DE102005047413A1 - Magnetoresistives Sensorelement und Konzept zum Herstellen und Testen desselben - Google Patents

Magnetoresistives Sensorelement und Konzept zum Herstellen und Testen desselben Download PDF

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Abstract

Das erfindungsgemäße Magnetfeldsensorelement 100 umfasst eine dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 mit einem ersten und zweiten Sensorelementkontaktanschluss 110-1, 110-2, wobei die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 eine dauerhafte Magnetisierung aufweist, und wobei über die Sensorelementkontaktanschlüsse 110-1, 110-2 eine Magnetfeld-abhängige elektrische Charakteristik der Magnetfeldsensorstruktur 110 erfassbar ist, und eine Stromleiterstruktur 106 mit einem ersten und zweiten Stromleiterkontaktanschluss 106-1, 106-2, wobei die Stromleiterstruktur 106 ausgebildet ist, so dass ein Magnetisierungssignal zwischen den ersten und zweiten Kontaktanschlüssen 106-1, 106-2 anlegbar ist, um eine definierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu erhalten, um eine dauerhafte, lokale Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu bewirken, und so, dass ferner ein Testsignal zwischen den Stromleiterkontaktanschlüssen 106-1, 106-2 anlegbar ist, um eine definierte Testmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu erhalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetoresistive Sensorelemente und insbesondere auf ein Konzept zum Herstellen und Testen von magnetoresistiven Sensorelementen bzw. Anordnungen mit einer Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen.
  • Magnetoresistive Bauelemente bzw. Sensorelemente, die als Einzelelemente oder auch in Form einer Mehrzahl von verschalteten Einzelelementen angeordnet sein können, werden heutzutage bei zahlreichen Anwendungen zur berührungslosen Positions- und/oder Bewegungserfassung, wie z. B. Bewegungsrichtung, Drehrichtung, Drehzahl, Geschwindigkeit eines Geberobjekts bezüglich der Sensoranordnung, eingesetzt. So kommen Drehwinkelsensoren zum berührungslosen Erfassen von Rotationen eines Geberobjekts bezüglich einer Sensoranordnung insbesondere in der Automobiltechnik, wie z. B. für ABS-Systeme, Systeme zur Traktionskontrolle usw., immer stärker zur Anwendung. Zu diesem Zweck werden häufig Drehwinkelsensoren auf der Basis von magnetoresistiven Elementen, wie z. B. GMR-Elementen (GMR = giant magneto resistance) eingesetzt, wobei GMR-Elemente im Wesentlichen durch eine dauerhaftmagnetisierbare Schicht aus einem GMR-Material charakterisiert sind.
  • Diese dauerhaft-magnetisierbare Schicht weist eine von einem anliegenden Magnetfeld abhängige elektrische Charakteristik auf, d. h. der spezifische Widerstand einer GMR-Schicht eines GMR-Bauelements wird durch ein einwirkendes äußeres Magnetfeld beeinflusst. Drehwinkelsensoren auf der Basis des GMR-Effekts können bei einer Brückenanordnung eine inhärente 360°-Eindeutigkeit des zu erfassenden Magnetfeldes bereit stellen und weisen eine relativ hohe Empfindlichkeit bezüglich des zu erfassenden Magnetfelds auf.
  • Um eine 360°-Erfassung mittels einer magnetoresistiven Struktur aus einer Mehrzahl von magnetoresistiven Bauelementen zu realisieren, um beispielsweise die Drehrichtung eines Rades oder einer Welle bezüglich der Sensoranordnung zu erfassen, werden beispielsweise acht magnetoresistive Bauelemente zu zwei (parallel geschalteten) Wheatstone'schen Brückeanordnungen verschaltet, wobei eine der Brückenschaltungen Referenzmagnetisierungen aufweist, die zu denen der anderen Brückenschaltung senkrecht ausgerichtet sind. Innerhalb jeder Brückenschaltung aus vier magnetoresistiven Bauelementen sind die Referenzmagnetisierungen antiparallel angeordnet, so dass beide Brückenschaltungen zum Drehwinkel eines äußeren Magnetfeldes abhängige sinusförmige Signale, die zueinander um 90° phasenverschoben sind, liefern. Über eine arctan-Verrechnung beider Ausgangssignale, d. h. des Ausgangssignals der ersten und der zweiten Brückenschaltung, kann der Winkel über einem 360°-Bereich eindeutig bestimmt werden.
  • In 9 ist ein Schaltbild einer möglichen Verschaltung in Form einer Doppelbrückenschaltung 500 mit acht magnetoresistiven Magnetfeldsensorelementen dargestellt. Die Doppelbrückenanordnung 500 umfasst eine erste Brückenschaltungsanordnung 502 und eine zweite Brückenschaltungsanordnung 504 jeweils aus vier magnetoresistiven Einzelelementen 502a–b, 504a–b, deren Magnetisierung bezüglich der in 9 dargestellten x-Achse und y-Achse angegeben sind. Die erste Brückenschaltung 502 umfasst zwei magnetoresistive Bauelemente 502a mit einer permanenten Magnetisierung antiparallel zu der angegebenen x-Achse, und zwei magnetoresistive Bauelemente 502b mit einer permanenten Magnetisierung parallel zu der x-Achse. Die Doppelbrückenschaltungsanordnung 500 umfasst ferner eine zweite Brückenschaltung 504 die jeweils zwei magnetoresistive Bauelemente 504a mit einer permanenten Magnetisierung in der y-Richtung und zwei magnetoresistive Bauele mente 504b mit einer Permanentmagnetisierung antiparallel zu der y-Richtung aufweist. Die einzelnen magnetoresistiven Bauelemente 502a, 502b, 504a, 504b sind, wie in 9 angegeben, verschaltet, wobei die erste und zweite Brückenschaltung 502 und 504 in Parallelschaltung miteinander verbunden sind und ferner zwischen eine Versorgungsspannung und ein Massepotenzial geschaltet sind.
  • Während des Betriebs der magnetoresistiven Sensoranordnung 500 von 9 stellt die erste Brückenschaltung 502 ein Ausgangssignal VX zwischen den beiden Mittelabgriffen der ersten Brückenschaltung bereit, wobei die zweite Brückenschaltung 504 ein Ausgangssignal VY zwischen den beiden Mittelabgriffen der zweiten magnetoresistiven Brückenschaltung bereitstellt. Die Bezug nehmend auf 9 beschriebene Verschaltung der magnetoresistiven Bauelemente 502a, b, und 504a, b ermöglicht die Erfassung eines äußeren, rotierenden Magnetfelds über einen Winkelbereich von 360°. Dabei erhält man als Funktion des rotierenden, äußeren Magnetfelds die sinusförmigen Ausgangssignale VX und VY der beiden parallel geschalteten Brückenschaltungen, wobei die beiden Ausgangssignale VX und VY dabei jeweils um einen Winkel von 90° zueinander phasenverschoben sind.
  • Um nun die magnetoresistive Sensoranordnung 500, die in 9 als Doppelbrückenschaltung mit einer Mehrzahl von magnetoresistiven Einzelelementen dargestellt ist, bezüglich deren Funktionsparameter zu charakterisieren, muss die zu untersuchende magnetoresistive Sensoranordnung 500 einem im Wesentlichen homogenen Testmagnetfeld ausgesetzt werden. Dazu müssen alle Materialien und Anordnungen, die sich in der Nähe der magnetoresistiven Sensoranordnung befinden, d. h. auch das Schaltungssubstrat oder der Sensorwafer der magnetoresistiven Sensoranordnung, nicht-magnetische Eigenschaften aufweisen, um die Homogenität des Testmagnetfeldes nicht ungewollt zu beeinflussen. Darüber hinaus geht die Positionierung des magnetoresistiven Sensorwafers oder des Chipgehäu ses, auf dem bzw. in dem die zu testende magnetoresistive Sensoranordnung untergebracht ist, in die Genauigkeit der Messung zur Charakterisierung der Funktionsparameter der magnetoresistiven Sensoranordnung 500 ein.
  • Im folgenden wird nun kurz auf zwei unterschiedliche Vorgehensweisen zur Charakterisierung bzw. Untersuchung von magnetoresistiven Sensoranordnungen eingegangen. Dabei wird prinzipiell zwischen dem Testen einzelner Schaltungschips mittels eines Laboraufbaus und dem Testen einer Mehrzahl von magnetoresistiven Sensoranordnungen auf einem Sensorwafer mittels einer Testvorrichtung oder Testers, wie z. B. eines Nadeltesters, unterschieden.
  • Bei einem typischen Laboraufbau zur Untersuchung eines magnetoresistiven Schaltungschips mit einer magnetoresistiven Schaltungsanordnung wird der Schaltungschip in eine nichtmagnetische Halterung eingespannt, die wiederum in ein möglichst homogenes, externes Testmagnetfeld montiert wird. Die nicht-magnetische Halterung, die Energieversorgung und weitere Vorrichtungen, die sich in dem Testmagnetfeld in der Umgebung des zu untersuchenden Schaltungschips befinden, müssen nicht-magnetisch sein bzw. dürfen keine Beeinflussung des Testmagnetfeldes hervorrufen. Für die Erzeugung des homogenen Testmagnetfeldes werden beispielsweise zwei feststehend montierte Magnetfeldspulen verwendet, die die Testmagnetfelder mit einer Magnetfeldstärke bis zu einigen Tesla erzeugen können. Das homogene Testmagnetfeld kann jedoch auch durch Permanentmagnete erzeugt werden, wobei diese allerdings eine starke Temperaturabhängigkeit des bereitgestellten Testmagnetfelds aufweisen, weshalb sich Permanentmagnete für Temperaturmessungen, d. h. zur Erfassung der Abhängigkeit des Sensorverhaltens über der Temperatur, nicht eignen. Ferner ist zu beachten, dass die Größe des externen Testmagnetfeldes als bekannt angenommen wird und sich diese über eine Messreihe nicht ändern darf.
  • Bei der Charakterisierung von magnetoresistiven Schaltungsanordnungen auf einem magnetoresistiven Sensorwafer mittels eines Testers muss der verwendete Tester und der gesamte Testaufbau an die jeweils zu untersuchenden magnetoresistiven Schaltungsanordnungen angepasst werden. So ist es erforderlich, ein möglichst homogenes, externes Testmagnetfeld zu erzeugen, das auch hier durch den Einsatz von Magnetspulen oder von Dauermagneten erzeugt wird. Auch bei einem Testeraufbau müssen die Materialien, die sich innerhalb des Testmagnetfeldes befinden, nicht-magnetisch sein bzw. dürfen keine Beeinflussung des Testmagnetfeldes hervorrufen. Ferner ist zu beachten, dass auch bei einem solchen Testeraufbau die Positionierung des Wafers mit den zu untersuchenden magnetoresistiven Sensoranordnung gegenüber dem Referenzwinkel des Testmagnetfeldes exakt stimmen muss.
  • Nach dem Einstellen des externes Testmagnetfeldes und dem Einstellen der Ausrichtung des magnetoresistiven Sensorwafers zur Referenzfeldrichtung beginnt nun gemäß dem Stand der Technik die Winkelmessung mittels der auf dem Sensorwafer angebrachten magnetoresistiven Sensoranordnung, wie sie in 9 dargestellt ist. Dazu setzt die Nadelkarte (Tester) an dem Sensorwafer auf, wobei der Tester die Brückenausgangssignale VX, VY der in einer Doppelbrückenschaltung angeordneten magnetoresistiven Sensoranordnungen 500 erfasst. Mittels der erfassten Sensorbrückenausgangssignale VX, VY werden dann die Funktionsparameter der zu untersuchenden magnetoresistiven Sensoranordnungen für die Qualifizierung der magnetoresistiven Sensoranordnungen bestimmt. Die ermittelten Funktionsparameter umfassen beispielsweise den magnetoresistiven Effekt, den Amplitudengleichlauf, ein Offsetsignal, Orthogonalitätsfehler, Temperaturkoeffizienten sowie Anisotropie- und Hysteresefehler, usw.
  • Die im Vorhergehenden erläuterten bekannten Vorgehensweisen zur Untersuchung der Funktionsparameter von magnetoresistiven Sensoranordnungen sind insbesondere dahingehend nachteilig, dass der Tester bzw. der Testeraufbau zur Untersuchung des magnetoresistiven Sensorwafers angepasst bzw. dafür umgebaut werden muss, wobei zu beachten ist, dass für Labormessungen eine ähnlich aufwendige Konfiguration benötigt wird. Diese aufwendigen Anforderungen zum Untersuchen eines magnetoresistiven Sensorwafers bzw. Schaltungschips mit magnetoresistiven Sensoranordnungen verursachen aufgrund der erforderlichen Kalibrierungsschritte und der relativ hohen Anzahl von Messschritten bei der Untersuchung von magnetoresistiven Schaltungsanordnungen bzw. Sensoranordnungen relativ hohe Herstellungskosten derselben.
  • Wie bereits oben angegeben ist, werden für die Charakterisierung der magnetoresistiven Schaltungsanordnungen zumindest zwei Magnetfeldrichtungen eingesetzt, wobei die Testmagnetfelder mit Permanentmagneten oder Spulenanordnungen erzeugt werden. Die Permanentmagnete können zwar relativ leicht für den Testaufbau montiert werden, allerdings ist es besonders nachteilig, dass das von Permanentmagneten erhaltene Testmagnetfeld temperaturabhängig ist und die Permanentmagneten gedreht werden müssen, um die zweite Magnetisierungsrichtung für das Testmagnetfeld zu erhalten. Dieses Drehen der Permanentmagnete nimmt bei der Untersuchung der magnetoresistiven Schaltungsanordnung viel Zeit in Anspruch und ist außerdem nur als Laborvariante sinnvoll einsetzbar.
  • Bei dem Einsatz von Magnetspulen können zwar die Stromrichtungen relativ einfach umgeschaltet werden, wobei es aber hier äußerst nachteilhaft ist, dass das Umschalten der Magnetspulen eine relativ lange Zeitdauer erfordert, bis sich das induktive Testmagnetfeld eingeschwungen hat.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 10220911 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines in eine Schaltungsanordnung einer Gerätschaft integrierten magnetischen, insbesondere magnetoresistiven Sensorelements während des Betriebs der Schaltungs anordnung bzw. der Gerätschaft, wobei das Sensorelement periodisch oder aperiodisch mit einem von einem dem Sensorelement zugeordneten Magnetfelderzeugungsmittel erzeugten Magnetfeld beaufschlagt wird.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes magnetoresistives Bauelement bzw. Magnetfeldsensorelement und dessen Herstellungsverfahren zu schaffen, um zu ermöglichen, dass das magnetoresistive Bauelement ohne zusätzlichen externen Messaufbau getestet und eine funktionale Verifikation desselben vorzugsweise bereits auf Waferebene durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Durchführen eines On-Wafer-Funktionstests an einer Mehrzahl von auf einem Wafer angeordneten Magnetfeldsensorelementen gemäß Patentanspruch 1, durch ein Verfahren zur Herstellung von Magnetfeldsensorelementen mit On-Wafer-Funktionstest gemäß Patentanspruch 8 und durch ein Magnetfeldsensorelement gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine magnetoresistive Schaltungsanordnung bzw. Sensoranordnung, wie z. B. ein magnetoresistives Einzelbauelement oder eine Anordnung mit einer Mehrzahl von resistiven Bauelementen, so herzustellen, dass das magnetoresistive Sensorelement, wie z. B. ein Magnetfeldsensorelement, eine dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur und eine zugeordnete Stromleiterstruktur aufweist, wobei die Stromleiterstruktur ausgebildet ist, um ein Testsignal in der Stromleiterstruktur anlegen zu können, um eine definierte Testmagnetfeldkomponente in einer ersten und zweiten Richtung in der Magnetfeldsensorstruktur zu erhalten, so dass eine Änderung einer elektrischen Charakteristik, vorzugsweise über den magnetoresistiven Effekt, der magnetfeldempfindlichen Struktur aufgrund der Testmagnetfeldkomponente erfasst werden kann, um die Funktionsfähigkeit des Magnetfeldsensorelements basierend auf der erfassten Änderung der elektrischen Charakteristik der magnetfeldempfindlichen Struktur beurteilen zu können. Optional kann die Stromleiterstruktur ferner ausgebildet sein, so dass ein Magnetisierungssignal an dieselbe anlegbar ist, um eine definierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente in der zugeordneten Magnetfeldsensorstruktur zu erhalten, um eine dauerhafte, lokale Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur zu bewirken.
  • Durch das erfindungsgemäße Magnetfeldsensorelement bzw. das erfindungsgemäße Konzept zum Herstellen und Testen bzw. Untersuchen desselben wird ermöglicht, dass das Testen und die funktionale Verifikation eines magnetoresistiven Sensorelements bzw. einer magnetoresistiven Sensoranordnung insbesondere bereits auf Waferebene ohne zusätzlichen externen Aufbau zur Testmagnetfelderzeugung durchgeführt werden kann, wobei ferner ein schnelles Umschalten der Testmagnetfeldrichtungen ermöglicht wird, so dass insbesondere auch die Voraussetzungen für ein Online-Testen eines magnetoresistiven Sensorelements bzw. einer magnetoresistiven Sensoranordnung während des Betriebs im eingebauten Zustand desselben bereitgestellt werden kann. Optional ist das erfindungsgemäße Magnetfeldsensorelement ferner so ausgebildet, dass darüber hinaus mit der der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur zugeordneten Stromleiterstruktur der so genannte Einschreibvorgang für eine lokale, permanente Magnetisierung des magnetoresistiven Magnetfeldsensorelements vorgenommen werden kann, ohne zusätzliche externe Vorkehrungen und Herstellungsaufbauten bereitstellen zu müssen.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a–b eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein magnetoresistives Bauelement gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und ein einfacheszugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild;
  • 2 eine mögliche Realisierung in vertikaler Integration des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Sensorbauelements mit einem Metallschichtstapel;
  • 3a–c eine schematische Darstellung beispielhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen (magnetoresistiven) Magnetfeldsensorelements;
  • 4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verschaltung einer Mehrzahl in einer Doppelbrückenschaltung angeordneter Magnetfeldsensorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5a–c eine beispielhafte, qualitative Darstellung der auftretenden Magnetfeldverteilung bzw. eines resultierenden Temperaturverlaufs während eines On-Wafer-Funktionstests des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Magnetfeldsensorelements;
  • 6a–c einer beispielhafte, qualitative Darstellung der auftretenden Magnetfeldverteilung bzw. eines resultierenden Temperaturverlaufs während eines Online-Funktionstests des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Magnetfeldsensorelements;
  • 7 eine Prinzipdarstellung der Funktionsblöcke zum Durchführen eines Selbsttests der Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements;
  • 8 eine schematische Darstellung der Signalantwort auf das Testsignal abhängig von der Winkelposition des externen Magnetfeldes; und
  • 9 eine Prinzipdarstellung eines Doppelbrückenschaltungsaufbaus einer magnetoresistiven Sensoranordnung zur Winkelbestimmung eines externen Magnetfelds gemäß dem Stand der Technik.
  • Im Nachfolgenden werden nun Bezug nehmend auf die beiliegenden 1 bis 8 bevorzugte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen magnetoresistiven Magnetfeldsensorelementen sowie das Konzept zum Herstellen und Testen derselben gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert dargelegt. Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleich wirkende oder gleichartige Elemente zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
  • Im Folgenden wird nun Bezug nehmend auf 1a–b beispielhaft der Aufbau eines magnetoresistiven Magnetfeldsensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert, wobei ferner ein einfaches prinzipielles elektrisches Ersatzschaltbild desselben angegeben ist.
  • Bezüglich der nachfolgenden Erörterung der vorliegenden Erfindung sollte allgemein beachtet werden, dass das erfindungsgemäße Konzept auf im Wesentlichen alle magnetoresistiven Bauelemente, Sensorelemente oder Sensoranordnungen angewendet werden kann, wobei zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung dort beispielhaft die Applikation mit einem magnetoresistiven Sensorelement bzw. einer magnetoresistiven Sensoranordnung beschrieben wird. Es sollte jedoch deutlich werden, dass das nachfolgend dargelegte erfindungsgemäße Konzept hinsichtlich Konstruktion, Einbau, Aufbau, elektrischer Kriterien, usw. auch auf andere magnetoresistive Sensorelemente angewendet werden kann, wie z. B. AMR-Sensorelemente, GMR-Sensorelemente, TMR-Sensorelemente und CMR-Sensorelemente (mit AMR = anisotropic magnetoresistance, GMR = giant magnetoresistance, TMR = tunnel magnetoresistance, CMR = colossal magnetoresistance), angewendet werden können, wobei diese genannten magnetoresistiven Sensorelemente unter dem Begriff „xMR-Sensorelemente" zusammengefasst werden können. Da gemäß der vorliegenden Erfindung alle magnetoresistiven Elemente eingesetzt werden können, ist die obige Aufzählung nicht als abschließend anzusehen.
  • In 1a ist nun ein magnetoresistives Einzelsensorelement 100 dargestellt, das ein Substrat 102 aufweist. Das Substrat 102 kann ein beliebiges Material, wie beispielsweise ein Halbleitermaterial und insbesondere Silizium, und insbesondere eine beliebige Struktur umfassen. Das Substrat 102 kann einstückig ausgebildet sein oder einen Stapel von mehreren Materialschichten aufweisen. Auf dem Substrat 102 ist eine erste Isolationsschicht 104, z.B. eine Oxidschicht, gebildet, auf der eine Stromleiterstruktur 106 mit einer Breite C1 angeordnet ist. Die Stromleiterstruktur 106 ist nun zumindest teilweise von einer weiteren Isolationsschicht 108, wie z. B. einer Passivierungsschicht in Form einer Nitridschicht, umgeben, wobei auf dieser zweiten Isolationsschicht 108, eine dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 mit einer Breite C2 angeordnet ist, so dass die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 und die zugeordnete Stromleiterstruktur 106 durch einen Abstand C3 voneinander räumlich getrennt und elektrisch voneinander isoliert sind. Optional ist die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 mit einer weiteren Isolations- bzw. Passivierungsschicht 111 bedeckt.
  • Die Stromleiterstruktur 106 ist nun gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass beispielsweise über einen ersten und zweiten Stromleiterkontaktanschluss 106-1, 106-2 (gezeigt in 1b) ein Magnetisierungssignal in die Stromleiterstruktur 106 einspeisbar ist, um eine im Wesentlichen de finierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu erhalten, um eine dauerhafte, lokale Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu bewirken, wenn die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 von 1 noch keine dauerhafte Magnetisierung aufweist.
  • Wenn die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 von 1a bereits eine dauerhafte Magnetisierung aufweist, kann über die Magnetfeldsensorstruktur 110, ist beispielsweise über zwei Sensorelementkontaktanschlüsse 110-1, 110-2 (gezeigt in 1b) ferner ein Testsignal zwischen den Stromleiterkontaktanschlüssen 110-1, 110-2 anlegbar, um eine definierte Testmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur zu erhalten, so dass eine magnetfeldabhängige elektrische Charakteristik erfasst werden kann. Diese magnetfeldabhängige elektrische Charakteristik ist vorzugsweise eine Änderung des magnetfeldabhängigen spezifischen Widerstands der Magnetfeldsensorstruktur 110 aufgrund des magnetoresistiven Effekts.
  • Optional kann die Stromleiterstruktur 106 ferner ausgebildet sein, so dass sich dieselbe aufgrund eines eingespeisten elektrischen Erwärmungssignals derart erwärmt, dass auch eine Temperatur in der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur 110 von einem ersten Temperaturwert unterhalb einer so genannten Blocking-Temperatur auf einen zweiten Temperaturwert oberhalb der Magnetisierungsmindesttemperatur (Blocking-Temperatur) erhöht wird, um das „Einschreiben" der dauerhaften Magnetisierung in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu ermöglichen.
  • Im Nachfolgenden wird nun detailliert darauf eingegangen, wie durch die in 1a–b dargestellte Struktur des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Magnetfeldsensorelements 100 der Magnetisierungseinschreibvorgang zum Erhalten einer dauerhaften Magnetisierung der Magnetfeldstruktur 110 durchgeführt werden kann, wobei in diesem Zusammenhang ferner auf die Deutsche Patentanmeldung DE 102004032483.2-24 der gleichen Anmelderin wie der vorliegenden Erfindung hingewiesen wird.
  • Bezug nehmend auf die nachfolgenden Figuren wird dann darauf eingegangen, wie das erfindungsgemäße magnetoresistive Magnetfeldsensorelement spezifisch auszulegen ist, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchführen eines On-Wafer-Funktionstests eine Mehrzahl von auf einem Wafer angeordneten Magnetfeldsensorelementen durchführen zu können.
  • Um die Magnetfeldsensorstruktur 110 des erfindungsgemäßen Magnetfeldelements 100 mit einer dauerhaften Magnetisierung versehen zu können, ist es einerseits erforderlich, die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 auf einen Temperaturwert oberhalb deren Blocking-Temperatur (Magnetisierungsmindesttemperatur) zu erwärmen und ferner eine definierte Mindestmagnetisierungsmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu bewirken, die ausreichend stark ist, um eine Ausrichtung der Referenzmagnetisierung in der gewünschten Richtung in der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu erreichen. Bezüglich des einstellbaren Temperaturwerts für den Magnetisierungsvorgang wird dabei ein Temperaturwert in einem Bereich von 20 bis 100°C oberhalb der Blocking-Temperatur bevorzugt verwendet, wobei eine typische Blocking-Temperatur von xMR-Materialien in einem Bereich von 350 bis 400°C und typischerweise bei etwa 380°C liegt. Zum Erzeugen der dauerhaften Magnetisierung ist also das Überschreiten einerseits der Mindestmagnetisierungsmagnetfeldkomponente und andererseits der Magnetisierungsmindesttemperatur erforderlich.
  • Unter einer dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur wird im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung eine Struktur bzw. Schicht verstanden, die oberhalb einer Blocking-Temperatur ein freies Einstellen einer Magnetisierung der Struktur abhängig von einem einwirkenden äußeren Magneti sierungsmagnetfeld ermöglicht, sofern ein gewisser Schwellenwert des zur Ausrichtung dienenden Magnetisierungsmagnetfeldes überschritten ist. Als eine Blocking-Temperatur wird im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung ein durch das Material der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur vorbestimmter Mindesttemperaturwert verstanden, bei dessen Überschreiten die Magnetisierung frei einstellbar ist, während bei einem Unterschreiten die vorliegende Magnetisierung auf die durch das äußere Magnetisierungsmagnetfeld vorbestimmte Magnetisierung „eingefroren" wird.
  • Da das Magnetfeld eines stromdurchflossenen, geraden Stromleiters umgekehrt proportional zum Abstand ist, kann durch eine geeignete Auslegung des Abstands zwischen der Magnetfeldsensorstruktur 110 und der Stromleiterstruktur 106 in dem Magnetfeldsensorelement 100 von 1 erreicht werden, dass das von der Stromleiterstruktur 106 ausgehende Magnetisierungsmagnetfeld (vorzugsweise nur geringfügig) höher als der zum Erreichen einer dauerhaften Magnetisierung in der gewünschten Richtung erforderliche Schwellenwert ist, wobei vorzugsweise ein Magnetisierungsmagnetfeld eingesetzt wird, das das Mindestmagnetsierungsmagnetfeld um einen Wert von etwa 5 bis 10 mT überschreitet.
  • Typischerweise sollte das Magnetisierungsmagnetfeld am gewünschten Ort der Magnetfeldsensorstruktur 110 größer als etwa 30 mT sein, um eine Ausrichtung der Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur 110 zu gewährleisten, wobei ein typischerweise erforderliches Magnetisierungsmagnetfeld in einem Bereich von etwa 40 bis 55 mT senkrecht zur Magnetfeldsensorstruktur 110 liegt.
  • Die Erwärmung der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur 110 wird beispielsweise mittels einer Erwärmung durch Laserlicht auf eine Temperatur über der Blocking-Temperatur erreicht, wobei es optional bezüglich des vorliegenden erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 auch möglich ist, die Blocking-Temperatur in der Magnetfeldsensorstruktur 110 dadurch zu erreichen, dass die Stromleiterstruktur 106 auch dahingehend wirksam ist, um ausgehend von einer ausreichenden Stromstärke in derselben und einer daraus resultierenden Erwärmung der Stromleiterstruktur 106 auch eine entsprechende Erwärmung der zugeordneten Magnetfeldsensorstruktur 110 über die Blocking-Temperatur zu erreichen.
  • Bezug nehmend auf 2 wird nun eine mögliche technische Realisierung des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 in einer vertikalen Integration des Magnetfeldsensorelements 100 mittels eines Metallschichtstapels mit den Metallschichten M1, M2, M3 und M4 und dazwischen liegenden Isolationsschichten am Beispiel einer C9NE-Struktur dargestellt. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Metallschichtstapel M1–M4 über der aktiven Chipfläche 102 in dem Oxidmaterial 104 angeordnet, wobei die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 innerhalb der Passivierungsschicht 108, z. B. einer Plasmanitridschicht, angeordnet ist. Ferner sind in 2 Durchführungsverbindungen 112 (Vias) zur Verbindung der Magnetfeldsensorstruktur 110 mit einer Metallschicht des Metallschichtstapels M1–M4 dargestellt.
  • Bezüglich der in 2 dargestellten Anordnung sollte beachtet werden, dass der Metallschichtstapel M1–M4 mit der xMR-Schicht 110 im Wesentlichen technologieunabhängig ist. Der Metallschichtstapel M1–M4 mit der xMR-Schicht 110 kann daher auf die Chippassivierung über der aktiven Chipfläche 102 bei einer vertikalen Integration oder ohne aktiver Schaltung 102 und ohne Routing in einer horizontalen Integration integriert werden.
  • Die in 2 dargestellte Anordnung veranschaulicht nun die Integration des Metallschichtstapels M1–M4 mit der xMR-Schicht 110 für eine vertikale Integration. Die Verdrahtung der xMR-Magnetfeldsensorstruktur 110 kann oberhalb der xMR-Magnetfeldsensorstruktur 110 durch Einführen einer zusätzli chen Metallebene M5 (nicht gezeigt in 2) erfolgen oder auf der bereits vorhandenen Metallebene M4 durch die Zwischenverbindungen 112 (Interconnects bzw. Vias) vorgenommen werden. Unterhalb des xMR-Schichtstapels wird auf der Metallschicht M4 beispielsweise eine metallische Schutzplatte eingeplant, die einerseits die darunter liegenden Logikschaltungen in der aktiven Chipfläche 102 bei einem Lasereinschreibprozess vor dem Laserlicht schützt und die andererseits die Temperaturgradienten ausgleicht, die beispielsweise durch bewirken eines Offsetsignals auf die Genauigkeit der xMR-Magnetfeldsensorstruktur 100 einen starken Einfluss ausüben können.
  • Die Stromleiterstruktur 106, d. h. die Testverdrahtung bzw. der Testwire, zur Erzeugung des Testmagnetfeldes kann entweder auf der Metallschicht M4 oder auf einer nicht in 2 gezeigten, zusätzlichen Metallschicht M5 liegen. Im Fall des Vormagnetisierens bzw. Einschreibens der dauerhaften, lokalen Magnetisierung in die Magnetfeldsensorstruktur 110 mittels Laserlicht kann die Metallebene bzw. Metallschicht M5 häufig nicht in dem in 2 angegebenen Metallschichtstapel angeordnet werden, da die Stromleiterstruktur 106 ansonsten das direkte Erwärmen der Magnetfeldsensorstruktur 110 mittels Laserstrahlen verhindern könnte. Ferner kann die Stromleiterstruktur 106, wenn diese auch zur Erzeugung des Einschreibmagnetfeldes verwendet wird, auf der optionalen Metallschicht M5 angeordnet werden.
  • Bezüglich der in 2 dargestellten Anordnung mit dem Metallschichtstapel M1–M4 wird also prinzipiell bevorzugt, die Stromleiterstruktur 106 auf der Metallschichtebene M4 anzuordnen (zu routen). Allerdings ist es dazu erforderlich, die im Vorhergehenden beschriebene (als Metallschutzplatte dienende) Metallschicht M4 zu unterbrechen, damit dort die Stromleiterstruktur 106 auf der Metallschicht M4 geroutet werden kann. Ferner ist zu beachten, dass die Stromleiterstruktur 106 und die Metallplatte (Metallschicht M4) nicht aneinander stoßen dürfen und vorzugsweise durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind, wobei diese Isolationsschicht im Allgemeinen lichtdurchlässig ist. Um die darunter liegenden aktiven Schaltungen in dem Halbleitermaterial 102 nicht durch einfallendes Laserlicht zu gefährden, sollten auf der Metallschicht M3 noch Metallplatten eingefügt werden, die (im Layout) direkt unter den Freiräumen bzw. Spalten in der Metallschichtebene M4 angeordnet werden.
  • Bezüglich der in 2 dargestellten Anordnung sollte ferner beachtet werden, dass die Stromleiterstruktur 106 auf der Metallschicht M4 vorzugsweise breiter ausgebildet ist als die xMR-Magnetfeldsensorstrukturen, um ein im Wesentlichen homogenes Testmagnetfeld oder Einschreibmagnetfeld über der gesamten Breite der xMR-Magnetfeldsensorstruktur 110 (xMR-Widerstandsstrukturen) zu erreichen, wie dies noch ausführlich bezüglich der nachfolgenden Figuren und insbesondere bezüglich der 5a–c, 6a–c erläutert wird.
  • Im Folgenden werden nun Bezug nehmend auf die 3a–c beispielhafte, spezifische Ausführungsformen und Realisierungen von erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelementen 100 erläutert, wobei insbesondere auch auf die resultierenden Magnetfeldkomponenten eingegangen wird, die in der Stromleiterstruktur 106 erzeugt werden, wie z. B. das Magnetisierungssignal oder das Testsignal, um eine definierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente oder eine Testmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldstruktur 110 bzw. in zwei miteinander verbundenen Magnetfeldstrukturen 110a, 110b zu erhalten, wie dies in den 3a–c dargestellt ist. Dabei wird insbesondere auf die unterschiedlichen resultierenden Magnetfeldverläufe abhängig von der spezifischen Anordnung der Stromleiterstruktur 106 (Test-Wire-Routing) eingegangen.
  • Bezüglich der Stromrichtung des eingespeisten Stromsignals ISignal sollte beachtet werden, dass in den 3a–c das Symbol „⊗" eine Stromrichtung in die Zeichenebene hinein und das Symbol „⊙" eine Stromrichtung aus der Zeichenebene heraus andeuten sollen.
  • Wie in 3a dargestellt ist, weist das dort dargestellte Magnetfeldsensorelement 100 zwei magnetoresistive Magnetfeldsensorstrukturen bzw. Sensorelemente 110a, 110b auf, die einerseits mittels einer Kontaktbrücke 114, z. B. eine Aluminiumbrücke, elektrisch miteinander verbunden sind und ferner über leitende Metallkontaktanschlüsse 116, z. B. Aluminiumkontaktanschlüsse, extern elektrisch kontaktierbar sind. Ferner ist eine mit „Mäander" bezeichnete Verbindung 110c zwischen den aktiven, magnetoresistiven Sensorelementen 110a, 110b angeben, die beispielsweise halbkreisförmig ausgeführt ist (vgl. auch 3b–c).
  • Unterhalb (bezüglich der Darstellung in 3a) der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b ist die Stromleiterstruktur 106 dargestellt, die einen ersten Stromleiterstrukturabschnitt 106a aufweist, der unterhalb des ersten magnetoresistiven Sensorelements 110a angeordnet ist, die einen zweiten Stromleiterstrukturabschnitt 106b aufweist, der unterhalb des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 110b angeordnet ist, und die einen dritten Stromleiterstrukturabschnitt 106c aufweist, der in der Ebene der Stromleiterstruktur 106 zwischen dem ersten und zweiten Stromleiterstrukturabschnitt 106a, 106b angeordnet ist und eine Stromrückführung für das Magnetisierungssignal bzw. das Testsignal von dem ersten Stromleiterstrukturabschnitt 106a zu dem zweiten Stromleiterstrukturabschnitt 106b liefert, so dass die in 3a dargestellte Stromleiterstruktur 110 beispielsweise eine Mäanderform aufweist.
  • Der Stromleiterstrukturabschnitt 106c ist zur Rückführung des in die Stromleiterstruktur 106 eingespeisten Signals ISignal (Magnetisierungssignal oder Testsignal) von dem ersten Stromleiterstrukturabschnitt 106a zu dem zweiten Stromleiterstrukturabschnitt 106b erforderlich, so dass durch den ersten und zweiten Stromleiterstrukturabschnitt 106a, 106b Magnetfelder B1, B2 (Testmagnetfelder oder Magnetisierungsmagnetfelder) in der gleichen Richtung und vorzugsweise mit der gleichen Stärke in der ersten und zweiten magnetoresistiven Magnetfeldsensorstruktur 110a, 110b erzeugt werden. Durch den dritten Stromleiterstrukturabschnitt 106c wird dagegen ein Magnetfeld B3 in der dazu entgegengesetzten Richtung erzeugt.
  • Wird nun die Stromleiterstruktur 106 mit dem Signal ISignal, wie z. B. dem Magnetisierungssignal oder dem Testsignal, beaufschlagt, ergeben sich bei der in 3a dargestellten Stromrichtung ferner die dort dargestellten Magnetfeldverläufe (Einschreibmagnetfeldverläufe bzw. Testmagnetfeldverläufe) B1, B2, B3.
  • Die in 3a dargestellte Stromleiterstruktur 106 ist beispielsweise aus Aluminium auf der Metallschichtstapelschicht M4 (vgl. 2) mit einer Rückführung, d. h. dem Stromleiterstrukturabschnitt 106c, angeordnet, wobei die in 3a dargestellte Anordnung des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 die bezüglich ihres Aufbaus einfachste der in den 3a–c dargestellten Anordnungen für Magnetfeldsensorelemente 100 darstellt. Die in 3a gezeigte Anordnung erfordert zum Führen oder Einspeisen des Test- oder Magnetisierungssignals in die Stromleiterstruktur 106 bzw. des Messsignals in das Sensorelement 110 keine zusätzlichen Durchführungskontakte (Vias). Ferner ist bezüglich der in 3a dargestellten Anordnung zu beachten, dass der resultierende Flächenbedarf derselben als durchschnittlich anzusehen ist, da für die Stromrückführung des durch die Stromleiterstruktur 106 geführten Signals ISigal (Magnetisierungssignal oder Testsignal) der in 3a dargestellte Stromleiterstrukturabschnitt 106c erforderlich ist und somit für diese Signalrückführung Fläche benötigt wird.
  • Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass diese Signalrückführung mittels des Stromleiterstrukturabschnittes 106c ein magnetisches Feld B3 erzeugt, das den die magnetoresistiven Magnetfeldstrukturen durchdringenden Magnetfeldkomponenten B1, B2 (Magnetisierungsmagnetfeldkomponente oder Testmagnetfeldkomponente) entgegengesetzt ist und somit die Magnetfeldkomponenten B1, B2 verzerren kann. Die resultierenden Verzerrungen der Magnetfeldkomponenten B1, B2 durch das Magnetfeld B3, das durch das in dem Rückführungsabschnitt 106c der Stromleiterstruktur fließende Signal erzeugt wird, sind dabei vor allem von dem Breitenverhältnis der Stromleiterstruktur, d. h. der den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b zugeordneten Stromleiterstrukturabschnitten 106a, 106b, zu den zugeordneten magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b und ferner von dem Abstand zwischen den Stromleiterstrukturabschnitten 106a, 106b zu dem Stromleiterstrukturabschnitt 106c, der als Rückführung wirksam ist, abhängig.
  • Im Folgenden wird nun auf die in 3b dargestellte Anordnung des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 eingegangen.
  • Wie aus 3b ersichtlich ist, unterscheidet sich der Aufbau der in 3b dargestellten magnetoresistiven Anordnung von der in 3a dargestellten Anordnung dadurch, dass der als Stromrückführung wirksame Stromleiterstrukturabschnitt 106c außerhalb der Mäanderstruktur der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b angeordnet (geroutet) ist, wobei zur Kontaktierung der Stromleiterstruktur 106, d. h. des Stromleiterstrukturabschnittes 106d eine zusätzliche Kontaktdurchführung (Via) 118 erforderlich ist. Die in 3b dargestellte Stromleiterstruktur 106 ist wiederum beispielsweise auf der Metallschichtebene M4 (vgl. 2) und in „konzentrischen Kreisen" angeordnet. Dadurch kann das durch die Rückführung hervorgerufene Magnetfeld B3 das Magnetfeld (Magnetisierungsmagnetfeld bzw. Testmagnetfeld) durch die magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b im Wesentlichen nicht verzerren.
  • Die in der Stromleiterstruktur 106 fließenden Ströme ISignal für das Magnetisierungssignal oder das Testsignal sind bei der in 3b dargestellten Anordnung im Wesentlichen genau so groß zu wählen wie bei der in 3a dargestellten Anordnung. Der Flächenaufwand bzw. Flächenbedarf der in 3b dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung ist jedoch ein wenig höher als bei der in 3a dargestellten Variante der Magnetfeldsensorelementanordnung 100. Da in der Stromleiterstruktur 106 zum Führen vor allem des Magnetisierungssignals relativ hohe Stromdichten von 100 mA und mehr auftreten können, kann es beispielsweise erforderlich sein, den Durchführungskontakt 118 durch eine Mehrzahl parallel geschalteter Durchführungskontakte (nicht gezeigt in 3b) auszubilden, wodurch ein zusätzlichen Flächenbedarf entsteht. Ferner sollte beachtet werden, dass Durchführungskontakte zu einem Offset-Signal in dem Sensorausgangssignal, d. h. dem Ausgangssignal der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b, führen können.
  • Im Folgenden wird nun auf die in 3c dargestellte Magnetfeldsensorelementanordnung 100 eingegangen.
  • Wie aus 3c ersichtlich ist, weist die in 3c dargestellte Magnetfeldsensorelementanordnung 100 vier Stromleiterstrukturabschnitte 106a, 106b, 106d und 106e auf, wobei der Stromleiterstrukturabschnitt 106a und der Stromleiterstrukturabschnitt 106d der ersten magnetoresistiven Magnetfeldsensorstruktur 100a zugeordnet sind, und die Stromleiterstrukturabschnitte 106b und 106e der zweiten magnetoresistiven Magnetfeldsensorstruktur 110b zugeordnet sind und die in 3c dargestellten vier Stromleiterstrukturabschnitte 106a, 106b, 106d, 106e, wenn dieselbe von einem Stromsignal ISignal durchflossen werden, die Magnetfeldkomponenten B1, B2, B3 und B5 erzeugen. Es wird deutlich, dass der in den 3a und 3b benötigte Stromleiterstrukturabschnitt 106c bei der in 3c dargestellten Anordnung nicht erforderlich ist.
  • Wie in 3c ferner dargestellt ist, sind ferner weitere Durchkontaktierungen 120, 122 und 124 vorgesehen, wobei die Durchkontaktierung 120 vorgesehen ist, um die Stromleiterstrukturabschnitte 106a und 106d elektrisch miteinander zu verbinden, und die Durchkontaktierung 122 vorgesehen ist, um die Stromleiterstrukturabschnitte 106b und 106e elektrisch miteinander zu verbinden. Die Durchkontaktierung 124 ist vorgesehen, um die Stromleiterstruktur 106 nach außen verbinden zu können.
  • Ferner sollte bezüglich der 3c dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung beachtet werden, dass die Stromleiterstrukturabschnitte 106a und 106b beispielsweise wieder auf der Metallschichtstapelebene M4 (vgl. 2) angeordnet sein können, wobei die Stromleiterstrukturabschnitte 106d und 106e dann beispielsweise auf der zusätzlichen Metallschichtstapelebene M5 angeordnet sein können.
  • Bei der folgenden Beschreibung wird nun das Stromsignal durch die Stromleiterstrukturabschnitte 106a und 106b als Hinstrom und das Stromsignal durch die Stromleiterstrukturabschnitte 106d und 106e als Rückstrom bezeichnet.
  • Bezüglich der in 3c dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung wird deutlich, dass beide Ströme, d. h. der Hinstrom ISignal1 und der Rückstrom ISignal2, zum Magnetfeldaufbau in den zugeordneten magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a, 110b beitragen. Dadurch kann die Stromstärke durch die Stromleiterstrukturabschnitte 106a, 106b, 106d und 106e gegenüber den in den 3a–b dargestellten Anordnungen halbiert werden, da sich die durch die Stromleiterstrukturabschnitte 106a und 106d und durch die Stromleiterstrukturabschnitte 106b und 106e erzeugten Magnetfeldkomponenten B1, B4 und B2, B5 jeweils überlagern und vorzugsweise addieren.
  • Bei der in 3c dargestellten Ausführungsform für eine Magnetfeldsensorelementanordnung ergibt sich somit ein gegenüber den vorhergehend dargestellten Anordnung verringerter Flächenbedarf. Die in 3c dargestellte Magnetfeldsensorelementanordnung erfordert jedoch einen häufigen Wechsel zwischen den Metallebenen M4 und M5 mittels der Durchkontaktierungen 120, 122 und 124, wobei es (wie bereits oben angegeben) aufgrund der erforderlichen hohen Stromstärken für das Magnetisierungssignal bzw. Testsignal erforderlich sein kann, dass die Kontaktierungen durch parallel geschaltete Kontaktierungen (Vias) ersetzt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass aufgrund möglicherweise auftretender, unterschiedlicher Übergangswiderstände der Durchkontaktierungen ein unerwünschter Offset-Anteil in dem resultierenden Ausgangssignal auftreten kann. Ferner sollte bezüglich der 3c dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung beachtet werden, dass für diese Ausführungsform eine Erwärmung der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 110a und 110b mittels Lasereinstrahlung für den Einschreibevorgang häufig nicht eingesetzt werden kann.
  • Im folgenden wird nun anhand der 4 die Anordnung eines Magnetfeldsensorelements in Form einer Doppelbrückenschaltung und die Durchführung eines Funktionstests an dieser Doppelbrückenanordnung erläutert.
  • Wie in 4 dargestellt ist, umfasst eine solche Doppelbrückenanordnung acht einzelne Magnetfeldsensorelemente 202a–h wobei die vier Magnetfeldsensorelemente 202a–d eine erste Brückenanordnung 204 und die Magnetfeldsensorelemente 202e–h eine zweite Brückenanordnung 206 bilden. Die vier Magnetfeldsensorelemente 202a–d der ersten Brückenanordnung 204 weisen im Allgemeinen jeweils eine gerade längliche Form auf und erstrecken sich in der in 4 angegebenen X-Richtung. Die Magnetfeldsensorelemente 202e–h der zweiten Brückenanordnung 206 weisen ebenfalls jeweils eine gerade längliche Form auf, erstrecken sich aber in der in 4 angegebenen Y-Richtung, d. h. senkrecht zu den vier Magnetfeldsensorelementen 202a–d der ersten Brückenanordnung 204.
  • Die Magnetfeldsensorelemente 202a–d der ersten Brückenanordnung 204 und die Magnetfeldsensorelemente 202e–h der zweiten Brückenanordnung 206 weisen jeweils eine dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur auf, in denen jeweils eine Magnetisierung senkrecht zu der Längsrichtung der als Streifen ausgebildeten Magnetfeldsensorstrukturen erzeugt werden soll bzw. die Magnetfeldsensorelemente 202a–d der ersten Brückenanordnung 204 und die Magnetfeldsensorelemente 202e–h der zweiten Brückenanordnung 206 weisen jeweils eine bereits dauerhaft magnetisierte Magnetfeldsensorstruktur auf, die jeweils eine Magnetisierung senkrecht zu der Längsrichtung der als Streifen ausgebildeten Magnetfeldsensorstrukturen aufweist.
  • In der ersten und zweiten Brückenschaltungsanordnung sind die Magnetisierungen jeweils gegenüberliegender Magnetfeldsensorstrukturen, d. h. der Magnetfeldsensorstruktur 202a zu 202c und 202b zu 202d bzw. 202e zu 202g und 202f zu 202h, jeweils antiparallel ausgerichtet. In 4 sind ferner Kontaktanschlüsse A1, A2, B1 und B2 zum Einkoppeln des Signalstroms ISignal in jeden Zweig der Doppelbrückenanordnung 200 vorgesehen.
  • Anhand von Feldsimulationen, wie sie nachfolgend ausführlich unter 5a–c und 6a–c erläutert werden, kann gezeigt werden, dass sich eine Magnetfeldverzerrung aufgrund der Überlagerung verschiedener durch die Stromleiterstruktur 106 erzeugter Magnetfelder, d. h. der Testmagnetfelder oder der Magnetisierungsmagnetfelder, im Bereich der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 202a–h (der xMR-Widerstände) nicht mehr nachteilig auf das Sensorausgangssignal VX, VY auswirkt.
  • Sind nun die magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 202a–h in der in 4 dargestellten Doppelbrückenschaltung verschaltet, so ist es erforderlich, dass das Testmagnetfeld (oder das Magnetisierungsmagnetfeld) aller magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen derselben Brückenanordnung 204 bzw. 206 gleich gerichtet sind. In 4 ist nun beispielhaft eine mögliche Anordnung (Routing) der Stromleiterstruktur 106 unterhalb der einzelnen magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 202a–h und eine entsprechende Verschaltung angegeben, wobei der Anschluss A1 als Eingangsanschluss und der Anschluss B2 als Ausgangsanschluss der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 zum Einspeisen bzw. Ausgeben des Test- bzw. Magnetisierungssignals ISignal verwendet wird, während die Anschlüsse B1 und A2 elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Die in 4 dargestellte Anordnung zum Testen (bzw. Magnetisieren) der einzelnen magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 202a–h kann entweder als ein fest stehendes Layout angeordnet sein, oder die Belegung der Kontaktanschlüsse A1, A2, B1 und B2 können von einem Tester (z. B. einen Nadeltester) bzw. im Laboraufbau vorgenommen werden. Der Test- bzw. Magnetisierungsstrom wird über die Kontaktanschlussflächen A1 und B2 in die Magnetfeldsensorelementanordnung 200 von 4 eingespeist. Um ein konstantes Testmagnetfeld, das beispielsweise bezüglich des Temperaturgangs konstant ist, zu erzeugen, wird der Signalstrom ISignal vorzugsweise von einer Konstantstromquelle erzeugt. Der Signalstrom erzeugt somit ein Testmagnetfeld oder Magnetisierungsmagnetfeld, das orthogonal zur Signalstromrichtung ausgebildet ist.
  • Im Folgenden wird nun im Einzelnen auf die Testbedingungen eingegangen.
  • Für das Testen der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 von 4 werden direkt messbare Ausgangssignale VX und VY an den Mittelabgriffen der ersten und zweiten Brückenschaltung 204, 206 der Doppelbrückenschaltungsanordnung 200 von 4 benötigt. Dazu werden Magnetfelder in einer Größenordnung von einigen mT (Milli-Tesla) benötigt, um den so genannten Free- Layer magnetisch zu sättigen (Plateau der xMR-Übertragungsfunktion der Minor-Loop). Unter Free-Layer ist jene Schicht zu verstehen, die vom Magnetfeld rotiert werden darf/kann. Unter Plateau ist die magnetische Sättigung des Sensormoduls zu verstehen, welche innerhalb des Arbeitsbereiches liegt.
  • Da die Stromleiterstruktur 106 beispielsweise in einem Abstand von etwa einem Mikrometer (1 μm) von den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen 202a–h entfernt angeordnet ist, werden zur Erzeugung von Magnetfeldern mit einer Größenordnung von einigen Milli-Tesla in den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen Signalströme ISignal in einer Größenordnung von einigen Milliampere (mA) benötigt.
  • Bezüglich der in 4 dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung 200 sollte ferner beachtet werden, dass das eingeprägte Magnetfeld im Wesentlichen konstant sein muss, so dass der Signalstrom vorzugsweise von einer Konstantstromquelle (nicht gezeigt in 4) eingeprägt wird. Ferner ist es erforderlich, dass die Stromleiterstruktur 106 für die resultierenden, relativ hohen Stromdichten des Signalstroms ISignal ausgelegt ist, wobei dazu beispielsweise die bezugnehmend auf die 1a–b angegebenen Dimensionierungsregeln zu beachten sind.
  • Ferner sollte beachtet werden, dass die Stromleiterstruktur 106 nach dem Funktionstest nach oder während der Herstellung der Magnetfeldsensorelemente bzw. der Magnetfeldsensorelementanordnung noch für Online-Selbsttests der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 während des Betriebs desselben bzw. im eingebauten Zustand derselben verwendet werden kann.
  • In 5a ist nun die magnetische Erregung senkrecht zur Stromflussrichtung des Stromsignals ISignal beispielhaft für eine Stromleiterstruktur 106 angegeben. Die in 5a angegebene Magnetfeldverteilung (magnetische Erregung) wird bei spielsweise erhalten, wenn ein Stromleiter, d. h. die Stromleiterstruktur 106, die beispielsweise auf der Metallstapelschicht M4 angeordnet ist, eine Dicke von 600 nm und eine Breite von 12 μm aufweist, wobei die Stromstärke in der Stromleiterstruktur 60 mA beträgt.
  • Das resultierende Magnetfeld (Testmagnetfeld oder Magnetisierungsmagnetfeld) muss bezüglich der Feldverteilung möglichst homogen und bezüglich Temperaturänderungen oder Änderungen anderer Umgebungsvariablen möglichst konstant sein.
  • In 5a bezeichnet die Abszisse B die Ausdehnung senkrecht zur Mitte des Stromleiters und somit senkrecht zur Stromrichtung in der Stromleiterstruktur 106, wobei die Ordinate A die resultierende Magnetfeldstärke in Abhängigkeit vom Abstand senkrecht zu der Oberfläche der Stromleiterstruktur 106 darstellt. Die Schnittansichten aus 5a und dargestellt in 5b zeigen die Magnetfeldverteilung parallel zur Achse B in zwei verschiedenen Abständen (600 nm und 1200 nm) von der Metallstapelschicht M4, auf der die Stromleiterstruktur 106 angeordnet ist. Aus den 5a und 5b wird deutlich, dass in einem Abstand von 1,2 μm oberhalb der Stromleiterstruktur 106 ein relativ homogenes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke von 2 mT über einer Breite von etwa 12 μm besteht, welches als „Charakterisierungsfeld" zur Untersuchung der Funktionsparameter der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelementanordnung 200 nach der Herstellung derselben ausreichend hoch ist. Außerdem zeigt die Feldverteilungskurve in 5b parallel zur Achse A eine Abnahme des Feldes um lediglich etwa 10% bei einer Verdopplung des Abstandes (600 nm auf 1200 nm), so dass keine sehr hohe Abstandssensitivität des durch die Stromleiterstruktur 106 erzeugten Magnetfeldes besteht.
  • In 5c ist die Wärmeentwicklung der um die magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen angeordneten Schichten des Metallschichtstapels (vgl. 2) über der Zeitdauer angegeben bezüglich einer Stromstärke von 60 mA in der 12 μm breiten und 600 nm dicken Stromleiterstruktur 106 benachbart zu den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen. Aus 5c ist ersichtlich, dass die Temperatur der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen bei der im Vorhergehenden dargestellten Messung bzw. Charakterisierung mit einer Stromstärke von 60 mA in der Stromleiterstruktur 106 innerhalb einer Zeitdauer von 1 Sekunde um nur etwa 1°C ansteigt.
  • Im Folgenden wird nun Bezug nehmend auf die 6a–c auf die physikalischen Verhältnisse bezüglich Magnetfeldverteilung und Temperaturveränderung in dem Bereich um die Stromleiterstruktur 106 des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelements 100 während eines xMR-Online-Selbsttests des Magnetfeldsensorelements 100 eingegangen.
  • Für den Online-Selbsttest wird ein relativ niedriges Testmagnetfeld, das durchaus auch von Rauschanteilen überlagert sein kann, benötigt, um das externe Magnetfeld nicht zu verzerren, wobei dadurch nur ein relativ niedriger Teststrom ISignal und damit ein relativ niedriger Stromverbrauch erforderlich ist und ferner nur eine relativ geringe Temperaturerhöhung an den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen und den benachbart zu der Stromleiterstruktur 106 angeordneten Strukturen, wie z. B. den aktiven Strukturen in dem Halbleitersubstrat 102, verursacht werden. 6a zeigt dabei die magnetische Erregung, d. h. die Verteilung des Magnetfelds, senkrecht zur Stromflussrichtung in der Stromleiterstruktur 106, wobei die Stromleiterstruktur 106 auf der Metallschichtebene M4 (vgl. 2) beispielsweise angeordnet ist, und eine Dicke von 600 nm und eine Breite von 12 μm aufweist und mit einem Testsignal ISignal mit einer Stromstärke von 1 mA bestromt wird.
  • Die Schnittansichten aus 6a und dargestellt in 6b zeigen die Magnetfeldverteilung parallel zu der Achse B in zwei verschiedenen Abständen (600 nm und 1200 nm) von der Metallschichtebene M4, auf der die Stromleiterstruktur 106 angeordnet ist. Es wird aus den 6a und 6b deutlich, dass in einem Abstand von 1,2 μm oberhalb der Metallschichtebene M4 ein relativ homogenes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke von etwa 30 μT über einer Breite von etwa 12 μm besteht, welches während eines Online-Tests der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelementanordnung 200 als Testmagnetfeld ausreichend hoch ist. Darüber hinaus zeigt die Magnetfeldverteilungskurve in 6b parallel zu Achse A eine Abnahme des Magnetfeldes um lediglich etwa 10% bei einer Verdopplung des Abstandes senkrecht zu der Ebene der Stromleiterstruktur 106, so dass deutlich wird, dass bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Magnetfeldsensorelements 100 keine hohe Abstandssensitivität des Magnetfeldes besteht.
  • 6c zeigt nun die Wärmeentwicklung der benachbart zu den magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen und der Stromleiterstruktur 106 angeordneten Schichten (vgl. 2) über der Zeitdauer bei einem Teststrom mit einer Stromstärke von 1 mA. Aus 6c wird deutlich, dass die resultierende Temperaturerhöhung der magnetoresistiven Magnetfeldsensorstrukturen und der benachbarten Schichten in einem Zeitraum von 1 Sekunde im Wesentlichen vernachlässigbar sind.
  • Aus den obigen Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Sensorelements 100 wird also deutlich, dass es besonders vorteilhaft ist, die Breite C2 der magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur 110 kleiner oder gleich der Breite C1 der zugeordneten Stromleiterstruktur 106 auszuführen. Ferner ist es vorteilhaft, die Magnetfeldsensorstruktur 110 in einem Abstand C3 von der zugeordneten Stromleiterstruktur 106 anzuordnen, der kleiner als etwa 20% und vorzugsweise kleiner als 10% der Breite C1 der Stromleiterstruktur 106 ist. Bezüglich der obigen Angaben wird angenommen, dass die Stromleiterstruktur 106 und die magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur 110 bezüglich der Hauptstromflussrichtung durch dieseleben im Wesentlichen parallel und einander überlappend angeordnet sind. Unter Berücksichtigung dieser bevorzugten Vorgaben kann erreicht werden, dass das durch die Stromleiterstruktur 106 erzeugte Test- oder Magnetisierungsmagnetfeld innerhalb der magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur 110 im Wesentlichen homogen ist und nicht durch andere Magnetfelder gestört wird.
  • Im Folgenden wird nun Bezug nehmend auf 7 eine mögliche, prinzipielle Anordnung und Vorgehensweise zur Durchführung eines Online-Selbsttests bezüglich der in 4 dargestellten Magnetfeldsensorelementanordnung 200 beispielhaft erläutert. Bezüglich des Selbsttests von Magnetfeldsensorelementanordnungen wird darüber hinaus auf die deutsche Patentanmeldung DE 10337045.5-52 hingewiesen, die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Erfindung zugeordnet ist.
  • Wie in 7 bezüglich einer beispielhaften, möglichen Ausführungsform einer Selbsttestanordnung 300 für Magnetfeldsensorelementanordnungen 200 dargestellt ist, weist die Selbsttestanordnung 300 eine Magnetfeldsensorelementanordnung 200 (xMR-Sensorzelle), eine Stromquelle 302, eine Testsignalquelle 304, eine erste Kombinationseinrichtung 306, einen Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler 308, eine zweite Kombinationseinrichtung 310, einen Kammfilter 312, ein IIR-Filter 314, ein Tiefpass-Filter 316 und Komparatoren (Vergleichseinrichtungen) 318 auf. Die in 7 schematisch dargestellten Schaltungsblöcke sind funktional miteinander verknüpft, wie es in 7 beispielhaft gezeigt ist.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise der in 7 dargestellten Selbsttestanordnung 300 erläutert.
  • Die Testsignalquelle 304 erzeugt ein bezüglich des eigentlichen Nutzsignals höher-frequentes Testsignal, dessen Frequenzbereich über der Nutzsignalbandbreite liegt. Dieses Testsignal kann im allgemeinsten Fall von jeder beliebigen Signalquelle erzeugt werden. Für eine Implementierung ist beispielsweise eine Ableitung dieses Signals von dem Systemtaktsignal oder die Erzeugung durch einen Pseudo-Random- Generator sinnvoll. Wird das Systemtaktsignal zur Signalgenerierung verwendet, so sollte es mit einer Primzahl geteilt werden, um Systemtaktsignaleinflüsse (Korrelationen) bei der anschließenden Auswertung des Testsignals zu minimieren.
  • Das Testsignal sollte niederfrequenter als das Systemtaktsignal sein, um Aliasing-Effekte zu beseitigen. Das Testsignal ISignal wird über die Konstantstromquelle 302, die beispielsweise als eine Stromspiegelschaltung ausgebildet ist, in die Stromleiterstruktur 106 der M4-Metallschichtstapelebene eingeprägt, wenn diese M4-Metallstapelebene die Stromleiterstruktur 106 bildet.
  • Dadurch wird das magnetische Testfeld erzeugt, wobei dieses Testmagnetfeld in jeder Teilbrückenanordnung der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 eine kleine Magnetfeldänderung hervor ruft, die eine höher frequente, „unmerkliche" Amplitudenänderung des Sensorausgangssignals der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 bewirkt. Diese Amplitudenänderung kann durchaus vom weißen Rauschen überlagert werden, wie dies beispielsweise durch die erste Kombinationseinrichtung 306 und das eingekoppelte Offsetsignal in 7 angedeutet werden soll. Nach der Analog-Digital-Umsetzung in dem Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler 308 wird das nun vorliegende, bekannte, höher frequente Signal mit der zweiten Kombinationseinrichtung 310, die als Demodulator wirksam ist, demoduliert, mit dem Tiefpass-Filter 316 tiefpassgefiltert (integriert), signalverarbeitet und mittels der Komparatoren 318 mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Wird der vorgegebene Schwellenwert nicht erreicht, so deutet dies auf eine Fehlfunktion der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung 200 (der xMR-Sensorzelle) der Sampling-Einheit 306 oder des Analog/Digital-Wandlers 308 hin.
  • Der höher frequente Signalanteil S1 wird von dem Kammfilter 312 indem Signalpfad heraus gefiltert, wobei das Testsignal STEST nach dieser Filterung nicht mehr im Nutzsignal SMESS vor handen ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das integrierte Testsignal direkt an eine nachverarbeitende Mikrosteuerungseinrichtung (Mikrocontroller) zu übermitteln, wobei diese Mikrosteuerungseinrichtung dann das vorliegende Signal weiter auswerten kann.
  • Die in 7 dargestellte Selbsttestanordnung sollte jedoch lediglich als eine von einer Anzahl von möglichen Anwendungen für einen durchzuführenden Selbsttest an der Magnetfeldsensorelementanordnung 200, an dem Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler und an der anschließenden Filterung im Signalpfad angesehen werden.
  • Im Folgenden wird nun Bezug nehmend auf 8 eine mögliche Vorgehensweise zur Abschätzung des erhaltenen Testsignals vorgestellt. Die Signalantwort auf das Testsignal hängt mitunter von der Winkelposition des an der Magnetfeldsensorelementanordnung anliegenden externen Magnetfelds ab, wie dies beispielsweise aus der 8 deutlich wird. Die Signalantwort kann demzufolge zwischen einem 0-Wert und einem Maximalwert schwanken, wobei dies von dem Winkel des externen Magnetfeldes abhängt. Vorzugsweise sollte diese Abhängigkeit bei der Verarbeitung des Testsignals berücksichtigt werden, wobei dazu die nachfolgenden Formeln den Zusammenhang zwischen der geometrischen Anordnung, d. h. der Winkelposition des externen Magnetfelds zur Magnetfeldsensorelementanordnung 200 und zu den jeweiligen Signalstärken angeben.
    Figure 00320001
    mit
    • UOutTest
    = Testausgangsspannung
    IGMRmin
    = minimale Empfindlichkeit der XMR-Sensorzelle
    UDDmin
    = minimale Versorgungsspannung
    αTest
    = Winkelposition zwischen dem externen Magnetfeld und der xMR-Sensorzelle
    BTestmax
    = maximale Testmagnetfeldstärke
    Bext
    = externe Magnetfeldstärke
    BlmA
    = Stärke des externen Magnetfelds bei einer Stromstärke von 1 mA in der Stromleiterstruktur 106.
  • Aus den obigen Formeln wird deutlich, dass damit die maximal erreichbare Winkelabweichung durch die Analog/Digital-Wandler-Eingangstestspannung beschrieben werden kann.
  • Die Analog/Digital-Wandler-Eingangstestspannung wird durch das Rauschniveau, den zulässigen Teststrom im Betrieb und die Testzeitdauer (Tiefpassfilterung) definiert. Durch Einsetzen der nachfolgend dargestellten Werten in die obige Formel ergibt sich bei einem –80 dB kleinem Testausgangssignal ein magnetisches Testfeld von etwa 9,8 μT, das durch einen Teststrom von etwa 300 μA (entsprechend der im Vorhergehenden vorgestellten Magnetfeldsensorelementanordnung 200 bzw. der Selbsttestanordnung 300) erhalten wird.
  • Bei dem anhand der 4 bis 8 dargestellten speziellen Anwendungsfall der Magnetfeldsensorelementanordnung 200 bzw. der Selbsttestanordnung 300, bei dem zwei orthogonal zueinander stehende Brückenschaltungen zwei Testsignale VX, Vy liefern, kann die Testsignalsumme VX + Vy beide Signalanteile als ein Funktionalitätskriterium bezüglich der zu überwachenden Magnetfeldsensorelementanordnung herangezogen werden. Fällt eine der beiden Brückenschaltungen 204, 206 aus oder arbeitet eine der beiden Brückenschaltungen 204, 206 fehler haft, wird sich die aufintegrierte Testsignalsumme reduzieren und abhängig von dem eingestellten Schwellenwert zu einer Fehlermeldung führen.
  • Die in 8 gezeigte Darstellung veranschaulicht die Vektorsummation des zu messenden Magnetfeldes und des Testsignals. Die Darstellung visualisiert, dass bei gleicher Testsignalamplitude sein Anteil in der Vektorsumme unterschiedlich ist.
  • Zusammenfassend kann nun festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Magnetfeldsensorelement bzw. das erfindungsgemäße Konzept zum Herstellen und Untersuchen desselben eine Reihe von Vorteilen bezüglich bisher im Stand der Technik bekannten magnetoresistiven Sensoranordnungen aufweist. So können die an der Magnetfeldsensoranordnung durchzuführenden Tests unmittelbar nach der Herstellung derselben, beispielsweise auf Waferebene oder auch als Baustein, durchgeführt werden. Ferner können ebenfalls mit der gleichen Anordnung Online-Selbsttests der bereits im Betrieb befindlichen Bausteine mit den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorelementen vorgenommen werden. So ermöglicht die vorliegenden Erfindung eine einfache Funktionalitätsbewertung des Analog-Front-Ends (AFE). Ferner wird ein Back-End-Test ermöglicht, der Systemeinbau bei Tier1 und ein Test während des Betriebs, z. B. bei jedem Hochlaufen oder Online, des Sensorbausteins. Bezüglich der Sensorbausteintests können immense Einsparungen an Testkosten erreicht werden, da kein zusätzliches Spezialequipment zum Durchführen der Funktionstests erforderlich ist, wobei insbesondere keine externe Anordnung zum Erzeugen eines externen Messmagnetfeldes bereitgestellt werden muss.
    • 100
    Magnetfeldsensorelement
    102
    Trägermaterial
    104
    Isolationsschicht
    106
    Stromleiterstruktur
    106-1
    Kontaktanschluss
    106-2
    Kontaktanschluss
    108
    Isolationsschicht
    110
    dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur
    110-1
    Kontaktanschluss
    110-2
    Kontaktanschluss
    111
    (optionale) Isolationsschicht
    112
    Durchführungskontakt
    114
    Verbindungskontakt
    116
    Anschlusskontakt
    118
    Durchführungskontakt
    120
    Durchführungskontakt
    122
    Durchführungskontakt
    124
    Durchführungskontakt
    200
    Magnetfeldsensorelementanordnung
    202a–h
    Magnetfeldsensorstrukturen
    204
    erste Brückenschaltung
    206
    zweite Brückenschaltung
    300
    Online-Selbsttestanordnung
    302
    Stromquelle
    304
    Testsignalquelle
    306
    Kombinationseinrichtung
    308
    Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler
    310
    zweite Kombinationseinrichtung
    312
    Kammfilter
    314
    IIR-Filter
    316
    Tiefpassfilter
    318
    Komparator
    500
    Doppelbrückenschaltung
    502
    erste Brückenschaltung
    502a–b
    Magnetfeldsensorstrukturen
    504
    zweite Brückenschaltung

Claims (16)

  1. Verfahren zum Durchführen eines On-Wafer-Funktionstests an einer Mehrzahl von auf einem Wafer angeordneten Magnetfeldsensorelementen, wobei jedes Magnetfeldsensorelement eine Magnetfeld-empfindliche Struktur und eine der Magnetfeld-empfindlichen Struktur zugeordnete Stromleiterstruktur aufweist, wobei die Magnetfeld-empfindliche Struktur eine Magnetfeldabhängige elektrische Charakteristik aufweist, und wobei die Stromleiterstruktur ausgebildet ist, um in der zugeordneten Magnet-empfindlichen Struktur eine vorgegebene Testmagnetfeldkomponente zu erzeugen, mit folgenden Schritten: Bereitstellen des Trägers mit den Magnetfeldsensorelementen; Testen jeder Magnetfeld-empfindlichen Struktur der Magnetfeldsensorelemente durch Erzeugen eines Testsignals durch die Stromleiterstruktur, um in der Magnetfeld-empfindlichen Struktur die vorgegebene Testfeldmagnetfeldkomponente zu erzeugen; Erfassen einer Änderung der elektrischen Charakteristik der Magnetfeld-empfindlichen Struktur aufgrund der Testmagnetfeldkomponente; und Beurteilen der Funktionsfähigkeit des Magnetfeldsensorelements basierend auf der erfassten Änderung der elektrischen Charakteristik der Magnetfeld-empfindlichen Struktur.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erfassens einer Änderung einen Unterschritt des Erfassens eines Ausgangssignal der Magnetfeld-empfindlichen Struktur aufweist, wobei das Ausgangssignal von der elektrischen Charakteristik der Magnetfeld-empfindlichen Struktur und dem Testsignal abhängt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Beurteilens ferner einen Schritt des Vergleichens des von der elektrischen Charakteristik und dem Testsignal abhängigen Ausgangssignals mit einem vorgegebenen Vergleichswert aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Erreichen oder Überschreiten des Vergleichswerts auf eine Fehlfunktion des Magnetfeldsensorelements hinweist, und ein Unterschreiten des Vergleichswerts auf eine Normalfunktion des Magnetfeldsensorelements hinweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Erreichen oder Unterschreiten des Vergleichswerts auf eine Fehlfunktion des Magnetfeldsensorelements hinweist, und ein Überschreiten des Vergleichswerts auf eine Normalfunktion des Magnetfeldsensorelements hinweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Ausgangssignal ferner von einer Umgebungsgröße abhängt, wobei der Schritt des Erfassens der Änderung ferner einen Unterschritt des Ermittelns des Anteils des Ausgangssignals, das von der elektrischen Charakteristik und dem Testsignal abhängt, aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Ermittelns des Anteils des Ausgangssignals ferner einen Unterschritt des Ausfilterns des Signalanteils aufgrund der Umgebungsgröße aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung von Magnetfeldsensorelementen mit On-Wafer-Funktionstest, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Trägers; Anordnen einer Mehrzahl von dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstrukturen auf dem Träger, wobei die dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstrukturen eine Magnetisierungsmindesttemperatur aufweisen; Anordnen einer Mehrzahl von Stromleiterstrukturen auf dem Träger, so dass jeder dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur eine Stromleiterstruktur zugeordnet ist; Erzeugen einer lokalen permanenten Magnetisierung in jeder Magnetfeldsensorstruktur durch Erwärmen der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur auf einen Temperaturwert oberhalb der Magnetisierungsmindesttemperatur; und Erzeugen eines Magnetisierungssignals in der Stromleiterstruktur, um eine definierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente in der dauerhaft magnetisierbaren Sensorstruktur zu bewirken, so dass sich eine dauerhafte, lokale Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur einstellt, und das Magnetfeldsensorelement mit der dauerhaft magnetisierten Magnetfeldsensorstruktur eine Magnetfeldabhängige elektrische Charakteristik aufweist; Testen jeder Magnetfeld-empfindlichen Struktur der Magnetfeldsensorelemente durch Erzeugen eines Testsignals durch die Stromleiterstruktur, um in der Magnetfeld-empfindlichen Struktur eine vorgegebene Testmagnetfeldkomponente zu erzeugen; Erfassen einer Änderung der elektrischen Charakteristik der Magnetfeldsensorstruktur aufgrund der Testmagnetfeldkomponente; und Beurteilen der Funktionsfähigkeit des Magnetfeldsensorelements basierend auf der erfassten Änderung der elektrischen Charakteristik der Magnetfeldsensorstruktur.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Erwärmens einen Unterschritt des Erzeugens eines Erwärmungsstromsignals durch die Stromleiterstruktur aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Unterschritt des Erzeugens eines Erwärmungsstromsignals durch die Stromleiterstruktur zum Erwärmen der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur durchgeführt wird, so dass die dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur während des Erzeugens des Magnetisierungssignals in der Stromleiterstruktur einen Temperaturwert oberhalb der Magnetisierungsmindesttemperatur aufweist.
  11. Magnetfeldsensorelement (100) mit folgenden Merkmalen: einer dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur (110) mit einem ersten und zweiten Sensorelementkontaktanschluss (110-1, 110-2), wobei die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur (110) eine dauerhafte Magnetisierung aufweist, und wobei über die Sensorelementkontaktanschlüsse (110-1, 110-2) eine Magnetfeld-abhängige elektrische Charakteristik der Magnetfeldsensorstruktur (110) erfassbar ist, und einer Stromleiterstruktur (106) mit einem ersten und zweiten Stromleiterkontaktanschluss (106-1, 106-2), wobei die Stromleiterstruktur (106) ausgebildet ist, so dass ein Magnetisierungssignal (ISignal) zwischen den ersten und zweiten Kontaktanschluss (106-1, 106-2) anlegbar ist, um eine definierte Magnetisierungsmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur zu erhalten, um eine dauerhafte, lokale Magnetisierung der Magnetfeldsensorstruktur (110) zu bewirken, und so dass ferner ein Testsignal (ITest) zwischen den Stromleiter kontaktanschlüssen (106-1, 106-2) anlegbar ist, um eine definierte Testmagnetfeldkomponente in der Magnetfeldsensorstruktur (110) zu erhalten.
  12. Magnetfeldsensorelement nach Anspruch 11, wobei die Stromleiterstruktur (106) ferner ausgebildet ist, so dass ein Erwärmungssignal zwischen den ersten und zweiten Kontaktanschluss (106-1, 106-2) anlegbar ist, um die dauerhaft magnetisierbare Magnetfeldsensorstruktur auf einen Temperaturwert oberhalb der Magnetisierungsmindesttemperatur zu erhöhen.
  13. Magnetfeldsensorelement nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Stromleiterstruktur (106) ausgebildet und bezüglich der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur angeordnet ist, um ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld in der dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur zu erzeugen.
  14. Magnetfeldsensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur (110) eine Breite C2 und die zugeordnete Stromleiterstruktur (106) eine Breite C1 aufweisen, wobei die Breite C2 der magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur (110) kleiner oder gleich der Breite C1 der zugeordneten Stromleiterstruktur (106) ist.
  15. Magnetfeldsensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Breite C1 der Stromleiterstruktur (106) in einem Bereich von 2 bis 25 μm liegt.
  16. Magnetfeldsensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die dauerhaft magnetisierbaren Magnetfeldsensorstruktur (110) und die zugeordnete Stromleiterstruktur (106) in einem Abstand C3 voneinander angeordnet sind, wobei der Abstand C3 kleiner als etwa 20% und vorzugsweise kleiner als 10% der Breite C1 der Stromleiterstruktur 106 ist.
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