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Die
Erfindung betrifft ein magneto-resistives Schichtelement, insbesondere
eine TMR-Zelle.
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Solche
magneto-resistiven Schichtsysteme sind bekannt und kommen beispielsweise
bei magneto-resistiven Sensorelementen z. B. in Form von Magnetfeldsensoren,
oder bei Logikelementen zum Einsatz. Zentrales Element ist ein weichmagnetisches
Informationsschichtsystem mit einer weichmagnetischen Informationsschicht,
deren Magnetisierung über
ein externes Feld gedreht werden kann. Das Informationsschichtsystem
ist über
eine Barrierenschicht, bei der es sich beispielsweise im Falle einer
TMR-Zelle um eine Tunnelbarrierenschicht handelt, von einem hartmagnetischen
Referenzschichtsystem, das eine feststehende hartmagnetische Referenzschichtmagnetisierung
zeigt, getrennt. Abhängig
von der Stellung der Magnetisierung der weichmagnetischen Informationsschicht
zur Magnetisierung des hartmagnetischen Referenzschichtsystems bzw.
der an die Tunnelbarrierenschicht angrenzenden Referenzschicht ändert sich
der Widerstand über das
Schichtsystem. Steht die Magnetisierung der weichmagnetischen Informationsschicht
parallel zur Referenzmagnetisierung, ist der Widerstand in der Regel
geringer, als wenn beide antiparallel stehen. Damit ändert sich
auch ein über
das Schichtsystem abgreifbarer elektrischer Parameter, der ein Maß für die in
der weichmagnetischen Schicht eingeschriebene Information ist.
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Vor
allem bei Zellen, bei denen die Magnetisierung der weichmagnetischen
Informationsschicht zwischen zwei definierten Richtungen geschaltet werden
soll, ist eine uniaxiale Anisotropie innerhalb der weichmagnetischen
Informationsschicht von Nöten, über die
eine magnetisch leichte Achse definiert wird, in welche die Magnetisierung
besonders leicht dreht.
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Üblicherweise
wird bei bekannten Schichtelementen NiFe (Permalloy) als weichmagnetisches Schichtmaterial
verwendet.
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Die
Schaltkurve derartiger Schichtsysteme, also beispielsweise von TMR-Zellen,
beschreibt im Idealfall eine Nullpunktsymmetrische Hystereseschleife.
In der Regel jedoch wird die Lage der Schaltkurve durch die sog.
Néel-Kopplung
bestimmt. Bei der Néel-Kopplung,
auch Orange-Peel-Kopplung genannt, wird eine ferromagnetische Kopplung
zwischen zwei voneinander über
eine nichtmagnetische Schicht beabstandeter Schichten aufgrund von Grenzflächenunebenheiten
oder -rauigkeiten erzeugt. Diese Grenzflächenunebenheiten oder -rauigkeiten
führen
dazu, dass sich an den Grenzflächen magnetische
Mikropole bilden, d. h. es sind an der Grenzfläche magnetische Bereiche vorgesehen,
die separate lokale Felder erzeugen, die in die gegenüberliegende
Schicht koppeln und dort ebenfalls die Ausbildung entsprechender
magnetischer Mikropole oder magnetischer Mikrobereich hervorrufen.
Diese Kopplung führt
zu einem Offset der Hysteresekurve, d. h. die Hysteresekurve wird
aus der idealen Nullpunkt-symmetrischen Lage verschoben und erschwert
die Kontrolle des Schaltverhaltens der Zellen, da es lokale Schwankungen
auf einem Wafer geben kann, die eine statistische Verschiebung der Schaltkurve
und damit der Schaltfelder hervorrufen.
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Nachdem
das Entstehen der Grenzflächenunebenheiten
seine Ursache in der Herstellung der Schichtsysteme hat, wird versucht,
das Schichtwachstum so zu gestalten, dass möglichst glatte Grenzflächen entstehen.
Im Idealfall gelingt es, für kleine
Zellgrößen die
Néel-Kopplung
durch die Streufeldkopplung auszubalancieren und damit die Hystereseschleife
zum Nullpunkt, also symmetrisch zu H = 0 symmetrisch zu gestalten.
Generell ist dies jedoch sehr schwierig, da insbesondere sehr hohe
Anforderungen an die Schichthomogenität und an die Genauigkeit der
Lithografie gestellt werden.
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Ein
zweites Problem bekannter Schichtsysteme, z. B. bei TMR-Zellen ist, dass
sich das Signal über
das Schichtsystem bzw. die TMR-Zelle mit steigender Spannung, die über die
Zelle abfällt,
verringert. Als Ursache dafür
werden Defekte in der Tunnelbarriere oder an den Grenzflächen zu
den magnetischen Elektroden gesehen, die zu einem spinnunabhängigen Tunnelstrom
führen. Üblicherweise
liegt die Spannung U1/2, bei der das Schichtsystem-
oder TMR-Signal um 50 % abgenommen hat, bei 0,3–0,4 V. Aus anwendungstechnischer
Sicht sollte jedoch bei der Betriebsspannung der Zelle ein möglichst
großes
Signal zur Verfügung
stehen. Eine Möglichkeit, die
Defekte weitgehend zu eliminieren besteht in einer Wärmebehandlung
des fertigen Schichtstapels bei T > 300°C, wodurch
diese Defekte ausgeheilt werden und U1/2 auf
ca. 0,5 V erhöht
wird. Hiermit ist zwar eine leichte Spannungs- oder Signalanhebung verbunden,
jedoch ist das Signal nach wie vor relativ klein, im übrigen ist
ein separater Verfahrensschritt hierfür erforderlich.
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Aus
US 6,259,586 B1 ist
ein magneto-resistives Schichtelement in Form eines MTJ-Sensors (MTJ=Magnetic
Tunnel Junctions) bekannt, das zwei weichmagnetische Schichten umfasst,
die über
eine Zwischenschicht antiparallel gekoppelt sind und zusammen ein
weichmagnetisches AAF-Schichtsystem bilden. Jeder weichmagnetischen
Schicht ist eine über
eine Tunnelbarrierenschicht getrennte hartmagnetische Referenzschicht
zugeordnet. Die Magnetisierung der den Tunnelbarrieren zugewandten Schichtabschnitte
beider Referenzschichten zeigt in die gleiche Richtung. Die Ausgestaltung
ist dabei derart, dass beide Tunnelbarrierenschichten bei paralleler
Stellung der Magnetisierungen der angrenzenden weichmagnetischen
Schichten und der entsprechenden Referenzschichten einen niedrigen
und bei einer antiparallelen Stellung einen hohen Widerstand zeigen.
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Aus
der Veröffentlichung
von De Teresa J.M. et al. „Manganite-based
magnetic tunnel junctions: new ideas on spinpolarised tunnelling", in: Journal of Magnetism
and Magnetic Materials, 2000, Vol. 211, Seiten 160–166 sind
grundlegende Ausführungen zum
TMR-Effekt, und zwar sowohl dem normalen wie auch dem inversen TMR-Efekt
bekannt.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schichtsystem anzugeben,
das einerseits eine deutlich reduzierte Néel-Kopplung und damit eine möglichst
symmetrische Hysteresekurve zeigt und zum anderen ein relativ großes, zur
Verfügung
stehendes Signal liefert.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist ein magneto-resistives Schichtelement, insbesondere
eine TMR-Zelle vorgesehen, umfassend zwei weichmagnetische Schichten,
die über
eine Zwischenschicht antiparallel gekoppelt sind und ein weichmagnetisches
AAF-Schichtsystem bilden, wobei jeder weichmagnetischen Schicht
eine über
eine Tunnelbarrierenschicht getrennte hartmagnetische Referenzschicht
zugeordnet ist und die Magnetisierung der den Tunnelbarrieren zugewandten
Schichtabschnitte beider Referenzschichten in die gleiche Richtung zeigt,
und wobei die eine Tunnelbarrierenschicht bei paralleler Stellung
der Magnetisierung der angrenzenden weichmagnetischen Schicht und
der Referenzschicht einen niedrigen und bei antiparalleler Stellung
einen hohen Widerstand zeigt, während
die andere Tunnelbarrierenschicht bei paralleler Stellung der Magnetisierung
der angrenzenden Schichten einen hohen Widerstand und bei antiparalleler
Stellung einen niedrigen Widerstand zeigt.
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Der
erfindungsgemäße Schichtstapel
umfasst zwei Tunnelstrukturen, wobei zwischen den beiden Tunnelbarrierenschichten
ein weichmagnetisches Detektionsschichtsystem, bestehend aus zwei antiparallel
gekoppelten weichmagnetischen Schichten, die ein AAF-Schichtsystem
bilden, liegt. Die hartmagnetischen Referenzschichten liegen jeweils
auf der anderen Seite der Tunnelbarrierenschichten. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
ermöglicht
es nun, die auf die jeweilige weichmagnetische Schicht einwirkende
Néel-Kopplung
beider Referenzschichten zu kompensieren. Dies wird dadurch erreicht,
dass zum einen ein weichmagnetisches zentrales Schichtsystem verwendet
wird, also ein weichmagnetisches AAF-System. Wenn dann die Magnetisierung
in den angrenzenden Referenzschichten, wie erfindungsgemäß vorgesehen,
in die gleiche Richtung zeigt, sind beide Anordnungen der weichmagnetischen
Schicht energetisch gleichwertig, d. h. die Néel-Kopplungsfelder kompensieren
sich und die Schaltkurve ist symmetrisch um das externe Feld H =
0. Diese energetische Gleichwertigkeit bzw. Kompension wird durch
die antiparallele Kopplung der beiden weichmagnetischen Schichten
bedingt. Die Magnetisierung der einen weichmagnetischen Schicht
steht parallel, die Magnetisierung der anderen weichmagnetischen
Schicht steht antiparallel zur jeweils benachbarten Referenzschicht.
Damit nun je nach Schaltstellung der Magnetisierungen der weichmagnetischen
Schichten eine Widerstandsänderung über die gesamte
Struktur gemessen werden kann, müssen beide
Barrieren ein unterschiedliches Widerstandsverhalten abhängig von
der Stellung der Magnetisierungen der angrenzenden Schichten zeigen.
In jeder 180°-Schaltstellung
liegen an einer Tunnelbarriere die angrenzenden Magnetisierungen
parallel, während
sie an der anderen antiparallel liegen, bedingt durch die antiparallele Kopplung
der weichmagnetischen Schichten. Wird nun um 180° geschalten, so wechselt an
einer Tunnelbarrierenschicht die Magnetisierung von parallel zu
antiparallel, während
sie an der anderen Tunnelbarrierenschicht von antiparallel zu parallel
wechselt. Damit nun eine Widerstandsänderung gemessen werden kann,
müssen
beide Tunnelbarrierenschichten ein unterschiedliches, von der Magnetisierungsstellung
abhängiges
Verhalten zeigen. Die eine Tunnelbarriere zeigt einen positiven
Effekt, also einen niedrigen Widerstand für die parallele Magnetisierungsstellung
und einen hohen Widerstand für
die antiparallele Stellung, während
die andere einen negativen Effekt, nämlich einen hohen Widerstand
für die
parallele Magnetisierungsausrichtung und einen niedrigen Widerstand
für die
antiparallele Ausrichtung zeigt.
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Das
erfindungsgemäße Schichtsystem
bietet folglich mehrere Vorteile. Zum einen kann wie beschrieben
die negative Auswirkung der Néel-Kopplung
weitgehend kompensiert werden. Zum anderen ist es aufgrund der unterschiedlichen
Widerstandseffekte der Tunnelbarrierenschichten möglich, hinreichende
Widerstandsänderungen
erzeugen zu können,
und schließlich
kann durch die Verwendung der Doppel-Tunnelstruktur die Spannung
deutlich erhöht werden,
es lassen sich Werte von U1/2 = 0,8 V und mehr
erreichen.
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Die
Referenzschichten können
nach einer ersten Erfindungsalternative Einzelschichten oder AAF-Schichtsysteme
sein. D. h., bei dieser Erfindungsausgestaltung sind beide Referenzschichten entweder
Einzelschichten oder Schichtsysteme, also gleich strukturiert. Alternativ
dazu ist es auch denkbar, eine Referenzschicht als Einzelschicht
und die andere als AAF-Schichtsystem
auszubilden, also eine unterschiedliche Strukturierung vorzusehen.
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In
beiden Fällen
ist es zweckmäßig, eine oder
beide Einzelschichten oder eine oder beide AAF-Schichtsysteme über jeweils
eine natürliche
antiferromagnetische Schicht zu pinnen.
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Sind
beide Referenzschichten in Form eines AAF-Schichtsystems ausgebildet,
ist es vorteilhaft, die Dicke der beiden ein AAF-Schichtsystem bildenden
magnetischen Schichten gleich zu wählen. Dieser Aufbau hat den
Vorteil, dass nicht nur die Néel-Kopplung
unterdrückt
werden kann, sondern auch die in kleinen Strukturen (sub-μm-Bereich)
auftretende Streufeldkopplung weitgehend kompensiert werden kann.
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Alternativ
dazu besteht die Möglichkeit,
beide Referenzschichten in Form eines AAF-Schichtsystems zu bilden,
und die Dicke der beiden ein AAF-Schichtsystem bildenden magnetischen
Schichten unterschiedlich zu wählen,
wobei beide AAF-Schichtsysteme ein im wesentlichen gleichgroßes, vorzugsweise
antiparallel stehendes magnetisches Nettomoment aufweisen. Die antiparallele Ausrichtung
der resultierenden Nettomomente dient auch hier dazu, in kleineren
Strukturen die Streufeldkopplung zu unterdrücken. Zweckmäßig ist
es dabei, wenn eines der AAF-Schichtsysteme über eine natürliche Antiferromagnetschicht
gepinnt ist, wobei in diesem Fall die an die Tunnelbarrierenschicht
angrenzende magnetische Schicht des gepinnten AAF-Schichtsystems
vorzugsweise dicker als die abgewandte magnetische Schicht und die
an die Tunnelbarriere angrenzende magnetische Schicht des ungepinnten
AAF-Schichtsystems dünner
als die abgewandte magnetische Schicht ist.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Alternative sieht
vor, beide Referenzschichten als AAF-Schichtsysteme auszubilden,
deren an die Tunnelbarriere angrenzende magnetische Schichten im
wesentlichen gleich dick und dicker als die jeweiligen abgewandten,
vorzugsweise ebenfalls gleichdicken magnetischen Schichten sind.
Hier werden reine, ungepinnte AAF-Schichtsysteme verwendet. Auch
umgekehrte Dickenverhältnisse
(Innen dünner,
Außen
dicker) sind möglich.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die weichmagnetischen
Schichten des weichmagnetischen AAF- Schichtsystems unterschiedlich dick
sind. Hieraus resultiert ein, wenngleich relativ geringes, magnetisches
Nettomoment, das vom externen Magnetfeld zu überwinden ist, das also eine
Art "magnetischen
Widerstand" entgegen setzt.
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Vorteilhafterweise
ist die einen negativen TMR-Effekt zeigende Tunnelbarrierenschicht
aus Ta2O5.
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Es
ist von Vorteil, wenn das magneto-resistive Schichtelement eine
TMR-Zelle ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 ein
Schichtelement einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform
mit die Referenzschichten bildenden Einzelschichten,
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2 ein
Schichtelement einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform
mit zwei gepinnten Referenzschichtsystemen,
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3 ein
Schichtsystem einer erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform
mit einem gepinnten Referenzschichtsystem, und
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4 ein
Schichtsystem einer erfindungsgemäßen vierten Ausführungsform
mit zwei ungepinnten Referenzschichtsystemen.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 einer
ersten Ausführungsform.
Dieses besteht aus einem zentralen weichmagnetischen Schichtsystem 2 bestehend
aus zwei weichmagnetischen Schichten 3, die über eine
Zwischenschicht 4 antiparallel gekoppelt sind, wie durch
die Magnetisierungspfeile dargestellt ist. An jede weichmagnetische Schicht 3 grenzt
eine Tunnelbarrierenschicht 5a, 5b an, der wiederum
eine Re ferenzschicht 6 folgt, deren Magnetisierung über eine
Schicht 7 eines natürlichen Antiferromagneten
gepinnt ist. Die Funktionsweise eines solchen Schichtsystems 1,
das eine TMR-Zelle bildet, ist derart, dass je nach Stellung der
Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten bezüglich der
Magnetisierung der jeweils angrenzenden hartmagnetischen Schicht
sich ein unterschiedlicher elektrischer Widerstand über den
Schichtstapel ergibt. Hieraus resultiert eine Widerstandsänderung
je nach Magnetisierungsstellung, das heißt der über die gezeigten Eingangs-
und Ausgangsleitungen erfassbare Spannungsabfall über den
Schichtstapel ändert sich
je nach Schaltstellung der Magnetisierung der weichmagnetischen
Schichten 3. Diese Schaltstellung kann durch ein externes
Magnetfeld um 180° gedreht
werden, wobei hierbei lediglich die Magnetisierung des weichmagnetischen
Schichtsystems 2 geändert
wird, die Magnetisierungen der hartmagnetischen Schichten 6 bleibt
unbewegt. Ausgehend von der in 1 gezeigten
Stellung der Magnetisierungen der weichmagnetischen Schichten 3 würde bei Anlegen
eines externen Magnetfelds, das im gezeigten Beispiel angenommenermaßen nach
rechts zeigen würde,
die Magnetisierung der oberen weichmagnetischen Schicht 3 um
180° nach
rechts gedreht, aufgrund der antiparallelen Kopplung über die
Zwischenschicht 4 dreht sich die Magnetisierung der unteren
weichmagnetischen Schicht 3 nach Abstellen des Feldes automatisch
nach links. Voraussetzung hierfür
ist, dass beide weichmagnetischen Schichten etwas unterschiedlich
dick sind, so dass ein resultierendes magnetisches Nettomoment gegeben
ist. Nach der Drehung würde
die Magnetisierung der oberen weichmagnetischen Schicht 3 antiparallel und
die der unteren magnetischen Schicht 3 parallel zur Magnetisierung
der jeweils angrenzenden Referenzschicht 6 stehen.
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Je
nach Stellung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht zur
angrenzenden Referenzschichtmagnetisierung ändert sich der diesem Tunnelsystem
(eine Referenzschicht, eine Tunnelbarriere sowie eine weichmagnetische
Schicht bilden jeweils ein Tunnelsystem) eigene Widerstand. Es wird
zwischen einem positiven und einem negativen Effekt oder TMR-Effekt
unterschieden. Bei einem positiven Effekt zeigt ein solches Tunnelsystem
einen niedrigen Widerstand für
parallele Magnetisierungsstellungen und einen hohen Widerstand für antiparallele
Stellung. Beim negativen Effekt oder negativen TMR- Effekt ist das Verhalten
umgekehrt, bei paralleler Stellung ist ein hoher Widerstand gegeben,
bei antiparalleler Stellung ein niedriger.
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Um
nun bei der oben beschriebenen Umschaltung eine Widerstandsänderung
messen zu können,
ist das jeweilige Material der Tunnelbarrierenschichten 5a und 5b so
gewählt,
dass das eine Tunnelsystem einen positiven und das andere Tunnelsystem
einen negativen Widerstandeffekt zeigt. Hierdurch ist sichergestellt,
dass sich bei einem Schalten immer eine Widerstandsänderung
einstellt, was nicht der Fall wäre,
wenn beide einen positiven oder beide einen negativen Widerstandseffekt
zeigen würden.
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Der
vorgeschlagene Schichtaufbau ermöglicht
es, die sich ergebende Néel-Kopplung
beider Referenzschichten, die aufgrund schwer zu vermeidender Grenzflächenunebenheiten
gegeben ist, zu kompensieren. Dies gelingt durch die Verwendung des
weichmagnetischen Schichtsystems 2. Die weichmagnetischen
Schichten können
beispielsweise aus NiFe (Permalloy) sein, die antiparallel koppelnde
Zwischenschicht beispielsweise aus Ru. Wenn dann die Magnetisierung
in den angrenzenden Referenzschichten 6, wie im gezeigten
Beispiel der Fall, in die gleiche Richtung zeigt, sind beide Anordnungen
der weichmagnetischen Schicht energetisch gleichwertig, das heißt die Néel-Kopplungsfelder kompensieren
sich gegenseitig und die Schaltkurve ist weitestgehend nullpunktsymmetrisch.
Die Referenzschichten in Form der Einzelschichten können beispielsweise
aus Co oder CoFe bestehen. Die natürlichen Antiferromagnetschichten 7 können beispielsweise
aus FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, oder PdMn sein. Die Tunnelbarrierenschicht 5a,
die beispielsweise einen positiven Widerstandseffekt zeigt, ist
z.B. aus Al2O3,
während
die einen negativen Widerstandseffekt zeigende Tunnelbarrierenschicht 5b z.B.
aus Ta2O5 ist.
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2 zeigt
ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem 8,
bei dem ebenfalls ein weichmagnetisches Schichtsystem 2 mit den
beiden weichmagnetischen Schichten 3 und der antiparallel
koppelnden Zwischenschicht 4 vorgesehen ist, ferner sind auch
hier zwei unterschiedliches Widerstandsverhalten aufweisende Tunnelbarrierenschichten 5a und 5b vorgesehen.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 sind
hier zwei AAF-Referenzschichtsysteme 9a, 9b vorgesehen,
bestehend aus zwei hartmagnetischen Schichten 10, die z.B.
aus Co oder aus CoFe bestehen. Zwischen beiden befindet sich eine antiparallel
koppelnde Kopplungsschicht 11, z.B. bestehend aus Cu oder
aus Rh. Die obere der beiden hartmagnetischen Schichten 10 ist
auch hier über eine
natürlich
Antiferromagnetschicht 7 gepinnt. Die Einstellung der Referenzschichtmagnetisierung
erfolgt – wie
auch bezüglich 1 – durch
eine Wärmebehandlung
in einem externen Magnetfeld (bei einer Referenzschichtausbildung
wie in 2 gezeigt aus CoFe/Ru/CoFe mit einem Antiferromagneten
aus IrMn erfolgt die Wärmebehandlung
bei 280°C
für 10 Minuten
und einem externen Feld > 300
kA/m). Die an den natürlichen
Antiferromagneten angrenzende Schicht richtet sich dabei parallel
zum Magnetfeld aus. Der Schichtaufbau gemäß 2 hat den
Vorteil, dass er nicht nur die Néel-Kopplung unterdrückt, sondern
auch die in kleinen Sub-μm-Strukturen
auftretende Streufeldkopplung weitestgehend unterdrückt, wenn
die Schichtdicken in den AAF-Schichtsystemen 9a, 9b gleich
gewählt
sind, d.h. d11 = d12 und
d21 = d22. Auch
hier erfolgt eine Kompensation der Néel-Kopplung.
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3 zeigt
ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem 12,
bestehend aus einem weichmagnetischen Schichtsystem 2 mit
zwei weichmagnetischen Schichten 3 und einer Zwischenschicht 4,
den beiden Tunnelbarriereschichten 5a und 5b sowie zwei
AAF-Referenzschichtsystemen 9a und 9b, von denen
nur eines, hier das Referenzschichtsystem 9a, über eine
Antiferromagnetschicht 7 gepinnt ist. Hier wird also an
einer Seite ein gepinntes AAF-Schichtsystem, an der anderen Seite
ein ungepinntes AAF-Schichtsystem als Referenzschicht verwendet. Die
Anordnung der Antiferromagnetschicht 7 im Schichtstapel
kann oben oder unten sein. Auch hier ist die Néel-Kopplung durch die antiparallele
Kopplung der weichmagnetischen Schichten und die gleich gerichtete
Referenzmagnetisierung kompensiert. Die Tunnelschichten sind – wie bei
allen Ausführungsformen – aus den
bereits beschriebenen, unterschiedliche Widerstandseffekte zeigenden
Materialien. Die Schichtdicken in dem AAF-Referenzschichtsystem 9b ist
dabei so gewählt,
dass die in Kontakt mit der Tunnelbarrierenschicht 5b befindliche
hartmagnetische Schicht 10 dünner als die gegenüberliegende
hartmagnetische Schicht 10 ist, d.h. d21 < d22.
Um nun in kleineren Strukturen die Streufeldkopplung zu unterdrücken, sollte
das aufgrund des Dickenunterschieds der beiden Schichten 10 im AAF-Referenzschichtsystem 9b resultierende
magnetische Nettomoment durch ein im AAF-Referenzschichtsystem 9a erzeugtes
magnetisches Nettomoment kompensiert werden, d.h. das dortige Nettomoment
sollte in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Zu diesem Zweck
sind auch im gepinnten AAF-Referenzschichtsystem 9a die
Schichtdicken unterschiedlich. Hier ist die an die Tunnelbarrierenschicht 5a angrenzende
hartmagnetische Schicht 10 dicker als die abgewandte Schicht 10,
das heißt
d12 > d11. Die unterschiedliche Dicke ist durch
die unterschiedliche Länge
der Magnetisierungspfeile dargestellt, wobei der jeweils längere Pfeil
die jeweils dickere Schicht kennzeichnet.
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Der
dargestellte Schichtaufbau ist ferner dahingehend von Vorteil, dass
die Einstellung des remanenten Zustands der Referenzschichtsysteme
in einem einzigen Einstellschritt bei erhöhter Temperatur und externem
Feld erfolgen kann. Es sei bezüglich 3 angenommen,
dass das externe magnetische Einstellfeld nach links gerichtet ist.
Dem Einstellfeld folgt die Magnetisierung der unteren, dickeren
Schicht 10 des Referenzschichtsystems 9b, aber auch
die der natürlichen
Antiferromagnetschicht 7. Nachdem an diese die obere Schicht 10 des
Referenzschichtsystems 9a gekoppelt ist, stellt sich diese parallel
ein, durch die antiparallele Kopplung über die Zwischenschicht 11 dreht
die Magnetisierung der an die Tunnel barrierenschicht 5a angrenzenden
hartmagnetische Schicht 10 in die entgegengesetzte Richtung.
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Schließlich zeigt 4 ein
weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem 13,
wobei hier als hartmagnetische Referenzschichten zwei reine, ungepinnte
AAF-Referenzschichtsysteme 9a, 9b verwendet werden.
Ansonsten ist der Schichtaufbau den vorherigen Ausführungsformen
entsprechend, bestehend aus einem weichmagnetischen Schichtsystem 2 mit
den beiden weichmagnetischen Schichten 3 und der Zwischenschicht 4 sowie
den beiden unterschiedlichen Tunnelbarrierenschichten 5a und 5b. Die
beiden an die jeweiligen Tunnelbarrieren 5a und 5b angrenzenden
Schichten 10 der AAF-Referenzschichtsysteme 9a und 9b sollten
in diesem Ausführungsbeispiel
etwa gleiche Dicke besitzen, das heißt d12 ≈ d21, die beiden anderen Schichten 10 der
beiden AAF-Referenzschichtsysteme 9a, 9b sind
demgegenüber
dünner,
sie können
ebenfalls beide gleich dick sein. Hierdurch stellt sich der remanente
Zustand so ein, dass jeweils die dickere Schicht in die ursprüngliche
Feldrichtung zeigt, so dass wie gewünscht die beidseits der Tunnelbarrierenschichten befindlichen
weichmagnetischen Schichten antiparallel ausgerichtet sind. Der
Vorteil ist hier, dass keine erhöhte
Temperatur für
die Einstellung des remanenten Zustands benötigt wird. Da allerdings hier
das Nettomoment der beiden AAF-Referenzschichtsysteme 9a, 9b in
die gleiche Richtung zeigt, eignet sich dieser Schichtsystemaufbau
eher für
Strukturen, die keine große
Formanisotropie aufweisen, wie etwa größere Sensorstrukturen oder
Magnetokopplerelemente.