DE10117355A1

DE10117355A1 - Verfahren zur Einstellung einer Magnetisierung in einer Schichtanordnung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10117355A1
Application number: DE10117355A
Authority: DE
Inventors: Gunther Haas; Gilbert Moersch; Andrew Johnson
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-04-07
Filing date: 2001-04-07
Publication date: 2002-10-17
Also published as: WO2002082111A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Einstellung, insbesondere lokalen Veränderung, der resultierenden Magnetisierungsrichtung (m¶2¶) in einer Schichtanordnung (2) mit einer ferromagnetischen Schicht (2a) und einer benachbarten antiferromagnetischen Schicht (2b) vorgeschlagen. Dazu wird die antiferromagnetische Schicht (2b) zunächst zumindest bereichsweise, insbesondere mit einem Laser, über eine Schwellentemperatur (T¶b¶) aufgeheizt, oberhalb derer der Einfluss dieses Bereiches auf die resultierende Magnetisierungsrichtung (m¶2¶) des benachbarten Bereiches (5, 6, 8, 9) der ferromagnetischen Schicht (2a) zumindest weitgehend verschwindet. Weiter wird dann zumindest der dem aufgeheizten Bereich der antiferromagnetischen Schicht (2b) benachbarte Bereich (5, 6, 8, 9) der ferromagnetischen Schicht (2a) einem externen Magnetfeld (H) vorgegebener Richtung ausgesetzt und schließlich die antiferromagnetische Schicht (2b) unter die Schwellentemperatur (T¶b¶) abgekühlt. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung eines magnetoresistiven, nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitenden Schichtsystems mit bereichsweise unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen (m¶2¶), die in Form von Wheatstone-Brücken zusammengeschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung, insbe sondere zur lokalen Veränderung, einer resultierenden Magne tisierungsrichtung in einer Schichtanordnung nach der Gat tung des Hauptanspruchs, sowie die Verwendung dieses Verfah rens zur Herstellung eines magnetoresistiven, nach dem Spin- Valve-Prinzip arbeitenden Schichtsystems.

Stand der Technik

Ein nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitendes magnetoresisti ves Schichtsystem, weist eine weichmagnetische bzw. ferroma gnetische Detektionsschicht, eine benachbarte, unmagneti sche, elektrisch leitfähige Zwischenschicht und eine der Zwischenschicht benachbarte, möglichst hartmagnetische Refe renzschicht mit vorgegebener räumlicher Orientierung der Richtung der resultierenden Magnetisierung auf. Bei geeigne ter Auslegung der Dicken der einzelner Schichten zeigt ein derartiges Schichtsystem dann eine Änderung des elektrischen Widerstands der Zwischenschicht gemäß:

R = R₀ + Ccosθ

Dabei bezeichnet θ den Winkel zwischen den zu der Detekti onsschicht gehörenden Magnetisierung m₁ bzw. deren Richtung und der zu der Referenzschicht gehörigen Magnetisierung m₂ bzw. deren Richtung. Da die Magnetisierung ml in der weichmagnetischen Detektionsschicht hinsichtlich der Richtung durch ein extern anliegendes Magnetfeld veränderbar ist, wo bei sie sich möglichst weitgehend parallel zu diesem aus richtet ausrichtet, tritt somit eine entsprechende Wider standsänderung in der Zwischenschicht auf, die typischerwei se im Bereich von 5% und 15% liegt ("Giant Magneto Resistan ce" (GMR)).

Magnetoresistive Schichtsysteme werden vielfach in Magnet platten und Leseköpfen eingesetzt, sie eignen sich jedoch auch zur Messung von Magnetfeldstärken und Richtungen von Magnetfeldern und insbesondere zur berührungslosen Erfassung von Drehzahlen und Winkeln sowie daraus abgeleiteter Größen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.

Bei magnetoresistiven Schichtsystemen nach dem Spin-Valve- Prinzip ist weiter bekannt, die hartmagnetische Referenz schicht aus zwei benachbarten, übereinander angeordneten Teilschichten auszuführen, einer unmittelbar an die Zwi schenschicht angrenzenden, relativ weichmagnetischen, ferro mahnetischen Schicht mit der Magnetisierung m₂, und einer darunter liegenden, antiferromagnetischen Schicht, welche die räumliche Orientierung der Magnetisierung m₂ in der weichmagnetischen, ferromagnetischen Schicht über den soge nannten "Exchange Bias Effekt" festlegt. Da die antiferroma gnetische Schicht nach ihrer Erzeugung durch ein externes Magnetfeld in ihren magnetischen Eigenschaften nicht oder kaum mehr verändert werden kann, muss eine Ausrichtung bzw. unidirektionale Anisotropie in der Referenzschicht bereits während Deposition der antiferromagnetischen Schicht durch Anlegen eines externen Magnetfeldes induziert werden.

Ein derartiger Aufbau der Referenzschicht aus ferromagneti scher und antiferromagnetischer Schicht hat den Vorteil, dass auch relativ starke externe Magnetfelder nicht zu einer Änderung der Richtung der Magnetisierung m₂ in der Referenz schicht führen.

Für praktische Anwendungen von magnetoresistiven Schichtsy stemen ist es vielfach unerlässlich, diese in einer Wheat stone'schen Brückenschaltung zu betreiben, um die relativ große Temperaturabhängigkeit des GMR-Effektes zu eliminie ren. Dazu ist bekannt, ein solches Schichtsystem auf einem Substrat abzuscheiden, in vier Einzelwiderstände, die bei spielsweise als mäanderförmige Leiterbahnen, Rechtecke oder Kreise ausgebildet sind, zu strukturieren, und dann mittels Leiterbahnen zu einer Wheatstone'schen Brücke zu verschal ten. Um dabei beispielsweise für eine Winkelmessung ein von einem extern anliegenden Magnetfeld richtungsabhängiges Brückenausgangssignal zu erhalten, ist weiter bekannt, die Magnetisierungsrichtungen der Bereiche der Referenzschicht, die die vier Einzelwiderstände R₁, R₂, R₃ und R₄ bilden, un terscheiden. Üblicherweise sind die Magnetisierungsrichtun gen der Bereiche der Referenzschicht, die von den Widerstän den R₁ und R₃ eingenommen werden, gegenüber den Bereichen, die von den Widerständen R₂ und R₄ eingenommen werden, um 180° gedreht. Damit ergibt sich als Brückenausgangsspannung eine Spannung U_B gemäß:

U_B = 2U₀Ccosθ

Eine Winkelmessung über einen Winkelbereich von 360° ist mit einer solchen Brückenschaltung jedoch nur dann möglich, wenn zwei miteinander verschaltete Wheatstone-Brücken gleichzei tig eingesetzt werden, die hinsichtlich der Richtungen der Magnetisierungen um 90° gegeneinander gedreht sind.

Problematisch bei einem magnetoresistiven Schichtsystem mit zwei gegeneinander gedrehten Wheatstone'schen Brückenschal tungen ist, damit einen Sensor herzustellen, der lokal un terschiedliche und gleichzeitig definierte Richtungen der resultierenden Magnetisierung m₂ insbesondere auf einem Chip aufweist. Dazu wurde bereits vorgeschlagen, die antiferroma gnetische Teilschicht durch einen sogenannten "künstlichen" Antiferromagneten zu ersetzen, der ein resultierendes magne tisches Moment besitzt. Auf diese Weise lässt sich die re sultierende Magnetisierung m₂ in der Referenzschicht nach träglich, d. h. auch nach der Deposition des Schichtsystems aus künstlichem Antiferromagneten und Referenzschicht, lokal mittels eines äußeren Magnetfeldes wieder verändern bzw. einstellen. Dabei muss man aber in Kauf nehmen, dass die Richtung der Magnetisierung m₂ in der Referenzschicht zwangsläufig auch durch externe Störfelder verändert werden kann. Ein derartiges GMR-Sensorelement wird von der Fa. In fineon AG, München, unter der Bezeichnung GMR-B6 angeboten.

Daneben wurde in der Anmeldung DE 199 49 714.1 ein magne tisch sensitives Bauteil beschrieben, das nach diesem Prin zip arbeitet. Dort ist auch die 360°-Winkelmessung mittels zweier Wheatstone-Brücken erläutert.

Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines Verfah rens mit dem insbesondere auf einem Chip lokal unterschied liche Richtungen einer resultierenden Magnetisierung in ei ner Schichtanordnung eingestellt bzw. diese Richtungen auch nach dem Abscheiden der Schichtanordnung wieder verändert werden können. Insbesondere war es Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem nach dem Spin-Valve-Prinzip arbei tende magnetoresistive Schichtsysteme herstellbar sind, die zur 360°-Winkelmessung und insbesondere in Kraftfahrzeugen in ABS-Radsensoren, Lenkwinkelsensoren oder als Potentiome terersatz einsetzbar sind, und die über einen möglichst wei ten Temperaturbereich eine Offset-freie Ausgangsspannung liefern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur lokalen Veränderung, einer resultierenden Magnetisie rungsrichtung in einer Schichtanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit in besonders ein facher Weise ein magnetoresistives, nach dem Spin-Valve- Prinzip arbeitendes Schichtsystem herstellbar ist, bei dem innerhalb der Referenzschicht Bereiche mit jeweils unter schiedlicher, insbesondere paarweise senkrecht zueinander stehender resultierender Magnetisierungsrichtung vorliegen.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass damit ein auf dem GMR- Effekt basierendes Sensorelement herstellbar ist, bei dem auf einem Chip bzw. einem Substrat lokal unterschiedliche Richtungen der resultierenden Magnetisierung vorliegen, so dass diese Bereiche zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden können, um darüber eine weitgehende Temperatururab hängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes in der stromführenden Zwischenschicht zu erreichen.

Weiter ist vorteilhaft, dass auf dem Substrat nunmehr auch zwei Wheatstone'sche Brückenschaltungen gleichzeitig reali sierbar sind, wobei die Richtungen der resultierenden Magne tisierung der einzelnen Bereiche in der ersten Wheatstene- Brücke gegenüber den resultierenden Richtungen der Magneti sierung in den einzelnen Bereichen der zweiten Wheatstene- Brücke gegeneinander um 90° verdreht sind. Auf diese Weise lässt sich neben einem temperaturunabhängigen Ausgangssignal des GMR-Sensorelementes auch eine Offset-freie Brückenaus gangsspannung U_B erzielen. Zudem ist damit eine Winkelmes sung über 360° möglich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass auf den Einsatz eines "künstlichen" Antiferroma gnet verzichtet werden kann, so dass externe Störfelder die Schichtanordnung nicht beeinträchtigen bzw. die lokal unterschiedlichen Richtungen der resultierenden Magnetisierung durch solche externen Störfelder unverändert bleiben.

Im Übrigen ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht in die Massenfertigung von Sensorelementen und die dabei üblichen Prozesse integrierbar. Zudem hat man dabei die Möglichkeit, über die lokale Aufheizung auf dem Substrat in einfacher Weise die Form der Bereiche unterschiedlicher Magnetisie rungsrichtung festzulegen, d. h. beispielsweise lokal mäan derförmige, kreisförmige oder rechteckförmige Bereiche zu erzeugen, die dann miteinander verschaltet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn das insbesondere lokale Aufheizen der antiferromagnetischen Schicht über die Schwel lentemperatur T_b durch Bestrahlen mit einem Laser erfolgt. Durch einen Laser kann besonders einfach, definiert und lo kal begrenzt Wärme in die Schichtanordnung und insbesondere die aufzuheizende antiferromagnetische Schicht eingetragen werden. Als besonders vorteilhaft hinsichtlich eines lokal definierten Energieeintrages hat sich dabei weiter herausge stellt, wenn das Bestrahlen mit dem Laser in Form kurzzeiti ger Pulse mit einer Pulsdauer von 10 ns bis 100 µs erfolgt. Zudem ist vorteilhaft, wenn das Bestrahlen mit dem Laser durch Abscannen von zu bestrahlenden Streifen erfolgt, so dass auf dem Substrat in der der antiferromagnetischen Schicht benachbarten ferromagnetischen Schicht Streifen mit unterschiedlicher resultierender Magnetisierungsrichtung in duziert werden. Durch lokale bzw. punktuelle Laserpulse bzw. das Abscannen der antiferromagnetischen Schicht mit dem La ser sind insbesondere isolierte Flächen mit einer Größe von typischerweise 5 µm² bis 500 µm² oder Streifen einer typi schen Breite von 5 µm bis 100 µm und einer Länge von 1 mm bis 120 mm, je nach Größe das eingesetzten Substrats bzw. Wafers, realisierbar.

Dadurch, dass nacheinander in verschiedenen, lokal begrenz ten Bereichen oder Streifen der antiferromagnetischen Schicht eine Aufheizung über die Schwellentemperatur T_b vor genommen wird, kann in den zugeordneten Bereichen der ferro magnetischen Schicht vorteilhaft durch ein bei dem Aufheizen angelegtes externes Magnetfeld eine Einstellung, insbesonde re eine Veränderung, der dort lokal jeweils resultierenden Magnetisierungsrichtungen m₂ vorgenommen werden. Bevorzugt werden die lokal unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen m₂ dabei senkrecht zueinander ausgerichtet.

Als besonders einfach und vorteilhaft hat sich weiter her ausgestellt, wenn das zur Veränderung bzw. Einstellung der lokalen Magnetisierungsrichtung beim Aufheizen eingesetzte externe Magnetfeld bereits beim Aufheizen der antiferroma gnetischen Schicht über die Schwellentemperatur T_b und ins besondere während der gesamten Zeit, innerhalb derer sich jeweilige Bereich der antiferromagnetischen Schicht über dieser Schwellentemperatur befindet, aufrecht erhalten wird. Prinzipiell genügt es aber auch, wenn das externe Magnetfeld erst nach dem Aufheizen über die Schwellentemperatur ange legt und zumindest bis zum Abkühlen unter die Schwellentem peratur aufrecht erhalten wird. In jedem Fall wird damit er reicht, dass die resultierende Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht in dem dem aufgeheizten Bereich der antiferromagnetischen Schicht benachbarten Bereich nach dem Abkühlen zumindest näherungsweise zu der während der Zeit des Aufheizens über die Schwellentemperatur angelegten Richtung des externen Magnetfeldes parallel ausgerichtet ist.

Somit bewirkt der aufgeheizte Bereich der antiferromagneti schen Schicht auch nach dem Abkühlen unter die Schwellentemperatur T_b wieder eine Stabilisierung des diesem Bereich be nachbarten Bereiches der ferromagnetischen Schicht hinsicht lich der dortigen Richtung der resultierenden Magnetisierung m₂. Insgesamt wird so durch das lokale Erwärmen eine lokale Stabilisierungsrichtung der resultierenden Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht definiert.

Hinsichtlich der Materialien für die ferromagnetische Schicht und die antiferromagnetische Schicht kann vorteil haft auf übliche Materialien zurückgegriffen werden. So eig net sich als ferromagnetische Schicht besonders eine weich magnetische Schicht, beispielsweise eine Nickel-Schicht, ei ne Eisen-Schicht, eine Kobalt-Schicht oder eine Schicht mit einer Legierung von zwei oder drei der genannten Elemente. Als antiferromagnetische Schicht eignet sich beispielsweise eine Nickeloxid-Schicht oder eine Iridium-Mangan-Schicht.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ei ne Prinzipskizze eines magnetoresistiven Schichtsystems nach dem Spin-Valve-Prinzip, Fig. 2a einen Schnitt durch Fig. 1 unterhalb der Schwellentemperatur, Fig. 2b einen Schnitt durch Fig. 1 nach dem Aufheizen über die Schwellentempera tur und dem Abkühlen bei einem angelegten externen Magnet feld H, und Fig. 2c das magnetoresistive Schichtsystem ge mäß Fig. 1 bzw. Fig. 2b auf einem Substrat. Die Fig. 3 zeigt das lokale Einstellen der Magnetisierungsrichtung m₂ in Form von Streifen, während Fig. 4 eine Verschaltung lo kaler Bereiche mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtun gen zu zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen erläutert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung geht von einem in Fig. 1 dargestellten magne toresistiven Schichtsystem nach dem Spin-Valve-Prinzip aus, das einen GMR-Effekt aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass auf einer Referenzschicht 2, die zumindest lokal eine resul tierende Magnetisierung m₂ mit vorgegebener, fester bzw. "gepinnter" Magnetisierungsrichtung aufweist, eine elek trisch leitende, bei Betrieb stromführende Zwischenschicht 3, und auf dieser eine Detektionsschicht 1 angeordnet ist. Die Detektionsschicht 1 ist beispielsweise eine weichmagne tische Schicht, deren Magnetisierung ml sich stets zumindest näherungsweise parallel zu einem extern angelegten Magnet feld ausrichtet. Da bei einem solchen externen Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung m₂, wie bereits erläutert, zumindest weitgehend unbeeinflusst bleibt, ergibt sich ein winkelabhängiger elektrischer Widerstand der Zwischenschicht (GMR-Effekt)

Im Einzelnen zeigt Fig. 2c, dass auf einem Substrat 10 aus beispielsweise thermisch oxidiertem Silizium zunächst bei spielsweise in Sputtertechnik eine optionale Bufferschicht 11 aufgebracht worden ist, die aus Tantal besteht und einige Nanometer dick ist. Auf dieser Bufferschicht 11 wurde dann die Detektionsschicht 1 abgeschieden, die beispielsweise aus einer einige Nanometer dicken Nickel-Eisen-Schicht oder ei ner Kobalt-Schicht besteht. Bevorzugt ist die ferromagneti sche Detektionsschicht eine weichmagnetische, ferroelektri sche Schicht. Auf der Detektionsschicht 1 wurde dann in be kannter Weise die Zwischenschicht 3 in Form einer einige Nanometer dicken Schicht, beispielsweise aus Kupfer, abge schieden.

Schließlich wurde dann auf der Zwischenschicht 3 zunächst eine ferromagnetische Schicht 2a aus einem bevorzugt relativ weichmagnetischen Material wie beispielsweise einer Nickel- Eisen-Legierung oder aus Kobalt mit einer Dicke von einigen Nanometern abgeschieden, bevor auf dieser eine antiferroma gnetische Schicht 2b abgeschieden wurde, die beispielsweise aus einer einige Nanometer dicken Nickeloxid-Schicht oder einer Iridium-Mangan-Schicht besteht.

Die ferromagnetische Schicht 2a und die benachbarte antifer romagnetische Schicht 2b bilden dabei die Referenzschicht 2 gemäß Fig. 1. An dieser Stelle sei zudem betont, dass die Schichtabfolge gemäß Fig. 2c auch umgekehrt sein kann, d. h. die Referenzschicht 2 wird auf der Bufferschicht 11 abge schieden, darauf die Zwischenschicht 3 und darauf dann die Detektionsschicht 1.

In Fig. 2c ist weiter vorgesehen, dass zumindest beim Er zeugen der Referenzschicht 2 aus den beiden Teilschichten 2a, 2b durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes bei der Ab scheidung bzw. Deposition zunächst eine homogene Ausrichtung des resultierenden magnetischen Momentes bzw. der Magneti sierung m₂ in der ferromagnetischen Schicht 2a eingestellt wird. Insbesondere begünstigt dieses Anlegen der externen Magnetfeldes während der Abscheidung bzw. Deposition eine unidirektionale Anisotropie in der Referenzschicht 2, die auch als "Pinning"-Richtung bezeichnet wird.

Zur lokalen Einstellung bzw. Veränderung der "Pinning"- Richtung in der Referenzschicht 2 bzw. insbesondere der fer romagnetischen Schicht 2a, d. h. konkret der Richtung der dort lokal resultierenden Magnetisierung m₂, ist nun weiter vorgesehen, dass zumindest die antiferromagnetische Schicht 2b, bevorzugt jedoch die antiferromagnetische Schicht 2b und die ferromagnetische Schicht 2a, durch lokale Bestrahlung mit Hilfe eines Lasers über eine Schwellentemperatur T_b auf geheizt wird. Diese Schwellentemperatur wird auch als "bloc king temperature" der antiferromagnetischen Schicht 2b be zeichnet.

Das Aufheizen beruht dabei auf der Erkenntnis, dass dann, wenn man eine antiferromagnetische Schicht über diese Schwellentemperatur T_b aufheizt, der sogenannte "Exchange- Bias-Effekt" verschwindet, d. h. die antiferromagnetische Schicht 2b induziert oberhalb dieser Schwellentemperatur T_b nicht mehr eine bevorzugte Richtung der Magnetisierung m₂ in der benachbarten ferromagnetischen Schicht 2a. Insofern geht auch die Stabilisierung der Richtung der Magnetisierung m₂, die durch die antiferromagnetische Schicht 2b hervorgerufen wurde, oberhalb dieser Schwellentemperatur T_b verloren.

Im Einzelnen ist gemäß Fig. 2a vorgesehen, dass in Drauf sicht auf die antiferromagnetische Schicht 2b lokal begrenz te Bereiche der antiferromagnetischen Schicht 2b, beispiels weise isolierte Flächen mit einer Größe von 5 µm² bis 500 µm², oder alternativ auch Streifen mit einer Breite von 5 µm bis 100 µm und einer Länge von 1 mm bis 120 mm, nacheinander mit einem Laser aufgeheizt werden. Der Laser bietet dabei die Möglichkeit, sehr präzise selbst µm²-große Flächen defi niert aufzuheizen. Prinzipiell kommen jedoch auch andere Aufheizverfahren in Frage, mit denen eine derartige lokale bzw. streifenförmige Aufheizung der antiferromagnetischen Schicht 2b möglich ist. Die Schwellentemperatur T_b hängt im Übrigen vom Material der antiferromagnetischen Schicht 2b ab. Sie beträgt im Fall der vorstehend genannten Materialien ca. 200°C.

Die Fig. 2a zeigt zunächst den Zustand unterhalb der Schwellentemperatur T_b, bei der die antiferromagnetische Schicht 2b in der ferromagnetischen Schicht 2a, die dieser benachbart ist, über den "Exchange-Bias-Effekt" eine unidi rektionale Anisotropie der Magnetisierung m₂ induziert. In Fig. 2b ist dann dargestellt, wie durch die erläuterte Be strahlung mit einem Laser zunächst die antiferromagnetische Schicht 2b über die Schwellentemperatur T_b aufgeheizt wurde, wobei gleichzeitig zumindest nach dem Überschreiten der Schwellentemperatur T_b und während dem nachfolgenden Abküh len ein externes Magnetfeld H der eingezeichneten Richtung angelegt worden ist. Wenn nun bei angelegtem externen Ma gnetfeld H durch Ausschalten der Laser-Bestrahlung die anti ferromagnetische Schicht 2b wieder unter die Schwellentempe ratur T_b abkühlt, setzt der durch das Aufheizen über die Schwellentemperatur T_b ausgeschaltete "Exchange-Bias-Effekt" wieder ein, d. h. die antiferromagnetische Schicht 2b "pinnt" oder fixiert nun wieder über die Grenzschicht zwischen der antiferromagnetischen Schicht 2b und der ferromagnetischen Schicht 2a in der Schicht 2a eine resultierende Magnetisie rung m₂ mit der in Fig. 2b eingezeichneten Richtung ent sprechend der Richtung des temporär angelegten externer. Ma gnetfeldes H.

Insgesamt wird durch das erläuterte Verfahren erreicht, dass in dem Bereich der ferromagnetischen Schicht 2a, der dem aufgeheizten Bereich der antiferromagnetischen Schicht 2b benachbart ist, die Richtung der Magnetisierung m₂ entspre chend der Richtung des beim Aufheizen über die Schwellentem peratur angelegten externen Magnetfeldes H ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung tritt dabei aber nur in den Bereichen auf, die aufgeheizten Bereichen benachbart sind. Andere Bereiche sind von der Änderung der Magnetisierungsrichtung nicht be einflusst.

Zusammenfassend wurde gemäß Fig. 2b erreicht, dass die re sultierende Magnetisierung m₂ in der ferromagnetischen Schicht 2a oberhalb der Schwellentemperatur T_b der Richtung des externen Magnetfeldes H gefolgt ist, und dass sich wäh rend der Abkühlung unter die Schwellentemperatur T_b mit der antiferromagnetischen Schicht 2b über den wieder einsetzen den "Exchange-Bias-Effekt" koppelt, so dass die Richtung der Magnetisierung m₂ unterhalb der Schwellentemperatur T_b von der antiferromagnetischen Schicht 2b wieder induziert bzw. stabilisiert wird.

Da das erläuterte Aufheizen mit einem Laser ein lokaler Ef fekt ist, hat man nun in einfacher Weise die Möglichkeit, auf der Oberfläche des Substrates 10 lokal und definiert in der ferromagnetischen Schicht 2a Bereiche mit unterschiedli cher Richtung der resultierenden Magnetisierung m₂ zu erzeu gen. Dies wird mit Hilfe der Fig. 3 erläutert, die eine Draufsicht auf die ferromagnetische Schicht 2a gemäß Fig. 2c zeigt. Die die ferromagnetische Schicht 2a abdeckende an tiferromagnetische Schicht 2b wurde in Fig. 3 nicht darge stellt.

Im Einzelnen zeigt Fig. 3 einen ersten Streifen 5, einen zweiten Streifen 6, einen dritten Streifen 8 und einen vier ten Streifen 9, die jeweils in den eingezeichneten rechtec kigen Bereichen eine unterschiedliche Richtung der Magneti sierung m₂ aufweisen. Insbesondere sind die den aufgeheizten Bereichen der antiferromagnetischen Schicht 2b benachbarten rechteckigen Bereiche der ferromagnetischen Schicht 2a in Form isolierter Flächen mit einer Größe von 5 µm² bis 500 µm² ausgebildet. Insbesondere ist in Fig. 3 vorgesehen, dass die einzelnen Bereiche bzw. Streifen 5, 6, 8, 9 mit un terschiedlicher Richtung der Magnetisierung m₂ einen minima len Abstand von 20 µm bis 100 µm voneinander aufweisen.

Um die eingezeichneten Richtungen der Magnetisierung m₂ in den Streifen einzelnen 5, 6, 8, 9 zu erreichen, wurden diese jeweils nacheinander durch Laserbestrahlung über die Schwel lentemperatur T_b aufgeheizt, wobei, wie erläutert, ein je weils ein zu den eingezeichneten Richtungen der Magnetisie rung m₂ in den einzelnen Streifen 5, 6, 8, 9 paralleles ex ternes Magnetfeld H angelegt worden ist. Dies wird in Fig. 3 exemplarisch am Beispiel des zweiten Streifens 6 erläutert. Für die anderen Streifen 5, 8, 9 wurde das externe Ma gnetfeld H jeweils um 90° gedreht.

Zur Erzeugung der rechteckigen oder alternativ auch mäander förmigen Bereiche mit lokal unterschiedlicher Magnetisie rungsrichtung gemäß Fig. 3 durch Aufheizen entsprechender zugeordneter Bereiche der antiferromagnetischen Schicht. 2b mit einem Laser wird bevorzugt eine entsprechende Maske ein gesetzt. Es kann jedoch auch ohne Maske gearbeitet werden, indem lokal begrenzte Flächen beispielsweise mit einem fei nen, kreisförmigen Laserpuls mit einer Pulsdauer von 10 ns bis 100 µs aufgeheizt werden.

Im Übrigen sei betont, dass das Aufheizen an einem Wafer- Nutzen oder alternativ auch ein bereits fertig prozessierten Sensorelementen mit oder ohne auf der Referenzschicht 2 auf gebrachten zusätzlichen Passivierungsschicht erfolgen kann. Insbesondere kann die Laserbehandlung und damit die lokale Veränderung der resultierenden Magnetisierungsrichtung gemäß Fig. 3 auch in einem abschließenden Backend-Test durchge führt werden.

Die sich an Fig. 3 anschließenden Verfahrensschritte wie beispielsweise eine Strukturierung der erzeugten Referenz schicht 2, das Aufbringen von Leitungsschichten zur elektri schen Verschaltung der einzelnen erzeugten Bereiche sowie von geeigneten Isolationsschichten bzw. Schutzschichten ent sprechen dem Stand der Technik.

Die Fig. 4 erläutert die Verschaltung zweier auf dem Sub strat 10 in der ferromagnetischen Schicht 2a gemäß Fig. 2c bzw. Fig. 1 erzeugter Wheatstone'scher Brückenschaltungen. Dazu wurden die Bereiche mit unterschiedlicher Richtung der resultierenden Magnetisierung m₂ gemäß Fig. 3 über übliche Leitungsschichten bzw. Leiterbahnen zu einer ersten Wheat stone-Brücke 40 und einer zweiten Wheatstone-Brücke 41 miteinander verschaltet. Dabei wird die erste Wheatstone-Brücke 40 im erläuterten Beispiel von den Bereichen innerhalb des ersten Streifens 5 und des zweiten Streifens 6 gebildet. Zur Ausbildung der zweiten Wheatstone-Brücke 41 wurden innerhalb des dritten Streifens 8 liegende Bereiche mit innerhalb des vierten Streifens 9 liegenden Bereichen wie dargestellt ver schaltet. Auf diese Weise ist die erste Wheatstone-Brücke 40 gegenüber der zweiten Wheatstone-Brücke 41 um 90° gedreht.

Innerhalb der einzelnen Wheatstone-Brücken 40, 41 sind wei ter jeweils zwei Bereiche mit paralleler Magnetisierungs richtung und zwei Bereiche mit antiparalleler Magnetisie rungsrichtung in an sich bekannter Weise miteinander ver schaltet. Jede der beiden Wheatstone-Brücken 40, 41 liefert somit eine Brückenausgangsspannung U_B als Funktion einer Eingangsspannung U₀ gemäß:

U_B = 2U₀Ccosθ

Durch die Verdrehung um 90° der Wheatstone-Brücke 40 gegen über der zweiten Wheatstone-Brücke 41 liefert die erste Wheatstone-Brücke 40 ein cos-Signal während die zweite ein sin-Signal liefert. Mit Hilfe des bekannten Arctan-Auswerte verfahrens lässt sich dann aus beiden Signalen der Absolut winkel der Richtung eines externen Magnetfeldes über den ge samten Winkelbereich von 360° ermitteln.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung, insbesondere lokalen Verän derung einer resultierenden Magnetisierungsrichtung in einer Schichtanordnung (2) mit einer ferromagnetischen Schicht (2a) und einer benachbarten antiferromagnetischen Schicht (2b), wobei die ferromagnetische Schicht (2a) eine resultie rende Magnetisierung mit einer zugeordneten, durch die anti ferromagnetische Schicht induzierten oder beeinflussbaren, insbesondere stabilisierbaren, resultierenden Magnetisie rungsrichtung (m₂) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die antiferromagnetische Schicht (2b) zumindest bereichsweise über eine Schwellentemperatur (T_b) aufgeheizt wird, oberhalb derer der Einfluss dieses Bereiches der anti ferromagnetischen Schicht (2b) auf die resultierende Magne tisierungsrichtung (m₂) des benachbarten Bereiches (5, 6, 8, 9) der ferromagnetischen Schicht (2a) zumindest weitgehend verschwindet, dass weiter zumindest der dem aufgeheizten Be reich der antiferromagnetischen Schicht (2b) benachbarte Be reich (5, 6, 8, 9) der ferromagnetischen Schicht (2a) einem externen Magnetfeld (H) vorgegebener Richtung ausgesetzt wird, und dass danach die antiferromagnetische Schicht (2b) wieder unter die Schwellentemperatur (T_b) abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Magnetfeld (H) bereits beim Aufheizen und/oder nach dem Erreichen der Schwellentemperatur (T_b) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass das externe Magnetfeld (H) nach dem Anlegen bis zu dem Abkühlen unter die Schwellentemperatur (T_b) aufrechter halten wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die resultierende Magnetisis rungsrichtung (m₂) der ferromagnetischen Schicht (2a) in dem dem aufgeheizten Bereich benachbarten Bereich (5, 6, 8, 9) nach dem Abkühlen zumindest näherungsweise parallel zu der Richtung des externen Magnetfeldes (H) ausgerichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die nach dem Abkühlen resultierende Magnetisierungs richtung (m₂) der ferromagnetischen Schicht (2a) in dem dem aufgeheizten Bereich benachbarten Bereich (5, 6, 8, 9) durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht (2b) in diesem Bereich (5, 6, 8, 9) stabilisiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass als ferromagnetische Schicht. (2a) eine weichmagnetische Schicht, insbesondere eine NiFe- Schicht, eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass als antiferromagnetische Schicht (2b) eine NiO-Schicht oder eine IrMn-Schicht eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die vor dem Aufheizen vorliegende resultierenden Magnetisierungsrichtung (m₂) in der ferroma gnetischen Schicht (2a) der Schichtanordnung (2) durch ein bei einem Abscheiden der antiferromagnetischen Schicht (2b) oder bei einem Abscheiden der antiferromagnetischen Schicht (2b) und der ferromagnetischen Schicht (2b) angelegtes ex ternes Magnetfeld eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Aufheizen durch Bestrahlen mit einem Laser erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen mit dem Laser in Form kurzzeitiger Pulse mit einer Pulsdauer von 10 ns bis 100 µs erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass das Bestrahlen mit dem Laser durch Abscannen von zu bestrahlenden Streifen (5, 6, 8, 9) erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass lokal begrenzte Bereiche der an tiferromagnetischen Schicht (2b), insbesondere isolierte Flächen einer Größe von 5 µm² bis 500 µm² oder Streifen (5, 6, 8, 9) einer Breite 5 µm bis 100 µm und einer Länge von 1 mm bis 120 mm, aufgeheizt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass nacheinander in verschiedenen, lokal begrenzten Bereichen (5, 6, 8, 9) der ferromagneti schen Schicht (2a) eine Einstellung, insbesondere Verände rung, der lokal dort jeweils resultierenden Magnetisierungs richtungen (m₂) vorgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in der ferromagnetischen Schicht (2a) mehrere Bereiche (5, 6, 8, 9) mit lokal unterschiedli cher resultierenden Magnetisierungsrichtung (m₂) insbeson dere mit zueinander senkrechter resultierender Magnetisie rungsrichtung (m₂), erzeugt werden.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (2) mit der ferromagnetischen Schicht (2a) und der darüber oder darunter befindlichen antiferromagnetischen Schicht (2b) bereichswei se über die Schwellentemperatur (T_b) aufgeheizt wird.

16. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung eines magnetoresistiven, nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitenden Schichtsystems, insbesondere eines magnetoresistiven, nach dem Spin-Valve-Prinzip arbei tenden Schichtsystems, bei dem innerhalb der Referenzschicht (2) Bereiche mit einer unterschiedlichen, insbesondere paar weise senkrecht zueinander stehenden resultierenden Magneti sierungsrichtung (m₂) vorliegen, die in Form einer Wheatsto ne-Brücke (40, 41) miteinander verschaltet sind.