DE102004047411B3

DE102004047411B3 - Magnetic storage layer system

Info

Publication number: DE102004047411B3
Application number: DE200410047411
Authority: DE
Inventors: Torsten Klein; Ralf Dr. Röhlsberger; Eberhard Prof. Dr. Burkel; Kai Schlage
Original assignee: FUNKTIONALE MATERIALIEN ROSTOC; FUNKTIONALE MATERIALIEN ROSTOCK EV
Current assignee: FUNKTIONALE MATERIALIEN ROSTOC; FUNKTIONALE MATERIALIEN ROSTOCK EV
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: WO2006034673A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Schichtsystem, umfassend zwei magnetisierbaren Schichten mit zumindest einer dazwischen angeordneten nicht magnetisierbaren Schicht, ein magnetisches Speichersystem, aufweisend Schreib- und/oder Leseköpfe, Festplatten oder MRAM, aufweisend das magnetische Schichtsystem, und deren Verwendung zum Speichern digitaler und/oder analoger Informationen.The invention relates to a magnetic layer system comprising two magnetizable layers with at least one non-magnetizable layer arranged therebetween, a magnetic memory system comprising write and / or read heads, hard disks or MRAM, comprising the magnetic layer system, and their use for storing digital and / or analog information.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein magnetisches Schichtsystem umfassend zwei magnetisierbare Schichten mit zumindest einer dazwischen angeordneten nicht magnetisierbaren Schicht, ein magnetisches Speichersystem aufweisend Schreib- und oder Leseköpfe, Festplatten oder MRAMs aufweisend das magnetische Schichtsystem und deren Verwendung zum Speichern digitaler und/oder analoger Informationen.object The invention is a magnetic layer system comprising two magnetizable layers having at least one interposed therebetween non-magnetizable layer, a magnetic storage system comprising write and / or read heads, hard disks or MRAMs comprising the magnetic layer system and its use for Store digital and / or analog information.

Magnetische Speicherschichtsysteme sind z.B. aus der Computertechnik zur Speicherung und Verarbeitung digitaler Informationen bekannt. In Festplatten werden kleinste mikromagnetische Ausrichtungen mit Hilfe von Schreib-/Leseköpfen in magnetisierbare Schichten hineingeschrieben und herausgelesen. Der Schreibkopf wirkt hierbei mit Magnetfeldern unterschiedlichen Vorzeichens je nach zu speichernder Bit 0 oder Bit 1 Information auf das Speichermedium ein, damit die Informationen vorzeichenabhängig in Abhängigkeit von der Mikromagnetisierung nachfolgend mit einem Lesekopf ausgelesen werden können. Der Betrag der beiden entgegengesetzt orientierten externen Magnetfelder beim Schreibvorgang ist dabei in der Regel im Wesentlichen konstant.magnetic Storage layer systems are e.g. from computer technology to storage and processing of digital information. In hard disks are smallest micromagnetic alignments using read / write heads in magnetizable layers written in and read out. The writing head acts here with magnetic fields of different sign ever after bit 0 or bit 1 to be stored information on the storage medium so that the information is sign-dependent as a function of the micromagnetization subsequently read out with a read head. Of the Amount of the two oppositely oriented external magnetic fields during the writing process is generally substantially constant.

Dieses Prinzip wird sowohl in Computerfestplatten (siehe z.B. US 5,523,173 ) als auch in MRAMs (Magnetic Random Access Memorys) (siehe z.B. US 5,640,343 oder US 6,710,984 ) eingesetzt, wobei sich die Verfahren in der Erzeugung der Magnetfelder zum Schreiben der Informationen und in der Art des Auslesens der Informationen unterscheiden. Eine Gemeinsamkeit liegt aber darin, dass nur die Informationen Bit 0 und Bit 1, in zueinander um 180° entgegengesetzten mikromagnetischen Ausrichtungen abgespeichert und wieder ausgelesen werden können.This principle is used both in computer hard disks (see eg US 5,523,173 ) as well as in MRAMs (Magnetic Random Access Memories) (see eg US 5,640,343 or US 6,710,984 ), wherein the methods differ in the generation of the magnetic fields for writing the information and in the manner of reading out the information. However, one common feature is that only the information bit 0 and bit 1 can be stored and read out again in mutually 180 ° opposite micromagnetic alignments.

Die kleinste magnetische Speichereinheit (Bitgröße) kann in Computerfestplatten nicht beliebig klein gewählt werden, da die zeitliche Stabilität einer mikromagnetischen Ausrichtung u.a. von deren räumlicher Ausdehnung abhängt (Superparamagnetismus). Ein weiterer begrenzender Faktor der zeitlichen Stabilität ist die magnetische Energie des Schichtsystems pro mikromagnetischer Fläche. Diesen physikalischen Grenzbereich hat der Stand der Technik im Wesentlichen erreicht, so dass deutliche Verkleinerungen der kleinsten mikromagnetischen Speichereinheiten mit den bisher verwendeten magnetischen Speichermedien nicht zu erwarten sind.The smallest magnetic storage unit (bit size) can be used in computer hard drives not chosen arbitrarily small because of the temporal stability of a micromagnetic alignment et al of their spatial extent depends (Superparamagnetism). Another limiting factor of temporal stability is the magnetic energy of the layer system per micromagnetic Area. This physical limit has the state of the art Essentially achieved, allowing significant reductions of the smallest Micromagnetic memory units with the previously used magnetic Storage media are not expected.

Im Falle von MRAMs, ist die kleinste magnetische Speichereinheit momentan noch durch das technische Know-How beim Herstellungsprozeß limitiert. Es ist aber nur noch eine Frage der Zeit, bis auch hier die oben beschriebenen physikalischen Grenzen erreicht werden.in the Case of MRAMs, the smallest magnetic storage unit is instantaneous still limited by the technical know-how in the manufacturing process. But it's only a matter of time until here too described physical limits are achieved.

So wird z.B. die Auslesegenauigkeit des elektrischen Widerstandes zwischen den magnetischen Schichten deutlich durch sogenannte „Tunnel Junctions" Elemente verbessert, wie sie in der EP 1484766-A1 offenbart sind. Dort wird vorgeschlagen eine nichtleitende Tunnelschicht zwischen die magnetischen Schichten einzubringen. Ziel ist es, die Speicherung bzw. Auslesung von zwei unterschiedlichen Speicherzuständen zu optimieren, indem zum Auslesen der Information der Tunnelstrom durch die nichtleitende Tunnelschicht gemessen wird.So is e.g. the readout accuracy of electrical resistance between the magnetic layers clearly through so-called "tunnel Junctions "Elements improved, as disclosed in EP 1484766-A1. There will proposed a non-conducting tunnel layer between the magnetic To bring in layers. The goal is to store or read from optimizing two different memory states by using Reading out the information of the tunneling current through the nonconductive Tunnel layer is measured.

Die DE 10358964-A1 betrifft ebenso einen MRAM und dessen Herstellungsverfahren. Der Herstellungsprozess von MRAMs soll verbessert werden, indem ein vertikalstrukturierter Feldeffekttransistor (FET) zum Verbinden der Speicherzellen mit der Bitleitung verwendet wird. Es wird der Prozessschritt zur Isolierung der einzelnen Speicherzellen eingespart, um die Geschwindigkeit des MRAM zu erhöhen und eine hohe Integration zu erreichen.The DE 10358964-A1 also relates to an MRAM and its production method. The manufacturing process of MRAMs is to be improved by: a vertically structured field effect transistor (FET) for connection the memory cell is used with the bit line. It will be the Saved process step for the isolation of the individual memory cells, to increase the speed of MRAM and high integration to reach.

Eine weitere Möglichkeit, den Flächenbedarf einer MRAM-Speicherzelle zu verringern, wird in der EP 1148511-A2 aufgezeigt. Hier ist die Ansteuerlogik nicht peripher angeordnet sondern unterhalb des Speicherzellenfeldes im Halbleitersubstrat integriert. Um sowohl die Geschwindigkeit des MRAMs als auch seine Intergrationsdichte zu erhöhen, können die gesamten Speicherzellen durch Verwendung eines Substrates als Erdanschluss und eines vertikal strukturierten Feldeffekttransistors (FET) zum Verbinden der Zellen mit der Bitleitung verbunden werden.A another possibility the space requirement of an MRAM memory cell is described in EP 1148511-A2 demonstrated. Here, the drive logic is not arranged peripherally but below the memory cell array in the semiconductor substrate integrated. To both the speed of the MRAM and his Increase integration density, can the entire memory cells by using a substrate as Ground terminal and a vertically structured field effect transistor (FET) for connecting the cells to the bit line.

Eine Möglichkeit nicht gewollte Ummagnetisierungsprozesse zu verhindern, z.B. hervorgerufen durch das Ummagnetisieren von Nachbarzellen, wird in der DE 10158795 A1 aufgezeigt. Hier wird ein Referenzstützfeld, erzeugt durch ein Referenzmagnetisierungsstrom, vorgeschlagen. Ziel dieses Anmeldung ist es, die relative Widerstandsänderung (zwischen den Informationen 0 und 1) zu erhöhen. Durch Schreibvorgänge können z.B. die Informationen von nicht direkt angesteuerten Zellen gelöscht werden. Dieses Problem wird durch einen sogenannten Referenzstrom verhindert, der ein Referenzstützfeld erzeugt, so dass die untere Schicht immer die gleiche Magnetisierungsrichtung behält und nicht zufällig ummagnetisiert werden kann.A possibility not to prevent unwanted Ummagnetisierungsprozesse, eg caused by the remagnetization of neighboring cells, is in the DE 10158795 A1 demonstrated. Here, a reference support field generated by a reference magnetization current is proposed. The aim of this application is to rela tive resistance change (between the information 0 and 1). Write operations can be used, for example, to delete information from cells that are not directly addressed. This problem is prevented by a so-called reference current, which generates a reference support field, so that the lower layer always retains the same magnetization direction and can not be randomly magnetized.

Oben aufgezeigtem Stand der Technik ist im Unterschied zu vorliegenden Erfindung gemeinsam, dass jeweils nur zwei unterschiedliche Magnetisierungszustände pro MRAM-Speicherzelle abgespeichert werden können. Darüber hinaus ist der Aufbau der Speicherschichten ein anderer.Above As shown in the prior art is unlike present Invention in common that in each case only two different magnetization states per MRAM memory cell can be stored. About that In addition, the structure of the storage layers is different.

Das hier vorgestellte magnetische Schichtsystem und Schreib/Leseverfahren soll einen Weg aufzeigen, wie trotz räumlicher Begrenzung der kleinsten mikromagnetischen Ausrichtungen, die Speicherdichte in Computerfestplatten oder MRAMs wesentlich erhöht werden kann.The here presented magnetic layer system and write / read method should show a way, as despite spatial limitation of the smallest micromagnetic alignments, the storage density in computer hard drives or MRAMs significantly increased can be.

Mit Hilfe der bisher verwendeten Speicherschichtsysteme lassen sich nur zwei verschiedene magnetische Zustände (Bit 0 und Bit 1) pro Speichereinheit abspeichern, abhängig von der Orientierung des externen Magnetfeldes. Für analoge Anwendungen, die mehr als zwei Informationszustände aufweisen, können die bisherigen Speicherschichtsysteme nicht verwendet werden bzw. die analoge Information muss zunächst in eine digitale Information, Bit 0 und Bit 1, transformiert werden. Das bedeutet, dass immer der Prozessschritt der Umwandlung von analog in digital und zurück in analog durchgeführt werden muss, um analoge Signale zu verarbeiten und abzuspeichern. Dies hat nicht nur Nachteile bezüglich der Speicherdichte sondern auch solche bezüglich des benötigten Aufwands an Rechenleistung.With Help the previously used storage layer systems can be only two different magnetic states (bit 0 and bit 1) per memory unit save, depending from the orientation of the external magnetic field. For analog Applications that have more than two information states can use the Previous storage layer systems are not used or the analogue information must first into a digital information, bit 0 and bit 1, are transformed. This means that always the process step of the conversion of analog in digital and back carried out in analog must be used to process and store analog signals. This not only has disadvantages regarding the storage density but also with respect to the required effort at computing power.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit Hilfe eines neuen magnetischen. Schichtsystems und eines neuen Schreib-/Leseverfahrens mehr als zwei unterschiedliche magnetische Ausrichtungen des Magnetfeldes in einer magnetischen Schicht abzuspeichern. Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Mikromagnetisierungen sollen im Wesentlichen ausschließlich vom Betrag eines externen Magnetfeldes abhängen und vorzugsweise nicht von der Richtung des Feldvektors.It The object of the invention, with the help of a new magnetic. Layer system and a new read / write method more than two different magnetic orientations of the magnetic field store in a magnetic layer. The different ones Alignments of the micromagnetizations are intended to be essentially exclusively of Depend on the amount of an external magnetic field and preferably not from the direction of the field vector.

Weiterhin beinhaltet die Aufgabe, mit Hilfe des neuen Speicherschichtsystems und des neuen Schreib-/Leseverfahrens, die Speicherdichte für digitale Informationen zu erhöhen, sowie analoge Signale direkt abzuspeichern und wieder auszulesen, ohne den Prozessschritt analog in digital und zurück in analog durchführen zu müssen. Der Betrag des externen Magnetfeldes kann direkt durch ein analoges oder indirekt durch ein aus digitalen Daten zusammengesetztes Signal bestimmt sein. Die abgespeicherten Daten, die als unterschiedliche mikromagnetische Ausrichtungen vorliegen, sollen mit Hilfe von Magnetowiderstandseffekten (GMR/TMR) oder mit magneto-optischen Methoden (z.B. MOKE) wieder ausgelesen werden können.Farther includes the task with the help of the new storage layer system and the new read / write method, the storage density for digital To increase information as well as to store and read out analog signals directly, without performing the process step analog in digital and back in analog have to. The amount of external magnetic field can directly by an analog or indirectly by a signal composed of digital data be determined. The stored data, as different micromagnetic orientations are to be determined by means of magnetoresistance effects (GMR / TMR) or read back by magneto-optical methods (e.g., MOKE) can be.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein magnetisches Schichtsystem gemäß Anspruch 1 gelöst, das zwei unterschiedliche ferromagnetische Schichten (FM1, FM2) aufweist, die durch zumindest eine nichtmagnetische Zwischenschicht (NM) beabstandet sind. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche oder nachfolgend beschrieben.The The object underlying the invention is achieved by a magnetic Layer system according to claim 1 solved, the two different ferromagnetic layers (FM1, FM2) having, by at least one non-magnetic intermediate layer (NM) are spaced apart. Preferred embodiments of the invention are the subject matter of the further claims or described below.

Die beiden magnetischen Schichten unterscheiden sich zum einen in den magnetischen Eigenschaften und zum anderen in der chemischen Zusammensetzung und/oder der atomaren Struktur bzw. in der Ordnung. Die ferromagnetische Schicht FM2 ist in ihren strukturellen und magnetischen Eigenschaften im Wesentlichen homogen. Sie soll sich im Speziellen dadurch auszeichnen, dass sie weichmagnetischer als die Schicht FM1 ist. Die Definition „weichmagnetisch" bezieht sich im Wesentlichen auf die weichmagnetischen Eigenschaften wie z.B. die von Fe oder Co. Die Schicht FM1 weist bezogen auf die Fläche Inhomogenitäten in den magnetischen und/oder strukturellen Eigenschaften auf. Sie besteht z.B. aus Zonen (Durchmesser: 0,5 bis 500 nm) unterschiedlicher magnetischer Anisotropie und damit unterschiedlicher Koerzitivkräften. Eine Zone ist so definiert, das sämtliche magnetische Eigenschaften innerhalb einer Zone nahezu konstant sind. Viele dieser Zonen bilden letztendlich eine (Gesamt)-Mikromagnetisierung. Insgesamt soll die Schicht FM1 härter magnetisierbar sein als die Schicht FM2. Die Definition „hartmagnetisch" bezieht sich im Wesentlichen auf die hartmagnetischen Eigenschaften wie z.B. die von FePt oder SmCo.The Both magnetic layers differ on the one hand in the magnetic properties and on the other hand in the chemical composition and / or the atomic structure or in order. The ferromagnetic Layer FM2 is in their structural and magnetic properties essentially homogeneous. It should be characterized in particular by that it is more soft magnetic than the layer FM1. The definition "soft magnetic" refers to Essentially to the soft magnetic properties, e.g. the of Fe or Co. The layer FM1 has inhomogeneities in the magnetic relative to the surface and / or structural properties. It consists e.g. from zones (Diameter: 0.5 to 500 nm) of different magnetic anisotropy and thus different coercive forces. A zone is defined as all of them magnetic properties within a zone are almost constant. Many of these zones ultimately form a (total) micro-magnetization. Overall, the layer FM1 harder be magnetizable than the layer FM2. The definition "hard magnetic" refers to Essentially to the hard magnetic properties, e.g. the from FePt or SmCo.

Um räumlich begrenzte Zonen unterschiedlicher Koerzitivkräfte zu erzeugen, werden bevorzugt magnetische Nanopartikel und/oder magnetische Kristallite verwendet.Around spatial To create limited zones of different coercive forces are preferred magnetic nanoparticles and / or magnetic crystallites used.

Die Schicht FM1 weist z.B. verschiedene magnetische Nanopartikel (Durchmesser: 0,5 bis 500 nm) mit unterschiedlichen Koerzitivkräften und/oder Zonen mit unterschiedlichen kristallinen Phasen und damit unterschiedlichen Koerzitivkräften auf, wobei die Kristallitgröße der verschiedenen Phasen in der Größenordung der Nanopartikel liegt. Durch die nichtmagnetische Zwischenschicht können die magnetischen Schichten zum einen magnetostatisch durch Streufelder (Dipolfelder) oder zum anderen durch die RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung wechselwirken.The layer FM1 has eg different magnetic nanoparticles (diameter: 0.5 to 500 nm) with different coercive forces and / or zones with different crystalline phases and thus different coercive forces, wherein the crystallite size of the different phases is in the order of magnitude of the nanoparticles. The non-magnetic intermediate layer allows the magnetic layers to interact magnetostatically by stray fields (dipole field) or by the RKKY-type interlayer exchange coupling.

Eine derartige Dipolfeld-Wechselwirkung wurde von L. Nèel in C.R. Hebd. Seances Acad. Sci. 255, 1545 (1962) und die RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung wurde u.a. von P. Bruno in Phys. Rev. B, 52, 411 (1995) beschrieben. Diesbezüglich wird auf diese Literaturstellen Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht.A Such dipole-field interaction was reported by L. Nèel in C.R. Hebd. Seances Acad. Sci. 255, 1545 (1962) and the RKKY-type Interlayer exchange coupling was u.a. by P. Bruno in Phys. Rev. B, 52, 411 (1995). In this regard, is referred to these references and their disclosure content also made the subject of this application.

Die Dicke der Schichten, die Größe (das Volumen) und die Koerzitivkräfte der Kristallite (bzw. Nanopartikel) der härter magnetisierten Schichten sind i.d.R. so bemessen, dass sich durch externe Magnetfelder die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen Kristallite bzw. Nanopartikel in der Schicht FM1 verändern lassen, so dass eine biquadratische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten induziert bzw. verändert wird bzw. die bilineare und die biquadratische Kopplung durch externe Magnetfelder effektiv verändert werden kann.The Thickness of the layers, the size (the Volume) and the coercive forces the crystallites (or nanoparticles) of the harder magnetized layers are i.d.R. so dimensioned that by external magnetic fields, the magnetization directions let the individual crystallite or nanoparticles change in the layer FM1, so that a bi-quadratic coupling between the magnetic layers induced or changed or the bilinear and the biquadratic coupling by external Magnetic fields changed effectively can be.

Durch externe Magnetfelder effektiv veränderbare bilineare und biquadratische Kopplungen sind aus V.-K. Vlasko-Vlasov et al, Phys. Rev. Lett. 86, 4386 (2001) in Verbindung mit einem metallischen SmCo/Fe-Doppelschichtsystem bekannt. S.O. Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994) beschreiben eine biquadratische Kopplung, erzeugt durch einen magnetischen Dipolmechanismus, in Verbindung mit metallischen Fe/Cr/Fe-Dreifachschichtsystemen. Diesbezüglich wird auf diese Literaturstellen Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht.By external magnetic fields effectively modifiable bilinear and biquadratic Couplings are from V.-K. Vlasko-Vlasov et al, Phys. Rev. Lett. 86, 4386 (2001) in association with a metallic SmCo / Fe bilayer system known. SO. Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994) a bi-quadratic coupling, generated by a magnetic dipole mechanism, in conjunction with metallic Fe / Cr / Fe triple-layer systems. In this regard, is referred to these references and their disclosure content also made the subject of this application.

Für die Schicht FM1 des erfindungsgemäßen Speichersystems eignen sich z.B. einkristalline, z.B. epitaktisch auf Einkristallsubstraten hergestellte, polykristalline oder auch in Schichtform aufgetragene Nanopartikel, auf geeigneten anderen Speicherplattensubstraten (zB. Si-Wafer) aufgedampfte, aufgesputterte oder auf chemische Weise aufgetragene, magnetische koppelfähige Mehrfachschichtsysteme.For the shift FM1 of the storage system according to the invention are suitable e.g. monocrystalline, e.g. epitaxially on single crystal substrates produced, polycrystalline or coated in layer form Nanoparticles, on suitable other storage disk substrates (eg. Si wafers) vapor-deposited, sputtered or chemically coated, magnetic coupling multilayer systems.

Die ferromagnetische Schicht FM1 wird bevorzugt aus verschiedenen magnetischen Nanopartikeln (P1, ..., PN) mit unterschiedlichen Koerzitivkräften (K1, ..., KN) mit herkömmlichen physikalischen oder chemischen Verfahren hergestellt.The ferromagnetic layer FM1 is preferably made of different magnetic Nanoparticles (P1, ..., PN) with different coercive forces (K1, ..., KN) with conventional physical or chemical process.

Die Größe der Nanopartikel kann bevorzugt zwischen 0,5 bis 50 nm und die gesamte Schichtdicke von FM1 bevorzugt zwischen 0,5 bis 100 nm variieren. Ein gewisser Ordnungszustand der magnetischen Nanopartikel wird bevorzugt. Dieser Ordnungszustand ist aber für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Speicherschichtsystems nicht zwingend notwendig. Ein Ordnungszustand hat den Vorteil, dass genau definierte Speichereinheiten verwendet werden können. Wie oben erwähnt, kann die ferromagnetische Schicht FM1 aus magnetischen Nanopartikeln, magnetischen Kristalliten oder aus beiden zusammengesetzt sein. Für den Fall, dass die Schicht FM1 aus einer polykristallinen Schicht (z.B. FePt) besteht, können die unterschiedlichen magnetischen Phasen (P1, ..., PN) mit den jeweils unterschiedlichen Koerzitivkräften (K1, ..., KN) der Kristallite definiert werden. Die magnetischen Vorzugs richtungen (z.B. die c-Achsen der tetragonalen Phase) der Kristallite bzw. Nanopartikel können statistisch verteilt oder einheitlich orientiert sein.The Size of the nanoparticles may preferably be between 0.5 to 50 nm and the total layer thickness of FM1 preferably vary between 0.5 to 100 nm. Someone specific Order state of the magnetic nanoparticles is preferred. This But order status is for the operation of the storage layer system according to the invention not mandatory. An order state has the advantage that well-defined storage units can be used. As mentioned above, the ferromagnetic layer FM1 can be made of magnetic nanoparticles, magnetic crystallites or be composed of both. For the In that the layer FM1 is made of a polycrystalline layer (e.g. FePt) can the different magnetic phases (P1, ..., PN) with the each defined different coercive forces (K1, ..., KN) of the crystallites become. The magnetic preferred directions (e.g., the c-axes of tetragonal phase) of the crystallites or nanoparticles can be statistically distributed or uniformly oriented.

Die Größe der Kristallite kann bevorzugt zwischen 0,5 bis 50 nm und die gesamte Schichtdicke der Legierung bevorzugt zwischen 0,5 bis 100 nm variieren. Es wird bevorzugt, die einzelnen Kristallite magnetisch zu entkoppeln. Die Entkopplung kann, wie bereits industriell angewendet, durch Zugabe von nichtmagnetischen Elementen (z.B. Cr, B, ...) während des Herstellungsprozesses erfolgen. Die magnetische Entkopplung der einzelnen Kristallite ist für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Speicherschichtsystems nicht zwingend notwendig, hat aber den Vorteil, dass kleinere Speichereinheiten erreicht werden können.The Size of crystallites may preferably be between 0.5 to 50 nm and the total layer thickness of the alloy preferably vary between 0.5 to 100 nm. It will preferred to magnetically decouple the individual crystallites. The Decoupling can, as already applied industrially, by adding of non-magnetic elements (e.g., Cr, B, ...) during the Manufacturing process done. The magnetic decoupling of single crystallite is for the operation of the storage layer system according to the invention not mandatory, but has the advantage of having smaller storage units can be achieved.

Die ferromagnetische Schicht FM2 wird bevorzugt aus reinen 3d-Metallen (Fe, Co, ...) oder deren thermodynamisch stabilen Legierungen (FeCo, FeNi, ...) zur Ausnutzung von Grenzflächeneffekten, auch in Form fein geschichteter ferromagnetischer Multischichten, hergestellt. Die magnetische Anisotropie und Koerzitivfeldstärke der Schicht FM2 lässt sich in einem großen Bereich durch die Wahl der Schichtdicke, Oberflächenbeschaffenheit und Zusammensetzung während der physikalischen oder chemischen Herstellung einstellen.The Ferromagnetic layer FM2 is preferably made of pure 3d metals (Fe, Co, ...) or their thermodynamically stable alloys (FeCo, FeNi, ...) for the exploitation of interface effects, also in the form of fine layered ferromagnetic multilayers made. The magnetic anisotropy and coercivity of the layer FM2 can be in a big one Range by the choice of layer thickness, surface texture and composition while of physical or chemical production.

Als nichtmagnetische Zwischenschicht NM kann ein beliebiges nichtmagnetisches Element, eine beliebige nichtmagnetische Verbindung oder eine beliebige nichtmagnetische Legierung verwendet werden. Die nichtmagnetische Zwischenschicht NM kann sich dadurch auszeichnen, dass sie Ladungsträger enthält, wodurch eine RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten FM1 und FM2 hervorgerufen wird. Im Weiteren sollte die nichtmagnetische Zwischenschicht NM vorzugsweise die Eigenschaft besitzen, die magnetischen Streufel- der der Schichten FM1 und FM2 nicht zu beeinflussen. Die Dicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht variiert vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 100 nm. Die nichtmagnetische Zwischenschicht soll so beschaffen sein, dass Magnetowiderstandseffekte (GMR/TMR) gemessen werden können, vorzugsweise zwischen den Schichten FM1 und FM2.As the non-magnetic intermediate layer NM, any non-magnetic element, any non-magnetic compound or any non-magnetic alloy may be used. The Non-magnetic intermediate layer NM may be characterized as containing charge carriers, thereby causing RKKY-type inter-layer exchange coupling between ferromagnetic layers FM1 and FM2. Furthermore, the non-magnetic intermediate layer NM should preferably have the property of not influencing the magnetic stray fields of the layers FM1 and FM2. The thickness of the non-magnetic intermediate layer preferably varies in the range of 0.3 to 100 nm. The non-magnetic intermediate layer should be such that magnetoresistance effects (GMR / TMR) can be measured, preferably between the layers FM1 and FM2.

Weiterhin soll es möglich sein, das oben beschriebene Schichtsystem mit zusätzlichen Schichten/Schichtsystemen so zu ergänzen, dass die Magnetowiderstandseffekte verstärkt und somit die Auslesegenauigkeit optimiert wird. Im US-Patent 5620784 ist das Beispiel eines solchen Magnetowiderstandelementes aufgezeigt, das auch vorliegend eingesetzt werden kann.Farther should it be possible be, the layer system described above with additional Layers / layer systems to complement so that the magnetoresistance effects reinforced and thus the readout accuracy is optimized. In U.S. Patent 5,620,784 the example of such a magnetoresistive element is shown which can also be used here.

Das erfindungsgemäße magnetische Speicherschichtsystem und Schreib/Leseverfahren unter Verwendung derselben ermöglichen eine Erhöhung der Speicherdichte unter Verwendung von herkömmlichen magnetischen Speichersystemen wie Computerfestplatten oder MRAMs, indem jeweils zusammengesetzte digitale Daten in verschiedene mikromagnetische Ausrichtungen abgespeichert und wieder ausgelesen werden können. Die Ausrichtung (der Kopplungswinkel zwischen den magnetischen Schichten) der Mikromagnetisierung hängt nur vom Betrag des kurzzeitig erzeugten Magnetfeldes ab. Der Betrag des Magnetfeldes wird durch das aus digitalen Daten zusammengesetzte Signal bestimmt. Das abgespeicherte Signal kann mit Hilfe des GMR/TMR-Effektes oder magneto-optischen Methoden wieder ausgelesen werden. Durch das magnetische Speicherschichtsystem und Schreib/Leseverfahren lässt sich die Informationsdichte in herkömmlichen magnetischen Speicherverfahren/Speichermedien (Festplatten, MRAMs, ...) erhöhen, da die kleinsten mikromagnetischen Speichereinheiten immer aus den unterschiedlichsten Gründen räumlich begrenzt sind.The magnetic according to the invention Storage layer system and read / write method using enable the same an increase storage density using conventional magnetic storage systems such as computer hard drives or MRAMs, by assembling each one digital data stored in different micromagnetic orientations and can be read out again. The orientation (the coupling angle between the magnetic layers) the micromagnetization hangs only from the amount of short-term magnetic field. The amount the magnetic field is composed by the digital data Signal determined. The stored signal can with the help of the GMR / TMR effect or magneto-optical methods are read out again. By the magnetic memory layer system and read / write method let yourself the information density in conventional magnetic storage / storage media (hard drives, MRAMs, ...) increase, because the smallest micromagnetic storage units always from the different reasons spatial are limited.

Das Speicherschichtsystem lässt sich so auch auf analoge Informationsverarbeitung anwenden. Es können beliebige analoge Informationen direkt abgespeichert, ausgelesen und verarbeitet werden, wobei der Betrag des kurzzeitig erzeugten Magnetfeldes vom analogen Signal abhängt. Der Prozessschritt der Umwandlung analog → digital → analog entfällt. Zur Speicherung von analogen Signalen werden die Kopplungswinkel kontinuierlich durch ein externes Magnetfeld eingestellt. Der Betrag des Magnetfeldes hängt von dem analogen Signal ab.The Storage layer system leaves So apply to analog information processing. It can be any Analog information is stored, read and processed directly be, with the amount of short-term magnetic field of analog signal depends. The process step of the conversion analog → digital → analog is omitted. to Storage of analog signals, the coupling angles become continuous set by an external magnetic field. The amount of the magnetic field depends on the analog signal.

Die Speicherdichte (für digitale Informationen) kann mit Hilfe des Speicherschichtsystems und des Schreib/Leseverfahrens im Vergleich zu derzeitig verwendeten Speicherverfahren erhöht werden, indem mehrere digitale Daten zusammengesetzt und dann als zusammengesetzte Informationen abgespeichert werden. Dieses Prinzip wird im folgenden am Beispiel des ASCII-Codes erläutert. Der Buchstabe A besteht aus den 8 binären Zahlen 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1. Bisher werden 8 mikromagnetische Speichereinheiten verwendet, um die Information „Buchstabe A" abzuspeichern. Mit dem oben beschriebenen Speicherschichtsystem und Schreib/Leseverfahren ist es möglich, nur eine einzige mikromagnetische Speichereinheit für die Information „Buchstabe A" zu verwenden, indem z.B. durch einen genau definierten Betrag des externen Magnetfeldes ein genau definierter Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten remanent eingestellt und somit abgespeichert wird. Dieser genau definierte Kopplungswinkel entspricht einem genau definierten elektrischen Widerstand zwischen den magnetischen Schichten (z.B. GMR-Effekt: R = Ro + C·cos(Theta)). Dieser Widerstand R kann wieder ausgelesen werden und in die Information „Buchstabe A" bzw. in digitale Daten zurück transformiert werden.The Storage density (for digital information) can be obtained using the storage layer system and the write / read method compared to currently used Storage method increased be composed by placing multiple digital data and then as composite information is stored. This principle is explained below using the example of the ASCII code. Of the Letter A consists of the 8 binary numbers 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1. So far, 8 micromagnetic memory units are used for the information "letter A "to save. With the memory layer system described above and read / write method Is it possible, only one single micromagnetic storage unit for the information "letter A "to use by e.g. by a well-defined amount of the external magnetic field a well-defined coupling angle between the magnetization directions the layers retentive set and thus stored. This precisely defined coupling angle corresponds to a precisely defined one electrical resistance between the magnetic layers (e.g. GMR effect: R = Ro + C · cos (theta)). This Resistor R can be read out again and in the information "letter A "or in digital Data back be transformed.

Für den Fall der digitalen Informationspeicherung werden bevorzugt definierte diskrete Kopplungswinkel verwendet. Auf diese Weise ist es im Prinzip möglich, alle 128 Informationen des ASCII-Codes jeweils einzeln in einer einzigen Speichereinheit abzuspeichern und wieder auszulesen. In diesem Fall würde es möglich sein, alle ASCII-Informationen mit einem jeweiligen Kopplungswinkelabstand von Theta = 2.815° abzuspeichern. Diese Betrachtung ergibt einen Faktor 8 an Erhöhung der Speicherdichte.In the case the digital information storage are preferably defined used discrete coupling angles. That's the way it is in principle possible, all 128 information of the ASCII code individually in one save and read out the single storage unit. In this case would it be possible all ASCII information with a respective coupling angle distance of theta = 2.815 ° store. This consideration gives a factor of 8 increase in storage density.

Die maximal mögliche Erhöhung der Speicherdichte mit dem Speicherschichtsystem und Schreib/Lese-Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen digitalen Speicherung in Festplatten oder MRAMs hängt von der Genauigkeit der Einstellung der Kopplungswinkel, der magnetischen Energie einer einzelnen Speichereinheit und der Genauigkeit der GMR/TMR-Messung ab. Für den Fall, dass die Kopplungswinkel mit einer Genauigkeit von 1 ° abgespeichert und wieder ausgelesen werden können und der Verwendung von geeigneten Kompremierungsalgorithmen für die digitalen Informationen, ergibt sich eine Erhöhung der Speicherkapazität um einen Faktor 360 bei gleicher Speicherfläche.The maximum possible increase the storage density with the storage layer system and read / write method compared to the conventional one Digital storage in hard disks or MRAMs depends on the accuracy of the setting of the coupling angle, the magnetic Energy of a single storage unit and the accuracy of the GMR / TMR measurement off. For the case that the coupling angles are stored with an accuracy of 1 ° and can be read out again and the use of suitable compression algorithms for the digital Information, there is an increase in storage capacity by one Factor 360 with the same storage area.

Die Schreibprozedur ist für Anwendungen in Computerfestplatten oder MRAMs gleich. Der Betrag des erzeugten Magnetfeldes wird durch das zu speichernde Signal bestimmt. Das Signal kann sowohl analog als auch aus zusammengesetzten digitalen Daten bestehen. Abhängig vom Betrag des Magnetfeldes wird ein genau definierter Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten remanent eingestellt. Das Prinzip der Speicherung kann mit extern erzeugten Magnetfeldern realisiert werden, die in jede beliebige Richtung fix orientiert sind, solange sich eine Feldkomponente in der Schichtebene befindet. Es wird bevorzugt, die Speicherung mit externen Magnetfeldern durchzuführen, die senkrecht oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung orientiert sind. Der Unterschied zum bisher verwendeten Verfahren besteht in der Variation des Betrags des Magnetfeldes, dass z.B. durch den Schreibkopf bei Festplatten oder durch die Writeline bei MRAMs erzeugt wird. Für den Fall, dass die induzierenden Magnetfelder senkrecht zur Magnetsierungsrichtung des Schichtsystems angelegt werden, sollte die Schichtdicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht so bemessen sein, dass die RKKY-artige bilineare Kopplung minimal wird und die magnetische Wechselwirkung hauptsächlich über die Streufelder stattfindet. Für den Fall, dass die induzierenden Magnetfelder antiparallel zur Magnetsierungsrichtung angelegt werden, sollte die Schichtdicke der nichtmagnetischen Zwischenschicht so bemessen sein, dass die bilineare RKKY-artige Kopplung maximal wird und der Einfluss der magnetostatischen Wechselwirkung gering ist.The Write procedure is for Applications in computer hard drives or MRAMs alike. The amount the generated magnetic field is determined by the signal to be stored certainly. The signal can be both analog and composite consist of digital data. Dependent the amount of the magnetic field becomes a well-defined coupling angle set remanent between the magnetization directions of the layers. The Principle of storage can be with externally generated magnetic fields be realized, which is fixed in any direction fix are as long as a field component is in the layer plane. It is preferred to perform storage with external magnetic fields that oriented perpendicular or antiparallel to the magnetization direction are. The difference to the previously used method is in the variation of the magnitude of the magnetic field, e.g. through the Write head for hard disks or generated by the writeline in MRAMs becomes. For the case that the inducing magnetic fields perpendicular to the direction of magnetization of the layer system, the layer thickness of the non-magnetic intermediate layer be sized so that the RKKY-type bilinear coupling becomes minimal and the magnetic interaction mainly via the Stray fields takes place. For the case that the inducing magnetic fields antiparallel to Magnetsierungsrichtung be applied, the layer thickness of the non-magnetic intermediate layer should be so be sized so that the bilinear RKKY-type coupling becomes maximum and the influence of the magnetostatic interaction is small.

Die Leseprozedur kann mit Hilfe von Magnetowiderstandseffekten (wie z.B. GMR/TMR-Effekte) durchgeführt werden. Der Unterschied zum bisher verwendeten Verfahren besteht darin, dass mit Hilfe der Leseköpfe bei den Festplatten bzw. den Readlines bei den MRAMs, auch unterschiedliche magnetische Orientierungen der Schicht FM2 ausgelesen werden können. Der Betrag des GMR/TMR-Signals (el. Widerstand R) hängt von der relativen Ausrichtung der Mikromagnetisierung (Kopplungswinkel Theta) in der Schicht FM2 ab: R = Ro + C·cos(Theta). Es ist im Weiteren auch möglich, dass die Informationen für den Fall, dass das Schichtsystem in Festplatten angewendet wird, mit Hilfe von magneto-optischen Verfahren (MOKE-Effekt) ausgelesen werden.The Reading procedure can be performed using magnetoresistance effects (such as e.g. GMR / TMR effects) become. The difference to the previously used method exists in that with the help of the reading heads in the hard disks or readlines in the MRAMs, also different magnetic orientations of the layer FM2 can be read. Of the Amount of GMR / TMR signal (el. Resistance R) depends on the relative orientation the micromagnetization (coupling angle theta) in the layer FM2 from: R = Ro + C · cos (theta). It is also possible to that information for the case where the layer system is applied to disks, read out using magneto-optical methods (MOKE effect) become.

Wenngleich spezielle Ausführungen des erfindungsgemäßen Speicherschichtsystems und des Schreib/Leseverfahrens gezeigt und beschrieben wurden, sind für Fachleute auf diesem Gebiet weitere Veränderungen und Verbesserungen naheliegend. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Formen begrenzt ist, wobei die beigefügten Ansprüche alle Veränderungen abdecken sollen, welche nicht vom Gedanken und Umfang dieser Erfindung abweichen.Although special designs of the storage layer system according to the invention and the write / read method have been shown and described for professionals in this area further changes and obvious improvements. It is therefore intended that this invention is not limited to the forms specifically illustrated is, with the attached claims all changes which are not covered by the spirit and scope of this invention differ.

Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The disclosed in the description, in the drawings and in the claims Features of the invention can both individually and in any combination for the realization be essential to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert:embodiments The invention will be explained in more detail below with reference to the figures:

1 zeigt das magnetische Schichtsystem mit Schreibleseverfahren schematisch. 1 shows the magnetic layer system with read-write method schematically.

2a zeigt die Schicht FM1 beispielhaft und schematisch anhand von vier unterschiedlichen Nanopartikeln gemäß 2b (N=4). 2a shows the layer FM1 exemplary and schematically based on four different nanoparticles according to 2 B (N = 4).

2b zeigt die vier verschiedenen magnetischen Nanopartikel (P1, ..., P4), mit den vier unterschiedlichen Koerzitivkräften (K1, ..., K4). 2 B shows the four different magnetic nanoparticles (P1, ..., P4), with the four different coercive forces (K1, ..., K4).

In 3a bis 3e ist die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Lese/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die antiparallel zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden, dargestellt.In 3a to 3e the operation of the magnetic memory layer system is shown with a read / write method for external magnetic fields, which are applied antiparallel to the magnetization direction for a short time.

3f zeigt beispielhaft die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Lese/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden. 3f shows by way of example the operation of the magnetic memory layer system with a read / write method for external magnetic fields, which are applied perpendicular to the magnetization direction for a short time.

4a zeigt die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu-Zwischenschichtdicke für externe Magnetfelder, die kurzzeitig und antiparallel zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung angelegt werden, 4b für solche die senkrecht angelegt werden. 4a shows the determined coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt, depending on the Cu intermediate layer thickness for external magnetic fields which are applied briefly and antiparallel to the original magnetization direction, 4b for those who are laid vertically.

5 zeigt die Messergebnisse (Zeitspektren) von unterschiedlichen Kopplungswinkeln für unterschiedliche Cu-Schichtdicken d. 5 shows the measurement results (time spectra) of different coupling angles for different Cu layer thicknesses d.

Das Schichtsystem besteht wie in 1 dargestellt aus einer hartmagnetischen (FM1), einer nichtmagnetischen (NM) und einer weichmagnetischen (FM2) Schicht. Das zu speichernde Signal bestimmt den Betrag des elektrischen Stromes (I) und somit den Betrag des externen Magnetfeldes (B), wodurch die magnetische Orientierung (M) der weichmagnetischen Schicht verändert wird. Die neue remanente magnetische Orientierung der weichmagnetischen Schicht, kann mit Hilfe von Magnetowiderstandseffekten (R) wieder ausgelesen werden.The shift system is as in 1 represented by a hard magnetic (FM1), a nonmagnetic (NM) and a soft magnetic (FM2) layer. The signal to be stored determines the amount of electric current (I) and thus the amount of the external magnetic field (B), thereby changing the magnetic orientation (M) of the soft magnetic layer. The new remanent magnetic orientation of the soft magnetic layer can be read out again using magnetoresistance effects (R).

Die magnetische Schicht mit den hartmagnetischeren Eigenschaften sind in den Figuren wie oben mit FM1 bezeichnet, die mit den mit den weichmagnetischeren Eigenschaften mit FM2 und die nichtmagnetische Zwischenschicht mit NM. K1, K2, ... bis KN bezeichnen die Koerzitivkräfte der Zonen bzw. Partikel P1, P2, ... bis PN. Das kurzzeitig angelegte Magnetfeld wird jeweils mit –B0, +B1, +B2, +B3, +B0 bezeichnet.The magnetic layer with the hard magnetic properties in the figures as above with FM1 denoted, those with the soft magnetic properties with FM2 and the non-magnetic intermediate layer with NM. K1, K2, ... to KN denote the coercive forces of Zones or particles P1, P2, ... to PN. The short-term Magnetic field is always labeled -B0, + B1, + B2, + B3, + B0.

Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Speicherschichtsystems und des Schreib/Leseverfahrens allgemein beschrieben. Die Beschreibung ist in zwei Fälle unterteilt:

– zum einen für externe Magnetfelder die antiparallel zur Magnetisierungsrichtung und
– zum anderen für externe Magnetfelder die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht angelegt werden.

In the following, the operation of the memory layer system according to the invention and the write / read method will be described in general. The description is divided into two cases:

- On the one hand for external magnetic fields antiparallel to the magnetization direction and
On the other hand for external magnetic fields which are applied perpendicular to the magnetization direction of the hard magnetic layer.

Diese Fallunterscheidung wird vorgenommen, da mindestens zwei unterschiedliche physikalische Mechanismen zu den durch externe Magnetfelder veränderbaren Kopplungseigenschaften beitragen. Beide physikalischen Mechanismen haben die Eigenschaft, dass die bilineare und die biquadratische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten durch externe Magnetfelder effektiv variiert werden kann. Die physikalischen Modelle/Theorien, die die hier gezeigten Effekte beschreiben, können an dieser Stelle nicht in aller Ausführlichkeit vorgestellt werden. Hierzu wird auf die Veröffentlichungen T. Klein, Dissertation, Universität Rostock (2004) verwiesen, in denen eine ausführlichere Beschreibung der physikalischen Modelle vorgenommen wird.These Case distinction is made because at least two different physical mechanisms to those by external magnetic fields changeable Contribute coupling properties. Both physical mechanisms have the property that the bilinear and the biquadratic Coupling between the magnetic layers by external magnetic fields can be effectively varied. The physical models / theories, which describe the effects shown here, can not at this point in great detail to be introduced. For this purpose, the publications T. Klein, dissertation, university Rostock (2004), in which a more detailed description of the physical models is made.

Ohne an die Theorie gebunden zu sein wollen, werden die Grundprinzipen der physikalischen Effekte, die bei dem erfindungsgemäßen magnetischen Schichtsystem Anwendung finden, im Folgenden näher erläutert.Without want to be bound to the theory, the basic principles the physical effects that occur in the inventive magnetic Layer system application, explained in more detail below.

(i) Induzierende Magnetfelder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung(i) Inducing magnetic fields antiparallel to the magnetization direction

Die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Lese/Schreibverfahren unter Verwendung externer Magnetfelder, die antiparallel zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden, wird im Folgenden anhand der Abbildungen 3a bis 3e allgemein erläutert. Die unterschiedlichen magnetischen Zonen, z.B. aufgrund von verschiedenen Nanopartikeln oder Kristalliten, in den verschiedenen magnetischen Phasen sind mit P1, ..., PN benannt.The operation of the magnetic memory layer system with a read / write method using external magnetic fields, which are applied in anti-parallel to the magnetization direction for a short time, will be described below with reference to the figures 3a to 3e generally explained. The different magnetic zones, eg due to different nanoparticles or crystallites, in the different magnetic phases are named P1, ..., PN.

Das Schichtsystem ist nach dem kurzzeitigen Anlegen eines externen Magnetfeldes – B0 in eine Richtung aufmagnetisiert (siehe 3a). Die parallele Ausrichtung der – beiden Magnetisierungsrichtungen M wird sowohl durch die remanenten Eigenschaften der beiden magnetischen Schichten FM1 und FM2 als auch durch die RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung hervorgerufen. Desweiteren ist es auch möglich, dass die Schicht FM1 an die Schicht FM2 durch eine magnetostatische Wechselwirkung (Nèel- oder Orange Peel-Kopplung) parallel gekoppelt ist.The layer system is magnetized after briefly applying an external magnetic field - B0 in one direction (see 3a ). The parallel orientation of the - both magnetization directions M is caused both by the remanent properties of the two magnetic layers FM1 and FM2 and by the RKKY-type interlayer exchange coupling. Furthermore, it is also possible that the layer FM1 is coupled in parallel to the layer FM2 by a magnetostatic interaction (Nèel or Orange Peel coupling).

Durch ein externes Magnetfeld +B1, mit der Eigenschaft |+B1| < |–B0|, werden die Magnetisierungen der Partikel P1 in Richtung des externen Feldes +B1 ausgerichtet (siehe 3b). Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Ausrichtung der Partikel P1 aufgrund der Remanenz erhalten. Die nun entgegengesetzte Ausrichtung der Partikel P1, relativ zu den restlichen Partikeln P2, ..., PN, erzeugt eine biquadratische Kopplung zwischen den magnetischen Schichten FM1 und FM2. Die biquadratische Kopplung hat zur Folge, dass sich ein Kopplungswinkel von Theta <> 0 zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten FM1 und FM2 einstellt. Die Magnetisierungsrichtung M von FM2 dreht sich aus der (vorher) parallelen Einstellung heraus. Dieser Mechanismus kann mit Hilfe der Gleichungen 1 und 2 beschrieben werden (V.K.Vlasko-Vlasov et al.): Die biquadratische Kopplung (mit der biquadratischen Kopplungskonstante J₂) hängt zum einen von der Größe (Fläche) des entgegengesetzt ausgerichteten Partikel P1 (Parameter: L), der Dicke der magnetischen Schichten FM1 + FM2 und der intrinsischen Austauschkonstante A_intr der Schicht FM2 ab. Gleichung (1):

By an external magnetic field + B1, with the property | + B1 | <| -B0 |, the magnetizations of the particles P1 are aligned in the direction of the external field + B1 (see 3b ). If the external magnetic field is switched off again, the new orientation of the particles P1 is retained due to the remanence. The now opposite orientation of the particles P1, relative to the remaining particles P2, ..., PN, creates a biquadratische coupling between the magnetic layers FM1 and FM2. The bi-quadratic coupling results in a coupling angle of theta <> 0 between the magnetization directions of the layers FM1 and FM2. The magnetization direction M of FM2 turns out of the (previously) parallel setting. This mechanism can be described by means of Equations 1 and 2 (VKVlasko-Vlasov et al.): The biquadratic coupling (with the biquadratic coupling constant J ₂ ) depends on the size (area) of the oppositely oriented particle P1 (parameter: L ), the thickness of the magnetic layers FM1 + FM2 and the intrinsic exchange _constant A _{intr of} the layer FM2. Equation (1):

Der durch die biquadratische Kopplung erzeugte Kopplungswinkel (Theta) zwischen den Magnetisierungsrichtungen kann mit Gleichung (2) berechnet werden. Gleichung (2):

The coupling angle (theta) between the directions of magnetization generated by the biquadratic coupling can be calculated by equation (2). Equation (2):

J₂ beschreibt in dieser Gleichung die biquadratische Kopplung, J₁ die intrinsische RKKY-artige Zwischenschicht-Austauschkopplung und K die Anisotropiekonstante der Schicht FM1. Die Funktion g(f) (beschrieben in Slonczewski, Phys. Rev. Lett., 67, 3172 (1991)) kann als Bedeckungsgrad der entgegengesetzten Mikromagnetisierungen (z.B. relative Anzahl der Partikel P1) aufgefasst werden.J ₂ in this equation describes the biquadratic coupling, J ₁ the intrinsic RKKY-like interlayer exchange coupling and K the anisotropy constant of the layer FM1. The function g (f) (described in Slonczewski, Phys. Rev. Lett., 67, 3172 (1991)) can be understood as the degree of coverage of the opposite micromagnetizations (eg relative number of particles P1).

Durch das externe Magnetfeld +B2, mit den Eigenschaften |+B1| < |+B2| < |–B0|, werden wie in 3c dargestellt, die Magnetisierungen der Partikel P2 in der Schicht FM1 in Richtung des externen Feldes gedreht, ausgehend von dem in 3b dargestellten Zustand. Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Ausrichtung der Partikel P2 aufgrund der Remanenz erhalten. Durch diesen neuen remanenten Zustand wird die biquadratische Kopplung und somit der Kopplungswinkel erhöht. Beschrieben wird das Verhalten wieder mit den Gleichungen (1) und (2). Sowohl der Parameter L in Gleichung (1) als auch der Parameter g(f) in Gleichung (2) werden erhöht. By the external magnetic field + B2, with the properties | + B1 | <| + B2 | <| -B0 |, be like in 3c shown, the magnetizations of the particles P2 in the layer FM1 in the direction of the external field rotated, starting from the in 3b illustrated state. If the external magnetic field is switched off again, the new orientation of the particles P2 is retained due to the remanence. This new remanent state increases the biquadratic coupling and thus the coupling angle. The behavior is described again with the equations (1) and (2). Both the parameter L in equation (1) and the parameter g (f) in equation (2) are increased.

Durch das externe Magnetfeld +B3, mit den Eigenschaften |+B1| < |+B2| < |+B3| < |–B0|, werden die Magnetisierungen der Partikel P3 in der Schicht FM1 in Richtung des externen Feldes gedreht (siehe 3d), ausgehend von dem in 3c dargestellten Zustand. Wird das externe Magnetfeld wieder abgeschaltet, so bleibt die neue Ausrichtung der Partikel P3 aufgrund der Remanenz erhalten. Durch diesen neuen remanenten Zustand wird die biquadratische Kopplung und somit der Kopplungswinkel weiter vergrößert. Diese Abbildung zeigt den Fall, dass mehr Partikel in positiver Richtung ausgerichtet sind als in negativer Richtung. Auch in diesem Fall kann das Kopplungsverhalten mit den Gleichungen (1) und (2) beschrieben werden.By the external magnetic field + B3, with the properties | + B1 | <| + B2 | <| + B3 | <| -B0 |, the magnetizations of the particles P3 in the layer FM1 are rotated in the direction of the external field (see 3d ), starting from the in 3c illustrated state. If the external magnetic field is switched off again, the new orientation of the particles P3 is retained due to the remanence. This new remanent state further increases the biquadratic coupling and thus the coupling angle. This figure shows the case where more particles are oriented in the positive direction than in the negative direction. Also in this case, the coupling behavior can be described by equations (1) and (2).

Durch das externe Magnetfeld +B0, mit den Eigenschaften |+B0| = |–B0|, orientieren sich sämtliche Magnetisierungen der Partikel in die Richtung von +B0 (siehe 3e). Auf diese Weise können z.B. die vorher hineingeschriebenen Informationen wieder gelöscht werden.By the external magnetic field + B0, with the properties | + B0 | = | -B0 |, all magnetizations of the particles are oriented in the direction of + B0 (see 3e ). In this way, for example, the previously written information can be deleted again.

(ii) Induzierende Magnetfelder senkrecht zur Magnetisierungsrichtung(ii) Inducing magnetic fields perpendicular to the magnetization direction

Die Funktionsweise des magnetischen Speicherschichtsystems mit einem Lese/Schreibverfahren für externe Magnetfelder, die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung kurzzeitig angelegt werden, wird im Folgenden anhand der Abbildung 3f erläutert.The operation of the magnetic memory layer system with a read / write method for external magnetic fields, which are applied perpendicular to the direction of magnetization briefly, will be described below with reference to the figure 3f explained.

Sowohl Rauhigkeiten an den Grenzflächen als auch räumliche Fluktuationen der magnetischen Anisotropie innerhalb der magnetischen Schichten sind Ursache von Magnetfeldern (Dipolfelder) die aus den Schichtebenen heraustreten können. Diese sogenannten magnetischen Streufelder können die Kopplungseigenschaften von magnetischen Schichten, die durch nichtmagnetische Zwischenschichten voneinander getrennt sind, beeinflussen. So ist aus der Literatur bekannt, dass durch die Streufelder eine parallele (L. Nèel, C.R. Hebd. Seances Acad. Sci. 255, 1545 (1962)), eine antiparallele (D. T. Margulies et al., Appl. Phys. Lett. 80, 91 (2002)) oder eine 90°-Kopplung (S.O. Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) zwischen den magnetischen Schichten hervorgerufen werden kann. In 3f ist ein Beispiel für eine 90°-Kopplung zweier magnetischer Schichten, hervorgerufen durch Streufelder, dargestellt. Die 90°-Kopplung wird in diesem Fall durch zueinander entgegengesetzt orientierte Dipolfelder der unteren magnetischen Schicht erzeugt. Durch die Dipolfelder wird in der oberen Schicht ein sogenannter Frustrationszustand induziert. D.h., auf benachbarte Bereiche in der weichmagnetischen Schicht wirken entgegengesetzte Kräfte, aber aufgrund der magnetischen Austauschkopplung (Steifigkeit) innerhalb der weichmagnetischen Schicht können sich keine entgegengesetzten magnetischen Domänen bilden, so dass das energetische Minimum eine 90°-Kopplung ist. S.O. Demokritov et al. (Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) beschreiben dieses Verhalten quantitativ mit Gleichung (7) in ihrer Veröffentlichung. Wird die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht z.B. durch ein senkrecht angelegtes externes Magnetfeld in Richtung 90° gedreht, so wird die magnetische Kopplungsenergie reduziert und ein neuer Kopplungswinkel stellt sich zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten remanent ein. Die biquadratische Kopplung, hervorgerufen durch Dipolfelder, wird dominant, wenn die bilineare Kopplung minimal ist. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass durch externe Magnetfelderfelder die in S.O. Demokritov et al. (Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) beschriebene Kopplung effektiv verändert werden kann.Both surface roughness and spatial fluctuations in magnetic anisotropy within the magnetic layers are the cause of magnetic fields (dipole fields) that can emerge from the layer planes. These so-called magnetic stray fields can influence the coupling properties of magnetic layers which are separated from one another by non-magnetic intermediate layers. Thus, it is known from the literature that a parallel (L. Nèel, CR Hebd., Seances Acad., Sci 255, 1545 (1962)), an antiparallel (DT Margulies et al., Appl. Phys. Lett , 91 (2002)) or 90 ° coupling (SO Demokritov et al., Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) between the magnetic layers. In 3f is an example of a 90 ° coupling of two magnetic layers, caused by stray fields shown. The 90 ° coupling is generated in this case by mutually oppositely oriented dipole fields of the lower magnetic layer. The dipole fields induce a so-called frustration state in the upper layer. Ie, on neighboring Regions in the soft magnetic layer act opposite forces, but due to the magnetic exchange coupling (stiffness) within the soft magnetic layer, no opposite magnetic domains can form so that the energetic minimum is a 90 ° coupling. SO Demokritov et al. (Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) describe this behavior quantitatively with equation (7) in their publication. If the magnetization direction of the soft magnetic layer is rotated in the direction of 90 °, for example, by a vertically applied external magnetic field, the magnetic coupling energy is reduced and a new coupling angle is established remanently between the magnetization directions of the layers. The biquadratic coupling, caused by dipole fields, becomes dominant when the bilinear coupling is minimal. Without being bound by theory, it is believed that external magnetic field fields in SO Demokritov et al. (Phys., Rev. B 49, 720 (1994)).

ExperimentellesExperimental

Experimentell bestätigt wurden die oben dargestellten Mechanismen der Informationsspeicherung anhand eines FePt(30nm)/Cu(0,6-3.2nm)/Fe(10nm)-Dreischichtsystems. Dieses Schichtsystem wurde mit Hilfe des Sputterverfahrens auf hochpolierte Si-Wafer abgeschieden. Die hartmagnetische L10-Phase der FePt-Schicht wurde durch Erhitzen der FePt-Schicht auf T = 500 °C, für etwa 15 min erreicht. Röntgenbeugungs-Messungen und Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen ergaben, dass die Größe der Kristallite und damit der kleinsten mikromagnetischen Ausrichtungen in der FePt-Schicht, etwa (20 +/–5) nm beträgt. Die Rauhigkeiten der Schichten konnten mit Hilfe der Röntgenreflexion in streifendem Einfall mit maximal 0,7 nm bestimmt werden. MOKE-Messungen zeigten, dass die Koerzitivfeldstärke der hartmagnetischen FePt-Schicht etwa H = 0,8 T beträgt.experimental approved were the information storage mechanisms presented above using a FePt (30nm) / Cu (0.6-3.2nm) / Fe (10nm) three-layer system. This layer system was sputtered on highly polished Si wafers deposited. The hard magnetic L10 phase of the FePt layer was replaced by Heat the FePt layer to T = 500 ° C, achieved for about 15 min. X-ray diffraction measurements and atomic force micrographs revealed that the size of the crystallites and thus the smallest micromagnetic alignments in the FePt layer, about (20 +/- 5) nm is. The roughnesses of the layers could be determined by means of X-ray reflection in grazing incidence with a maximum of 0.7 nm. MOKE measurements showed that the coercivity of the hard magnetic FePt layer about H = 0.8 T is.

In die Mitte der 10 nm dicken Fe-Schicht wurde eine 0,8 nm dicke ⁵⁷Fe-Sensorschicht eingetragen. Mit Hilfe dieser Sensorschicht und der Methode der Nuklearen Resonanten Vorwärtsstreuung ist es möglich, die Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten zu bestimmen. Ausführliche Beschreibungen dieser Untersuchungsmethode sind in den Veröffentlichungen R. Röhlsberger et al. Phys. Rev. B 67, 245412 (2003), Phys. Rev. Lett. 89, 237201 (2002) und U. van Bürk et al. Phys. Rev. Lett. 59, 355-358 (1987) zu finden.In the middle of the 10 nm thick Fe layer, a 0.8 nm thick ⁵⁷ Fe sensor layer was added. With the aid of this sensor layer and the method of nuclear resonant forward scattering, it is possible to determine the coupling angles between the magnetization directions of the layers. Detailed descriptions of this method of investigation can be found in the publications R. Röhlsberger et al. Phys. Rev. B 67, 245412 (2003), Phys. Rev. Lett. 89, 237201 (2002) and U. van Bürk et al. Phys. Rev. Lett. 59, 355-358 (1987).

Eine Auswahl von Messdaten (Zeitspektren) der Experimente, die an der European Synchrotron Radiation Facility durchgeführt wurden, ist in 5 gezeigt. Man erkennt hier unterschiedliche Zeitspektren, die aus verschiedenen Kopplungswinkeln (für unterschiedliche Cu-Schichtdicken d) zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten resultieren.A selection of measurements (time spectra) of the experiments conducted at the European Synchrotron Radiation Facility is in 5 shown. One recognizes different time spectra resulting from different coupling angles (for different Cu layer thicknesses d) between the magnetization directions of the layers.

Die experimentelle Bestätigung des oben beschriebenen Mechanismus der feldinduzierten biquadratischen Kopplung für externe Magnetfelder, die kurzzeitig und antiparallel zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung angelegt werden, ist in 4a gezeigt. In dieser Figur sind die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu-Zwischenschichtdicke für induzierende externe Magnetfelder (B ||) dargestellt. Die Kopplungswinkel sind in dieser Abbildung in Graustufen codiert. Diese Ergebnisse können mit dem Modell von Vlasko-Vlasov et al. beschrieben werden.The experimental confirmation of the above-described mechanism of field-induced biquadratic coupling for external magnetic fields applied momentarily and antiparallel to the original magnetization direction is in 4a shown. In this figure, the detected coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt are shown depending on the Cu interlayer thickness for inducing external magnetic fields (B ||). The coupling angles are coded in grayscale in this illustration. These results can be obtained with the model of Vlasko-Vlasov et al. to be discribed.

In 4b sind die ermittelten Kopplungswinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen von Fe und FePt, abhängig von der Cu-Zwischenschichtdicke für induzierende externe Magnetfelder (B _|_) dargestellt. Die Kopplungswinkel sind in dieser Abbildung in Graustufen codiert. Durch das externe Feld wird die Magnetisierungsrichtung der Schicht FM2 in Richtung 90° zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung remanent ausgelenkt. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die biquadratische Kopplung (wie z.B. beschrieben in S.O. Demokritov et al. Phys. Rev. B 49, 720 (1994)) durch die externen Magnetfelder effektiv verändert werden kann. Dieser Mechanismus zeigt eine andere Abhängigkeit der induzierten biquadratischen Kopplung als Funktion der Zwischenschichtdicke als in dem Modell von Vlasko-Vlasov et al. beschrieben. Es sind z.B. keine Oszillationen der Kopplungswinkel als Funktion der Cu-Schichtdicke zu erkennen.In 4b are the determined coupling angles between the magnetization directions of Fe and FePt, depending on the Cu intermediate layer thickness for inducing external magnetic fields (B _ | _) shown. The coupling angles are coded in grayscale in this illustration. Due to the external field, the magnetization direction of the layer FM2 is deflected remanently in the direction of 90 ° to the original direction of magnetization. Without being bound by theory, it is believed that the biquadratic coupling (as described, for example, in SO Demokritov et al., Phys., Rev. B 49, 720 (1994)) can be effectively altered by the external magnetic fields. This mechanism shows another dependence of the induced biquadratic coupling as a function of the interlayer thickness than in the model of Vlasko-Vlasov et al. described. For example, there are no oscillations of the coupling angles as a function of the Cu layer thickness.

Claims

Magnetic layer system comprising two or more ferromagnetic layers, wherein at least one ferromagnetic layer FM1 of at least one ferromagnetic layer FM2 is spaced apart by at least one non-magnetic layer (NM) extending therebetween, the ferromagnetic layers FM1 and FM2 being magnetically magnetizable to different degrees and the ferromagnetic layer FM1 different zones, each with different magnetic coercive forces, these Coercive forces per zone are constant, and the ferromagnetic layer FM2 is substantially homogeneous with respect to the magnetic properties in the layer plane.

Magnetic layer system according to claim 1, characterized characterized in that the layer system is a ferromagnetic layer FM1, a ferromagnetic layer FM2 and preferably only one nonmagnetic layer NM has.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that the layer FM2 total soft magnetic is as the layer FM1.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that the layer FM2 in the case of magnetization the external magnetic field is closer.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that the layer FM1 crystallites and / or Having nanoparticles to form homogeneous zones of different coercive forces.

Magnetic storage layer system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the layer FM1 of crystallites and / or Nanoparticles exist, each as zones of different coercivities be defined, with their lateral extent between each 0.5 to 50 nm and preferably 10 to 20 nm, in particular approximately 15 nm.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that independently of one another the layer FM1 Fe / Pt containing layer NM Cu and layer FM2 Fe, preferably in bulk, predominantly and in particular essentially consists thereof.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that the thickness of the nonmagnetic layers) 0.3 to 100 nm and furthermore preferably magnetic stray fields (dipole fields) not substantially affected and / or an RKKY-type interlayer exchange coupling at least under layers FM1 and FM2.

Magnetic layer system according to at least one of previous claims, characterized in that the layer thicknesses of the layer FM1 0.5 up to 500 nm and preferably 25 to 35 nm, in particular about 30 nm, be.

Magnetic layer system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the layer thicknesses of the layer FM2 0.5 to 500 nm and preferably 5 to 15 nm, in particular about 10 nm.

Magnetic layer system according to at least one of the preceding claims, characterized in that this additionally layers / layer systems contains the measurable Optimizing magnetoresistance effects (GMR / TMR).

Magnetic layer system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the layer system on a substrate is applied and the substrate is in particular a silicon wafer, an aluminum plate and / or a glass plate is or has this.

Magnetic storage system with a write head comprising the magnetic layer system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the magnetic field generating the write head on the storage layer with magnetic fields of different amounts, in particular within the writes a period of equal orientation, acts in the Layer FM1 different magnetization states and / or different inscribe oriented dipole fields.

Magnetic storage system according to claim 13, characterized characterized in that passing through the write head after a write operation micromagnetizations generated in the layer FM2 in any direction relative to the original one Have magnetization direction.

Magnetic storage system after at least one the claims 13 or 14, characterized in that the magnetic field of Write head varies between 0.005 T and 3 T, on Location of the shift system.

Magnetic storage system having a read head the magnetic layer system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the magnetically sensitive reading head from the layer FM2 with differently oriented micromagnetizations Read angle information.

Hard disk or MRAM having the magnetic Layer system according to at least one of claims 1 to 12 or the magnetic Memory system according to at least one of claims 13 to 16.

Use of the magnetic layer system according to at least one of the claims 1 to 12 and / or the magnetic storage system according to at least one of the claims 13 to 17 and / or the hard disk or the MRAM according to claim 17 for storing digital and / or analog information, preferably analog information, each in the form of continuous angle information and preferably discrete angle information for digital information.