DE69932701T2

DE69932701T2 - Pinning-Lage für magnetische Anordnungen

Info

Publication number: DE69932701T2
Application number: DE69932701T
Authority: DE
Inventors: Rolf Allenspach; Jean Fompeyrine; Eric Morgan Hill Fullerton; Jean-Pierre Locquet; Timothy San Jose Moran; Maria J. Seo; Jin Won Seo
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV; Hitachi Global Storage Technologies Inc
Current assignee: HGST Netherlands BV; HGST Inc
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: JP3344712B2; KR20000062717A; DE69932701D1; JP2000307171A; EP1039490A1; SG97144A1; KR100358452B1; US6631057B1; EP1039490B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetvorrichtung und im Allgemeinen Vorrichtungen mit einer Pinningschicht. Im Besonderen betrifft die Erfindung Magnet-Arbeitsspeicher (MRAM) und Magneto-Widerstandssensoren, die auf dem sogenannten Spinventil- oder Riesen-Magnetwiderstandseffekt (GMR-Effekt) beruhen.
Beschreibung und Nachteile des bekannten Stands der Technik
Obwohl die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl an magnetischen Vorrichtungen anwendbar ist, wird im Folgenden der Schwerpunkt auf einer Vorrichtung für Magneto-Widerstandssensoren, wie etwa GMR-Sensoren, liegen.
Die Veränderung im elektrischen Widerstand eines Materials als Reaktion auf ein Magnetfeld wird als magnetischer Widerstand bezeichnet, mit dessen Hilfe es möglich ist, Informationen von einem Magnetmedium, wie etwa einer Computerfestplatte, zu lesen.
Der bekannte Stand der Technik offenbart einen magnetischen Lesewandler, der als Magneto-Widerstandssensor (MR-Sensor) oder -kopf bezeichnet wird und der sich als dazu in der Lage erwiesen hat, Daten von einer magnetischen Oberfläche mit großer linearer Dichte zu lesen. Ein MR-Sensor erfasst Magnetfeldsignale durch die Widerstandsveränderungen einer Leseeinheit aus magnetischem Material in Abhängigkeit von Stärke und Ausrichtung des von der Leseeinheit abgefühlten Magnetflusses. Diese MR-Sensoren nach bekanntem Stand der Technik arbeiten mittels des anisotropen Magnetwiderstandseffekts (AMR-Effekt), in dem eine Komponente des Leseeinheitswiderstands sich mit dem Kosinuswinkel des Winkels zwischen der Magnetisierung und der Richtung des durch die Einheit fließenden Abfühlstroms verändert. Eine detailliertere Beschreibung des AMR-Effekts findet sich in D. A. Thompson et al., Memory, Storage, and Related Applications, 1039, IEEE Trans. Mag. MAG-11 (1975).
Unlängst wurde ein andersartiger, stärker ausgeprägter Magnetowiderstandseffekt beschrieben, in dem die Widerstandsänderung eines geschichteten Magnetsensors auf die vom Spin abhängige Übertragung der Leitungselektronen zwischen den Magnetschichten durch eine nicht-magnetische Schicht und die dazugehörige vom Spin abhängige Streuung der Elektronen auf den Grenzflächen der Schichten und innerhalb der ferromagnetischen Schichten zurückgeführt wird. Dieser Magnetwiderstandseffekt wird auch als Riesen-Magnetwiderstandseffekt (GMR-Effekt) oder Spinventileffekt bezeichnet. Ein auf dem zuvor erwähnten Effekt beruhender Magneto-Widerstandssensor weist eine verbesserte Empfindlichkeit und eine größere Veränderung des Widerstands auf, als in mit AMR-Effekt arbeitenden Sensoren festgestellt werden konnte. Die elektrische Widerstandsmessung, das heisst das Signal ist viel stärker als in derartigen GMR-Sensoren. Das erhöhte Signal des GMR-Sensors ermöglicht, dass mehr Informationen auf einer Festplatte gespeichert werden können. Für ein Bit, dass die ferromagnetischen Schichten parallel unter dem GMR-Sensor ausrichtet, wird der Widerstand geringer, die Elektronen streuen sich nur mehr in geringem Maße und der Stromfluss steigt. Ein derartiger Sensor kann also eine mehrschichtig laminierte, gepinnte, ferromagnetische Schicht anstelle einer herkömmlichen, einschichtigen Pinningschicht verwenden.
Das Patent Nr. US-A-4.949.039 von Grünberg beschreibt eine geschichtete Magnetstruktur, die durch antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen in den Magnetschichten verbesserte MR-Effekte hervorruft. Grünberg erläutert die Verwendung einer Austauschkopplung des antiferromagnetischen Typs, um eine antiparallele Ausrichtung zu erhalten, in der die angrenzenden Schichten ferromagnetischen Materials durch eine dünne Zwischenschicht aus Cr oder Y sind.
Das Patent Nr. US-A-5.206.590 von Dieny et al. offenbart einen MR-Sensor, in dem der Widerstand zwischen zwei ungekoppelten, ferromagnetischen Schichten als sich verändernd erfasst wurde, so wie der Kosinuswinkel zwischen den Magnetisierungen der beiden Schichten. Dieser Mechanismus erzeugt einen Magnetwiderstand, der auf dem Spinventileffekt beruht und je nach gewählter Materialzusammenstellung, eine größere Amplitude als der AMR aufweist.
Das Patent Nr. US-A-5.159.513 von Dieny et al. offenbart einen MR-Sensor, der auf dem oben erwähnten Effekt beruht und zwei dünne Schichten ferromagnetischen Materials enthält, die durch eine dünne Schicht eines nicht-magnetischen, metallenen Materials getrennt werden, wobei zumindest eine der ferromagnetischen Schichten aus Kobalt oder einer Kobaltlegierung ist. Die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht wird senkrecht zur Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht bei Null äußerlich angewandtem Magnetfeld durch Austauschkopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht gehalten.
Die veröffentlichte, europäische Patentanmeldung EP-A-0.585.009 offenbart einen Sensor mit Spinventileffekt, in dem eine antiferromagnetische Schicht und eine angrenzende, weichmagnetische Schicht zusammenwirken, um die Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht festzulegen oder zu pinnen. Die weichmagnetische Schicht steigert die Austauschkopplung, die von der antiferromagnetischen Schicht bereit gestellt wurde.
Für die Spinventilstrukturen, die in den oben erwähnten US-Patenten und der europäischen Patentanmeldung beschrieben wurden, ist es notwendig, dass die Magnetisierungsrichtung einer der beiden ferromagnetischen Schichten in einer bestimmten Ausrichtung so festgelegt oder "gepinnt" wird, dass, wenn keine Signalisierung erfolgt, die Magnetisierungsrichtung in der anderen ferromagnetischen Schicht, der "freien" Schicht, entweder senkrecht (etwa bei 90°) oder antiparallel (etwa bei 180°) zur Magnetisierungsrichtung der Pinningschicht ausgerichtet ist. Wenn ein externes Magnetsignal am Sensor angewandt wird, dreht sich die Magnetisierungsrichtung der nicht-festgelegten oder "freien" Schicht in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der Pinningschicht. Das Ausgangssignal des Sensors hängt von der Größe dieser Drehung ab. Um eine Magnetisierungsrichtung in der Pinningschicht zu halten, ist ein Mittel zur Festlegung der Magnetisierungsrichtung notwendig. So kann beispielsweise, wie in den oben erwähnten, den bekannten Stand der Technik darlegenden Dokumenten beschrieben wird, eine zusätzliche Schicht antiferromagnetischen Materials angrenzend an die gepinnte, ferromagnetische Schicht ausgebildet sein, damit ein Bereich zur Austausch-Anisotropie und somit zum Pinning zur Verfügung gestellt werden kann. Alternativ dazu, kann eine angrenzende, hartmagnetische Schicht zur Bereitstellung von hartmagnetischem Material für die Pinningschicht verwendet werden.
Eine weitere Magnetvorrichtung ist ein Magnet-Arbeitsspeicher (MRAM), welcher ein nichtflüchtiger Speicher ist. Dieser Speicher umfasst eine GMR-Zelle, eine Abfrageleitung und eine Wortleitung. Der MRAM benutzt den GMR-Effekt, um Speicherzustände zu speichern. Magnetische Vektoren in einer oder jeder Schicht des GMR-Materials können von einer Richtung ganz schnell in eine andere Richtung schalten, wenn ein Magnetfeld an der GMR-Zelle über einen bestimmten Grenzbereich hinaus angewandt wird. In Übereinstimmung mit der Richtung der magnetischen Vektoren in der GMR-Zelle werden Zustände gespeichert und die GMR-Zelle behält diese Zustände bei, selbst wenn kein Magnetfeld angewandt wird. Die in der GMR-Zelle gespeicherten Zustände können mittels Hindurchführen eines Abfühlstroms durch eine Zelle entlang einer Abfragelinie und dem Abfühlen der Unterschiede zwischen den Widerständen (GMR-Verhältnis) gelesen werden, wenn ein oder beide magnetische Vektoren schalten. Das Problem besteht darin, dass in den meisten GMR-Zellen das GMR-Verhältnis relativ gering ist (etwa 10% oder weniger) und daher das Lesen oder Abfühlen der in der GMR-Zelle gespeicherten Zustände relativ schwierig sein kann.
Im Allgemeinen benutzen Magnetvorrichtungen oft eine antiferromagnetische Schicht, um das magnetische Moment einer später angebrachten, ferromagnetischen Schicht zu pinnen. Als übliche Materialen werden dafür FeMn, NiMn, CoO, NiO und TbCoFe verwendet. Der größte Vorteil bei der Verwendung einer Austauschkopplung liegt darin, dass das Kopplungsfeld während seiner Lebensdauer nicht zurückgesetzt oder unabsichtlich verändert werden kann. Um den Antiferromagnet zurückzusetzen ist es notwendig, den Antiferromagneten in Gegenwart eines Magnetfeldes von oberhalb seiner Néel-Temperatur zu kühlen. Ein Nachteil von FeMn ist, dass dieses Material ein Metall ist und den Stromfluss zulässt. Daher ist FeMn kein ideales Pinningmaterial. NiO ist ein Isolator, der den Nachteil hat, dass die Stärke des Pinnings, z. B. die Austausch-Anisotropie, nicht so stark wie gewünscht ist.
Da die gespeicherte Datenmenge stark zunimmt, wird eine schnellere Arbeitsweise der Lese- und Schreibprozesse mit höherer Dichte notwendig. Daher steigt die Einsatztemperatur des Datenspeichersystems an. Die gegenwärtig gebräuchlichen Sensoren haben einige Nachteile und sind daher für zukünftige Generationen nicht mehr geeignet. Der momentan in GMR-Sensoren verwendete Antiferromagnet besteht aus NiO und hat eine Néel-Temperatur T_N von etwa 450 K, während die Einsatztemperatur des Kopfes etwa 400 K beträgt. Zwischen diesen beiden Temperaturen besteht nur ein kleiner Unterschied. Wenn die Einsatztemperatur die Néel-Temperatur erreicht, verflüchtigt sich der Effekt der Austausch-Anisotropie und somit des Pinnings einer ferromagnetischen Schicht, da das antiferromagnetische Material paramagnetisch wird. Ein weiterer Nachteil gemäß dem bekannten Stand der Technik ist, dass die Leistungsfähigkeit der Austausch-Anisotropie des Pinningmaterials, etwa des Antiferromagneten, aufgrund thermischer Aufladung oder elektrischer Impulse sinkt. Daher verändern einige Spins ihre Richtung, was die Stabilität der Austausch-Anisotropie beeinflusst. Weiters haben antiferromagnetische Materialien den Nachteil, dass sie die Richtung ihrer Spins im Laufe ihrer Lebensdauer verlieren. Es ist außerdem eine Tatsache, dass die üblicherweise verwendeten, metallenen Antiferromagnete anfällig für Oxidation und Korrosion sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass oft sehr dicke antiferromagnetische Schichten von etwa 50 nm oder mehr als Austausch-Anisotropie verwendet werden.
Die Austausch-Anisotropie führt aufgrund der einachsigen Anisotropie zu einer Veränderung der M(H)-Hysterese. Die genaue Kontrolle der Austausch-Anisotropie ist ein schwieriges Problem der Werkstoffwissenschaft, da diese von atomaren Details der Grenzfläche abhängt, die von Natur aus schwierig zu messen sind. Die Größe und Vorzeichen der Austausch-Anisotropie zwischen einem Atompaar ist eine sich schnell ändernde Funktion des Zwischenraums von Atom zu Atom.
Nicht alle Materialien, die in der Literatur als antiferromagnetisch in volumetrischer Form mit hoher Néel-Temperatur bezeichnet werden, funktionieren. So wurde von G. Rassman und H. Wick, Arch. Eisenhüttenw., 33, 115 (1963) berichtet, dass etwa Fe₃Al ein Antiferromagnet mit einer hohen Néel-Temperatur von 750 K ist; aber in Versuchen mit dünnen Eisen-Aluminium-Schichten an und neben der Fe₃Al-Zusammensetzung ergab sich keine unidirektionale Anisotropie. Andere Legierungen haben Berichten zufolge auch sehr hohe T_N-Werte, aber in Versuchen konnte gezeigt werden, dass sie ebenfalls nicht funktionieren. Diese Legierungen beinhalten Al-Cr-Legierungen ähnlich der AlCr₂-Zusammensetzung, MnPD-Legierungen ähnlich der MnPd-Zusammensetzung und CrMn-Legierungen von etwa 1 % bis 90 % Mn. Weder CrMn noch MnPd haben stabile Gamma_Mn-Phasen bei Raumtemperatur.
Der Stand der Technik zeigt, dass es sehr schwierig ist entsprechende antiferromagnetische Materialien mit verbesserten Eigenschaften zu finden, um eine unidirektionale Anisotropie herzustellen. Weiters werden praktische antiferromagnetische Materialien mit einer Néel-Temperatur T_N > 450 K gewünscht.
Da die momentan gebräuchlichen Magnetvorrichtungen, etwa als Teil eines Magneto-Widerstandssensor, nicht ideal für zukünftige Generationen mit einer höheren Einsatztemperatur sind, werden verbesserte Strukturen solcher Magnetvorrichtungen benötigt.
In einem von T. Liu et al. verfassten, am 15. März 1971 erschienenen Artikel mit dem Titel Thin-Film Surface Bias on Magnetic Bubble Materials, 42/4, 1360-1361, wurde ein Blättchen offenbart, das eine antiferromagnetische Schicht aus Sm_0,55 Tb_0,45 FeO₃ umfasst, die mit einer ferromagnetischen Schicht aus Co₃ Cu₃ Sm, oder Co_3,6 Cu_0,9 Fe_0,5 Ce_0,9 Nd_0,1 oder Co_3,2 Cu_1,3 Fe_1,5 Ce_0,25 Sm_0,75 bedeckt ist.
Das Patent Nr. US-A-3645787 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion, die geeignet ist Blasendomänen aufzunehmen, in denen eine dünne Schicht JQ O₃ auf einem einzigen Kristallsubstrat ausgebildet ist; diese Schicht ist einer Dehnung ausgesetzt, um eine einachsige Anisotropie und ausreichend Magnetisierung für die Bildung von Blasendomänen hervorzubringen. Einige Materialien werden für die J und Q umfassenden Orthoferrite vorgeschlagen.
Das Patent Nr. US-A-589754 offenbart einen Magnetwandler mit zwei Wandlerteilen, die durch eine antiferromagnetische Schicht aus NdFeO₃ getrennt sind. Nähere Details dieses Herstellungsverfahrens eines Wandlers gemäß Patent Nr. US-A-589754 sind im Patent Nr. US-A5612089 erläutert.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Magnetvorrichtung mit mindestens einer antiferromagnetischen Schicht bereit gestellt, die in Kontakt mit einer ferromagnetischen Schicht steht, wobei die antiferromagnetische Schicht eine Austausch-Anisotropie in der ferromagnetischen Schicht induziert, wobei die antiferromagnetische Schicht LaFeO umfasst.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Magneto-Widerstandssensor zur Verfügung gestellt, der ein Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Schichtstruktur umfasst, wobei die Schichtstruktur zumindest eine erste und eine dritte Schicht aus ferromagnetischem Material beinhaltet, die durch eine zweite Schicht aus nicht-magnetischem Material getrennt sind, wobei die Magnetisierungsrichtung der dritten Schicht durch den Einfluss einer vierten Schicht aus antiferromagnetischem Material gepinnt ist, wobei die vierte Schicht LaFeO₃ umfasst.
In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung einer Magnetschichtstruktur bereit gestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
das Aufbringen einer LaFeO₃ umfassenden antiferromagnetischen Schicht auf einem Substrat;
das Ausrichten der Struktur der antiferromagnetischen Schicht in einem Magnetfeld; und
das Aufbringen einer ferromagnetischen Schicht auf dieser.
Wenn die antiferromagnetische Schicht sehr dünn ausgeführt werden kann, etwa weniger als 50 nm, dann ergibt sich daraus der Vorteil, dass die Distanz zwischen einem magnetischen Bit auf einer Festplatte und einer ferromagnetischen Schicht eines Sensors verringert werden kann. Im Allgemeinen kann der Sensor näher an die Platte heran bewegt werden, was für die Dichte, die Empfindlichkeit und die Arbeitsgeschwindigkeit von Vorteil sein kann.
Wenn die antiferromagnetische Schicht einer entsprechenden Dehnung ausgesetzt ist, dann kann dies den Vorteil haben, dass die Eigenschaften der antiferromagnetischen Schicht abstimmbar sind. Weiters kann die Struktur der antiferromagnetischen Schicht verzerrt sein, was zu einer Änderung oder Anpassung der Eigenschaften der antiferromagnetischen Schicht führen könnte.
Eine Magnetvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Teil eines Magnetaufzeichnungssensors, etwa eines magnetischen Lesekopfes oder eines GMR-Sensors, sowie eines Magnet-Arbeitsspeichers (MRAM) oder sogar eines Magnetaufzeichnungsmediums sein. Im Allgemeinen kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo eine veränderte Magnetisierungsschleife oder eine angepasste Pinningschicht benötigt wird.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist im Folgenden mit Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen detailgenau beschrieben.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Magneto-Widerstandssensors.
1b zeigt eine schematische Abbildung eines Magneto-Widerstandssensors mit einer umgekehrten Struktur, verglichen mit dem in 1a dargestellten Sensor.
2 ist eine graphische Darstellung eines Röntgenspektrums der LaFeO₃-Schicht.
3 zeigt eine Hystereseschleife, die durch eine Doppelschicht aus La-FeO₃/Fe erhalten wurde, welche eine Austausch-Anisotropie von etwa 50 Oe aufweist.
4a zeigt die Austausch-Anisotropie in Abhängigkeit von der Fe-Dicke, entlang der [100] Richtung gemessen.
4b stellt die Austausch-Anisotropie in Abhängigkeit von der Fe-Dicke, entlang der [110] Richtung gemessen, dar.
5 ist eine schematische Darstellung einer magnetischen Speichervorrichtung.
Alle Zeichnungen sind zur besseren Lesbarkeit weder in ihren wirklichen Dimensionen abgebildet, noch sind die Relationen zwischen den gezeigten Dimensionen in einem realistischen Maßstab dargestellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter allgemeiner Bezugnahme auf die Zeichnungen und mit besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen 1a und 1b, wird im Folgenden die wesentliche Struktur einer Magnetvorrichtung als Teil eines Magneto-Widerstandssensors, welcher auf dem sogenannten Spinventil- oder Riesen-Magnetwiderstandseffekt (GMR-Effekt) beruht, beschrieben.
Zuerst werden einige Details über Orthoferrite angeführt. Orthoferrite haben die Formel RFeO₃ mit R als Seltenerdelement oder Y. Ihre Struktur entspricht der eines verzerrten Perowskit-Typs mit der Pbnm-Raumgruppe und den Gitterparametern: a = 5,5553 Å (1 Å = 100 pm); b = 5,5663 Å und c = 7,8545 Å im Falle von LaFeO₃. Das magnetische Moment zeigt in der a-Achsenrichtung, wobei jedes Kation im Fe-Teilgitter antiferromagnetisch mit den 6 am Nächsten liegenden Nachbarn gekoppelt ist. Diese Materialien haben ein T_N von 740 K für La bis zu 623 K für Lu und weisen ein geringes ferromagnetisches Moment aufgrund eines leicht geneigten Fe-O-Achtecks (0,6 Grad) auf, was von der Größe des Seltenerdelements abhängt. Im Falle von LaFeO₃ werden die magnetischen Eigenschaften von dem Fe^+III-Ionen be stimmt. Für andere Verbindungen spielt der Magnetzustand des Ions des Seltenerdelements (Ho, Gd, ...) ebenfalls eine Rolle. Außerdem kann der Magnetismus in diesen Verbindungen durch hohen Druck in hohem Maße unterdrückt werden. So wird etwa in LaFeO₃ mit 300 K und einem hydrostatischem Druck von 45-55 GPa lediglich eine nicht-magnetische Phase mittels Mössbauer-Spektroskopie beobachtet.
In einem gegenwärtig verwendeten GMR-Lesekopf ist eine der beiden ferromagnetischen Schichten durch eine antiferromagnetische Schicht, auch als Pinningschicht bezeichnet, gepinnt. Die ferromagnetische und die antiferromagnetische Schicht sind aufeinander aufgebracht, wobei die Struktur der antiferromagnetischen Schicht durch Ausrichten ihres Spins in einem Magnetfeld festgelegt wird. Zwei miteinander konkurrierende Technologien werden gemäß bekanntem Stand der Technik angewandt, wobei entweder eine metallene, antiferromagnetische Schicht oder eine isolierende, antiferromagnetische Oxidschicht verwendet wird. Der GMR-Sensor ist ein Widerstandssensor, in dem eine antiferromagnetische Schicht in einer parallelen Konfiguration verbunden ist. Die Verwendung einer Oxidschicht verbessert dadurch die Widerstandsempfindlichkeit, wohingegen eine metallene antiferromagnetische Schicht den Nachteil hat, dass die Widerstandsempfindlichkeit verringert wird. Dennoch tendiert eine derartige antiferromagnetische Schicht zur Oxidation oder Korrosion durch die Korngrenze, was somit zu einer Steigerung des Grenzflächenbereichs führt. Weiters wurde festgestellt, dass eine antiferromagnetische Oxidschicht, beispielsweise aus NiO, eine Néel-Temperatur von T_N hat, was nahe an die heute üblichen Einsatztemperaturen der Köpfe herankommt und daher nicht ideal für neue und schnellere Generationen von Sensorköpfen mit höheren Einsatztemperaturen ist. Die folgende Vorrichtung und deren Herstellung überwinden die Nachteile des bekannten Stands der Technik.
Ein typischer GMR-Sensor 10 ist in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt, die eine geöffnete Schichtstruktur zeigt. Wie in 1a abgebildet, umfasst der GMR-Sensor 10 ein entsprechendes Substrat 11, wie etwa Glas, Keramik oder Halbleiter, auf dem eine erste Schicht 12 aus weichem ferromagnetischen Material, eine zweite Schicht 14 aus nicht-magnetischem, metallenen Material und eine dritte Schicht 16 aus ferromagnetischem Material, die vorzugsweise hartmagnetische Eigenschaften aufweist, um die Magnetisierung in Position zu halten, sowie eine vierte Schicht 18 aus antiferromagnetischem Material, die auch als Pinningschicht 18 bezeichnet wird, angebracht sind. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen eine oder beide ferromagnetischen Schichten 12, 16 entweder aus Co, NiCo, Kobaltlegierung, wie etwa Co₈₀Fe₂₀, CoZr, CoMoNb oder NiFeCo, Fe, Ni₈₀Fe₂₀ oder aus einem anderen passenden ferromagnetischen Material. Das nicht-magnetische, metallene Material der zweiten Schicht 14, auch als Abstandsschicht 14 bezeichnet, kann aus Cu oder einem anderen Edelmetall wie z. B. Silber (Ag) und Gold (Au) sein. Die dritte Schicht 16 wird durch die Pinningschicht 18 festgelegt oder gepinnt. Die Schichten werden als dünne Schichten aufgebracht. Die beiden Schichten 12, 16 aus ferromagnetischem Material werden mit ihrer Magnetisierung ausgerichtet in einem Winkel von 90 Grad mangels eines angewandten Magnetfelds zueinander in Bezug gesetzt. Weiters wird die Magnetisierung der dritten Schicht 16 in einer Position festgesetzt, wie durch einen ersten Pfeil 17 gekennzeichnet. Mangels eines angewandten Magnetfeldes wird die Magnetisierung in der ersten Schicht 12 durch einen zweiten Pfeil 19 angezeigt. Veränderungen in der Magnetisierung der ersten Schicht 12 werden durch Drehung erzeugt, als Reaktion auf ein angewandtes Magnetfeld, wie durch die gestrichelte Line des zweiten Pfeils 19 auf der ersten Schicht 12 in 1a dargestellt.
In einer Ausführungsform, abgebildet in 1a, umfasst die Pinningschicht 18 eine Verbindung aus der Gruppe der Orthoferrite, wobei hier LaFeO₃ verwendet wurde. Dieser Orthoferrit ist ein Austausch-Anisotropie-Material mit hohem Widerstand und einer Néel-Temperatur T_N von etwa 740 K, das in direktem Kontakt zur dritten Schicht angebracht wird, so dass ein Vormagnetisierungsbereich durch Austauschkopplung, gemäß bekanntem Stand der Technik, erzeugt werden kann. Die Struktur in 1a kann umgekehrt werden, so dass die Pinningschicht 18 als erste aufgebracht wird, gefolgt von den Schichten 16, 14 und 12, wie in 1a dargestellt.
In Bezug auf 1b wird eine experimentelle Aufbringung der antiferromagnetischen Schicht 18 und weiterer Schichten auf einem Substrat 11 detailliert beschrieben.
1b zeigt eine im Vergleich zu 1a umgekehrte Struktur. Daher wird dieselbe Nummerierung für die gleichen Strukturschichten verwendet. Auf dem Substrat 11 wird die antiferromagnetische Schicht 18 angebracht. Darauf werden eine ferromagnetische Schicht 16, eine nicht-magnetische Schicht 14 und eine weitere ferromagnetische Schicht 12 aufgebracht.
Die antiferromagnetische Schicht 18 ist auf einem SrTiO₃ (001) Substrat, das auch als STO bezeichnet wird, durch sequentielle Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einer La-Monoschicht aufgewachsen, auf die eine unter einem Strahl atomaren Sauerstoffs entstandene Fe-Monoschicht folgt. Andere Abscheidungsverfahren können ebenfalls angewendet werden, wie etwa Sputtern, Laserablation oder metallorganische chemische Bedampfung (MOCVD). Die Einstellungen wiesen einen Sauerstoff-Hintergrunddruck von 3 × 10^–6 Torr und eine Substrattemperatur von um die 720 K auf. Die Abscheidung wurde ebenfalls bei einer hohen Temperatur von 1020 K durchgeführt. Für beide Temperaturen zeigt das Röntgenspektrum, dass die Schichten kristallin und epitaxisch sind. Die antiferromagnetische Schicht 18 umfasst LaFeO₃ mit einer Dicke von etwa 20 nm und einer [001] Ausrichtung. Auf der LaFeO₃-Schicht 18 wird anschließend eine 3 nm dicke ferromagnetische Schicht 16, hier aus Fe, aufgebracht. Diese Struktur der LaFeO₃-Doppelschicht 18, 16 wird dann auf 380 K erhitzt und in einem Magnetfeld gekühlt, um die antiferromagnetische Schicht 18 einzurichten. Das Erhitzen, das Kühlen und die Feld-Randbedingungen können so verändert werden, dass die gewünschten Eigenschaften und ein starker Pinning-Effekt erzielt werden. Weiters kann die antiferromagnetische Schicht 18 durch ein entsprechendes Dotiermaterial, wie z. B. Barium, Strontium, Calcium, Kalium, Lithium oder Natrium, dotiert werden. Die Néel-Temperatur T_N ist damit zwischen ungefähr 450 K und 760 K einstellbar, was die Vorteil aufzeigt, dass antiferromagnetische Schichten und damit Magnetvorrichtungen für spezielle Anwendungen sowie bestimmte Temperaturbereiche hergestellt werden können. Eine Magnetisierungsmessung der La-FeO₃/Fe-Struktur wurde durchgeführt und unter Bezug auf 3 erläutert. Die größte Austausch-Anisotropie wurde bisher auf der auf STO (001) aufgebrachte Struktur erreicht. Trotzdem die antiferromagnetische Schicht 18 bei einer deutlich unter der Néel-Temperatur liegenden Temperatur von T = T_N/2 festgelegt wird, zeigt die Mag netisierungsmessung eine Austausch-Anisotropie von etwa 50 Oe (Oersted), wobei 1 Oe = 79,58 A/m entspricht, für eine lediglich 20 nm dicke antiferromagnetische, LaFeO₃ umfassende Schicht 18 an. Die nicht-magnetische Schicht 14 und die weitere ferromagnetische Schicht 12 können daher durch eines der Aufbringungsverfahren angebracht werden.
2 zeigt ein Röntgenspektrum der LaFeO₃-Schicht 18, die auf dem STO [100] Substrat 11 entstand. Jeder Maximumwert entspricht der Spiegelung einer besonderen Ebene in der kristallinen Struktur, wie in 2 gekennzeichnet. Neben den Substratmaximumwerten, die durch S angezeigt werden, sind lediglich jene Maximumwerte zu sehen, die zu der [00l] Beugungslinien der LaFeO₃ in Bezug stehen und eine Epitaxieschicht nahelegen. Um die Schichtenmaximumwerte herum sind kleinere Maximumwerte, sogenannte größenmäßig begrenzte Schwingungen, zu sehen, wenn die Rauheit der Schicht in der Größenordnung einer Elementarzelle vorliegt. Eine detaillierte Analyse der Maximumwerte zeigt, dass diese LaFeO₃-Schicht 18 unter Druck ist, was aufgrund einer Fehlanpassung der Kristallgitter mit der kubischen STO erfolgt, wobei a = 3,905 Å entspricht, was einen größeren c-Achsen-Gitterparameter von 3,954 Å hervorruft.
3 zeigt eine herkömmliche Hystereseschleife, auch als M(H)-Schleife bezeichnet, die auf der LaFeO₃/Fe-Doppelschicht 18, 16 geschaffen wurde, die wiederum auf dem STO (001) Substrat 11 aufgewachsen ist. Dadurch wurde die LaFeO₃-Sicht mit einer Dicke von 25 nm bei 1020 K abgeschieden, während die Fe-Schicht mit einer Dicke von 3 nm bei 300 K aufgebracht wurde. Diese Messung wurde bei 300 K mithilfe eines SQUID-Magnetometers nach dem Einsetzen der LaFeO₃-Schicht bei 380 K durchgeführt. Die aufgrund der Messung geschätzte Austausch-Anisotropie H_ex beträgt 50 Oe (Oersted). Das einfache Bild der Austauschkopplung regt eine parallele Ausrichtung der Fe-Spins zu jenen auf der LaFeO₃-Schicht 18 an. Um dies zu bestätigen wurden Kerr-Messungen auf einer anderen LaFeO₃/Fe-Doppelschicht 18, 16, welche auf dem STO (001) Substrat 11 entstand, durchgeführt. Die LaFeO₃-Schicht 18 mit einer Dicke von 40 nm wurde dafür bei 720 K abgeschieden, während die Fe-Schicht mit einer Dicke von 8 nm bei 370 K aufgebracht wurde, nachdem die antiferromagnetische Schicht bei 400 K entlang verschiedener, azimutaler Richtungen eingestellt wurde.
Die 4a und 4b zeigen ein Diagramm einer Austausch-Anisotropie als Funktion der Dicke. Eine herkömmliche Signatur einer Austausch-Anisotropie ist deren Abhängigkeit von der Dicke einer dünnen Schicht. Für eine auf STO (001) entstandene LaFeO₃/Fe-Struktur wird die Abhängigkeit von N_ex mit der Dicke einer dünnen, ferromagnetischen Fe-Schicht in den 4a und 4b dargestellt. Damit zeigt 4a das Resultat einer Messung entlang der [100] Richtung, während 4b die Ergebnisse einer Messung entlang der [110] Richtung darstellt. Es ist offensichtlich, dass die Austausch-Anisotropie bei bestimmten Fe-Dicken, üblicherweise bei etwa 8-12 nm, Spitzenwerte erzielt. Die Abnahme bei größeren Fe-Dicken wird aus grundlegenden energetischen Gründen erwartet, während der Abfall bei geringen Fe-Dicken noch nicht geklärt werden konnte.
5 stellt eine weitere Ausführungsform in einer schematischen, dreidimensionalen Abbildung eines magnetischen Speicherelements 20, die auch als Magnet-Arbeitsspeichervorrichtung (MRAM) bezeichnet wird, in einer geöffneten Schichtstruktur dar. Wie in 5 abgebildet, umfasst das Speicherelement 20 ein entsprechendes Substrat 22, wie etwa Glas, Keramik oder einen Halbleiter, auf dem eine erste dünne Schicht 24 aus weichmagnetischem Material, eine zweite dünne Schicht 26 aus einem nicht-magnetischen, metallenen und leitenden Material, wie etwa Kupfer, ist und eine dritte dünne Schicht 28 aus ferromagnetischem Material angebracht werden. Darauf wird eine antiferromagnetische Schicht 30, auch als Pinningschicht 30 bezeichnet, aufgebracht. Das Speicherelement 20 ist im Seitenaufriss rechteckig und die Vorzugsrichtung der Magnetisierung verläuft entlang der Länge des Speicherelements. Die Magnetisierungsrichtung der dritten dünnen Schicht 28, durch einen ersten Magnetisierungspfeil 29 gekennzeichnet, ist so festgelegt, dass sie parallel zur longitudinalen Dimension des Speicherelements 20 verläuft, so wie die Austauschkopplung zur antiferromagnetischen Schicht 30. Die antiferromagnetische Schicht 30 umfasst eine Verbindung aus der Gruppe der Orthoferriten, hier LaFeO₃. Der Vorteil einer derartig strukturierten Vorrichtung liegt in ihrer Eignung für Umge bungen mit hohen Temperaturen. Aufgrund der hohen Néel-Temperatur T_N der Orthoferrite kann ein solches magnetisches Speicherelement 20 bei Temperaturen bis zur T_N verwendet und eingesetzt werden.
Die Magnetisierung der Schicht 24 wird durch eine einachsige Anisotropie und die Geometrie der Form eingeschränkt, um in der longitudinalen Richtung des Elements 20, entweder parallel oder antiparallel zur festgelegten Magnetisierungsrichtung der dritten dünnen Schicht 28, zu liegen, wie durch einen zweiten Magnetisierungspfeil 33 angezeigt wird. Das Schalten des Speicherelements 20 zwischen den Zuständen "1" und "0" wird durch ein gleichzeitiges Anwenden eines Querfeldes und eines longitudinalen Feldes an Element 20 erzielt. Das longitudinale Feld wird durch einen Iongitudinalen Schreibstrom 32 in einer von einem Leiter erstellten Schreibleitung 34 induziert, welche sich orthogonal zur Länge des Speicherelements 20 erstreckt. Das Querfeld wird durch einen quer verlaufenden Schreib-/Abfühlstrom 36 induziert, der längs durch das Element 20 fließt. Wenn eine Zunahme der Stabilität durch Steigern des Querfeldes gewünscht wird, kann ein zusätzlicher Schreib-/Abfühlstrom über einen wahlweise vorhandenen Leiter bereitgestellt werden, der sich längs durch das Speicherelement erstreckt und zwischen Substrat 22 und einer zur Schicht 24 in Kontakt stehenden, isolierenden Schicht positioniert ist.
Der elektrische Widerstand erreicht einen Minimumwert, wenn die Magnetisierung der ersten dünnen Schicht 24 parallel zu jener der festgelegten dritten dünnen Schicht 28 ist und einen Maximumwert, wenn die Magnetisierung der ersten dünnen Schicht 24 antiparallel zu jener der festgelegten dritten dünnen Schicht 28 ist.

Claims

Magnetvorrichtung mit zumindest einer antiferromagnetischen Schicht (18, 30), die mit einer ferromagnetischen Schicht (16, 28) in Kontakt steht, wobei die antiferromagnetische Schicht (18, 30) eine Austausch-Anisotropie in der ferromagnetischen Schicht (16, 28) induziert, wobei die antiferromagnetische Schicht (18, 30) La-FeO₃ umfasst.
Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, worin die antiferromagnetische Schicht (18, 30) mit Barium, Strontium, Calcium, Kalium, Lithium oder Natrium dotiert ist.
Magnetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die antiferromagnetische Schicht (18, 30) eine Dicke t aufweist, wobei t < 50 nm gilt.
Magnetvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die antiferromagnetische Schicht (18, 30) einer Dehnung ausgesetzt ist.
Magnetvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die antiferromagnetische Schicht (18, 30) eine verzerrte Struktur aufweist.
Verwendung einer Magnetvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung eines magnetischen Aufzeichnungssensors, vorzugsweise eines GMR-Sensors (10).
Verwendung der Magneto-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Magnet-Arbeitsspeichers (MRAM) (20).
Magneto-Widerstandssensor (10), umfassend ein Substrat (11) und eine auf dem Substrat (11) ausgebildete Schichtstruktur, wobei die Schichtstruktur zumindest eine erste (12) und eine dritte Schicht (16) aus ferromagnetischem Material umfasst, die durch eine zweite Schicht (14) aus nicht-magnetischem Material getrennt sind, wobei die Magnetisierungsrichtung der dritten Schicht durch den Einfluss einer vier ten Schicht (18) aus antiferromagnetischem Material gepinnt ist, wobei die vierte Schicht (18) LaFeO₃ umfasst.
Magneto-Widerstandssensor (10) nach Anspruch 8, worin die vierte Schicht (18) mit Barium, Strontium, Calcium, Kalium, Lithium oder Natrium dotiert ist.
Magneto-Widerstandssensor (10) nach Anspruch 8 oder 9, worin die antiferromagnetische Schicht (18) eine Dicke t aufweist, wobei t < 50 nm gilt.
Verfahren zur Ausbildung einer Magnetschichtstruktur, umfassend die Schritte: des Aufbringens einer LaFeO₃ umfassenden antiferromagnetischen Schicht (18, 30) auf einem Substrat (11, 22); des Ausrichtens der Struktur der antiferromagnetischen Schicht (18, 30) in einem Magnetfeld; und des Aufbringens einer ferromagnetischen Schicht (16, 28) auf dieser.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die antiferromagnetische Schicht (18, 30) mit einem der folgenden Verfahren aufgebracht wird: Molekularstrahlabscheidung, Sputtern, Ionenstrahlsputtern, Laserablation, metallorganische chemische Bedampfung (MOCVD).
Verfahren nach Anspruch 11, worin zumindest eine Schicht (16, 18, 28, 30) oder die Schichtstruktur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, worin während eines Kühlschritts ein Gleichmagnetfeld zumindest an die antiferromagnetische Schicht (18, 30) oder an die Schichtstruktur angelegt wird.