EP1377993A1 - Method for defining reference magnetizations in layer systems - Google Patents

Method for defining reference magnetizations in layer systems

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EP1377993A1
EP1377993A1 EP02761865A EP02761865A EP1377993A1 EP 1377993 A1 EP1377993 A1 EP 1377993A1 EP 02761865 A EP02761865 A EP 02761865A EP 02761865 A EP02761865 A EP 02761865A EP 1377993 A1 EP1377993 A1 EP 1377993A1
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EP
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layer
hard
resistor
magnetic field
cooled
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02761865A
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Inventor
Oliver De Haas
Rudolf Schäfer
Claus Schneider
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Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/3218—Exchange coupling of magnetic films via an antiferromagnetic interface
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    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
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    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/303—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices with exchange coupling adjustment of magnetic film pairs, e.g. interface modifications by reduction, oxidation
    • H01F41/304—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices with exchange coupling adjustment of magnetic film pairs, e.g. interface modifications by reduction, oxidation using temporary decoupling, e.g. involving blocking, Néel or Curie temperature transitions by heat treatment in presence/absence of a magnetic field

Definitions

  • the invention relates to the field of materials technology and relates to a method for defining reference magnetizations, which is used, for example, in components in magnetic sensors or spin electronics, such as e.g. could be used in GMR sensors or MRAM memory cells.
  • armature layer can consist of a hard magnet, a natural or artificial antiferromagnet.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer is spatially fixed by the exchange coupling between the ferromagnet and the armature layer.
  • This anchor layer itself must also be magnetically aligned. Depending on the material properties of the anchor layer, the following methods have been used to date:
  • the object of the present invention is to provide a method for determining reference magnetizations in layer systems, the reference directions in terms of number and spatial direction being arbitrary.
  • At least one hard and / or soft magnetic layer is produced by geometrically structuring a hard and / or soft magnetic layer and before or during or after a one- or multi-stage heat treatment and / or soft magnetic layer is brought into direct contact with at least one antiferromagnetic layer.
  • the heat treatment is carried out with an increase in temperature at least up to above the coupling temperature.
  • the layer system is then cooled.
  • the layer system is advantageously cooled without applying a magnetic field, so that the demagnetized state or the remanent state is impressed as reference magnetization without being disturbed.
  • the layers are advantageously produced with lateral dimensions in the micro and nanometer range and layer thicknesses in the nanometer range.
  • a hard and / or soft magnetic layer is initially structured geometrically. This can be done using methods known from microelectronics, such as, for example, lithographic methods. This geometric structuring determines the shape, number and arrangement of these geometric elements in relation to one another. This process step has a significant influence on the direction of magnetization of the hard and / or soft magnetic layer, since the choice of the geometric shape according to the principle found by van den Berg determines the direction of magnetization within the respective shape. Domains form within a shape, the magnetization of which is aligned parallel to the nearest edge. Alternatively, the stray field interaction of neighboring elements can be used to form desired domain patterns.
  • any number of reference directions and any number of different reference directions can thus be produced in one layer system by number, shape and / or arrangement with respect to one another.
  • the heating above the coupling temperature means that the magnetization configurations can be set in the hard and / or soft magnetic layer that is free due to the temperature increase in accordance with the domain elements.
  • the antiferromagnetic layer takes over the magnetization configuration of the hard and / or soft magnetic layer.
  • the layer system thus has a uniform magnetization configuration.
  • the hard and / or soft magnetic layer it is also possible for the hard and / or soft magnetic layer to be subjected to the heat treatment alone and to be applied to an antiferromagnetic layer only during or after cooling.
  • the antiferromagnetic layer takes over the magnetization configuration of the hard and / or soft magnetic layer.
  • the hard and / or soft magnetic layer is applied or can only be applied after the production of the antiferromagnetic layer, its structuring can take place, for example, by means of an interchangeable mask process or lithographically controlled ion etching.
  • the magnetization of the antiferromagnet is not determined by an applied magnetic field, but by the magnetization of the exchange-coupled ferromagnetic layer.
  • a magnetic field during the heat treatment can favor the setting of the pattern as described by van den Berg.
  • a sufficiently strong DC magnetic field can specifically cause remanent magnetization states.
  • Another advantage of the method according to the invention is that the domain patterns of the hard and / or soft magnetic layer are retained even at higher temperatures and thus the method with the Temperature treatment for generating an antiferromagnetic state, such as PtMn and similar substances, is compatible.
  • the reference magnetizations established by the method according to the invention can be regenerated (self-healing). This can only be achieved by reheating the layer composite above the coupling temperature. Destroyed magnetizations above the coupling temperature are thus reset and can serve as reference magnetizations again after cooling.
  • the method according to the invention can be used well in the miniaturization of magnetoelectronic components, since it can be used over a wide scaling range.
  • a reliable determination of the reference magnetization can be achieved in particular in the submicron range.
  • FIG. 1 shows a typical magnetization configuration of a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer a) before a heat treatment b) at T> TB, with a TB coupling temperature c) after a heat treatment
  • Fig. 2 is a nuclear microscope image of 4 ellipsoidally structured
  • perpendicular reference magnetizations are required.
  • a 10 nm thick FeMn layer is first deposited on silicon as an anchor layer and then a 100 nm thick ferromagnetic Ni ⁇ iFeig layer is deposited.
  • squares with an edge length of 24 ⁇ m are structured.
  • the ferromagnetic layer must be completely removed outside the structure.
  • the heat treatment takes place at 200 ° C.
  • the sample is demagnetized in a decaying magnetic field with a maximum amplitude of 1 kA / cm and then cooled to room temperature without the influence of a magnetic field.
  • the layer system now shows a stable magnetization configuration as shown in Fig. 1.
  • Magnetoresistive magnetic field sensors are advantageously implemented in a Wheatson bridge circuit.
  • reference magnetizations that are antiparallel to each other are required.
  • a double layer consisting of 10 nm FeMn and 100 nm Ni 8 ⁇ Fei 9 is dusted on a silicon substrate.
  • a homogeneous magnetic field with a strength of 240 A / cm is present during the layer deposition.
  • 4 elements of an ellipse-like shape with the lateral dimensions of 100 ⁇ m x 20 ⁇ m are structured. The elements are aligned parallel to each other and to the field direction during the layer deposition and are next to each other with a distance of 30 ⁇ m.
  • the heat treatment takes place at 200 ° C.
  • the sample is demagnetized in a decaying field of maximum amplitude of 1 kA / cm, which is aligned diagonally to the element axis and then cooled to room temperature without the influence of a magnetic field.
  • the layer system now shows a stable magnetization configuration, as shown in Fig. 2.

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Abstract

The invention is used in the field of materials engineering and relates to a method for defining reference magnetizations in layer systems that could be used, for example, in magnetic sensor technology components. The aim of the invention consists of providing a method for defining reference magnetizations in layer systems, whereby the reference directions can be selected as desired with regard to number and spatial direction. To this end, a method is provided for defining reference magnetizations in layer systems during which at least one layer system is produced by geometrically structuring a hard-magnetic and/or soft-magnetic layer and by applying the hard-magnetic and/or soft-magnetic layer to at least one antiferromagnetic layer before, during or after a single-stage or multi-stage thermal treatment, whereby the temperature is increased at least to a temperature greater than the coupling temperature, and the layer system is cooled afterwards.

Description

Verfahren zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen in SchichtsystemenMethod for determining reference magnetizations in layer systems
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft ein Verfahren zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen, welches beispielsweise in Bauelementen in der Magnetsensorik oder der Spinelektronik, wie z.B. in GMR- Sensoren oder MRAM-Speicherzellen zur Anwendung kommen könnte.The invention relates to the field of materials technology and relates to a method for defining reference magnetizations, which is used, for example, in components in magnetic sensors or spin electronics, such as e.g. could be used in GMR sensors or MRAM memory cells.
Stand der TechnikState of the art
Bekannt ist die Nutzung der Austauschkopplung zwischen Ferromagneten und Antiferromagneten (AFM) oder künstlichen Antiferromagneten (AAF- „Artificial Anti Ferromagnet") zum Festhalten von Magnetisierungen in magnetischen Schichtsystemen.It is known to use the exchange coupling between ferromagnets and antiferromagnets (AFM) or artificial antiferromagnets (AAF- "Artificial Anti Ferromagnet") to hold magnetizations in magnetic layer systems.
Bauelemente in der Magnetsensorik oder Spinelektronik benötigen in den meisten Fällen eine raumfeste Referenzmagnetisierungsrichtung. Dazu wird häufig die magnetische Ankopplung an eine sogenannte .Ankerschicht" ausgenutzt. Diese Ankerschicht kann aus einem Hartmagneten, einem natürlichen oder künstlichen Antiferromagneten bestehen. Durch die Austauschkopplung zwischen Ferromagnet und Ankerschicht wird die Magnetisierungsrichtung der ferromag netischen Schicht räumlich fixiert.In most cases, components in magnetic sensors or spin electronics require a spatially fixed reference magnetization direction. For this purpose, the magnetic coupling to a so-called "anchor layer" is often used. This armature layer can consist of a hard magnet, a natural or artificial antiferromagnet. The magnetization direction of the ferromagnetic layer is spatially fixed by the exchange coupling between the ferromagnet and the armature layer.
Diese Ankerschicht selbst muss ebenfalls magnetisch ausgerichtet werden. Dazu werden je nach Materialeigenschaften der Ankerschicht bislang die folgenden Verfahren genutzt:This anchor layer itself must also be magnetically aligned. Depending on the material properties of the anchor layer, the following methods have been used to date:
- Schichtabscheidung in einem externen Magnetfeld- Layer deposition in an external magnetic field
- Thermische Nachbehandlung in einem externen Magnetfeld- Thermal aftertreatment in an external magnetic field
- Feldkühlung nach lokaler Laserbestrahlung. In allen drei Fällen wird eine effektiver Feldkühlung (field cooling) durchgeführt, das heißt, das System Ferromagnet Ankerschicht wird von einem Zustand oberhalb der kritischen Kopplungstemperatur (Blocking-Temperatur TB) bei anliegendem Magnetfeld in einem gekoppelten Zustand überführt. Dadurch wird eine homogene, durch das Magnetfeld erzwungenen Magnetisierung der ferromag netischen Schicht durch direkte Austauschkopplung in die Spinkonfiguration der antiferromagnetischen Schicht eingeprägt. Für externe Feldstärken unterhalb der Kopplungsfeldstärke bleibt die eingestellte homogene Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht erhalten und dient somit als Referenzmagnetisierung.- Field cooling after local laser radiation. In all three cases, effective field cooling is carried out, that is to say the system ferromagnetic armature layer is transferred from a state above the critical coupling temperature (blocking temperature T B ) to a magnetic field in a coupled state. As a result, a homogeneous magnetization of the ferromagnetic layer, which is forced by the magnetic field, is impressed into the spin configuration of the antiferromagnetic layer by direct exchange coupling. For external field strengths below the coupling field strength, the set homogeneous magnetization of the ferromagnetic layer is retained and thus serves as a reference magnetization.
Von den oben angeführten Verfahren ist nur das letztgenannte in der Lage, Referenzmagnetisierungen im Bereich des Fokus eines Laserstrahls lokal zu ändern.Of the methods listed above, only the latter is capable of locally changing reference magnetizations in the area of the focus of a laser beam.
Die Nachteile der bekannten Verfahren bestehen darin, dass, mit Ausnahme des Laserverfahrens, nicht mehrere Referenzrichtungen in beliebigen Richtungen zueinander gleichzeitig realisiert werden können. Dies ist für die Funktionsweise komplexerer magnetoelektrischer Bauelemente, wie z.B. Winkelsensoren erforderlich.The disadvantages of the known methods are that, with the exception of the laser method, it is not possible to implement a plurality of reference directions in any direction with respect to one another at the same time. This is for the functioning of more complex magnetoelectric components, e.g. Angle sensors required.
Und schließlich sind nachträgliche Prozessschritte zur Ausrichtung des AFM notwendig und kompliziert und nur in Grenzen mit der Mikrominiaturisierung verträglich.And finally, subsequent process steps for aligning the AFM are necessary and complicated and only compatible with the microminiaturization to a limited extent.
Weiterhin ist bekannt, dass in weichmagnetischen Schichtelementen die Magnetisierung entlang den Elementkanten orientiert ist, um Streufelder zu vermeiden. Dadurch ergibt der magnetische Fluss eine geschlossenen Konfiguration. Wie van den Berg herausgefunden hat, bleibt die Magnetisierung auch im Inneren des Elementes parallel zur am nächsten gelegenen Elementkante. In Punkten, die den gleichen Abstand zu zwei Elementkanten haben, stoßen die verschiedenen magnetischen Bereiche zusammen. Dadurch entsteht ein Zustand mit homogenen magnetischen Domänen, die durch Domänenwände getrennt sind.It is also known that in soft magnetic layer elements the magnetization is oriented along the element edges in order to avoid stray fields. As a result, the magnetic flux results in a closed configuration. As van den Berg found out, the magnetization inside the element remains parallel to the closest element edge. The different magnetic areas collide at points that are equidistant from two element edges. This creates a state with homogeneous magnetic domains that are separated by domain walls.
Es ist bekannt, dass voneinander getrennte Elemente bei hinreichend kleinem Abstand über ihr Streufeld miteinander wechselwirken. Um einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen, nehmen benachbarte Elemente Magnetisierungskonfigurationen ein, die einem geschlossenen magnetischen Fluss nahekommen und nur geringe Streufelder verursachen.It is known that elements separated from one another interact with one another at a sufficiently small distance via their stray field. To be energetic To achieve a favorable state, neighboring elements adopt magnetization configurations that come close to a closed magnetic flux and cause only small stray fields.
Darlegung der ErfindungStatement of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehe in der Angabe eines Verfahrens zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wobei die Referenzrichtungen hinsichtlich Anzahl und Raumrichtung beliebig gewählt werden können.The object of the present invention is to provide a method for determining reference magnetizations in layer systems, the reference directions in terms of number and spatial direction being arbitrary.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Further training is the subject of the subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wird mindestens eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht hergestellt, indem eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während oder nach einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung die hart- und/oder weichmagnetische Schicht auf mindestens eine antiferromagnetische Schicht in direkten Kontakt gebracht wird. Die Wärmebehandlung wird dabei mit einer Temperaturerhöhung mindestens bis über die Kopplungstemperatur durchgeführt. Anschließend wird das Schichtsystem abgekühlt.In the method according to the invention for determining reference magnetizations in layer systems, at least one hard and / or soft magnetic layer is produced by geometrically structuring a hard and / or soft magnetic layer and before or during or after a one- or multi-stage heat treatment and / or soft magnetic layer is brought into direct contact with at least one antiferromagnetic layer. The heat treatment is carried out with an increase in temperature at least up to above the coupling temperature. The layer system is then cooled.
Vorteilhafterweise wird das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung ohne Anlegen eines Magnetfeldes abgekühlt, damit sich der entmagnetisierte Zustand oder der remanente Zustand ungestört als Referenzmagnetisierung einprägt.After the heat treatment, the layer system is advantageously cooled without applying a magnetic field, so that the demagnetized state or the remanent state is impressed as reference magnetization without being disturbed.
Es ist weiterhin vorteilhaft das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung in einem äußeren Magnetfeld abzukühlen, um einen durch das Feld veränderten entmagnetisierten oder remanenten Zustand als Referenzmagnetisierung einzuprägen. Vorteilhafterweise werden die Schichten mit lateralen Ausdehnungen im Mikro- und Nanometer-Bereich und Schichtdicken im Nanometer-Bereich hergestellt.It is also advantageous to cool the layer system after the heat treatment in an external magnetic field in order to impress a demagnetized or remanent state changed by the field as a reference magnetization. The layers are advantageously produced with lateral dimensions in the micro and nanometer range and layer thicknesses in the nanometer range.
Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Schichten mit gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung über die Kopplungstemperatur erwärmt und anschließend ohne ein Magnetfeld abgekühlt werden.It is also advantageous if several layers with the same or different composition are heated above the coupling temperature and then cooled without a magnetic field.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in magnetoresistiven Sensorelementen oder magnetoresistiven Schaltelementen basierend auf einem anisotropen Magnetwiderstand oder auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektions-Magnetwiderstand oder in aktiven magnetoelektronischen Bauelementen basierend auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektions-Magnetwiderstand angewandt.According to the invention, the method for determining reference magnetizations in magnetoresistive sensor elements or magnetoresistive switching elements based on an anisotropic magnet resistor or on a giant magnet resistor or on a tunnel magnet resistor or on a spin injection magnet resistor or in active magnetoelectronic components based on a giant magnet resistor or on a tunnel magnet resistor or on a spin injection -Magnetic resistance applied.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu Anfang eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert. Dies kann mit aus der Mikroelektronik bekannten Verfahren, wie beispielsweise lithografische Verfahren erfolgen. Durch diese geometrische Strukturierung werden die Form, Anzahl und Anordnung dieser geometrischen Elemente zueinander bestimmt. Dieser Verfahrensschritt hat maßgeblichen Einfluss auf die Magnetisierungsrichtung der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht, da durch die Wahl der geometrischen Form entsprechend dem gefundenen Prinzip von van den Berg die Magnetisierungsrichtung innerhalb der jeweiligen Form bestimmt wird. Innerhalb einer Form bilden sich Domänen aus, deren Magnetisierung parallel zur nächstliegenden Kante ausgerichtet ist. Alternativ kann die Streufeldwechselwirkung benachbarter Elemente zur Ausbildung gewünschter Domänenmuster genutzt werden.In the method according to the invention, a hard and / or soft magnetic layer is initially structured geometrically. This can be done using methods known from microelectronics, such as, for example, lithographic methods. This geometric structuring determines the shape, number and arrangement of these geometric elements in relation to one another. This process step has a significant influence on the direction of magnetization of the hard and / or soft magnetic layer, since the choice of the geometric shape according to the principle found by van den Berg determines the direction of magnetization within the respective shape. Domains form within a shape, the magnetization of which is aligned parallel to the nearest edge. Alternatively, the stray field interaction of neighboring elements can be used to form desired domain patterns.
Somit können durch Anzahl, Form und/oder Anordnung zueinander beliebig viele Referenzrichtungen und beliebig unterschiedliche Referenzrichtungen in einem Schichtsystem hergestellt werden. Nach der geometrischen Strukturierung wird durch die Erwärmung über die Kopplungstemperatur erreicht, dass sich die Magnetisierungskonfigurationen in der durch die Temperaturerhöhung freien hart- und/oder weichmagnetischen Schicht entsprechend den Domänenelementen einstellen können. Bei dem anschließenden Kühlen ohne Anlegen eines Magnetfeldes übernimmt die antiferromagnetische Schicht die Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht. Damit weist das Schichtsystem eine einheitliche Magnetisierungskonfiguration auf.Any number of reference directions and any number of different reference directions can thus be produced in one layer system by number, shape and / or arrangement with respect to one another. After the geometric structuring, the heating above the coupling temperature means that the magnetization configurations can be set in the hard and / or soft magnetic layer that is free due to the temperature increase in accordance with the domain elements. In the subsequent cooling without applying a magnetic field, the antiferromagnetic layer takes over the magnetization configuration of the hard and / or soft magnetic layer. The layer system thus has a uniform magnetization configuration.
Es ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass die hart- und/oder weichmagnetische Schicht allein der Wärmebehandlung unterzogen wird und erst während oder nach dem Abkühlen auf eine antiferromagnetische Schicht aufgebracht wird. Auch hier übernimmt die antiferromagnetische Schicht die Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht.According to the method according to the invention, it is also possible for the hard and / or soft magnetic layer to be subjected to the heat treatment alone and to be applied to an antiferromagnetic layer only during or after cooling. Here, too, the antiferromagnetic layer takes over the magnetization configuration of the hard and / or soft magnetic layer.
Für den Fall, dass die hart- und/oder weichmagnetische Schicht erst nach der Herstellung der antiferromagnetischen Schicht aufgebracht wird oder werden kann, kann deren Strukturierung beispielsweise durch ein Wechselmaskenverfahren oder lithographisch kontrolliertes lonenätzen erfolgen.In the event that the hard and / or soft magnetic layer is applied or can only be applied after the production of the antiferromagnetic layer, its structuring can take place, for example, by means of an interchangeable mask process or lithographically controlled ion etching.
Bei Vorhandensein der antiferromagnetischen Schicht während der Wärmebehandlung wird die Magnetisierung des Antiferromagneten nicht von einem angelegten Magnetfeld bestimmt, sondern durch die Magnetisierung der austauschgekoppelten ferromagnetischen Schicht.If the antiferromagnetic layer is present during the heat treatment, the magnetization of the antiferromagnet is not determined by an applied magnetic field, but by the magnetization of the exchange-coupled ferromagnetic layer.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, während der Wärmebehandlung ein Magnetfeld anzulegen. Ein abklingendes magnetisches Wechselfeld kann dabei das Einstellen des Musters nach der Beschreibung von van den Berg begünstigen. Ein hinreichend starkes magnetisches Gleichfeld kann gezielt remanente Magnetisierungszustände hervorrufen.It is also possible according to the invention to apply a magnetic field during the heat treatment. A decaying alternating magnetic field can favor the setting of the pattern as described by van den Berg. A sufficiently strong DC magnetic field can specifically cause remanent magnetization states.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass die Domänenmuster der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht auch bei höheren Temperaturen erhalten bleiben und somit das Verfahren auch mit der Temperaturbehandlung zur Erzeugung eines antiferromagnetischen Zustandes, wie z.B. bei PtMn und ähnlichen Substanzen, kompatibel ist.Another advantage of the method according to the invention is that the domain patterns of the hard and / or soft magnetic layer are retained even at higher temperatures and thus the method with the Temperature treatment for generating an antiferromagnetic state, such as PtMn and similar substances, is compatible.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren festgelegten Referenzmagnetisierungen regenerierbar sind (Selbstheilung). Dies ist nur durch ein erneutes Erwärmen des Schichtverbundes über die Kopplungstemperatur realisierbar. Damit werden zerstörte Magnetisierungen oberhalb der Kopplungstemperatur wieder eingestellt und können nach Abkühlung wieder als Referenzmagnetisierungen dienen.Furthermore, it is advantageous that the reference magnetizations established by the method according to the invention can be regenerated (self-healing). This can only be achieved by reheating the layer composite above the coupling temperature. Destroyed magnetizations above the coupling temperature are thus reset and can serve as reference magnetizations again after cooling.
Bei der Miniaturisierung magnetoelektronischer Bauelemente kann das erfindungsgemäße Verfahren gut eingesetzt werden, da es über einen weiten Skalierungsbereich anwendbar ist. Insbesondere im Submikrometerbereich ist eine zuverlässige Festlegung der Referenzmagnetisierung erreichbar.The method according to the invention can be used well in the miniaturization of magnetoelectronic components, since it can be used over a wide scaling range. A reliable determination of the reference magnetization can be achieved in particular in the submicron range.
Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to carry out the invention
Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail using several exemplary embodiments.
Dabei zeigt:It shows:
Fig. 1 eine typische Magnetisierungskonfiguration einer ferromagnetischen Schicht und einer antiferromagnetischen Schicht a) vor einer Wärmebehandlung b) bei T > TB, mit TB - Kopplungstemperatur c) nach einer Wärmebehandlung1 shows a typical magnetization configuration of a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer a) before a heat treatment b) at T> TB, with a TB coupling temperature c) after a heat treatment
(die Schichten sind zur besseren Einsicht getrennt gezeichnet) und(the layers are drawn separately for better viewing) and
Fig. 2 eine kerrmikroskopische Aufnahme von 4 ellipsenähnlich strukturiertenFig. 2 is a nuclear microscope image of 4 ellipsoidally structured
Elementen, wobei bei den schwarzen Elementen die Magnetisierung nach unten zeigt und bei den weißen Elementen nach oben. Beispiel 1Elements, with the black elements the magnetization pointing downwards and the white elements pointing upwards. example 1
Für einen 360° GMR-Winkelsensor werden zueinander rechtwinklige Referenzmagnetisierungen benötigt. Dazu wird auf Silicium zunächst eine 10 nm dicke FeMn-Schicht als Ankerschicht und darauf eine 100 nm dicke ferromagnetische NiβiFeig-Schicht abgeschieden. Mit Hilfe von lithographischen Techniken werden Quadrate der Kantenlänge 24 μm strukturiert. Die ferromagnetische Schicht muss außerhalb der Struktur vollständig entfernt werden. Dann erfolgt die Wärmebehandlung bei 200 °C. Wenn die Temperatur von 200 °C erreicht ist, wird die Probe in einem abklingenden Magnetfeld der Maximalamplitude von 1 kA/cm entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration gemäß Abb. 1.For a 360 ° GMR angle sensor, perpendicular reference magnetizations are required. For this purpose, a 10 nm thick FeMn layer is first deposited on silicon as an anchor layer and then a 100 nm thick ferromagnetic NiβiFeig layer is deposited. With the help of lithographic techniques, squares with an edge length of 24 μm are structured. The ferromagnetic layer must be completely removed outside the structure. Then the heat treatment takes place at 200 ° C. When the temperature of 200 ° C is reached, the sample is demagnetized in a decaying magnetic field with a maximum amplitude of 1 kA / cm and then cooled to room temperature without the influence of a magnetic field. The layer system now shows a stable magnetization configuration as shown in Fig. 1.
Beispiel 2Example 2
Magnetoresistive Magnetfeldsensoren werden vorteilhaft in Wheatson- Brückenschaltung ausgeführt. Um die zueinander inversen Signale der Einzelelemente der Wheatstone-Brücke zu realisieren, werden zueinander antiparallele Referenzmagnetisierungen benötigt. Eine Doppelschicht, bestehend aus 10 nm FeMn und 100 nm Ni8ιFei9, wird auf eine Siliciumsubstrat aufgestaubt. Während der Schichtabscheidung liegt ein homogenes Magnetfeld der Stärke 240 A/cm an. Im darauffolgenden Lithographieschritt werden 4 Elemente einer ellipsenähnlichen Form mit den lateralen Abmessungen von 100 μm x 20 μm strukturiert. Die Elemente sind parallel zueinander und zur Feldrichtung während der Schichtabscheidung ausgerichtet und liegen nebeneinander mit einem Abstand von 30 μm. Jetzt erfolgt die Wärmebehandlung bei 200 °C. Wenn die Temperatur von 200 °C erreicht ist, wird die Probe in einem diagonal zur Elementachse ausgerichteten, abklingenden Feld der Maximalamplitude von 1 kA/cm entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur gekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration, wie in Abb. 2 dargestellt. Magnetoresistive magnetic field sensors are advantageously implemented in a Wheatson bridge circuit. In order to implement the inverse signals of the individual elements of the Wheatstone bridge, reference magnetizations that are antiparallel to each other are required. A double layer consisting of 10 nm FeMn and 100 nm Ni 8 ιFei 9 is dusted on a silicon substrate. A homogeneous magnetic field with a strength of 240 A / cm is present during the layer deposition. In the subsequent lithography step, 4 elements of an ellipse-like shape with the lateral dimensions of 100 μm x 20 μm are structured. The elements are aligned parallel to each other and to the field direction during the layer deposition and are next to each other with a distance of 30 μm. Now the heat treatment takes place at 200 ° C. When the temperature of 200 ° C is reached, the sample is demagnetized in a decaying field of maximum amplitude of 1 kA / cm, which is aligned diagonally to the element axis and then cooled to room temperature without the influence of a magnetic field. The layer system now shows a stable magnetization configuration, as shown in Fig. 2.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, bei dem mindestens ein Schichtsystem hergestellt wird, indem eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während oder nach einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung die hart- und/oder weichmagnetische Schicht auf mindestens eine antiferromagnetische Schicht aufgebracht werden, wobei die Temperaturerhöhung mindestens bis über die Kopplungstemperatur durchgeführt wird und anschließend das Schichtsystem abgekühlt wird.1. A method for determining reference magnetizations in layer systems, in which at least one layer system is produced by structuring a hard and / or soft magnetic layer geometrically and before or during or after a one- or multi-stage heat treatment the hard and / or soft magnetic layer are applied to at least one antiferromagnetic layer, the temperature increase being carried out at least up to above the coupling temperature and then the layer system being cooled.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schichtsystem ohne Anlegen eines Magnetfeldes abgekühlt wird.2. The method according to claim 1, wherein the layer system is cooled without applying a magnetic field.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Schichtsystem mit einem angelegten Magnetfeld abgekühlt wird, wobei in Abhängigkeit von der gewünschten Referenzmagnetisierung die Magnetisierungskonfiguration der hart- und/oder weichmagnetischen Schicht und/oder der antiferromagnetischen Schicht verändert wird.3. The method according to claim 1, wherein the layer system is cooled with an applied magnetic field, the magnetization configuration of the hard and / or soft magnetic layer and / or the antiferromagnetic layer being changed as a function of the desired reference magnetization.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in die Schicht ein magnetisches Feld eingeprägt wird.4. The method according to claim 1, in which a magnetic field is impressed in the layer.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Schichten mit lateralen Abmessungen im Mikro- und Nanometer-Bereich und Schichtdicken im Nanometer-Bereich hergestellt werden.5. The method of claim 1, are produced in the layers with lateral dimensions in the micro and nanometer range and layer thicknesses in the nanometer range.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehrere Schichten mit gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung über die Kopplungstemperatur erwärmt und anschließend ohne ein Magnetfeld abgekühlt werden. 6. The method of claim 1, wherein several layers with the same or different composition are heated above the coupling temperature and then cooled without a magnetic field.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem quadratische, rechteckige, dreieckige, kreisförmige Strukturierungen oder davon abgeleitete Formen erzeugt werden.7. The method according to claim 1, in which square, rectangular, triangular, circular structuring or shapes derived therefrom are produced.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Wärmebehandlung bis zur vollständigen Durchdringung durchgeführt wird.8. The method of claim 1, wherein the heat treatment is carried out until full penetration.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die geometrische Strukturierung zwei- oder dreidimensional durchgeführt wird.9. The method according to claim 1, wherein the geometric structuring is carried out in two or three dimensions.
10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine hart- und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert und auf eine antiferromagnetische Schicht aufgebracht wird, anschließend eine einstufige Wärmebehandlung mit Abkühlung durchgeführt wird.10. The method according to claim 1, in which a hard and / or soft magnetic layer is geometrically structured and applied to an antiferromagnetic layer, then a one-stage heat treatment with cooling is carried out.
11.Verwendung des Verfahrens zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in magnetoresistiven Sensorelementen oder magnetoresistiven Schaltelementen basierend auf einem anisotropen Magnetwiderstand oder auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektionswiderstand oder in aktiven magnetoelektronischen Bauelementen basierend auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektionswiderstand. 11.Use of the method for determining reference magnetizations in magnetoresistive sensor elements or magnetoresistive switching elements based on an anisotropic magnet resistor or on a giant magnet resistor or on a tunnel magnet resistor or on a spin injection resistor or in active magnetoelectronic components based on a giant magnet resistor or on a tunnel magnet resistor or on a spin injection resistor.
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