DE10140606C1 - Integriertes Speicher- und Sensierelement auf Basis des GMR-Effektes - Google Patents

Abstract

Es wird ein integriertes Speicher- und Sensierelement (30) vorgeschlagen, wobei zunächst auf einem Substrat (10) bereichsweise eine gegenüber einem externen Magnetfeld auf Grund des GMR-Effektes sensitive erste Schichtanordnung (16) vorgesehen ist, die zwei übereinander liegende, ferromagnetisch miteinander gekoppelte ferromagnetische Schichten (12, 14) aufweist, die über eine Zwischenschicht (13) voneinander getrennt sind. Daneben ist auf dem Substrat (10) bereichsweise auch mindestens eine gegenüber dem externen Magnetfeld zumindest weitgehend nicht sensitive zweite Schichtanordnung (18) vorgesehen, die zwei übereinander liegende, ferromagnetisch miteinander gekoppelte ferromagnetische Schichten (12, 14) aufweist, die ebenfalls über eine Zwischenschicht (13) voneinander getrennt sind. Die erste Schichtanordnung (16) ist somit ein auf die Stärke und/oder Richtung des externen Magnetfeldes magnetisch sensitives Element, während die zweite Schichtanordnung (18) ein magnetisch zwischen zwei Zuständen (20, 21) umschaltbares, digitales Speicherelement bildet. Insbesondere sind die beiden Schichtanordnungen (16, 18), abgesehen von einer magnetischen Abschirmung (19) und einer Anordnung von Leiterbahnen (22), gleich aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Speicher- und Sen­ sierelement, insbesondere zur Verwendung als Sensorelement für Magnetfelder mit in das Sensorelement integrierten Spei­ cher- bzw. Logikbausteinen, nach der Gattung des Hauptan­ spruches.

Stand der Technik

Die Messung mechanischer Größen wie Weg, Winkel und Drehzahl sowie daraus abgeleiteter Größen wie Drehmoment erlangt zu­ nehmende Bedeutung im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik. Da­ bei sind vor allem berührungslos arbeitende Magnetsensoren viel versprechend, da diese verschleißfrei arbeiten und ro­ bust gegenüber Verschmutzungen sind. Insbesondere widerste­ hen Magnetsensoren, die auf dem sogenannten "GMR-Effekt" be­ ruhen (GMR = "giant magneto resistance") auch höheren Tempe­ raturen um 200°C. Gegenüber herkömmlichen Techniken wie Sen­ sorelementen auf Grundlage des Hall-Effektes bzw. des AMR- Effektes (AMR = "anisotropic magneto resistance") bietet der GMR-Effekt wegen der relativ großen Effektgröße bzw. des vergleichsweise großen Messsignals und der gleichzeitig ho­ hen Sensitivität außerdem den Vorteil, dass damit Sensorele­ mente mit großen Arbeitsabständen und gleichzeitig kompakten Ausmaßen bei reduzierter Leistungsaufnahme und erhöhter Tem­ peraturstabilität realisierbar sind.

Generell unterscheidet man bei Sensorelementen auf der Grundlage des GMR-Effektes, Sensorelemente mit sogenannten "gekoppelten Multilagen" und die "Spin-Valve-Sensor­ elemente".

Bei Sensorelementen mit gekoppelten Multilagen sind alter­ nierend magnetische und unmagnetische Schichten mit einer Dicke im Nanometerbereich aufeinander aufgebracht (typi­ scherweise ca. 20 Perioden), wobei die unmagnetische Schicht hinsichtlich ihrer Dicke so gewählt ist, dass eine auftre­ tende Austauschkopplung die Magnetisierungsrichtungen in den magnetischen Schichten antiparallel zueinander ausrichtet. In diesem Zustand ist der elektrische Widerstand der Schichtanordnung auf Grund spinabhängiger Elektronenstreuung zunächst maximal. Ein extern angelegtes oder auftretendes Magnetfeld bewirkt dann weiter, dass sich die Richtungen der Magnetisierungen in den magnetischen Schichten parallel zu­ einander ausrichten, was den elektrischen Widerstand der Schichtanordnung erheblich, insbesondere um bis zu 20%, er­ niedrigt.

Im Fall der Spin-Valve-Sensorelemente ist eine magnetisch weiche Detektionsschicht durch eine unmagnetische Schicht von einer magnetisch harten Schicht getrennt, wobei die un­ magnetische Schicht so dick gewählt ist, dass keine Aus­ tauschkopplung zwischen den beiden magnetischen Schichten auftritt. Weiter ist dort vorgesehen, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetisch harten Schicht durch eine so­ genannte "Pinning-Schicht" vorgegeben und unabhängig von ei­ nem externen Magnetfeld festgehalten wird. Dreht man nun ein externes Magnetfeld über diesem Spin-Valve-Sensorelement, so folgt die Richtung der Magnetisierung der magnetisch weichen Schicht diesem externen Magnetfeld, während die Richtung der Magnetisierung der "gepinnten", magnetisch harten Schicht fest bleibt. Somit überträgt sich der Winkel des externen Magnetfeldes auf den Winkel zwischen der Richtung der Magne­ tisierung in der magnetisch weichen Schicht und der magne­ tisch harten Schicht, wodurch ein winkelabhängiger elektri­ scher Widerstand des Spin-Valve-Sensorelementes entsteht.

Ein Beispiel für eine magnetisch sensitive Schichtanordnung auf der Basis von gekoppelten Multilagen und Spin-Valve- Schichtsystemen, wobei diese Schichtsysteme jeweils gegen­ über einem externen Magnetfeld auf der Grundlage des GMR- Effektes sensitiv sind, ist in der Anmeldung DE 101 05 894.2 erläutert. Daraus sind auch weitere Details zum Aufbau und zur Funktionsweise dieser Schichtsysteme zu entnehmen.

Aus technologischer Sicht ist das "Pinnen" einer der beiden ferromagnetischen Schichten in den Spin-Valve-Sensorelemen­ ten bzw. -schichtsystemen durch übliche antiferromagnetische oder gegebenenfalls auch ferromagnetische Pinning-Schichten nicht unproblematisch. Zum Einen wird durch die Pinning- Schicht die maximal erreichbare GMR-Effektamplitude durch sogenanntes "Shunting" des Sensorstromes in der Pinning- Schicht auf wenige Prozent reduziert. Zum Anderen erfordert die Herstellung der Pinning-Schicht mit gewünschten Eigen­ schaftsprofilen zusätzliche Prozessschritte mit aufwendigen und kostenintensiven Anlassbehandlungen im Magnetfeld.

Neben der Sensierung von Magnetfeldern werden Schichtsyste­ me, die auf der Grundlage des GMR-Effektes arbeiten, auch als Speicher, d. h. sogenannte MRAN's ("magnetic random access memory") eingesetzt. So werden beispielsweise auf der Internetseite http:\ \ www.research.ibm.com\resources\news\­ 20001207_mramimages.shtml von der Firma IBM MRAM's vorge­ stellt, die auf Schichtanordnungen nach dem Spin-Valve-Prinzip beruhen und dem GMR-Effekt nutzen.

Insbesondere ist dort beschrieben, dass derartige Schicht­ anordnungen durch geeignete Strukturierung und Beschaltung mit einer Anordnung von Leiterbahnen, die auf der Oberseite und der Unterseite der Schichtanordnung verlaufen, sowie durch Erzeugen eines internen Magnetfeldes in diesen Schichtanordnungen über einen definiert in den Leiterbahnen geführten elektrischen Strom zwischen zwei, auch nach Abschalten des elektrischen Stromes zeitlich stabilen Zuständen umgeschaltet werden können.

Im Einzelnen kann durch das erzeugte interne Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht paral­ lel oder antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht ausgerichtet werden. Dazu sind die vor­ gesehenen Leiterbahnen als sogenannte "bit-line" und "word-line" verschaltet, so dass je nach Art und Stärke der Beaufschlagung der einzelnen Leiterbahnen mit dem elektrischen Strom einerseits ein Einschreiben des Speicherzustandes in die Schichtanordnung und andererseits ein Auslesen dieses Speicherzustandes ohne ihn zu beeinflussen realisierbar ist.

Hinsichtlich weiterer Details zu Funktion und Beschaltung dieser MRAN's sei auf die genannte Internet-Seite verwiesen, wo diese ausführlich sowohl hinsichtlich Beschaltung als auch hinsicht­ lich des Schichtaufbaus beschrieben sind.

Aus DE 198 43 350 A1 ist ein elektronisches Bauelement bekannt, das ein magnetoresistives Sensorelement und ein magnetoresisti­ ves Speicherelement auf einem Substrat aufweist, wobei Sensor­ element und Speicherelement auf der Grundlage des GMR-Effektes arbeiten. Im Fall des Speicherelementes ist eine weichmagneti­ sche und eine hartmagnetische Schicht vorgesehen, die über eine Zwischenschicht getrennt und hinsichtlich der Magnetisierungs­ richtung über eine Strombeaufschlagung parallel oder antiparal­ lel ausrichtbar sind. Im Fall des Sensorelementes ist eine hart­ magnetische Referenzschicht, die beispielsweise mittels einer sich selbst stabilisierenden Kopplung unter Verwendung eines künstlichen Antiferromagneten realisiert ist, und eine weichmag­ netische Detektionsschicht vorgesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines integrierten Speicher- und Sensierelementes, mit dem sowohl Mag­ netfelder detektiert als auch eine Speicherung von Information in unmittelbarer Nähe zu dem Sensierelement und insbesondere integriert auf einem gemeinsamen Substrat mög­ lich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße integrierte Speicher- und Sensierele­ ment hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Sensierelement in unmittelbarer Nähe zu dem oder bevor­ zugt den Speicherelementen angeordnet ist, wobei sich beide Bauteile integriert in einem Herstellungsprozess auf einem gemeinsamen Substrat erzeugen lassen.

Insofern kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen integrierten Speicher- und Sensierelementes bereits auf dem gemeinsamen Substrat eine Weiterverarbeitung der von dem Sensierelement aufgenommenen Messsignale erfolgen bzw. es können bereits dort Logikbausteine und/oder Speicherbausteine zur Weiter­ verarbeitung und Aufbereitung der Messsignale integriert werden.

Daneben ergibt sich durch die gemeinsame Integration auf ei­ nem Substrat ein deutlich vereinfachter und kostengünstige­ rer Herstellungsprozess, da beispielsweise auf das zusätzli­ che Vorsehen von externen Speicherbauteilen sowie deren Ver­ schaltung und Verbindung mit dem Sensierelement zumindest teilweise verzichtet werden kann. Vielmehr liegt das erfin­ dungsgemäße Speicher- und Sensierelement nach Abschluss des Herstellungsprozesses nun vorteilhaft einstückig auf einem gemeinsamen Substrat vor.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen in­ tegrierten Speicher- und Sensierelementes liegt darin, dass durch die ferromagnetische Kopplung der beiden ferromagneti­ schen Schichten auf eine sogenannte Pinning-Schicht verzich­ tet werden kann. Insofern wird der Schichtaufbau sowohl für das Sensierelement als auch für das Speicherelement deutlich vereinfacht. Zudem sind nun auch ferromagnetisch gekoppelte Spin-Valve-Elemente einsetzbar, die im Wesentlichen, d. h. abgesehen von der Abschirmschicht und/oder der Bufferschicht sowie den vorgesehenen Leiterbahnen, dreilagig sind. Gleich­ zeitig entfallen durch den Verzicht auf die Pinning-Schicht die aufwendigen und kostenintensiven Maßnahmen zur Einstel­ lung von deren Eigenschaftsprofilen.

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

So lässt sich die als Speicherelement dienende, gegenüber dem externen Magnetfeld möglichst weitgehend nicht sensitive zweite Schichtanordnung in besonders einfacher Weise dadurch vor dem Einfluss des externen Magnetfeldes schützen bzw. in­ nerhalb des Messbereiches, dem das integrierte Speicher- und Sensierelement üblicherweise ausgesetzt ist, für das externe Magnetfeld zumindest weitgehend abschirmen, dass über dieser Schichtanordnung eine magnetische Abschirmung, insbesondere eine möglichst auf der dem Substrat abgewandten Seite der ferromagnetischen Schicht befindliche Abschirmschicht, ange­ bracht wird. Diese Abschirmschicht ist vorteilhaft eine gal­ vanisch abgeschiedene Permalloy-Schicht, deren Erzeugung und Eigenschaften aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. Daneben eigenen sich jedoch auch andere, Magnetfelder mög­ lichst stark dämpfende Schichten.

Zur Verbesserung des Schichtwachstums und der Haftung der Schichtanordnungen auf dem Substrat ist vorteilhaft vorgese­ hen, dass sich zwischen jeder der Schichtanordnungen und dem Substrat jeweils eine an sich bekannte Bufferschicht, bei­ spielsweise eine Permalloy-Schicht, befindet. Besonders vor­ teilhaft ist diese Permalloy-Schicht eine möglichst hochohmige Permalloy-Schicht, da dadurch das sogenannte "Shunting" deutlich reduziert wird, was zu höheren GMR- Effektamplituden und damit größeren und besser auswertbaren Signalen führt.

Die gewünschte ferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten der Schichtanordnung lässt sich besonders einfach und vorteilhaft dadurch erreichen, dass die Zwischenschicht aus einer Legierung von Kupfer mit min­ destens einem Edelmetall, insbesondere einer CuAgAu- Legierung, besteht. Diese Legierung als Material für die Zwischenschicht führt zudem zu einer deutlich verbesserten Temperaturstabilität der erzeugten Schichtanordnungen, wie dies in DE 101 05 894.2 bereits beschrieben ist.

Schließlich ist es vorteilhaft möglich, durch Variation von Dicke, Material und Textur der einzelnen Schichten in den Schichtanordnungen, insbesondere im Fall derjenigen Schichtanordnung, die zur Ausbildung des Sensierelementes vorgesehen ist, die sogenannte "Minor-Loop"-Position gegen­ über dem magnetischen Nullfeld, d. h. gegenüber einem ausge­ schalteten oder fehlenden externen Magnetfeld, gezielt zu verschieben und/oder darüber die Breite der "Minor-Loop" zu definieren, so dass deren Position und Breite optimal an den gewünschten Messbereich anpassbar ist.

Unter dem Begriff "Minor-Loop" ist in diesem Zusammenhang die beim Ausmessen des elektrischen Widerstandes der magne­ tisch sensitiven Schichtanordnung auf Basis des GMR-Effektes als Funktion des externen Magnetfeldes im magnetischen Kleinfeldbereich, also dem Bereich, der in der Anwendung durch das externe Geberfeld in der Schichtanordnung vorgege­ ben ist, aufgenommene Messkurve bzw. Hysterese-Kurve zu ver­ stehen.

Besonders vorteilhaft ist weiter, wenn sich die zweite, ge­ genüber dem externen Magnetfeld möglichst nicht sensitive Schichtanordnung hinsichtlich ihres Aufbaus von der ersten, hinsichtlich des externen Magnetfeldes sensitiven Schichtanordnung in ihrem eigentlichen, für den GMR-Effekt relevanten Schichtaufbau, d. h. abgesehen von der magneti­ schen Abschirmung bzw. Abschirmschicht sowie gegebenenfalls der Bufferschicht und der Anordnung von Leiterbahnen, nicht bzw. möglichst wenig unterscheidet. Dies erlaubt, das Spei­ cherelement und das Sensierelement mit im Wesentlichen glei­ chem Aufbau in einem Herstellungsprozess auf einem gemeinsa­ men Substrat zu erzeugen, was zu erheblichen Vereinfachungen und Kosteneinsparungen führt.

Insbesondere kann nunmehr auch ein metallischer MRAM mit entsprechenden Speicherelementen in unmittelbarer Umgebung zu einem Sensierelement auf Basis des GMR-Effektes auf einem gemeinsamen Substrat realisiert werden, wobei beide Schicht­ anordnungen jeweils bevorzugt lediglich einen dreilagigen Aufbau aus zwei ferromagnetisch miteinander gekoppelten fer­ romagnetischen Schichten und einer dazwischen liegenden Zwi­ schenschicht aufweisen.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfol­ genden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine auf Grund des GMR-Effektes magnetisch sensitive Schicht­ anordnung als Prinzipskizze im Schnitt, Fig. 2 die GMR- Kennlinie und die "Minor-Loop" der Schichtanordnung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein integriertes Spei­ cher- und Sensierelement mit Schichtanordnungen gemäß Fig. 1 und Fig. 4 einen Schnitt durch Fig. 3 entlang der einge­ zeichneten Schnittlinie.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt eine GMR-Schichtanordnung 5 im Schnitt, wobei auf einem Substrat 10, beispielsweise aus Siliziumdi­ oxid, eine Bufferschicht 11, darauf eine erste ferromagneti­ sche Schicht 12, darauf eine Zwischenschicht 13 und darauf eine zweite ferromagnetische Schicht 14 aufgebracht ist.

Die Bufferschicht 11 ist im erläuterten Beispiel eine Schicht mit im Wesentlichen der Zusammensetzung Ni_{80 Gew.-%} Fe_{20 Gew.-%} (Permalloy) und gegebenenfalls weiteren Zusätzen, bevorzugt eine hochohmige Permalloy-Schicht der Zusammenset­ zung Ni_{79 Gew.-%} Fe_{16,7 Gew.-%} Mo_{4 Gew.-%} Mn_{0,3 Gew.-%}. Ihre Dicke liegt im Bereich einiger Nanometer, beispielsweise bei 3 nm.

Die auf der Bufferschicht 11 befindliche erste ferromagneti­ sche Schicht 12 dient im erläuterten Beispiel als hartmagne­ tische Referenzschicht, d. h. als Schicht, deren Richtung der Magnetisierung von der Richtung eines externen Magnetfeldes zumindest unterhalb einer Grenzfeldstärke zumindest nahezu unbeeinflusst bleibt. Konkret ist die erste ferromagnetische Schicht 12 beispielsweise eine Cobalt-Schicht mit einer Dic­ ke von 2,5 nm.

Die Zwischenschicht 13 ist eine Kupfer-Schicht mit einer Dicke von etwa 2 nm oder bevorzugt eine Schicht aus einer Kupfer-Silber-Gold-Legierung, vorzugsweise der Zusammenset­ zung Cu_{85 Atom%} Ag_{10 Atom%} Au_{5 Atom%}, mit einer Dicke von ca. 1,5 nm oder ca. 2,5 nm.

Auf der Zwischenschicht 13 befindet sich die zweite ferroma­ gnetische Schicht 14, die im erläuterten Beispiel eine weichmagnetische Detektionsschicht ist, d. h. eine Schicht, bei der sich die Richtung der Magnetisierung entsprechend der Richtung eines externen Magnetfeldes zumindest weitge­ hend parallel zu diesem ausrichtet. Die zweite ferromagneti­ sche Schicht 14 besteht beispielsweise aus Cobalt und hat eine Dicke von 2 nm.

Die Eigenschaft "hartmagnetisch" oder "weichmagnetisch" der Schichten 12, 14 hängt im Übrigen in bekannter Weise von de­ ren Textur und deren Schichtdicke ab.

Durch die erläuterten Materialien für die erste ferromagne­ tische Schicht 12 und die zweite ferromagnetische Schicht 14 sowie die Zwischenschicht 13 wird erreicht, dass die beiden übereinander liegenden ferromagnetischen Schichten 12, 14 ferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, so dass auf eine ansonsten vielfach erforderliche Pinning-Schicht verzichtet werden kann. Die ferromagnetische Kopplung der beiden ferro­ magnetischen Schichten 12, 14 bedeutet insbesondere, das sich die Richtungen der Magnetisierung dieser beiden Schich­ ten in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes und ohne zu­ sätzliche, diese Einstellung möglicherweise verhindernden Hystereseeffekte parallel zueinander ausrichten.

Im Übrigen sei an dieser Stelle betont, dass sich die be­ schriebene Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 12, 14 in bekannter Weise über eine stete Verände­ rung der Dicke der Zwischenschicht 13 abwechselnd in eine antiferromagnetische Kopplung und wieder in eine ferromagne­ tische Kopplung überführen lässt, wobei bei Schichtanordnun­ gen 5, die auf dem Spin-Valve-Prinzip beruhen, vor allem der Bereich zwischen dem sogenannten "zweiten antiferromagneti­ schen Maximum" und dem sogenannten "dritten antiferromagne­ tischen Maximum" relevant ist.

Die Fig. 2 zeigt auf der unteren x-Achse und der zugehöri­ gen linken y-Achse die Veränderung des spezifischen elektri­ schen Widerstandes der GMR-Schichtanordnung 5 als Funktion der Stärke und Richtung eines externen Magnetfeldes H_ext.

Im Einzelnen ist dabei das externe Magnetfeld H_ext in der Einheit Oersted [Oe] aufgetragen, während die Änderung des elektrischen Widerstandes auf den minimalen elektrischen Wi­ derstand bezogen ist [ΔR/R_min], so dass sich eine Widerstand­ sänderung bezogen auf den minimalen Widerstand in Prozent ergibt. Variiert man nun das externe Magnetfeld H_ext ausge­ hend von der linken unteren Ecke des Diagramms zur rechten unteren Ecke des Diagramms und zurück, erhält man, dem Ver­ lauf der eingezeichneten Pfeile folgend, die GMR-Kennlinie 17.

Zu deren Verständnis geht man zunächst von einer parallelen Einstellung der Richtungen der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht 12 und der zweiten ferromagneti­ schen Schicht 14 aus. Startet man dann in der linken unteren Ecke des Diagrammes bei einem starken, negativen Magnetfeld (magnetische Sättigung), d. h. einem Magnetfeld, das zu der Richtung der Magnetisierung in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14, die als weichmagnetische Detektionsschicht dient, parallel gerichtet ist, so tritt zunächst bei Errei­ chen von Magnetfeldstärken von ca. +10 Oersted auf Grund des GMR-Effektes eine deutliche Erhöhung des elektrischen Wider­ standes der GMR-Schichtanordnung 5 auf. Dabei beginnt die Detektionsschicht, d. h. die zweite ferromagnetische Schicht 14, ihre Magnetisierungsrichtung nach dem externen, seine Richtung ändernden Magnetfeld auszurichten, während die Ma­ gnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht 12, d. h. der Referenzschicht zunächst noch unverändert bleibt. Bei einer weiteren Steigerung des externen Magnet­ feldes H_ext liegt dann bei ca. +20 Oersted eine antiparallele Ausrichtung der Richtung der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht 12 und der zweiten ferromagneti­ schen Schicht 14 vor (maximaler elektrischer Widerstand). Wird nun die Stärke des externen Magnetfeldes H_ext weiter er­ höht, beginnt auch die Richtung der Magnetisierung der hart­ magnetischen Schicht 14 sich allmählich entsprechend der Richtung des externen Magnetfeldes auszurichten, was bei weiter steigenden externen Magnetfeldern zu einem Zusammen­ bruch des gewünschten GMR-Effektes bzw. einer magnetischen Sättigung bei ca. +40 Oersted führt, so dass schließlich im Bereich oberhalb von ca. +40 Oersted bis +100 Oersted kein GMR-Effekt mehr messbar ist.

Fährt man dann in der rechten unteren Ecke des Diagrammes gemäß Fig. 2 mit einem entsprechend umgekehrt orientierten externen Magnetfeld H_ext fort, beobachtet man auf Grund von Hystereseeffekten eine analoge, gegenüber dem Nullpunkt je­ doch verschobene Messkurve, d. h. die beim Einsatz als Senso­ relement gewünschte Widerstandsänderung als Funktion des ex­ ternen Magnetfeldes ist nun besonders groß im Bereich von etwa -10 Oersted, bevor es bei weiter in der Amplitude stei­ genden externen Magnetfeldern erneut zu einem Zusammenbruch des GMR-Effektes bzw. einer magnetischen Sättigung bei etwa -40 Oersted kommt.

Ein Sensierelement mit einer GMR-Schichtanordnung 5 wird man möglichst im Bereich einer möglichst starken Änderung des elektrischen Widerstandes ΔR/R_min als Funktion des externen Magnetfeldes H_ext betreiben, d. h. möglichst im Kleinfeldbe­ reich, der gemäß Fig. 2 den Bereich von -20 bis +20 Oersted umfasst.

In Fig. 2 ist weiter die sogenannte "Minor-Loop" 15 der GMR-Schichtanordnung 5 dargestellt, d. h. im Beispiel die Hy­ steresekurve im Kleinfeldbereich von ca. -4 Oersted bis +16 Oersted. Gemäß der oberen x-Achse ist dabei ein externes Ma­ gnetfeld H_ext im Bereich von -10 Oersted bis +20 Oersted auf­ getragen, das gemäß der rechten y-Achse eine Änderung des elektrischen Widerstandes relativ zu dem minimalen elektri­ schen Widerstand [ΔR/R_min] der GMR-Schichtanordnung 5, die in Prozent aufgetragen ist, bewirkt. Im Unterschied zu der GMR- Kennlinie 17 wird jedoch bei der "Minor-Loop" 15 darauf ver­ zichtet, starke externe Magnetfelder H_ext anzulegen, so dass sich eine von der GMR-Kennlinie 17 verschiedene Hysterese­ kurve ergibt.

Im Einzelnen zeigt Fig. 2 die "Minor-Loop" 15, dem Verlauf der eingezeichneten Pfeile folgend, beginnend bei einem ne­ gativen externen Magnetfeld H_ext von -10 Oersted, d. h. einem externen Magnetfeld, das parallel zu der Richtung der Magne­ tisierung in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 bzw. der weichmagnetischen Detektionsschicht gerichtet ist, die aufgrund der ferromagnetischen Kopplung zunächst parallel zueinander ausgerichtet sind.

Steigert man nun das externe Magnetfeld H_ext von -10 Oersted auf ca. +15 Oersted, kommt auf Grund des GMR-Effektes zu ei­ nem deutlichen Anstieg des elektrischen Widerstandes auf ei­ nen Maximalwert, bei dessen Erreichen die Richtungen der Ma­ gnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht 12 und der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 antiparallel zuein­ ander ausgerichtet sind. Kehrt man dann die Richtung des ex­ ternen Magnetfeldes H_ext beginnend in der rechten oberen Ecke des Diagrammes wieder um, so stellt sich bei einem Magnet­ feld von ca. -2 Oersted auf Grund des GMR-Effektes wieder ein verringerter elektrischen Widerstandes in der GMR- Schichtanordnung 5 ein, bevor man schließlich bei externen Magnetfeldern von ca. -10 Oersted erneut den Anfangszustand mit minimalem elektrischen Widerstand erreicht, bei dem die Richtungen der Magnetisierung in der ersten ferromagneti­ schen Schicht 12 und der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 auf Grund der ferromagnetischen Kopplung wieder parallel zueinander ausgerichtet sind. Die im Bereich der "Minor- Loop" 15 beobachtete Hysterese ist dabei die der weichmagne­ tischen Detektionsschicht 14.

Aus den beiden Kennlinien 15, 17 gemäß Fig. 2 ist entnehm­ bar, dass sich die GMR-Schichtanordnung 5 mit den beiden übereinander liegenden, ferromagnetisch miteinander verkop­ pelten ferromagnetischen Schichten einerseits als magnetisch sensitive Schichtanordnung einsetzen lässt, die gemäß der GMR-Kennlinie 17 im Kleinfeldbereich eine deutliche Änderung des elektrischen Widerstandes als Funktion von Stärke und Richtung des externen Magnetfeldes H_ext aufweist, dass eine derartige GMR-Schichtanordnung 5 aber auch als Speicherele­ ment dienen kann, wobei man ausnutzt, dass die "Minor-Loop" 15 im Kleinfeldbereich eine ausgeprägte Hysterese zeigt.

Insbesondere definiert die "Minor-Loop" 15 einen ersten Zu­ stand 20 eines solchen Speicherelementes mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand der Schichtanordnung 5 und ei­ nen zweiten Zustand 21 des Speicherelementes mit einem ver­ gleichsweise niedrigen elektrischen Widerstand der Schichtanordnung 5. Beide Zustände 20, 21 sind dabei auch nach Abschalten des externen Magnetfeldes H_ext zeitlich sta­ bil, so dass diese beiden Zustände 20, 21 zwei Speicherzu­ stände charakterisieren, die über ein Magnetfeld erzeugbar und über den Widerstand der Schichtanordnung 5 auslesbar sind.

Aufbauend auf diesen Vorüberlegungen zeigt Fig. 3 nun ein Ausführungsbeispiel für ein integriertes Speicher- und Sen­ sierelement 30, wobei auf einem gemeinsamen Substrat 10, beispielsweise einen Siliziumdioxidsubstrat oder einem Glas­ substrat, bereichsweise eine erste Schichtanordnung 16 und bereichsweise mehrere zweite Schichtanordnungen 18 erzeugt worden sind. Dabei ist in Fig. 3 auf die Darstellung an sich bekannter Anschlusskontaktierungen, Leiterbahnen und weiterer, zur Beschaltung der Schichtanordnungen 16, 18 er­ forderlicher elektronischer Bauteile aus Gründen der Über­ sichtlichkeit verzichtet worden.

Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch Fig. 3 entlang der eingezeichneten Schnittlinie, wobei zunächst erkennbar ist, dass die erste Schichtanordnung 16 analog der GMR-Schicht­ anordnung 5 aufgebaut ist. Insbesondere ist die erste Schichtanordnung 16 als Sensierelement für Stärke und/oder Richtung eines externen Magnetfeldes H_ext innerhalb eines de­ finierten Messbereiches, der beispielsweise von -15 Oersted bis +15 Oersted reicht, ausgelegt. Dabei nutzt man zur Sen­ sierung des externen Magnetfeldes, wie erläutert, den GMR- Effekt aus, der als Funktion dieses externen Magnetfeldes zu einer Veränderung des elektrischen Widerstandes in der er­ sten Schichtanordnung 16 führt.

Insbesondere sei betont, dass die erste Schichtanordnung 16 zwei übereinander liegende, ferromagnetisch miteinander ge­ koppelte ferromagnetische Schichten 12, 14 aufweist, die über die Zwischenschicht 13 voneinander getrennt sind.

Neben der ersten Schichtanordnung 16 sind auf dem Substrat 10 gemäß Fig. 4 weiter zwei zweite Schichtanordnungen 18 erkennbar, die sich von der ersten Schichtanordnung 16 und der GMR-Schichtanordnung 5 gemäß Fig. 1 nur dadurch unter­ scheiden, dass auf der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 jeweils eine Abschirmschicht 19 aufgebracht ist, und dass zwischen der Abschirmschicht 19 und der zweiten ferromagne­ tischen Schicht 14 sowie zwischen dem Substrat 10 und der Bufferschicht 11 jeweils eine Anordnung von elektrischen Leitern in Form einer Leiterstruktur 22 vorgesehen ist.

Diese Leiterstruktur 22 ist dabei analog zu der auf der In­ ternetseite http:\ \ www.research.ibm.com\resources\news\­ 20001207_mramimages.shtml in Form von sich kreuzenden "bit­ lines" und "word-lines" ausgeführt.

Mittels der in Form von "bit-lines" und "word-lines" aufge­ bauten Leiterstruktur 22 lässt sich weiter in bekannter Wei­ se über darin geeignet geführte elektrische Ströme, die zu­ mindest bereichsweise ein internes Magnetfeld in der zweiten Schichtanordnung 18 erzeugen, die Richtung der Magnetisie­ rung der weichmagnetischen Detektionsschicht, d. h. der zwei­ ten ferromagnetischen Schicht 14, parallel oder antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht, d. h. der ersten ferromagnetischen Schicht 12, aus­ richten.

Weiter ist es mittels der "bit-lines" und der "word-lines" und den darin geführten elektrischen Strömen unter Ausnut­ zung des GMR-Effektes möglich, auszulesen, ob eine parallele oder antiparallele Ausrichtung dieser Magnetisierungen vor­ liegt.

Insofern charakterisieren die Ausrichtungen der Magnetisie­ rungen in den beiden ferromagnetischen Schichten 12, 14 zwei Speicherzustände 20, 21, die über die mittels der Leiter­ struktur 22 und das darüber erzeugte interne Magnetfeld ein­ schreibbar und mittels der durch die Leiterstruktur 22 ge­ führten elektrischen Ströme auch wieder auslesbar sind.

Die Abschirmschicht 19 ist im erläuterten Beispiel eine gal­ vanisch abgeschiedene Permalloy-Schicht mit im Wesentlichen der Zusammensetzung Ni_{80 Gew.-%} Fe_{20 Gew.-%}, vorzugsweise eine hochohmige Permalloy-Schicht der Zusammensetzung Ni_{79 Gew.-%} Fe_{16,7 Gew.-%} Mo_{4 Gew.-%} Mn_{0,3 Gew.-%}. Ihre Dicke ist im Einzelfall an die Stärke der jeweils eingesetzten externen Magnetfelder anzupassen.

Im Übrigen sei noch erwähnt, dass es im Rahmen des vorste­ hend erläuterten Ausführungsbeispiels problemlos möglich ist, die Position der "Minor-Loop" 15 gemäß Fig. 2 relativ zu dem Nullfeld (d. h. H_ext = 0) durch Variation der Dicke, der Textur und/oder des Materials der zweiten ferromagneti­ schen Schicht 14 und/oder der ersten ferromagnetischen Schicht 12 zu verschieben. Zudem lässt sich auf diese Weise die Breite der "Minor-Loop" 15 so einstellen, dass sie stets optimal innerhalb des gewünschten Messbereiches positioniert ist. Schließlich kann eine Einstellung der Position und/oder Breite der "Minor-Loop" zumindest zum Teil auch über die Textur, die Dicke und/oder das Material der Bufferschicht 11 und/oder der Zwischenschicht 13 erfolgen.

Insgesamt weist das integrierte Speicher- und Sensierelement 30 gemäß Fig. 3 bzw. 4 somit ein Sensierelement auf, das von der ersten Schichtanordnung 16 gebildet wird, und vier Speicherelemente, die von den zweiten Schichtanordnungen 18 gebildet werden, wobei die Schichtanordnungen 16, 18 jeweils genau zwei, übereinander liegende, ferromagnetisch miteinan­ der gekoppelte ferromagnetische Schichten 12, 14 aufweisen, die über die Zwischenschicht 13 voneinander getrennt sind. Zudem ist jeweils eine der beiden ferromagnetischen Schich­ ten 12, 14 eine hartmagnetische Schicht und die jeweils an­ dere eine weichmagnetische Schicht.

Im Fall der als Speicherelement dienenden zweiten Schichtanordnung 18 wird weiter über die auf gegenüber lie­ genden Seiten der weichmagnetischen Schicht, d. h. der zwei­ ten ferromagnetischen Schicht 14, verlaufende Leiterstruktur 22 mittels geeignet darin geführter elektrischer Ströme, die ein internes Magnetfeld in der Schichtanordnung 18 erzeugen, die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht wahlweise parallel oder antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht ausgerich­ tet. Aufgrund der vergleichsweise großen Dicke der Leiter­ bahnen der Leiterstruktur 22 gegenüber den Schichten 11, 12, 13 und 14 schließt diese bevorzugt den gesamten Schichtsta­ pel aus Bufferschicht 11, Referenzschicht 12, Zwischen­ schicht 13 und Detektionsschicht 14 zwischen sich ein. Über den GMR-Effekt ist es dann möglich, die parallele oder anti­ parallele Ausrichtung der Magnetisierungen, die die beiden Zustände 20, 21 charakterisiert, auszulesen. Die Änderung der Richtung der Magnetisierung ist weiter magnetisch rever­ sibel, d. h. die zweite Schichtanordnung 18 ist magnetisch von dem ersten Zustand 20 in den zweiten Zustand 21 und von dem zweiten Zustand 21 in den ersten Zustand 20 überführbar, wobei diese jeweils unterhalb einer Grenzamplitude des in­ ternen Magnetfeldes, insbesondere auch in dessen Abwesenheit oder nach dessen Abschalten, zeitlich stabil sind. Damit bildet die zweite Schichtanordnung 18 jeweils ein magnetisch zwischen diesen beiden Zuständen 20, 21 umschaltbares, digi­ tales Speicherelement, das sich in unmittelbarer Umgebung zu dem von der ersten Schichtanordnung 16 gebildeten Sen­ sierelement integriert auf einem gemeinsamen Substrat befin­ det.

Claims (14)

1. Integriertes Speicher- und Sensierelement, wobei auf einem Substrat (10) bereichsweise mindestens eine in einem Mess­ bereich gegenüber einem externen Magnetfeld auf Grund des GMR- Effektes sensitive erste Schichtanordnung (16) vorgesehen ist, die zwei übereinander liegende, ferromagnetisch miteinander ge­ koppelte ferromagnetische Schichten (12, 14) aufweist, die über eine Zwischenschicht (13) voneinander getrennt sind, und wobei auf dem Substrat (10) bereichsweise mindestens eine in dem Mess­ bereich gegenüber dem externen Magnetfeld zumindest weitgehend nicht sensitive, zweite Schichtanordnung (18) vorgesehen ist, die zwei übereinander liegende, ferromagnetisch miteinander ge­ koppelte ferromagnetische Schichten (12, 14) aufweist, die über eine Zwischenschicht (13) voneinander getrennt sind.

2. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere auf der zweiten Schichtanordnung (18) angeordnete magnetische Abschir­ mung oder Abschirmschicht (19) vorgesehen ist, die die zweite Schichtanordnung (18) oder zumindest eine der ferromagnetischen Schichten (12, 14) der zweiten Schichtanordnung (18) innerhalb des Messbereiches von dem Einfluss des externen Magnetfeldes zu­ mindest weitgehend abschirmt.

3. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschicht (19) eine insbesondere galvanisch abgeschiedene Permalloy-Schicht o­ der eine andere, ein Magnetfeld möglichst stark dämpfende Schicht ist, die sich auf der dem Substrat (10) abgewandten fer­ romagnetischen Schicht (14) befindet.

4. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen dem Substrat (10) und der ersten Schichtanordnung (16) und/oder der zweiten Schichtanordnung (18) eine Bufferschicht (11) vorsehen ist.

5. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bufferschicht (11) eine Permalloy-Schicht oder eine hochohmige Permalloy-Schicht, insbesondere der Zusammensetzung Ni_{79 Gew.-%} Fe_{16,7 Gew.-%} Mo_{4 Gew.-%} Mn_{0,3 Gew.-%} ist.

6. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (13) aus Kupfer oder einer Legierung von Kupfer mit mindestens einem Edelmetall, insbesondere einer CuAgAu- Legierung, besteht.

7. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden übereinander liegenden, ferromagnetisch miteinander gekoppelten ferromagnetische Schichten (12, 14) der ersten und/oder der zweiten Schichtanordnung (16, 18) jeweils eine weichmagnetische Schicht (14) ist, deren Richtung der Magneti­ sierung über ein externes Magnetfeld zumindest weitgehend paral­ lel zu der Richtung dieses Magnetfeldes ausrichtbar ist, und dass die jeweils andere eine hartmagnetische Schicht (12) ist, deren der Richtung Magnetisierung von der Richtung des externen Magnetfeldes zumindest unterhalb einer Grenzfeldstärke zumindest weitgehend unbeeinflusst ist.

8. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichtanordnungen (16, 18) genau zwei übereinander liegen­ de, ferromagnetisch miteinander gekoppelte ferromagnetische Schichten (12, 14) aufweist, die über die Zwischenschicht (13) voneinander getrennt sind, wovon jeweils eine eine hartmagneti­ sche Schicht (12) und jeweils eine eine weichmagnetische Schicht (14) ist.

9. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung von Leiterbahnen (22) mit einer "bit-line" und eine "word-line" vorgesehen ist, wobei die "bit-line" und die "word-line" auf gegenüber liegenden Seiten der weichmagnetischen Schicht (14) verlaufen, und wobei mittels der "bit-line" und der "word-line" über einen darin geführten elektrischen Strom, der zumindest be­ reichsweise ein internes Magnetfeld in der zweiten Schichtanord­ nung (18) erzeugt, die Richtung der Magnetisierung der weichmag­ netischen Schicht (14) parallel oder antiparallel zu der Rich­ tung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht (12) aus­ richtbar ist, und wobei mittels der "bit-line" und "word-line" und einen darin geführten elektrischen Strom über einen GMR- Effekt auslesbar ist, ob die paralle oder antiparallele Ausrich­ tung der Magnetisierungen vorliegt.

10. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Schichtanordnung (18) hinsichtlich ihres Aufbaus von der ersten Schichtanordnung (16) lediglich durch die magnetische Abschirmung oder Abschirmschicht sowie die Anordnung von Leiter­ bahnen (22), mit der die Richtung der Magnetisierung der weich­ magnetischen Schicht (14) der zweiten Schichtanordnung (18) ver­ änderbar ist, unterscheidet.

11. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die . zweite Schichtanordnung (18) mittels des von der stromführenden Anordnung von Leiterbahnen (22) hervorgerufenen internen Magnet­ feldes, mit dem zumindest eine Teilschicht, insbesondere die weichmagnetische Schicht (14), der zweiten Schichtanordnung (18) beaufschlagt wird, magnetisch reversibel von einem ersten Zu­ stand (20) in einen zweiten Zustand (21) und/oder magnetisch re­ versibel von einem zweiten Zustand (20) in einen ersten Zustand (21) überführbar ist, wobei der erste und/oder der zweite Zu­ stand (20, 21) unterhalb einer Grenzamplitude des internen Mag­ netfeldes, insbesondere auch in dessen Abwesenheit oder nach dessen Abschalten, zeitlich stabil ist.

12. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ü­ berführen des ersten Zustandes (20) in den zweiten Zustand (21) gegenüber dem Überführen des zweiten Zustandes (21) in den ers­ ten Zustand (20) durch ein zumindest näherungsweise entgegenge­ setzt gerichtetes internes Magnetfeld vornehmbar ist.

13. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Zustand (20) die Richtungen der Magnetisierungen der zwei übereinander liegenden, ferromagnetisch miteinander gekoppelten ferromagnetischen Schichten (12, 14) zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind, und dass in dem zweiten Zu­ stand (21) die Richtungen der Magnetisierungen der zwei überein­ ander liegenden, ferromagnetisch miteinander gekoppelten ferro­ magnetischen Schichten (12, 14) zumindest näherungsweise antipa­ rallel zueinander orientiert sind.

14. Integriertes Speicher- und Sensierelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtanordnung (16) ein magnetisch sensitives Element und die die zweite Schichtanordnung (18) ein magnetisch zwischen den zwei Zuständen (20, 21) umschaltbares, digitales Speicher­ element des integrierten Speicher- und Sensierelementes (30) ist.