsfaktor CG/2, gebildet durch das Verhältnis des Gesamt-Spaltfeldes zu dem angelegten Feld oder CG/2 = HG/2:T/Ha. Nach Einsetzen der oben für M, a und b gegebenen Werte wird dieser Faktor zu

Wie ebenfalls für gestreckte Sphäroide bekannt ist, beträgt deren Entmagnetisierungsfaktor N für entlang ihrer Hauptachse angelegte Felder:

was zu einem Konzentrationsfaktor

führt.

Wegen der vorgenommenen Annäherungen, insbesondere wegen des Ignorierens der Wechselwirkung zwischen den beiden magnetisierten Feststoffen, erwies sich dieses Ergebnis als um einen Faktor von etwa zwei zu niedrig. Dennoch wird durch dieses Ergebnis die relative Bedeutung der bei der Konzentration des angelegten Feldes eine Rolle spielenden verschiedenen Parameter verdeutlicht.

Die Permeabilität des magnetischen Materials in den Feststoffen ist ohne Bedeutung, wenn sie ausreichend groß ist, das heißt größer als ein Tausend, da sie dann nicht mehr in signifikantem Maß deren Magnetisierungen beeinflussen, wenn die Längen der Konzentrator-Feststoffe nicht zu groß sind. Die Dicke und die Breite der Festkörper ist ebenfalls relativ unbedeutend, wie man aus dem letzten Ergebnis ersieht, wenngleich es gewiß ausreichend magnetisches Material geben sollte, damit die Konzentrator- Magnetwerkstoffe nicht die magnetische Sättigung erreichen, bevor irgendwelche GMR-Effekt-Strukturen in dem Spalt zwischen den Festkörpern derart starken Magnetfeldern ausgesetzt sind, daß aufgrund dieses Einflusses die Widerstandsänderung in Sättigung geht. Vielmehr ist das Verhältnis der Länge jedes der Festkörper zu der Länge des Spalts von Bedeutung. Dies ist aus der graphischen Darstellung der Fig. 5 ersichtlich, in der die gemessenen Feldkonzentrationen in den Spalten ähnlicher Bauelemente für das entsprechende Längen-Spaltlängen-Verhältnis des Konzentrators dargestellt sind. Wie man sieht, ist bei größeren Längenverhältnissen der Konzentrationsfaktor im Wert sehr ähnlich dem entsprechenden Längenverhältnis-Wert.

Somit können die oben beschriebenen GMR-Effekt-Strukturen zum Erfassen kleinerer angelegter Magnetfeldänderungen in dem Spalt zwischen zwei Konzentratoren beträchtlicher Länge entlang einer durch jeden Konzentrator und den Spalt verlaufenden Achse mit gesteigerter Empfindlichkeit ausgestattet werden. In der Praxis werden üblicherweise mehr als nur eine einzige solche Struktur in dem Spalt angeordnet, um auf konzentrierte Magnetfelder anzusprechen und zu reagieren, da diese Strukturen üblicherweise zu irgendeiner Art von elektrischer Mehrfachverschaltung verschaltet sind, beispielsweise zu einer Brückenschaltung. Derartige Schaltungsanordnungen werden üblicherweise deshalb gewählt, um sowohl in geeigneter Weise die verschiedenen vorhandenen Strukturen elektrisch mit Energie zu versorgen, als auch dadurch unter dem Einfluß angelegter äußerer Magnetfelder erzeugte Signale zu messen.

In Fig. 6 ist in schematischer Form als Beispiel eine Brückenschaltung dargestellt, in welcher GMR-Effekt-Strukturen als Schaltkreiswiderstände dargestellt sind. Eine Spannungsquelle 20 ist zwischen die beiden gegenüberliegenden Knoten dieser Schaltung angeschlossen, an die jeweils zwei der insgesamt vier solche Widerstände elektrisch angeschlossen sind, wobei die negative Seite der Spannungsquelle auf Masse liegt. Darüber hinaus sind der invertierende und der nicht-invertierende Eingang eines Leseverstärkers 21 elektrisch mit einem entgegengesetzten der zwei verbleibenden anderen Knoten in der Brückenschaltung angeschlossen, an die auch zwei der vier Widerstände elektrisch angeschlossen sind. In Fig. 6B sind zwei GMR-Effekt-Strukturen als Schaltungswiderstände mit einem Ende elektrisch auf Masse gelegt. Ein Paar Stromquellen 20' und 20", ebenfalls jeweils mit einem Ende elektrisch auf Masse gelegt und mit dem anderen Ende elektrisch an (a) einen zugehörigen dieser Widerstände und (b) an einen entsprechenden invertierenden und nicht-invertierenden Eingang eines Signalverstärkers 21' angeschlossen.

In jeder dieser Figuren werden die Symbole R&sub1; und R&sub2; dazu benutzt, um sowohl die Strukturen oder Widerstände zu bezeichnen als auch deren elektrische Widerstandswerte anzugeben, wobei es zwei Paare von Widerständen mit gleichem Wert in der Schaltung nach Fig. 6A gibt. Typischerweise werden die als Widerstände in jeder dieser Schaltungen verwendeten Strukturen so gefertigt, daß sie zueinander passen (obwohl dies nicht so sein muß), und daß sie im wesentlichen identische Widerstandswerte bei identischen Bedingungen haben.

In jeder dieser Schaltungsanordnungen müssen benachbarte Widerstände innerhalb des Schaltkreises unter einem angelegten Magnetfeld unterschiedlich variieren, wenn sich ein Ausgangssignal ergeben soll. Hätten sie gleiche Änderungen, so ergäbe sich zwischen den Eingängen des Leseverstärkers ein Signalwert von Null. Dies gilt auch dann, wenn man die Feldrichtung für benachbarte Widerstände umkehrt, jedoch die Stärken für jedes Feld beibehält, bedingt durch die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie, die gleichen Widerstandswert für jeden Widerstand angibt. Folglich muß die Stärke der Felder, die von diesen Schaltungen erfaßt werden soll, für benachbarte Widerstände in der Schaltung unterschiedlich sein, um ein Lesesignal zu erhalten, welches repräsentativ für diese Felder ist. Wenn die zu erfassenden Stärken oder Änderungen der Felder ausreichend groß sind, brauchen keine Flußkonzentratoren für die GMR-Effekt-Strukturen (oder Widerstände) in keiner dieser Schaltungsanordnungen verwendet zu werden, bei kleineren Feldstärken jedoch können solche Konzentratoren bei den Strukturen jeder Schaltung eingesetzt werden.

Die GMR-Effekt-Strukturen oder Widerstände in jeder dieser Schaltungen werden bei der Benutzung so angeordnet, daß ihre Längserstreckung hauptsächlich parallel zu der Richtung verläuft, entlang der die angelegten Magnetfelder gelesen werden sollen, außerdem parallel zu den Längsachsen etwaiger Flußkonzentratoren, die in Verbindung damit eingesetzt wer den. Wenn entgegengesetzte Paare von Widerständen der Fig. 6A räumlich ausreichend weit beabstandet sind, oder wenn die beiden Widerstände in Fig. 6B voneinander ausreichend weit beabstandet sind, so daß an diesen getrennten Orten verschiedene Stärken des angelegten Magnetfelds vorhanden sind, repräsentieren die Ausgangssignale dieser Schaltungen den Gradienten des angelegten Feldes. Folglich kann die räumliche Änderung der Stärke des angelegten Magnetfelds dazu benutzt werden, mit diesen Schaltungen ein Ausgangssignal zu erhalten.

Allerdings ist eine solche räumliche Variation möglicherweise ohne Interesse oder steht in den Grenzen eines integrierten Schaltkreises, in den diese Schaltungen eingebaut sind, nicht zur Verfügung. Unter solchen Umständen müssen Entwurfsmaßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, daß die gewünschten Betragsdifferenzen des angelegten Magnetfelds in den Schaltkreisstrukturen oder Widerständen vorhanden sind. Solche Maßnahmen werden in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 6A beschrieben, sie können aber auf Wunsch auch bei der Schaltung nach Figur eingesetzt werden. Die erste zu beschreibende Option ist der Einsatz eines Vormagnetisierungsfeldes, welches verschiedene Strukturen oder Widerstände in der Schaltung unterschiedlich vormagnetisiert.

Dementsprechend werden in der Schaltung nach Fig. 6A die einander entgegengesetzten Paare von Strukturen oder Widerständen durch ein lokal erzeugtes Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen entlang der gewünschten Meßrichtung vormagnetisiert, so daß ein angelegtes Magnetfeld, welches in einer einzigen Richtung orientiert ist, das Gesamtfeld in einem der Paare erhöht, das Gesamtfeld in dem anderen der Paare jedoch verringert. Zwei Beispiele sind in den Fig. 7A und 7B anhand der Strukturen oder Widerstände der Schaltung nach Fig. 6A auf einem Substrat 10' und 11' dargestellt, wobei die beiden mit R&sub1; bezeichneten Widerstände als Gruppe auf der linken Seite des Substrats 10', 11' dargestellt sind, während die beiden mit R&sub2; bezeichneten Widerstände als eine Gruppe auf der rechten Seite des Substrats 10', 11' dargestellt sind, und die Widerstände in jeder Gruppe mit ihren Haupt-Längserstreckungen parallel zuein ander und zu der anderen Gruppe hin gerichtet sind. Wenngleich nicht dargestellt, sind diese Widerstände wie in der Schaltung nach Fig. 6A verschaltet.

In Fig. 7A ist ein Stab-Dauermagnet in die Ebene parallel zur Ebene des Substrats 10', 11' gebracht, wobei die Magnet-Längsachse zwischen den zwei Widerstandsgruppen zentriert ist. Im Ergebnis besitzt das von dem dem Substrat am nächsten gelegenen Ende des Magneten ausgehende Magnetfeld Komponenten, welche in eine Richtung durch die Widerstände in der einen der beiden Gruppe gehen, während sie in der anderen Richtung durch die Widerstände in der anderen Gruppe verlaufen, wobei diese Feldkomponenten durch die Hauptlängsrichtung jedes Gruppenelements verlaufen. Damit werden die Widerstände in jeder Gruppe magnetisch in einer Feldrichtung vormagnetisiert, die der Richtung entgegengesetzt sind, in der sie innerhalb der anderen Gruppe vormagnetisiert sind. Alternativ wird der Stab-Dauermagnet unterhalb des Substrats 10', 11' angeordnet (in Fig. 7B gestrichelt dargestellt), wobei seine Längsachse senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Substrats verläuft, so daß man im wesentlichen das gleiche Ergebnis erhält. Wenn der Stab-Dauermagnet aus einem Material mit einer beträchtlich großen Sättigungsinduktion von 5000 Gauss oder darüber und einer starken Koerzitivkraft von 2000 Oe oder mehr gebildet ist, schwankt das dadurch erhaltene Vormagnetisierungsfeld bei angelegtem, zu lesenden Feld kaum.

Die entsprechende Kennlinie des Widerstands in Abhängigkeit des angelegten Felds für die vormagnetisierten Widerstände der Fig. 7A oder 7B, angenähert durch zwei Seiten eines Dreiecks, sind für einen Widerstand aus jeder Gruppe dargestellt. Die Arbeitspunkte aufgrund der Vormagnetisierung oder die Vormagnetisierungspunkte für eine Vormagnetisierungsfeld-Komponente der Stärke Hb, welche sich für diese Widerstände ergeben, sind auf den Kennlinien der Fig. 8A als dunkle Punkte dargestellt, bei dem einen jedoch für negative Vormagnetisierung und den anderen für positive Vormagnetisierung, entsprechend der entgegengesetzten Richtung der jeweiligen Vormagnetisierungsfeld-Komponenten. In Fig. 8B ist das Ergebnis derartiger vormagnetisierter Widerstände bei einem angelegten Feld Ha seitens einer extern bezüglich der Systeme der Fig. 7A oder 7B befindlichen Quelle zum Erfassen der Feldstärke Ha-1 dargestellt. Dieses extern angelegte Feld enthält eine beliebige Komponente entlang der Primär-Längserstreckung der Widerstände in jeder Gruppe, welche in die gleiche Richtung für beide Gruppen läuft, so daß das Gesamtfeld für die R&sub1;-Widerstände deren Widerstandswerte erhöht oder verringert, jedoch das Gesamtfeld für die R&sub2;-Widerstände abnimmt, um deren Widerstandswerte zu erhöhen. Das Ergebnis besteht darin, daß man neue Arbeitspunkte für diese Widerstände erhält, die in Fig. 8B durch dunkle Punkte markiert sind. Eine Umkehrung der Richtung des gelesenen Feldes liefert das entgegengesetzte Ergebnis, indem der Widerstandswert für die R&sub1;-Widerstände erhöht und für die R&sub2;-Widerstände verringert wird.

Solche Anordnungen, wie sie in den Fig. 7A und 7B gezeigt sind, werden aufgrund der Vormagnetisierungserfordernisse wahrscheinlich ohne das Vorhandensein von Flußkonzentratoren verwendet werden, welche die Einstellung des Vormagnetisierungsfeldes verkomplizieren würden, wenn auch nicht unbedingt. In jedem Fall resultieren gemäß Darstellung diese Ausgestaltungen in einem Sensor, der sowohl bezüglich des Betrags des zu erfassenden angelegten Magnetfelds als auch für dessen Richtung empfindlich ist. Dies kann man anhand des Ausgangssignals vS für eine solche Anordnung erkennen, welches als Eingangsgröße für den Leseverstärker fungiert, indem man betrachtet, daß die beiden Seiten der Schaltung nach Fig. 6 parallel zur Spannungsquelle 20 jeweils Spannungsteiler sind. Unter Hinzunahme der bekannten Spannungsteilergleichung und bei Ansetzen eines Werts V für die Versorgungsspannung liefern die Spannungen an dem mittleren Knoten jedes Teilers nach Subtraktion zur Schaffung des Ausgangssignals

Nunmehr zu der Fig. 8B zurückkehrend, läßt sich der positive Teil des angelegten Magnetfelds für die R&sub1;-Widerstandskennlinie, die wegen der gewählten Richtung des Vormagnetisierungsfeldes betroffen ist, vernünftiger Weise durch eine lineare Funktion negativer Steigung zwischen einem angelegten Feld von Null und etwa dem Wert eines angelegten Felds darstellen, welches die GMR-Effekt-Widerstandsänderung in Sättigung bringt. Eine solche Funktion läßt sich schreiben in der Form

R&sub1; = R&sub0; - K(Ha + Hb),

wobei R&sub0; der Strukturwiderstandswert bei Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds und K die effektive Umwandlungskonstante zwischen dem angelegten Magnetfeld und dem resultierenden Widerstandswert aufgrund des GMR-Effekts ist. In ähnlicher Weise läßt sich der Anteil der R&sub2;- Widerstandskennlinie für ein negatives angelegtes Magnetfeld, wiederum aufgrund der Richtung des angelegten Vormagnetisierungsfeldes gegeben, vernünftiger Weise durch eine lineare Funktion positiver Form oder

R&sub2; = R&sub0; + K(Ha - Hb)

darstellen. Wenn man die letzten beiden Darstellungen in den Ausdruck für das Brücken-Ausgangssignal einsetzt, welcher vor den Darstellungen angegeben wurde, erhält man folgendes Resultat:

Damit folgt das Ausgangssignal dem zu erfassenden angelegten Magnetfeld, und seine Polarität folgt der Richtung des angelegten Magnetfelds, zumindest solange, wie das Feld eine Stärke hat, die das Vormagnetisierungsfeld nicht überschreitet.

Eine alternative Implementierung der in Fig. 6A dargestellten Brückenschaltung, die ebenfalls unterschiedliches Ansprechverhalten der Brückenschaltungs-Widerstände oder Strukturen bei einem zu erfassenden angelegten Magnetfeld liefert, besteht darin, entweder die Widerstände R&sub1; oder die Widerstände R&sub2; aus einem Material zu fertigen, welches auf ein solches angelegtes Feld nicht anspricht. Ein besseres Ergebnis dieser Art von Implementierung kann man dann erhalten, wenn man die Gesamtheit der Brückenschaltungs-Strukturen oder -Widerstände in der vorgenannten Weise ausbildet, jedoch entweder die Widerstände R&sub1; oder die Widerstände R&sub2; abschirmt, damit sie nicht dem angelegten Magnetfeld ausgesetzt werden. Dies geschieht dadurch, daß man eine Masse aus hoch permeablem Material über ihnen anordnet.

Dann läßt sich ein Ausgangssignal von der Brückenschaltung gewinnen, welches das angelegte Magnetfeld repräsentiert, wobei sich ähnliche oder übereinstimmende Reaktionen jeder der Strukturen oder Widerstände in der Schaltung auf Betriebstemperaturänderungen gegenseitig aufheben. Im Ergebnis wird die Reaktion der Brückenschaltung in dem Ausgangssignal auf derartige Temperaturänderungen reduziert oder beseitigt.

Eine Abschirmung zum effektiven Verhindern, daß ein angelegtes Magnetfeld die darunter befindlichen Widerstände auf dem Substrat signifikant beeinflußt, darf nicht zur Sättigung führen, da ihre relative Permeabilität groß sein muß, um eine gute Abschirmung der ihr eng benachbarten Zonen zu erhalten. Dies kann man aus den oben angegebenen Ausdrücken für die Felder in einer Masse aus magnetischem Material ersehen, für die die Magnetisierung fern von der Sättigung in Abhängigkeit des internen Feldes lautete:

M = (u - 1)Hin/4x,

wobei das interne Feld die Form Hin = Ha - 4πNM hatte. Die Beseitigung der Magnetisierung zwischen diesen Ausdrücken ermöglicht die Darstellung des internen Feldes in folgender Form:

wobei die Approximation wiederum davon ausgeht, daß ur ausreichend groß ist und die Masse des magnetischen Materials die Form eines länglichen Sphäroids oder eines Rechteck-Festkörpers hat, der durch einen länglichen Sphäroid approximiert werden kann, und bei dem die Länge der Hauptachse ausreichend stark begrenzt ist, damit N nicht zu klein wird.

Die tangentialen Magnetfelder an der Grenzfläche zwischen zwei einander nicht ähnlichen Materialien sind gemäß der Lehre des Elektromagnetismus gleicht. Damit also dieses interne Feld parallel zur Hauptachse der als länglicher Sphäroid approximierten Abschirmung verläuft, gibt es ein magnetisches Feld direkt außerhalb der oberen, der unteren und den seitlichen Flächen der Abschirmung mit dem Wert Ha/Nur. In anderen Worten: das Feld direkt außerhalb dieser Abschirmungsflächen reduziert sich von dem Wert des angelegten Feldes um einen Faktor 1/Nur. Die Verwendung des oben angegebenen Entmagnetisierungsfaktors für einen länglichen Sphäroiden führt zu folgendem Oberflächenstellen-Reduktionsfaktor:

Innerhalb der Fertigungsprozeß-Beschränkungen läßt sich also bei vernünftiger Auswahl der übrigen Parameter und geeignet großer relativer Permeabilität des Abschirmungsmaterials die Dicke der Abschirmung in ausreichendem Maß steigern, um den gewünschten Oberflächenstellen- Feldreduktionsfaktor an den oben angegebenen Oberflächen zu erreichen.

Es gibt eine Grenze dafür, wie nahe die abgeschirmten Widerstände in dem Substrat an den Abschirmungen gelegen sein können, wobei die Verringerung des Feldes sich um so mehr vermindert, je weiter weg von dem Abschirmungsmaterial sich die Lage des Widerstands befindet, bis eine gewisse Beabstandung zwischen ihnen ausreicht, damit das lokale Feld dort im wesentlichen dem Wert des angelegten Feldes entspricht. Dementsprechend gibt es einen Feldreduktionsfaktor für entfernte Stellen, welcher von den geometrischen Verhältnissen zwischen der Abschirmung und der Widerstands-Lage abhängt, die sich mit zunehmender Trennung der abgeschirmten Widerstände von der Abschirmung verringert. Approximiert man wiederum eine rechteckige feste Masse aus magnetischem Material, das für eine Abschirmung verwendet wird, als länglichen Sphäroid, und nimmt man weiterhin an, daß die abgeschirmten Widerstände sich unter der Mitte dieses festen Körpers befinden, so ergeben magnetostatische Überlegungen, daß die Änderung des Feldes eine Funktion des Abstands in das Substrat, z, ist, der die Widerstände von der Abschirmung trennt. Unter der Annahme, daß es keine Wechselwirkungen mit anderen magnetischen Stoffen gibt und das angelegte Feld entlang der Hauptachse des länglichen Sphäroiden verläuft, so ergibt sich die Feldkomponente parallel zu dem angelegten Feld in einer Entfernung z in das Substrat herein aus dem tangentialen Feld an der Substrat-Grenzfläche zu Hin, wie oben herausgefunden wurde, multipliziert mit einem von der Geometrie abhängigen Feldreduktionsfaktor für entfernte Stellen, wobei das Ergebnis dann mit dem angelegten Feld summiert wird. Der Faktor ergibt sich zu

Der logarithmische Term in dem obigen Ausdruck besitzt, da er einen Bruch als Argument aufweist, einen negativen Wert, was zu einem Term in dem Ausdruck der Komponente des vollen Feldes führt, der von dem angelegten Feld subtrahiert wird, um dem Abschirmungseffekt der Widerstände in ausreichender Nähe der Abschirmung Rechnung zu tragen. Nimmt man zur Auswertung dieses Ausdrucks den maximalen Wert von z zu -c an und ermittelt den Wert des Ausdrucks für vorgeschlagene Abstände zwischen Abschirmung und Widerständen, so kann man ein Verhältnis bilden, welches die Bruchteilsänderung der Zunahme des Feldes in Richtung des angelegten Feldes angibt. Eine Grenze für diese Zunahme legt die zulässige Trennung für eine gegebene Menge von Längen- und Breitenwerten für die rechteckigen Festkörper fest. Die Annäherung an diese Grenze und das Anstreben des Trennungs-Minimumwerts bei dem Fertigungsprozeß führt möglicherweise dazu, daß man die Differenz zwischen der Abschirmungs- Länge und -Breite justieren muß, um den gewünschten Abschirmungseffekt zu erzielen.

Wenngleich der gewünschte Wert für den Oberflächenstellen- Feldreduktionsfaktor an den oben angesprochenen Flächen auf eine Minimum-Dickengrenze des magnetischen Abschirmungsmaterials in Form eines Rechteck-Festkörpers eingestellt werden kann, so muß dennoch eine weitere Grenze berücksichtigt werden, um auch die weiteren, oben angegebenen Erfordernisse zu erfüllen. Das heißt: das Abschirmungsmaterial muß in ausreichender Menge vorhanden sein, um seine Sättigung durch das angelegte Feld zu vermeiden, wenn der Abschirmungseffekt aufrecht erhalten werden soll. Wenn das Sättigungs-Entmagnetisierungsfeld HD-Sat größer ist als das maximale angelegte Feld, geht das Abschirmungsmaterial nicht in Sättigung. Wie oben angedeutet ist, läßt sich das Entmagnetisierungsfeld ausdrücklich in der Form HD = 4πNM. Unter Verwendung des oben angegebenen Entmagnetisierungsfaktors für einen länglichen Sphäroiden erhält man daraus

Setzt man M = Msat oder den Magnetisierungs-Sättigungswert, und verwendet man den dafür bekannten, typischen Wert für Permalloy- Werkstoffe von etwa 10000 Gauss, kann man das Sättigungs- Entmagnetisierungsfeld aus diesem Ausdruck erhalten. Wenn man den Bereich der erwarteten zu erfassenden angelegten Felder kennt, lassen sich die geometrischen Abschirmungsparameter so justieren, daß das Sättigungs-Entmagnetisierungsfeld nicht so klein wird wie der maximale Wert in diesem Bereich.

Beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 6A mit einer solchen Abschirmung über jedem der Widerstände R&sub2; hätten die Widerstände gemäß der obigen Gleichung unter der Annahme, daß kein wirksames Vormagnetisierungsfeld vorhanden ist, den Widerstandswert R&sub0;, im wesentlichen unabhängig von dem angelegten Magnetfeld, egal, ob dieses in positiver oder negativer Richtung angelegt wird, da über ihnen sich die Abschirmung befindet. Die Widerstandswerte der Widerstände R1 für in positiver Richtung angelegte Felder würde ebenfalls unter der Annahme, daß kein wirksames Vormagnetisierungsfeld vorhanden ist, aus der obigen Gleichung folgende Beziehung liefern:

R&sub1; = R&sub0; - KHa.

Eine Betrachtung der Widerstandskennlinie der Fig. 8A unter Nichtbeachtung des dort gezeigten Vormagnetisierungsfeldes zeigt, daß der negative Feldanteil der Kennlinie durch die gleiche Gleichung dargestellt würde, da die Steigung dieses Teils positiv ist. Setzt man diese Ergebnisse in die obige Gleichung für die Signalspannung vS der Schaltung nach Fig. 6A ein, so erhält man

was für Werte von R&sub0;, die viel größer als KHa sind, eine im wesentlichen lineare Beziehung zu Ha bedeutet. Damit ist ein solcher Sensor unter Verwendung der in Fig. 6A dargestellten Brückenschaltung mit zwei der abgeschirmten Strukturen oder Widerständen ein Absolutwertsensor für ein angelegtes Magnetfeld.

Da der oben aufgefundene Konzentrationsfaktor nicht in starkem Maß von der Dicke des Konzentrators abhing, und da die Abschirmungsanforderungen nicht in signifikantem Maß von der Dicke der Abschirmung abhängen, läßt sich ein äußerst kompakter Hochleistungs-Magnetsensor zum Erfassen magnetischer Felder herstellen, insbesondere für Felder geringerer Stärke, also solcher Felder, die die GMR-Effekt-Widerstandskennlinie für die oben beschriebenen Strukturen sättigen würden. Wenn zwei getrennte Massen aus magnetischem Material in Formen vorhanden sind, die sich zur Verwendung als Flußkonzentratoren bei zwei GMR-Effekt-Strukturen oder -Widerständen eignen, kann bei der in Fig. 6A dargestellten Schaltung eine dieser gleichen Massen gleichzeitig auch in einer Form vorliegen, die sich für eine zusätzliche Verwendung als magnetische Abschirmung für die anderen beiden Strukturen oder Widerstände in dieser Schaltung eignet. Eine derartige Anordnung ist in den Fig. 9A und 9B dargestellt.

Das in Fig. 9A in Draufsicht dargestellte Bauelement ist als monolithische, integrierte Schaltung auf einem Halbleiterchip-Substrat 10, 11 ausgebildet, so daß eine dazugehörige Betriebsschaltung gleichzeitig darauf ausgebildet sein könnte, wobei das Bauelement aber auch alternativ als integrierte Hybridschaltung auf einem Keramiksubstrat ausgebildet sein könnte. Eine Konzentrator-Abschirmung 30A und ein Konzentrator 30B aus Permalloy (typischerweise mit etwa 80% Nickel und etwa 20% Eisen zur Schaffung einer annähernden Magnetorestriktion von Null für diese Massen auf der Trägerschicht über den Widerständen am Substrat 10, 11) sind in der Figur über einem Teil der integrierten Schaltung in dem Bauelement dargestellt, bei der es sich um die Implementierung des Brückenteils der als schematisches Diagramm dargestellten Schaltung nach Fig. 6A handelt. Die optional vorgesehene Schutzschicht, die über diesen Konzentratoren vorhanden sein kann, wurde aus Gründen der Deutlichkeit weggelassen, so daß die Konzentratoren in ausgezogenen Linien dargestellt sind, jedoch die direkt darunter befindliche Sensorschaltung in gestrichelter Form angegeben ist (auf dem Substrat 10, 11 sind keine integrierten Schaltkreise dargestellt), ausgenommen die Öffnung oberhalb der Widerstände R&sub2;, während der Rest der Sensorschaltung in ausgezogenen Linien dargestellt ist. Jeder der beiden Widerstände R&sub1; befindet sich in der Lücke zwischen der Konzentrator-Abschirmung 30A und dem Konzentrator 30B etwas nach unten versetzt, ausgebildet sind die Widerstände jeweils als Serpentinenmuster, wobei jeder der zahlreichen aufeinanderfolgenden Haupt-Längenabschnitte des Musters, typischerweise mit einer Länge von etwas weniger als 90 um, parallel zueinander und entlang der Längsachse der Konzentrator-Abschirmung 30A und des Konzentrators 30B angeordnet sind, um mit der konzentrierten Feldkomponente ausgerichtet zu sein, die daraus entlang dieser Achse resultiert. Nur sehr kurze Verbindungen senkrecht zu dieser Achse dienen zum Verbinden der Enden der Widerstands-Längenabschnitte mit den entsprechenden Enden benachbarter Längenabschnitte, so daß die Abmessung des Widerstands insgesamt in der Richtung senkrecht zu den Widerstands-Längenabschnitten etwas geringer ist als die Widerstandslänge.

Eine alternative Anordnung für die Widerstände R&sub1; ist in Fig. 10 dargestellt, wo diese beiden Widerstände miteinander "verschachtelt" sind. Eine solche Anordnung kann zu einer besseren Anpassung der Kennlinien zwischen diesen beiden Widerständen führen, wenn sie als Ersatz verwendet werden, allerdings auf Kosten einer Überkreuzung für die Verbindungsschaltung.

Widerstände R&sub2; hingegen befinden sich unterhalb der Konzentrator- Abschirmung 30A mehr oder weniger weit unterhalb von deren Mitte, im übrigen aber genauso ausgebildet wie die Widerstände R&sub1;. Dort werden die Widerstände R&sub2; im wesentlichen gegenüber angelegten Magnetfeldkomponenten abgeschirmt, die entlang der Längsachse der Konzentrator- Abschirmung 30A und des Konzentrators 30B auftreten. Die Widerstände R&sub2; könnten alternativ miteinander verschachtelt sein, so beispielsweise, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.

Typische Abmessungen für die Konzentrator-Abschirmung 30A und den Konzentrator 30B in Fig. 9A sind: eine Länge von 405 um, eine Breite von 250 um und eine Dicke von jeweils 12,5 um. Die Konzentrator- Abschirmung 30A befindet sich als Ergebnis des Fertigungsvorgangs etwa 2 um oberhalb der Widerstände R&sub2;. Die Lücke, die die Konzentrator- Abschirmung 30A und den Konzentrator 30B voneinander trennt, ist typischerweise ein bißchen größer als 90 um. An einem Lückenende sowohl der Konzentrator-Abschirmung 30A als auch den Konzentrators 30B dient eine 1 : 2-Verjüngung zum allmählichen Verschmälern der Lücken-Enden, wobei jeder Rand jedes Lückenendes um 25 um gegenüber der entsprechenden Hauptseite versetzt ist, wobei die Verjüngung 50 um rückwärts bezüglich der Lückenenden beginnt. Typische Abmessungen des integrierten Schaltungschips, welches als Sensorsubstrat dient, sind 77 mil auf 18 mil.

Die Dicken- und Positionstrennungs-Abmessungen, die oben angegeben wurden, lassen sich besser in Fig. 9B erkennen und verstehen, wobei es sich um eine fragmentarische Querschnittansicht eines Teils der Fig. 9A an einer Stelle handelt, an der ein Teil eines Widerstands R&sub2; ersichtlich ist. Diese Ansicht dient auch dem Verständnis des Fertigungsprozesses, indem sie einige der Strukturen darstellt, die sich aus der Ausführung der Schritte dieses Prozesses ergeben, dessen Hauptschritte im folgenden beschrieben werden.

Auf einem Siliciumwafer 10 befinden sich etwa 1.000 nm (10.000 Å) Siliciumnitrid 11, durch Sputter-Niederschlagung aufgebracht, um ein Substrat 10, 11 zu erhalten. Eine GMR-Mehrlagenschicht mit einem spezifischen Flächenwiderstand von etwa 12 Q/ oder mehr, bei dem der GMR- Effekt 10% übersteigt, und der ein Sättigungsfeld von etwa 200 Oe auf weist, wird in der oben beschriebenen Weise durch Sputtern auf dem Nitrid 11 in einer Sputter-Maschine niedergeschlagen, um Grundlage ihr die Schaltkreiswiderstände zu sein. Diese Mehrlagenschicht (die etwa 40 nm (400 Å) dick ist), wird mit 10 nm (100 Å) aufgesputtertem Tantal passiviert, was auch als Zwischenverbindungs-Grenzfläche dient. Der Wafer wird dann mit 10 nm (100 Å) Chromsilicid durch Sputtern abgedeckt, welches auch als Ätzstopper fungiert, und dann werden erneut 150 nm (1500 Å) Siliciumnitrid durch Sputtern aufgebracht. Eine erste Maske umreißt die Mehrschichtstrukturen, die für die Widerstände R&sub1; und R&sub2; gewählt werden, wobei Grundlage der Einsatz eines reaktiven Ionenätzschritts ist, um durch die zuletzt niedergeschlagene Siliciumnitridschicht zu dem Chromsilicid hin durchzuätzen, welches - wie erwähnt - als Ätzstopper an solchen Stellen fungiert, an denen Strukturen für diese Widerstände nicht vorhanden sein sollen. Dann wird durch Ionen-Fräsen durch das Chromsilicid, das Tantal und die Mehrlagenschicht bei einer Überätzung von etwa 30 nm (300 Å) zur Gewährleistung einer vollständigen Ätzung hindurchgeschnitten, um dadurch die Strukturen für diese Widerstände zu bilden, auf denen das Tantal als Verbindungs-Grenzfläche 13' verbleibt. Es gibt dort auch eine Chromsilicidschicht und einen Siliciumnitrid-Rest über dieser Chromsilicidschicht, die auf den geschützten Widerstandsstrukturen verbleibt.

Dann wird der Wafer mit 150 nm (1500 Å) Siliciumnitrid durch Sputtern abgedeckt, und eine zweite Maske im Verein mit einem weiteren reaktiven Ionenätzschritt öffnet Kontaktierungsdurchgänge zu den Chromsilicid- und Tantalschichten der mehrlagigen Widerstandsstrukturen, um diese Strukturen zu verbinden (und auch Verbindungsstrukturen zu verbinden, die für die Zwischenverbindungen zu den Schaltungen in der integrierten Schaltung zu schaffen, die innerhalb des Halbleiterwafers 10 darunter liegen). Es bleibt eine Chromsilicidschicht 31 auf den Strukturen übrig, wobei ein gewisser verbleibender Anteil davon in den Durchkontaktierungen vorhanden ist, worauf wiederum ein Siliciumnitrid-Rest 32 um die Durchkontaktierungen hindurch verbleibt, einschließlich des früheren Siliciumnitrid- Rests 32'. Dann wird durch Aufsputtern auf den resultierenden Aufbau eine 500 nm (5000 Å) dicke Aluminiumschicht, legiert mit 2% Kupfer, aufgebracht, und diese Schicht wird mit Hilfe einer dritten Maskenschicht geätzt, um sie in elektrischem Kontakt mit den Widerstandsstrukturen über die Durchkontaktierungslöcher zu lassen und sie mit der gewünschten elektrischen Verbindung für das Bauelement gemäß Fig. 9A zu belassen. Dieses Ätzen wird wiederum durch einen chemischen Naßätzschritt bewerkstelligt, um diese Verbindungsanordnung 33 zu erhalten.

Eine weitere 1000 nm (10000 Å) starke Siliciumnitridschicht 34 wird anschließend auf diese Verbindungsanordnung gesputtert. Diese zuletzt gebildete Siliciumnitridschicht soll als Grundlage für die Konzentrator- Abschirmung 30A und die Abschirmung 30B dienen, die darauf als dickes (0,5 mil) Permalloy-Material niedergeschlagen werden. Dieses Niederschlagen beginnt mit einer 100 nm (1000 Å) dicken Niederschlags- Keimschicht aus Permalloy, die auf diese Siliciumnitrid-Basis aufgesputtert wird. Dieser anfängliche Niederschlag wird dann mit einer Dickenschicht aus Photoresistmaterial überzogen, die belichtet und entwickelt wird, um die Zonen zu definieren, in denen die Hauptteile der Konzentrator-Abschirmung 30A und des Konzentrators 30B niedergeschlagen werden sollen. Daran anschließend erfolgt ein chemisches Niederschlagen einer 4 um dicken Goldschicht auf den freiliegenden Bereichen des Permalloy-Keimniederschlags. Das Gold verbessert das Haften der zu schaffenden Hauptabschnitte. Solche Hauptabschnitte werden dann chemisch auf das freiliegende Gold niedergeschlagen, wobei sie eine Dicke von 12,5 um erreichen, um die Konzentrator-Abschirmung 30A in Fig. 9B zu bilden.

Das entwickelte Photoresistmaterial wird dann entfernt, und der resultierende Aufbau wird dann in ein Bad eingetaucht, welches aus einem Gemisch aus Phosphor, Essig- und Salpetersäure besteht, um die 100 nm (1000 Å) dicke Permalloy-Keimschicht aus sämtlichen Bereichen zu entfernen, die nicht unterhalb entweder der Konzentrator-Abschirmung 30A oder dem Konzentrator 30B liegen. Anschließend definiert eine Entmaske Bond-Pads, und dazugehörige Durchkontaktierungen für die Verbindung sanordung 33 werden mit Hilfe dieser Maske und eines reaktiven Ionenätzschritts gebildet. Diesem letzten Ätzschritt kann eine weitere Sputter- Niederschlagung von Siliciumnitrid aus Gründen des Schutzes vorausgehen, falls dies erwünscht ist, um die Schicht zu bilden, die in Fig. 9B durch gestrichelte Linien dargestellt und mit 35 bezeichnet ist. Nach dieser Bildung der Bond-Pad-Durchkontaktierungen ist der Wafer dann fertig zur Waferprüfung, -auftrennung und -gehäusung.

Die aus einem solchen Fertigungsprozeß entstehenden Bauelemente haben die Widerstände R&sub2; mit einer ausreichenden Abschirmung zur Reduzierung des dort auftretenden Magnetfelds um etwa 95% gegenüber dem Umgebungsfeld versehen. Darüber hinaus hatten die Widerstände R&sub1; das dort herrschende Feld um einen Faktor 5 konzentriert, so daß sie sich in einem Feld einer Stärke befanden, die etwa 5-mal so hoch wie das Umgebungsfeld war. Damit stellt das Bauelement nach den Fig. 9A und 9B einen effektiven Sensor für Magnetfeldkomponenten dar, die entlang der Achse ausgerichtet sind, die durch die Konzentrator-Abschirmung 30A, den Konzentrator 30B und die dazwischen befindliche Lücke läuft.


Anspruch[de]

1. Magnetoresistive Dünnschichtlagenstruktur, umfassend:

ein Substrat mit einem Hauptflächenabschnitt;

eine auf dem Substrat-Hauptflächenabschnitt befindliche, magnetoresistive, anisotrope erste ferromagnetische Dünnschicht;

eine auf der ersten ferromagnetischen Dünnschicht mit einer Dicke von weniger als 5 nm (50 Å) vorgesehene Zwischenschicht, die aus einer im wesentlichen nicht magnetischen, leitenden Legierung gebildet ist, die zwei im wesentlichen unvermischbare Komponenten und eine dritte, zumindest teilweise vermischbare Komponente enthält; und

eine magnetoresistive, anisotrope zweite ferromagnetische Dünnschicht auf der Zwischenschicht.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der die im wesentlichen unvermischbaren Komponenten Kupfer und Silber sind.

3. Struktur nach Anspruch 1, bei der die mindestens teilweise mischbare Komponente Gold ist.

4. Struktur nach Anspruch 1, bei der die magnetoresistive Dünnschichtlagenstruktur eine erste Struktur und eine aus einer Mehrzahl von Struk turen ist, die jeweils eine Aufeinanderfolge von Schichten ähnlich jenen in der Aufeinanderfolge der ersten ferromagnetischen Schicht, der Zwischenschicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht innerhalb der ersten Struktur umfassen.

5. Struktur nach Anspruch 2, bei der die zumindest teilweise vermischbare Komponente Gold ist.

6. Struktur nach Anspruch 4, bei der zumindest zwei der mehreren Strukturen elektrisch miteinander verbunden sind und außerdem jeweils elektrisch mit einer Anschlußeinrichtung verbunden sind, die sich für den elektrischen Anschluß an eine elektrische Energiequelle eignet.

7. Struktur nach Anspruch 6, bei der eine der zwei elektrisch verbundenen Strukturen sich auf dem Substrat in einer Lücke zwischen zwei auf dem Substrat befindlichen permeablen Materialmassen befindet, und die verbleibende Struktur benachbart zu der Seite der einen der permeablen Materialmassen gegenüber dem Spalt entlang einer Achse angeordnet ist, die im wesentlichen parallel zu dem Substrat verläuft und sowohl durch die permeablen Materialmassen als auch durch den Spalt verläuft.

8. Magnetoresistive Dünnschichtlagenstruktur, umfassend:

ein Substrat mit einem Hauptflächenabschnitt;

eine magnetoresistive, anisotrope erste ferromagnetische Dünnschicht auf dem Substrat-Hauptflächenabschnitt;

+eine auf der ersten ferromagnetischen Dünnschicht mit einer Dicke von weniger als 5 nm (50 Å) vorgesehene Zwischenschicht aus einer im wesentlichen nicht magnetischen, leitenden Legierung, die zwei im wesentlichen unvermischbare Komponenten und eine dritte, zumindest teilweise vermischbare Komponente enthält, und

eine magnetoresistive, anisotrope zweite ferromagnetische Dünnschicht auf der Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die eine Komponente in einem größeren Anteil als die übrigen Komponenten enthält, wobei jene übrigen Komponenten innerhalb der Legierung in Anteilen enthalten sind, die ausreichen, eine antiferromagnetische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten ferromagnetischen Dünnschicht zu ermöglichen.

9. Struktur nach Anspruch 8, bei der die erste ferromagnetische Dünnschicht eine zweilagige Schicht ist, deren Lagen an der Zwischenschicht ein größeres magnetisches Moment als die übrigen Lagen aufweisen.

10. Magnetfeldfühler, umfassend:

ein Substrat mit einem Hauptflächenabschnitt;

ein Paar magnetoresistiver Dünnschichtlagenstrukturen nach den Ansprüchen 1 bis 9,

die auf dem Substrat vorgesehen sind, die miteinander elektrisch verbunden sind, und die außerdem jeweils elektrisch mit einer Anschlußeinrichtung verbunden sind, die sich für die elektrische Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle eignen; und

ein Paar mermeabler Materialmassen auf dem Substrat, wobei eine der zwei elektrisch verbundenen Strukturen sich in einem Spalt zwischen jenen befinden, während die verbleibende Struktur benachbart zu der Seite einer der permeablen Materialmassen angeordnet ist, die direkt auf dem Substrat ruht, jedoch von dem Spalt entlang einer Achse beabstandet ist, die im wesentlichen parallel zu dem Substrat und durch sowohl die permeablen Materialmassen als auch den Spalt verläuft.







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