DE102008054314B4

DE102008054314B4 - Integrierter lateraler Kurzschluss für eine vorteilhafte Modifizierung einer Stromverteilungsstruktur für magnetoresistive XMR-Sensoren und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102008054314B4
Application number: DE102008054314.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Zimmer; Thomas Bever
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-11-03
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: DE102008054314A1; US20110163746A1; US20120229133A1; US20090128282A1; US8373536B2; US8193897B2; US7872564B2

Abstract

Magnetoresistive Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:ein Substrat (101);eine elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303), die eine auf dem Substrat (101) aufgebrachte metallische Schicht umfasst;eine auf der metallischen Schicht aufgebrachte isolierende Schicht (104);einen auf der isolierenden Schicht (104) aufgebrachten magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301); undzumindest eine leitfähige Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318), die die elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303) mit dem magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) koppelt,wobei die elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303) nur durch die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1208; 1308) elektrisch kontaktiert ist.

Description

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich allgemein auf magnetoresistive Sensoren, einen Prozess zum Erzeugen eines Widerstands in Abhängigkeit von einem extern angelegten Magnetfeld sowie auf ein damit zusammenhängendes Verfahren.
Um die Position, Geschwindigkeit oder Orientierung eines physischen Objekts zu erfassen, stützt sich ein elektrischer Sensor häufig auf eine Änderung eines Magnetfelds, die anhand einer Vielzahl von Techniken erfasst werden kann. Eine Technik verwendet einen Hall-Effekt-Sensor, der sich auf eine auf gegenüberliegenden Seiten eines elektrischen Leiters erzeugte Potentialdifferenz stützt. Die Potentialdifferenz wird durch ein extern angelegtes Magnetfeld, das zu einem Stromfluss innerhalb des Sensors senkrecht ist, erzeugt. Eine weitere verwendet eine Drahtschleife und stützt sich dabei auf das Faradaysche Gesetz, um eine Spannung zu erzeugen, die zu einer Änderungsrate eines durch den Bereich der Schleife eingeschlossenen Magnetfeldes proportional ist. Eine dritte Technik stützt sich auf den magnetoresistiven Effekt, der die Eigenschaft eines Materials ist, seinen elektrischen Widerstand in Gegenwart eines extern angelegten Magnetfeldes zu verändern. Obwohl diese Techniken bisher in einer Bandbreite von Anwendungen eingesetzt werden, bilden und bildeten ihre geringe Empfindlichkeit für ein extern angelegtes Magnetfeld oder Probleme bezüglich einer kostengünstigen Herstellung einen Anreiz für fortdauernde Forschungsarbeit, um verbesserte Felderfassungsverfahren zu identifizieren.
Verschiedene Forschungsbemühungen konzentrieren sich bisher auf Vorrichtungen, die einen magnetoresistiven Effekt aufweisen. Der „anisotrope magnetoresistive Effekt“ (AMR - anisotropic magnetoresistive effect), der im Jahre 1856 von William Thomson entdeckt wurde, führt zu einer geringen Änderung des elektrischen Widerstandes bestimmter Leiter in Gegenwart eines extern angelegten Magnetfeldes. Kürzlich entdeckte Abwandlungen dieses Effekts führen zu einer größeren relativen Änderung des elektrischen Widerstandes. Ein solcher den Widerstand verändernder Effekt wird als „magnetoresistiver Giant-Effekt“ (GMR - giant magnetoresistive effect) bezeichnet, der ein quantenmechanisches Phänomen ist, das bei Dünnfilmen, die aus sich abwechselnden ferromagnetischen und unmagnetischen Metallschichten gebildet sind, beobachtet wird. Ein weiterer ist der „kolossale magnetoresistive Effekt“ (CMR - colossal magnetoresistive effect), der eine magnetische Eigenschaft mancher Materialien wie z.B. von Perowskit-Oxiden auf Manganbasis ist. Ein dritter ist der „magnetoresistive Tunneleffekt“ (TMR - tunnel magnetoresistive effect), der auftritt, wenn zwei Ferromagnete durch einen sehr dünnen Isolator (- 1 nm) getrennt sind. Kollektiv können diese magnetoresistiven Effekte als xMR bezeichnet werden.
Magnetischer Widerstand ist eine allgemeine Eigenschaft eines Materials, durch die sein elektrischer Widerstand von dem Winkel zwischen der Richtung eines elektrischen Stromflusses in dem Material und der Richtung eines extern angelegten Magnetfeldes abhängig ist. Der resultierende elektrische Widerstand ist allgemein ein Maximum, wenn der Stromfluss und das extern angelegte Magnetfeld parallel sind. Um einen elektrischen Widerstand mit einer linearen Abhängigkeit von einer Änderung der Richtung des extern angelegten Magnetfeldes zu erzeugen, werden auf der Oberfläche eines Dünnfilms eines geeigneten magnetoresistiven Materials, beispielsweise Permalloy, leitfähige Streifen, üblicherweise Aluminium oder Gold, in einem Winkel aufgebracht, der zu einer leitfähigen Achse der Vorrichtung um etwa 45° geneigt ist. Eine derartige Struktur wird oft als „Magnetowiderstandskopf“ („engl. barber pole“) bezeichnet.
Die Stromverteilung in einem Streifen eines xMR-Materials ist über seine Breite hinweg ungefähr einheitlich, was bei bestimmten Sensoranwendungen üblicherweise nicht die optimale Anordnung ist. Um eine effiziente Sensorleistungsfähigkeit zu erhalten, wird ein xMR-Streifen allgemein mit einer sehr breiten lateralen Abmessung bezüglich des Stromflusses (z.B. für Winkelerfassungsanwendungen) oder mit einer sehr schmalen lateralen Abmessung (z.B. für Drehgeschwindigkeitserfassungsanwendungen) gebildet, was bezüglich der Sensorempfindlichkeit, -größe und der Steuerbarkeit des Herstellungsprozesses nachteilig ist.
Somit besteht eine Herausforderung beim Entwerfen eines Sensors unter Verwendung eines Streifens eines xMR-Materials dahin gehend, eine Position, Geschwindigkeit oder einen Winkel eines physischen Objekts zu erfassen, darin, eine zuverlässige Änderung des Widerstands des Sensors mit ausreichender Wiederholbarkeit, mit ausreichendem Betrag und mit ausreichender Genauigkeit für die Anwendung und zu niedrigen Kosten zu bewirken.
Die US 2006 / 0 202 291 A1 beschreibt ein magnetoresistives Sensormodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Sensormodul umfasst eine Verbundanordnung aus einem Halbleitersubstrat, wobei eine Halbleiterschaltungsanordnung angrenzend an eine Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats in dasselbe integriert ist, und eine Metall-Isolator-Anordnung, wobei die Metall-Isolator-Anordnung an der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und eine strukturierte Metalllage und ein Isolationsmaterial, das die strukturierte Metalllage zumindest teilweise umgibt, aufweist, wobei die strukturierte Metalllage elektrisch mit der Halbleiterschaltungsanordnung verbunden ist. Ferner ist eine magnetoresistiven Sensorstruktur auf einer Oberfläche des Isolationsmaterials der Verbundanordnung aufgebracht. Eine elektrische Verbindung zwischen der magnetoresistiven Sensorstruktur und der strukturierten Metalllage ist hergestellt, so dass die magnetoresistive Sensorstruktur mit der integrierten Schaltungsanordnung verbunden ist.
Die DE 101 50 233 A1 beschreibt ein Dünnschichtbauelement mit einer in einer ersten Ebene über einem Substrat befindlichen resistiven dünnen Schicht, deren Widerstand wesentlich die Funktion des Dünnschichtbauelementes bestimmt, und einer in einer an die erste Ebene unmittelbar angrenzenden zweiten Ebene befindlichen dünnen Abdeckschicht, die bei den Herstellungs- und Betriebsbedingungen des Dünnschichtbauelementes ein Eindringen von funktionsverändernden Elementen in die dünne resistive Schicht aus der Umgebung und aus der Abdeckschicht selbst ausschließt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, magnetoresistive Vorrichtungen sowie ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine magnetoresistive Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen allgemein dieselben oder im Wesentlichen identische Komponententeile in den verschiedenen Ansichten. In der nachstehenden Beschreibung werden verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine Querschnittszeichnung einer magnetoresistiven Vorrichtung, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Querschnittszeichnung einer magnetoresistiven Vorrichtung, die als magnetoresistiver Streifen mit einer Durchkontaktierung gebildet ist, um einen lokalen lateralen Kurzschluss zu erzeugen, und die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist;
3 einen Graphen, der das Verhältnis der Gesamtleitfähigkeit einer magnetoresistiven Struktur, die Lokaler-Lateraler-Kurzschluss-Regionen enthält und gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, zu der Gesamtleitfähigkeit einer GMR-Struktur ohne Lokaler-Lateraler-Kurzschluss-Regionen zeigt;
4 eine Grundrisszeichnung einer magnetoresistiven Struktur, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, zum Erfassen einer Winkelorientierung eines extern angelegten Magnetfeldes;
5 die Stromverteilung entlang einer repräsentativen Linie der Vorrichtung, wie sie anhand einer Simulation der in 4 veranschaulichten Vorrichtung bestimmt wird;
6 eine graphische Grundrissdarstellung einer Sensorschichtmagnetisierung eines ohne Lokaler-Kurzschluss-Strukturen gebildeten magnetoresistiven Sensors;
7 einen Graphen, der das simulierte Verhalten eines Anisotropiefehlers und des damit zusammenhängenden normierten magnetischen Widerstands zeigt;
8 einen Graphen, der das simulierte Verhalten eines Anisotropiefehlers und des damit zusammenhängenden normierten magnetischen Widerstands in Abhängigkeit von einem Abstand einer Lokaler-Kurzschluss-Struktur bei einer feststehenden Länge der Lokaler-Kurzschluss-Struktur zeigt;
9 eine Grundrisszeichnung einer magnetoresistiven Struktur, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist und die zur Drehgeschwindigkeitserfassung vorteilhaft eingesetzt werden kann;
10 die Stromverteilung der in 9 veranschaulichten Vorrichtung entlang einer repräsentativen Linie der Vorrichtung, wie sie durch eine Simulation bestimmt wird;
11A-11D Grundrisszeichnungen von exemplarischen Aufbauten von lokalen Kurschlussstrukturen, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind;
12A eine Grundrisszeichnung einer anisotropen magnetoresistiven Vorrichtung, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, wobei der drei Magnetowiderstandskopf-Streifen in einem Winkel von 45° bezüglich der Vorrichtungslängenachse orientiert sind;
12B eine Grundrisszeichnung, die die resultierende Stromrichtungsverteilung zeigt, die anhand einer zweidimensionalen Simulation der in 12A veranschaulichten Vorrichtung erhalten wird;
13A eine schematische Grundrisszeichnung eines xMR-Streifens mit Einschnürung, der gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist;
13B eine schematische Grundrisszeichnung von in Reihe geschalteten xMR-Elementen mit begrenzten Kontaktflächen, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind; und
14 schematisch eine Stromverteilung bei einem xMR-Element, das mit einem geringen Verhältnis von Kontakt-Zu-Kontakt-Abstand zu Strukturbreite aufgebaut ist.

Aktuelle Entwürfe von xMR-Sensorstrukturen sind allgemein mit einem großen Länge-Zu-Breite-Verhältnis gebildet, um eine CIP-Schaltungskonfiguration (CIP = current-in-plane, Stromin-Ebene) mit einem ausreichend hohen elektrischen Widerstand zu erhalten, so dass sie ohne weiteres zur Signalverarbeitung verwendet werden kann, ohne dass ein hoher Verstärkungsspannungserfassungsstrom erforderlich ist. Bei einer typischen xMR-Sensoranwendung wird ein Signal erfasst, indem ein bekannter Strom an eine xMR-Vorrichtung angelegt wird und indem die über die xMR-Vorrichtung hinweg erzeugte Spannung mit einem Operationsverstärker erfasst wird.
Die Stromverteilung über die strukturelle Breite einer xMR-Vorrichtung ist allgemein einheitlich, d.h. alle Regionen der Struktur tragen ungefähr gleichermaßen zu ihrem magnetischen Widerstand bei. Aus einer Perspektive der Magnetfelderfassung wäre es vorteilhaft, die Stromdichte in bestimmten Regionen der xMR-Struktur unterzugewichten und/oder überzugewichten. Beispielsweise weisen Randregionen einer streifenförmigen xMR-Struktur für Winkelerfassungsanwendungen eine hohe Formanisotropie auf, was zu einem Winkelerfassungsfehler führt. Falls ein Stromfluss in den Randregionen verringert würde und/oder ein Stromfluss in der mittleren Region des xMR-Streifens erhöht würde, würde die Winkelfelderfassungsgenauigkeit verbessert. Selbstverständlich würde eine weitere Erhöhung der Strukturbreite auch zu einem Übergewichten des Stromflusses in der zentralen Region der Vorrichtung im Vergleich zu den Randbereichen führen, was zu einem reduzierten Winkelfelderfassungsfehler führen würde. Die Zunahme eines xMR-aktiven Bereichs ist für viele Anwendungen vom Kostenstandpunkt aus betrachtet nicht akzeptabel. Für Drehgeschwindigkeitserfassungsanwendungen ist eine hohe Anisotropie einer freien Schichtmagnetisierung erforderlich. Da die minimale Breite der xMR-Struktur durch den Ätzvorgang begrenzt ist, würde eine Verschiebung des Hauptstroms hin zu den Randregionen zu einer besseren Sensorleistungsfähigkeit führen, ohne dass man sich dabei an eine Ätzgrenze eines Herstellungsprozesses annähert.
Bei einer xMR-Sensorstruktur, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, wird die Stromverteilung in einem xMR-Sensor durch „Lokaler-Kurzschluss“-Strukturen (LSC-Strukturen, LSC = local short-circuit) modifiziert, um eine verbesserte Sensorleistungsfähigkeit zu erhalten. Ferner wird ein Integrationskonzept vorgestellt, das sich nach den Prinzipien der Erfindung richtet und das LSC-Strukturen liefert, die mit einer CMOS-Herstellung vollständig kompatibel sind und die keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte nach sich ziehen. Die Größe der resultierenden LSC-Strukturen kann vorteilhafterweise sehr klein sein, und sie sind mit der Erzeugung der zur xMR-Sensorherstellung verwendeten Technologie skalierbar.
Eine weitere Beschreibung eines Prozesses für eine monolithische Integration von xMR-Strukturen, die mit derzeitigen CMOS-Massenproduktionsprozessen vollständig kompatibel sind, wird von Kolb et al. in der US-Patentanmeldung 11/360,538 , Veröffentlichungsnummer US 2006 / 0 202 291 A1 mit dem Titel „Magnetoresistive Sensor Module and Method for Manufacturing the Same“, geliefert.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Querschnittszeichnung einer magnetoresistiven xMR-Vorrichtung 100 veranschaulicht, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist. Die magnetoresistive Vorrichtung umfasst leitfähige Durchkontaktierungen zu einer darunter liegenden leitfähigen Schicht, um einen Stromfluss in der magnetoresistive Vorrichtung zu verändern, um ihre Positions- oder Winkelerfassungscharakteristika zu verbessern. Die magnetoresistive xMR-Struktur ist auf einem Substrat 101 gebildet, das ein Silizium- oder Verbundhalbleitersubstrat sein kann, wie es üblicherweise zum Bilden einer integrierten Schaltung verwendet wird, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, und kann aktive und/oder passive integrierte Schaltungskomponenten umfassen. Über dem Substrat ist eine isolierende Schicht 102 wie z.B. eine Siliziumdioxidschicht aufgebracht. Eine strukturierte, leitfähige Schicht, die Zwischenverbindungsstrukturen wie z.B. eine leitfähige Struktur 103 bildet, ist über der isolierenden Schicht 102 gebildet. Eine weitere isolierende Schicht 104 ist über der strukturierten, leitfähigen Schicht aufgebracht. Eine magnetoresistive Vorrichtung 105, z.B. eine magnetoresistive GMR-Vorrichtung, ist über der isolierenden Schicht 104 gebildet. Leitfähige Durchkontaktierungsstrukturen sind in der isolierenden Schicht 104 gebildet, um Zwischenverbindungen zwischen der magnetoresistiven Vorrichtung 105 und der strukturierten, leitfähigen Schicht, die darunter gebildet wurde, zu liefern. Die leitfähigen Durchkontaktierungsstrukturen umfassen ein leitfähiges Material 108 wie z.B. Wolfram, das in Aperturen der isolierenden Schicht 104 eingebracht ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in den Aperturen optional ein leitfähiger Film 106 aufgebracht, um eine Auskleidung zu bilden, bevor eine Auffüllung mit dem leitfähigen Material erfolgt. Eine Passivierungsschicht 107 für die Struktur, z.B. eine Oxid-, Nitrid- oder Polyimidschicht, ist über der magnetoresistiven Vorrichtung 105 gebildet. Techniken zum Bilden und Strukturieren derartiger Schichten und Strukturen, wie sie oben beschrieben wurden, sind in der Technik hinreichend bekannt und werden der Kürze halber nicht näher beschrieben. Wie in 1 veranschaulicht ist, wird somit ein Kontaktkonzept zur Verwirklichung von Lokaler-Lateraler-Kurzschluss-Strukturen (LSC-Strukturen) eingeführt, um eine Stromverteilung bei einer magnetoresistiven Vorrichtung zu verändern.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Querschnittszeichnung eines Abschnitts einer magnetoresistiven Vorrichtung veranschaulicht, die als GMR-Streifen mit einer Durchkontaktierungsstruktur einer Breite d_VIA unterhalb einer Region des Streifens gebildet ist, um einen lokalen lateralen Kurzschluss zu erzeugen, und die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist. Die Durchkontaktierung ist mit einem Durchkontaktierungsfüllmaterial (z.B. Wolfram, „W“), das in einem optionalen Durchkontaktierungsfilm eingebracht ist, und mit einer leitfähigen Metallstruktur (z.B. Aluminium, „AI“), unter derselben gebildet. Der Flächenwiderstand der xMR-Schicht wird dadurch in der Region um die Durchkontaktierung herum für In-Ebene-Ströme durch die hohe Leitfähigkeit der darunter gebildeten metallischen Durchkontaktierungsstrukturen beträchtlich verringert. Elemente in 2, wie auch in anderen Figuren, mit denselben Bezugszeichen, die in einer früheren Figur verwendet werden, werden der Kürze halber nicht erneut beschrieben.
Um die Zunahme der Leitfähigkeit in einer solchen Region, die durch darunter liegende Durchkontaktierungen, die mit einer Metallstruktur gekoppelt sind, erzeugt wird, zu bewerten, wurden zweidimensionale elektrische Simulationen für Strukturen, wie sie beispielsweise in 2 veranschaulicht sind, durchgeführt. Das Wolfram für die Durchkontaktierungsfüllung wies eine Dicke von 400 nm auf, und Aluminium in dem darunter liegenden Metall wies eine Dicke von 500 nm auf, was typische Dickenwerte für verschiedene Anwendungen sind. Man nahm an, dass die Leitfähigkeit des Wolfram 14 Mal höher war als die GMR-Leitfähigkeit, und man nahm an, dass die Leitfähigkeit des Aluminiums 30 Mal höher war. Die Durchkontaktierungsbreite, d_VIA, wurde bei 0,25 µm angenommen. Die Simulation zeigte, dass ein Großteil des Stroms durch den GMR, durch die mit Wolfram gefüllten Durchkontaktierungen und durch das darunter liegende Aluminiummetall fließt. Lediglich einige wenige Träger erreichen die zuunterst liegende Aluminiumschicht, da die Durchkontaktierungsbreite zu gering ist, als dass sie ermöglichen würde, dass sich das elektrische Feld im Wesentlichen über die gesamte LSC-Struktur erstreckt. Folglich weist der LSC eine viermal höhere Leitfähigkeit auf als die GMR-Schicht, was als moderate Zunahme der Leitfähigkeit beurteilt wird.
Anschließend wurde für die Stromverteilung in der GMR-Schicht mit einer Durchkontaktierungsbreite von 5 µm eine zweidimensionale Simulation durchgeführt. Die Wolframdicke betrug 400 nm und die Aluminiumdicke betrug 500 nm. Es wurde beobachtet, dass ein Erhöhen der Breite der Durchkontaktierung zu einer Erstreckung des elektrischen -Feldes im Wesentlichen durch die gesamte LSC-Struktur führt, was einen beträchtlichen Beitrag seitens des Aluminiumabschnitts der Struktur zu deren Leitfähigkeit zur Folge hat. In diesem Fall beträgt die Leitfähigkeit der LSC-Region dann, wenn die Breite der Durchkontaktierungsstruktur d_VIA 5 µm beträgt, etwa das 35fache der GMR-Leitfähigkeit, was als beträchtlicher Anstieg gewertet wird.
Unter Bezugnahme auf 3 ist das Verhältnis σ_VIA/σ_GMR der Gesamtleitfähigkeit σ_VIA einer GMR-Struktur, die Lokaler-Lateraler-Kurzschluss-Regionen enthält, zu der Gesamtleitfähigkeit σ_GMR einer GMR-Schicht ohne Lokaler-Lateraler-Kurzschluss-Regionen veranschaulicht. Gegenüber der Durchkontaktierungsbreite mit einer logarithmischen Skala auf der horizontalen Achse ist dieses Verhältnis auf der vertikalen Achse der Figur aufgetragen. Das Leitfähigkeitsverhältnis ist ein Maß der Kurzschlusseffizienz der LSC-Struktur. 3 veranschaulicht eine Korrelation zwischen der LSC-Breite und der Kurzschlusseffizienz einer LSC-Struktur für den Fall einer 400 nm dicken Wolfram-Durchköntaktierung und eines darunter liegenden 500 nm dicken Aluminiummetalls. Für Durchkontaktierungsgrößen von mehr als 0,7 µm kann vorteilhafterweise eine 10 Mal höhere lokale Leitfähigkeit erzielt werden. Eine Verwendung anderer Durchkontaktierungsfüllmaterialien mit einer höheren Leitfähigkeit (z.B. Cu) kann die Leitfähigkeitseffizienz der LSC-Struktur weiter erhöhen.
Die Implementierung von LSC-Strukturen dahin gehend, die Stromverteilung in einer magnetoresistiven Struktur zu modifizieren, wird anhand mehrerer Beispiele beschrieben.
Bei einem ersten Beispiel wird der Einfluss von LSC-Strukturen für Winkelerfassungsvorrichtungen beschrieben. Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Grundrisszeichnung einer xMR-Struktur zum Erfassen einer Winkelorientierung eines extern angelegten Magnetfeldes veranschaulicht. Der xMR-Sensorstreifen 401 weist eine Breite von 10 µm und eine Länge von 30 µm auf, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die kleinen schwarzen Regionen 402 und 403 an dem oberen bzw. dem unteren Rand des xMR-Sensorstreifens stellen Kontaktflächen mit geringem Widerstand dar, die eine Strominjektion hauptsächlich in der Mittelregion des Streifens gewährleisten. Die LSC-Strukturen, z.B. die LSC-Struktur 404, sind in der Mitte des Sensorstreifens gebildet und weisen eine Länge l_LSC und einen Trennungsabstand d_LSC auf.
Die Simulation der Stromverteilung für die in 4 veranschaulichte Struktur demonstrierte, dass eine im Wesentlichen vorliegende Uneinheitlichkeit eines Stromflusses aus der Kombination einer lokalen Strominjektion in der Mittelregion der xMR-Struktur und der Mittelregion-Implementierung von stark leitfähigen LSC-Strukturen resultiert. Für den Fall, dass l_LSC = 1,1 µm und d_LSC = 2,2 µm, wurden exemplarische Simulationen durchgeführt, und die LSC-Leitfähigkeit wurde als das 100fache des xMR-Materials angenommen. Die Breite der xMR-Struktur betrug 10 µm, und ihre Länge betrug 30 µm. Infolge eines Einschlusses lokaler LSC-Strukturen ist die Stromdichte zwischen den LSC-Strukturen in dem Mittelregionbereich im Vergleich zu der Stromdichte in den Randregionen erhöht.
5 veranschaulicht die Stromverteilung, die durch eine Simulation der in 4 veranschaulichten Vorrichtung an der Stelle der gestrichelten Linie 405 für die in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen exemplarischen Bedingungen bestimmt wird. Bei diesem Simulationsbeispiel ist die Stromdichte in der Mittelregion der Struktur etwa 27 % höher als an Randregionen der Struktur. Somit werden vorteilhafterweise Lokaler-LSC-Strukturen, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind, dazu verwendet, die Leistungsfähigkeit einer xMR-Positionserfassungsvorrichtung zu erhöhen.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine schematische Grundrissdarstellung einer Sensorschichtmagnetisierung eines xMR-Sensors gemäß mikromagnetischen Simulationen veranschaulicht. In 6 kann man erkennen, dass magnetische Domänen an den Rändern des Streifens nicht gut mit der Richtung des extern angelegten Magnetfeldes ausgerichtet sind. Die magnetischen Domänen in der Mittelregion der Struktur sind besser ausgerichtet. Der Grund für die Fehlausrichtung an den Rändern ist eine Formanisotropie, die an den Rändern einer Struktur üblicherweise am stärksten ist. Falls die Stromdichte über die Streifenbreite hinweg einheitlich ist, tragen alle magnetischen Domänen präzise zu dem xMR-Signal bei. Infolge einer Uneinheitlichkeit erzeugen die Regionen an dem Rand der Struktur eine Abweichung des erfassten Winkels des extern angelegten Magnetfeldes, d.h. es wird ein Fehler erzeugt, der als „Anisotropiewinkelfehler“ bezeichnet wird. Ferner kann ein zusätzlicher, auf eine Hysterese zurückzuführender Fehler auftreten. Hysterese beschreibt den Effekt einer von der Vorgeschichte abhängigen internen Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht auf ein externes Magnetfeld, d.h. die interne Magnetisierung hängt von der Art und Weise ab, wie eine bestimmte Magnetfeldrichtung angelegt wird. Eine Verringerung des Beitrags der Randregionen zu dem xMR-Signal würde somit die durch Anisotropie und durch Hysterese bewirkten Komponenten des Winkelfehlers verringern. Eine verschobene Stromverteilung kann somit die Leistungsfähigkeit einer xMR-Winkelerfassungsvorrichtung verbessern.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ein Graph veranschaulicht, der das simulierte Verhalten eines Anisotropiefehlers (auf der linken vertikalen Achse des Graphen) und des damit zusammenhängenden normierten xMR-Widerstands („xMR-Signal in r. E., relativen Einheiten“ auf der rechten vertikalen Achse des Graphen) zeigt. Der Graph ist als Funktion der LSC-Struktur-Länge für den exemplarischen Fall, dass der Abstand zwischen Durchkontaktierungen konstant bei d_LSC = 3,36 µm gehalten wird, aufgebaut. Die Leitfähigkeit der LSC-Struktur in Abhängigkeit von der Länge wurde gemäß den in 4 veranschaulichten numerischen Feststellungen gewählt. Ohne jegliche LSC-Strukturen (d.h. L_LSC = 0 µm) und ohne einheitliche Strominjektion über die gesamte Breite des Streifens hinweg wird ein maximaler Anisotropiefehler von 0,7° beobachtet. Das Vorliegen von LSC-Strukturen mit einer Länge, die bis auf 14 µm erhöht ist, führt zu einer kontinuierlichen Abnahme des Winkelfehlers bis auf 0,52° für eine LSC-Länge von 13,4 µm. Gleichzeitig nimmt der xMR-Widerstand um etwa 35 % (auf einer relativen Basis) ab, da die Regionen, in denen sich die LSC-Strukturen befinden, nicht zu dem xMR-Signal beitragen. Abschnitte des xMR-Streifens werden durch die LSC-Strukturen effektiv kurzgeschlossen. Jedoch ist in den meisten Fällen die Zunahme an Sensorleistungsfähigkeit wichtiger als die Verringerung des Widerstandes der xMR-Vorrichtung. Eine weitere Stapelverbesserung kann vorgenommen werden, um die Reduktion des Widerstandes der xMR-Vorrichtung auf Grund der LSC-Strukturen zu kompensieren. Eine weitere Möglichkeit, den Verlust an Widerstand der xMR-Vorrichtung zu kompensieren, besteht darin, die xMR-Struktur länger zu gestalten.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein Graph veranschaulicht, der das simulierte Verhalten eines Anisotropiefehlers und des damit zusammenhängenden normierten xMR-Widerstandes („Signal“) in Abhängigkeit von dem LSC-Struktur-Abstand bei einer feststehenden Länge der LSC-Struktur von d_LSC = 2,8 µm zeigt. Bezüglich eines erhöhten LSC-Struktur-Abstands bei einer feststehenden LSC-Struktur-Länge ist der Anisotropiefehler bei einem minimalen Abstand auf einem Minimum und nimmt bei größeren Abständen zu. Wenn der Abstand zwischen den LSC-Strukturen zunimmt, erstrecken sich die Ladungsträger bis zu den äußeren Rändern der Struktur. Dies führt zu einem wachsenden elektrischen Einfluss der Randregionen auf den Widerstand der Vorrichtung. Demgemäß nimmt das xMR-Signal zu.
Neben Winkelsensoren können auch Drehgeschwindigkeitssensoren aus einer uneinheitlichen Stromverteilung Nutzen ziehen. Zur Drehgeschwindigkeitserfassung kann eine hohe Formanisotropie verwendet werden, um eine breite Linearer-Übergang-Region aus einem Zustand eines niedrigen Widerstands zu-einem Zustand eines hohen Widerstands zu erzeugen. Ein Verschmälern des xMR-Streifens führt zu einer Zunahme der Formanisotropie, aus der Sicht der Herstellung ist es jedoch schwieriger, einen Ätzvorgang für geringe Strukturgrößen bei geeignet niedrigen Kosten und mit Reproduzierbarkeit zu verwenden.
Unter Bezugnahme auf 9 ist eine Grundrisszeichnung einer xMR-Struktur, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist und die zur Drehgeschwindigkeitserfassung vorteilhaft eingesetzt werden kann, veranschaulicht. Die xMR-Struktur umfasst einen xMR-Streifen 901, Kontaktflächen 902 und 903 mit geringem Widerstand sowie eine LSC-Struktur 904. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt die Streifenbreite der xMR-Vorrichtung 2 µm, und die Länge beträgt 30 µm. Eine Implementierung von LSC-Strukturen entlang Seitenwänden der xMR-Vorrichtung liefert eine lokale Strominjektion, um die Felderfassungsgenauigkeit zu verbessern.
Die Implementierung einer LSC-Struktur, wie sie in 9 veranschaulicht ist, führt zu einer uneinheitlichen Stromverteilung, wobei sich der Großteil der Träger an den Rändern der Vorrichtung befindet. Es wurde eine Simulation einer exemplarischen xMR-Struktur mit l_LSC = 1,1 µm und d_LSC = 1,1 µm durchgeführt, und die LSC-Leitfähigkeit wurde 100 Mal höher angenommen als die des xMR-Materials. Die Breite der xMR-Struktur betrug 2 µm, und ihre Länge betrug 30 um. Eine Untersuchung des Stromflusses an der gestrichelten Linie 905 in 9 zeigt, dass der Strom an den Rändern des xMR-Streifens bei diesem Beispiel ungefähr 35 % höher ist als an der Mittelregion des Streifens. Folglich ist der elektrische Beitrag der Mittelregion der Vorrichtung, die einen geringeren Formanisotropieeffekt aufweist, zu dem xMR-Widerstand verringert, was zu einer Vergrößerung des Linearer-Übergang-Bereich bei dieser exemplarischen Struktur um etwa 7 % führt. Gleichzeitig wird der xMR-Widerstand um etwa 27 % verringert.
Unter Bezugnahme auf 10 ist die Stromverteilung der 9 entlang der gestrichelten Linie 905 veranschaulicht. In den Randregionen des Streifens ist der Strom etwa 35 % höher als in der Mittelregion des Streifens.
Unter Bezugnahme auf 11A-11D sind jeweils Grundrisszeichnungen exemplarischer Aufbauten von Lokaler-Kurzschluss-Strukturen veranschaulicht. In den 11A-11D stellt 1101 einen Abschnitt eines xMR-Streifens dar. Eine Durchkontaktierung ist durch das Bezugszeichen 1108 dargestellt, und eine darunter liegende leitfähige Metallstruktur ist durch das Bezugszeichen 1103 dargestellt. 11A veranschaulicht eine Durchkontaktierung mit einer lateral erweiterten Breite. 11B veranschaulicht eine Mehrzahl von quadratischen Durchkontaktierungen, um einen Kurzschlussstreifen mit schmäleren Durchkontaktierungsbreiten zu bilden. 11C veranschaulicht eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen mit einer lateral erweiterten Breite. Und 11D veranschaulicht eine Mehrzahl von quadratischen Durchkontaktierungen, um einen Kurzschlussstreifen mit einer Breite zu bilden, die unabhängig von der Durchkontaktierungsgröße ist. Diese Beispiele demonstrieren verschiedene mögliche LSC-Aufbauten, sind aber nicht auf diese beschränkt. Falls die Breite einer Durchkontaktierung zu einem Kurzschluss führt, der für die Anwendung hoch genug ist, so kann die Länge der LSC-Struktur anhand einer langen Durchkontaktierung, wie sie in 11A veranschaulicht ist, oder anhand einer Mehrzahl von quadratischen Durchkontaktierungen, wie sie in 11B veranschaulicht sind, bestimmt werden. Für den Fall, dass eine hohe Kurzschlusseffizienz erforderlich ist, kann eine Mehrzahl von LSC-Elementen, die durch eine darunter liegende Metallschicht verbunden sind, verwendet werden, wie in 11B und 11D veranschaulicht ist. Jenseits der linearen Konfigurationen von LSCs, die in diesen Figuren veranschaulicht sind, sind innerhalb des breiten Schutzumfangs der Erfindung weitere Formen und Orientierungen möglich.
Eine weitere Anwendung von LSC-Strukturen, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind, beinhaltet so genannte „Magnetowiderstandskopf“-Strukturen, die für anisotrope magnetoresistive Sensoren (AMR-Sensoren) hinreichend bekannt sind. Die „Magnetowiderstandskopf“-Strukturen beziehen sich auf die Verwendung von Streifen eines stark leitfähigen Materials, die sich in einem bestimmten Winkel bezüglich der AMR-Längenachse befinden, und sind herkömmlicherweise auf einer äußeren Oberfläche eines AMR-Sensors aufgebracht. Durch das Vorliegen eines stark leitfähigen Materials in einem Winkel bezüglich der AMR-Längenachse kann die Stromrichtung in der Region zwischen zwei Magnetowiderstandskopf-Strukturen unabhängig von der Richtung einer extern angelegten Spannung bestimmt werden. Die Verwendung von Magnetowiderstandskopf-Streifen kann zum Bauen von AMR-Sensoren nützlich sein, da der AMR-Effekt von dem Winkel zwischen der Strom- und der Magnetisierungsrichtung abhängt. Bei manchen Sensoranwendungen ist es vorzuziehen, in der xMR-Vorrichtung eine Stromrichtung zu liefern, die nicht senkrecht zu dem Gradienten eines extern angelegten elektrischen Potentials ist. In der derzeitigen Praxis werden die Magnetowiderstandskopf-Strukturen anhand zusätzlicher Verarbeitungsschritte, die mit derzeitigen Massenproduktionsprozessen des neuesten Standes der Technik nicht vollständig vereinbar sind, auf der AMR-Schicht der Struktur platziert. Magnetowiderstandskopf-Strukturen, die aus LSC-Strukturen gebaut sind, welche mit Durchkontaktierungen gebildet sind, die mit einer darunter liegenden metallischen Schicht gekoppelt sind, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind, weisen diese Nachteile nicht auf.
Unter Bezugnahme auf 12A ist eine Grundrisszeichnung einer AMR-Struktur, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, mit drei Magnetowiderstandskopf-Streifen veranschaulicht, die bezüglich der AMR-Längenachse in einem Winkel von 45° orientiert sind. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von Magnetowiderstandskopf-Streifen verwendet werden. Die AMR-Struktur umfasst einen Streifen 1201 eines geeigneten magnetoresistiven Materials. Ein magnetisches Material, das manchmal für den Aufbau einer AMR-Struktur verwendet wird, ist Permalloy. Elektrisch leitfähige Magnetowiderstandskopf-Streifen, z.B. ein Magnetowiderstandskopf-Streifen 1208, sind unterhalb der Oberfläche des magnetoresistiven Materials ungefähr in einem 45°-Winkel bezüglich der Längenachse der AMR-Struktur gebildet. Die eingebetteten leitfähigen Magnetowiderstandskopf-Streifen sind anhand von Durchkontaktierungsstrukturen (nicht gezeigt), die gemäß der vorherigen obigen Beschreibung aufgebaut sind, mit dem darüber liegenden magnetoresistiven Material gekoppelt. Ein oberer bzw. ein unterer elektrisch leitfähiger Kontakt 1202 bzw. 1203 liefern Kontakte zum Anlegen einer Potentialdifferenz V1-V2 so dass ein durch die Struktur fließender Strom erfasst werden kann. Alternativ wird ein bekannter Strom durch die Kontakte 1202 und 1203 geliefert, und die resultierende Potentialdifferenz wird erfasst. Die elektrische Leitfähigkeit des eingebetteten Magnetowiderstandskopf-Materials wird als das 20fache der AMR-Leitfähigkeit angenommen, ohne hierauf beschränkt zu sein. Eine exemplarische AMR-Streifenbreite beträgt 10 µm.
Unter Bezugnahme auf 12B ist eine Grundrisszeichnung veranschaulicht, die die resultierende Stromrichtungsverteilung zeigt, die anhand einer zweidimensionalen elektrischen numerischen Simulation erhalten wird. Ohne Magnetowiderstandskopf-Streifen wäre die Stromrichtung von oben nach unten, senkrecht zu der Potentialdifferenz V1-V2, orientiert. Mit Magnetowiderstandskopf-Streifen wird die Richtung des internen Stromflusses dahin gehend neu ausgerichtet, allgemein senkrecht zu den Magnetowiderstandskopf-Streifenachsen zu sein. Folglich fungieren die Magnetowiderstandskopf-Streifen als Lokaler-Kurzschluss-Strukturen und zwingen den Strom dazu, in einem Winkel von 45° bezüglich der Längenachse der AMR-Struktur zwischen den Magnetowiderstandskopf-Streifen zu fließen.
Unter Bezugnahme auf 13A ist eine schematische Grundrisszeichnung eines xMR-Streifens 1301 mit einer Einschnürungsregion 1302 veranschaulicht, was zu einem einzigen, unterteilten xMR-Element führt, das mittels xMR-Materials verbunden ist. Der xMR-Streifen 1301 umfasst Durchkontaktierungen wie z.B. eine Durchkontaktierung 1308 sowie Metallkontakte wie z.B. einen Metallkontakt 1303. Unterhalb der Einschnürung ist eine Lokaler-Kurzschluss-Struktur platziert, die sich in die xMR-Struktur hinein erstreckt. Eine nicht-homogene Stromverteilung kann durch eine Wahl der Form der xMR-Struktur in Kombination mit der Konfiguration der LSC-Struktur bewirkt werden. Wenn der Abstand zwischen LSC-Strukturen geringer ist als die Breite der xMR-Struktur, ergibt sich in der gesamten xMR-Struktur eine nicht-homogene Stromverteilung. Eine typische vorteilhafte Konfiguration wäre, ist jedoch nicht beschränkt auf, ein weniger als drei betragendes Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen LSC-Strukturen und der Breite der xMR-Struktur. Die Form der unterteilten xMR-Elemente kann quadratisch, rechteckig, rautenförmig, kreisförmig oder elliptisch sein, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 13B ist eine schematische Grundrisszeichnung von in Reihe geschalteten xMR-Elementen mit begrenzten Kontaktflächen veranschaulicht. Jedes xMR-Element, z.B. ein xMR-Element 1311, umfasst Durchkontaktierungen wie z.B. eine Durchkontaktierung 1318 sowie Metallkontakte wie z.B. einen Metallkontakt 1313. Eine nicht-homogene Stromverteilung kann durch Auswahl der Form der xMR-Struktur in Kombination mit der Kontaktkonfiguration bewirkt werden. Wenn der Kontakt-Zu-Kontakt-Abstand D geringer ist als die Breite W der Struktur, ergibt sich in der gesamten Struktur eine nicht-homogene Stromverteilung. Eine typische Konfiguration eines xMR-Elements wäre ein weniger als drei betragendes Verhältnis des Kontakt-Zu-Kontakt-Abstands zur Strukturbreite, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Dann könnte ein einzelnes Sensorelement vorteilhafterweise als in Reihe geschaltete Anordnung derartiger einzelner xMR-Elemente aufgebaut sein. Die Form der einzelnen xMR-Elemente kann quadratisch, rechteckig, rautenförmig, kreisförmig oder elliptisch sein, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Unter Bezugnahme auf 14 ist eine Zeichnung veranschaulicht, die schematisch eine Stromverteilung bei einem xMR-Element veranschaulicht, das mit einem kleinen Verhältnis des Kontakt-Zu-Kontakt-Abstands zur Strukturbreite aufgebaut ist. Die Dicke der Pfeile in der Zeichnung ist ein Maß der Stromdichte, das die fehlende Homogenität des Stromflusses angibt, die anhand der Form der xMR-Struktur in Kombination mit der Kontaktkonfiguration bewirkt werden kann.
Somit wurde eine magnetoresistive Vorrichtung beschrieben, die dazu verwendet werden kann, ein extern angelegtes Magnetfeld zu erfassen. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die magnetoresistive Vorrichtung einen magnetoresistiven Streifen mit Durchkontaktierungen, die lokale Kurzschlüsse zwischen dem magnetoresistiven Streifen und einer darunter liegenden metallischen Schicht bilden. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine elektrisch leitfähige, strukturierte metallische Schicht dahin gehend gebildet, elektrisch isolierte leitfähige Regionen über ein Substrat hinweg zu erzeugen, und eine isolierende Schicht ist über die strukturierte metallische Schicht gebildet oder aufgebracht. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die metallische Schicht Aluminium. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Substrat Silizium oder ein Verbundhalbleitermaterial wie z.B. Galliumarsenid, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die isolierende Schicht Siliziumdioxid, ohne hierauf beschränkt zu sein. Der magnetoresistive Streifen ist über die isolierende Schicht gebildet oder aufgebracht, und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen koppeln elektrisch isolierte leitfähige Regionen der metallischen Schicht mit dem magnetoresistiven Streifen. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst der magnetoresistive Streifen Permalloy. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der magnetoresistive Streifen dahin gehend gebildet oder konfiguriert, einen magnetoresistiven Giant-Effekt zu erzeugen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der magnetoresistive Streifen dahin gehend gebildet oder konfiguriert, einen anisotropen magnetoresistiven Effekt, einen kolossalen magnetoresistiven Effekt oder einen magnetoresistiven Tunneleffekt zu erzeugen. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel bildet eine Mehrzahl leitfähiger Durchkontaktierungen lokale Kurzschlüsse zwischen dem magnetoresistiven Streifen und einer elektrisch isolierten Region der metallischen Schicht. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfassen die Durchkontaktierungen Wolfram, es können jedoch auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind elektrisch leitfähige Kontakte an gegenüberliegenden Enden des magnetoresistiven Streifens gebildet oder angeordnet, um zu ermöglichen, dass eine elektrische Potentialdifferenz an den magnetoresistiven Streifen angelegt wird. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die metallische Schicht als elektrisch leitfähige Streifen gebildet, die bezüglich einer Achse des magnetoresistiven Streifens in einem Winkel von ungefähr 45° orientiert sind. Selbstverständlich können für eine bestimmte Anwendung auch andere Orientierungswinkel von in der metallischen Schicht gebildeten Streifen verwendet werden.
Ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert ein Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, ein extern angelegtes Magnetfeld zu erfassen. Bei dem Verfahren wird die magnetoresistive Vorrichtung mit Durchkontaktierungen gebildet, um lokale Kurzschlüsse zwischen einem magnetoresistiven Streifen und einer darunter liegenden metallischen Schicht zu erzeugen. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden einer elektrischen leitfähigen, strukturierten metallischen Schicht über ein Substrat, um elektrisch isolierte leitfähige Regionen zu erzeugen, und ein Bilden einer isolierenden Schicht über die strukturierte metallische Schicht. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst die metallische Schicht Aluminium. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst das Substrat Silizium oder ein Verbundhalbleitermaterial wie z.B. Galliumarsenid. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst die isolierende Schicht Siliziumdioxid. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden des magnetoresistiven Streifens über die isolierende Schicht und ein Koppeln der Mehrzahl von elektrisch isolierten leitfähigen Regionen der metallischen Schicht mit dem magnetoresistiven Streifen, wobei leitfähige Durchkontaktierungen zwischen der metallischen Schicht und dem magnetoresistiven Streifen gebildet werden. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst der magnetoresistive Streifen Permalloy. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden des magnetoresistiven Streifens dahin gehend, einen magnetoresistiven Giant-Effekt zu erzeugen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden des magnetoresistiven Streifens dahin gehend, einen anisotropen magnetoresistiven Effekt, einen kolossalen magnetoresistiven Effekt oder einen magnetoresistiven Tunneleffekt zu erzeugen. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden eines lokalen Kurzschlusses zwischen dem magnetoresistiven Streifen und einer elektrisch isolierten Region der metallischen Schicht, indem eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen in der isolierenden Schicht zwischen dem magnetoresistiven Streifen und der elektrisch isolierten Region der darunter liegenden metallischen Schicht gebildet wird. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfassen die Durchkontaktierungen Wolfram, es können aber auch andere elektrisch leitfähige Materialen verwendet werden. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden elektrisch leitfähiger Kontakte an gegenüberliegenden Enden des magnetoresistiven Streifens, um zu ermöglichen, dass eine elektrische Potentialdifferenz an den magnetoresistiven Streifen angelegt wird. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Bilden der metallischen Schicht als elektrisch leitfähige Streifen, die bezüglich einer Achse des magnetoresistiven Streifens in einem Winkel von etwa 45° orientiert sind. Selbstverständlich können für eine bestimmte Anwendung auch andere Orientierungswinkel von in der metallischen Schicht gebildeten Streifen verwendet werden.
Ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert eine auf einer metallischen Schicht gebildete magnetoresistive Vorrichtung. Ein magnetoresistiver Streifen, der xMR-Elemente umfasst, die durch kleine Einschürungsregionen verbunden sind, ist auf einer auf der metallischen Schicht aufgebrachten isolierenden Schicht aufgebracht, und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen ist in der isolierenden Schicht gebildet, um die elektrisch isolierten und elektrisch leitfähigen Kontakte, die in der metallischen Schicht gebildet sind, mit dem magnetoresistiven Streifen um die Einschnürungsregion herum zu koppeln. Ein Verhältnis eines Durchmessers des xMR-Elements zu einem Trennungsabstand zwischen den Durchkontaktierungen beträgt weniger als drei, um in dem magnetoresistiven Streifen einen im Wesentlichen nicht-homogenen Stromfluss zu erzeugen. Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist bei dem magnetoresistiven Streifen eine Einschnürungsregion gebildet, wobei ein lokaler Kurzschluss gebildet wird, der sich in den magnetoresistiven Streifen hinein erstreckt.
Ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert eine auf einem Substrat gebildete magnetoresistive Vorrichtung. Eine metallische Schicht ist auf dem Substrat aufgebracht, um elektrisch isolierte und elektrisch leitfähige Kontakte zu bilden, und eine isolierende Schicht ist auf der metallischen Schicht aufgebracht. Ein magnetoresistiver Streifen ist auf der isolierenden Schicht aufgebracht, und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen ist in der isolierenden Schicht gebildet, um die in der metallischen Schicht gebildeten elektrisch isolierten und elektrisch leitfähigen Kontakte mit dem magnetoresistiven Streifen zu koppeln. Ein Verhältnis eines Durchmessers des einzelnen xMR-Elements mit einem Trennungsabstand zwischen den Durchkontaktierungen beträgt weniger als drei, um einen im Wesentlichen nicht-homogenen Stromfluss in dem magnetoresistiven Streifen zu erzeugen.
Obwohl eine magnetoresistive Vorrichtung für eine Anwendung zum Erfassen eines extern angelegten Magnetfeldes, um eine Position, Geschwindigkeit oder Orientierung eines Objekts zu erfassen, beschrieben wurde, sollte man sich dessen bewusst sein, dass andere Anwendungen von magnetoresistiven Vorrichtungen innerhalb des breiten Schutzumfangs der Erfindung in Betracht gezogen werden und nicht darauf beschränkt sein müssen, eine Position, Geschwindigkeit oder Orientierung eines Objekts zu erfassen.

Claims

Magnetoresistive Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (101); eine elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303), die eine auf dem Substrat (101) aufgebrachte metallische Schicht umfasst; eine auf der metallischen Schicht aufgebrachte isolierende Schicht (104); einen auf der isolierenden Schicht (104) aufgebrachten magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301); und zumindest eine leitfähige Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318), die die elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303) mit dem magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) koppelt, wobei die elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303) nur durch die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1208; 1308) elektrisch kontaktiert ist.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der magnetoresistive Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) konfiguriert ist, einen magnetoresistiven Giant-Effekt zu erzeugen.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die leitfähige Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308) einen lokalen Kurschluss zwischen dem magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) und der metallischen Schicht bildet.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der magnetoresistive Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) Permalloy umfasst.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der das Substrat (101) Silizium umfasst, die isolierende Schicht (104) Siliziumdioxid umfasst, die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308) Wolfram umfasst und die metallische Schicht Aluminium umfasst.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner elektrisch leitfähige Kontakte (402, 403; 902, 903) umfasst, die an gegenüberliegenden Enden des magnetoresistiven Streifens (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) gebildet sind.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die metallische Schicht Streifen umfasst, die bezüglich einer Achse des magnetoresistiven Streifens in einem etwa 45° betragenden Winkel gebildet sind.
Magnetoresistive Vorrichtung (100; 105) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Mehrzahl von elektrisch isolierten Regionen (1303), die jeweils eine auf dem Substrat (101) aufgebrachte metallische Schicht umfassen; und eine Mehrzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen (1308), wobei ein Verhältnis der Breite des magnetoresistiven Streifens (1301) zu dem Abstand zwischen den Durchkontaktierungen (1308) weniger als drei beträgt.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die ferner eine in dem magnetoresistiven Streifen (1301) gebildete Einschnürungsregion (1302) umfasst, in der eine Durchkontaktierung (1308) angeordnet ist.
Magnetoresistive Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Substrat (101) Silizium umfasst, die isolierende Schicht (104) Siliziumdioxid umfasst, die Durchkontaktierungen (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318) Wolfram umfassen und die metallische Schicht Aluminium umfasst.
Verfahren zum Bilden einer magnetoresistiven Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bilden einer elektrisch isolierten Region (103; 1103; 1303) über einem Substrat (101) durch Strukturieren einer metallischen Schicht; Aufbringen einer isolierenden Schicht (104) über der metallischen Schicht; Bilden einer Öffnung in der isolierenden Schicht (104) über der metallischen Schicht; Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials in der Öffnung derart, dass es mit der elektrisch isolierten Region (103; 1103; 1303) in Kontakt ist, um eine Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318) zu bilden; und Bilden eines magnetoresistiven Streifens (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) über der isolierende Schicht (104) derart, dass er in elektrischem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Material ist, wobei die elektrisch isolierte Region (103; 1103; 1303) nur durch die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318) elektrisch kontaktiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der magnetoresistive Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) gebildet wird, um einen magnetoresistiven Giant-Effekt zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318) einen lokalen Kurzschluss zwischen dem magnetoresistiven Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) und der metallischen Schicht bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der magnetoresistive Streifen (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) Permalloy umfasst, das Substrat (101) Silizium umfasst, die isolierende Schicht (104) Siliziumdioxid umfasst, die Durchkontaktierung (108; 404; 904; 1108; 1308; 1318) Wolfram umfasst und die metallische Schicht Aluminium umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das ferner ein Bilden von elektrisch leitfähigen Kontakten (402, 403; 902, 903) an gegenüberliegenden Enden des magnetoresistiven Streifens (105; 401; 901; 1101; 1201; 1301) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner ein Bilden der metallischen Schicht als metallische Streifen in einem etwa 45° betragenden Winkel bezüglich einer Achse der magnetoresistiven Vorrichtung (100; 105) umfasst.