DE102008037983A1

DE102008037983A1 - Magnetoresistiver Sensor mit Tunnelsperrschicht und Verfahren

Info

Publication number: DE102008037983A1
Application number: DE102008037983A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Klostermann; Franz Dr. Kreupl
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-08-16
Publication date: 2010-01-07
Also published as: US20090322319A1; US7863700B2

Abstract

Magnetoresistive Sensoren mit Tunnelsperrschicht und Verfahren. Eine Ausführungsform stellt einen magnetoresistiven Sensor mit einem Magnettunnelübergang bereit. Der Magnettunnelübergang enthält eine Sperrschicht. Die Sperrschicht enthält Kohlenstoff, pyrolytischen Kohlenstoff oder Graphen oder Graphit.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein magnetoresistive Sensoren mit Magnettunnelübergangsvorrichtungen und ein Verfahren zum Herstellen magnetoresistiver Sensoren.
Hintergrund der Erfindung
Magnetoresistive Einrichtungen oder magnetoresistive Sensorelemente finden Verwendung in zahlreichen Anwendungen als Feldsensoren und Bewegungsdetektoren (z. B. globale Positionsbestimmungssysteme und Navigationssysteme, Magnetometrie, Kompass-, Winkel- und lineare Positionssensoren, Koppelnavigationstechnologien, Fahrzeug- oder Objektdetektion, Telematik oder Bewegungsrichtung, Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit, Geschwindigkeit eines jeweiligen Objekts mit Bezug auf die Sensoranordnung) sowie auch als Lesesensoren in magnetischen Datenspeichersystemen zum Detektieren von auf einem magnetischen Datenspeichermedium gespeicherten magnetisch kodierten Informationen oder Aufzeichnungsköpfen zum Aufzeichnen von auf dem Speichermedium befindlichen magnetisch kodierten Informationen.
Insbesondere werden tunnelmagnetoresistive (TMR-)Sensoren für die obenerwähnten Anwendungen verwendet.
Ein typischer tunnelmagnetoresistiver Sensor enthält einen Magnettunnelübergang (MTJ – magnetic tunnel junction) mit zwei durch eine Tunnelsperrschicht getrennten ferromagnetischen Schichten. Die ferromagnetischen Schichten werden gewöhnlich als eine „feste” oder „Bezugs”-Schicht bezeichnet, in denen die Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, und eine „freie” Schicht oder „Richtungs”-Schicht, in der die Magnetisierungsrichtung umgeschaltet werden kann.
Der Widerstand eines MTJ ist in Abhängigkeit von den relativen Magnetisierungsrichtungen dieser Schichten veränderlich. Wenn beispielsweise die Magnetisierungsrichtungen der festen und freien Schichten parallel liegen, kann der Widerstand relativ gering sein und kann größer werden, wenn die Magnetisierungsrichtungen antiparallel liegen.
Für tunnelmagnetoresistive (TMR-)Sensoren, die dazu ausgelegt sind, in einem CPP-Modus (CPP = current-perpendicular-to-plane; Strom-senkrecht-zur-Lagenstruktur) zu arbeiten, erfährt ein senkrecht zur Lagenstruktur des Magnettunnelübergangs (magnetic tunnel junction; MTJ) fließender Richtungsstrom eine Widerstandsveränderung, die zur magnetischen Orientierung einer freien Schicht relativ zur Bezugsschicht proportional ist.
Die Widerstandsänderung ΔR = R_AP – R_P, die die Differenz zwischen den antiparallelen (R_AP) und parallelen (R_P oder R) Widerstandswerten geteilt durch den Parallelwiderstand R_P ist, ist als das MR-Verhältnis (magnetoresistance – Magnetoresistenz) des Magnettunnelübergangs (MTJ) bekannt und ist definiert als (RAP – RP)/RP = ΔR/RP = ΔR/R.
Für Anwendungen als tunnelmagnetoresistiver (TMR) Sensor ist es von Bedeutung, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR – signal-to-noise ratio) aufzuweisen, wobei die Größe des SNR im direkten Verhältnis zum Magnetoresistenzverhältnis (MR-Verhältnis = ΔR/R) des Magnettunnelübergangs (MTJ) proportional ist. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist gegeben durch i_BΔR, wobei i_B der die MTJ-Vorrichtung durchlaufender Vormagnetisierungsstrom ist. Das durch die MTJ-Vorrichtung erhaltene Rauschen wird jedoch größtenteils durch den Widerstand R der Vorrichtung bestimmt. So wird das maximale SNR für eine zum Abfragen der Vorrichtung benutzte konstante Leistung erhalten, wenn das MR-Verhältnis (Magnetoresistenz) groß ist.
Der Widerstand R einer MTJ-Vorrichtung wird größtenteils durch den Widerstand der isolierenden Tunnelsperrschicht bestimmt. Da weiterhin die Ströme die ferromagnetischen Schichten und die Tunnelschicht senkrecht durchlaufen, steigt der Widerstand R einer MTJ-Vorrichtung im umgekehrten Verhältnis zum Bereich A der Vorrichtung und es ist daher zweckdienlich, den Widerstand der MTJ-Vorrichtung durch das Produkt des Widerstandes R mal den Bereich A (RA) zu kennzeichnen.
Zum Ermöglichen der Auflösung der sich stetig erhöhenden Bitdichte des Speichermediums werden die magnetoresistiven Sensoren größenmäßig eingeschrumpft werden müssen, was niedrige RA-Werte erfordert, so daß der Widerstand R der Zelle nicht zu hoch ist und genügend hohe Richtungsstromdichten bei annehmbaren Zuverlässigkeitswerten der MTJ-Vorrichtung benutzt werden können.
Herkömmlicherweise sind die für die isolierenden Tunnelsperrschichten benutzten Materialien (Magnesiumoxid) MgO oder Aluminiumoxid (AL₂O₃). Für isolierende MgO- oder AL₂O₃-Tunnelsperrschichten hat sich herausgestellt, daß RA exponentiell mit der Stärke der Schicht ansteigt. Die Stärke der isolierenden MgO- oder AL₂O₃-Tunnelsperrschichten kann über einen ausreichenden Bereich verändert werden, um RA um mehr als acht Größenordnungen zu verändern, d. h. von mehr als 2 × 10⁹ Ω(μm)² bis so wenig wie 1 Ω(μm)². Für typische MgO-basierte isolierende Tunnelsperrschichten ist ein RA-Produkt von 1 Ω(μm)² bis 10 Ω(μm)² erforderlich, um Stromdichten von der Größenordnung von 0,1 MA/(cm)² bis 10 MA/(cm)² zu widerstehen. Für diese niedrigen RA-Werte wird jedoch das MR-Verhältnis (Magnetoresistenz) und daher das SNR typischerweise verringert, teilweise aufgrund mikroskopischer Nadellöcher oder sonstiger Defekte in den zum Erhalten dieser sehr niedrigen RA-Werte benötigten ultradünnen Tunnelsperrschichten. Weiterhin wird durch die zum Erhalten dieser sehr niedrigen RA-Werte benötigten ultradünnen Tunnelsperrschichten die Sperrschichtzuverlässigkeit verringert.
Ein weit beobachteter Effekt bei tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Sensoren ist die sogenannte Neél-Kopplung, welche eine Kopplung zwischen der Richtungsschicht und der Bezugsschicht auf Grund magnetostatischer Interaktionen zwischen den freien Polen an den beiden ferromagnetischen Grenzflächen ist. Diese Kopplung hängt mit der Rauheit der herkömmlichen dünnen Isolierschicht zusammen und bewirkt einen Versatz in der bevorzugten parallelen Ausrichtung der beiden ferromagnetischen Schichten und so eine Abweichung vom theoretisch erwarteten Verhalten des tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Sensors.
Es besteht daher in der Technik ein Bedarf an tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Sensoren gekennzeichnet durch ein großes und stabiles Tunnel-MR-Verhältnis (Magnetoresistenz), eine zuverlässige Tunnelsperrschicht, einen niedrigen RA-Wert und einen reduzierten Neél-Effekt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen sind beigefügt, um weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu bieten und sind in der vorliegenden Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Grundsätzen von Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden bei besserem Verständnis durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung leicht erkennbar. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu zueinander. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen entsprechende gleichartige Teile.
1 zeigt die Struktur eines MTJ zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor nach einer Ausführungsform.
2 zeigt einen MTJ zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines MTJ zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor.
Beschreibung
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil des Vorliegenden bilden und in denen zur Erläuterung bestimmte Ausführungsformen dargestellt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht werden Richtungsbegriffe wie beispielsweise „oben”, „obere”, „untere”, „mittlere”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „voreilend”, „nacheilend” usw. in bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) benutzt. Da Bestandteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, werden die Richtungsbegriffe für Darstellungszwecke benutzt und sind auf keine Weise begrenzend. Es versteht sich, daß andere Ausführungsformen benutzt werden können und strukturmäßige oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung zu weichen. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einem begrenzenden Sinn aufgefaßt werden und der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
1 zeigt die Struktur eines MTJ zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor nach einer Ausführungsform der Erfindung. Der MTJ 100 enthält eine freie (auch als „zweite ferromagnetische Schicht” bezeichnete) Schicht 102, eine Sperrschicht 104, eine feste (auch als „erste ferromagnetische Schicht” bezeichnete) Schicht 106 und eine antiferromagnetische (auch als „erste antiferromagnetische Schicht” bezeichnete) Schicht 108. Die feste Schicht 106 und freie Schicht 102 sind typischerweise ferromagnetisch, wobei die feste Schicht 106 eine feste Magnetisierungsorientierung aufweist und die freie Schicht 102 eine Magnetisierungsorientierung aufweist, die als Reaktion auf die Spinnpolarisierung eines Stroms gedreht werden kann, der durch den MTJ 100 getrieben wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die antiferromagnetische Schicht 108 zum Festlegen (bzw. „verankern”) der Magnetisierungsorientierung der festen Schicht 106 benutzt. Die Tunnelsperrschicht 104 ist so konfiguriert, daß sie Tunneln von Elektronen durch die Sperrschicht 104 im MTJ 100 zuläßt. Ebenfalls dargestellt ist ein oberer Kontakt 110 und ein unterer Kontakt 112, die zum Treiben von Strom durch den MTJ 100 benutzt werden.
Der Widerstand des MTJ 100 verändert sich entsprechend den relativen Magnetisierungsorientierungen der festen Schicht 106 und der freien Schicht 102. Wenn die Magnetisierungsorientierung der freien Schicht 102 parallel zur Magnetisierungsorientierung der festen Schicht 106 liegt, dann ist der Widerstand des MTJ 100 gering. Der Widerstand des MTJ 100 wird höher, wenn die Magnetisierungsorientierung der freien Schicht 102 antiparallel zur Magnetisierungsorientierung der festen Schicht 106 liegt.
Diese Schichten können aus einer Vielzahl von Materialien zusammengesetzt sein. Im allgemeinen enthalten die freie Schicht 102 und die feste Schicht 106 ferromagnetische Metalle wie beispielsweise Fe, Co, Ni, Tb, Cu, Pt oder verschiedene Legierungen solcher Metalle. In einer Ausführungsform können andere ferromagnetische Materialien wie beispielsweise die Heusler-Legierungen NiMnSb, PtMnSb, Co₂MnSi oder Oxide wie beispielsweise Fe₃O₄ oder CrO₂ benutzt werden. In einer Ausführungsform können die freie Schicht 102 und die feste Schicht 106 Mehrschichtlagen enthalten, z. B. einschließlich einer Mehrschichtstruktur [Ni/Co/Ni/Co]_n oder [Co/Pt/Co/Pt]_n, wobei n ein Index ist, der die Anzahl einer jeweiligen Mehrschichtstruktur anzeigt. In einer Ausführungsform kann die freie Schicht 102 und die feste Schicht 106 CoTbFe-Legierungen enthalten. Die feste Schicht 106 kann durch einen künstlichen Antiferromagneten (AAF – artificial antiferromagnet) ersetzt werden, einschließlich abwechselner ferromagnetischer und nichtmagnetischer Schichten mit einer Austauschkopplung, so daß die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten in der Abwesenheit eines externen Magnetfeldes antiparallel liegen. Die Sperrschicht 104 kann eine Kohlenstoffschicht enthalten, in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht.
2 zeigt eine Ausführungsform eines MTJ 200 zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform, der eine antiferromagnetische Verankerungsschicht 202 als eine Ausführungsform einer Halteschicht neben einer (auch als „zweite ferromagnetische Schicht” bezeichneten) freien Schicht 204 enthält. Die freie Schicht 204 ist von einer (auch als „erste ferromagnetische Schicht” bezeichneten) festen Schicht 208 durch eine Sperrschicht 206 getrennt. Die Magnetisierung der festen Schicht 208 wird durch eine (auch als „erste antiferromagnetische Schicht” bezeichnete) antiferromagnetische Schicht 210 verankert. Diese Schichten können aus einer Vielzahl von Materialien zusammengesetzt sein. Im allgemeinen kann die freie Schicht 204 und die feste Schicht 208 ferromagnetische Metalle wie beispielsweise Fe, Co, Ni, Tb, Cu, Pt oder verschiedene Legierungen solcher Metalle enthalten. In einer Ausführungsform können andere ferromagnetische Materialien wie beispielsweise die Heusler-Legierungen NiMnSb, PtMnSb, Co₂MnSi oder Oxide wie beispielsweise Fe₃O₄ oder CrO₂ benutzt werden. In einer Ausführungsform können die freie Schicht 204 und die feste Schicht 208 Mehrschichtlagen enthalten, z. B. einschließlich einer Mehrschichtstruktur [Ni/Co/Ni/Co]_n oder [Co/Pt/Co/Pt]_n, wobei n ein Index ist, der die Anzahl einer jeweiligen Mehrschichtstruktur anzeigt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die freie Schicht 204 und die feste Schicht 208 CoTbFe-Legierungen enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die feste Schicht 208 durch einen künstlichen Antiferromagneten (AAF – artificial antiferromagnet) mit abwechselnden ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten mit einer Austauschkopplung ersetzt werden, so daß die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten in der Abwesenheit eines externen Magnetfeldes antiparallel liegen. Die Sperrschicht 206 kann eine Kohlenstoffschicht enthalten, in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht. Die antiferromagnetische Verankerungsschicht 202 und antiferromagnetische Schicht 210 können natürliche Antiferromagneten sein einschließlich von Materialien wie beispielsweise FeMn, NiMn, PtMn, IrMn, RhMn₃, Ir₂₀Mn₈₀, Pd₅₂Pt₁₈Mn₅₀, NiO, α-Fe₂O₃ oder α-Tb₂₅Co₇₅. In einer Ausführungsform kann eine oder beide der antiferromagnetischen Verankerungsschicht 202 und antiferromagnetischen Schicht 210 einen künstlichen Antiferromagneten enthalten, beispielsweise zusammengesetzt aus abwechselnden Schichten ferromagnetischer und nichtmagnetischer Materialien. Die antiferromagnetische Verankerungsschicht 202 weist eine relativ niedrige Blockierungstemperatur auf und dient zum Verankern der Magnetisierungsorientierung der freien Schicht 204, wodurch sie zusätzliche Magnetisierungsstabilität bei Zimmertemperatur bereitstellt.
Wenn Strom durch den MTJ 200 angelegt wird, wird der Strom aufgrund des Widerstands der Sperrschicht eine Erwärmung des MTJ 200 verursachen. Diese Erwärmung kann ausreichen, die Blockierungstemperatur der antiferromagnetischen Verankerungsschicht 202 zu erreichen. Bei einem natürlichen Antiferromagneten hängt die Blockierungstemperatur beispielsweise von dem für die antiferromagnetische Verankerungsschicht 202 gewählten Material und der Stärke der Schicht ab. So kann die Blockierungstemperatur für ein in der antiferromagnetischen Verankerungsschicht 202 benutztes natürliches antiferromagnetisches Material durch Einstellen der Stärke des Materials auf einen zweckdienlichen Wert zugeschnitten werden. Wenn beispielsweise IrMn für die antiferromagnetische Verankerungsschicht 202 benutzt wird, wird eine Stärke von 3 nm eine Blockierungstemperatur von 160°C bereitstellen, die hoch genug ist um sicherzustellen, daß die Zellen auf Zimmertemperatur oder Betriebstemperatur verankert werden. Da die feste Schicht 208 weiterhin durch die antiferromagnetische Schicht 210 verankert sein sollte, sollte die Blockierungstemperatur der antiferromagnetischen Schicht 210 höher als die Temperatur eingestellt werden, die durch Anlegen eines Stroms erreicht wird. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines natürlichen antiferromagnetischen Materials mit einer höheren Blockierungstemperatur wie beispielsweise PtMn und durch Auswählen einer entsprechenden Stärke wie beispielsweise einer Schichtstärke von rund 20 nm erreicht werden.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines MTJ zur Verwendung als tunnelmagnetoresistiver (TMR-)Sensor. Nach der Darstellung in 3 enthält ein MTJ 300 eine antiferromagnetische Verankerungsschicht 302, die eine relativ niedrige Blockierungstemperatur aufweist, die zum Verankern der Magnetisierungsorientierung einer (auch als „zweite ferromagnetische Schicht” bezeichneten) freien Schicht 304 bei Zimmertemperatur geeignet ist. Die freie Schicht 304 ist von einer künstlichen antiferromagnetischen Schicht 308 durch eine Sperrschicht 306 getrennt. Die Sperrschicht 306 kann eine Kohlenstoffschicht, in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht enthalten. Die (auch als „synthetische antiferromagnetische Schicht” bezeichnete) künstliche antiferromagnetische Schicht 308 dient einem ähnlichen Zweck wie eine feste Schicht und ist durch eine (auch als „erste antiferromagnetische Schicht” bezeichnete) antiferromagnetische Schicht 310 mit einer relativ hohen Blockierungstemperatur verankert.
Die künstliche antiferromagnetische Schicht 308 enthält eine vierte ferromagnetische Schicht 312 mit einer Magnetisierungsorientierung, die zu einer dritten ferromagnetischen Schicht 316 antiparallel liegt. Die vierte ferromagnetische Schicht 312 ist von der dritten ferromagnetischen Schicht 316 durch eine nichtmagnetische Schicht 314 mit einer zum Erleichtern eines antiferromagnetischen Zwischenschichtaustauschs zwischen der vierten ferromagnetischen Schicht 312 und der dritten ferromagnetischen Schicht 316 ausgewählten Stärke getrennt. In einer Ausführungsform können andere Konstruktionen für die künstliche antiferromagnetische Schicht 308 einschließlich mehrfacher ferromagnetischer und nichtmagnetischer Schichten benutzt werden.
Wie bei der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsform kann die Stärke und das Material der antiferromagnetischen Verankerungsschicht 302 zur Bereitstellung einer Blockierungstemperatur ausgewählt werden, die der antiferromagnetischen Verankerungsschicht 302 erlaubt, die freie Schicht 304 bei Zimmertemperatur oder Betriebstemperatur zu verankern, aber wenig oder im wesentlichen keine Auswirkung auf die freie Schicht 304 bei einer Temperatur zu haben, die während des Einschreibens des MTJ 300 erreicht wird.
In allen in 1–3 beschriebenen Ausführungsformen enthält ein MTJ eine Sperrschicht, die eine Kohlenstoffschicht enthalten kann, in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht. Verwendung dieses bestimmten Materials für die Sperrschicht ermöglicht es, sehr kleine RA-Werte zu erhalten, ohne notwendigerweise die Stärke der Sperrschicht zu verringern. Für herkömmliche MgO- oder Al₂O₃-Isoliertunnelsperrschichten hat sich herausgestellt, daß RA exponentiell mit der Stärke der Schicht zunimmt. Für typische herkömmliche MgO-basierte MRAM-Isoliertunnelsperrschichten ist ein RA von 1 Ω(μm)² bis 10 Ω(μm)² erforderlich, um Stromdichten von der Größenordnung von 0,1 MA/(cm)² bis 10 MA/(cm)² zu widerstehen. In herkömmlichen MgO- oder Al₂O₃-Isoliertunnelsperrschichten ist jedoch für diese niedrigen RA-Werte das MR-Verhältnis (Magneto resistenz), und daher das SNR, typischerweise verringert, teilweise wegen mikroskopischer Nadellöcher oder sonstiger Defekte in den zum Erhalten dieser sehr niedrigen RA-Werte benötigten ultradünnen Tunnelsperrschichten. Weiterhin führen die zum Erhalten dieser sehr niedrigen RA-Werte benötigten ultradünnen Tunnelsperrschichten zu erhöhter Neél-Kopplung und somit zu einer Abweichung vom Idealverhalten des Sensors. Demgegenüber kann ein MTJ mit einer Kohlenstoffsperrschicht und in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht nach einer Ausführungsform der Erfindung sehr kleine RA-Werte (z. B. annähernd 0,1 Ω(μm)² aufweisen, ohne die Stärke der Sperrschicht zu verringern (z. B. annähernd 5 nm Stärke), und erfährt daher aufgrund der Tatsache, daß die Sperrschicht bis zu 5 nm dick hergestellt werden kann, ohne RA zu beeinträchtigen, eine sehr kleine Neél-Kopplung. Infolgedessen können Kohlenstoffsperrschichten nach einer Ausführungsform der Erfindung leichter hergestellt werden und bieten eine Verringerung der magnetischen Wechselwirkung zwischen der freien Schicht und der Bezugsschicht im Vergleich mit herkömmlichen MgO- oder Al₂O₃-Isoliertunnelsperrschichten. Weiterhin ergibt die Verwendung einer Kohlenstoffsperrschicht und in einer Ausführungsform eine pyrolytische Kohlenstoffschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphenschicht oder in einer Ausführungsform eine Graphitschicht in Magnettunnelübergängen nach einer Ausführungsform der Erfindung eine bedeutsame Verbesserung des MR-Verhältnisses (aufgrund der fast totalen Abwesenheit von Spinnstreuung kann ein MR-Verhältnis von mehr als 75% erreicht werden), eine bedeutsame Verbesserung der Grenzschichteigenschaften mit der freien Schicht und der festen Schicht (aufgrund der ausgezeichneten Grenzschichteigenschaften von Kohlenstoff- und Ni-Magnetsystemen oder Graphen- und Co-Magnetsystemen), eine bedeutsame Verbesserung der thermischen Stabilität (aufgrund der thermischen Stabilität von Kohlenstoff), eine bedeutsame Verbesserung des Ablagerungsvorgangs, der sehr konform und homogen wird, eine bedeutsame Verbesserung der Ätz- und Strukturierungsvorgänge aufgrund der hohen Ätzselektivität gegen Metalle, eine bedeutsame Verringerung von Anschwellungs- und Schadenvorgängen aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit des Graphens. Die Langzeitstabilitätsleistung der Kohlenstoffsperrschicht kann zu einer geringeren Widerstandsdrift in der Betriebslebenszeit führen und kann eine treibende Kraft für rauhe Umgebungen sein und kann den Kompensationsaufwand für die Elektronik verringern.
Weiterhin führt die Verwendung von einer Kohlenstoffsperrschicht, und bei einer Ausführungsform einer Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff, oder bei einer Ausführungsform eine Graphenschicht, oder bei einer Ausführungsform Graphitschicht in Magnettunnelübergängen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, zu einer erheblichen Reduzierung der „Neél-Kopplung” und ermöglicht daher die Verwendung von weicheren Freie-Schicht-Materialien, was wiederum zu einer erhöhten Sensitivität des Sensors führt.
Solche magnetoresistiven Sensoren können in zahlreichen Anwendungen Verwendung finden als Feldsensoren und Bewegungsdetektoren (z. B. globale Positionsbestimmungssysteme und Navigationssysteme, Magnetometrie, Kompass-, Winkel- und lineare Positionssensoren, Koppelnavigationstechnologien, Fahrzeug- oder Objektdetektion, Telematik oder Bewegungsrichtung, Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit, Geschwindigkeit eines jeweiligen Objekts mit Bezug auf die Sensoranordnung) sowie auch als Lesesensoren in magnetischen Datenspeichersystemen zum Detektieren von auf einem magnetischen Datenspeichermedium gespeicherten magnetisch kodierten Informationen oder Aufzeichnungsköpfen zum Aufzeichnen von auf dem Speichermedium befindlichen magnetisch kodierten Informationen.
Zusammengefaßt wird in einer Ausführungsform ein magnetoresistiver Sensor mit einem Magnettunnelübergang bereitgestellt, der eine Sperrschicht enthält, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält. In einigen Ausführungsformen ist die Sperrschicht zwischen einer ersten ferromagnetischen Schicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht angeordnet und die Sperrschicht ist in der Nähe der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet. Während die erste ferromagnetische Schicht eine feste Magnetisierungsorientierung aufweisen kann, weist die zweite ferromagnetische Schicht eine Magnetisierungsorientierung auf, die durch das Anlegen eines Stroms durch den Magnettunnelübergang ausgewählt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann der Magnettunnelübergang eine erste, in der Nähe der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnete antiferromagnetische Schicht enthalten, die zum Verankern der Orientierung der ersten ferromagnetischen Schicht konfiguriert sein kann. Auch kann der Magnettunnelübergang eine zweite, in der Nähe der zweiten ferromagnetischen Schicht angeordnete antiferromagnetische Schicht enthalten, die zum Verankern der Orientierung der zweiten ferromagnetischen Schicht konfiguriert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann die erste ferromagnetische Schicht eine in der Nähe der ersten antiferromagnetischen Schicht angeordnete dritte ferromagnetische Schicht enthalten, wobei diese nichtmagnetische Schicht auf oder über der dritten ferromagnetischen Schicht und eine vierte in der Nähe der nichtmagnetischen Schicht angeordnete ferromagnetische Schicht angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der magnetoresistive Sensor ein Lesekopf sein, der dazu ausgelegt ist, bei magnetischen Datenspeichersystemen verwendet zu werden, um auf einem magnetischen Datenspeichermedium gespeicherte magnetisch kodierte Informationen zu detektieren. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann der magnetoresistive Sensor dazu ausgelegt sein, in einem globalen Positionsbestimmungssystem verwendet zu werden. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann der magnetoresistive Sensor ein Feldsensor sein, der dazu ausgelegt ist, als Positionssensor für lineare oder Winkelpositionen zu wirken.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines magnetoresistiven Sensors mit einem Magnettunnelübergang bereitgestellt, wobei das Verfahren das Bilden einer Sperrschicht umfaßt, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält. In einigen Ausführungsformen wird die Sperrschicht in der Nähe der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet und eine zweite ferromagnetische Schicht wird in der Nähe der Sperrschicht gebildet. In einigen Ausführungsformen wird die erste ferromagnetische Schicht in der Nähe einer ersten antiferromagnetischen Schicht, und eine zweite antiferromagnetische Schicht in der Nähe der zweiten ferromagnetischen Schicht gebildet. In einigen anderen Ausführungsformen umfaßt Bilden der ersten ferromagnetischen Schicht Bilden einer dritten, in der Nähe der ersten antiferromagnetischen Schicht angeordneten ferromagnetischen Schicht, Bilden einer nichtmagnetischen Schicht in der Nähe der dritten ferromagnetischen Schicht und Bilden einer vierten ferromagnetischen Schicht in der Nähe der nichtmagnetischen Schicht.
Unterschiedliche Verfahren sind für die Ablagerung der Sperrschicht möglich, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält.
Eines dieser Verfahren ist chemische Aufdampfung (CVD – chemical vapor deposition) durch Pyrolyse eines gasenthaltenden Kohlenstoffs. Acetylen kann bei Temperaturen zwischen 300°–850°C benutzt werden, obwohl ein typischer Temperaturbereich 400°–500°C sein kann. Bei niedrigeren Temperaturen kann ein durch einen Laser oder eine Blitzlampe erzeugter kurzer Photonenfluß zum Induzieren der Ablagerung des Graphits (oder pyrolytischen Kohlenstoffs oder in einer Ausführung Graphens) benutzt werden.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Ablagerung der Sperrschicht, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält, ist die Kombination von Aufsprühen und Ausheilen: Es kann eine dünne Kohlenstoffschicht (d. h. 1–5 nm dick) auf dem Magnetstapel abgelagert werden. Nach Ablagerung kann der Kohlenstoff bei 400°–500°C oder einer höheren Temperatur mit einer Blitzlampe oder einem Laserimpuls ausgeheilt werden.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Ablagerung der Sperrschicht, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält, ist Laser-CVD (chemical vapor deposition): Ein Laserbeam kann über den Wafer geführt werden, der in ein Kohlenstoff enthaltendes Gas eingetaucht sein kann. An der Stelle des Laserbeams auf der Waferoberfläche kann sich Kohlenstoff ablagern.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Ablagerung der Sperrschicht, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff, in einer Ausführungsform pyrolytischen Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit enthält, ist die Kombination von Schleuderbeschichtung von Polymeren und nachfolgendem Ausheilen: Ein positiver Photolack kann auf einen sich mit beispielsweise 8000 U/M auf einem Schleuderbeschichter drehenden Wafer schleuderbeschichtet werden. Die Drehzeit kann 30 s betragen und kann eine Stärke zwischen 10–20 nm ergeben. Der schleuderbeschichtete Wafer kann 20 min lang beispielsweise bei 90°C vorgetrocknet werden. Pyrolyse kann in einem Ofen mit Formiergas (z. B. 95% N₂ + 5% H₂) annähernd 20 min lang bei Zimmertemperatur auftreten. Der Gasfluß kann fortgeführt werden, während die Temperatur mit der Rate von beispielsweise 10°C/min auf 400°–600°C erhöht wird, die 60 min lang auf annähernd 500°C gehalten wird. Zur Verbesserung der Graphitgüte kann eine Blitzausheilung durch eine Blitzlampe oder einen Laser benutzt werden.
Danach kann nach Ablagerung der Sperrschicht die zweite ferromagnetische Schicht und der obere Kontakt auf den Kohlenstoff aufgesprüht werden. Zum richtigen Aushärten der festen Magnetschicht kann ein wahlweises Glühen im Magnetfeld angewandt werden. Die zweite ferromagnetische Schicht kann in die gewünschte Form strukturiert werden. Als Wahlmöglichkeit kann die extreme Selektivität der Naß- oder Trockenätzung gegen Kohlenstoff zum Stoppen an der Kohlenstoffschicht benutzt werden. Es kann eine Nitrid- oder Oxid-Schicht (z. B. Al₂O₃) abgelagert werden und es kann eine Abstandsätzung geätzt werden. Der Kohlenstoff kann dann durch eine Trockenätzung strukturiert werden. Danach kann die Struktur mit Oxid angefüllt und planarisiert werden. Zum Bilden des endgültigen Speicherchips können zusätzlich herkömmliche Verfahren notwendig sein.
Es ist von Bedeutung zu erwähnen, daß herkömmliche Dünnmetall-Oxidsperrschichten geringen Verfahrensspielraum aufweisen, um einen selektiven Ätzstopp für freie Schichtstrukturierung bereitzustellen, und dies bedeutet, daß bei herkömmlichen Magnettunnelübergängen eine Vollstapelätzung mit Durchätzen durch die Sperrschicht häufig eine Wiederablagerung von leitfähigen Nebenprodukten ergibt. Demgegenüber bieten Magnettunnelübergänge mit einer Kohlenstoffsperrschicht (in einer Ausführungsform pyrolytischer Kohlenstoff oder in einer Ausführungsform Graphen oder Graphit) nach unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung ausgezeichnete Ätzselektivität aufgrund einer besseren chemischen Selektivität und der Möglichkeit der Verwendung relativ stärkerer Sperrschicht. Daher können Abstandsstrukturierungsverfahren den Prozeßabtrag bedeutend verbessern, da der Wiederablagerungsweg über die Sperrschicht bedeutsam verringert werden kann.
Während die Erfindung besonders unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, sollte der Fachmann verstehen, daß daran verschiedene Änderungen der Form und des Details ausgeführt werden können, ohne aus dem Sinn und Rahmen der Erfindung zu weichen, so wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist. Der Rahmen der Erfindung wird damit durch die beiliegenden Ansprüche angezeigt und alle Änderungen, die in den Bedeutungsbereich und Gleichwertigkeitsbereich der Ansprüche kommen, sollen daher aufgenommen sein.
Zusätzlich kann die Magnetisierungsrichtung der in allen Ausführungsformen der Erfindung beschriebenen Magnetstrukturen planar sein oder senkrecht zur Ebene liegen (selbst wenn die Figuren nur planare Konfigurationen darstellen).

Claims

Magnetoresistiver Sensor umfassend: einen Magnettunnelübergang, wobei der Magnettunnelübergang eine Sperrschicht enthält, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff enthält.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht pyrolytischen Kohlenstoff umfaßt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht Graphen umfaßt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht Graphit umfaßt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht zwischen einer ersten ferromagnetischen Schicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 5, wobei die erste ferromagnetische Schicht eine feste Magnetisierungsorientierung aufweist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 5, umfassend: eine erste, in der Nähe der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnete antiferromagnetische Schicht, wobei die erste antiferromagnetische Schicht zum Verankern der Orientierung der ersten ferromagnetischen Schicht konfiguriert ist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 5, umfassend: eine zweite, in der Nähe der zweiten ferromagnetischen Schicht angeordnete antiferromagnetische Schicht, wobei die zweite antiferromagnetische Schicht zum Verankern der Orientierung der zweiten ferromagnetischen Schicht konfiguriert ist.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 8, wobei die erste ferromagnetische Schicht eine dritte, in der Nähe der ersten antiferromagnetischen Schicht angeordnete ferromagnetische Schicht, eine in der Nähe der dritten ferromagnetischen Schicht angeordnete nichtferromagnetische Schicht und eine vierte, in der Nähe der nichtmagnetischen Schicht angeordnete ferromagnetische Schicht umfaßt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei der magnetoresistive Sensor ein Lesekopf ist, der dazu ausgelegt ist, bei magnetischen Datenspeichersystemen verwendet zu werden, um auf einem magnetischen Datenspeichermedium gespeicherte magnetisch kodierte Informationen zu detektieren.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei der magnetoresistive Sensor dazu ausgelegt ist, in einem globalen Positionsbestimmungssystem verwendet zu werden.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei der magnetoresistive Sensor ein Feldsensor ist, der dazu ausgelegt ist, als Positionssensor für lineare oder Winkelpositionen zu wirken.
Verfahren zum Herstellen eines magnetoresistiven Sensors umfassend: Bilden eines Magnettunnelübergangs; Bilden einer Sperrschicht, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff enthält; und Bilden einer zusätzlichen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sperrschicht pyrolytischen Kohlenstoff umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sperrschicht Graphen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sperrschicht Graphit umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13 umfassend: Bilden einer ersten ferromagnetischen Schicht, wobei die Sperrschicht in der Nähe der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden der ersten ferromagnetischen Schicht folgendes umfaßt: Bilden einer dritten, in der Nähe der ersten antiferromagnetischen Schicht angeordneten ferromagnetischen Schicht; Bilden einer nichtmagnetischen Schicht in der Nähe der dritten ferromagnetischen Schicht; und Bilden einer vierten ferromagnetischen Schicht in der Nähe der nichtmagnetischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine zweite ferromagnetische Schicht in der Nähe der Sperrschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste ferromagnetische Schicht in der Nähe einer ersten antiferromagnetischen Schicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite antiferromagnetische Schicht in der Nähe der zweiten ferromagnetischen Schicht gebildet wird.
Integrierte Schaltung umfassend: einen Magnettunnelübergang enthaltend eine Sperrschicht, wobei die Sperrschicht Kohlenstoff enthält; und eine oder mehrere zusätzliche Schichten.