WO2006034673A1 - Magnetisches speicherschichtsystem und verwendung - Google Patents

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WO2006034673A1
WO2006034673A1 PCT/DE2005/001620 DE2005001620W WO2006034673A1 WO 2006034673 A1 WO2006034673 A1 WO 2006034673A1 DE 2005001620 W DE2005001620 W DE 2005001620W WO 2006034673 A1 WO2006034673 A1 WO 2006034673A1
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magnetic
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ferromagnetic
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Thorsten Klein
Ralf Röhlsberger
Eberhard Burkel
Kai Schlage
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Funktionale Materialien Rostock E.V.
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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
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    • 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
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    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
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    • H01F10/3231—Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films via a non-magnetic spacer
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    • 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
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    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/123—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys having a L10 crystallographic structure, e.g. [Co,Fe][Pt,Pd] thin films

Definitions

  • the invention relates to a magnetic layer system comprising two magnetizable layers having at least one non-magnetizable layer arranged therebetween, a magnetic memory system having write and / or read heads, hard disks or MRAMs comprising the magnetic layer system and their use for storing digital and / or analog information.
  • Magnetic memory layer systems are e.g. from computer technology for the storage and processing of digital information.
  • tiny micromagnetic alignments are written into and read out into magnetizable layers with the aid of read / write heads.
  • the write head acts on the storage medium with magnetic fields of different sign, so that the information can be subsequently read with a read head as a function of the micro-magnetization.
  • the amount of the two oppositely oriented external magnetic fields during the writing process is generally essentially constant.
  • bit size The smallest magnetic memory unit (bit size) can not be selected arbitrarily small in computer screed plates, since the temporal stability of a micromagnetic see alignment u.a. depends on their spatial extent (superparamagnetism). Another limiting factor of temporal stability is the magnetic energy of the layer system per micromagnetic surface. The state of the art has essentially reached this physical limit, so that significant reductions of the smallest micromagnetic memory units with the magnetic storage media used hitherto are not to be expected.
  • the readout accuracy of the electrical resistance between the magnetic layers is clearly improved by so-called "tunnel junctions" elements, as disclosed in EP 1484766-A1, where it is proposed to introduce a non-conductive tunnel layer between the magnetic layers it is to optimize the storage or readout of two different memory states by measuring the tunnel current through the non-conducting tunnel layer in order to read out the information.
  • DE 10358964-A1 also relates to an MRAM and its production method.
  • the manufacturing process of MRAMs is to be improved by using a vertically structured field effect transistor (FET) for connecting the memory cells to the bit line.
  • FET vertically structured field effect transistor
  • the process step for isolating the individual memory cells is saved in order to increase the speed of the MRAM and to achieve a high degree of integration.
  • EP 1148511-A2 Another possibility for reducing the space requirement of an MRAM memory cell is shown in EP 1148511-A2.
  • the drive logic is not arranged peripherally but integrated below the memory cell array in the semiconductor substrate.
  • the entire memory cells can be realized by using a substrate as a
  • Ground terminal and a vertically structured field effect transistor (FET) for connecting the cells are connected to the bit line.
  • FET field effect transistor
  • the magnetic layer system and read / write method presented here is intended to show a way in which, despite the spatial limitation of the smallest micromagnetic alignments, the storage density in computer hard disks or MRAMs can be substantially increased.
  • bit 0 and bit 1 With the help of the previously used memory layer systems, only two different magnetic states (bit 0 and bit 1) per memory unit can be stored, depending on the orientation of the external magnetic field. For analog applications which have more than two sets of information, the previous memory layer systems can not be used or the analog information must first be transformed into digital information, bit 0 and bit 1. This means that the process step of converting from analog to digital and back to analog always has to be carried out in order to process and store analog signals. This not only has disadvantages in terms of storage density but also in terms of the required amount of computing power.
  • the different orientations of the micromagnetizations should depend essentially exclusively on the magnitude of an external magnetic field, and preferably not on the direction of the field vector.
  • the object underlying the invention is' a magnetic Schicht ⁇ system according to claim 1 dissolved, the two different ferromagnetic Schich ⁇ th (FML, FM2) which are spaced apart by at least a non-magnetic layer mot ⁇ (NM).
  • FML, FM2 the two different ferromagnetic Schich ⁇ th
  • NM non-magnetic layer mot ⁇
  • the two magnetic layers differ on the one hand in the magnetic properties and on the other hand in the chemical composition and / or the atomic structure or in the order.
  • the ferromagnetic layer FM2 is substantially homogeneous in its structural and magnetic properties. It should be characterized in particular by the fact that it is more soft magnetic than the layer FMl.
  • the definition "soft magnetic” essentially refers to the soft magnetic properties such as those of Fe or Co.
  • the layer FM1 has inhomogeneities in the magnetic and / or structural properties in relation to the surface, for example consisting of zones (diameter: 0.5 to 500 nm) of different magnetic anisotropy and thus of different coercive forces
  • a zone is defined in such a way that all magnetic properties within a zone are almost constant Many of these zones ultimately form a (total) micro-magnetization
  • the layer FM1 may be harder to magnetize than the layer FM 2.
  • the definition "hard magnetic” essentially refers to the hard magnetic properties, such as, for example, those of FePt or SmCo.
  • the layer FM1 has e.g. different magnetic nanoparticles (diameter: 0.5 to 500 nm) with different coercive forces and / or zones with different crystalline phases and thus different coercive forces, wherein the crystallite size of the various phases is in the order of magnitude of the nanoparticles.
  • the non-magnetic intermediate layer allows the magnetic layers to interact magnetostatically by stray fields (dipole field) or, secondly, by the RKKY-type interlayer exchange coupling.
  • the thickness of the layers, the size (the volume) and the coercive forces of the crystallites (or nanoparticles) of the harder magnetized layers are usually measured such that the magnetization directions of the individual crystallites or nanoparticles in the layer are determined by external magnetic fields FMl so that a biquadratic coupling between the magnetic layers is induced or changed or the bilineare and biquadratician coupling can be effectively changed by external magnetic fields.
  • layer FM1 of the storage system e.g. single crystals, e.g. Epitaxially produced on monocrystalline substrates, polycrystalline or layered nanoparticles, on other suitable Speicherkplat ⁇ tensubstraten (eg., Si-wafer) vapor-deposited, sputtered or applied by chemical means, magnetic coupling multilayer systems.
  • suitable Speicherkplat ⁇ tensubstraten e.g., Si-wafer
  • the ferromagnetic layer FM1 is preferably made of different magnetic nanoparticles (P1, ..., PN) with different coercive forces (K1, ..., KN) by conventional physical or chemical processes.
  • the size of the nanoparticles may preferably vary between 0.5 to 50 nm and the total layer thickness of FM1 preferably between 0.5 to 100 nm.
  • a certain order state of the magnetic nanoparticles is preferred. However, this ordering state is not absolutely necessary for the functioning of the memory layer system according to the invention.
  • An order state has the advantage that well-defined storage units can be used.
  • the layer FM1 consists of a polycrystalline layer (eg FePt)
  • the different magnetic phases (P1,..., PN) can be combined with the respectively different coercive forces (Kl,..., CN).
  • the crystallites are defined.
  • the magnetic preferred Directions (eg, the c-axes of the tetragonal phase) of the crystallites or nanoparticles may be randomly distributed or uniformly oriented.
  • the size of the crystallites may preferably vary between 0.5 to 50 nm and the total layer thickness of the alloy preferably between 0.5 to 100 nm. It is preferred to magnetically decouple the individual crystallites.
  • the decoupling can, as already used industrially, be effected by adding non-magnetic elements (for example Cr, B,...) During the production process.
  • the magnetic decoupling of the individual crystallites is not absolutely necessary for the functioning of the storage layer system according to the invention, but has the advantage that smaller storage units can be achieved.
  • the ferromagnetic layer FM2 is preferably produced from pure 3d metals (Fe, Co,%) Or their thermodynamically stable alloys (FeCo, FeNi,%) For the utilization of interfacial effects, also in the form of finely layered ferromagnetic multilayers ,
  • the magnetic anisotropy and coercivity of the layer FM2 can be adjusted in a wide range by choosing the layer thickness, surface finish and composition during the physical or chemical preparation.
  • any nonmagnetic element, any nonmagnetic compound or any nonmagnetic alloy can be used as the nonmagnetic intermediate layer NM.
  • the non-magnetic intermediate layer NM can be characterized in that it contains charge carriers, as a result of which an RKKY-type interlayer exchange coupling is produced between the ferromagnetic layers FM1 and FM2.
  • the nonmagnetic intermediate layer NM should preferably have the property of not influencing the magnetic stray fields of the layers FM1 and FM2.
  • the thickness of the nonmagnetic intermediate layer preferably varies in the range from 0.3 to 100 nm.
  • the nonmagnetic intermediate layer should be such that magnetoresistance effects (GMR / TMR) can be measured, preferably between the layers FM1 and FM2.
  • Read / write methods using the same enable an increase in the storage density using conventional magnetic storage systems such as computer hard disks or MRAMs, in that composite digital data can be stored in different micromagnetic orientations and read out again.
  • the orientation (the coupling angle between the magnetic layers) of the micromagnetization depends only on the amount of short-time magnetic field generated.
  • the magnitude of the magnetic field is determined by the signal composed of digital data.
  • the stored signal can be read out again using the GMR / TMR effect or magneto-optical methods.
  • the magnetic memory layer system and read / write method can increase the information density in conventional magnetic memory methods / storage media (hard disks, MRAMs, etc.) since the smallest micromagnetic memory units are always spatially limited for a wide variety of reasons.
  • the storage layer system can thus also be applied to analog information processing. Any analog information can be directly stored, read out and processed, with the amount of the short-term magnetic field depending on the analog signal.
  • the process step of the conversion analog -> digital -> analog is omitted.
  • the coupling angles are adjusted continuously by an external magnetic field. The magnitude of the magnetic field depends on the analog signal.
  • the storage density (for digital information) can be increased with the aid of the storage layer system and the read / write method in comparison to the currently used storage methods by combining a plurality of digital data and then storing them as composite information.
  • This principle is explained below using the example of the ASCII code.
  • the letter A consists of the 8 binary numbers 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1.
  • 8 micromagnetic memory units are used to store the information "letter A.”
  • With the memory layer system described above and write / Reading method it is possible to use only a single micromagnetic storage unit for the information "letter A", for example, by a well-defined amount of the external magnetic field, a precisely defined coupling angle between the Magnettechnischs ⁇ directions of the layers retentive set and thus stored.
  • This resistance R can again be read out and the information "character A" and are transformed back into digital data. ⁇
  • the maximum possible increase in the storage density with the storage layer system and read / write method in comparison to conventional digital storage in hard disks or MRAMs depends on the accuracy of the setting of the coupling angles, the magnetic energy of a single storage unit and the accuracy of the GMR / TMR measurement off.
  • the coupling angles can be stored and read out with an accuracy of 1 ° and the use of suitable compression algorithms for the digital information, the storage capacity is increased by a factor of 360 for the same storage area.
  • the write procedure is the same for applications in computer hard disks or MRAMs.
  • the amount of magnetic field generated is determined by the signal to be stored.
  • the signal can consist of both analog and composite digital data.
  • a precisely defined coupling angle between the magnetization directions of the layers is set remanent.
  • the principle of storage can be realized with externally generated magnetic fields, which are fixedly oriented in any direction, as long as a field component is in the layer plane. It is preferred to carry out the storage with external magnetic fields oriented perpendicularly or antiparallel to the magnetization direction.
  • the difference from the previously used method is the variation of the amount of the magnetic field that is generated, for example, by the write head in the case of hard disks or by the write line in MRAMs.
  • the layer thickness of the non-magnetic intermediate layer should be dimensioned such that the RKKY-type bilinear coupling becomes minimal and the magnetic interaction mainly via the stray fields takes place.
  • the layer thickness of the nonmagnetic interlayer should be dimensioned such that the bilinear RKKY-like coupling becomes maximal and the influence of the magnetostatic interaction is small.
  • the reading procedure can be performed by means of magneto resistance effects (such as GMR / TMR effects).
  • magneto resistance effects such as GMR / TMR effects
  • the difference to the previously used method is that different magnetic orientations of the layer FM2 can be read out with the help of the read heads in the hard disks or the read lines in the MRAMs.
  • the amount of the GMR / TMR signal el. Resistance R
  • MOKE effect magneto-optical methods
  • Fig. 1 shows the magnetic layer system with read reading method schematically.
  • FIG. 2b shows the four different magnetic nanoparticles (Pl, ..., P4), with the four different coercive forces (Kl, ..., K4).
  • FIG. 3f shows by way of example the mode of operation of the magnetic memory layer system with a read / write method for external magnetic fields which are applied for a short time perpendicular to the magnetization direction.
  • FIG. 4 a shows the determined coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt, depending on the Cu interlayer thickness for external magnetic fields, which are applied for a short time and antiparallel to the original magnetization direction, FIG. 4 b for those which are applied vertically.
  • the layer system consists of a hard magnetic (FM1), a nonmagnetic (NM) and a soft magnetic (FM2) layer.
  • the signal to be stored determines the magnitude of the electric current (I) and thus the magnitude of the external magnetic field (B), whereby the magnetic orientation (M) of the soft magnetic layer is changed.
  • the new remanent magnetic orientation of the soft magnetic layer can be read out again with the aid of magneto-resistance effects (R).
  • the magnetic layer with the more hard magnetic properties are denoted by FM1 in the figures above, those with the soft magnetic properties with FM2 and the non-magnetic intermediate layer with NM.
  • Kl, K2, ... to KN denote the coercive forces of the zones or particles P1, P2, ... to PN.
  • the short-term applied magnetic field is designated -BO, + Bl, + B2, + B3, + B0.
  • the layer system is magnetized after briefly applying an external magnetic field - BO in one direction (see FIG. 3a).
  • the parallel alignment of the two magnetization directions M is caused both by the remanent properties of the two magnetic layers FM1 and FM2 and by the RKKY-type interlayer exchange coupling.
  • the layer FM1 it is also possible for the layer FM1 to be coupled in parallel to the layer FM2 by a magnetostatic interaction (Neel or Orange Peel coupling).
  • Equation (1) The biquadratic coupling (with the biquadratic coupling constant J 2 ) depends on the size (area) of the oppositely oriented particle P1 (parameter: L ), the thickness of the magnetic layers FM1 + FM2 and the intrinsic exchange constant Aj n tr of the layer FM2. Equation (1):
  • Equation (2) The coupling angle (theta) between the directions of magnetization generated by the biquadratic coupling can be calculated by equation (2). Equation (2):
  • J 2 in this equation describes the biquadratic coupling, Ji the intrinsic RKKY-like interlayer exchange coupling, and K the anisotropy constant of the layer FM1.
  • the function g (f) (described in Slonczewski, Phys. Rev. Lett., 67, 3172 (1991)) can be understood as the degree of coverage of the opposite micro-magnetizations (eg relative number of particles P1).
  • Equation (2) is increased. Due to the external magnetic field + B3, with the properties
  • 3f shows an example of a 90 ° coupling of two magnetic layers caused by stray fields.
  • the 90 ° coupling is generated in this case by mutually oppositely oriented dipole fields of the lower magnetic layer.
  • the dipole film induces a so-called frustration state in the upper layer. That is, opposing forces act on adjacent regions in the soft magnetic layer, but due to the magnetic exchange coupling (stiffness) within the soft magnetic layer, no opposing magnetic forces can exist Form domains such that the energetic minimum is a 90 ° coupling.
  • SO Demokritov et al. Physically with equation (7) in its publication.
  • This layer system was deposited on highly polished Si wafers using the sputtering process.
  • X-ray diffraction measurements and atomic force microscopy images show that the size of the crystallites and thus of the smallest micromagnetic alignments in the FePt layer is approximately (20 +/- 5) nm.
  • the roughnesses of the layers could be determined with the aid of X-ray reflection in grazing incidence with a maximum of 0.7 nm.
  • time spectra A selection of measurement data (time spectra) of the experiments conducted at the European Synchrotron Radiation Facility is shown in FIG.
  • time spectra consist of different coupling angles (For different Cu layer thicknesses d) between the magnetization directions of the layers result.
  • FIG. 4 a The experimental confirmation of the above-described mechanism of the field-induced biquadratic coupling for external magnetic fields, which are applied for a short time and anti-parallel to the original magnetization direction, is shown in FIG. 4 a.
  • the determined coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt are shown, depending on the Cu intermediate layer thickness for inducing external magnetic fields (B
  • the coupling angles are coded in grayscale in this illustration.
  • FIG. 4b shows the determined coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt, depending on the Cu interlayer thickness for inducing external magnetic fields (B _
  • the coupling angles are coded in gray scale in this figure. Due to the external field, the magnetization direction of the layer FM2 is remanently deflected in the direction of 90 ° to the original direction of magnetization. Without being bound by theory, it is believed that bi-quadratic coupling (such as described in S.O., Demokritov et al., Phys., Rev. B 49, 720 (1994)) can be effectively altered by the external magnetic fields.
  • This mechanism shows another dependence of the induced biquadratic coupling as a function of the interlayer thickness than in the model of Vlasko- Vlasov et al. described. They are e.g. to detect no oscillations of the coupling angles as a function of the Cu layer thickness.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Schichtsystem umfassend zwei magnetisierbare Schichten FM1 und FM2 mit zumindest einer dazwischen angeordneten nicht magnetisierbaren Schicht, ein magnetisches Speichersystem aufweisend Schreib- und oder Leseköpfe, Festplatten oder MRAM aufweisend das magnetische Schichtsystem und deren Verwendung zum Speichern digitaler und/oder analoger Informationen.

Description

Magnetisches Speicherschichtsystem und Verwendung
Gegenstand der Erfindung ist ein magnetisches Schichtsystem umfassend zwei mag- netisierbare Schichten mit zumindest einer dazwischen angeordneten nicht magneti- sierbaren Schicht, ein magnetisches Speichersystem aufweisend Schreib- und oder Leseköpfe, Festplatten oder MRAMs aufweisend das magnetische Schichtsystem und deren Verwendung zum Speichern digitaler und/oder analoger Informationen.
Magnetische Speicherschichtsysteme sind z.B. aus der Computertechnik zur Speiche- rung und Verarbeitung digitaler Informationen bekannt. In Festplatten werden kleins¬ te mikromagnetische Ausrichtungen mit Hilfe von Schreib-/Leseköpfen in magneti- sierbare Schichten hineingeschrieben und herausgelesen. Der Schreibkopf wirkt hier¬ bei mit Magnetfeldern unterschiedlichen Vorzeichens je nach zu speichernder Bit 0 oder Bit 1 Information auf das Speichermedium ein, damit die Informationen vorzei- chenabhängig in Abhängigkeit von der Mikromagnetisierung nachfolgend mit einem Lesekopf ausgelesen werden können. Der Betrag der beiden entgegengesetzt orien¬ tierten externen Magnetfelder beim Schreib Vorgang ist dabei in der Regel im Wesent¬ lichen konstant.
Dieses Prinzip wird sowohl in Computerfestplatten (siehe z.B. US 5,523,173) als auch in MRAMs (Magnetic Random Access Memorys) (siehe z.B. US 5,640,343 oder US 6,710,984) eingesetzt, wobei sich die Verfahren in der Erzeugung der Magnetfel¬ der zum Schreiben der Informationen und in der Art des Auslesens der Informationen unterscheiden. Eine Gemeinsamkeit liegt aber darin, dass nur die Informationen Bit 0 und Bit 1, in zueinander um 180° entgegengesetzten mikromagnetischen Ausrichtun¬ gen abgespeichert und wieder ausgelesen werden können.
Die kleinste magnetische Speichereinheit (Bitgröße) kann in Comput er f estplatten nicht beliebig klein gewählt werden, da die zeitliche Stabilität einer mikromagneti- sehen Ausrichtung u.a. von deren räumlicher Ausdehnung abhängt (Superparamagne¬ tismus). Ein weiterer begrenzender Faktor der zeitlichen Stabilität ist die magnetische Energie des Schichtsystems pro mikromagnetischer Fläche. Diesen physikalischen Grenzbereich hat der Stand der Technik im Wesentlichen erreicht, so dass deutliche Verkleinerungen der kleinsten mikromagnetischen Speichereinheiten mit den bisher verwendeten magnetischen Speichermedien nicht zu erwarten sind.
Im Falle von MRAMs, ist die kleinste magnetische Speichereinheit momentan noch durch das technische Know-How beim Herstellungsprozeß limitiert. Es ist aber nur noch eine Frage der Zeit, bis auch hier die oben beschriebenen physikalischen Grenzen erreicht werden.
So wird z.B. die Auslesegenauigkeit des elektrischen Widerstandes zwischen den mag- netischen Schichten deutlich durch sogenannte „Tunnel Junctions" Elemente verbes¬ sert, wie sie in der EP 1484766-A1 offenbart sind. Dort wird vorgeschlagen eine nicht¬ leitende Tunnelschicht zwischen die magnetischen Schichten einzubringen. Ziel ist es, die Speicherung bzw. Auslesung von zwei unterschiedlichen Speicherzuständen zu op¬ timieren, indem zum Auslesen der Information der Tunnelstrom durch die nichtleitende Tunnelschicht gemessen wird.
Die DE 10358964-A1 betrifft ebenso einen MRAM und dessen Herstellungsverfahren. Der Herstellungsprozess von MRAMs soll verbessert werden, indem ein vertikalstruk¬ turierter Feldeffekttransistor (FET) zum Verbinden der Speicherzellen mit der Bitlei- tung verwendet wird. Es wird der Prozessschritt zur Isolierung der einzelnen Speicher¬ zellen eingespart, um die Geschwindigkeit des MRAM zu erhöhen und eine hohe Integ¬ ration zu erreichen.
Eine weitere Möglichkeit, den Flächenbedarf einer MRAM-Speicherzelle zu verrin- gern, wird in der EP 1148511-A2 aufgezeigt. Hier ist die Ansteuerlogik nicht peripher angeordnet sondern unterhalb des Speicherzellenfeldes im Halbleitersubstrat integriert.
Um sowohl die Geschwindigkeit des MRAMs als auch seine Intergrationsdichte zu erhöhen, können die gesamten Speicherzellen durch Verwendung eines Substrates als
Erdanschluss und eines vertikal strukturierten Feldeffekttransistors (FET) zum Verbin- den der Zellen mit der Bitleitung verbunden werden.
Eine Möglichkeit nicht gewollte Ummagnetisierungsprozesse zu verhindern, z.B. her¬ vorgerufen durch das Ummagnetisieren von Nachbarzellen, wird in der DE 10158795 Al aufgezeigt. Hier wird ein Referenzstützfeld, erzeugt durch ein Referenzmagnetisie- rungsstrom, vorgeschlagen. Ziel dieses Anmeldung ist es, die relative Widerstandsän¬ derung (zwischen den Informationen 0 und 1) zu erhöhen. Durch Schreibvorgänge können z.B. die Informationen von nicht direkt angesteuerten Zellen gelöscht werden. Dieses Problem wird durch einen sogenannten Referenzstrom verhindert, der ein Refe¬ renzstützfeld erzeugt, so dass die untere Schicht immer die gleiche Magnetisierungs- richtung behält und nicht zufällig ummagnetisiert werden kann.
Oben aufgezeigtem Stand der Technik ist im Unterschied zu vorliegenden Erfindung gemeinsam, dass jeweils nur zwei unterschiedliche Magnetisierungszustände pro MRAM-Speicherzelle abgespeichert werden können. Darüber hinaus ist der Aufbau der Speicherschichten ein anderer.
Das hier vorgestellte magnetische Schichtsystem und Schreib/Leseverfahren soll einen Weg aufzeigen, wie trotz räumlicher Begrenzung der kleinsten mikromagnetischen Ausrichtungen, die Speicherdichte in Computerfestplatten oder MRAMs wesentlich erhöht werden kann.
Mit Hilfe der bisher verwendeten Speicherschichtsysteme lassen sich nur zwei ver- schiedene magnetische Zustände (Bit 0 und Bit 1) pro Speichereinheit abspeichern, abhängig von der Orientierung des externen Magnetfeldes. Für analoge Anwendungen, die mehr als zwei Informationszüstände aufweisen, können die bisherigen Speicher¬ schichtsysteme nicht verwendet werden bzw. die analoge Information muss zu-nächst in eine digitale Information, Bit 0 und Bit 1, transformiert werden. Das bedeutet, dass immer der Prozessschritt der Umwandlung von analog in digital und zurück in analog durchgeführt werden muss, um analoge Signale zu verarbeiten und abzuspeichern. Dies hat nicht nur Nachteile bezüglich der Speicherdichte sondern auch solche bezüglich des benötigten Aufwands an Rechenleistung.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit Hilfe eines neuen magnetischen Schichtsystems und eines neuen Schreib-/Leseverfahrens mehr als zwei unterschiedliche magnetische Ausrichtungen des Magnetfeldes in einer magnetischen Schicht abzuspeichern. Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Mikromagnetisierungen sollen im Wesentlichen ausschließlich vom Betrag eines externen Magnetfeldes abhängen und vorzugsweise nicht von der Richtung des Feldvektors.
Es besteht im Weiteren die Aufgabe, mit Hilfe des neuen Speicherschichtsystems und des neuen Schreib-/Leseverfahrens, die Speicherdichte für digitale Informationen zu erhöhen.
Es soll weiterhin möglich sein, analoge Signale direkt abzuspeichern und wieder aus¬ zulesen, ohne den Prozessschritt analog in digital und zurück in analog durchführen zu müssen. Der Betrag des externen Magnetfeldes kann direkt durch ein analoges oder indirekt durch ein aus digitalen Daten zusammengesetztes Signal bestimmt sein. Die abgespeicherten Daten, die als unterschiedliche mikromagnetische Ausrichtungen vor¬ liegen, sollen mit Hilfe von Magnetowiderstandseffekten (GMR/TMR) oder mit magneto-optischen Methoden (z.B. MOKE) wieder ausgelesen werden können. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch' ein magnetisches Schicht¬ system gemäß Anspruch 1 gelöst, das zwei unterschiedliche ferromagnetische Schich¬ ten (FMl, FM2) aufweist, die durch zumindest eine nichtmagnetische Zwischen¬ schicht (NM) beabstandet sind. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge- genstand der weiteren Ansprüche oder nachfolgend beschrieben.
Die beiden magnetischen Schichten unterscheiden sich zum einen in den magneti¬ schen Eigenschaften und zum anderen in der chemischen Zusammensetzung und/oder der atomaren Struktur bzw. in der Ordnung. Die ferromagnetische Schicht FM2 ist in ihren strukturellen und magnetischen Eigenschaften im Wesentlichen homogen. Sie soll sich im Speziellen dadurch auszeichnen, dass sie weichmagnetischer als die Schicht FMl ist. Die Definition „weichmagnetisch" bezieht sich im Wesentlichen auf die weichmagnetischen Eigenschaften wie z.B. die von Fe oder Co. Die Schicht FMl weist bezogen auf die Fläche Inhomogenitäten in den magnetischen und/oder struktu- rellen Eigenschaften auf. Sie besteht z.B. aus Zonen (Durchmesser: 0,5 bis 500 nm) unterschiedlicher magnetischer Anisotropie und damit unterschiedlicher Koerzi- tivkräften. Eine Zone ist so definiert, das sämtliche magnetische Eigenschaften inner¬ halb einer Zone nahezu konstant sind. Viele dieser Zonen bilden letztendlich eine (Gesamt)-Mikromagnetisierung. Insgesamt soll die Schicht FMl härter magnetisier- bar sein als die Schicht FM2. Die Definition „hartmagnetisch" bezieht sich im We¬ sentlichen auf die hartmagnetischen Eigenschaften wie z.B. die von FePt oder SmCo.
Um räumlich begrenzte Zonen unterschiedlicher Koerzitivkräfte zu erzeugen, werden bevorzugt magnetische Nanopartikel und/oder magnetische Kristallite verwendet. Die Schicht FMl weist z.B. verschiedene magnetische Nanopartikel (Durchmesser: 0,5 bis 500 nm) mit unterschiedlichen Koerzitivkräften und/oder Zonen mit unter¬ schiedlichen kristallinen Phasen und damit unterschiedlichen Koerzitivkräften auf, wobei die Kristallitgröße der verschiedenen Phasen in der Größenordung der Nano¬ partikel liegt. Durch die nichtmagnetische Zwischenschicht können die magnetischen Schichten zum einen magnetostatisch durch Streufelder (Dipolfelder) oder zum ande¬ ren durch die RKKY-artige Zwischenschicht- Austauschkopplung wechselwirken.
Eine derartige Dipolfeld- Wechselwirkung wurde von L. Neel in CR. Hebd. Seances Acad. Sei. 255, 1545 (1962) und die RKKY-artige Zwischenschi cht- Austauschkopplung wurde u.a. von P. Bruno in Phys. Rev. B, 52, 411 (1995) be¬ schrieben. Diesbezüglich wird auf diese Literaturstellen Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht. Die Dicke der Schichten, die Größe (das Volumen) und die Koerzitivkräfte der Kristallite (bzw. Nanopartikel) der härter magnetisierten Schichten sind i.d.R. so be¬ messen, dass sich durch externe Magnetfelder die Magnetisierungsrichtungen der ein¬ zelnen Kristallite bzw. Nanopartikel in der Schicht FMl verändern lassen, so dass eine biquadratische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten induziert bzw. verändert wird bzw. die bilineare und die biquadratische Kopplung durch externe Magnetfelder effektiv verändert werden kann.
Durch externe Magnetfelder effektiv veränderbare bilineare und biquadratische Kopplungen sind aus V.-K. Vlasko-Vlasov et al, Phys. Rev. Lett. 86, 4386 (2001) in Verbindung mit einem metallischen SmCo/Fe-Doppelschichtsystem bekannt. S.O. Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994) beschreiben eine biquadratische Kopplung, erzeugt durch einen magnetischen Dipolmechanismus, in Verbindung mit metallischen Fe/Cr/Fe-Dreifachschichtsystemen. Diesbezüglich wird auf diese Litera- turstellen Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt auch zum Gegenstand die¬ ser Anmeldung gemacht.
Für die Schicht FMl des erfindungsgemäßen Speichersystems eignen sich z.B. einkri¬ stalline, z.B. epitaktisch auf Einkristallsubstraten hergestellte, polykristalline oder auch in Schichtform aufgetragene Nanopartikel, auf geeigneten anderen Speicherplat¬ tensubstraten (zB. Si-Wafer) aufgedampfte, aufgesputterte oder auf chemische Weise aufgetragene, magnetische koppelfähige Mehrfachschichtsysteme.
Die ferromagnetische Schicht FMl wird bevorzugt aus verschiedenen magnetischen Nanopartikeln (Pl, ..., PN) mit unterschiedlichen Koerzitivkräften (Kl, ..., KN) mit herkömmlichen physikalischen oder chemischen Verfahren hergestellt.
Die Größe der Nanopartikel kann bevorzugt zwischen 0,5 bis 50 nm und die gesamte Schichtdicke von FMl bevorzugt zwischen 0,5 bis 100 nm variieren. Ein gewisser Ordnungszustand der magnetischen Nanopartikel wird bevorzugt. Dieser Ordnungs¬ zustand ist aber für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Speicherschichtsys¬ tems nicht zwingend notwendig. Ein Ordnungszustand hat den Vorteil, dass genau definierte Speichereinheiten verwendet werden können. Wie oben erwähnt, kann die • ferromagnetische Schicht FMl aus magnetischen Nanopartikeln, magnetischen Kristalliten oder aus beiden zusammengesetzt sein. Für den Fall, dass die Schicht FMl aus einer polykristallinen Schicht (z.B. FePt) besteht, können die unterschiedli¬ chen magnetischen Phasen (Pl, ..., PN) mit den jeweils unterschiedlichen Koerzi¬ tivkräften (Kl, ..., KN) der Kristallite definiert werden. Die magnetischen Vorzugs- richtungen (z.B. die c-Achsen der tetragonalen Phase) der Kristallite bzw. Nanoparti- kel können statistisch verteilt oder einheitlich orientiert sein.
Die Größe der Kristallite kann bevorzugt zwischen 0,5 bis 50 nm und die gesamte Schichtdicke der Legierung bevorzugt zwischen 0,5 bis 100 nm variieren. Es wird bevorzugt, die einzelnen Kristallite magnetisch zu entkoppeln. Die Entkopplung kann, wie bereits industriell angewendet, durch Zugabe von nichtmagnetischen Ele¬ menten (z.B. Cr, B, ...) während des Herstellungsprozesses erfolgen. Die magnetische Entkopplung der einzelnen Kristallite ist für die Funktionsweise des erfϊndungsgemä- ßen Speicherschichtsystems nicht zwingend notwendig, hat aber den Vorteil, dass kleinere Speichereinheiten erreicht werden können.
Die ferromagnetische Schicht FM2 wird bevorzugt aus reinen 3d-Metallen (Fe, Co, ...) oder deren thermodynamisch stabilen Legierungen (FeCo, FeNi, ...) zur Ausnut- zung von Grenzflächeneffekten, auch in Form fein geschichteter ferromagnetischer Multischichten, hergestellt. Die magnetische Anisotropie und Koerzitivfeldstärke der Schicht FM2 lässt sich in einem großen Bereich durch die Wahl der Schichtdicke, Oberflächenbeschaffenheit und Zusammensetzung während der physikalischen oder chemischen Herstellung einstellen.
Als nichtmagnetische Zwischenschicht NM kann ein beliebiges nichtmagnetisches Element, eine beliebige nichtmagnetische Verbindung oder eine beliebige nichtmag¬ netische Legierung verwendet werden. Die nichtmagnetische Zwischenschicht NM kann sich dadurch aμszeichnen, dass sie Ladungsträger enthält, wodurch eine RKKY- artige Zwischenschicht-Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schich¬ ten FMl und FM2 hervorgerufen wird. Im Weiteren sollte die nichtmagnetische Zwi¬ schenschicht NM vorzugsweise die Eigenschaft besitzen, die magnetischen Streufel¬ der der Schichten FMl und FM2 nicht zu beeinflussen. Die Dicke der nichtmagneti¬ schen Zwischenschicht variiert vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 100 nm. Die nichtmagnetische Zwischenschicht soll so beschaffen sein, dass Magnetowiderstands¬ effekte (GMR/TMR) gemessen werden können, vorzugsweise zwischen den Schich¬ ten FMl und FM2.
Weiterhin soll es möglich sein, das oben beschriebene Schichtsystem mit zusätzlichen Schichten/Schichtsystemen so zu ergänzen, dass die Magnetowiderstandseffekte ver¬ stärkt und somit die Auslesegenauigkeit optimiert wird. Im US-Patent 5620784 ist das Beispiel eines solchen Magneto Widerstandelementes aufgezeigt, das auch vorliegend eingesetzt werden kann. Das erfindungs gemäße magnetische Speicherschichtsystem und
Schreib/Leseverfahren unter Verwendung derselben ermöglichen eine Erhöhung der Speicherdichte unter Verwendung von herkömmlichen magnetischen Speichersyste- men wie Computerfestplatten oder MRAMs, indem jeweils zusammengesetzte digita¬ le Daten in verschiedene mikromagnetische Ausrichtungen abgespeichert und wieder ausgelesen werden können. Die Ausrichtung (der Kopplungswinkel zwischen den magnetischen Schichten) der Mikromagnetisierung hängt nur vom Betrag des kurzzei¬ tig erzeugten Magnetfeldes ab. Der Betrag des Magnetfeldes wird durch das aus digi- talen Daten zusammengesetzte Signal bestimmt. Das abgespeicherte Signal kann mit Hilfe des GMR/TMR-Effektes oder magneto-optischen Methoden wieder ausgelesen werden. Durch das magnetische Speicherschichtsystem und Schreib /Leseverfahren lässt sich die Informationsdichte in herkömmlichen magnetischen Speicherverfah¬ ren/Speichermedien (Festplatten, MRAMs, ...) erhöhen, da die kleinsten mikromagne- tischen Speichereinheiten immer aus den unterschiedlichsten Gründen räumlich be¬ grenzt sind.
Das Speicherschichtsystem lässt sich so auch auf analoge Informationsverarbeitung anwenden. Es können beliebige analoge Informationen direkt abgespeichert, ausgele- sen und verarbeitet werden, wobei der Betrag des kurzzeitig erzeugten Magnetfeldes vom analogen Signal abhängt. Der Prozessschritt der Umwandlung analog -> digital - > analog entfällt. Zur Speicherung von analogen Signalen werden die Kopplungswin¬ kel kontinuierlich durch ein externes Magnetfeld eingestellt. Der Betrag des Magnet¬ feldes hängt von dem analogen Signal ab.
Die Speicherdichte (für digitale Informationen) kann mit Hilfe des Speicherschicht¬ systems und des Schreib/Leseverfahrens im Vergleich zu derzeitig verwendeten Spei¬ cherverfahren erhöht werden, indem mehrere digitale Daten zusammengesetzt und dann als zusammengesetzte Informationen abgespeichert werden. Dieses Prinzip wird im folgenden am Beispiel des ASCII-Codes erläutert. Der Buchstabe A besteht aus den 8 binären Zahlen 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1. Bisher werden 8 mikromagnetische Spei¬ chereinheiten verwendet, um die Information „Buchstabe A" abzuspeichern. Mit dem oben beschriebenen Speicherschichtsystem und Schreib/Leseverfahren ist es möglich, nur eine einzige mikromagnetische Speichereinheit für die Information „Buchstabe A" zu verwenden, indem z.B. durch einen genau definierten Betrag des externen Magnetfeldes ein genau definierter Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungs¬ richtungen der Schichten remanent eingestellt und somit abgespeichert wird. Dieser genau definierte Kopplungswinkel entspricht einem genau definierten elektrischen Widerstand zwischen den magnetischen Schichten (z.B. GMR-Effekt: R=Ro+C*cos(Theta)). Dieser Widerstand R kann wieder ausgelesen werden und in die Information „Buchstabe A" bzw. in digitale Daten zurück transformiert werden. ■
Für den Fall der digitalen Informationspeicherung werden bevorzugt definierte dis¬ krete Kopplungswinkel verwendet. Auf diese Weise ist es im Prinzip möglich, alle 128 Informationen des ASCII-Codes jeweils einzeln in einer einzigen Speichereinheit abzuspeichern und wieder auszulesen. In diesem Fall würde es möglich sein, alle ASCII-Informationen mit einem jeweiligen Kopplungswinkelab stand von The- ta=2.815° abzuspeichern. Diese Betrachtung ergibt einen Faktor 8 an Erhöhung der Speicherdichte.
Die maximal mögliche Erhöhung der Speicherdichte mit dem Speicherschichtsystem und Schreib/Lese- Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen digitalen Speicherung in Festplatten oder MRAMs hängt von der Genauigkeit der Einstellung der Kopp¬ lungswinkel, der magnetischen Energie einer einzelnen Speichereinheit und der Ge¬ nauigkeit der GMR/TMR-Messung ab. Für den Fall, dass die Kopplungswinkel mit einer Genauigkeit von 1 ° abgespeichert und wieder ausgelesen werden können und der Verwendung von geeigneten Kompremierungsalgorithmen für die digitalen In- formationen, ergibt sich eine Erhöhung der Speicherkapazität um einen Faktor 360 bei gleicher Speicherfläche.
Die S chreibprozedur ist für Anwendungen in Computerfestplatten oder MRAMs gleich. Der Betrag des erzeugten Magnetfeldes wird durch das zu speichernde Signal bestimmt. Das Signal kann sowohl analog als auch aus zusammengesetzten digitalen Daten bestehen. Abhängig vom Betrag des Magnetfeldes wird ein genau definierter Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten remanent eingestellt. Das Prinzip der Speicherung kann mit extern erzeugten Magnetfeldern realisiert werden, die in jede beliebige Richtung fix orientiert sind, solange sich eine Feldkomponente in der Schichtebene befindet. Es wird bevorzugt, die Speicherung mit externen Magnetfeldern durchzuführen, die senkrecht oder antiparallel zur Mag¬ netisierungsrichtung orientiert sind. Der Unterschied zum bisher verwendeten Verfah¬ ren besteht in der Variation des Betrags des Magnetfeldes, dass z.B. durch den Schreibkopf bei Festplatten oder durch die Writeline bei MRAMs erzeugt wird. Für den Fall, dass die induzierenden Magnetfelder senkrecht zur Magnetsierungsrichtung des Schichtsystems angelegt werden, sollte die Schichtdicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht so bemessen sein, dass die RKKY-artige bilineare Kopplung mini¬ mal wird und die magnetische Wechselwirkung hauptsächlich über die Streufelder stattfindet. Für den Fall, dass die induzierenden Magnetfelder antiparallel zur Magnetsierungsrichtung angelegt werden, sollte die Schichtdicke der nichtmagneti¬ schen Zwischenschicht so bemessen sein, dass die bilineare RKKY-artige Kopplung maximal wird und der Einfluss der magnetostatischen Wechselwirkung gering ist.
Die Leseprozedur kann mit Hilfe von Magneto Widerstandseffekten (wie z.B. GMR/TMR-Effekte) durchgeführt werden. Der Unterschied zum bisher verwendeten Verfahren besteht darin, dass mit Hilfe der Leseköpfe bei den Festplatten bzw. den Readlines bei den MRAMs, auch unterschiedliche magnetische Orientierungen der Schicht FM2 ausgelesen werden können. Der Betrag des GMR/TMR-Signals (el. Wi¬ derstand R) hängt von der relativen Ausrichtung der Mikromagnetisierung (Kopp¬ lungswinkel Theta) in der Schicht FM2 ab: R=Ro+C*cos(Theta). Es ist im Weiteren auch möglich, dass die Informationen für den Fall, dass das Schichtsystem in Fest¬ platten angewendet wird, mit Hilfe von magneto-optischen Verfahren (MOKE-Effekt) ausgelesen werden.
Wenngleich spezielle Ausführungen des erfϊndungsgemäßen Speicherschichtsystems und des Schreib/Leseverfahrens gezeigt und beschrieben wurden, sind für Fachleute auf diesem Gebiet weitere Veränderungen und Verbesserungen naheliegend. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Formen begrenzt ist, wobei die beigefügten Ansprüche alle Veränderungen abdecken sollen, welche nicht vom Gedanken und Umfang dieser Erfindung abweichen.
Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand nachfolgender Figuren erläutert:
Fig. 1 zeigt das magnetische Schichtsystem mit Schreib lese verfahren schematisch.
Fig. 2a zeigt die Schicht FMl beispielhaft und schematisch anhand von vier unter¬ schiedlichen Nanopartikeln gemäß Fig. 2b (N=4).
Fig. 2b zeigt die vier verschiedenen magnetischen Nanopartikel (Pl, ..., P4), mit den vier unterschiedlichen Koerzitivkräften (Kl, ..., K4). In Fig. 3a bis Fig. 3e ist die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsys¬ tems mit einem Lese/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die antiparallel zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden, dargestellt.
Figur 3f zeigt beispielhaft die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsys¬ tems mit einem Lese/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden.
Figur 4a zeigt die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrich- tungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu- Zwischenschichtdicke für externe Magnetfelder, die kurzzeitig und antiparallel zur ursprünglichen Magnetisierungsrich¬ tung angelegt werden, Fig. 4b für solche die senkrecht angelegt werden.
Fig. 5 zeigt die Messergebnisse (Zeitspektren) von unterschiedlichen Kopplungswin- kein für unterschiedliche Cu-Schichtdicken d.
Das Schichtsystem besteht wie in Fig. 1 dargestellt aus einer hartmagnetischen (FMl), einer nichtmagnetischen (NM) und einer weichmagnetischen (FM2) Schicht. Das zu speichernde Signal bestimmt den Betrag des elektrischen Stromes (I) und so- mit den Betrag des externen Magnetfeldes (B), wodurch die magnetische Orientie¬ rung (M) der weichmagnetischen Schicht verändert wird. Die neue remanente magne¬ tische Orientierung der weichmagnetischen Schicht, kann mit Hilfe von Magnetowi¬ derstandseffekten (R) wieder ausgelesen werden.
Die magnetische Schicht mit den hartmagnetischeren Eigenschaften sind in den Figu¬ ren wie oben mit FMl bezeichnet, die mit den mit den weichmagnetischeren Eigen¬ schaften mit FM2 und die nichtmagnetische Zwischenschicht mit NM. Kl, K2, ... bis KN bezeichnen die Koerzitivkräfte der Zonen bzw. Partikel Pl, P2, ... bis PN. Das kurzzeitig angelegte Magnetfeld wird jeweils mit -BO, +Bl, +B2, +B3, +B0 bezeich- net.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfmdungsgemäßen Speicherschichtsys¬ tems und des Schreib/Leseverfahrens allgemein beschrieben. Die Beschreibung ist in zwei Fälle unterteilt: - zum einen für externe Magnetfelder die antiparallel zur Magnetisierungsrichtung und zum anderen für externe Magnetfelder die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht angelegt werden. Diese Fallunterscheidung wird vorgenommen, da mindestens zwei unterschiedliche physikalische Mechanismen zu den durch externe Magnetfelder veränderbaren Kopp¬ lungseigenschaften beitragen. .Beide physikalischen Mechanismen haben die Eigen- schaft, dass die bilineare und die biquadratische Kopplung zwischen den magneti¬ schen Schichten durch externe Magnetfelder effektiv variiert werden kann. Die phy¬ sikalischen Modelle/Theorien, die die hier gezeigten Effekte beschreiben, können an dieser Stelle nicht in aller Ausführlichkeit vorgestellt werden. Hierzu wird auf die Veröffentlichungen T. Klein, Dissertation, Universität Rostock (2004) verwiesen, in denen eine ausführlichere Beschreibung der physikalischen Modelle vorgenommen wird.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein wollen, werden die Grundprinzipen der physi¬ kalischen Effekte, die bei dem erfindungsgemäßen magnetischen Schichtsystem An- Wendung finden, im Folgenden näher erläutert.
(i) Induzierende Magnetfelder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung Die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Le¬ se/Schreibverfahren unter Verwendung externer Magnetfelder, die antiparällel zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden, wird im Folgenden anhand der Abbildungen Fig. 3a bis Fig. 3e allgemein erläutert. Die unterschiedlichen magneti¬ schen Zonen, z.B. aufgrund von verschiedenen Nanopartikeln oder Kristalliten, in den verschiedenen magnetischen Phasen sind mit Pl, ..., PN benannt.
Das Schichtsystem ist nach dem kurzzeitigen Anlegen eines externen Magnetfeldes - BO in eine Richtung aufmagnetisiert (siehe Fig. 3a). Die parallele Ausrichtung der beiden Magnetisierungsrichtungen M wird sowohl durch die remanenten Eigenschaf¬ ten der beiden magnetischen Schichten FMl und FM2 als auch durch die RKKY- artige Zwischenschicht-Austauschkopplung hervorgerufen. Desweiteren ist es auch möglich, dass die Schicht FMl an die Schicht FM2 durch eine magnetostatische Wechselwirkung (Neel- oder Orange Peel-Kopplung) parallel gekoppelt ist.
Durch ein externes Magnetfeld +Bl, mit der Eigenschaft |+B1 | < |-B0|, werden die Magnetisierungen der Partikel Pl in Richtung des externen Feldes +Bl ausgerichtet (siehe Fig. 3b). Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Ausrichtung der Partikel Pl aufgrund der Remanenz erhalten. Die nun entgegenge¬ setzte Ausrichtung der Partikel Pl, relativ zu den restlichen Partikeln P2, ..., PN, er¬ zeugt eine biquadratische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten FMl und FM2. Die biquadratische Kopplung hat zur Folge, dass sich ein Kopplungswinkel von Theta <> 0 zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten FMl und FM2 einstellt, Die Magnetisierungsrichtung M von FM2 dreht sich aus der (vorher) paral¬ lelen Einstellung heraus. Dieser Mechanismus kann mit Hilfe der Gleichungen 1 und 2 beschrieben werden (V.K.Vlasko-Vlasov et al.): Die biquadratische Kopplung (mit der biquadratischen Kopplungskonstante J2) hängt zum einen von der Größe (Fläche) des entgegengesetzt ausgerichteten Partikel Pl (Parameter: L), der Dicke der magne¬ tischen Schichten FM1+FM2 und der intrinsischen Austauschkonstante Ajntr der Schicht FM2 ab. Gleichung (1):
Figure imgf000013_0001
Der durch die biquadratische Kopplung erzeugte Kopplungswinkel (Theta) zwischen den Magnetisierungsrichtungen kann mit Gleichung (2) berechnet werden. Gleichung (2):
Figure imgf000013_0002
J2 beschreibt in dieser Gleichung die biquadratische Kopplung, Ji die intrinsische RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung und K die Anisotropiekonstante der Schicht FMl . Die Funktion g(f) (beschrieben in Slonczewski, Phys. Rev. Lett., 67, 3172 (1991)) kann als Bedeckungsgrad der entgegengesetzten Mikromagnetisie- rungen (z.B. relative Anzahl der Partikel Pl) aufgefasst werden.
Durch das externe Magnetfeld +B2, mit den Eigenschaften |+B1| < |+B2| < |-B0|, werden wie in Figur 3c dargestellt, die Magnetisierungen der Partikel P2 in der
Schicht FMl in Richtung des externen Feldes gedreht, ausgehend von dem in Figur
3b dargestellten Zustand. Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Ausrichtung der Partikel P2 aufgrund der Remanenz erhalten. Durch diesen neuen remanenten Zustand wird die biquadratische Kopplung und somit der Kopp- lungswinkel erhöht. Beschrieben wird das Verhalten wieder mit den Gleichungen (1) und (2). Sowohl der Parameter L in Gleichung (1) als auch der Parameter g(f) in
Gleichung (2) werden erhöht. Durch das externe Magnetfeld +B3, mit den Eigenschaften |+B1|<|+B2|<|+B3|<|-BO|, werden die Magnetisierungen der Partikel P3 in der Schicht FMl in Richtung des ex¬ ternen Feldes gedreht (siehe Fig. 3d), ausgehend von dem in Figur 3c dargestellten Zustand. Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Aus- richtung der Partikel P3 aufgrund der Remanenz erhalten. Durch diesen neuen rema- nenten Zustand wird die biquadratische Kopplung und somit der Kopplungswinkel weiter vergrößert. Diese Abbildung zeigt den Fall, dass mehr Partikel in positiver Richtung ausgerichtet sind als in negativer Richtung. Auch in diesem Fall kann das Kopplungsverhalten mit den Gleichungen (1) und (2) beschrieben werden.
Durch das externe Magnetfeld +B0, mit den Eigenschaften |+B0| = |-B0|, orientieren sich sämtliche Magnetisierungen der Partikel in die Richtung von +B0 (siehe Fig. 3e). Auf diese Weise können z.B. die vorher hineingeschriebenen Informationen wieder gelöscht werden.
(ii) Induzierende Magnetfelder senkrecht zur Magnetisierungsrichtung Die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Le¬ se/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die senkrecht zur Magnetisierungsrich¬ tung kurzzeitig angelegt werden, wird im Folgenden anhand der Abbildung Fig. 3f erläutert.
Sowohl Rauhigkeiten an den Grenzflächen als auch räumliche Fluktuationen der magnetischen Anisotropie innerhalb der magnetischen Schichten sind Ursache von Magnetfeldern (Dipolfelder) die aus den Schichtebenen heraustreten können. Diese sogenannten magnetischen Streufelder können die Kopplungseigenschaften von mag¬ netischen Schichten, die durch nichtmagnetische Zwischenschichten voneinander ge¬ trennt sind, beeinflussen. So ist aus der Literatur bekannt, dass durch die Streufelder eine parallele (L. Neel, CR. Hebd. Seances Acad. Sei. 255, 1545 (1962)), eine anti¬ parallele (D. T. Margulies et al., Appl. Phys. Lett. 80, 91 (2002) ) oder eine 90°- Kopplung (S.O. Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) zwischen den mag¬ netischen Schichten hervorgerufen werden kann. In Figur 3f ist ein Beispiel für eine 90°-Kopplung zweier magnetischer Schichten, hervorgerufen durch Streufelder, dar¬ gestellt. Die 90°-Kopplung wird in diesem Fall durch zueinander entgegengesetzt orientierte Dipolfelder der unteren magnetischen Schicht erzeugt. Durch die Dipolfei - der wird in der oberen Schicht ein sogenannter Frustrationszustand induziert. D.h., auf benachbarte Bereiche in der weichmagnetischen Schicht wirken entgegengesetzte Kräfte, aber aufgrund der magnetischen Austauschkopplung (Steifigkeit) innerhalb der weichmagnetischen Schicht können sich keine entgegengesetzten magnetischen Domänen bilden, so dass das energetische Minimum eine 90°-Kopplung ist. S.O. Demokritov et al. (Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) beschreiben dieses Verhalten quanti¬ tativ mit Gleichung (7) in ihrer Veröffentlichung. Wird die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht z.B. durch ein senkrecht angelegtes externes Magnet- feld in Richtung 90° gedreht, so wird die magnetische Kopplungsenergie reduziert und ein neuer Kopplungswinkel stellt sich zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten remanent ein. Die biquadratische Kopplung, hervorgerufen durch Di¬ polfelder, wird dominant, wenn die bilineare Kopplung minimal ist. Ohne an die The¬ orie gebunden zu sein, wird vermutet, dass durch externe Magnetfelderfelder die in S.O. Demokritov et al. (Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) beschriebene Kopplung effektiv verändert werden kann.
Experimentelles
Experimentell bestätigt wurden die oben dargestellten Mechanismen der Informati- onsspeicherung anhand eines FePt(30nm)/Cu(0,6-3.2nm)/Fe(10nm)-
Dreischichtsystems. Dieses Schichtsystem wurde mit Hilfe des Sputterverfahrens auf hochpolierte Si-Wafer abgeschieden. Die hartmagnetische L10-Phase der FePt- Schicht wurde durch Erhitzen der FePt-Schicht auf T=500 °C, für etwa 15 min er- reicht. Röntgenbeugungs-Messungen und Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen erga¬ ben, dass die Größe der Kristallite und damit der kleinsten mikromagnetischen Aus¬ richtungen in der FePt-Schicht, etwa (20 +/-5) nm beträgt. Die Rauhigkeiten der Schichten konnten mit Hilfe der Röntgenreflexion in streifendem Einfall mit maximal 0,7 nm bestimmt werden. MOKE-Messungen zeigten, dass die Koerzitivfeldstärke der hartmagnetischen FePt-Schicht etwa H=0,8 T beträgt.
In die Mitte der 10 nm dicken Fe-Schicht wurde eine 0,8 nm dicke 57Fe-S ensorschi cht eingetragen. Mit Hilfe dieser Sensorschicht und der Methode der Nuklearen Resonan- ten Vorwärtsstreuung ist es möglich, die Kopplungswinkel zwischen den Magnetisie- rungsrichtungen der Schichten zu bestimmen. Ausführliche Beschreibungen dieser Untersuchungsmethode sind in den Veröffentlichungen R. Röhlsberger et al. Phys. Rev. B 67, 245412 (2003), Phys. Rev. Lett. 89, 237201 (2002) und U. van Bürk et al. Phys. Rev. Lett. 59, 355-358 (1987) zu finden.
Eine Auswahl von Messdaten (Zeitspektren) der Experimente, die an der European Synchrotron Radiation Facility durchgeführt wurden, ist in Fig. 5 gezeigt. Man er¬ kennt hier unterschiedliche Zeitspektren, die aus verschiedenen Kopplungswinkeln (für unterschiedliche Cu-Schichtdicken d) zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten resultieren.
Die experimentelle Bestätigung des oben beschriebenen Mechanismus der feldindu- zierten biquadratischen Kopplung für externe Magnetfelder, die kurzzeitig und anti¬ parallel zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung angelegt werden, ist in Fig. 4 a gezeigt. In dieser Figur sind die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magneti¬ sierungsrichtungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu-Zwischenschichtdicke für induzierende externe Magnetfelder (B ||) dargestellt. Die Kopplungswinkel sind in dieser Abbildung in Graustufen codiert. Diese Ergebnisse können mit dem Modell von Vlasko-Vlasov et al. beschrieben werden.
In Figur 4b sind die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrich¬ tungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu-Zwischenschichtdicke für induzierende externe Magnetfelder (B _|_) dargestellt. Die Kopplungswinkel sind in dieser Abbil¬ dung in Graustufen codiert. Durch das externe Feld wird die Magnetisierungsrichtung der Schicht FM2 in Richtung 90° zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung rema- nent ausgelenkt. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die bi¬ quadratische Kopplung (wie z.B. beschrieben in S.O. Demokritov et al. Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) durch die externen Magnetfelder effektiv verändert werden kann. Dieser Mechanismus zeigt eine andere Abhängigkeit der induzierten biquadratischen Kopplung als Funktion der Zwischenschichtdicke als in dem Modell von Vlasko- Vlasov et al. beschrieben. Es sind z.B. keine Oszillationen der Kopplungswinkel als Funktion der Cu-Schichtdicke zu erkennen.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetisches Schichtsystem umfassend zwei oder mehrere ferromagnetische Schichten, wobei mindestens eine ferromagnetische Schicht FMl von mindestens einer ferromagnetischen Schicht FM2 durch mindestens eine sich dazwischen erstre¬ ckende nichtmagnetische Schicht (NM) beabstandet ist, wobei die ferromagnetischen Schichten FMl und FM2 unterschiedlich hart magnetisierbar sind und die ferromag¬ netische Schicht FMl verschiedene Zonen mit jeweils unterschiedlichen magneti¬ schen Koerzitivkräften, wobei diese Koerzitivkräfte pro Zone konstant sind, aufwei- sen und die ferromagnetische Schicht FM2 hinsichtlich der magnetischen Eigenschaf¬ ten in der Schichtebene im Wesentlichen homogen ist.
2. Magnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem eine ferromagnetische Schicht FMl, eine ferromagnetische Schicht FM2 und vorzugsweise nur eine nichtmagnetische Schicht NM aufweist.
3. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht FM2 insgesamt weichmagnetischer ist als die Schicht FMl.
4. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht FM2 im Falle einer Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld näher ist.
5. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht FMl Kristallite und/oder Nanopartikel aufweist, um homogene Zonen unterschiedlicher Koerzitivkräfte auszubilden.
6. Magnetisches Speicherschichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht FMl aus Kristalliten und/oder Nanopartikeln bestehen, die jeweils als Zonen unterschiedlicher Koerzitivkräfte defi¬ niert werden, wobei deren laterale Ausdehnung jeweils zwischen 0,5 bis 50 nm liegt und bevorzugt 10 bis 20 nm, insbesondere etwa 15 nm, beträgt.
7. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig voneinander die Schicht FMl Fe/Pt, die Schicht NM Cu und die Schicht FM2 Fe enthält, vorzugsweise der Masse nach überwiegend und insbesondere im Wesentlichen daraus besteht.
8. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der nichtmagnetischen Schicht(en) 0,3 bis 100 nm beträgt und weiterhin vorzugsweise magnetische Streufelder (Dipolfelder) im Wesentlichen nicht beeinflusst und/oder eine RKKY-artige Zwischenschicht- Austauschkopplung zumindest unter den Schichten FMl und FM2 bewirken kann.
9. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken der Schicht FMl 0,5 bis 500 nm und bevorzugt 25 bis 35 nm, insbesondere etwa 30 nm, betragen.
10. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken der Schicht FM2 0.5 bis 500 nm und bevorzugt 5 bis 15 nm, insbesondere etwa 10 nm, betragen.
11. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zusätzlich Schichten/Schichtsysteme ent¬ hält, die meßbare Magnetowiderstandseffekte (GMR/TMR) optimieren.
12. Magnetisches Schichtsystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf einem Substrat aufgebracht ist und das Substrat insbesondere ein Silizium-Wafer, eine Aluminium-Platte und/oder eine Glasplatte ist bzw. diese aufweist.
13. Magnetisches Speichersystem mit einem Schreibkopf aufweisend das magnetische Schichtsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der das Magnetfeld erzeugende Schreibkopf auf die Speicherschicht mit Magnetfel¬ dern unterschiedlicher Beträge, insbesondere innerhalb der Schreib Vorgänge eines Zeitabschnitts gleicher Orientierung, einwirkt, um in die Schicht FMl unterschiedli- che Magnetisierungszustände und/oder unterschiedlich orientierte Dipolfelder einzu¬ schreiben.
14. Magnetisches Speichersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Schreibkopf nach einem Schreibvorgang in der Schicht FM2 erzeugten Mikromagnetisierungen eine beliebige Richtung relativ zur ursprünglichen Magnetisie¬ rungsrichtung haben.
15. Magnetisches Speichersystem nach mindestens einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Magnetfeld des Schreibkopfes zwischen 0,005 T und 3 T variieren lässt, am Ort des Schichtsystems.
16. Magnetisches Speichersystem mit einem Lesekopf aufweisend das magnetische Schichtsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch sensitive Lesekopf aus der Schicht FM2 mit unterschiedlich orientier¬ ten Mikromagnetisierungen Winkelinformationen ausliest.
17. Festplatte oder MRAM aufweisend das magnetische Schichtsystem nach zumin¬ dest einem der Ansprüche 1 bis 12 oder das magnetisches Speichersystem nach zumin¬ dest einem der Ansprüche 13 bis 16.
18. Verwendung des magnetischen Schichtsystems nach zumindest einem der An- sprüche 1 bis 12 und/oder des magnetischen Speichersystem nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17 und/oder der Festplatte oder des MRAMs nach Anspruch 17 zum Speichern digitaler und/oder analoger Informationen, vorzugsweise analoger Informa¬ tionen, jeweils in Form von kontinuierlichen Winkelinformationen und vorzugsweise diskreten Winkelinformationen für digitale Informationen.
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