(57)【要約】本発明は、材料技術の領域に関連しかつ例えば磁気センサ技術における素子に使用することができる、参照磁化を確定するための方法に関する。本発明の課題は、参照方向が数および空間方向に関して任意に選択することができる、層系における参照磁化を確定するための方法を提供することである。この課題は、層系における参照磁化を確定するための方法において、硬磁性層および／または軟磁性層を幾何学的に構造化しかつ１段階または多段階の熱処理の前または間または後で硬磁性層および／または軟磁性層を少なくとも１つの反強磁性層上に被着することによって少なくとも１つの層系を製造する、ここで温度上昇は少なくとも結合温度を上回るまで実施されかつ引き続いて層系が冷却されるようにしたことによって解決される。
2004523928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層系における参照磁化を確定するための方法であって、
硬磁性層および／または軟磁性層を幾何学的に構造化しかつ１段階または多段階の熱処理の前または間または後で該硬磁性層および／または軟磁性層を少なくとも１つの反強磁性層上に被着することによって少なくとも１つの層系を製造する、ここで温度上昇は少なくとも結合温度を上回るまで実施されかつ引き続いて層系が冷却される
層系における参照磁化を確定するための方法。
【請求項２】
層系を磁界の印加なしに冷却する
請求項１記載の方法。
【請求項３】
層系を磁界が印加されている状態で冷却し、ここで所望の参照磁化に依存して硬磁性および／または軟磁性層および／または反強磁性層の磁化配置が変えられる
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記層に磁界を覚え込ませる
請求項１記載の方法。
【請求項５】
ラテラル方向の寸法がミクロおよびナノ領域にありかつ層厚がナノメータ領域にある層を製造する
請求項１記載の方法。
【請求項６】
同じまたは異なった組成を有する複数の層を結合温度以上に加熱しかつ引き続いて磁界をかけずに冷却する
請求項１記載の方法。
【請求項７】
正方形、方形、三角形、円形の構造化またはそこから導出される形状を生成する
請求項１記載の方法。
【請求項８】
完全に突き抜けるまで熱処理を実施する
請求項１記載の方法。
【請求項９】
幾何学的な構造化を２次元または３次元的に実施する
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
硬磁性層および／または軟磁性層を幾何学的に構造化しかつ反強磁性層上に被着し、引き続いて冷却を伴う１段階の熱処理を実施する
請求項１記載の方法。
【請求項１１】
参照磁化を確定するための方法の、異方性磁気抵抗効果または巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果またはスピン注入抵抗に基づいている磁気抵抗効果センサ素子または磁気抵抗効果スイッチング素子または巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果またはスピン注入抵抗に基づいている能動磁気電気素子への使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の適用分野
本発明は、材料技術の分野に関連しかつ例えば、マグネット・センソトロニック（磁気センサ技術）またはスピン・エレクトロニック、例えばＧＭＲセンサまたはＭＲＡＭメモリセルにおける素子に使用されると有利である、参照磁化を確定するための方法に関する。
【０００２】
従来の技術
磁気的な層系における磁化を固定するために強磁性磁石と反強磁性磁石（Antiferromagnet＝ＡＦＭ）または人工の反強磁性磁石（Artical Anti Ferromagnet＝ＡＡＦ）との間の交換結合を利用することが公知である。
【０００３】
マグネット・センソトロニックまたはスピン・エレクトロニックにおける素子は大抵の場合空間固定の参照磁化方向を必要とする。このためにしばしば、いわゆる「アンカー層」に対する磁気結合が利用される。このアンカー層は、硬質磁石と、自然または人工の反強磁性磁石とから成っていてよい。強磁性磁石とアンカー層との間の交換結合によって、強磁性層の磁化方向が空間的に固定される。
【０００４】
このアンカー層自体は同様に、磁気的に配向されなければならない。このためにアンカー層の材料特性次第でこれまで次の方法が利用される；
外部磁界中での層析出
外部磁界中での熱的な後処理
局所的なレーザ照射後の磁界冷却。
【０００５】
これら３つすべての場合において効果的な磁界冷却（field cooling）が実施され、すなわち系：強磁性磁石／アンカー層は磁界が加えられていて臨界結合温度（ブロッキング温度ＴＢ）の上方ではある状態から結合された状態に移行する。これにより、磁界によって強制的に行われる、強磁性層の均質な磁化が直接的な交換結合により反強磁性層のスピン配置中に刻印される。外部磁界強度が結合磁界強度以下である場合には、強磁性層の調整設定された均質な磁化は維持され、従って参照磁化として用いられる。
【０００６】
上に列記した方法のうち最後に述べた方法だけが、レーザビームのフォーカスの領域における参照磁化を局所的に変えることができる。
【０００７】
この公知の方法の欠点は、レーザ法を除いて、複数の参照方向を任意の方向において相互に同時に実現することができないことにある。このことは例えば角度センサのような複雑な磁気電気素子の作動には必要である。
【０００８】
そして最終的にはＡＦＭを配向する後からの工程が必要でありかつマイクロ小型化するには限界がある。
【０００９】
更に、軟磁性の層エレメントにおいて、磁化がエレメントエッジに沿って配向されて漂遊磁界が回避されるようにすることが公知である。これにより、磁束は閉じられた配置構成となる。ヴァン・デン・バーク（van den Berg）が発見したように、磁化はエレメントの内部においても隣接して位置するエレメントエッジに対して平行状態を維持する。２つのエレメントエッジに対して同じ距離を有している点において異なった磁気領域が衝突する。これにより、磁区壁によって分離されている均質な磁区を有する状態が生じる。
【００１０】
相互に別個のエレメントは距離が十分小さい場合にはその漂遊磁界を介して相互作用をすることが周知である。エネルギー的に有利な状態に達するために、隣接するエレメントは、閉じられた磁束に近くかつ僅かな漂遊磁界しか引き起こさない磁化配置をとる。
【００１１】
発明の開示
本発明の課題は、参照方向を数および空間方向に関して任意に選択することができるようにした、層系における参照磁化を確定するための方法を提供することである。
【００１２】
この課題は各請求項に記載の発明によって解決される。実施形態は従属請求項の対象である。
【００１３】
本発明の層系における参照磁化を確定するための方法では、硬磁性層および／または軟磁性層を幾何学的に構造化しかつ１段階または多段階の熱処理の前または間または後で硬磁性層および／または軟磁性層が少なくとも１つの反強磁性層上に直接接触するようにすることによって少なくとも１つの硬磁性層および／または軟磁性層層が製造される。その際熱処理は少なくとも結合温度を上回る熱上昇によって実施される。引き続いて層系が冷却される。
【００１４】
有利には層系は磁界の印加なしに冷却され、これにより消磁された状態または残留磁気状態が障害を受けずに参照磁化として覚え込まされる。
【００１５】
更に有利には、熱処理後層系は外部の磁界中で冷却されて、磁界によって変えられた消磁された状態または残留磁化状態が参照磁化として覚え込まされる。
【００１６】
有利には、ラテラル方向の拡がりがミクロおよびナノ領域にありかつ層厚がナノメータ領域にある層が製造される。
【００１７】
同じまたは異なった組成を有する複数の層を結合温度以上に加熱しかつ引き続いて磁界をかけずに冷却しても有利である。
【００１８】
本発明によれば、参照磁化を確定するための方法は異方性磁気抵抗効果または巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果またはスピン注入抵抗効果に基づいている磁気抵抗効果センサ素子または磁気抵抗効果スイッチング素子、または巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果またはスピン注入抵抗効果に基づいている能動磁気電気素子へ適用される。
【００１９】
本発明の方法では初めに、硬磁性および／または軟磁性層が幾何学的に構造化される。このことはマイクロエレクトロニクスから公知の方法、例えばリソグラフィー方法によって行うことができる。この幾何学的な構造化によってこれらの幾何学的なエレメントの形状、数および配置が相互に決められる。この工程は硬磁性および／または軟磁性層の磁化方向に決定的に作用する。というのは、ヴァン・デン・ベルクの発見された原理に相応して幾何学的な形状を選択することによってそれぞれの形状内に磁化方向が決定されるからである。形状内に磁区が形成され、その磁化は隣接するエッジに対して平行に配向されている。択一的に、隣接するエレメントの漂遊磁界相互作用を所望の磁区パターンの形成のために利用することができる。
【００２０】
このようにして、数、形状および／または配置によって、１つの層系の中に相互に任意の数の参照方向および任意に異なった参照方向を製造することができる。
【００２１】
幾何学的な構造化に従って、結合温度を上回る加熱によって、温度上昇により自由になる硬磁性および／または軟磁性の層の磁化配置（コンフィギュレーション）を磁区エレメントに相応して調整設定することができることになる。引き続く、磁界をかけない冷却の際に、反強磁性層が硬磁性および／または軟磁性の層の磁化配置を引き受ける。これにより、層系は統一のとれた磁化形態を有している。
【００２２】
本発明の方法によれば、硬磁性および／または軟磁性の層に対してだけ熱処理が行われかつ冷却中または冷却後に初めて反強磁性層に被着されるようにすることも可能である。ここでも反強磁性層は硬磁性および／または軟磁性の層の磁化配置を引き受ける。
【００２３】
硬磁性および／または軟磁性の層が反強磁性層の製造後に初めて被着されるかまたはそうすることができる場合には、これらの構造化は例えばマスク交換法またはリソグラフィーによりコントロールされるイオンエッチングによって行うことができる。
【００２４】
熱処理期間中に反強磁性層が存在する場合には、反強磁性磁石の磁化は印加される磁界によって決められず、交換結合された強磁性層の磁化によって決められる。
【００２５】
本発明によれば、熱処理の期間に磁界を印加することも可能である。その際減衰する交番磁界を使用すれば、ヴァン・デン・ベルクの記述によるパターンの調整設定を一層効果的にする。十分大きい直流磁界を使用すれば、意図して残留磁化状態を引き起こすことができる。
【００２６】
本発明の方法の別の利点は、硬磁性および／または軟磁性の層の磁区パターンが温度が比較的高い場合にも維持され、従ってこの方法は、例えばＰｔＭｎおよび類似の物質の場合のように、反強磁性状態を生成するための温度処理ともコンパチブルであることにある。
【００２７】
更に、本発明の方法により確定される参照磁化は再生可能である（自己治癒）ことも有利である。このことは、層結合体を結合温度以上に新たに加熱することによって初めて実現可能である。これにより、結合温度以上で破壊された磁化が再び調整設定されかつ冷却後に再び参照磁化として用いることができる。
【００２８】
磁気電気素子が小型化されていれば、本発明の方法は申し分なく使用することができる。というのは、広範囲なスケール領域にわたって使用可能であるからである。サブマイクロメータ領域において殊に、参照磁化の信頼できる確定を実現可能である。
【００２９】
発明を実施するための最良の方法
次に本発明を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
その際示されているのは：
図１は強磁性層および反強磁性層の典型的な磁化配置、すなわち
ａ）  熱処理の前
ｂ）  Ｔ＞ＴＢの場合、ただしはＴＢは結合温度
ｃ）  熱処理後
（層は分かり易くするために別個に示されている）
および
図２は４つの楕円で似て構造化されているエレメントのカー顕微鏡撮影を示し、その際黒のエレメントでは下方への磁化を示しかつ白のエレメントでは上方への磁化を示している。
【００３１】
例１
３６０°のＧＭＲ角度センサのために相互に直角である参照磁化が必要とされる。このためにシリコンにまず１０ｎｍの厚さのＦｅＭｎ層がアンカー層としてかつその上に１００ｎｍの厚さの強磁性のＮｉ８１Ｆｅ１９層が析出される。リソグラフィー技術を用いて辺長２４μｍの方形が構造化される。強磁性層はこの構造の外側では完全に除去されなければならない。それから２００℃で熱処理が行われる。２００℃の温度に達したとき、１ｋＡ／ｃｍの最大振幅の減衰していく磁界中で試料が消磁されかつ引き続いて磁界作用なしに室温に冷却される。今や層系は図１に示されているように安定した磁化配置を示す。
【００３２】
例２
磁気抵抗効果型磁界センサは有利にはホイートストーンブリッジ回路において実現される。ホイートストーンブリッジの個別エレメントのお互いに逆の信号を実現するために、相互に反平行の参照磁化が必要とされる。１０ｎｍのＦｅＭｎおよび１００ｎｍのＮｉ８１Ｆｅ１９層から成る２重層がシリコン基板上にスパッタリングされる。層析出の間、２４０Ａ／ｃｍの強度の均質磁界が加えられる。引き続くリソグラフィーステップで１００μｍ×２０μｍのラテラル方向の寸法を有する楕円形の形状の４つのエレメントが構造化される。これらエレメントは相互に平行でありかつ層析出の間に磁界方向に配向されかつ３０μｍの間隔を以て隣接配置されている。次いで２００℃で熱処理が行われる。２００℃に達すると、試料は１ｋＡ／ｃｍの最大振幅の減衰していく、エレメント軸線に対して対角線上に配向されている磁界中で消磁されかつ引き続いて磁界作用なしに室温に冷却される。今や層系は図２に示されているように安定した磁化配置を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】強磁性層および反強磁性層の典型的な磁化配置を説明する略図である。
【００３４】
【図２】４つの楕円に似て構造化されている要素のカー顕微鏡撮影を示す略図である。
【図１】
2004523928.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2004523928.tif 000004
2004523928.tif 000005
2004523928.tif 000006
2004523928.tif 000007
2004523928.tif 000008
2004523928.tif 000009
2004523928.tif 000010
2004523928.tif 000011
2004523928.tif 000012
2004523928.tif 000013
2004523928.tif 000014
2004523928.tif 000015
2004523928.tif 000016
【国際調査報告】
2004523928.tif 000017
2004523928.tif 000018
2004523928.tif 000019
2004523928.tif 000020
2004523928.tif 000021
2004523928.tif 000022