DE69826090T2

DE69826090T2 - Magnetische Tunnelübergangseinrichtung mit verbesserten ferromagnetischen Schichten

Info

Publication number: DE69826090T2
Application number: DE69826090T
Authority: DE
Inventors: Stuart Stephen Papworth San Jose Parkin
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2018-10-02
Also published as: US5966012A; JP3004005B2; EP0913830A3; MY124179A; DE69826090D1; JPH11161919A; EP0913830B1; SG86336A1; KR19990036653A; EP0913830A2; KR100271141B1

Description

Gebiet der Technik
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Magnet-Tunnelbarriere (MTJ)-Vorrichtung und im Besonderen eine MTJ-Vorrichtung zur Verwendung als Magnetoresistenz (MR)-Kopf zum Lesen magnetisch gespeicherter Daten oder zur Verwendung als Magnetspeicherzelle in einer nichtflüchtigen Magnetspeichervorrichtung. Im Besonderen betrifft diese Erfindung eine MTJ-Vorrichtung mit verbesserten ferromagnetischen Schichten.
Hintergrund der Erfindung
Eine Magnet-Tunnelbarriere (MTJ)-Vorrichtung besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine dünne Tunnelbarriere-Isolierschicht getrennt sind, und basiert auf dem Phänomen der spinpolarisierten Elektronentunnelung. Eine der ferromagnetischen Schichten weist in einer Richtung eines angelegten Magnetfelds ein höhere Sättigungsfeldstärke auf, typischerweise aufgrund ihrer höheren Koerzitivkraft als die andere ferromagnetische Schicht. Die Tunnelbarriere-Isolierschicht ist ausreichend dünn, um eine quantenmechanische Tunnelung zwischen ferromagnetische Schichten zuzulassen. Das Tunnelungsphänomen ist elektronenspinabhängig, wodurch die magnetische Antwort der MTJ zu einer Funktion der relativen Ausrichtungen und Spinpolarisationen der zwei ferromagnetischen Schichten wird.
MTJ-Vorrichtungen wurden in erster Linie zur Verwendung als Speicherzellen für Festkörperspeicher vorgeschlagen. Der Zustand der MTJ-Speicherzelle wird durch Messen des Widerstands der MTJ bestimmt, wenn ein Sensorstrom senkrecht durch die MTJ von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen hindurchgeschickt wird. Die Tunnelungswahrscheinlichtkeit von Ladungsträgern entlang der Tunnelbarriere-Isolierschicht hängt von der relativen Ausrichtung der magnetischen Momente (Magnetisierungsrichtung) der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Der Tunnelungsstrom ist spinpolarisiert, was bedeutet, dass der elektrische Strom aus einer der ferromagnetischen Schichten, beispielsweise, eine Schicht, deren magnetisches Moment festgelegt ist oder von einer Drehung abgehalten wird, in erster Linie aus Elektronen eines Spin-Typs (spin up oder spin down, abhängig von der Richtung des magnetischen Moments der ferromagnetischen Schicht). Der Grad der Spinpolarisation des Tunnelungsstroms wird von der elektronischen Bandstruktur des die ferromagnetische Schicht umfassenden magnetischen Materials an der Kontaktstelle der ferromagnetischen Schicht mit der Tunnelbarriereschicht bestimmt. Die erste ferromagnetische Schicht fungiert somit als Spin-Filter. Die Wahrscheinlichkeit der Tunnelung der Ladungsträger hängt von der Verfügbarkeit von Elektronenzuständen mit derselben Spinpolarisation wie die Spinpolarisation des elektrischen Stroms in der zweiten ferromagnetischen Schicht ab. Üblicherweise sind mehr Elektronenzustände verfügbar, wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht parallel zum magnetischen Moment der ersten ferromagnetischen Schicht ist, als wenn das magnetische Moment der zweiten ferromagnetischen Schicht antiparallel zum magnetischen Moment der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Somit ist die Tunnelungswahrscheinlichkeit der Ladungsträger dann am höchsten, wenn die magnetischen Momente beider Schichten parallel sind, und am niedrigsten, wenn die magnetischen Momente antiparallel sind. Sind die Momente weder parallel noch antiparallel ausgerichtet, so nimmt die Tunnelungswahrscheinlichkeit einen Mittelwert ein. Der elektrische Widerstand einer MTJ-Speicherzelle hängt somit von der Spinpolarisation des elektrischen Stroms und den Elektronenzuständen in beiden ferromagnetischen Schichten ab. In Folge dessen definieren die zwei möglichen Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung nicht einheitlich festgelegt ist, zwei mögliche Bit-Zustände (0 oder 1) der Speicherzelle. Obwohl die Möglichkeiten von MTJ-Speicherzellen schon einige Zeit bekannt sind, gab es aufgrund von Schwierigkeiten des Erhaltens von Antworten der vorausgesagten Größe in praktischen Strukturen und bei nichtkryogenen Temperaturen kein ernsthaftes Interesse daran.
Ein Magnetoresistenz (MR)-Sensor detektiert Magnetfeldsignale durch Änderungen im Widerstand eines Leseelements, das aus einem magnetischen Material hergestellt ist, als Funktion der Stärke und der Richtung des vom Leseelement abgefühlten Magnetflusses. Ein herkömmlicher MR-Sensor, beispielsweise einer, der als MR-Lesekopf zum Lesen von Daten auf Magnetaufzeichungsplattenlaufwerken verwen det wird, arbeitet auf der Grundlage der anisotropen Magnetoresistenz (AMR)-Effekts des magnetischen Rohmaterials, welches üblicherweise ein Permalloy (Ni₈₁Fe₁₉) ist. Eine Komponente des Leseelement-Widerstands variiert als die zweite Potenz des Kosinus des Winkels zwischen der Magnetisierungsrichtung im Leseelement und der Richtung des Sensorstroms, der durch das Leseelement fließt. Aufgezeichnete Daten können von einem magnetischen Medium, wie beispielsweise der Platte im Plattenlaufwerk, gelesen werden, weil das externe Magnetfeld des magnetischen Aufzeichnungsmediums (das Signalfeld) eine Änderung in der Magnetisierungsrichtung im Leseelement auslöst, wodurch dann eine Änderung im Widerstand im Leseelement und eine entsprechende Änderung im abgefühlten Strom oder der Spannung verursacht wird.
Die Verwendung einer MTJ-Vorrichtung für Speicheranwendungen wurde im U.S.-Patent Nr. 5.640.343 und im IBM-U.S.-Patent Nr. 5.650.958 vorgeschlagen und beschrieben. Die Verwendung einer MJT-Vorrichtung als MR-Lesekopf wurde ebenfalls vorgeschlagen und ist im U.S.-Patent Nr. 5.390.061 beschrieben. Eines der Probleme bei derartigen MTJ-Vorrichtungen liegt darin, dass die ferromagnetischen Schichten dipolare Magnetfelder erzeugen. Dies führt zu einer magnetostatischen Wechselwirkung zwischen den ferromagnetischen Schichten innerhalb einer einzelnen Vorrichtung und zu magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen MTJ-Vorrichtungen in einer Anordnung von derartigen MTJ-Vorrichtungen, wie beispielsweise einer Anordnung vom MTJ-Speicherzellen, die zur Verwendung in einer nichtflüchtigen Magnetspeicheranordnung vorgeschlagen wurden. Die magnetostatische Wechselwirkung wird um so wichtiger, je mehr der Querschnittsbereich der MTJ-Vorrichtung oder -Vorrichtungen abnimmt. Für zahlreiche Anwendungen bedeuten die magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen benachbarten MTJ-Speicherzellen, dass die Eigenschaften eines einzelnen MTJ-Speicherelements vom Zustand der benachbarten MTJ-Speicherelemente beeinflusst werden. Dies schränkt die Anordnungsdichte der MTJ-Elemente in einer Anordnung ein, da die benachbarten MTJ-Speicherelemente weiter beabstandet als dies sonst notwendig wäre angeordnet werden müssen. Bei Anwendungen als MR-Lesekopf schränken die magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen den ferromagnetischen Schichten inner halb der MTJ-Vorrichtung die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung ein. Zudem muss die Magnetisierung der Flusssensorschicht im MR-Lesekopf schrittweise reduziert werden, je mehr die Datenspeicherkapazität des Magnetaufzeichungssystem erhöht wird, um die bestmögliche Leistung zu erhalten.
In den U.S.-Patenten Nr. 5.477.482 und Nr. 5.541.868 wird nahegelegt, dass Groß-Magnetoresistenz (GMR)-Elemente in Form von hohlen Zylindern oder hohlen Scheiben zur Reduktion der magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen den Elementen in einer Magnetspeicheranordnung aus GMR-Elementen verwendet werden. Dieses Verfahren ist jedoch für MR-Lesekopf-Anwendungen nicht von Nutzen. Zudem führt dieser Verfahren zu hoher Komplexität bei der Herstellung der einzelnen Magnetelemente. Weiters sind diese Elemente notwendigerweise groß, da die Elemente mehrere Mindestflächen-Lithographiequadrate umfassen, um Elemente mit hohlen Innenräumen zu bilden. Diese Elemente sind für hochdichte Speicheranwendungen nicht geeignet.
Es besteht Bedarf nach an einer MTJ-Vorrichtung, in der die ferromagnetischen Schichten reduzierte magnetische Nettomomente aufweisen, sodass die magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen diesen Schichten innerhalb einer einzigen Vorrichtung (für MR-Lesekopf-Anwendungen) oder zwischen MTJ-Vorrichtungen (für Speicheranwendungen) auf geregelte Weise verringert werden, ohne dabei die Komplexität der Herstellung der MTJ-Vorrichtung wesentlich zu verstärken.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung bereit, die Folgendes umfasst: eine feststehende ferromagnetische Vielfachschicht, deren magnetisches Moment bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds in eine bevorzugte Richtung festgelegt ist, wobei die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht umfasst, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und wobei eine antiferromagnetische Kopplungsschicht zwischen und in Kontakt mit der ersten und der zweiten ferro magnetischen Schicht angeordnet ist; eine freie ferromagnetische Vielfachschicht, deren magnetisches Moment sich bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds frei drehen kann, wobei die freie ferromagnetische Vielfachschicht eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht umfasst, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und wobei eine antiferromagnetische Kopplungsschicht zwischen und in Kontakt mit der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine Tunnelisolierschicht, die zwischen und in Kontakt mit der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht und der freien ferromagnetischen Vielfachschicht angeordnet ist, um einen Tunnelstrom zwischen der feststehenden und der freien ferromagnetischen Vielfachschicht zuzulassen.
Die Erfindung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine verbesserte MTJ-Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem magnetischen Aufzeichnungs-Lesekopf in einem magnetischen Aufzeichnungssystem oder einer Magnetspeicherzelle in einem nichtflüchtigen Magnetspeicher. Die MTJ-Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus zwei ferromagnetischen Schichten, einer "harten" oder "feststehenden" ferromagnetischen Schicht, und einer abfühlenden oder "freien" ferromagnetischen Schicht, die durch eine dünne Tunnelisolierschicht getrennt sind. Eine verbesserte MTJ-Vorrichtung wird erhalten, indem laminierte ferromagnetischen Schichten verwendet werden, von denen jede der feststehenden und der freien ferromagnetischen Schichten aus zumindest zwei dünneren ferromagnetischen Unterschichten gebildet ist, die über eine dünne nichtferromagnetische Beabstandungsschicht miteinander antiferromagnetisch gekoppelt sind. Die Beabstandungsschicht oder antiferromagnetische Kopplungsschicht ist, mit Bezug auf die Materialzusammensetzung und die Dicke, so gewählt, dass die beiden ferromagnetischen Unterschichten, zwischen denen sie eingeschoben ist, veranlasst werden, ihre magnetischen Momente in Abwesenheit von externen Magnetfeldern antiparallel zueinander auszurichten. Die magnetischen Momente der feststehenden ferromagnetischen Schicht und jene der freien ferromagnetischen Schicht können beliebig klein gewählt werden, indem den beiden Unterschichten, die jede dieser umfassen, im Wesentlichen dasselbe magnetische Moment gegeben wird. Die Dipolfelder von jedem der feststehenden und der freien ferromagnetischen Schichten in der MTJ- Vorrichtung können so minimiert werden, wodurch die magnetische Wechselwirkung zwischen der feststehenden ferromagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht verringert werden. Bei Magnetaufzeichnungs-Lesekopfanwendungen sorgt die verbesserte MTJ-Vorrichtung für mehr Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Zudem ist die feststehende ferromagnetischen Schicht gegenüber externen Störungen stabiler, einschließlich Magnetfeld- und Temperaturschwankungen. Die verbesserte MTJ-Vorrichtung ermöglicht dadurch Magnetaufzeichnungssysteme mit höherer Aufzeichnungsdichte an gespeicherten magnetischen Bits. Bei Magnetspeicheranwendungen sorgt das verbesserte MTJ-Speicherelement für geringere Wechselwirkungen zwischen benachbarten Elementen und ermöglicht dadurch eine höhere Anordnungsdichte und somit gesteigerte Speicherkapazitäten.
Zum besseren Verständnis der Art und der Vorteile der vorliegenden Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines herkömmlichen Magnetaufzeichnungs-Plattenlaufwerks zur Verwendung mit dem MTJ-MR-Lesekopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht des Plattenlaufwerks aus 1, wobei die Abdeckung entfernt ist.
3 ist ein vertikaler Querschnitt eines herkömmlichen induktiven Schreibkopfs/MR-Lesekopfs, wobei der MR-Lesekopf zwischen Schutzschichten und neben dem induktiven Schreibkopf angeordnet ist.
4A zeigt eine Querschnittsansicht eines MTJ-MR-Lesekopfs der vorliegenden Erfindung.
4B ist ein Querschnitt des MTJ-Elements, das den MTJ-MR-Lesekopf in 4A bildet.
5 zeigt Magnetoresistenzkurven über Feldkurven für drei MTJ-Vorrichtungen; eine ohne antiparallel gekoppelte feststehende ferromagnetische und abfühlende ferromagnetische Schichten (5A), eine mit einer antiparallel gekoppelten feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (5B) und eine mit antiparallel gekoppelten feststehender ferromagnetischer und mit antiparallel gekoppelter abfühlender ferromagnetischer Vielfachschicht (5C) für einen eingeschränkten Magnetfeldbereich.
6 zeigt die Kurve von Magnetoresistenz in Abhängigkeit vom Feld derselben Struktur, deren Antwort in 5A gezeigt ist, jedoch über einen ausreichend großen Magnetfeldbereich, um die feststehende ferromagnetische Schicht anders auszurichten.
7A zeigt die Kurve aus Widerstand über Feld einer MTJ-Vorrichtung mit einer antiparallel gekoppelten feststehenden ferromagnetischen Schicht über einem erweiterten Magnetfeldbereich.
7B zeigt die Kurve aus Widerstand über Feld einer MTJ-Vorrichtung mit einer antiparallel gekoppelten feststehenden ferromagnetischen Schicht über einem eingeschränkten Magnetfeldbereich.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Stand der Technik
Obwohl die MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nachstehend in einer Ausführungsform für einen MR-Sensor in einem magnetischen Aufzeichnungsplattenlaufwerk beschrieben wird, ist die Erfindung auch auf andere MTJ-Anwendungen, wie beispielsweise Speicherzellen und andere magnetische Aufzeichnungssysteme, wie beispielsweise Magnetbandaufzeichnungssysteme, anwendbar.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Schema eines Plattenlaufwerks nach dem Stand der Technik, das einen MR-Sensor verwendet, im Querschnitt dargestellt. Das Plattenlaufwerk umfasst eine Basis 10, an welcher ein Plattenantriebsmotor 12 und ein Aktuator 14 befestigt sind, und eine Abdeckung 11. Die Basis 10 und die Abdeckung 11 stellen ein im Wesentlichen abgedichtetes Gehäuse für das Laufwerk bereit. Typischerweise ist eine Dichtung 13 zwischen der Basis 10 und der Abdeckung 11 sowie eine kleine Enlüftungsöffnung (nicht dargestellt) zum Druckausgleich zwischen dem Inneren des Laufwerks und der äußeren Umgebung angeordnet. Eine Magnetaufzeichnungsplatte 16 ist mit dem Antriebsmotor 12 mithilfe einer Nabe 18 verbunden, an der sie zum Zwecke der Rotation durch den Antriebsmotor 12 befestigt ist. Ein dünner Gleitmittelfilm 50 wird auf der Oberfläche der Platte 16 gehalten. Ein Lese-/Schreibkopf oder Wandler 25 ist am hinteren Ende eines Trägers, beispielsweise ein luftgelagertes Gleitstück 20, ausgebildet. Der Wandler 25 ist ein Lese-/Schreibkopf, der einen induktiven Schreibkopfabschnitt und einen MR-Lesekopfabschnitt umfasst, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird. Das Gleitstück 20 ist über einen starren Arm 22 und eine Aufhängung 24 mit dem Aktuator 14 verbunden. Die Aufhängung 24 stellt eine Vorspannkraft bereit, die das Gleitstück auf die Oberfläche der Aufzeichnungsplatte 16 drückt. Während des Betriebs des Plattenlaufwerks dreht der Antriebsmotor 12 die Platte 16 mit gleichbleibender Geschwindigkeit, und der Aktuator 14, der typischerweise ein Linear- oder Dreh-Tauchspulenmotor (VCM) ist, bewegt das Gleitstück im Allgemeinen radial entlang der Oberfläche der Platte 16, sodass dem Lese-/Schreibkopf 25 der Zugang zu den verschiedenen Datenspuren auf der Platte 16 ermöglicht wird.
2 ist eine Draufsicht des Inneren des Plattenlaufwerks, wobei die Abdeckung 11 entfernt ist, und zeigt die Aufhängung 24, die eine auf das Gleitstück einwirkende Kraft bereitstellt, um dieses in Richtung der Platte 16 zu drücken, auf detaillierte Weise. Die Aufhängung kann ein herkömmlicher Aufhängungstyp sein, wie beispielsweise die wohl bekannten Watrous-Aufhängungen, wie im IBM-U.S.-Patent Nr. 4.167.765 beschrieben. Diese Art der Aufhängung stellt auf eine Kardanbefestigung des Gleitstücks bereit, was dem Gleitstück ein Schwingen und Rollen, also eine Bewegung um dessen Längsachse und in Querrichtung ermöglicht, während es sich auf dem Luftkissen bewegt. Die vom Wandler 25 detektierten Daten auf der Platte 16 werden durch Signalverstärkung und dem Prozessorschaltkreis im auf dem Arm 22 angeordneten IC-Chip 15 zu einem Datenabrufsignal verarbeitet. Die Signale vom Wandler 25 werden über ein Kabel 17 zum Chip 15 übertragen, der seine Ausgabesignale über ein Kabel 19 an die Laufwerkelektronik (nicht dargestellt) übermittelt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht des einstückigen Lese-/Schreibkopfs 25, der einen MR-Lesekopfabschnitt und einen induktiven Schreibabschnitt aufweist. Der Kopf 25 ist geläppt, um eine Luftlageroberfläche (ABS) zu bilden, wobei die ABS durch das Luftlager, so wie zuvor erörtert, von der Oberfläche der sich drehenden Platte 16 beabstandet ist. Der Lesekopf umfasst einen MR-Sensor 40, der zwischen der ersten und der zweiten Spaltschicht G1 und G2 eingeschoben ist, die wiederum zwischen der ersten und der zweiten Magnetschutzschicht S1 und S2 eingeschoben sind. In einem herkömmlichen Plattenlaufwerk ist der MR-Sensor 40 ein AMR-Sensor. Der Schreibkopf umfasst eine Spulenschicht C und eine Isolierschicht 12, die zwischen den Isolierschichten 11 und 13 eingeschoben sind, die wiederum zwischen dem ersten und dem zweiten Polschuh P1 und P2 eingeschoben sind. Eine Spaltschicht G3 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Polschuh P1 und P2 und deren neben der ABS angeordneten Polspitzen eingeschoben, um einen Magnetspalt zu bilden. Während des Schreibens wird der Signalstrom durch die Spulenschicht C geleitet und der Fluss in die erste und die zweite Polschicht P1 und P2 induziert, wodurch der Fluss durch die Polspitzen zur ABS gelangt. Dieser Fluss magnetisiert während eines Schreibvorgangs die kreisförmigen Spuren auf der sich drehenden Platte 16. Während eines Lesevorgangs leiten die magnetisierten Bereiche auf der sich drehenden Platte 16 den Fluss in den MR-Sensor 40 des Lesekopfs, was Veränderungen im Widerstand im MR-Sensor 40 verursacht. Diese Widerstandsänderungen werden durch Detektieren von Spannungsänderungen am MR-Sensor 40 detektiert. Die Spannungsänderungen werden vom Chip 15 (2) und der Laufwerkelektronik verarbeitet und in Benutzerdaten umgewandelt. Der in 3 dargestellt kombinierte Kopf ist ein "verschmolzener" Kopf, in dem die zweite Schutzschicht S2 des Lesekopfs als erster Polschuh P1 für den Schreibkopf verwendet wird. Bei einem Huckepackkopf (nicht dargestellt) sind die zweite Schutzschicht S2 und der erste Polschuh P1 getrennte Schichten.
Die obige Beschreibung eines typischen Magnetaufzeichnungs-Plattenlaufwerks mit einem AMR-Lesekopf und die beigefügten 1 bis 3 dienen nur erläuternden Zwecken. Plattenlaufwerke können eine Vielzahl von Platten und Aktuatoren umfassen, und jeder Aktuator trägt gegebenenfalls eine Vielzahl an Gleitstücken. Zudem kann der Kopfträger anstelle eines luftgelagerten Gleitstücks auch einer sein, der den Kopf in Kontakt oder fast in Kontakt zur Platte hält, wie beispielsweise bei flüssigkeitsgelagerten oder anderen Kontakt- oder Fast-Kontakt-Aufzeichnungsplattenlaufwerken.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist eine MTJ-Vorrichtung mit antiferromagnetisch gekoppelten Vielfachschichten, die als die feststehende und die freie ferromagnetische Schicht dienen. In einer Ausführungsform ist die MTJ-Vorrichtung der Sensor in einem MR-Lesekopf und wird anstelle des MR-Sensors 40 im Lese-/Schreibkopf 25 aus 3 verwendet.
4A ist eine Querschnittsansicht des MTJ-MR-Lesekopfs der vorliegenden Erfindung, und zwar wie er aussehen würde, wenn der Schnitt entlang einer Fläche gemacht würde, dessen Kante in 3 als Linie 42 dargestellt ist, und er von der Plattenoberfläche aus betrachtet würde. 4 stellt somit eine Fläche dar, die parallel zur ABS und im Wesentlichen durch die aktive Sensorregion, d.h. der Tunnelbarriere, des MTJ-MR-Lesekopfs verläuft, um die Schichten, aus denen der Kopf aufgebaut ist, darzustellen. Der MTJ-MR-Lesekopf umfasst einen unteren elektrischen Anschluss 102, der auf der Spaltschicht G1 ausgebildet ist, einen oberen elektrischen Anschluss 104, der unterhalb der Spaltschicht G2 ausgebildet ist, und die MTJ-Vorrichtung 100, die als eine Schichtenfolge zwischen dem oberen und dem unteren elektrischen Anschluss 102 und 104 gebildet ist.
Die MTJ 100 umfasst eine erste Mehrschicht-Elektrodenschichtenfolge 110, eine Tunnelbarriere-Isolierschicht 120 und eine obere Elektrodenschichtfolge 130. Jede der Elektroden umfasst eine ferromagnetische Vielfachschicht, die in direktem Kontakt mit der Tunnelbarriereschicht 120 steht, d.h. die befestigte oder feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118 und die freie oder abfühlende ferromagnetische Vielfachschicht 132.
Die untere Elektrodenschichtenfolge 110, die auf dem elektrischen Anschluss 102 ausgebildet ist, umfasst eine Start- oder "Matrizen"(template)-Schicht 112 auf dem Anschluss 102, eine Schicht aus antiferromagnetischem Material 116 auf der Matrizenschicht 112 sowie eine feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118, die auf der darunter liegenden antiferromagnetischen Schicht 116 ausgebildet und mit dieser austauschgekoppelt ist. Die ferromagnetische Vielfachschicht 118 wird als feststehende Schicht bezeichnet, weil ihr magnetisches Nettomoment oder ihre Magnetisierungsrichtung in Gegenwart von angelegten Magnetfeldern im gewünschten, relevanten Bereich am Rotieren gehindert wird. Die obere Elektrodenschichtenfolge 130 umfasst eine ferromagnetische Sensorvielfachschicht 132 und eine Schutz- oder Abdeckungsschicht 134, die auf der abfühlenden Vielfachschicht 132 ausgebildet ist. Die ferromagnetische Sensorvielfachschicht 132 ist nicht an eine antiferromagnetische Schicht austauschgekoppelt, und ihrem magnetischen Nettomoment oder ihrer Magnetisierungsrichtung steht somit eine Rotation in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds im gewünschten, relevanten Bereich frei. Die abfühlende ferromagnetische Vielfachschicht 132 ist so hergestellt, dass sie ihr magnetisches Nettomoment oder ihre Magnetisierungsrichtung (dargestellt durch Pfeil 133) aufweist, die in Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds im Allgemeinen parallel zur ABS (3) und im Allgemeinen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 ausgerichtet ist. Die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118 in der Elektrodenschichtenfolge 110, direkt unterhalb der Tunnelbarriereschicht 120, weist eine eigene Magnetisierungs richtung auf, die durch die Kontaktstellen-Austauschkopplung ihrer unteren ferromagnetischen Schicht 200 mit der direkt darunter liegenden antiferromagnetischen Schicht 116, die ebenfalls Teil der unteren Elektrodenschichtfolge 110 ist, festgelegt wird. Die Magnetisierungsrichtung der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 ist im Allgemeinen senkrecht zur ABS gerichtet, d.h. in die Zeichnung der 4A hinein oder heraus (wie durch das Pfeilende 119 dargestellt). (In einer Magnetspeicheranwendung der MTJ-Vorrichtung werden die Magnetisierungsrichtungen der feststehenden ferromagnetische Schicht 118 und der abfühlenden ferromagnetischen Schicht 132 in Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds entweder parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet, und die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Sensorschicht 132 schaltet in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds, das vom Schreibstrom an das Speicherelement verursacht wird, zwischen parallel und antiparallel um.)
Wie in 4B zu sehen ist besteht die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118 aus einem Sandwich aus zwei ferromagnetischen Schichten 200 und 225, die von einer dazwischen liegenden nichtferromagnetischen Schicht 210 getrennt sind, um die ferromagnetischen Schichten 200 und 225 antiferromagnetisch zu koppeln, sodass die magnetischen Momente der Schichten 200 und 225 antiparallel zueinander gerichtet sind. Die beiden ferromagnetischen Schichten 200 und 225 in der feststehenden ferromagnetischen Laminat-Vielfachschicht 118 weisen magnetische Momente auf, die aufgrund einer antiferromagnetischen Austauschkopplung durch die antiferromagnetische Schicht 210 antiparallel sind. Aufgrund der ferromagnetischen Kopplung und weil die beiden ferromagnetischen Schichten 200 und 225 mit im Wesentlichen derselben Dicke hergestellt werden können, heben sich die beiden Schichten im Wesentlichen auf, wodurch sich im Wesentlichen kein magnetisches Nettomoment in der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 ergibt. Somit wird von der ferromagnetischen Vielfachschicht 118 im Wesentlichen kein magnetisches Dipolfeld erzeugt, das die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Sensorschicht 132 beeinflusst. Da es jedoch nicht möglich ist, die beiden Schichten mit der exakt gleichen Dicke herzustellen, ist das Nettomoment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 als natürliche Folge des nor malen Schichtauftragvorgangs wahrscheinlich gering, aber ungleich null. Es ist jedoch gegebenenfalls wünschenswert, eine der feststehenden ferromagnetische Schichten 200, 225 bewußt mit einer etwas größeren Dicke als die andere aufzutragen, sodass sich in der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 ein kleiner Wert ungleich null des magnetischen Nettomoments ergibt. Dies gewährleistet, dass die Magnetisierung der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 in Gegenwart kleiner Magnetfelder stabil bleibt, sodass ihre Magnetisierungsrichtung während des Warmabbindens der antiferromagnetischen Austauschschicht 116 vorherbestimmbar ist.
Auf ähnliche Weise besteht auch die ferromagnetische Schicht 132 aus zwei ferromagnetischen Schichten 245 und 270, die von einer dünnen, nichtferromagnetischen Schicht 260 getrennt sind, die die Momente der Schichten 245 und 270 antiferromagnetisch koppelt. Die Schichten 200 und 225 in der feststehenden ferromagnetischen Schicht 118 und die Schichten 245 und 270 in der ferromagnetischen Sensorschicht 132 können gegebenenfalls selbst aus mehr als einer ferromagnetischen Schicht bestehen, jedoch sind in diesem Fall die Unterschichten parallel zueinander ausgerichtet, da die benachbarten ferromagnetischen Schichten ferromagnetisch miteinander gekoppelt sind. In 4B beispielsweise ist die ferromagnetische Schicht 245 als aus zwei ferromagnetischen Unterschichten 240 und 250 bestehend dargestellt. Das magnetische Nettomoment der Schicht 245 ist somit die Summe der magnetischen Momente der Unterschichten 240 und 250. Im Gegensatz dazu ergibt sich das magnetische Moment der ferromagnetischen Sensorschicht 132 aus der Differenz der Momente der Schichten 245 und 270, da die magnetischen Momente dieser Schichten aufgrund der Gegenwart der antiparallelen Kopplungsschicht antiparallel 260 zueinander ausgerichtet sind. Weist jede Unterschicht i eine Dicke t_i auf, und sind diese Filme so definiert, dass sie eine Einheitsdicke in einer senkrecht zur Ebene der Zeichnung in 4 stehenden Richtung aufweisen, so beläuft sich das magnetische Moment des Unterfilms i auf M_i·t₁, worin M_i das Moment pro Flächeneinheit dieser Schicht ist. M_i ist je nach der Richtung des Moments der Unterschicht i entlang der parallel zur ABS verlaufenden Richtung (der Richtung des Pfeils 133 in 4A) positiv oder negativ. Demzufolge ist das Nettomoment der ferromagnetischen Sensorschicht 132 die Summe der Momente einer jeden Unterschicht oder Schicht, unter Berücksichtigung des Vorzeichens von M_i, d.h. das Nettomoment der ferromagnetischen Sensorschicht ist Σ_i M_i·t_i. Das Nettomoment der ferromagnetischen Sensorschicht 132 ist aufgrund der Gegenwart der antiparallelen Kopplungsschicht 260 geringer als die Summe der Absolutwerte der Momente der einzelnen Schichten oder Unterschichten (d.h. Σ_i |M_i|·t_i). Eine tatsächliche Dicke dieser Schicht kann als äquivalente Dicke eines bestimmten magnetischen Materials definiert werden, das dasselbe magnetische Moment wie die ferromagnetische Sensorschicht aufweist. Beispielsweise ist eine äquivalente Dicke eines Permalloys t^Py _eff durch t^Py _eff = (Σ_i M_i·t_i)/M_Py gegeben. Sind die Momente der Schichten 270 und 245 in der ferromagnetischen Schicht 132 so angelegt, dass sie sehr ähnlich sind, so kann t^Py _eff Sehr klein gemacht werden.
In 4A sind zudem eine ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 zur längsgerichteten Vormagnetisierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 und eine Isolierschicht 160 zum Trennen und Isolieren der Vormagnetisierungsschicht 150 von der ferromagnetische Sensorvielfachschicht 132 und den anderen Schichten der MTJ-Vorrichtung 100 dargestellt. Die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 ist aus einem harten magnetischen Material hergestellt, wie beispielsweise eine CoPtCr-Legierung, dessen magnetisches Moment (dargestellt durch Pfeil 151) in Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds in dieselbe Richtung wie das magnetische Moment 133 der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 ausgerichtet ist. Die Isolierschicht 160, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O) oder Siliciumdioxid (SiO₂) besteht, ist ausreichend dick, um die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 von der MTJ 100 und den elektrischen Anschlüssen 102 und 104 zu isolieren, ist aber gleichzeitig dünn genug, um eine magnetostatische Kopplung (dargestellt durch den gestrichelten Pfeil 153) mit der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 zuzulassen. Jede der magnetischen Schichten in der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 weist eine Dicke t_i und ein magnetisches Moment pro Flächeneinheit M_i auf (wenn die Fläche in der Ebene liegt, die senkrecht zur Ebene der Zeichnung in 4A und senkrecht zur ABS liegt, d.h. sodass die Richtung des Pfeils 133 in 4A senkrecht zu dieser Ebene steht). Dann muss das durch die Summe der Produkte M_i·t_i (d.h. Σ_i M_i·t_i) definierte Nettomoment (unter Berücksichtigung der Richtung von M_i) der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht pro Längeneinheit (senkrecht zur Ebene der Zeichnung in 4A) durch die Summe der Produkte M_i·t_i (d.h. Σ_i M_i·t_i) gleich oder weniger als das M·t der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 sein, um eine stabile längsgerichtete Vormagnetisierung zu gewährleisten. Bestehen beispielsweise die Schichten innerhalb der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 aus dem Permalloy Ni_(100–x)-Fe_(x) (wobei x in etwa 19 ist), welches ein typisches ferromagnetisches Material ist, das für ferromagnetische Sensorvielfachschichten eingesetzt wird, und besteht die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 aus CO₇₅Pt₁₃Cr₁₂, welches ein typisches, geeignetes hartes magnetisches Material ist, so beträgt das Moment pro Flächeneinheit einer jeden Permalloyschicht in etwa das doppelte von jenem der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht. Die Dicke der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 beträgt somit zumindest in etwa das Doppelte der tatsächlichen Dicke t_eff der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132, worin t_eff in diesem Fall einfach |t₂₄₅–t₂₇₀| ist.
Ein Sensorstrom I wird vom ersten elektrischen Anschluss 102 senkrecht durch die antiferromagnetische Schicht 116, die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118, die Tunnelbarriereschicht 120 und die ferromagnetische Sensorvielfachschicht 132 geleitet und daraufhin durch den zweiten elektrischen Anschluss 104 wieder herausgeleitet. Wie zuvor bereits beschrieben ist die Menge an Tunnelungsstrom durch die Tunnelbarriereschicht 120 eine Funktion der relativen Ausrichtungen der Magnetisierungen der feststehenden und der abfühlenden ferromagnetischen Schichten 118 und 132, die an die Tunnelbarriereschicht 120 angrenzen und mit dieser in Kontakt stehen. Das Magnetfeld der aufgezeichneten Daten verursacht eine Drehung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 weg von der Richtung 133, d.h. entweder in die Zeichnung aus 4 hinein oder heraus. Dies ändert die relative Ausrichtung der magnetischen Momente der ferromagnetischen Vielfachschichten 118 und 132 und somit die Menge des Tunnelungsstroms, was sich als Veränderung im elektrischen Widerstand der MTJ 100 widerspiegelt. Diese Änderung des Widerstands wird von der Elektronik des Plattenlaufwerks detektiert und in Abrufdaten der Platte umgewandelt. Die elektrische Isolierschicht 160, die auch die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 von den elektrischen Anschlüssen 102 und 104 isoliert, verhindert, dass der Sensorstrom die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht 150 erreicht.
Nun wird ein repräsentativer Satz an Materialien für die MTJ-Vorrichtung 100 (4A und 4B) beschrieben. Alle Schichten der MTJ-Vorrichtung 100 werden in Gegenwart eines parallel zur Oberfläche des Substrats angelegten Magnetfelds ausgebildet. Das Magnetfeld dient der Ausrichtung der Vorzugsachse aller ferromagnetischen Schichten. Zuerst wird eine 5 nm dicke Ta-Startschicht (nicht dargestellt) auf einer 10–50 nm dicken Au-Schicht gebildet, die als unterer elektrischer Anschluss 102 dient. Die Startschicht besteht aus einem Material, die das (111) Wachstum der kubisch flächenzentrierten (fcc) Ni₈₁Fe₁₉-Matrizenschicht (template layer) 122 fördert. Die ferromagnetische Matrizenschicht 112 fördert das Wachstum der antiferromagnetischen Schicht 116. Geeignete Startschichtmaterialien sind unter anderem fcc-Metalle, wie beispielsweise Pt, Al, Cu, sowie Ta oder eine Kombination aus Schichten, wie beispielsweise 3–5 nm Ta/3–5 nm Al. Die untere MTJ-Elektrodenschichtfolge 110 umfasst eine Schichtfolge aus 4 nm Ni₈₁Fe₁₉/10 nm Mn₅₀Fe₅₀/3 nm Co/0,5 nm Ru/2 nm Co (die Schichten 112, 116 und die Vielfachschicht 118, bestehend aus den Schichten 200, 210 und 225 respektive), der auf der Ta-Startschicht auf der 10–20 nm Au-Schicht 102 wächst. Die Au-Schicht 102 ist auf dem Aluminiumdioxid-Spaltmaterial G1 gebildet, die als Substrat dient. Daraufhin wird die Tunnelbarriereschicht 120 durch Aufbringen und darauf folgendes Plasmaoxidieren einer 0,5–2 nm Al-Schicht gebildet. Dadurch wird die Al₂O₃ Isolationstunnelbarriereschicht 120 gebildet. Die obere Elektrodenschichtenfolge 130 ist eine Schichtenfolge aus 4 nm Ni–Fe/0,5 nm Ru/3 nm Ni–Fe/10 nm Ta (Vielfachschicht 132, bestehend aus den Schichten 245, 260 und 270 sowie Schicht 134 respektive). Die Ta-Schicht 134 dient als schützende Abdeckungsschicht. Die obere Elektrodenschichtenfolge 130 wird von einer 20 nm Aluminiumschicht kontaktiert, die als oberer elektrischer Anschluss 104 fungiert.
Abhängig von den für die ferromagnetischen Schichten 200, 225, 245 und 270 und deren antiferromagnetischen Kopplungsschichten 210 bzw. 260 gewählten Materialien gibt es eine bevorzugte Dicke der antiferromagnetischen Kopplungsschicht, bei der die ferromagnetische Schicht stark antiferromagnetisch gekoppelt wird. Im Fall der bevorzugten Co/Ru/Co- und Ni-Fe/Ru/Ni-Fe-Kombinationen kann die Dicke der antiferromagnetischen Kopplungsschicht aus der wohl bekannten Schwingungskopplungsbeziehung ausgewählt werden, die von Parkin et al. in "Phys. Rev. Lett.", Band 64, S. 2034, 1990, beschrieben wird. Die Maxima dieser Schwingungsbeziehung sind jene Dicken, bei denen es zu einer antiferromagnetischen Kopplung der beiden Co- oder Ni-Fe-Schichten kommt, was in der gewünschten antiparallelen Ausrichtung der magnetischen Momente in den beiden Ni-Fe-Schichten resultiert. Bei der Ni-Fe/Ru/Ni-Fe-Kombination ist die antiferromagnetische Austauschkopplungsstärke bei etwa 10 Å am größten. Bei der Co/Ru/Co-Kombination ist die antiferromagnetische Austauschkopplungsstärke bei weniger als etwa 10 Å am größten. Jedoch darf die Dicke der antiferromagnetischen Kopplungsschicht nicht so dünn sein, dass eine signifikante Anzahl an kleinen Löchern in der Schicht entsteht, die die antiferromagnetische Kopplungsstärke beeinträchtigen. Im Falle von Ru liegt die bevorzugte Dicke also in einem Bereich von etwa 4–8 Å.
Festzuhalten ist, dass, da der Strom senkrecht zu den Schichten in der MTJ-Vorrichtung fließt, der Widerstand der MTJ-Vorrichtung größtenteils von dem der Tunnelbarriereschicht 120 bestimmt wird. Der Widerstand pro Flächeneinheit der Anschlüsse 102 und 104 kann demnach sehr viel höher sein als bei herkömmlichen MR-Leseköpfen, in denen der Strom parallel zu den Schichten fließt. Die Anschlüsse 102 und 104 können somit dünner und/oder schmaler als in herkömmlichen MR-Kopfstrukturen gefertigt werden, und/oder können aus von Natur aus mit stärkerem Widerstand behafteten Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise Legierungen oder Kombinationen von Elementen.
Es ist von Bedeutung, dass die Schichten in der unteren Elektrodenschichtfolge 110 glatt sind, und dass die Al₂O₃-Tunnelbarriereschicht 120 keine kleinen Löcher aufweist, die die Barriere elektrisch kurzschliessen würden. Beispielsweise ist das Wachstum durch Sputterverfahren, die bekannt dafür sind, gute Groß-Magnetoresistenzeffekte bei vielschichtigen Metallschichtenfolge zu erzeugen, ausreichend. Bei der MTJ-Vorrichtung 100 ist die Richtung der magnetischen Momente der feststehenden bzw. der abfühlenden ferromagnetischen Vielfachschichten 118 und 132 in einem angelegten magnetischen Nullfeld in etwa orthogonal zueinander. Die Richtung des Moments der feststehenden Vielfachschicht 118 ist größtenteils durch jene des anisotropen Austauschfelds der antiferromagnetischen Schicht 116 bestimmt. Die Ausrichtung des Moments der Sensorvielfachschicht 132 wird von mehreren Faktoren beeinflusst, einschließlich der intrinsischen Anisotropie der ferromagnetischen Vielfachschicht selbst und der Form dieser Schicht. Eine intrinsischen magnetische Anisotropie kann in die Sensorvielfachschicht hervorgerufen werden, indem sie in einem kleinen Magnetfeld aufgebracht wird, das senkrecht zu jenem der Magnetisierungsrichtung der feststehenden Schicht 118 steht. Die korrekte Ausrichtung des Moments der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 wird durch die Gegenwart einer längsgerichteten ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht 150 erreicht. Die Magnetostriktion der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 ist so angelegt, dass sie gegen null geht (durch Wählen der Zusammensetzungen der Ni-Fe-Legierungen der Schichten 245 und 270), sodass durch das Herstellungsverfahren verursachte Beanspruchungen der Schicht nicht selbst zu magnetischer Anisotropie führen.
In einer alternativen ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 kann die ferromagnetische Schicht 245 eine dünne Unterschicht 240 aus Co oder Co_(100–x)Fe_(x) oder Ni_(100–x)Fe_(x) (worin x in etwa 60 ist) an der Kontaktstelle zwischen der Schicht 245 und der Tunnelbarriereschicht 120 umfassen, wobei der Rest (Unterschicht 250) der ferromagnetischen Schicht 245 und die Schicht 270 aus einem Material mit niedriger Magnetostriktion, wie beispielsweise Ni_(100–x)Fe_(x) (worin x in etwa 19 ist), gebildet sind. Die Nettomagnetostriktion dieses Typs der Sensorvielfachschicht mit einer dünnen Co oder Co_(100–x)Fe_(x)- (worin x im Bereich von 20–70 ist) oder Ni_(100–x)Fe_(x)- (worin x in etwa 60 ist) Kontaktstellenschicht ist so ausgelegt, dass durch leichte Schwankungen der Zusammensetzungen des Ausgangsmaterials der ferromagnetischen Schichten, die die Vielfachschicht 132 umfassen, der Wert nahe bei null liegt. In einer alternativen feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 ist die ferromagnetische Schicht 225 gegebenenfalls größtenteils aus einer Ni_(100–x)Fe_(x)-Unterschicht 220 mit einer dünnen Unterschicht 230 aus Co oder Co_(100–x)Fe_(x) (worin x im Bereich von 20–70 ist) oder Ni_(100–x)Fe_(x) (worin x in etwa 60 ist) an der Kontaktstelle mit der Tunnelbarriereschicht 120 aufgebaut. Das größte Signal wird mit Co oder mit der größtmöglichen Polarisation Ni_(100–x)Fe_(x)- (worin x in etwa 60 ist) oder Co_(100–x)Fe_(x)-Legierung (worin x in etwa 50 ist) erreicht. Die Kontaktstellenschicht ist optimalerweise etwa 1–2 nm dick. Die Nettomagnetostriktion der kombinierten Schichten ist so ausgelegt, dass sie durch kleine Variationen der Zusammensetzung annähernd null ist. Wenn das Rohmaterial der Schicht, die die Vielfachschicht 118 umfasst, Ni-Fe ist, dann ist die Zusammensetzung Ni₈₁Fe₁₉, jene Zusammensetzung, bei der rohes Ni-Fe eine Magnetostriktion von null aufweist.
Die antiferromagnetische Fe-Mn-Schicht 116 kann durch eine Ni-Mn-Schicht oder eine andere geeignete antiferromagnetische Schicht ersetzt werden, deren Austausch das ferromagnetische Material in der feststehenden ferromagnetischen Schicht 118 vormagnetisiert und die einen Widerstand aufweist, der im Wesentlichen unter dem der Al₂O₃-Barriereschicht legt. Geeignete Startschichten 112 für Ni-Mn umfassen Ti, W oder Ti-W.
Die 5A–5C vergleichen die Magnetoresistenz-Antwort einer MTJ-Vorrichtung ohne ferromagnetisch gekoppelte feststehende und freie ferromagnetische Schichten mit MTJ-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Es sind ausschließlich Daten für einen beschränkten Feldbereich mit eingeschlossen, bei dem die ferromagnetische Schicht durch Wechselwirkung mit der Austausch-Vormagnetisierungsschicht festgehalten oder fixiert wird. 5A zeigt die Kurve aus Widerstand in Abhängigkeit von der Feldstärke einer Struktur der Zusammensetzung Si/50 Å Ta/150 Å Al/40 Å Ni₈₁Fe₁₉/100 Å Mn₄₆Fe₅₄/36 Å Ni₈₁Fe₁₉/15 Å Co/12 Å Al, 120 s lang oxidiert/100 Å Ni₈₁Fe₁₉/200 Å Al, worin die feststehende ferromagnetische Schicht eine einzelne ferromagnetische Schicht (mit einer Co-Kontaktstellenschicht an der Aluminiumoxidbarriere) und die freie ferromagnetische Schicht eine einzelne ferromagnetische Schicht ist.
5 zeigt die Magnetoresistenz-Antwort einer ähnlichen MTJ-Vorrichtung, worin jedoch ausschließlich die feststehende ferromagnetische Schicht eine antiferromagnetisch gekoppelte Vielfachschicht aus 30 Å Co/7 Å Ru/25 Å Co ist. Das tatsächliche magnetische Moment ist nur in etwa 5 Å Kobalt und ist in etwa 7 Mal kleiner als das Moment der feststehenden ferromagnetischen Schicht der Struktur aus 5A. Während in 5A der Widerstand der MTJ-Vorrichtung bei kleinen negativen Feldern höher als bei kleinen positiven Feldern ist, wird in 5B die Magnetoresistenz-Antwort umgekehrt, und der Widerstand ist bei kleinen positiven Feldern höher. Dieses Ergebnis zeigt, dass die feststehende ferromagnetische Schicht in der Tat aus einem antiferromagnetisch gekoppelten "Sandwich" aus Co/Ru/Co besteht. Da die untere Co-Schicht 200 gewollt ein etwas größeres magnetisches Moment als die obere Co-Schicht 225 aufweist, weil ihre Dicke etwas größer ist (30 Å im Vergleich zu 25 Å) und weil die untere Co-Schicht in Kontakt zur MnFe-Austauschvormagnetisierungsschicht 116 steht, ist das Moment der unteren Co-Schicht 200 in der Richtung des Austauschvormagnetisierungsfelds der MnFe-Schicht 116 festgelegt (die in 5A in Richtung des positiven Felds geht). Somit ist das Moment der oberen Co-Schicht 225 durch Austauschkopplung über die Ru-Beabstandungsschicht 215 in die Richtung des negativen Felds festgelegt. Bei kleinen positiven Feldern ist somit das Moment der ferromagnetischen Sensorschicht 132, das sich frei drehen und der Richtung des angelegten Felds folgen kann, entlang der positiven Feldrichtung ausgerichtet und somit gegensätzlich zum Moment der oberen Co-Schicht 225 der feststehenden ferromagnetischen Schicht 118. Der Widerstand der MTJ-Vorrichtung ist demnach hoch. Wird die Richtung des angelegten Felds umgekehrt und leicht negativ, so richtet sich das Moment der ferromagnetischen Sensorschicht 132 entlang der negativen Feldrichtung aus und wird somit parallel zur der der oberen Co-Schicht 225. Der Widerstand der MTJ-Vorrichtung wird dadurch verringert.
5C zeigt die Magnetoresistenz-Antwort einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung, die der Struktur, dessen Antworten in 5B zu sehen ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass hier die ferromagnetische Sensorschicht aus einem antiferromagnetisch gekoppelten 40 Å Ni₈₁Fe₁₉/7 Å Ru/30 Å Ni₈₁Fe₁₉-Sandwich besteht. Die Kurve der Magnetoresistenz-Antwort verläuft ähnlich wie jene aus 5B. Im Besonderen ist der Widerstand der MTJ bei kleinen positiven Feldern hoch. Die Form der Magnetoresistenz-Antwortkurve kann jedoch deutlich vom der aus 5B unterschieden werden. Im Besonderen ist die Kurve nicht mehr auf fast feldfrei zentriert, sondern zu leicht positiven Feldern hin verschoben. Eine derartige Verschiebung stimmt mit einer schwächeren antiferromagnetischen Kopplung zwischen der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht 132 und der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 überein, die mit einer verringerten magnetostatischen Kopplung zwischen diesen Schichten als Ergebnis der schwächeren magnetischen Moments der ferromagnetischen Sensorschicht übereinstimmt. Festzuhalten ist, dass die tatsächliche Dicke der ferromagnetischen Sensorschicht in 5C nur etwa 10 Å des Permalloys beträgt, was eine zehnfach geringere Dicke als die der ferromagnetischen Sensorschicht aus 5A und 5B ist, ohne dabei wesentliche Auswirkungen auf das Ausmaß der Magnetoresistenz in der MTJ-Vorrichtung zu haben. Da die magnetostatische Kopplung zwischen der feststehenden und der abfühlenden ferromagnetischen Schicht direkt proportional zu den magnetischen Momenten dieser Schichten ist, führt die Verwendung von antiparallelen Kopplungsschichten in der feststehenden und/oder der abfühlenden ferromagnetischen Schicht zu einer wesentlich geringeren magnetostatischen Kopplung zwischen diesen Schichten.
En weiterer Vorteil der antiparallel gekoppelten, ferromagnetischen Schicht 118 liegt im tatsächlichen Anstieg im Ausmaß des Austauschvormagnetisierungsfelds, das von der antiferromagnetischen Schicht 116 bereitgestellt wird. Dies ist in 6 und in den 7A–7B für eine einfachere Struktur mit nur einer antiparallel gekoppelten feststehenden ferromagnetischen Schicht veranschaulicht. 6 zeigt die Kurve der Magnetoresistenz in Abhängigkeit von der Feldstärke derselben Probe wie in 5A, diesmal jedoch über einem ausreichend großen Magnetfeldbereich, um die feststehende ferromagnetische Schicht vollständig anders auszurichten. Diese Daten entsprechen der Struktur, so wie ihre Schichten gebildet wurden, ohne jegliche darauf folgende Ausglüh-Behandlungen. Das Austauschvormagnetisierungsfeld der feststehenden ferromagnetischen Schicht beträgt in etwa 130 Oe mit beträchtlicher Koerzivfeldstärke (etwa 70 Oe). 7A zeigt die Kurve aus Magnetoresistenz über Feld einer MTJ mit einer antiferromagnetisch gekoppelten feststehenden ferrmagnetischen Vielfachschicht 118 mit einer Struktur der Form Si/200 Å Al/40 Å Ni₈₁Fe₁₉/100 Å Mn₄₆Fe₅₄/30 Å Co/7 Å Ru/25 Å Co/12 Å Al, 120 s lang oxidiert/100 Å Ni₄₀Fe₆₀/200 Å Al. Es wird ein sehr großes Magnetfeld, größer als etwa 6.000 Oe, benötigt, um die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht, die aus einer antiparallel gekoppelten Vielfachschicht aus 30 Å Co/7 Å Ru/25 Å Co, also ähnlich der Schicht jener Struktur, deren Antwort in den 5B und 5C gezeigt wird, besteht, zur Gänze neu auszurichten. Dieses Feld ist deutlich größer als das zur Neuausrichtung der feststehenden ferromagnetischen Schicht der Struktur aus 5A benötigte Feld. Dies ist ein wichtiger Vorteil, den die Verwendung der antiferromagnetisch gekoppelten Vielfachschicht 118 mit sich bringt. Das tatsächliche Austauschvormagnetisierungsfeld, das von der antiferromagnetischen Schicht 116 bereitgestellt wird, wird in etwa durch den Faktor {t₂₂₅ + t₂₀₀}/|t₂₂₅ – t₂₀₀| deutlich verstärkt, worin t₂₂₅ und t₂₀₀ für die Dicke der jeweiligen Schicht in der Vielfachschicht 118 stehen. Dies wird ebenfalls durch die Untersuchung der Antworte der MTJ-Vorrichtung aus 7A über einem eingeschränkteren Feldbereich deutlich, so wie in 7B gezeigt. 7B zeigt die Kurve aus Widerstand in Abhängigkeit von der Feldstärke derselben Vorrichtung wie in 7A über einem Bereich von +/–200 Oe. Die MTJ-Vorrichtung zeigt eine deutlich ausgeprägte Stufe im Widerstand ohne Anzeichen für eine Neuausrichtung der feststehenden ferromagnetischen Schicht. Der Zustand der magnetischen Momente der Schichten in der antiparallel gekoppelten feststehenden ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Sensorschichten sind in den 7A und 7B schematisch durch Pfeile dargestellt.
Ähnliche Verbesserungen in Bezug auf die Austauschvormagnetisierung der feststehenden ferromagnetischen Schicht durch Verwendung einer antiparallel gekop pelten feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht werden auch bei Strukturen erzielt, in denen die ferromagnetische Sensorschicht eine antiparallel gekoppelte Vielfachschicht ist.
In der vorliegenden Erfindung ist die antiparallel gekoppelte feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118 direkt auf die Oberfläche einer antiferromagnetischen Schicht 116 aufgebracht. Die Schicht 116 wächst selbst auf einer kristallographisch entsprechenden Matrizenschicht. Im Gegensatz dazu wächst die Schicht 245 (oder Unterschicht 245) auf der Tunnelbarriereschicht 120, die amorph ist und keine gut definierte kristallographische Struktur aufweist. Die kristalline Natur der Schicht 245 steht deshalb in keinem Zusammenhang mit der der Schichten im Inneren der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 auf der gegenüber liegenden Seite der Tunnelbarriereschicht 120. Ähnlich unterscheidet sich auch die Flachheit der Tunnelbarriereschicht 120, welche amorph ist und isolierend wirkt, sehr stark von der der dünnen Metallschichten, aus denen der Rest der MTJ-Vorrichtung besteht. Deshalb war es vor der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit des Wachsen-Lassens einer antiparallel gekoppelten ferromagnetischen Sensorvielfachschicht nicht offensichtlich, da dies das Wachstum einer äußerst dünnen und flachen antiferromagnetischen Kopplungsschicht 260 voraussetzt.
Es wird angenommen, dass das Wachstum einer antiparallel gekoppelten ferromagnetischen Vielfachschicht auf der Oberfläche der Tunnelbarriere 120 verstärkt wird, wenn die die Vielfachschicht bildenden Schichten relativ dick sind. Dies ist deshalb der Fall, weil aufgesputterte dünne Metallschichten typischerweise polykristallin sind, mit einer in etwa der Schichtdicke entsprechenden Kristallkorngröße. Die Verwendung einer antiferromagnetisch gekoppelten Schicht ermöglicht den Einsatz von Schichten in feststehenden und abfühlenden ferromagnetischen Vielfachschichten, die dicker als die sonstige Dicke von einzelnen ferromagnetischen feststehenden oder abfühlenden Schichten ohne antiferromagnetische Kopplungsschichten für dieselbe Anwendung sind. Die Verwendung von antiferromagnetische Kopplungsschichten lässt größere Flexibilität bei der Wahl der Schichtendicke in der Vielfachschicht und somit die zusätzliche Regelung der physikalischen Eigen schaften der Schicht zu. Im Besonderen ist es schwierig, eine umgekehrte Magnet-Tunnelbarrierestruktur wachsen zu lassen, bei der die ferromagnetische Sensorschicht zuerst aufgebracht und in Folge die austauschvormagnetisierte feststehende ferromagnetische Schicht auf der Oberfläche der Magnet-Tunnelbarriereschicht aufgebracht wird, ohne dabei relativ dicke feststehende ferromagnetische Schichten zu verwenden, die die Ausbildung einer geeigneten, passenden Schicht zulassen, auf der die Ausstauschvormagnetisierungsschicht aufgebracht werden kann. Mit dünnen feststehenden ferromagnetischen Schichten, wie beispielsweise ein 50-Å-Permalloy, wird nur eine sehr geringe Austauschvormagnetisierung mit beispielsweise MnFe-Schichten erzielt. Antiferromagnetische Kopplungsschichten erlauben jedoch die Verwendung von sehr viel dickeren Schichten in der Vielfachschicht, die als Matrizenschichten geeignet und passend sind und die zulassen, dass sich vernünftige Werte des Austauschvormagnetisierungsfelds ergeben. Aus diesem Grund kann, obwohl bei der beschriebenen und in 4B dargestellten MTJ-Vorrichtung die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht 118 an der Unterseite der MTJ-Vorrichtung angeordnet ist, die Vorrichtung auch gebildet werden, indem zuerst die ferromagnetische Sensorschicht 132, gefolgt von der Tunnelbarriereschicht 120, der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht 118 und der antiferromagnetischen Austauschvormagnetisierungsschicht 116 aufgebracht wird. Eine derartige MTJ-Vorrichtung weist im Wesentlichen die umgekehrten Schichten der in 4B abgebildeten MTJ-Vorrichtung auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Besonderen unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, so versteht es sich für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung, dass verschiedene Änderungen in Bezug auf Form und Details vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung Folgendes umfassend: eine feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118), deren magnetisches Moment bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds in eine bevorzugte Richtung festgelegt ist, wobei die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118) eine erste (225) und eine zweite (200) ferromagnetische Schicht umfasst, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und wobei eine antiferromagnetische Kopplungsschicht (210) zwischen und in Kontakt mit der ersten (225) und der zweiten (200) ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; eine freie ferromagnetische Vielfachschicht (132), deren magnetisches Moment sich bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds frei drehen kann, wobei die freie ferromagnetische Vielfachschicht (132) eine erste (245) und eine zweite (270) ferromagnetische Schicht umfasst, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und wobei eine antiferromagnetische Kopplungsschicht (260) zwischen und in Kontakt mit der ersten (245) und der zweiten (270) ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine Tunnelisolierschicht (120), die zwischen und in Kontakt mit der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) und der freien ferromagnetischen Vielfachschicht (132) angeordnet ist, um einen Tunnelstrom zwischen der feststehenden (118) und der freien (132) ferromagnetischen Vielfachschicht zuzulassen.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach Anspruch 1, worin die magnetischen Momente der feststehenden (118) und der freien (132) ferromagnetischen Vielfachschicht unter Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds im Wesentlichen parallel oder antiparallel zu einander sind.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach Anspruch 1, worin das magbetische Moment der freien ferromagnetischen Vielfachschicht unter Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds im Wesentlichen senkrecht zum magnetischen Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht ist.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung weiters eine antiferromagnetische Schicht (116) umfasst, die mit der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) in Kontakt ist, um das magnetische Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) durch Grenzflächen-Austauschkopplung in der bevorzugten Richtung zu fixieren.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiters umfassend ein Substrat (G1), worin die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118), die Tunnelisolierschicht (120) und die freie ferromagnetische Vielfachschicht (132) auf dem Substrat (G1) ausgebildet sind, wodurch ein Tunnelstrom in einer im Allgemeinen zu den feststehenden (118) und freien (132) ferromagnetischen Vielfachschichten senkrechten Richtung durch die Tunnelisolierschicht fließt, wenn die feststehende (118) und die freie (132) ferromagnetische Vielfachschicht an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen sind.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erste (225, 245) und zweite (200, 270) ferromagnetische Schicht in jeder der Vielfachschichten aus Co oder einer Ni-Fe-Legierung ausgebildet sind und die antiferromagnetische Kopplungsschicht (210, 260) in jeder der Vielfachschichten (118, 132) aus Ru besteht.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erste ferromagnetische Schicht (225, 245) in jeder der Vielfachschichten (118, 132) aus ersten (230, 240) und zweiten (220, 250) ferromagnetischen Unterschichten ausgebildet ist, wobei die erste Unterschicht (230, 240) in Kontakt mit der Tunnelisolierschicht (120) ist und aus einem Material ausgewählt aus Co, C_(100–x)Fe_(x) (wobei x im Bereich von 20 bis 70 liegt) und Ni_(100–x)Fe_(x) (wobei x etwa 60 ist) bestehenden Gruppe ausgebildet ist.
Magnet-Tunnelbarrierevorrichtungs-Lesesensor zum Detektieren externer Magnetfelder aus magnetisch aufgezeichneten Daten, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118), deren magnetisches Moment bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds in der Größenordnung des externen abzufühlenden Magnetfelds in einer bevorzugten Richtung fixiert ist, wobei die feststehende Vielfachschicht (118) die antiferromagnetisch aneinander gekoppelten ersten (225) und zweiten (200) ferromagnetischen Schichten sowie eine zwischen diesen angeordnete antiferromagnetische Kopplungsschicht umfasst, die in Kontakt mit der ersten (225) und der zweiten (200) ferromagnetischen Schicht ist, um die erste (225) und die zweite (200) ferromagnetische Schicht antiferromagnetisch miteinander zu koppeln, so dass ihre magnetischen Momente antiparallel zueinander ausgerichtet sind und bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds antiparallel bleiben; eine ferromagnetische Sensorvielfachschicht (132), deren magnetisches Moment im Allgemeinen senkrecht zum Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) ausgerichtet ist, wenn kein angelegtes Magnetfeld vorhanden ist, und sich bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds in der Größenordnung des externen abzufühlenden Magnetfelds frei aus der senkrechten Ausrichtung weg drehen kann, wobei die ferromagnetische Sensorvielfachschicht (132) antiferromagnetisch aneinander gekoppelte erste (245) und zweite (270) ferromagnetische Schichten sowie eine zwischen diesen angeordnete antiferromagnetische Kopplungsschicht (260) umfasst, die in Kontakt mit der ersten (245) und der zweiten (270) ferromagnetischen Schicht ist, um die erste (245) und die zweite (270) ferromagnetische Schicht antiferromagnetisch aneinander zu koppeln, so dass ihre Magnetmomente antiparallel zueinander ausgerichtet sind und bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds antiparallel bleiben; eine Tunnelisolierbarriereschicht (120), die zwischen der ersten Schicht (225) der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) und der ersten Schicht (245) der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) und in Kontakt mit diesen angeordnet ist, um einen Tunnelstrom in eine im Allgemeinen zur feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) und der ferromagnetischen Sensorschicht (132) senkrechten Richtung zuzulassen; ein Substrat (G1), worin die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118), die Tunnelbarriereschicht (120) und die ferromagnetische Sensorvielfachschicht (132) auf dem Substrat (G1) ausgebildet sind; wodurch, wenn die feststehende ferromagnetische Vielfachschicht (118) und die ferromagnetische Sensorvielfachschicht (132) dem externen abzufühlenden Magnetfeld ausgesetzt sind, das magnetische Moment der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) seine Ausrichtung relativ zum magnetischen Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) verändert wird und der elektrische Widerstand gegen den Stromfluss durch die Tunnelisolierbarriereschicht (120) in einer im Allgemeinen zur feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) und der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) senkrechten Richtung verändert wird, um dadurch das Detektieren des externen Magnetfelds zu ermöglichen.
Magnettunnelbarrierelesesensor nach Anspruch 8, der weiters eine antiferromagnetische Schicht (116) umfasst, die in Kontakt mit der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) ist, um das magnetische Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) durch Grenzflächen-Austauschkopplung in der bevorzugten Richtung zu fixieren.
Magnettunnelbarrierelesesensor nach Anspruch 8 oder 9 worin die erste (225, 245) und zweite (200, 270) ferromagnetische Schicht in jeder der feststehenden (118) und abfühlenden (132) ferromagnetischen Vielfachschicht aus Co oder einer Ni-Fe-Legierung ausgebildet sind und die antiferromagnetische Kopplungsschicht in jeder der Vielfachschichten aus Ru besteht.
Magnettunnelbarrierelesesensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, worin die erste ferromagnetische Schicht (225, 245) in jeder der feststehenden (118) und abfühlenden (132) Vielfachschichten aus ersten (230, 240) und zweiten (220, 250) ferromagnetischen Unterschichten ausgebildet ist, wobei die erste Unterschicht (230, 240) in jeder der Vielfachschichten in Kontakt mit der Tunnelisolierbarriereschicht (120) ist und aus einem Material ausgewählt aus der aus Co, Co_(100–x)Fe_(x) (wobei x im Bereich von 20 bis 70 liegt) und Ni_(100–x)Fe_(x) (wobei x etwa 60 ist) bestehenden Gruppe ausgebildet ist.
Magnettunnelbarrierelesesensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiters umfassend eine ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht (150), um das magnetische Moment der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) unter Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds in eine im Allgemeinen zum magnetischen Moment der feststehenden ferromagnetischen Vielfachschicht (118) senkrechten Richtung in Längsrichtung vorzumagnetisieren, und eine elektrische Isolierschicht (160), die zwischen der ferromagnetischen Vormagnetisierungsschicht (150) und der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) angeordnet ist, um die ferromagnetische Vormagnetisierungsschicht (150) von der ferromagnetischen Sensorvielfachschicht (132) elektrisch zu isolieren.