WO2002093660A2 - Tmr layer system with diode characteristics - Google Patents

Tmr layer system with diode characteristics Download PDF

Info

Publication number
WO2002093660A2
WO2002093660A2 PCT/DE2002/001672 DE0201672W WO02093660A2 WO 2002093660 A2 WO2002093660 A2 WO 2002093660A2 DE 0201672 W DE0201672 W DE 0201672W WO 02093660 A2 WO02093660 A2 WO 02093660A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tmr
layer system
layer
ferromagnetic
ferromagnetic electrode
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/001672
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2002093660A3 (en
Inventor
Joachim Bangert
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Ag filed Critical Infineon Technologies Ag
Publication of WO2002093660A2 publication Critical patent/WO2002093660A2/en
Publication of WO2002093660A3 publication Critical patent/WO2002093660A3/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell

Definitions

  • FIG. 2 shows the example of a ferromagnetic metal, for example cobalt, in which the state densities 1 and 4 for spin-up and spin-down are different above the Fermini level W F , but one spin orientation, namely spin-up, is preferred Direction of propagation sees. In principle, however, currents of both polarizations are possible.

Abstract

The invention relates to a TMR layer system consisting of a first ferromagnetic electrode layer (11), a dielectric barrier layer (10) and a second ferromagnetic layer (12) which are placed on top of each other in the above-mentioned sequence or which are arranged horizontally next to each other. The electric resistance of the layer system (10,11,12) depends upon the relative magnetic polarization direction of the first and second ferromagnetic electrode layer. The inventive TMR layer system is characterized in that at least one of the ferromagnetic electrode layers (11,12) has a voltage-dependent state charge carrier density, whereby the electric current voltage characteristic of the TMR layer system has diode behavior, or the dielectric barrier layer is embodied in such a way that it has a strongly asymmetrical tunnel behavior.

Description

Beschreibungdescription
TMR-Schichtsystem mit DiodencharakteristikTMR layer system with diode characteristics
Die Erfindung betrifft ein TMR-Schichtsystem (Tunnelmagneto- resistives-Schichtsystem) aus einer ersten ferromagnetischen Elektrodenschicht, einer dielektrischen Barrierenschicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht, die in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt oder horizontal nebeneinan- der angeordnet sind, wobei der elektrische Widerstand des Schichtsystems unter anderem von der relativen magnetischen Polarisationsrichtung der ersten und zweiten ferromagnetischen Elektrodenschicht abhängt.The invention relates to a TMR layer system (tunnel magnetoresistive layer system) comprising a first ferromagnetic electrode layer, a dielectric barrier layer and a second ferromagnetic layer, which are stacked one above the other in this order or arranged horizontally next to one another, the electrical resistance of the layer system being below depends on the relative magnetic polarization direction of the first and second ferromagnetic electrode layers.
TMR-Elemente oder TMR-Schichtsysteme werden favorisiert bei der MRAM-Entwicklung der neuesten Generation, da sie eine hohe relative Widerstandsänderung zeigen und ihr absoluter Widerstandswert in einem günstigen Bereich einstellbar ist. (MRAM: Magnetoresistives Random Access Memory.)TMR elements or TMR layer systems are favored in the MRAM development of the latest generation, since they show a high relative change in resistance and their absolute resistance value can be set in a favorable range. (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory.)
Ein TMR-Bauelement, das auf der Basis des Tunnelmagnetowi- derstandseffekts (TMR-Effekt) die oben erwähnte Wirkung hat, dass der elektrische Widerstand des Bauelements von der relativen magnetischen Polarisationsrichtung der ersten und zweiten ferromagnetischen Elektrodenschicht abhängt, hat eine Strom-Spannungskennlinie, die für positive und negative Spannungen im allgemeinen nahezu symmetrisch aber nicht linear ist.A TMR component that has the above-mentioned effect based on the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect) that the electrical resistance of the component depends on the relative magnetic polarization direction of the first and second ferromagnetic electrode layers has a current-voltage characteristic curve that for positive and negative voltages is generally almost symmetrical but not linear.
Für die Anwendung eines TMR-Bauelements in MRAM-Speichern erweist sich eine stark asymmetrische Strom-Spannungskenn- linie, im Idealfall eine Diodenkennlinie, als günstig. Dadurch lässt sich dann eine größere Anzahl von Speicherzellen in einem Speicherfeld verschalten, wobei gleichzeitig die durch parasitäre Ströme bewirkten elektrischen Verluste gesenkt werden können. Die Änderung der magnetischen Polarisa- tionsrichtung einer ferromagnetischen Schicht wird durch Ströme bzw. durch die damit verbundenen Magnetfelder auf den kontaktierenden Leitern ausgeführt. Der Schichtstapel sollte möglichst dünn sein, um eine Erhöhung des Stroms und ein da- mit vergrößertes magnetisches Streufeld an benachbarten, nicht selektierten, MRAM-Zellen zu vermeiden.For the application of a TMR component in MRAM memories, a strongly asymmetrical current-voltage characteristic, ideally a diode characteristic, has proven to be favorable. As a result, a larger number of memory cells can then be connected in a memory field, it being possible at the same time to reduce the electrical losses caused by parasitic currents. The change in magnetic polarization direction of a ferromagnetic layer is carried out by currents or by the associated magnetic fields on the contacting conductors. The layer stack should be as thin as possible in order to avoid an increase in the current and thus an enlarged magnetic stray field on adjacent, unselected MRAM cells.
Um ein diodenähnliches Verhalten der Strom-Spannungskennlinie von TMR-Elementen zu erreichen, sind bislang mehrere Vorschläge gemacht worden. Zum Beispiel gibt es den Vorschlag, in dem Schichtstapel eine zusätzliche, möglichst dünne Diode zu integrieren, zum Beispiel eine MIM- (Aluminium, Aluminiumoxid, Platin), MIS- oder MS- (Schottky-) Diode . Dabei dürfte es schwierig sein, die zum Aufbau einer inte- grierten Diode notwendigen sehr dünnen Halbleiterschichten so herzustellen, dass der Schichtstapel nicht verdickt wird. Weiterhin wurde von Sousa et al. in einem Fachartikel "Ver- tical Integration of a spin dependent tunnel junction with an amorphous Si diode", Applied Physics Letters 74, 25 (1999), 3893 die Reihenschaltung einer Diode mit einem TMR- Schichtsystem beschrieben. Weiterhin wurde verschiedentlich die Reihenschaltung einer externen Diode und eines TMR- Bauelements in verschiedenen Technologien vorgeschlagen (siehe zum Beispiel Boeve et al.: "Integration of spin val- ves and GaAs diodes in magnetoresistive random access memory cells"; Journal of Applied Physics 85, 8 (1999), 4779.In order to achieve a diode-like behavior of the current-voltage characteristic of TMR elements, several proposals have so far been made. For example, there is the proposal to integrate an additional, as thin as possible diode in the layer stack, for example a MIM (aluminum, aluminum oxide, platinum), MIS or MS (Schottky) diode. It should be difficult to manufacture the very thin semiconductor layers required to build an integrated diode in such a way that the layer stack is not thickened. Furthermore, Sousa et al. in a technical article "Vertical Integration of a spin dependent tunnel junction with an amorphous Si diode", Applied Physics Letters 74, 25 (1999), 3893 describes the series connection of a diode with a TMR layer system. Furthermore, the series connection of an external diode and a TMR component in various technologies has been proposed on various occasions (see, for example, Boeve et al .: "Integration of spin valves and GaAs diodes in magnetoresistive random access memory cells"; Journal of Applied Physics 85, 8: 4779 (1999).
Es ist festzustellen, dass eine Hochintegration von TMR-Bau- elementen, wie dies zum Beispiel für MRAM-Halbleiterspei- cheranordnungen notwendig ist, nur machbar ist, wenn sich die Diode im Schichtstapel befindet. Dabei ist die Dicke der Diode entscheidend für die erzielbare Dichte der TMR-Bauele- mente insbesondere in Speicherarrays, da das zum Ausrichten der Polarisation der magnetischen Speicherschicht benötigte äußere Magnetfeld durch um so höhere Ströme erzeugt werden muss, je dicker der Schichtstapel ist. Begrenzend wirken sich hier die starker werdenden Streufelder auf benachbarte Speicherzellen aus. Weitere Probleme sind die zulassige Stromdichte in den Leitern und die Wärmeentwicklung.It should be noted that high integration of TMR components, as is necessary, for example, for MRAM semiconductor memory arrangements, is only feasible if the diode is in the layer stack. The thickness of the diode is decisive for the achievable density of the TMR components, in particular in memory arrays, since the external magnetic field required for aligning the polarization of the magnetic memory layer must be generated by the higher currents, the thicker the layer stack. Limit the stray fields, which are becoming stronger, affect neighboring memory cells. Other problems are the permissible current density in the conductors and the heat development.
Angesichts des oben Gesagten ist es Aufgabe der Erfindung, ein TMR-Schichtsystem mit einem Diodenverhalten zu ermöglichen, das ohne zusätzliche Funktionsschichten in dem TMR- Schichtsystem auskommt und eine Verdickung des Stapels des Schichtsystems oder externe Bauelemente vermeiden kann.In view of the above, it is an object of the invention to enable a TMR layer system with a diode behavior that does not require additional functional layers in the TMR layer system and can avoid thickening of the stack of the layer system or external components.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe gelost durch ein gattungsgemaßes TMR-Schichtsystem, bei dem wenigstens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten eine spannungsabhangige Zustandsdichte der Ladungsträger aufweist, so dass die Strom-Spannungskennlinie des TMR-According to one aspect of the invention, the above object is achieved by a generic TMR layer system in which at least one of the ferromagnetic electrode layers has a voltage-dependent density of states of the charge carriers, so that the current-voltage characteristic of the TMR
Schichtsystems Diodenverhalten zeigt. Dabei können eine oder auch beide ferromagnetischen Elektrodenschichten ein Halbmetall aufweisen. Das Halbmetall kann zum Beispiel aus Chrom- dioxid, aus Fe304 oder aus einer Heusler ' sehen oder Halb- Heusler ' sehen Legierung bestehen. Dadurch erhalt wenigstens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten eine spannungsabhangige Zustandsdichte, die das gewünschte Diodenverhalten des TMR-Schichtsystems bewirken kann, ohne dass zusätzliche Funktionsschichten, e ne Verdickung des Stapels oder externe Bauelemente erforderlich sind. Vorteilhafterweise kann der Sattigungsstrom der Diode durch die Eigenschaften der Tunnelbarriere und die Flache des das TMR- Schichtsystem enthaltenden Bauelements eingestellt werden.Layer system shows diode behavior. One or both ferromagnetic electrode layers can have a semimetal. The semimetal can, for example, consist of chromium dioxide, Fe 3 0 4 or a Heusler 'see or Halb-Heusler' see alloy. As a result, at least one of the ferromagnetic electrode layers receives a voltage-dependent density of states, which can bring about the desired diode behavior of the TMR layer system without additional functional layers, a thickening of the stack or external components being required. The saturation current of the diode can advantageously be set by the properties of the tunnel barrier and the area of the component containing the TMR layer system.
Dabei können die magnetischen Materialien gleichzeitig zwei Funktionen übernehmen, wodurch keine Verdickung des TMR- Schichtsystems (bei vertikaler Anordnung) erforderlich st.The magnetic materials can perform two functions at the same time, which means that no thickening of the TMR layer system (in the case of a vertical arrangement) is required.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist die dielektrische Bameren- schicht eines gattungsgemaßen TMR-Schichtsystems so ausgelegt, dass sie ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten auf- weist. Ein solches asymmetrisches Tunnelverhalten kann durch ein entsprechendes Dotierprofil der dielektrischen Barrierenschicht oder dadurch erreicht werden, dass die dielektrische Barrierenschicht aus mehreren Materialschichten so besteht, dass diese Materialschichten zusammen das asymmetrische Tunnelverhalten erzeugen. Auch hier kann vorteilhafterweise der Sättigungsstrom der Diode durch die Eigenschaften der Tunnelbarriere und die Fläche des das TMR-Schichtsystem enthaltenden Bauelements eingestellt werden.According to a second aspect, the dielectric bamer layer of a generic TMR layer system is designed such that it exhibits a strongly asymmetrical tunnel behavior. has. Such asymmetrical tunnel behavior can be achieved by a corresponding doping profile of the dielectric barrier layer or by the dielectric barrier layer consisting of several material layers in such a way that these material layers together produce the asymmetrical tunnel behavior. Here too, the saturation current of the diode can advantageously be set by the properties of the tunnel barrier and the area of the component containing the TMR layer system.
Dabei können auch hier die magnetischen Materialien gleichzeitig zwei Funktionen übernehmen, wodurch keine Verdickung des TMR-Schichtsystems (bei vertikaler Anordnung) erforderlich ist.Here, too, the magnetic materials can perform two functions at the same time, which means that there is no need to thicken the TMR layer system (in the case of a vertical arrangement).
Die dem ersten Aspekt der Erfindung entsprechenden Maßnahmen können vorteilhafterweise auch mit den dem zweiten Aspekt der Erfindung entsprechenden Maßnahmen kombiniert werden, um auf diese Weise das Diodenverhalten des TMR-Schichtsystems noch zu verstärken.The measures corresponding to the first aspect of the invention can advantageously also be combined with the measures corresponding to the second aspect of the invention, in order in this way to further strengthen the diode behavior of the TMR layer system.
Ein erfindungsgemäßes TMR-Schichtsystem kann besonders vorteilhaft bei einer MRAM-Speicheranordnung eingesetzt werden, bei der dann die einzelnen Speicherzellen aus einem erfin- dungsgemäßen TMR-Schichtsystem bestehen.A TMR layer system according to the invention can be used particularly advantageously in an MRAM memory arrangement in which the individual memory cells then consist of a TMR layer system according to the invention.
Die folgende Beschreibung beschreibt bezogen auf die Zeichnungsfiguren Ausführungsbeispiele der oben genannten beiden Aspekte der Erfindung.The following description describes exemplary embodiments of the above two aspects of the invention with reference to the drawing figures.
Die Figuren zeigen im einzelnen:The figures show in detail:
Fig. 1 graphisch ein Bandstrukturmodell, das Zustands- dichten der Ladungsträger eines ferromagnetischen Halbmetalls oberhalb und unterhalb des Fermini- veaus veranschaulicht; Fig. 2 ein idealisiertes Bandstrukturmodell einer idealen Gegenelektrode (z. B. aus Kobalt);1 graphically shows a band structure model which illustrates the density of states of the charge carriers of a ferromagnetic semimetal above and below the Ferminev level; 2 shows an idealized band structure model of an ideal counter electrode (eg made of cobalt);
Fig. 3 ein Diagramm, das unterschiedlich hohe Barrieren auf beiden Seiten der dielektrischen Barriereschicht im spannungslosen Zustand veranschaulicht;3 shows a diagram which illustrates differently high barriers on both sides of the dielectric barrier layer in the de-energized state;
Fig. 4 ein ähnliches Diagramm wie in Fig. 3, das dieFig. 4 is a similar diagram as in Fig. 3, the
Verhältnisse beim Anlegen einer Spannung an die beiden ferromagnetischen Elektrodenschichten zeigt undRelationships when applying a voltage to the two ferromagnetic electrode layers shows and
Fig. 5 Strom-Spannungskennlinien jeweils eines herkömmlichen TMR-Schichtsystems (b) und eines erfindungsgemäßen TMR-Schichtsystems (a) .Fig. 5 current-voltage characteristics of a conventional TMR layer system (b) and a TMR layer system (a) according to the invention.
Erster Aspekt der ErfindungFirst aspect of the invention
Ein TMR-Schichtsystem zeichnet sich gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dadurch aus, dass mindestens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten eine spannungsabhängige Zustandsdichte der Ladungsträger aufweist, so dass die Strom- Spannungskennlinie des TMR-Schichtsystems Diodenverhalten zeigt. Nachstehend wird eine Ausführungsform eines gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung realisierten TMR-Schichtsystems beschrieben, bei dem eine oder auch beide ferromagnetischen Elektrodenschichten ein Halbmetall aufweisen. Ein Halbmetall ist im Sinne dieser Erfindung ein Material, bei dem spinabhängig die Hälfte der Elektronen geleitet und die andere Hälfte nicht geleitet wird, das heißt, dass ein ferromagne- tisches Halbmetall eine 100 %-ige Bevorzugung einer Spinausrichtung (zumindest für d-Elektronen) hat. Ein Metall ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Ferminiveaus (WF) freie Elektronen und auch freie Elektronenzustande vorhanden sind. Ein metallischer Ferromagnet ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Ferminiveaus (WF) die Zustandsdichten für Spin- up und Spin-down unterschiedlich sind, insbesondere in den d-Elektronenbandern. Eine Spinausrichtung sieht bevorzugte Ausbreitungsbedingungen (Majoritäten) . Für diese Spins gibt es viele frei besetzbare Zustande (metallische Leitung) , wahrend die andere Spinausrichtung weniger besetzbare Zustande vorfindet (Isolatorverhalten für Minoritäten). In Abhängigkeit von der Magnetisierung "tauscht" diese Asymmetrie.According to the first aspect of the invention, a TMR layer system is characterized in that at least one of the ferromagnetic electrode layers has a voltage-dependent density of states of the charge carriers, so that the current-voltage characteristic curve of the TMR layer system shows diode behavior. An embodiment of a TMR layer system implemented according to the first aspect of the invention is described below, in which one or both ferromagnetic electrode layers have a semimetal. For the purposes of this invention, a semimetal is a material in which, depending on the spin, half of the electrons are conducted and the other half are not conducted, that is to say that a ferromagnetic semimetal has a 100% preference for spin alignment (at least for d electrons) Has. A metal is characterized, among other things, by the fact that free electrons and also free electron states are present above the Fermini level (W F ). A metallic ferromagnet is characterized, among other things, by the fact that the state densities for spin-up and spin-down are different above the Fermi level (W F ), especially in the d-electron bands. Spin alignment sees preferred propagation conditions (majorities). For these spins there are many freely occupied states (metallic line), while the other spin orientation finds fewer occupied states (insulator behavior for minorities). Depending on the magnetization, this asymmetry "exchanges".
1) Halbmetall1) semi-metal
Wie das Bandstrukturmodell in Fig. 1 veranschaulicht, gibt es oberhalb des Ferminiveaus (WF) bei einem ferromagnetischen Halbmetall nur freie Zustande 1 für Spin-up-Ladungstrager, die mit der Bezugszahl 2 bezeichnet sind, und unterhalb des Ferminiveaus WF gibt es ebenfalls einen Bereich, wo nur Spin- up-Ladungstrager 2 vorhanden sind. Die Spin-down-Ladungstra- ger, die mit der Bezugszahl 3 bezeichnet sind, befinden sich weit unterhalb des Ferminiveaus WF. Das Tunneln in ein solches Halbmetall ist ausschließlich den bevorzugten Spins, das heißt den Spin-up-Ladungstragern, gestattet. Daher ist der fließende Strom eine exakte Abbildung der Zustandsdichten in der Gegenelektrode. Das Zielgebiet beim Tunneln in das Halbmetall ist das Gebiet 1. Beim Tunneln aus dem Halbmetall ist das Gebiet 1 das Quellgebiet. Beim Leiten von Strom findet die Leitung im Gebiet 1 statt. Wird in einemAs the band structure model in FIG. 1 illustrates, there are only free states 1 for spin-up charge carriers, which are designated by the reference number 2, above the Fermini level (W F ) for a ferromagnetic semimetal, and there are also below the Fermini level W F an area where only spin-up charge carriers 2 are present. The spin-down charge carriers, which are designated by the reference number 3, are located far below the Fermini level W F. Tunneling into such a semimetal is only permitted for the preferred spins, that is to say the spin-up charge carriers. Therefore, the flowing current is an exact representation of the density of states in the counter electrode. The target area when tunneling into the semi-metal is area 1. When tunneling out of the semi-metal, area 1 is the source area. When conducting electricity, the line takes place in area 1. Will in one
TMR-Schichtsystem durch die Barriere (z. B. aus Al2 03) keine Spin-Streuung verursacht, werden an der Gegenelektrode ausschließlich Spin-up-Elektronen (bei negativer Spannung an der Gegenelektrode) erwartet, bzw. ausschließlich Spin-up- Elektronen können die Gegenelektrode verlassen (bei positiver Spannung an der Gegenelektrode) . Das Anlegen einer Spannung an der TMR-Barriere verschiebt die Zustandsdichten. Durch Wahl geeigneter Gegenelektrodenmaterialien mit geeigneter Elektronenkonfiguration ist dabei eine Verschiebung der besetzbaren Zustände in Richtung auf mehr bzw. weniger Zustände möglich.TMR layer system caused by the barrier (e.g. from Al 2 0 3 ) no spin scattering, only spin-up electrons are expected at the counter electrode (with negative voltage at the counter electrode) or only spin-up Electrons can leave the counter electrode (with positive voltage at the counter electrode). Applying a voltage to the TMR barrier shifts the density of states. By choosing suitable counter-electrode materials with a suitable electron configuration, a shift of the occupied states towards more or fewer states is possible.
2) Ferromanget2) Ferromanget
Fig. 2 zeigt das Beispiel eines ferromagnetischen Metalls, zum Beispiel Kobalt, bei dem oberhalb des Ferminiveaus WF die Zustandsdichten 1 und 4 für Spin-up und Spin-down unterschiedlich sind, wobei jedoch eine Spin-Ausrichtung, nämlich Spin-up eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung sieht. Prinzipiell sind jedoch Ströme beider Polarisationen möglich.2 shows the example of a ferromagnetic metal, for example cobalt, in which the state densities 1 and 4 for spin-up and spin-down are different above the Fermini level W F , but one spin orientation, namely spin-up, is preferred Direction of propagation sees. In principle, however, currents of both polarizations are possible.
Die Bandstrukturen, das heißt die Zustandsdichteverteilung gemäß Fig. 2, zeigen, dass bei einer Verschiebung des Ferminiveaus WF durch eine elektrische Spannung nach oben eine deutliche Verringerung der Zustandsdichte auftreten würde. Dies erhöht den Widerstand des Metalls. Für eine Tunnelstrecke wird die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns verringert. Eine Verschiebung nach unten ergibt eine deutlich erhöhte Anzahl an freien Zuständen. Dadurch wird der Widerstand der Tunnelstrecke verringert, d. h. das Tunneln wird wahrschein- licher. Dies ist ein diodenähnliches Verhalten.The band structures, that is to say the state density distribution according to FIG. 2, show that if the Fermini level W F were shifted upward by an electrical voltage, the state density would be significantly reduced. This increases the resistance of the metal. The likelihood of tunneling is reduced for a tunnel section. A downward shift results in a significantly increased number of free states. This reduces the resistance of the tunnel section, ie tunneling is more likely. This is a diode-like behavior.
Zweiter Aspekt der ErfindungSecond aspect of the invention
Ein TMR-Schichtsystem zeichnet sich gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung dadurch aus, dass die dielektrische Barrierenschicht so ausgelegt ist, dass sie ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten aufweist. Dies wird in der nachstehenden Beschreibung anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. In den Fig. 3 und 4 ist die dielektrische Barrierenschicht mit 10 bezeich- net, und die auf beiden Seiten angrenzenden ferromagnetischen Elektrodenschichten sind mit 11 und 12 bezeichnet. Die Barriere 10 wird so ausgelegt, dass sich ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten ergibt, was, wie Fig. 4 veranschaulicht, durch verschieden hohe Barrieren von beiden Seiten erreicht wird. Das Anlegen einer Spannung an die Barriere 10 verändert die Neigung der Barrierenhöhe (Fig. 5) . Elektronen e" von links nach rechts sehen eine niedrigere Barrierenhöhe als in umgekehrter (Elektronen-) Stromrichtung. Fig. 5 veranschaulicht, dass eine anliegende Spannung die Barrierenlänge t verkürzen kann. Bei umgekehrter Stromrichtung tritt dieser Effekt nicht auf. Die Asymmetrie in der Barriere 10 führt zu einer Verschiebung der Kennlinieäste: ein Ast erhält einen höheren Widerstand, der andere Ast einen geringeren.According to the second aspect of the invention, a TMR layer system is characterized in that the dielectric barrier layer is designed in such a way that it exhibits a highly asymmetrical tunnel behavior. This is explained in the description below with reference to FIGS. 3 and 4. 3 and 4, the dielectric barrier layer is designated by 10, and the ferromagnetic electrode layers adjoining on both sides are designated by 11 and 12. The Barrier 10 is designed in such a way that a highly asymmetrical tunnel behavior results, which, as FIG. 4 illustrates, is achieved by barriers of different heights from both sides. Applying a voltage to the barrier 10 changes the slope of the barrier height (Fig. 5). Electrons e " from left to right see a lower barrier height than in the reverse (electron) current direction. FIG. 5 illustrates that an applied voltage can shorten the barrier length t. This effect does not occur in the reverse current direction. The asymmetry in the barrier 10 leads to a shift in the characteristic curve branches: one branch receives a higher resistance, the other branch a lower one.
Fig. 5 zeigt graphisch einen Vergleich der Stromabhängigkeit von der Spannung für Rechnungen mit angenommener Asymmetrie (Kurve a) und mit symmetrischer Barriere (Kurve b) . Zur Verdeutlichung des Effekts ist der Betrag dargestellt.FIG. 5 graphically shows a comparison of the current dependence on the voltage for calculations with assumed asymmetry (curve a) and with a symmetrical barrier (curve b). The amount is shown to illustrate the effect.
Werden realistische Werte für derzeit verwendete Barrieren- materialien angesetzt, so sind für eine konstante Spannung an der Barriere Stromunterschiede von 30 % realistisch. Der Effekt hängt etwas von der an der Barriere anliegenden Spannung ab. Für konstanten Strom kann man daher etwas größere Effekte erwarten (50 %) . Mit neuen Materialien können auch größere Widerstandsunterschiede erreicht werden. Die Theorie gibt für Gold und Aluminiumelektroden Unterschiede bis zu 10000 % an.If realistic values are used for barrier materials currently in use, current differences of 30% are realistic for a constant voltage across the barrier. The effect depends somewhat on the voltage applied to the barrier. For constant current you can therefore expect somewhat larger effects (50%). Larger resistance differences can also be achieved with new materials. The theory gives differences of up to 10000% for gold and aluminum electrodes.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele zur Realisierung des ersten erfindungsgemäßen Aspekts angeführt. Für eine ferro- magnetische Elektrode wird beim ersten Ausführungsbeispiel ein ferromagnetisches Halbmetall vorgeschlagen, da bei diesem der beobachtete Diodeneffekt am größten ist. Es können aber auch Materialien mit vergleichbarer Auswirkung für eine Barrierenseite (zum Beispiel durch eine umgekehrte Abhängigkeit der Zustandsdichte von der Spannung) verwendet werden. Das prinzipielle Verhalten wurde mit dem Mangan-Perovskit (LaO, 7Sr0, 3Mn03) gegen eine Kobaltelektrode für Tiefsttemperatur gezeigt (vgl. De Teresa et al.: "Role of Metal-Oxide Interface in Determining the Spin Polarization of Magnetic Tunnel Junctions, Science 286 (1999), 507.Exemplary embodiments for realizing the first aspect according to the invention are given below. In the first exemplary embodiment, a ferromagnetic semimetal is proposed for a ferromagnetic electrode, since the observed diode effect is greatest in this. However, materials with a comparable effect for a barrier side (for example, due to an inverse dependence of the density of states on the voltage) can also be used. The basic behavior was demonstrated with the manganese perovskite (LaO, 7Sr0, 3Mn0 3 ) against a cobalt electrode for extremely low temperatures (cf. De Teresa et al .: "Role of Metal-Oxide Interface in Determining the Spin Polarization of Magnetic Tunnel Junctions, Science 286: 507, 1999.
Ein für den Raumtemperaturbereich geeignetes Halbmetall ist Chromdioxid (Cr02) . Ein weiteres vorgeschlagenes Halbmetall ist Fe304.A semi-metal suitable for the room temperature range is chromium dioxide (Cr0 2 ). Another proposed semimetal is Fe 3 0 4 .
Weitere Möglichkeiten sind Heusler 'sehe Legierungen (Pd2MnSn; Co2TiSn und Co2TiAl) oder Halb-Heusler ' sehe Legierungen (NiMnSb) (die Majoritäten sind metallisch leitend, die Mino- ritäten halbleitend) .Other possibilities are Heusler's alloys (Pd 2 MnSn; Co 2 TiSn and Co 2 TiAl) or semi-Heusler's alloys (NiMnSb) (the majority are metallically conductive, the minorities are semiconducting).
Weitere brauchbare Materialkombinationen (z. B. Permalloy gegen Kobalt-Platin) können durch Auswertung der Tabellen für die Elektronenkonfigurationen ferromagnetischer Materia- lien gefunden werden. Der grundsätzliche Einfluss von Austrittsarbeiten auf eine Barriere wird in der Theorie bereits beschrieben, jedoch nicht auf eine Diode angewendet (vgl. John G. Simmons: "Electric Tunnel Effect between Dissimilar Elektrodes separated by a Thin Insulating Film" in J. of Appl. Physics, Vol. 34, N. 9, Sept. 1963).Further usable material combinations (eg permalloy versus cobalt-platinum) can be found by evaluating the tables for the electron configurations of ferromagnetic materials. The fundamental influence of work functions on a barrier has already been described in theory, but is not applied to a diode (cf. John G. Simmons: "Electric Tunnel Effect between Dissimilar Electrodes separated by a Thin Insulating Film" in J. of Appl. Physics , Vol. 34, N. 9, Sept. 1963).
Weiterhin werden Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechenden asymmetrischen Barriere aufgezeigt. Zur Realisierung einer asymme- trischen Barriere gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:Furthermore, exemplary embodiments for realizing an asymmetrical barrier corresponding to the second aspect of the invention are shown. There are basically two options for realizing an asymmetrical barrier:
- ein entsprechendes Dotierprofil in der Barriere. Durch die Dotierung der Barriere mit Fremdatomen wird die elektronische Struktur gestört. Dotierungen können während des Wachstums eingebracht oder implantiert werden oder auch Gefügestörungen (zum Beispiel durch Ionenbeschuss in kristalline Barrieren) sein.- a corresponding doping profile in the barrier. The electronic structure is disturbed by doping the barrier with foreign atoms. Doping can be introduced or implanted during growth or also Structural disorders (for example due to ion bombardment in crystalline barriers).
- Zusammensetzungen der Barriere aus verschiedenen Material- schichten. Die für die Barriere 10 benötigte dielektrische Schicht kann mit einer sehr großen Anzahl von Methoden erzeugt werden. Daher brauchen hier nur wenige Beispiele zur Verdeutlichung aufgezählt werden:- Compositions of the barrier from different material layers. The dielectric layer required for the barrier 10 can be produced using a very large number of methods. Therefore, only a few examples need to be listed for clarification:
a) Teilweise Oxidation des Barrierenmaterials, Nitrierung des restlichen Materials;a) partial oxidation of the barrier material, nitriding of the remaining material;
- Aufbringen des Barrierematerials in zwei Schritten- Application of the barrier material in two steps
(zum Beispiel zweimal 1 nm Aluminium);(for example twice 1 nm aluminum);
- Durchoxidation des Barrierenmaterials, Herstellung von Oxinitrid mit einer geringeren Materialtiefe;Through oxidation of the barrier material, production of oxynitride with a lower material depth;
b) Wachstum eines ersten Barrierenmaterials (zum Beispiel Eisen), auf dieses ein zweites (zum Beispiel Aluminium);b) growth of a first barrier material (for example iron), onto this a second one (for example aluminum);
- Oxidation/Nitrierung zwischen dem Wachstum, - Durchoxidation nach dem Wachstum- oxidation / nitration between growth, - through-oxidation after growth
Die gebildeten Zwischenschichten können auch magnetische Funktionswerkstoffe in der Barriere sein, zum Beispiel die Ferromagnete Fe203 oder Fe30 . Damit lässt sich gleichzeitig der TMR-Effekt erhöhen. Weiterhin ist ein dünner isolierender Antiferromagnet, z. B. Nickeloxid oder ein Manganit, denkbar, der die Eigenschaften der Referenzschicht (zum Beispiel Kobalteinzelschieht oder künstlicher Antiferromagnet —> Exchanged Bias System) stützt. BezugszeichenlisteThe intermediate layers formed can also be magnetic functional materials in the barrier, for example the ferromagnets Fe 2 0 3 or Fe 3 0. This can also increase the TMR effect. Furthermore, a thin insulating antiferromagnet, e.g. B. nickel oxide or a manganite, conceivable, which supports the properties of the reference layer (for example cobalt single or artificial antiferromagnet -> Exchanged Bias System). LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 freie Zustände mit Spin-up1 free states with spin-up
2 Ladungsträger mit Spin-up unterhalb der Fermikante 3 Ladungsträger mit Spin-down unterhalb der Fermikante2 charge carriers with spin-up below the Fermi edge 3 charge carriers with spin-down below the Fermi edge
4 freie Zustände mit Spin-down4 free states with spin down
10 Barrierenschicht10 barrier layer
11 erste ferromagnetische Elektrodenschicht11 first ferromagnetic electrode layer
12 zweite ferromagnetische Elektrodenschicht W Energie f Ferminiveau t Barrierenlänge e~ Elektronen eV Elektronenvolt 12 second ferromagnetic electrode layer W energy f Fermi level t barrier length e ~ electrons eV electron volts

Claims

Patentansprüche claims
1. TMR-Schichtsystem aus einer ersten ferromagnetischen Elektrodenschicht (11), einer dielektrischen Barrieren- schicht (10) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht1. TMR layer system comprising a first ferromagnetic electrode layer (11), a dielectric barrier layer (10) and a second ferromagnetic layer
(12), die in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt oder horizontal nebeneinander angeordnet sind, wobei der elektrische Widerstand des Schichtsystems (10, 11, 12) von der relativen magnetischen Polarisationsrichtung der ersten und zweiten ferromagnetischen Elektrodenschicht abhängt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten (11, 12) eine spannungsabhängige Zustandsdichte der Ladungsträger aufweist, so dass die Ξtromspannungskennlinie des TMR-Schichtsystems ein Diodenverhalten zeigt.(12) which are stacked one above the other in this order or arranged horizontally next to one another, the electrical resistance of the layer system (10, 11, 12) depending on the relative magnetic polarization direction of the first and second ferromagnetic electrode layers, characterized in that at least one of the ferromagnetic electrode layers (11, 12) has a voltage-dependent density of states of the charge carriers, so that the current-voltage characteristic of the TMR layer system shows a diode behavior.
2. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten (11, 12) halbmetallische Eigenschaften aufweist.2. The TMR layer system according to claim 1, which also has one of the ferromagnetic electrode layers (11, 12) having semi-metallic properties.
3. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beide ferromagnetischen Elektrodenschichten (11, 12) halbmetallische Eigenschaften aufweisen.3. TMR layer system according to claim 1, so that the two ferromagnetic electrode layers (11, 12) have semi-metallic properties.
4. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Halbmetall eine Heusler 'sehe Legierung oder eine Halb-Heusler ' sehe Legierung ist.4. TMR layer system according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the semimetal is a Heusler 'see alloy or a semi-Heusler' see alloy.
5. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrodenschichten (11, 12) zu beiden Seiten der dielektrischen Barrierenschicht (10) aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Austrittsarbeit gebildet sind. 5. TMR layer system according to claim 1, characterized in that the electrode layers (11, 12) on both sides of the dielectric barrier layer (10) are formed from different materials with different work functions.
6. TMR-Schichtsystem aus einer ersten ferromagnetischen Elektrodenschicht (11) , einer dielektrischen Barrierenschicht (10) und einer zweiten ferromagnetischen Elektroden- schicht (12) , die in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt oder horizontal nebeneinander angeordnet sind, wobei der elektrische Widerstand des Schichtsystems (10, 11, 12) von der relativen magnetischen Polarisationsrichtung der ersten und zweiten ferromagnetischen Elektrodenschicht (11, 12) abhängt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dielektrische Barrierenschicht (10) so ausgelegt ist, dass sie ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten aufweist .6. TMR layer system consisting of a first ferromagnetic electrode layer (11), a dielectric barrier layer (10) and a second ferromagnetic electrode layer (12), which are stacked one above the other in this order or arranged horizontally next to one another, the electrical resistance of the layer system ( 10, 11, 12) depends on the relative magnetic polarization direction of the first and second ferromagnetic electrode layers (11, 12), characterized in that the dielectric barrier layer (10) is designed such that it exhibits a highly asymmetrical tunnel behavior.
7. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dielektrische Barrierenschicht (10) ein ein asymmetrisches Tunnelverhalten bewirkendes Dotierprofil aufweist.7. The TMR layer system as claimed in claim 6, so that the dielectric barrier layer (10) has a doping profile which causes an asymmetrical tunnel behavior.
8. TMR-Schichtsystem nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dielektrische Barrierenschicht (10) aus mehreren Materialschichten besteht, die zusammen das asymmetrische Tunnelverhalten bewirken.8. TMR layer system according to claim 6, so that the dielectric barrier layer (10) consists of several material layers which together cause the asymmetrical tunnel behavior.
9. TMR-Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Kombination einer oder beider Elektrodenschichten, die eine spannungsabhängige Zustandsdichte der Ladungsträger aufweisen, mit einem asymetrischen Tunnelverhalten der Barrierenschicht .9. TMR layer system according to one or more of the preceding claims, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h combination of one or both electrode layers, which have a voltage-dependent density of states of the charge carriers, with an asymmetrical tunnel behavior of the barrier layer.
10. MRAM-Speicheranordnung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h TMR-Speicherzellen, die ein TMR-Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche enthalten. 10. MRAM memory arrangement, characterized by TMR memory cells containing a TMR layer system according to one or more of the preceding claims.
PCT/DE2002/001672 2001-05-16 2002-05-08 Tmr layer system with diode characteristics WO2002093660A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10123820.7 2001-05-16
DE10123820A DE10123820C2 (en) 2001-05-16 2001-05-16 Method for producing a TMR layer system with diode characteristics and MRAM memory arrangement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2002093660A2 true WO2002093660A2 (en) 2002-11-21
WO2002093660A3 WO2002093660A3 (en) 2003-08-07

Family

ID=7684996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2002/001672 WO2002093660A2 (en) 2001-05-16 2002-05-08 Tmr layer system with diode characteristics

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10123820C2 (en)
WO (1) WO2002093660A2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10202903B4 (en) * 2002-01-25 2009-01-22 Qimonda Ag Magnetoresistive memory cell with polarity-dependent resistor and memory cell
FR2892231B1 (en) * 2005-10-14 2008-06-27 Commissariat Energie Atomique MAGNETIC DEVICE WITH MAGNETORESISTIVE TUNNEL JUNCTION AND MAGNETIC MEMORY WITH RANDOM ACCESS

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6034887A (en) * 1998-08-05 2000-03-07 International Business Machines Corporation Non-volatile magnetic memory cell and devices
US6069820A (en) * 1998-02-20 2000-05-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Spin dependent conduction device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6295225B1 (en) * 1999-05-14 2001-09-25 U.S. Philips Corporation Magnetic tunnel junction device having an intermediate layer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6069820A (en) * 1998-02-20 2000-05-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Spin dependent conduction device
US6034887A (en) * 1998-08-05 2000-03-07 International Business Machines Corporation Non-volatile magnetic memory cell and devices

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE TERESA J M ET AL: "Manganite-based magnetic tunnel junctions: new ideas on spin-polarised tunnelling" SYMPOSIUM G: MATERIALS PHYSICS ISSUES AND APPLICATIONS OF MAGNETIC OXIDES, STRASBOURG, FRANCE, 1-4 JUNE 1999, Bd. 211, Nr. 1-3, Seiten 160-166, XP004202847 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, March 2000, Elsevier, Netherlands ISSN: 0304-8853 *
FERT A ET AL: "Review of recent results on spin polarized tunneling and magnetic switching by spin injection" 8TH NEC SYMPOSIUM ON FUNDAMENTAL APPROACHES TO NEW MATERIAL PHASES: SPIN-RELATED QUANTUM TRANSPORT IN MESOSCOPIC SYSTEMS, NASU, JAPAN, 22-26 OCT. 2000, Bd. B84, Nr. 1-2, Seiten 1-9, XP004242276 Materials Science & Engineering B (Solid-State Materials for Advanced Technology), 5 July 2001, Elsevier, Switzerland ISSN: 0921-5107 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10123820A1 (en) 2002-12-05
DE10123820C2 (en) 2003-06-18
WO2002093660A3 (en) 2003-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60208224T2 (en) MAGNETORESISTIVE HIGH-PERFORMANCE SPIN VALVE ASSEMBLY
DE60313660T2 (en) SYNTHETIC ANTIFERROMAGNETIC STRUCTURE FOR A MAGNETOELECTRONIC DEVICE
DE60108543T2 (en) Improved reference layer structure in a magnetic memory cell
EP1097457A2 (en) Storage cell system in which an electric resistance of a storage element represents an information unit and can be influenced by a magnetic field, and method for producing same
DE1024119B (en) Bistable memory device with a semiconducting body
EP1105878A2 (en) Memory cell array and corresponding production method
EP1163676A1 (en) Storage cell array and method for the production thereof
DE102007056741B4 (en) Field effect transistor and method for its production
EP0019715A1 (en) Superconductive switching and storage device
EP3371836B1 (en) Magnetic tunnel diode and magnetic tunnel transistor
DE102005043328A1 (en) Magnetoresistive transistor and control method for such
DE1264508B (en) Magnetic shift register
WO2002093660A2 (en) Tmr layer system with diode characteristics
DE10153658B4 (en) Magnetoresistive memory cell having an arrangement for minimizing the Néel interaction between two ferromagnetic layers on both sides of a nonferromagnetic separating layer and method for producing the magnetoresistive memory cell
DE69635362T2 (en) Magnetoresistance effect element
DE2228931C2 (en) Integrated semiconductor arrangement with at least one material-different semiconductor junction and method for operation
DE10203820A1 (en) Semiconductor component and method for its production
DE112018001470T5 (en) MEMORY ELEMENT WITH MAGNETIC TUNNEL TRANSITION
DE102017207618A1 (en) Superconductive magnet coil arrangement with a plurality of layer-wound tape-shaped superconductors
DE602004010316T2 (en) Magnetic random access memory with high selectivity
DE2201813C3 (en) Register with expansion of magnetic areas
DE2727279A1 (en) FIELD EFFECT TRANSISTOR AND METHOD OF MANUFACTURING IT
DE2018116C3 (en) Method of making a magnetic memory strip assembly
DE10141341C2 (en) Electronic component comprising at least one capacitor
DE1054148B (en) Arrangement in which the conductivity state of a conductor can be reversed

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): CN JP KR US

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP