DE102007032867B4

DE102007032867B4 - Magnetoresistive Magnetfeldsensorstrukturen und Herstellungsverfahren

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Publication number: DE102007032867B4
Application number: DE102007032867A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. rer. nat. Raberg; Jürgen Dr. rer. nat. Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: DE102007032867A1; US8063633B2; US20090015252A1

Abstract

Magnetfeldsensorstruktur (300; 400; 900; 1100; 1200) mit
einem ersten magnetoresistiven Element (320-1) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur (306-1) mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM1) und mit einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1), die mit der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) antiferromagnetisch gekoppelt ist, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 einer Dicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1) zu einer Dicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) größer als 1 ist; und
einem zweiten magnetoresistiven Element (320-2) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM2) und mit einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2), die mit der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) antiferromagnetisch gekoppelt ist, wobei ein zweites Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 einer Dicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2) zu einer Dicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) kleiner als 1 ist,
wobei das erste und das zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht (312) galvanisch getrennt voneinander...

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetoresistive Magnetfeldsensorstruktur auf der Basis von Spin-Ventil-Strukturen und auf Verfahren zur Herstellung derselben.
Eine Detektion von kleinen magnetischen Feldern durch große Magneto-Widerstandsänderungen bei möglichst geringem Chipflächenverbrauch und geringer Herstellungsprozesskomplexität ist bei Anwendungen in der Automobil- und Industrieelektronik von immer größerer Bedeutung. Dabei ist es insbesondere wichtig, eine Vereinbarkeit und Optimierung von Parameterhub bzw. Signalhub (Magneto-Widerstandsänderung in Abhängigkeit einer Magnetfeldänderung), Chip-Fläche, Herstellungsprozesskomplexität, Stromverbrauch usw. zu erreichen.
In der Sensorik werden gegenwärtig häufig GMR-Strukturen (GMR = Giant Magneto Resistance) oder auch TMR-Strukturen (TMR = Tunneling Magneto Resistance) eingesetzt. Im Nachfolgenden sollen GMR- und TMR-Strukturen unter dem Begriff xMR-Strukturen zusammengefasst werden. Bei einer elektrischen Kontaktierung solcher xMR-Strukturen bzw. -Schichtsysteme unterscheidet man zwischen einer CIP-Konfiguration (CIP = Current In Plane) und einer CPP-Konfiguration (CPP = Current Perpendicular to Plane). Bei der CIP-Konfiguration wird ein xMR-Schichtsystem von einer Seite her kontaktiert und ein Stromfluss folgt im Wesentlichen parallel bzw. lateral zum Schichtsystem, währenddessen bei der CPP-Konfiguration ein xMR-Schichtsystem von zwei Seiten kontaktiert wird, so dass ein Stromfluss im Wesentlichen senkrecht zu dem xMR-Schichtsystem erfolgen kann. GMR-Schichtsysteme werden üblicherweise in der CIP-Konfiguration betrieben, was wegen einer erforderlichen Kontaktierung von einer Seite an ein Schichtpaket oder an einer Schichtstruktur prozesstechnisch mit verhältnismäßig geringem Aufwand verbunden ist. Auf der anderen Seite werden TMR-Schichtsysteme oftmals in der CPP-Konfiguration betrieben, was eine Kontaktierung des Schichtpakets bzw. Schichtsystems von zwei Seiten erforderlich macht. Es existieren jedoch auch TMR-Schichtsysteme, welche in einer CIP-Konfiguration betrieben werden können, was als CIPT-Konfiguration (d. h. eine CIP-Konfiguration bei einem TMR-Schichtsystem) bezeichnet werden soll. Die Kontaktierung des Schichtsystems von nur einer Seite (oben oder unten) erlaubt einen einfacheren Herstellungsprozess im Vergleich zu einer beidseitigen Kontaktierung, wie es bei der CPP-Konfiguration der Fall ist.
Spin-Ventil-Magnetsensoren auf Basis der GMR- oder TMR-Technologie haben insbesondere bezüglich ihrer Messempfindlichkeit Vorteile gegenüber heute etablierten Hall- und AMR-Technologien (AMR = Anisotropic Magneto-Resistance). Aufgrund ihrer zum Betrieb notwendigen Referenzmagnetisierung eignen sich GMR- und/oder TMR-Elemente (xMR-Elemente) zum Sensieren sowohl von magnetischen Feldrichtungen als auch Feldstärken. In einer Ausführung als linearer Feldsensor können xMR-Elemente beispielsweise zur Detektion von Rotationsgeschwindigkeiten von Polrädern und/oder von ein Magnetfeld (Bias-Magnetfeld) beeinflussenden Zahnrädern eingesetzt werden (sog. Speed-Sensoren). Dazu können xMR-Spin-Ventil-Sensoren räumlich getrennt in einem Abstand von ca. einem halben Pol- bzw. Zahnabstand eines Geberrads platziert und zu einer Wheatstone’schen Brücke bzw. Halbbrücke verschaltet werden. Dadurch kann ein differenzielles Ausgangssignal über ein differenzielles Magnetfeld durch räumliche Trennung von Wheatstone’schen Brücken gewonnen werden.
Die Patentveröffentlichung US 5 701 222 A zeigt eine Magnetfeldsensorstruktur mit einem ersten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenz schichtstruktur mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung, einem zweiten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur mit einer zweiten Referenzmagnetisierung, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht getrennt voneinander angeordnet sind und wobei die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind.
Die Patentveröffentlichung EP 1 105 743 B1 bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Magnetfeldsensor mit mindestens zwei magnetoresistiven Brückenelementen, wobei jedes magnetoresistive Element eine freie und eine gepinnte ferromagnetische Schicht aufweist, wobei die zumindest zwei Brückenelemente gepinnte ferromagnetische Schichten mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen aufweisen. In einem ersten Beschichtungsschritt wird eine erste ferromagnetische Schicht eines der mindestens zwei Elemente aufgebracht, währenddessen ein Magnetfeld angelegt, um die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht in einer ersten Richtung zu pinnen. Anschließend wird eines der mindestens zwei Elemente aus dieser ersten ferromagnetischen Schicht definiert und hergestellt und daraufhin in einem zweiten Beschichtungsschritt eine zweite ferromagnetische Schicht eines anderen der mindestens zwei Elemente aufgebracht, währenddessen ein Magnetfeld angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht in einer zweiten Richtung, die sich von der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht unterscheidet, zu pinnen, woraufhin dann das andere der mindestens zwei Elemente aus dieser zweiten ferromagnetischen Schicht definiert und hergestellt wird.
Die Patentveröffentlichung US 6 801 411 B1 befasst sich mit magnetoresistiven Leseköpfen für magnetische Laufwerke und insbesondere mit einem zweistreifigen, Strom-gepinnten Lesekopf mit einem zweistreifigen, Strom-gepinnen Spin-Ventil- Lesesensor. Der Sensor umfasst ein erstes magnetoresistives Element SV1 und ein zweites magnetoresistiven Element SV2, die durch eine Isolationsschicht INS voneinander getrennt sind. Beide magnetoresistive Elemente umfassen zwei ferromagnetische Schichten, die jeweils durch eine leitfähige Schicht getrennt sind. Das erste magnetoresistive Element SV1 umfasst eine erste ferromagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die durch eine erste Beabstandungsschicht voneinander getrennt sind. Das zweite magnetoresistive Element SV2 umfasst eine dritte ferromagnetische Schicht und eine vierte ferromagnetische Schicht, die von einer zweiten Beabstandungsschicht voneinander getrennt sind.
Es besteht somit die Aufgabe, eine besonders einfach herstellbare Magnetfeldsensorstruktur und das zugehörige Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Magnetfeldsensorstrukturen gemäß den Ansprüchen 1 und 11, sowie den Herstellungsverfahren gemäß den Ansprüchen 18 und 27.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zusammenfassung
Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine Magnetfeldsensorstruktur mit einem ersten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung und einem zweiten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung, wobei das erste und zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die erste und die zweite Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine Magneterfassungsvorrichtung mit einem ersten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur mit einer ersten Referenzmagnetisierung und einem zweiten magnetoresistiven Element in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschichtstruktur galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die erste und die zweite Referenzmagnetisierungsrichtung gegenläufig sind, und wobei die zweiten magnetoresistiven Elemente derart in einer Brückenschaltung verschaltet sind, dass aufgrund einer gegenläufigen Änderung der Widerstandswerte der beiden magnetoresistiven Elemente ein Differenzsignal proportional zu dem Magnetfeld und/oder einer Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist.
Noch weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen mit einem Schritt des Anordnens eines ersten magnetoresistiven Elements in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur mit einer Schichtdicke D_RL,1 und einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur mit einer Schichtdicke D_PL,1 und einem Schritt des Anordnens eines zweiten magnetoresistiven Elements, vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur mit einer Schichtdicke D_RL,2 und einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur mit einer Schichtdicke D_PL,2, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,1 zu der Schichtdicke D_RL,1 größer als 1 ist und ein zweites Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,2 zu der Schichtdicke D_RL,2 kleiner als 1 ist, und einem Schritt des Aussetzens des ersten magnetoresistiven Elements und des zweiten magnetoresistiven Elements während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen in der ersten zweiten Referenzschichtstruktur zu erhalten.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur, mit einem Schritt des Anordnens eines ersten magnetoresistiven Elements in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur mit einer Schichtdicke D_RL,1 und einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur mit einer Schichtdicke D_PL,1 und einem Schritt des Anordnens eines zweiten magnetoresistiven Elements, vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschicht, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,1 zu der Schichtdicke D_RL,1 größer als 1 ist, und einem Schritt des Aussetzens des ersten magnetoresistiven Elements und des zweiten magnetoresistiven Elements während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen in der ersten und zweiten Referenzschichtstruktur zu erhalten.
Noch weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur mit einem Schritt des Anordnens eines ersten magnetoresistiven Elements in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ungeraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen, die antiferromagnetisch miteinander koppelbar sind, einem Schritt des Anordnens eines zweiten magnetoresistiven Elements, vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer geraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen, die antiferromagnetisch miteinander koppelbar sind und einem Schritt des Aussetzens des ersten magnetoresistiven Elements und des zweiten magnetoresistiven Elements während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um eine erste ferromagnetische Referenzschichtstruktur des ersten magnetoresistiven Elements und eine zweite ferromagnetische Referenzschichtstruktur des zweiten magnetoresistiven Elements zu erhalten, die unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A bis 1C schematische Darstellungen eines prinzipiellen Aufbaus verschiedener Typen von GMR-Sensorelementen und die zugehörige schematische Darstellung der Magnetfeldabhängigkeit der Magnetisierung und des Widerstandswerts der magnetoresistiven Struktur;
2A einen schematischen Aufbau einer TMR-Schichtstruktur in CPP-Konfiguration;
2B einen schematischen Aufbau eines TMR-Schichtstapels in einer CIPT-Konfiguration;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetfeldsensorstruktur
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung einer anti-parallelen Ausrichtung von Referenzschicht und gepinnter Schicht als Funktion eines Magnetisierungsfeldes für einen künstlichen Antiferromagneten mit verschiedenen Schichtdickenverhältnissen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 eine Aufsicht auf eine Magnetfeldsensorstruktur mit Formanisotropie gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
7A bis 7D Aufsichten auf Referenzschicht-Magnetisierungen einer 1 μm breiten xMR-Struktur bei verschiedenen Schichtdickenverhältnissen und verschiedenen Magnetisierungsfeldstärken gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
8 eine Darstellung eines Großfeldverhaltens eines xMR-Signals für verschiedene Schichtdickenverhältnisse gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11A und 11B eine Darstellung von elektrischen Kontaktierungsmöglichkeiten für eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
12A, B eine Darstellung einer Verschaltung einer Magnetfeldsensorstruktur in einer Wheatstone’schen Halbbrücke gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
13A–C eine Darstellung einer Verschaltung zweier Magnetfeldsensorstrukturen in einer Wheatstone’schen Vollbrücke gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und die Beschreibungen dieser Funktionselemente in verschiedenen, in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Richtungsangaben wie „rechts”, „links”, „oben”, „unten” bei Erläuterungen zu den beiliegenden Figuren beziehen sich auf die jeweilige Zeichenebene. Angaben wie „vertikal”, „horizontal” oder „lateral” beziehen sich im Folgenden stets auf eine magnetfeldsensitive Bauteil- bzw. Chipoberfläche.
Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert anhand der 3 bis 13 beschrieben werden, soll im Nachfolgenden anhand der 1 bis 2 kurz allgemein auf xMR-Strukturen eingegangen werden. Unter dem Begriff xMR-Struktur sollen in der folgenden Beschreibung GMR-Strukturen und TMR-Strukturen verstanden werden. Insbesondere sollen darunter GMR- und TMR-Schichtstrukturen in einer sog. Spin-Ventil-Anordnung verstanden werden.
Im Folgenden wird nun zunächst allgemein kurz auf GMR-Strukturen eingegangen. GMR-Strukturen werden häufig in einer CIP-Konfiguration betrieben, d. h. eine angelegte Spannung bewirkt einen Strom parallel zur Lagenstruktur. In der Praxis, zum Beispiel beim Einsatz in der Automobiltechnik, sind vor allem große Temperaturfenster, beispielsweise von –40°C bis +150°C und kleine Feldstärken von wenigen kA/m für einen optimalen und sicheren Betrieb notwendig. In den 1A bis 1C sind einige unterschiedliche Ausführungen von GMR-Strukturen dargestellt.
Die in 1A dargestellte GMR-Struktur zeigt den Fall eines gekoppelten GMR-Systems 100, bei dem zwei magnetische Schichten 102, 106, z. B. aus Cobalt (Co) durch eine nicht-magnetische Schicht 104, z. B. aus Kupfer (Cu), getrennt sind.
Die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 104 wird dabei so gewählt, dass sich ohne ein anliegendes, äußeren Magnetfeldfeld eine antiferromagnetische Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 einstellt. Dies soll durch die dargestellten Pfeile verdeutlicht werden.
Ein äußeres Feld verändert dann die anti-parallele Ausrichtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten 102, 106, wodurch sich auch der elektrische Widerstandswert der GMR-Struktur 100 verändert.
Die in 1B dargestellte GMR-Struktur zeigt eine Spin-Ventil-Anordnung 101, bei der die nicht-magnetische Schicht 104 so dick gewählt ist, dass keine magnetische Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 mehr zustande kommt. Die untere magnetische Schichtstruktur 106 ist stark an eine antiferromagnetische Schicht 108 gekoppelt, so dass sie magne tisch hart ist (vergleichbar zu einem Permanentmagneten). Daher kann die Schichtstruktur 106 als Referenzschichtstruktur mit einer Referenzmagnetisierungsrichtung betrachtet werden.
Die obere magnetische Schichtstruktur 102 ist weichmagnetisch und dient als Messschicht. Sie kann bereits durch ein kleineres äußeres Magnetfeld M ummagnetisiert werden, wodurch sich der Winkel zwischen der magnetischen Schichtstruktur 102 und der Referenzschichtstruktur 106 ändert. Dies resultiert in einer Änderung des elektrischen Widerstandswerts R.
Im Folgenden wird nun näher auf die in 1B dargestellte Spin-Ventil-Anordnung 101 eingegangen. Eine solche Spin-Ventil-Anordnung 101 besteht aus einer ferromagnetischen Schichtstruktur 102, die durch eine nicht-magnetische Schicht 104 von einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur 106 getrennt (magnetisch entkoppelt) ist, während deren Magnetisierungsrichtung aber durch die Kopplung an eine antiferromagnetische Schicht 108 mittels der sog. ”Exchange-Bias-Wechselwirkung” (Exchange-Bias = Austausch-Anisotropie) festgehalten wird. Der Exchange-Bias-Effekt besitzt als Kopplungsphänomen zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten entscheidende Bedeutung für die Realisierung empfindlicher Magnetfeldsensoren vom Spinventiltyp. Während für ferromagnetische Materialien die Hystereseschleife symmetrisch zum Nullpunkt eines externen Feldes liegt, weist ein Antiferromagnet/Ferromagnet-Schichtsystem eine vom Nullpunkt verschobene Hystereseschleife auf, bei der nur noch eine stabile Magnetisierungsrichtung vorhanden ist. Ein Herausdrehen der Magnetisierung aus dieser stabilen Richtung benötigt mehr Energie, als für das Drehen in die ursprüngliche Richtung. Dieser Energieunterschied wird als Austausch-Anisotropie bezeichnet. In Spinventilen sorgt eine antiferromagnetische Schicht dafür, dass die Magnetisierung der ferromagnetisch angrenzenden Schicht 106 festgehalten wird (englisch „pinning”). Daher bezeichnet man die ferromagnetische angrenzende Schichtstruktur 106 auch als „gepinnte” Schicht.
Die prinzipielle Funktionsweise einer Spin-Ventil-Struktur kann mittels der Magnetisierungs- und R(M)-Kurve in 1B verdeutlicht werden. Die Referenzmagnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Referenzschichtstruktur 106 bzw. der gepinnten Schicht wird in negativer Richtung festgehalten. Wird nun das äußere Magnetfeld M von negativen zu positiven Werten erhöht, so schaltet in der Nähe des Nulldurchgangs (H = 0) die „freie”, ferromagnetische Schicht 102 um, und der Widerstandswert R steigt steil an. Der Widerstandswert R bleibt dann so lange hoch, bis das äußere Magnetfeld M groß genug ist, um die Austauschkopplung zwischen der ferromagnetischen gepinnten Schicht 106 und der antiferromagnetischen Schicht 108 zu überwinden und auch die gepinnte Schicht 106 parallel zum externen Magnetfeld auszurichten. Der Widerstand nimmt dann wieder ab.
Die in 1C dargestellte GMR-Struktur 103 unterscheidet sich von der in 1B dargestellten GMR-Struktur 101 darin, dass hier die untere antiferromagnetische Schicht 108 durch eine Kombination aus einem natürlichen Antiferromagneten 110 und einem darüber befindlichen künstlichen Antiferromagneten 106, 107, 109 („Synthetic Anti-Ferromagnet”, SAF) ersetzt ist, der sich aus einer ferromagnetischen Referenzschichtstruktur 106, einer weiteren ferromagnetischen Schichtstruktur 107 und einer dazwischen befindlichen nicht-magnetischen Schichtstruktur 109 zusammensetzt. Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichtstruktur 107 wird durch die Kopplung an den natürlichen Antiferromagneten 110 mittels der ”Exchange-Bias-Wechselwirkung” festgehalten. Die ferromagnetischen Referenzschichtstruktur 106 ist durch die sog. RKKY-Wechselwirkung (Ruderman, Kittel, Kasuya und Yosida) antiferromagnetisch an die gepinnte ferromagnetische Schichtstruktur 107 gekoppelt. Auf diese Weise wird die Referenzmagnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Referenzschicht 106 festgehalten. Die obere, ferromagnetische Schichtstruktur 102 dient wiederum als Messschicht, deren Magnetisierungsrichtung leicht durch ein äußeres Magnetfeld gedreht werden kann.
Ein Vorteil der Verwendung der Kombination aus natürlichem und künstlichem Antiferromagneten im Vergleich zum Aufbau von 1B ist dabei eine größere Feld- und Temperaturstabilität.
Im Folgenden wird nun von 2A und 2B allgemein auf sog. TMR-Strukturen eingegangen. Für TMR-Strukturen ist das Anwendungsspektrum demjenigen von GMR-Strukturen sehr ähnlich. 2A zeigt nun eine typische TMR-Struktur 200.
An dieser Stelle soll betont werden, dass es sich bei TMR-Strukturen im Allgemeinen um komplexe Viellagenschichtsysteme handelt. Der Übersichtlichkeit halber wird dieses komplexe Viellagenschichtsystem auf drei Hauptschichten 202, 204, 206 beschränkt.
Die in 2A gezeigte TMR-Struktur 200 wird in CPP-Konfiguration betrieben. Der Tunnelmagnetwiderstand TMR wird in Tunnelkontakten erhalten, bei denen zwei ferromagnetische Elektroden 202, 206 durch eine dünne, elektrisch isolierende Tunnelbarriere 204 entkoppelt werden. Elektronen können durch diese dünne Barriere 204 zwischen den beiden Elektroden 202, 206 hindurch tunneln. Der Tunnelmagnetwiderstand beruht darauf, dass der Tunnelstrom von der relativen Orientierung der Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Elektroden 202, 206 abhängt.
2B zeigt eine TMR-Schichtstruktur 210, die in CIPT-Konfiguaration, (d. h. eine CIP-Konfiguration bei einem TMR-Schichtsystem) betrieben wird. Dazu befinden sich auf einer Oberfläche der Schichtstruktur 210 zwei elektrische Anschlüsse bzw. Elektroden 212, 214. Wird ein elektrisches Feld über die Elektroden 212, 214 an die TMR-Schichtstruktur 210 angelegt, so wird sich, abhängig von den Magnetisierungsrichtun gen. der magnetischen Schichten 202, 206 ein mehr oder weniger starker Stromfluss von der Elektrode 212 zu der Elektrode 214 (oder umgekehrt) ergeben. Die erste magnetische Schichtstruktur 202 weist einen Widerstand R₁ pro Einheitsfläche, die Barriereschicht 204 einen Barrierewiderstand R₁₂ und die zweite magnetische Schichtstruktur 206 einen Widerstand R₂ pro Einheitsfläche auf. Die Widerstandswerte R₁, R₁₂ und R₂ der drei Schichten sind jeweils mittlere elektrische Schichtwiderstände und bestimmen, wie sich ein Strom oder ein Strompfad zwischen der ersten Kontaktfläche 212 und der zweiten Kontaktfläche 214 in einen Storm I₁ entlang der ersten magnetischen Schichtstruktur 202 und einen Strom I₂ entlang der zweiten magnetischen Schichtstruktur 206 aufteilt. Die Widerstände sind dabei vom TMR-Effekt des TMR-Schichtsystems bzw. vom Kontaktabstand der ersten und der zweiten Kontaktflächen 212, 214 abhängig. Dabei ist insbesondere der Widerstand R₁₂ vom TMR-Effekt abhängig.
Die im Vorhergehenden beschriebenen magnetoresistiven Strukturen weisen also somit eine von einem anliegenden äußeren Magnetfeld abhängige elektrische Charakteristik auf, d. h. der spezifische Widerstand einer xMR-Struktur wird durch ein einwirkendes äußeres Magnetfeld beeinflusst.
Nachdem im Vorhergehenden die für das Verständnis von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung notwendigen Eigenschaften von GMR- und TMR-Schichtstrukturen beschrieben wurden, werden im Nachfolgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
3 zeigt eine Magnetfeldsensorstruktur 300.
Die Magnetfeldsensorstruktur 300 weist ein erstes magnetoresistives Element 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur 306-1 mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung RM1 und einem zweiten magneto resistiven Element 320-2 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer Referenzschichtstruktur 306-2 mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung RM2 auf. Das erste magnetoresistive Element 320-1 und das zweite magnetoresistive Element 320-2 sind in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht 312 galvanisch getrennt voneinander angeordnet. Die erste Referenzmagnetisierungsrichtung RM1 und die zweite Referenzmagnetisierungsrichtung RM2 sind unterschiedlich, insbesondere entgegengerichtet.
Die Schichtstrukturen 308-1 und 308-2 können antiferromagnetische Schichtstrukturen sein. Bei Ausführungsbeispielen können die Schichtstrukturen 308-1 und/oder 308-2 einen natürlichen Antiferromagneten aufweisen und zusätzlich darüber befindliche ferro- und nicht-magnetische Schichtstrukturen, die mit den Referenzschichtstrukturen 306-1 bzw. 306-2 einen künstlichen Antiferromagneten bilden, wie es anhand von 1C bereits beschrieben wurde. Die ferromagnetischen Schichten 302-1 und 302-2 sind durch Barriereschichten 304-1 bzw. 304-2, beispielsweise nicht-magnetische Schichten, von den jeweiligen ferromagnetischen Referenzschichtstrukturen 306-1 bzw. 306-2 getrennt.
Die Magnetfeldsensorstruktur 300 ist als integriertes Bauteil ausgebildet, welches beispielsweise im Rahmen eines CMOS-Prozesses hergestellt werden kann.
Beispielsweise ist das erste 320-1 und/oder das zweite magnetoresistive Element 320-2 als GMR-Spin-Ventil-Element (GMR = giant magneto-resistance) ausgebildet.
Beispielsweise ist das erste 320-1 und/oder das zweite magnetoresistive Element 320-2 als TMR-Spin-Ventil-Element (TMR = tunneling magento-resistance) ausgebildet.
Durch eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1, RM2 wird ein differentielles Messprinzip an ein- und demselben Ort ermöglicht, da die beiden magnetoresistiven xMR-Sensorelemente 320-1 und 320-2 vertikal übereinander angeordnet sind. Dabei meint entgegengesetzt, dass die Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 einen Winkel in einem Bereich von 180° ± 30° und insbesondere bei etwa 180° bilden. Mit diesem „Doppeldecker”-Prinzip können hochgenaue (frei von magnetischen Brücken-Offsets) Magnetfeldmessungen vorgenommen werden. Außerdem kann, im Vergleich zur Herstellung von herkömmlichen xMR-Sensoren, mit nur geringem Zeitmehraufwand eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen hergestellt bzw. prozessiert werden, wie es später bei einer Beschreibung eines Herstellungsverfahrens noch näher erläutert wird.
Eine spezifische Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung soll nun im Nachfolgenden anhand von 4 detailliert erläutert werden.
Die in 4 gezeigte Magnetfeldsensorstruktur 400 weist ein erstes magnetoresistives Element 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung und ein zweites magnetoresistives Element 320-2 in eine Spin-Ventil-Anordnung auf. Die in 3 gezeigten Schichtstrukturen 308-1 und 308-2 sind in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils durch eine Anordnung aus einem natürlichen Antiferromagneten 310-1 bzw. 310-2, einer ferromagnetischen Schicht 307-1 bzw. 307-2, und einer nicht-magnetischen Schicht 309-1 bzw. 309-2, ersetzt. Die Anordnungen aus den Referenzschichtstrukturen 306-1 bzw. 306-2, den nicht-magnetischen Schichtstrukturen 309-1 bzw. 309-2 und der ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 bzw. 307-2 (gepinnte Schichten) bilden jeweils einen künstlichen Antiferromagneten. Die ferromagnetischen Schichtstrukturen bzw. die gepinnten Schichten 307-1 bzw. 307-2 sind durch die RKKY- Wechselwirkung jeweils antiferromagnetisch mit den Referenzschichtstrukturen 306-1 bzw. 306-2 gekoppelt.
Die erste Referenzschichtstruktur 306-1 weist eine Schichtdicke D_RL,1 auf und die erste ferromagnetische Schichtstruktur 307-1 weist eine Schichtdicke D_PL,1 auf. Die zweite Referenzschichtstruktur 306-2 weist eine Schichtdicke D_RL,2 auf und die zweite ferromagnetische Schichtstruktur 307-2 weist eine Schichtdicke D_PL,2 auf.
Bei den in 4 gezeigten Spin-Ventil-Anordnungen 320-1, 320-2 handelt es sich jeweils um sog. „bottom-pinned” Spin-Ventil-Anordnungen, bei denen auf einen natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) ein künstlicher Antiferromagnet, bestehend aus einer gepinnten Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2), einer nicht-magnetischen Schicht 309-n (n = 1, 2) und der ferromagnetischen Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) aufgebracht ist. Nach einer weiteren nicht-magnetischen Schicht 304-n (n = 1, 2) wird darauf die jeweilige Sensorschicht 302-n (n = 1, 2) angeordnet bzw. abgeschieden.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 der Schichtdicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 zu der Schichtdicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 kleiner als 1 und ein zweites Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 der Schichtdicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-2 zu der Schichtdicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur 306-2 größer als 1, d. h. D_PL,1/D_RL,1 < 1 und D_PL,2/D_RL,2 > 1. Insbesondere kann bei Ausführungsbeispielen das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 zu dem zweiten Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 invers sein, d. h. D_PL,1/D_RL,1 = D_RL,2/D_PL,2. Natürlich kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 größer als 1 und das zweite Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 kleiner als 1 sein, d. h. d. h. D_PL,1/D_RL,1 > 1 und D_PL,2/D_RL,2 < 1.
Das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kleiner als 1, d. h. die ferromagnetische Referenzschichtstruktur 306-1 weist eine größere Dicke D_RL,1 als die erste ferromagnetische Schichtstruktur 307-1 auf. Demnach weist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die zweite ferromagnetische Referenzschichtstruktur 306-2 eine geringere Dicke D_RL,2 auf als die zweite ferromagnetische Schichtstruktur 307-2.
Die unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 können in einem Herstellungsprozess gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch Anlegen eines Magnetisierungsfelds 350 mit genau einer Magnetisierungsvorzugsrichtung festgelegt werden. Dazu sind erfindungsgemäß spezielle Schichtdickenverhältnisse D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) von Schichtdicken der Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) und Schichtdicken der ferromagnetischen Schichtstrukturen 307-n (n = 1, 2) zu wählen, sowie spezielle Magnetisierungsfeldstärken in Abhängigkeit von den Schichtdicken bzw. Schichtdickenverhältnissen, wie es im Nachfolgenden näher erläutert wird.
Ein Verfahren zum Herstellen der Magnetfeldsensorstruktur 400 umfasst ein Anordnen des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 mit einer Schichtdicke D_RL,1 und einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 mit einer Schichtdicke D_PL,1 und ein Anordnen eines zweiten magnetoresistiven Elements 320-1, vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem durch die Schicht 312 galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur 306-2 mit einer Schichtdicke D_RL,2 und einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-2 mit einer Schichtdicke D_PL,2, wobei das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 der Schichtdicke D_PL,1 zu der Schichtdicke D_RL,1 größer als 1 ist und das zweite Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 der Schichtdicke D_PL,2 zu der Schichtdicke D_RL,2 kleiner als 1 ist, und ein Aussetzen des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld 350 mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um unterschiedliche, insbesondere entgegengesetzte, Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 in der ersten 306-1 und zweiten Referenzschichtstruktur 306-2 zu erhalten.
Die beiden Spin-Ventil-Einzelsensoren 320-1 und 320-2 werden übereinander, durch die Isolationsbarriere 312 galvanisch voneinander getrennt auf einem Substrat angeordnet, beispielsweise mittels eines Abscheidevorgangs. Die beiden magnetoresistiven Elemente 320-1 und 320-2 unterscheiden sich lediglich in ihren Referenzsystemen, welche aus der jeweils gepinnten Schicht 307-n (n = 1, 2) und der entsprechenden ferromagnetischen Referenzschicht 306-n (n = 1, 2) bestehen. Jeweils beide Schichten zusammen mit der nicht-magnetischen Schicht 309-n (n = 1, 2) bilden jeweils einen künstlichen Antiferromagneten, dessen Nettomagnetmoment bei ungleichen Schichtdicken D_PL,n und D_RL,n (n = 1, 2) durch die „dickere” der beiden Schichten 307-n (n = 1, 2), 306-n (n = 1, 2) bestimmt ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Magnetisierungsprozess mit einem Magnetisierungsfeld 350 wird deshalb die jeweils dickere Schicht der Schichten 307-n (n = 1, 2), 306-n (n = 1, 2) in Richtung des Magnetisierungsfeldes 350 gedreht, die jeweils dünnere Schicht folgt der dickeren Schicht antiparallel aufgrund ihrer antiferromagnetischen Kopplung durch die RKKY-Wechselwirkung.
Für den xMR-Effekt ist die Magnetisierungsrichtung zwischen der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) und der Referenzschicht 306-n (n = 1, 2) entscheidend. Bei einem Magnetisierungsprozess mit einer Magnetisierungsfeldrichtung können je nach Schichtdickenverhältnis D_RL,n/D_PL,n (n = 1, 2) Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1, RM2 der Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) entweder parallel oder antiparallel zu einem lateralen, zu detektierenden Magnetfeld eingestellt werden. Somit ist es bei Ausführungsbeispielen möglich, durch einen einzigen Magnetisierungsvorgang beispielsweise eines ganzen Wafers in einem homogenen Magnetisierungsfeld 350 lokal antiparallele Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1, RM2 der beiden Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) in den beiden Einzelsensoren 320-1 und 320-2 zu generieren.
Bei Ausführungsbeispielen können die beiden Einzelsensoren 320-1 und 320-2 jeweils über elektrische Kontakte beispielsweise von der Unterseite (unterer Sensor 320-1 wird angesteuert) bzw. der Oberseite (oberer Sensor 320-2 wird angesteuert) elektrisch angeschlossen werden.
Eine Aufbaumöglichkeit einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung soll im Nachfolgenden detaillierter erläutert werden. Auf einen natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) wird jeweils ein künstlicher Antiferromagnet (z. B. PtMn, IrMn) bestehend aus einer ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) (z. B. CoFe, einer nicht-magnetischen Zwischenschicht 309-n (n = 1, 2) (z. B. Ro) und einer weiteren ferromagnetischen Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) (z. B. CoFe) angeordnet, z. B. durch einen Abscheidevorgang. Die ferromagnetische gepinnte Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) ist an den natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) über das Exchange-Bias-Feld gekoppelt und bildet somit eine Referenzmagnetisierung für die jeweilige Magnetfeldsensorstruktur 320-1 bzw. 320-2. Das Verhältnis der Schichtdicken von der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 zu ersten Referenzschichtstruktur 306-1 ist hier beispielsweise kleiner 1. Auf den künstlichen Antiferromagneten wird eine weitere nicht-magnetische Schicht 304-n (n = 1, 2) (z. B. Cu) mit einer darauf folgenden weiteren ferromagnetischen Schicht 302-n (n = 1, 2) (z. B. CoFe, NiFe), die als Sensorschicht dient, angeordnet bzw. abgeschieden.
Beispiele für Materialien für einen natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) sind PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, IrMnCr, RhMn, PtRuMn, PtRhMn. Als ferromagnetische Materialien für ferromagnetische Schichtstrukturen 306-n (n = 1, 2), 307-n (n = 1, 2) können beispielsweise CoFe, NiFe, CoFeB, NiFeB, NiCoFe, Co, FeN und Kombinationen in Lagenabfolge und Komposition – auch mit N-Gehalt dienen. Für die nichtmagnetischen Zwischenschichten 309-n (n = 1, 2) können beispielsweise Cu, Cr, Ru, Ir, Alox, MgO, AlN zum Einsatz kommen.
Nach Abscheidung des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 wird eine galvanisch isolierende Barrierenschicht 312 aufgetragen. Hierfür kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) verwendet werden, welches ohnehin für die TMR-Technologie verwendet wird und somit bei der Prozessierung von TMR-Strukturen in einer Abscheideablage verfügbar ist. Die Barriereschicht 312 kann somit ohne Unterbrechung eines Vakuums in-situ aufgebracht werden. Auf die Barriereschicht 312 wird ein weiteres magnetoresistives Element 320-2 aufgebracht, bei dem das Schichtdickenverhältnis von der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-2 zu der ferromagnetischen Referenzschicht 306-2 beispielsweise kleiner als 1 ist. Nach Abscheidung des zweiten, oberen magnetoresistiven Elements 320-2 wird üblicherweise zur Passivierung eine Capping-Schicht aus zum Beispiel Ta oder TaN aufgebracht.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den magnetoresistiven Elementen 320-n (n = 1, 2) um so genannte Bottom-pinned-Spin-Ventil-Anordnungen (BSV). Eine Bottom-pinned-Spin-Ventil-Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einen natürlichen Antiferromagneten eine ferromagnetische Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) als gepinnte Schicht aufgebracht wird usw. Im Gegensatz dazu wird bei einer Top-pinned-Spin-Ventil-Anordnung (TSV) eine Schichtabfolge umgekehrt zu der in 4 dargestellten sein. D. h. die ferromagnetische Schicht 307-n (n = 1, 2) wird sich unterhalb des natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) befinden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen natürlich auch Magnetfeldsensorstrukturen mit Top-pinned-Spin-Ventil-Anordnung. Ebenso ist denkbar, eine Mischung aus beiden Typen vorzusehen.
Wird bei dem Magnetisierungseinschreibvorgang ein Magnetisierungsfeld 350 angelegt, welches, wie in 4 angedeutet, zum Beispiel nach rechts zeigt, würde sich für das in 4 gezeigte untere magnetoresistive Element 320-1 eine Magnetisierungsrichtung RM1 der Referenzschichtstruktur 306-1 nach rechts ergeben, für das obere magnetoresistive Element 320-2, ergäbe sich eine nach links ausgerichtete Referenzmagnetisierung RM2.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird das Magnetisierungsfeld 350 bzw. dessen Feldstärke mit der gewünschten Magnetisierungsrichtung derart gewählt, dass die antiferromagnetische Kopplung zwischen der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und der ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) aufgrund der RKKY-Wechselwirkung durch das Magnetisierungsfeld 350 nicht aufgebrochen wird. Bei einer aufgebrochenen antiferromagnetischen Kopplung würden ansonsten die Magnetisierungen der Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) und der gepinnten ferromagnetischen Schichtstrukturen 307-n (n = 1, 2) für mittelgroße (100 mT bis 500 mT) Magnetisierungsfelder 350 auch senkrechte Komponenten zu dem Magnetisierungsfeld 350 aufweisen, bzw. für sehr hohe Magnetisierungsfelder 350 (größer als 500 mT) die Magnetisierungen der Referenzschichten 306-n (n = 1, 2) und der gepinnten ferromagnetischen Schichten 307-n (n = 1, 2) in Richtung des Magnetisierungsfeldes ausgerichtet werden. Es ergäbe sich dann für das erste magnetoresistive Element 320-1 und das zweite magnetoresistive Element 320-2 kein Unterschied mehr in der magnetischen Ausrichtung der jeweiligen Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2). In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs das erste magnetoresistive Element 320-1 und das zweite magnetoresistive Element 320-2 einem erfindungsgemäß nicht zu großen Magnetisierungsfeld mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung ausgesetzt werden sollten. Um unterschiedliche (entgegengesetzte) Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 in der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 und der zweiten Referenzschichtstruktur 306-2 zu erhalten, sollte eine Feldstärke des Magnetisierungsfelds 350 abhängig von Schichtdickenverhältnissen D_RL,n/D_PL,n (n = 1, 2) auf einen Wert unter 300 mT, insbesondere zwischen 10 mT und 250 mT (mT = Milli-Tesla) eingestellt werden. Ein genauer Wert für das Magnetisierungsfelds 350 hängt von verwendeten Materialien, Schichtdicken und der antiferromagnetischen Kopplung (RKKY-Wechselwirkung) zwischen den ferromagnetischen Schichten 306-n und 307-n (n = 1, 2).
5 zeigt Ergebnisse von mikromagnetischen Simulationen bezüglich einer entgegengesetzten bzw. anti-parallelen Ausrichtung der Referenzmagnetisierungen RM1 und RM2 der Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) und der entsprechenden ferromagnetischen Schichtstrukturen 307-n (n = 1, 2) als Funktion eines angelegten Magnetisierungsfeldes 350 während eines Magnetisierungsvorgangs gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die ferromagnetische Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) wurde dabei als „frei” angesehen. Dabei meint „frei”, dass die ferromagnetische Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) während eines Magnetisierungsvorgangs bei hoher Temperatur nicht durch die Exchange-Bias-Wechselwirkung an den natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) gepinnt ist.
Die Y-Achse beschreibt den Cosinus eines Winkels zwischen der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und der entsprechenden gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2). Der Wert –1.0 entspricht einer idealen antiparallelen Ausrichtung zwischen Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und der entsprechenden gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2). Für den Fall eines nur gering asymmetrischen Schichtdickenverhältnisses D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) von 22/18, insbesondere 22 Å/18 Å, d. h. beispielsweise D_PL,n (n = 1, 2) = 22 Å und D_RL,1,n (n = 1, 2) = 18 Å, erkennt man, dass eine antiparallele Ausrichtung von der ersten bzw. zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung zu der Magnetisierungsrichtung der ersten bzw. zweiten gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2), bis zu einer Magnetisierungsfeldstärke von ca. 100 mT erhalten bleibt.
Eine weitere Verschiebung des Schichtdickenverhältnisses D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) zu 25/15, insbesondere 25 Å/15 Å, d. h. beispielsweise D_PL,n (n = 1, 2) = 25 Å und D_RL,n (n = 1, 2) = 15 Å, erweitert den erlaubten Magnetisierungsfeldbereich auf ca. ±250 mT.
Dabei spielt es keine Rolle, welche der jeweils beiden Schichten 306-n (n = 1, 2), 307-n (n = 1, 2) die dickere ist, d. h. ob D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) größer oder kleiner als 1 ist.
Neben einer maximalen Magnetisierungsfeldstärke für einen Magnetisierungsvorgang von Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gibt es auch eine minimale Magnetisierungsfeldstärke, welche bei dem Magnetisierungsvorgang erreicht werden sollte. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist ein Magnetisierungsfeld 350 eine Feldstärke von wenigstens 5 mT auf. Vorzugsweise ist eine Feldstärke des Magnetisierungsfelds größer als 20 mT zu wählen.
Sensoren auf xMR-Basis, insbesondere Speed-Sensoren, weisen im Allgemeinen eine magnetische Anisotropie auf, die üblicherweise durch eine Strukturbreite durch Ausnutzung der sog. Form-Anisotropie eingestellt wird, so dass Strukturbreiten von typischerweise 1 μm verwendet werden. Dazu zeigt 6 eine Aufsicht auf eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Eine Breite und eine Steilheit des Widerstandsschaltbereiches, die dann letztlich den Bereich einer detektierbaren Magnetfeldänderung bestimmen, können beispielsweise über eingeprägte magnetische Anisotropie-Achsen eingestellt werden. Anisotropie bezeichnet im Allgemeinen eine Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft, hier insbesondere die Richtungsabhängigkeit der Magnetisierung der freien Schicht 302-n (n = 1, 2). Dafür eignet sich beispielsweise die sog. Formanisotropie, die von einem lateralen geometrischen Aspektverhältnis der xMR-Magnetfeldsensorstruktur 400 bestimmt ist. Beispielsweise verbleibt bei einer xMR-Struktur, deren Länge wesentlich größer als deren Breite sei, die Magnetisierung vorzugsweise in Richtung der Längsachse. Dies ist eine sog. leichte Richtung. Hier ist die magnetische Anisotropie also wesentlich durch die Form der Probe bestimmt. Man nennt diese dann dementsprechend Formanisotropie. Dabei ist es aus Minimierungsgründen der magnetostatischen Energie günstig, wenn sich die Magnetisierungsrichtung durch die Formanisotropie entlang der Längsachse der xMR-Struktur 400 ausrichtet. Der Effekt ist umso stärker, je schmaler die xMR-Struktur ist. Bei einer Konfiguration der xMR-Struktur, wie sie in 6 gezeigt ist, ergibt sich unter Berücksichtigung von Formanisotropie-Effekten deshalb eine Magnetisierung der freien Schicht 302-n (n = 1, 2), die senkrecht bzw. näherungsweise senkrecht zur Referenzmagnetisierungsrichtung der jeweiligen Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) steht, wie es in 6 angedeutet ist. Ohne ein äußeres Magnetfeld weist jede der beiden Spin-Ventil-Anordnungen 320-n (n = 1, 2) deshalb einen mittleren elektrischen Widerstand auf. Ein positives oder negatives magnetisches Feld entlang der Referenzmagnetisierungsachsen führt dazu, dass die Magnetisierung der freien Schicht 302-1 bzw. 302-2 entgegen der Formanisotropie aus ihrer ursprünglichen Lage heraus gedreht wird, bis sie parallel bzw. antiparallel zur jeweiligen Referenzmagnetisierung RM1 bzw. RM2 der entsprechenden Referenzschicht 306-1 bzw. 306-2 steht. Dabei wird eine der beiden freien Schichten parallel zu ihrer Referenzschichtstruktur ausgerichtet (Widerstand sinkt), während die andere freie Schicht gleichzeitig anti-parallel zu ihrer Referenzschichtstruktur ausgerichtet wird (Widerstand steigt).
Durch die Formanisotropie bei Streifenstrukturen ergibt sich eine Art Rückstellkraft für die Magnetisierung der freien Schicht. Dadurch können nicht nur Magnetisierungsrichtungen, sondern auch Magnetfeldstärken gemessen werden. Werden hingegen breite Strukturen verwendet, so kommt es zu keiner Formanisotropie und damit auch nicht zu einer Rückstellkraft für die Magnetisierung der freien Schicht. Dadurch ist ohne Formanisotropie eine exakte Magnetfeldrichtungsmessung möglich.
Zur Veranschaulichung sind in den 7A bis 7D Aufsichten auf lokale Referenzmagnetisierungen einer Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) einer 1 μm breiten Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen für verschiedene Schichtdickenverhältnisse D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) gezeigt, wie sie aus mikro-magnetischen Simulationen hervorgehen.
7A zeigt eine Aufsicht auf die Referenzmagnetisierungsrichtung einer Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) eines 1 μm breiten Streifens bei einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 25/15 (n = 1, 2) bei einer Magnetisierungsfeldstärke von 40 mT bis 80 mT. 7B zeigt eine Aufsicht auf die Referenzmagnetisierungsrichtung einer Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) eines 1 μm breiten Streifens bei einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 15/25 (n = 1, 2) bei einer Magnetisierungsfeldstärke von 40 mT bis 80 mT.
Bei den in 7A, 7B gezeigten Schichtdickenverhältnissen sind selbst die Randmagnetisierungen bereits in etwa Referenzmagnetisierungsrichtung ausgerichtet. Aufgrund des großen Unterschieds der Schichtdicken von Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und gepinnter ferromagnetischer Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) ist das Nettomagnetmoment relativ hoch, was zu einer guten Ausrichtbarkeit in einem relativ großen Magnetfeldbereich zur Magnetisierung führt.
Ein geringerer Unterschied der Schichtdicken von Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und gepinnter ferromagnetischer Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) resultiert in einem geringeren Nettomagnetmoment, was zu einer schlechtren Ausrichtung in einem Magnetisierungsfeld 350 führt. Dieser Zusammenhang ist in 7C für ein Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 22/18 (n = 1, 2) bei einer Magnetisierungsfeldstärke von 20 mT bis 30 mT gezeigt. 7D zeigt eine Aufsicht auf die Referenzmagnetisierungsrichtung einer Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) eines 1 μm breiten Streifens bei einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 18/22 (n = 1, 2) bei einer Magnetisierungsfeldstärke von 20 mT bis 30 mT.
Aufgrund der Tatsache, dass das maximal mögliche Magnetisierungsfeld 350 für diesen Fall auf ca. 30 mT bis 40 mT beschränkt ist, wie es anhand von 5 im Vorhergehenden beschrieben wurde, können hier insbesondere die Randmagnetisierungen nicht mehr vollkommen in die Richtung des äußeren Magnetisierungsfelds 350 gelenkt werden. Der anwendbare Magnetisierungsfeldbereich reduziert sich bei den obigen Schichtdickenverhältnissen auf ca. 20 mT bis 30 mT.
Unterschiedliche Schichtdickenverhältnisse von Dicken der ferromagnetischen gepinnten Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) zu der Dicke der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) haben einen Einfluss auf eine Widerstandsantwort der jeweiligen Spin-Ventil-Anordnungen einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung als Funktion eines von außen angelegten magnetischen Feldes. Eine Widerstandsantwort als Funktion eines von außen angelegten magnetischen Feldes wird im Allgemeinen auch als Großfeldverhalten bzw. sog. Major-Loop bezeichnet. 8 zeigt verschiedene Major-Loop Charakteristika für verschiedene Schichtdickenverhältnisse D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2).
Die in 8 gezeigte Kurve 801 entspricht einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 25/15 (n = 1, 2). Die gezeigte Kurve 802 entspricht einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 15/25 (n = 1, 2). Die Kurve 803 gehört zu einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 22/18 (n = 1, 2). Die Kurve 804 entspricht einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n = 18/22 (n = 1, 2). Die Kurven 801 bis 804 basieren auf Simulationen gemäß des sog. Stoner-Wohlfahrt-Modells.
Der hochohmige Bereich, d. h. der Bereich mit einem hohen GMR-Signal, beschreibt denjenigen Bereich, indem ein äußeres zu sensierendes Magnetfeld die freie Schicht 302-n (n = 1, 2) im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Referenzmagnetisierungsrichtung der Referenzschicht 306-n (n = 1, 2) magnetisiert. Umgekehrt ist im Niederohmbereich, d. h. dem Bereich mit geringen GMR-Signalen, die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) im Wesentlichen gleich gerichtet zu der Referenzmagnetisierungsrichtung der Referenzschicht 306-n (n = 1, 2). Anders ausgedrückt, ist im Hochohmbereich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) gleich der Magnetisierungsrichtung der gepinnten ferromagnetischen Schicht 307-n (n = 1, 2) und im Niederohmbereich die Magnetisierung der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2).
Bei einem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) größer als 1, d. h. die Dicke der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) ist größer als die Dicke der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2), lässt sich aus 8 ein relativ ausgeprägter Hochohmbereich erkennen (Kurven 801, 803), jedoch ist bei Schichtdickenverhältnissen D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) größer als 1, eine Niederohm-Plateaubreite relativ gering. Einflussgrößen für die Hochohm-Plateaubreite sind im Wesentlichen die antiferromagnetische Kopplungsstärke zwischen der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) und der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) aufgrund der RKKY-Wechselwirkung in Kombination mit einem geringeren Einfluss der Pinningstärke der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2), d. h. der Exchange-Bias-Wechselwirkung mit dem natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2).
Die Breite des Plateaus im Niederohmbereich wird im Wesentlichen von der Pinningfeldstärke der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) an den natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) bestimmt. D. h. bei Schichtdickenverhältnissen D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) kleiner 1 ist die antiferromagnetische Kopplung zwischen Schicht 306-n (n = 1, 2) und 307-n (n = 1, 2) relativ gering ausgeprägt, wohingegen die Pinningfeldstärke zwischen der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) und dem natürlichen Antiferromagneten 310-n (n = 1, 2) vergleichsweise hoch ist. Bei Schichtdickenverhältnissen D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) größer 1 verhält es sich genau umgekehrt.
Da die Schichtdicken D_RL,n (n = 1, 2) der Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und die Schichtdicken D_PL,n (n = 1, 2) der gepinnten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) das effektive jeweilige Magnetmoment bestimmen, wird die Major-Loop deutlich von diesem Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) beeinflusst.
Aus 8 lässt sich erkennen, dass für ein Erreichen von sehr ähnlichen bzw. symmetrischen magnetischem Verhalten der ersten 320-2 und zweiten Spin-Ventil-Anordnung 320-2 der Magnetfeldsensorstruktur 400 die Schichtdicken der Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) und der entsprechenden ferromagnetischen gepinnten Schichtstrukturen 307-n (n = 1, 2) nicht zu verschieden sein sollten. Dies steht im Gegensatz zum Einsatz von hohen Magnetisierungsfeldstärken. Wie im Vorhergehenden anhand der 5 bereits beschrieben wurde, ist bei einem Einsatz von hohen Magnetisierungsfeldstärken bei einem Magnetisierungseinschreibvorgang ein entsprechend großer Unterschied der Schichtdicken D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) erstrebenswert.
Insgesamt betrachtet, ergeben sich folgende Kriterien für eine Einstellung der Schichtdickenverhältnisse von Referenzschichtstruktur 306-n (n = 1, 2) und ferromagnetischer Schichtstruktur 307-n (n = 1, 2) des ersten 320-1 und des zweiten magnetoresistiven Elementes 320-2 einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen:

– gleiche bis sehr ähnliche xMR-Signale beider magnetoresistiver Elemente (d. h. Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) nahe 1)
– gleiche bis sehr ähnliche Schichtwiderstände beider xMR-Elemente (dies kann auch über Anpassung der übrigen Schichtdicken erreicht werden)
– gute Magnetisierbarkeit auch der Magnetisierungen in den Randbereichen in einem möglichst breiten Magnetisierungsfeldfenster (d. h. Schichtdickenverhältnis D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) möglichst deutlich verschieden von 1)
– ausreichend große Plateaubreiten für beide Sensoren 320-n (n = 1, 2).

Durch geeignete Schichtdickenverhältnisse D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) können diese Kriterien erfüllt werden, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde. Außerdem weicht bei Ausführungsbeispielen die Schichtdicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 von der Schichtdicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der ersten Referenzschichtstruktur ab, d. h. 0,25D_PL,1/D_RL,1 < 1,75D_RL,1. Die Schichtdicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur weicht von der Schichtdicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur ebenfalls um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der zweiten Referenzschichtstruktur ab, d. h. 0,25D_RL,2 < D_PL,2 < 1,75D_RL,2.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetfeldsensorstruktur ist in 9 gezeigt.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Magnetfeldsensorstruktur 900 ein erstes magnetoresistives Element 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung auf, wie es bereits anhand von 4 beschrieben wurde. Dabei ist zu beachten, dass bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel das Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 der Dicke D_PL _,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 zu der Dicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 größer als 1 ist, d. h. D_PL,1/D_RL,1 > 1.
Das zweite magnetoresistive Element 320-2 weist als Referenzschicht 306-2 lediglich eine gepinnte Schicht über dem natürlichen Antiferromagneten 308-2 auf. Eine solche Spin-Ventil-Anordnung nennt man „simple pinned”, da sie nur eine gepinnte Schichtstruktur 306-2, die gleichzeitig als Referenzschichtstruktur dient, aufweist. Sie wurde im Vorhergehenden bereits anhand von 1B beschrieben.
Bei einem Magnetisierungsprozess der in 9 gezeigten Magnetfeldsensorstruktur 900 existiert für eine Magnetisierungsfeldstärke, im Gegensatz zu der in 4 beschriebenen Struktur, keine obere Schranke, was einen Vorteil einer möglichen Prozessierung in bereits bestehenden Magnetöfen mit nur einer fixen, großen Magnetisierungsfeldstärke hat. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann bei der in 9 dargestellten Struktur 900 ein magnetisches Verhalten des oberen und unteren Teilsensors aufgrund eines nicht zu vernachlässigenden magneto-statischen Streufelds der zweiten Referenzschichtstruktur 306-2 (gepinnte Schicht) unterschiedlich sein. Für manche Anwendungen wirkt dies nicht beeinträchtigend, so dass das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel eine prozessoptimierte Variante des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels darstellt.
Ein Verfahren zur Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß 9 umfasst demnach ein Anordnen eines ersten magnetoresistiven Elements 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur 306-1 mit einer Schichtdicke D_RL,1 und einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 mit einer Schichtdicke D_PL,1 und ein Anordnen eines zweiten magnetoresistiven Elements 320-2, vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element 320-1 und von diesem galvanisch durch die Isolationsbarriere 312 getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschicht 306-2, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,1 zu der Schichtdicke D_RL,1 größer als 1 ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur 900 gemäß 9 ein Aussetzen des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld 350 mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen in der ersten und in der zweiten Referenzschichtstruktur 306-1 und 306- zu erhalten. Insbesondere werden bei dem Magnetisierungseinschreibvorgang entgegengesetzte Referenzmagnetisierungsrichtung in der ersten und in der zweiten Referenzschichtstruktur 306-1 und 306-2 erhalten. Dazu kann das Magnetisierungsfeld 350 eine Feldstärke von wenigstens 5 mT aufweisen. Vorzugsweise ist eine Feldstärke des Magnetisierungsfelds 350 größer als 20 mT zu wählen.
Ein Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 größer als 1 bewirkt hier, dass die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen gepinnten Schichtstrukturen 306-2 und 307-1 jeweils gleich gerichtet sind. Die Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schichtstruktur 306-2 stellt gleichzeitig die Referenzmagnetisierungsrichtung des zweiten, oberen magnetoresistiven Elements 320-2 dar. Die Referenzmagnetisierung des unteren, ersten magnetoresistiven Elements 320-1 ergibt sich durch die antiferromagnetische Kopplung der ersten Referenzschichtstruktur 306-1 zu der gepinnten Schichtstruktur 307-1 entgegengesetzt zu der Referenzmagnetisierung der zweiten Referenzschichtstruktur 306-2.
Neben den im Vorhergehenden anhand der 2 bis 9 beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und/oder RM2 durch Schichtdickenverhältnisse D_PL,n/D_RL,n (n = 1, 2) eingestellt werden können, umfassen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Magnetfeldsensorstrukturen, bei denen die Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 durch jeweils eine unterschiedliche, d. h. geradzahlige und ungeradzahlige Anzahl, von ferromagnetischen Schichtstrukturen, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, eingestellt werden kann. Dazu zeigt 10 eine Magnetfeldsensorstruktur 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die in 10 gezeigte Magnetfeldsensorstruktur 1000 weist ein erstes magnetoresistives Element 320-1 in einer Spin-Ventil-Anorndung und ein zweites magnetoresistives Element 320-2 in einer Spin-Ventil-Anordnung auf. Das erste magnetoresistive Element 320-1 weist drei, durch nichtmagnetische Schichten 309-1, 309'-1 getrennte ferromagnetische Schichtstrukturen 306-1, 307-1 und 307'-1 auf, die nach einem Magnetisierungsvorgang antiferromagnetisch gekoppelt sind. Das zweite magnetoresistive Element 320-2 weist zwei, durch eine nichtmagnetische Schicht 309-2 getrennte ferromagnetische Schichtstrukturen 306-2 und 307-2 auf, die nach dem Magnetisierungsprozess antiferromagnetisch gekoppelt sind. Die antiferromagnetische Kopplung entsteht dabei beispielsweise durch die RKKY-Wechselwirkung.
Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schichtdicken der ferromagnetischen Schichten 306-1, 307-1 und 307'-1 bzw. 306-2 und 307-2 zum Einstellen der jeweiligen Referenzmagnetisierung RM1, RM2 der Referenzschichtstrukturen 306-1, 306-2 weitgehend unerheblich – vorausgesetzt die Feldstärke des Magnetisierungsfelds 350 ist groß genug, um die RKKY-Wechselwirkung aufzubrechen, beispielsweise größer als 500 mT. In diesem Fall können die unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 und RM2 vielmehr durch die jeweilige Anzahl der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten in den magnetoresistiven Elementen 320-1, 320-2 bestimmt werden. Dazu ist in einem der beiden magnetoresistiven Elemente (hier 320-1) eine Anzahl a der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen ungeradzahlig zu wählen, d. h. a = 2x + 1 (x = 0, 1, 2, 3, ...), während in dem anderen magnetoresistiven Element (hier 320-2) eine Anzahl b der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen geradzahlig, d. h. b = 2y (y = 1, 2, 3, ...), zu wählen ist. Dabei kann ein Unterschied zwischen a und b, wie in 10 dargestellt, 1 betragen, kann aber auch durchaus größer als 1 sein. Durch die jeweils entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung zweier benachbarter antiferromagnetisch gekoppelter ferromagnetischer Schichtstrukturen ergeben sich somit für die Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) jeweils entgegengesetzte Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1 bzw. RM2, so wie es in 10 exemplarisch gezeigt ist.
Um eine Herstellung einer Magnetfeldsensorstruktur 1000 möglichst einfach zu halten, werden die Schichtdicken der einzelnen antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel gleich gewählt.
Natürlich können bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Schichtdicken der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten auch unterschiedlich gewählt werden. Bei einem ausreichend großen Magnetisierungsfeld 350 bei einem Magnetisierungseinschreibvorgang richten sich sämtliche ferromagnetischen Schichten in Richtung der Magnetisierungsfeldrichtung aus. Durch die Exchange-Bias-Wechselwirkung wird diese Magnetisierungsfeldrichtung bei einem Abkühlen des Magnetfeldsensors 1000 in den gepinnten Schichten 307'-1 und 307-2 festgehalten. Die Magnetisierungen der jeweils darüberliegenden ferromagnetischen Schichten 307-1 bzw. 306-2 zeigen aufgrund der antiferromagnetischen Kopplung jeweils in die zu den gepinnten Schichten 307'-1 bzw. 307-2 entgegengesetzte Richtung. Während die ferromagnetische Schichtstruktur 306-2 bereits die Referenzschicht des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 ist, und somit ihre Magnetisierungsrichtung der Referenzmagnetisierungsrichtung RM2 entspricht, folgt über der ferromagnetischen Schichtstruktur 307-1 des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 eine weitere ferromagnetische Schichtstruktur 306-1, die an die ferromagnetische Schichtstruktur 307-1 wiederum antiferromagnetisch gekoppelt ist, so dass deren Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtung der Schichtstruktur 307-1 wieder entgegengerichtet ist. Da die Schichtstruktur 306-1 die Referenzschicht des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 ist, entspricht somit ihre Magnetisierungsrichtung der Referenzmagnetisierungsrichtung RM1, welche der Referenzmagnetisierungsrichtung RM2 entgegengerichtet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen der Magnetfeldsensorstruktur 1000 umfasst demnach ein Anordnen des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ungeraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen 306-1, 307-1, 307'-1, die antiferromagnetisch miteinander koppelbar sind, ein Anordnen des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element 320-1 und von diesem durch die Isolationsschicht 312 galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer geraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen 306-2, 307-2, die antiferromagnetisch miteinander koppelbar sind. Ferner umfasst das Verfahren ein Aussetzen des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld 350 mit einer Magnetisierungsvor zugsrichtung, um eine erste ferromagnetische Referenzschichtstruktur 306-1 des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und eine zweite ferromagnetische Referenzschichtstruktur 306-2 des zweiten magnetoresistiven Elements 320-2 zu erhalten, die unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1, RM2 aufweisen.
Dabei bilden die Referenzschichtstrukturen 306-n (n = 1, 2) jeweils eine oberste bzw. eine unterste Schichtstruktur eines Schichtstrukturstapels aus den antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen, je nachdem, ob es sich um eine Bottom-pinned-Spin-Ventil-Anordnungen oder eine Top-pinned-Spin-Ventil-Anordnungen handelt.
Durch Verwendung von einer ungeraden Anzahl (a > 2) von ferromagnetischen Schichtstrukturen in dem ersten magnetoresistiven Element 320-1 und einer geraden Anzahl (b ≥ 2) von ferromagnetischen Schichtstrukturen in dem zweiten magnetoresistiven Element 320-2 können durch geeignete Wahl der Schichtdicken und/oder der Materialien der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen aus ihnen resultierende magnetische Streufelder in der jeweiligen freien Schicht 302-n (n = 1, 2) kompensiert werden, so dass die jeweilige freie Schicht 302-n (n = 1, 2) in einem Ruhezustand (d. h. ohne anliegendes äußeres Magnetfeld) kein Magnetfeld der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen „sieht”. Die Kompensation der Streufelder wird also vor allem dann möglich, wenn in jedem Referenzsystem mindestens zwei ferromagnetische Schichtstrukturen vorhanden sind. Dadurch kann das Streufeld jedes einzelnen Referenzsystems minimiert bzw. gezielt eingestellt werden.
Neben dem Vorteil, resultierende Streufelder am Ort der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) zu Null einstellen zu können, ist es natürlich auch möglich, definierte Werte eines resultierenden Streufeldes verschieden von Null am Ort der freien Schicht 302-n (n = 1, 2) einzustellen. Dies kann z. B. dann wichtig sein, wenn eine Applikation beispielsweise eine definierte Verschiebung einer Kleinfeld-Kennlinie erfordert.
Sowohl das erste magnetoresistive Element 320-1 als auch das zweite magnetoresistive Element 320-2 werden bei Ausführungsbeispielen jeweils durch Kontaktierungen elektrisch kontaktiert. 11A und 11B zeigen zwei mögliche Kontaktierungsvarianten für das erste 320-1 und zweite magnetoresistive Element 320-2 einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
11A zeigt schematisch eine Variante, bei der untere Teilsensor bzw. das untere, erste magnetoresistive Element 320-1 durch Kontaktbereiche 212, 214 von unten elektrisch angeschlossen wird. Der obere Teilsensor bzw. das zweite magnetoresistive Element 320-2 wird hingegen durch Kontaktbereiche 212, 214 von oben her elektrisch angeschlossen. Die in 11A dargestellte Kontaktierungsvariante eignet sich insbesondere für eine Verschaltung von GMR-Sensoren, aber auch zur Kontaktierung von TMR-Schichtstrukturen, welche in der eingangs erläuterten CIPT-Konfiguration betrieben werden.
Bei dem in 11B gezeigten Ausführungsbeispiel ist der obere Teilsensor bzw. das zweite magnetoresistive Element 320-2 über den natürlichen Antiferromagneten 310-2 von unten und über einen oberen Kontakt elektrisch angeschlossen. Der untere Teilsensor bzw. das erste magnetoresistive Element 320-1 ist wie in dem in 11A gezeigten Beispiel von der Unterseite her angeschlossen. Dabei ist die Unterseite bei einer bottom-pinned Spin-Ventil-Anordnung durch den natürlichen Antiferromagneten 310 gebildet. Die Oberseite ist bei einer bottom-pinned Spin-Ventil-Anordnung durch die freie ferromagnetische Schicht 302 gebildet. Umgekehrt verhält es sich bei den im Vorhergehenden bereits beschriebenen top-pinned Spin-Ventil-Anordnungen. Die in 11B gezeigte Kontaktierungsvariante eignet sich insbesondere, wenn beispielsweise der obere Teilsensor 320-2 als TMR-Struktur ausgelegt ist und in einer CPP-Konfiguration betrieben werden soll.
An dieser Stelle soll bemerkt werden, dass eine Grundfläche des prozesstechnisch oberen Teilsensors 320-2 im allgemeinen eine Grundfläche des unteren Teilsensors 320-1 gemäß Ausführungsbeispielen nicht überschreitet. D. h. die Grundfläche des unteren Teilsensors 320-1 ist stets größer oder gleich der Grundfläche des oberen Teilsensors 320-2. Es ist von „unten nach oben” auch eine stufenförmige Anordnung der beiden Teilsensoren denkbar.
Anhand von 11 und 12 sollen nun noch Verfahren und Vorrichtungen zum Messen eines Magnetfeldes und/oder einer Magnetfeldänderung mit einer Magnetfeldsensorstruktur oder mehr Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen beschrieben werden.
12A zeigt schematisch eine Magnetfeldsensorstruktur 1100 gemäß Ausführungsbeispielen, die einem zu messenden externen Magnetfeld B_EXT ausgesetzt wird, welches eine Komponente lateral zu der Schichtanordnung des Schichtstapels der Magnetfeldsensorstruktur 1100 aufweist. D. h. es wird ein Schichtstapel aus einem ersten magnetoresistiven Element 320-1 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung RM1 und einem von dem ersten magnetoresistiven Element 320-1 galvanisch getrennten zweiten magnetoresistiven Element 320-2 in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung RM2 angeordnet, wobei die erste und die zweite Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich, insbesondere entgegengesetzt sind.
Dabei sind das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 320-1 und 320-2 derart in einer Brückenschaltung angeordnet, so dass aufgrund der entgegengesetzten Änderung der Widerstandswerte R_xMR1 des ersten magnetoresistiven Elements 320-1 und R_xMR2 des zweiten magnetoresistiven Element 320-2 ein Signal U_DIFF proportional zu dem Magnetfeld B_EXT und/oder der Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist. Dazu zeigt 12B eine sog. Wheatstone’sche Messbrücke, die eine Paralleleschaltung zweier Spannungsteiler umfasst. Der in 12B dargestellte linke Zweig der Wheatstone’schen Messbrücke umfasst beispielsweise eine Serienschaltung der beiden xMR-Elemente 320-1 und 320-2 mit Widerständen R_xMR1 und R_xMR2. Der rechte Zweig der Wheatstone’schen Messbrücke umfasst eine Serienschaltung zweier gleich-großer Referenzwiderstände R. Ferner ist die Wheatstone’sche Messbrücke zwischen ein Versorgungspotential VDD und ein Massepotential geschaltet und kann ein Ausgangssignal U_DIFF zwischen den beiden Mittelabgriffen der Brückenschaltung bereitstellen.
Die Messbrücke ist abgeglichen, wenn die Brückendiagonalspannung U_DIFF gleich Null ist, wenn also das Widerstandsverhältnis in den beiden Spannungsteilern gleich ist. Bringt man nun die in 12A gezeigte Magnetfeldsensorstruktur 1100 in das zu sensierende äußere Magnetfeld B_EXT, so erhöht sich beispielsweise der Widerstand R_xMR1 der ersten xMR-Struktur 320-1, wo hingegen sich der Widerstand R xMR2 der zweiten xMR-Struktur 320-2 erniedrigt. Dadurch verschiebt sich das Widerstandsverhältnis R_xMR1/R_xMR2 und eine zu dem externen Magnetfeld B_EXT proportionale Spannung U_DIFF kann zwischen den beiden Mittelabgriffen der Wheatstone’schen Messbrücke gemessen werden.
Eine Verdopplung der Differenzspannung U_DIFF kann beispielsweise erreicht werden, wenn zwei Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen benachbart in ein äußeres zu messendes Magnetfeld B_EXT gebracht werden, wie es in der Seitenansicht von 13A, in der Draufsicht von 13B und in 13C schematisch gezeigt ist.
Dabei sind die Referenzmagnetisierungsrichtungen RM1, RM2, RM3, RM4 der Referenzschichtstrukturen beispielsweise, wie in 13A dargestellt, ausgerichtet. Somit kann erreicht werden, dass jeweils zwei xMR-Teilsensoren 320-n (n = 1, ..., 4) ihren Widerstand erhöhen und zwei ihren Widerstand erniedrigen. In dem in 13A gezeigten Beispiel erhöht beispielsweise das erste magnetoresistive Element 320-1 der ersten Magnetfeldsensorstruktur 1200-1 seinen Widerstand R_xMR1 und das zweite magnetoresistive Element 320-4 der zweiten Magnetfeldsensorstruktur 1200-2 seinen Widerstand R_xMR4. Das zweite magnetoresistive Element 320-2 der ersten Magnetfeldsensorstruktur 1200-1 und das erste magnetoresistive Element 320-3 der zweiten Magnetfeldsensorstruktur 1200-2 erniedrigen bei der in 13A dargestellten Konfiguration jeweils ihren Widerstand R_xMR2 und R_xMR3.
Werden die vier magnetoresistiven Elemente 320-1 bis 320-4, wie in 13B dargestellt, zu einer Wheatstone’schen Messbrücke verschaltet, so kann ein im Vergleich zu 12B doppelt so großes Differenzsignal 2U_DIFF gewonnen werden. Des Weiteren können Temperaturabhängigkeiten, Umgebungseinflüsse, etc., wie z. B. Temperaturschwankungen, kompensiert werden.
Um eine 360°-Erfassung mittels einer Magnetfelderfassungsvorrichtung aus einer Mehrzahl von Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu realisieren, um beispielsweise die Drehrichtung eines Rades oder einer Welle zu erfassen, werden beispielsweise vier Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen (acht magnetoresistive Elemente) zu zwei (parallel geschalteten) Wheatstone’schen Brückeanordnungen verschaltet, wobei eine der Brückenschaltungen Referenzmagnetisierungen aufweist, die zu denen der anderen Brückenschaltung senkrecht ausgerichtet sind (wie in den 13B, C durch die in den Klammern angedeuteten Magnetisierungsrichtungen angedeutet). Innerhalb jeder Brückenschaltung aus zwei Magnetfeldsensorstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen (vier magnetoresistive Elemente) 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.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann unterhalb oder oberhalb der Magnetfeldsensorstruktur 1100 bzw. 1200 ein sog. Back-Bias-Magnet angebracht werden, um ein Bias-Magnetfeld bereitzustellen. Dabei wird der Back-Bias-Magnet derart angeordnet, dass die Feldlinien des Bias-Magnetfeldes nahezu senkrecht zu dem Schichtstapel aus dem ersten und dem zweiten (und dem dritten und vierten) magnetoresistiven Element verlaufen. Eine derartige Anordnung kann, wie eingangs bereits erwähnt, als Speed-Sensor eingesetzt werden, um beispielsweise Umdrehungsgeschwindigkeiten von ferromagnetischen Zahnrädern zu erfassen, die beim Drehen das Bias-Magnetfeld beeinflussen.
Bei einer Anordnung gemäß 12A werden nunmehr zwei xMR-Spin-Ventil-Anordnungen benötigt, die vorteilhaft zur Vermeidung von parasitären lateralen bzw. In-plane-Magnetfeldern bei der Verwendung von Back-Bias-Magneten in einer Chipmitte eines Sensorchips angebracht werden. Zur Drehrichtungserkennung eines Geberrades kann bei dem Ausführungsbeispiel in 12 ohne weiteres einer der vier Teilsensoren 320-1 bis 320-4 direkt verwendet werden, so dass kein weiteres Sensorelement zur Drehrichtungserkennung erforderlich ist.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Magnetfeldsensorstruktur aus einer Kombination aus zwei vertikal übereinander angeordneten Spin-Ventil-Strukturen, welche jeweils ein unterschiedliches Referenzsystem aufweisen, mit dem bei einem Magnetisierungspro zess eine entgegengesetzte bzw. anti-parallele Ausrichtung der jeweiligen Referenzmagnetisierungen erzielt wird.
Dabei ist bei Ausführungsbeispielen ein erstes Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 einer Dicke D_PL,1 einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur zu einer Dicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur größer als 1 und ein zweites Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 einer Dicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur zu einer Dicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur kleiner als 1.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird eine ungerade Anzahl von antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen in dem ersten magnetoresistiven Element 320-1 und eine gerade Anzahl von antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichtstrukturen in dem zweiten magnetoresistiven Element 320-2 angeordnet, um eine entgegengesetzte bzw. anti-parallele Ausrichtung der jeweiligen Referenzmagnetisierungen zu erhalten.
Die beiden magnetoresistiven Elemente werden prozessoptimiert übereinander angeordnet. Dadurch ist es möglich, an einem Ort eine Stärke/Richtung eines zu sensierenden Magnetfeldes durch die Kombination der gegenläufigen magnetischen Charakteristika der beiden xMR-Spin-Ventil-Strukturen ein vorteilhaftes differentielles Ausgangssignal zu generieren.
Durch die Verwendung von GMR-/ bzw. TMR-Technologien kann bei einer Drehzahlmessung gegenüber etablierten Hall- und AMR-Technologien ein deutlicher Vorteil hinsichtlich Sensitivität und Jitter erzielt werden. Im Gegensatz zur AMR-Technologie werden bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung keine Stützmagnetfelder benötigt, was zusätzliche und unnötige Kosten vermeidet.
Zur Detektion von Magnetfeldänderungen durch beispielsweise ein Zahnrad ist an einer Rückseite eines Sensorchips oft ein sog. Backbias-Magnet angebracht, der ein Bias-Magnetfeld mit einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Chipoberfläche erzeugt. Am Rand eines Backbias-Magneten treten sog. In-Plane-Komponenten, d. h. Magnetfeldkomponenten parallel zur Chipfläche, auf. Diese In-Plane-Komponenten stören beispielsweise die Detektion von Magnetfeldänderungen mit einer räumlich getrennten Anordnung von herkömmlichen Spin-Ventil-Strukturen. Eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann am gleichen Ort auf einem Sensorchip bei einem bestimmten Magnetfeld gleichermaßen ihren Widerstand erhöhen und erniedrigen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen dies, durch Einprägen einer entgegengesetzt ausgerichteten Referenzmagnetisierungsrichtung von unmittelbar vertikal benachbarten GMR/TMR-Einzelelementen. Eine Sensoranordnung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gewinnt ein differenzielles Ausgangssignal also nicht über ein differenzielles Magnetfeld durch räumliche Trennung von Wheatstone’schen Halbbrücken, sondern über eine differenzielle Widerstandsänderung bei einem bestimmten Feld über unterschiedliche bzw. gegenläufige Kennlinien der eingesetzten xMR-Sensorelemente. Dadurch kann eine Magnetfeldsensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung an einem Ort mittig auf einem Sensorchip bzgl. des Backbias-Magneten angeordnet werden, wo keine oder kaum In-Plane-Komponenten des Bias-Magnetfelds und somit keine dadurch hervorgerufenen Störungen auftreten.
Die erfindungsgemäße vertikale Anordnung der Spin-Ventil-Strukturen weist zudem gegenüber einer räumlich getrennten Anordnung beispielsweise bezüglich Abmessungen einer benötigten Sensorchipfläche erhebliche Vorteile auf.
Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutlich etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.

100: GMR-Struktur
101: Spin-Ventil-Anordnung
102: magnetische Schicht
103: Spin-Ventil-Anordnung
104: nicht-magnetische Schicht
106: magnetische Schicht
107: ferromagnetische Schichtstruktur (gepinnte Schicht)
108: antiferromagnetische Schicht
109: nicht-magnetische Schichtstruktur
110: natürlicher Antiferromagnet
200: TMR-Struktur
202: ferromagnetische Schicht
204: elektrisch isolierende Tunnelbarriere
206: ferromagnetische Schicht
212: elektrischer Anschluss
214: elektrischer Anschluss
300: Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
302: magnetische Schicht
304: nicht-magnetische Schicht
306: Referenzschichtstruktur
307: ferromagnetische Schichtstruktur (gepinnte Schicht)
308: antiferromagnetische Schichtstruktur
309: nicht-magnetische Schicht
310: natürlicher Antiferromagnet
320: Spin-Ventil-Anordnung
350: Magnetisierungsfeld
900: Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
1100: Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
1200: Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung

Claims

Magnetfeldsensorstruktur (300; 400; 900; 1100; 1200) mit einem ersten magnetoresistiven Element (320-1) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur (306-1) mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM1) und mit einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1), die mit der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) antiferromagnetisch gekoppelt ist, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 einer Dicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1) zu einer Dicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) größer als 1 ist; und einem zweiten magnetoresistiven Element (320-2) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM2) und mit einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2), die mit der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) antiferromagnetisch gekoppelt ist, wobei ein zweites Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 einer Dicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2) zu einer Dicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) kleiner als 1 ist, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht (312) galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung entgegengesetzt sind.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß Anspruch 1, wobei das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 invers zu dem zweiten Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 ist.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Schichtdicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) von einer Schichtdicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1) um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der ersten Referenzschichtstruktur abweicht.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Schichtdicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) von einer Schichtdicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2) um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der zweiten Referenzschichtstruktur abweicht.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als GMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet ist.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als TMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet ist.
Magnetfeldsensoranordnung mit einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die beiden magnetoresistiven Elemente derart in einer Wheatstone’schen Messbrückenschaltung verschaltet sind, dass aufgrund der unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Änderung der Widerstandswerte (R_xMR1; R_xMR2) der beiden magnetoresistiven Elemente bei einem anliegenden Magnetfeld ein Differenzsignal (U_DIFF) proportional zu dem Magnetfeld und/oder einer Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist.
Magnetfeldsensoranordnung gemäß Anspruch 8, bei der die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung (RM1; RM2) anti-parallel sind und somit die Änderung der Widerstandswer te (R_xMR1; R_xMR2) der beiden magnetoresistiven Elemente (320-1; 320-2) entgegengesetzt ist.
Magnetfeldsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner mit einem dritten magnetoresistiven Element (320-3) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer dritten Referenzschichtstruktur mit einer dritten Referenzmagnetisierungsrichtung; und einem vierten magnetoresistiven Element (320-4) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer vierten Referenzschichtstruktur mit einer vierten Referenzmagnetisierungsrichtung, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschichtstruktur galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die dritte und vierte Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind; und wobei die magnetoresistiven Elemente derart in einer Wheatstone’schen Messbrückenschaltung verschaltet sind, dass aufgrund der unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Änderung der Widerstandswerte (R_xMR1; R_xMR2; R_xMR3; R_xMR4) des ersten und zweiten magnetoresistiven Elements und des dritten und vierten magnetoresistiven Elements bei einem anliegenden Magnetfeld ein Differenzsignal (2U_DIFF) proportional zu dem Magnetfeld und/oder einer Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist.
Magnetfeldsensorstruktur (300; 400; 900; 1100; 1200) mit einem ersten magnetoresistiven Element (320-1) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur (306-1) mit einer ersten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM1), wobei das erste magnetoresistive Element (320-1) eine ungerade Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen aufweist, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind; einem zweiten magnetoresistiven Element (320-2) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) mit einer zweiten Referenzmagnetisierungsrichtung (RM2), wobei das zweite magnetoresistive Element (320-2) eine gerade Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen auf weist, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschicht (312) galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß Anspruch 11, bei der die erste Referenzschichtstruktur (306-1) eine oberste oder unterste ferromagnetische Schichtstruktur eines Schichtstrukturstapels aus den antiferromagnetisch miteinander gekoppelten, ungeradzahligen Schichtstrukturen ist, und bei der die zweite Referenzschichtstruktur (306-2) eine oberste oder unterste ferromagnetische Schichtstruktur eines Schichtstrukturstapels aus den antiferromagnetisch miteinander gekoppelten, geradzahligen Schichtstrukturen ist.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als GMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet ist.
Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als TMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet ist.
Magnetfeldsensoranordnung mit einer Magnetfeldsensorstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die beiden magnetoresistiven Elemente derart in einer Wheatstone’schen Messbrückenschaltung verschaltet sind, dass aufgrund der unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Änderung der Widerstandswerte (R_xMR1; R_xMR2) der beiden magnetoresistiven Elemente bei einem anliegenden Magnetfeld ein Differenzsignal (U_DIFF) proportional zu dem Magnetfeld und/oder einer Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist.
Magnetfeldsensoranordnung gemäß Anspruch 15, bei der die erste und zweite Referenzmagnetisierungsrichtung (RM1; RM2) anti-parallel sind und somit die Änderung der Widerstandswerte (R_xMR1; R_xMR2) der beiden magnetoresistiven Elemente (320-1; 320-2) entgegengesetzt ist.
Magnetfeldsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, ferner mit einem dritten magnetoresistiven Element (320-3) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer dritten Referenzschichtstruktur mit einer dritten Referenzmagnetisierungsrichtung; und einem vierten magnetoresistiven Element (320-4) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer vierten Referenzschichtstruktur mit einer vierten Referenzmagnetisierungsrichtung, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Element in einem Schichtstapel vertikal übereinander und durch eine Zwischenschichtstruktur galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind, und wobei die dritte und vierte Referenzmagnetisierungsrichtung unterschiedlich sind; und wobei die magnetoresistiven Elemente derart in einer Wheatstone’schen Messbrückenschaltung verschaltet sind, dass auf grund der unterschiedlichen Referenzmagnetisierungsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Änderung der Widerstandswerte (R_xMR1; R_xMR2; R_xMR3; R_xMR4) des ersten und zweiten magnetoresistiven Elements und des dritten und vierten magnetoresistiven Elements bei einem anliegenden Magnetfeld ein Differenzsignal (2U_DIFF) proportional zu dem Magnetfeld und/oder einer Magnetfeldänderung zwischen zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung erfassbar ist.
Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur (300; 400; 1100; 1200), mit folgenden Schritten: Anordnen eines ersten magnetoresistiven Elements (320-1) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ersten Referenzschichtstruktur (306-1) mit einer Schichtdicke D_RL,1 und einer ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1) mit einer Schichtdicke D_PL,1, wobei die erste ferromagnetische Schichtstruktur (307-1) mit der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) antiferromagnetisch gekoppelt ist; und Anordnen eines zweiten magnetoresistiven Elements (320-2), vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) mit einer Schichtdicke D_RL,2 und einer zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2) mit einer Schichtdicke D_PL,2, wobei die zweite ferromagnetische Schichtstruktur (307-2) mit der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) antiferromagnetisch gekoppelt ist, wobei ein erstes Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,1 zu der Schichtdicke D_RL,1 größer als 1 ist und ein Schichtdickenverhältnis der Schichtdicke D_PL,2 zu der Schichtdicke D_RL,2 kleiner als 1 ist; Aussetzen des ersten magnetoresistiven Elements und des zweiten magnetoresistiven Elements während eines Magnetisierungs einschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld (350) mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um aufgrund der unterschiedlichen Schichtdickenverhältnisse unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen (RM1; RM2) in der ersten und zweiten Referenzschichtstruktur zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei bei dem Schritt des Aussetzens entgegengesetzte Referenzmagnetisierungsrichtungen (RM1; RM2) in der ersten und zweiten Referenzschichtstruktur (306-1; 306-2) erhalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, ferner mit folgendem Schritt: Einstellen der Feldstärke des Magnetisierungsfeldes (350) auf einen Wert zwischen 5 und 250 mT oder zwischen 10 und 80 mT.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das erste und zweite magnetoresistive Element so angeordnet werden, dass das erste Schichtdickenverhältnis D_PL,1/D_RL,1 invers zu dem zweiten Schichtdickenverhältnis D_PL,2/D_RL,2 ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei das erste magnetoresistive Element (320-1) so angeordnet wird, dass die Schichtdicke D_RL,1 der ersten Referenzschichtstruktur (306-1) von einer Schichtdicke D_PL,1 der ersten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-1) um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der ersten Referenzschichtstruktur abweicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei das zweite magnetoresistive Element (320-2) so angeordnet wird, dass die Schichtdicke D_RL,2 der zweiten Referenzschichtstruktur (306-2) von einer Schichtdicke D_PL,2 der zweiten ferromagnetischen Schichtstruktur (307-2) um nicht mehr als 75% der Schichtdicke der zweiten Referenzschichtstruktur abweicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als GMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem das erste und/oder das zweite magnetoresistive Element als TMR-Spin-Ventil-Element ausgebildet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei die Magnetfeldsensorstruktur (300; 400; 1100; 1200) als integriertes Bauelement bei einem CMOS-Halbleiterbearbeitungsprozess hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorstruktur (1000), mit folgenden Schritten: Anordnen eines ersten magnetoresistiven Elements (320-1) in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer ungeraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind; und Anordnen eines zweiten magnetoresistiven Elements (320-2), vertikal über dem ersten magnetoresistiven Element und von diesem galvanisch getrennt, in einer Spin-Ventil-Anordnung mit einer geraden Anzahl von ferromagnetischen Schichtstrukturen, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind; und Aussetzen des ersten magnetoresistiven Elements (320-1) und des zweiten magnetoresistiven Elements (320-2) während eines Magnetisierungseinschreibvorgangs einem Magnetisierungsfeld (350) mit einer Magnetisierungsvorzugsrichtung, um eine erste ferromagnetische Referenzschichtstruktur (306-1) des ersten magnetoresistiven Elements (320-1) und eine zweite ferromagnetische Referenzschichtstruktur (306-2) des zweiten magnetoresistiven Elements (320-2) zu erhalten, die unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtungen (RM1; RM2) aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei bei dem Schritt des Aussetzens entgegengesetzte Referenzmagnetisierungsrichtungen (RM1; RM2) in der ersten und zweiten Referenzschichtstruktur (306-1; 306-2) erhalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 27 oder 28, wobei bei dem Aussetzen die ferromagnetischen Schichtstrukturen des ersten magnetoresistiven Elements (320-1) und des zweiten magnetoresistiven Elements (320-2) jeweils antiferromagnetisch miteinander gekoppelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 27 bis 29, wobei bei dem Aussetzen die erste Referenzschichtstruktur (306-1) aus einer obersten oder untersten ferromagnetischen Schichtstruktur eines Schichtstrukturstapels aus den antiferromagnetisch miteinander gekoppelten, ungeradzahligen Schichtstrukturen gebildet wird, und wobei die zweite Referenzschichtstruktur (306-2) aus einer obersten oder untersten ferromagnetischen Schichtstruktur eines Schichtstrukturstapels aus den antiferromagnetisch miteinander gekoppelten, geradzahligen Schichtstrukturen gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 27 bis 30, ferner mit folgendem Schritt: Einstellen der Feldstärke des Magnetisierungsfeldes (350) auf einen Mindestwert von 500 mT.