DE102024110511A1

DE102024110511A1 - MAGNETORESISTIVE SENSOR

Info

Publication number: DE102024110511A1
Application number: DE102024110511.9A
Authority: DE
Inventors: Dieter Süss; Bernhard Endres; Johannes Güttinger; Michael Kirsch; Klemens Prügl; Wolfgang Raberg; Armin Satz; Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2024-04-15
Filing date: 2024-04-15
Publication date: 2025-10-16
Also published as: CN120820894A

Abstract

Vorgeschlagen wird ein magnetoresistiver Sensor (100; 110), umfassend eine erste magnetische Referenzschicht (116-1), eine zweite magnetische Referenzschicht (116-2) und wenigstens eine zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht eingebettete magnetisch freie Schicht (118-1). Die erste magnetische Referenzschicht (116-1) weist eine erste Referenzmagnetisierung auf und die zweite magnetische Referenzschicht (116-2) weist eine zweite Referenzmagnetisierung auf, unterschiedlich zu der ersten Referenzmagnetisierung. Proposed is a magnetoresistive sensor (100; 110) comprising a first magnetic reference layer (116-1), a second magnetic reference layer (116-2), and at least one magnetically free layer (118-1) embedded between the first and second magnetic reference layers. The first magnetic reference layer (116-1) has a first reference magnetization, and the second magnetic reference layer (116-2) has a second reference magnetization different from the first reference magnetization.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen magnetoresistive Sensoren und insbesondere magnetoresistive Sensoren, mit denen eine 3-dimensionale (3D) Magnetfeldmessung möglich ist.The present disclosure relates generally to magnetoresistive sensors and, more particularly, to magnetoresistive sensors capable of 3-dimensional (3D) magnetic field measurement.

Hintergrundbackground

Es sind technische Lösungen bekannt, die in der Lage sind, drei Komponenten eines Magnetfeldes zu messen, wie zum Beispiel HHall- (Horizontal Hall) und VHall- (Vertical Hall) Sensoren. HHall- und VHall-Sensoren sind spezifische Typen von Hall-Effekt-Sensoren, die für die Messung von Magnetfeldern in horizontaler (H) und vertikaler (V) Richtung relativ zur Oberfläche des Sensors oder des Halbleitermaterials konzipiert sind. Typischerweise bezeichnet „Horizontal“ oder „Vertical“ eine Ausrichtung einer Hall-Platte. HHall-Sensoren messen die Komponenten des Magnetfeldes, die senkrecht zur Oberfläche des Sensors verlaufen. VHall-Sensoren sind im Gegensatz zu HHall-Sensoren dazu ausgelegt, die Magnetfeldkomponenten zu messen, die parallel zur Oberfläche des Sensors sind..Technical solutions capable of measuring three components of a magnetic field are known, such as HHall (Horizontal Hall) and VHall (Vertical Hall) sensors. HHall and VHall sensors are specific types of Hall-effect sensors designed to measure magnetic fields in the horizontal (H) and vertical (V) directions relative to the surface of the sensor or the semiconductor material. Typically, "horizontal" or "vertical" refers to an orientation of a Hall plate. HHall sensors measure the components of the magnetic field that are perpendicular to the sensor surface. VHall sensors, in contrast to HHall sensors, are designed to measure the magnetic field components that are parallel to the sensor surface.

Ein Trend zur Integration anwendungsbezogener Funktionen (wie z.B. digital unterstützte Kompensationsalgorithmen, digitale Schnittstellen, in denen zusätzliche Informationen wie Temperatur oder andere sicherheitsrelevante Informationen kodiert sind) ist für die integrierte Hall-Technologie gut geeignet. Grenzen dieser Technologie liegen jedoch zum einen in der SNR-Performance (SNR: Signal-to-Noise Ratio), die in der Regel zu einer eingeschränkten Bandbreite oder einem eingeschränkten Messbereich führt, und zum anderen ist es eine Herausforderung, Anforderungen an analoge Schnittstellen in Kombination mit geringer Komplexität und Kosten zu erfüllen.A trend toward integrating application-specific functions (such as digitally supported compensation algorithms, digital interfaces encoding additional information such as temperature or other safety-relevant information) is well-suited to integrated Hall technology. However, limitations of this technology lie in its SNR (signal-to-noise ratio) performance, which typically results in limited bandwidth or measurement range, and in the challenge of meeting analog interface requirements while maintaining low complexity and cost.

Wünschenswert sind beispielsweise 3D-Magnetfeldsensoren mit verbesserter SNR-Leistung auf allen drei Kanälen, die zudem auf einem einzigen Chip integrierbar sind.For example, 3D magnetic field sensors with improved SNR performance on all three channels that can also be integrated on a single chip are desirable.

ZusammenfassungSummary

Diesem Bedarf wird durch magnetoresistive Sensoren gemäß den anliegenden Ansprüchen Rechnung getragen.This need is met by magnetoresistive sensors according to the appended claims.

Gemäß einem ersten Aspekt schlägt die vorliegende Offenbarung einen magnetoresistiven Sensor vor, der eine erste magnetische Referenzschicht, eine zweite magnetische Referenzschicht und wenigstens eine zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht eingebettete magnetisch freie Schicht umfasst. Der magnetoresistive Sensor kann zum Beispiel als GMR-Sensor oder als TMR-Sensor ausgebildet sein. Insbesondere eine Kombination mehrerer solcher magnetoresistiver Sensoren kann bei entsprechender Ausrichtung der Referenzmagnetisierungen vorteilhaft zur 3D-Magnetfeldmessung eingesetzt werden.According to a first aspect, the present disclosure proposes a magnetoresistive sensor comprising a first magnetic reference layer, a second magnetic reference layer, and at least one magnetically free layer embedded between the first and second magnetic reference layers. The magnetoresistive sensor can be configured, for example, as a GMR sensor or as a TMR sensor. In particular, a combination of several such magnetoresistive sensors can be advantageously used for 3D magnetic field measurement with appropriate alignment of the reference magnetizations.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die erste magnetische Referenzschicht eine erste Referenzmagnetisierung auf und die zweite magnetische Referenzschicht weist eine zweite Referenzmagnetisierung auf, die unterschiedlich zu der ersten Referenzmagnetisierung ist. Beispielsweise weist die erste magnetische Referenzschicht eine in-plane (parallel zu einer bestimmten Ebene, typischerweise der Oberflächenebene des magnetoresistiven Sensors) Referenzmagnetisierung auf und die zweite magnetische Referenzschicht weist eine out-of-plane (senkrecht zu einer bestimmten Ebene, typischerweise der Oberflächenebene des magnetoresistiven Sensors) Referenzmagnetisierung auf. Dadurch kann der magnetoresistiven Sensor sowohl in-plane Komponenten eines externen Magnetfelds messen als auch dessen out-of-plane Komponenten.According to some embodiments, the first magnetic reference layer has a first reference magnetization, and the second magnetic reference layer has a second reference magnetization that is different from the first reference magnetization. For example, the first magnetic reference layer has an in-plane (parallel to a specific plane, typically the surface plane of the magnetoresistive sensor) reference magnetization, and the second magnetic reference layer has an out-of-plane (perpendicular to a specific plane, typically the surface plane of the magnetoresistive sensor) reference magnetization. This allows the magnetoresistive sensor to measure both in-plane components of an external magnetic field and its out-of-plane components.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die erste magnetische Referenzschicht (z.B. mit in-plane Referenzmagnetisierung) oberhalb der wenigstens einen magnetisch freien Schicht und die zweite magnetische Referenzschicht (z.B. mit out-of-plane Referenzmagnetisierung) unterhalb der wenigstens einen magnetisch freien Schicht angeordnet. Bei den (magnetischen) Schichten handelt es sich also um einen vertikalen magnetoresistiven Schichtstapel.According to some embodiments, the first magnetic reference layer (e.g., with in-plane reference magnetization) is arranged above the at least one magnetically free layer, and the second magnetic reference layer (e.g., with out-of-plane reference magnetization) is arranged below the at least one magnetically free layer. The (magnetic) layers thus constitute a vertical magnetoresistive layer stack.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst der magnetoresistive Sensor eine erste und eine zweite magnetisch freie Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Referenzschicht eingebettet sind. Damit können jeweils für unterschiedliche Magnetfeldkomponenten optimierte magnetisch freie Schichten bereitgestellt werden.According to some embodiments, the magnetoresistive sensor comprises a first and a second magnetically free layer embedded between the first and second reference layers. This allows for the provision of magnetically free layers optimized for different magnetic field components.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten und der zweiten magnetisch freien Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht angeordnet. Dadurch kann abhängig vom externen Magnetfeld Strom durch den magnetoresistiven Schichtstapel fließen.According to some embodiments, an electrically conductive layer is arranged between the first and second magnetically free layers. This allows current to flow through the magnetoresistive layer stack depending on the external magnetic field.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die wenigstens eine magnetisch freie Schicht eine Vortex-Magnetisierung auf. Ein Magnetischer Vortex ist ein Zustand in ferromagnetischen Materialien, bei dem die Magnetisierung in einer kreisförmigen Konfiguration um einen zentralen Punkt angeordnet ist, wobei die Magnetisierung im Zentrum aus der Ebene heraus (out-of-plane) zeigen kann. Vortex-Konfigurationen können eine hohe thermische Stabilität, eine niedrige magnetische Streuung, einen geringen Energieverbrauch, und vorteilhafte sensorische Eigenschaften aufweisen.According to some embodiments, the at least one magnetically free layer exhibits vortex magnetization. A magnetic vortex is a state in ferromagnetic materials in which the magnetization is arranged in a circular configuration around a central point, with the magnetization at the center possibly pointing out of plane. Vortex configurations can exhibit high thermal stability, low magnetic scattering, low energy consumption, and advantageous sensing properties.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die wenigstens eine magnetisch Referenzschicht zu einem Antiferromagneten gekoppelt.According to some embodiments, the at least one magnetic reference layer is coupled to an antiferromagnet.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die erste magnetisch freie Schicht eine in-plane Vortex-Magnetisierung bei verschwindendem externen Magnetfeld auf und die zweite magnetisch freie Schicht weist einen synthetischen Antiferromagneten (SAF) mit einer out-of-plane Magnetisierung bei verschwindendem externen Magnetfeld auf. Die magnetisch freie Schicht mit Vortex-Magnetisierung kann auf in-plane Komponenten eines externen Magnetfelds optimiert werden. Der SAF kann auf out-of-plane Komponenten des externen Magnetfelds optimiert werden.According to some embodiments, the first magnetically free layer has an in-plane vortex magnetization under a vanishing external magnetic field, and the second magnetically free layer has a synthetic antiferromagnet (SAF) with an out-of-plane magnetization under a vanishing external magnetic field. The magnetically free layer with vortex magnetization can be optimized for in-plane components of an external magnetic field. The SAF can be optimized for out-of-plane components of the external magnetic field.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die erste magnetische Referenzschicht und/oder die zweite magnetische Referenzschicht jeweils eine Mehrzahl von ferromagnetischen und/oder antiferromagnetischen Schichten. Beispielsweise können die magnetischen Referenzschichten jeweils durch eine Verwendung von Austauschkopplung zwischen zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind, gebildet werden.According to some embodiments, the first magnetic reference layer and/or the second magnetic reference layer each comprise a plurality of ferromagnetic and/or antiferromagnetic layers. For example, the magnetic reference layers can each be formed using exchange coupling between two ferromagnetic layers separated by a non-magnetic layer.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetische Referenzschicht und der wenigstens einen magnetisch freien Schicht eine erste Isolatorschicht eingebettet und zwischen der zweiten magnetische Referenzschicht und der wenigstens einen magnetisch freien Schicht ist eine zweite Isolatorschicht eingebettet. Auf diese Art kann ein TMR Sensor gebildet werden. Beispiele für die Isolationsschicht sind MgO-, MgAlO- oder AlO-Schichten.According to some embodiments, a first insulator layer is embedded between the first magnetic reference layer and the at least one magnetically free layer, and a second insulator layer is embedded between the second magnetic reference layer and the at least one magnetically free layer. In this way, a TMR sensor can be formed. Examples of the insulating layer are MgO, MgAlO, or AlO layers.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht und der wenigstens einen magnetisch freien Schicht eine erste nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet und zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht und der wenigstens einen magnetisch freien Schicht ist eine zweite nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet. Auf diese Art kann ein GMR Sensor gebildet werden. Die elektrisch leitfähige Zwischenschicht kann zu Beispiel aus Cu, Cr oder Ag bestehen.According to some embodiments, a first non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the first magnetic reference layer and the at least one magnetically free layer, and a second non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the second magnetic reference layer and the at least one magnetically free layer. In this way, a GMR sensor can be formed. The electrically conductive intermediate layer can be made of Cu, Cr, or Ag, for example.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein magnetoresistiver Sensor mit einem ersten und einem zweiten magnetoresistiven Sensorelement vorgeschlagen. Das erste magnetoresistive Sensorelement umfasst eine erste magnetische Referenzschicht mit einer ersten Referenzmagnetisierung und eine zweite magnetische Referenzschicht mit einer zweiten Referenzmagnetisierung, wobei die erste und zweite Referenzmagnetisierung senkrecht zueinander sind. Zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht ist wenigstens eine erste magnetisch freie Schicht eingebettet. Das zweite magnetoresistive Sensorelement umfasst eine dritte magnetische Referenzschicht mit einer dritten Referenzmagnetisierung und eine vierte magnetische Referenzschicht mit einer vierten Referenzmagnetisierung, wobei die dritte Referenzmagnetisierung entgegengesetzt zur ersten Referenzmagnetisierung und senkrecht zur vierten Referenzmagnetisierung ist. Zwischen der dritten und der vierten magnetischen Referenzschicht ist wenigstens eine zweite magnetisch freie Schicht eingebettet. Ein derartiger magnetoresistiver Sensor oder eine Kombination mehrere solcher Sensoren kann eine 3D-Magnetfeldmessung ermöglichen.According to a further aspect, a magnetoresistive sensor with a first and a second magnetoresistive sensor element is proposed. The first magnetoresistive sensor element comprises a first magnetic reference layer with a first reference magnetization and a second magnetic reference layer with a second reference magnetization, wherein the first and second reference magnetizations are perpendicular to one another. At least one first magnetically free layer is embedded between the first and second magnetic reference layers. The second magnetoresistive sensor element comprises a third magnetic reference layer with a third reference magnetization and a fourth magnetic reference layer with a fourth reference magnetization, wherein the third reference magnetization is opposite to the first reference magnetization and perpendicular to the fourth reference magnetization. At least one second magnetically free layer is embedded between the third and fourth magnetic reference layers. Such a magnetoresistive sensor or a combination of several such sensors can enable 3D magnetic field measurement.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind die erste und dritte Referenzmagnetisierung jeweils in-plane Referenzmagnetisierungen und die zweite und vierte Referenzmagnetisierung sind jeweils out-of-plane Referenzmagnetisierungen. So kann der magnetoresistive Sensor in-plane (z.B. x, y) und out-of-plane (z.B. z) Magnetfeldkomponenten messen.According to some embodiments, the first and third reference magnetizations are each in-plane reference magnetizations, and the second and fourth reference magnetizations are each out-of-plane reference magnetizations. Thus, the magnetoresistive sensor can measure in-plane (e.g., x, y) and out-of-plane (e.g., z) magnetic field components.

Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind die erste und dritte Referenzmagnetisierung jeweils out-of-plane Referenzmagnetisierungen und die zweite und vierte Referenzmagnetisierung sind jeweils in-plane Referenzmagnetisierungen. So kann der magnetoresistive Sensor in-plane (z.B. x, y) und out-of-plane (z.B. z) Magnetfeldkomponenten messen.According to other embodiments, the first and third reference magnetizations are each out-of-plane reference magnetizations, and the second and fourth reference magnetizations are each in-plane reference magnetizations. Thus, the magnetoresistive sensor can measure in-plane (e.g., x, y) and out-of-plane (e.g., z) magnetic field components.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die erste magnetische Referenzschicht oberhalb der ersten magnetisch freien Schicht und die zweite magnetische Referenzschicht ist unterhalb der ersten magnetisch freien Schicht angeordnet. Die dritte magnetische Referenzschicht ist oberhalb der zweiten magnetisch freien Schicht und die vierte magnetische Referenzschicht ist unterhalb der zweiten magnetisch freien Schicht angeordnet.According to some embodiments, the first magnetic reference layer is arranged above the first magnetically free layer, and the second magnetic reference layer is arranged below the first magnetically free layer. The third magnetic reference layer is arranged above the second magnetically free layer, and the fourth magnetic reference layer is arranged below the second magnetically free layer.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst der magnetoresistive Sensor eine obere und eine untere magnetisch freie Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht eingebettet sind, und eine obere und eine untere magnetisch freie Schicht, die zwischen der dritten und der vierten magnetischen Referenzschicht eingebettet sind. Damit können jeweils für unterschiedliche Magnetfeldkomponenten optimierte magnetisch freie Schichten bereitgestellt werden.According to some embodiments, the magnetoresistive sensor comprises an upper and a lower magnetically free layer embedded between the first and the second magnetic reference layer, and an upper and a lower magnetically free layer embedded between the third and the fourth magnetic reference layer. Thus, optimal magnetic field components can be determined for each of the different magnetic field components. ized magnetically free layers are provided.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen den oberen und unteren magnetisch freien Schichten jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht angeordnet. Dadurch kann abhängig vom externen Magnetfeld Strom durch die jeweiligen Schichtstapel fließen.According to some embodiments, an electrically conductive layer is arranged between the upper and lower magnetically free layers. This allows current to flow through the respective layer stacks depending on the external magnetic field.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die erste/zweite magnetisch freie Schicht jeweils eine Vortex-Magnetisierung auf.According to some embodiments, the first/second magnetically free layer each has a vortex magnetization.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen die oberen magnetisch freien Schichten jeweils eine in-plane Vortex-Magnetisierung bei verschwindendem externen Magnetfeld auf. Der Vortex Kern kann eine Magnetisierung out-of-plane aufweisen. Die unteren magnetisch freien Schichten weisen jeweils einen synthetischen Antiferromagneten mit einer out-of-plane Magnetisierung bei verschwindendem externen Magnetfeld auf. Die magnetisch freien Schichten mit Vortex-Magnetisierung können auf in-plane Komponenten eines externen Magnetfelds optimiert werden. Die SAFs können auf out-of-plane Komponenten des externen Magnetfelds optimiert werden.According to some embodiments, the upper magnetically free layers each have an in-plane vortex magnetization in the presence of a vanishing external magnetic field. The vortex core can have an out-of-plane magnetization. The lower magnetically free layers each have a synthetic antiferromagnet with an out-of-plane magnetization in the presence of a vanishing external magnetic field. The magnetically free layers with vortex magnetization can be optimized for in-plane components of an external magnetic field. The SAFs can be optimized for out-of-plane components of the external magnetic field.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfassen die magnetischen Referenzschichten jeweils eine Mehrzahl von ferromagnetischen und/oder antiferromagnetischen Schichten. Insbesondere können die Referenzschichten Teil eines jeweiligen synthetischen Antiferromagneten (SAF) sein, der eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht umfasst, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Ein SAF kann als magnetische Referenzschicht des magnetoresistiven Sensors verwendet werden.According to some embodiments, the magnetic reference layers each comprise a plurality of ferromagnetic and/or antiferromagnetic layers. In particular, the reference layers can be part of a respective synthetic antiferromagnet (SAF) comprising a first and a second ferromagnetic layer separated by a non-magnetic layer. An SAF can be used as the magnetic reference layer of the magnetoresistive sensor.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht und der ersten magnetisch freien Schicht eine erste Isolatorschicht eingebettet. Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht und der zweiten magnetisch freien Schicht eine dritte Isolatorschicht eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht und der ersten magnetisch freien Schicht ist eine zweite Isolatorschicht eingebettet. Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht und der zweiten magnetisch freien Schicht ist eine vierte Isolatorschicht eingebettet ist. Auf diese Art kann ein TMR Sensor gebildet werden.According to some embodiments, a first insulator layer is embedded between the first magnetic reference layer and the first magnetically free layer. A third insulator layer is embedded between the third magnetic reference layer and the second magnetically free layer. A second insulator layer is embedded between the second magnetic reference layer and the first magnetically free layer. A fourth insulator layer is embedded between the fourth magnetic reference layer and the second magnetically free layer. In this way, a TMR sensor can be formed.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht und der ersten magnetisch freien Schicht eine erste nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet. Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht und der zweiten magnetisch freien Schicht eine dritte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht und der magnetisch freien Schicht ist eine zweite nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet. Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht und der magnetisch freien Schicht ist eine vierte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet. Auf diese Art kann ein GMR Sensor gebildet werden.According to some embodiments, a first non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the first magnetic reference layer and the first magnetically free layer. A third non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the third magnetic reference layer and the second magnetically free layer. A second non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the second magnetic reference layer and the magnetically free layer. A fourth non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the fourth magnetic reference layer and the magnetically free layer. In this way, a GMR sensor can be formed.

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst der magnetoresistive Sensor ferner eine Ausgabeschaltung, die ausgebildet ist, für eine erste Magnetfeldkomponente (z.B. in-plane) eines gemessenen externen Magnetfelds ein Signal proportional zu einer Differenz der elektrischen Widerstände der ersten und zweiten magnetoresistiven Sensorelemente auszugeben, und für eine zweite Magnetfeldkomponente (z.B. out-of-plane) des externen Magnetfelds ein Signal proportional zu einer Summe der elektrischen Widerstände der ersten und zweiten magnetoresistiven Sensorelemente auszugeben.According to some embodiments, the magnetoresistive sensor further comprises an output circuit configured to output a signal proportional to a difference in the electrical resistances of the first and second magnetoresistive sensor elements for a first magnetic field component (e.g., in-plane) of a measured external magnetic field, and to output a signal proportional to a sum of the electrical resistances of the first and second magnetoresistive sensor elements for a second magnetic field component (e.g., out-of-plane) of the external magnetic field.

In anderen Ausprägungen ist ein Signal proportional zu einer Differenz der elektrischen Widerstände proportional zu einer out-of-plane Magnetfeldkomponente und die Summe der elektrischen Widerstände proportional zu einer in-plane Magnetfeldkomponente.In other forms, a signal is proportional to a difference of the electrical resistances proportional to an out-of-plane magnetic field component and the sum of the electrical resistances proportional to an in-plane magnetic field component.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt wird ein magnetoresistiver Sensor mit einem ersten und einem zweiten magnetoresistiven Sensorelement vorgeschlagen. Das erste magnetoresistive Sensorelement umfasst eine erste magnetische Referenzschicht und eine erste magnetisch freie Schicht. Das zweite magnetoresistive Sensorelement umfasst eine zweite magnetische Referenzschicht und eine zweite magnetisch freie Schicht. Die erste Referenzmagnetisierung zeigt in einem ersten Winkel aus der Ebene heraus. Der erste Winkel kann beispielsweise in einem Bereich von 20° bis 70° liegen, vorzugsweise bei 45°. Die zweite Referenzmagnetisierung zeigt in einem zweiten Winkel aus der Ebene heraus. Der zweite Winkel kann beispielsweise in einem Bereich von 20°+90° bis 70°+90° liegen, vorzugsweise bei 135°.According to yet another aspect, a magnetoresistive sensor having a first and a second magnetoresistive sensor element is proposed. The first magnetoresistive sensor element comprises a first magnetic reference layer and a first magnetically free layer. The second magnetoresistive sensor element comprises a second magnetic reference layer and a second magnetically free layer. The first reference magnetization points out of the plane at a first angle. The first angle can, for example, be in a range from 20° to 70°, preferably 45°. The second reference magnetization points out of the plane at a second angle. The second angle can, for example, be in a range from 20°+90° to 70°+90°, preferably 135°.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen 3D-Magnetfeldsensoren mit verbesserter SNR-Leistung auf allen drei Kanälen, die zudem auf einem einzigen Chip integrierbar sind.Embodiments of the present disclosure enable 3D magnetic field sensors with improved SNR performance on all three channels, which can also be integrated on a single chip.

FigurenkurzbeschreibungShort character description

Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 einen magnetoresistiven Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Wheatstone Brückenkonfiguration eines magnetoresistiven Sensors;
3A eine Transferkurve einer Vortex-Scheibe und -Rings mit einem Durchmesser von 500 nm und einer Dicke von 60 nm. Js =1,0 T, A = 12 pJ/m;
3B eine Unempfindlichkeit einer senkrechten Vortex-Transferkurve gegenüber Feldern in der Ebene;
4 eine Optimierung der Vortex-Transferkurve mit senkrechter Anisotropie, die Vortex-Scheibe hat einen Durchmesser von 1000 nm und eine Dicke von 60 nm. Js =1,75 T, A = 15 pJ/m. Die senkrechte Anisotropie mit K₁ hat eine leichte Achse in der senkrechten Richtung;
5 einen magnetoresistiven Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
6 einen Vergleich von Vortex- und SAF-Transferkurven, ein SAF besteht aus zwei antiparallel gekoppelten ferromagnetischen Schichten mit lateralen Abmessungen von 500 nm x 500 nm x 4 nm. Die RKKY-Kopplung J_RKKY = -0,5 mJ/m². Js = 1,0 T, A = 10 pJ/m. Jede Schicht hat eine senkrechte Anisotropie mit K₁ = 0,28 MJ/m³; und
7 einen magnetoresistiven Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Some examples of devices and/or methods are described below with reference to The enclosed figures are merely examples of how to explain this in more detail. They show:

1 a magnetoresistive sensor according to a first embodiment of the present disclosure;
2 a Wheatstone bridge configuration of a magnetoresistive sensor;
3A a transfer curve of a vortex disk and ring with a diameter of 500 nm and a thickness of 60 nm. Js = 1.0 T, A = 12 pJ/m;
3B an insensitivity of a vertical vortex transfer curve to in-plane fields;
4 An optimization of the vortex transfer curve with perpendicular anisotropy. The vortex disk has a diameter of 1000 nm and a thickness of 60 nm. Js = 1.75 T, A = 15 pJ/m. The perpendicular anisotropy with K ₁ has an easy axis in the perpendicular direction;
5 a magnetoresistive sensor according to a second embodiment of the present disclosure;
6 a comparison of vortex and SAF transfer curves. An SAF consists of two antiparallel coupled ferromagnetic layers with lateral dimensions of 500 nm x 500 nm x 4 nm. The RKKY coupling is J _RKKY = -0.5 mJ/m ² . Js = 1.0 T, A = 10 pJ/m. Each layer has a perpendicular anisotropy with K ₁ = 0.28 MJ/m ³ ; and
7 a magnetoresistive sensor according to a third embodiment of the present disclosure.

BeschreibungDescription

Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.Some examples will now be described in more detail with reference to the accompanying figures. However, other possible examples are not limited to the features of these detailed embodiments. These may include modifications of the features, as well as equivalents and alternatives to the features. Furthermore, the terminology used herein to describe specific examples is not intended to be limiting of other possible examples.

Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.Throughout the description of the figures, identical or similar reference numerals refer to identical or similar elements or features, which may be implemented identically or in a modified form while providing the same or a similar function. Furthermore, the thickness of lines, layers, and/or regions in the figures may be exaggerated for clarity.

Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen. When two elements A and B are combined using "or," this is to be understood as disclosing all possible combinations, i.e., only A, only B, and both A and B, unless explicitly defined otherwise in the individual case. Alternative wording for the same combinations may be "at least one of A and B" or "A and/or B." This applies equivalently to combinations of more than two elements.

Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.When a singular form, such as "a," "an," and "the," is used, and the use of a single element is neither explicitly nor implicitly defined as mandatory, further examples may use multiple elements to implement the same functionality. Where a functionality is described below as being implemented using multiple elements, further examples may implement the same functionality using a single element or a single processing entity. It is further understood that the terms "comprises," "comprising," "having," and/or "comprising," when used herein, describe the presence of the specified features, integers, steps, operations, processes, elements, components, and/or a group thereof, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, processes, elements, components, and/or a group thereof.

Die 1 zeigt einen magnetoresistiven (MR) Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.The 1 shows a magnetoresistive (MR) sensor 100 according to an embodiment of the present disclosure.

Der MR Sensor 100 weist ein erstes MR Sensorelement 110-1 und ein zweites MR Sensorelement 110-2 auf. Ein MR Sensorelement 110 bezieht sich auf die kleinste, individuell adressierbare Einheit innerhalb des MR Sensors 100, die in der Lage ist, eine Veränderung eines externen magnetischen Feldes zu detektieren und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Jedes Sensorelement basiert auf einem magnetoresistiven Effekt, der eine Änderung des elektrischen Widerstands des Materials in Anwesenheit eines Magnetfeldes beschreibt. Die spezifische Funktionsweise eines Sensorelements hängt vom Typ des magnetoresistiven Effekts ab, der genutzt wird (GMR, TMR usw.).The MR sensor 100 includes a first MR sensor element 110-1 and a second MR sensor element 110-2. An MR sensor element 110 refers to the smallest, individually addressable unit within the MR sensor 100 capable of detecting a change in an external magnetic field and converting it into an electrical signal. Each sensor element is based on a magnetoresistive effect, which describes a change in the electrical resistance of the material in the presence of a magnetic field. The specific functionality of a sensor element depends on the type of magnetoresistive effect used (GMR, TMR, etc.).

Die beiden MR Sensorelemente 110-1, 110-2 sind lateral benachbart zueinander angeordnet, z.B. auf einem gemeinsamen (Halbleiter-)Substrat innerhalb eines Chips. Je nach Anwendung können auch mehr oder weniger als zwei MR Sensorelemente 110 vorgesehen sein. Die MR Elemente 110 weisen Materialien auf, deren elektrischer Widerstand sich in Anwesenheit eines externen Magnetfelds ändert. Diese Eigenschaft kann in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, von Magnetfeldsensoren bis hin zu Speichergeräten. Ein charakteristischer Effekt von MR Elementen ist die Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund einer Ausrichtung von Spin-Zuständen von Elektronen unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds. Je nach Material und Struktur können verschiedene magnetoresistive Effekte genutzt werden, einschließlich anisotroper Magnetoresistenz (AMR), Riesenmagnetoresistenz (GMR), Tunnelmagnetoresistenz (TMR) und kolossaler Magnetoresistenz (CMR). Im Folgenden werden insbesondere GMR- und TMR-Sensorelemente betrachtet.The two MR sensor elements 110-1, 110-2 are arranged laterally adjacent to each other, e.g., on a common (semiconductor) substrate within a chip. Depending on the application, more or fewer than two MR sensor elements 110 The MR elements 110 comprise materials whose electrical resistance changes in the presence of an external magnetic field. This property can be used in a wide variety of applications, from magnetic field sensors to memory devices. A characteristic effect of MR elements is the change in electrical resistance due to an alignment of spin states of electrons under the influence of an external magnetic field. Depending on the material and structure, various magnetoresistive effects can be utilized, including anisotropic magnetoresistance (AMR), giant magnetoresistance (GMR), tunneling magnetoresistance (TMR), and colossal magnetoresistance (CMR). GMR and TMR sensor elements are considered in particular below.

Das erste MR Sensorelement 110-1 umfasst einen magnetoresistiven Schichtstapel, der eine erste magnetische Referenzschicht 116-1 mit einer ersten Referenzmagnetisierung, eine zweite magnetische Referenzschicht 116-2 mit einer zweiten Referenzmagnetisierung und eine zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-1, 116-2 eingebetteten ersten magnetisch freien Schicht 118-1 umfasst. Ein magnetoresistiver Schichtstapel bezeichnet eine Anordnung von dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien, die genutzt wird, um die magnetoresistiven Effekte (wie z.B. GMR oder TMR) zu erzeugen. GMR-Schichtstapel können aus wechselnden Schichten von ferromagnetischen und nichtmagnetischen Metallen bestehen. Die Änderung des Widerstandes tritt auf, weil die relative Ausrichtung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten durch ein externes Magnetfeld beeinflusst werden kann, was die Elektronenstreuung an den Grenzflächen zwischen den Schichten verändert. TMR-Schichtstapel können eine dünne Isolierschicht (Barriereschicht), die von zwei ferromagnetischen Schichten flankiert wird enthalten. Elektronen können diese Barriere durch den quantenmechanischen Tunneleffekt überwinden. Die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln und damit der elektrische Widerstand des Stapels hängt von der relativen magnetischen Ausrichtung der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Die Schichtstapel können mittels verschiedener Dünnfilmtechnologien hergestellt werden, wie zum Beispiel der Sputterdeposition oder der Atomlagenabscheidung (ALD), wodurch dünne Schichten mit präzise kontrollierter Dicke und Zusammensetzung erzeugt werden können.The first MR sensor element 110-1 comprises a magnetoresistive layer stack comprising a first magnetic reference layer 116-1 with a first reference magnetization, a second magnetic reference layer 116-2 with a second reference magnetization, and a first magnetically free layer 118-1 embedded between the first and second magnetic reference layers 116-1, 116-2. A magnetoresistive layer stack refers to an arrangement of thin layers of different materials used to generate magnetoresistive effects (such as GMR or TMR). GMR layer stacks can consist of alternating layers of ferromagnetic and non-magnetic metals. The change in resistance occurs because the relative orientation of the magnetization in the ferromagnetic layers can be influenced by an external magnetic field, which alters the electron scattering at the interfaces between the layers. TMR layer stacks can contain a thin insulating layer (barrier layer) flanked by two ferromagnetic layers. Electrons can overcome this barrier through the quantum mechanical tunneling effect. The probability of tunneling, and thus the electrical resistance of the stack, depends on the relative magnetic alignment of the two ferromagnetic layers. The layer stacks can be fabricated using various thin-film technologies, such as sputter deposition or atomic layer deposition (ALD), which allow for the creation of thin layers with precisely controlled thickness and composition.

Die bei dem ersten MR Sensorelement 110-1 oberhalb der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 angeordnete erste magnetische Referenzschicht 116-1 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann (sie behält ihre magnetische Ausrichtung bei äußeren Magnetfeldern bei). In anderen Ausprägungen wird die erste magnetische Referenzschicht 116-1 mit Hilfe von einem Antiferromagneten mit Hilfe von „Exchange Bias“ stabilisiert. Die Blocking Temperatur dieser ersten Referenzschicht ist T₁.The first magnetic reference layer 116-1 arranged above the first magnetically free layer 118-1 in the first MR sensor element 110-1 can comprise a ferromagnetic layer that can have a high coercive field strength (it maintains its magnetic alignment in external magnetic fields). In other embodiments, the first magnetic reference layer 116-1 is stabilized with an antiferromagnet using "exchange bias." The blocking temperature of this first reference layer is T ₁ .

Die erste magnetische Referenzschicht 116-1 kann als erste magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 verglichen wird. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird für die erste magnetische Referenzschicht 116-1 eine synthetische Antiferromagnetstruktur (SAF) verwendet. SAFs können aus zwei (oder mehr) ferromagnetischen Schichten 112, 114 bestehen, die durch eine nichtmagnetische Kopplungsschicht (z.B. Ruthenium, Ru) getrennt sind. Es können auch andere 3d-, 4d- und 5d-Übergangsmetalle wie V, Nb, Mo, Ta, W, Re und Ir verwendet werden). Die Kopplungsschicht (nicht gezeigt) bewirkt eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten 112, 114. Diese Anordnung kann die Stabilität der magnetischen Ausrichtung der Referenzschicht 116-1 erhöhen.The first magnetic reference layer 116-1 can serve as the first magnetic reference layer with which the orientation of the first magnetically free layer 118-1 is compared. In the 1 In the example shown, a synthetic antiferromagnetic structure (SAF) is used for the first magnetic reference layer 116-1. SAFs can consist of two (or more) ferromagnetic layers 112, 114 separated by a non-magnetic coupling layer (e.g., ruthenium, Ru). Other 3d, 4d, and 5d transition metals such as V, Nb, Mo, Ta, W, Re, and Ir can also be used. The coupling layer (not shown) effects antiferromagnetic coupling between the ferromagnetic layers 112, 114. This arrangement can increase the stability of the magnetic alignment of the reference layer 116-1.

Im gezeigten Beispiel ist die erste Referenzmagnetisierung der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 eine in-plane Magnetisierung (z.B. in +x-Richtung). Es versteht sich, dass die erste Referenzmagnetisierung auch in eine andere Richtung in der (Schicht-)Ebene weisen könnte (z.B. +y-Richtung).In the example shown, the first reference magnetization of the first magnetic reference layer 116-1 is an in-plane magnetization (e.g., in the +x direction). It is understood that the first reference magnetization could also point in a different direction in the (layer) plane (e.g., +y direction).

Die bei dem ersten MR Sensorelement 110-1 unterhalb der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 angeordnete zweite magnetische Referenzschicht 116-2 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Die zweite magnetische Referenzschicht 116-2 kann als zweite magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 verglichen wird. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird für die zweite magnetische Referenzschicht 116-2 ebenfalls eine SAF-Struktur verwendet. Zusätzlich kann die Magnetisierungsausrichtung des SAF durch eine benachbarte Schicht aus einem Antiferromagnet (z.B. PtMn, IrMn) über den Exchange Bias Effekt stabilisiert. Die Blocking Temperatur dieser zweiten Referenzschicht kann T₂ sein. Die Blocking Temperaturen T₁ und T₂ können gleich, aber auch unterschiedlich sein. In manchen Ausprägungen ist T₁ > T₂. In anderen Ausprägungen ist T₁ < T₂.The second magnetic reference layer 116-2 arranged below the first magnetically free layer 118-1 in the first MR sensor element 110-1 may comprise a ferromagnetic layer that may have a high coercive field strength. The second magnetic reference layer 116-2 may serve as a second magnetic reference layer with which the orientation of the first magnetically free layer 118-1 is compared. In the 1 In the example shown, a SAF structure is also used for the second magnetic reference layer 116-2. In addition, the magnetization orientation of the SAF can be stabilized by an adjacent layer of an antiferromagnet (e.g., PtMn, IrMn) via the exchange bias effect. The blocking temperature of this second reference layer can be T ₂ . The blocking temperatures T ₁ and T ₂ can be the same, but can also be different. In some cases, T ₁ > T ₂ . In other cases, T ₁ < T ₂ .

Im gezeigten Beispiel ist die zweite Referenzmagnetisierung der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 eine out-of-plane Magnetisierung (z.B. in +z-Richtung). Für eine Realisierung einer out-of-plane Referenzmagnetisierung können Materialien und Strukturen verwendet werden, die eine starke Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) aufweisen. PMA ist eine Form magnetischer Anisotropie, bei der die energetisch bevorzugte Richtung der Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene liegt. Dies kann durch eine Auswahl geeigneter Materialien für die ferromagnetischen Schichten und die angrenzenden Schichten erreicht werden, wie bestimmte Legierungen oder Verbindungen, die mit speziellen Dünnfilmabscheidungstechniken aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Co/Pt-Schichtstapeln in MR-Sensoren erreicht werden.In the example shown, the second reference magnetization of the second magnetic reference layer 116-2 is an out-of-plane magnetization (e.g., in the +z direction). To realize an out-of-plane reference magnetization, materials and structures can be used that allow exhibit strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA). PMA is a form of magnetic anisotropy in which the energetically preferred direction of magnetization is perpendicular to the layer plane. This can be achieved by selecting suitable materials for the ferromagnetic layers and the adjacent layers, such as certain alloys or compounds applied using special thin-film deposition techniques. This can be achieved, for example, by using Co/Pt layer stacks in MR sensors.

Die erste magnetisch freie Schicht 118-1 kann eine erste ferromagnetische Schicht aufweisen, die mit niedriger Koerzitivfeldstärke (leicht magnetisierbar und entmagnetisierbar) ausgeführt sein kann. Die erste ferromagnetische Schicht kann als erste magnetisch freie Schicht 118-1 des MR Sensors 100 dienen. Beispielmaterialien für die magnetisch freie Schicht 118-1 sind NiFe (Nickel-Eisen, auch als Permalloy bekannt), CoFe (Kobalt-Eisen) oder CoFeB (Kobalt-Eisen-Bor). Bei der magnetisch freien Schicht 118-1 kann es sich um einen Ferromagneten handeln, der bei einem externen Magnetfeld von Null einen in der Ebene geschlossenen Flusszustand (Vortex bzw. Wirbel) bildet. In anderen Ausführungsformen kann sich die erste magnetisch freie Schicht 118-1 in einem quasi homogenen Zustand der Magnetisierung in der Ebene bei externem Magnetfeld von Null befinden. In anderen Ausführungsformen kann die erste magnetisch freie Schicht 118-1 auch einen SAF aufweisen.The first magnetically free layer 118-1 can comprise a first ferromagnetic layer, which can be configured with a low coercive field strength (easily magnetizable and demagnetizable). The first ferromagnetic layer can serve as the first magnetically free layer 118-1 of the MR sensor 100. Example materials for the magnetically free layer 118-1 are NiFe (nickel-iron, also known as permalloy), CoFe (cobalt-iron), or CoFeB (cobalt-iron-boron). The magnetically free layer 118-1 can be a ferromagnet that forms a closed-plane flux state (vortex) at an external magnetic field of zero. In other embodiments, the first magnetically free layer 118-1 can be in a quasi-homogeneous state of in-plane magnetization at an external magnetic field of zero. In other embodiments, the first magnetically free layer 118-1 may also include a SAF.

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des ersten MR Sensorelements 110-1 sind Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das erste MR Sensorelement 110-1 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₁.Electrodes and terminals 120 are arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the first MR sensor element 110-1. The first MR sensor element 110-1 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₁ .

Das zweite MR Sensorelement 110-2 ist ähnlich zum ersten MR Sensorelement 110-1 und umfasst einen Schichtstapel, der eine dritte magnetische Referenzschicht 116-2 mit einer dritten Referenzmagnetisierung, eine vierte magnetische Referenzschicht 116-4 mit einer vierten Referenzmagnetisierung und eine zwischen der dritten und der vierten magnetischen Referenzschicht 116-3, 116-4 eingebettete zweite magnetisch freie Schicht 118-2 umfasst.The second MR sensor element 110-2 is similar to the first MR sensor element 110-1 and comprises a layer stack comprising a third magnetic reference layer 116-2 having a third reference magnetization, a fourth magnetic reference layer 116-4 having a fourth reference magnetization, and a second magnetically free layer 118-2 embedded between the third and fourth magnetic reference layers 116-3, 116-4.

Die bei dem zweiten MR Sensorelement 110-2 oberhalb der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 angeordnete dritte magnetische Referenzschicht 116-3 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Die dritte magnetische Referenzschicht 116-3 kann als erste magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 verglichen wird. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird für die dritte magnetische Referenzschicht 116-3 eine SAF-Struktur verwendet. Zusätzlich kann die Magnetisierungsausrichtung des SAF durch eine benachbarte Schicht aus einem Antiferromagnet (z.B. PtMn, IrMn) über den Exchange Bias Effekt stabilisiert werden.The third magnetic reference layer 116-3 arranged above the second magnetically free layer 118-2 in the second MR sensor element 110-2 may comprise a ferromagnetic layer that may have a high coercive field strength. The third magnetic reference layer 116-3 may serve as a first magnetic reference layer with which the orientation of the second magnetically free layer 118-2 is compared. In the 1 In the example shown, a SAF structure is used for the third magnetic reference layer 116-3. Additionally, the magnetization orientation of the SAF can be stabilized by an adjacent layer of an antiferromagnet (e.g., PtMn, IrMn) via the exchange bias effect.

Im gezeigten Beispiel ist die dritte Referenzmagnetisierung der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 eine in-plane Magnetisierung entgegengesetzt (z.B. in -x-Richtung) zur ersten Referenzmagnetisierung der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1. Es versteht sich, dass die dritte Referenzmagnetisierung auch in eine andere Richtung in der Ebene weisen könnte (z.B. -y-Richtung).In the example shown, the third reference magnetization of the third magnetic reference layer 116-3 is an in-plane magnetization opposite (e.g., in the -x direction) to the first reference magnetization of the first magnetic reference layer 116-1. It is understood that the third reference magnetization could also point in a different in-plane direction (e.g., -y direction).

Die bei dem zweiten MR Sensorelement 110-2 unterhalb der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 angeordnete vierte magnetische Referenzschicht 116-4 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Die vierte magnetische Referenzschicht 116-4 kann als zweite magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 verglichen wird. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird für die vierte magnetische Referenzschicht 116-4 ebenfalls eine SAF-Struktur verwendet.The fourth magnetic reference layer 116-4 arranged below the second magnetically free layer 118-2 in the second MR sensor element 110-2 may comprise a ferromagnetic layer that may have a high coercive field strength. The fourth magnetic reference layer 116-4 may serve as a second magnetic reference layer with which the orientation of the second magnetically free layer 118-2 is compared. In the 1 In the example shown, a SAF structure is also used for the fourth magnetic reference layer 116-4.

Im gezeigten Beispiel ist die vierte Referenzmagnetisierung der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 eine out-of-plane Magnetisierung (z.B. in +z-Richtung) ein gleicher Richtung wie die zweite Referenzmagnetisierung der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2.In the example shown, the fourth reference magnetization of the fourth magnetic reference layer 116-4 is an out-of-plane magnetization (e.g., in the +z direction) in the same direction as the second reference magnetization of the second magnetic reference layer 116-2.

Die zweite magnetisch freie Schicht 118-2 kann eine zweite ferromagnetische Schicht aufweisen, die mit niedriger Koerzitivfeldstärke (leicht magnetisierbar und entmagnetisierbar) ausgeführt sein kann. Die zweite ferromagnetische Schicht kann als zweite magnetisch freie Schicht 118-2 des MR Sensors 100 dienen und im Wesentlich identisch zur ersten magnetisch freien Schicht 118-1 ausgebildet sein.The second magnetically free layer 118-2 may include a second ferromagnetic layer, which may be configured with a low coercive field strength (easily magnetizable and demagnetizable). The second ferromagnetic layer may serve as the second magnetically free layer 118-2 of the MR sensor 100 and may be configured substantially identically to the first magnetically free layer 118-1.

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des zweiten MR Sensorelements 110-2 sind ebenfalls Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das zweite MR Sensorelement 110-2 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₂.Electrodes and terminals 120 are also arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the second MR sensor element 110-2. The second MR sensor element 110-2 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₂ .

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 eine erste Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 ist eine zweite Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 ist eine dritte Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 ist eine vierte Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Auf diese Art kann ein TMR Sensor gebildet werden. Die Isolatorschichten sind dünn genug ausgebildet, um den quantenmechanischen Tunnel-Effekt zu ermöglichen. Die Isolatorschichten werden auch als Tunnelbarriere bezeichnet. Materialien für die Tunnelbarriere können zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) sein.According to some embodiments, a first insulator layer (not shown) is embedded between the first magnetic reference layer 116-1 and the first magnetically free layer 118-1. Between the second magnetic reference layer 116-2 and the first magnetically free A second insulator layer (not shown) is embedded in layer 118-1. A third insulator layer (not shown) is embedded between the third magnetic reference layer 116-3 and the second magnetically free layer 118-2. A fourth insulator layer (not shown) is embedded between the fourth magnetic reference layer 116-4 and the second magnetically free layer 118-2. In this way, a TMR sensor can be formed. The insulator layers are thin enough to enable the quantum mechanical tunneling effect. The insulator layers are also referred to as a tunnel barrier. Materials for the tunnel barrier can be, for example, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) or magnesium oxide (MgO).

Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 eine erste nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-1 ist eine zweite nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 ist eine dritte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-2 ist eine vierte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Auf diese Art kann ein GMR Sensor gebildet werden. Die jeweiligen nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen Schichten können aus einem nichtmagnetischen Metall oder einer Legierung bestehen. Diese Schichten ermöglichen die Riesenmagnetoresistenz, indem sie als Leiter für die Elektronen dient, deren Spin durch die angrenzenden magnetischen Schichten beeinflusst wird. Beispielmaterialien für die nichtmagnetische Zwischenschicht in GMR-Sensoren sind Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Aluminium (Al), oder Legierungen.According to other embodiments, a first non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the first magnetic reference layer 116-1 and the first magnetically free layer 118-1. A second non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the second magnetic reference layer 116-2 and the first magnetically free layer 118-1. A third non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the third magnetic reference layer 116-3 and the second magnetically free layer 118-2. A fourth non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the fourth magnetic reference layer 116-4 and the second magnetically free layer 118-2. In this way, a GMR sensor can be formed. The respective non-magnetic, electrically conductive layers can be made of a non-magnetic metal or an alloy. These layers enable giant magnetoresistance by acting as conductors for electrons whose spin is influenced by the adjacent magnetic layers. Examples of materials for the non-magnetic interlayer in GMR sensors include copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), or alloys.

Jedes MR Sensorelement 110 des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels enthält mindestens eine ferromagnetische freie Schicht 118. Diese ferromagnetische freie Schicht 118 ist jeweils zwischen zwei magnetischen Referenzsystemen 116 mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen eingebettet. In einigen Ausführungsformen enthält eines der Referenzsysteme 116-2 bzw. 116-4 eine senkrechte Magnetisierung (out-of-plane) und das andere Referenzsystem 116-1 bzw. 116-3 eine Magnetisierung in der Ebene (in-plane). Das obere Referenzsystem 116-1 bzw. 116-3 kann also eine Magnetisierung in der Ebene und das untere Referenzsystem 116-2 bzw. 116-4 eine Magnetisierung außerhalb der Ebene aufweisen. Die Referenzsysteme 116 können jeweils zwei antiparallel gekoppelten Schichten 112, 114 aufweisen, z. B. antiparallel gekoppelt aufgrund der RKKY-Wechselwirkung. Die Stabilität kann durch Kopplung mit einem Antiferromagneten erhöht werden. Verschiedene Magnetisierungsrichtungen eines SAF Systems können beispielsweise durch Laserglühen unter Einwirkung eines externen Magnetfelds realisiert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass in dem in-plane Referenzsystem 116-1 die oberste Schicht in die +x-Richtung und in dem benachbarten in-plane Referenzsystem 116-3 die oberste Schicht in die -x-Richtung zeigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Magnetisierung der in-plane Referenzsystem 116-1 und 116-3 in die +y- und -y-Richtung zeigen.Each MR sensor element 110 of the 1 The embodiment shown contains at least one ferromagnetic free layer 118. This ferromagnetic free layer 118 is embedded between two magnetic reference systems 116 with different magnetization directions. In some embodiments, one of the reference systems 116-2 or 116-4 contains perpendicular magnetization (out-of-plane) and the other reference system 116-1 or 116-3 contains in-plane magnetization. The upper reference system 116-1 or 116-3 can therefore have in-plane magnetization and the lower reference system 116-2 or 116-4 can have out-of-plane magnetization. The reference systems 116 can each have two antiparallel coupled layers 112, 114, e.g., antiparallel coupled due to the RKKY interaction. Stability can be increased by coupling with an antiferromagnet. Different magnetization directions of a SAF system can be realized, for example, by laser annealing under the influence of an external magnetic field. For example, it is possible for the topmost layer in the in-plane reference system 116-1 to point in the +x direction, while in the adjacent in-plane reference system 116-3, the topmost layer can point in the -x direction. In other embodiments, the magnetization of the in-plane reference systems 116-1 and 116-3 can point in the +y and -y directions.

Die senkrechten Referenzsysteme 116-2 und 116-4 können jeweils synthetische antiferromagnetische senkrecht magnetisierte Schichten umfassen. Beispiele sind Multischichten wie Co/Pt- oder Co/Pd-Multischichten. Diese Mehrfachschichten können über RKKY-Kopplungsschichten wie eine Ru-Schicht antiparallel gekoppelt werden. Es könnten auch mehrere RKKY-Schichten verwendet werden.The perpendicular reference systems 116-2 and 116-4 can each comprise synthetic antiferromagnetic perpendicularly magnetized layers. Examples include multilayers such as Co/Pt or Co/Pd multilayers. These multilayers can be coupled antiparallel via RKKY coupling layers such as a Ru layer. Multiple RKKY layers could also be used.

Aufgrund der beiden magnetischen in-plane Referenzschichten 116-1, 116-3 mit entgegengesetzter Referenzmagnetisierung haben die beiden MR-Elemente 110-1, 110-2 in Bezug auf externer Magnetfeldkomponenten in x-Richtung (B_x) invertierte Übertragungskurven. Für die magnetisch freien Schichten 118-1, 118-2 kann zum Beispiel jeweils eine Vortex-Magnetisierung verwendet werden. Es können aber auch andere, dem Stand der Technik entsprechende magnetisch freie Schichten verwendet werden.Due to the two magnetic in-plane reference layers 116-1, 116-3 with opposite reference magnetization, the two MR elements 110-1, 110-2 have inverted transfer curves with respect to external magnetic field components in the x-direction (B _x ). For the magnetically free layers 118-1, 118-2, for example, a vortex magnetization can be used. However, other magnetically free layers corresponding to the state of the art can also be used.

Das Signal für B_x-Felder kann also durch eine Differenz der Widerstände R₁ und R₂ der beiden MR-Elemente 110-1, 110-2 ${Signal}_{x} = R_{1} - R_{2}$
ermittelt werden. Eine zusätzliche Magnetfeldkomponente in z-Richtung (B_z), also außerhalb der Ebene, verändert die Widerstände R₁ und R₂ der beiden MR-Elemente 110-1, 110-2 auf die gleiche Weise und führt nur zu einer Verschiebung der beiden Widerstände R₁ und R₂. Die Differenz R₁ - R₂ bleibt also unverändert. Das Signal_x wird also durch out-of-plane-Felder nicht verändert.The signal for B _x fields can therefore be determined by a difference between the resistances R ₁ and R ₂ of the two MR elements 110-1, 110-2 ${Signal}_{x} = R_{1} - R_{2}$
can be determined. An additional magnetic field component in the z-direction (B _z ), i.e., out-of-plane, changes the resistances R ₁ and R ₂ of the two MR elements 110-1, 110-2 in the same way and only leads to a shift in the two resistances R ₁ and R ₂ . The difference R ₁ - R ₂ therefore remains unchanged. The signal _x is therefore not changed by out-of-plane fields.

Andererseits können Magnetfeldkomponenten in z-Richtung (B_z) durch Addition der beiden Widerstände R₁ und R₂ ermittelt werden: ${Signal}_{z} = R_{1} + R_{2}$ On the other hand, magnetic field components in the z-direction (B _z ) can be determined by adding the two resistances R ₁ and R ₂ : ${Signal}_{z} = R_{1} + R_{2}$

Ein zusätzliche Magnetfeldkomponente in x- oder y-Richtung (B_x, B_y), also innerhalb der Ebene, erhöht den einen Widerstand R₁ und verringert den anderen R₂ (oder umgekehrt). Daher bleibt die Summe der beiden Widerstände R₁ und R₂ in Bezug auf das in-Plane-Feld unverändert.An additional magnetic field component in the x- or y-direction (B _x , B _y ), i.e., within the plane, increases one resistance R ₁ and decreases the other R ₂ (or vice versa). Therefore, the sum of the two resistances R ₁ and R ₂ remains unchanged with respect to the in-plane field.

Der MR Sensor 100 kann ferner eine mit den MR-Elementen 110-1, 110-2 gekoppelte Ausgabeschaltung 130 umfassen, die ausgebildet ist, für eine x-Komponente (oder y-Komponente) eines gemessenen externen Magnetfelds ein Signal Signal_x (oder Signal_y) proportional zu einer Differenz der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 110-1, 110-2 auszugeben, und für eine z-Komponente des externen Magnetfelds ein Signal Signal_z proportional zu einer Summe der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 110-1, 110-2 auszugeben.The MR sensor 100 may further comprise an output circuit 130 coupled to the MR elements 110-1, 110-2, which is configured to output a signal Signal _x (or Signal _y ) proportional to a difference between the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 110-1, 110-2 for an x-component (or y-component) of a measured external magnetic field, and to output a signal Signal _z proportional to a sum of the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 110-1, 110-2 for a z-component of the external magnetic field.

Mit den beiden gezeigten MR-Elementen 110-1, 110-2 können also externe Magnetfelder in x-Richtung und in z-Richtung erfasst werden. Werden zusätzliche MR-Elemente mit in-plane Referenzsystemen in ±y-Richtung realisiert, können auch y-Felder erfasst werden. Somit können mit mehr als zwei MR-Elementen 110 (wie z.B. vier oder sechs), die mit demselben Magnetstapel realisiert werden können, alle drei Magnetfeldkomponenten (x, y, z) erfasst werden.With the two MR elements 110-1, 110-2 shown, external magnetic fields can be detected in the x-direction and the z-direction. If additional MR elements with in-plane reference systems are implemented in the ±y-direction, y-fields can also be detected. Thus, with more than two MR elements 110 (such as four or six), which can be implemented with the same magnet stack, all three magnetic field components (x, y, z) can be detected.

Das B_x-Feld kann beispielsweise auch in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration ausgelesen werden, wobei zwei Brückenwiderstände (in unterschiedlichen Brückenzweigen) den Widerstand R₁ und zwei Brückenwiderstände (in unterschiedlichen Brückenzweigen) den Widerstand R₂ haben können. Ein solche Wheatstone-Brücke ist schematisch in 2 gezeigt.The B _x field can also be read out in a Wheatstone bridge configuration, where two bridge resistors (in different bridge branches) can have the resistance R ₁ and two bridge resistors (in different bridge branches) can have the resistance R _2. Such a Wheatstone bridge is shown schematically in 2 shown.

Gemäß anderen Ausführungsformen kann auch ein MR Sensor 100 mit einem ersten MR Sensorelement 110-1 und einem zweiten MR Sensorelement 110-2 realisiert werden, wenn zwei out-of-plane Referenzsysteme 116-2, 116-4 mit antiparalleler Magnetisierung realisiert werden und die beiden in der Ebene liegenden Referenzsysteme 116-1, 116-3 die gleiche Referenzmagnetisierung aufweisen. Die out-of-plane Referenzsysteme 116-2, 116-4 können auch durch Oersted-Felder oder Spin-Orbit-Drehmomentströme benachbarter Schwermetallschichten umgekehrt werden.According to other embodiments, an MR sensor 100 with a first MR sensor element 110-1 and a second MR sensor element 110-2 can also be realized if two out-of-plane reference systems 116-2, 116-4 with antiparallel magnetization are implemented and the two in-plane reference systems 116-1, 116-3 have the same reference magnetization. The out-of-plane reference systems 116-2, 116-4 can also be reversed by Oersted fields or spin-orbit torque currents of adjacent heavy metal layers.

In 3A ist beispielhaft eine vortex-magnetisierte magnetisch freie Schicht 118 dargestellt, die empfindlich gegenüber externen out-of-plane Magnetfeldern ist. 3A zeigt eine Transferkurve 302 einer Vortex-Scheibe und eine Transferkurve 304 eines Vortex-Rings (ohne Vortex-Kern) mit jeweils einem Durchmesser von 500 nm und einer Dicke von 60 nm. Js =1,0 T, A = 12 pJ/m. Wie in 3A zu sehen ist, reagieren Vortex-Scheibe und Vortex-Ring grundsätzlich gleich auf ein orthogonales (Bz) Feld. Diese Änderung der Mz-Komponente kann durch das out-of-plane Referenzsystem 116-2 bzw. 116-4 erkannt werden. Die Vortex-Magnetisierung der magnetisch freien Schicht 118-1 bzw. 118-2 kann gegenüber einer reinen in-plane Magnetisierung den Vorteil haben, dass sie robust(er) gegenüber in-plane Feldern ist.In 3A By way of example, a vortex-magnetized magnetically free layer 118 is shown which is sensitive to external out-of-plane magnetic fields. 3A shows a transfer curve 302 of a vortex disk and a transfer curve 304 of a vortex ring (without vortex core), each with a diameter of 500 nm and a thickness of 60 nm. Js = 1.0 T, A = 12 pJ/m. As in 3A As can be seen, the vortex disk and vortex ring react fundamentally the same to an orthogonal (Bz) field. This change in the Mz component can be detected by the out-of-plane reference system 116-2 or 116-4. The vortex magnetization of the magnetically free layer 118-1 or 118-2 can have the advantage over a purely in-plane magnetization of being more robust against in-plane fields.

3B zeigt eine out-of-plane Reaktion einer Vortex-Scheibe in Abhängigkeit von verschiedenen Bx-Feldern (0 mT, 50 mT, 100 mT). Es zeigt sich, dass diese Reaktion grundsätzlich unabhängig von den Bx-Feldern ist. Eine detaillierte Analyse ist in Tabelle 1 zu finden. Hier werden lineare Anpassungen der Übertragungskurve $M z / M s = B_{z} a + b$ für verschiedene Bx-Felder durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass sich der lineare Term a in Abhängigkeit von den Bx-Feldern fast nicht ändert. Für ein Bx-Feld von 100 mT ändert sich die Steigung der Übertragungskurve um weniger als 0,2 % im Vergleich zu Bx=0. Tabelle 1 Bx (mT) Slope a [1/T] Change of slope a [%] 0 1.107 0.000 50 1.106 -0.090 100 1.105 -0.181 3B shows an out-of-plane response of a vortex disk as a function of different Bx fields (0 mT, 50 mT, 100 mT). It can be seen that this response is fundamentally independent of the Bx fields. A detailed analysis can be found in Table 1. Here, linear fits of the transfer curve are shown. $M z / M s = B_{z} a + b$ for different Bx fields. It can be seen that the linear term a changes almost unchanged depending on the Bx fields. For a Bx field of 100 mT, the slope of the transfer curve changes by less than 0.2% compared to Bx=0. Table 1 Bx (mT) Slope a [1/T] Change of slope a [%] 0 1,107 0.000 50 1,106 -0.090 100 1,105 -0.181

Eine Empfindlichkeit der Vortex-magnetisierten magnetisch freien Schicht 118-1 bzw. 118-2 könnte durch die Einführung einer senkrechten Anisotropie in z-Richtung erhöht werden. Dies könnte durch eine magnetisch freie Schicht 1181- bzw. 118-2 aus einem Material mit out-of-plane Anisotropie erreicht werden. Es könnte auch eine weichmagnetische freie Schicht verwendet werden, die mit einer out-of-plane magnetisierten Schicht gekoppelt ist.The sensitivity of the vortex-magnetized magnetic free layer 118-1 or 118-2 could be increased by introducing a perpendicular anisotropy in the z-direction. This could be achieved by using a magnetic free layer 118-1 or 118-2 made of a material with out-of-plane anisotropy. A soft magnetic free layer coupled with an out-of-plane magnetized layer could also be used.

In 4 ist eine Änderung der Vortex-Transferkurve in Abhängigkeit von verschiedenen senkrechten Anisotropiekonstanten K₁ dargestellt (Bezugszeichen 402 für K₁ = 0, 404 für K₁ =0,2 MJ/m³ und 406 für K₁= 0,5 MJ/m³). Für K₁= 0,5 MJ/m³ wird eine Formanisotropie teilweise kompensiert, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit führt.In 4 A change in the vortex transfer curve is shown as a function of different vertical anisotropy constants K ₁ (reference numerals 402 for K ₁ = 0, 404 for K ₁ = 0.2 MJ/m ³ , and 406 for K ₁ = 0.5 MJ/m ³ ). For K ₁ = 0.5 MJ/m ^{3 ,} a shape anisotropy is partially compensated, resulting in increased sensitivity.

Die 5 zeigt einen magnetoresistiven (MR) Sensor 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.The 5 shows a magnetoresistive (MR) sensor 200 according to another embodiment of the present disclosure.

Der MR Sensor 200 der 5 weist ebenfalls ein erstes MR Sensorelement 210-1 und ein zweites MR Sensorelement 210-2 auf. Die beiden MR Sensorelemente 210-1, 210-2 sind lateral benachbart zueinander angeordnet. Je nach Anwendung können auch mehr oder weniger als zwei MR Sensorelemente 210 vorgesehen sein.The MR Sensor 200 of the 5 also has a first MR sensor element 210-1 and a second MR sensor element 210-2. The two MR sensor elements 210-1, 210-2 are arranged laterally adjacent to each other. Depending on the application, more or fewer than two MR sensor elements 210 can be provided.

Das erste MR Sensorelement 210-1 umfasst zwei zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-1, 116-2 eingebettete magnetisch freie Schichten. Das erste MR Sensorelement 210-1 umfasst eine erste magnetisch freie Schicht 118-11 und eine darunter angeordnete zweite magnetisch freie Schicht 118-12. Die beiden magnetisch freien Schichten 118-11, 118-12 können aus unterschiedlichem Material bestehen. In anderen Ausführungsformen sind sie aus demselben Material, aber mit unterschiedlichen Dicken oder/oder Abmessungen. Die magnetisch freie Schicht 118-12 kann für ein out-of-plane Verhalten optimiert sein. Die magnetisch freie Schicht 118-11 kann für ein in-plane Verhalten optimiert sein. Diese beiden Schichten 118-11, 118-12 können Austausch entkoppelt sein. In der dargestellten Ausprägung ist zwischen der ersten magnetisch freien Schicht 118-11 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-12 eine erste elektrisch leitfähige Schicht 502-1 angeordnet (z.B. aus Cu). In anderen Ausprägungen kann diese Schicht auch austauschgekoppelt sein und aus einem ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Material bestehen.The first MR sensor element 210-1 comprises two magnetically free layers embedded between the first and second magnetic reference layers 116-1, 116-2. The first MR sensor element 210-1 comprises a first magnetically free layer 118-11 and a second magnetically free layer 118-12 arranged thereunder. The two magnetically free layers 118-11, 118-12 can be made of different materials. In other embodiments, they are made of the same material but with different thicknesses and/or dimensions. The magnetically free layer 118-12 can be optimized for out-of-plane behavior. The magnetically free layer 118-11 can be optimized for in-plane behavior. These two layers 118-11, 118-12 can be exchange-decoupled. In the illustrated embodiment, a first electrically conductive layer 502-1 (e.g., made of Cu) is arranged between the first magnetically free layer 118-11 and the second magnetically free layer 118-12. In other embodiments, this layer can also be exchange-coupled and consist of a ferromagnetic or antiferromagnetic material.

Das zweite MR Sensorelement 210-2 umfasst eine dritte magnetisch freie Schicht 118-21 und eine darunter angeordnete vierte magnetisch freie Schicht 118-22. Die beiden Schichten 118-21, 118-22 können aus unterschiedlichem Material bestehen. In anderen Ausführungsformen sind sie aus demselben Material, aber mit unterschiedlichen Dicken oder Abmessungen. Die magnetisch freie Schicht 118-22 kann für ein out-of-plane Verhalten optimiert sein. Die magnetisch freie Schicht 118-21 kann für ein in-plane Verhalten optimiert sein. In der dargestellten Ausprägung ist zwischen der dritten magnetisch freien Schicht 118-21 und der vierten magnetisch freien Schicht 118-22 eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 502-2 angeordnet (z.B. aus Cu). In anderen Ausprägungen kann diese Schicht auch austauschgekoppelt sein und aus einem ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Material bestehen.The second MR sensor element 210-2 comprises a third magnetically free layer 118-21 and a fourth magnetically free layer 118-22 arranged thereunder. The two layers 118-21, 118-22 can be made of different materials. In other embodiments, they are made of the same material but with different thicknesses or dimensions. The magnetically free layer 118-22 can be optimized for out-of-plane behavior. The magnetically free layer 118-21 can be optimized for in-plane behavior. In the illustrated embodiment, a second electrically conductive layer 502-2 (e.g., made of Cu) is arranged between the third magnetically free layer 118-21 and the fourth magnetically free layer 118-22. In other embodiments, this layer can also be exchange-coupled and consist of a ferromagnetic or antiferromagnetic material.

Die bei dem ersten MR Sensorelement 210-1 oberhalb der ersten magnetisch freien Schicht 118-11 angeordnete erste magnetische Referenzschicht 116-1 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann (sie behält ihre magnetische Ausrichtung bei äußeren Magnetfeldern bei). Dies kann beispielsweise durch eine Kopplung zu einem Antiferromagneten realisiert werden. In erfindungsmäßigen Ausprägungen kann oberhalb der Referenzschicht 116-1 ein Antiferromagnet realisiert werden. Die erste magnetische Referenzschicht 116-1 kann als erste magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der ersten magnetisch freien Schicht 118-11 verglichen wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird für die erste magnetische Referenzschicht 116-1 eine synthetische Antiferromagnetstruktur (SAF) verwendet. Im gezeigten Beispiel ist die erste Referenzmagnetisierung der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 eine in-plane Magnetisierung (z.B. in +x-Richtung). Es versteht sich, dass die erste Referenzmagnetisierung auch in eine andere Richtung weisen könnte (z.B. +y-Richtung).The first magnetic reference layer 116-1 arranged above the first magnetically free layer 118-11 in the first MR sensor element 210-1 can comprise a ferromagnetic layer that can have a high coercive field strength (it maintains its magnetic alignment in external magnetic fields). This can be realized, for example, by coupling to an antiferromagnet. In embodiments according to the invention, an antiferromagnet can be realized above the reference layer 116-1. The first magnetic reference layer 116-1 can serve as a first magnetic reference layer with which the alignment of the first magnetically free layer 118-11 is compared. In the 5 In the example shown, a synthetic antiferromagnetic structure (SAF) is used for the first magnetic reference layer 116-1. In the example shown, the first reference magnetization of the first magnetic reference layer 116-1 is an in-plane magnetization (e.g., in the +x direction). It is understood that the first reference magnetization could also point in a different direction (e.g., +y direction).

Die bei dem ersten MR Sensorelement 210-1 unterhalb der zweiten magnetisch freien Schicht 118-12 angeordnete zweite magnetische Referenzschicht 116-2 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Dies kann beispielsweise durch eine Kopplung zu einem Antiferromagneten realisiert werden. In erfindungsmäßigen Ausprägungen kann oberhalb der Referenzschicht 116-1 ein Antiferromagnet realisiert werden. Die zweite magnetische Referenzschicht 116-2 kann als zweite magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der zweiten magnetisch freien Schicht 118-12 verglichen wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird für die zweite magnetische Referenzschicht 116-2 ebenfalls eine SAF-Struktur verwendet.The second magnetic reference layer 116-2 arranged below the second magnetically free layer 118-12 in the first MR sensor element 210-1 can comprise a ferromagnetic layer that can have a high coercive field strength. This can be realized, for example, by coupling to an antiferromagnet. In embodiments according to the invention, an antiferromagnet can be realized above the reference layer 116-1. The second magnetic reference layer 116-2 can serve as a second magnetic reference layer with which the orientation of the second magnetically free layer 118-12 is compared. In the 5 In the example shown, a SAF structure is also used for the second magnetic reference layer 116-2.

Im gezeigten Beispiel ist die zweite Referenzmagnetisierung der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 eine out-of-plane Magnetisierung (z.B. in +z-Richtung).In the example shown, the second reference magnetization of the second magnetic reference layer 116-2 is an out-of-plane magnetization (e.g., in the +z direction).

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des ersten MR Sensorelements 210-1 sind Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das erste MR Sensorelement 210-1 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₁.Electrodes and terminals 120 are arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the first MR sensor element 210-1. The first MR sensor element 210-1 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₁ .

Die bei dem zweiten MR Sensorelement 210-2 oberhalb der dritten magnetisch freien Schicht 118-12 angeordnete dritte magnetische Referenzschicht 116-3 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Die dritte magnetische Referenzschicht 116-3 kann als erste magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der dritten magnetisch freien Schicht 118-12 verglichen wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird für die dritte magnetische Referenzschicht 116-3 eine SAF-Struktur verwendet.The third magnetic reference layer 116-3 arranged above the third magnetically free layer 118-12 in the second MR sensor element 210-2 may comprise a ferromagnetic layer that may have a high coercive field strength. The third magnetic reference layer 116-3 may serve as a first magnetic reference layer with which the orientation of the third magnetically free layer 118-12 is compared. In the 5 In the example shown, a SAF structure is used for the third magnetic reference layer 116-3.

Im gezeigten Beispiel ist die dritte Referenzmagnetisierung der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 eine in-plane Magnetisierung entgegengesetzt (z.B. in -x-Richtung) zur ersten Referenzmagnetisierung der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1. Es versteht sich, dass die dritte Referenzmagnetisierung auch in eine andere Richtung weisen könnte (z.B. -y-Richtung). Auch hier können wieder Antiferromagnete verwendet werden um die Stabilität zu erhöhen.In the example shown, the third reference magnetization of the third magnetic reference layer 116-3 is an in-plane magnetization opposite opposite (e.g., in the -x direction) to the first reference magnetization of the first magnetic reference layer 116-1. It is understood that the third reference magnetization could also point in a different direction (e.g., -y direction). Antiferromagnets can also be used here to increase stability.

Die bei dem zweiten MR Sensorelement 210-2 unterhalb der vierten magnetisch freien Schicht 118-22 angeordnete vierte magnetische Referenzschicht 116-4 kann eine ferromagnetische Schicht umfassen, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen kann. Die vierte magnetische Referenzschicht 116-4 kann als zweite magnetische Referenzschicht dienen, mit der die Ausrichtung der vierten magnetisch freien Schicht 118-22 verglichen wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird für die vierte magnetische Referenzschicht 116-4 ebenfalls eine SAF-Struktur verwendet.The fourth magnetic reference layer 116-4 arranged below the fourth magnetically free layer 118-22 in the second MR sensor element 210-2 may comprise a ferromagnetic layer that may have a high coercive field strength. The fourth magnetic reference layer 116-4 may serve as a second magnetic reference layer with which the orientation of the fourth magnetically free layer 118-22 is compared. In the 5 In the example shown, a SAF structure is also used for the fourth magnetic reference layer 116-4.

Im gezeigten Beispiel ist die vierte Referenzmagnetisierung der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 eine out-of-plane Magnetisierung entgegengesetzt (z.B. in -z-Richtung) zur zweiten Referenzmagnetisierung der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2.In the example shown, the fourth reference magnetization of the fourth magnetic reference layer 116-4 is an out-of-plane magnetization opposite (e.g., in the -z direction) to the second reference magnetization of the second magnetic reference layer 116-2.

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des zweiten MR Sensorelements 210-2 sind ebenfalls Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das zweite MR Sensorelement 210-2 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₂.Electrodes or terminals 120 are also arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the second MR sensor element 210-2. The second MR sensor element 210-2 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₂ .

Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-11 eine erste Isolatorschicht bzw. Tunnelbarriere (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-12 ist eine zweite Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 und der dritten magnetisch freien Schicht 118-21 ist eine dritte Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 und der vierten magnetisch freien Schicht 118-22 ist eine vierte Isolatorschicht (nicht gezeigt) eingebettet. Auf diese Art kann ein TMR Sensor gebildet werden.According to some embodiments, a first insulator layer or tunnel barrier (not shown) is embedded between the first magnetic reference layer 116-1 and the first magnetically free layer 118-11. A second insulator layer (not shown) is embedded between the second magnetic reference layer 116-2 and the second magnetically free layer 118-12. A third insulator layer (not shown) is embedded between the third magnetic reference layer 116-3 and the third magnetically free layer 118-21. A fourth insulator layer (not shown) is embedded between the fourth magnetic reference layer 116-4 and the fourth magnetically free layer 118-22. In this way, a TMR sensor can be formed.

Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten magnetischen Referenzschicht 116-1 und der ersten magnetisch freien Schicht 118-11 eine erste nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht (nicht gezeigt) eingebettet. Zwischen der zweiten magnetischen Referenzschicht 116-2 und der zweiten magnetisch freien Schicht 118-12 ist eine zweite nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Zwischen der dritten magnetischen Referenzschicht 116-3 und der dritten magnetisch freien Schicht 118-21 ist eine dritte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Zwischen der vierten magnetischen Referenzschicht 116-4 und der vierten magnetisch freien Schicht 118-22 ist eine vierte nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht eingebettet (nicht gezeigt). Auf diese Art kann ein GMR Sensor gebildet werden.According to other embodiments, a first non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the first magnetic reference layer 116-1 and the first magnetically free layer 118-11. A second non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the second magnetic reference layer 116-2 and the second magnetically free layer 118-12. A third non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the third magnetic reference layer 116-3 and the third magnetically free layer 118-21. A fourth non-magnetic, electrically conductive layer (not shown) is embedded between the fourth magnetic reference layer 116-4 and the fourth magnetically free layer 118-22. In this way, a GMR sensor can be formed.

Auch der MR Sensor 200 gemäß 5 kann ferner eine mit den MR-Elementen 210-1, 210-2 gekoppelte Ausgabeschaltung 130 umfassen, die ausgebildet ist, für eine x-Komponente (oder y-Komponente) eines gemessenen externen Magnetfelds ein Signal Signal_x (oder Signal_y) proportional zu einer Differenz der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 210-1, 210-2 auszugeben, und für eine z-Komponente des externen Magnetfelds ein Signal Signal_z proportional zu einer Summe der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 210-1, 210-2 auszugeben.The MR Sensor 200 according to 5 may further comprise an output circuit 130 coupled to the MR elements 210-1, 210-2, which is configured to output a signal Signal _x (or Signal _y ) proportional to a difference between the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 210-1, 210-2 for an x-component (or y-component) of a measured external magnetic field, and to output a signal Signal _z proportional to a sum of the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 210-1, 210-2 for a z-component of the external magnetic field.

In 6 wird eine beispielhafte magnetisch freie Schicht 118-12 bzw. 118-22, die für ein Verhalten außerhalb der Ebene (out-of-plane) optimiert ist, mit einer vortex-magnetisierten freien Schicht verglichen. Die out-of-plane optimierte magnetisch freie Schicht 118-12 bzw. 118-22 kann aus zwei antiferromagnetisch gekoppelten Schichten mit einer Magnetisierung parallel zur Ebene bestehen. Wenn ein externes out-of-plane Feld angelegt wird, hängt die Mz-Komponente der magnetisch freien Schicht 118-12 bzw. 118-22, die ebenfalls ein SAF sein kann, linear vom Hz-Feld ab. Um die Empfindlichkeit der freien SAF-Schicht 118-12 bzw. 118-22 zu erhöhen, kann sie beispielsweise mit einer senkrechten Anisotropie von K₁ = 0,28 MJ/m³ realisiert werden.In 6 An exemplary magnetically free layer 118-12 or 118-22, which is optimized for out-of-plane behavior, is compared with a vortex-magnetized free layer. The out-of-plane optimized magnetically free layer 118-12 or 118-22 can consist of two antiferromagnetically coupled layers with magnetization parallel to the plane. When an external out-of-plane field is applied, the Mz component of the magnetically free layer 118-12 or 118-22, which can also be a SAF, depends linearly on the Hz field. To increase the sensitivity of the free SAF layer 118-12 or 118-22, it can, for example, be realized with a perpendicular anisotropy of K ₁ = 0.28 MJ/m ³ .

Aufgrund der SAF-Kopplung ist die magnetisch freie Schicht 118-12 bzw. 118-22 auch unempfindlich gegenüber Bx-Feldern, wie in 6 dargestellt. Tabelle 2 zeigt, dass sich die Steigung der Übertragungsfunktion der freien SAF-Schicht um 0,6 % ändert, wenn ein Bx-Feld von 50 mT (7 % des linearen Bereichs) angelegt wird, verglichen mit Bx = 0. Tabelle 2 Bx (mT) Slope a [1/T] Change of slope a [%] 0 1.465 0.000 50 1.4557 -0.635 Due to the SAF coupling, the magnetically free layer 118-12 or 118-22 is also insensitive to Bx fields, as in 6 Table 2 shows that the slope of the transfer function of the free SAF layer changes by 0.6% when a Bx field of 50 mT (7% of the linear range) is applied, compared to Bx = 0. Table 2 Bx (mT) Slope a [1/T] Change of slope a [%] 0 1,465 0.000 50 1.4557 -0.635

Andere Schichten, die sich ebenfalls als out-of-plane optimierte magnetisch freie Schicht 118-12, 118-22 eignen können, können z.B. Mehrdomänenzustände mit senkrechter Anisotropie oder freie Schichten in der Ebene sein.Other layers that can also be suitable as out-of-plane optimized magnetic free layer 118-12, 118-22 can be multi-domain states with vertical anisotropy or free layers in the plane.

Die in-plane optimierten magnetisch freien Schichten 118-11 bzw. 118-12 könnten Schichten mit einem Vortex-Zustand (wie z.B. eine Vortex-Scheibe) oder synthetische antiferromagnetisch gekoppelte in-plane freie Schichten mit Formanisotropie sein.The in-plane optimized magnetic free layers 118-11 and 118-12 could be layers with a vortex state (such as a vortex disk) or synthetic antiferromagnetically coupled in-plane free layers with shape anisotropy.

Alternativ zu einer dicken magnetisch freien Vortex-Schicht für die kombinierte Erfassung in der Ebene (in-plane) und außerhalb der Ebene (out-of-plane) könnte eine sehr dünne freie Schicht mit senkrechter Anisotropie in einem superparamagnetischen Zustand zwischen beiden Bezugssystemen 116-1, 116-2 verwendet werden.As an alternative to a thick magnetically free vortex layer for combined in-plane and out-of-plane detection, a very thin free layer with perpendicular anisotropy in a superparamagnetic state between both reference frames 116-1, 116-2 could be used.

Ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines MR-Sensors ist in der 7 dargestellt. Die 7 zeigt einen möglichen MR-Sensor 700 umfassend ein erstes MR-Sensorelement 710-1 und ein zweites MR-Sensorelement 710-2.Another possible embodiment of an MR sensor is in the 7 shown. The 7 shows a possible MR sensor 700 comprising a first MR sensor element 710-1 and a second MR sensor element 710-2.

Das erste MR-Sensorelement 710-1 weist eine erste magnetische Referenzschicht 716-1 mit einer ersten Referenzmagnetisierung auf. Die erste Referenzmagnetisierung zeigt in einem ersten Winkel aus der Ebene der Referenzschicht 716-1 heraus. Der erste Winkel kann beispielsweise in einem Bereich von 20° bis 70° liegen, vorzugsweise bei 45°. Das erste MR-Sensorelement 710-1 weist außerdem eine erste magnetisch freie Schicht 118-1 (z.B. mit Vortex-Magnetisierung) auf. Je nach Ausführungsform sind die erste magnetisch freie Schicht 118-1 und die erste magnetische Referenzschicht 716-1 durch eine Tunnelbarriere (TMR) oder eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht (GMR) getrennt.The first MR sensor element 710-1 has a first magnetic reference layer 716-1 with a first reference magnetization. The first reference magnetization points out of the plane of the reference layer 716-1 at a first angle. The first angle can, for example, be in a range from 20° to 70°, preferably 45°. The first MR sensor element 710-1 also has a first magnetically free layer 118-1 (e.g., with vortex magnetization). Depending on the embodiment, the first magnetically free layer 118-1 and the first magnetic reference layer 716-1 are separated by a tunnel barrier (TMR) or a non-magnetic, electrically conductive layer (GMR).

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des ersten MR Sensorelements 710-1 sind Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das erste MR Sensorelement 710-1 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₁.Electrodes and terminals 120 are arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the first MR sensor element 710-1. The first MR sensor element 710-1 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₁ .

Das zweite MR-Sensorelement 710-2 weist eine zweite magnetische Referenzschicht 716-2 mit einer zweiten Referenzmagnetisierung auf, die unterschiedlich (z.B. senkrecht) zur ersten Referenzmagnetisierung ist. Die zweite Referenzmagnetisierung zeigt in einem zweiten Winkel aus der Ebene der Referenzschicht 716-2 heraus. Der zweite Winkel kann beispielsweise in einem Bereich von 20°+90°=110° bis 70°+90°=160° liegen, vorzugsweise bei 135°. Das zweite MR-Sensorelement 710-2 weist außerdem eine zweite magnetisch freie Schicht 118-2 (z.B. mit Vortex-Magnetisierung) auf. Je nach Ausführungsform sind die zweite magnetisch freie Schicht 118-2 und die zweite magnetische Referenzschicht 716-2 durch eine Tunnelbarriere (TMR) oder eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Schicht (GMR) getrennt.The second MR sensor element 710-2 has a second magnetic reference layer 716-2 with a second reference magnetization that is different (e.g., perpendicular) to the first reference magnetization. The second reference magnetization points out of the plane of the reference layer 716-2 at a second angle. The second angle can, for example, be in a range from 20°+90°=110° to 70°+90°=160°, preferably 135°. The second MR sensor element 710-2 also has a second magnetically free layer 118-2 (e.g., with vortex magnetization). Depending on the embodiment, the second magnetically free layer 118-2 and the second magnetic reference layer 716-2 are separated by a tunnel barrier (TMR) or a non-magnetic, electrically conductive layer (GMR).

Am oberen und unteren Ende des Schichtstapels des zweiten MR Sensorelements 710-2 sind ebenfalls Elektroden bzw. Anschlüsse 120 angeordnet. Das zweite MR Sensorelement 710-2 bildet einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand R₂.Electrodes or terminals 120 are also arranged at the upper and lower ends of the layer stack of the second MR sensor element 710-2. The second MR sensor element 710-2 forms a magnetic field-dependent electrical resistance R ₂ .

Der MR Sensor 700 kann eine mit den MR-Elementen 710-1, 710-2 gekoppelte Ausgabeschaltung 130 umfassen, die ausgebildet ist, für eine x-Komponente (oder y-Komponente) eines gemessenen externen Magnetfelds ein Signal Signal_x (oder Signal_y) proportional zu einer Differenz der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 710-1, 710-2 auszugeben, und für eine z-Komponente des externen Magnetfelds ein Signal Signal_z proportional zu einer Summe der elektrischen Widerstände R₁ und R₂ der MR-Elemente 710-1, 710-2 auszugeben.The MR sensor 700 may include an output circuit 130 coupled to the MR elements 710-1, 710-2, which is configured to output a signal Signal _x (or Signal _y ) proportional to a difference between the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 710-1, 710-2 for an x-component (or y-component) of a measured external magnetic field, and to output a signal Signal _z proportional to a sum of the electrical resistances R ₁ and R ₂ of the MR elements 710-1, 710-2 for a z-component of the external magnetic field.

Die Ausrichtung der Referenzmagnetisierung in den Referenzschichten 716 auf einen Winkel von beispielsweise 45° out-of-plane (aus der Ebene heraus) zu orientieren, kann eine gewisse technische Herausforderung darstellen. Eine Ausrichtung der Magnetisierung bei einem intermediären Winkel wie 45° relativ zur Ebene kann eine spezifische Balance von magnetischer Anisotropie benötigen, sowohl in der Ebene als auch senkrecht dazu. Eine teilweise out-of-plane Orientierung zu erreichen, kann komplexe Schichtstrukturen oder spezielle Materialkombinationen umfassen, die sowohl in-plane als auch out-of-plane Anisotropien aufweisen. Diese könnten durch externe Felder während der Abscheidung oder durch anschließende thermische oder mechanische Behandlungen modifiziert werden.Orienting the reference magnetization in the reference layers 716 to an angle of, for example, 45° out-of-plane can present a certain technical challenge. Aligning the magnetization at an intermediate angle such as 45° relative to the plane may require a specific balance of magnetic anisotropy, both in-plane and perpendicular to it. Achieving a partially out-of-plane orientation may involve complex layer structures or special material combinations exhibiting both in-plane and out-of-plane anisotropies. These could be modified by external fields during deposition or by subsequent thermal or mechanical treatments.

Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.The aspects and features described in connection with a particular one of the previous examples may also be combined with one or more of the further examples to replace an identical or similar feature of that further example or to additionally introduce the feature into the further example.

Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.It is further understood that the disclosure of multiple steps, processes, operations, or functions disclosed in the description or claims should not be construed as necessarily occurring in the described order, unless explicitly stated in the individual case or absolutely necessary for technical reasons. Therefore, the foregoing description does not limit the performance of multiple steps or functions to a particular order. limited. Furthermore, in further examples, a single step, function, process, or operation may include and/or be broken down into multiple sub-steps, functions, processes, or operations.

Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.If some aspects in the preceding sections were described in connection with a device or system, these aspects are also to be understood as a description of the corresponding method. For example, a block, a device, or a functional aspect of the device or system can correspond to a feature, such as a method step, of the corresponding method. Accordingly, aspects described in connection with a method are also to be understood as a description of a corresponding block, a corresponding element, a property, or a functional feature of a corresponding device or system.

Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.The following claims are hereby incorporated into the Detailed Description, each claim being understood to stand on its own as a separate example. It should also be noted that although a dependent claim in the claims refers to a particular combination with one or more other claims, other examples may include a combination of the dependent claim with the subject matter of any other dependent or independent claim. Such combinations are hereby explicitly contemplated unless it is specifically stated that a particular combination is not intended. Furthermore, features of a claim for any other independent claim are also intended to be included, even if that claim is not directly defined as dependent on that other independent claim.

Claims

A magnetoresistive sensor (100; 110) comprising a first magnetic reference layer (116-1); a second magnetic reference layer (116-2); and at least one magnetically free layer (118-1) embedded between the first and second magnetic reference layers.

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to Claim 1 , wherein the first magnetic reference layer (116-1) has a first reference magnetization and the second magnetic reference layer (116-2) has a second reference magnetization different from the first reference magnetization.

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to Claim 1 or 2 , wherein the first magnetic reference layer (116-1) has an in-plane reference magnetization and the second magnetic reference layer (116-2) has an out-of-plane reference magnetization.

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to one of the preceding claims, comprising a first magnetically free layer (118-11) and a second magnetically free layer (118-12) embedded between the first and second reference layers (116-1; 116-2).

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to Claim 4 , wherein an electrically conductive layer is arranged between the first and the second magnetically free layer (118-11; 118-12).

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to Claim 4 or 5 , wherein the first magnetically free layer (118-11) has an in-plane vortex magnetization at vanishing external magnetic field and the second magnetically free layer (118-12) has a synthetic antiferromagnet with an out-of-plane magnetization at vanishing external magnetic field.

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to one of the preceding claims, wherein the first magnetic reference layer (116-1) and/or the second magnetic reference layer (116-2) each comprise a plurality of ferromagnetic and/or antiferromagnetic layers.

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to one of the preceding claims, wherein a first insulator layer is embedded between the first magnetic reference layer (116-1) and the at least one magnetically free layer (118-1) and a second insulator layer is embedded between the second magnetic reference layer (116-2) and the at least one magnetically free layer (118-1).

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to one of the Claims 1 until 8 , wherein a first non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the first magnetic reference layer (116-1) and the at least one magnetically free layer (118-1), and a second non-magnetic, electrically conductive layer is embedded between the second magnetic reference layer (116-2) and the at least one magnetically free layer (118-1).

Magnetoresistive sensor (100; 110) according to one of the preceding claims, wherein the at least one magnetically free layer (118-1) has a vortex magnetization.

A magnetoresistive sensor (100; 200) comprising a first magnetoresistive sensor element (110-1) having a first magnetic reference layer (116-1) with a first reference magnetization; a second magnetic reference layer (116-1) with a second reference magnetization, wherein the first and second reference magnetizations are perpendicular to each other; and at least one first magnetically free layer (118-1) embedded between the first and second magnetic reference layers; and a second magnetoresistive sensor element (110-2) having a third magnetic reference layer (116-3) with a third reference magnetization; a fourth magnetic reference layer (116-4) with a fourth reference magnetization, wherein the third reference magnetization is opposite to the first reference magnetization and perpendicular to the fourth reference magnetization; and at least one second magnetically free layer (118-2) embedded between the first and second magnetic reference layers.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to Claim 11 , wherein the first and third reference magnetizations are each in-plane reference magnetizations and the second and fourth reference magnetizations are each out-of-plane reference magnetizations.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to one of the Claims 11 or 12 , wherein the first and second magnetically free layers (118-1; 118-2) each have a vortex magnetization.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to one of the Claims 11 until 13 , comprising an upper magnetic free layer (118-11) and a lower magnetic free layer (118-12) sandwiched between the first and second magnetic reference layers; and an upper magnetic free layer (118-21) and a lower magnetic free layer (118-22) sandwiched between the third and fourth magnetic reference layers.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to Claim 14 , wherein an electrically conductive layer is arranged between the upper and lower magnetically free layers (118-11; 118-12; 118-21; 118-22).

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to Claim 14 or 15 , wherein the upper magnetically free layers (118-11; 118-21) each have an in-plane vortex magnetization with a vanishing external magnetic field and the lower magnetically free layers (118-12; 118-22) each have a synthetic antiferromagnet with an in-plane magnetization with a vanishing external magnetic field.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to one of the Claims 11 until 16 , wherein the magnetic reference layers each comprise a plurality of ferromagnetic and/or antiferromagnetic layers.

Magnetoresistive sensor (100; 200) according to one of the Claims 11 until 17 , further comprising an output circuit (130) which is designed to output a signal proportional to a difference in the electrical resistances of the first and second magnetoresistive sensor elements (110-1; 110-2) for a first magnetic field component of a measured external magnetic field, and to output a signal proportional to a sum of the electrical resistances of the first and second magnetoresistive sensor elements (110-1; 110-2) for a second magnetic field component of the external magnetic field.