DE10141341C2 - Elektronisches Bauelement umfassend wenigstens einen Kondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement umfas­ send wenigstens einen Kondensator.

Bekannte integrierte Kondensatoren werden in der Regel in Form von Halbleiterkondensatoren gebildet, z. B. in Form ei­ nes Sperrschichtkondensators unter Ausnutzung der Sperr­ schichtkapazität eines gesperrt betriebenen pn-Übergangs, wie z. B. in einer Diode oder bei einem Drain-Substrat-Übergang bei einem MOS-FET, oder aber in Form eine MIS-Kondensators mit einer in der MIS- bzw. MOS-Technik stets vorhandenen Iso­ lierschicht aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid und einem Halbleitergebiet als Gegenelektrode. Nachteilig bei solchen Halbleiterkondensatoren ist, dass sie für größere Ka­ pazitätswerte verhältnismäßig viel Substratfläche benötigen und deshalb den Integrationsgrad verringern. Zusätzlich sind sie mit parasitären Elementen behaftet.

Mit der JP 10-269842 A ist ein Schichtkondensator offenbart, der zwischen zwei Elektrodenschichten einen dielektrischen Dünnfilm aufweist. Wenigstens eine der Elektrodenschichten besteht dabei aus einem speziellen Oxidmaterial wie z. B. BaRuO₃ mit metallischer Leitfähigkeit. Der dielektrische Dünnfilm kann z. B. aus BaTiO₃ bestehen. Auch dieser Kondensa­ tor muss für größere Kapazitätswerte verhältnismäßig großflä­ chig ausgebildet sein.

Aus der JP 06-232478 A geht ein elektronisches Bauelement der Halbleiter-Technologie hervor, das einen in einen IC integ­ rierten Kondensator aufweist. Dieser Kondensator ist durch metallische Dünnfilme als Elektroden mit einer isolierenden Zwischenschicht ausgebildet. Einer der metallischen Dünnfilme dient auch zur Wärmeabfuhr des ICs und muss deshalb eine ver­ hältnismäßig große Fläche einnehmen. Der andere metallische Dünnfilm ist hingegen verhältnismäßig kleinflächig und führt somit zu einem entsprechend begrenzten Kapazitätswert.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Bauelement mit einem integrierten Kondensator anzugeben.

Zur Lösung dieses Problems ist ein elektronisches Bauelement umfassend wenigstens einen Kondensator vorgesehen, wobei die­ ser Kondensator ein Schichtsystem ist, bestehend aus zwei über ein Tunnelschichtsystem getrennten Elektrodenschichten, wobei das Tunnelschichtsystem eine erste Oxidschicht, eine mittlere metallische Schicht und eine zweite Oxidschicht auf­ weist.

Das erfindungsgemäße Bauelement zeigt vorteilhaft zwei quasi kaskadisch hintereinander geschaltete Tunnelschichten, näm­ lich die erste und die zweite Oxidschicht, die innerhalb des Tunnelschichtsystems über eine metallische Schicht getrennt sind. Durch diesen mehrschichtigen Aufbau, also die Verwen­ dung mehrerer Dielektrika kann eine deutlich höhere Kapazität bezogen auf die gleiche Fläche erreicht werden als dies bei bekannten Halbleiterkondensatorstrukturen der Fall ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Breite der mittleren metallischen Schicht derart gewählt ist, dass sich ein reso­ nanter Zustand im Hinblick auf die Wellenlänge der in der me­ tallischen Schicht geführten, zwischen den Oxidschichten hin- und herreflektierten Elektroden einstellt. Aufgrund einer an den Elektrodenschichten anliegenden Spannung kann ein gewis­ ser Teil der Elektronen auf die andere Seite der von der ers­ ten Oxidschicht gebildeten Tunnelbarriere tunneln, wo unbe­ setzte Zustände vorhanden sind. Damit fließt ein gewisser Tunnelstrom, der von den Tunnelbarriereeigenschaften, also den Eigenschaften der ersten Oxidschicht (in der Regel ihre Dicke sowie die elektronische Höhe im Bändermodell), den Elektrodeneigenschaften sowie der Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Treffen nun die durch die erste Oxidschicht tunnelnden Elektronen, die in der mittleren me­ tallischen Schicht geführt werden, auf die zweite Oxid­ schicht, die ebenfalls nur eine bestimmte Leitfähigkeit auf­ weist, werden diese Elektronen zum großen Teil "abgewiesen", das heißt reflektiert. Dies führt dazu, dass für eine be­ stimmte Elektronenwellenlänge die Elektronen in der metalli­ schen Schicht geführt und von den beiden Oxidschichten hin- und herreflektiert werden. Dies ist bei einem bestimmten Ab­ stand der beiden Oxidschichten, also bei einer bestimmten Di­ cke der metallischen Schicht bezogen auf die Elektronenwel­ lenlänge der Fall. Die Elektronenwellenlänge ihrerseits hängt vom Energieniveau der Elektronen ab. Aufgrund der Reflexion in dem von der mittleren metallischen Schicht gebildeten Po­ tentialtopf, der links und rechts von dem Energieniveau der beiden Oxidschichten begrenzt ist, tritt nun ein resonanter Zustand ein, wobei zwei unterschiedliche Resonanzarten mög­ lich sind. Zum einen eine konstruktive Resonanz, die zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit führt. Zum anderen aber auch eine destruktive Resonanz, die zu einer verschwindenden Leit­ fähigkeit führt, wobei letztere gewünscht wird, da die Leit­ fähigkeit über das Tunnelschichtsystem im Hinblick auf eine möglichst geringe parasitäre Leitfähigkeit möglichst gering sein sollte. Im destruktiven Resonanzfall ergibt sich eine deutliche Kapazitätserhöhung, da aufgrund der elektronischen Struktur im destruktiven Resonanzfall die Permittivität in der mittleren metallischen Schicht gegen unendlich geht.

Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann dabei vorgese­ hen sein, dass die beiden Oxidschichten die gleiche elektri­ sche Dicke aufweisen. In diesem Fall stellt der Kondensator eine resonante Tunnelstrecke dar, deren Verhalten in beiden Stromrichtungen gleich ist. Der Potentialverlauf im Bändermo­ dell ist quasi symmetrisch, das heißt die den von der metal­ lischen Schicht gebildeten Potentialtopf begrenzenden Oxid­ schichtpotentiale sind - bei Verwendung gleicher Materialien - (annähernd) gleich hoch. Infolgedessen kann in diesem Fall nicht zwischen einer Sperr- und einer Durchlassrichtung und damit einem entsprechenden Kennlinienverhalten unterschieden werden.

Anders der Fall bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, ge­ mäß welcher die beiden Oxidschichten elektrisch unterschied­ lich dick sind. In diesem Fall bildet der Kondensator quasi eine resonante Tunneldiode, das heißt er zeigt ein von einer Diode bekanntes Verhalten abhängig von der jeweiligen Strom­ richtung. Es kann also zwischen einer Sperr- und einer Durch­ lassrichtung unterschieden werden. Mithin ist es also mög­ lich, den Kondensator gemäß einer nicht-symmetrischen Kennli­ nie betreiben zu können.

Wie beschrieben kann beim erfindungsgemäßen Bauelement bzw. bei der offenbarten erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur ei­ ne Kapazitätserhöhung bereits durch die Hintereinanderschal­ tung der beiden Tunnelstrecken, gebildet durch die beiden Oxidschichten eine deutliche Kapazitätserhöhung erzielt wer­ den.

Die Kapazitätserhöhung setzt ein, wenn der beschriebene de­ struktive Resonanzfall eintritt. Um nun die Kapazität einer solchen Struktur einstellen zu können ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass von den beiden Elektrodenschichten und der metallischen Zwischensicht we­ nigstens zwei Schichten aus einem magnetischen Material be­ steht. Die Wechselwirkung einer solchen "magnetischen" Elek­ trode oder Schicht mit den Elektronenspins erschwert das Tun­ neln für eine bestimmte Spinorientierung. Die Schichten er­ zeugen einen Potentialtopf in dem Zustände generiert werden, die für die beiden Spins geringfügig unterschiedlich sind. Normalerweise findet kein Wechsel oder Stoß o. ä. statt.

Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, wenn die beiden Elektrodenschichten aus einem magnetischen Material bestehen. Die Zwischenschicht soll elektronische Zustände aufweisen, die spinerhaltend sind. In diesem Fall wird der Strom durch diese Anordnung für den Fall der Leitfähigkeit durch die Orientierung der magnetischen Elektroden zueinander bestimmt. Die Wechselwirkung der Elektroden mit den Elektro­ denspins sortiert die Spins und erschwert auch in diesem Fall das Tunneln für eine Spinorientierung. Insbesondere im Falle eines destruktiven Resonanzprozesses kann nun die Kapazität der Kondensatorschichtstruktur durch die relative Orientie­ rung der Magnetisierung in den magnetischen Elektroden einge­ stellt werden, in dem der Eintritt und der Austritt einer Spinorientierung zwischen die Barrieren mehr oder weniger stark behindert wird. Durch die gezielte Einstellung der Mag­ netisierungsstellungen mit Magnetfeldern, die unter Verwen­ dung entsprechender oberhalb und unterhalb der Kondensator­ schichtstruktur geführten Leiterbahnen erzeugt wird, ist eine (nicht flüchtige) Programmierung der Kapazität ohne externe Komponenten (z. B. Spannungsteiler) möglich. Neben einer von Haus aus erzielbaren deutlichen Kapazitätserhöhung durch Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus, insbesondere im Hinblick auf die erzielbare destruktive Resonanz, kann also vorteilhaft die Kapazität weiterhin durch gezieltes Beein­ flussen der Magnetisierungsstellungen variiert und program­ miert werden.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn eine der beiden Schichten hartmagnetisch und die andere Schicht weichmagne­ tisch ist. Die Kondensatorschichtstruktur ist also als magne­ to-resistives Element, das einen TMR-Effekt zeigt (TMR = tu­ nel magneto resistiv) aufgebaut. Die Magnetisierung der hart­ magnetischen Schicht ist gegen externe Einstellfelder resis­ tent und wird nicht gedreht, während die weichmagnetische Schicht durch ein externes Einstellfeld gedreht werden kann. Auf diese Weise kann relativ einfach die Magnetisierung und mithin die Kapazität eingestellt bzw. programmiert werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auch die mittlere metallische Schicht aus einem weichmagneti­ schen Material besteht, wobei zweckmäßigerweise die Steifig­ keit der Magnetisierung in den beiden weichmagnetischen Schichten unterschiedlich und in jedem Fall kleiner als die der hartmagnetischen Schicht ist. Hier wird ein weiterer Freiheitsgrad in der Programmierung der Kapazität gewonnen. Dadurch, dass auch die mittlere metallische Schicht weichmag­ netisch ist und mithin durch ein externes Einstellfeld in ih­ rer Kapazität eingestellt werden kann, kann aufgrund der Wechselwirkung der Magnetisierung mit den Elektronenspins in diesem Bereich eine weitere Spinsortierung erfolgen. Es sind also sowohl die Elektrodenschichten als auch die Zwischen- oder mittlere Schicht aus magnetischem Material. Deshalb ist aber auch nur eine Elektrodenschicht und die Zwischenschicht aus magnetischem Material zu bilden, wobei eine hart- und die andere weichmagnetisch ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn eine oder beide Elektroden­ schichten und gegebenenfalls auch die metallische Schicht aus einem halbmetallischen Material bestehen. Derartige Halbme­ talle zeichnen sich dadurch aus, dass sie für eine Spinrich­ tung der Elektronen metallisches Verhalten zeigen, während für die andere Spinrichtung an der Fermi-Energie eine Bandlü­ cke entsteht. Das heißt, sie zeigen hundertprozentige Spinpo­ larisation für eine bestimmte Spinrichtung. Sind nun bei­ spielsweise beide Elektrodenschichten aus halbmetallischem Material gebildet, das einen ferromagnetischen Charakter zeigt, und werden die Magnetisierungen dieser beiden Schich­ ten antiparallel zueinander ausgerichtet, kann aufgrund der dann erreichbaren 100%-igen Spinpolarisation der Stromfluss über die Tunnelstruktur (nahezu) vollständig gesperrt werden. Als halbmetallische Materialien können Heusler-Verbindungen, halb-Heusler-Verbindungen, perowskitische Manganate oder Dop­ pelperowskite verwendet werden.

Für den Fall, dass eine der Elektrodenschichten eine hartmag­ netische Schicht ist, so ist diese zweckmäßigerweise als AAF- System, als gepinntes AAF-System oder als gepinnte magneti­ sche Einzelschicht ausgebildet oder umfasst eine solche.

Die magnetische, insbesondere weichmagnetische Schicht kann z. B. auf Permalloy, Co oder CoFe bestehen. Dies gilt für je­ de verwendete magnetische Schicht, egal ob Elektrodenschicht oder mittlere Schicht.

Wie beschrieben können die beiden Oxidschichten aus gleichen, aber auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zweck­ mäßigerweise wird hierfür AlO_x, AlN, TaO_x, BN oder ZnS ver­ wendet.

Das Schichtsystem selbst kann in Form einer Trenchzelle (Gra­ benzelle) in einem Trägermaterial realisiert sein. Anschau­ lich wird bei einer solchen Trenchzelle in ein Trägermaterial eine Bohrung (Trench) eingebracht, die anschließend mit den Materialien entsprechend des jeweils zu realisierenden Schichtaufbaus z. B. vollständig gefüllt und wieder ausgebohrt wird, um das nächste Schichtmaterial einzubringen. Alternativ zur Bildung einer Trenchzelle kann das Schichtsystem auch als planares Schichtsystem realisiert sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektro­ nischen Bauelements in Form einer Kondensator­ schichtstruktur einer ersten Ausführungsfarm,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektro­ nischen Bauelements in Form einer Kondensator­ schichtstruktur einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3a eine Darstellung eines stilisierten Bändermodells für die Sperrrichtung der Kondensatorschichtstruk­ tur aus Fig. 2,

Fig. 3b eine stilisierte Darstellung des Bändermodells für die Durchlassrichtung der Kondensatorschichtstruk­ tur aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektro­ nischen Bauelements in Form einer Kondensator­ schichtstruktur einer dritten Ausführungsform, und

Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Darstellung einer in Form einer Trenchzelle realisierten erfindungsgemäßen Kondensatorschichtstruktur.

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Bauelement 1 in Form einer Kondensatorschichtstruktur 2, bestehend aus einer oberen Elektrodenschicht 3, einer ersten Oxidschicht 4, einer mitt­ leren metallischen Schicht 5, einer zweiten Oxidschicht 6 und einer unteren Elektrodenschicht 7. Im Betrieb wird zwischen den Elektrodenschichten 3, 7 eine Spannung über die angedeu­ teten Leiterbahnen angelegt. Die beiden Oxidschichten 4, 6 wirken als Tunnelbarrieren, durch die - je nachdem in welcher Richtung die Spannung anliegt - Elektronen tunneln können. Die Elektrodenschichten können aus einem beliebigen Leiterma­ terial, z. B. Kupfer bestehen. Wichtig ist lediglich, dass das gewählte Material mit den die Tunnelbarrieren bildenden Oxidschichten 3, 6 eine streuarme Grenzfläche bilden. Die Oxidschichten 3, 6 können z. B. aus AlO_x, AlN, TaO_x, BN oder ZnS sein. Die mittlere metallische Schicht 5 kann wiederum aus Kupfer bestehen.

Die Leitung eines Stroms durch ein solches Bauelement kann in folgender Weise vereinfacht beschrieben werden:
Liegt an einer von einer der Oxidschichten 4, 6 gebildeten Tunnelbarriere eine Spannung an, so liegen besetzte Zustände an dieser Barrierenseite vor. Ein gewisser Teil der Elektro­ nen kann auf der anderen Seite der Oxidschicht unbesetzte Zu­ stände vorfinden, wodurch eine Wahrscheinlichkeit für das Tunneln dieser Elektronen gegeben wird. An der anderen Seite der Tunnelbarriere befindet sich - bezogen auf das Energie­ bändermodell einer solchen Schichtstruktur - ein von der me­ tallischen Schicht 5 gebildeter Potentialtopf, in dem die un­ besetzten Zustände vorhanden sein können. Damit fließt ein Strom, der von den Eigenschaften der Oxidschicht (Dicke und elektronische Barrierenhöhe), den Elektrodeneigenschaften und der Spannung zwischen den Elektrodenschichten bestimmt wird. Die anderen Elektronen werden abgewiesen und tunneln nicht. Aus der Spannung und dem Strom kann eine Leitfähigkeit über die Oxidschicht angegeben werden.

Treffen nun die angenommenermaßen durch die erste Oxidschicht 4 getunnelten Elektroden, die dann in der metallischen Schicht vorhanden sind, auf die zweite Oxidschicht 6, die ebenfalls eine Tunnelbarriere bildet und nur eine bestimmte Leitfähigkeit aufweist, so werden auch dort die Elektronen zum größeren Teil abgewiesen, das heißt reflektiert. Ein ge­ wisser Teil tunnelt jedoch wiederum, da an der anderen Seite ebenfalls unbesetzte Zustände vorhanden sein können.

Die an der zweiten Oxidschicht 6 reflektierten Elektronen treffen nun an der gegenüberliegenden Seite wiederum auf die erste Oxidschicht und können auch dort reflektiert werden. Das Verhalten der Elektronen in der metallischen Schicht 5, also zwischen den beiden Oxidschichten 4 und 6 wird letztlich vom Abstand der beiden Oxidschichten 4, 6 bzw. der Dicke der metallischen Schicht 5 bestimmt. Für bestimmte Elektronenwel­ lenlängen, die wiederum abhängig vom Energieniveau der Elekt­ ronen sind, stellt sich ein resonanter Zustand hinsichtlich der Elektronenbewegung in der metallischen Schicht 5 ein. Entspricht der Abstand der beiden in diesem Ausführungsbei­ spiel gleich dicken Oxidschichten 4, 6 (beide weisen die Di­ cke d auf) der Elektronenwellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon, so stellt sich ein konstruktiver Resonanz­ effekt ein, der zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit führt. Für Dicken der metallischen Schicht 5, deren Dicke mit d' angegeben ist, die im Wesentlichen 0,5 λ, 3/2 λ, 5/2 λ etc. entspricht, so stellt sich der Zustand einer destrukti­ ven Resonanz und damit eine verschwindende Leitfähigkeit ein.

Für die Bildung eines Kondensators soll eine möglichst gerin­ ge Leitfähigkeit über die Tunnelstruktur gegeben sein, mithin also der destruktive Resonanzfall eingestellt werden, was zu einer deutlichen Erhöhung der Kapazität über die Kondensator­ schichtstruktur 2 führt. Fig. 1 zeigt eine resonante Tunnel­ struktur, bei der "gewöhnliche" metallische Elektrodenschich­ ten und gleich dicke Oxidschichten aus gleichem Schichtmate­ rial verwendet werden.

Demgegenüber zeigt Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements 8, ebenfalls be­ stehend aus einer oberen Elektrodenschicht 9, einer ersten Oxidschicht 10, einer mittleren metallischen Schicht 11, einer zweiten Oxidschicht 12 sowie einer unteren Elektroden­ schicht 13. Im Vergleich zur Ausführungsform nach Fig. 1 sind hier jedoch die beiden Oxidschichten 10, 12 unterschiedlich dick. Die obere Elektrodenschicht 10 weist eine geringere Di­ cke d auf, während die untere Elektrodenschicht 12 eine grö­ ßere Dicke D besitzt. Diese unterschiedliche Schichtdicken­ verteilung führt zu einem deutlichen Unterschied in der Leit­ fähigkeit für die beiden möglichen Stromrichtungen über die Kondensatorschichtstruktur 14 gemäß Fig. 2. Dies ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Aufgetragen ist längs der Ordina­ te die Energie, längs der Abszisse die jeweilige Schicht, wie durch den unten stehenden, horizontal liegenden Kondensator­ schichtstrukturabschnitt dargestellt ist.

Fig. 3a zeigt das stilisierte Bändermodell für einen Betrieb der Kondensatorschichtstruktur 14 in Sperrrichtung. Hier ist die volle Barrierenhöhe zu überwinden. Für negative Spannun­ gen stellt sich also ein hochohmiger Zustand ein.

Anders im Fall der in Durchlassrichtung betriebenen Kondensa­ torschichtstruktur gemäß Fig. 3b. Hier kann die Barrierendi­ cke der Oxidschicht 10 übersprungen werden. Das Energieniveau der metallischen Schicht 11 ist deutlich niedriger als im Sperrfall, was zu einer Änderung der Permittivität der gesam­ ten Schichtstruktur führt.

Eine solche in Sperrrichtung betriebene Kondensatorschicht­ struktur zeigt Kennlinieneigenschaften, die der einer bekann­ ten Kapazitätsdiode entsprechen. Mithin ist es also möglich, diese Kondensatorschichtstruktur 14 entsprechend ihrer Kenn­ linie betreiben zu können. Die Unterschiede in der Kapazität werden hier allein durch die Nichtlinearität der Barrieren­ leitfähigkeit erzeugt und nicht durch Verschiebung der Raum­ ladungszonen wie bei bekannten Halbleiterkapazitätsdioden. Damit ist das erfindungsgemäße Bauelement erheblich dünner als vergleichbare Halbleiterkapazitätsdioden.

Ein entsprechendes Diodenverhalten kann auch bei der aus Fig. 1 bekannten Kondensatorschichtstruktur 2, wo gleichdicke Oxidschichten vorhanden sind, erreicht werden, wenn diese aus unterschiedlichen Schichtmaterialien, die zu unterschiedlich hohen Barrieren im Bändermodell führen, bestehen.

Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektronischen Bauelements 15 mit einer Kondensator­ schichtstruktur 16 bestehend aus einer Elektrodenschicht 17, einer ersten Oxidschicht 18, einer metallischen Schicht 19, einer zweiten Oxidschicht 20 sowie einer unteren Elektroden­ schicht 21. Bei diesem Ausführungsbeispiel - das gleichdicke Oxidschichten 18, 20 zeigt (entsprechend Fig. 1), jedoch auch unterschiedlich dicke Oxidschichten besitzen kann (entspre­ chend Fig. 2) - sind zumindest die beiden Elektrodenschichten 17, 21 aus magnetischem Material, wobei die Elektrodenschicht 21 hartmagnetisch ist. Dabei kann es sich um eine einzelne Schicht handeln, alternativ kann zur Bildung dieser hartmag­ netischen Elektrodenschicht 21 auch ein AAF-System, ein ge­ pinntes AAF-System oder eine gepinnte magnetische Schicht eingesetzt werden. Die Magnetisierung ist sehr stabil und kann nur in einem hohen Magnetfeld Hei überhaupt verändert werden.

Demgegenüber ist die Elektrodenschicht 17 weichmagnetisch, die Magnetisierung kann in einem kleinen externen Einstell­ feld H_C3 eingestellt werden. Die Magnetisierung der magneti­ schen Elektrodenschicht 17 kann in dem externen Einstellfeld in eine parallele und eine antiparallele Stellung bezüglich der Magnetisierung der hartmagnetischen Elektrodenschicht 21 eingestellt werden, wie die beiden gestrichelten Pfeile, die die Magnetisierung andeuten, zeigen. Der Strom durch diese Anordnung wird für den Fall der Leitfähigkeit durch die Ori­ entierung der Magnetisierungen der beiden Elektrodenschichten 17, 21 zueinander bestimmt. Die Wechselwirkung der magneti­ schen Elektroden mit den Elektronenspins "sortiert" die Spins der Elektronen und erschwert das Tunneln für Elektronen mit einer bestimmten Spinorientierung. Zeigt die Kondensator­ schichtstruktur 16 ein positives magnetoresistives Verhalten (einen positiven TMR-Effekt), was insbesondere durch die Bandstruktur der verwendeten Materialien bestimmt wird, so ist der Widerstand in dieser Schichtstruktur für die Paral­ lelstellung der Magnetisierung der beiden Elektrodenschichten 17, 21 minimal, für die Antiparallelstellung jedoch maximal. Tritt zusätzlich innerhalb der mittleren metallischen Schicht 19 ein destruktiver Resonanzeffekt auf, so erhöht sich der Widerstand und mithin die Kapazität nochmals deutlich.

Durch die relative Orientierung der Magnetisierungen der mag­ netischen Elektrodenschichten kann also die Kapazität der An­ ordnung eingestellt werden, indem der Eintritt und der Aus­ tritt von Elektronen einer bestimmten Spinorientierung zwi­ schen die Barrieren mehr oder weniger stark behindert werden kann. Durch die gezielte Einstellung der Magnetisierungsstel­ lungen über ein externes Magnetfeld ist eine (nicht flüchti­ ge) Programmierung der Kapazität ohne externe Komponenten (z. B. in Form von Spannungsteilen oder dergleichen) möglich. Ähnlich wie bei normalen TMR-Bauelementen ist die Reaktion der Kapazität auf eine Änderung der Magnetisierungsstellung sehr schnell, die Schaltzeiten liegen im GHz-Bereich.

Wird das in Fig. 4 gezeigte Prinzip der Verwendung magneti­ scher Elektrodenschichten auf das aus Fig. 1 bekannte Bauele­ ment mit gleichdicken, aus gleichem Material bestehenden Oxidschichten angewandt so erhält man eine programmierbare resonante Tunnelstrecke, die in beide Stromrichtungen ein gleiches Verhalten zeigt.

Werden aus dem aus Fig. 2 bekannten elektronischen Bauelemen­ ten magnetische Elektrodenschichten eingesetzt so führt dies zu einer programmierbaren resonanten Tunneldiode, die einer­ seits eine typische Diodenkennlinie zeigt, zum anderen aber in ihrer Kapazität durch Variieren der Magnetisierungsstel­ lung eingestellt werden kann. Auch hier sind resonante Zustände für die Leitfähigkeit und ein stromrichtungsabhängiger Unterschied in der Leitfähigkeit möglich, wobei zur Program­ mierung eines solchen Bauelements zwei unabhängige Parameter, nämlich einerseits die Stromrichtung und andererseits die Magnetisierungsstellung zur Verfügung stehen. Ein solches Bauelement ist beispielsweise zweckmäßig zur Kompensation des Temperaturgangs sowie zur Feineinstellung der Kapazität über die Kondensatorschichtstruktur. Auch ist ein Mischen von Sig­ nalen an der Kapazität möglich. Auch kann eine solche Konden­ satorschichtstruktur für Schwingkreise, die extrem schnell die Frequenz ändern können, eingesetzt werden.

In Fig. 4 ist des Weiteren gezeigt, dass auch die metallische Schicht 19 magnetisch sein kann, wobei auch diese Schicht zweckmäßigerweise weichmagnetische Eigenschaften zeigt. Die Magnetisierung kann auch hier parallel oder antiparallel be­ züglich der harten Magnetisierung der Elektrodenschicht 21 über ein externes Einstellfeld gedreht werden, wobei hierzu eine Koerzitivfeldstärke H_C2 erforderlich ist. Die beiden Koerzitivfeldstärken H_C2 und H_C3 der metallischen Schicht 19 und der oberen Elektrodenschicht 17 werden zweckmäßigerweise unterschiedlich groß gewählt, so dass sie durch separate, un­ terschiedlich große Einstellfelder eingestellt werden können und im Bedarfsfall unterschiedlich bezüglich einander ausge­ richtet werden können. Dies bieten einen weiteren Freiheits­ grad in der Programmierung der Kapazität, da aufgrund der Magnetisierung der metallischen Schicht 19 auch dort eine Wechselwirkung der Magnetisierung mit den Elektronenspins auftritt, die ausgenutzt werden kann.

Während für die Elektrodenschichten einerseits übliche Elek­ trodenmaterial eingesetzt werden können (z. B. Cu für nicht­ magnetische Elektroden oder bekannte hartmagnetische Schich­ ten oder Schichtsysteme sowie weichmagnetische Schichtmateri­ alien wie Permalloy, Co oder CoFe) ist es auch denkbar, die Elektrodenschichten aus halbmetallischen Materialien, die zweckmäßigerweise ferromagnetische Eigenschaften aufweisen, zu bilden. Zu nennen sind hier z. B. Heusler-Verbindungen oder perowskitische Manganate sowie Doppelperowskite. Werden beide Elektrodenschichten aus derartigen Halbmetallen gebil­ det und wird ihre Magnetisierung antiparallel zueinander aus­ gerichtet, so kann aufgrund der 100%-igen Spinpolarisation dieser Struktur ein Stromfluss über die Schichtstruktur nahe­ zu vollständig unterbunden werden. Denn jede halbmetallische Elektrodenschicht blockt Elektronen einer bestimmten Spino­ rientierung ab. Da die Magnetisierungen der beiden halbmetal­ lischen Elektrodenschichten antiparallel zueinander stehen werden also die Elektronen beider Spinrichtungen abgeblockt, was dazu führt, dass im Idealfall überhaupt keine Elektroden über die Tunnelstruktur tunneln können.

Fig. 5 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 22 in Form einer als Trenchzelle 23 ausgebildeten Kondensatorschichtstruktur 24. Solche Trenchzellen können so­ wohl mit Elektrodenschichten aus unmagnetischem wie auch aus magnetischem Material hergestellt werden. Auch hier zeigt die Kondensatorschichtstruktur 24 den typischen Schichtaufbau. Sie besteht aus einer ersten Elektrodenschicht 25, einer ers­ ten Oxidschicht 26, einer metallischen mittleren Schicht 27, einer zweiten Oxidschicht 28 sowie der mittleren zweiten E­ lektrodenschicht 29. Wie auch bei sämtlichen anderen Ausfüh­ rungsformen sind auch hier die Elektrodenschichten entspre­ chend über geeignete Zuleitungen kontaktiert. Die im Schnitt gezeigten Schichten sind in der Aufsicht im Wesentlichen kreisringförmig oder oval.

Zum Herstellen einer solchen Trenchzelle 23 wird zunächst in ein Trägermaterial 30 eine Vertiefung (Trench) eingebracht, in die anschließend das die erste Elektrodenschicht 25 bil­ dende Material eingebracht wird. Auf die Elektrodenschicht 25 wird anschließend die erste Oxidschicht 26 aufgebracht, ge­ folgt von der mittleren metallischen Schicht 27. In die ver­ bleibende Öffnung wird dann die zweite Oxidschicht 28 einge­ bracht, die die metallische Schicht 27 vollständig belegt.

Anschließend wird die verbleibende Vertiefung mit dem Materi­ al der zweiten Elektrodenschicht 29 gefüllt. Das Erzeugen der jeweiligen Schichten kann entweder durch jeweils vollständi­ ges Auffüllen der Bohrung und anschließendes Aufbohren erfol­ gen, alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, die ein­ zelnen Schichten durch gezieltes Abscheiden nacheinander di­ rekt aufzubringen. Je nach verwendetem Verfahren sind eventu­ ell benötigte Schritte zur Ausheilung und Optimierung der magnetischen Eigenschaften bei Verwendung magnetischer Elek­ trodenschichten zwischenzuschalten. Zweckmäßig ist es in je­ dem Fall, wenn die Dicke der einzelnen Oxidschichten am Boden der Trenchzelle größer ist, um einen Stromfluss an diesen Stellen zu unterbinden. Schließlich besteht bei einer solchen Trenchzelle die Möglichkeit, die Magnetisierung der magneti­ schen Elektrodenschichten, sofern solche eingesetzt werden, parallel bezüglich der Oxidschichten auszurichten, oder aber senkrecht dazu, je nachdem wie die externen die Magnetisie­ rung einstellenden Felder liegen.

Claims (16)

1. Elektronisches Bauelement umfassend wenigstens einen Kondensator, wobei der Kondensator ein Schichtsystem (2, 14, 15, 24) ist, bestehend aus zwei über ein Tunnelschichtsystem getrennten Elektrodenschichten (3, 7, 9, 13, 17, 21, 25, 29), wobei das Tunnelschichtsystem eine erste Oxidschicht (4, 10, 18, 26), eine mittlere metallische Schicht (5, 11, 19, 27) und eine zweite Oxidschicht (6, 12, 20, 28) aufweist.

2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Breite der mittleren metallischen Schicht (5, 11, 19, 27) derart ge­ wählt ist, dass sich ein resonanter Zustand im Hinblick auf die Wellenlänge der in der metallischen Schicht geführten, zwischen den Oxidschichten (4, 10, 18, 26, 6, 12, 20, 28) hin- und herreflektierten Elektronen einstellt.

3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass sich ein Zu­ stand destruktiver Resonanz einstellt.

4. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Oxidschichten (4, 6, 18, 20) die gleiche Di­ cke aufweisen.

5. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Oxidschichten (4, 10, 18, 26, 6, 12, 20, 28) unter­ schiedlich dick sind und/oder aus unterschiedlichen Materia­ lien bestehen.

6. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden Elektrodenschichten (17, 21) und der mittleren metallischen Schicht (19) wenigstens zwei Schichten aus einem magnetischen Material besteht.

7. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrodenschichten (17, 21) aus einem magnetischen Material bestehen.

8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die eine Elektrodenschicht (21) hartmagnetisch und die andere Elektro­ denschicht (17) weichmagnetisch ist.

9. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch die mittlere metallische Schicht (19) aus einem magnetischen Ma­ terial besteht.

10. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 8 und 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die Steifig­ keit der Magnetisierungen der beiden weichmagnetischen Schichten (17, 19) unterschiedlich und in jedem Fall kleiner als die der hartmagnetischen Schicht (21) ist.

11. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Elektrodenschichten (3, 7, 9, 13, 17, 21, 25, 29) und gegebenenfalls auch die metallische Schicht (5, 11, 19, 27) aus einem halbmetallischen Material besteht.

12. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, dass als Material Heusler-Verbindungen, halb-Heusler-Verbindungen, halbmetalli­ sche Spinelle, perowskitische Manganate oder Doppelperowskite verwendet sind.

13. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (21) ein AAF-System, ein gepinn­ tes AAF-System oder eine gepinnte magnetische Einzelschicht umfasst.

14. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische, insbesondere eine weichmagnetische Schicht (17) aus Permalloy, Co oder CoFe besteht.

15. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschichten (4, 10, 18, 26, 6, 12, 20, 28) aus AlO_x, AlN, TaO_x, BN oder ZnS sind.

16. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (24) in Form einer Trenchzelle (23) in einem Trägermaterial (30) oder als planares Schichtsystem re­ alisiert ist.