DE102022128167A1

DE102022128167A1 - Spin-ventil-bauelement und verfahren zum bilden eines spin-ventil-bauelements

Info

Publication number: DE102022128167A1
Application number: DE102022128167.1A
Authority: DE
Inventors: Dieter Suess; Mathias Klaeui; Klemens Pruegl; Wolfgang Raberg; Armin Satz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25
Also published as: US20240133982A1; CN117939995A

Abstract

In der vorliegenden Offenbarung wird ein Spin-Ventil-Bauelement (400), das einen Schichtstapel umfasst, vorgeschlagen. Der Schichtstapel umfasst eine oder mehrere Schichten (106; 107; 108; 109; 110), die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden, eine vortex-magnetisierte freie Schicht, eine nichtmagnetische Schicht (104), die das Bezugssystem von der freien Schicht (102) trennt, und eine oder mehrere Schichten, die eine Vorspannungsstruktur (402) bilden, die mit der freien Schicht (102) austauschgekoppelt ist, wobei die Vorspannungsstruktur eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein magnetoresistive Strukturen und insbesondere Spin-Ventil-Bauelemente, die die TMR- (TMR: Tunnelmagnetowiderstand; tunnel magnetoresistance) oder GMR-Effekte (GMR: Riesenmagnetowiderstand; giant magnetoresistance) ausnutzen.
Hintergrund
Ein Spin-Ventil ist ein Bauelement, das zwei oder mehr leitende magnetische Materialien umfasst, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von einer relativen Ausrichtung der Magnetisierung in verschiedenen Schichten ändern kann. Die Änderung des elektrischen Widerstands kann z. B. ein Ergebnis des GMR-Effekts oder des TMR-Effekts sein. In einem einfachen Fall umfasst ein Spin-Ventil ein nichtmagnetisches Material, das zwischen zwei Ferromagneten sandwichartig angeordnet ist, von denen einer durch einen Antiferromagneten fixiert (gepinnt) ist, der agiert, um seine magnetische Koerzitivfeldstärke zu erhöhen und sich wie eine „harte“ Schicht verhält, während der andere frei (nicht gepinnt) ist und sich wie eine „weiche“ Schicht verhält.
Spin-Ventile können in der Form von Wheatstone-Brücken-Konfigurationen verwendet werden, um Magnetfelder zu erfassen. Im Idealfall sind die in der Brückenkonfiguration verwendeten Spin-Ventile in Bezug auf den elektrischen Widerstand und die magnetische Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur, Versorgungsspannung) aufeinander abgestimmt.
Ein Spin-Ventil kann auf einem Substrat, z. B. einem Halbleiter-Die, abgeschieden werden und umfasst eine magnetische freie Schicht und eine oder mehrere Schichten, die ein ferromagnetisches Bezugssystem bilden. Die magnetische freie Schicht und das Bezugssystem sind durch eine dünne nichtmagnetische Schicht getrennt, die auch als Tunnelbarriere oder Übergang bezeichnet wird. Die freie Schicht und das Bezugssystem können Ferromagnete oder Ferrimagnete mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken (durch Verwendung unterschiedlicher Materialien oder unterschiedlicher Filmdicken) einsetzen, oder eine ferromagnetische oder ferrimagnetische Schicht des Bezugssystems kann mit einem Antiferromagneten gekoppelt sein (Austauschvorspannung (Exchange-Bias)). Die freie Schicht kann derart entworfen sein, dass sie spontan ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der Ebene erzeugt (Vortex-Magnetisierungsmuster), während das Bezugssystem derart gebildet sein kann, dass es ein Magnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss bereitstellt, z. B. ein unidirektionales Magnetisierungsmuster. Ein Spin-Ventil-Bauelement mit vortex-magnetisierter freier Schicht wird im Folgenden auch als Vortex-Spin-Ventil-Bauelement bezeichnet.
Eine Hauptursache für Versatzfehler (Offset-Fehler) in Vortex-Spin-Valve-Brücken-Sensorkonfigurationen ist eine elektrische Fehlanpassung zwischen den verschiedenen Zweigen. Dieser ohmsche Versatzfehlerbeitrag ist in der Regel über die Produkt-Lebensdauer und -Temperatur recht konstant. Folglich kann dieser Fehler durch Hinzufügen einer konstanten Spannung zu dem Brückensignal getrimmt werden. Diese Trimmprozedur funktioniert gut, weil der Spin-Ventil-Fehlanpassungs-Wert und die Trimmvorrichtungen über die Lebensdauer und Temperatur sehr stabil sein können.
Eine zusätzliche Versatzfehlerquelle wird identifiziert, die mit dem Vortex-Zustand von Spin-Ventil-Bauelementen zusammenhängt. Im Idealfall weist der Vortex-Grundzustand (= Magnetisierungskonfiguration für H_ext = 0 mT) Mx=0 auf. Mx=0 führt dazu, dass eine elektrische Spin-Ventil-Antwort über ein perfekt ausgerichtetes Bezugssystem immer den gleichen Widerstands-/Leitfähigkeitswert aufweist.
Als Abweichung erster Ordnung vom Idealfall ist die Mx-Magnetisierung in dem Vortex-Grundzustand nur so lange konstant, wie der Vortex-Zustand nicht annihiliert wird. Nachdem der Vortex-Zustand wieder nukleiert ist, kann die Grundzustandsmagnetisierung Mx - die für den Spin-Ventil-Widerstandswert verantwortlich ist - im Vergleich zu dem Grundzustand vor dem Annihilations-/Nukleationsprozess unterschiedlich sein. Dieser Effekt zweiter Ordnung ist bei perfekten Vortex-Strukturen nicht sichtbar. Sie erfordert eine gewisse Asymmetrie in der Scheibengeometrie, in der lateralen Variation der magnetischen Eigenschaften oder in dem Bezugssystem.
Neben der asymmetrischen Geometrie oder inhomogenen Struktur des Vortexs, die bei der Bauelementherstellung nicht vermieden werden können, definiert die Vortex-Chiralität (Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters) den Unterschied im Grundzustand Mx. Solange das Vortex-Spin-Ventil-Bauelement mit der gleichen Chiralität zurücknukleiert, gibt es keinen Unterschied in der Grundzustandsmagnetisierung Mx. Leider ist die Vortex-Chiralität in Lösungen gemäß den Stand der Technik nicht gut definiert. Die beiden unterschiedlichen Chiralitätszustände (im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn) führen zu der gleichen minimalen Energie, aber mit unterschiedlichem Mx. Dies kann nach der Vortex-Annihilation/Nukleation zu einem Brückenversatzfehler führen.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, den beschriebenen Brückenversatzfehler nach der Vortex-Annihilation zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Zusammenfassung
Dieses Ziel wird durch Bauelemente/Vorrichtungen (devices) und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen angesprochen. Möglicherweise vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden durch die abhängigen Ansprüche angesprochen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Spin-Ventil-Bauelement bereit, das einen Schichtstapel umfasst. Der Schichtstapel des Spin-Ventil-Bauelements umfasst eine oder mehrere Schichten, die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden. Der Schichtstapel des Spin-Ventil-Bauelements umfasst ferner eine vortex-magnetisierte ferromagnetische oder ferrimagnetische freie Schicht und eine nichtmagnetische Schicht, die das Bezugssystem von der freien Schicht trennt. Der Schichtstapel des Spin-Ventil-Bauelements umfasst ferner eine oder mehrere Schichten, die eine Vorspannungsstruktur (Bias-Struktur) bilden, die mit der freien Schicht durch (vorspannungs-)austauschgekoppelt ist . Die Vorspannungsstruktur weist eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung. Die Vorspannungsstruktur, die mit der freien Schicht austauschgekoppelt ist, ermöglicht eine wohldefinierte Vortex-Chiralität und somit eine Mx-Magnetisierung des Spin-Ventil-Bauelements nach dem Vortex-Annihilations-/Nukleations-Prozess der freien Schicht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die nichtmagnetische Schicht ein nichtleitendes Material, das eine Tunnelbarriere in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ; magnetic tunnel junction) bildet. In diesem Fall kann das Spin-Ventil-Bauelement ein MTJ-Bauelement sein, das sich auf den TMR-Effekt stützt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die nichtmagnetische Schicht ein leitendes Material, das einen GMR-Übergang bildet. In diesem Fall kann das Spin-Ventil-Bauelement ein GMR-Bauelement sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Vorspannungsstruktur als Antiferromagnet (AFM) gebildet. Alternativ kann die Vorspannungsstruktur auch als Ferrimagnet oder Ferromagnet gebildet sein. Beides kann zu einer Austauschvorspannung oder Austauschanisotropie führen, die in Doppelschichten (oder Mehrschichten) aus magnetischen Materialien auftritt, wo das Hartmagnetisierungsverhalten einer antiferromagnetischen (oder ferrimagnetischen) Schicht (Vorspannungsstruktur) eine Verschiebung der Weichmagnetisierungskurve einer ferromagnetischen Schicht (freie Schicht) bewirkt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Vortex-Magnetisierung der Vorspannungsstruktur stabiler als die Vortex-Magnetisierung der freien Schicht. Das heißt, dass eine externe Magnetfeldstärke, die für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der Vorspannungsstruktur möglicherweise erforderlich ist, höher ist als für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der freien Schicht. Die Curie-Temperatur (oder Sperrtemperatur) der Vorspannungsstruktur kann niedriger sein als die der freien Schicht. Die Curie-Temperatur der freien Schicht gibt die Temperatur an, bei der die freie Schicht ihre definierte Magnetisierung verliert und in einen ungeordneten Zustand übergeht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das MTJ-Bauelement ferner eine nichtmagnetische oder magnetische Kopplungsschicht zwischen der freien Schicht und der Vorspannungsstruktur. Die Kopplungsschicht kann verwendet werden, eine Kopplungsstärke in Abhängigkeit von der Dicke der Kopplungsschicht anzupassen. Beispielsweise kann die Kopplungsschicht eine Ru- (Ruthenium-) Abstandhalter-Schicht sein. Die Kopplung kann ferromagnetisch oder antiferromagnetisch sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Bezugssystem unterhalb der freien Schicht (unteres Spin-Ventil) angeordnet, während die Vorspannungsstruktur oberhalb der freien Schicht angeordnet ist. Alternativ kann das Bezugssystem oberhalb der freien Schicht (oberes Spin-Ventil) angeordnet sein, während die Vorspannungsstruktur unterhalb der freien Schicht angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Bezugssystem einen ersten Antiferromagneten und die Vorspannungsstruktur umfasst einen zweiten Antiferromagneten. Der erste Antiferromagnet kann eine erste Materialzusammensetzung oder Schichtdicke aufweisen, die sich von einer zweiten Materialzusammensetzung oder Schichtdicke des zweiten Antiferromagneten unterscheidet. Dies kann zu unterschiedlichen Sperrtemperaturen des ersten und des zweiten Antiferromagneten führen. Die Sperrtemperatur bezeichnetdie Temperatur, bei der eine Magnetkopplung zwischen dem Ferromagneten und dem benachbarten Antiferromagneten auftritt. Unterhalb der Sperrtemperatur richten sich die Spins des Ferromagneten bevorzugt in einer Richtung aus, die durch die magnetischen Momente des Antiferromagneten bestimmt wird, während oberhalb derselben die Spins in zufälligen Richtungen sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der erste Antiferromagnet eine höhere Sperrtemperatur auf als der zweite Antiferromagnet. Das bedeutet, dass das magnetische thermische Tempern des ersten Antiferromagneten bei einer höheren Tempertemperatur durchgeführt werden kann als das magnetische thermische Tempern des zweiten Antiferromagneten. Der erste Antiferromagnet kann jedoch auch eine niedrigere Sperrtemperatur aufweisen als der zweite Antiferromagnet. Das bedeutet, dass das magnetische thermische Tempern des ersten Antiferromagneten bei einer niedrigeren Tempertemperatur durchgeführt werden kann als das magnetische thermische Tempern des zweiten Antiferromagneten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der erste Antiferromagnet des Bezugssystems eine niedrigere Sperrtemperatur aufweisen als der zweite Antiferromagnet der Vorspannungsstruktur. Das magnetische thermische Tempern des ersten und des zweiten Antiferromagneten kann bei einer Tempertemperatur durchgeführt werden, die höher ist als die Sperrtemperaturen der beiden Antiferromagneten (und mit einem schwachen Magnetfeld).
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die freie Schicht eine rotationssymmetrische oder eine elliptische Form auf. Die freie Schicht kann zum Beispiel eine Scheibenform aufweisen. Die spontane Vortex-Bildung kann erleichtert werden, wenn eine Scheibenform oder eine hochsymmetrische Form verwendet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines Spin-Ventil-Bauelements bereit. Das Verfahren umfasst Bereitstellen einer oder mehrerer Schichten, die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden, Bereitstellen einer vortex-magnetisierten freien Schicht, Bereitstellen einer nichtmagnetischen Schicht (z. B. Übergang oder Tunnelbarriere), die das Bezugssystem von der freien Schicht trennt, und Bereitstellen einer oder mehrerer Schichten, die eine Vorspannungsstruktur bilden, die mit der freien Schicht austauschgekoppelt ist, wobei die Vorspannungsstruktur eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweist. Das Spin-Ventil-Bauelement kann zum Beispiel ein MTJ-Bauelement oder ein GMR-Bauelement sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren Bereitstellen einer rotationssymmetrischen Form an die freie Schicht, um spontan einen Vortex-Zustand in der freien Schicht zu bilden, Tempern der Vorspannungsstruktur bei einer ersten Tempertemperatur, die höher ist als eine Sperrtemperatur der Vorspannungsstruktur, und Tempern des Bezugssystems bei einer zweiten Tempertemperatur, die höher ist als eine Sperrtemperatur des Bezugssystems, aber niedriger als die Sperrtemperatur der Vorspannungsstruktur.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird während des Temperns des Bezugssystems ein externes unidirektionales Magnetfeld angelegt. Während des Temperns der Vorspannungsstruktur wird kein externes Magnetfeld angelegt. Auf diese Weise kann sich eine kreisförmige Austauschvorspannung in der Vorspannungsstruktur bilden, die dann eine definierte Chiralität in dem Freie-Schicht-Vortex unterstützen kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird während des Temperns des Bezugssystems und des Temperns der Vorspannungsstruktur ein externes unidirektionales Magnetfeld angelegt. Das Bezugssystem und die Vorspannungsstruktur können in einem Prozess unter Anwesenheit des externen unidirektionalen Magnetfeldes getempert werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird während des Temperns ein externes unidirektionales Magnetfeld angelegt, sodass zumindest eine Schicht des Bezugssystems parallel zu einer Richtung des externen unidirektionalen Magnetfelds ausgerichtet ist. Das externe unidirektionale Magnetfeld kann ausreichend klein sein, sodass der Vortex in der freien Schicht nicht wesentlich aus der Gleichgewichtsrichtung verschoben wird. Dann kann nur ein Tempern der gesamten Struktur (Spin-Ventil) durchgeführt werden. Daher können die Vorspannungsstruktur und das Bezugssystem in demselben Prozess getempert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen gilt

1A zeigt eine Seitenansicht eines ersten Schichtstapels eines Spin-Ventils;
1B zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Schichtstapels eines Spin-Ventils;
2A zeigt einen Schichtstapel eines Spin-Ventils mit einer vortex-magnetisierten freien Schicht;
2B zeigt eine Wheatstone-Brücken-Konfiguration von Spin-Ventilen;
3 zeigt vortex-magnetisierte freie Schichten mit unterschiedlicher Chiralität;
4A zeigt einen Schichtstapel eines Spin-Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
4B zeigt einen Schichtstapel eines Spin-Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
5A-C zeigen ein Verfahren zum Bilden eines Spin-Ventil-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Andere Beispiele können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin verwendet wird, um bestimmte Beispiele zu beschreiben, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente und/oder Merkmale, die 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.
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 eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt entsprechend für Kombinationen aus mehr als zwei Elementen.
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 Gebrauch das Vorliegen der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorliegen oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
Magnetoresistive Sensorbauelemente, z. B. Riesenmagnetowiderstands- (GMR-; giant magneto-resistive) oder Tunnelmagnetowiderstands- (TMR-; tunnel magneto-resistive) Bauelemente (die auch als ein Spin-Ventil bekannt sind) können einen Schichtstapel aus abwechselnden ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Schichten aufweisen. GMR- und TMR-Spin-Ventile-Bauelemente werden im Folgenden allgemein auch als xMR-Bauelemente bezeichnet.
Von oben nach unten kann ein xMR-Bauelement bei einem Ausführungsbeispiel eine antiferromagnetische Pinning-Schicht, eine ferromagnetische gepinnte Schicht, eine paramagnetische oder diamagnetische Kopplungsschicht, eine ferromagnetische Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung mit einem linearen oder geraden Muster, eine elektrisch isolierende Tunnelbarriere oder diamagnetische Schicht und eine ferromagnetische freie Schicht aufweisen. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die obige Zusammensetzung aus Schichten nur eine von vielen Möglichkeiten ist, ein xMR-Sensorbauelement zu bilden. Eine umgekehrte Zusammensetzung ist ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann die freie Schicht eine Zusammensetzung aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten umfassen. Eine freie Schicht, die aus einer Mehrschichtstruktur mit Schichten mit einer Leitfähigkeit nahe der Kopplungsschicht und Schichten mit einer geringen Leitfähigkeit weiter weg von der Kopplung besteht, kann für einige Anwendungen vorteilhaft sein. Die freie Schicht oder die gepinnte Schicht können Mehrschichtstrukturen sein, die Spin-Injektionsschichten umfassen, die zu einer hohen Spin-Polarisierung führen.
1A und 1B zeigen Seitenansichten von Ausführungsbeispielen von xMR-Bauelementen 100 mit unterschiedlichen Schichtstapeln 101.
Im Folgenden werden GMR-Bauelemente als Beispiele für xMR-Bauelemente kurz vorgestellt. GMR-Bauelemente werden in einer sogenannten CIP-Konfiguration (CIP = Current-In-Plane) betrieben, d. h. der angewandte elektrische Strom fließt parallel zu der Lagenstruktur. Bei den GMR-Bauelementen gibt es einige Basistypen, die in der Praxis Akzeptanz gewonnen haben. Einige beispielhafte GMR-Bauelemente für den praktischen Einsatz sind in 1A und 1B dargestellt.
Das GMR-Bauelement 100, das in 1A dargestellt ist, zeigt ein Spin-Ventil-System, bei dem eine nichtmagnetische Schicht 104 so dick gewählt ist, dass sich keine Kopplung von ferromagnetischen Schichten 102, 106 entwickelt. Eine untere ferromagnetische Schicht 106 ist stark an eine antiferromagnetische Schicht 108 gekoppelt, sodass sie eine unidirektionale bevorzugte Magnetisierungsrichtung erhält (also nicht wie ein Permanentmagnet ist, da dort die beiden antiparallelen Zustände die gleiche Energie aufweisen) und magnetisch hart ist (vergleichbar mit einem Permanentmagneten). Die ferromagnetische Schicht 106 kann als eine Referenzschicht betrachtet werden. Die obere ferromagnetische Schicht 102 ist eine weichmagnetische Schicht und dient als eine freie Schicht. Sie kann bereits durch ein kleines externes Magnetfeld M wieder magnetisiert werden, wodurch sich ihr elektrischer Widerstand R ändert. Die magnetische freie Schicht 102 kann ausgebildet sein, um spontan ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (in den Seitenansichten von 1A, 1B nicht sichtbar) in der freien Schicht 502 zu erzeugen. Die Referenzschicht 106 weist ein Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss auf. Die Referenzschicht 106 kann unidirektional magnetisiert sein (z. B. in x-Richtung). Das Referenzmagnetisierungsmuster mit nicht geschlossenem Fluss kann anders ausgedrückt einem homogenen, geraden, uniaxialen oder linearen Magnetfeld mit null Rotation (zero curl) und null Divergenz entsprechen. Ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss kann auch als ein Vortex-Zustand bezeichnet werden. Ein spontan erzeugter Vortex-Zustand kann sich z. B. in der freien Schicht 102 direkt nach seiner Erzeugung bilden, oder wenn kein externes Magnetfeld angelegt ist.
Die vortex-magnetisierte ferromagnetische freie Schicht 102 ist durch eine nichtmagnetische Schicht 104 von der Referenzschicht 106 getrennt, deren unidirektionale Magnetisierungsrichtung jedoch durch die Kopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht 108 mittels der sogenannten „Exchange-Bias-Interaktion“ (Austausch-Vorspannungs-Interaktion) gepinnt ist. Die prinzipielle Funktionsweise einer Spin-VentilStruktur kann mit Hilfe der Magnetisierung und der R(H)-Kurve in 1A dargestellt werden. Die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 106 kann in der negativen Richtung gepinnt sein. Wenn das externe Magnetfeld M von negativen zu positiven Werten zunimmt, kann die „freie“ ferromagnetische Schicht 102 in der Nähe des Nulldurchgangs (H = 0) schalten und der Widerstand R kann scharf ansteigen. Der Widerstand R kann dann hoch bleiben, bis das externe Magnetfeld M groß genug ist, um die Austauschkopplung zwischen der Referenzschicht 106 und der antiferromagnetischen Schicht 108 zu überwinden und auch die Referenzschicht 106 zu schalten. Bei dem Beispiel von 1A wird das Spin-Ventil-Bauelement 100 von oben mit Hilfe von Kontakten 181 und 182 kontaktiert. Optional können die Kontakte 181 und 182 entsprechende Kontakt-Vias 191, 192 aufweisen, die sich vertikal durch eine oder mehrere (z. B. alle) Schichten des magnetoresistiven Schichtstapels 101 erstrecken. Die Vias 191, 192 können eine elektrische Verbindung zu den elektrischen Kontakten 181, 182 durch eine oder mehrere (z. B. alle) Schichten der magnetoresistiven Struktur 101 bereitstellen. Alternativ könnten sich die Kontaktanschlussflächen 181 und 182 auch am Boden befinden.
Der GMR-Schichtstapel 101, der in 1B dargestellt ist, unterscheidet sich von dem GMR-Bauelement, das in 1A dargestellt ist insofern, als die untere antiferromagnetische Schicht 108 von 1A durch eine Kombination eines natürlichen Antiferromagneten (AFM) 110 und eines synthetischen Antiferromagneten 106, 107, 109 (SAF; synthetic antiferromagnet) oben ersetzt ist, die aus der ferromagnetischen Schicht 106 (Referenzschicht), einer ferromagnetischen Schicht 107 (gepinnte Schicht) und einer nichtmagnetischen Kopplungsschicht 509 dazwischen zusammengesetzt ist. Auf diese Weise kann die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Referenzschicht 106 gepinnt sein. Die obere ferromagnetische Schicht 102 dient wiederum als freie Schicht, deren Vortex-Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld M manipuliert werden kann. Der Vorteil der Verwendung der Kombination von natürlichen und synthetischen Antiferromagneten gegenüber der Konstruktion nach 1A kann eine größere Feld- und Temperaturstabilität sein. Bei dem Beispiel von 1B wird der Schichtstapel 501 von unten mit Hilfe von Kontakten 581 und 582 kontaktiert, die entsprechende Vias 191, 192 umfassen, die eine elektrische Verbindung mit elektrischen Kontakten 181, 182 durch eine oder mehrere (z. B. alle) Schichten des Schichtstapels 101 bereitstellen können. Alternativ könnten sich die Kontakte 181, 182 auch oben befinden.
Bei den dargestellten Beispielen sind die Spin-Valve-Schichtstapel 101 als GMR-Sensorelemente in einer CIP-Konfiguration implementiert. Während des Betriebs oder wenn sie mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt sind, fließt Strom entlang der Schichten (in der Ebene). Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt jedoch, dass andere Ausführungsbeispiele auch als ein TMR-, anisotropes (AMR), kolossales (CMR), extraordinäres (EMR) oder irgendein anderes xMR-Sensorelement implementiert sein können. Ein TMR-Bauelement kann zum Beispiel erhalten werden, wenn die nichtmagnetische Schicht 104 aus einem nichtleitenden Material hergestellt ist, das eine dünne Tunnelbarriere bildet. TMR-Bauelemente können in einer so genannten CPP-Konfiguration (CPP =current-perpendicular-to-plane; Strom-senkrecht-zu-Ebene) verwendet werden.
2A zeigt schematisch ein TMR-Bauelement 200 mit einer vortex-magnetisierten ferromagnetischen freien Schicht 102.
Von unten nach oben betrachtet, umfasst das TMR-Bauelement 200 eine antiferromagnetische Pinning-Schicht 110 und eine ferromagnetische Gepinnte-Schicht (Pinned-Schicht) 107. Der Kontakt zwischen der Pinning-Schicht 110 und der gepinnten Schicht 107 provoziert den Austausch-Vorspannungs-Effekt, was bewirkt, dass sich die Magnetisierung der gepinnten Schicht 107 in einer bevorzugten (unidirektionalen) Richtung ausrichtet. Anders ausgedrückt die gepinnte Schicht 107 kann ein lineares magnetisches Flussmuster aufweisen, das bei dem Beispiel von 2A parallel zu der x-Richtung ist. Das TMR-Bauelement 200 umfasst ferner eine Kopplungsschicht 109. Die Kopplungsschicht 109 kann diamagnetisch sein und kann z. B. Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) oder Kupfer-Legierungen und ähnliche Materialien aufweisen. Die Kopplungsschicht 109 trennt die gepinnte Schicht 107 räumlich von der ferromagnetischen Referenzschicht 106. Unter Verwendung dieses Aufbaus kann sich die Magnetisierung der Referenzschicht 106 ausrichten und in einer Richtung antiparallel zu der Magnetisierung der gepinnten Schicht 107 gehalten werden. Das TMR-Bauelement 200 umfasst auch eine Tunnelbarriere 104, die elektrisch isolierend ist und die Referenzschicht 106 von einer ferromagnetischen freien Schicht 102 trennt. Die Tunnelbarriere kann zum Beispiel MgO, AlO oder TiO umfassen. Die freie Schicht 102, die Referenzschicht 106 und die gepinnte Schicht 107 können bei einigen Ausführungsbeispielen Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) und bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen Legierungen derselben aufweisen Legierungen können auch nicht-ferromagnetische Materialien aufweisen, z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und Sauerstoff, wobei ferromagnetische Materialien zumindest 50 % einer Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Zum Beispiel können Schichten Kobalt-Eisen- (CoFe-), CoFeB-, oder Nickel-Eisen-, NiFe-, Legierungen aufweisen. Im Gegensatz dazu kann die Pinning-Schicht 111 beispielsweise Iridium, Mangan, Platin oder Legierungen, die dieselben aufweisen, umfassen.
Während des Betriebs oder wenn sie mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt sind, können elektrische Ladungen von einer Seite der Tunnelbarriere 104 zu der anderen (CPP) in einer vorbestimmten Menge passieren, wenn ein externes Magnetfeld angelegt ist. Der TMR-Effekt ist ein quantenphysikalisches Phänomen, das sich in einer Änderung der Mdenge an Ladungen äußert, die die Tunnelbarriere 104 passiert, wenn die Richtung des externen Magnetfelds geändert wird. Dieser Effekt kann durch Richtungsänderungen der Magnetisierung der freien Schicht 102 entstehen, die durch das wechselnde externe Magnetfeld verursacht werden.
Die freie Schicht 116 in 2A ist von kreisförmiger Form oder, anders ausgedrückt, weist eine scheibenartige Struktur auf. Die Scheibe weist einen Durchmesser d auf, der zum Beispiel in einem Bereich von einhundert nm bis 10 µm liegen kann. Die Scheibe weist ferner eine Dicke t in dem Bereich von z. B. 10 nm bis 100 bis 300 nm auf. Die Dicke kann eine Dicke der Referenzschicht 106 übersteigen. Das Bereitstellen einer Schicht mit einer rotationssymmetrischen Struktur kann zu einer spontanen Bildung eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in der freien Schicht 102 führen. Je nach der genauen Form der freien Schicht 102 kann das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss zum Beispiel zumindest teilweise ein Landau-Muster, ein Umfangsmuster, ein Vortex-Muster oder eine Kombination von irgenwelchen der zuvor genannten Muster aufweisen. Ein Landau-Muster weist zumindest teilweise eine polygonartige geschlossene Form auf, während ein Umfangsmuster eine glattere, rundere geschlossene Form aufweisen kann. Ein reines Vortex-Muster kann im Wesentlichen kreisförmig sein. Ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der Ebene kann jedoch irgendeine Kombination der zuvor genannten Muster aufweisen. Darüber hinaus kann eine geschlossene Magnetisierungslinie eines Magnetisierungsmusters vollständig nach irgendeinem der zuvor genannten Muster geformt sein, aber auch Abschnitte aufweisen, die einem anderen Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss folgen. Die verschiedenen Arten von Magnetisierungsmustern mit geschlossenem Fluss können auch als Vortex bezeichnet werden. Der Vortex-Zustand kann anders ausgedrückt erhalten werden durch Auswählen der Scheibendicke t in dem Bereich von z. B. 30 nm bis 300 nm und des Scheibendurchmessers d zwischen 500 nm und 5 µm (siehe z. B. Scholz, W., Guslienko, K. Y., Novosad, V., Suess, D., Schrefl, T., Chantrell, R. W., & Fidler, J. (2003). Transition from single-domain to vortex state in soft magnetic cylindrical nanodots. Journal of magnetism and magnetic materials, 266(1-2), 155-163). Bei einem verschwindenden externen Magnetfeld kann sich ein Zentrum der Vortex im Wesentlichen in einem Zentrum der magnetischen freien Schicht 102 derart befinden, dass eine Nettomagnetisierung der jeweiligen magnetischen freien Schicht im Wesentlichen verschwindet.
Ein magnetisches xMR-Sensorkonzept mit einer freien Schicht 102 in Vortex-Konfiguration kann eine Hysterese von nahezu Null aufweisen, was für Anwendungen wie beispielsweise die Radgeschwindigkeitserfassung oder Stromerfassung besonders interessant sein kann. Voraussetzung für eine geringe Hysterese kann das Vorhandensein des Vortex-Zustands sein. Kritische Parameter, die das Regime beschreiben können, in dem der Vortex-Zustand existiert, sind das Nukleationsfeld Hn, in dem der Vortex nukleiert, und das Annihilationsfeld Han, in dem er wieder zerstört wird.
xMR-Bauelemente mit freien Schichten 102 in Vortex-Konfiguration können in der Form von Wheatstone-Brücken-Konfigurationen zur Erfassung von Magnetfeldern verwendet werden. Eine Wheatstone-Brücken-Konfiguration ist im Stand der Technik allgemein bekannt und in 2B dargestellt. Im idealen Anwendungsfall sind die in der Brückenkonfiguration verwendeten xMR-Bauelemente in Bezug auf den elektrischen Widerstand und die magnetische Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z. B.: Temperatur, Versorgungsspannung) aufeinander abgestimmt. Eine Hauptursache für Versatzfehler in der Vortex-xMR-Brückenkonfiguration ist eine elektrische Fehlanpassung zwischen verschiedenen Zweigen (z. B. linker und rechter Zweig). Dieser ohmsche Versatzfehlerbeitrag ist in der Regel über die Produkt-Lebensdauer und -Temperatur recht konstant. Folglich kann dieser Fehler durch Hinzufügen einer konstanten Spannung zu dem Brückensignal getrimmt werden (V1-V2). Diese Trimmprozedur funktioniert sehr gut, weil der xMR-Fehlanpassungs-Wert und die Trimmvorrichtungen über die Lebensdauer und Temperatur sehr stabil sind. Eine zusätzliche Versatzfehlerquelle wird identifiziert, die mit dem Vortex-Zustand der xMR-Bauelemente zusammenhängt. Im Idealfall (siehe 2) weist der Vortex-Grundzustand (= Magnetisierungskonfiguration für Hext = 0mT) Mx=0 auf. Mx=0 führt dazu, dass die elektrische xMR-Antwort über ein perfekt ausgerichtetes Bezugssystem immer den gleichen Widerstands-/Leitfähigkeitswert aufweist. In einer solchen Wheatstone-Brücken-Konfiguration kann die Bezugssystemsausrichtung bei zwei der Sensoren in entgegengesetzten Richtungen liegen, um einen linearen Feldsensor zu implementieren. Diese unterschiedlichen Referenzschicht-Richtungen der Magnetisierung können durch lokales Erwärmen einzelner Elemente durch Lasertempern und Anlegen von Feldern in unterschiedlichen Richtungen implementiert werden, wenn verschiedene Elemente lasergetempert werden.
Als Abweichung erster Ordnung von einem Idealfall ist eine Mx-Magnetisierung in einem Vortex-Grundzustand nur so lange konstant, wie der Vortex-Zustand nicht annihiliert wird. Nachdem der Vortex-Zustand wieder nukleiert ist, kann die Grundzustandsmagnetisierung Mx - die für den Widerstandswert des xMR-Bauelements verantwortlich ist - im Vergleich zu dem Grundzustand vor dem Annihilations-/Nukleationsprozess unterschiedlich sein. Dieser Effekt zweiter Ordnung ist bei perfekten Vortex-Strukturen nicht sichtbar. Er erfordert eine gewisse Asymmetrie in der Scheibengeometrie oder auch im Bezugssystem (siehe 3).
Neben der asymmetrischen Geometrie oder inhomogenen Struktur des Vortexs, die bei der Bauelementherstellung nicht vermieden werden können, definiert die Vortex-Chiralität (Vortex-Rotationsrichtung) den Unterschied im Grundzustand Mx. Solange das Vortex-xMR-Bauelement mit der gleichen Chiralität zurücknukleiert, gibt es keinen Unterschied in der detektierten Grundzustandsmagnetisierung Mx.
Um eine gut definierte Mx-Magnetisierung nach dem Annihilations-/Nukleationsprozess zu erhalten, sollte die Vortex-Chiralität gut definiert sein. Gut definiert bedeutet, dass die Vortex-Chiralität der freien Schicht 102 durch nachfolgende Annihilations-/Nukleationsprozesse nicht verändert werden sollte. Eine zusätzliche, aber wichtige Randbedingung kann sein, dass die Vortex-Chiralität für jeden Annihilations-/Nukleationsprozess definiert werden sollte. Die Vortex-Annihilation kann mit irgendeiner Feldrichtung erreicht werden, die angelegte Feldstärke muss größer sein als das Annihilationsfeld Han, aber die Richtung kann beliebig sein. Die gleiche Bedingung gilt für die Vortex-Nukleation. Ein Problem besteht darin, die Vortex-Chiralität für alle möglichen Bedingungen zu definieren.
In der vorliegenden Offenbarung wird vorgeschlagen, dieses Problem zu lösen, indem ein Vorspannungs- (Bias-) Feld-Effekt direkt auf die freie Schicht 102 eines xMR- oder Spin-Ventil-Bauelements angewandt wird. Das angewandte Vorspannungsfeld sollte eine Vortex-Magnetisierung mit einer bestimmten Chiralität aufweisen. Der Effekt zur Erzeugung des Vorspannungsfeldes kann der Austauschvorspannungs- (EB-; exchange bias) Effekt sein - ein Vorspannungseffekt zwischen einer Schicht aus ferromagnetischem Material (FM) (freie Schicht 102) und einer Vorspannungsstruktur, die oben auf der freien Schicht 102 abgeschieden ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spin-Ventil-Bauelements 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist in 4A gezeigt.
Wie die oben erwähnten Spin-Ventil-Bauelementen 100, 200 umfasst das Spin-Ventil-Bauelement 400 einen Schichtstapel, der eine oder mehrere Schichten 106, 107, 109, 110 umfasst, die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden, eine vortex-magnetisierte ferromagnetische freie Schicht 102, eine nichtmagnetische Schicht 104, die das Bezugssystem 106, 107, 109, 110 von der freien Schicht 102 trennt. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass das Bezugssystem alternativ auch Schichten 106 und 108 umfassen kann, wie in 1A. Die nichtmagnetische Schicht 104 kann als Tunnelbarriere oder als GMR-Übergang ausgebildet sein, je nachdem, ob das Bauelement 400 ein MTJ- (magnetischer Tunnelübergang) oder ein GMR-Bauelement ist.
Zusätzlich umfasst das Spin-Ventil-Bauelement 400 eine oder mehrere Schichten, die eine Vorspannungsstruktur 402 bilden, die mit der freien Schicht 102 austauschgekoppelt ist. Die Vorspannungsstruktur 402 weist eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung (vorbestimmte Vortex-Chiralität) auf. Wie in 4A angezeigt, kann die Vorspannungsstruktur 402 als (natürlicher) Antiferromagnet ausgebildet sein, der mit der freien Schicht 102 austauschgekoppelt ist. Alternativ kann die Vorspannungsstruktur 402 auch als Ferrimagnet oder als Ferromagnet mit hoher Koerzitivfeldstärke ausgebildet sein, der mit der freien Schicht 102 austauschgekoppelt ist. Die Vortex-Magnetisierung der Vorspannungsstruktur 402 kann stabiler sein als die Vortex-Magnetisierung der freien Schicht 102, was bedeutet, dass eine externe Magnetfeldstärke, die für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der Vorspannungsstruktur 402 erforderlich ist, höher sein kann als für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der freien Schicht 102.
Eine technische Implemetierung besteht daher darin, eine zusätzliche antiferromagnetische Schicht 402 oben auf die freie Schicht 102 abzuscheiden. Ein Beispiel für eine Materialzusammensetzung der freien Schicht 102 ist NiFe, z. B. Ni₈₀Fe₂₀. Ein weiteres Beispiel für die Materialzusammensetzung der freien Schicht 102 ist CoFe, z. B. Co₉₀Fe₁₀ oder Co₇₀Fe₃₀. Ein weiteres Beispiel für die Materialzusammensetzung der freien Schicht 102 ist CoFeB, z. B. Co₆₀Fe₂₀B₂₀ oder Co₇₂Fe₈B₂₀. Beispiele für die Materialzusammensetzung des Antiferromagneten 402 sind PtMn, IrMn, NiMn, MnN. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass der Antiferromagnet 402 auch unterhalb der freien Schicht 102, z. B. in einer Top-Spin-Ventil-(TSV-) Anordnung, abgeschieden werden kann. Zusätzlich, weil die antiferromagnetische Pinning-Schicht 402 identisch sein kann mit der antiferromagnetischen Pinning-Schicht 110, die in dem magnetischen Bezugssystem 106, 107, 109, 110 verwendet wird. Um eine definierte Austauschvorspannung in dem Bezugssystem 106, 107, 109, 110 und in dem freien Schichtsystem zu erhalten, können die beiden antiferromagnetischen Schichtmaterialsysteme korreliert werden.
In der Regel weist die antiferromagnetische Pinning-Schicht 110 in dem Bezugssystem eine höhere Sperrtemperatur auf. Dies bedeutet eine Temperatur, die erforderlich ist, um die unidirektionale Referenzmagnetisierung (z. B. in x-Richtung) zu annihilieren. Nach der Bauelementstrukturierung kann sich der Vortex-Zustand in der freien Schicht 102 spontan bilden. In einem zweiten Temperschritt, bei dem die Temperatur höher als die Sperrtemperatur des austauschgekoppelten freien Schichtmaterials, aber niedriger als die Sperrtemperatur des Bezugssystems ist, wird die Vortex-Magnetisierung der freien Schicht 102 in die Vorspannungsstruktur 402 eingeprägt. Nach diesem Schritt hat man ein Vortex-Muster mit einer definierten Chiralität in der zusätzlichen Vorspannungsstruktur 402. Dieser Austauschvorspannungseffekt kann die Vortex-xMR-Chiralität für die freie Schicht 102 nach beliebigen Vortex-Annihilations-/Nukleationsprozessen definieren.
Eine weitere mögliche Implementierung ist in 4B dargestellt und kann durch die Verwendung einer nichtmagnetischen oder magnetischen Kopplungsschicht 404 zwischen der freien Schicht 102 und der (Austausch-)Vorspannungsstruktur 402 implementiert werden. Mit Hilfe der Kopplungsschicht 404 kann die Austauschvorspannung zwischen der freien Schicht 102 und der (Austausch-)Vorspannungsstruktur 402 und/oder eine Hysterese abgestimmt werden.
Bei der Beispielimplementierung ohne Kopplungsschicht kann eine freie Schicht 102 aus z. B. 80 nm CoFeB und eine Vorspannungsstruktur 402 mit einer antiferromagnetischen Schicht 402 aus 5 nm IrMn verwendet werden. Bei einer Beispielimplementierung mit Kopplungsschicht 104 können eine freie Schicht 102 aus z. B. 80 nm CoFeB, eine Kopplungsschicht aus 3 nm CoFe und eine Vorspannungsstruktur 402 mit einer antiferromagnetischen Schicht 402 aus 5 nm IrMn verwendet werden. Bei einem Beispiel mit ferromagnetischer und nicht-ferromagnetischer Kopplungsschicht kann eine freie Schicht 102 aus z. B. 80 nm CoFeB, eine nicht-ferromagnetische Kopplungsschicht aus 0,2 nm Ta, eine ferromagnetische Kopplungsschicht aus 3 nm CoFe und eine Vorspannungsstruktur 402 mit einer antiferromagnetischen Schicht 402 aus 5 nm IrMn verwendet werden.
Bezug nehmend nun auf 5A-C wird ein Ausführungsbeispiel eines Prozesses zum Bilden eines Spin-Ventil-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
5A zeigt einen Schritt des Bildens eines Spin-Ventil-Schichtstapels umfassend eine oder mehrere Schichten, die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem 106, 107, 109, 110, eine vortex-magnetisierte ferromagnetische freie Schicht 102 und eine nichtmagnetische Schicht 104 bilden, die das Bezugssystem von der freien Schicht 102 trennt. Die Bildung des Spin-Ventil-Schichtstapels umfasst ferner Bilden einer oder mehrerer Schichten, die eine Vorspannungsstruktur (antiferromagnetische Schicht) 402 bilden. Die Vorspannungsstruktur 402 kann über (auf) der freien Schicht 102 bereitgestellt werden. Wie in 5A weiter gezeigt, kann das Bezugssystem 106, 107, 109, 110 bei einer ersten magnetischen Tempertemperatur getempert werden, die höher ist als die Sperrtemperatur des Bezugssystems 106, 107, 109, 110.
In einem weiteren in 5B gezeigten Schritt können in der freien Schicht 102 und der/den Schicht(en) der Vorspannungsstruktur 402 jeweils rotationssymmetrische oder elliptische Formen gebildet werden, um spontan einen Vortex-Zustand in der freien Schicht 102 und/oder der Vorspannungsstruktur 402 zu bilden. Hier kann sich in der freien Schicht 102 eine zirkuläre Magnetisierung aufbauen, da die Austauschvorspannung der Vorspannungsstruktur 402 für eine lineare Ausrichtung der Magnetisierung zu schwach ist.
In einem weiteren in 5C gezeigten Schritt kann/können die antiferromagnetische(n) Schicht(en) der Vorspannungsstruktur 402 bei einer zweiten magnetischen Tempertemperatur, die höher ist als die Sperrtemperatur der Vorspannungsstruktur 402, magnetisch getempert werden. Die zweite magnetische Tempertemperaturkann höher sein als die Sperrtemperatur des Bezugssystems 106, 107, 109, 110. Dies kann z. B. erreicht werden, wenn der Antiferromagnet des Bezugssystems 106, 107, 109, 110 eine andere Materialzusammensetzung oder Schichtdicke aufweist als der Antiferromagnet der Vorspannungsstruktur 402. PtMn weist zum Beispiel eine höhere Sperrtemperatur veglichen mit IrMn auf. 5 nm IrMn weist eine niedrigere Sperrtemperatur als 10 nm IrMn auf. Bei der zweiten magnetischen Tempertemperatur kann die Vortex-Magnetisierung der freien Schicht 102 in die Vorspannungsstruktur 402 eingeprägt (gepinnt) werden. Nach der Abkühlung ohne irgendein externes Magnetfeld bildet sich in dem oberen Antiferromagneten 402 eine kreisförmige Austauschvorspannung und unterstützt eine definierte Chiralität in dem Freie-Schicht-Vortex. Die untere Austauschvorspannung des Bezugssystems 106, 107, 109, 110 bleibt in ihrer ursprünglichen Richtung.
Während in 5A-C ein BSV (Bottom-Spin-Ventil; unteres Spin-Ventil) gezeigt wird, funktioniert das gleiche Prinzip auch für ein TSV (Top-Spin-Ventil; oberes Spin-Ventil).
Die vorliegende Offenbarung schlägt Spin-Ventile mit unidirektional magnetisiertem Bezugssystem in Kombination mit einer in Umfangsrichtung magnetisierten freien Schicht (Vortex-Magnetisierung) vor. Die freie Schicht weist eine Vortex-Magnetisierung ohne irgendwelche Vorspannungsfeldbeiträge auf. Der Freie-Schicht-Vortex wird spontan nach Strukturierung auf ein geeignetes D/t-Maß (D = Durchmesser, t = Dicke (thickness)) gebildet. Oben auf die freie Schicht vom Typ Vortex kann eine antiferromagnetische Schicht platziert werden, um die Freie-Schicht-Chiralität nach Annihilations-/Nukleationsprozessen vorzuspannen. Die Austauschvorspannung auf der freien Schicht bestimmt nicht die Vortex-Magnetisierung, sondern nur die Chiralität des Vortexs.
Der Antiferromagnet kann durch unterschiedliche Materialzusammensetzungen, unterschiedliche Kristallinität oder Schichtdicke entworfen sein, um sich von dem Antiferromagneten in dem Bezugssystem zu unterscheiden. Um die Vortex-Magnetisierung in der antiferromagnetischen Schicht zu definieren, ohne die Referenzschichtausrichtung zu verschlechtern, sind unterschiedliche Sperrtemperaturverteilungen erforderlich.
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 die Merkmale in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
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 umfassen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Wenn einige Aspekte im Zusammenhang mit einem Bauelement oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Zum Beispiel kann ein Block, ein Bauelement oder ein funktionaler Aspekt des Bauelements oder des Systems einem Merkmal, wie beispielsweise einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend 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 eines entsprechenden Bauelements oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
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 irgendeines 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 irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch umfasst sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Scholz, W., Guslienko, K. Y., Novosad, V., Suess, D., Schrefl, T., Chantrell, R. W., & Fidler, J. (2003). Transition from single-domain to vortex state in soft magnetic cylindrical nanodots. Journal of magnetism and magnetic materials, 266(1-2), 155-163) [0043]

Claims

Ein Spin-Ventil-Bauelement (400), umfassend einen Schichtstapel umfassend eine oder mehrere Schichten (106; 107; 108; 109; 110), die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden; eine vortex-magnetisierte freie Schicht (102); eine nichtmagnetische Schicht (104), die das Bezugssystem von der freien Schicht (102) trennt; und eine oder mehrere Schichten, die eine Vorspannungsstruktur (402) bilden, die mit der freien Schicht (102) austauschgekoppelt ist, wobei die Vorspannungsstruktur eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweist.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß Anspruch 1, wobei die nichtmagnetische Schicht (104) ein nichtleitendes Material umfasst, das eine Tunnelbarriere bildet.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß Anspruch 1, wobei die nichtmagnetische Schicht (104) ein leitendes Material umfasst, das einen Riesenmagnetowiderstands-, GMR-, Übergang bildet.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorspannungsstruktur (402) als ein Antiferromagnet gebildet ist.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorspannungsstruktur (402) als ein Ferrimagnet gebildet ist.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine externe Magnetfeldstärke, die für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der Vorspannungsstruktur (402) erforderlich ist, höher ist als für die Annihilation der Vortex-Magnetisierung der freien Schicht (102).
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine nichtmagnetische oder magnetische Kopplungsschicht (404) zwischen der freien Schicht (102) und der Vorspannungsstruktur (402).
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bezugssystem (106; 107; 108; 109; 110) und die Vorspannungsstruktur (402) auf verschiedenen Seiten der freien Schicht (102) angeordnet sind.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bezugssystem (106; 107; 108; 109; 110) einen ersten Antiferromagneten umfasst und die Vorspannungsstruktur (402) einen zweiten Antiferromagneten umfasst, wobei der erste Antiferromagnet eine erste Materialzusammensetzung oder Schichtdicke aufweist, die sich von einer zweiten Materialzusammensetzung oder Schichtdicke des zweiten Antiferromagneten unterscheidet.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bezugssystem (106; 107; 108; 109; 110) einen ersten Antiferromagneten umfasst und die Vorspannungsstruktur (402) einen zweiten Antiferromagneten umfasst, wobei der erste Antiferromagnet eine andere Sperrtemperatur als der zweite Antiferromagnet aufweist.
Das Spin-Ventil-Bauelement (400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die freie Schicht (102) eine rotationssymmetrische Form aufweist.
Ein Verfahren zum Bilden eines Spin-Ventil-Bauelements, das Verfahren umfassend Bereitstellen einer oder mehrerer Schichten, die ein unidirektional magnetisiertes Bezugssystem bilden; Bereitstellen einer vortex-magnetisierten freien Schicht; Bereitstellen einer nichtmagnetischen Schicht, die das Bezugssystem von der freien Schicht trennt; und Bereitstellen einer oder mehrerer Schichten, die eine Vorspannungsstruktur bilden, die mit der freien Schicht austauschgekoppelt ist, wobei die Vorspannungsstruktur eine Vortex-Magnetisierung mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verfahren umfasst Bereitstellen einer rotationssymmetrischen Form an die freie Schicht, um spontan einen Vortex-Zustand in der freien Schicht zu bilden; Tempern der Vorspannungsstruktur bei einer ersten Tempertemperatur, die höher ist als eine Sperrtemperatur der Vorspannungsstruktur; Tempern des Bezugssystems bei einer zweiten Tempertemperatur, die höher ist als eine Sperrtemperatur des Bezugssystems, aber niedriger als die Sperrtemperatur der Vorspannungsstruktur.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei während des Temperns des Bezugssystems ein externes unidirektionales Magnetfeld angelegt wird und wobei während des Temperns der Vorspannungsstruktur kein externes Magnetfeld angelegt wird.