DE10219323A1 - Aufbau mit Dünnschichtensystem vom XMR-Typ auf einer Puffer-Doppelschicht - Google Patents

Abstract

Der Aufbau (2) enthält ein magnetoresistives Dünnschichtensystem (3) vom XMR-Typ mit mindestens zwei Schichten (10, 11) aus magnetischem Material und einer Zwischenschicht (12) aus nicht-magnetischem Material. Dieses System (3) ist mit einer magnetischen Schicht (11a) aus einer CoFe-Legierung auf einer Puffer-Doppelschicht (8) angeordnet, die sich auf einem tragenden Unterbau (4) befindet. Die Puffer-Doppelschicht (8) besteht aus einer dem Unterbau (4) zugewandten Cu-Schicht (8a) mit einer Dicke (d8a) zwischen 3 und 50 nm, vorzugsweise 5 und 30 nm, und einer der CoFe-Schicht (11a) zugewandten, an dieser anliegenden Ru-Schicht (8b) mit einer Dicke (d8b) zwischen 2 und 50 nm, vorzugsweise 3 und 30 nm.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufbau mit einem magnetoresistiven Dünnschichtensystem vom XMR-Typ,
  
• - das zumindest zwei Schichten aus magnetischem Material enthält, die durch eine Zwischenschicht aus nicht- magnetischem Material beabstandet sind, wobei zumindest eine der magnetischen Schichten aus einer Kobalt- Eisen(CoFe)-Legierung besteht,
• - und das auf einer Puffer-Doppelschicht angeordnet ist, die sich auf einem tragenden Unterbau befindet.
• Ein Aufbau mit einem entsprechenden Dünnschichtensystem geht aus der WO 99/58994 A hervor.
• Es sind in Dünnschicht-Technik ausgebildete Mehrschichtensysteme bekannt, die einen erhöhten magnetoresistiven Effekt ΔR/R zeigen. Der magnetoresistive Effekt dieser Systeme ist dementsprechend gegenüber bekannten magnetoresistiven Einschichtensystemen mit anisotropem magnetoresistiven Effekt ("AMR"-Effekt) größer und liegt insbesondere oberhalb von 2% bei Raumtemperatur. Die bekannten Mehrschichtensysteme sind entweder giant-magnetoresistiv ("GMR") oder tunnel-magnetoresistiv ("TMR") oder colossal-magnetoresistiv ("CMR") oder zeigen eine Riesenmagnetoimpedanz bzw. einen Riesenwechselstromwiderstand ("GMI"). Die Unterschiede entsprechender Schichtensysteme sind z. B. in dem Band "XMR-Technologien"- Technologieanalyse: Magnetismus, Bd. 2 - des VDI-Technologiezentrums "Physikalische Technologien, Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46 dargelegt. Dabei stellt der Begriff "XMR-Technologien" den Oberbegriff des auf den Magnetowiderstandeffekten AMR, GMR, TMR, CMR und GMI beruhenden technischen Now-hows dar, wobei nachfolgend für einen erfindungsgemäßen Aufbau mit einem Dünnschichtensystem jedes XMR- Mehrschichtensystem in Frage kommt.
• Ein Aufbau mit einem entsprechenden Dünnschichtensystem vom XMR-Typ geht aus der genannten WO-Schrift hervor. Das Schichtensystem ist auf einem Substrat wie z. B. aus Silizium (Si) abgeschieden, das mit einer Doppelschicht aus Tantal (Ta) und Nickel-Eisen(NiFe) abgedeckt ist. Diese Doppelschicht dient als sogenannter Puffer (bzw. "Buffer"), um eine kristallographische Textur und/oder Korngröße der darauf abzuscheidenden Schichten einstellen zu können. Auf dieser Puffer-Doppelschicht ist bei dem bekannten Aufbau ein Teilsystem vom GMR- Typ aufgebracht, das eine weichmagnetische Detektions- oder Informationsschicht, eine nicht-magnetische Zwischenschicht sowie einen vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschichtteil umfasst. Bei dem bekannten Dünnschichtensystem soll dabei der Referenzschichtteil einen sogenannten künstlichen Antiferromagneten (Abkürzung: "AAF" = Artificial Antiferromagnet) darstellen. Die Ausbildung entsprechender AAF- Teilsysteme ist prinzipiell bekannt (vgl. WO 94/15223 A). Ein entsprechendes Teilsystem besteht in der Regel aus wenigstens zwei ferromagnetischen Schichten, die über eine Kopplungsschicht aus einem metallischen, nichtmagnetischem Material antiferromagnetisch gekoppelt sind. Die ferromagnetischen Schichten sind bei dem bekannten Aufbau aus CoFe-Legierungen. Zusätzlich ist noch auf der der Puffer-Doppelschicht zugewandten Seite eine antiferromagnetische Zusatzschicht aus IrMn vorgesehen. Über diese Zusatzschicht wird die ferromagnetische CoFe-Schicht auf Grund einer vorhandenen Austauschkopplung in ihrer Magnetisierung zusätzlich gepinnt, so dass das AAF-Teilsystem insgesamt magnetisch härter wird (sogenanntes "Exchange pinning" oder "Exchange biasing").
• Für Dünnschichtensysteme vom XMR-Typ wird bevorzugt als magnetisches Material CoFe eingesetzt, wenn eine erhöhte magnetische Härte bzw. Koerzitivfeldstärke H_c gefordert wird. Dabei ist es vielfach vorteilhaft, statt einer einzelnen magnetisch harten CoFe-Schicht einen künstlichen Antiferromagneten (AAF) vorzusehen. Wegen einer hohen Kopplungsstärke wird hierzu bevorzugt die Material-/Schichtkombination CoFe/Ru/CoFe eingesetzt (vgl. auch WO 01/23903 A1). Dabei ist die magnetische Stabilität bzw. die Koerzitivfeldstärke einer Einzelschicht aus CoFe bzw. eines künstlichen Antiferromagneten aus CoFe/Ru/CoFe-Schichten sehr stark von der Art des Schichtwachstums dieser Dünnfilme, d. h. von der Textur, Rauigkeit und Korngröße der Schichten abhängig. Das Schichtwachstum wiederum wird zwar zum Teil durch die Abscheidungsparameter während der Deposition beeinflusst; aber die wesentliche Prägung des Schichtwachstums wird erreicht durch die Wahl einer geeigneten Pufferschicht, auf der die CoFe- Schichten abgeschieden werden. Gemäß der eingangs genannten WO 99/58994 A dient deshalb die Doppelschicht aus Ta/NiFe als eine Keimschicht für die darauf aufzubringende IrMn-Schicht, um so über ein kohärentes Wachstum in dieser Schicht eine hinreichende Textur, Glätte und Korngröße einzustellen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufbau mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, dass auf seiner Puffer-Doppelschicht ein entsprechendes kohärentes Wachstum einer darauf folgenden CoFe-Schicht ermöglicht wird.
• Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäss soll die Puffer-Doppelschicht aus einer dem Unterbau zugewandten Kupfer(Cu)-Schicht mit einer Dicke zwischen 3 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 30 nm, und einer der CoFe-Schicht zugewandten, an dieser anliegenden Ru-Schicht mit einer Dicke zwischen 2 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 3 und 30 nm, gebildet sein.
• Es wurde erkannt, dass das Cu-Material mit der genannten Dicke für eine günstige Korngröße sorgt. Mit dem Ru-Material ist dann bereits bei verhältnismäßig geringer Schichtdicke eine Unterlage mit geeigneter Kristallstruktur für das darauf aufwachsende CoFe zu schaffen. Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass mit der angegebenen Kombination von Cu und Ru als Puffer- oder Keimschicht die Koerzitivfeldstärke und damit die magnetische Härte einer darauf aufgebrachten CoFe-Schicht oder eines Schichtenteilsystems mit einer solchen CoFe-Schicht so hoch getrieben werden kann, dass das Dünnschichtensystem gerade für bekannte Sensoreinrichtungen oder Logikbausteine in Frage kommt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen hervor.
• Für einen Aufbau nach der Erfindung kommen praktisch alle bekannten XMR-Typen (mit oder ohne Kopplung ihrer magnetischen Schichten über nicht-magnetische Schichten) in Frage. Besonders vorteilhaft werden jedoch sogenannte nicht-koppelnde "Hart-Weich-Systeme" vorgesehen, die auch als "Spin-Valve- Systeme" bezeichnet werden (vgl. "Phys. Rev. B", Vol. 43, No. 1, 1. Jan. 1991, Seiten 1297-1300). Dementsprechend besteht die eine Magnetschicht als eine Informationsschicht aus einem weichmagnetischen Material. Die andere Magnetschicht ist als ein vergleichsweise magnetisch härterer Referenzschichtteil ausgebildet. Dieser Referenzschichtteil enthält die magnetische Schicht aus der CoFe-Legierung oder besteht aus dieser. Er liegt an der Ru-Schicht der Puffer-Doppelschicht an. Insbesondere kann dabei der Referenzschichtteil als ein künstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein.
• Vorteilhaft kann der Unterbau an seiner der Puffer-Doppelschicht zugewandten Oberseite eine dünne metallische Diffusionssperrschicht aus Ta aufweisen, um so eine unerwünschte Diffusion von Material eines darunter liegenden Substrats in die Cu-Schicht und von Cu in das Substrat zu unterbinden. Hierzu reicht eine Dicke der Ta-Schicht zwischen 2 und 10 nm aus.
• Besonders geeignet für einen erfindungsgemäßen Aufbau ist ein Dünnschichtensystem vom TMR-Typ. Entsprechende Systeme zeichnen sich durch hohe Ausgangssignale und gute Temperaturbeständigkeit aus.
• Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass auf der besonderen Puffer-Doppelschicht hochkoerzitive CoFe-Schichten auszubilden sind, wenn sie einen Co-Anteil zwischen 35 und 75 Atom-% und dabei vorzugsweise einen Mindestanteil von 50 Atom-% Co aufweisen, wobei der Restanteil zumindest weitgehend (d. h. bis auf eventuell maximal 10 Atom-% an mindestens einer weiteren Komponente und/oder an Verunreinigungselementen) von der Fe- Komponente eingenommen wird.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigt
• deren Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Aufbau mit einem Dünnschichtensystem und
• deren Fig. 2 in einem Diagramm die Dicken- und Materialabhängigkeit der magnetischen Härte eines Referenzschichtteils dieses Dünnschichtensystems.
• Der in Fig. 1 angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete Aufbau nach der Erfindung weist ein Dünnschichtensystem 3 auf, bei dem von an sich bekannten Mehrschichtensystemen ausgegangen wird, die vom XMR-Typ sind und einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigen (vgl. den genannten Band "XMR-Technologien"). Dem gewählten Ausführungsbeispiel sei ein TMR- Schichtensystem 3 mit einer sogenannten "Spin-Valve"-Konfiguration zugrunde gelegt.
• Zur Erstellung dieses Aufbaus 2 wird von einer Unterlage oder einem Unterbau 4 ausgegangen, der sich beispielsweise aus einem Substrat 5, einem Substratüberzug 6 und einer darauf aufgebrachten metallischen Schicht 7 zusammensetzt. Das Substrat kann dabei z. B. aus einem metallischen Material wie Kupfer, einem keramischen Material wie Al₂O₃ oder einem halbleitenden Material wie Si bestehen. Im Falle der angenommenen Verwendung eines Si-Substrats 5 ist dieses im Allgemeinen mit einem Überzug 6 aus SiO₂ versehen, der eine typische Dicke d6 von etwa 500 nm hat. Vorteilhaft wird auf diesem Substratüberzug 6 eine dünne metallische Schicht insbesondere aus Ta aufgebracht, deren Dicke d7 im Allgemeinen zwischen 2 und 10 nm liegt und beispielsweise 5 nm beträgt. Diese Schicht 7 dient vorzugsweise als eine Diffusionssperre.
• Auf diesem Unterbau 4 soll eine erfindungsgemäß ausgeführte Puffer-Doppelschicht 8 angeordnet sein. Diese Doppelschicht setzt sich dabei aus einer dem Substrat 5 bzw. dem Unterbau 4 zugewandten Cu-Schicht 8a mit einer Dicke d8a zwischen 3 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 30 nm, und einer darauf befindlichen Ru-Schicht 8b mit einer Dicke d8b zwischen 2 und 50 nm, insbesondere zwischen 3 und 30 nm, zusammen.
• Es wurde erkannt, dass eine derartige Puffer-Doppelschicht vorteilhaft als Puffer- und/oder Keimschicht für ein darauf abzuscheidendes XMR-Schichtenteilsystem anzusehen ist, das als unterste, der oberen Einzelschicht 8b der Doppelschicht 8 zugewandte Schicht eine Schicht aus einer CoFe-Legierung aufweist.
• Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich bei dem XMR-Schichtenteilsystem um ein in der Figur allgemein mit 3 bezeichnetes TMR-Schichtenteilsystem handeln, das einen Spin-Valve-Aufbau hat. Dementsprechend weist dieses TMR- Schichtenteilsystem eine als "Informationsschicht bezeichnete Schicht 10 auf, die aus einem weichmagnetischen Material wie z. B. einer NiFe-Legierung besteht und deren Dicke d10 im Allgemeinen in der Größenordnung von einigen Nanometern liegt, beispielsweise 6 nm beträgt. Diese Schicht 10 wird vielfach auch als Detektions- oder Sensorschicht bezeichnet. Sie ist gegenüber einem vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschichtteil 11 durch eine Zwischenschicht 12 beabstandet, die im Fall des ausgewählten TMR-Typs aus einem isolierenden oder einem halbleitenden Material besteht. Über diese Zwischenschicht ist die weichmagnetische Schicht 10 gegenüber dem magnetisch härteren Referenzschichtteil 11 entkoppelt oder nur schwach gekoppelt. Die Zwischenschicht 12 kann deshalb als eine Entkopplungsschicht angesehen und bezeichnet werden. Sie gewährleistet, dass die weichmagnetische Schicht 10 hinsichtlich der Ausrichtung ihrer Magnetisierung praktisch frei beweglich ist, so dass diese die Funktion einer Detektionsschicht oder einer Messschicht ausüben kann. Statt einer einzigen derartigen Schicht können selbstverständlich auch entsprechend wirkende Schichtensysteme wie z. B. aus zwei ferromagnetischen Schichten oder einem System aus einer ferromagnetischen Schicht, einer nicht-magnetischen Schicht und einer ferromagnetischen Schicht (ein sogenannter "Freier synthetischer Antiferromagnet" [SAF]) vorgesehen werden.
• Für einen erfindungsgemäßen Aufbau verwendbare Legierungszusammensetzungen der einzelnen Schichten des XMR-Schichtenteilsystems sind allgemein bekannt (vgl. z. B. EP 0 490 327 A, EP 0 503 499 A). Vorzugsweise soll jedoch der Referenzschichtteil 11 zumindest aus einer Schicht aus einer CoFe- Legierung bestehen, die eine vergleichsweise größere magnetische Härte als das Material der Informationsschicht 10 besitzt. Insbesondere werden deshalb CoFe-Legierungen verwendet, deren Co-Anteil etwa 50 Atom-% ausmacht. Im Allgemeinen liegt der Co-Anteil zwischen 35 und 75 Atom-%, d. h.: Co_xFe_1-x mit 0,35 ≤ x ≤ 0,75, wobei bevorzugt Legierungen mit mindestens 50 Atom-% an Co sind. Der restliche Anteil kann Fe (unter Einschluss unvermeidbarer Verunreinigungen) sein. Gegebenenfalls kann auch ein Anteil von bis zu 10 Atom-% der Legierung von mindestens einem weiteren Element wie z. B. von Ni eingenommen werden.
• Besonders vorteilhaft kann der Referenzschichtteil 11 als ein sogenannter künstlicher Antiferromagnet (AAF) ausgebildet sein (vgl. die genannte WO 94/15223 A). Dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein entsprechendes AAF-System zugrunde gelegt. Es umfasst deshalb zwei ferromagnetische Schichten 11a und 11c, die über eine metallische Zwischenschicht 11b magnetisch gekoppelt sind. Dabei soll zumindest die der Puffer-Doppelschicht 8 zugewandte untere ferromagnetische Schicht 11a aus der CoFe-Legierung bestehen. Bekannte AAF- Systeme weisen zwei ferromagnetische Schichten aus solchen CoFe-Legierungen auf, die z. B. durch eine Ru-Zwischenschicht beabstandet sind (vgl. die genannte WO 99/58994 A).
• Gemäß einem der Fig. 1 zugrunde gelegten konkreten Ausführungsbeispiel setzt sich der Referenzschichtteil 11 aus einer unteren CoFe-Legierungsschicht 11a mit einer Dicke d11a von etwa 1,2 nm, einer darauf befindlichen Ru-Zwischen- bzw. Kopplungsschicht 11b mit einer Dicke d11b von etwa 0,9 nm und darauf befindlichen CoFe-Schicht 11c mit einer Dicke d11c von 2,2 nm zusammen. Als Legierungsmaterial für die Schichten 11a und 11c ist beispielsweise eine Co₅₀Fe₅₀-Legierung vorgesehen. Wie aus Fig. 1 ferner zu entnehmen ist, kann der gesamte Aufbau von einer Schutzschicht 13 z. B. aus TaN mit einer Dicke d13 von etwa 10 nm überzogen sein. Für das konkrete Ausführungsbeispiel ergibt sich so ein Aufbau 2 gemäß Fig. 1 auf der Grundlage eines Si-Wafers mit etwa 500 nm SiO₂ des folgenden Schichtensystems:
  Ta5 nm/Cu20-30 nm/Ru5-30 nm/CoFe1,2 nm/Ru0,9 nm/CoFe2,2 nm/Al₂O₃1,5 nm/NiFe6 nm/TaN10 nm.
• Der mit einer Verwendung der erfindungsgemäß ausgeführten Puffer-Doppelschicht verbundene Effekt ist aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich. Die in diesem Diagramm gezeigten Kurven wurden mit einem künstlichen Antiferromagneten AAF der Schichtenfolge CoFe1,5 nm/Ru0,9 nm/CoFe2,2 nm gewonnen, wie er für einen Aufbau nach Fig. 1 vorgesehen sein kann. Hierzu wurden in Experimenten entsprechende Schichtenteilsysteme 11 durch Sputtern auf Puffer-Doppelschichten 8 mit verschiedenen Dicken von Cu (d8a: 0-30 nm) und Ru (d8b: 0-30 nm) abgeschieden, wobei sich die Doppelschichten jeweils auf einer diffusionsmindernden Schicht 7 aus 5 nm Ta befanden. Die Kurven zeigen jeweils die magnetische Härte in Form der Koerzitivfeldstärke H_c (gemessen in kA/m) als Funktion der jeweils variierenden Schichtdicke d8a der Cu-Schicht 8a (gemessen in nm). Wie aus dem Verlauf der einzelnen Kurven erkennbar ist, wird ohne eine Cu-Schicht 8a ein H_c-Wert von höchstens 20 kA/m erreicht, während ohne eine Ru-Schicht 8b der H_c-Werte 30 kA/m kaum überschreitet. Erst mit 30 nm Cu zusammen mit 10 bis 30 nm Ru liegen die H_c-Werte über 60 kA/m. Nur mit einer solch hohen Koerzitivfeldstärke H_c kann ein als Referenzschichtteil 11 dienender künstlicher Antiferromagnet vorzugsweise in magnetischen Sensoren oder Logikbausteinen zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil eines Einbaus einer Keimschicht aus Ruthenium liegt darin begründet, dass dieses Material für einige Materialien wie z. B. Cu als Diffusionssperre wirken kann.

Claims (9)

1. Aufbau mit einem magnetoresistiven Dünnschichtensystem vom XMR-Typ,

- das zumindest zwei Schichten aus magnetischem Material enthält, die durch eine Zwischenschicht aus nicht- magnetischem Material beabstandet sind, wobei zumindest eine der magnetischen Schichten aus einer CoFe-Legierung besteht,

- und das auf einer Puffer-Doppelschicht angeordnet ist, die sich auf einem tragenden Unterbau befindet,

dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht-Doppelschicht (8) aus einer dem Unterbau (4) zugewandten Cu-Schicht (8a) mit einer Dicke (d8a) zwischen 3 und 50 nm und einer der CoFe-Schicht (11a) zugewandten, an dieser anliegenden Ru-Schicht (8b) mit einer Dicke (d8b) zwischen 2 und 50 nm gebildet ist.

2. Aufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Dicke (d8a) der Cu-Schicht (8a) zwischen 5 und 30 nm.

3. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Dicke (d8b) der Ru-Schicht (8b) zwischen 3 und 30 nm.

4. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Magnetschicht als eine Informationsschicht (10) aus einem weichmagnetischen Material besteht und dass mit der anderen Magnetschicht ein vergleichsweise magnetisch härterer Referenzschichtteil (11) ausgebildet ist, der die magnetische Schicht (11a) aus der CoFe-Legierung enthält oder aus dieser besteht.

5. Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzschichtteil (11) als ein künstlicher Antiferromagnet ausgebildet ist.

6. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (4) an seiner der Puffer-Doppelschicht (8) zugewandten Oberseite eine dünne metallische Diffusionssperrschicht (7) aus Ta aufweist.

7. Aufbau nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Ta-Schicht mit einer Dicke (d7) zwischen 2 und 10 nm als Diffusionssperrschicht (7).

8. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dünnschichtensystem (3) vom TMR-Typ.

9. Aufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine CoFe-Schicht aus einer CoFe-Legierung, die einen einen Co-Anteil zwischen 35 und 75, dabei vorzugsweise einen Mindestanteil von 50 Atom-% Co, aufweist, wobei der Restanteil zumindest weitgehend von der Fe- Komponente eingenommen ist.