SE513891C2 - Ett magnetoresistivt element och ett förfarande för att producera en kristallstruktur - Google Patents

Description

15 20 25 30 513 891 2 grain boundaries as a function of ndsorientation angle", S.P.

Isaac, et al.

Detta dokument visar ett förfarande för att växa filmer på bikristallina substrat för att de skall bilda en enstaka, fel- orientationsvinkel vid ett känt vinkelförhållande till chipet. välkontrollerad korngränsövergàng med en specifik På båda sidor av den bikristallina substratdelen, växer filmerna epitaxiellt och bildar en konstgjord korngränsövergàng över chipets centrum. Dessa filmer är mönstrade till att ha geometri med två uppsättningar av identiska armar. Två armar är centrerade till substratets korngränsövergàng. De högsta värdena på magnetoresistansen har erhållits för en korngränsövergàng med en felorienteringsvinkel på 45°. En nackdel med. bikristallina substrat är begränsningen av antalet bryggor, som kan mönstras om enkristaller används ett på gränsövergången. Dessutom produceras, istället för en bikristaller, korngränsövergångar på okontrollerat sätt, dvs. man erhåller en polykristallin film som är okontrollerbart bildad eftersmn kornen kommer att. ha såväl godtyckliga storlekar som orienteringar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett mål med föreliggande uppfinning är att råda bot på nackdelen med känd teknik och att tillhandahålla ett magnetoresistivt element och ett förfarande för att producera en kristallstruktur soul har kolossal magnetoresistans som är kontrollerbår. En mall bildas på ett baskristallsubstfat-material.

Mallen uppvisar olika sektioner i vilka den kristallografiska axeln, eller orienteringen, för en första sektion skiljer sig från för en andra (CMR) den kristallografiska axeln, eller orienteringen, film orienteringarna, sektion. En kolossal nmgnetoresistiv växes på baskristallen. Beroende på de olika eller felorienteringen, kommer det att finnas en gitter missanpassning mellan sektionerna. En korngränsövergàng bildas i CMR-filmen i 10 15 20 25 30 513 891 gränsövergångarna mellan sektionerna. Egenskaperna hos korngräns- övergångarna påverkar i hög grad de magnetoresistiva egenskaperna.

En stort antal små öar kan mönstras i substratet, eller i ett anrikningslager ("seed layer") som är deponerat på substratet, som en bildar en mall med orientering som skiljer sig ifrån den som substratet har. När en CMR-film växes epitaxiellt på en sådan yta, kommer många korngränsövergångar att uppträda över gränsövergångarna mellan substratmallen och "seed layer"-mallen.

Deras antal kan styras genom att man varierar storleken och orienteringen pà mallarna. Korngräns-felorienteringsvinkeln kan styras genom att variera materialet i anrikningslagret och orientering på mallen.

Orienteringen i planet för en magnetoresistiv film beror på det anrikningslager som är deponerat på substratet. Det finns anrikningslager på vilka CMR växer med samma orientering i planet (kub-på-kub), exempelvis SrTiOæ, medan. på andra anrikningslager roteras orienteringen för den deponerade CMR-filmen med någon förhållande till introduceras vinkel i Som ett resultat CMR-filmen. Ett substratets axel. konstgjorda korngränsövergångar i stort antal små öar kan bildass från en mall i anrikningslagret för att bilda sektioner med en orientering i planet som skiljer sig ifrån den som substratet har. till den Antalet korngränsövergàngar som ärvs deponerade CMR-filmen beror på storleken på mallelementet.

Det är också möjligt att bilda magnetoresistiva filmer sonl bildas av en mall med sektioner sonr har olika utomplans- orientering ett substrat, ("out-of-plane"). bildas Om sektioner eller öar mönstras i substratet och en CMR- När en CMR-film växes på ett steg i en eller flera korngränsövergàngar över steget. film därpå växes epitaxiellt därpå, kommer de korngränsövergångar som skapas över stegen att separera CMR-filmen i en två- dimensionell uppsättning av epitaxiellt växta områden med samma 10 15 20 25 30 515 891 inom-plans-orientering. Antalet korngränsövergångar beror på substratets material, stegvinkel och steghöjd.

Företrädesvis används ett en-kristallsubstrat.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att ytterligare beskrivas på ett icke begränsande 'sätt under hänvisning till bifogade figurer, i vilka: FIG IA är en schematisk presentation av ett första utförande av en struktur enligt uppfinningen med olika lagers inom-plans- orientering, FIG lB är en schematisk presentation av ett alternativt utförande av en struktur enligt FIG 1A, FIG 2 är en schematisk presentation av ett andra utföringsexempel av en struktur enligt uppfinningen med utom-plans- orientering för olika sektorer, FIG 3 är en schematisk presentation som visar ett schackspels- mönster som används på en struktur för att skapa ett flertal gränsövergångar, och FIG 4 är en schematisk vy av en magnetfälts sensoranordning som inkorporerar den uppfinningsmässiga strukturen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Utföringsexemplet som visas i FIG 1A baseras på det faktum att inom-plans-orienteringen för en magnetoresistiv film 10 beror på ett anrikningslager ll som är deponerat på ett substrat 10 15 20 25 30 513 891 12. Substratet kan bestå av SrTiCß eller ett material som har liknande egenskaper. Några sektioner 13 av substratet 12 täcks ej av något anrikningslager 11, och ett lämpligt mönster med sektioner som täcks av anrikningslagret 11 och närliggande avsnitt Sådana sektioner kan Ett lämpligt som inte täcks av anrikningslagret bildas. erhållas genom att man etsar i anrikningslagret ll. mönster visas i FIG 3. Anrikningslagret kan bestå av MgO eller ett material som har liknande egenskaper. buffertlager 14 Efter skapandet av mönstret hela Buffertlagret 14 kan bestå av CeO2, CeO eller ett material som har appliceras ett över substratets yta. liknande egenskaper.

Slutligen växes första sektioner 10 av ett CMR-lager på buffertlager 14 över anrikningslagret, och andra sektioner 10' av ett CMR-lager växes på buffertlager 14 över delar av substratet som inte har något anrikningslager. Hela CMR-lagret kan bestå av Lam7Srm3MnO3 eller ett material som har liknande egenskaper. Korn kan bildas i en högt orienterad, tunn CMR-film genom att styra inom-plans epitaxin genom att använda anriknings- och buffertlager i enlighet med ett förfarande som kallas "biepitaxy". Förfarandet baseras på den egenskapen som filmkristallgittret har att växa i linje med kanten på substratets kristallgitter om aSUBSTRA-f z ämm eller i linje med diagonalen om afimflww z V2 x aflmm Genom lokal substrat/lager cellparameter agmmmmy kan således variation av korn med olika inom-plans-orientering att kunna skapas i en CMR-film. En 4 övergångarna mellan dem kommer att bli 45°. epitaxiell felorienteringsvinkel . vid gräns- Orienteringen i de första sektionerna 10 skiljer sig från orienteringen i de andra sektionerna 10' och korngränsövergångarna 15 bildas i skärningslinjerna. Ändringen på orienteringen nællan de olika lagren kan variera beroende på vilka material som valts buffertlagret och CMR. för substratet, anrikningslagret, Företrädesvis är felorienteringsvinkeln. 6 vid gränsövergångarna 10 15 20 25 30 515 891 6 mellan lagren 45°. Andra felorienteringsvinklar kommer att ge ett lägre beroende av magnetisk fält. visas till vänster i FIG 1A Såsom föreligger en felorientering 6 mellan substratlagret och anrikningslagret.

Ingen felorientering kommer att uppträda mellan buffertlagret och anrikningslagret eller mellan buffertlagret och CMR-lagret. Där det inte finns något anrikningslager, såsom visas till höger i FIG 1A, uppträder ingen felorientering alls mellan några lager. Såsom ett resultat därav kommer det att bildas korngränsövergàngar 15 i skärningslinjerna.

I det utföringsexempel som visas i FIG lB bildas strukturen på samma sätt som i FIG 1A. Emellertid kommer de material som är valda i detta utförande att resultera i en annan förändring av orienteringen mellan lagren. Orienteringen för anrikningslagret kommer att följa orienteringen för substratet såson1 visas till vänster i. FIG lB. Orienteringen för buffertlagret följer anrikningslagret men den kommer roteras med en felorienterings- vinkel på 9 när den bildas direkt på substratet, såsom visas till höger i FIG 1A. Då kommer CMR-lagret att rotera med en felorienteringsvinkel när det bildas på buffertlagret, oavsett om Således totala felorienteringen från substratlagret till CMR-lagret att det finns någon anrikningslager eller ej. kommer den bli 6, där det finns ett anrikningslager, medan resultatet kommer att bli att.det inte blir någon felorientering där det inte finns något anrikningslager.

De olika lagren i strukturen i FIG lA och FIG lB är mycket tunna.

SrTiO3 med a = 3,905 Å. a = 4,21 Å, och buffert-lagret består av CeO2 med a = 5,41 Å. lagret 10, 10' består av Lam7Srm3MnO3 med a = 3,82 Å.

I ett utföringsexempel består substratet 12 av Anrikningslagret ll består av MgO med CMR- 10 15 20 25 30 513 891 Det är också möjligt att växa en CMR-film på ett steg i ett substrat FIG 2. En gränsövergångar kommer att bildas över steget. Öar eller liknande såsom visat i eller flera korn- sektioner bildas i substratet 12 och en CMR-film växes epitaxiellt därpå. Korngränsövergàngarna som skapas över stegen separerar CMR- filmen till en tvådimensionell array av epitaxiellt växta områden med samma Antalet inom-plans-orientering. korngränsövergàngar beror på substrat-materialet, stegvinkeln och steghöjden.

Stegvinkeln 6 bör vara större än 20°, företrädesvis större än 30°.

FIG 3 visar ett exempel på en mall som kan användas för att skapa ett flertal fält. Ett tunt anrikningslager ll deponeras på hela substrat-arean 12. Därpå etsas anrikningslagret ll till att få ett schackspelsmönster. Schackspelsfälten där substratytan visas initierar inomplansroterad växt av både buffertlagret och CMR filmen. inte buffertlagret utan bara CMR-filmen.

I grannfälten, som täcks av anrikningslagret, roteras Således skapas domäner med olika inom-plans-orientering i CMR-filmen och en två- dimensionell uppsättning av korngränsövergångar definieras tydligt. Storleken på domänerna kan lätt ändras genom att man ändrar dimensionerna på fältet. Också andra mallar eller mönster kan användas. Mönstret bör uppvisa områden med olika orientering och mellanliggande gränsövergàngar, exempelvis korsande linjer, öar av olika form eller nätstrukturer. Det skulle också vara möjligt att skapa grupper av linjer som har serier med korngräns- övergångar.

Filmerna kan deponeras genom laser-ablation av keramiska targets med nmtsvarande sammansättningar under följande vilkor: KrF excimer laser bestrålning med 248 nm våglängd och 1,5 J/cmz syretryck på 0,8 mbar, (20°/min) i l atm. syre.

(N90), energitäthet, substrat-temperatur på 760°, långsam nerkylning till rumstemperatur Efter deponering av 20 nm anrikningslager mönstrades 10 15 20 25 515 891 anrikningslagret till ett schackspelsmönster, varje fält. med en storlek på 8 um x 8 pm. Substratets (SrTiO3) storlek är 5 mm x 5 mm och hela mönstret upptar en area på 4 mm x 4 mm. Konventionell fotolitografi och jonstråle-etsning med argonjoner (500 eV och 0,2 mA/CHF) används för att bilda mönstret.

Provet kan på nytt monteras i vakuumkammaren och "in-situ" härdning kan utföras under 1 timme i 1 atm 02 vid 760° C för att ytoordning orsakad av jonstråle- (C902) CMR-, 10, 10' (Lam7Srm3MnO3) filmer utan att kammaren öppnas även återställa en möjlig bombarderingen. Därpå deponeras tunna buffert-, 14 och om långsam nerkylning i 1 atm syre till rumstemperatur kan göras efter ablation av varje target. Slutligen avlägsnas CMR-filmen 10, 10' delvis anslutningar för yttre kretsar göres. från områdena utanför schackspelsmönstret och Ett utförande av strukturen enligt uppfinningen visas schematiskt i FIG 4. En magnetfälts-sensoranordning 16 innefattar ett sensorhuvud 17 som stödjer ett magnetoresistivt element med en film 10. Ett magnetfält H magnetoresistiv applicerad på sensoranordningen 16 kommer att förändra resistansen hos sagda film 10. Den magnetoresistiva filmen 10 är operativt förbunden med en elektronisk enhet 18 som känner variationerna i resistans hos den magnetoresistiva filmen 10 beroende på det applicerade magnetiska fältet H. Magnetfältet H kan ha sitt ursprung i magnetiska _lagringsmedel, såsom hårddiskar, eller i andra magnetiska källor.

Claims (9)

10 15 20 25 30 513 891 PATENTKRAV

1. Ett magnetoresistivt element, som innefattar en kristall- struktur med en korngränsövergång som bildas vid en fel- orienteringsvinkel, k ä n n e t e c k n a t d ä r a'v att kristallstrukturen består av ett substratlager (12) och ett CMR-filmlager (10) där CMR-film- lagret (10) har ett flertal första sektioner och ett flertal andra som är växt epitaxiellt därpå, sektioner med mellanliggande gränsövergångar, där den kristallografiska axeln för sagda första sektioner skiljer sig från den kristallografiska axeln för sagda andra sektioner, och att gränsövergángarna består av korngränsövergångar.

2. Ett element enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d är a v att substratet består av enkristaller.

3. Ett förfarande för att producera en kristallstruktur som har kolossal magnetoresistans, där en korngränsövergång bildas vid en felorienteringsvinkel, k ä n n e t e c k n a t g e n o m bildande av en mall på ett baskristallmaterial, som innefattar en första uppsättning av sektioner och andra uppsättning av sektioner med mellanliggande gränsövergångar, där den kristallografiska axeln för sagda första uppsättning skiljer sig från den kristallografiska axeln för sagda andra uppsättning, och växa en film epitaxiellt för att bilda ett flertal gränsövergångarna mellan sagda första uppsättning och sagda andra på sagda baskristallmaterial korngränsövergångar över uppsättning. 10 15 20 25 30 515 891 10

4. Ett förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att sagda första uppsättning av sektioner består av ett flertal öar och att sagda andra uppsättning av sektioner består av områden på sagda baskristallmaterial som omger sagda öar.

5. Ett förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att sagda första uppsättning av sektioner utgöres av ett flertal steg i ett substrat och att sagda andra uppsättning av sektioner utgöres av områden i sagda. baskristallmaterial som omger sagda steg.

6. Förfarandet enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att ett anrikningslager deponeras som. en mall på ett baskristallsubstrat, att den kristallografiska axeln för sagda anrikningslager skiljer sig från kristallografiska axeln för substratet, V att en film växes epitaxiellt på sagda baskristall- material till att bilda ett flertal korngränsövergàngar över gränsövergångarna mellan sagda mall och substratet.

7. Förfarandet enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t a v etsas för att att sektionerna i anrikningslagret avtäcka baskristallen i enlighet med mellan.

8. Förfarandet enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att ett buffertlager växes över anrikningslagret och över baskristall-strukturen. 10 513 891 ll

9. En anordning för att. känna av magnetiska signaler, som innefattar en kristallstruktur med en korngränsövergàng bildad vid en felorienteringsvinkel, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v (12) och ett som växts epitaxiellt därpå, där CMR-filmlagret att kristallstrukturen innefattar ett substratlager CMR-filmlager (10) (10) har ett flertal första sektioner sektioner och ett flertal andra med mellanliggande gränsövergångar, där den kristallografiska axeln för sagda första sektioner skiljer sig från den kristallografiska axeln för sagda andra sektioner, att består av gränsövergångarna korngränsövergångar, och att kristallstrukturen är operativt förbunden med en elektronisk enhet (18) beroende på ett magnetfält som verkar på sagda substrat. för att känna variationer i resistans för sagda struktur