Stand der Technik Verschiedene Materialien weisen eine elektrische Leit- fähigkeit auf, die besonders empfindlich auf ein ange- legtes Magnetfeld reagiert.

Dieses Phänomen wird in vielen Magnetsensoren und in magnetischen Arbeitsspeichern (MRAM-Magnetic Random Access Memories) auf der Basis des Riesenmagnetowider- standes (GMR) und des Tunnelmagnetwiderstandes (TMR) genutzt.

Typischerweise umfassen solche Sensoren mehrere ferro- magnetische Schichten, die durch nicht-magnetische Schichten getrennt sind. In Abwesenheit eines äußeren magnetischen Feldes können die ferromagnetischen Schichten durch eine Zwischenschichten-Austausch- Kopplung in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert werden. Ein angelegtes äußeres Magnetfeld führt dann zu

einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungsrich- tung in den ferromagnetischen Schichten. Da der Wider- stand von der Magnetisierungsrichtung abhängt, kann ein äußeres Magnetfeld, welches die magnetische Konfigura- tion verändert, einfach durch eine Widerstandsänderung detektiert werden. Dabei ist es notwendig, die Energie- differenz zwischen den verschiedenen Magnetisierungs- richtungen möglichst gering zu halten, um noch schwache Magnetfelder detektieren zu können. Das kann durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht zwischen den ferroma- gnetischen Schichten erreicht werden.

Es ist bekannt, daß im Bereich der magnetischen Daten- speicherung bei Computerfestplatten, Sensoren des GMR- Typs (wegen folgender Vorteile) die bisher verwendeten Sensoren zunehmend verdrängen. Die Sensoren des GMR- Typs weisen gegenüber den Sensoren, die den anisotropen Magnetwiderstand (AMR) ausnutzen, einige Vorteile auf.

GMR-Sensoren nutzen vorteilhaft die volle Winkelinfor- mation aus. Während gegensinnig gerichtete Magnetfelder für AMR-Sensoren nicht unterscheidbar sind und dasselbe Signal ergeben, bewirken kollinear und nicht-kollinear ausgerichtete Bereiche beim GMR-Sensor unterschiedliche elektrische Widerstände.

Ein weiterer Vorteil der GMR-Sensoren gegenüber den AMR-Sensoren ist es, daß sie ein vergleichsweise größe- res Signal liefern.

Weiterhin von Vorteil ist die Tatsache, daß der GMR- Effekt auf einem Grenzflächeneffekt beruht. Das bedeu- tet, daß ein GMR-Sensor viel dünner sein kann als ein entsprechender Sensor des AMR-Typs.

Bekannt ist ebenfalls, daß der Tunnelmagnetwiderstand (TMR) Effekt im Hinblick auf die Möglichkeit einer An- wendung in zukünftigen magnetischen Arbeitsspeichern erforscht wird. Diese sind unter dem Begriff magnetic random access memories (MRAM) bekannt und können die heute verwendeten Halbleiterspeicher ersetzen.

Prinzipiell ist dafür auch der GMR-Effekt geeignet. Der TMR-Effekt besitzt jedoch den klaren Vorteil eines größeren inhärenten Widerstandes des Sensors. In MRAMs ist dies von Bedeutung wegen des hohen Widerstandes der Verbindungsleitungen zwischen Speicherelement und Pro- zessor.

Sowohl GMR-als auch TMR-Sensoren bestehen typischer- weise aus einer freien magnetischen Schicht, einer Zwi- schenschicht und einer ferromagnetischen Schicht, des- sen Magnetisierungsrichtung durch eine angrenzende an- tiferromagnetische Schicht fixiert wird.

Die freie Schicht ist üblicherweise ebenfalls eine fer- romagnetische Schicht und wird als Sensorschicht be- zeichnet. Die Zwischenschicht umfaßt vorteilhaft die Elemente wie Cu, Ag, Au, Mn, Cr beim GMR-Typ und Isola- toren beim TMR-Typ.

Die Funktion des Schichtsystems beruht darauf, daß die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht auf ein ex- ternes Magnetfeld reagiert, die fixierte ferromagneti- sche Schicht aber davon unbeeinflußt bleibt. Die Magne- tisierungsrichtung der fixierten Schicht wird durch die starke antiferromagnetische Wechselwirkung zwischen der

fixierten ferromagnetischen Schicht und der benachbar- ten antiferromagnetischen Schicht festgehalten.

Ein Problem bei der Herstellung eines solchen Schicht- systems besteht darin, geeignete Materialien zu finden, die sich für die antiferromagnetisch gekoppelte Fixie- rungsschicht eignen.

Ein weiteres Problem ist es, die erforderlichen ver- schiedenen magnetischen Orientierungen (kollinear und nicht-kollinear) herzustellen. Darüber hinaus ist die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht wegen der weitreichenden Wechselwirkung zwischen den Schichten regelmäßig an die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht gebunden. Dies bedeutet nachteilhaft eine nur geringe Effizienz (weniger als 20 % bei GMR und weniger als 50 % bei TMR).

Aufgabe und Lösung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schichtsystem und ein solches Schichtsystem umfassendes magnetisches Bauele- ment zu schaffen, welches eine verbesserte Fixierung der Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Schicht im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht.

Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein magne- tisches Bauelement zu schaffen, welches eine nur gerin- ge Wechselwirkung zwischen einer fixierten ferromagne- tischen Schicht und einer weiteren ferromagnetischen Sensorschicht aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein magnetisches Bauelement mit den Merkmalen des ersten Nebenanspruchs gelöst. Die weiteren Nebenansprüche of- fenbaren darüber hinaus weitere vorteilhafte Ausgestal- tungen der Erfindung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Darstellung der Erfindung Gemäß Anspruch 1 umfaßt das erfindungsgemäße Schichtsy- stem eine Fixierungsschicht und eine dazu benachbarte ferromagnetische Schicht. Diese ferromagnetische Schicht weist typischerweise 3d-Übergangsmetalle oder eine Legierung oder ein Mehrschichtsystem aus 3d- Übergangsmetallen auf. Zu den 3d-Übergangselementen zählen insbesondere Fe, Ni und Co.

Zur Fixierung der Magnetisierungsrichtung der benach- barten ferromagnetischen Schicht umfaßt die Fixierungs- schicht 4d-, bzw. 5d-Übergangselemente.

Es wurde überraschend festgestellt, daß bei einer Mate- rialkombination aus 3d-Übergangselementen der ferroma- gnetischen Schicht und 4d-, bzw. 5d-Übergangsmetallen der Fixierungsschicht die 3d-Übergangsmetalle die Größe des magnetischen Moments bestimmen, die Magnetisie- rungsrichtung hingegen durch die 4d-, bzw. 5d- Übergangsmetalle bestimmt wird.

Dabei wird die aus 3d-Übergangsmetallen bestehende, ferromagnetische Schicht durch die hohe magnetokristal- line anisotropische Energie (MAE) des 4d-bzw. 5d-

Übergangsmetalls der Fixierungsschicht fixiert. Bislang üblich ist eine starke antiferromagnetische Kopplung durch Materialien, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die magnetokristalline anisotropische Energie der erfindungsgemäßen Schicht bewirkt eine vor- teilhafte Kopplung (Fixierung) der Magnetisierungsrich- tung der fixierten ferromagnetischen Schicht.

Die Magnetisierungsrichtung verläuft im allgemeinen entlang einer kristallinen Vorzugsrichtung und/oder wird durch die makroskopische Struktur eines magneti- schen Objekts bestimmt. Diese Eigenschaft heißt magne- tokristalline Anisotropie. Die Energie, die benötigt wird, um die Ausrichtung vom Zustand der geringsten Energie zu dem der höchsten Energie zu ändern ist die anisotropische Energie. Diese anisotropische Energie resultiert aus relativistischen Effekten, insbesondere der Dipol-Dipol und der Spin-Orbit Wechselwirkung. Die magnetische Anisotropie, ausgedrückt in magnetischen Einheiten, liegt in der Größenordnung von 0,01 bis 10 MJ/m3.

Als besonders vorteilhaft geeignete 4d-Übergangsele- mente für die Fixierungsschicht sind dabei nach An- spruch 2 die Elemente Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und Ruthenium (Ru) zu nennen.

Als vorteilhaft geeignete 5d-Übergangselemente nach Anspruch 3 sind die Elemente Wolfram (W), Renium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir) und Platin (Pt) zu nennen.

Sowohl die 4d-, als auch die 5d-Übergangselemente wei- sen eine hohe magnetokristalline anisotropische Energie (MAE) auf, und ermöglichen so auf einfache Weise die Fixierung der Magnetisierungsrichtung der benachbarten ferroelektrischen Schicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die 4d-, bzw.

5d-Übergangsmetalle umfassende Fixierungsschicht nach Anspruch 4 als Dünnschicht ausgebildet. Darunter ist eine Schicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 10 Atom- lagen zu verstehen.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Fixierungsschicht vorteilhaft nach Anspruch 5 als eine Monolage ausgebil- det. Schon eine Monolage der 4d-oder 5d-Übergangs- elemente führt zu der erfindungsgemäßen Fixierung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht.

Diese Ausführungsform ist deshalb besonders material- sparend und ermöglicht insbesondere eine sehr kompakte Bauweise der Fixierungsschicht. Vorteilhaft können auch magnetische Bauelemente, die dieses Schichtsystem um- fassen, entsprechend kompakt ausgestaltet werden.

Durch die Verwendung von 5d-Übergangsmetallen (oder auch einiger 4d-Übergangsmetalle) für die Fixierungs- schicht vereinfacht sich zudem der Herstellungsprozeß, weil schon eine einzige Atomlage von 5d-Übergangs- metallen (oder auch einiger 4d-Übergangsmetalle) aus- reicht, um die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht (z. B. eines Dünnfilms aus 3d-Übergangsmetal- len) festzulegen.

Die magnetische Anisotropie bei der Materialkombination aus 3d-und 4d-, bzw. 5d-Übergangsmetallen ist aufgrund der großen Spin-Orbital Konstante und dem kleinen Spin- Splitting sehr groß.

Die Anisotropie reagiert dabei regelmäßig empfindlich auf die Feinstruktur der Ladungsdichte der 4d-, bzw.

5d-Übergangselemente in der Nähe der Fermi-Energien.

Durch die erfindungsgemäße Kombination einer 3d-Über- gangselemente umfassenden ferromagnetischen Schicht und einer 4d-und/oder 5d-Übergangselemente umfassenden Fixierungsschicht läßt sich die Stärke und die Richtung der magnetokristallinen Anisotropie der Fixierungs- schicht einstellen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Theorie basiert auf exakter Berechnung des Anteils der Spin-Orbit Wechsel- wirkung am Magnetfeld. Dieser Anteil der Spin-Orbit Wechselwirkung an der magnetischen Anisotropie ist be- sonders groß an der Oberfläche und ist dominierend für die magnetische Anisotropie bei Dünnfilmen. Die indu- zierende magnetokristalline Anisotropie von 5d-Über- gangsmetallen (und einiger 4d-Übergangsmetalle) ist groß genug, um die Magnetisierungsrichtung der fixier- ten Schicht festzuhalten. Deshalb ist die Wechselwir- kung zwischen der Sensorschicht und der fixierten Schicht vorteilhaft sehr gering.

Unterschiedliche magnetische Konfigurationen (kollinea- re und nicht-kollineare Sensorschicht und fixierte

Schicht) lassen sich einfach durch geeignete Wahl der Materialien herstellen. Die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht ist dabei unabhängig von der Magnetisie- rungsrichtung der fixierten Schicht, solange die Zwi- schenschicht ausreichend dick ist. Unter ausreichend dick ist dabei insbesondere dicker als 1, 0 nm zu ver- stehen. Das bedeutet, daß es wegen der hohen magneto- kristallinen Anisotropieenergie des 5d-Übergangsmetalls keine Wechselwirkung zwischen der Sensorschicht und der fixierten Schicht gibt.

Eine andere Anwendung ist die Steigerung der Effizienz des GMR-und TMR-Effektes. Das geschieht durch die An- wendung eines Momentfilters. Ein Momentfilter läßt die polarisierten d-Elektronen durch die GMR-und TMR- Anordnungen passieren, ist aber undurchlässig für unpo- larisierte s und p Elektronen.

In einer vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements beträgt die magnetokristalline anisotropi- sche Energie der Fixierungsschicht (aus 5d-Übergangs- metallen oder auch einigen 4d-Übergangmetallen) etwa 10-20 meV. Dies ist ungefähr 100 mal mehr, als die ma- gnetokristalline anisotropische Energie der Sensor- schicht (Dünnfilm aus 3d-Übergangsmetall). Diese hohe Energie dominiert die magnetokristalline anisotropische Energie der fixierten Schicht und hält somit ihre Magnetisierungsrichtung fest.

Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 : Schichtaufbau für einen erfindungsgemäßen Magnetsensoren mit einer Fixierungsschicht aus 5d-Übergangselementen. Diese Ausführungs- form weist eine Fixierungsschicht auf. Die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht und der fixierten Schicht sind durch entsprechen- de Vektorgraphiken dargestellt.

Figur 2 : Schichtaufbau für einen erfindungsgemäßen Magnetsensoren mit einer Fixierungsschicht aus 5d-Übergangselementen. Diese Ausführungs- form weist zwei Fixierungsschichten auf. Auch hier ist die Magnetisierungsrichtung der Sen- sorschicht und der fixierten Schicht durch entsprechende Vektorgraphiken dargestellt.

In diesen Anordnungen (Figur 1 und Figur 2) sind die Sensorschichten 1 nicht an die fixierten Schichten 3 gekoppelt, so daß die Magnetisierungsrichtung der Sen- sorschichten 1 und der fixierten Schichten 3 unter- schiedlich sein können und sich kollineare wie auch nicht kollineare Anordnungen einfach verwirklichen las- sen.

Figur 3 : Periodische Anordnung von erfindungsgemäßen Schichtaufbauten nach Figur 1 für reale Magnetsensoren Figur 4 : Periodische Anordnung von erfindungsgemäßen Schichtaufbauten nach Figur 2 für reale Magnetsensoren

Ausführungsbeispiele Wie in Figur 1 für einen einzelnen GMR- (oder TMR-) Sensor dargestellt wird, gibt es eine fixierte Schicht 3 (aus 3d-Übergangsmetallen) aus einer Atomlage unmit- telbar neben der Fixierungsschicht 4 aus 5d-Übergangs- metallen oder auch aus einigen 4d-Übergangsmetallen.

Die Fixierungsschicht 4 besteht vorteilhaft entweder aus einer einzelnen atomaren Schicht, einem Dünnfilm, einer Legierung oder auch einem Mehrschichtensystem. In der hier dargestellten Ausführung besteht die fixierte Schicht 4 nur aus einer einzelnen Lage von Atomen, weil sonst die hohe magnetische anisotropische Energie zu schwach würde. Es sind verschiedene magnetische Konfi- gurationen möglich wie, z. B. Fe für die Sensorschicht 1 und eine einzelne Lage von Fe Atomen auf W für die fixierte Schicht 3. Die nicht-kollineare Ausrichtung kommt zustande, weil die Sensorschicht l (MAE ca.

0,1 meV) senkrecht zur Ebene mit der hohen magnetischen Anisotropie liegt, während die fixierte Schicht 3 mit ca. 2,0 meV MAE in der Ebene liegt. Die kollineare Kon- figuration stellt sich ein, wenn für die Sensorschicht l Co anstelle von Fe verwendet wird.

Prinzipiell lassen sich beliebige Kombinationen von Magnetisierungsrichtungen (MF) und (Mp) zwischen Sen- sorschicht 1 und fixierter Schicht 3, wie in den Vek- torgraphiken der Figur 1 gezeigt, einstellen, indem man eine entsprechende Kombination von Elementen wählt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in Figur 2 dargestellt und besteht aus einer Sandwich Anordnung

(Mehrfachschichten) umfassend eine Fixierungsschicht 4, eine fixierte Schicht 3 und eine weitere Fixierungs- schicht 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die fi- xierte Schicht 3 sowohl aus einer einzelnen Atomlage als auch aus einem Dickfilm bestehen. Die Fixierungs- schicht 4 darf aber nicht dick sein (insbesondere weni- ger als 5 Atomlagen). Die magnetokristalline anisotro- pische Energie der fixierten Schicht 3 ist hier höher als in Figur 1, so daß die Zwischenlagen-Wechselwirkung sogar für sehr dünne Zwischenschichten 2 vernachlässig- bar gering ist.

Bei den beschriebenen Anordnungen läßt sich ein Moment- filter verwenden, um die Effizienz des GMR-und TMR- Effekts zu erhöhen. Dabei werden Materialien in der Weise miteinander kombiniert, daß die Zustandsdichten in der Nähe der Fermi-Energie liegen und momentabhängig sind. Beispielsweise kann man ein Material wählen, des- sen s und p Zustandsdichte nahe der Fermi-Energie nied- rig ist, die d Zustandsdichte dort aber hoch ist, so daß nur die d Zustände zum Strom beitragen.

Die tatsächlichen GMR-und TMR-Sensoren bestehen dann aus einer Anordnung von vielen einzelnen GMR-, bzw.

TMR-Sensoren, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt. In der konkreten Ausführung kann jedes der 5d-Übergangs- metalle (W, Re, Os, Ir, Pt) verwendet werden und auch jedes 4d-Übergangsmetalle (Pd, Rh, Ru) ist als Fixie- rungsschicht möglich.

In einer Anordnung, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, besteht die Schichtanordnung neben der Fixierungs-

schicht 4 aus einem Substrat 5 und einer Entkopplungs- schicht 2.

Bei dem Substrat 5 kann es sich auch um ein Schichtsy- stem (Multilayer) unter Einschluß eines Edelmetalls (Cu, Ag, Au), eines 3d-, 4d-oder auch 5d-Obergangs- metalls handeln. Für die Entkopplungsschicht 2, die manchmal auch als Zwischenschicht bezeichnet wird, sollten vorzugsweise Edelmetalle (Cu, Ag, Au) oder aber Isolatoren verwendet werden. Nicht alle 3d-, 4d-und 5d-Übergangsmetalle lassen sich geeignet für die Ent- kopplungsschicht 2 verwenden. Ein Fachmann ist jedoch in der Lage, geeignete Kombinationen für eine vorgege- bene Problemstellung herauszufinden.

Die Magnetisierung der Sensorschicht 1 (MF) hängt nur ab von der Magnetisierung der fixierten Schicht 3 (Mp).

Die Magnetisierung der Sensorschicht 1 (Mp) kommt durch die schwache Spin-Orbit Wechselwirkung der 3d-Über- gangsmetalle zustande. Bei Sensoren die aus einer Kom- bination von 3d- (fixierte Schicht) und 5d-(Fixierungs- schicht) Übergangsmetallen bestehen, bestimmen die 3d- Übergangsmetalle die Größe des magnetischen Moments, während die Magnetisierungsrichtung auf Grund der star- ken Spin-Orbit Wechselwirkung von den 5d-Übergangs- metallen bestimmt wird. Dieser Aufbau unterscheidet sich völlig von konventionellen GMR-und TMR-Materia- lien, bei denen die fixierte Schicht durch antiferroma- gnetische Kopplung fixiert wird.

Legende zu den Figuren 1 bis 4 : 1 ferromagnetische Schicht (Sensorschicht) 2 Zwischenschicht 3 ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 4 erfindungsgemäße Fixierungsschicht 5 Substrat MF Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht 1 MP Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 3 #x Magnetisierung in x-Richtung MY Magnetisierung in y-Richtung Magnetisierung in z-Richtung Magnetisierungsrichtung, ausgedrückt durch die Raumwinkel B und