We have studied the effect of the dipolar magnetic coupling (also known as Néel coupling or "orange-peel" coupling) in tunneling magnetoresistive (TMR) elements. With an in situ scanning tunneling microscope we directly accessed the roughness of the films and found a close correspondence between the values for the coupling fields determined by the magneto-optical Kerr effect and the ones computed on the basis of the measured morphology parameters. We confirm an increase of the dipole coupling between magnetic layers with decreasing barrier thickness as predicted by the model. Deviations from the theoretical predictions are observed for the case of thinner soft magnetic layers, which can be explained by reduced magnetisation in very thin films. We demonstrate the importance of dipolar coupling for understanding the magnetic behaviour of TMR elements by comparing TMR curves for optimised and nonoptimised structures.

We have studied the effect of the dipolar magnetic coupling (also known as Néel coupling or "orange-peel" coupling) in tunneling magnetoresistive (TMR) elements. With an in situ scanning tunneling microscope we directly accessed the roughness of the films and found a close correspondence between the values for the coupling fields determined by the magneto-optical Kerr effect and the ones computed on the basis of the measured morphology parameters. We confirm an increase of the dipole coupling between magnetic layers with decreasing barrier thickness as predicted by the model. Deviations from the theoretical predictions are observed for the case of thinner soft magnetic layers, which can be explained by reduced magnetisation in very thin films. We demonstrate the importance of dipolar coupling for understanding the magnetic behaviour of TMR elements by comparing TMR curves for optimised and nonoptimised structures.

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Tunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde. Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann. In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.

Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der maßgeblichen Herausforderungen der heutigen TMR-Präparation (tunneling magnetoresistance) für beispielsweise Magnetfeldsensor- oder auch Speichertechnologie (MRAM – magnetic random access memory). Im ersten Teil der Arbeit werden die elektronischen, strukturellen und magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Elektrode eines typischen magnetischen Tunnelkontaktes, z.B. CoFeB, erforscht, wobei spektroskopische Ellipsometrie, magnetooptische Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie und Messverfahren für den spezifischen elektrischen Widerstand zum Einsatz kommen. Weiterhin wurde der Einfluss der Temperatur einer thermischen Behandlung auf die optischen und magneto-optischen Merkmale untersucht, wobei eine starke Korrelation zwischen den beobachteten spektralen Merkmalen und der Kristallisation von CoFeB nachgewiesen wurde. Die (magneto-) optische Spektroskopie bietet somit eine zerstörungsfreie und besonders sensitive Validierungsmethode für die Dünnschichtkristallisation, die in die moderne CMOS Herstellungstechnologie integriert werden kann. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem lokalen Tempern unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls, mit dem Ziel die Referenzmagnetisierung in einem magnetischen Tunnelkontakt definiert einzustellen und die Wirkung der hierfür notwendigen thermischen Behandlung auf die übrigen Schichten im Schichtstapel zu untersuchen. Hierzu wurden zahlreiche Parameter für das laserbasierte lokale Tempern variiert, um die optimale Austauschfeldstärke im magnetischen Referenzsystem einzustellen, idealerweise ohne den gegebenen Schichtstapel zu schädigen. Schließlich wurde der Einfluss des laserbasierten Temperns (als auch des Ofentemperns) auf die Unversehrtheit der Schichten und Grenzflächen, insbesondere auf die Diffusion verschiedener Elemente, mittels Röntgen-Photoemissionsspektroskopie untersucht.