Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrschichtensystem für ma- gnetoresistive Sensoren, wobei das System mindestens zwei dün¬ ne Schichten aus einem ferromagnetischen Material aufweist, zwischen denen (jeweils) eine dünne Schicht aus einem nicht¬ magnetischen Material angeordnet ist. Ein derartiges Mehr¬ schichtensystem ist z.B. aus "Phys. Rev. Lett.", Vol. 64, No. 19, 7.5.1990, Seiten 2304 bis 2307 zu entnehmen. Die Er¬ findung betrifft ferner ein Verfahren zur Festlegung der Schichtdicke dieser nicht-magnetischen Zwischenschicht.

Der allgemeine Aufbau und die Funktionsweise von magnetoresi- stiven Sensoren mit Dünnfilmen aus ferromagnetischen Über- gangsmetallen sind z.B. in der Veröffentlichung "Sensors", Vol. 5, 1989, Seiten 341 bis 380 näher erläutert. Die dort of¬ fenbarten, weitgehend magnetostriktionsfreien Schichten, die z.B. aus einer speziellen NiFe-Legierung mit 81 Gewichts-% Fe ("Permalloy") oder aus einer speziellen NiCo-Legieruπg mit

50 Gewichts-% Ni bestehen, zeigen jedoch nur einen verhältnis¬ mäßig geringen agnetoresistiven Effekt dR/R von etwa 2 bis 3 % . Man ist deshalb an einer Erhöhung dieses magnetoresisti¬ ven Effektes interessiert, um so Sensoren mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis realisieren und den Einsatzbereich dieser Sensoren erweitern zu können. Eine Erhöhung des magne¬ toresistiven Effektes konnte bei einigen Mehrschichtensystemen wie Co/Cu, Co/Cr und Fe/Cr nachgewiesen werden (vgl. die ein¬ gangs genannte Veröffentlichung "Phys. Rev. Lett."). Für prak- tische Anwendungen sind diese bisher bekannten Systeme aller¬ dings kaum einsetzbar, da der maximale magnetoresistive Effekt nur in sehr hohen Magnetfeldern von mehreren 100 kA/m auf¬ tritt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Mehr¬ schichtensystem mit den eingangs genannten Merkmalen anzuge¬ ben, das bei Raumtemperatur und in niedrigen Feldern einen er¬ höhten magnetoresistiven Effekt zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke der Zwischenschicht aus dem nicht-magnetischen Material einen vorbestimmten Wert hat, der einem diskreten Übergang zu¬ geordnet ist, welcher zwischen einem ferromagnetischen und an- tiferromagnetischen Verhalten der Mehrschichtenstruktur liegt. Ein Bereich gemäß einer Schwankungsbreite von + 10 % , insbe¬ sondere von + 5 %, um den exakten Wert der so bestimmten Schichtdicke soll dabei vom Schutzumfang mit eingeschlossen sein.

Die Erfindung geht von der an sich bekannten Tatsache aus, daß die nicht-magnetische Zwischenschicht eine oszillierende Aus¬ tauschkopplung (Austausch-Wechselwirkung) zeigt, die von der Dicke der Zwischenschicht abhängt (vgl. Beitrag BC 07 der "35th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials" (MMM- Konferenz), San Diego, USA, 29.10. bis 1.1.1990). Diese oszillierende Austauschkopplung ist für das magnetische Ver¬ halten (ferromagnetisch-antiferromagnetisch) des Mehrschich¬ tensystems verantwortlich. Sie kann in bekannter Weise z.B. durch Brillouin-Streuexperimente nachgewiesen werden. Der Er¬ findung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Schicht¬ dicke der nicht-magnetischen Zwischenschicht so zu wählen ist, daß die oszillierende Austausch-Wechselwirkung näherungsweise verschwindet. Dies ist dann der Fall, wenn das ferromagneti- sehe Verhalten des Mehrschichtsystems (in Abhängigkeit von der Schichtdicke) in das antiferromagnetische Verhalten überwech¬ selt (oder umgekehrt).

Prinzipiell ist es bekannt, daß man mit Mehrschichtensystemer, mit nicht-kollinearen Spins der übereinanderliegenden ferroma¬ gnetischen Einzelschichten erhöhte magnetoresistive Effekte hervorrufen kann. Elektronen, die sich durch die nicht-magne- tischen Zwischenschicht bewegen, erfahren nämlich dabei eine spinabhängige Streuung, die zu einem erhöhten magπetoresisti- ven Effekt führt. Erhöht man die Anzahl der aufeinanderfolgen¬ den magnetischen und nicht-magnetischen Schichten, so verviel¬ facht sich der Streuprozeß und damit auch der magnetoresistive Effekt. Bei Vorhandensein eines diskreten Überganges zwischen einem antiferromagnetischen und einem ferromagnetischen Ver¬ halten des definierten Mehrschichtensystems ist nun mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleistet, daß die Spins der übereinanderliegenden ferromagnetischen Schichten um etwa 90 ^c gegeneinander verdreht sind. Dies ist eine optimale Konfigu¬ ration für eine Erhöhung des magnetoresistiven Effektes, da das magnetische Gesamtmoment des Mehrschichtensystems nicht verschwindet und ein äußeres Magnetfeld leicht die Magnetisie¬ rung drehen und damit den Streuprozeß der Elektronen beein- flussen kann.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist darin zu sehen, daß die Magnetisierungen der übereinanderliegenden Schichten mit dem elektrischen Strom einen Winkel von etwa 45° bilden, und daß man deshalb eine lineare Kennlinie erhalten kann. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber den bekannten magnetoresistiven Sensoren dar, da die bisher erfor¬ derlichen aufwendigen Maßnahmen zu einer Linearisierung der Kennlinie dieser bekannten Sensoren durch ein transversales magnetisches Hintergrundfeld (Stützfeld) bzw. durch eine soge¬ nannte "Barberpole"-Anordnung nunmehr entfallen können. Diese bekannten Linearisierungsmaßnahmen führten außerdem bisher zu einer unerwünschten Reduzierung der Empfindlichkeit eines ent-

sprechenden Sensors. Diese Reduzierung der Empfindlichkeil ist nunmehr nicht mehr vorhanden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Mehrschichtensystems nach αer Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein besonders vorteilhaf es Verfahren zur Festlegung der Schichtdicke der zumindest einen Zwischenschicht aus derr nicht-magnetischen Material des erfindungsgemäßen Mehrschich- tensystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Domänenmuster mit Hilfe des magnetooptischen Kerr-Effektes in Abhängigkeit von der Schichtdicke beobachtet wird. Der Nachweis einer ver¬ schwindenden Austausch-Wechselwirkung läßt sich nämlich beson¬ ders vorteilhaft durch Beobachtung des Domänenmusters bei Auf- sieht auf die jeweils oberste ferromagnetische Schicht erbrin¬ gen. Je nach magnetischem Verhalten (ferromagnetisch - anti- ferromagnetisch) zeigt nämlich das Mehrschichtensystem ein un¬ terschiedliches Domänenmuster. Es wurde nun erkannt, daß dem diskreten Übergang(sbereich) zwischen dem ferromagnetischen Verhalten bzw. (Bereich) und dem antiferromagnetischen Verhal¬ ten (bzw. Bereich) des Mehrschichtsystems ein ganz spezielles Domänenmuster zugeordnet ist, das nur in diesem Übergangsbe¬ reich auftritt. Mit der Beobachtung dieses charakteristischen Domänenmusters kann somit sehr genau die zu wählende Schicht- dicke festgelegt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles noch weiter erläutert, wobei auf die schematische Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei ist in Figur 1 der prin- zipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Mehrschichtensystems dargestellt. Aus Figur 2 geht ein Testaufbau für dieses Mehr¬ schichtensystem hervor. Die Figuren 3 und 5 zeigen jeweils in einem Diagramm die Koerzitivfeidstärke bzw. die Kopplungskor—

stante eines Mehrschichtensystems in Abhängigkeit von der Dicke seiner Zwischenschicht. In Figur 4 ist ein für das er¬ findungsgemäße Mehrschichtensystem charakteristisches Domänen¬ bild veranschaulicht.

Das erfindungsgemäße Mehrschichtensystem aus Dünπfilmen kann insbesondere für einen magnetoresistiven Sensor mit erhöhter Empfindlichkeit vorgesehen sein. Es weist mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei dünne Schichten aus einem ferroma- gnetischen Material auf. Bei diesem Material kann es sich ins¬ besondere um die Übergangsmetalle Ni, Co oder Fe oder um eine Legierung mit diesen Elementen handeln, wobei auch nicht-me¬ tallische Verunreinigungen oder Zusätze zu einem geringen An¬ teil mit enthalten sein können. Vorteilhaft sind Materialien mit einer sehr kleinen Magnetostriktion. Diese ferromagneti¬ schen Schichten sind untereinander jeweils durch dünne Zwi¬ schenschichten getrennt. Diese Zwischenschichten sollen aus einem nicht-magnetischen Material wie z.B. aus elementarem C , Cu, Mn , Ru, Au / oder V aus Legierungen mit diesen Elementen (unter Einschluß geringer Zusätze oder Verunreinigungen) her¬ gestellt werden. Es ergibt sich so ein sandwichartiger Aufbau eines Mehrschichtensystems aus alternierend ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten. Einzelne Kombinationen für die zu wählenden Materialien entsprechender Mehrschichtensy- steme sind z.B. in dem genannten Beitrag BC 07 der MMM-Konfe- renz aufgeführt.

Gemäß dem in Figur 1 dargestellten schematischen Schnitt weist ein allgemein mit 2 bezeichnetes Mehrschichtensystem zwei äußere ferromagnetische Schichten 3 und 4, z.B. aus Fe, sowie eine dazwischenliegende nicht-magnetische Zwischenschicht 5, z.B. aus Cr, auf. Die Dicke £ der ferromagnetischen Schichten 3 und 4 liegt im allgemeinen zwischen 1 und 100 nm und beträgt

beispielsweise 10 nm. Dabei können für die beiden ferromagne¬ tischen Schichten 3 und 4 auch unterschiedliche Schichtdicken vorgesehen werden. Die Dicke d der Zwischenschicht 5 ist er¬ findungsgemäß so gewählt, daß das Mehrschichtensystem 2 einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigt. Die Gesamtdicke D des gesamten Mehrschichtensystems sollte dabei nicht größer als die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem System ge¬ wählt werden.

Um die exakte Größe der Schichtdicke d der Zwischenschicht 5 festlegen zu können, muß z.B. mittels eines besonderen Vorver¬ suchs das magnetische Verhalten des Mehrschichtensystems in Abhängigkeit von der Schichtdicke untersucht werden. Hierzu wird gemäß Figur 2 ein Mehrschichtensystem 2' aus den ferroma- gnetischen Schichten 3 und 4, z.B. aus Fe, und einer dazwi¬ schenliegenden nicht-magnetischen Zwischenschicht 5', z.E. aus Cr, erstellt. Der Aufbau der Cr-Zwischenschicht 5' ist dabei in dem gezeigten Schnitt keilförmig, das heißt, die Dicke d ¹ dieser Schicht nimmt in Richtung einer Koordinate x kontinu- ierlich zu. Es ergibt sich so ein im Schnitt keilförmiger Auf¬ bau der Zwischenschicht 5'. Dabei sei angenommen, daß der ge¬ zeigte Keil an seiner Spitze (x = 0) die Dicke d ¹ = 0 und an seinem gegenüberliegenden Ende die Dicke d' = 3,7 nm hat. Die einkristallinen Fe-Schichten 3 und 4 können dabei eine Dicke c von 10 nm oder auch darunter haben.

Die einzelnen Schichten des Mehrschichtensystems 2 'lassen sich in bekannter Weise z.B. durch ein Molekular-Strahl-Epitaxie- Verfahren, durch Verdampfen oder durch Sputtern erzeugen. Zur Herstellung der sehr dünnen Cr-Schicht 5' kann mit Hilfe einer Blende, die während der Cr-Deposition mit vorgegebenener Ge¬ schwindigkeit über die zu beschichtende Unterlage in Form der Fe-Schicht 3 bewegt wird, ein keilförmiger Aufbau mit sehr ge-

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ringen- Keilwinkel erzeugt werden. Dieses Verfahren läßt sich noch dahingehend verbessern, daß man zunächst eine z.B. 0,5 nm dicke Cr-Schicht niederschlägt und erst dann mit der Herstel¬ lung des sehr flachen Keils beginnt.

Eine sehr niedrige Depositionsrate ist vorteilhaft, da sie die Steuerung der Schichtabscheidung erleichtert. Dies kann durch Verwendung einer mit Schlitzen oder Löchern versehenen Blende erreicht werden. Für eine gleichmäßige Beschichtung sorgt dann eine Bewegung dieser Blende oder der zu beschichtenden Unter¬ lage.

Eine weiter Möglichkeit, um eine niedrige Depositionsrate und eine geringe Wärmebelastung der zu beschichtenden Unterlage zu erreichen, bieten sogenannte "Facing Target Type Sputtering"- Systeme (vgl. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-16, 1980, Seiten 646 bis 648). Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, um Schichten mit einer definierten Anzahl von Atomlagen abzu¬ scheiden und zu analysieren (vgl. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20 , 1984, Seiten 1840 bis 1845).

Nach Fertigstellung des Mehrschichtensystems 2 ¹ kann man nun in bekannter Weise (vgl. z.B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21, 1985, Seiten 1596 bis 1598) durch magnetooptische Be- trachtung der Domänen einen verhältnismäßig breiten Bereich identifizieren, in dem die oszillierende Austauschkopplung verschwindet und der für magnetoresistive Sensoren besonders geeignet ist. Figur 3 zeigt in Abhängigkeit von der Größe x (in mm) der Längsausdehnung der Zwischenschicht 5' die auf ma- gnetooptischem Wege bestimmte Koerzitivfeldstärke H (in Oe). Dabei sind charakteristischen Stellen der Meßkurve die zu be¬ obachtenden Domänenbilder zugeordnet. Diese Bilder wurden bei Remanenz nach Sättigung des Mehrschichtensystems 2 ¹ längs der

sogenannten "schweren Richtung" der Magnetisierung quer zur Ausdehnungsrichtung des Mehrschichtensystems gemessen. Die Be¬ reiche niedriger Koerzitivfeldstärke sind durch verhältnismä¬ ßig weite Domänenmuster charakterisiert, wobei die Domänenwän- de parallel und unter einem Winkel von etwa 45° zu der soge¬ nannten "leichten Richtung", d.h. in [100]- und [010]-Richtun¬ gen orientiert sind. Die Bereiche erhöhter Koerzitivfeldstärke sind durch unregelmäßig geformte Domänen gekennzeichnet. Sie lassen sich so deuten, daß in den entsprechenden Teilen des Mehrschichtensystems die antiferromagnetische Kopplung über¬ wiegt. Wenn jedoch in dem Mehrschichtensystem die benachbarte Schichten an jeder Stelle entgegengesetzt zueinander magneti- siert sind, verschwindet ihr magnetisches Gesamtmoment. Dann ist theoretisch jede beliebige Orientierung einer Domänenwand möglich, und die tatsächliche Domänengestalt wird durch andere Randbedingungen bestimmt.

Gemäß Figur 3 sind drei durch "F" gekennzeichnete ferromagne- tisch gekoppelte Bereiche und zwei durch "AF" gekennzeichnete antiferromagnetisch gekoppelte Bereiche des Mehrschichtsystems 2' zu identifizieren. Außerdem ist ein Domänenmuster von einem mit "T" bezeichneten Übergangsbereich zwischen einem ferroma¬ gnetischen und einem antiferromagnetischen Bereich wiedergege¬ ben. Dieses Domänenmuster ist ganz charakteristisch für diesen Bereich und erlaubt somit ein exaktes Festlegen der zugehöri¬ gen Dicke d der nicht-magnetischen Zwischenschicht 5, wobei Schwankungsbreiten von +_ 10 %, vorzugsweise von höchstens +_ 5 %, um den exakten Wert der Dicke d zulässig sind. Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel mit jeweils zwei 10 nm dicken Fe-Schichten 3 und 4 ergibt sich für die Schichtdicke d einer Cr-Zwischenschicht 5 ein Wert von 0,5 + 0,02 nm. Im all¬ gemeinen liegen die Schichtdicken d unter 2 nm, insbesondere unter 1 nm.

Das sich bei magnetooptischer Betrachtung der obersten magne¬ tischen (Fe-)Schicht des Mehrschichtensystems Fe/Cr/Fe erge¬ bende, für den Übergangsbereich T charakteristische Domänen¬ muster der Figur 3 ist in Figur 4 vergrößert wiedergegeben. Die in dieser Figur an den einzelnen, allgemein mit 7.

(1 < i < ...) bezeichneten Domänen angebrachten Pfeile 8, 9 und 10 sollen dabei Magnetisierungsrichtungen veranschauli¬ chen, die den folgenden Teilen des in Figur 1 angedeuteten Mehrschichtensystems 2 zuzuordnen sind: Die voll durchgezo- genen Pfeile 8 geben die Magnetisierungsrichtungeπ der Domänen in der oberen magnetischen (Fe-)Schicht 3 wieder, während die schraffierten Pfeile 9 zu der unteren magnetischen (Fe-) Schicht 4 gehören. Der offene Pfeil 10 stellt die Gesamtmagne¬ tisierung des Mehrschichtensystems 2 im Bereich der jeweiligen Domäne 7. dar. In der Figur sind ferner die [lOO]- unc θlθ]- Richtungen von Kristallachsen eingetragen, in die sich die Do¬ mänenwände in charkteristischer Weise erstrecken.

Die Ausdehnung der ferromagnetischen Bereiche F, der antifer- romagnetischen Bereiche AF sowie die der Übergangsbereiche T sind in Figur 5 näher als Balkendiagramm veranschaulicht. In der Figur ist ferner in einem zugeordneten Diagramm die spek¬ troskopisch gemessene Kurve der Kopplungskoπstanten A, ₂ (i ⁿ mJ/m ² ) in Abhängigkeit von der Schichtdicke d (in A) wiederge- geben (vgl. den genannten Beitrag BC 07 der MMM-Konferenz) . Die Schnittpunkte der Kurve der Kopplungskonstanten mit der Achse A, ₂ = ⁿ legt jeweils den Übergangsbereich T zwischen ferromagnetischem und antiferro agnetischem Verhalten des Mehrschichtsystems und damit auch den konkreten Wert der zu wählenden Schichtdicke d fest. Während der erste Übergangsbe¬ reich T (mit kleinstem Wert von d) klar zu unterscheiden ist, sind die späteren Übergangsbereiche T schwieriger zu bestim¬ men; denn dort sind die Kopplungseffekte schwach und die Do-

mänen sind eher durch Koerzitivfeldstärkeeffekte als durch Energieminimierung festgelegt.

Sind erst einmal, wie vorstehend geschildert, die einzelnen Domänenmuster bekannt, so kann man den korrekten Aufbau eines Mehrschichtensystems nach der Erfindung bei Aufsicht auf die jeweils oberste ferromagnetische Schicht des Systems direkt durch Beobachtung des Domänenmusters mit Hilfe des magnetoop¬ tischen Kerr-Effektes innerhalb einer entsprechenden Deposi- tionsapparatur kontrollieren. Damit ist eine Erhöhung der Fer¬ tigungsqualität verbunden, insbesondere wenn eine Sequenz z.B. des Mehrschichtensystems Fe/Cr/Fe/Cr/Fe ... mit vielen Schich¬ ten hergestellt werden soll und die jeweils oberste Fe-Schicht des Mehrschichtensystems untersucht wird.

Das Erreichen einer gewünschten Schichtdicke läßt sich auch durch Messung der Hysteresiskurve des jeweiligen Mehrschich¬ tensystems nachweisen.

Als weiterer Vorteil des Mehrschichtensystems nach der Erfin¬ dung ist die vergleichsweise niedrige Sättigungsfeldstärke H , die zu erreichen ist, zu nennen. Für das vorstehend angedeute¬ te Ausführungsbeispiel eines Mehrschichtensystems 2 aus zwei 10 nm dicken FE-Schichten 3 und 4 und einer 0,2 nm dicken Cr- Zwischenschicht 5 betragt H nur etwa 40 kA/m. Dies bedeutet, daß mit entsprechenden Mehrschichtensystemen magnetoresistive Sensoren sehr großer Empfindlichkeit herstellbar sind.