Stand der Technik Bekannt ist die Nutzung der Austauschkopplung zwischen Ferromagneten und Antiferromagneten (AFM) oder künstlichen Antiferromagneten (AAF-"Artificial Anti Ferromagnet") zum Festhalten von Magnetisierungen in magnetischen Schichtsystemen.

Bauelemente in der Magnetsensorik oder Spinelektronik benötigen in den meisten Fällen eine raumfeste Referenzmagnetisierungsrichtung. Dazu wird häufig die magnetische Ankopplung an eine sogenannte"Ankerschicht"ausgenutzt. Diese Ankerschicht kann aus einem Hartmagneten, einem natürlichen oder künstlichen Antiferromagneten bestehen. Durch die Austauschkopplung zwischen Ferromagnet und Ankerschicht wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht räumlich fixiert.

Diese Ankerschicht selbst muss ebenfalls magnetisch ausgerichtet werden. Dazu werden je nach Materialeigenschaften der Ankerschicht bislang die folgenden Verfahren genutzt : - Schichtabscheidung in einem externen Magnetfeld - Thermische Nachbehandlung in einem externen Magnetfeld - Feldkühlung nach lokaler Laserbestrahlung.

In allen drei Fällen wird eine effektiver Feldkühlung (field cooling) durchgeführt, das heißt, das System Ferromagnet/Ankerschicht wird von einem Zustand oberhalb der kritischen Kopplungstemperatur (Blocking-Temperatur TB) bei anliegendem Magnetfeld in einem gekoppelten Zustand überführt. Dadurch wird eine homogene, durch das Magnetfeld erzwungenen Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht durch direkte Austauschkopplung in die Spinkonfiguration der antiferromagnetischen Schicht eingeprägt. Für externe Feldstärken unterhalb der Kopplungsfeldstärke bleibt die eingestellte homogene Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht erhalten und dient somit als Referenzmagnetisierung.

Von den oben angeführten Verfahren ist nur das letztgenannte in der Lage, Referenzmagnetisierungen im Bereich des Fokus eines Laserstrahls lokal zu ändern.

Die Nachteile der bekannten Verfahren bestehen darin, dass, mit Ausnahme des Laserverfahrens, nicht mehrere Referenzrichtungen in beliebigen Richtungen zueinander gleichzeitig realisiert werden können. Dies ist für die Funktionsweise komplexerer magnetoelektrischer Bauelemente, wie z. B. Winkelsensoren erforderlich.

Und schließlich sind nachträgliche Prozessschritte zur Ausrichtung des AFM notwendig und kompliziert und nur in Grenzen mit der Mikrominiaturisierung verträglich.

Weiterhin ist bekannt, dass in weichmagnetischen Schichtelementen die Magnetisierung entlang den Elementkanten orientiert ist, um Streufelder zu vermeiden. Dadurch ergibt der magnetische Fluss eine geschlossenen Konfiguration.

Wie van den Berg herausgefunden hat, bleibt die Magnetisierung auch im Inneren des Elementes parallel zur am nächsten gelegenen Elementkante. In Punkten, die den gleichen Abstand zu zwei Elementkanten haben, stoßen die verschiedenen magnetischen Bereiche zusammen. Dadurch entsteht ein Zustand mit homogenen magnetischen Domänen, die durch Domänenwände getrennt sind.

Es ist bekannt, dass voneinander getrennte Elemente bei hinreichend kleinem Abstand über ihr Streufeld miteinander wechselwirken. Um einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen, nehmen benachbarte Elemente Magnetisierungskonfigurationen ein, die einem geschlossenen magnetischen Fluss nahekommen und nur geringe Streufelder verursachen.

Darlegung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehe in der Angabe eines Verfahrens zum Festlegen von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wobei die Referenzrichtungen hinsichtlich Anzahl und Raumrichtung beliebig gewählt werden können.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in Schichtsystemen, wird mindestens eine hart-und/oder weichmagnetische Schicht hergestellt, indem eine hart-und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert wird und vor oder während oder nach einer ein-oder mehrstufigen Wärmebehandlung die hart-und/oder weichmagnetische Schicht auf mindestens eine antiferromagnetische Schicht in direkten Kontakt gebracht wird. Die Wärmebehandlung wird dabei mit einer Temperaturerhöhung mindestens bis über die Kopplungstemperatur durchgeführt. Anschließend wird das Schichtsystem abgekühlt.

Vorteilhafterweise wird das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung ohne Anlegen eines Magnetfeldes abgekühlt, damit sich der entmagnetisierte Zustand oder der remanente Zustand ungestört als Referenzmagnetisierung einprägt.

Es ist weiterhin vorteilhaft das Schichtsystem nach der Wärmebehandlung in einem äußeren Magnetfeld abzukühlen, um einen durch das Feld veränderten entmagnetisierten oder remanenten Zustand als Referenzmagnetisierung einzuprägen.

Vorteilhafterweise werden die Schichten mit lateralen Ausdehnungen im Mikro-und Nanometer-Bereich und Schichtdicken im Nanometer-Bereich hergestellt.

Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Schichten mit gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung über die Kopplungstemperatur erwärmt und anschließend ohne ein Magnetfeld abgekühlt werden.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Festlegung von Referenzmagnetisierungen in magnetoresistiven Sensorelementen oder magnetoresistiven Schaltelementen basierend auf einem anisotropen Magnetwiderstand oder auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektions-Magnetwiderstand oder in aktiven magnetoelektronischen Bauelementen basierend auf einem Riesenmagnetwiderstand oder auf einem Tunnelmagnetwiderstand oder auf einem Spininjektions-Magnetwiderstand angewandt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu Anfang eine hart-und/oder weichmagnetische Schicht geometrisch strukturiert. Dies kann mit aus der Mikroelektronik bekannten Verfahren, wie beispielsweise lithografische Verfahren erfolgen. Durch diese geometrische Strukturierung werden die Form, Anzahl und Anordnung dieser geometrischen Elemente zueinander bestimmt. Dieser Verfahrensschritt hat maßgeblichen Einfluss auf die Magnetisierungsrichtung der hart-und/oder weichmagnetischen Schicht, da durch die Wahl der geometrischen Form entsprechend dem gefundenen Prinzip von van den Berg die Magnetisierungsrichtung innerhalb der jeweiligen Form bestimmt wird. Innerhalb einer Form bilden sich Domänen aus, deren Magnetisierung parallel zur nächstliegenden Kante ausgerichtet ist. Alternativ kann die Streufeldwechselwirkung benachbarter Elemente zur Ausbildung gewünschter Domänenmuster genutzt werden.

Somit können durch Anzahl, Form und/oder Anordnung zueinander beliebig viele Referenzrichtungen und beliebig unterschiedliche Referenzrichtungen in einem Schichtsystem hergestellt werden.

Nach der geometrischen Strukturierung wird durch die Erwärmung über die Kopplungstemperatur erreicht, dass sich die Magnetisierungskonfigurationen in der durch die Temperaturerhöhung freien hart-und/oder weichmagnetischen Schicht entsprechend den Domänenelementen einstellen können. Bei dem anschließenden Kühlen ohne Anlegen eines Magnetfeldes übernimmt die antiferromagnetische Schicht die Magnetisierungskonfiguration der hart-und/oder weichmagnetischen Schicht. Damit weist das Schichtsystem eine einheitliche Magnetisierungskonfiguration auf.

Es ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass die hart- und/oder weichmagnetische Schicht allein der Wärmebehandlung unterzogen wird und erst während oder nach dem Abkühlen auf eine antiferromagnetische Schicht aufgebracht wird. Auch hier übernimmt die antiferromagnetische Schicht die Magnetisierungskonfiguration der hart-und/oder weichmagnetischen Schicht.

Für den Fall, dass die hart-und/oder weichmagnetische Schicht erst nach der Herstellung der antiferromagnetischen Schicht aufgebracht wird oder werden kann, kann deren Strukturierung beispielsweise durch ein Wechselmaskenverfahren oder lithographisch kontrolliertes lonenätzen erfolgen.

Bei Vorhandensein der antiferromagnetischen Schicht während der Wärmebehandlung wird die Magnetisierung des Antiferromagneten nicht von einem angelegten Magnetfeld bestimmt, sondern durch die Magnetisierung der austauschgekoppelten ferromagnetischen Schicht.

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, während der Wärmebehandlung ein Magnetfeld anzulegen. Ein abklingendes magnetisches Wechselfeld kann dabei das Einstellen des Musters nach der Beschreibung von van den Berg begünstigen. Ein hinreichend starkes magnetisches Gleichfeld kann gezielt remanente Magnetisierungszustände hervorrufen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass die Domänenmuster der hart-und/oder weichmagnetischen Schicht auch bei höheren Temperaturen erhalten bleiben und somit das Verfahren auch mit der Temperaturbehandlung zur Erzeugung eines antiferromagnetischen Zustandes, wie z. B. bei PtMn und ähnlichen Substanzen, kompatibel ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren festgelegten Referenzmagnetisierungen regenerierbar sind (Selbstheilung). Dies ist nur durch ein erneutes Erwärmen des Schichtverbundes über die Kopplungstemperatur realisierbar. Damit werden zerstörte Magnetisierungen oberhalb der Kopplungstemperatur wieder eingestellt und können nach Abkühlung wieder als Referenzmagnetisierungen dienen.

Bei der Miniaturisierung magnetoelektronischer Bauelemente kann das erfindungsgemäße Verfahren gut eingesetzt werden, da es über einen weiten Skalierungsbereich anwendbar ist. Insbesondere im Submikrometerbereich ist eine zuverlässige Festlegung der Referenzmagnetisierung erreichbar.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt : Fig. 1 eine typische Magnetisierungskonfiguration einer ferromagnetischen Schicht und einer antiferromagnetischen Schicht a) vor einer Wärmebehandlung b) bei T > TB, mit TB-Kopplungstemperatur c) nach einer Wärmebehandlung (die Schichten sind zur besseren Einsicht getrennt gezeichnet) und Fig. 2 eine kerrmikroskopische Aufnahme von 4 ellipsenähnlich strukturierten Elementen, wobei bei den schwarzen Elementen die Magnetisierung nach unten zeigt und bei den weißen Elementen nach oben.

Beispiel 1 Für einen 360° GMR-Winkelsensor werden zueinander rechtwinklige Referenzmagnetisierungen benötigt. Dazu wird auf Silicium zunächst eine 10 nm dicke FeMn-Schicht als Ankerschicht und darauf eine 100 nm dicke ferromagnetische Ni8rFerg-Schicht abgeschieden. Mit Hilfe von lithographischen Techniken werden Quadrate der Kantenlänge 24 um strukturiert. Die ferromagnetische Schicht muss außerhalb der Struktur vollständig entfernt werden. Dann erfolgt die Wärmebehandlung bei 200 °C. Wenn die Temperatur von 200 °C erreicht ist, wird die Probe in einem abklingenden Magnetfeld der Maximalamplitude von 1 kA/cm entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration gemäß Abb. 1.

Beispiel 2 Magnetoresistive Magnetfeldsensoren werden vorteilhaft in Wheatson- Brückenschaltung ausgeführt. Um die zueinander inversen Signale der Einzelelemente der Wheatstone-Brücke zu realisieren, werden zueinander antiparallele Referenzmagnetisierungen benötigt. Eine Doppelschicht, bestehend aus 10 nm FeMn und 100 nm NieiFeie, wird auf eine Siliciumsubstrat aufgestaubt.

Während der Schichtabscheidung liegt ein homogenes Magnetfeld der Stärke 240 A/cm an. Im darauffolgenden Lithographieschritt werden 4 Elemente einer ellipsenähnlichen Form mit den lateralen Abmessungen von 100 um x 20 um strukturiert. Die Elemente sind parallel zueinander und zur Feldrichtung während der Schichtabscheidung ausgerichtet und liegen nebeneinander mit einem Abstand von 30 um. Jetzt erfolgt die Wärmebehandlung bei 200 °C. Wenn die Temperatur von 200 °C erreicht ist, wird die Probe in einem diagonal zur Elementachse ausgerichteten, abklingenden Feld der Maximalamplitude von 1 kA/cm entmagnetisiert und anschließend ohne Magnetfeldeinwirkung auf Raumtemperatur gekühlt. Das Schichtsystem zeigt jetzt eine stabile Magnetisierungskonfiguration, wie in Abb. 2 dargestellt.