Kristallisationsmechanismen von CoFeB-basierten TMR-Schichtstapeln bei Laser-Annealing

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Alexander Horn; Professorin Dr. Georgeta Salvan; Professor Dr.-Ing. Stefan E. Schulz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282193534

Auf CoFeB/MgO basierende Schichtstapel werden häufig als Modellsysteme für die Untersuchung von spin-basierten Phänomenen und dem Tunnelmagnetwiderstandseffekt (TMR) betrachtet. Elemente auf Basis dieser Schichtsysteme verfügen darüber hinaus über ein breites Anwendungsspektrum, beispielsweise in der Sensorik, in der magnetischen Speichermedientechnologie oder als Mikrowellenquellen für Kommunikationsanwendungen. Für die Performance der TMR-Elemente ist ein Temperschritt entscheidend, welcher sowohl für die Kristallisation der Schichten und entsprechende Diffusion von Bor aus dem CoFeB heraus, als auch für die magnetische Ausrichtung einer Referenzschicht durch den Exchange Bias (EB) Effekt dienen soll. Dieser Schritt wird typischerweise in einem Vakuumofen unter Anwendung eines äußeren Magnetfeldes durchgeführt. Alternativ kann diese Erwärmung durch Laserbestrahlung im äußeren Magnetfeld erfolgen, welche darüber hinaus eine ortsaufgelöste „magnetische Strukturierung“ gestattet und die monolithische Integration von mehrdimensionalen Sensoren ermöglicht. Ein fundiertes Verständnis für die Veränderungen in dünnen Schichten und vor allem komplexen Multilagenschichtstapeln wie bspw. magnetischen Tunnelkontakten für Sensoranwendungen u.a., hinsichtlich Kristallisations- und Diffusionsmechanismen durch die Laserbestrahlung gerade auch für eine Verwendung von Ultrakurzpulsquellen, ist hierfür jedoch erforderlich. Konkret soll mit diesem Antrag das Potential von diesem laserbasierten Verfahren zur strukturellen Modifizierung von CoFeB als einzelne Schicht und integriert in komplexeren Schichtstapeln erforscht werden. Die grundlegenden Herausforderungen in der Charakterisierung der TMR Dünnschichtsysteme werden durch die Untersuchung mittels ellipsometrischer und magnetooptischer Spektroskopie angegangen, deren hohe Empfindlichkeit bezüglich strukturellen Modifizierungen von Dünnschichtsystemen bereits im vorangegangenen Projekt nachgewiesen wurde. Durch die optische Charakterisierung der Schichten auch direkt während der Laserbestrahlung, sowie Simulationen des Temperaturverlaufs in den Schichtstapeln wird weiterhin der Zusammenhang zwischen struktureller Modifizierung der Schichten und der Dynamik der thermischen Eigenschaften sowie der Wärmeübertragung durch Laserbestrahlung untersucht. Schließlich wird der umfassende Vergleich zwischen Ofen- und Laserannealing sowie der entsprechende Übergang zwischen unstrukturierten, ausgedehnten Schichtsystemen ohne Anwendungsrelevanz und mikrostrukturierten TMR-Elementen inklusive deren elektrischer und magnetischer Charakterisierung durchgeführt. Ziel ist es, die Anwendbarkeit des Laserannealingverfahrens zur Steigerung der Performance von TMR Sensoren, v.a. hinsichtlich der für den EB und den TMR-Effekt grundlegenden strukturellen Eigenschaften, zu erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen