DE10140606C1 - Integrated storage and sensor element comprises a first layer arrangement sensitive to the giant magnetoresistance effect in a measuring region opposite an external magnetic field and a second layer arrangement on a substrate - Google Patents
Integrated storage and sensor element comprises a first layer arrangement sensitive to the giant magnetoresistance effect in a measuring region opposite an external magnetic field and a second layer arrangement on a substrateInfo
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Abstract
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.The invention relates to an integrated memory and Sen sierelement, in particular for use as a sensor element for magnetic fields with memory integrated in the sensor element cher- or logic modules, according to the genus of the main award.
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.The measurement of mechanical quantities such as distance, angle and speed as well as derived values such as torque increasing importance in the field of automotive engineering. because at are, above all, non-contact magnetic sensors very promising as they work wear-free and ro are bust towards dirt. In particular, resisted hen magnetic sensors based on the so-called "GMR effect" rest (GMR = "giant magneto resistance") also at higher temperatures temperatures around 200 ° C. Compared to conventional techniques like Sen sensor elements based on the Hall effect or the AMR The (AMR = "anisotropic magneto resistance") offers effects GMR effect because of the relatively large effect size or comparatively large measurement signal and the ho at the same time sensitivity also has the advantage that sensor elements elements with large working distances and at the same time compact Dimensions with reduced power consumption and increased tem temperature stability can be achieved.
Generell unterscheidet man bei Sensorelementen auf der Grundlage des GMR-Effektes, Sensorelemente mit sogenannten "gekoppelten Multilagen" und die "Spin-Valve-Sensor elemente".A general distinction is made with sensor elements on the Basis of the GMR effect, sensor elements with so-called "coupled multilayers" and the "spin valve sensor elements".
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.Sensor elements with coupled multilayers are older magnetic and non-magnetic layers with a Thickness applied in the nanometer range (typi approximately 20 periods), the non-magnetic layer is chosen in terms of its thickness so that one appears tending exchange coupling the magnetization directions in the aligns magnetic layers antiparallel to each other. In this state, the electrical resistance is the Layer arrangement due to spin-dependent electron scattering initially maximum. An externally created or occurring Magnetic field then causes the directions of the Magnetizations in the magnetic layers parallel to align each other what the electrical resistance of the Layer arrangement considerably, in particular by up to 20% 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.In the case of the spin valve sensor elements, one is magnetic soft detection layer due to a non-magnetic layer separated from a magnetically hard layer, the un magnetic layer is chosen so thick that no off exchange coupling between the two magnetic layers occurs. It is also provided there that the direction of the Magnetization of the magnetically hard layer by such a way called "pinning layer" specified and independent of egg external magnetic field. Now turn it in external magnetic field over this spin valve sensor element, see above follows the direction of magnetization of the magnetically soft Layer this external magnetic field while the direction of Magnetization of the "pinned", magnetically hard layer remains firm. The angle of the external is thus transferred Magnetic field on the angle between the direction of the magne tization in the magnetically soft layer and the magne table hard layer, whereby an angle-dependent electri shear resistance of the spin valve sensor element arises.
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.An example of a magnetically sensitive layer arrangement based on coupled multilayers and spin valve Layer systems, these layer systems against each other over an external magnetic field based on the GMR Effects are sensitive, is in the application DE 101 05 894.2 explained. This also includes further details on the structure and to see how these layer systems work.
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.From a technological point of view, "pinning" is one of the two ferromagnetic layers in the spin valve sensor elements ten or layer systems by conventional antiferromagnetic or optionally also ferromagnetic pinning layers not without problems. On the one hand, the pinning Layer the maximum achievable GMR effect amplitude so-called "shunting" of the sensor current in the pinning Layer reduced to a few percent. Secondly, requires the production of the pinning layer with the desired properties additional process steps with complex and costly tempering treatments in the magnetic field.
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.In addition to sensing magnetic fields, layer systems me who work on the basis of the GMR effect, too as storage, d. H. so-called MRANs ("magnetic random access memory "). For example, on the Website http: \ \ www.research.ibm.com \ resources \ news \ 20001207_mramimages.shtml from the company IBM MRAM's represents that on layer arrangements according to the spin valve principle are based and use the GMR effect.
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.In particular, it describes that such a layer arrangements through suitable structuring and wiring with an arrangement of conductor tracks on the top and the Underside of the layer arrangement run, as well as by generating an internal magnetic field in these layer arrangements a defined electrical current in the conductor tracks between two, even after switching off the electrical current time stable states can be switched.
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.In particular, the internal magnetic field generated can Direction of magnetization of the soft magnetic layer paral lel or antiparallel to the direction of magnetization of the hard magnetic layer are aligned. These are the front seen conductor tracks as so-called "bit-line" and "word-line" interconnected so that depending on the type and strength of the application of the individual conductor tracks with the electrical current on the one hand a writing of the storage state in the layer arrangement and on the other hand reading out this memory state without it to influence is realizable.
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.With regard to further details on the function and wiring of these MRAN's is referred to the above-mentioned website, where this detailed both with regard to wiring and with regard to Lich the layer structure are described.
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.An electronic component is known from DE 198 43 350 A1, which is a magnetoresistive sensor element and a magnetoresisti ves memory element on a substrate, wherein sensor element and storage element based on the GMR effect work. In the case of the storage element there is a soft magnet cal and a hard magnetic layer provided over a Interlayer separated and in terms of magnetization Direction via current application in parallel or antiparal can be aligned. In the case of the sensor element, one is hard magnetic reference layer, for example by means of a self stabilizing coupling using a artificial antiferromagnet is realized, and a soft mag netische detection layer provided.
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.The object of the present invention was to provide a integrated memory and sensing element, with which both Mag netfelder also detects information storage in close proximity to the sensing element and especially integrated on a common substrate is.
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.The integrated storage and sensing element according to the invention ment has the advantage over the prior art that the sensing element in close proximity to or before moves the storage elements is arranged, both of them Components integrated in one manufacturing process on one let create common substrate.
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.In this respect can be integrated with the help of the invention Storage and sensing element already on the common Substrate a further processing of the sensing element recorded measurement signals take place or can already there logic modules and / or memory modules for further Processing and preparation of the measurement signals integrated become.
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.In addition, the joint integration on ei nem substrate a significantly simplified and inexpensive rer manufacturing process, for example, on the additional che provision of external memory components and their Ver circuit and connection with the sensing element at least can be partially dispensed with. Rather, it is invented according storage and sensing element after completion of Manufacturing process now advantageously in one piece common substrate before.
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.Another significant advantage of the invention according to tegrated storage and sensing element is that due to the ferromagnetic coupling of the two ferromagneti layers do without a so-called pinning layer can be tet. In this respect, the layer structure is used both for the sensing element as well as for the storage element clearly simplified. In addition, there are now also ferromagnetic couplings Spin valve elements can be used which essentially, i.e. H. apart from the shielding layer and / or the buffer layer and the intended conductor tracks are three layers. equal dispense with the pinning layer at an early stage the elaborate and costly measures for setting development of their property profiles.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous further developments of the invention result from the measures specified in the subclaims.
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.So the one serving as a storage element can be compared largely insensitive to the external magnetic field second layer arrangement in a particularly simple manner protect against the influence of the external magnetic field or in within the measuring range to which the integrated memory and Sensing element is usually exposed to the external Magnetic field at least largely shield that above this Layer arrangement of a magnetic shield, in particular one as possible on the side of the shielding layer located ferromagnetic layer is brought. This shielding layer is advantageously a gal Vanically deposited permalloy layer, its production and Properties are well known from the prior art. In addition, however, others are also suitable, magnetic fields possible very damping layers.
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.To improve the layer growth and the adhesion of the Layer arrangements on the substrate are advantageously provided hen that between each of the layer arrangements and the Substrate each has a buffer layer known per se, at for example, a permalloy layer. Especially before this permalloy layer is one of the most possible high-resistance permalloy layer, because this makes the so-called "Shunting" is significantly reduced, which leads to higher GMR Effect amplitudes and thus larger and easier to evaluate Signals.
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.The desired ferromagnetic coupling between the two Ferromagnetic layers of the layer arrangement can be particularly easily and advantageously achieve that the intermediate layer made of an alloy of copper with min at least one precious metal, especially a CuAgAu- Alloy. This alloy as a material for the Intermediate layer also leads to a significantly improved Temperature stability of the layer arrangements produced, such as this has already been described in DE 101 05 894.2.
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.Finally, it is advantageously possible to vary by Thickness, material and texture of the individual layers in the Layer arrangements, especially in the case of those Layer arrangement used to form the sensing element is provided, the so-called "minor loop" position against above the magnetic zero field, d. H. towards an out switched or missing external magnetic field shift and / or the width of the "minor loop" define so that their position and width optimally match the desired measuring range is adjustable.
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. In this context, the term "minor loop" is used that when measuring the electrical resistance of the magne table-sensitive layer arrangement based on the GMR effect as a function of the external magnetic field in the magnetic Small field area, that is the area used in the application by the external encoder field in the layer arrangement ben is to ver recorded measurement curve or hysteresis curve stand.
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.It is also particularly advantageous if the second, ge if possible not sensitive to the external magnetic field Layer arrangement with regard to its structure from the first, sensitive to the external magnetic field Layer arrangement in its actual, for the GMR effect relevant layer structure, d. H. apart from the magneti shielding or shielding layer and, if appropriate the buffer layer and the arrangement of conductor tracks, not or as little as possible. This allows the food cherelement and the sensing element with essentially the same chem setup in a manufacturing process on a common men to generate substrate, which leads to considerable simplifications and cost savings.
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.In particular, a metallic MRAM can now also be used corresponding storage elements in the immediate vicinity to a sensing element based on the GMR effect on one common substrate can be realized, with both layers arrangements each preferably only a three-layer Structure of two ferromagnetically coupled fer romagnetic layers and an intermediate layer have layered layer.
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. The invention is explained in more detail with reference to the drawings and the description below. It shows Fig. 1 a on the basis of the GMR effect magnetically sensitive layer arrangement as a schematic diagram in section, FIG. 2, the GMR characteristic and the "minor-loop" of the layer arrangement shown in FIG. 1, FIG. 3 is a plan view of an integrated Storage and sensing element with layer arrangements according to FIG. 1 and FIG. 4 a section through FIG. 3 along the section line drawn.
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. Fig. 1 shows a GMR layer arrangement 5 in section, wherein on a substrate 10 , for example made of silicon oxide, a buffer layer 11 , thereon a first ferromagnetic layer 12 , thereon an intermediate layer 13 and a second ferromagnetic layer 14 is applied.
Die Bufferschicht 11 ist im erläuterten Beispiel eine Schicht mit im Wesentlichen der Zusammensetzung Ni80 Gew.-% Fe20 Gew.-% (Permalloy) und gegebenenfalls weiteren Zusätzen, bevorzugt eine hochohmige Permalloy-Schicht der Zusammenset zung Ni79 Gew.-% Fe16,7 Gew.-% Mo4 Gew.-% Mn0,3 Gew.-%. Ihre Dicke liegt im Bereich einiger Nanometer, beispielsweise bei 3 nm.In the example explained, the buffer layer 11 is a layer with essentially the composition Ni 80% by weight Fe 20% by weight (permalloy) and optionally further additives, preferably a high-resistance permalloy layer with the composition Ni 79% by weight Fe 16.7 wt% Mo 4 wt% Mn 0.3 wt% . Their thickness is in the range of a few nanometers, for example 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.The located on the buffer layer 11, first ferromagnetic specific layer 12 is used in the example explained as a hard magnetic schematic reference layer, ie as a layer whose direction of magnetization from the direction of an external magnetic field at least below a threshold field strength remains at least virtually unaffected. Specifically, the first ferromagnetic layer 12 is, for example, a cobalt layer with a thickness of 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 Cu85 Atom% Ag10 Atom% Au5 Atom%, mit einer Dicke von ca. 1,5 nm oder ca. 2,5 nm.The intermediate layer 13 is a copper layer with a thickness of about 2 nm or preferably a layer of a copper-silver-gold alloy, preferably the composition Cu 85 atom% Ag 10 atom% Au 5 atom% , with a thickness of approx. 1.5 nm or approx. 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.On the intermediate layer 13 there is the second ferromagnetic layer 14 , which in the example explained is a soft magnetic detection layer, ie a layer in which the direction of magnetization is at least largely aligned parallel to the direction of an external magnetic field. The second ferromagnetic layer 14 consists, for example, of cobalt and has a thickness of 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.The property "hard magnetic" or "soft magnetic" of the layers 12 , 14 also depends in a known manner on the texture and their layer thickness.
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.The materials explained for the first ferromagnetic layer 12 and the second ferromagnetic layer 14 and the intermediate layer 13 ensure that the two superimposed ferromagnetic layers 12 , 14 are ferromagnetically coupled to one another, so that an otherwise frequently required pinning layer is dispensed with can be. The ferromagnetic coupling of the two ferro-magnetic layers 12 , 14 means in particular that the directions of the magnetization of these two layers in the absence of an external magnetic field and without additional, this setting possibly preventing hysteresis effects in parallel.
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.Incidentally, it should be emphasized at this point that the described coupling between the two ferromagnetic layers 12 , 14 can be converted in a known manner alternately into an antiferromagnetic coupling and again into a ferromagnetic coupling via a constant change in the thickness of the intermediate layer 13 , where in layer arrangements 5 , which are based on the spin valve principle, the area between the so-called "second antiferromagnetic maximum" and the so-called "third antiferromatic maximum" is particularly relevant.
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 Hext. Fig. 2 shows on the lower x-axis and the related contractual left y-axis shows the change in the specific electrical resistance of the GMR rule-layer arrangement 5 as a function of the strength and direction of an external magnetic field H ext.
Im Einzelnen ist dabei das externe Magnetfeld Hext in der Einheit Oersted [Oe] aufgetragen, während die Änderung des elektrischen Widerstandes auf den minimalen elektrischen Wi derstand bezogen ist [ΔR/Rmin], so dass sich eine Widerstand sänderung bezogen auf den minimalen Widerstand in Prozent ergibt. Variiert man nun das externe Magnetfeld Hext 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.Specifically, the external magnetic field H ext is plotted in the unit Oersted [Oe], while the change in electrical resistance is related to the minimum electrical resistance [ΔR / R min ], so that a change in resistance is related to the minimum resistance in percent. If you vary the external magnetic field H ext starting from the lower left corner of the diagram to the lower right corner of the diagram and back, you get the GMR characteristic curve 17 following the course of the arrows.
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 Hext 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 Hext 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.To understand them, one starts from a parallel setting of the directions of magnetization in the first ferromagnetic layer 12 and the second ferromagnetic layer 14 . If one then starts in the lower left corner of the diagram with a strong, negative magnetic field (magnetic saturation), ie a magnetic field which is parallel to the direction of the magnetization in the second ferromagnetic layer 14 , which serves as a soft magnetic detection layer, then occurs first at Errei Chen magnetic field strengths of approx. +10 Oersted due to the GMR effect, a significant increase in the electrical resistance of the GMR layer arrangement 5 . The detection layer, ie the second ferromagnetic layer 14 , begins to align its magnetization direction with the external magnetic field changing its direction, while the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 12 , ie the reference layer, initially remains unchanged. With a further increase in the external magnetic field H ext, there is approximately +20 Oersted an antiparallel orientation of the direction of the magnetization in the first ferromagnetic layer 12 and the second ferromagnetic layer 14 (maximum electrical resistance). If the strength of the external magnetic field H ext continues to increase, the direction of magnetization of the hard magnetic layer 14 also begins to align itself in accordance with the direction of the external magnetic field, which leads to a breakdown of the desired GMR effect or, respectively, with increasing external magnetic fields leads to magnetic saturation at approx. +40 Oersted, so that finally no GMR effect can be measured in the range above approx. +40 Oersted to +100 Oersted.
Fährt man dann in der rechten unteren Ecke des Diagrammes gemäß Fig. 2 mit einem entsprechend umgekehrt orientierten externen Magnetfeld Hext 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.If one then continues in the lower right corner of the diagram according to FIG. 2 with a correspondingly reversed external magnetic field H ext , one observes due to hysteresis effects an analog measurement curve which is shifted relative to the zero point, ie the desired one when used as a sensor element Resistance change as a function of the external magnetic field is now particularly large in the range of approximately -10 Oersted, before there is a breakdown of the GMR effect or a magnetic saturation at approximately -40 Oersted if external magnetic fields continue to increase in amplitude.
Ein Sensierelement mit einer GMR-Schichtanordnung 5 wird man möglichst im Bereich einer möglichst starken Änderung des elektrischen Widerstandes ΔR/Rmin als Funktion des externen Magnetfeldes Hext betreiben, d. h. möglichst im Kleinfeldbe reich, der gemäß Fig. 2 den Bereich von -20 bis +20 Oersted umfasst.A sensing element with a GMR layer arrangement 5 will be operated as far as possible in the range of the greatest possible change in the electrical resistance ΔR / R min as a function of the external magnetic field H ext , ie as far as possible in the small field area, which according to FIG +20 Oersted includes.
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 Hext 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/Rmin] 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 Hext anzulegen, so dass sich eine von der GMR-Kennlinie 17 verschiedene Hysterese kurve ergibt.In Fig. 2, the so-called "minor loop" 15 of the GMR layer arrangement 5 is shown, ie in the example the Hy steres curve in the small field range from approximately -4 Oersted to +16 Oersted. According to the upper x-axis, an external magnetic field H ext in the range from -10 Oersted to +20 Oersted is plotted, which according to the right y-axis shows a change in the electrical resistance relative to the minimum electrical resistance [ΔR / R min ] of the GMR layer arrangement 5 , which is applied in percent. In contrast to the GMR characteristic curve 17 , the "minor loop" 15 does not apply strong external magnetic fields H ext , so that a hysteresis curve different from the GMR characteristic curve 17 results.
Im Einzelnen zeigt Fig. 2 die "Minor-Loop" 15, dem Verlauf der eingezeichneten Pfeile folgend, beginnend bei einem ne gativen externen Magnetfeld Hext 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.In detail, Fig. 2 shows the "minor loop" 15, the course of the arrows following, starting with a negative external magnetic field H ext of -10 Oersted, ie an external magnetic field parallel to the direction of magnetization in the is directed second ferromagnetic layer 14 or the soft magnetic detection layer, which are initially aligned parallel to each other due to the ferromagnetic coupling.
Steigert man nun das externe Magnetfeld Hext 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 Hext 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.If the external magnetic field H ext is now increased from -10 Oersted to approx. +15 Oersted, the GMR effect leads to a significant increase in the electrical resistance to a maximum value, when reached the directions of the magnetization in the first ferromagnetic layer 12 and the second ferromagnetic layer 14 are aligned antiparallel to each other. If one then reverses the direction of the external magnetic field H ext starting again in the upper right corner of the diagram, then with a magnetic field of approx. -2 Oersted there is again a reduced electrical resistance in the GMR due to the GMR effect. Layer arrangement 5 before finally reaching the initial state with minimal electrical resistance in the case of external magnetic fields of approximately -10 oersted, in which the directions of magnetization in the first ferromagnetic layer 12 and the second ferromagnetic layer 14 again due to the ferromagnetic coupling are aligned parallel to each other. The hysteresis observed in the region of the “minor loop” 15 is that of the soft magnetic detection layer 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 Hext 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.From the two characteristic curves 15 , 17 according to FIG. 2 it can be seen that the GMR layer arrangement 5 with the two superposed, ferromagnetically interlinked ferromagnetic layers can be used on the one hand as a magnetically sensitive layer arrangement, which according to the GMR characteristic curve 17 in Small field area has a significant change in the electrical resistance as a function of strength and direction of the external magnetic field H ext that such a GMR layer arrangement 5 can also serve as a storage element, taking advantage of the fact that the "minor loop" 15 in the small field area shows pronounced hysteresis.
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 Hext 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.In particular, the "minor loop" 15 defines a first state 20 of such a storage element with a relatively high electrical resistance of the layer arrangement 5 and a second state 21 of the storage element with a comparatively low electrical resistance of the layer arrangement 5 . Both states 20 , 21 are stable in time even after the external magnetic field H ext has been switched off, so that these two states 20 , 21 characterize two memory states which can be generated via a magnetic field and read out via the resistance of the layer arrangement 5 .
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.Based on these preliminary considerations, FIG. 3 now shows an exemplary embodiment of an integrated storage and sensor element 30 , a first layer arrangement 16 and several second layer arrangements 18 being generated in regions on a common substrate 10 , for example a silicon dioxide substrate or a glass substrate , In Fig. 3, the representation of known contact contacts, conductor tracks and other, for wiring the layer arrangements 16 , 18 he required electronic components has been omitted for reasons of clarity.
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 Hext 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. FIG. 4 shows a section through FIG. 3 along the line of intersection, it being initially evident that the first layer arrangement 16 is constructed analogously to the GMR layer arrangement 5 . In particular, the first layer arrangement 16 is designed as a sensing element for the strength and / or direction of an external magnetic field H ext within a defined measuring range, which ranges, for example, from -15 Oersted to +15 Oersted. It uses the GMR effect for Sen sen of the external magnetic field, as explained, which, as a function of this external magnetic field leads to a change in the electrical resistance in the most layer arrangement 16 .
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.In particular, it should be emphasized that the first layer arrangement 16 has two superposed, ferromagnetically coupled ferromagnetic layers 12 , 14 which are separated from one another by the intermediate layer 13 .
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. In addition to the first layer arrangement 16 , two second layer arrangements 18 can also be seen on the substrate 10 according to FIG. 4, which differ from the first layer arrangement 16 and the GMR layer arrangement 5 according to FIG. 1 only in that on the second ferromagnetic layer 14 in each case a shielding layer 19 is applied, and that an arrangement of electrical conductors in the form of a conductor structure 22 is provided between the shielding layer 19 and the second ferromagnetic layer 14 and between the substrate 10 and the buffer layer 11 .
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.This conductor structure 22 is designed analogously to that on the website http: \ \ www.research.ibm.com \ resources \ news \ 20001207_mramimages.shtml in the form of intersecting "bit lines" and "word lines".
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.By means of the conductor structure 22 constructed in the form of “bit lines” and “word lines”, the direction can be further known in a known manner via suitably guided electrical currents which generate an internal magnetic field in the second layer arrangement 18 at least in some areas the magnetization of the soft magnetic detection layer, ie the two th ferromagnetic layer 14 , parallel or antiparallel to the direction of magnetization of the hard magnetic layer, ie the first ferromagnetic layer 12 , from.
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.Further it is by means of the "bit lines" and the "word lines" and the electrical currents carried therein under utilization of the GMR effect possible to read out whether a parallel or anti-parallel alignment of these magnetizations lies.
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.In this respect, the alignments of the magnetizations in the two ferromagnetic layers 12 , 14 characterize two storage states 20 , 21 , which can be written via the structure 22 and the internal magnetic field generated above and also by means of the electrical currents guided by the structure 22 are readable.
Die Abschirmschicht 19 ist im erläuterten Beispiel eine gal vanisch abgeschiedene Permalloy-Schicht mit im Wesentlichen der Zusammensetzung Ni80 Gew.-% Fe20 Gew.-%, vorzugsweise eine hochohmige Permalloy-Schicht der Zusammensetzung Ni79 Gew.-% Fe16,7 Gew.-% Mo4 Gew.-% Mn0,3 Gew.-%. Ihre Dicke ist im Einzelfall an die Stärke der jeweils eingesetzten externen Magnetfelder anzupassen.In the example explained, the shielding layer 19 is a galvanically deposited permalloy layer with essentially the composition Ni 80% by weight Fe 20% by weight , preferably a high-resistance permalloy layer with the composition Ni 79% by weight Fe 16.7 % By weight Mo 4% by weight Mn 0.3% by weight . The thickness must be adapted to the strength of the external magnetic fields used in each individual case.
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. Hext = 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.Incidentally, it should also be mentioned that it is easily possible within the scope of the exemplary embodiment explained above, the position of the “minor loop” 15 according to FIG. 2 relative to the zero field (ie H ext = 0) by varying the thickness, the texture and / or to shift the material of the second ferromagnetic layer 14 and / or the first ferromagnetic layer 12 . In addition, the width of the "minor loop" 15 can be set in such a way that it is always optimally positioned within the desired measuring range. Finally, the position and / or width of the “minor loop” can also be adjusted at least in part via the texture, the thickness and / or the material of the buffer layer 11 and / or the intermediate layer 13 .
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.Overall, the integrated storage and sensing element 30 according to FIGS . 3 and 4 thus has a sensing element which is formed by the first layer arrangement 16 and four storage elements which are formed by the second layer arrangements 18 , the layer arrangements 16 , 18 in each case have exactly two, one above the other, ferromagnetically coupled with each other coupled ferromagnetic layers 12 , 14 , which are separated from one another via the intermediate layer 13 . In addition, one of the two ferromagnetic layers 12 , 14 is a hard magnetic layer and the other is a soft magnetic layer.
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.In the case of the second layer arrangement 18 serving as a storage element, the conductor structure 22 extending on opposite sides of the soft magnetic layer, ie the two th ferromagnetic layer 14 , is further developed by means of suitably guided electrical currents which generate an internal magnetic field in the layer arrangement 18 . the direction of magnetization of the soft magnetic layer is aligned either parallel or antiparallel to the direction of magnetization of the hard magnetic layer. Due to the comparatively large thickness of the conductor tracks of the conductor structure 22 compared to the layers 11 , 12 , 13 and 14 , this preferably includes the entire layer stack of buffer layer 11 , reference layer 12 , intermediate layer 13 and detection layer 14 between them. The GMR effect then makes it possible to read out the parallel or anti-parallel orientation of the magnetizations, which characterizes the two states 20 , 21 . The change in the direction of the magnetization is also magnetically reversible, ie the second layer arrangement 18 can be magnetically transferred from the first state 20 into the second state 21 and from the second state 21 into the first state 20 , each below a limit amplitude of the in ternal magnetic field, especially in its absence or after it is switched off, are stable over time. Thus, the second layer arrangement 18 in each case forms a magnetically switchable between these two states 20 , 21 , digital memory element which is integrated in the immediate vicinity of the sensor element formed by the first layer arrangement 16 and is located on a common substrate.
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