DE10308640B4 - Magneto-resistives Schichtelement, insbesondere TMR-Zelle - Google Patents

Magneto-resistives Schichtelement, insbesondere TMR-Zelle Download PDF

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Abstract

Magneto-resistives Schichtelement umfassend zwei weichmagnetische Schichten (3), die über eine Zwischenschicht (4) antiparallel gekoppelt sind und ein weichmagnetisches AAF-Schichtsystem (2) bilden, wobei jeder weichmagnetischen Schicht (3) eine über eine Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) getrennte hartmagnetische Referenzschicht (6, 9a, 9b) zugeordnet ist und die Magnetisierung der den Tunnelbarrierenschichten (5a, 5b) zugewandten Schichtabschnitte beider Referenzschichten (6, 9a, 9b) in die gleiche Richtung zeigt, und wobei die eine Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) bei paralleler Stellung der Magnetisierungen der angrenzenden weichmagnetischen Schicht (3) und der Referenzschicht (6, 9a, 9b) einen niedrigen und bei antiparalleler Stellung einen hohen Widerstand zeigt, während die andere Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) bei paralleler Stellung der Magnetisierung der angrenzenden Schichten (3 bzw. 6, 9a, 9b) einen hohen Widerstand und bei antiparalleler Stellung einen niedrigen Widerstand zeigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein magneto-resistives Schichtelement, insbesondere eine TMR-Zelle.
  • 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.
  • 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.
  • Üblicherweise wird bei bekannten Schichtelementen NiFe (Permalloy) als weichmagnetisches Schichtmaterial verwendet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In beiden Fällen ist es zweckmäßig, eine oder beide Einzelschichten oder eine oder beide AAF-Schichtsysteme über jeweils eine natürliche antiferromagnetische Schicht zu pinnen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafterweise ist die einen negativen TMR-Effekt zeigende Tunnelbarrierenschicht aus Ta2O5.
  • Es ist von Vorteil, wenn das magneto-resistive Schichtelement eine TMR-Zelle ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 ein Schichtelement einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform mit die Referenzschichten bildenden Einzelschichten,
  • 2 ein Schichtelement einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform mit zwei gepinnten Referenzschichtsystemen,
  • 3 ein Schichtsystem einer erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform mit einem gepinnten Referenzschichtsystem, und
  • 4 ein Schichtsystem einer erfindungsgemäßen vierten Ausführungsform mit zwei ungepinnten Referenzschichtsystemen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (14)

  1. Magneto-resistives Schichtelement umfassend zwei weichmagnetische Schichten (3), die über eine Zwischenschicht (4) antiparallel gekoppelt sind und ein weichmagnetisches AAF-Schichtsystem (2) bilden, wobei jeder weichmagnetischen Schicht (3) eine über eine Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) getrennte hartmagnetische Referenzschicht (6, 9a, 9b) zugeordnet ist und die Magnetisierung der den Tunnelbarrierenschichten (5a, 5b) zugewandten Schichtabschnitte beider Referenzschichten (6, 9a, 9b) in die gleiche Richtung zeigt, und wobei die eine Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) bei paralleler Stellung der Magnetisierungen der angrenzenden weichmagnetischen Schicht (3) und der Referenzschicht (6, 9a, 9b) einen niedrigen und bei antiparalleler Stellung einen hohen Widerstand zeigt, während die andere Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) bei paralleler Stellung der Magnetisierung der angrenzenden Schichten (3 bzw. 6, 9a, 9b) einen hohen Widerstand und bei antiparalleler Stellung einen niedrigen Widerstand zeigt.
  2. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschichten Einzelschichten (6) oder AAF-Schichtsysteme (9a, 9b) sind.
  3. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzschicht eine Einzelschicht (6) und die andere Referenzschicht ein AAF-Schichtsystem (9a, 9b) ist.
  4. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelschicht (6) oder ein AAF-Schichtsystem (9a, 9b) über eine natürliche antiferromagnetische Schicht (7) gepinnt ist.
  5. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Referenzschichten in Form eines AAF-Schichtsystems (9a, 9b) ausgebildet sind, wobei die Dicke der beiden ein AAF-Schichtsystem (9a, 9b) bildenden magnetischen Schichten (10) gleich ist.
  6. Magneto-resistives Schichtelement Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Referenzschichten in Form eines AAF-Schichtsystems (9a, 9b) gebildet sind, wobei die Dicke der beiden ein AAF-Schichtsystem bildenden magnetischen Schichten (10) unterschiedlich ist und beide AAF-Schichtsysteme ein im Wesentlichen gleich großes magnetisches Nettomoment aufweisen.
  7. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide AAF-Schichtsysteme ein im Wesentlichen gleichgroßes und antiparallel stehendes magnetisches Nettomoment aufweisen.
  8. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Referenzschichten als AAF-Schichtsysteme (9a, 9b) ausgebildet sind, von denen eines über eine natürliche Antiferromagnetschicht gepinnt ist.
  9. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an die eine Tunnelbarrierenschicht (5a) angrenzende magnetische Schicht (10) des gepinnten AAF-Schichtsystems (9a) dicker als die abgewandte magnetische Schicht (10) und die an die andere Tunnelbarriere (5b) angrenzende magnetische Schicht (10) des ungepinnten AAF-Schichtsystems (9b) dünner als die abgewandte magnetische Schicht ist.
  10. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Referenzschichten als AAF-Schichtsysteme (9a, 9b) ausgebildet sind, deren an die Tunnelbarriere (5a, 5b) angrenzenden magnetischen Schichten (10) im Wesentlichen gleich dick und dicker als die jeweiligen abgewandten magnetischen Schichten sind, oder umgekehrt.
  11. Magneto-resistives Schichtelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils abgewandten magnetischen Schichten ebenfalls gleich dick sind.
  12. Magneto-resistives Schichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetischen Schichten (3) des weichmagnetischen AAF-Schichtsystems unterschiedlich dick sind.
  13. Magneto-resistives Schichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen negativen TMR-Effekt zeigende Tunnelbarrierenschicht (5a, 5b) aus Ta2O5 ist.
  14. Magneto-resistives Schichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, , dadurch gekennzeichnet, dass es eine TMR-Zelle ist.
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