DE10309243A1 - TMR-Dünnschichtenelement - Google Patents

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Günter Dr. Gieres
Joachim Dr. Wecker
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Abstract

Das magnetoresistive Dünnschichtenelement (2) zeigt einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt. Es weist wenigstens folgende Teile auf, nämlich eine erste Elektrodenschicht (3) aus ferromagnetischem Material mit einer gegenüber einer zweiten Elektrodenschicht (4) aus ferromagnetischem Material vergleichsweise größeren magnetischen Härte, eine zwischen diesen Elektrodenschichten (3, 4) befindliche Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarrierenschicht (5) und elektrische Anschlüsse an den ferromagnetischen Elektrodenschichten (3, 4). Die Tunnelbarrierenschicht (5) soll zumindest zum Teil Yttriumoxid enthalten.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Dünnschichtenelement, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und eine Schichtenfolge mit wenigstens
    • – einer ersten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material, die gegenüber einer zweiten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material eine vergleichsweise größere magnetische Härte besitzt,
    • – einer zwischen diesen Elektrodenschichten befindlichen Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere und
    • – elektrischen Anschlüssen an den ferromagnetischen Schichten
    aufweist.
  • Ein entsprechendes Dünnschichtenelement ist z.B. der DE 198 13 250 C2 zu entnehmen.
  • Magnetoresistive Dünnschichtenfolgen, 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-Dünnschichtenfolgen stellen solche vom sogenannten „TMR (Tunneling Magneto Resistance)-Typ" einen Sonderfall dar. Entsprechende TMR-Elemente 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).
  • Dünnschichtenfolgen mit spinabhängigem Tunneln werden in künftigen Generationen von XMR-Dünnschichtenelementen insbesondere der Spinlogik, von magnetischen Sensoren und in Leseköpfen in der magnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden. Entsprechende Tunnelelemente 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 Dünnschichtenelementes um bis zu 50 %. Dieser Effekt wird auch als TMR-Effekt bezeichnet und wird ausgenutzt für die vorstehend genannten möglichen Anwendungen.
  • 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 Tunnelelementes aufwachsen können. Außerdem muss es, wenn es nicht schon bereits als oxidischer Isolator abgeschieden wird, kontrolliert oxidierbar sein.
  • Als Barrierenmaterial für entsprechende magnetische Tunnelelemente wurde bisher fast ausschließlich Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet (vgl. die eingangs genannte DE-C2-Schrift). 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 Tunnelelementen 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 Dünnschichtenelemente 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 Elemente 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.
  • Ein weiteres wichtiges Bewertungskriterium für Tunnelbarrieren ist die Abhängigkeit des TMR-Effektes von der Betriebsspannung des Tunnelelementes. Die Spannung (V½), bei der der TMR-Effekt auf die Hälfte abgesunken ist, sollte für die meisten Anwendungsfälle größer als 0,3 V sein.
  • Neben Al2O3 wurden eine Reihe anderer Materialien auf ihre Eignung als Tunnelbarrierenmaterial untersucht (vgl. die eingangs genannte DE-C2-Schrift). So sind z.B. AlN, ZrO2, ZnS, ZnSe, MgO, Ta2O5 zu nennen. 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.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, für ein Dünnschichtenelement der eingangs genannten Art ein Tunnelbarrierenmaterial anzugeben, bei dem die angesprochenen Probleme zumindest zu einem großen Teil vermindert sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei dem TMR-Dünnschichtenelement der eingangs genannten Art die Tunnelbarrierenschicht zumindest teilweise aus Yttriumoxid (Y2O3) bestehen.
  • 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 Tunnelelemente 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.
  • 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 Sauerstoffplasma 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.
  • Außerdem zeigt Yttriumoxid ein sehr glattes Schichtwachstum. So können beispielsweise Schichten mit einem AFM-Rauigkeitswert von weniger als 1,2 Å RMS gemessen werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen TMR-Dünnschichtenelementes 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-Dünnschichtenelement 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 Element eine Doppelbarriere mit zwei Tunnelbarrierenschichten aufweisen, von denen mindestens eine das Yttriumoxid-Material enthält und zwischen denen die zweite Elektrodenschicht angeordnet ist. Entsprechende Tunnelelemente zeichnen sich durch einen hohen TMR-Effekt bei kleiner Biasspannungsabhängigkeit aus.
    • – Vorteilhaft kann das TMR-Dünnschichtenelement als ein Element 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 Referenzschichtensystem (vgl. WO 98/14793 A1) gebildet werden, wobei das Referenzschichtensystem insbesondere als ein künstlicher Antiferromagnet ausgebildet sein kann (vgl. WO 94/15223 A1). Entsprechende Elemente, die eine gute Entkopplung der Elektrodenschichten aufweisen, sind insbesondere für Sensorikeinsätze geeignet.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des TMR-Dünnschichtenelementes gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen jeweils schematisiert
  • deren 1 bis 4 verschiedene Schichtenfolgen von erfindungsgemäßen TMR-Dünnschichtenelementen mit Y2O3-Tunnelbarrieren
    und
  • deren 5 und 6 die Abhängigkeit des TMR-Effektes bzw. der differenziellen Leitfähigkeit von einer Biasspannung an einem erfindungsgemäßen TMR-Dünnschichtenelement zur Ermittlung der Potenzialhöhe der Tunnelbarriere.
  • Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Dünnschichtenelementes wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen, die einen sogenannten TMR-Effekt zeigen. Dabei sind nicht näher ausgeführte Details 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 Elementen ausgegangen, die vom sogenannten Spin-Valve-Typ sind. Die TMR-Dünnschichtenelemente eignen sich auf Grund ihrer geringen Baugröße und ihres vergleichsweise großen magnetoresistiven Effektes bevorzugt zur Erfassung insbesondere von Winkelbereichen bis 360°, aber auch als Linearsensoren zur Erfassung einer linearen Verschiebung eines Dauermagneten oder als hochempfindliche Stromsensoren. Entsprechende TMR-Elemente 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 Größenordnungen) 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 Referenzschichtensystems 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.
  • Eine TMR-Dünnschichtenfolge, wie sie für Elemente nach der Erfindung vorgesehen werden kann, geht in ihrer einfachsten Form aus 1 hervor. In dieser Figur sind bezeichnet mit 2 allgemein das Dünnschichtenelement 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.
  • Statt der ersten Elektrodenschicht kann selbstverständlich auch ein bekanntes Referenzschichtensystem 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 (sogenanntes „Exchange Biasing"; vgl. z.B. „Journ. Appl. Phys.", Vol. 83, No. 11, 01.06.1998, Seiten 7216 bis 7218). Oder das Referenzschichtensystem 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.
  • Das in 2 gezeigte, allgemein mit 12 bezeichnete TMR-Dünnschichtenelement unterscheidet sich gegenüber dem Tunnelelement 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 z.B. zwischen 1 nm und 10 nm liegen.
  • Das in 3 veranschaulichte, allgemein mit 22 bezeichnete TMR-Dünnschichtenelement unterscheidet sich gegenüber dem Tunnelelement 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.
  • Es können auch TMR-Dünnschichtenelemente 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 Elementen mit geringeren parasitären Strömen führen kann. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist aus 4 zu entnehmen. Das dort gezeigte, allgemein mit 32 bezeichnete TMR-Dünnschichtenelement 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.
  • Die Kurven der Diagramme der 5 und 6 werden für ein erfindungsgemäßes TMR-Schichtenelement von einem Typ nach 1 erhalten, das auf einem Substrat z.B. aus Si die Schichtenfolge SiO2/Ru30n m/IrMn8nm/CoFe2,5nm/Y (1,5nm; 0,6 min oxi.) /CoFe1nm/NiFe5nm/Ru10nm 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.
  • Um den in dem Diagramm der 5 gezeigten Kurvenverlauf zu erhalten, wurde an die Ru-Schichten des Dünnschichtenelementes eine sukzessiv geänderte Biasspannung VB angelegt. Bei der jeweiligen Spannung wurde dann das Dünnschichtenelement einem äußeren Magnetfeld derart ausgesetzt, dass sich die Magnetisierung in der magnetisch weicheren Doppelschicht CoFe1nm/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-Elementes.
  • 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.
  • 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-Dünnschichtenelemente herzustellen, wie sie insbesondere für Leseköpfe oder Elemente der Spinlogik benötigt werden. Auch eine Verkleinerung der Elemente in den Sub-μm-Bereich wird so ermöglicht.
  • 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.
  • Gemäß den gewählten Ausführungsbeispielen liegt der TMR-Effekt mit Yttriumoxidbarrierenschicht bei > 26 % bei Raum temperatur. Tieftemperaturmessungen bestätigen, dass durch eine verbesserte Präparation noch eine weitere Steigerung des TMR-Effektes möglich ist.

Claims (11)

  1. Magnetoresistives Dünnschichtenelement, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und eine Schichtenfolge mit wenigstens – einer ersten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material, die gegenüber einer zweiten Elektrodenschicht aus ferromagnetischem Material eine vergleichsweise größere magnetische Härte besitzt, – einer zwischen diesen Elektrodenschichten befindlichen Zwischenschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarrierenschicht und – elektrischen Anschlüssen an den ferromagnetischen Elektrodenschichten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (5, 15, 25, 35) zumindest Yttriumoxid enthält.
  2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (5) aus reinem Yttriumoxid besteht.
  3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenschicht (25) aus einem Mischoxid-Material besteht, das das Yttriumoxid anteilmäßig enthält.
  4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Tunnelbarrierenmaterial Al2O3-Y2O3-Mischoxid vorgesehen ist.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Element 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 Referenzschichtensystem gebildet sind.
  8. Element nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Ausbildung des Referenzschichtensystems als ein künstlicher Antiferromagnet.
  9. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke (d1, d1') der ersten Elektrodenschicht (3, 3') zwischen 1 nm und 30 nm.
  10. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke (d2) der zweiten Elektrodenschicht (4) zwischen 1 nm und 30 nm.
  11. 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.
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