DE60208224T2

DE60208224T2 - Magnetoresistive hochleistungs-spinventilanordnung

Info

Publication number: DE60208224T2
Application number: DE60208224T
Authority: DE
Inventors: Bernard Dieny; Bernard Rodmacq; Franck Ernult
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: JP2005505932A; US20090290266A1; US20040246631A1; FR2830971B1; WO2003032338A1; US7830640B2; EP1435101A1; ATE313848T1; EP1435101B1; US7453672B2; DE60208224D1; FR2830971A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetoresistive Spinventilvorrichtung bzw. – anordnung. Diese Anordnung kann auf dem Gebiet der ultradichten magnetischen Aufzeichnung verwendet werden, als empfindliches Element in den magnetoresistiven Leseköpfen von Magnetbändern oder von Computerfestplatten. Diese Anordnung kann auch zur Realisierung von Speicherpunkten und Speichern des Typs MRAM (für "Magnetic Random Access Memory" oder Magnetischer Arbeitsspeicher) angewandt werden.
STAND DER TECHNIK
Auf dem Gebiet der magnetischen Leseköpfe sowie dem der magnetischen Arbeitsspeicher verwendet man seit kurzem magnetoresistive Spinventilanordnungen, deren Spinventil gebildet wird durch einen Schichtenstapel mit einer sandwichartig zwischen zwei magnetischen Schichten enthaltenen Trennschicht. Die relative Orientierung der Magnetisierungsrichtungen dieser Schichten kann unter dem Einfluss eines Magnetfelds variieren. In bestimmten Anordnungen haben die beiden magnetischen Schichten eine freie Magnetisierungsrichtung. Man benutzt dann die beiden extremen Positionen bzw. Konstellationen, wo die beiden Magnetisierungsrichtungen entweder parallel oder antiparallel sind, aber auch alle Zwischenpositionen. Bei anderen Anordnungen ist die Magnetisierungsrichtung bei einer der magnetischen Schichten frei und bei der anderen nicht frei. Die Richtung ihrer Magnetisierung wird durch eine antiferromagnetische Austauschschicht festgelegt. Das amerikanische Patent US 5 898 548 zeigt eine solche Konfiguration, wobei die Trennschicht eine dünne nichtleitende Barriere ist, die einen Tunnelübergang bildet.
Dem Spinventil werden Einrichtungen hinzugefügt, die ermöglichen, einen Strom senkrecht zu der Ebene der Schichten fließen zu lassen. Sie haben die Form von Elektroden an der Ober- und Unterseite des Spinventils.
Es gibt auch Anordnungen, bei denen der Strom senkrecht zu der Ebene der Schichten fließt und deren Spinventil vollständig metallisch ist, mit einer durchgehenden Metallschicht 10, sandwichartig zwischen zwei magnetischen Schichten 20, 30 angeordnet, wie in dem amerikanischen Patent US 5 688 688 . Eine solche Vorrichtung ist in der 1 dargestellt. Die magnetische freie Schicht 30 und die magnetisch festgelegte Schicht 20 werden durch eine durchgehende Trennschicht 10 getrennt, die elektrisch leitfähig ist und nichtmagnetisch, um die beiden magnetischen Schichten 20, 30 zu entkoppeln. Beiderseits der magnetischen Schichten 20, 30 sind Stromzuführungselektroden 60a, 60b dargestellt.
In diesem Beispiel ist die magnetisch festgelegte Schicht 20 mit einer antiferromagnetischen Schicht 21 verbunden, die dazu beiträgt, ihre Magnetisierung aufrechtzuerhalten. Sie befindet sich zwischen der magnetisch festgelegten Schicht 20 und der zugeordneten Elektrode 60a. Die magnetisch freie Schicht 30 ist einer Pufferschicht 31 zugeordnet (bekannt unter der englischen Bezeichnung "buffer layer"), die dazu beiträgt, das Wachstum aller das Spinventil bildenden Schichten zu fördern.
Diese letzteren Anordnungen werden oft GMR-Anordnungen (für Giant MagntoResistance) oder Riesenmagnetowiderstandsanordnungen genannt.
Diese Spinventil-Magnetowiderstandsanordnungen mit Tunnelübergang oder mit vollständig metallischem Spinventil mit Stromfluss senkrecht zu der Ebene der Schichten ermöglicht, die räumliche Auflösung des Magnetkopfs längs der Spuren zu verbessern.
Aber hinsichtlich der Empfindlichkeit sind diese Anordnungen nicht ganz zufriedenstellend.
Die Tunnelübergangsanordnungen haben nämlich ein zu hohes Widerstandsniveau, das ein starkes Schrotrauschen verursacht. Um dieses Schrotrauschen auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, muss das Produkt aus R. A unter 5 Ω.μm² reduziert werden, wobei dieses Produkt R. A das Produkt aus dem Widerstand R des Übergangs mal seiner Fläche A ist.
Der Widerstand des Spinventils variiert exponentiell mit der Dicke der nichtleitenden Barriere. Um ein Spinventil zu erhalten, das ein Produkt R. A hat, das 10 Ω.μm² erreicht, darf die Dicke seiner Barriere nur 0,5 nm betragen, was sehr wenig ist. Zudem nimmt die Amplitude des Magnetowiderstands solcher Anordnungen mit nichtleitender Barriere ab, wenn man versucht, das Produkt R. A unter ungefähr 10 Ω.μm² zu reduzieren. Dies ist folglich nicht wünschenswert.
In Bezug auf die vollständig metallischen magnetoresistiven Spinventilanordnungen ist festzustellen, dass sie ein Produkt R. A bieten, das mit ungefähr 1 bis 5 Ω.μm² sehr klein ist. Die Flächen solcher Spinventile betragen einige Tausendstel bis einige Hundertstel Quadratmikrometer bei zu lesenden Informationsdichten von ungefähr 150 bis 300 Gbit/Inch², was zu Widerständen in der Größenordnung von einigen Zehntel Ohm führt. Diese Werte sind zu niedrig in Bezug auf die Widerstände der Kontakte mit den Stromzuführungselektroden, auf die Widerstände der Elektroden selbst. Die Widerstände der Elektroden und der Kontakte sind mit dem des Spinventils in Reihe geschaltet, was den Effekt hat, das Signal, das man zu detektieren sucht, zu verdünnen bzw. schwächer zu machen.
Bei den Arbeitsspeichern hat der hohe Widerstand des Tunnelübergangs den Nachteil, zu einer hohen Zeitkonstante des Speichers zu führen, was seine Betriebsfrequenz begrenzt.
Das Dokument EP-A-0 780 912 (dem besten Stand der Technik) beschreibt eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine magnetoresistive Spinventilanordnung zu realisieren, die nicht die oben erwähnten Nachteile aufweist. Noch genauer versucht sie, eine magnetoresistive Spinventilanordnung zu realisieren, die eine hohe Magnetowiderstandsamplitude besitzt und dabei in Bezug auf den Stand der Technik ein mittleres Produkt aus R. A.
Um das zu erreichen, umfasst die magnetoresistive Anordnung ein Spinventil, das durch einen Stapel von Schichten gebildet wird, unter denen sich wenigstens zwei Schichten befinden, bei denen die relative Orientierung ihrer Magnetisierungsrichtungen unter dem Einfluss eines Magnetfelds variieren kann, und Einrichtungen, die ermöglichen, in dem Spinventil einen Strom fließen zu lassen, quer bzw. senkrecht zur Ebene der Schichten. Das Spinventil umfasst in einer der magnetischen Schichten wenigstens eine Nichtleiter- oder Halbleiterschicht, unterbrochen von elektrisch leitfähigen Brücken, welche die Dicke der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht durchqueren, wobei diese Brücken dazu bestimmt sind, den Strom, der quer bzw. senkrecht durch diesen Stapel fließt, lokal zu konzentrieren.
Bei dieser Version können die Brücken in dem magnetischen Material der Schicht realisiert werden, welche die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht erhält.
Eine durchgehende nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Trennschicht kann eingefügt werden zwischen der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken und wenigstens einer der magnetischen Schichten. Sie gewährleistet eine magnetische Entkopplung der beiden magnetischen Schichten.
Die elektrisch leitfähigen Brücken können aus einem nichtmagnetischen Material sein, ausgewählt zwischen den Edelmetallen wie Gold, Silber, Kupfer oder ihren Legierungen.
Bei einer Variante können sie aus einem magnetischen Material wie Kobalt, Eisen, Nickel oder ihren Legierungen sein.
Das nichtleitende oder halbleitende Material der unterbrochenen Schicht kann magnetisch oder nichtmagnetisch sein. Es ist kein Tunnelübergang. Seine Rolle besteht darin, den in dem Stapel fließenden Strom umzuleiten, damit er sich in den Brücken konzentriert.
Die eine der magnetischen Schichten kann eine festgelegte Magnetisierungsrichtung haben durch die Verbindung mit einer antiferromagnetischen Schicht jenseits der magnetischen Schicht mit fester Magnetisierungsrichtung in Bezug auf die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken.
Wenigstens eine der magnetischen Schichten kann durch einen Stapel aus Zwischenschichten gebildet werden.
Insbesondere die magnetische Schicht mit fester Magnetisierungsrichtung kann durch eine nichtmagnetische elektrisch leitfähige Schicht gebildet werden, umgeben von zwei magnetischen Zwischenschichten.
Die unterbrochene Nichtleiter- oder Halbleiterschicht kann auf Oxid-, Nitrid-, Halbleiterbasis realisiert werden.
Die Einrichtungen, die ermöglichen, einen elektrischen Strom fließen zu lassen, können zwei Elektroden umfassen, die zwischen sich sandwichartig das Spinventil enthalten. Zwischen einer der Elektroden und dem Spinventil kann wenigstens eine Pufferschicht vorgesehen werden.
Das Spinventil kann einfach oder dual sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Lesemagnetkopf, der eine so definierte bzw. wie oben definierte magnetoresistive Anordnung umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Speicher mit einer Speicherpunkte-Matrix, wobei jeder der Speicherpunkte eine so bzw. wie oben definierte magnetoresistive Anordnung umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Realisierungsverfahren einer magnetoresistiven Spinventilanordnung. Es umfasst die folgenden Schritte:
Herstellung – zur Realisierung des Spinventils – eines Schichtenstapel mit wenigstens zwei magnetischen Schichten, deren ihre Magnetisierungsrichtungen betreffende Ausrichtung unter dem Einfluss eines Magnetfelds variieren kann,
Herstellung von Einrichtungen, die ermöglichen, in dem Spinventil einen Strom quer bzw. senkrecht zu der Ebene der Schichten fließen zu lassen,
Herstellung – in einer der magnetischen Schichten – von wenigstens einer Nichtleiter- oder Halbleiterschicht, unterbrochen durch die Dicke der Schicht durchquerende elektrisch leitfähige Brücken, wobei diese Brücken dazu dienen, den quer bzw. senkrecht durch den Stapel fließenden Strom zu konzentrieren.
Die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken kann durch Abscheidung einer dünnen Schicht aus nichtleitendem oder halbleitendem Material mit eingeschlossenen metallischen Teilchen realisiert wird, wobei diese metallischen Teilchen sich gruppieren bzw. umgruppieren, um die Brücken zu bilden.
Bei einer Variante kann die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken realisiert werden, indem eine elektrisch leitfähige Schicht, die sich in dem Stapel befindet, um ihn nichtleitend oder halbleitend zu machen, lokal behandelt wird. Diese Behandlung kann während der Abscheidung oder am Ende der Abscheidung der elektrisch leitfähigen Schicht stattfinden.
Bei einer anderen Variante kann die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken realisiert werden, indem man eine Isolierschicht mit Unterbrechungen zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten des Stapels einfügt und indem man das elektrisch leitfähige Material durch die Unterbrechungen der Isolierschicht diffundieren lässt. Diese Unterbrechungen in der Isolierschicht können natürlich sein oder künstlich erzeugt werden.
Bei einer weiteren Variante realisiert man die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken, indem man ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Netzungsfähigkeit verwendet, um bei seiner Abscheidung eine Vielzahl von Tropfen zu erhalten, indem man darauf ein mit den Tropfen nicht vermischbares elektrisch leitfähiges Material abscheidet, um die Räume zwischen den Tropfen zu füllen, und indem man eine Behandlung des elektrisch leitfähigen Materials durchführt, das sich zwischen den Tropfen befindet, um es nichtleitend oder halbleitend zu machen.
Die Dicke des elektrisch leitfähigen Materials ist etwas kleiner als die der Tropfen.
Das elektrisch leitfähiges Material, das zur Bildung der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht dient, kann auf einer der Schichten des Stapels abgeschieden werden, ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Netzungsfähigkeit – was zur Bildung einer Vielzahl von Tropfen führt -, kann darauf abgeschieden werden und es kann eine Behandlung durchgeführt werden, um das zwischen den Tropfen befindliche elektrisch leitfähige Material nichtleitend oder halbleitend zu machen.
Ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Netzungsfähigkeit und ein elektrisch leitfähiges Material können gleichzeitig auf einer Schicht des Stapels abgeschieden werden, wobei diese Materialien, die nicht vermischbar sind, behandelt werden, um das elektrisch leitfähige Material nichtleitend oder halbleitend zu machen.
Ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Netzungsfähigkeit – was zu einer Vielzahl von Tropfen führt -, kann auf einer der Schichten des Stapels abgeschieden werden, wobei diese Schicht des Stapels behandelt wird, um sie an der Oberfläche nichtleitend oder halbleitend zu machen und ihre Kooperation mit den Tropfen zu gewährleisten.
Die Behandlung kann eine Oxidierung oder eine Nitrierung sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der Beschreibung von nur der Erläuterung dienenden und keinesfalls einschränkenden Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen.
Die 1 (schon beschrieben) stellt einen Schnitt einer magnetoresistiven Anordnung nach dem Stand der Technik dar;
die 2 stellt einen Schnitt einer magnetoresistiven Einfachspinventilanordnung dar;
die 3 zeigt einen Teil der magnetoresistiven Anordnung der 2 hinsichtlich der Erläuterung ihrer Funktionsweise;
die 4 zeigt ein anderes Beispiel einer magnetoresistiven Anordnung im Schnitt;
die 5A, 5B, 5C zeigen weitere Beispiele von magnetoresistiven Anordnungen, wobei die der 5B erfindungsgemäß ist;
die 6 bis 8 zeigen mehrere Varianten von magnetoresistiven Dualspinventilanordnungen, wobei die der 8 erfindungsgemäß ist;
die 9 zeigt einen Lesemagnetkopf mit einer magnetoresistiven Anordnung;
die 10 zeigt einen Speicher, bei dem jeder Speicherpunkt eine erfindungsgemäße magnetoresistive Anordnung umfasst;
die 11A bis 11C zeigen Realisierungen von unterbrochenen nichtleitenden Schichten mit elektrisch leitfähigen Brücken, die sie durchqueren.
In diesen Figuren sind die diversen Elemente aus Gründen der Klarheit nicht in demselben Maßstab dargestellt.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG VON REALISIERUNGSARTEN
Die 2 zeigt ein Beispiel einer magnetoresistiven Spinventilanordnung nach der Erfindung in einer Basiskonfiguration. Wie man weiter oben gesehen hat, umfasst ein Senkrechtstrom-Spinventil wenigstens zwei magnetische Schichten, bei denen die relative Orientierung ihrer Magnetisierungsrichtungen sich unter der Wirkung eines Magnetfelds verändern kann. Wenigstens eine der magnetischen Schichten hat eine freie Magnetisierungsrichtung. Um die Schemata und Beschreibungen zu vereinfachen, betreffen die in der Folge dargestellten Beispiele eine Struktur, bei eine magnetische Schicht eine freie Magnetisierungsrichtung hat und die andere eine festgelegte. Beide magnetischen Schichten könnten freie Magnetisierungsrichtungen haben und die Anpassung einer der Strukturen an die andere realisiert sich leicht.
Die Anordnung der 2 umfasst ein Spinventil 1, gebildet durch einen Schichtenstapel mit magnetischen Schichten 2 und 3, von denen wenigstens die Schicht 2 magnetisch festgelegt ist und die Schicht 3 magnetisch frei ist, sowie im Innern des Stapels 1 wenigstens einer Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4, durchquert von elektrisch leitfähigen Brücken 5, die quergerichtet sind zu der Ebene der magnetischen Schichten 2, 3. Vorzugsweise befindet sich die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4, die wegen des Vorhandenseins der Brücken 5 unterbrochen ist, zwischen den beiden magnetischen Schichten 2 und 3.
Die Magnetisierung der magnetisch festgelegten Schicht 2 hat nur eine Richtung (nur ein Pfeil). Die Magnetisierung der magnetisch freien Schicht 3 (zwei entgegengesetzte Pfeile) kann sich frei orientieren in einem Magnetfeld, in das sie eingetaucht wird und das man bei der Lesemagnetkopf-Anwendung detektieren will. Die relative Änderung der Orientierung der Magnetisierungsrichtung der beiden Schichten 2, 3 führt zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands des Spinventils. Die magnetoresistive Anordnung umfasst zudem Einrichtungen 6a, 6b, die ermöglichen, in dem Spinventil einen Strom fließen zu lassen, durch den Stapel 1 hindurch, wobei diese Einrichtungen zwei Elektroden 6a, 6b umfassen, die das Spinventil 1 begrenzen. Die Elektroden 6a, 6b dienen auch zum Abgreifen der Spannung für eine Messung der Widerstandsveränderung. Die magnetischen Schichten 2 und 3 sind folglich elektrisch leitfähig.
Die in der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 enthaltenen leitfähigen Brücken 5 haben die Funktion, den in dem Stapel 1 fließenden Strom zu konzentrieren. Sie verbinden die beiden magnetischen Schichten 2 und 3 elektrisch. Sie halten während der Dauer der Durchquerung den Spin der Elektronen aufrecht. Die Spindiffusionslänge ist größer als der die beiden Schichten trennende Abstand.
Die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 hat hauptsächlich die Aufgabe, eine zwischen den beiden elektrisch leitfähigen magnetischen Schichten 2 und 3 lokalisierte elektrische Isolation zu gewährleisten. Sie kann auch die Aufgabe einer magnetischen Isolation zwischen den beiden magnetischen Schichten 2 und 3 haben und ist in diesem Fall nichtmagnetisch. Ihre Dicke kann ungefähr 0,2 bis 5 nm betragen.
Das Prinzip, einen hohen Widerstandswert zu erzielen und dabei eine in Bezug auf die Anordnungen nach dem Stand der Technik große Magnetowiderstandsamplitude beizubehalten, ist in der 3 dargestellt, die ein besonderes Detail des Spinventils der in der 2 dargestellten Anordnung zeigt.
In der 4, auf die ebenfalls Bezug genommen wird, ist ein Beispiel einer Anordnung dargestellt, die zu einem Vergleich mit der 1 dient. Wie in der 1 wurden in der 4 eine Pufferschicht 7 und eine antiferromagnetische Schicht 8 hinzugefügt. Die Pufferschicht 7 kann zum Beispiel aus Tantal sein oder aus NiFeCr. Die antiferromagnetische Schicht kann auf Manganbasis realisiert werden, zum Beispiel aus PtMn, PdPtMn, PtMnCr, IrMn, FeMn, NiMn, RuRhMn.
Der senkrecht zu den magnetischen Schichten 2 und 3 fließende Strom konzentriert sich in den elektrisch leitfähigen Brücken 5. Diese Brücken 5, deren Größe klein ist, können mit Potentialtöpfen (puits) und punktförmigen Stromquellen verglichen werden. Diese Brücken 5 können einige nm Durchmesser haben, wenn das Spinventil eine Fläche von einigen Hundertstel μm² hat. Die Stromlinien, die in den magnetischen Schichten 2 und 3 entstehen und die Brücken 5 durchqueren, sind mit durchgehenden Strichen dargestellt.
In den magnetischen Schichten 2 und 3 haben die isopotentiellen Linien, dargestellt durch punktierte Linien, die Form von konzentrischen Halbsphären, deren Äquator sich in Höhe der von den leitfähigen Brücken 5 durchquerten Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 befindet.
Wenn in dem Spinventil der Strom 1 fließt, beträgt die Stromdichte in einem Abstand r eines ersten Endes 5-1 einer der Brücken 5: J = l/2π·r2
Und das lokale elektrische Feld beträgt: E = ρF·J
E = ρ_F·l/2π·r² mit ρ_F Resistivität des magnetischen Materials der magnetischen Schicht 2 herrscht am ersten Ende 5-1 der Brücke 5.
Die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ende 5-1 der Brücke 5 und einem von diesem ersten Ende sehr entfernten Teil, zum Beispiel der Elektrode 6a, die sich jenseits der magnetischen Schicht 2 befindet, die an das erste Ende 5-1 der Brücke 5 angrenzt, beträgt:
V_∞ – V_5-1 = ρ_F·l/2π·R mit R als Radius der Brücke 5, die in dem Beispiel als zylindrisch angenommen wird.
Im Innern der Brücke 5 sind die Stromlinien parallel zur Achse des Zylinders. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden 5-1, 5-2 der Brücke 5 erhält man durch:
V_5-1 – V_5-2 = ρ_P·h·l/π·R² mit ρ_P als Resitivität der Brücke 5 und h als Höhe der Brücke 5.
Auf gleiche Weise erhält man die Potentialdifferenz zwischen dem zweiten Ende 5-2 der Brücke 5 und einem von diesem zweiten Ende sehr entfernten Teil, zum Beispiel der Elektrode 6b, die sich jenseits der magnetischen Schicht 3 befindet, die an das zweite Ende 5-2 der Brücke 5 angrenzt:
V_5-1 – V_–∞ = ρ_F'·l/2π·R mit ρ_F' als Resistivität des magnetischen Materials der an das zweite Ende 5-2 der Brücke 5 angrenzenden magnetischen Schicht 3.
Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 6a und 6b, die das Spinventil begrenzen, erhält man durch: V∞ – V–∞ = (ρF·l/2π·R) + (ρP·h·l/2π·R2) + (ρF'·l/2π·R).
Den Widerstand zwischen den beiden Elektroden 6a und 6b erhält man durch: RCPP = (V∞ – V–∞)/l RCPP = (ρF/2π·R) + (ρP·h/π·R2) + (ρF'/2π·R).
Zum Vergleich erhält man bei einem klassischen, vollständig metallischen Spinventil wie dem der 1, bei dem die die magnetischen Schichten trennende Schicht eine nichtmagnetische elektrisch leitfähige Schicht mit derselben Resistivität (ρ_P) wie der des Materials der Brücken ist, den Widerstand durch: RCPP' = (ρF·e/π·L2) + (ρP·l/π·L2) + (ρF'·e'/2π·L2)wo e und e' Dicken der magnetischen Schichten 20 und 30 darstellen, 1 die Dicke der Trennschicht 10 ist und L der Radius des Spinventils, das als zylindrisch angenommen wird.
Die Zunahme des Widerstands, verbunden mit dem Ersetzen der Trennschicht 10 durch die von den elektrisch leitfähigen Brücken 5 unterbrochene Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 liegt in der Größenordnung: RCPP/RCPP' ≈ L2/e·Rwobei angenommen wird, dass e, l und e' im Wesentlichen gleich groß sind.
Für eine Dicke e der magnetischen Schicht von ungefähr 10 nm, einen Radius L des Spinventils von ungefähr 100 nm und einen Radius R der Brücke 5 von ungefähr 2 nm kann man eine Zunahme des Widerstands in der Größenordung von 500 erzielen, was dem Produkt R. A ermöglicht, Größenordnungen von ungefähr 1 Ω.μm² zu erreichen, was sehr zufriedenstellend ist.
Der Widerstand der Brücke 5 beträgt mit den oben genannten Dimensionen ungefähr 30 Ω.
Die Amplitude des Magnetowiderstands ist in dem Beispiel der 4 höher als in dem Beispiel der 1. Die Stromdichte und folglich Spannungsveränderung ist nämlich maximal bei der Trennung zwischen den magnetischen Schichten, in Höhe der elektrisch leitfähigen Brücken 5, wobei aber in dieser Umgebung der Magnetowiderstand entsteht. Wenn der Stapel zudem weitere Schichten umfasst, zum Beispiel die Pufferschicht 7 und die antiferromagnetische Schicht 8, reduziert das Hinzufügen dieser Schichten die Wirkung des Magnetowiderstands nur sehr wenig, denn die Spannung an den Anschlüssen dieser Schichten ist niedrig: sie werden von einer niedrigen Stromdichte durchquert. Hingegen bleiben in dem Beispiel der 1 die Stromlinien immer senkrecht zu den Grenzflächen und der Magnetowiderstand wird durch das Hinzufügen dieser zusätzlichen Schichten stark reduziert. Der Widerstand dieser Schichten kommt zum Widerstand der magnetischen Schichten hinzu, was die Wirkung hat, dass der Magnetowiderstand verdünnt bzw. geschwächt und seine Amplitude reduziert wird. Eine Schätzung der effektiven Verstärkung des aus der Eliminierung dieser Schwächung resultierenden Magnetowiderstands durch die Einschnürung der Stromlinien dank des Vorhandenseins der elektrisch leitfähigen Brücken ist in folgenden Tabellen dargestellt:
BEISPIEL DER FIGUR 1
BEISPIEL DER FIGUR 4
Diese Verstärkung kann wenigstens 10 erreichen. Die erhaltenen Widerstände können angepasst werden, indem die Größe und die Dichte der elektrisch leitfähigen Brücken variiert wird, und sie können zum Beispiel in dem Bereich 0,1 Ω.μm² bis 1 Ω.μm² liegen.
Die Brücken 5 können aus einem nichtmagnetischen Material realisiert werden. Man kann ein Edelmetall verwenden, ausgewählt aus der Gruppe, die Gold, Silber, Kupfer oder ihre Legierungen umfasst.
In dem Beispiel der 4 ist die unterbrochene Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 nichtmagnetisch.
Die Schicht 4 kann auf Oxidbasis realisiert werden, zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Zirkon, Strontiumtitanat (SrTiO₃), Magnesiumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Eisenoxid (Fe₂O₃) und/oder einem Nitrid, etwa dem Aluminiumnitrid, oder einem Halbleitermaterial, etwa dem Germanium, dem Silicium, dem Galliumarsenid. Die Oxide und die Nitride besitzen bessere magnetoresistive Eigenschaften als die Halbleitermaterialien.
Bei einer Variante können die Brücken 5 aus einem elektrisch leitfähigen magnetischen Material sein, zum Beispiel aus Kobalt. Dieses Material kann sich von dem der magnetischen Schichten 2 und 3 unterscheiden. Der Unterschied in Bezug auf die vorhergehende Situation, in der die Brücken aus einem nichtmagnetischen Material sind, besteht darin, dass zwischen den beiden magnetischen Schichten 2 und 3 eine magnetische Kopplung besteht. Wenn die Magnetisierungen der beiden Schichten 2 und 3 antiparallel sind, bildet sich im Innern der magnetischen Brücken 5 eine zur Ebene der Schichten parallele Wand und trennt Zonen mit entgegengesetzter Magnetisierung.
Es ist möglich, zwischen der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit ihren elektrisch leitfähigen Brücken 5 und den magnetischen Schichten 2 und 3 wenigstens eine elektrisch leitfähige, nichtmagnetische durchgehende Trennschicht 9-1, 9-2 einzufügen, um eine magnetische Entkopplung zu bewirken. In der 5A, die diese Konfiguration darstellt, bilden die beiden elektrisch leitfähigen Trennschichten 9-1 und 9-2 zusammen mit einer Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit den elektrisch leitfähigen Brücken 5 einen Sandwich.
Das Nichtleiter- oder Halbleitermaterial der unterbrochenen Schicht 4 kann magnetisch sein, zum Beispiel aus Kobaltoxid oder Eisenkobaltoxid oder aus ferromagnetischem Spinell Fe₃O₄. Er kann auch nichtmagnetisch sein, zum Beispiel aus Al₂O₃, SiO₂, HfO₂, Ta₂O₅.
Man hätte bei der Struktur der 5A vorsehen können, dass das elektrisch leitfähige Material der Brücken 5 das der Trennschichten 9-1, 9-2 ist, das durch Unterbrechungen der Schicht 4 aus nichtleitendem Material hätte diffundieren können.
Es ist auch möglich, dass das Material der Brücken 5 das von einer der magnetischen Schichten 2 oder 3 ist. Dieser spezielle Fall ist in der 5B dargestellt. Man kann dann die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit ihren leitfähigen Brücken im Innern einer der magnetischen Schichten vorsehen. In der 5B befindet sie sich nur etwas im Innern der magnetisch freien Schicht 3, auf der der anderen magnetischen Schicht 2 zugewandten Seite.
Die beiden magnetischen Schichten 2 und 3 sind getrennt durch wenigstens eine durchgehende Trennschicht 9 aus nichtmagnetischem, elektrisch leitfähigem Material, zum Beispiel aus Kupfer. Dies läuft darauf hinaus, dass die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit ihren elektrisch leitfähigen Brücken 5 sich an der Grenzfläche zwischen der sie aufnehmenden magnetischen Schicht 3 und der Trennschicht 9 befindet.
Es ist möglich, dass eine der magnetischen Schichten durch einen Stapel aus mehreren Zwischenschichten gebildet wird. In der 5C handelt es sich um die magnetisch freie Schicht 3. Die Zwischenschichten 3-1 und 3-2 aus unterschiedlichen Materialien verstärken die Riesenmagnetowiderstandsamplitude, indem sie den vom Spin abhängigen Diffusionskontrast verstärken und die magnetischen Fluktuationen an den Grenzflächen bei Umgebungstemperatur reduzieren. Die eine, als empfindlich bezeichnete Zwischenschicht 3-2 kann zum Beispiel aus Ni80Fe20 sein und die als magnetische Zwischenschicht mit Grenzflächendotierung bezeichnete andere zum Beispiel aus Co90Fe10. Die unterbrochene nichtleitende Schicht 4 mit den elektrisch leitfähigen Brücken 5 befindet sich an der Grenzfläche zwischen der Grenzflächendotierungsschicht 3-1 und der anderen magnetischen Schicht 2, aber sie könnte auch in die Grenzflächendotierungsschicht 3-1 eingeschlossen sein. Generell befindet sich die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 vorteilhafterweise sehr nahe bei der anderen magnetischen Schicht 2.
In diesem Beispiel ist auch eine magnetische Trennschicht 9 zwischen der unterbrochenen Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit den elektrisch leitfähigen Brücken und der anderen magnetischen Schicht 2 vorgesehen. Von der Schicht 4 wird angenommen, dass sie magnetisch ist.
In der 8, die eine Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Paar Spinventile in Serie darstellt, befindet sich die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit ihren elektrisch leitfähigen Brücken im Innern der magnetisch freien Schicht und nicht mehr an der Oberfläche.
Es ist jedoch vorzuziehen, die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit ihren elektrisch leitfähigen Brücken 5 auf der Seite der magnetisch festgelegten Schicht 2 vorzusehen, um nicht die Suszeptibilität, welche die magnetisch freie Schicht 3 haben muss, zu beeinträchtigen. Diese Konfiguration ist in den 6 und 7 dargestellt, die wieder Anordnungen mit einem Paar Spinventile in Serie darstellen.
Man versucht, die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4 mit ihren elektrisch leitfähigen Brücken 5 so nahe wie möglich bei der Grenzfläche zwischen den magnetischen Schichten 2 und 3 vorzusehen, denn andernfalls wäre der Stromkonzentrationseffekt an der Quelle des Magnetowiderstands und ebenfalls die Amplitude des Magnetowiderstands reduziert.
Die magnetisch festgelegte Schicht 2a, 2b kann durch einen Stapel aus drei Schichten gebildet werden. Man kann ihn wie in der 7 mit zwei magnetisch festgelegten Zwischenschichten (2a2, 2a3), (2b2, 2b3) realisieren, die eine nichtmagnetische elektrisch leitfähige Zwischenschicht 2a1, 2b1 sandwichartig einschließen. Man kann zum Beispiel einen Stapel CoFe/Ru/CoFe verwenden. Andere Materialien als Ruthenium, zum Beispiel Ir, Rh, Re, sind möglich.
Die Dicke der mittleren Zwischenschicht 2a1, 2b1 kann zwischen ungefähr 0,3 und 1 nm enthalten sein. Derart realisiert man eine sogenannte synthetische magnetisch festgelegte Schicht. Eine solche synthetische festgelegte Schicht ermöglicht, das Festlegungsfeld zu vergrößern und seine magnetische Stabilität zu verstärken.
In der Folge werden mehrere Beispiele von magnetoresistiven Anordnungen mit einem Paar Spinventile in Serie betrachtet, wobei diese Struktur unter der Bezeichnung Dualspinventil bekannt ist. Ein solches Dualspinventil kann umfassen: eine magnetisch freie mittlere Schicht 3 und zwei magnetisch festgelegte Schichten 2a, 2b beiderseits der magnetisch freien Schicht 3. Der dem Dualspinventil der 6 entsprechende Stapel umfasst eine Pufferschicht 7 auf einer der Elektroden, 6b, Basiselektrode genannt, eine erste antiferromagnetische Festlegungsschicht 8a, eine erste magnetisch festgelegte Schicht 2a, eine erste Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4a mit elektrisch leitfähigen Brücken 5a, eine magnetisch freie Schicht 3, eine zweite Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4b, unterbrochen durch elektrisch leitfähige Brücken 5b, eine zweite magnetisch festgelegte Schicht 2b, eine zweite antiferromagnetische Festlegungsschicht 8b und schließlich die zweite Elektrode 6a, Topelektrode genannt. In dieser Konfiguration haben die beiden Nichtleiter- oder Halbleiterschichten 4a, 4b, unterbrochen durch Brücken 5a, 5b, dieselbe Struktur wie in der 4. Die magnetisch freie Schicht 3 wird durch einen Stapel aus Zwischenschichten gebildet, mit zwei magnetischen Grenzflächendotierungsschichten 3-2, 3-3, welche eine eigentlich magnetisch freie Zwischenschicht 3-1 sandwichartig einschließen.
In der Folge wird die 7 betrachtet. Der dem Dualspinventil der 7 entsprechende Stapel umfasst eine Pufferschicht 7 auf einer der Elektroden, 6b, Basiselektrode genannt, eine erste antiferromagnetische Festlegungsschicht 8a, eine erste synthetische magnetisch festgelegte Schicht 2a, eine erste Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4a mit elektrisch leitfähigen Brücken 5a, eine erste nichtmagnetische elektrisch leitfähige Trennschicht 9a, eine magnetisch freie Schicht 3, eine zweite nichtmagnetische elektrisch leitfähige Trennschicht 9b, eine zweite Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 4b, unterbrochen durch elektrisch leitfähige Brücken 5b, eine zweite synthetische magnetisch festgelegte Schicht 2b, eine zweite antiferromagnetische Festlegungsschicht 8b und schließlich die zweite Elektrode 6a, Topelektrode genannt.
In dieser Konfiguration ist jede der magnetisch festgelegten Schichten 2a, 2b synthetisch und gebildet durch einen Stapel auf Zwischenschichten mit einer nichtmagnetischen leitfähigen Zwischenschicht 2a1, 2b1, sandwichartig eingefügt zwischen zwei magnetischen Festlegungsschichten (2a2, 2a3), (2b2, 2b3).
Die magnetisch freie Schicht 3 entspricht derjenigen der 6 mit zwei magnetischen Grenzflächendotierungs-Zwischenschichten 3-2, 3-3, die eine eigentlich magnetisch freie Zwischenschicht 3-1 sandwichartig einschließen.
Betrachten wir nun die 8. Der dem Dualspinventil entsprechende Stapel der 8 umfasst eine Pufferschicht 7 über einer der Elektroden 6b, Basiselektrode genannt, eine erste antiferromagnetische Festlegungsschicht 8a, eine erste festgelegte Schicht 2a, eine erste Trennschicht 9a aus nichtmagnetischem elektrisch leitendem Material, eine die durch elektrisch leitfähige Brücken 5 unterbrochene Nichtleiter- oder Halbleiterschicht einschließende magnetisch freie Schicht 3, eine zweite nichtmagnetische elektrisch leitfähige Trennschicht 9b, eine zweite magnetisch festgelegte Schicht 2b, eine zweite antiferromagnetische Festlegungsschicht 8b und schließlich die zweite Elektrode 6a, Topelektrode genannt.
Die 9 zeigt ein Beispiel eines Magnetkopfs, der eine wie oben beschriebene magnetoresistive Anordnung mit einem Spinventil umfasst. Die Elektroden 6a, 6b, die ermöglichen, den Strom 1 zuzuführen und die Spannung V abzugreifen, dienen der magnetischen Abschirmung. Das Spinventil 1 befindet sich in nächster Nähe zu einem beweglichen magnetischen Datenträger 90, auf dem Daten in Form von Bits abgespeichert sind. Die magnetischen Abschirmungen 6a, 6b ermöglichen dem Spinventil, individuelle magnetische Übergänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bits zu detektieren, ohne Interferenzen mit den benachbarten Übergängen. Die magnetisch festgelegte Schicht 2 und die antiferromagnetische Festlegungsschicht 8 haben eine Fläche, die kleiner ist als die der nichtleitenden Schicht 4 mit den elektrisch leitfähigen Brücken 5, die ihr gegenübersteht. Sie sind mit nichtleitendem Material 91 umhüllt, das sich längs der unterbrochenen Schicht 4 mit den elektrisch leitfähigen Brücken 5 erstreckt. Diese Struktur ermöglicht, die Zone, in welcher der Strom fließt, von der Oberfläche des magnetischen Datenträgers 90 zu entfernen.
In der 10 ist ein erfindungsgemäßer Speicher dargestellt. Er umfasst eine Matrix von Speicherpunkten, adressierbar durch Zeilen und Spalten. Jeder Speicherpunkt umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung bzw. Vorrichtung 101, dargestellt durch einen Widerstand in Serie mit einer Schalteinrichtung 102 in Form eines Transistors. Jede erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einer Adressierzeile 103 verbunden und die Schalteinrichtung mit einer Adressierspalte 105. Die Adressierzeilen 103 sind mit den Ausgängen einer Zeilenadressierschaltung 104 verbunden und die Adressierspalten 105 mit den Ausgängen einer Spaltenadressierschaltung 106.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit elektrisch leitfähigen Brücken beschrieben, die diese Schicht senkrecht durchqueren. Eine derartige Schicht ist in den 2 bis 8 dargestellt, mit den Bezugszeichen 4, 5.
In der 11A sieht man einen Träger 110, und zur Realisierung der Brücken wird auf diesem Träger ein elektrisch leitfähiges, nur wenig netzungsfähiges Material dünnschichtartig abgeschieden. Der Träger kann aus einem magnetischen Material sein, zum Beispiel aus NiFe, Co, CoFe, insbesondere in dem Fall, wo man magnetoresistive Vorrichtungen realisiert. Dieses Material, wenn auf der Oberfläche des Trägers abgeschieden, bildet eine Vielzahl kleiner Tropfen 111. Bekanntlich breitet sich eine Dünnschicht mit starker Netzungsfähigkeit auf einem Festkörper so aus, dass er die größtmögliche Fläche einnimmt, während ein dünner Film mit schwacher Netzungsfähigkeit auf dem Festkörper nur eine kleine Fläche einnimmt. Diese Eigenschaft wird zur Herstellung der Brücken genutzt.
Es genügt, dieses Material mit schwacher Netzungsfähigkeit auf dem Nichtleiter- oder Halbleitermaterial 112, das die unterbrochene Schicht bildet, anzuwenden.
Das zur Herstellung der Brücken verwendete Material kann Silber sein, das in Form von dünnen Schichten abgeschieden wird, zum Beispiel mittels PVD (für "Physical Vapor Deposition"). Das Silber ist schon bei Umgebungstemperatur nur wenig netzungsfähig und bei Wärme noch weniger. Wenn man eine sehr dünne Silberschicht auf der Oberfläche des Trägers 110 abscheidet, dessen Dicke ungefähr 0,2 nm beträgt, bilden sich Silbertröpfchen 111 mit einem Durchmesser von ungefähr 1 bis 2 nm. Es können auch andere Materialien als Silber verwendet werden, zum Beispiel Kupfer oder Gold, bei denen jedoch der schwache Netzungseffekt weniger ausgeprägt ist.
Um die unterbrochene Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 112 zu realisieren, kann man ein leitfähiges Material abscheiden, das sich nicht mit den Silbertropfen 111 mischt und das durch eine Behandlung nichtleitend oder halbleitend gemacht wird, wobei diese Behandlung praktisch keinen Einfluss auf die Silbertröpfchen hat.
Unter diesem Gesichtspunkt bzw. in diesem Fall kann man zum Beispiel Aluminium mittels PVC abscheiden, mit einer geringeren Dicke als die Silbertröpfen 111. Durch eine Behandlung, etwa durch Oxidieren oder Nitrieren, wird aus dem Aluminium dielektrisches Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Die Oxidation kann eine natürliche Oxidation sein oder eine Oxidation durch Sauerstoffplasma oder atomaren Sauerstoff usw. Da das Aluminium leicht oxidierbar ist und das Silber überhaupt nicht, da es ein Edelmetall ist, oxidiert nur das Aluminium, so dass man eine Aluminiumoxidschicht 112 von ungefähr 2 nm Dicke mit den Brücken 111 erhält.
Wenn eine magnetoresistive Vorrichtung realisiert werden soll, kann man anschließend darauf eine weitere magnetische Schicht abscheiden.
Anstatt zunächst die Silbertröpfchen 111 auf dem Träger 110 abzuscheiden, ist es möglich, zuerst eine Dünnschicht aus einem Material abzuscheiden, das zu der Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 112 führt. Man kann zum Beispiel eine Aluminiumschicht abscheiden und dann die Silbertröpfchen 111 auf der dünnen Aluminiumschicht. Indem man eine Oberflächenoxidation durchführt, verwandelt sich das Aluminium um die Tröpfchen herum in Aluminiumoxid 112 und das unter den Tröpfchen 111 befindliche Aluminium 113 oxidiert nicht oder nur wenig, da es geschützt ist. Ein Silbertropfen 111 und das unter diesem Tropfen befindliche Aluminium 113 bilden also eine Brücke 5. Dabei könnte in diesem letzteren Fall die Oberfläche des Aluminiumoxids 112 rauer sein als im vorhergehenden Fall.
Eine anderen Variante werden das die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht bildende Material und das die Tröpfchen bildende elektrisch leitfähige Material gleichzeitig gemeinsam abgeschieden. Dies führt zu einer heterogenen Legierung. Wenn sie auf der Oberfläche des Trägers 110 abgeschieden wird, bilden sich an der Oberfläche des Trägers die Tröpfchen 111, da die beiden gemeinsam abgeschiedenen Materialien sich nicht mischen können. Indem man zum Beispiel die Oberfläche oxidiert oder nitriert, bildet sich um die – zum Beispiel – Silbertröpfchen 111 herum die Nichtleiter- oder Halbleiterschicht 112 aus.
Eine andere Methode besteht darin, das elektrisch leitfähige Material mit geringer Netzungsfähigkeit direkt auf dem Träger 110 abzuscheiden, und dieser Träger wird durch Behandlung an der Oberfläche nichtleitend oder halbleitend gemacht und wird zur unterbrochenen Schicht. In dem Beispiel der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Vorrichtung kann der Träger 110 Co- oder CoFe-magnetisch sein. Es kann sich um die in Verbindung mit der 5B beschriebene magnetische Grenzflächendotierungs-Zwischenschicht handeln. Indem diese Zwischenschicht direkt oxidiert wird, erhält man eine CoO- oder CoFeO-Fläche, die mit den Tröpfchen 111 kooperiert. Die Oberfläche des Trägers 110 verdickt sich leicht zwischen den Silbertröpfchen, wenn sie oxidiert.
Um eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit wenigstens einem Spinventil herzustellen, scheidet man nacheinander die Schichten des Stapels ab. Zur Herstellung der magnetischen Schichten, durch einen Stapel von Zwischenschichten gebildet oder auch nicht, der eventuellen Trennschichten, der Pufferschicht und einer oder mehrerer antiferromagnetischer Schichten können alle dem Fachmann bekannten Abscheidungstechniken benutzt werden. Es handelt sich insbesondere um Sputtern, Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahl-Epitaxie oder elektrolytische Metallabscheidung. Der kritischste Teil ist die Herstellung der unterbrochenen Nichtleiter- oder Halbleiterschicht mit den elektrisch leitfähigen Brücken.
Selbstverständlich kann man alle oben beschriebenen Methoden anwenden, um die durch leitfähige Brücken unterbrochene nichtleitende Schicht zu realisieren, aber es sind noch andere möglich.
Man kann eine Dünnschicht aus Nichtleiter- oder Halbleitermaterial realisieren, zum Beispiel aus Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid, die nichtmagnetische metallische Festkörperpartikel (zum Beispiel aus der Gruppe der Edelmetalle wie Silber, Gold, Kupfer und ihre Legierungen) oder magnetische aus Kobalt oder seinen Legierungen enthält. Indem man den Träger, auf dem die Dünnschicht abgeschieden ist, erwärmt, begünstigt man die atomare Beweglichkeit der Metallpartikel, die sich neu gruppieren, um die elektrisch leitfähigen Brücken zu bilden. Man kann auch eine oder mehrere Glühungen durchführen, um besagte Brücken herzustellen. In diesem Fall ist der die Dünnschicht umfassende Träger entweder eine der magnetischen Schichten oder eine Trennschicht.
Die Abscheidung der nichtleitenden Dünnschicht kann durch PVD erfolgen, mit einem Target aus dielektrischem Material, oder durch reaktives Zerstäuben eines Targets aus einem metallischen Material unter oxidierender Atmosphäre.
Die Festkörperpartikel können auch direkt in Form von metallischen Aggregaten oder Clustern aufgebracht werden, die aus einer Edelmetallaggregatquelle stammen.
Eine andere Methode kann das lokale Oxidieren einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Material sein, um diese lokal nichtleitend zu machen. Die nichtoxidierten Stellen bilden elektrisch leitfähige Brücken. Diese Schicht kann eine der magnetischen Schichten oder eine Trennschicht oder auch eine zu diesem Zweck abgeschiedene Schicht sein. Die Oxidation erfolgt, wenn die Schicht abgeschieden ist oder während des Abscheidens. In diesem Fall unterbricht man die Abscheidung, führt die Oxidation durch und setzt die Abscheidung dann fort.
Eine andere Methode nutzt die Tatsache, dass – wenn eine Oxidschicht mit Unterbrechungen sandwichartig zwischen zwei Metallschichten eingeschlossen ist -, Metall durch die Unterbrechungen diffundiert. Diese Unterbrechungen sind Defekte oder Korngrenzen. Die Oxidschicht kann natürlich Unterbrechungen umfassen. Es kann sich insbesondere um eine ultradünne Schicht aus nanokristallisierten Oxiden handeln, zum Beispiel Magnesiumoxid (MgO), Hafniumoxid (HfO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Kobaltoxid (CoO), Nickeloxid (NiO), Kupferoxid (CuO). Es genügt, die Oxidschicht auf einem metallischen Träger abzuscheiden, zum Beispiel den magnetischen Schichten 2, 3, einer der magnetischen Zwischenschichten 3-1, 3-2 oder einer nichtmagnetischen elektrisch leitfähigen Trennschicht 9. Die Abscheidung kann mittels eines Oxidtargets oder durch reaktive Zerstäubung erfolgen, oder durch Abscheidung einer Metallschicht und anschließender Oxidation. Man überzieht sie mit einer Metallschicht, egal ob einer der magnetischen Schichten 2, 3, einer der magnetischen Zwischenschichten 3-1, 3-2 oder einer nichtmagnetischen elektrisch leitfähigen Trennschicht 9. Die elektrisch leitfähigen Brücken bilden sich dann auf natürliche Weise.
Die Unterbrechungen in der Oxidschicht können, anstatt sich natürlich zu bilden, durch Techniken der Mikroelektronik erzeugt werden, zum Beispiel durch einen fokussierten Ionenstrahl.
Obwohl mehrere Realisierungsarten der vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt und beschrieben worden sind, können verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Magnetoresistive Spinventil-Vorrichtung (1), gebildet durch einen Schichtenstapel mit wenigstens zwei magnetischen Schichten (2, 3), deren ihre Magnetisierungsrichtungen betreffende Ausrichtung unter dem Einfluss eines Magnetfelds variieren kann, und wenigstens eine dielektrische oder halbleitende Schicht (4), unterbrochen durch elektrisch leitfähige Brücken (5), welche die Dicke der dielektrischen oder halbleitenden Schicht durchqueren, wobei diese Brücken (5) dazu bestimmt sind, den quer in dem Stapel fließenden Strom lokal zu konzentrieren, Einrichtungen (6a, 6b) umfassend, um in dem Spinventil einen Strom quer zu der Ebene der Schichten fließen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) in einer der magnetischen Schichten (3) angeordnet ist.
Magnetoresistive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine unmagnetische, elektrisch leitfähige durchgehende Trennschicht (9) eingefügt ist zwischen die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) und wenigstens eine der magnetischen Schichten (2, 3).
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücken (5) aus dem Material der magnetischen Schicht (3) sind, welche die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) aufnimmt.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Brücken (5) aus einem unmagnetischen Material sind, ausgewählt unter den Edelmetallen wie Gold, Silber, Kupfer oder ihren Legierungen.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Brücken (5) aus einem magnetischen Material wie Kobalt, Eisen, Nickel oder ihren Legierungen sind.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische oder halbleitende Material der diskontinuierlichen Schicht (4) magnetisch ist.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische oder halbleitende Material der diskontinuierlichen Schicht (4) unmagnetisch ist.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der magnetischen Schichten (2a) durch einen Stapel aus Zwischenschichten (2a1, 2a2, 2a3) gebildet wird.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung von einer der magnetischen Schichten (2) festgelegt wird durch die Zuordnung einer antiferromagnetischen Schicht (8), angeordnet jenseits der magnetischen Schicht (2) mit fester Magnetisierungsrichtung in Bezug auf die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5).
Magnetoresistive Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (2a) mit fester Magnetisierungsrichtung durch eine unmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht (2a1) gebildet wird, angeordnet zwischen zwei magnetischen Zwischenschichten (2a2, 2a3).
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische oder halbleitende diskontinuierliche Schicht (4) realisiert ist auf Oxid-, Nitrid-, Halbleiterbasis.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen, um einen elektrischen Strom fließen zu lassen, zwei Elektroden (6a, 6b) umfassen, die das Spinventil (1) sandwichartig enthalten.
Magnetoresistive Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer der Elektroden (6b) und dem Spinventil (1) eine Pufferschicht (7) vorgesehen ist.
Magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spinnventil dual ist.
Magnetlesekopf, dadurch gekennzeichnet, dass er eine magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Speicher, eine Matrix aus Speicherpunkten umfassend, adressierbar durch Zeilen (103) und Spalten (105), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Speicherpunkt gebildet wird durch eine mit einer Stromschalteinrichtung (102) kooperierende magnetoresistive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zur Realisierung einer magnetoresistiven Spinventil-Vorrichtung (1), folgende Schritte umfassend: Realisierung – zur Herstellung des Spinventils – eines Schichtenstapel mit wenigstens zwei magnetischen Schichten (2, 3), deren ihre Magnetisierungsrichtungen betreffende Ausrichtung unter dem Einfluss eines Magnetfelds variieren kann, Realisierung von Einrichtungen (6a, 6b), um in dem Spinventil einen Strom quer zu der Ebene der Schichten fließen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zur Realisierung von wenigstens einer dielektrischen oder halbleitenden Schicht (4) mit die Schichtdicke durchquerenden elektrisch leitfähigen Brücken (5) in einer der magnetischen Schichten (2, 3) umfasst, wobei diese Brücken (5) dazu dienen, den quer durch den Stapel fließenden Strom zu konzentrieren.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) durch Abscheidung einer dünnen Schicht (4) aus dielektrischem oder halbleitendem Material mit eingeschlossenen metallischen Teilchen realisiert wird, wobei diese metallischen Teilchen sich gruppieren bzw. umgruppieren, um die Brücken (5) zu bilden.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) realisiert wird, indem eine elektrisch leitfähige Schicht (9), die sich in dem Stapel befindet, um ihn dielektrisch oder halbleitend zu machen, lokal behandelt wird.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung wehrend der Abscheidung oder am Ende der Abscheidung der elektrisch leitfähigen Schicht (9) stattfindet.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) realisiert, indem man eine Isolierschicht (4) mit Unterbrechungen zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten (9-1, 9-2) des Stapels einfügt und indem man das elektrisch leitfähige Maaterial durch die Unterbrechungen der Isolierschicht (4) diffundieren lässt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen in der Isolierschicht (4) natürlich sind.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen in der Isolierschicht (4) künstlich erzeugt werden.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man die dielektrische oder halbleitende Schicht (4) mit den elektrisch leitfähigen Brücken (5) reealisiert, indem man ein elektrisch Leitfähiges Material mit geringer Benetzbarkeit verwendet, um bei seiner Abscheidung eine Vielzahl von Tropfen (111) zu erhalten, indem man darauf ein mit den Tropfen nicht mischbares elektrisch leitfähiges Material (112) abscheidet, um die Räume zwischen den Tropfen zu füllen, und indem man eine Behandlung des elektrisch leitfähigen Materials durchführt, das sich zwischen den Tropfen befindet, um es dielektrisch oder halbleitend zu machen.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitfähigen Materials (112) etwas kleiner ist als die der Tropfen (111).
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Material (112), das zur Bildung der dielektrischen oder halbleitenden Schicht dient, auf einer der Schichten (110) des Stapels abgeschieden wird, ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Benetzbarkeit (111), was zur Bildung einer Vielzahl von Tropfen führt, darauf abgeschieden wird, und eine Behandlung durchgeführt wird, um das zwischen den Tropfen (111) befindliche elektrisch leitfähige Material (112) dielektrisch oder halbleitend zu machen.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Benetzbarkeit (111) und ein elektrisch leitfähiges Material (112) gleichzeitig auf einer Schicht (110) des Stapels abgeschieden werden, wobei diese Materialien, die nicht mischbar sind, behandelt werden, um das elektrisch leitfähige Material (112) dielektrisch oder halbleitend zu machen.
Realisierungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Material mit geringer Benetzbarkeit (111), das zu einer Vielzahl von Tropfen (111) führt, auf einer der Schichten (110) des Stapels abgeschieden wird, wobei diese Schicht des Stapels behandelt wird, um sie an der Oberfläche dielektrisch oder halbleitend zu machen und ihre Kooperation mit den Tropfen (111) zu gewährleisten.
Realisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine Oxidierung oder eine Nitrierung ist.