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.) 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 re- lativen magnetischen Polarisationsrichtung der ersten und zweiten ferromagnetischen Elektrodenschicht abhängt, hat ei- ne Strom-Spannungskennlinie, die für positive und negative Spannungen im allgemeinen nahezu symmetrisch aber nicht li- near ist.

Für die Anwendung eines TMR-Bauelements in MRAM-Speichern erweist sich eine stark asymmetrische Strom-Spannungskenn- linie, im Idealfall eine Diodenkennlinie, als günstig. Da- durch lässt sich dann eine größere Anzahl von Speicherzellen in einem Speicherfeld verschalten, wobei gleichzeitig die durch parasitäre Ströme bewirkten elektrischen Verluste ge- senkt 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.

Um ein diodenähnliches Verhalten der Strom-Spannungskenn- linie von TMR-Elementen zu erreichen, sind bislang mehrere Vorschläge gemacht worden. Zum Beispiel gibt es den Vor- schlag, in dem Schichtstapel eine zusätzliche, möglichst dünne Diode zu integrieren, zum Beispiel eine MIM- (Alumi- nium, 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.

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 stärker werdenden Streufelder auf benachbarte Speicherzellen aus. Weitere Probleme sind die zulässige Stromdichte in den Leitern und die Wärmeentwicklung.

Angesichts des oben Gesagten ist es Aufgabe der Erfindung, ein TMR-Schichtsystem mit einem Diodenverhalten zu ermögli- chen, das ohne zusätzliche Funktionsschichten in dem TMR- Schichtsystem auskommt und eine Verdickung des Stapels des Schichtsystems oder externe Bauelemente vermeiden kann.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe ge- löst durch ein gattungsgemäßes TMR-Schichtsystem, bei dem wenigstens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten eine spannungsabhängige Zustandsdichte der Ladungsträger aufweist, so dass die Strom-Spannungskennlinie des TMR- Schichtsystems Diodenverhalten zeigt. Dabei können eine oder auch beide ferromagnetischen Elektrodenschichten ein Halbme- tall aufweisen. Das Halbmetall kann zum Beispiel aus Chrom- dioxid, aus Fe304 oder aus einer Heusler'schen oder Halb- Heusler'schen Legierung bestehen. Dadurch erhält wenigstens eine der ferromagnetischen Elektrodenschichten eine span- nungsabhängige Zustandsdichte, die das gewünschte Diodenver- halten des TMR-Schichtsystems bewirken kann, ohne dass zu- sätzliche Funktionsschichten, eine Verdickung des Stapels oder externe Bauelemente erforderlich sind. Vorteilhafter- weise kann der Sättigungsstrom der Diode durch die Eigen- schaften der Tunnelbarriere und die Fläche des das TMR- Schichtsystem enthaltenden Bauelements eingestellt werden.

Dabei können die magnetischen Materialien gleichzeitig zwei Funktionen übernehmen, wodurch keine Verdickung des TMR- Schichtsystems (bei vertikaler Anordnung) erforderlich ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist die dielektrische Barrieren- schicht eines gattungsgemäßen TMR-Schichtsystems so ausge- legt, dass sie ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten auf-

weist. Ein solches asymmetrisches Tunnelverhalten kann durch ein entsprechendes Dotierprofil der dielektrischen Barrie- renschicht oder dadurch erreicht werden, dass die dielektri- sche Barrierenschicht aus mehreren Materialschichten so be- steht, dass diese Materialschichten zusammen das asymmetri- sche Tunnelverhalten erzeugen. Auch hier kann vorteilhafter- weise der Sättigungsstrom der Diode durch die Eigenschaften der Tunnelbarriere und die Fläche des das TMR-Schichtsystem enthaltenden Bauelements eingestellt werden.

Dabei können auch hier die magnetischen Materialien gleich- zeitig zwei Funktionen übernehmen, wodurch keine Verdickung des TMR-Schichtsystems (bei vertikaler Anordnung) erforder- lich ist.

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.

Ein erfindungsgemäßes TMR-Schichtsystem kann besonders vor- teilhaft bei einer MRAM-Speicheranordnung eingesetzt werden, bei der dann die einzelnen Speicherzellen aus einem erfin- dungsgemäßen TMR-Schichtsystem bestehen.

Die folgende Beschreibung beschreibt bezogen auf die Zeich- nungsfiguren Ausführungsbeispiele der oben genannten beiden Aspekte der Erfindung.

Die Figuren zeigen im einzelnen : 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 idea- len Gegenelektrode (z. B. aus Kobalt) ; Fig. 3 ein Diagramm, das unterschiedlich hohe Barrieren auf beiden Seiten der dielektrischen Bar- riereschicht im spannungslosen Zustand veran- schaulicht ; Fig. 4 ein ähnliches Diagramm wie in Fig. 3, das die Verhältnisse beim Anlegen einer Spannung an die beiden ferromagnetischen Elektrodenschichten zeigt und Fig. 5 Strom-Spannungskennlinien jeweils eines herkömm- lichen TMR-Schichtsystems (b) und eines erfin- dungsgemäßen TMR-Schichtsystems (a).

Erster Aspekt der Erfindung Ein TMR-Schichtsystem zeichnet sich gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dadurch aus, dass mindestens eine der ferroma- gnetischen Elektrodenschichten eine spannungsabhängige Zu- standsdichte 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 spinab- hängig die Hälfte der Elektronen geleitet und die andere Hälfte nicht geleitet wird, das heißt, dass ein ferromagne- tisches Halbmetall eine 100 %-ige Bevorzugung einer Spinaus- richtung (zumindest für d-Elektronen) hat.

Ein Metall ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Ferminiveaus (WF) freie Elektronen und auch freie Elektronenzustände 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-Elektronenbändern. Eine Spinausrichtung sieht bevorzugte Ausbreitungsbedingungen (Majoritäten). Für diese Spins gibt es viele frei besetzbare Zustände (metallische Leitung), während die andere Spinausrichtung weniger besetzbare Zu- stände vorfindet (Isolatorverhalten für Minoritäten). In Ab- hängigkeit von der Magnetisierung"tauscht"diese Asymme- trie.

1) Halbmetall Wie das Bandstrukturmodell in Fig. 1 veranschaulicht, gibt es oberhalb des Ferminiveaus (WF) bei einem ferromagnetischen Halbmetall nur freie Zustände 1 für Spin-up-Ladungsträger, die mit der Bezugszahl 2 bezeichnet sind, und unterhalb des Ferminiveaus WF gibt es ebenfalls einen Bereich, wo nur Spin- up-Ladungsträger 2 vorhanden sind. Die Spin-down-Ladungsträ- ger, die mit der Bezugszahl 3 bezeichnet sind, befinden sich weit unterhalb des Ferminiveaus WF. Das Tunneln in ein sol- ches Halbmetall ist ausschließlich den bevorzugten Spins, das heißt den Spin-up-Ladungsträgern, gestattet. Daher ist der fließende Strom eine exakte Abbildung der Zustandsdich- ten in der Gegenelektrode. Das Zielgebiet beim Tunneln in das Halbmetall ist das Gebiet 1. Beim Tunneln aus dem Halb- metall ist das Gebiet 1 das Quellgebiet. Beim Leiten von Strom findet die Leitung im Gebiet 1 statt. Wird in einem TMR-Schichtsystem durch die Barriere (z. B. aus A12 03) keine Spin-Streuung verursacht, werden an der Gegenelektrode aus- schließlich Spin-up-Elektronen (bei negativer Spannung an der Gegenelektrode) erwartet, bzw. ausschließlich Spin-up- Elektronen können die Gegenelektrode verlassen (bei positi- ver Spannung an der Gegenelektrode).

Das Anlegen einer Spannung an der TMR-Barriere verschiebt die Zustandsdichten. Durch Wahl geeigneter Gegenelektroden- materialien mit geeigneter Elektronenkonfiguration ist dabei eine Verschiebung der besetzbaren Zustände in Richtung auf mehr bzw. weniger Zustände möglich.

2) 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 unter- schiedlich sind, wobei jedoch eine Spin-Ausrichtung, nämlich Spin-up eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung sieht. Prinzi- piell sind jedoch Ströme beider Polarisationen möglich.

Die Bandstrukturen, das heißt die Zustandsdichteverteilung gemäß Fig. 2, zeigen, dass bei einer Verschiebung des Fermi- niveaus WF durch eine elektrische Spannung nach oben eine deutliche Verringerung der Zustandsdichte auftreten würde.

Dies erhöht den Widerstand des Metalls. Für eine Tunnel- strecke 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.

Zweiter Aspekt der Erfindung Ein TMR-Schichtsystem zeichnet sich gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung dadurch aus, dass die dielektrische Barrieren- schicht so ausgelegt ist, dass sie ein stark asymmetrisches Tunnelverhalten aufweist. Dies wird in der nachstehenden Be- schreibung 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 ferromagneti- schen Elektrodenschichten sind mit 11 und 12 bezeichnet. Die

Barriere 10 wird so ausgelegt, dass sich ein stark asymme- trisches Tunnelverhalten ergibt, was, wie Fig. 4 veranschau- licht, 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 veran- schaulicht, 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.

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 Ver- deutlichung des Effekts ist der Betrag dargestellt.

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 Span- nung 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.

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 die- sem der beobachtete Diodeneffekt am größten ist. Es können aber auch Materialien mit vergleichbarer Auswirkung für eine Barrierenseite (zum Beispiel durch eine umgekehrte Abhängig- keit der Zustandsdichte von der Spannung) verwendet werden.

Das prinzipielle Verhalten wurde mit dem Mangan-Perovskit (LaO, 7SrO, 3Mn03) gegen eine Kobaltelektrode für Tiefsttempe- ratur gezeigt (vgl. De Teresa et al. :"Role of Metal-Oxide Interface in Determining the Spin Polarization of Magnetic Tunnel Junctions, Science 286 (1999), 507.

Ein für den Raumtemperaturbereich geeignetes Halbmetall ist Chromdioxid (CrO2). Ein weiteres vorgeschlagenes Halbmetall ist Fie304, Weitere Möglichkeiten sind Heusler'sche Legierungen (Pd2MnSn ; Co2TiSn und Co2TiAl) oder Halb-Heusler'sche Legierungen (NiMnSb) (die Majoritäten sind metallisch leitend, die Mino- ritäten halbleitend).

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 Aus- trittsarbeiten 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).

Weiterhin werden Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechenden asymme- trischen Barriere aufgezeigt. Zur Realisierung einer asymme- trischen Barriere gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten : - ein entsprechendes Dotierprofil in der Barriere. Durch die Dotierung der Barriere mit Fremdatomen wird die elektroni- sche Struktur gestört. Dotierungen können während des Wachstums eingebracht oder implantiert werden oder auch

Gefügestörungen (zum Beispiel durch Ionenbeschuss in kri- stalline Barrieren) sein.

- Zusammensetzungen der Barriere aus verschiedenen Material- schichten. Die für die Barriere 10 benötigte dielektrische Schicht kann mit einer sehr großen Anzahl von Methoden er- zeugt werden. Daher brauchen hier nur wenige Beispiele zur Verdeutlichung aufgezählt werden : a) Teilweise Oxidation des Barrierenmaterials, Nitrierung des restlichen Materials ; - Aufbringen des Barrierematerials in zwei Schritten (zum Beispiel zweimal 1 nm Aluminium) ; - Durchoxidation des Barrierenmaterials, Herstellung von Oxinitrid mit einer geringeren Materialtiefe ; b) Wachstum eines ersten Barrierenmaterials (zum Beispiel Eisen), auf dieses ein zweites (zum Beispiel Aluminium) ; - Oxidation/Nitrierung zwischen dem Wachstum, - Durchoxidation nach dem Wachstum Die gebildeten Zwischenschichten können auch magnetische Funktionswerkstoffe in der Barriere sein, zum Beispiel die Ferromagnete Fe203 oder Fe304. Damit lässt sich gleichzeitig der TMR-Effekt erhöhen. Weiterhin ist ein dünner isolieren- der Antiferromagnet, z. B. Nickeloxid oder ein Manganit, denkbar, der die Eigenschaften der Referenzschicht (zum Bei- spiel Kobalteinzelschicht oder künstlicher Antiferromagnet-> Exchanged Bias System) stützt.

Bezugszeichenliste 1 freie Zustände mit Spin-up 2 Ladungsträger mit Spin-up unterhalb der Fermikante 3 Ladungsträger mit Spin-down unterhalb der Fermikante 4 freie Zustände mit Spin-down 10 Barrierenschicht 11 erste ferromagnetische Elektrodenschicht 12 zweite ferromagnetische Elektrodenschicht W Energie Wf Ferminiveau t Barrierenlänge e-Elektronen eV Elektronenvolt