DE10202903A1 - Magnetoresistive Speicherzelle mit polaritätsabhängigem Widerstand - Google Patents

Magnetoresistive Speicherzelle mit polaritätsabhängigem Widerstand

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Tunnelelement (9) mit einer ersten (3) und einer zweiten Elektrode (5) und einer zwischen den beiden Elektroden (3, 5) angeordneten Tunnelbarriere (4), wobei die Tunnelbarriere (4) aus mindestens zwei Barrierenschichten (4a, 4b) aus unterschiedlichen Barrierenmaterialien besteht, der Verlauf einer quantenmechanischen Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere (4a, 4b) asymmetrisch und die Leitfähigkeit des Tunnelelements (9) daher abhängig von der Polarität einer Spannung U¶m¶ zwischen den beiden Elektroden (3, 5) ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Tunnelelement mit einer ersten und einer zweiten Elektrode und einer zwischen den beiden Elektroden angeordneten Tunnelbarriere, wobei zwischen der Tunnelbarriere und der ersten Elektrode eine erste Grenzfläche und zwischen der Tunnelbarriere und der zweiten Elektrode eine zweite Grenzfläche ausgeprägt ist und das magnetoresistive Tunnelelement eine quantenmechanische Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere, sowie eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Sie betrifft ferner eine magnetoresistive Speicherzelle, die ein magnetoresistives Tunnelelement aufweist, sowie eine Speichereinrichtung mit magnetoresistiven Speicherzellen.
  • Eine auf dem Tunneleffekt basierende magnetoresistive Speicherzelle besteht in ihrem Kern aus einem magnetoresistiven Tunnelelement (magnetic tunnel junction element, MTJ- Element). Ein solches MTJ-Element besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten (im Folgenden Elektroden) beiderseits einer nichtferromagnetischen bzw. dielektrischen Tunnelbarriere.
  • In einer magnetoresistiven Speicherzelle ist das Material der ersten Elektrode typischerweise ein hartmagnetischer Werkstoff, etwa eine Kobalt-Eisen-Legierung. Diese erste Elektrode fungiert dann mit einer nach Betrag und Richtung konstanten Magnetisierung als Referenzschicht.
  • Die zweite Elektrode aus einem weichmagnetischen Werkstoff, typischerweise einer Nickel-Eisen-Legierung, bildet dann eine Speicherschicht. Die Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht erfolgt korrespondierend zu einem Dateninhalt der Speicherzelle gleich- oder entgegengerichtet der Magnetisierung der Referenzschicht. Die Speicherzelle weist also zwei unterscheidbare Magnetisierungszustände (gleichgerichtet, entgegengerichtet) entsprechend ihrem Dateninhalt auf.
  • Die Häufigkeit eines Übergangs von Elektronen von einer Elektrode zur anderen (quantenmechanische Tunnelwahrscheinlichkeit) ist abhängig von der Spinpolarisation der Elektronen in den beiden Elektroden. Bei gleichgerichteter Magnetisierung der beiden Elektroden ist die Tunnelwahrscheinlichkeit höher als bei einer entgegengerichteten Magnetisierung der beiden Elektroden. Aus der Leitfähigkeit des MTJ-Elements kann auf die Orientierung der Magnetisierung der Speicherschicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht und damit auf den Dateninhalt der Speicherzelle zurückgeschlossen werden.
  • Üblicherweise weist eine magnetoresistive Speicherzelle neben dem MTJ-Element noch weitere Komponenten auf. In aktuellen Konzepten wird beispielsweise die Referenzschicht als Teilschicht eines artifiziellen Antiferromagneten vorgesehen und dadurch die Magnetisierung der Referenzschicht stabilisiert. Solchermaßen über die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida-(RKKY) Wechselwirkung verkoppelte ferro- bzw. antiferromagnetischen Systeme weisen gegenüber einzelnen hartmagnetischen Schichten eine verbesserte Temperatur- und Langzeitdatenstabilität auf und sind unempfindlicher gegen Störmagnetfelder.
  • Die Tunnelwahrscheinlichkeit in einem MTJ-Element ist abhängig von der Dicke der Tunnelbarriere (Barrierenlänge), den Festkörpereigenschaften des Materials der Tunnelbarriere und der beiden Elektroden (Barrierenhöhe), den Zustandsdichten der Elektronen in den beiden Elektroden, sowie einer zwischen den beiden Elektroden angelegten Messspannung Um.
  • Im Einzelnen ergibt sich gemäß dem Bardeen-Formalismus für einen Tunnelstrom I zwischen zwei Elektroden beiderseits einer Tunnelbarriere eine Abhängigkeit von einem äusseren Feld ΔF durch das Aufsummieren der einzelnen, durch die Fermiverteilung f(E) regulierten, Besetzungszustände in den beiden Elektroden ν, µ:


    mit
    Tµ,ν: Matrixelement zwischen einem Besetzungszustand Ψµ der ersten Elektrode und einem Besetzungszustand Ψν der zweiten Elektrode,
    E: Energie eines Besetzungszustands Ψ,
    f(E): Fermi-Funktion.
  • Durch Einführen der Elektronen-Zustandsdichten N(E) lässt sich die Formel (1) in eine Integralform überführen:


    mit EL: Leitungsbandmininmum der Elektroden
  • Für kleine Spannungen werden die Matrixelemente und die Zustandsdichten als nahezu unabhängig von Impuls und Energie der Elektronen betrachtet und jeweils vor das Integral gezogen. Ferner ergibt das Produkt zweier Fermifunktionen bei der maßgeblichen Temperatur von 300 K ein nahezu rechteckiges Fenster. Unter diesen Annahmen ergibt sich mit


    für den Tunnelstrom I(ΔF):


  • Dabei ist das Matrixelement, das als Transmissionswahrscheinlichkeit für Elektronen von einem Anfangsbesetzungszustand durch die Tunnelbarriere in einen Endbesetzungszustand interpretiert werden kann, proportional einer Zustandsdichte an der Fermikante, D(E, Um). Für einen beliebigen Verlauf der Potentialbarriere Φ(z) innerhalb der Tunnelbarriere in Abhängigkeit von der Ortsvariablen z ergibt sich nach J. G. Simmons, "Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film", J. Appl. Phys., Vol. 34, No. 6, 1793-1803, 1963, der Zusammenhang:


  • Nach der Näherung nach Wentzel, Kramers und Brillouin (WBK- Näherung) für einfache Tunnelbarrieren ohne Berücksichtigung von Bildpotentialen ergibt sich für ein Matrixelelement:


  • Eingesetzt in die abgeleitete Formel für den Tunnelstrom I lässt sich dieser in eine Reihe der Form

    I(Um) = aUm + bUm 3 + . . .

    entwickeln. Der magnetoresistive Effekt, also die Abhängigkeit des Tunnelstroms von der relativen magnetischen Polarisation ergibt sich durch die spinabhängige Zustandsdichten der Elektronen, sowie die Beeinflussbarkeit der spinabhängigen Zustandsdichten durch ein magnetisches Feld.
  • Ferner ergibt sich aus der Formel (5) unter Einbezug der Formel (7) an üblichen Tunnelbarrieren ein polaritätsunabhängiges oder nahezu polaritätsunabhängiges Strom-Spannungsverhalten.
  • Verfahren zur Herstellung von Tunnelbarrieren sind vielerorts beschrieben:
    In P. Rottländer et al. "Tantalum oxide as an alternative low hight tunnel barrier in magnetic junctions" in Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 21, 21. Mai 2001, wird eine Tunnelbarriere aus oxidiertem Tantal (TaOx) mit einer Barrierenhöhe von etwa 0,4 eV beschrieben.
  • N. F. Gillies et al. beschreiben in "Magnetic tunnel junctions with tantalum oxide barriers displaying a magnetoresistance ratio of up to 10% at room temperature" in Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 22, 28. Mai 2001, die Abhängigkeit von Barrierenhöhe und Barrierenlänge von der Oxidationszeit einer 0,8 nm dicken Tantalschicht.
  • Für ZnS-Tunnelbarrieren werden Barrierenhöhen von 0,58 eV, z. B. in N. Guth, H. A. M. von den Berg et al. "tunnel magnetoresistance in magnetic tunnel junctions with a ZnS- barriere", Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 22, 28. Mai 2001, angegeben.
  • Weitere übliche Werkstoffe für Tunnelbarrieren sind Al2O3, NiO, MgO, HfO2 und SrTiO3, mit üblichen Barrierenhöhen zwischen 1,0 eV und 2,3 eV.
  • Wie bereits beschrieben sind MTJ-Elemente Bestandteil magnetoresistiver Speicherzellen, die in magnetischen Speichereinrichtungen (magnetic random access memories, MRAMs) matrixförmig angeordnet sind.
  • Ein Speicherzellenfeld 13 mit mehreren magnetoresistiven Speicherzellen 1 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Dabei ist jede Speicherzelle 1 zwischen einer Bitleitung 11 und einer Wortleitung 12 angeordnet. Eine Speicherzelle 1' wird beschrieben, indem in der Bitleitung 11' und der Wortleitung 12' gleichzeitig ein geeigneter Strom gesteuert wird. Am Ort der selektierten Speicherzelle 1' überlagern sich die Magnetfelder der beiden Schreibströme und bewirken ein Ausrichten der Magnetisierung der Speicherschicht der Speicherzelle 1. Die Magnetisierung in den Speicherschichten der nicht- oder nur teilweise selektierten Speicherzellen 1 bleibt unverändert.
  • Zum Auslesen des Dateninhaltes der Speicherzelle 1 wird in ähnlicher Weise ein gegenüber dem Schreibstrom kleiner Lesestrom durch die Bitleitung 11' und die Wortleitung 12' geführt und der Spannungsabfall über die magnetoresistive Speicherzelle 1' gemessen.
  • In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem solchen Speicherzellenfeld 13 in vereinfachter räumlicher Darstellung gezeigt. Dabei sind die Bitleitungen 11 auf einem Substrat 2 in einer ersten Leiterbahnschicht und die Wortleitungen 12 in einer zweiten Leiterbahnschicht vorgesehen. Die magnetoresistiven Speicherzellen 1 sind an den Kreuzungspunkten jeweils einer Bitleitung 11 und einer Wortleitung 12 in einem Bereich zwischen den beiden Leiterbahnschichten angeordnet.
  • In dem gezeichneten Beispiel besteht dabei jede Speicherzelle 1 aus einem Schichtstapel, gebildet aus einer Speicherschicht 3, einer Tunnelbarriere 4 und einer Referenzschicht 5. Die Speicherschicht 3, die Tunnelbarriere 4 und die Referenzschicht 5 bilden zusammen ein MTJ-Element 9. Die Referenzschicht 5 ist in diesem Beispiel darüber hinaus Teilschicht eines artifiziellen Antiferromagneten 8, der zusätzlich von einer weiteren ferromagnetischen Teilschicht 7 und einer zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 5 und 7 angeordneten Distanzschicht (Spacer) 6 gebildet wird. Die Magnetisierung der Referenzschicht 5 ist über den Spacer 6 fest mit der Magnetisierung der ferromagnetischen Teilschicht 7 verkoppelt.
  • Beim derzeitigen Stand der Technik beträgt die Widerstandsdifferenz für die beiden Magnetisierungszustände bei MTJ- Speicherzellen typischerweise 15 bis 40%. Der Widerstand zweier in einem Speicherzellenfeld benachbarter Speicherzellen kann bei gleicher Magnetisierung 20% betragen. Somit unterscheidet sich die Leitfähigkeit zweier Speicherzellen gleicher Magnetisierung um die selbe Größenordnung wie die beider Magnetisierungszustände einer einzigen Speicherzelle.
  • Weiter wird die Auswertung des Magnetisierungszustandes und damit eine Bewertung des Dateninhaltes einer Speicherzelle erheblich dadurch erschwert, dass beim Auslesevorgang einer selektierten Speicherzelle die Menge aller nicht oder nur teilweise adressierten Speicherzellen als parasitäres, paralleles Widerstandsnetzwerk wirkt.
  • Der erforderliche Aufwand zur Aufbereitung und Bewertung des Messsignals ist mit längeren Zugriffszeiten auf den Dateninhalt der Speicherzelle verbunden.
  • Eine Möglichkeit zur Beschleunigung des Auslesevorgangs besteht im Einfügen eines Transistors in Serie zum MTJ-Element. Beim Auslesen wird die Selektivität des Zugriffs durch den Transistor erhöht, da die Transistoren in den parallel angeordneten Speicherzellen sperren. Eine Speicherzellenstruktur mit Transistoren erfordert aber jeweils eine zusätzliche Leitung zur Ansteuerung des Transistors, sowie einen erheblichen Mehraufwand für die Anordnung des Transistors etwa in einem jeweils einer Speicherzelle zugeordneten Bereich in einem unterhalb des Speicherzellenfelds angeordneten Substrat.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Selektivität der Adressierung, beim Auslesevorgang zu erhöhen, ist eine in Serie zum MTJ- Element angeordnete Diode oder diodenähnliche Vorrichtung. Werden in allen Speicherzellen die Diodenvorrichtungen gegenüber Bit- und Wortleitung mit der gleichen Polarität angeordnet, so liegt in jedem parasitären Parallelpfad immer mindestens eine Diode in Sperrrichtung. Damit werden die Parallelpfade durch die parasitäre Widerstandsmatrix erheblich hochohmiger und die Selektivität der Adressierung ist deutlich erhöht.
  • In der Patentschrift U.S. 5.640.343 (Scheuerlein et al.) wird eine Speicherzelle beschrieben, bei der in Serie zu einem MTJ-Element eine Diode in herkömmlicher Technik in einem Bereich zwischen Bit- und Wortleitung vorgesehen ist. Die Diode ist dabei in zwei Schichten aus Halbleitermaterialien vorgesehen.
  • Nachteilig an einer Diode nach der U.S. 5.640.343 ist die unzureichende Anpassung und eine mangelnde Selbstskalierung der Diodeneigenschaften an die Abmessungen und den Arbeitspunkt des MTJ-Elements. Weiter verringert eine in solcher oder ähnlicher Art angeordnete Diode bei gleicher Lesespannung den Spannungsabfall am Tunnelelement und verschlechtert die Unterscheidbarkeit der beiden Polarisationszustände.
  • In der Patentschrift U.S. 6.097.625 (Scheuerlein et al.) wird eine Diode im Substrat unterhalb des Speicherzellenbereiches vorgeschlagen.
  • Nachteilig an einer Diode gemäß der U.S. 6.097.625 ist neben einem generell erhöhten Fertigungsaufwand das aufwändige Mischen der Siliziumtechnologie der Substratdiode mit den Fertigungsprozessen zur Erzeugung des magnetoresistiven Schichtstapels. Ferner schließt eine Realisierung der Diode im Substrat ein Stapeln von Speicherzellenfelder in zur Substratoberfläche vertikaler Richtung aus.
  • Ähnliches gilt für die in R. Sousa, "Vertical Integration of a Spin Dependent Tunnel Junction with an Amorphous Si Diode" in Applied Physics Letters, Vol. 74, no. 25, 21. Juni 1999 beschriebene Diode aus hydrogeniertem amorphen Silizium. Für eine Arbeitsspannung, die typischerweise kleiner ist als etwa 1 V, ist eine solche Diode hochohmig und verringert den Messstrom. Ein kleinerer Messstrom führt zu einer geringeren Störsicherheit und verlangsamt den Lesevorgang. Einer Verringerung des Diodenwiderstands durch eine größere Diodenfläche steht der Flächenbedarf entgegen.
  • Nun ist in J. G. Simmons, "Electric Tunnel Effect between Dissimilar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film", J. Appl. Phys. Vol. 34, No. 9, 2581-2590, 1963 ein asymmetrisches MTJ-Element (Metall-Isolator-Metall-Übergang, MIM) beschrieben, dessen Leitfähigkeit von Betrag und Polarität eines zwischen den beiden Metallen angelegten Potentials Um abhängt. Eine vereinfachende, anschauliche Erklärung dafür ist in den drei Zeichnungen der Fig. 4 schematisch dargestellt.
  • Die Fig. 4 zeigt schematische Energiediagramme eines Metall- Isolator-Metall-Übergangs mit stark asymmetrischer Barriere für verschiedene Potentiale Um zwischen den Elektroden Metall A und Metall B. Dabei weisen die Metalle A und B verschiedene Austrittsarbeiten auf.
  • Im Ruhezustand Um = 0 stellt sich, wie in Fig. 4a gezeigt, das Ferminiveau EF in beiden Metallen A und B auf das selbe Niveau ein. Infolge der verschiedenen Austrittsarbeiten ergeben sich an den beiden Grenzflächen zwischen Isolator und Metall unterschiedliche Barrierenhöhen ΦA und ΦB. Der Verlauf der Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere wird in vereinfachender Näherung als linear angenommen.
  • Wird nun, wie in Fig. 4b gezeigt, zwischen den Elektroden Metall A und Metall B eine Spannung Um angelegt, mit eUm > ΦB, dann verringert sich, wie angedeutet, eine effektive Barrierenlänge für Elektronen an der Fermikante in der Elektrode Metall A, so dass sich die Tunnelwahrscheinlichkeit und damit der Stromfluss erhöht.
  • Wird die Polarität der angelegten Spannung, wie in der Fig. 4c gezeigt, vertauscht, so ändert sich dagegen für Elektronen an der Fermikante der Elektrode Metall B die effektive Barrierenlänge nicht. Gegenüber dem Zustand aus Fig. 4b bleibt die Tunnelwahrscheinlichkeit in erster Näherung geringer.
  • Eine solche Anordnung weist aufgrund der verschiedenen Austrittsarbeiten der beiden Elektroden eine polaritätsabhängige Leitfähigkeitsänderung auf. Für die Anwendung in magnetoresistiven Speicherzellen ist die Auswahl der Materialien für die beiden Elektroden jedoch stark eingeschränkt. Der Auswahl liegen andere Kriterien wie etwa das Verhältnis der Koerzitivfeldstärken, Temperaturstabilität oder die erzielbare Rauigkeit der Schichten zugrunde. Die üblichen ferromagnetischen Materialien für die beiden Elektroden des MTJ-Elements sind Kobalt- bzw. Nickel-Eisen-Legierungen, deren Austrittsarbeiten nur geringfügig voneinander abweichen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein MTJ-Element zur Verfügung zu stellen, bei der
    • - die Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektroden des MTJ- Elements in mehr als geringfügigem Umfang von der Polarität einer angelegten Messspannung zwischen den beiden Elektroden abhängt,
    • - ein magnetoresistiver Effekt in einer Tunnelbarriere des MTJ-Elements nicht oder in nicht mehr als geringfügigen Maße verringert wird und deren Herstellung auf einfache Weise mit der Prozesstechnologie des MTJ-Elements kombinierbar ist.
  • Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für eine magnetoresistive Speicherzelle zur Verfügung zu stellen, bei der
    • - die Selektivität der Adressierung der Speicherzelle in einem Speicherzellenfeld mit einer Vielzahl von Speicherzellen mittels Wort- und Bitleitungen gegenüber nur resistiven Speicherzellenfeldern erhöht ist und
    • - ein einfaches Stapeln von Speicherzellenfeldern in einer zu einer Speicherzellenebene senkrechten Richtung möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der Eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Art wird also in einem aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden Tunnelbarriere bestehenden MTJ-Element die Tunnelbarriere so ausgeprägt, dass sich beim Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden, abhängig von der Polarität der Potentialdifferenz, unterschiedliche Tunnelwahrscheinlichkeiten ergeben. Die unterschiedlichen Tunnelwahrscheinlichkeiten führen zu einem polaritätsabhängigen, diodenartigen Widerstandsverhalten des MTJ-Elements.
  • Eine Tunnelbarriere mit polaritätsabhängiger Tunnelwahrscheinlichkeit ergibt sich etwa bei einem asymmetrischen Verlauf der Barrierenhöhe. Die Asymmetrie bezieht sich dabei auf eine zu den jeweils zwischen der Tunnelbarriere und den beiden Elektroden befindlichen Grenzflächen äquidistanten Barrierensymmetriefläche, wobei die Grenzflächen in die Asymmetriebetrachtung mit einbezogen werden.
  • Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass prinzipiell in jeder realen Tunnelbarriere die Barrierenhöhe einen mehr oder weniger asymmetrischen Verlauf in oben genannten Sinne aufweisen kann. Dies ergibt sich etwa aus der Verwendung unterschiedlicher Materialien mit leicht voneinander abweichenden Austrittsarbeiten für die beiden Elektroden. Ferner wird der reale Verlauf der Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere u. a. von Fremdatomen, Oberflächenzuständen oder der Oberflächenrauigkeit beeinflusst. Diese prozessbedingten, parasitären und meist geringfügigen Anteile an Asymmetrien des Barrierenverlaufs sind schwer beschreibbar und kaum prozesstechnisch steuerbar.
  • Davon ist eine reale Tunnelbarriere, bei der der Barrierenverlauf durch eine definierte Anordnung bzw. ein gesteuertes Fertigungsverfahren gezielt in mehr als geringfügigen Umfang in asymmetrischer Form ausgeprägt wird, deutlich abzugrenzen.
  • Im Folgenden wird eine solche Tunnelbarriere mit polaritätsabhängiger Leitfähigkeit als asymmetrische Tunnelbarriere (ATB) bezeichnet.
  • Eine einfache asymmetrische Tunnelbarriere (ATB) besteht in einer Anordnung aus einer ersten Elektrode aus einem ersten ferromagnetischen Material mit einer Austrittsarbeit WA und einer zweiten Elektrode aus einem zweiten ferromagnetischen Material mit einer Austrittsarbeit WB, die sich deutlich, also um mehr als 0,5 eV von der Austrittsarbeit WA unterscheidet.
  • Durch die weitere Verwendung eines MTJ-Elements, beispielsweise in einer magnetoresistiven Speicherzelle, ergeben sich weitere Auswahlkriterien für die eine Referenz- und eine Speicherschicht bildenden Elektroden, so dass üblicherweise die Austrittsarbeiten der Materialien der Elektroden nur gering voneinander abweichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher eine ATB durch eine aus mindestens zwei Barrierenabschnitten aus mindestens zwei unterschiedlichen Barrierenmaterialien bestehenden Tunnelbarriere erzielt. Die Barrierenmaterialien werden dabei so gewählt, dass sich die Austrittsarbeiten der Barrierenmaterialien um mindestens 0,1 eV unterscheiden. Für einen möglichst großen, polaritätsabhängigen Leitfähigkeitsunterschied sind die Barrierenabschnitte so angeordnet, dass sich ein asymmetrischer Verlauf der Barrienhöhe einstellt. Dazu werden die Barrierenabschnitte asymmetrisch zu einer Barrierensymmetriefläche angeordnet. Die Barrierensymmetriefläche ergibt sich als eine zu den beiden Grenzflächen äquidistanten Fläche.
  • Elektroden und Barrierenabschnitte können unterschiedlich ausgeprägt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Elektroden und die Barrierenabschnitte jeweils als Schichten ausgeprägt. Solche Schichten lassen sich mit üblichen Verfahren der Waferbearbeitung (Sputtern, Gasphasenabscheidung u. a.) besonders einfach herstellen.
  • Da die Tunnelwahrscheinlichkeit sehr stark mit der Barrierenlänge abnimmt, ist auch die Gesamtdicke der Tunnelbarriere auf wenige Nanometer beschränkt. Da sich ferner die Prozesskontrolle mit abnehmender Schichtdicke erschwert und bei sehr dünnen Schichten parasitäre Effekte (etwa Verunreinigungen, Oberflächenzustände, Oberflächenrauigkeit) überproportional zunehmen, ist es vorteilhaft, die Zahl der Barrierenschichten auf zwei zu begrenzen.
  • Geeignete Barrierenmaterialien sind Dielektrika wie Metalloxide, Mischmetalloxide und Metallsulfide, die sich im Rahmen der für magnetoresistive Speicherzellen üblichen Fertigungstechnologie in besonders geeigneter Weise in dünnen Schichten auftragen, bzw. erzeugen lassen. Dabei wird meist der Metallanteil aufgesputtert und anschließend unter kontrollierten Bedingungen mit Sauerstoff oder Schwefel oxidiert. Bildet das Metall mehrere Oxidationsstufen, so können in der betreffenden Barrierenschicht auch mehrere Oxidationsstufen des Metalls vorliegen. Die Austrittsarbeit einer Barrierenschicht kann dabei vom Mengenverhältnis der verschiedenen Oxidationsstufen zueinander abhängen. Sie ergibt sich dann in gewissem Umfang aus der Oxidationszeit und den Prozessvariablen während der Oxidation.
  • Da die Gesamtdicke der Tunnelbarriere auf wenige Nanometer beschränkt und ferner bei sehr dünnen Schichten parasitäre Effekte, wie etwa Verunreinigungen, Oberflächenzustände und Oberflächenrauigkeit den Tunnelmechanismus zunehmend beeinflussen, ist es vorteilhaft, beide Barrierenschichten in etwa gleicher Schichtdicke auszuführen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Tunnelbarriere daher in Form zweier Barrierenschichten aus unterschiedlichen Barrierenmaterialien vorgesehen, die mit jeweils etwa gleicher Schichtdicke abgeschieden sind.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Elektroden des MTJ-Elements aus einer Kobalt- Eisen-Legierung bzw. einer Nickel-Eisen-Legierung mit jeweils annähernd gleichen Austrittsarbeiten. Die Tunnelbarriere besteht aus zwei jeweils 1 nm dicken Barrierenschichten. Das Material der einen Barrierenschicht ist Aluminiumoxid, das der anderen Barrierenschicht Tantaloxid. An der Grenzfläche zwischen der einen Elektrode und der Barrierenschicht aus Aluminiumoxide stellt sich eine Barrierenhöhe von 2,8 eV ein, an der Grenzfläche zwischen der anderen Elektrode und der Barrierenschicht aus Tantaloxid eine Barrierenhöhe von 0,28 eV.
  • Für ein MTJ-Element mit 200 nm Kantenlänge ergibt sich rechnerisch für Spannungen |Um| > 0,8 V eine polaritätsabhängige Änderung der Leitfähigkeit um etwa den Faktor 10. Ein solches MTJ-Element eignet sich in besonderer Weise für eine magnetoresistive Speicherzelle, deren Adressierung in einer resistiven Speicherzellenstruktur gegenüber Speicherzellen mit herkömmlichen MTJ-Elementen dann deutlich selektiver ist.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Elektroden des MTJ-Elements wieder aus einer Kobalt-Eisen-Legierung bzw. Nickel-Eisen-Legierung und die Tunnelbarriere aus zwei jeweils 2,5 nm dicken Barrierenschichten. Das Material der einen Barrierenschicht ist Zinksulfid, das der anderen Barrierenschicht Tantaloxid. An der Grenzfläche zwischen der einen Elektrode und der Barrierenschicht aus Zinksulfid stellt sich eine Barrierenhöhe von 1,0 eV ein, an der Grenzfläche zwischen der anderen Elektrode und der Barrierenschicht aus Tantaloxid wieder eine Barrierenhöhe von 0,28 eV.
  • Für ein MTJ-Element mit 200 nm Kantenlänge ergibt sich rechnerisch für Spannungen |Um| > 1,3 V eine polaritätsabhängige Änderung der Leitfähigkeit um etwa den Faktor 1000.
  • Magnetoresistive Speicherzellen, die MTJ-Elemente der erfindungsgemäßen Art aufweisen, wobei eine der beiden Elektroden als Speicherschicht und die andere Elektrode als Referenzschicht angeordnet ist, können mit einer größeren Störsicherheit und/oder bei größeren Geschwindigkeiten betrieben werden.
  • Die Darstellung und Beschreibung eines solchen MTJ-Elements ist auf die Darstellung zweier ferromagnetischer Schichten als Elektroden und einer oder mehrerer dielektrischen Schichten als Tunnelbarriere beschränkt. Jedoch ist es dabei für den Fachmann naheliegend, dass dabei die Speicherzelle noch weitere dielektrische, ferromagnetische oder nichtferromagnetische Schichten, auch im Bereich des MTJ-Elements aufweisen kann. Solche auch nichtferromagnetische Schichten können etwa zur Steuerung der Rauigkeit der Grenzflächen beiderseits der Tunnelbarriere vorgesehen sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Speicherzellen der erfindungsgemäßen Art vollständig im Bereich zwischen zwei Leiterbahnschichten angeordnet, wobei über die Leiterbahnschichten die Adressierung, das Beschreiben und das Auslesen der Speicherzellen erfolgt. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da sich eine solche Struktur in besonder einfacher Weise dreidimensional anordnen lässt.
  • Aus dem Stapeln mehrerer Speicherzellenebenen einschließlich der dazugehörigen Leiterbahnschichten ergibt sich eine Speichereinrichtung mit einer besonders hohen Dichte an Speicherzellen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei für einander entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordung für eine magnetoresistive Speicherzelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Speicherzellenfeldes,
  • Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Speicherzellenfeldes mit resistiven Speicherzellen,
  • Fig. 4 ein schematisches Energiebanddiagramm eines Metall- Isolator-Metall-Übergangs mit stark asymmetrischer Barriere,
  • Fig. 5 ein schematisches Energiebanddiagramm für ein MTJ- Element nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 6 errechnete Strom-Spannungskennlinien n für ein MTJ- Element nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • Fig. 7 errechnete Strom-Spannungskennlinien für ein MTJ- Element nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Fig. 2, 3 und 4 wurden bereits eingangs erläutert.
  • Die Fig. 1 zeigt eine magnetoresistive Speicherzelle 1 mit einem MTJ-Element 9. Das MTJ-Element 9 wird durch eine erste Elektrode, der Speicherschicht 3, und eine zweite Elektrode, der Referenzschicht 5, beiderseits einer Tunnelbarriere 4 gebildet. Die Referenzschicht 5 ist mit einem Spacer 6 und einer weiteren ferromagnetischen Teilschicht 7 zu einem artifiziellen Antiferromagneten 8 angeordnet.
  • Die durch einen Pfeil angedeutete Magnetisierung der Referenzschicht 5 ist fest mit Magnetisierung der ferromagnetischen Teilschicht 7 gekoppelt. Die Magnetisierungsrichtung der Speicherschicht 3 ist abhängig von einem Dateninhalt der Speicherzelle 1 der Magnetisierung der Referenzschicht 5 gleich- oder entgegengerichtet.
  • Der Werkstoff der Speicherschicht 3, die eine erste Elektrode des MTJ-Elements 9 bildet, ist eine Nickel-Eisen-Legierung, der Werkstoff der Referenzschicht 5, die eine zweite Elektrode des MTJ-Elements 9 bildet, eine Kobalt-Eisen-Legierung. Die Austrittsarbeiten der beiden Legierungen hängen vom jeweiligen Legierungsgrad ab. Üblicherweise unterscheiden sich die Austrittsarbeiten um weniger als 0,1 eV. In diesem Ausführungsbeispiel wird für beide Werkstoffe ein gemeinsamer Wert WM für die Austrittsarbeit angenommen.
  • Der Werkstoff der ferromagnetischen Teilschicht 7 ist ebenfalls eine Kobald-Eisen-Legierung und der Werkstoff des Spacers 6 Rubidium.
  • Die Tunnelbarriere 4 besteht aus einer ersten Barrierenschicht 4a und einer zweiten Barriereschicht 4b, die in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung etwa gleiche Schichtdicken da und db aufweisen. Der dielektrische Werkstoff der ersten Barrierenschicht 4a weist die Austrittsarbeit Wa und der ebenfalls dielektrische Werkstoff der Barrierenschicht 4b die Austrittsarbeit Wb auf. Die Austrittsarbeiten Wa und Wb unterscheiden sich um etwa 1 eV, wobei Wa < Wb.
  • Wird die Speicherzelle 1 zwischen der ferromagnetischen Teilschicht 7 und der Speicherschicht 3 mit einer Messspannung Um beaufschlagt, dann fließt durch die Speicherzelle ein Strom I, der durch den Tunnelstrom zwischen den beiden Elektroden 3, 5 des MTJ-Elements 9 bestimmt wird.
  • Der Tunnelstrom ist eine Funktion der Zustandsdichten der Elektronen an der Fermikante in den beiden Elektroden und dem Betrag der Messspannung Um.
  • Die Zustandsdichte der Elektronen ist abhängig von der Spinpolarisation der Elektronen. Die Spinpolarisation der Elektronen ist wiederum abhängig von der Richtung der Magnetisierung in der jeweiligen Elektrode.
  • Darüberhinaus ist der Tunnelstrom I abhängig von der Polarität der Messspannung Um. Bedingung hierfür ist, das der Verlauf der Barrierenhöhe in einer Richtung senkrecht zu den Grenzflächen 15, 16 asymmetrisch bezogen auf eine Barrierensymmetriefläche 10 in der Mitte der Tunnelbarriere 4 ist.
  • Die Polaritätsabhängigkeit des Tunnelstroms I der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird im in der Fig. 5 dargestellten schematischen Energiebanddiagramm verdeutlicht. Dabei handelt es sich um eine Vereinfachung, die die tatsächlichen Verhältnisse nur grob wiederspiegelt und primär einer Veranschaulichung des Funktionsprinzips dient.
  • In Fig. 5a ist dazu das Energiebanddiagramm der in Fig. 1 dargestellten Anordnung im Gleichgewichtszustand mit Um = 0 gezeigt. Das Ferminiveau EF ist in beiden Elektroden näherungsweise gleich. Die Barrierenhöhe Φa an der Grenzfläche zwischen der ersten Elektrode oder Speicherschicht 3 und der Barrierenschicht 4a ergibt sich aus der Differenz der Austrittsarbeiten WM und Wa der Werkstoffe der beiden Schichten 3, 4a. Die Barrierenhöhe Φb ergibt sich in gleicher Weise aus der Differenz der Austrittsarbeiten WM und Wb.
  • In Fig. 5b wird eine Messspannung Um > 0, mit eUm > Φb, zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 5 angelegt.
  • Das Ferminiveau in der ersten Elektrode wird um diesen Betrag angehoben, was als eine Verringerung der Austrittsarbeit um eUm an der Grenzfläche zwischen der ersten Elektrode 3 und der ersten Barrierenschicht 4a interpretiert werden kann. Da die Barrierenhöhe in der Barrierenschicht 4b unter das Ferminiveau in der ersten Elektrode absinkt, wirkt, in anschaulicher Betrachtung, für Elektronen in der ersten Elektrode mit einer Energie am Ferminiveau eine reduzierte effektive Barrierenlänge. Eine geringere Barrierenlänge führt zu einem höheren Tunnelstrom. Die Leitfähigkeit ist gegenüber einer Anordnung mit einer einheitlichen Barrierenhöhe Φa erhöht.
  • In Fig. 5c wird eine Messspannung U = -Um zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 5 angelegt.
  • In diesem Fall wird das Ferminiveau in der zweiten Elektrode um diesen Betrag angehoben, was wieder als eine Verringerung der Austrittsarbeit um eUm an der Grenzfläche zwischen der zweiten Elektrode 5 und der zweiten Barrierenschicht 4b interpretiert werden kann. Da die Barrierenhöhe an der Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht 4b und der zweiten Elektrode 5 erhalten bleibt, bleibt die Barrierenlänge, in anschaulicher Betrachtung, für Elektronen in der zweiten Elektrode mit einer Energie am Ferminiveau erhalten. Die Leitfähigkeit entspricht eher der in einer Anordnung mit einer einheitlichen Barrierenhöhe Φa.
  • Im Strom-Spannungs-Diagramm der Fig. 6 ist der errechnete Tunnelstrom I in Abhängigkeit von Betrag und Polarität einer Messspannung Um für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Das MTJ-Element weist dabei einen quadratischen Querschnitt mit 200 nm Kantenlänge auf. Die Tunnelbarriere besteht aus zwei jeweils 2,5 nm dicken Barrierenschichten aus Zinksulfid ZnS bzw. Tantaloxid TaOx. Der Oxidationsgrad der Tantaloxidschicht und damit die Austrittsarbeit für diese Schicht ist abhängig von den Prozessbedingungen, unter denen die Schicht hergestellt wird. Die Austrittsarbeiten für die beiden Barrierenschichten und der Elektroden ergeben eine Barrierenhöhe von 1 eV an der Grenzfläche zwischen der einen Elektrode und der Barrierenschicht aus Zinksulfid und eine Barrierenhöhe von 0,28 eV an der Grenzfläche zwischen der anderen Elektrode und der Barrierenschicht aus TaOx.
  • Unterhalb einer Crossover-Voltage von etwa 1 V ergeben sich für die beiden Polaritäten P1 und P2 der Messspannung Um Tunnelströme, die um bis zu einem Faktor 100 voneinander abweichen.
  • Oberhalb der Crossover-Voltage ergeben sich abhängig von der Polarität der Messspannung Um um bis zu einem Faktor 1000 voneinander abweichende Tunnelströme.
  • An der Crossover-Voltage wechselt dabei die Vorzugsrichtung des Tunnelstroms.
  • In den beiden Strom-Spannungs-Diagrammen der Fig. 7 ist der errechnete Tunnelstrom in Abhängigkeit von Betrag und Polarität einer Messspannung Um für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt Fig. 7a den Zusammenhang im logarithmischen und Fig. 7b den selben Zusammenhang im linearen Maßstab.
  • Das MTJ-Element weist dabei einen quadratischen Querschnitt mit 200 nm Kantenlänge auf. Die Tunnelbarriere besteht aus zwei jeweils 1,5 nm dicken Barrierenschichten aus Aluminiumoxid AlxOy bzw. Tantaloxid TaOx. Die Austrittsarbeiten für die beiden Barrierenschichten und der Elektroden ergeben eine Barrierenhöhe von 2,8 eV an der Grenzfläche zwischen der einen Elektrode und der Barrierenschicht aus Aluminiumoxid und eine Barrierenhöhe von 0,28 eV an der Grenzfläche zwischen der anderen Elektrode und der Barrierenschicht aus TaOx.
  • Bei einer Polarität der angelegten Messspannung Um in Vorzugsrichtung ergibt sich ab etwa 1 V ein um den Faktor 10 erhöhter Tunnelstrom. Bezugszeichenliste 1 magnetoresistive Speicherzelle
    2 Substrat
    3 Speicherschicht
    4 Tunnelbarriere
    4a erste Barrierenschicht
    4b zweite Barrierenschicht
    5 Referenzschicht
    6 Spacer
    7 ferromagnetische Teilschicht
    8 artifizieller Antiferromagnet
    9 MTJ-Element
    10 Barrierensymmetriefläche
    11 Bitleitung
    12 Wortleitung
    13 Speicherzellenfeld
    15 erste Grenzfläche
    16 zweite Grenzfläche

Claims (14)

1. Magnetoresitives Tunnelelement (9), bestehend aus
einer ersten Elektrode (3),
einer zweiten Elektrode (5) und
einer zwischen den beiden Elektroden (3, 5) angeordneten Tunnelbarriere (4), wobei
zwischen der Tunnelbarriere (4) und der ersten Elektrode (3) eine erste Grenzfläche (15) und
zwischen der Tunnelbarriere (4) und der zweiten Elektrode (5) eine zweite Grenzfläche (16) ausgeprägt ist und
das magnetoresistive Tunnelelement (9) eine quantenmechanische Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere (4), sowie eine elektrische Leitfähigkeit aufweist,
gekennzeichnet durch
einen bezüglich einer zu den beiden Grenzflächen (15, 16) äquidistanten Barrierensymmetriefläche (10) asymmetrischen Verlauf der quantenmechanischen Barrierenhöhe innerhalb der Tunnelbarriere (4) unter Einbezug der ersten (15) und zweiten Grenzfläche (16) und eine Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Tunnelelements (9) von der Polarität einer zwischen den beiden Elektroden (3, 5) angelegten Messspannung Um.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (3) aus einem ersten ferromagnetischen Werkstoff mit einer Austrittsarbeit WA und die zweite Elektrode (5) aus einem zweiten ferromagnetischen Werkstoff mit einer Austrittsarbeit WB bestehen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Austrittsarbeiten der beiden ferromagnetischen Werkstoffe WA und WB größer 0,5 eV ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarriere (4) aus mindestens zwei Barrierenabschnitten (4a, 4b, . . .) besteht, die Barrierenabschnitte (4a, 4b, . . .) aus mindestens zwei verschiedenen Barrierenmaterialien bestehen, die Barrierenmaterialien Austrittsarbeiten aufweisen, die sich um mindestens 0,1 eV unterscheiden und die Barrierenabschnitte (4a, 4b, . . .) asymmetrisch zur Barrierensymmetriefläche (10) angeordnet sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (3, 5) und die Barrierenabschnitte jeweils als planare Barrierenschichten (4a, 4b, . . .) vorgesehen sind, wobei die Barrierenschichten (4b, 4a, . . .) aufeinanderfolgend auf der einen Elektrode (5, 3) und die andere Elektrode (3, 5) auf der ersten Barrierenschicht (4a) angeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarriere (4) aus einer ersten Barrierenschicht (4a) mit einer Schichtdicke da aus einem ersten Barrierenmaterial mit einer Austrittsarbeit WTa und einer zweiten Barrierenschicht (4b) mit einer Schichtdicke db aus einem zweiten Barrierenmaterial mit einer Austrittsarbeit WTb besteht.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenmaterialien einer Gruppe, gebildet aus Metalloxiden, Metallmischoxiden und Metallsulfiden, angehören.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenmaterialien einer Gruppe, gebildet aus Aluminiumoxiden, Tantaloxiden, Hafniumoxiden, Nickeloxiden, Magnesiumoxiden, Strontiumtitanoxiden und Zinksulfid, angehören.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke da gleich der Schichtdicke db ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken da und db jeweils 1 nm betragen, eines der Barrierenmaterialien Aluminiumoxid und das andere Barrierenmaterial Tantaloxid ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken da und db jeweils 2,5 nm betragen, und eines der Barrierenmaterialien Zinksulfid und das andere Barrierenmaterial Tantaloxid ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Tunnelelement (9) Teil einer magnetoresistiven Speicherzelle (1) ist, wobei die erste Elektrode als Speicherschicht (3) und die zweite Elektrode als Referenzschicht (5) angeordnet ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (1) Teil eines Speicherzellenfeldes (13) ist, das zwischen einer ersten Leiterbahnschicht, die Wortleitungen (12) zur Kontaktierung der Speicherzellen (1) aufweist, und einer zweiten Leiterbahnschicht, die Bitleitungen (11) zur Kontaktierung der Speicherzellen (1) aufweist, angeordnet ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherzellenfeld (13) Teil einer Speichereinrichtung ist, in der Speicherzellenfelder (13) und die jeweils den Speicherzellenfeldern (13) zugeordneten Leiterbahnschichten Speicherstrukturen bilden und in der die Speicherstrukturen übereinander geschichtet angeordnet sind.
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