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Die
Erfindung betrifft ein Dünnschichtbauelement,
wie es als Teil einer elektronischen Signalverarbeitungsvorrichtung
oder als Sensorelement für unterschiedliche
Meßvorgänge bekannt
ist. Insbesondere ist sie bei Sensorelementen anwendbar, die eine
Funktionsschicht besitzen, deren Widerstand durch die Einwirkung
einer physikalischen Größe wie Temperatur,
Druck, elektrisches oder magnetisches Feld verändert wird, wobei die Änderung
ein Maß für die einwirkende
physikalische Größe ist.
Die Erläuterung
der Erfindung erfolgt am Beispiel magnetoresistiver Sensoren.
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Magnetoresistive
Sensoren zur Messung von Magnetfeldern oder damit verbundener Größen sind
bekannt. Sie nutzen die Abhängigkeit
des Widerstandes dünner
Schichten aus ferromagnetischem Material von der in der Schicht
oder in Teilschichten aufgrund der Magnetfeldeinwirkung gedrehten
Richtung der eigenen Magnetisierung. Damit diese Drehung der Magnetisierung
und die daraus resultierende Widerstandsänderung zu genügend empfindlichen
Meßelementen
führt,
ist die Verwendung sehr dünner
magnetoresistiver Schichten nötig.
Die Schichtdicken liegen bei bekannten Sensorelementen im Bereich
von wenigen Nanometern bis zu einigen 10 Nanometern. Schichten so
geringer Dicke, deren resistive und magnetische Eigenschaften auch noch
empfindlich auf die Eindiffusion von Elementen aus der Umgebung
wie zum Beispiel Sauerstoff oder aus zum elektrischen Anschluß benutzten
Schichten wie zum Beispiel Aluminium reagieren und die in einem
möglichst
weiten Temperaturbereich eingesetzt werden sollen, müssen durch
Abdeckschichten geschützt
werden. Dabei ergeben sich wegen der geringen Schichtdicke der magnetoresistiven
Schichten von vornherein unterschiedliche Probleme, für die eine
Lösung
gefunden werden muß.
Die Anwendung von isolierenden Schutzschichten führt wegen der Notwendigkeit
des elektrischen Anschlusses der resistiven Schichten zu Schwierigkeiten,
da die Schutzschicht bei der Herstellung der Kontakte entfernt werden
muß. Auch
moderne Abtragverfahren für
die Schutzschicht arbeiten nicht so selektiv und präzise, daß die Abtragung
genau an der Oberfläche
der resistiven Schicht gestoppt wird. Ein noch vorhandener Rest
der Abdeckschicht führt
in dem einen Grenzfall jedoch zu einem unzulässig hohen Anschlußkontaktwiderstand,
eine teilweise Abtragung der magnetoresistiven Schicht in dem anderen
Grenzfall macht diese noch anfälliger
gegen eindiffundierte Störelemente
und ändert
die Formanisotropie der magnetoresistiven Schicht dermaßen, daß die gesamte
Sensorfunktion nicht reproduzierbar gewährleistet ist. Eine wenn auch
in abgeschwächtem
Maße leitfähige Schutzschicht
führt sofort
zu dem Problem, daß ein elektrischer
Parallelschluß zur
resistiven Schicht vorhanden ist, Da die Schutzschicht ihren Widerstand
im Magnetfeld nicht ändert,
ist durch sie auf jeden Fall ein Absinken der Sensorempfindlichkeit
bedingt. Um dieses Absinken in Grenzen zu halten und beim Herstellen
von Außenkontakten
einen geringen Kontaktwiderstand zu errei chen, muß mit geringen
Schutzschichtdicken gearbeitet werden, die dann an die Grenze bezüglich ihrer
Wirkung als Diffusionsbarriere kommen.
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Entsprechend
der Patentschrift
US 5,019,461
A die Anwendung einer durchgehenden resistiven Schutzschicht
mit konstantem spezifischen Widerstand und gleichförmiger Dicke
zur Erreichung vorgegebener Werte für den Stromanteil, der die Schutzschicht
durchfließt,
und für
den Anteil der Schutzschicht am Kontaktwiderstand der Stromanschlüsse immer
möglich.
Hier wird jedoch außer Acht
gelassen, daß über die
Größe der Kontaktflächen nicht
in genügendem
Maße frei
verfügt
werden kann. Das trifft ganz besonders für den Fall zu, daß anisotrop
magnetoresistive Sensoren mit Barber-Pole-Strukturen hergestellt
werden. Bei der Barber-Pole-Struktur befindet sich auf den resistiven
Schichtstreifen eine Vielzahl von Leitschichtstreifen sehr hoher
Leitfähigkeit
in einem Abstand, der etwas geringer ist als die Streifenbreite
der resistiven Schicht. Die Längsrichtung
der Leitschichtstreifen bildet mit der Längsrichtung der resistiven
Streifen einen Winkel von 45°.
Der Zweck der Barber-Pole-Struktur
besteht darin, dafür
zu sorgen, daß die
Richtung des Stromes in den resistiven Schichtstreifen um 45° gegen die
Längsrichtung
geneigt ist. Dabei sollte die Breite der Leitschichtstreifen möglichst
gering gehalten werden, damit bei einer geringen Länge der
resistiven Streifen ein möglichst
hoher Widerstand erreichbar ist. Der Widerstand der Leitschichtstreifen und
der durch eine Schutzschicht bedingte Kontaktwiderstand zwischen
resistiver Schicht und Leitschicht muß sehr gering bleiben, wenn
der Winkel der Stromrichtung auf wenigstens annähernd 45° gebracht werden soll. Abweichungen
von 45° bewirken ein
Absinken der Sensorempfindlichkeit, des Signalhubs des Sensors und
eine Einschränkung
seines Meßbereiches
und in höherem
Maße seines
Linearitätsbereiches.
Die Kontaktfläche
eines einzelnen Streifens der Barber-Pole-Struktur liegt im Bereich weniger
Quadratmikrometer. Das Problem der optimalen Kontaktierung für diesen
Fall wird in dem genannten Patent nicht diskutiert und auch nicht
gelöst.
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Das
trifft auch für
die Patentschriften
US 5,667,879
A und
DE 37
50 158 T2 sowie den Artikel „Corrosion Resistant Magnetoresistive
Devices" von Aboaf,
J. A., Ahn, K. Y. und Klokholm, E. im IBM Technical Disclosure Bulletin
1980, Vol. 22, No. 12, S. 5518–5519
zu, in denen resistive Abdeckschichten mit höherem spezifischen Widerstand
benutzt werden, die teilweise im Bereich von Kontakten zur Stromzuführung in
bearbeiteten Flächen
auf eine geringere Dicke abgetragen werden und so einen geringe
Kontaktwiderstand erreichen. Durch die MR-Elemente in der Patentschrift
GB 2 109 992 A ,
die durch die Wirkung von Abdeckschichten eine stabile, geschlossene
Domänenstruktur
erhalten und in der
EP 0
563.379 A1 , die lediglich isolierende Abdeckschichtmaterialien
in Form von Si O
x kombiniert mit Kunstharz
verwenden, wird das Problem ebenfalls nicht gelöt.
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Zu
erwähnen
ist noch die
DE 199
57 981 A1 . Hier wird eine neue Anordnung für die elektrische Kontaktierung
eines supraleitenden Hochstromkabels mit einem normal leitenden
Parallel schluss vorgeschlagen. Der Parallelschluss verhindert bei
einem Übergang
eines Abschnittes des Hochstromkabels in den normal leitenden Zustand
durch lokale Überlastung
dessen Aufheizung und Zerstörung.
Zwischen dem supraleitenden Hochstromkabel und dem Parallelschluss
befindet sich eine kompakte Übergangsschicht
mit einer Leitfähigkeit,
die in Richtung der Dicke der Schicht wesentlich höher ist
als in Richtung der Längsausdehnung
des Kabels. Die Anordnungen selbst sind kompakt und nicht in Dünnschichttechnik herstellbar.
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In
der Patentanmeldung
EP 0 413
984 A1 wird angegeben, daß als Schutzschicht ein Metall-Oxy-Nitrid verwendet
werden soll. Um bei geringen Kontaktwiderständen relativ hohe Widerstände der
parallel zur resistiven Schicht liegenden Schutzschicht zu gewährleisten,
soll die Schutzschicht außerhalb
der Kontaktbereiche durch nachträgliche
Implantation von Sauerstoff hochohmiger gemacht werden. Ein solcher
Implantationsprozeß ist
aber wegen der bei den geringen Schichtdicken unvermeidlichen Gefahr
der teilweisen Implantation des Sauerstoffs in die unmittelbar angrenzende
resistive Schicht, die zur Verschlechterung aller ihrer anzuwendenden elektrischen
und magnetischen Eigenschaften führt, mit
hoher Wahrscheinlichkeit nicht beherschbar.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schutzschicht für resistive
Schichten in Dünnschichtbauelementen
anzugeben, die die resistive Schicht vor Eindringen von schädlichen
Elementen aus der Umgebung bei den Herstellungsprozessen und im
Einsatz schützt,
die trotz ihrer Parallelschaltung zur resistiven Schicht deren Funktion
nicht nennenswert beeinträchtigt
und die eine elektrische Kontaktierung an eine Kontaktschicht hoher
Leitfähigkeit bei
geringem Kontaktwiderstand und geringer Kontaktfläche zuläßt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist mit dem Hauptanspruch der Erfindung gegeben.
Im Herstellungsprozeß des
Dünnschichtbauelementes
wird nach dem Aufbringen der resistiven dünnen Schicht, die für die Bauelementefunktion
von entscheidender Bedeutung ist, immer zunächst eine in direktem Kontakt
mit dieser stehende durchgehende Abdeckschicht mit anisotroper elektrischer
Leitfähigkeit
als Diffusionsbarriere abgeschieden. Einschränkungen für die Dimensionierung der Größe der Kontaktflächen und
der Fläche
der Funktionsbereiche sind nicht mehr vorhanden. Zusätzliche
Herstellungsschritte für
Bereiche der Abdeckschicht entsprechend der Erfindung erfordern
keine zusätzlichen Strukturierungen
im fotolithografischen Prozeß.
Diese erübrigen
sich durch Anwendung der erfindungsgemäßen in Richtung der Schichtebene
isolierenden und senkrecht dazu metallisch leitenden Abdeckschicht.
Ein Abtragen von Teilen der resistiven dünnen Schicht wird in jedem
Fall vermieden. Deshalb ist bei Dünnschichtbauelementen, die
magnetoresistive Schichten zum Nachweis magnetischer Felder enthalten,
eine Beeinträchtigung
des magnetischen Verhaltens derselben ausgeschlossen. Durch die
Erfindung wird eine Herstellung von Sensorbauelementen, die den
anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzen und die eine Barber-Pole-Struktur
zur Einstellung des Arbeitspunktes der Widerstands-Magnetfeldkennlinie
tragen, die Voraussetzung der sich notwendigerweise gegenläufig ändernden
Dünnschichtwiderstände in einer
wheatstoneschen Brückenschaltung
ist, wegen der Aufhebung der Anforderung eines vorgegebenen Verhältnisses
von Kontakt- und Funktionsbereichsflächen erst mit einer wirtschaftlich vertretbar
geringen Chipfläche
möglich.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu
zeigt 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Dünnschichtbauelement.
In 2 ist die Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Abdeckschicht,
die in der Ebene isoliert und senkrecht dazu metallisch leitet,
dargestellt. 3 zeigt einen Querschnitt durch
die Abdeckschicht nach 2. 4 enthält die Darstellung
von zwei Streifen mit Barber-Pole-Struktur als Ausschnitt aus einem
magnetoresistiven Magnetfeldsensor.
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In 1 befindet
sich in einer ersten Ebene 1 über einem Substrat 4 eine
dünne resistive
Schicht 5. Das Substrat kann isolierend oder leitfähig sein.
Im letzteren Falle sollte es an der Oberfläche eine isolierende Schicht
enthalten, damit der Widerstand der resistiven dünnen Schicht 5, der
für das
Dünnschichtbauelement
eine funktionsbestimmende Eigenschaft ist, in einfacher Weise einer
Messung zugänglich bleibt.
Bei dem Substrat 4 kann es sich beispielsweise um oberflächlich oxidiertes
Silizium handeln. Die resistive dünne Schicht 5 kann
aus Teilschichten aufgebaut sein, auch aus solchen, die nur einen
Teil der gesamten Schichtfläche
bedecken. Die Zeichnung in 1 ist nicht
maßstäblich. Die
Ausdehnung aller Schichten in Richtung senkrecht zu den Schichtebenen 1, 2 und 3 ist
stark vergrößert dargestellt.
Oberhalb der dünnen
resistiven Schicht 5 befindet sich in einer zweiten Ebene 2 und
in direktem Kontakt mit der dünnen
resistiven Schicht 5 eine Abdeckschicht 6. Die
Abdeckschicht 6 besteht aus einem Material, das ihr die
Eigenschaft einer Diffusionsbarriere verleiht. Sie verhindert das Übertreten
von chemischen Elementen aus der Umgebung. Das gilt auch für Elemente
aus der oberhalb der Abdeckschicht 6 in einer dritten Ebene 3 befindlichen
Kontaktschicht 9. Auch die Abdeckschicht 6 kann
aus mehreren Teilschichten aufgebaut sein, insbesondere aus solchen,
die die gesamte Fläche
der Abdeckschicht 6 nur teilweise bedecken. Die Kontaktschicht 9 ist
von hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit. Die Bereiche der Abdeckschicht 6 und
der dünnen
resistiven Schicht 5 unterhalb der mit der Kontaktschicht
belegten Abschnitte sind die Kontaktbereiche 8. In diesen
Kontaktbereichen 8 ist durch die mindestens in Richtung senkrecht
zu den Ebenen 1; 2; 3 gut leitende Abdeckschicht 6 der
Widerstand der elektrisch parallel liegenden dünnen resistiven Schicht 5 kurz
geschlossen. Zur Wirkung kommt so nur der Widerstand der resistiven
dünnen
Schicht 5 in den zwischen den Kontaktbereichen 8 liegenden
Funktionsbereichen 7. In der 1 sind nur
die beiden äußeren Kontaktschichtbereiche 8 mit
Außenanschlüssen 15 versehen.
Obwohl die dazwischenliegenden Kontaktschichtbereiche nicht über Anschlüsse verfügen, fließen aber
auch hier im Betriebsfall wegen der unterschiedlichen Leitfähigkeiten
der Schichten der resistiven dünnen
Schicht 5 Ströme
zu oder von ihr ab.
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Die
Leitfähigkeit
der Abdeckschicht 6 ist anisotrop. 2 und 3 erläutern den
Aufbau einer solchen Schicht für
den Fall, daß in
den Richtungen der Ebenen 1; 2; 3 die
elektrische Leitfähigkeit
null ist, also ein Isolator vorliegt. In Richtung senkrecht zu den
Ebenen 1; 2; 3 liegt eine hohe, metallische
Leitfähigkeit
vor. Die Abdeckschicht 6 besteht hier aus zwei Teilschichten.
Die zuerst auf der resistiven dünnen
Schicht 5 befindliche isolierende Teilschicht 10 besteht
aus zusammenhängenden
Materialbereichen, zwischen denen es Poren gibt, die sich über die
gesamte Schichtdicke der Teilschicht 10 erstrecken. Eine
solche poröse
Schicht 10 ist aus jedem Material bei genügend geringer
Schichtdicke herstellbar. Eine zweite metallisch leitfähige Teilschicht 11 wird
nach der isolierenden Teilschicht 10 aufgebracht. Sie besteht
aus einzelnen, nicht zusammenhängenden
Inseln. Diese Inseln schließen
im wesentlichen die noch offenen Poren der isolierenden Teilschicht 10.
Damit ist die von beiden Teilschichten 10; 11 abgedeckte
resistive dünne
Schicht 5 geschützt
und ohne weitere zusätzliche
Schicht besteht kein paralleler Nebenschluß zu ihr. In den Kontaktbereichen
besteht jedoch eine gut leitfähige
Verbindung zur Kontaktschicht 9. Als weitere vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung kann auch eine von vornherein isolierende
Abdeckschicht 6 vorhanden sein. Diese wird dann in den
Kontaktbereichen zum Beispiel durch Ionenstrahlbearbeitung soweit
abgetragen, daß nur
noch ein poröser
Rest zurückbleibt.
Das nachträgliche
Aufbringen eines elektrisch gut leitenden Materials, das auch die
Atome des Kontaktmaterials von der resistiven dünnen Schicht 5 fernhält, führt zu einer
nur in den Kontaktbereichen 8 anisotrop leitenden Abdeckschicht 6.
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Dünnschichtbauelemente
zur Messung magnetischer Felder enthalten bei Anwendung des anisotropen
magnetoresistiven Effektes lange Streifen 13 aus resistiven
dünnen
Schichten 5, deren Widerstand sich durch Einwirkung eines
Magnetfeldes ändert
(4). Einfache lange Streifen 13 haben
bei senkrecht zur Streifenlängsrichtung
anliegendem Magnetfeld quadratische Kennlinien. Um Kennlinien mit
von null verschiedener Empfindlichkeit und gegenläufiger Widerstandsänderung
in kleinen Feldern zu erhalten, wie sie in Wheatstonebrücken eingesetzt werden
können,
muß die
Stromrichtung in den langen Streifen 13 um –45° oder +45° gegen die
Längsrichtung
verdreht werden. Das gelingt durch schmale Rechtecke 14 einer
hochleitfähigen
Kontaktschicht 9, deren Längsrichtung gegen die der langen
Streifen 13 um +45° oder –45°geneigt ist.
Voraussetzung dabei ist jedoch, daß der durch eine Abdeckschicht 6 bedingte
Kontaktwiderstand zwischen resistiver dünner Schicht 5 und
Kontaktschicht 9 sehr gering ist. Diese Forderung gilt
in um so höherem
Maße,
je kleiner die Abmessungen der langen Streifen 13 und die kurze
Seite der Rechtecke 14 ist. Für Streifenbreiten von etwa
5 μm, Abständen der
Rechtecke 14 von etwa derselben Größe und Breiten der Rechtecke 14 in
der Größe weniger
Mikrometer lassen sich mit Chipflächen im Bereich von weniger
als 1 mm2 wirtschaftlich solche Sensorelemente
herstellen. Dazu muss jedoch der spezifische Widerstand der Abdeckschicht 6 in
Richtung des Stromes in den Streifen 13 erheblich größer sein
als der spezifische Widerstand der magnetoresistiven Schicht. Nur
dann und wenn der Kontakt der magnetoresistiven Schicht über die Abdeckschicht 6 zur
barberpolbildenden Kontaktschicht 9 genügend niederohmig ist, kann
eine Stromrichtungsdrehung von angenähert 45° erreicht werden. Die anisotrop
leitfähige
Abdeckschicht ermöglicht
eine ausreichende Annäherung
an diesen Wert von 45°.