DE10309244A1 - Thin film magnetic memory element has a tunnel barrier layer that is at least partially comprised of Yttrium oxide, arranged between ferromagnetic layers - Google Patents

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Abstract

Thin film magnetic memory element has a hard magnetic ferromagnetic electrode (3) and a soft magnetic ferromagnetic layer (4) separated by a tunnel barrier layer (5) of insulating material. The tunnel barrier layer is at least partially comprises of Yttrium oxide.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Speicherelement für Lese- und/oder Schreiboperationen mit einem magnetoresistiven Dünnschichtensystem, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und wenigstens

  • – eine erste Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material mit einer gegenüber einer zweiten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material vergleichsweise größeren magnetischen Härte,
  • – eine zwischen diesen Elektrodenschichten befindliche Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere und
  • – elektrische Anschlüsse an den ferromagnetischen Schichten aufweist.
The invention relates to a magnetic memory element for reading and / or writing operations with a magnetoresistive thin-layer system, which exhibits an at least increased magnetoresistive TMR effect compared to an AMR effect
  • A first electrode layer made of ferromagnetic material with a comparatively greater magnetic hardness than a second electrode layer made of ferromagnetic material,
  • An intermediate layer of insulating material located between these electrode layers as a tunnel barrier and
  • - Has electrical connections to the ferromagnetic layers.

Ein entsprechendes Speicherelement ist z.B. der EP 1 248 273 A2 zu entnehmen.A corresponding storage element is, for example, the EP 1 248 273 A2 refer to.

Das bekannte Speicherelement dient zum Speichern von Informationen auf magnetischer Basis. Es ist in der Regel Teil einer Speichereinrichtung, die häufig als sogenanntes MRAM (Magnetic Random Access Memory) ausgebildet ist. Mit einer derartigen Speichereinrichtung können Lese- und/oder Schreiboperationen durchgeführt werden. Jedes einzelne Speicherelement umfasst dabei eine weichmagnetische Lese- und/oder Schreibschicht, die über eine nicht-magnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Referenzschicht oder einem entsprechenden Referenzschichtsubsystem getrennt ist. Die Magnetisierung dieser Referenzschicht ist stabil und ändert sich in einem Feld nicht, während die Magnetisierung der weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschicht über ein anliegendes Feld geschaltet werden kann. Die beiden magnetischen Schich ten können zueinander parallel oder antiparallel magnetisiert sein. Diese beiden Magnetisierungszustände stellen jeweils ein Bit von Informationen dar, d.h. den logischen Null(„0")- oder Eins(„1")-Zustand. Ändert sich die relative Orientierung der Magnetisierung der beiden Schichten von parallel nach antiparallel oder umgekehrt, so ändert sich der Magnetowiderstand über dem Schichtensystem um einige Prozent. Diese Änderung des Widerstandes kann für das Auslesen in dem Speicherelement abgelegter digitaler Informationen verwendet werden. Dabei lässt sich diese Änderung des Widerstandes durch eine Spannungsänderung erkennen. Beispielsweise kann bei einer Spannungszunahme das Element mit einer logischen Null(„0") und bei einer Spannungsabnahme mit einer logischen Eins(„1") belegt werden. Ein wichtiger Vorteil derartiger magnetischer Speicherelemente liegt darin, dass auf diese Weise eine Informationen persistent gespeichert ist und ohne Aufrechterhaltung irgend einer Grundversorgung auch bei ausgeschaltetem Gerät erhalten bleibt und nach Einschalten des Gerätes sofort wieder verfügbar ist.The known storage element serves for storing information on a magnetic basis. It is in usually part of a memory device, which is often called MRAM (Magnetic Random Access Memory). With such a storage device can Read and / or write operations are performed. Each one The storage element comprises a soft magnetic reading and / or Writing layer over a non-magnetic intermediate layer from a magnetically harder reference layer or a corresponding reference layer subsystem is separated. The magnetization of this reference layer is stable and changes not in a field while the Magnetization of the soft magnetic reading and / or writing layer over one adjacent field can be switched. The two magnetic layers can be magnetized parallel or antiparallel to each other. These two magnetization states each represent a bit of information, i.e. the logical Zero ("0") or one ("1") state. The relative orientation changes the magnetization of the two layers from parallel to anti-parallel or vice versa, so changes the magnetoresistance over the layer system by a few percent. This change in resistance can be used for reading digital information stored in the storage element become. It leaves yourself this change detect the resistance by changing the voltage. For example with a voltage increase the element with a logical zero ("0") and with a voltage decrease with a logical one ("1"). On important advantage of such magnetic storage elements is in that information is persistently stored in this way is and without maintaining any basic services too when the device is switched off is retained and is available again immediately after switching on the device.

Besonders große Widerstandsänderungen im Bereich von einigen Prozent werden bei Änderung der Magnetisierungsausrichtung von parallel nach antiparallel und umgekehrt in magnetoresistiven Dünnschichtensystemen vom sogenannten „TMR"-Typ beobachtet. Bei dem bekannten Speicherelement kommt ein entsprechendes Dünnschichtensystem zum Einsatz.Particularly large changes in resistance in the Range of a few percent when the magnetization orientation changes from parallel to anti-parallel and vice versa in magnetoresistive thin-film systems observed from the so-called "TMR" type. In the known storage element there is a corresponding thin-layer system for use.

Auch der US 2002/0149962 A1 ist ein entsprechendes TMR-Dünnschichtensystem zu entnehmen, das zusammen mit einem MOS-Transistor zum Aufbau eines MRAM-Elementes dient.Also the US 2002/0149962 A1 a corresponding TMR thin-film system can be seen, which together with a MOS transistor is used to build an MRAM element.

Magnetoresistive Dünnschichtensysteme, die gegenüber einschichtigen Elementen mit einem sogenannten „klassischen AMR-Effekt" einen wesentlich erhöhten magnetoresistiven Effekt (sogenannten „XMR-Effekt") zeigen, sind allgemein bekannt (vgl. z.B. den Band „XMR-Technologien" – Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Innerhalb dieser XMR-Dünnschichtensysteme stellen solche vom sogenannten „TMR (Tunneling Magneto Resistance)-Typ" einen Sonderfall dar. Entsprechende TMR-Systeme weisen zwischen zwei ferromagnetischen Dünnschichten eine dünne Schicht aus einem isolierenden Material auf, die einen spinabhängigen Tunneleffekt ermöglicht (vgl. z.B. die Beiträge im „Symposium on Spin Tunneling and Injection Phenomena" in „J. Appl. Phys." 79 (8), 15. April 1996, Seiten 4724 bis 4739).Magnetoresistive thin-film systems that across from single-layer elements with a so-called "classic AMR effect" an essential increased show magnetoresistive effect (so-called "XMR effect") are general known (see, for example, the volume "XMR Technologies" - Technology Analysis: Magnetism; Vol. 2, VDI Technology Center "Physical Technologies", Düsseldorf (DE), 1997, pages 11 to 46). Within these XMR thin film systems represent those of the so-called "TMR (Tunneling Magneto Resistance) type" a special case Corresponding TMR systems point between two ferromagnetic thin films a thin one Layer of an insulating material on top that has a spin dependent tunnel effect allows (see e.g. the contributions in the "Symposium on Spin Tunneling and Injection Phenomena "in" J. Appl. Phys. " 79 (8), April 15 1996, pages 4724 to 4739).

Dünnschichtensysteme mit spinabhängigem Tunneln werden in künftigen Generationen von XMR-Dünnschichtensystemen insbesondere der Speichertechnik eingesetzt werden. Entsprechende Tunnelsysteme bestehen im Wesentlichen aus zwei magnetischen Elektroden in Form von dünnen Schichten aus ferromagnetischem Material, die durch eine elektrisch nicht-leitende Dünnschicht voneinander getrennt sind. Der Stromfluss zwischen den beiden Elektroden kann nur durch Tunneln der Elektronen durch den Isolator, der deshalb auch als Tunnelbarriere bezeichnet wird, erfolgen. Die Größe des Tunnelstroms ist dabei unter anderem abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung der beiden Elektrodenschichten zueinander. Beim Umschalten der Magnetisierung von einer parallelen Ausrichtung zu einer antiparallelen Ausrichtung steigt der Widerstand eines solchen Dünnschichtensystems um bis zu 50 %. Dieser Effekt wird auch als TMR-Effekt bezeichnet und wird ausgenutzt für die vorstehend genannten möglichen Anwendungen.thin-film systems with spin dependent tunneling will be in future Generations of XMR thin-film systems storage technology in particular. Corresponding tunnel systems consist essentially of two magnetic electrodes in shape of thin layers made of ferromagnetic material by an electrically non-conductive thin are separated from each other. The current flow between the two electrodes can only be done by tunneling the electrons through the insulator, which is why is also referred to as a tunnel barrier. The size of the tunnel current is dependent among other things on the orientation of the magnetization of the two electrode layers to each other. When switching the magnetization from a parallel one Alignment to an anti-parallel alignment increases the resistance of such a thin layer system by up to 50%. This effect is also known as the TMR effect and is used for the above possible Applications.

Die für Tunnelbarrieren eingesetzten isolierenden Materialien können im Allgemeinen charakterisiert werden durch ihre Bandlücke, ihre Barrierenhöhe und ihre Durchschlagsfestigkeit. Ein weiterer wichtiger Parameter, welcher die Güte eines Barrierenmaterials bestimmt, ist die Abwesenheit von Zuständen in der Bandlücke, welche zu spinunabhängigen Tunnelprozessen führen können und damit den TMR-Effekt reduzieren. An die Barrierenmaterialien müssen weiterhin spezielle Anforderungen bezüglich ihrer Herstellbarkeit gestellt werden. So muss das Barrierenmaterial glatt auf der unteren Elektrodenschicht des magnetoresistiven Tunnelsystems aufwachsen können. Außerdem muss es, wenn es nicht schon bereits als oxidischer Isolator abgeschieden wird, kontrolliert oxidierbar sein.The insulating materials used for tunnel barriers can generally be characterized by their band gap, their barrier height and their dielectric strength. Another An important parameter that determines the quality of a barrier material is the absence of states in the band gap, which can lead to spin-independent tunnel processes and thus reduce the TMR effect. The barrier materials must also have special requirements with regard to their manufacturability. The barrier material must be able to grow smoothly on the lower electrode layer of the magnetoresistive tunnel system. In addition, if it is not already deposited as an oxidic insulator, it must be capable of being oxidized in a controlled manner.

Als Barrierenmaterial für entsprechende magnetische Tunnelsysteme wurde bisher fast ausschließlich Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet (vgl. die DE 198 13 250 C2 oder die genannte US 2002/0149962 A1 ). Dieses Material zeichnet sich durch eine gute thermische Stabilität aus, ist jedoch unter den normalerweise praktizierten Abscheideparametern amorph, so dass es auch kein kohärentes Tunneln gibt. Al2O3 hat eine Bandlücke von ca. 8 eV und eine Barrierenhöhe, die mit ca. 2,5 bis 2,9 eV verhältnismäßig groß ist. Dadurch sind die Tunnelwiderstände bei solchen Tunnelsystemen entsprechend groß. Man erhält z.B. für Barrierendicken von ca. 2 nm Al2O3 Flächenwiderstände, die in der Größenordnung von 106 bis 107 Ω·μm2 liegen. Dies führt bei einer Verkleinerung der Dünnschichtensysteme in den Sub-μm-Bereich zu sehr großen Widerständen, die z.B. in Schaltungen zum Auslesen von magnetischen Speichermedien nicht mehr tolerierbar sind, da sie zu einer Absenkung der Auslesefrequenz führen würden. Eine Verringerung des Widerstandes für solche Systeme kann dann nur durch dünnere Barrieren erreicht werden, die deshalb Dicken kleiner als 1 nm, jedoch eine verringerten Durchschlagsfestigkeit und eine verminderte thermische Stabilität aufweisen.Almost exclusively aluminum oxide (Al 2 O 3 ) has hitherto been used as a barrier material for corresponding magnetic tunnel systems (cf. DE 198 13 250 C2 or the named US 2002/0149962 A1 ). This material is characterized by good thermal stability, but is amorphous under the deposition parameters normally used, so that there is also no coherent tunneling. Al 2 O 3 has a band gap of approx. 8 eV and a barrier height which is relatively large at approx. 2.5 to 2.9 eV. As a result, the tunnel resistances in such tunnel systems are correspondingly high. For example, for barrier thicknesses of approximately 2 nm, Al 2 O 3 surface resistances are obtained which are in the order of 10 6 to 10 7 Ω · μm 2 . When the thin-layer systems are reduced to the sub-μm range, this leads to very large resistances which, for example, can no longer be tolerated in circuits for reading magnetic storage media, since they would lead to a reduction in the readout frequency. A reduction in the resistance for such systems can then only be achieved by thinner barriers, which therefore have thicknesses less than 1 nm, but have a reduced dielectric strength and a reduced thermal stability.

Ein weiteres wichtiges Bewertungskriterium für Tunnelbarrieren ist die Abhängigkeit des TMR-Effektes von der Betriebsspannung des Tunnelsystems. Die Spannung (V½), bei der der TMR-Effekt auf die Hälfte abgesunken ist, sollte für die meisten Anwendungsfälle größer als 0,3 V sein.Another important evaluation criterion for tunnel barriers is the dependence of the TMR effect on the operating voltage of the tunnel system. The voltage (V ½ ) at which the TMR effect has dropped by half should be greater than 0.3 V for most applications.

Neben Al2O3 wurden eine Reihe anderer Materialien auf ihre Eignung als Tunnelbarrierenmaterial untersucht (vgl. die eingangs genannte EP 1 248 273 A2 oder die DE 198 13 250 C2 ). So sind z.B, SiO2, SiNx, AlNx, ZrO2, ZnS, ZnSe, MgO, Ta2O5 zu nen nen. Diese Materialien zeigen entweder eine ähnliche Barrierenhöhe wie Al2O3 und auch ähnliche TMR-Werte, oder, falls sie eine kleinere Barrierenhöhe wie z.B. im Falle von ZnS aufweisen, erreichen sie auch nur kleinere TMR-Werte und sind zudem im Herstellungsprozess nur schwierig beherrschbar.In addition to Al 2 O 3 , a number of other materials were examined for their suitability as tunnel barrier material (cf. the one mentioned at the beginning EP 1 248 273 A2 or the DE 198 13 250 C2 ). For example, SiO 2 , SiN x , AlN x , ZrO 2 , ZnS, ZnSe, MgO, Ta 2 O 5 should be named. These materials either have a similar barrier height as Al 2 O 3 and also similar TMR values, or, if they have a smaller barrier height, such as in the case of ZnS, they also only achieve lower TMR values and are also difficult to control in the manufacturing process ,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, für das TMR-Dünnschichtensystem eines Speicherelementes der eingangs genannten Art ein Tunnelbarrierenmaterial anzugeben, bei dem die angesprochenen Probleme zumindest zu einem großen Teil vermindert sind.Object of the present invention it is therefore for the TMR thin-film system a storage barrier material of the type mentioned at the beginning a tunnel barrier material to indicate, in which the problems addressed at least one big part are reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei dem TMR-Speicherelement der eingangs genannten Art die Tunnelbarrierenschicht zumindest teilweise aus Yttriumoxid (Y2O3) bestehen.This object is achieved with the measures specified in claim 1. Accordingly, in the TMR memory element of the type mentioned at the beginning, the tunnel barrier layer should at least partially consist of yttrium oxide (Y 2 O 3 ).

Es wurde nämlich erkannt, dass das ausgewählte Material besonders vorteilhaft als Barrierenmaterial verwendet werden kann. Yttriumoxid weist nämlich eine Bandlücke von 4 eV auf; und experimentell ist eine Barrierenhöhe von ca. 0,9 eV zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, niederohmige Tunnelsysteme zu erhalten. Trotz der verhältnismäßig niedrigen Barrierenhöhe zeigen diese Tunnelbarrieren eine hinreichend gute Durchschlagsfestigkeit. So beträgt beispielsweise die Durchschlagsspannung bei einer Barrierendicke von 2 nm ca. 1 V.It was recognized that the selected material can be used particularly advantageously as a barrier material. Yttrium oxide has namely a band gap from 4 eV on; and experimentally a barrier height of approx. 0.9 eV to be determined. This makes it possible to use low-resistance tunnel systems to obtain. Despite the relatively low barrier height these tunnel barriers show a sufficiently good dielectric strength. So is for example the breakdown voltage at a barrier thickness of 2 nm approx. 1 V.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Herstellung von entsprechenden Yttriumoxidbarrieren prozesstechnisch gut handhabbar ist. Wegen der im Vergleich zu den üblichen Elektrodenmaterialien sehr hohen Bindungsenergie von Sauerstoff an Yttrium und wegen der hohen Beweglichkeit von Sauerstoff im Yttriumoxid ist nämlich die Herstellung der Barrierenschicht ein gut beherrschbarer Prozess. Sie kann beispielsweise durch Abscheidung von metallischem Yttrium mit nachfolgender Oxidation, entweder thermisch oder durch Oxidation in einem Sauer stoffplasma erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung liegt in einer direkten Abscheidung von Yttriumoxid, entweder durch Sputtern direkt von einem Yttriumoxid-Target, oder durch ein reaktives Sputtern von Yttrium in Sauerstoff oder in Argon-Sauerstoff-Gemischen. Auch eine Kombination der genannten Verfahren ist möglich. Die hohe Reaktivität des Yttriums zum Sauerstoff gewährleistet zudem, dass das Yttri-um-Material selbst bei kleinen Sauerstoffpartialdrücken vollständig oxidiert und die Grenzschicht zwischen dem Oxid und einer darunterliegenden ferromagnetischen Elektrodenschicht sehr scharf ist. Dabei ist die Gefahr einer Oxidation der darunterliegenden magnetischen Elektrodenschicht wegen des großen Unterschiedes der Sauerstoffreaktivität entsprechend gering.Another advantage is that the production of corresponding yttrium oxide barriers in terms of process technology is easy to handle. Because of the compared to the usual Electrode materials very high binding energy of oxygen on yttrium and because of the high mobility of oxygen in the yttrium oxide is namely the production of the barrier layer is a well controllable process. It can, for example, by depositing metallic yttrium with subsequent oxidation, either thermally or by oxidation be generated in an oxygen plasma. Another way to Production is in a direct deposition of yttrium oxide, either by sputtering directly from an yttrium oxide target, or by reactive sputtering of yttrium in oxygen or in argon-oxygen mixtures. A combination of the methods mentioned is also possible. The high reactivity of the Yttriums to oxygen guaranteed also that the yttri-um material completely oxidized even at low oxygen partial pressures and the boundary layer between the oxide and an underlying ferromagnetic Electrode layer is very sharp. There is a risk of oxidation the underlying magnetic electrode layer because of the big difference the oxygen reactivity correspondingly low.

Außerdem zeigt Yttriumoxid ein sehr glattes Schichtwachstum. So können beispielsweise Schichten mit einem AFM-Rauigkeitswert von weniger als 1,2 Å RMS gemessen werden.It also shows yttrium oxide very smooth layer growth. For example, layers measured with an AFM roughness value of less than 1.2 Å RMS become.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen TMR-Speicherelementes gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäss kann das TMR-Speicherelement nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

  • – Die Tunnelbarrierenschicht kann vorzugsweise aus reinem Yttriumoxid bestehen. Der Abscheidungsprozess dieses Materials ist besonders einfach beherrschbar.
  • – Stattdessen kann die Tunnelbarrierenschicht auch aus einem Mischoxid-Material bestehen, das das Yttriumoxid anteilmäßig enthält. Insbesondere kann als Tunnelbarrierenschichtmaterial ein Aluminiumoxid-Yttriumoxid-Mischoxid vorgesehen sein. Die Beimischung in Yttrium an diesem Material kann herunter bis zu etwa 5 Gew.-% betragen. Entsprechende Mischoxide zeigen eine verbesserte Temperaturstabilität gegenüber reinem Al2O3 des Standes der Technik.
  • – Weiterhin ist es auch möglich, das als Tunnelbarrierenschicht eine Doppelschicht aus einer Sandwichstruktur aus einem Yttriumoxid-Schichtteil und einem weiteren Schichtteil aus einem anderen Oxidmaterial wie z.B. Al2O3 vorgesehen wird, wobei der Yttriumoxid-Schichtteil auf der der unteren Elektrodenschicht zugewandten Seite angeordnet sein sollte. Bei einer Verwendung entsprechender Tunnelbarrierenschichten ist ein TMR-Effekt von über 40 % bei Raumtemperatur zu erreichen, wobei die Barrierenhöhe gegenüber der von reinem Al2O3 noch abgesenkt ist.
  • – Stattdessen kann vorteilhaft das Dünnschichtensystem eine Doppelbarriere mit zwei Tunnelbarrierenschichten aufweisen, von denen mindestens eine das Yttriumoxid-Material enthält und zwischen denen die zweite Elektrodenschicht angeordnet ist. Entsprechende Schichtensysteme zeichnen sich durch einen hohen TMR-Effekt bei kleiner Biasspannungsabhängigkeit aus.
  • – Vorteilhaft kann das TMR-Dünnschichtensystem als ein System vom Spin-Valve-Typ ausgebildet sein, dessen zweite Elektrodenschicht durch mindestens eine verhältnismäßig weichmagnetische Schicht und dessen durch die Tunnelbarrierenschicht getrennte erste Elektrodenschicht durch eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht oder ein entsprechendes Referenzschichtsubsystem (vgl. WO 98/14793 A1) gebildet werden, wobei das Referenzschichtsubsystem insbesondere als ein künstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein kann (vgl. WO 94/15223 A1). Entsprechende Systeme, die eine gute Entkopplung ihrer Elektrodenschichten aufweisen, sind insbesondere für Speicherelemente wie MRAMs geeignet.
Advantageous embodiments of the TMR memory element according to the invention emerge from the claims dependent on claim 1. The embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also those from a plurality of subclaims. Accordingly, the TMR memory element according to the invention can additionally still have the following characteristics:
  • - The tunnel barrier layer can preferably consist of pure yttrium oxide. The separation process of this material is particularly easy to control.
  • - Instead, the tunnel barrier layer can also consist of a mixed oxide material that contains the yttrium oxide in part. In particular, an aluminum oxide-yttrium oxide mixed oxide can be provided as the tunnel barrier layer material. The admixture in yttrium of this material can be down to about 5% by weight. Corresponding mixed oxides show improved temperature stability compared to pure Al 2 O 3 of the prior art.
  • - Furthermore, it is also possible that a double layer consisting of a sandwich structure composed of a yttrium oxide layer part and a further layer part made of another oxide material such as Al 2 O 3 is provided as the tunnel barrier layer, the yttrium oxide layer part being arranged on the side facing the lower electrode layer should be. If appropriate tunnel barrier layers are used, a TMR effect of over 40% can be achieved at room temperature, the barrier height being still lower than that of pure Al 2 O 3 .
  • Instead, the thin-layer system can advantageously have a double barrier with two tunnel barrier layers, at least one of which contains the yttrium oxide material and between which the second electrode layer is arranged. Corresponding layer systems are characterized by a high TMR effect with a small bias voltage dependency.
  • - The TMR thin-layer system can advantageously be designed as a system of the spin valve type, the second electrode layer of which is composed of at least one relatively soft magnetic layer and the first electrode layer of which is separated by the tunnel barrier layer, of a comparatively magnetically harder reference layer or a corresponding reference layer subsystem (see WO 98/14793 A1) are formed, the reference layer subsystem being able in particular to be designed as an artificial antiferromagnet (cf. WO 94/15223 A1). Corresponding systems which have good decoupling of their electrode layers are particularly suitable for memory elements such as MRAMs.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des TMR-Speicherelementes gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.Further advantageous configurations of the TMR memory element are derived from those not mentioned above dependent claims out.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen jeweils schematisiertThe invention will follow Hand of preferred embodiments explained further, reference being made to the drawing. Show each schematically

deren 1 bis 4 verschiedene TMR-Schichtensysteme von erfindungsgemäßen Speicherelementen mit Y2O3- Tunnelbarrieren
undtheir 1 to 4 different TMR layer systems of storage elements according to the invention with Y 2 O 3 tunnel barriers
and

deren 5 und 6 die Abhängigkeit des TMR-Effektes bzw. der differenziellen Leitfähigkeit von einer Biasspannung an einem TMR-Dünnschichtensystem eines Speicherelementes zur Ermittlung der Potenzialhöhe der Tunnelbarriere.their 5 and 6 the dependence of the TMR effect or the differential conductivity on a bias voltage on a TMR thin-layer system of a storage element to determine the potential level of the tunnel barrier.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding figures are shown in the figures Parts have the same reference numerals.

Zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Speicherelementes wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen, die Dünnschichtensysteme umfassen, welche einen sogenannten TMR-Effekt zeigen. Da der Aufbau und die Herstellung entsprechender Speicherelemente, insbesondere MRAM-Elemente, prinzipiell bekannt ist, (vgl. EP 1 248 273 A2 , EP 1 172 854 A2 oder US 2002/0149962 A1 ), wird nachfolgend nur auf die erfindungswesentliche Ausbildung der TMR-Dünnschichtensysteme solcher Elemente eingegangen. Dabei sind nicht näher ausgeführte Details solcher Systeme ebenfalls Stand der Technik (vgl. z.B. EP 1 055 259 B1 , WO 97/39488 A1 oder WO 98/14793 A1). Für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird von Dünnschichtensystemen ausgegangen, die vom sogenannten Spin-Valve-Typ sind. Die TMR-Dünnschichtensysteme eignen sich auf Grund ihrer geringen Baugröße und ihres vergleichsweise großen magnetoresistiven Effektes bevorzugt zur Erfassung von Richtungsänderungen von Magnetfeldern, wie sie für die Speichertechnik insbesondere in MRAM-Elementen ausgenutzt werden. Entsprechende TMR-Systeme zeichnen sich jeweils dadurch aus, dass sie eine Schichtenfolge mit wenigstens folgenden Schichten aufweisen, nämlich eine weichmagnetische Mess- oder Detektions- oder Informationsschicht, eine vergleichsweise (um mindestens eine Größenordnung, vorzugsweise mehrere Größenord nungen) magnetisch härtere Referenzschicht sowie eine zwischen diesen Schichten angeordnete, extrem dünne Zwischenschicht aus dem besonderen isolierenden Material, das eine sogenannte Tunnelbarriere bildet. Statt einer einzigen weichmagnetischen Schicht kann auch eine Schichtenfolge vorgesehen sein. Ebenso kann auch die Referenzschicht Teil eines Referenzschichtsubsystems sein. Da über die magnetischen Schichten ein Messstrom geleitet bzw. an diese Schichten eine Spannung angelegt wird, werden diese Schichten nachfolgend als Elektrodenschichten bezeichnet, wobei die mindestens eine, im Allgemeinen einem Substrat zugewandte, untere, magnetisch härtere Schicht als eine „erste Elektrodenschicht" und die mindestens eine, obere, magnetisch weichere Schicht als „zweite Elektrodenschicht" angesehen werden. Entsprechende Bauelemente lassen sich insbesondere so ausbilden, dass sie gerade bei Raumtemperatur einen gegenüber einem einschichtigen magnetoresistiven Bauelement vom AMR-Typ vergleichsweise deutlich höheren magnetoresistiven Effekt, z.B. in der Größenordnung zwischen 15 und 50 %, zeigen.Known embodiments are assumed for the construction of a memory element according to the invention, which comprise thin-layer systems which exhibit a so-called TMR effect. Since the construction and manufacture of corresponding memory elements, in particular MRAM elements, is known in principle (cf. EP 1 248 273 A2 . EP 1 172 854 A2 or US 2002/0149962 A1 ), only the formation of the TMR thin-layer systems of such elements, which is essential to the invention, is discussed below. Details of such systems, which are not detailed, are also state of the art (cf. e.g. EP 1 055 259 B1 , WO 97/39488 A1 or WO 98/14793 A1). For the following exemplary embodiments, thin-layer systems based on the so-called spin valve type are assumed. Due to their small size and their comparatively large magnetoresistive effect, the TMR thin-film systems are particularly suitable for the detection of changes in direction of magnetic fields, such as those used for memory technology, particularly in MRAM elements. Corresponding TMR systems are characterized in that they have a layer sequence with at least the following layers, namely a soft magnetic measuring or detection or information layer, a comparatively (by at least one order of magnitude, preferably several orders of magnitude) magnetically harder reference layer and an intermediate layer extremely thin intermediate layer made of the special insulating material that forms a so-called tunnel barrier. Instead of a single soft magnetic layer, a layer sequence can also be provided. The reference layer can also be part of a reference layer subsystem. Since a measuring current is conducted across the magnetic layers or a voltage is applied to these layers, these layers are referred to below as electrode layers, the at least one lower, magnetically harder layer generally facing a substrate than a “first electrode layer” and the at least one, upper, magnetically softer layer can be regarded as a “second electrode layer”. Corresponding components can in particular be designed such that they show a comparatively significantly higher magnetoresistive effect compared to a single-layer magnetoresistive component of the AMR type, for example in the range between 15 and 50%, especially at room temperature.

Ein TMR-Dünnschichtensystem, wie es für Elemente nach der Erfindung vorgesehen werden kann, geht in seiner einfachsten Form aus 1 hervor. In dieser Figur sind bezeichnet mit 2 allgemein das Dünnschichtensystem bzw. dessen Schichtenfolge, mit 3 deren magnetisch härtere, erste Elektrodenschicht, mit 4 eine weichmagnetische, zweite Elektrodenschicht, mit 5 eine Tunnelbarrieren- bzw. Entkopplungsschicht und mit 6 ein Substrat, auf dem sich (gegebenenfalls mit weiteren Schichten) die Schichtenfolge bzw. die erste Elektrodenschicht 3 befindet.A TMR thin-layer system, as can be provided for elements according to the invention, starts out in its simplest form 1 out. In this figure, 2 generally designates the thin-layer system or its layer sequence, 3 its magnetically harder, first electrode layer, 4 a soft magnetic, second electrode layer, 5 a tunnel barrier or decoupling layer and 6 a substrate on which ( optionally with further layers) the layer sequence or the first electrode layer 3 located.

Statt der ersten Elektrodenschicht kann selbstverständlich auch ein bekanntes Referenzschichtsubsystem eingesetzt werden. Beispielsweise lässt sich eine Doppelschicht aus einem hartmagnetischen Material wie z.B. einer Co-Legierung und aus einer antiferromagnetischen IrMn-Schicht vorsehen, die austauschgekoppelt mit der hartmagnetischen Schicht ist (soge nanntes „Exchange Biasing" vgl. z.B. „Journ. Appl. Phys.", Vol. 83, No. 11, 01.06.1998, Seiten 7216 bis 7218). Oder das Referenzschichtsubsystem wird von einem künstlichen Antiferromagneten gebildet (vgl. z.B. WO 94/15223 A1). Beispielsweise wird die erste, hartmagnetische Elektrodenschicht mit einer Schichtdicke d1 zwischen etwa 1 nm und 30 nm durch einen Aufbau aus CoFe oder PtMn/CoFe oder PtMn/CoFe/Ru/CoFe gebildet. Die entkoppelnde Tunnelbarrierenschicht 5 soll erfindungsgemäß aus Yttriumoxid (Y2O3) mit einer Schichtdicke d3 zwischen etwa 0,5 nm und 6 nm, vorzugsweise etwa 1 nm und 4 nm bestehen. Als zweite Elektrodenschicht 4 mit einer Schichtdicke d2 zwischen etwa 1 nm und 15 bis 30 nm kann eine Schicht aus magnetisch weicherem CoFe oder NiFe (wie „Permalloy") vorgesehen werden. Die Magnetisierung der unteren, z.B. auf dem Substrat 6 abgeschiedenen Elektrodenschicht 3 stellt also eine hartmagnetische Referenzschicht mit einer Biasschichtmagnetisierung dar, die gegen externe Felder praktisch unempfindlich ist und bezüglich welcher die Magnetisierung der weichmagnetischen zweiten Elektrodenschicht 4 gedreht bzw. geschaltet werden kann, wenn auf diese ein hinreichend hohes externes Magnetfeld einwirkt. An den ferromagnetischen Elektrodenschichten 3 und 4 sind ferner in der 1 nicht ausgeführte elektrische Kontaktierungsschichten z.B. aus Ru vorhanden, zwischen denen ein Widerstand R der Schichtenfolge abgreifbar ist. Dieser Widerstand ist durch die folgende Cosinus-Beziehung R = R0 + ΔR cos (φ)charakterisiert. R0 ist dabei der nicht-winkelabhängige Anteil des Widerstandes. φ ist der relative Winkel zwischen den Ausrichtungen der Magnetisierungen der Elektrodenschichten. Die relative Widerstandsänderung ΔR/R0 [in %] ist ein Maß des TMR-Effektes.Instead of the first electrode layer, it is of course also possible to use a known reference layer subsystem. For example, a double layer made of a hard magnetic material such as a Co alloy and an antiferromagnetic IrMn layer can be provided, which is exchange-coupled with the hard magnetic layer (so-called “exchange biasing”, see, for example, “Journ. Appl. Phys.”, Vol. 83, No. 11, June 1, 1998, pages 7216 to 7218). Or the reference layer subsystem is formed by an artificial antiferromagnet (see, for example, WO 94/15223 A1). For example, the first, hard magnetic electrode layer with a layer thickness d1 between approximately 1 nm and 30 nm is formed by a structure made of CoFe or PtMn / CoFe or PtMn / CoFe / Ru / CoFe. The decoupling tunnel barrier layer 5 According to the invention should consist of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) with a layer thickness d3 between approximately 0.5 nm and 6 nm, preferably approximately 1 nm and 4 nm. As a second electrode layer 4 With a layer thickness d2 between approximately 1 nm and 15 to 30 nm, a layer of magnetically softer CoFe or NiFe (such as “Permalloy”) can be provided. The magnetization of the lower layer, for example on the substrate 6 deposited electrode layer 3 thus represents a hard magnetic reference layer with a bias layer magnetization which is practically insensitive to external fields and with respect to which the magnetization of the soft magnetic second electrode layer 4 can be rotated or switched if a sufficiently high external magnetic field acts on them. On the ferromagnetic electrode layers 3 and 4 are also in the 1 Electrical contacting layers, not made of Ru, for example, are present, between which a resistance R of the layer sequence can be tapped. This resistance is due to the following cosine relationship R = R 0 + ΔR cos (φ) characterized. R 0 is the non-angle-dependent part of the resistance. φ is the relative angle between the orientations of the magnetizations of the electrode layers. The relative change in resistance ΔR / R 0 [in%] is a measure of the TMR effect.

Das in 2 gezeigte, allgemein mit 12 bezeichnete TMR-Dünnschichtensystem unterscheidet sich gegenüber dem Tunnelsystem 2 nach 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass seine Tunnelbarriere aus einer Doppelschicht 15 besteht, die durch eine der ersten hartmagnetischen Elektrodenschicht 3 der Dicke d1 zugewandte Teilschicht 15a aus Y2O3 und eine der magnetisch weicheren Elektrodenschicht 4 zugewandte Teilschicht 15b aus Al2O3 sandwichartig zusammengesetzt ist. Die Gesamtdicke d3 dieser Doppelschicht entspricht der nach 1, d.h. 0,5 nm ≤ d3 ≤ 6 nm. Die Dicke d3a der Y2O3-Teilschicht 15a sollte dabei mindestens 0,5 nm betragen und kann fast vollständig die Gesamtdicke d3 ausmachen. Auch die Dicke d2 der magnetisch weicheren Elektrodenschicht 4 liegt in derselben Größenordnung wie die beim Ausführungsbeispiel nach 1 und kann einen Wert z.B. zwischen 1 nm und 10 nm haben.This in 2 shown TMR thin-layer system, generally designated 12, differs from the tunnel system 2 to 1 essentially only in that its tunnel barrier consists of a double layer 15 consists of one of the first hard magnetic electrode layers 3 partial layer facing the thickness d1 15a made of Y 2 O 3 and one of the magnetically softer electrode layers 4 facing sub-layer 15b is composed of Al 2 O 3 in a sandwich. The total thickness d3 of this double layer corresponds to that of 1 , ie 0.5 nm ≤ d3 ≤ 6 nm. The thickness d3a of the Y 2 O 3 sublayer 15a should be at least 0.5 nm and can almost completely make up the total thickness d3. The thickness d2 of the magnetically softer electrode layer 4 is of the same order of magnitude as that of the exemplary embodiment 1 and can have a value, for example, between 1 nm and 10 nm.

Das in 3 veranschaulichte, allgemein mit 22 bezeichnete TMR-Dünnschichtensystem unterscheidet sich gegenüber dem Tunnelsystem 2 nach 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass seine Tunnelbarrierenschicht 25 mit gleicher Dicke d3 durch ein Y2O3-haltiges Mischoxid wie z. B. aus Y2O3-Al2O3 gebildet ist. Ein geeignetes Mischoxid hat z.B. 6 Gew.-% Y2O3 und 94 Gew.-% Al2O3. Allgemein kann der Y2O3-Anteil solcher Mischoxide bis herunter auf etwa 5 Gew.-% und nach oben beliebig reichen, ohne dass der angestrebte Effekt verloren geht.This in 3 illustrated TMR thin-layer system, generally designated 22, differs from the tunnel system 2 to 1 essentially only in that its tunnel barrier layer 25 with the same thickness d3 by a mixed oxide containing Y 2 O 3 such as e.g. B. is formed from Y 2 O 3 -Al 2 O 3 . A suitable mixed oxide has, for example, 6% by weight of Y 2 O 3 and 94% by weight of Al 2 O 3 . In general, the Y 2 O 3 content of such mixed oxides can range down to about 5% by weight and upwards as desired, without the desired effect being lost.

Es können auch TMR-Dünnschichtensysteme mit Doppelbarrieren und dazwischenliegender weichmagnetischer Elektrodenschicht bzw. Sensorschicht realisiert werden, wobei die eine Barriere z. B. aus Al2O3 und die zweite Barriere aus Y2O3 bestehen kann. Solche Tunnelstrukturen zeigen neben einem besseren Biasverhalten gegenüber Einzelbarrieren wegen der unterschiedlichen Barrierenhöhen eine Asymmetrie, die insbesondere bei einer passiven Matrixanordnung mehrerer Elemente zu einer besseren Auswahl von einzelnen Systemen mit geringeren parasitären Strömen führen kann. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist aus 4 zu entnehmen. Das dort gezeigte, allgemein mit 32 bezeichnete TMR-Dünnschichtensystem besitzt zwei erste, äußere hartmagnetische Elektrodenschichten 3 und 3' mit Dicken d1 bzw. d1' entsprechend der ersten Elektrodenschicht 3 nach 1. Zwischen diesen Elektrodenschichten 3 und 3' befindet sich eine mittlere weichmagnetische Elektrodenschicht 4 entsprechend der Schicht 4 nach 1. Dabei ist zwischen der unteren, ersten hartmagnetischen Elektrodenschicht 3 und der weichmagnetischen Elektrodenschicht 4 eine erste Tunnelbarrierenschicht 35 aus Y2O3 abgeschieden, während die weichmagnetische Elektrodenschicht 4 gegenüber der oberen hartmagnetischen Elektrodenschicht 3' durch eine weitere Tunnelbarrierenschicht 36 getrennt ist, die z.B. aus Al2O3 besteht. Selbstverständlich kann auch für diese weitere Tunnelbarrierenschicht 36 das Y2O3-Material gewählt werden. Gemäß dem angenommenen Ausführungsbeispiel kann die äußere erste hartmagnetische Elektrodenschicht 3' eine andere Schichtdicke d1' gegenüber der unteren hartmagnetischen Elektrodenschicht 3 haben, wobei die Dicke d1' im Allgemeinen unter oder gegebenenfalls sogar über 30 nm liegen kann. Beispielsweise liegt die Dicke d1' zwischen 1 nm und 15 nm. Die Dicken d3 und d3' der beiden Tunnelbarrierenschichten 35 und 36 liegen in der Größenordnung der Dicke d3 nach 1.It can also TMR thin-layer systems with double barriers and intervening soft magnetic electrode layer or sensor layer can be realized, the one barrier z. B. may consist of Al 2 O 3 and the second barrier of Y 2 O 3 . In addition to better bias behavior with respect to individual barriers, such tunnel structures show asymmetry due to the different barrier heights, which can lead to a better selection of individual systems with lower parasitic currents, in particular in the case of a passive matrix arrangement of several elements. A corresponding embodiment is from 4 refer to. The TMR thin-layer system shown there, generally designated 32, has two first, outer, hard-magnetic electrode layers 3 and 3 ' with thicknesses d1 or d1 'corresponding to the first electrode layer 3 to 1 , Between these electrode layers 3 and 3 ' there is a middle soft magnetic electrode layer 4 according to the shift 4 to 1 , There is between the lower, first hard magnetic electrode layer 3 and the soft magnetic electrode layer 4 a first tunnel barrier layer 35 deposited from Y 2 O 3 while the soft magnetic electrode layer 4 opposite the upper hard magnetic electrode layer 3 ' through another tunnel barrier layer 36 is separated, for example from Al 2 O 3 exists. Of course, this additional tunnel barrier layer can also be used 36 the Y 2 O 3 material can be selected. According to the assumed exemplary embodiment, the outer first hard magnetic electrode layer 3 ' another layer thickness d1 'compared to the lower hard magnetic electrode layer 3 have, wherein the thickness d1 'can generally be below or possibly even above 30 nm. For example, the thickness d1 'is between 1 nm and 15 nm. The thicknesses d3 and d3' of the two tunnel barrier layers 35 and 36 are in the order of the thickness d3 1 ,

Die Kurven der Diagramme der 5 und 6 werden für ein TMR-Dünnschichtensystem von einem Typ nach 1 erhalten, das auf einem Substrat z.B. aus Si die Schichtenfolge SiO2/Ru30nm/IrMn8nm/CoFe2,5nm/Y(1,5nm; 0,6 min oxi.)/CoFe1nm/NiFe5nm/Ru10n m aufweist. Die Tunnelbarrierenschicht aus Y2O3-Material wurde demnach durch Oxidation von metallischem Y während 0,6 min Oxidationsdauer in einem Sauerstoffplasma ausgebildet. Die Indizes der einzelnen Materialien der vorgenannten Schichtenfolge geben die jeweilige Schichtdicke an.The curves of the diagrams of the 5 and 6 are of a type for a TMR thin film system 1 obtained, which has the layer sequence SiO 2 / Ru 30nm / IrMn 8nm / CoFe 2.5nm / Y (1.5nm; 0.6 min oxi.) / CoFe 1nm / NiFe 5nm / Ru 10n m on a substrate made of Si, for example. The tunnel barrier layer made of Y 2 O 3 material was accordingly formed by oxidizing metallic Y in an oxygen plasma for an oxidation time of 0.6 min. The indices of the individual materials of the aforementioned layer sequence indicate the respective layer thickness.

Um den in dem Diagramm der 5 gezeigten Kurvenverlauf zu erhalten, wurde an die Ru-Schichten des Dünnschichtensystems eine sukzessiv geänderte Biasspannung VB angelegt. Bei der jeweiligen Spannung wurde dann das Dünnschichtensystem einem äußeren Magnetfeld derart ausgesetzt, dass sich die Magnetisierung in der magnetisch weicheren Doppelschicht Co-Fe1nm/NiFe5nm von einer parallelen Ausrichtung bezüglich der Magnetisierung der magnetisch härteren Doppelschicht IrMn8nm/CoFe2,5nm in eine antiparallele Ausrichtung dreht. Damit verbunden ist eine Widerstandsänderung ΔR zwischen den Elektrodenschichten, die einen relativen Widerstandswert ΔR/R0 festlegt, der die Größe des TMR-Effektes darstellt. D.h., für jeden Wert der Biasspannung VB – in Volt in Abszissenrichtung aufgetragen – wurde eine entsprechende Bestimmung des TMR-Effektes – in % in Ordinatenrichtung aufgetragen – vorgenommen. Bei der für das Ausführungsbeispiel konkret gewählten Schichtenfolge ist bei einem Biasspannungswert von etwa 0 V dieser TMR-Effekt am größten – etwa 24 % -, während er bei einer Biasspannung von etwa ± 0,5 V auf etwa die Hälfte zurückgegangen ist. Die entsprechende Biasspannung V½ ist ein Maß für die Güte des TMR-Systems.To the in the diagram of the 5 to obtain the curve shape shown, a gradually changed bias voltage V B was applied to the Ru layers of the thin-layer system. At the respective voltage, the thin-layer system was then exposed to an external magnetic field in such a way that the magnetization in the magnetically softer double layer Co-Fe 1nm / NiFe 5nm changed from a parallel orientation with respect to the magnetization of the magnetically harder double layer IrMn 8nm / CoFe 2.5nm into one anti-parallel alignment rotates. Associated with this is a change in resistance ΔR between the electrode layers, which defines a relative resistance value ΔR / R 0 , which represents the magnitude of the TMR effect. Ie, for each value of bias voltage V B - plotted in volts in the abscissa direction - a corresponding determination of the TMR effect - plotted in% in the ordinate direction - was carried out. In the layer sequence specifically selected for the exemplary embodiment, this TMR effect is greatest - approximately 24% - at a bias voltage value of approximately 0 V, while it has decreased to approximately half at a bias voltage of approximately ± 0.5 V. The corresponding bias voltage V ½ is a measure of the quality of the TMR system.

Den Kurven des Diagramms der 6 ist ein fester, und zwar paralleler Magnetisierungszustand der Elektrodenschichten zugrunde gelegt. Die Kurve I ergibt sich als Messkurve des Stromes I [gemessen in mA], der sich in Abhängigkeit von der Biasspannung VB zwischen den Elektrodenschichten einstellt. Mit Hilfe dieser Messkurve I des Biasstroms lässt sich dann die ferner gezeigte Kurve dI/dV der differenziellen Leitfähigkeit rechnerisch ermitteln. Aus dem Kurvenverlauf dieser Kurve sind in an sich bekannter Weise die die Tunnelbarriere charakterisierenden Größen d (= Tunnelbarrierenschichtdicke), Φ (= Potenzialhöhe der Barriere) und ΔΦ (= Asymmetrie der Potenzialhöhe, insbesondere wegen einer nicht exakten Symmetrie der Schichtenfolge) in bekannter Weise bestimmbar. Für das konkrete Ausführungsbeispiel ergeben sich für diese drei Parameter die folgenden Werte: d = 1,44 nm; Φ = 1,05 eV; ΔΦ = 0,212 eV.The curves of the diagram of the 6 is based on a fixed, parallel magnetization state of the electrode layers. The curve I results as a measurement curve of the current I [measured in mA], which is established as a function of the bias voltage V B between the electrode layers. With the help of this measurement curve I of the bias current, the further shown curve dI / dV of the differential conductivity can then be determined by calculation. From the curve shape of this curve, the variables d (= tunnel barrier layer thickness), Φ (= potential height of the barrier) and ΔΦ (= asymmetry of the potential height, in particular because of an inaccurate symmetry of the layer sequence) characterizing the tunnel barrier can be determined in a known manner , For the specific exemplary embodiment, the following values result for these three parameters: d = 1.44 nm; Φ = 1.05 eV; ΔΦ = 0.212 eV.

Wie die Diagramme belegen, liegt ein wesentlicher Vorteil der zumindest teilweisen Verwendung von Yttriumoxid als Tunnelbarrierenmaterial in der verhältnismäßig geringen Barrierenhöhe (= Potenzialhöhe Φ). Daraus ergibt sich die Möglichkeit, sehr niederohmige TMR-Dünnschichtensysteme herzustellen, wie sie insbesondere für MRAM-Elemente benötigt werden. Auch eine Verkleinerung der Elemente in den Sub-μm-Bereich wird so ermöglicht.As the diagrams show, lies a major advantage of the at least partial use of Yttrium oxide as a tunnel barrier material in the relatively low barrier height (= Potential level Φ). from that the possibility arises very low-resistance TMR thin-film systems to manufacture, as they are required in particular for MRAM elements. This also enables the elements to be reduced in size to the sub-μm range.

Weiterhin ist es möglich, durch eine Temperaturbehandlung zwischen 100 und 350°C die Barrierenhöhe gezielt einzustellen. Denn es lässt sich experimentell zeigen, dass die Barrierenhöhe mit steigender Glühtemperatur zunimmt.It is also possible to go through a temperature treatment between 100 and 350 ° C targeted the barrier height adjust. Because it leaves have been shown experimentally that the barrier height increases with the annealing temperature increases.

Gemäß den gewählten Ausführungsbeispielen liegt der TMR-Effekt mit Yttriumoxidbarrierenschicht bei > 26 % bei Raumtemperatur. Tieftemperaturmessungen bestätigen, dass durch eine verbesserte Präparation noch eine weitere Steigerung des TMR-Effektes möglich ist.According to the selected embodiments, the TMR effect with yttrium oxide barrier layer at> 26% at room temperature. Confirm low temperature measurements, that through improved preparation a further increase in the TMR effect is possible.

Claims (12)

Magnetisches Speicherelement mit einem magnetoresistiven Dünnschichtensystem, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und wenigstens – eine erste Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material mit einer gegenüber einer zweiten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material vergleichsweise größeren magnetischen Härte, – eine zwischen diesen Elektrodenschichten befindliche Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarrierenschicht und – elektrische Anschlüsse an den ferromagnetischen Elektrodenschichten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (5, 15, 25, 35) zumindest Yttriumoxid enthält.Magnetic storage element with a magnetoresistive thin-layer system which exhibits a magnetoresistive TMR effect which is increased compared to an AMR effect and at least - a first electrode layer made of ferromagnetic material with a comparatively greater magnetic hardness compared to a second electrode layer made of ferromagnetic material, - an intermediate layer located between these electrode layers of insulating material as a tunnel barrier layer and - electrical connections to the ferromagnetic electrode layers, characterized in that the tunnel barrier layer ( 5 . 15 . 25 . 35 ) contains at least yttrium oxide. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (5) aus reinem Yttriumoxid besteht.Element according to claim 1, characterized in that the tunnel barrier layer ( 5 ) consists of pure yttrium oxide. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (25) aus einem Mischoxid-Material besteht, das das Yttriumoxid anteilmäßig enthält.Element according to claim 1, characterized in that the tunnel barrier layer ( 25 ) consists of a mixed oxide material that contains the yttrium oxide in part. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Tunnelbarrierenmaterial Al2O3- Y2O3-Mischoxid vorgesehen ist.Element according to claim 3, characterized shows that Al 2 O 3 - Y 2 O 3 mixed oxide is provided as the tunnel barrier material. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Tunnelbarrierenschicht (35) eine Doppelschicht (35a, 35b) aus einer Sandwichstruktur aus einem Yttriumoxid-Schichtteil und einem weiteren Schichtteil aus einem anderen Oxidmaterial wie Al2O3 vorgesehen ist, wobei der Yttriumoxid-Schichtteil auf der der unteren Elektrodenschicht (3) zugewandten Seite angeordnet ist.Element according to claim 1, characterized in that as a tunnel barrier layer ( 35 ) a double layer ( 35a . 35b ) is provided from a sandwich structure of an yttrium oxide layer part and a further layer part made of another oxide material such as Al 2 O 3 , the yttrium oxide layer part on the lower electrode layer ( 3 ) facing side is arranged. Element nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Doppelbarriere mit zwei Tunnelbarrierenschichten (35, 36), von denen mindestens eine das Yttriumoxid-Material enthält und zwischen denen die zweite Elektrodenschicht (4) angeordnet ist.Element according to claim 1, characterized by a double barrier with two tunnel barrier layers ( 35 . 36 ), at least one of which contains the yttrium oxide material and between which the second electrode layer ( 4 ) is arranged. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausführung seines Dünnschichtensystems als ein System vom Spin-Valve-Typ, dessen zweite Elektrodenschicht (4) durch mindestens eine verhältnismäßig weichmagnetische Schicht und dessen durch die Tunnelbarrierenschicht (5, 15, 25, 35) getrennte erste Elektrodenschicht (3) durch eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht oder ein entsprechendes Referenzschichtsubsystem gebildet sind.Element according to one of the preceding claims, characterized by an embodiment of its thin-layer system as a system of the spin valve type, the second electrode layer ( 4 ) by at least one relatively soft magnetic layer and its through the tunnel barrier layer ( 5 . 15 . 25 . 35 ) separated first electrode layer ( 3 ) are formed by a comparatively magnetically harder reference layer or a corresponding reference layer subsystem. Element nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Ausbildung des Referenzschichtsubsystems als ein künstlicher Antiferromagnet.Element according to claim 7, characterized by training of the reference layer subsystem as an artificial antiferromagnet. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke (d1, d1') der ersten Elektrodenschicht (3, 3') zwischen 1 nm und 30 nm.Element according to one of the preceding claims, characterized by a layer thickness (d1, d1 ') of the first electrode layer ( 3 . 3 ' ) between 1 nm and 30 nm. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke (d2) der zweiten Elektrodenschicht (4) zwischen 1 nm und 30 nm.Element according to one of the preceding claims, characterized by a layer thickness (d2) of the second electrode layer ( 4 ) between 1 nm and 30 nm. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke (d3, d3') der Tunnelbarrierenschicht (5, 15, 25, 35, 36) zwischen 0,5 nm und 6 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm und 4 nm.Element according to one of the preceding claims, characterized by a layer thickness (d3, d3 ') of the tunnel barrier layer ( 5 . 15 . 25 . 35 . 36 ) between 0.5 nm and 6 nm, preferably between 1 nm and 4 nm. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als ein MRAM-Element.Element according to one of the preceding claims, characterized through training as an MRAM element.
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VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien: "XMR-Technologien" - Technologieanalyse: Magnetis- mus" Bd. 2, 1997, 11-46
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