EP1319257A2 - Magnetisches schichtsystem sowie ein solches schichtsystem aufweisendes bauelement - Google Patents

Magnetisches schichtsystem sowie ein solches schichtsystem aufweisendes bauelement

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EP1319257A2
EP1319257A2 EP01976034A EP01976034A EP1319257A2 EP 1319257 A2 EP1319257 A2 EP 1319257A2 EP 01976034 A EP01976034 A EP 01976034A EP 01976034 A EP01976034 A EP 01976034A EP 1319257 A2 EP1319257 A2 EP 1319257A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
magnetic
fixing
layer system
magnetization
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01976034A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Xiliang c/o Computaional Mat. Sce Gr.Nation. NIE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1319257A2 publication Critical patent/EP1319257A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one galvanomagnetic or Hall-effect element covered by groups H10N50/00 - H10N52/00

Definitions

  • the invention relates to a magnetic layer system and a component having such a layer system, in particular a component utilizing a magnetic resistance (MR) or tunnel magnetic resistance (TMR), such as a magnetic sensor or a magnetic memory.
  • MR magnetic resistance
  • TMR tunnel magnetic resistance
  • MRAM magnetic random access memories
  • GMR giant magnetoresistance
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • Such sensors typically comprise a plurality of ferromagnetic layers which are separated by non-magnetic layers.
  • the ferromagnetic layers can be magnetized in opposite directions by interlayer exchange coupling.
  • An applied external magnetic field then leads to a parallel alignment of the direction of magnetization in the ferromagnetic layers. Since the resistance depends on the direction of magnetization, an external magnetic field that changes the magnetic configuration can be easily detected by a change in resistance. It is necessary to keep the energy difference between the different magnetization directions as low as possible in order to be able to detect weak magnetic fields. This can be achieved by a non-magnetic intermediate layer between the ferromagnetic layers.
  • sensors of the GMR type because of the following advantages are increasingly displacing the sensors previously used.
  • the sensors of the GMR type have several advantages over the sensors that use the anisotropic magnetic resistance (AMR).
  • GMR sensors take advantage of the full angle information. While oppositely directed magnetic fields for AMR sensors are indistinguishable and give the same signal, collinearly and non-collinearly oriented regions cause different electrical resistances in the GMR sensor. Another advantage of the GMR sensors over the
  • GMR tunnel magnetoresistance
  • the GMR effect is also suitable for this.
  • the TMR effect has the clear advantage of a greater inherent resistance of the sensor. This is important in MRAMs because of the high resistance of the connecting lines between the memory element and the processor.
  • Both GMR and TMR sensors typically consist of a free magnetic layer, an intermediate layer and a ferromagnetic layer, the magnetization direction of which is fixed by an adjacent anti-magnetic layer.
  • the free layer is usually also a ferromagnetic layer and is referred to as a sensor layer.
  • the intermediate layer advantageously comprises the elements such as Cu, Ag, Au, Mn, Cr in the GMR type and insulators in the TMR type.
  • the function of the layer system is based on the fact that the direction of magnetization of the sensor layer reacts to an external magnetic field, but the fixed ferromagnetic layer remains unaffected.
  • the direction of magnetization of the pinned layer is determined by the strong antiferromagnetic interaction between the fixed ferromagnetic layer and the adjacent antiferromagnetic layer.
  • a problem in the production of such a layer system is to find suitable materials which are suitable for the antiferromagnetically coupled fixing layer.
  • Another problem is to create the different magnetic orientations required (collinear and non-collinear).
  • the direction of magnetization of the sensor layer is regularly tied to the direction of magnetization of the fixed layer due to the extensive interaction between the layers. This disadvantageously means low efficiency (less than 20% for GMR and less than 50% for TMR).
  • the object of the invention is to create a layer system and a magnetic component comprising such a layer system, which enables an improved fixation of the magnetization direction of a ferromagnetic layer in comparison to the prior art.
  • the layer system according to the invention comprises a fixing layer and an adjacent ferromagnetic layer.
  • This ferromagnetic layer typically has 3d transition metals or an alloy or a multilayer system made of 3d
  • the d-transition elements include in particular Fe, Ni and Co.
  • the fixing layer comprises 4d or 5d transition elements.
  • the 3d transition metals determine the size of the magnetic moment, but the direction of magnetization is determined by the 4d or 5d Transition metals is determined.
  • the ferromagnetic layer consisting of d-transition metals is characterized by the high magnetocrystalline anisotropic energy (MAE) of the 4d or 5d Transition metal of the fixing layer is fixed.
  • MAE magnetocrystalline anisotropic energy
  • the magnetocrystalline anisotropic energy of the layer according to the invention advantageously couples (fixes) the magnetization direction of the fixed ferromagnetic layer.
  • the direction of magnetization generally runs along a preferred crystalline direction and / or is determined by the macroscopic structure of a magnetic object. This property is called magnetocrystalline anisotropy.
  • the energy required to change the alignment from the lowest energy state to the highest energy state is the anisotropic energy. This anisotropic energy results from relativistic effects, especially the dipole-dipole and the spin-orbit interaction.
  • the magnetic anisotropy, expressed in magnetic units, is of the order of 0.01 to 10 MJ / m3.
  • the elements palladium (Pd), rhodium (Rh) and ruthenium (Ru) are particularly advantageous 4d transition elements for the fixing layer.
  • the elements tungsten (W), renium (Re), osmium (Os), iridium (Ir) and platinum (Pt) can be mentioned as advantageously suitable 5d transition elements. Both the 4d and the 5d transition elements have a high magnetocrystalline anisotropic energy (MAE), and thus make it easy to fix the magnetization direction of the adjacent ferroelectric layer.
  • MAE magnetocrystalline anisotropic energy
  • the fixing layer comprising 4d or 5d transition metals is formed as a thin layer according to claim 4. This means a layer with a layer thickness of 1 to 10 atomic layers.
  • the fixing layer according to the invention is advantageously designed as a monolayer. Even a monolayer of the 4d or 5d transition elements leads to the magnetization direction of the ferromagnetic layer being fixed in accordance with the invention.
  • This embodiment is therefore particularly material-saving and in particular enables a very compact construction of the fixing layer.
  • Magnetic components which comprise this layer system can also advantageously be designed to be correspondingly compact.
  • 5d transition metals or also some 4d transition metals
  • the use of 5d transition metals (or also some 4d transition metals) for the fixing layer also simplifies the manufacturing process, because a single atomic layer of 5d transition metals (or also some 4d transition metals) is sufficient to change the direction of magnetization of the fixed layer (e.g. a thin film made of 3d transition metals).
  • the magnetic anisotropy in the material combination of 3d and 4d or 5d transition metals is very large due to the large spin orbital constant and the small spin splitting.
  • the anisotropy is regularly sensitive to the fine structure of the charge density of the 4d or 5d transition elements in the vicinity of the Fermi energies.
  • the strength and the direction of the magnetocrystalline anisotropy of the fixing layer can be set by the combination according to the invention of a ferromagnetic layer comprising 3d transition elements and a fixing layer comprising 4d and / or 5d transition elements.
  • the theory on which the invention is based is based on exact calculation of the proportion of the spin-orbit interaction in the magnetic field. This part of the spin-orbit interaction in the magnetic anisotropy is particularly large on the surface and is dominant for the magnetic anisotropy in thin films.
  • the inductive magnetocrystalline anisotropy of 5d transition metals (and some 4d transition metals) is large enough to hold the direction of magnetization of the pinned layer. Therefore, the interaction between the sensor layer and the fixed layer is advantageously very low.
  • Different magnetic configurations can be produced simply by a suitable choice of materials.
  • the direction of magnetization of the sensor layer is independent of the direction of magnetization of the fixed layer, as long as the intermediate layer is sufficiently thick. Sufficiently thick is to be understood in particular to be thicker than 1.0 nm. This means that due to the high magnetocrystalline anisotropy energy of the 5d transition metal, there is no interaction between the sensor layer and the fixed layer.
  • Another application is to increase the efficiency of the GMR and TMR effect. This is done by using a moment filter.
  • a moment filter lets the polarized d electrons through the GMR and TMR
  • the magnetocrystalline anisotropic energy of the fixing layer (made of 5d transition metals or also some 4d transition metals) is approximately 10-20 meV. This is approximately 100 times more than the magnetocrystalline anisotropic energy of the sensor layer (thin film made of 3d transition metal). This high
  • Figure 1 Layer structure for a magnetic sensor according to the invention with a fixing layer made of 5d transition elements. This embodiment has a fixation layer.
  • the direction of magnetization of the sensor layer and the fixed layer are represented by corresponding vector graphics.
  • FIG. 2 Layer structure for a magnetic sensors according to the invention with a fixing layer made of 5d transition elements.
  • This embodiment has two fixing layers.
  • the direction of magnetization of the sensor layer and the fixed layer is represented by corresponding vector graphics.
  • the sensor layers 1 are not coupled to the fixed layers 3, so that the magnetization direction of the sensor layers 1 and the fixed layers 3 can be different and collinear as well as non-collinear arrangements can be easily implemented ,
  • FIG. 3 Periodic arrangement of layer structures according to the invention according to Figure 1 for real magnetic sensors
  • FIG. 4 Periodic arrangement of layer structures according to the invention according to Figure 2 for real magnetic sensors embodiments
  • the fixing layer 4 advantageously consists of either a single atomic layer, a thin film, an alloy or a multilayer system.
  • the fixed layer 4 consists only of a single layer of atoms, because otherwise the high magnetic anisotropic energy would be too weak.
  • Various magnetic configurations are possible, such as. B. Fe for the sensor layer 1 and a single layer of Fe atoms on W for the fixed layer 3.
  • the non-collinear alignment occurs because the sensor layer 1 (MAE approx. 0.1 meV) perpendicular to the plane with the high magnetic Anisotropy lies, while the fixed layer 3 lies with approx. 2.0 meV MAE in the plane.
  • the collinear configuration occurs when 1 Co is used instead of Fe for the sensor layer.
  • any combination of magnetization directions (M F ) and (M p ) between sensor layer 1 and fixed layer 3, as shown in the vector graphics in FIG. 1, can be set by choosing a corresponding combination of elements.
  • FIG. 2 A further advantageous embodiment is shown in FIG. 2 and consists of a sandwich arrangement (Multiple layers) comprising a fixing layer 4, a fixed layer 3 and a further fixing layer 4.
  • the fixed layer 3 can consist both of a single atomic layer and of a thick film.
  • the fixing layer 4 must not be thick (in particular less than 5 atomic layers).
  • the magnetocrystalline anisotropic energy of the fixed layer 3 is higher here than in FIG. 1, so that the interlayer interaction is negligible even for very thin intermediate layers 2.
  • a torque filter can be used to increase the efficiency of the GMR and TMR effects.
  • the density of states is close to the Fermi energy and is torque-dependent.
  • the actual GMR and TMR sensors then consist of an arrangement of many individual GMR or TMR sensors, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • any of the 5d transition metals W, Re, Os, Ir, Pt
  • any 4d transition metals Pd, Rh, Ru
  • the layer arrangement consists in addition to the fixing Layer 4 composed of a substrate 5 and a decoupling layer 2.
  • the substrate 5 can also be a layer system (multilayer) including a noble metal (Cu, Ag, Au), a 3d, 4d or also 5d transition metal.
  • a noble metal Cu, Ag, Au
  • a 3d, 4d or also 5d transition metal Precious metals (Cu, Ag, Au) or insulators should preferably be used for the decoupling layer 2, which is sometimes also referred to as an intermediate layer. Not all 3d, 4d and 5d transition metals can be used suitably for the decoupling layer 2.
  • a person skilled in the art is able to find suitable combinations for a given problem.
  • the magnetization of the sensor layer 1 depends only on the magnetization of the fixed layer 3 (M p ).
  • the magnetization of sensor layer 1 (M p ) is due to the weak spin-orbit interaction of the 3d transition metals.
  • the 3d transition metals determine the size of the magnetic moment, while the direction of magnetization due to the strong spin-orbit interaction of the 5d transition metals is determined.
  • This structure is completely different from conventional GMR and TMR materials, in which the fixed layer is fixed by anti-ferromagnetic coupling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer neuen Generation von GMR- und TMR-Sensoren. Es wird eine Dünnfilm-Fixierungsschicht beispielsweise aus einem 5d-Übergangsmetall (W, Re, Os, Ir, Pt) oder einem 4d-Übergangsmetall (Pd, Rh, Ru) mit hoher magnetokristalliner Anisotropie hergestellt, die die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht (3d-ferromagnetische Übergangsmetalle) fixiert. Es kann ein Moment-filter konstruiert werden, mit dem sich die Effektivität von GMR und TMR Sensoren steigern lässt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Magnetisches Schichtsystem sowie ein solches Schichtsystem aufweisendes Bauelement
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein magnetisches Schichtsystem sowie ein solches Schichtsystem aufweisendes Bauelement, insbesondere ein einen Magnetwiderstand (MR) oder Tunnelmagnetwiderstand (TMR) ausnutzendes Bauelement, wie beispielsweise ein Magnetsensor oder ein magnetischer Speicher.
Stand der Technik Verschiedene Materialien weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, die besonders empfindlich auf ein angelegtes Magnetfeld reagiert.
Dieses Phänomen wird in vielen Magnetsensoren und in magnetischen Arbeitsspeichern (MRAM - Magnetic Random Access Memories) auf der Basis des Riesenmagnetowider- standes (GMR) und des Tunnelmagnetwiderstandes (TMR) genutzt .
Typischerweise umfassen solche Sensoren mehrere ferro- magnetische Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind. In Abwesenheit eines äußeren magnetischen Feldes können die ferromagnetischen Schichten durch eine Zwischenschichten-Austausch- Kopplung in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert werden. Ein angelegtes äußeres Magnetfeld führt dann zu einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Schichten. Da der Widerstand von der Magnetisierungsrichtung abhängt, kann ein äußeres Magnetfeld, welches die magnetische Konfigura- tion verändert, einfach durch eine Widerstandsänderung detektiert werden. Dabei ist es notwendig, die Energiedifferenz zwischen den verschiedenen Magnetisierungsrichtungen möglichst gering zu halten, um noch schwache Magnetfelder detektieren zu können. Das kann durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht zwischen den ferromagnetischen Schichten erreicht werden.
Es ist bekannt, daß im Bereich der magnetischen Datenspeicherung bei Computerfestplatten, Sensoren des GMR- Typs (wegen folgender Vorteile) die bisher verwendeten Sensoren zunehmend verdrängen. Die Sensoren des GMR- Typs weisen gegenüber den Sensoren, die den anisotropen Magnetwiderstand (AMR) ausnutzen, einige Vorteile auf.
GMR-Sensoren nutzen vorteilhaft die volle Winkelinfor- mation aus. Während gegensinnig gerichtete Magnetfelder für AMR-Sensoren nicht unterscheidbar sind und dasselbe Signal ergeben, bewirken kollinear und nicht-kollinear ausgerichtete Bereiche beim GMR-Sensor unterschiedliche elektrische Widerstände. Ein weiterer Vorteil der GMR-Sensoren gegenüber den
AMR-Sensoren ist es, daß sie ein vergleichsweise größeres Signal liefern.
Weiterhin von Vorteil ist die Tatsache, daß der GMR- Effekt auf einem Grenzflächeneffekt beruht. Das bedeu- tet, daß ein GMR-Sensor viel dünner sein kann als ein entsprechender Sensor des AMR-Typs . Bekannt ist ebenfalls, daß der Tunnelmagnetwiderstand (TMR) Effekt im Hinblick auf die Möglichkeit einer Anwendung in zukünftigen magnetischen Arbeitsspeichern erforscht wird. Diese sind unter dem Begriff magnetic random access memories (MRAM) bekannt und können die heute verwendeten Halbleiterspeicher ersetzen.
Prinzipiell ist dafür auch der GMR-Effekt geeignet. Der TMR-Effekt besitzt jedoch den klaren Vorteil eines größeren inhärenten Widerstandes des Sensors. In MRAMs ist dies von Bedeutung wegen des hohen Widerstandes der Verbindungsleitungen zwischen Speicherelement und Prozessor.
Sowohl GMR- als auch TMR-Sensoren bestehen typischerweise aus einer freien magnetischen Schicht, einer Zwischenschicht und einer ferromagnetischen Schicht, dessen Magnetisierungsrichtung durch eine angrenzende an- tiferro agnetische Schicht fixiert wird. Die freie Schicht ist üblicherweise ebenfalls eine fer- romagnetische Schicht und wird als Sensorschicht bezeichnet. Die Zwischenschicht umfaßt vorteilhaft die Elemente wie Cu, Ag, Au, Mn, Cr beim GMR-Typ und Isolatoren beim TMR-Typ. Die Funktion des SchichtSystems beruht darauf, daß die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht auf ein externes Magnetfeld reagiert, die fixierte ferromagneti- sche Schicht aber davon unbeeinflußt bleibt. Die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht wird durch die starke antiferromagnetische Wechselwirkung zwischen der fixierten ferromagnetischen Schicht und der benachbarten antiferromagnetischen Schicht festgehalten.
Ein Problem bei der Herstellung eines solchen Schicht- Systems besteht darin, geeignete Materialien zu finden, die sich für die antiferromagnetisch gekoppelte Fixierungsschicht eignen.
Ein weiteres Problem ist es, die erforderlichen verschiedenen magnetischen Orientierungen (kollinear und nicht-kollinear) herzustellen. Darüber hinaus ist die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht wegen der weitreichenden Wechselwirkung zwischen den Schichten regelmäßig an die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht gebunden. Dies bedeutet nachteilhaft eine nur geringe Effizienz (weniger als 20 % bei GMR und weniger als 50 % bei TMR) .
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schichtsystem und ein solches Schichtsystem umfassendes magnetisches Bauelement zu schaffen, welches eine verbesserte Fixierung der Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Schicht im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein agne- tisches Bauelement zu schaffen, welches eine nur geringe Wechselwirkung zwischen e'iner fixierten ferromagne- tischen Schicht und einer weiteren ferromagnetischen Sensorschicht aufweist. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein magnetisches Bauelement mit den Merkmalen des ersten Nebenanspruchs gelöst. Die weiteren Nebenansprüche of- fenbaren darüber hinaus weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Darstellung der Erfindung
Gemäß Anspruch 1 umfaßt das erfindungsgemäße Schichtsystem eine Fixierungsschicht und eine dazu benachbarte ferromagnetische Schicht. Diese ferromagnetische Schicht weist typischerweise 3d-Übergangsmetalle oder eine Legierung oder ein Mehrschichtsystem aus 3d-
Übergangsmetallen auf. Zu den d-Übergangselementen zählen insbesondere Fe, Ni und Co.
Zur Fixierung der Magnetisierungsrichtung der benachbarten ferromagnetischen Schicht umfaßt die Fixierungs- schicht 4d- , bzw. 5d-Übergangselemente .
Es wurde überraschend festgestellt, daß bei einer Materialkombination aus 3d-Übergangselementen der ferromagnetischen Schicht und 4d- , bzw. 5d-Übergangsmetallen der Fixierungsschicht die 3d-Übergangsmetalle die Größe des magnetischen Moments bestimmen, die Magnetisierungsrichtung hingegen durch die 4d- , bzw. 5d- Übergangsmetalle bestimmt wird.
Dabei wird die aus d-Übergangsmetallen bestehende, ferromagnetische Schicht durch die hohe magnetokristal- line anisotropische Energie (MAE) des 4d- bzw. 5d- Übergangsmetalls der Fixierungsschicht fixiert. Bislang üblich ist eine starke antiferromagnetische Kopplung durch Materialien, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die magnetokristalline anisotropische Energie der erfindungsgemäßen Schicht bewirkt eine vorteilhafte Kopplung (Fixierung) der Magnetisierungsrichtung der fixierten ferromagnetischen Schicht.
Die Magnetisierungsrichtung verläuft im allgemeinen entlang einer kristallinen Vorzugsrichtung und/oder wird durch die makroskopische Struktur eines magnetischen Objekts bestimmt. Diese Eigenschaft heißt magnetokristalline Anisotropie. Die Energie, die benötigt wird, um die Ausrichtung vom Zustand der geringsten Energie zu dem der höchsten Energie zu ändern ist die anisotropische Energie. Diese anisotropische Energie resultiert aus relativistischen Effekten, insbesondere der Dipol-Dipol und der Spin-Orbit Wechselwirkung. Die magnetische Anisotropie, ausgedrückt in magnetischen Einheiten, liegt in der Größenordnung von 0,01 bis 10 MJ/m3.
Als besonders vorteilhaft geeignete 4d-Übergangsele- mente für die Fixierungsschicht sind dabei nach An- spruch 2 die Elemente Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und Ruthenium (Ru) zu nennen.
Als vorteilhaft geeignete 5d-Übergangselemente nach Anspruch 3 sind die Elemente Wolfram (W) , Renium (Re) , Osmium (Os) , Iridium (Ir) und Platin (Pt) zu nennen. Sowohl die 4d- , als auch die 5d-Übergangselemente weisen eine hohe magnetokristalline anisotropische Energie (MAE) auf, und ermöglichen so auf einfache Weise die Fixierung der Magnetisierungsrichtung der benachbarten ferroelektrischen Schicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die 4d- , bzw. 5d-Übergangsmetalle umfassende Fixierungsschicht nach Anspruch 4 als Dünnschicht ausgebildet. Darunter ist eine Schicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 10 Atomlagen zu verstehen.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Fixierungsschicht vorteilhaft nach Anspruch 5 als eine Monolage ausgebildet. Schon eine Monolage der 4d- oder 5d-Übergangs- elemente führt zu der erfindungsgemäßen Fixierung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht. Diese Ausführungsform ist deshalb besonders materialsparend und ermöglicht insbesondere eine sehr kompakte Bauweise der Fixierungsschicht. Vorteilhaft können auch magnetische Bauelemente, die dieses Schichtsystem umfassen, entsprechend kompakt ausgestaltet werden.
Durch die Verwendung von 5d-Übergangsmetallen (oder auch einiger 4d-Übergangsmetalle) für die Fixierungs- schicht vereinfacht sich zudem der Herstellungsprozeß, weil schon eine einzige Atomlage von 5d-Übergangs- metallen (oder auch einiger 4d-Übergangsmetalle) ausreicht, um die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht (z. B. eines Dünnfilms aus 3d-Übergangsmetal- len) festzulegen. Die magnetische Anisotropie bei der Materialkombination aus 3d-und 4d-, bzw. 5d-Übergangsmetallen ist aufgrund der großen Spin-Orbital Konstante und dem kleinen Spin- Splitting sehr groß. Die Anisotropie reagiert dabei regelmäßig empfindlich auf die Feinstruktur der Ladungsdichte der 4d-, bzw. 5d-Übergangselemente in der Nähe der Fermi-Energien.
Durch die erfindungsgemäße Kombination einer 3d-Über- gangselemente umfassenden ferromagnetischen Schicht und einer 4d- und/oder 5d-Übergangselemente umfassenden Fixierungsschicht läßt sich die Stärke und die Richtung der magnetokristallinen Anisotropie der Fixierungsschicht einstellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Theorie basiert auf exakter Berechnung des Anteils der Spin-Orbit Wechselwirkung am Magnetfeld. Dieser Anteil der Spin-Orbit Wechselwirkung an der magnetischen Anisotropie ist be- sonders groß an der Oberfläche und ist dominierend für die magnetische Anisotropie bei Dünnfilmen. Die induzierende magnetokristalline Anisotropie von 5d-Über- gangsmetallen (und einiger 4d-Übergangsmetalle) ist groß genug, um die Magnetisierungsrichtung der fixier- ten Schicht festzuhalten. Deshalb ist die Wechselwirkung zwischen der Sensorschicht und der fixierten Schicht vorteilhaft sehr gering.
Unterschiedliche magnetische Konfigurationen (kollinea- re und nicht-kollineare Sensorschicht und fixierte Schicht) lassen sich einfach durch geeignete Wahl der Materialien herstellen. Die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht ist dabei unabhängig von der Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht, solange die Zwi- schenschicht ausreichend dick ist. Unter ausreichend dick ist dabei insbesondere dicker als 1,0 nm zu verstehen. Das bedeutet, daß es wegen der hohen magnetokristallinen Anisotropieenergie des 5d-Übergangsmetalls keine Wechselwirkung zwischen der Sensorschicht und der fixierten Schicht gibt.
Eine andere Anwendung ist die Steigerung der Effizienz des GMR- und TMR-Effektes . Das geschieht durch die Anwendung eines Momentfilters. Ein Momentfilter läßt die polarisierten d-Elektronen durch die GMR- und TMR-
Anordnungen passieren, ist aber undurchlässig für unpo- larisierte s und p Elektronen.
In einer vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements beträgt die magnetokristalline anisotropische Energie der Fixierungsschicht (aus 5d-Übergangs- metallen oder auch einigen 4d-Übergangmetallen) etwa 10-20 meV. Dies ist ungefähr 100 mal mehr, als die magnetokristalline anisotropische Energie der Sensor- Schicht (Dünnfilm aus 3d-Übergangsmetall) . Diese hohe
Energie dominiert die magnetokristalline anisotropische Energie der fixierten Schicht und hält somit ihre Magnetisierungsrichtung fest. Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1: Schichtaufbau für einen erfindungsgemäßen Magnetsensoren mit einer Fixierungsschicht aus 5d-Übergangselementen. Diese Ausführungs- form weist eine Fixierungsschicht auf. Die
Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht und der fixierten Schicht sind durch entsprechende Vektorgraphiken dargestellt.
Figur 2 : Schichtaufbau für einen erfindungsgemäßen Magnetsensoren mit einer Fixierungsschicht aus 5d-Übergangselementen. Diese Ausführungsform weist zwei Fixierungsschichten auf. Auch hier ist die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht und der fixierten Schicht durch entsprechende Vektorgraphiken dargestellt.
In diesen Anordnungen (Figur 1 und Figur 2) sind die Sensorschichten 1 nicht an die fixierten Schichten 3 gekoppelt, so daß die Magnetisierungsrichtung der Sensorschichten 1 und der fixierten Schichten 3 unter- schiedlich sein können und sich kollineare wie auch nicht kollineare Anordnungen einfach verwirklichen lassen.
Figur 3: Periodische Anordnung von erfindungsgemäßen Schichtaufbauten nach Figur 1 für reale Magnetsensoren
Figur 4 : Periodische Anordnung von erfindungsgemäßen Schichtaufbauten nach Figur 2 für reale Magnetsensoren Ausführungsbeispiele
Wie in Figur 1 für einen einzelnen GMR- (oder TMR-) Sensor dargestellt wird, gibt es eine fixierte Schicht 3 (aus 3d-Übergangsmetallen) aus einer Atomlage unmit- telbar neben der Fixierungsschicht 4 aus 5d-Übergangs- etallen oder auch aus einigen 4d-Übergangsmetallen. Die Fixierungsschicht 4 besteht vorteilhaft entweder aus einer einzelnen atomaren Schicht, einem Dünnfilm, einer Legierung oder auch einem Mehrschichtensystem. In der hier dargestellten Ausführung besteht die fixierte Schicht 4 nur aus einer einzelnen Lage von Atomen, weil sonst die hohe magnetische anisotropische Energie zu schwach würde. Es sind verschiedene magnetische Konfigurationen möglich wie, z. B. Fe für die Sensorschicht 1 und eine einzelne Lage von Fe Atomen auf W für die fixierte Schicht 3. Die nicht-kollineare Ausrichtung kommt zustande, weil die Sensorschicht 1 (MAE ca. 0,1 meV) senkrecht zur Ebene mit der hohen magnetischen Anisotropie liegt, während die fixierte Schicht 3 mit ca. 2,0 meV MAE in der Ebene liegt. Die kollineare Konfiguration stellt sich ein, wenn für die Sensorschicht 1 Co anstelle von Fe verwendet wird.
Prinzipiell lassen sich beliebige Kombinationen von Magnetisierungsrichtungen (MF) und (Mp) zwischen Sensorschicht 1 und fixierter Schicht 3, wie in den Vektorgraphiken der Figur 1 gezeigt, einstellen, indem man eine entsprechende Kombination von Elementen wählt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in Figur 2 dargestellt und besteht aus einer Sandwich Anordnung (Mehrfachschichten) umfassend eine Fixierungsschicht 4, eine fixierte Schicht 3 und eine weitere Fixierungsschicht 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die fixierte Schicht 3 sowohl aus einer einzelnen Atomlage als auch aus einem Dickfilm bestehen. Die Fixierungsschicht 4 darf aber nicht dick sein (insbesondere weniger als 5 Atomlagen) . Die magnetokristalline anisotropische Energie der fixierten Schicht 3 ist hier höher als in Figur 1, so daß die Zwischenlagen-Wechselwirkung sogar für sehr dünne Zwischenschichten 2 vernachlässigbar gering ist.
Bei den beschriebenen Anordnungen läßt sich ein Momentfilter verwenden, um die Effizienz des GMR- und TMR- Effekts zu erhöhen. Dabei werden Materialien in der
Weise miteinander kombiniert, daß die Zustandsdichten in der Nähe der Fermi-Energie liegen und momentabhängig sind. Beispielsweise kann man ein Material wählen, dessen s und p Zustandsdichte nahe der Fermi-Energie nied- rig ist, die d Zustandsdichte dort aber hoch ist, so daß nur die d Zustände zum Strom beitragen.
Die tatsächlichen GMR- und TMR-Sensoren bestehen dann aus einer Anordnung von vielen einzelnen GMR-, bzw. TMR-Sensoren, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt. In der konkreten Ausführung kann jedes der 5d-Übergangs- metalle (W, Re, Os, Ir, Pt) verwendet werden und auch jedes 4d-Übergangsmetalle (Pd, Rh, Ru) ist als Fixierungsschicht möglich.
In einer Anordnung, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, besteht die Schichtanordnung neben der Fixierungs- Schicht 4 aus einem Substrat 5 und einer Entkopplungsschicht 2.
Bei dem Substrat 5 kann es sich auch um ein Schichtsystem (Multilayer) unter Einschluß eines Edelmetalls (Cu, Ag, Au) , eines 3d- , 4d- oder auch 5d-Übergangs- metalls handeln. Für die Entkopplungsschicht 2, die manchmal auch als Zwischenschicht bezeichnet wird, sollten vorzugsweise Edelmetalle (Cu, Ag, Au) oder aber Isolatoren verwendet werden. Nicht alle 3d- , 4d- und 5d-Übergangsmetalle lassen sich geeignet für die Entkopplungsschicht 2 verwenden. Ein Fachmann ist jedoch in der Lage, geeignete Kombinationen für eine vorgegebene Problemstellung herauszufinden.
Die Magnetisierung der Sensorschicht 1 (MF) hängt nur ab von der Magnetisierung der fixierten Schicht 3 (Mp) . Die Magnetisierung der Sensorschicht 1 (Mp) kommt durch die schwache Spin-Orbit Wechselwirkung der 3d-Über- gangsmetalle zustande. Bei Sensoren die aus einer Kombination von 3d~ (fixierte Schicht) und 5d- (Fixierungsschicht) Übergangsmetallen bestehen, bestimmen die 3d- Übergangsmetalle die Größe des magnetischen Moments, während die Magnetisierungsrichtung auf Grund der starken Spin-Orbit Wechselwirkung von den 5d-Übergangs- metallen bestimmt wird. Dieser Aufbau unterscheidet sich völlig von konventionellen GMR- und TMR-Materia- lien, bei denen die fixierte Schicht durch antiferroma- gnetische Kopplung fixiert wird. Legende zu den Figuren 1 bis 4:
1 ferromagnetische Schicht (Sensorschicht)
2 Zwischenschicht
3 ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht)
4 erfindungsgemäße Fixierungsschicht
5 Substrat
MF Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht 1
MP Magnetisierungsrichtung der fixierten
Schicht 3
Mx Magnetisierung in x-Richtung
My Magnetisierung in y-Richtung
Mz Magnetisierung in z-Richtung φ) Magnetisierungsrichtung, ausgedrückt durch die Raumwinkel θ und φ.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Schichtsystem, umfassend eine ferromagnetische, 3d- Übergangsmetalle aufweisende Schicht und wenigstens eine daran angrenzende Fixierungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungsschicht 4d~ oder 5d-Übergangs- elemente aufweist.
2. Schichtsystem nach vorhergehendem Anspruch mit einer Fixierungsschicht, umfassend wenigstens ein Element der Gruppe (Pd, Rh, Ru) .
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 mit einer Fixierungsschicht, umfassend wenigstens ein Element der Gruppe (W, Re, Os, Ir und Pt) .
4. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Fixierungsschicht aus einer Legierung aus 4d- oder 5d-Übergangselementen.
5. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fixierungsschicht ein Mehrschichtensystem umfaßt.
6. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, wobei die Fixierungsschicht als Dünnschicht ausgebildet ist.
7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixierungsschicht als eine Monolage ausgebildet ist.
8. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine magnetokristalline Anisotropie der Fixierungsschicht im Bereich von 1 bis 100 meV, insbesondere von 10 bis 20 meV.
9. Magnetisches Bauelement mit einem Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.
10. Magnetisches Bauelement nach Anspruch 9 mit einer zweiten ferromagnetischen Schicht.
11. Magnetisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungsschicht aus einer 4d- oder 5d- Übergangselemente umfassenden Sandwich-Schicht besteht .
12. Magnetisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite ferromagnetische Schicht als Monolage ausgebildet ist.
13. Magnetisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schichtsystem zwei Fixierungsschichten benachbart zu der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet sind.
14. Momentfilter mit einem Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
15. Magnetsensor mit einem Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
16. GMR-Sensor als Magnetsensor nach vorhergehendem Anspruch 15.
17. TMR-Sensor als Magnetsensor nach vorhergehendem Anspruch 15.
18. Magnetischer Arbeitsspeicher mit einem Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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