Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind magnetoresistive Schichtsysteme oder Sensorelemente be- kannt, deren Arbeitspunkt beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen durch auf ver- schiedene Weise erzeugte Hilfsmagnetfelder verschoben wird. Insbesondere ist die Erzeugung eines derartigen Hilfsmagnetfeldes durch montierte makroskopische Hartmagnete oder durch stromdurchflossene Feldspulen bekannt. In DE 101 28 135. 8 ist daneben ein Konzept erläutert, bei dem eine hartmagnetische Schicht in der Nähe eines magnetoresistiven Schichtstapels, ins- besondere auf oder unter dem Schichtstapel, deponiert wird, die vor allem durch ihr Streufeld an die eigentlichen sensitiven Schichten ankoppelt. Dabei steht eine möglichst hohe Koerziti- vität als Zielparameter sowie andererseits das remanente Magnetfeld als beschränkender Para- meter im Vordergrund. Weiter bewirkt eine solche hartmagnetische Schicht bei einer vertikalen Integration einen elektrischen Kurzschluss der benachbarten sensitiven Schichten des magneto- resistiven Schichtsystems, was einen erwünschten GMR-Effekt bzw. AMR-Effekt sowie die Sensitivität des Schichtsystems gegenüber äußeren Magnetfeldern beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war Bereitstellung einer Möglichkeit, kostengünstig und einfach ein magnetisches Bias-Feld oder Hilfsmagnetfeld zu generieren, das auf einen magneto- resistiven Schichtstapel einwirkt, um damit magnetoresistive Sensorelemente, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, preiswert und dennoch zuverlässig herstellen zu können.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtsystem hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass über die in einer Umgebung des insbesondere auf der Grundlage des GMR-o- der AMR-Effektes arbeitenden magnetoresistiven Schichtstapels vorgesehene Schichtanord- nung ein erhöhtes magnetisches Streufeld bei gleichzeitig erhöhter Koerzitivität oder Koerzitiv- feldstärke bereitgestellt wird, wobei gleichzeitig die Schichtanordnung einfach und kosten- günstig zu erzeugen bzw. in das Schichtsystem zu integrieren ist. Insbesondere weist die Schichtanordnung eine sehr dünne Bauform vor allem hinsichtlich der Dicke der hartmagneti- schen Schicht auf.

Daneben ist vorteilhaft, dass die Schichtanordnung in einem gewissem Rahmen die Möglichkeit bietet, die Stärke des durch die hartmagnetische und die weichmagnetische Schicht erzeugten Streufeldes zu variieren, und dass die insbesondere dünne weichmagnetische Schicht, die an die hartmagnetische Schicht angekoppelt bzw. zu dieser benachbart angeordnet ist, die Entmagneti- sierung der hartmagnetischen Schicht bei Anlegen eines äußeren magnetischen Wechselfeldes durch Domänenstreufelder (sogenanntes"Creeping") verhindert, wie dies in Phys. Rev. Lett., 84, (2000), Seite 1816 und Seite 3462 beschrieben ist.

Im Übrigen weist ein System aus einer hartmagnetischen und einer weichmagnetischen Lage generell eine gegenüber einer rein hartmagnetischen Schicht erhöhte Magnetisierung, d. h. ein höheres magnetisches Moment pro Volumen, auf. Dadurch erhöht sich bei gleicher Gesamt- schichtdicke die Feldstärke des magnetischen Streufeldes einer Schichtanordnung mit einer hartmagnetischen und einer weichmagnetischen Schicht, die insbesondere ferromagnetisch austauschgekoppelt sind, gegenüber der Feldstärke lediglich einer hartmagnetischen Schicht.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen ge- nannten Maßnahmen.

So weist bei einer ferromagnetisch austauschgekoppelten Schichtanordnung mit mindestens ei- ner weichmagnetischen und mindestens einer hartmagnetischen Schicht bei Anlegen eines äu- ßeren Magnetfeldes mit einer von der Magnetisierungsrichtung abweichenden Orientierung die weichmagnetische Schicht vorteilhaft eine chirale Magnetisierung auf, die bei Abschalten des äußeren Feldes in eine zu der hartmagnetischen Magnetisierung parallele Ausrichtung zurück-

springt, wie dies in IEEE Trans. Magn., 27, (1991), Seite 3588, beschrieben ist. Insbesondere wird die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht kohärent rotiert und nicht durch Do- mänennukleation ummagnetisiert. Somit können Streufelder anderer oder weiterer weichmag- netischer Schichten (Domänenstreufelder) in geringer Entfernung die hartmagnetische Schicht nicht entmagnetisieren.

Weiter lässt sich das Konzept des Aufbaus des magnetoresistiven Schichtsystem problemlos in bestehende magnetoresistive Sensorelemente oder Schichtsysteme mit GMR-Multilagen, magnetoresistive Sensorelemente oder Schichtsysteme nach dem Spin-Valve-Prinzip, AMR- Sensorelemente oder auch Sensorelemente basierend auf granularen Magnetowiderständen oder Magnetowiderständen hervorgerufen durch strukturelle Änderungen von Materialeigenschaften einfügen bzw. in die entsprechenden Herstellungsprozesse integrieren. Die Deposition der ein- zelnen Schicht des Schichtsystems ist dabei unkritisch gegenüber bekannten Einflussfaktoren.

Zeichnungen Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert. Es zeigt Figur 1 Magnetisierungskurven verschieden aufgebauter Schichtanordnungen im Vergleich und Figur 2 einen Schnitt durch ein magnetoresistives Schichtsystem auf einem Substrat.

Ausführungsbeispiele Die Figur 2 zeigt ein Substrat 10 beispielsweise aus Silizium oder Siliziumoxid auf dem sich ü- ber einer optional vorhandenen Buffer-Schicht 11, beispielsweise aus Cr, W oder Mo, eine hartmagnetische Schicht 12 und auf der hartmagnetischen Schicht 12 eine weichmagnetische Schicht 13 befindet. Diese beiden Schichten 12,13 bilden ein Schichtanordnung 15.

Auf der weichmagnetischen Schicht 13 ist ein an sich bekannter, bevorzugt auf der Grundlage des GMR-Effektes ("Giant Magnetoresistance") oder AMR-Effektes ("Anisotropic Magnetore- sistance") arbeitender magnetoresistiver Schichtstapel 14 vorgesehen. Bevorzugt weist der Schichtstapel 14 eine Mehrzahl von Einzelschichten auf, die nach dem Prinzip der gekoppelten Multilagen oder dem Spin-Valve-Prinzip arbeiten. Schichtstapel 14 und Schichtanordnung 15 sind somit vertikal integriert und bilden gemeinsam ein magnetoresistives Schichtsystem 5.

Weiter kann der magnetoresistive Schichtstapel 14 auch aus einem CMR-Material ("Colossal Magnetoresistance") wie Lao, 67Cao, 33MnO3 aufgebaut sein. In diesem Fall weist der magnetore- sistive Schichtstapel 14 ein Material auf, in dem durch ein Magnetfeld oder auch eine Tempe- raturänderung eine strukturelle Änderung ("Jahn-Teller-Effekt") induzierbar ist, die einen elekt- rischen Übergang des Materials von einem Leiter bzw. Metall zu einem Isolator bewirkt. Da- durch können Änderungen des elektrischen Widerstandes von mehr als 100% auftreten. Über- dies werden unter einem solchen CMR-Material auch"Pulver Magnetowiderstände" ("PMR" oder"Powder Magnetoresistance") verstanden, bei denen ein Magnetowiderstand zwischen einzelnen granularen magnetischen Teilchen mit unterschiedlichem Magnetisierungen entsteht.

Bevorzugt ist auf der hartmagnetischen Schicht 12 eine ferromagnetisch austauschgekoppelte, dünne, weichmagnetische Schicht 13 deponiert. Dabei nutzt man aus, dass in einem bestimmten Schichtdickenbereich die weichmagnetische Schicht 13 sowohl eine erhöhte Koerzitiviät als auch einen erhöhten Betrag des magnetischen Streufeldes der Schichtanordnung 15 gewähr- leistet. Insbesondere erhöht die weichmagnetische Schicht 13 bezogen auf eine vergleichbare Schichtdicke einer rein hartmagnetischen Schicht den Betrag des Streufeldes überproportional entsprechend der hohen Sättigungsmagnetisierung der weichmagnetischen Schicht 13.

Dies erlaubt es, die Schichtanordnung 15 mit einer jeweils ferromagnetischen jedoch einerseits weichmagnetischen und andererseits hartmagnetischen Schicht 11,12 bei einem gleichen zu generierenden Streufeld und gleicher oder höherer Koerzitivität dünner auszuführen als eine rein hartmagnetische Schicht mit entsprechenden Parametern ausgeführt wäre. Die so verrin- gerte Dicke erhöht den elektrischen Widerstand der Schichtanordnung 15 und damit den GMR- Effekt oder AMR-Effekt in dem magnetoresistiven Schichtstapel 14, was auch zu einer verbes- serten Sensitivität des Schichtsystems 5 bei einer Messung von von Außen auf dieses einwir- kenden Magnetfeldern führt.

Im Übrigen sind die vergleichsweise teueren hartmagnetischen Materialien der hartmagneti- schen Schicht 12 im Vergleich zu den vergleichsweise preiswerten weichmagnetischen Materi- alien der weichmagnetischen Schicht 13 ein relevanter Kostenfaktor, d. h. die Herstellungskos- ten für die Schichtanordnung 15 werden durch den Einsatz der weichmagnetischen Schicht 13 reduziert. Zudem verhindert die weichmagnetische Schicht 13 eine Entmagnetisierung der hartmagnetischen Schicht 12 bei einem anliegenden äußeren magnetischen Wechselfeld.

Bevorzugt wird gemäß Figur 2 eine weichmagnetische Schicht 13 aus einer CoFe-Legierung wie Co9oFelo, Co, Fe, Ni, einerFeNi-Legierung wie FeIgNis, sowie magnetischen Legierungen, die diese Materialien beinhalten, mit einer Dicke zwischen 1 nm und 50 nm, über die, wie er- läutert, Eigenschaften der Schichtanordnung 15 einstellbar sind, auf oder unter der hartmagneti- schen Schicht 12 deponiert. Bevorzugt hat die weichmagnetische Schicht 13 eine Dicke von 1 nm bis 10 nm. Die hartmagnetische Schicht besteht bevorzugt aus einer CoCrPt-Legierung wie Co75Cr13Ptl2, einer CoSm-Legierung wie CosoSmzo, einer CoCr-Legierung wie Co80Crzo, ei- ner CoCrTa-Legierung wie Co84Crl3Ta3, einerCoPt-Legierung wie Co5oPtso oder einer FePt- Legierung wie Fe5oPtso. Die Dicke der hartmagnetischen Schicht 12 liegt bevorzugt zwischen 20 nm und 100 nm.

Bevorzugt befindet sich die weichmagnetische Schicht 13 zwischen dem magnetoresistiven Schichtstapel 14 und der hartmagnetischen Schicht 12.

Alternativ zu dem mit Hilfe der Figur 2 erläuterten Beispiel kann auch eine Mehrzahl von ins- besondere unterschiedlich zusammengesetzten und/oder unterschiedlich dicken weichmagneti- schen Schichten 13 vorgesehen sein, die sich unter oder bevorzugt entsprechend Figur 2 auf der hartmagnetischen Schicht 12 befinden, und die bevorzugt jeweils eine Dicke zwischen 1 nm und 50 nm, insbesondere 1 nm bis 10 nm, aufweisen und aus den o. g. Materialien bestehen.

Weiter kann die Schichtanordnung 15 auch aus Multilagen von mehreren weichmagnetischen Schichten 13 und hartmagnetischen Schichten 12 mit Schichtpaaren entsprechend Figur 2 auf- gebaut sein.

Diesen Varianten ist gemein, dass die ferromagnetisch gekoppelten weichmagnetischen und hartmagnetischen Schichten 12,13 stets als Doppel-oder Multilagen in der Nähe des magneto- resistiven Schichtstapels 14 deponiert sind.

Technologisch vorteilhaft weil insbesondere einfach zu realisieren ist die bereits erläuterte De- position der Schichtanordnung 15 unter oder über dem Schichtstapel 14. Alternativ kann die Schichtanordnung 15 jedoch auch einseitig oder beidseitig neben dem Schichtstapel 14 ange- ordnet oder auch in den Schichtstapel 14 integriert sein.

Die Figur 1 zeigt eine erste Magnetisierungskurve 1, d. h. die Stärke der Magnetisierung als Funktion eines magnetischen Feldes, für eine ausschließlich hartmagnetische Schicht, eine

zweite Magnetisierungskurve 2 für diese hartmagnetische Schicht mit einer darauf aufgebrach- ten, dünnen weichmagnetischen Schicht und eine dritte Magnetisierungskurve 3 für diese hart- magnetische Schicht mit einer darauf aufgebrachten, gegenüber der Kurve 2 dickeren weich- magnetischen Schicht. Die Magnetisierung ist dabei die Summe magnetischen Momente, d. h. eine erhöhte Magnetisierung bedeutet auch eine erhöhte Feldstärke des Streufeldes.

Man entnimmt aus Figur 1, dass die Schichtanordnung 15 je nach Wahl der Schichtdicke der weichmagnetischen Schicht eine gegenüber der rein hartmagnetischen Schicht 12 erhöhte Koerzitivität und erhöhte remanente Magnetisierung aufweist. Dies beruht darauf, dass die weichmagnetische Schicht 13 aufgrund des hohen magnetischen Momentes des sie bildenden Materials ein vergleichsweise hohes Streufeld erzeugt, und dass die Ankoppelung der weich- magnetischen Schicht 13 an die hartmagnetische Schicht 12 dieses hohe magnetische Moment in Richtung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht 12 ausrichtet. Dadurch ergibt sich insgesamt eine hohe Feldstärke des Streufeldes.