DE10215506A1 - Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen - Google Patents
Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in SchichtsystemenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft ein Verfahren zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen, welches beispielsweise in Bauelementen in der Magnetsensorik zur Anwendung kommen könnte. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehe in der Aufgabe eines Verfahrens zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wobei die Referenzrichtungen hinsichtlich Anzahl und Raumrichtung beliebig gewählt werden können. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, bei dem mindestens ein Schichtsystem hergestellt wird, indem eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während oder nach einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung die hart- und/oder weichmagnetische Schicht auf mindestens eine antiferromagnetische Schicht aufgebracht werden, wobei die Temperaturerhöhung mindestens bis über die Kopplungstemperatur durchgeführt wird und anschließend das Schichtsystem abgekühlt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft ein
Verfahren zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen, welches beispielsweise in
Bauelementen in der Magnetsensorik oder der Spinefektronik, wie z. B. in GMR-
Sensoren oder MRAM-Speicherzellen zur Anwendung kommen könnte.
Bekannt ist die Nutzung der Austauschkopplung zwischen Ferromagneten und
Antiferromagneten (AFM) oder künstlichen Antiferromagneten (AAF- "Artificial Anti
Ferromagnet") zum Festhalten von Magnetisierungen in magnetischen
Schichtsystemen.
Bauelemente in der Magnetsensorik oder Spinelektronik benötigen in den meisten
Fällen eine raumfeste Referenzmagnetisierungsrichtung. Dazu wird häufig die
magnetische Ankopplung an eine sogenannte "Ankerschicht" ausgenutzt. Diese
Ankerschicht kann aus einem Hartmagneten, einem natürlichen oder künstlichen
Antiferromagneten bestehen. Durch die Austauschkopplung zwischen Ferromagnet
und Ankerschicht wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht
räumlich fixiert.
Diese Ankerschicht selbst muss ebenfalls magnetisch ausgerichtet werden. Dazu
werden je nach Materialeigenschaften der Ankerschicht bislang die folgenden
Verfahren genutzt:
- - Schichtabscheidung in einem externen Magnetfeld,
- - Thermische Nachbehandlung in einem externen Magnetfeld,
- - Feldkühlung nach lokaler Laserbestrahlung.
In allen drei Fällen wird eine effektiver Feldkühlung (field cooling) durchgeführt, das
heißt, das System Ferromagnet/Ankerschicht wird von einem Zustand oberhalb der
kritischen Kopplungstemperatur (Blocking-Temperatur TB) bei anliegendem
Magnetfeld in einem gekoppelten Zustand überführt. Dadurch wird eine homogene,
durch das Magnetfeld erzwungenen Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht
durch direkte Austauschkopplung in die Spinkonfiguration der antiferromagnetischen
Schicht eingeprägt. Für externe Feldstärken unterhalb der Kopplungsfeldstärke bleibt
die eingestellte, homogene Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht erhalten
und dient somit als Referenzmagnetisierung.
Von den oben angeführten Verfahren ist nur das letztgenannte in der Lage,
Referenzmagnetisierungen im Bereich des Fokus eines Laserstrahls lokal zu ändern.
Die Nachteile der bekannten Verfahren bestehen darin, dass, mit Ausnahme des
Laserverfahrens, nicht mehrere Referenzrichtungen in beliebigen Richtungen
zueinander gleichzeitig realisiert werden können. Dies ist für die Funktionsweise
komplexerer, magnetoelektrischer Bauelemente, wie z. B. Winkelsensoren,
erforderlich.
Und schließlich sind nachträgliche Prozessschritte zur Ausrichtung des AFM
notwendig und kompliziert und nur in Grenzen mit der Mikrominiaturisierung
verträglich.
Weiterhin ist bekannt, dass in weichmagnetischen Schichtelementen die
Magnetisierung entlang der Elementkanten orientiert ist, um Streufelder zu
vermeiden. Dadurch ergibt der magnetische Fluss eine geschlossenen Konfiguration.
Wie von den Berg herausgefunden hat, bleibt die Magnetisierung auch im Inneren
des Elementes parallel zur am nächsten gelegenen Elementkante. In Punkten, die
den gleichen Abstand zu zwei Elementkanten haben, stoßen die verschiedenen,
magnetischen Bereiche zusammen. Dadurch entsteht ein Zustand mit homogenen,
magnetischen Domänen, die durch Domänenwände getrennt sind.
Es ist bekannt, dass voneinander getrennte Elemente bei hinreichend kleinem
Abstand über ihr Streufeld miteinander wechselwirken. Um einen energetisch
günstigen Zustand zu erreichen, nehmen benachbarte Elemente
Magnetisierungskonfigurationen ein, die einem geschlossenen magnetischen Fluss
nahekommen und nur geringe Streufelder verursachen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens
zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wobei die
Referenzrichtungen hinsichtlich Anzahl und Raumrichtung beliebig gewählt werden
können.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Festlegung von
Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wird mindestens eine hart- und/oder
weichmagnetische Schicht hergestellt, indem eine hart- und/oder weichmagnetische
Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während oder nach einer ein- oder
mehrstufigen Wärmebehandlung die hart- und/oder weichmagnetische Schicht auf
mindestens eine antiferromagnetische Schicht in direkten Kontakt gebracht wird. Die
Wärmebehandlung wird dabei mit einer Temperaturerhöhung mindestens bis über
die Kopplungstemperatur durchgeführt. Anschließend wird das Schichtsystem
abgekühlt.
Vorteilhafterweise wird das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung ohne
Anlegen eines Magnetfeldes abgekühlt, damit sich der entmagnetisierte Zustand
oder der remanente Zustand ungestört als Referenzmagnetisierung einprägt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung in einem
äußeren Magnetfeld abzukühlen, um einen durch das Feld veränderten
entmagnetisierten oder remanenten Zustand als Referenzmagnetisierung
einzuprägen.
Vorteilhafterweise werden die Schichten mit lateralen Ausdehnungen im Mikro- und
Nanometer-Bereich und Schichtdicken im Nanometer-Bereich hergestellt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Schichten mit gleicher oder unterschiedlicher
Zusammensetzung über die Kopplungstemperatur erwärmt und anschließend ohne
ein Magnetfeld abgekühlt werden.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen
in magnetoresistiven Sensorelementen oder magnetoresistiven Schaltelementen,
basierend auf einem anisotropen Magnetwiderstand oder auf einem
Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem
Spininjektions-Magnetwiderstand oder in aktiven, magnetoelektronischen
Bauelementen, basierend auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem
Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektions-Magnetwiderstand
angewandt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu Anfang eine hart- und/oder
weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert. Dies kann mit aus der
Mikroelektronik bekannten Verfahren, wie beispielsweise lithografischen Verfahren,
erfolgen. Durch diese geometrische Strukturierung werden die Form, Anzahl und
Anordnung dieser geometrischen Elemente zueinander bestimmt. Dieser
Verfahrensschritt hat maßgeblichen Einfluss auf die Magnetisierungsrichtung der
hart- und/oder weichmagnetischen Schicht, da durch die Wahl der geometrischen
Form entsprechend dem gefundenen Prinzip von von den Berg die
Magnetisierungsrichtung innerhalb der jeweiligen Form bestimmt wird. Innerhalb
einer Form bilden sich Domänen aus, deren Magnetisierung parallel zur
nächstliegenden Kante ausgerichtet ist. Alternativ kann die Streufeldwechselwirkung
benachbarter Elemente zur Ausbildung gewünschter Domänenmuster genutzt
werden.
Somit können durch Anzahl, Form und/oder Anordnung zueinander beliebig viele
Referenzrichtungen und beliebig unterschiedliche Referenzrichtungen in einem
Schichtsystem hergestellt werden.
Nach der geometrischen Strukturierung wird durch die Erwärmung über die
Kopplungstemperatur erreicht, dass sich die Magnetisierungskonfigurationen in der
durch die Temperaturerhöhung freien hart- und/oder weichmagnetischen Schicht
entsprechend den Domänenelementen einstellen können. Bei dem anschließenden
Kühlen ohne Anlegen eines Magnetfeldes übernimmt die antiferromagnetische
Schicht die Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder weichmagnetischen
Schicht. Damit weist das Schichtsystem eine einheitliche
Magnetisierungskonfiguration auf.
Es ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass die hart-
und/oder weichmagnetische Schicht allein der Wärmebehandlung unterzogen wird
und erst während oder nach dem Abkühlen auf eine antiferromagnetische Schicht
aufgebracht wird. Auch hier übernimmt die antiferromagnetische Schicht die
Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht.
Für den Fall, dass die hart- und/oder weichmagnetische Schicht erst nach der
Herstellung der antiferromagnetischen Schicht aufgebracht wird oder werden kann,
kann deren Strukturierung beispielsweise durch ein Wechselmaskenverfahren oder
lithographisch kontrolliertes Ionenätzen erfolgen.
Bei Vorhandensein der antiferromagnetischen Schicht während der
Wärmebehandlung wird die Magnetisierung des Antiferromagneten nicht von einem
angelegten Magnetfeld bestimmt, sondern durch die Magnetisierung der
austauschgekoppelten ferromagnetischen Schicht.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, während der Wärmebehandlung ein
Magnetfeld anzulegen. Ein abklingendes, magnetisches Wechselfeld kann dabei das
Einstellen des Musters nach der Beschreibung von von den Berg begünstigen. Ein
hinreichend starkes, magnetisches Gleichfeld kann gezielt remanente
Magnetisierungszustände hervorrufen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass die
Domänenmuster der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht auch bei höheren
Temperaturen erhalten bleiben und somit das Verfahren auch mit der
Temperaturbehandlung zur Erzeugung eines antiferromagnetischen Zustandes, wie
z. B. bei PtMn und ähnlichen Substanzen, kompatibel ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren
festgelegten Referenzmagnetisierungen regenerierbar sind (Selbstheilung). Dies ist
nur durch ein erneutes Erwärmen des Schichtverbundes über die
Kopplungstemperatur realisierbar. Damit werden zerstörte Magnetisierungen
oberhalb der Kopplungstemperatur wieder eingestellt und können nach Abkühlung
wieder als Referenzmagnetisierungen dienen.
Bei der Miniaturisierung magnetoelektronischer Bauelemente kann das
erfindungsgemäße Verfahren gut eingesetzt werden, da es über einen weiten
Skalierungsbereich anwendbar ist. Insbesondere im Submikrometerbereich ist eine
zuverlässige Festlegung der Referenzmagnetisierung erreichbar.
Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine typische Magnetisierungskonfiguration einer ferromagnetischen Schicht
und einer antiferromagnetischen Schicht:
- a) vor einer Wärmebehandlung,
- b) bei T < TB, mit TB-Kopplungstemperatur,
- c) nach einer Wärmebehandlung
(die Schichten sind zur besseren Einsicht getrennt gezeichnet)
und
Fig. 2 eine kerrmikroskopische Aufnahme von 4 ellipsenähnlich strukturierten
Elementen, wobei bei den schwarzen Elementen die Magnetisierung nach unten
zeigt und bei den weißen Elementen nach oben.
Für einen 360°-GMR-Winkelsensor werden zueinander rechtwinklige
Referenzmagnetisierungen benötigt. Dazu wird auf Silicium zunächst eine 10 nm
dicke FeMn-Schicht als Ankerschicht und darauf eine 100 nm dicke, ferromagnetische
Ni81Fe19-Schicht abgeschieden. Mit Hilfe von lithographischen Techniken werden
Quadrate der Kantenlänge 24 µm strukturiert. Die ferromagnetische Schicht muss
außerhalb der Struktur vollständig entfernt werden. Dann erfolgt die
Wärmebehandlung bei 200°C. Wenn die Temperatur von 200°C erreicht ist, wird die
Probe in einem abklingenden Magnetfeld der Maximalamplitude von 1 kA/cm
entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur
abgekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration
gemäß Abb. 1.
Magnetoresistive Magnetfeldsensoren werden vorteilhaft in Wheatstone-
Brückenschaltung ausgeführt. Um die zueinander inversen Signale der
Einzelelemente der Wheatstone-Brücke zu realisieren, werden zueinander
antiparallele Referenzmagnetisierungen benötigt. Eine Doppelschicht, bestehend aus
10 nm FeMn und 100 nm Ni81Fe19, wird auf eine Siliciumsubstrat aufgestaubt.
Während der Schichtabscheidung liegt ein homogenes Magnetfeld der Stärke
240 A/cm an. Im darauffolgenden Lithographieschritt werden 4 Elemente einer
ellipsenähnlichen Form mit den lateralen Abmessungen von 100 µm × 20 µm
strukturiert. Die Elemente sind parallel zueinander und zur Feldrichtung während der
Schichtabscheidung ausgerichtet und liegen nebeneinander mit einem Abstand von
30 µm. Jetzt erfolgt die Wärmebehandlung bei 200°C. Wenn die Temperatur von
200°C erreicht ist, wird die Probe in einem diagonal zur Elementachse
ausgerichteten, abklingenden Feld der Maximalamplitude von 1 kA/cm
entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur
gekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration, wie
in Abb. 2 dargestellt.
Claims (11)
1. Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, bei
dem mindestens ein Schichtsystem hergestellt wird, indem eine hart- und/oder
weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während
oder nach einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung die hart- und/oder
weichmagnetische Schicht auf mindestens eine antiferromagnetische Schicht
aufgebracht werden, wobei die Temperaturerhöhung mindestens bis über die
Kopplungstemperatur durchgeführt wird und anschließend das Schichtsystem
abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schichtsystem ohne Anlegen eines
Magnetfeldes abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schichtsystem mit einem angelegten
Magnetfeld abgekühlt wird, wobei in Abhängigkeit von der gewünschten
Referenzmagnetisierung die Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder
weichmagnetischen Schicht und/oder der antiferromagnetischen Schicht
verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in die Schicht ein magnetisches Feld
eingeprägt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schichten mit lateralen Abmessungen im
Mikro- und Nanometer-Bereich und Schichtdicken im Nanometer-Bereich
hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehrere Schichten mit gleicher oder
unterschiedlicher Zusammensetzung über die Kopplungstemperatur erwärmt und
anschließend ohne ein Magnetfeld abgekühlt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem quadratische, rechteckige, dreieckige,
kreisförmige Strukturierungen oder davon abgeleitete Formen erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmebehandlung bis zur vollständigen
Durchdringung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die geometrische Strukturierung zwei- oder
dreidimensional durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine hart- und/oder weichmagnetische
Schicht geometrisch strukturiert und auf eine antiferromagnetische Schicht
aufgebracht wird, anschließend eine einstufige Wärmebehandlung mit Abkühlung
durchgeführt wird.
11. Verwendung des Verfahrens zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in
magnetoresistiven Sensorelementen oder magnetoresistiven Schaltelementen,
basierend auf einem anisotropen Magnetwiderstand oder auf einem
Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf
einem Spininjektionswiderstand oder in aktiven, magnetoelektronischen
Bauelementen, basierend auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem
Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektionswiderstand.
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| DE102004032483A1 (de) * | 2004-07-05 | 2006-01-26 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zum Erzeugen einer lokalen Magnetisierung und Bauelement |
| DE102007040183A1 (de) * | 2007-08-25 | 2009-03-05 | Sensitec Naomi Gmbh | Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, sowie mit solchen Magnetfeldsensoren gebildetes Magnetfeldsensorsystem |
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