DE60037790T2

DE60037790T2 - Magnetisches messsystem mit irreversibler charakteristik, sowie methode zur erzeugung, reparatur und verwendung eines solchen systems

Info

Publication number: DE60037790T2
Application number: DE60037790T
Authority: DE
Inventors: Kars-Michiel H. Lenssen; Derk J. Adelerhof; Gerardus H. Somers; Joannes B. Van Zon; Antonius E. Kuiper
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2020-06-17
Also published as: EP1141737B1; EP1892538A3; WO2000079298A2; WO2000079298A3; US6501678B1; EP1141737A2; JP2003502876A; DE60037790D1; EP1892538A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Magneteinrichtungen. Insbesondere sind ein magnetisches Datenspeichersystem und ein Messsystem mit Magnetcharakteristik offenbart, wobei die Systeme eine Magnetisierungsrichtung aufweisen, die in einem externen Magnetfeld irreversibel ist. Ein Verfahren zur Herstellung, ein Verfahren zur Rücksetzung, Änderung oder Korrektur sowie ein Verfahren zur Verwendung solcher Systeme sind ebenfalls offenbart.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magneteinrichtungen sind vom Stand der Technik her bekannt. Spin-Valve-Strukturen, wie z. B. Riesenmagnetowiderstands-(GMR)- und Spin-Tunnelmagnetowiderstands-(TMR)-Elemente, wurden vor kurzem umfangreich geprüft und einer großen Anzahl Offenbarungen unterworfen. GMR- und TMR-Elemente weisen als Grundbaustapel zwei ferromagnetische Schichten auf, die durch eine Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material getrennt sind. Diese Struktur in dem Sequel wird als der GMR- oder TMR-Grundstapel der Magneteinrichtung oder als die GMR- oder TMR-Struktur bezeichnet. Eine solche Struktur weist Magnetowiderstandscharakteristiken auf und zeigt den GMR- oder TMR-Effekt. Die Trennschicht ist eine nicht ferromagnetische Metallschicht für GMR-Elemente und eine nicht metallische, vorzugsweise isolierende, Schicht für TMR-Elemente. Über der Trennschicht ist zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten eine magnetische Kopplung vorgesehen. Die Isolationsschicht in den TMR-Elementen ermöglicht mit signifikanter Wahrscheinlichkeit eine quantenmechanische Durchtunnelung von Elektronen zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten. Von den beiden ferromagnetischen Schichten ist die eine eine so genannte freie Schicht und die andere eine so genannte gepinnte oder harte Schicht. Die freie Schicht ist eine Schicht, deren Magnetisierungsrichtung durch angelegte Magnetfelder mit einer Stärke, die geringer, vorzugsweise wesentlich geringer, als die Stärke des zur Änderung der Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht erforderlichen Magnetfeldes ist, geändert werden kann. So mit weist die gepinnte Schicht eine bevorzugte, eher feste Magnetisierungsrichtung auf, während die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht recht einfach unter einem externen, angelegten Magnetfeld geändert werden kann.
Die harte Schicht kann aus einem harten, magnetischen Material oder aus einem, durch Exchange-Biasing an eine Anti-Ferromagnet-(AF) Schicht gepinnten, relativ weichen, magnetischen Material oder aber aus einem künstlichen Antiferromagneten (AAF = Artificial-Anti-Ferromagnet), der sich aus zwei oder mehreren magnetischen, in einer, durch eine geeignete, nicht magnetische Kopplungszwischenschicht in einer antiparallelen Richtung gekoppelten Schichten zusammensetzt, bestehen. Der AAF kann durch eine AF-Schicht vorgespannt werden, um diesen noch fester zu machen und eine einwertige Magnetisierungsrichtung des AAFs zu definieren.
Eine Änderung der Magnetisierung der freien Schicht verändert den Widerstand des TMR- oder GMR-Elements. Dieses resultiert in dem so genannten Magnetowiderstandseffekt oder GMR-/TMR-Effekt dieser Elemente. Der elektrische Widerstand des TMR- oder GMR-Elements verändert sich in Reaktion auf ein variierendes Magnetfeld in vorhersagbarer Weise, was die Einrichtungen zum Einsatz als magnetisch-elektrische Messwandler in einem Messsystem eines Magnetfeldes geeignet macht. Die Charakteristiken dieser Magneteinrichtungen oder -systeme können auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Zum Beispiel kann ein den GMR-Effekt anwendendes Spin-Valve-Ausleseelement für weiterentwickelte Dünnschicht-Festplatten-Leseköpfe eingesetzt werden. Ebenso können eigenständige Magnetspeichersysteme (MRAMs) oder nicht flüchtige Embedded Speichersysteme auf dem GMR- oder TMR-Element basierend vorgesehen werden. Eine weitere Anwendung ist ein Sensorelement oder ein Sensorsystem für Magnetcharakteristiken. Solche Messsysteme werden zum Beispiel in Antiblockier-(ABS) Systemen oder für andere Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt.
Bei einer Anzahl von Anwendungen ist es oftmals erforderlich, zwischen dem Ansprechverhalten des Sensorsystems (Widerstandsänderungen) aufgrund eines (variierenden) Magnetfeldes und dem Ansprechverhalten des Messsystems (Widerstandsänderungen) aufgrund von Umweltfaktoren, wie z. B. Temperaturänderungen, deutlich zu unterscheiden. Eine Vorgehensweise zur Lösung dieses Problems besteht darin, eine Anzahl von GMR- oder TMR-Elementen in einer Wheatstone-Brückenanordnung zu schalten. Wenn ein Paar GMR- oder TMR-Elemente magnetisch so vorgespannt werden können, dass diese entgegengesetzte Ansprechverhalten (im Sinne von entgegengesetzter Polarität) auf ein bestimmtes Magnetfeld, jedoch nicht auf andere Umweltfaktoren zeigen, bewirkt der subtraktive Vergleich der elektrischen Widerstände der beiden GMR- oder TMR-Elemente bei Ansprechen auf ein Magnetfeld eine Aufhebung unerwünschter Reaktionen auf störende Umweltfaktoren.
Magnetfeldmesssysteme, bei denen eine Wheatstone-Brücke auf diese Weise verwendet wird, sind vom Stand der Technik her bekannt. Jedoch gibt es bei den bekannten Messsystemen viele verschiedene Verfahrensweisen, wenn es darum geht, die Magnetowiderstandselemente magnetisch vorzuspannen.
Zum Beispiel: in der Japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 61-711 (A) wird jedes der resistiven Elemente in der Wheatstone-Brücke unter Verwendung eines, in der Nähe dieses Elements positionierten, entsprechend gepolten Permanent-Magneten in einer bestimmten Richtung magnetisch vorgespannt; dagegen werden in einem Artikel in Philips Electronic Components and Materials Technical Publication 268 (1988), mit dem Titel „The magnetoresistive sensor", die einzelnen resistiven Elemente unter Verwendung eines so genannten „Magneto-Widerstandskopfes" (ein im Allgemeinen bekannter und vom Stand der Technik her geläufiger Begriff, der somit hier nicht näher erläutert wird) vorgespannt.
Die Anwendung von Biasing auf der Basis von Permanent-Magneten wie im obigen Fall (a) ist höchst unbefriedigend: es ist nicht nur ein sorgfältiges Abstimmen der Stärke und Position des Permanent-Magneten erforderlich, sondern die Permanent-Magneten sind selbst unakzeptabel empfindlich für Temperaturänderungen. Zudem macht der Einsatz von Permanentmagneten einen solchen vorgespannten Magnetfeldsensor zwangsläufig voluminös und setzt dem erreichbaren Miniaturisierungsgrad eine Grenze. Obgleich zwar das Biasing-Verfahren in Fall (b) bei resistiven Elementen, die den so genannten Anisotropen Magnetowiderstands-(AMR) Effekt aufweisen, geeignet sein kann, kann es nicht in Verbindung mit resistiven Elementen, die den GMR- oder TMR-Effekt aufweisen, angewandt werden.
In dem den Stand der Technik beschreibenden Dokument von J. Daughton, J. Brown, E. Chen, R. Beech, A. Pohm und W. Kude, „Magnetic field sensors using GMR multilayer", IEEE Trans. Magn. 30, 4608 (1994), sind zwei (der vier) Brückenelemente magnetisch abgeschirmt, wobei die Abschirmungen als Flusskonzentratoren für die beiden empfindlichen Elemente verwendet werden können.
Freitas schlägt in „Giant magnetoresistive sensors for rotational speed control", J. Appl. Phys. 85, 5459 (1999) vor, dass zwei (der vier) Brückenelemente durch Deponieren derselben auf einem gerauten Teil des Substrats „inaktiviert" werden.
Eine weitere Methode befasst sich damit, einen isolierten Leiter unter oder über den Sensorelementen (bestehend aus Exchange-Biased-Spin-Valves (über magnetische Austauschwechselwirkung festgehaltene Magnetisierung einer magnetischen Schicht)) zu integrieren, um ein Magnetfeld zu induzieren, welches die Exchange-Biasing-Richtung des Elements in entgegengesetzten Richtungen „festlegt", während die Elemente oberhalb der Blockungstemperatur des Exchange-Biasing-Materials R erhitzt werden. Coehoorn and G.F.A. van de Walle, „A magnetic field sensor, an instrument comprising such a sensor and a method of manufacturing such a sensor", Patentanmeldung EP 95913296.0 , nun erteilt, und J.K. Spong, V.S. Speriosu, R.E. Fontana Jr., M.M. Dovek und T.L. Hylton, „Giant and magnetoresistive sein valve bridge sensor", IEEE Trans. Magn. 32, 366 (1996); M.M. Dovek, R.E. Fontana Jr., V.S. Speriosu und J.K. Spong, „Bridge circuit magnetic field sensor having sein valve magnetoresistive elements formed an common substrate", US-P 5 561 368 . Ein vergleichbares Verfahren mit einem integrierten Leiter wurde für Elemente auf der Basis eines künstlichen Antiferromagneten (AAF) von W. Schelter und H. van den Berg in „Magnetfeldsensor mit einer Brückenschaltung von magnetoresistiven Brückenelementen", DE 19520206 (01.06.95) vorgeschlagen.
In der Patentanmeldung WO 9638738-A1 „Magnetoresistive thin-film elements-uses adjustment current at high temp. to regulate magnetization distribution of bias layer of sensor elements arranged in bridge circuit, and includes cooling body" (Ger) wird vorgeschlagen, dass im Herstellerwerk die Magnetisierungen in entgegengesetzten Richtungen in verschiedenen Zweigen der Brücken festgelegt werden, indem ein Wafer mit Sensorstrukturen einem, durch eine Art „Stempel" mit einer Struktur von Strom führenden Leitern induzierten, externen Magnetfeld ausgesetzt wird, welches in die Nähe des Wafers gebracht wird.
Die Lösungen nach dem Stand der Technik sind ziemlich kompliziert und machen in der Praxis doch einige Bemühungen erforderlich. Darüber hinaus erlauben die in J. Daughton, J. Brown, E. Chen, R. Beech, A. Pohm und W. Kude, „Magnetic field sensors using GMR multilayer", IEEE Trans. Magn. 30, 4608 (1994) und Freitas „Giant magnetoresistive sensors for rotational speed control", J. Appl. Phys. 85, 5459 (1999) offenbarten Möglichkeiten lediglich die Realisierung einer Halbbrücke und verlieren daher die Hälfte des möglichen Ausgangssignals oder Ansprechverhaltens. Die Magnetfelder, die mit den von R. Coehoorn und G.F.A. van de Walle, „A magnetic field sensor, an instrument comprising such a sensor and a method of manufacturing such a sensor" und J.K. Spong, V.S. Speriosu, R.E. Fontana Jr., M.M. Dovek und T.L. Hylton, „Giant and magnetoresistive sein valve bridge sensor", IEEE Trans. Magn. 32, 366 (1996); M.M. Dovek, R.E. Fontana Jr., V.S. Speriosu und J.K. Spong, „Bridge circuit magnetic field sensor having sein valve magnetoresistive elements formed an common substrate", US-P 5 561 368 (04.11.94) und W. Schelter und H. van den Berg in „Magnetfeldsensor mit einer Brückenschaltung von magnetoresistiven Brückenelementen, DE 19520206 vorgeschlagenen Möglichkeiten realisiert werden können, sind in der Stärke sehr begrenzt, da die Ströme in den (notwendigerweise schmalen und dünnen) Leitern relativ klein sein müssen. Des Weiteren machen die in J. Daughton, J. Brown, E. Chen, R. Beech, A Pohm und W. Kude, „Magnetic field sensors using GMR multilayer", IEEE Trans. Magn. 30, 4608 (1994), R. Coehoorn und G.F.A. van de Walle, „A magnetic field sensor, an instrument comprising such a sensor and a method of manufacturing such a sensor" und J.K. Spong, V.S. Speriosu, R.E. Fontana Jr., M.M. Dovek und T.L. Hylton, „Giant and magnetoresistive sein valve bridge sensor", IEEE Trans. Magn. 32, 366 (1996); M.M. Dovek, R.E. Fontana Jr., V.S. Speriosu und J.K. Spong, „Bridge circuit magnetic field sensor having sein valve magnetoresistive elements formed an common substrate", US-P 5 561 368 (04.11.94) offenbarten Möglichkeiten mehrere zusätzliche Verfahrensschritte (sowohl zur Strukturierung als auch Isolation der Leiter oder Abschirmungen) erforderlich, wodurch die Sensoren teurer werden und die Herstellungsausbeute verringert wird. Bei Anwendung des in der Patentanmeldung WO 9638738-A1 vorgeschlagenen Verfahrens „Magnetization device for magnetoresistive thin-film elements-uses adjustment current at high temp. to regulate magnetization distribution of bias layer of sensor elements arranged in bridge circuit, and includes cooling body" kann der Sensor zerstört werden, wenn dieser einem Magnetfeld der gleichen Stärke (oder größer) wie das bei Festlegung der Magnetisierungsrichtungen verwendete Feld ausgesetzt wird.
Die Robustheit des Messsystems wird insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen, aber auch bei Leseköpfen, immer wichtiger. Dieser Trend macht die Festlegung von Magnetisierungsrichtungen nach Deponieren der Elemente immer schwieriger. Bei Messsystemen, die bei relativ großen Magnetfeldern arbeiten müssen, wie dieses zum Beispiel bei Kraftfahrzeuganwendungen erforderlich ist, sollte die harte Magnetschicht so hart wie möglich sein. Dieses macht eine Definition der harten Magnetisierungsrichtung nach Deponieren weniger attraktiv, da hierdurch der „Härte" der magnetischen Referenzschicht eine obere Grenze gesetzt wird; sonst kann die Magnetisierungsrichtung dieser harten Schicht nicht festgelegt werden. Das Messsystem, wie in WO 96/38740 und WO 96/38738 offenbart, kann zum Beispiel bei Magnetfeldern, die stärker als 15 kA/m (18 mT) sind, nicht eingesetzt werden, da hierdurch die Richtung der harten, magnetischen Referenzrichtung verändert werden kann. Bei Kraftfahrzeuganwendungen werden typischerweise magnetische Vorspannungsfelder von 5–100 mT verwendet.
EP 0 863 406 beschreibt einen magnetoresistiven Sensor mit mehreren, parallel angeordneten, mehrschichtigen, magnetoresistiven Schichten. Jede mehrschichtige, magnetoresistive Schicht umfasst mindestens eine gepinnte, ferromagnetische Schicht und mindestens eine freie, magnetische Schicht. Eine Umkehrung der Magnetisierung der gepinnten, ferromagnetischen Schicht wird festgelegt, während sich der Vektor der Magnetisierung der freien, ferromagnetischen Schicht in Reaktion auf ein externes Magnetfeld frei umkehrt. Die Vektoren der Magnetisierung der gepinnten, ferromagnetischen Schicht in zwei aneinander grenzenden, mehrschichtigen, magnetoresistiven Schichten sind im Wesentlichen antiparallel zueinander.
US 5 708 407 beschreibt einen Stromsensor oder Messwandler zum Messen des durch einen elektrischen Leiter fließenden Stroms. Der Sensor weist ein den Leiter umgebendes, magnetoresistives Band auf. Das magnetoresistive Band kann durch einen Stapel aus magnetischen Schichten, die durch metallische, nicht magnetische Schichten auf einem Substrat getrennt sind, gebildet werden. Alternativ kann die Komponente aus einem Isolatorsubstrat gebildet werden, auf dem ein magnetoresistives Band vorgesehen wurde, welches durch abwechselnde Elemente mit einer metallischen, mehrschichtigen, magnetischen Struktur (MMMS) und leitende, magnetische Elemente gebildet wird. Bevorzugt wird die Wahl einer metallischen, magnetischen, mehrschichtigen Struktur mit einem hohen Magnetowiderstand. Je höher die Koerzitivität des magnetischen Materials ist, desto mehr werden die fortschreitenden Demagnetisierungsrisiken verringert.
EP 0 442 407 bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor mit einem Schichtenstapel. Der Schichtenstapel umfasst eine dünne Schicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten. Die dünne Schicht kann Kupfer oder eine Kupferlegierung enthalten.
Bei Wheatstone-Brückenkonfigurationen ist es erforderlich, dass die vier Komponenten, welche die Wheatstone-Brücke bilden, identisch sind und daher vorzugsweise unter einheitlichen Fertigungsbedingungen hergestellt werden. Diesen einheitlichen Fertigungsbedingungen können einheitliche Depositionsbedingungen für alle Elemente des Messsystems sein, wobei jedoch am Ende des Herstellungszyklus zwei Elemente mit entgegengesetzten Exchange-Biasing-Richtungen erforderlich sind.
DE 44 27 495 beschreibt einen Sensor mit GMR-Sensorelementen, die in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet sind. Die Wheatstone-Brückenkonfiguration umfasst zwei Paare von Sensorelementen, welche durch diagonal gegenüberliegende Sensorelemente gebildet werden. Die Magnetfeldabhängigkeit eines Paares ist entgegengesetzt zu der Magnetfeldabhängigkeit des anderen Paares.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Messsystem mit einer Magnetcharakteristik und ein magnetisches Datenspeichersystem zu offenbaren, welche robust sind und mindestens eine Magnetcharakteristik aufweisen, die in einem externen Magnetfeld irreversibel ist. Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein Messsystem mit einer Magnetcharakteristik zu offenbaren, bei dem verschiedene Magnetisierungsrichtungen innerhalb eines begrenzten Raumes, wie z. B. eines Einzelsubstrats oder eines Einzelchips, kombiniert werden können und daher eine weitere Miniaturisierung der Messsysteme ermöglicht wird. Es wird ebenfalls ein Datenspeichersystem offenbart, bei dem verschiedene Magnetisierungsrichtungen innerhalb eines begrenzten Raumes, wie z. B. eines Einzelsubstrats oder eines Einzelchips, kombiniert werden können und daher eine weitere Miniaturisierung der Messsysteme ermöglicht wird. Außerdem liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems und/oder eines magnetischen Datenspeichersystems zu offenbaren, bei welchen/welchem die Magnetisierungsrichtung von mindestens einem Teil von mindestens einem der Elemente während der Herstellung des Systems festgelegt werden kann und bei dem die Verarbeitung einfach ist und lediglich eine begrenzte Anzahl oder keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte erforderlich sind. Darüber hinaus liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit Magnetcharakteristik und/oder ein magnetisches Datenspeichersystem zu offenbaren, bei welchen/welchem verschiedene Magnetisierungsrichtungen innerhalb eines begrenzten Raumes, wie z. B. eines Einzelsubstrats oder eines Einzelchips, kombiniert werden können und daher der Miniaturisierung des Systems keine strengen Grenzen gesetzt sind.
Im Folgenden sind verschiedene Aspekte der Erfindung zusammengefasst. Die verschiedenen Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in diesem Abschnitt und in der gesamten Beschreibung erläutert werden, können in dem Umfang, in dem Fachkundige dieses beurteilen können, kombiniert werden. Mehrere in dieser Zusammenfassung und in der gesamten Beschreibung verwendete Begriffe werden am Ende dieses Abschnitts erläutert.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Messsystem mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, und im Wesentlichen jede der Einrichtungen weist eine Struktur aus Schichten auf, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist und wobei die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer der Einrichtungen in einem externen Magnetfeld mit einem Wert, der höher als etwa 35 kA/m ist, irreversibel ist. Der Wert des externen Magnetfeldes kann ebenfalls höher als etwa 40 oder 50 oder 60 kA/m sein. Das externe Magnetfeld kann ebenfalls einen Wert in einem Bereich von etwa 35 kA/m bis etwa 2 MA/m oder sogar 200 MA/m aufweisen. Vorzugsweise ist die erste ferromagnetische Schicht die gepinnte oder harte, ferromagnetische Schicht.
Die ferromagnetischen Schichten der Einrichtungen des Messsystems der Erfindung können sich aus mehreren Schichten zusammensetzen, und es können weitere Zwischenschichten in dem Schichtenstapel vorhanden sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist mindestens eine der Einrichtungen des Messsystems eine Artificial AntiFerromagnet-(AAF) Struktur auf. Ein AAF ist eine magnetische Mehrschichtstruktur, die alternierende, ferromagnetische und nicht magnetische Schichten umfasst, die eine Austauschkopplung aufweisen, welche bei Nichtvorhandensein eines externen Magnetfeldes in einer antiparallelen Ausrichtung der ferromagnetischen Schichten resultiert. Ein solches Ergebnis kann durch eine geeignete Wahl der Materialien und Schichtdicken des AAF-Mehrschichtenstapels erreicht werden. Jede der ferromagnetischen Schichten des AAFs kann aus Untersystemen aus anderen ferromagnetischen Materialien bestehen. Das Messsystem kann ebenfalls eine magnetische Exchange-Biased AAF-Mehrschichtstruktur aufweisen. Der Exchange-Biased AAF kann eine Exchange-Biasing-Schicht aus IrMn-, FeMn-, NiMn-, PtMn- oder NiO-Material umfassen, wobei die Exchange-Biasing-Schicht in Angrenzung an die AAF-Struktur und in Kontakt mit derselben vorgesehen ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dieses ersten Aspekts der Erfindung kann das Messsystem mindestens vier (oder sogar mindestens zwei) Magneteinrichtungen umfassen, die in einer zwei-zu-zwei angeordneten, vorzugsweise mindestens paarartigen, Konfiguration positioniert sind, wobei sich eine Kontaktfläche zwischen den Gruppen (Paaren) befindet und die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht bei den Einrichtungen verschiedener Gruppen (Paare) im Wesentlichen entgegengesetzt und bei den Einrichtungen der gleichen Gruppe (Paar) im Wesentlichen identisch ist. Vorzugsweise ist die erste ferromagnetische Schicht die gepinnte oder harte, ferromagnetische Schicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dieses ersten Aspekts der Erfindung kann das Messsystem mindestens vier (oder sogar mindestens zwei) Magneteinrichtungen aufweisen, die in einer Gruppen-, vorzugsweise zumindest Zwei-zu-Zwei-, paarartigen Konfiguration positioniert sind, wobei eine erste Gruppe (Paar) von Einrichtungen mit im Wesentlichen der gleichen Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der Einrichtungen mit einer zweiten Gruppe (Paar) von Einrichtungen einen Winkel von etwa 90 Grad bildet, wobei die zweite Gruppe (Paar) von Einrichtungen die erste ferromagnetische Schicht mit im Wesentlichen der gleichen Magnetisierungsrichtung aufweist, jedoch gegenüber der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der ersten Gruppe (Paar) von Einrichtungen und mit einer Kontaktfläche einen Winkel von 90 Grad bildet. Vorzugsweise ist die erste ferromagnetische Schicht die gepinnte oder harte, ferromagnetische Schicht.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, und im Wesentlichen jede der Einrichtungen weist eine Struktur aus Schichten auf, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erhitzens eines Teils des Systems mit mindestens einer der Einrichtungen des Satzes, wobei ein externes Magnetfeld über mindestens einen Teil des Systems angelegt wird, wobei dieser Teil mindestens eine Einrichtung umfasst. Der Teil des Systems, der erhitzt wird, kann mit dem Teil des Systems, der dem externen Magnetfeld ausgesetzt ist, teilweise oder vollständig koinzidieren. Somit wird eine lokalisierte Erhitzung des Systems in einem externen Magnetfeld erreicht. Vorzugsweise ist das externe Magnetfeld über diesen Teil homogen. Die Erhitzung kann durch Anlegen eines Laserimpulses oder eines Impulses von einem Elektronenstrahl oder Ionenstrahl an oder über die Einrichtung erreicht werden. Vorzugweise wird mindestens eine der Einrichtungen auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 50 bis etwa 800°C, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 300 oder 400 oder etwa 600°C erhitzt, wobei das externe Magnetfeld einen Wert in dem Bereich von etwa 35 kA/m oder 40 kA/m oder 50 kA/m bis 200 MA/m aufweist.
Es kann eine lokalisierte Erhitzung von lediglich einer der Einrichtungen des Systems in einem externen Magnetfeld erreicht werden oder es können alle der Einrichtungen des Satzes auf die gleiche Temperatur erhitzt werden, oder aber es können mindestens zwei der Einrichtungen des Satzes auf einen anderen Temperaturwert erhitzt werden. Die Richtungen des externen Magnetfeldes können ebenfalls über zumindest einen Teil des Systems alternieren. Durch Anwenden dieses Verfahrens der Erfindung können Messsysteme mit mehreren Biasing-Richtungen der Einrichtungen in dem System vorgesehen werden. Die Einrichtungen weisen eine thermisch und magnetisch robuste Materialstruktur auf, welche zum Beispiel für Kraftfahrzeuganwendungen geeignet ist.
Das Verfahren kann so vorgesehen sein, dass nach Ausführen der Schritte die erste ferromagnetische Schicht der mindestens einen Einrichtung eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die mit der Richtung des externen Magnetfeldes korreliert ist und vorzugsweise in einem externen Magnetfeld mit einem höheren Wert als etwa 35 kA/m irreversibel ist.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, und im Wesentlichen weist jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten auf, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Aufbringens der Schichtstruktur von mindestens einer der Einrichtungen auf einem Substrat, wobei zumindest während eines Teils des Zeitraums des Aufbringschritts ein externes Magnetfeld über zumindest einem Teil des Substrats angelegt wird.
Vorzugsweise weist das externe Magnetfeld mindestens eine Charakteristik auf, die über das Substrat positionsabhängig ist. Eine solche Charakteristik kann die Stärke und/oder die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes umfassen.
Während des Aufbringens kann das Substrat in einem Aufbringungshalter gehalten werden, wobei der Halter Magnetelemente zum Anlegen des externen Magnetfeldes enthält. Nach Durchführen des Verfahrens weist die erste ferromagnetische Schicht der mindestens einen Einrichtung eine Magnetisierungsrichtung auf, die mit der Richtung des externen Magnetfeldes korreliert ist, und die Magnetisierungsrichtung dieser ersten ferromagnetischen Schicht ist in einem externen Magnetfeld mit einem höheren Wert als 35 kA/m irreversibel. Bei Durchführen des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung kann das Substrat ebenfalls erhitzt werden.
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, wobei im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die erste Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Aufbringens einer ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer ersten der Einrichtungen des Satzes, wobei ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht in einer ersten Richtung zu pinnen (der erste Aufbringungsschritt), sowie des nachfolgenden Aufbringens einer ersten ferromagnetischen Schicht von einer weiteren der Einrichtungen des Satzes, wobei ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung dieser ersten ferromagnetischen Schicht in einer zweiten Richtung, die sich von der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht unterscheidet, vorzugsweise zu dieser entgegengesetzt ist, zu pinnen (der zweite Aufbringungsschritt). Bei Durchführen des Verfahrens gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung können während des ersten und zweiten Aufbringungsschrittes Magnetfelder entgegengesetzter Richtung angelegt werden. Der Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration kann zwei Wheatstone-Vollbrückenanordnungen umfassen, wobei die Magnetisierungsrichtungen in entsprechenden Einrichtungen der Wheatstone-Brücken in unterschiedlichen Winkel gepinnt werden.
Es ist ein Aufbringungshalter für ein Substrat zum Aufbringen einer Struktur aus Schichten auf dem Substrat offenbart, wobei der Halter Magnetelemente enthält, um über zumindest einen Teil des Substrats ein externes Magnetfeld anzulegen, wobei das externe Magnetfeld mindestens eine Magnetcharakteristik aufweist, die über das Substrat positionsabhängig ist. Die Charakteristik kann die Stärke und/oder die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes aufweisen. Der Aufbringungshalter kann weiterhin mindestens ein Heizelement umfassen, um zumindest einen Teil des Substrats während des Anlegens des externen Magnetfeldes über das Substrat zu erwärmen. Der Aufbringungshalter kann ebenfalls Magnetelemente zum Anlegen des externen Magnetfeldes umfassen.
In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, wobei im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst den Schritt des Aufbringens einer ersten ferromagnetischen Schicht des Satzes von Einrichtungen, wobei die erste ferromagnetische Schicht einen Teil einer AAF-Struktur darstellt, sowie des nachfolgenden Ausrichtens der ersten ferromagnetischen Schicht des Satzes von Einrichtungen und des anschließenden Aufbringens der anderen Schichten der AAF-Struktur und der zweiten ferromagnetischen Schicht sowie der Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material. Der Schritt des Ausrichtens der ersten ferromagnetischen Schicht kann zum Beispiel durch Erwärmen des Satzes von Einrichtungen in einem räumlich variierenden Magnetfeld ausgeführt werden.
In einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetsystems offenbart, wobei das System einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration umfasst, wobei im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist, wobei das Verfahren den Schritt des Alternierens von mindestens einer der magnetischen Charakteristiken von mindestens einer der Einrichtungen des Satzes durch Erwärmen der mindestens einen Einrichtung des Satzes wäh rend des Anlegens eines externen Magnetfeldes über zumindest einen Teil des Systems umfasst, wobei der Teil die mindestens eine Einrichtung aufweist.
Vorzugsweise ist das System ein Messsystem mit einer Magnetcharakteristik und umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration. Das System kann ebenfalls ein Lesekopf oder ein Datenspeichersystem, wie z. B. ein MRAM-Speicher, sein.
In einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Rücksetzen oder Korrigieren oder Verändern eines Magnetsystems offenbart, wobei das System einen Satz von Magneteinrichtungen umfasst, wobei im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist, wobei das Verfahren den Schritt des Alternierens von mindestens einer der magnetischen Charakteristiken von mindestens einer der Einrichtungen des Satzes durch Erwärmen der mindestens einen Einrichtung des Satzes während des Anlegens eines externen Magnetfeldes über zumindest einen Teil des Systems umfasst, wobei der Teil die mindestens eine Einrichtung aufweist. Vorzugsweise ist das System ein Messsystem mit einer Magnetcharakteristik und umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration. Das System kann ebenfalls ein Lesekopf oder ein Datenspeichersystem, wie z. B. ein MRAM-Speicher, sein.
In einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Datenspeichersystem offenbart, welches eine oder mehrere Magneteinrichtungen in einer Zellenkonfiguration aufweist, wobei im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist, und wobei die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer der Einrichtungen in einem externen Magnetfeld mit einem höheren Wert als etwa 35 kA/m irreversibel ist. Das externe Magnetfeld kann ebenfalls höher als etwa 40 oder 50 oder 60 kA/m sein. Das externe Magnetfeld kann ebenfalls in dem Bereich von etwa 35 kA/m bis etwa 200 MA/m liegen.
Das Messsystem der Erfindung kann ein Magnetsensorelement oder ein Magnetlesekopf, wie z. B. ein GMR-Dünnschichtkopf, für Festplatten oder ein solches Sys tem mit einer Magneteinrichtung und Signalverarbeitungselektronik zur Verarbeitung des Signals der Magnetcharakteristik oder ein Messgerät bzw. eine Ableitung davon sein. Die Einrichtungen des Messsystems und Datenspeichersystems der Erfindung können in einer sich auf dem GMR- oder TMR-Grundstapel der Einrichtung weiter aufbauenden Mehrschichtkonfiguration vorgesehen sein. Daher ist zumindest ein Teil des Systems ohne signifikante Änderung eines Standardherstellungsverfahrens herstellbar, wodurch zumindest ein Teil des Systems bei geringen Kosten gefertigt werden kann. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Möglichkeit, das gesamte Messsystem und/oder das Datenspeichersystem der Erfindung auf einem Alsimag-(eine Mischung aus Oxiden) Slider oder auf einem Halbleiter-(Silicium) Chip zu integrieren, wobei die Mehrschichtkonfiguration auf dem Chip aufgewachst oder deponiert wird. Die Mehrschichtkonfiguration kann am Anfang oder am Ende des Verfahrens zur Herstellung des Chips auf dem Chip aufgewachst oder deponiert werden. Am Ende des Verfahrens wird ein Teil des Chips planarisiert, und die Mehrschichtkonfiguration wird darauf deponiert oder aufgewachst. Es werden geeignete Anschlüsse durch Bonden oder über Strukturen hergestellt, um die Signale der Mehrschichtkonfiguration zu dem die Signalverarbeitungslogik enthaltenden Teil des Chips zu übertragen. Am Anfang des Verfahrens wird die Mehrschichtkonfiguration auf dem Halbleiter (Silicium) direkt integriert. Das Messsystem der Erfindung kann ebenfalls ein integrierter Schaltkreis mit einer Speicherfunktionalität und einem integrierten Messsystem oder ein ASIC mit einem integrierten, nicht flüchtigen Magnetspeicherelement und einem Messsystem oder eine Chipkarte mit einem Messsystem oder irgendein solches Messsystem sein. Die Menge von Strukturen des Messsystems der Erfindung kann in einer sich auf dem GMR- oder TMR-Grundstapel des Systems weiter aufbauenden Mehrschichtkonfiguration vorgesehen werden. Die Schichten der Einrichtungen des Systems der Erfindung können durch Molekularstrahlepitaxie oder MOCVD oder Aufsputtern oder eine solche Technik, die Fachkundigen bekannt ist, aufgebracht werden.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, einen Teil der Lehre oder die gesamte Lehre der Erfindung auf eine einzelne Magneteinrichtung oder einen Satz von Magneteinrichtungen, der nicht in einer Ausgleichskonfiguration vorgesehen ist, anzuwenden. Somit kann der zweite Aspekt der Erfindung zum Beispiel als ein Verfahren zur Herstellung einer Magneteinrichtung beschrieben werden, wobei die Einrichtung eine Struktur aus Schichten, die zumindest eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit zumindest einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwi schen aufweist, umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erhitzens der Einrichtung, wobei ein externes Magnetfeld über die Einrichtung angelegt wird. Die Erhitzung kann durch Anlegen eines Stromimpulses an oder über die Einrichtung erreicht werden. Vorzugsweise wird die Einrichtung oder mindestens eine der Einrichtungen des Satzes auf eine Temperatur in dem Bereich von 50 bis 800°C, vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis etwa 300 oder 400 oder 600°C erhitzt, wobei das externe Magnetfeld einen Wert in dem Bereich von etwa 35 kA/m oder 40 kA/m oder 50 kA/m bis 200 MA/m aufweisen kann.
Mehrere zuvor eingebrachte und in dem Sequel verwendete Begriffe können zur Vervollständigung des Verstehens dieser Begriffe von Fachkundigen nachfolgend beschrieben werden:
Der Begriff, dass die Magnetisierungsrichtung einer Magneteinrichtung in einem externen Magnetfeld irreversibel ist, heißt, dass die Magnetisierungsrichtung unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes verändert werden kann; sobald jedoch das externe Magnetfeld abgeschaltet wird, nimmt die Magnetisierungsrichtung im Wesentlichen ihre ursprüngliche Position vor Anlegen des externen Magnetfeldes ein. Die Magnetisierungsrichtung kann ebenfalls im Wesentlichen unverändert bleiben, während diese dem externen Magnetfeld ausgesetzt ist. Somit ist die mögliche Änderung der Magnetisierungsrichtung reversibel. Diese irreversible Charakteristik ist bei Auswerten der Einrichtung bei Raumtemperatur und bei Auswertungszeiten, die in der Größenordnung von einer Minute oder einigen Minuten liegen, sichtbar.
Ein Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration heißt, dass die Konfiguration so ist, dass man bei dem Ansprechverhalten des Systems, welches sich aus den Einrichtungen zusammensetzt, deutlich zwischen dem Ansprechverhalten oder Widerstandsänderungen aufgrund des (variierenden) Magnetfeldes und dem Ansprechverhalten des Sensors oder Widerstandsänderungen aufgrund von Umweltfaktoren, wie z. B. Temperaturänderungen, unterscheiden kann. Eine Vorgehensweise bei Anordnen einer solchen Ausgleichskonfiguration besteht darin, mehrere GMR- oder TMR-Elemente in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration zu schalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Magnetmesssystem in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration. 1a und 1b zeigen, wie die nachfolgenden Schritte des Ausrichtens der Elemente 1 und 4 der Wheatstone-Brücke und des anschließenden entgegengesetzten Ausrichtens der Elemente 2 und 3 erreicht werden können;
2 Messungen auf einem Messsystem mit Magneteinrichtungen, die entgegengesetzte Exchange-Biasing-Richtungen aufweisen. Die Messungen zeigen die Durchführbarkeit der Erfindung: es ist die Umkehrung von 2 mal 2 GMR-Elementen in einer Vollbrückenkonfiguration dargestellt;
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Einrichtung in Draufsicht;
4 eine Wheatstone-Brückenanordnung mit einer Magneteinrichtung;
5 eine vereinfachte Ansicht eines Teils eines magnetoresistiven Sensorelements;
6 eine vereinfachte Ansicht einer Anordnung mit zwei Wheatstone-Brückenanordnungen, bei der die Magnetisierungsrichtung des entsprechenden Elements in einem Winkel von 90° ausgerichtet ist;
7 eine vereinfachte Ansicht von Teilen von zwei magnetoresistiven Elementen, die übereinander angeordnet sind;
8 die Anordnung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Kontaktfläche zwischen den Einrichtungen des Systems;
9 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Messsystems gemäß der Erfindung mit einer Kontaktfläche zwischen den Einrichtungen des Systems;
10 eine kompakte, doppelte Wheatstone-Brücke auf GMR-Basis für ein Messsystem im vollen 360 Grad Winkel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier, in einer zwei-zu-zwei gruppierten, paarartigen Konfiguration positionierten Magneteinrichtungen mit einem ersten Paar von Einrichtungen mit im Wesentlichen der gleichen Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der Einrichtungen in einem Winkel von 90 Grad mit einem zweiten Paar von Einrichtungen, wobei des zweite Paar von Einrichtungen die erste ferromagnetische Schicht mit im Wesentlichen der gleichen Magnetisierungsrichtung, jedoch in einem Winkel von etwa 90 Grad gegenüber der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht des ersten Paares von Einrichtungen, aufweist;
11 ein Ausführungsbeispiel mit einer 3×4 Matrixkonfiguration von kompakten, doppelten Wheatstone-Brücken für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messsystems im vollen 360 Grad Winkel;
12a und 12b einen Aufbringungshalter für ein Substrat zum Deponieren von Magneteinrichtungen auf dem Substrat, wobei der Halter Magnetelemente zum Anlegen eines externen Magnetfeldes über mindestens einen Teil des Substrats enthält, wobei das externe Magnetfeld in diesem Teil mindestens eine Magnetcharakteristik aufweist, die über das Substrat positionsabhängig ist. Es wird gezeigt, dass der Halter Magnetelemente zum Anlegen des externen Magnetfeldes enthält;
13 eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Aufbringungshalters für ein Substrat zum Deponieren von Magneteinrichtungen auf dem Substrat. Der Aufbringungshalter eignet sich zum Aufbringen einer doppelten GMR-Wheatstone-Brücke.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zum Zwecke der Lehre der Erfindung sind in dem Sequel bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens und von Herstellungssystemen der Erfindung beschrieben. Insbesondere sind Ausführungsbeispiele der Erfindung von Einrichtungen mit einer magnetischen Mehrschichtkonfiguration auf der Basis eines GMR- oder TMR-Grundstapels offenbart. Diese Mehrschichtkonfigurationen können in den Systemen der Erfindung gemäß Fachkundigen bekannten Techniken integriert sein. Zum Beispiel ist es in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, das gesamte Mess- oder Datenspeichersystem der Erfindung auf einem Halbleiter-(Silicium) Chip zu integrieren, wobei die Mehrschichtkonfiguration auf den Chip aufgewachst oder deponiert wird. Die Mehrschichtkonfiguration kann auf dem Chip am Anfang oder am Ende des Verfahrens zur Herstellung des Chips aufgewachst oder deponiert werden. Am Ende des Verfahrens wird ein Teil des Chips planarisiert, und die Mehrschichtkonfiguration wird darauf deponiert oder aufgewachst. Es werden geeignete Anschlüsse durch Bonden oder über Strukturen hergestellt, um die Signale der Mehrschichtkonfiguration zu dem die Signalverarbeitungslogik enthaltenden Teil des Chips zu übertragen. Es liegt für Fachkundige auf der Hand, dass weitere alternative und äquivalente Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt und verwirklicht werden können, ohne von dem wahren Erfindungsgedanken abzuweichen, wobei der Anwendungsbereich der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt wird.
Ein System der Erfindung kann gemäß einem Verfahren zur Herstellen des zweiten Aspekts der Erfindung hergestellt werden. In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit einer Magnetcharakteristik offenbart. Das System umfasst einen Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration, und im Wesentlichen jede der Einrichtungen weist eine Struktur aus Schichten auf, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht mit mindestens einer Trennschicht aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erhitzens von mindestens einer der Einrichtungen des Satzes, wobei ein externes Magnetfeld über mindestens einen Teil des Systems angelegt wird, wobei der Teil diese mindestens eine Einrichtung umfasst. Somit wird eine lokalisierte Erhitzung des Systems in einem externen Magnetfeld erreicht. Die Erhitzung kann durch Anlegen eines Stromimpulses an oder über die Einrichtung erreicht werden. Vorzugweise wird mindestens eine der Einrichtungen auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 50 bis etwa 800°C, vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis etwa 300 oder 400 oder 600°C erhitzt, wobei das externe Magnetfeld einen Wert in dem Bereich von etwa 35 kA/m oder 40 kA/m oder 50 kA/m bis 200 MA/m aufweist. In dem Ausführungsbeispiel, welches in dem Sequel offenbart ist, hat nach Ausführung der Schritte die erste ferromagnetische Schicht der mindestens einen Einrichtung eine Magnetisierungsrichtung, die mit der Richtung des externen Magnetfeldes korreliert ist und ist in einem höheren, externen Magnetfeld als etwa 50 kA/m irreversibel.
1 zeigt, wie ein Magnetmesssystem in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration gemäß einem ,best-mode' (beste Ausführungsform) Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht werden kann. Das gesamte Messsystem (10) mit vier Magneteinrichtungen (1–4) in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration wird einem externen Magnetfeld (durch die vertikalen Pfeile (5) gekennzeichnet) ausgesetzt und wird, wie in 1a dargestellt, elektrisch angeschlossen. Die gekrümmten Pfeile auf der Figur zeigen, wo die Stromimpulse zur Erreichung der lokalen Erhitzung fließen. Es wird ein externes Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 200 kA/m angelegt. Die Magneteinrichtungen bestehen aus einer Mehrschichtkonfiguration, die durch Aufsputtern vorgesehen wird. Die Mehrschichtkonfiguration wird auf einem Substrat aus Silicium aufgebracht und umfasst im Wesentlichen:

– eine Pufferschicht, um die richtige Materialstruktur (in diesem Falle (111) Textur) in der Mehrfachschicht zu induzieren; in diesem Fall ist die Pufferschicht ein Stapel aus 3,5 mm Ta/2,0 nm Ni₈₀/Fe₂₀;
– eine erste Struktur, welche umfasst:
– eine Schichtstruktur aus einem Exchange-Biased AAF, in diesem Fall 10,0 nm Ir₁₉Mn₈₁/4,5 nm Co₉₀Fe₁₀/0,8 nm Ru/4,0 nm Co₉₀Fe₁₀; der CoFe/Ru/CoFe-Stapel wird als erste ferromagnetische Schicht (die gepinnte Schicht) verwendet; Ir₁₉Mn₈₁ (die Exchange-Biasing-Schicht) wurde aufgrund seiner hohen Blockungstemperatur (um 560 K) für eine gute Temperaturstabilität als Exchange-Biasing-Material gewählt; die Verwendung eines AAFs als gepinnte Schicht sieht aufgrund seiner sehr geringen Nettomagnetisierung eine ausgezeichnete Magnetstabilität vor, was in einer großen Festigkeit resultiert;
– eine Trennschicht aus 3,0 nm Cu;
– eine freie Schicht (die zweite ferromagnetische Schicht) aus 0,8 nm Co₉₀/Fe₁₀/3,5 nm Ni₈₀/Fe₂₀/0,8 nm Co₉₀Fe₁₀ (die dünnen Co₉₀Fe₁₀-Schichten verbessern das GMR-Verhältnis und begrenzen Zwischenschichtdiffusion, wodurch die thermische Stabilität verbessert wird); und die Mehrfachschicht umfasst weiterhin:
– eine hoch resistive, metallische Schicht aus 2,5 nm Ta;
– eine zweite Struktur mit
– einer zweiten gepinnten Schicht aus 4,0 nm Co₉₀Fe₁₀ in Wechselwirkung mit 10,0 nm Ir₁₉Mn₈₁; und schließlich
– eine Deckschicht aus 10,0 nm Ta zum Schutz.

Die Stromimpulse zur Erreichung lokaler Erhitzung der Einrichtungen sind vorzugsweise so, dass die resultierende Wärmeabführung die Einrichtung oberhalb der Blockungstemperatur erhitzt. Lediglich dieser Teil des Messsystems, der oberhalb der Blockungstemperatur erhitzt wird, erreicht permanent die Richtung des externen Magnetfeldes. Werden alle Brückenelemente ursprünglich in der entgegengesetzten Richtung (bei Deponieren) ausgerichtet, kann dieser einzelne Einstellschritt ausreichend sein, um eine Vollbrückenkonfiguration zu realisieren. Wenn gewünscht, kann jedoch der Erhitzungsvorgang wiederholt werden. Dieser Einstellvorgang kann mit verschiedenen Magnetfeldrichtungen so oft wie gewünscht wiederholt werden. Hierdurch wird zum Beispiel auf elegante Weise ermöglicht, zwei Wheatstone-Brücken vorzusehen, welche auf einem einzelnen Substrat zueinander um 90° gedreht werden; dieses wird bei einem GMR-Winkelsensor mit einem 360°-Bereich gewünscht.
2 zeigt Messungen auf einem Messsystem mit Magneteinrichtungen, die entgegengesetzte Exchange-Biasing-Richtungen aufweisen und die unter Anwendung dieses Verfahrens auf dem gleichen Substrat hergestellt werden. Die gestrichelten Linien zeigen den Spannungsausgang einer GMR-Wheatstone-Brücke vor Anwendung des Verfahrens. Die durchgezogene Linie zeigt den Spannungsausgang, nachdem beide Paare von GMR-Einrichtungen durch das Verfahren dieses Aspekts der Erfindung umgekehrt wurden. In diesem Fall werden ein Feld von 200 kA/m und ein Heizstrom von mehreren zehn mA verwendet. Diese Demonstration beweist ebenfalls, dass es möglich ist, eine lokale Umorientierung vorzunehmen, d. h. ein Element umzuorientieren, ohne dabei ein Nachbarelement umzuorientieren. Der Vorteil des Anwendens des Verfahrens dieses Aspekts der Erfindung umfasst:

– Ermöglichte Realisierung von GMR- oder TMR-Elementen mit mehreren Exchange-Biasing-Richtungen mit nur einem einzigen Aufbringungsschritt;
– Anwendbar auf Materialien mit robusten Exchange-Biasing-Charakteristiken;
– Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration ist möglich;
– Keine integrierten Leiter zum Einstellen der Magnetisierungsrichtungen (was mehrere zusätzliche Verfahrensschritte notwendig macht) sind erforderlich, somit wird eine einfachere Bearbeitung erreicht;
– Den kleinsten Dimensionen in der Struktur des Messsystems werden durch dieses Verfahren keine strengen Grenzen gesetzt;
– Zu verschiedenen Brückenzweigen gehörende Elemente können abwechselnd über das System verteilt werden;
– Dieses Verfahren kann leicht mit einem Testschritt in dem Herstellungsverfahren verbunden werden;
– Sieht ein Verfahren zum Rücksetzen oder Korrigieren der Magnetisierungsrichtungen in Sensoren, Leseelementen und MRAMs nach Herstellung vor;
– Dieses Verfahren kann sogar bei fertig gestellten (gehäusten) Systemen oder Einrichtungen angewandt werden.

Gemäß einem vierten Aspekt des Verfahrens gemäß der Erfindung wird in einem ersten Aufbringungsschritt eine erste ferromagnetische Schicht von einer der beiden gegenüberliegenden Einrichtungen des Messsystems aufgebracht, wobei während des Aufbringens ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht in einer ersten Richtung zu pinnen, und danach in einem zweiten Aufbringungsschritt eine zweite ferromagnetische Schicht der anderen der beiden Einrichtungen aufgebracht wird, wobei während des Aufbringens ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung in der zweiten ferromagnetischen Schicht in einer, sich von der Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht unterscheidenden, vorzugsweise zu dieser entgegengesetzten, zweiten Richtung zu pinnen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die mindestens zwei gepinnten, ferromagnetischen Schichten in mindestens 2 getrennten Aufbringungsschritten vorgesehen, wobei während der Aufbringungsschritte ein Magnetfeld erzeugt wird, durch welches den gepinnten, ferromagnetischen Schichten entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen zugeordnet werden. Dieses wird vorzugsweise durch Verwenden von Magnetfeldern entgegengesetzter Richtungen während des ersten und zweiten Aufbringungsschrittes erreicht. Im Vergleich zu Verfahren, in denen Magnetfelder mit der gleichen Richtung verwendet werden, in denen jedoch die Position der Einrichtung verändert wird, sind solche Verfahren einfacher.
Vorzugsweise weist das Magnetfeld, welches während der zweiten Aufbringung angelegt wird, eine Richtung auf, die sich von der Richtung des während der ersten Aufbringung angelegten Magnetfeldes unterscheidet, vorzugsweise entgegengesetzt zu dieser verläuft, während die Position der Einrichtung während des Aufbringens die gleiche ist. Alternativ, jedoch weniger bevorzugt, ist das bei Aufbringen angelegte Magnetfeld das gleiche, jedoch wird die Position der Einrichtung zwischen den Aufbringungen verändert, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Obgleich das Verfahren zur Herstellung eines Messsystems mit zum Beispiel einer Wheatstone-Halbbrückenanordnung anwendbar ist, ist es ebenfalls bei einem System mit vier Brückenelementen in einer Wheatstone-Brückenanordnung von Bedeutung.
3 zeigt schematisch eine Draufsicht einer gemäß dem Verfahren des vierten Aspekts der Erfindung vorgesehenen Einrichtung.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist vier Brückenelemente 31, 32, 33 und 34 in einer Wheatstone-Brückenanordnung auf. Jedes dieser Elemente umfasst eine freie, ferromagnetische Schicht und eine gepinnte, ferromagnetische Schicht, die durch eine Trennschicht voneinander getrennt sind. Die Magnetisierungsrichtung in jeder der gepinnten Schichten der jeweiligen Elemente ist in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Benachbarte Elemente (innerhalb der Wheatstone-Brückenanordnung) weisen entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen bei gepinnten Schichten auf.
Zum Beispiel kann eine Brückenstruktur, wie in 3 dargestellt, wie folgt realisiert werden. Zuerst wird eine GMR-Schicht auf einem Substrat aufgebracht, wobei in Abwärtsrichtung ein Magnetfeld angelegt wird (zumindest bei Aufbringen der gepinnten Schicht, da bei der freien Schicht das Magnetfeld um 90° gedreht werden kann, um Hysterese zu reduzieren). Unter Anwendung lithographischer Techniken werden Elemente (31) und (34) definiert und aus dieser Schicht hergestellt. Danach wird zum zweiten Mal eine GMR-Schicht aufgebracht, das Magnetfeld jedoch nun in Aufwärtsrichtung angelegt. Die Schicht wird in die Elemente (32) und (33) strukturiert. Schließlich können in einem dritten lithographischen Schritt Kontaktzuleitungen hinzugefügt werden. Bei diesem Verfahren wird vorgezogen, dass die GMR-Schichten beider Aufbringungen die gleichen magnetoresistiven Eigenschaften aufweisen. 4 zeigt die äquivalente Darstellung einer Wheatstone-Brücke mit magnetoresistiven Sensorelementen (41, 42, 43, 44) gemäß der Erfindung sowie eine mit den Anschlüssen 46 und 47 verbundene Stromquelle 1 für einen Strom I_in. Die Ausgangsspannung V₁–V₂ liegt an den Anschlüssen 48 und 49 an. Die Brücke kann durch Spannungsregelung oder Stromregelung betrieben werden. Im Vergleich zur Spannungsregelung bietet die hier dargestellte Stromregelung den Vorteil, dass ein Abfall der Ausgangsspannung V₁–V₂ im Falle einer ansteigenden Temperatur aufgrund einer Abnahme des relativen magnetoresistiven Effekts durch einen Anstieg des absoluten Wertes der magnetoresistiven Elemente 41, 42, 43 und 44 in der Brücke, welcher durch einen positiven Temperaturkoeffizienten des resistiven Materials bewirkt wird, entsprechend ausgeglichen wird. 5 zeigt den Aufbau eines Teils eines magnetoresistiven Sensorelements, wie dieses erfindungsgemäß verwendet werden kann. Pfeil M_F in 5 kennzeichnet die Richtung der anisotropen Achse der freien, ferromagnetischen Schicht F und ein Pfeil M_P die Richtung der Magnetisierung der gepinnten, ferromagnetischen Schicht P. Schichten F und P sind durch eine nicht ferromagnetische Schicht L getrennt. Das Element ist auf einem Substrat S vorgesehen. Ein Pfeil 56 kennzeichnet die Komponente eines zu messenden Magnetfeldes H, welches parallel zu der Magnetisierungsrichtung der zweiten Schicht P gerichtet ist. Bei dem magnetoresistiven Element 41, 42, 43 und 44 erstreckt sich die leichte Magnetisierungsrichtung des empfindlichen, ferromagnetischen Materials der Schicht F im Wesentlichen senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung der ferromagneti schen Schicht P. Während der Herstellung der Sensorelemente werden die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten (F und P) so festgelegt, dass zwei Elemente in zwei aneinandergrenzenden (in dem elektrischen Schema) Zweigen der Brücke eine Gegenempfindlichkeit gegen externe Magnetfelder aufweisen. Die Schichten können durch verschiedene bekannte Verfahren, wie z. B. Aufsputtern, MBE (Molekurlarstrahlepitaxie) oder Ionenstrahlabscheidung, aufgetragen werden. Bei Aufbringen wird ein Magnetfeld angelegt, welches die Magnetisierungsrichtung der Schicht bestimmt. Darüber hinaus wird in jedem magnetoresistiven Sensorelement die Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht F im Wesentlichen senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung der anderen ferromagnetischen Schicht P eingestellt. Infolge dieser Schritte wird erreicht, dass für die Messung kleiner Magnetfelder zusätzliche Felder nicht mehr erforderlich sind, dass der Sensor im Wesentlichen frei von Hysterese ist, und dass er eine verbesserte Linearität aufweist.
Die freie Schicht kann eine einzelne CoFe-Schicht sein oder aus mehreren Unterschichten (z. B. CoFe + NiFe, CoFe + NiFe + CoFe usw.) bestehen. Anstelle von CoFe kann Co oder CoNiFe verwendet werden, wobei jedoch bei Verwendung von CoNiFe dieses vorzugsweise nicht an die Cu-Abstandsschicht angrenzen sollte. Es kann ein AAF verwendet werden, der mehrere ferromagnetische und nicht magnetische Schichten umfassen kann. Jede ferromagnetische, gepinnte Schicht kann sich wie im Hinblick auf die freie Schicht beschrieben zusammensetzen. Das Element kann eine Kombination aus zwei gepinnten, ferromagnetischen Schichten und einer freien, ferromagnetischen Schicht aufweisen. Das Element kann ebenfalls als eine Datenspeicherzelle verwendet werden. Ein zwischen den Magnetisierungsrichtungen der freien und der gepinnten Schicht gesetzter Winkel ist für z. B. eine „0" oder eine „1" kennzeichnend. Der Dateninhalt kann durch Messen des Widerstands der Speicherzelle ausgelesen werden.
6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, in welchem zwei Wheatstone-Brücken 60 und 69 vorgesehen sind. Die Magnetisierungsrichtungen der gepinnten Schichten 61', 62', 63' und 64' in Wheatstone-Brücke 69 sind in einem Winkel von 90° zu den entsprechenden Elementen in Wheatstone-Brücke 60 ausgerichtet. Eine solche Anordnung kann zum Beispiel vorteilhafterweise zur Messung rotierender Magnetfelder eingesetzt werden. Die Signale V₁–V₂ und V'₁–V'₂ ermöglichen eine Messung der Stärke sowie des Winkels (Ausrichtung) des Magnetfeldes. Weist das zu messende Feld eine Stärke auf, die so groß ist, dass die Richtungen der Magnetisierung der freien Schicht der Rich tung des zu messenden Magnetfeldes folgen, sind die Signale, unabhängig von der Stärke des Magnetfeldes, ein Maß für die Ausrichtung des Magnetfeldes. Der Einsatz von zwei Wheatstone-Brücken, in denen die Magnetisierungsrichtungen in entsprechenden Elementen einen Winkel von vorzugsweise, jedoch nicht restriktiv, 90° zueinander bilden, ermöglicht die Messung der Richtung des Magnetfeldes über den vollen 360°-Bereich. In sämtlichen Beispielen sind die Richtungen der Magnetisierung oder von anisotropen Achsen als in der Ebene der Schichten liegend und im Wesentlichen zueinander entgegengesetzt (zumindest innerhalb einer Wheatstone-Brückenanordnung) dargestellt. Obgleich solche Verfahren und Anordnungen bevorzugt werden und vorteilhaft sind, umfasst die Erfindung in ihrem weitesten Sinn Verfahren, bei denen die Magnetisierungsrichtungen unterschiedlich sind, wobei andere Winkel als 180°, zum Beispiel 90°, einbezogen werden. Ebenso die Richtungen müssen nicht in der Ebene der Schichten liegen, sondern sie können eine Komponente quer zu den Schichten sein oder eine solche aufweisen.
Die folgenden Vorteile von Systemen, die gemäß diesem Aspekt der Erfindung hergestellt werden, sind:
Ebenfalls auf Materialien mit robustem Exchange-Biasing anwendbar;
Wheatstone-Vollbrückenkonfigurationen sind möglich;
Keine integrierten Leiter zur Einstellung der Magnetisierungsrichtungen (wofür mehrere zusätzliche Verfahrensschritte notwendig sind) sind erforderlich;
Den kleinsten Dimensionen in dem Messsystem werden durch dieses Verfahren keine Grenzen gesetzt;
Zu verschiedenen Brückenzweigen gehörende Elemente können abwechselnd über das System verteilt werden;
Es besteht die Möglichkeit, Elemente übereinander anzuordnen (mit Isolation dazwischen), wodurch die gesamte Systemfläche somit um einen Faktor 2 reduziert und die Leistung der Brücke (aufgrund geringerer Einflüsse von Temperatur- oder Feldgradienten) verbessert wird;
Alternativ können Elemente auf beiden Seiten des Substrats, auf dem das System aufgebaut wird, positioniert werden.
Die Möglichkeit, Elemente zu stapeln, ist in 7 schematisch dargestellt. Die Brückenelemente 71 und 72 sind übereinander angeordnet, die Magnetisierungsrichtungen MP, MP' der gepinnten Schichten P in Elementen 71 und 72 verlaufen entgegengesetzt.
8 zeigt die Anordnung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Kontaktfläche zwischen den Elementen des Systems. 8 zeigt eine Anordnung eines Messsystems mit vier mäanderförmigen GMR-Elementen, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der vier Kontaktstellen (86) befinden. Ein Mäanderstreifen bildet ein Element der Wheatstone-Brücke. Die Kontaktstellen sind in einer Reihe angeordnet, um eine maximale Trennung zwischen den beiden Paaren der Elemente der Wheatstone-Brücke vorzusehen und dabei eine effiziente Verwendung der gesamten Fläche des Substrats (ein Einzelchip) zu gewährleisten. Die Kontaktstellen sind typischerweise etwa 100×100 μm² mit einem Abstand von 50 μm. Die Trennung zwischen den Elementen ist daher etwa 600 μm, was etwa die Dicke eines Si-Wafers (80) ist, der als ein Substrat verwendet werden kann. Die Dicke ist relevant, da die Bias-Magneten, die bei Aufbringen des Elements zur Erzeugung eines Magnetfeldes verwendet werden können, hinter dem Substrat positioniert werden müssen. Daher legt die Substratdicke einen Mindestlängenumfang fest, über den die Richtung eines Bias-Magnetfeldes geändert werden kann. Wenn erforderlich, kann der Si-Wafer vor Aufbringung zerkleinert werden, um die Substratdicke zu reduzieren. Die Breite eines Einzelelement-Mäanders kann etwa 75 μm betragen, welche ausreicht, um 7 Streifen von 5 μm mit 10 μm Periode zu strukturieren. Kombiniert mit einer Streifenlänge von 300 μm sollte dieses einen Brückenwiderstand von über 4 k⎕ ergeben, der ausreichend groß ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Trennung zwischen den GMR-Elementen ebenfalls für Magnetfluss-Leitstückstrukturen oder für integrierte Schaltkreise mit Signalverarbeitungsfunktionalität, die in dem Si-Substrat vorgesehen sind, verwendet werden.
9 zeigt schematisch 14 Sensoren, die bei Aufbringung der Elemente nebeneinander auf einem Wafer zusammen mit den erforderlichen Magnetfeldrichtungen ausgerichtet werden. Die Längen l₁ und l₂ definieren den erforderlichen Längenumfang, über den das Magnetfeld die Richtung ändern muss.
Die lokale Feldrichtung bei Aufbringen des Elements ist durch die horizontalen Pfeile (90) gekennzeichnet.
Ein Aufbringungshalter gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist in den 12a und 12b dargestellt, die eine Seitenansicht eines Aufbringungshalters für ein Substrat (120) zum Aufbringen von Magnetelementen auf dem Substrat zeigen. Der Halter enthält Magnetelemente zum Anlegen eines externen Magnetfeldes, welches mindestens eine Magnetcharakteristik aufweist, die über das Substrat (120) positionsabhängig ist. Die Magnetelemente sind Permanentmagneten oder Elektromagneten (127), die in 12a mit Magnetfluss-Leitstücken (128) abwechseln. In 12b ist eine weiche Magnetträgerplatte (129) auf dem Aufbringungshalter vorgesehen. Die Magnetflusslinien des externen Magnetfeldes, welches durch die Permanentmagneten oder Elektromagneten (127) erzeugt wird, sind durch die gebogenen Linien dargestellt. Die Aufbringungshalter bewirken ein wechselndes Magnetfeld an der Oberseite des Substrats (120). Beide Aufbringungshalter liefern im Grunde die gleiche Magnetfeldstruktur. Das Magnetfeld liegt bei maximaler Stärke in der Größenordnung von 16 kA/m oder höher.
13 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Aufbringungshalters eines Substrats (130) zum Aufbringen von Magnetelementen auf dem Substrat (130). Der Aufbringungshalter eignet sich zum Deponieren einer doppelten GMR-Wheatstonebrücke. Der Halter enthält Magnetelemente zum Anlegen eines externen Magnetfeldes, welches mindestens eine Magnetcharakteristik aufweist, die über das Substrat positionsabhängig ist. Die Magnetelemente sind Permanentmagnete oder Elektromagnete (137); auf dem Aufbringungshalter ist eine weiche Magnetträgerplatte (139) vorgesehen. Die Magnetflusslinien des externen Magnetfeldes, welches durch die Permanentmagneten oder Elektromagneten (127) erzeugt wird, sind in der Figur durch die gebogenen Linien in der Seitenansicht und durch die geraden Linien in der Draufsicht dargestellt.
2

alter
nach
before
vor

10

degree/degrees
Grad

13

top view
Draufsicht

Claims

Messsystem (10) mit einer Magnetcharakteristik, wobei das System einen Satz von Magneteinrichtungen (1, 2, 3, 4) in einer Ausgleichskonfiguration umfasst, wobei die Ausgleichskonfiguration eine Wheatstone-Brückenkonfiguration ist und im Wesentlichen jede der Einrichtungen eine Struktur aus Schichten aufweist, die mindestens eine erste ferromagnetische Schicht (P) und eine zweite ferromagnetische Schicht (F) mit mindestens einer Trennschicht (L) aus einem nicht magnetischen Material dazwischen umfasst, wobei die Struktur zumindest einen Magnetowiderstandseffekt aufweist und wobei die Magnetisierungsrichtung (M_P) der ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer der Einrichtungen in einem externen Magnetfeld mit einem Wert, der höher als etwa 35 kA/m ist, irreversibel ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Magneteinrichtungen (1, 2, 3, 4) in einer Gruppenkonfiguration vorgesehen ist, wobei eine erste Gruppe von Einrichtungen im Wesentlichen die gleiche Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (P), die zweite Gruppe von Einrichtungen eine erste ferromagnetische Schicht (P) mit im Wesentlichen der gleichen Magnetisierungsrichtung aufweist und gegenüber der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (P) der ersten Gruppe von Einrichtungen einen Winkel von etwa 90 Grad bildet.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Einrichtungen in einem Winkel von etwa 90 Grad mit der zweiten Gruppe von Einrichtungen positioniert ist.
Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung (M_P) der ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer der Einrichtungen bei Raumtemperatur irreversibel ist.
Messsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einrichtungen in einem externen Magnetfeld mit einem Wert in einem Bereich von etwa 40 kA/m bis etwa 200 MA/m, vorzugsweise in einem Bereich von 40 kA/m bis etwa 2 MA/m, irreversibel ist.
Messsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einrichtungen eine Artificial AntiFerromagnet (AAF)-Struktur aufweist.
Messsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ferromagnetische Schicht (P) eine AAF-Struktur und eine Exchange-Biasing-Schicht, vorzugsweise aus IrMn, FeMn, NiMn, PtMn oder NiO-Material, aufweist, wobei sich die Exchange-Biasing-Schicht in Angrenzung an die AAF-Struktur und in Kontakt mit derselben befindet.
Messsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) zwei Wheatstone-Brückenkonfigurationen aufweist, bei denen die Magnetrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht einer Einrichtung in einer, zu der Magnetrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der nächsten benachbarten Einrichtung entgegengesetzten Richtung liegt.
Datenspeichersystem mit mindestens einer magnetischen Einrichtung in einer Zellenkonfiguration, wobei die Einrichtung eine Struktur aus Schichten nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Messsystems (10) mit einer Magnetcharakteristik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt des Erhitzens eines Teils des Systems mit mindestens einer der Einrichtungen des Satzes umfasst, wobei ein externes Magnetfeld über mindestens einem Teil des Systems angelegt wird, wobei dieser Teil mindestens diese eine Einrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Einrichtungen des Satzes durch Anlegen eines Stromimpulses oder eines Laserimpulses an die Einrichtung erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung auf eine Temperatur im Bereich von etwa 50 bis etwa 800°C, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 600°C, erhitzt wird, und dass das externe Magnetfeld einen Wert im Bereich von etwa 35 kA bis etwa 200 MA/m aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Einrichtungen des Satzes auf einen anderen Temperaturwert erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Magnetfeld über zumindest einem Teil des Systems über das System alterniert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausführen der Schritte die erste ferromagnetische Schicht der mindestens einen Einrichtung eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die mit der Richtung des externen Magnetfeldes korreliert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der mindestens einen Einrichtung in einem externen Magnetfeld mit einem Wert, der höher als etwa 35 kA/m ist, irreversibel ist.
Verfahren zur Herstellung eines Messsystems (16) mit einer Magnetcharakteristik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte des Aufbringens der Schichtstruktur von mindestens einer der Einrichtungen auf einem Substrat (S) umfasst, wobei zumindest während eines Teils des Zeitraums des Aufbringschritts ein externes Magnetfeld über zumindest einem Teil des Substrats angelegt wird, wobei das externe Magnetfeld mindestens eine Charakteristik aufweist, die über das Substrat positionsabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik die Stärke und/oder die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat bei Aufbringen der Schichtstruktur in einem Aufbringungshalter gehalten wird, wobei der Halter Magnetelemente zum Anlegen des externen Magnetfeldes enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausführen der Schritte die erste ferromagnetische Schicht der mindestens einen Einrichtung eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die mit der Richtung des externen Magnetfeldes korreliert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausführen der Schritte die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer der Einrichtungen in einem externen Magnetfeld mit einem Wert, der höher als etwa 35 kA/m ist, irreversibel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, welches weiterhin den Schritt des Erhitzens des Substrats vorsieht, wobei das externe Magnetfeld über dem Substrat angelegt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Messsystems (10) mit einer Magnetcharakteristik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Aufbringen einer ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer ersten Einrichtung des Satzes, wobei ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der ersten Einrichtung in einer ersten Richtung zu pinnen, sowie – nachfolgendes Aufbringen einer ersten ferromagnetischen Schicht von mindestens einer zweiten Einrichtung des Satzes, wobei ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht der zweiten Einrichtung in einer zweiten Richtung, die sich von der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht unterscheidet, zu pinnen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten und des zweiten Aufbringschritts Magnetfelder entgegengesetzter Richtungen angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Magneteinrichtungen in einer Ausgleichskonfiguration zwei Wheatstone-Vollbrückenanordnungen umfasst, wobei die Magnetisierungsrichtungen in entsprechenden Einrichtungen der Wheatstone-Brücken in unterschiedlichen Winkeln gepinnt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Einrichtungen übereinander angeordnet sind.