-
Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor, der in Dünnschichttechnik hergestellt wird und der ferromagnetische Schichten in GMR- oder TMR-Technologie aufweist, die durch mindestens eine Zwischenschicht getrennt sind.
-
Neben den klassischen AMR-Sensoren sind weitere magnetoresistive Dünnschichtsysteme seit langem unter dem Sammelbegriff XMR-Systeme bekannt (z. B.
"XMR-Technologien"-Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum Düsseldorf, 1997, Seiten 11 bis 46).
-
Dabei werden diese XMR-Systeme aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien in verschiedene Kategorien unterteilt.
-
TMR-Systeme werden z. B. in der
DE 198 13 250 C2 oder
DE 103 09 243 A1 beschrieben. Sie zeichnen sich im Wesentlichen dadurch aus, dass zwei Schichten aus ferromagnetischem Material durch eine elektrisch nicht leitende Dünnschicht (z. B. Al
2O
3, MgO) voneinander getrennt sind. Der Stromfluss durch diese isolierende Dünnschicht (Barriere) kann nur durch Tunneln erfolgen, wobei der Tunnelstrom von der Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten abhängt.
-
Um derartige TMR-Schichtsysteme für Sensoranwendungen nutzen zu können, sind Lösungen bekannt, bei denen die ferromagnetischen Schichten so ausgestaltet sind, dass eine Schicht aus magnetisch härterem Material besteht und die zweite Schicht aus magnetisch weicherem Material besteht, so dass bei Anlegen eines externen Magnetfeldes die magnetisch harte Schicht (Referenzschicht) ihre im Herstellprozess eingebrachte Magnetisierung beibehält, während die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht dem externen zu messenden Magnetfeld folgt.
-
Weitere Verfahren zur Fixierung der Magnetisierung der Referenzschicht, z. B. durch Einbringen von künstlichen Antiferromagneten sind z. B. aus der
WO 94/152223 A1 bekannt.
-
Auch bei dem von Grünberg und Fert 1988 entdeckten GMR-Effekt ändert sich der elektrische Widerstand von zwei dünnen ferromagnetischen Schichten, die durch eine dünne nicht magnetische Schicht getrennt sind, in Abhängigkeit von der Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten zueinander.
-
Zur Auswahl geeigneter Materialien oder zum Aufbau des geeigneten Schichtsystems sind verschiedene Lösungen bekannt, die je nach gewählter Topologie in unterschiedliche Unterkategorien, wie z. B. GMR-Multilagen, bei denen ferromagnetische Schichten über Zwischenschichten antiferromagnetisch gekoppelt sind, sodass sich die Magnetisierung in den Schichten ohne äußeres Magnetfeld antiparallel ausrichten, SpinValve-Strukturen, bei denen die Richtung der Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht fest vorgegeben ist (
DE 4243358 A1 ) oder CPP-GMR-Strukturen (
US 6,953,601 B2 ), die insbesondere kleine und gut auflösende Sensorelemente ermöglichen, gegliedert werden können.
-
Nachteilig bei diesen Lösungen sind der aufwändige und mit hohen Genauigkeitsanforderungen verbundene Herstellprozess, die Auswahl und Kombination geeigneter Materialien oder die zusätzlichen Maßnahmen zur Einstellung der Magnetisierung der Referenzschichten. Bei Einsatz der Schichtsysteme in Umgebungen mit hohen Temperaturen (z. B. über 200°C) ergeben sich bei Verwendung der typisch eingesetzten Materialien oder der Verfahren zur Einstellung der Magnetisierung zusätzliche Probleme. So werden in SpinValve-Strukturen häufig auf Mn basierende Antiferromagnete realisiert, die bei höheren Temperaturen aufgrund von Diffusionseffekten die Schichtstruktur nachteilig verändern.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetoresistiven Sensor zu schaffen, der die o. g. Nachteile nicht aufweist, kostengünstig herzustellen ist und messtechnische Vorteile bei der Messung eines Magnetfeldes aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch einen magnetoresistiven Sensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Daher wird nachfolgend ein Magnetoresistiver Sensor beschrieben, der die o. g. Nachteile nicht aufweist, kostengünstig herzustellen ist und weitere Vorteile bei der Messung eines Magnetfeldes aufweist.
-
Die erfindungsgemäße Idee nutzt dabei den Effekt der magnetischen Anisotropie in ferromagnetischen Schichten. So stellt sich die Magnetisierung in dünnen magnetischen Schichten vorzugsweise in Richtung der Längsachse ein, wenn die Schichten zu länglichen Geometrien, beispielsweise Rechtecke oder Ellipsen, strukturiert werden, so dass das Maß der Längsachse ein Vielfaches der Querachse beträgt. Die Formansisotropie tritt dann als starker Effekt auf, wenn die Länge der Querachse bis etwa eine Größenordnung über der Schichtdicke liegt, z. B. wenn bei 10 nm Schichtdicke ein 100 nm breiter Streifen realisiert ist. Für das Anisotropiefeld Ma gilt: Ma ~ Ms·d/b, wobei Ms die Sättigungsmagnetisierung des magnetischen Materials ist, d die Schichtdicke und b die Breite des Streifens.
-
Dieser Effekt der Formanisotropie tritt z. B. in nur einigen nm dünnen CoFeB-, CoFe-, NiFe-Schichten oder Schichten der sogenannten Heusler-Legierungen auf, die streifenförmig mit Abmaßen von z. B. 100 nm × 5000 nm strukturiert sind. Eine vorteilhafte Dimensionierung ist gegeben, wenn die Längsachse mindestens die 10-fache Ausdehnung der zugehörigen Querachse aufweist. Die sich so einstellende Magnetisierungsrichtung kann zunächst durch äußere Magnetfelder nicht wesentlich verändert werden. Erst ab typischen Magnetfeldern mit Werten oberhalb des Anisotropiefeldes ist eine Ummagnetisierung des Streifens zu erwarten. Für eine 10 nm dicke NiFe Schicht (Ms ~ 10000 Oe,), die in einem Streifen mit 100 nm Breite und 10 um Länge dimensioniert ist, ergibt sich ein Anisotropiefeld von 100 mT. Im Vergleich dazu, das Magnetfeld der Erde beträgt ca. 50 μT. Neben industriellen Anwendungen zur Drehzahl- oder Drehwinkelerfassung sind damit auch Messaufgaben z. B. für einen elektronischen Kompass realisierbar.
-
Wird in einem magnetoresistiven Schichtsystem bestehend aus mindestens 2 ferromagnetischen Schichten und einer Zwischenschicht, die entweder isolierende (TMR) oder elektrisch leitfähige, aber nicht magnetische (GMR) Eigenschaften aufweist, eine ferromagnetische Schicht so strukturiert, dass sich die Magnetisierung in der strukturierten Schicht aufgrund der Formanisotropie bevorzugt einstellt, so lässt sich daraus ein Sensor gestalten, mit dem die Richtung eines externen Magnetfeldes am Ort des Sensors detektiert werden kann. Dabei wird die ferromagnetische Schicht vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie mindestens einen geometrischen Bereich enthält, welcher aufgrund der Form bevorzugte Magnetisierungseigenschaften aufweist, die durch den Effekt der Formanistropie begründet sind. Für die Bereiche mit bevorzugten Magnetisierungseigenschaften bieten sich bei der Realisierung in dünnen Schichten mit im Bereich Nanometer bis Mikrometer liegenden Schichtdicken bevorzugt solche Geometrien an, bei denen durch die lange und gleichzeitige schmalen Dimensionen der Effekt der Formanisotropie besonders ausprägt. So sind vorteilhaft Geometrien wie Rechtecke oder Ellipsen denkbar, bei denen das Maß der Längsachse ein Vielfaches des Maßes der Querachse beträgt.
-
Lässt die Gestaltung der Bereiche mehrere bevorzugte Magnetisierungsrichtungen aufgrund der Formanisotropie zu, so kann in nachfolgenden Produktionsprozessen für die Sensorherstellung durch Anlegen eines hohen Magnetfeldes erreicht werden, dass sich nur eine bevorzugte Magnetisierung in den Bereichen einstellt. So sind in langen symmetrischen Streifen prinzipiell zwei Magnetisierungen möglich die entgegengesetzt in der Richtung der Längsachse zeigen. Durch Anlegen eines externen starken Magnetfeldes im Produktionsprozess, welches deutlich stärker ist als das durch Formanisotropie eingestellte Anisotropiefeld kann durch eventuelle Ummagnetisierung erreicht werden, dass sich als Magnetisierungsrichtung jedoch nur eine bevorzugte Richtung einstellt. Diese bleibt stabil, solange in einer Anwendung die auftretenden Magnetfelder nicht das Anisotropiefeld übertreffen. Während die Magnetisierung der so strukturierten Schicht bei Anlegen des externen Mess-Magnetfeldes bestehen bleibt, wird die Magnetisierung der zweiten, freien ferromagnetischen Schicht dem externen Magnetfeld folgen. Bevorzugt wird die Form der zweiten, freien ferromagnetischen Schicht annähernd kreisförmig gewählt. Aufgrund der sich einstellenden Winkel der Magnetisierungen zwischen freier und strukturierter Schicht, werden die bekannten Kennlinien für die GMR- oder TMR-Strukturen durchlaufen.
-
Da die Geometrie der Bereiche auch die Grenzen festlegt, bei denen mit einem externen Magnetfeld ein bewusstes Umklappen der Magnetisierungsrichtung möglich wird, kann durch die Gestaltung der Geometrien der Bereiche auch erreicht werden, dass bei Ausbildung von mehreren geometrisch unterschiedlichen Bereichen in der strukturierten Schicht auch in der Richtung abweichende oder gar in der Richtung entgegengesetzte Magnetisierungen eingeprägt werden können.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Grenzwert für die Feldstärke eines externes Magnetfeld, welches ein Umklappen der Bereiche erzeugen kann dadurch angehoben, indem die Magnetisierung in den Bereichen mit bevorzugter Magnetisierung durch eine zusätzlich aufgebrachte Pinning-Schicht zusätzlich stabilisiert wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch möglich, die Referenzschicht durch eine zusätzliche Schichtfolge zu erweitern, sodass ein künstlicher Antiferromagnet entsteht. So kann beispielweise eine CoFe-Schicht, die bereits alleine als Referenzschicht ausgestaltet sein kann durch eine Ru-Zwischenschicht und eine weitere CoFe-Schicht zu einem derartigen künstlichen Antiferromagneten (CoFe/Ru/CoFe-Schichtstapel) ergänzt werden. Durch eine geeignete Schichtdicke der Ru-Zwischenschicht, stellen sich die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Schichten antiparallel zueinander. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das magnetische Moment einer der beiden Schichten reduziert wird und dadurch die Wechselwirkung der Referenz- und Messschicht minimiert wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich, wenn mehrere Bereiche elektrisch in Reihe und/oder in Serie verschaltet werden. So kann der Gesamtwiderstand der Anordnung konstruktiv in weiten Grenzen eingestellt werden. Zu einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gelangt man, wenn die Bereiche mit bevorzugten Magnetisierungen aus Teilbereichen zusammengesetzt werden, die ihrerseits bevorzugte Magnetisierungen aufweisen. Während die Widerstandskennlinie bei Drehung eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer länglichen Rechteckgeometrie eines Bereiches in einem extern Messfeld einen sinusförmigen Verlauf hat, kann durch Ergänzung von weiteren Teilbereichen eine Überlagerung dieser Widerstandskennlinie mit weiteren evtl. phasenverschobenen Sinuskurven mit konstruktiv einstellbarer Amplitude erreicht werden. Alternativ können diese Teilbereiche auch diskret, das heißt flächenmäßig nicht unmittelbar zusammenhängend ausgeführt sein sondern durch elektrische Verbindungen miteinender verschaltet werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn zwei Bereiche mit bevorzugten Magnetisierungen die gleiche Geometrie aufweisen, aber zueinander um 90 Grad zueinander verschoben sind. Bei Drehung eines so gestalteten Sensors in einem Messfeld werden zwei um 90 Grad versetzte sinusförmige Kennlinien durchlaufen, sodass über trigonometrische Umformungen ein absolute Winkelinformation zu ermitteln ist. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und Verringerung von z. B. temperaturabhängigen Fehlern können verschiedene Bereiche auch besonders vorteilhaft in Wheatstoneschen Brücken verschaltet werden.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
In 1 ist ein vereinfachter Aufbau für ein Schichtsystem (1) eines TMR-Sensors als Stand der Technik dargestellt.
-
Auf einem Substrat (16), z. B. aus Silizium ist ein sog. Seed-Layer (7) aufgebracht, der für einen optimalen Schichtaufbau der darüber liegenden Schichten sorgt, aber auch zur elektrischen Kontaktierung dieser darüber liegenden Schichten genutzt werden kann. Beispielhafte Materialien sind hier Tantal oder Ruthenium. Die Schicht (6) dient als Pinning-Schicht und ist im gezeichneten Fall als Antiferromagnet ausgebildet, welcher in der darüber liegenden ferromagnetischen Schicht (5) eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung einprägt. Die Pinning-Schicht sorgt dafür, dass diese Magnetisierungsrichtung der Schicht (5) auch bei Anlegen eines externen Magnetfeldes bestehen bleibt und somit als Referenzschicht dient. Die Schicht (4) ist ein elektrischer Isolator, der als Tunnel-Barriere zwischen den Schichten (2) und (5) dient. Typische Materialien für diese Barrieren sind MgO oder Al2O3. Die ferromagnetische Schicht (2) wirkt als Messschicht dadurch, dass die Magnetisierung der Schicht durch ein externes Magnetfeld vorgegeben ist. Je nach resultierendem Winkel zwischen der Magnetisierung in der Messschicht (2) und der gepinnten ferromagnetischen Schicht (5) stellt sich ein Widerstand über den Schichten gemäß der Formel R = R0 + ΔRcos(φ) ein, wobei φ der relative Winkel zwischen den Ausrichtungen der Magnetisierungen der Schichten (2) und (5) ist und ΔR/R0 ein Maß für den TMR-Effekt ist. Die obere Schicht (3) dient als ”capping layer” im Wesentlichen zum Schutz der darunter liegenden Schichten und als belastbare Fläche für die weitere elektrische Kontaktierung des Schichtsystems.
-
In 2 ist in der Seitenansicht eine Ausführungsform für einen beispielhaften TMR-Schichtaufbau als Ausgangspunkt für einen erfindungsgemäßen Sensor dargestellt. Auf das Substrat (16) ist wie in 1 ein Seed-Layer (7) aufgebracht. Darauf ist nun eine erste ferromagnetische Schicht (2.2) aufgebracht, die im Gegensatz zu 1 nicht gepinnt ist, sondern ihre Magnetisierung entsprechend der Richtung eines externen Magnetfeldes einstellt. Über der isolierenden Barriere (4) ist eine weitere ferromagnetische Schicht (2.1) aufgebracht. Das Material der Schicht kann dabei identisch mit dem der Schicht (2.2) sein oder auch bewusst abweichend gewählt werden, um ein gewünschtes Magnetisierungsverhalten zu erreichen. Da über das Schichtsystem ein Messstrom geleitet bzw. eine Spannung angelegt wird, werden die Schichten häufig als Elektrodenschichten bezeichnet. Im Folgenden wird daher auch Schicht (2.1) als obere und die Schicht (2.2) als untere Elektrode bezeichnet.
-
Der Capping-Layer dient wie in 1 zum Schutz und zur elektrischen Kontaktierung. Zum Einprägen einer festen Magnetisierungsrichtung erhält die Sensorschicht (2.1) durch nachfolgende vorzugsweise fotolithografische Belichtungs- und Ätzprozesse eine erfindungsgemäße geometrische Form.
-
In 3 ist daher eine vorteilhafte Ausführung eines Sensoraufbaus nach den Belichtungs- und Ätzprozessen zur Strukturierung in der Draufsicht dargestellt. Der Schichtstapel ist dabei vorteilhaft mit kreisförmiger Geometrie realisiert. Durch die Belichtungs- und Ätzprozesse ist als Geometrie für die obere Elektrode nun lediglich ein länglicher Bereich erhalten geblieben, der über die Tunnel-Barriere (4) mit der abgedeckten unteren Elektrode Wechselwirken kann. Aufgrund der Formanisotropie des Bereiches (8) wird sich für die damit realisierte obere Elektrode eine Magnetisierung (9) entlang der Längsrichtung des Bereiches (8) einstellen.
-
Diese Vorzugsrichtung der Magnetisierung (9) kann zunächst 2 um 180° gedrehte Richtungen aufweisen. Bevorzugt wird die gewünschte Richtung im Fertigungsprozess durch Anlegen eines starken Magnetfeldes ausgewählt.
-
So können in einer weiteren vorteilhaften Ausführung zur Einstellung eines gewünschten Widerstandswertes mehrere Bereiche 8.1 bis 8.4 prozessiert und gemäß 4 elektrisch parallel und/oder seriell verschaltet werden. Die Gesamtheit der verbundenen Elemente stellt dann die obere Elektrode dar.
-
Eine weitere vorteilhafte Formgebung für den Bereich, der die obere Elektrode darstellt, ist in 5 skizziert.
-
Dabei ist der Bereich (10) mit bevorzugter Magnetisierung durch mehrere Teilbereiche (11, 12, 13) zusammengesetzt, wobei die Geometrie der Teilbereiche und des Gesamtbereiches im Zusammenwirken eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung einnehmen.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in 6 dargestellt.
-
Die beiden Bereiche (8.5) und (8.6) sind dabei elektrisch isoliert und um 90° gedreht strukturiert angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden beide Bereiche getrennt kontaktiert und liefern um 90° verschobene Winkelinformationen.
-
Ist wie in 7 dargestellt mindestens ein Bereich (8.7) mit bevorzugter Magnetisierungsrichtung vorhanden und ein weiterer Bereich (14) so ausgestaltet, dass er analog zur freien unteren Elektrode keine magnetische Vorzugsrichtung aufweist, vorteilhaft durch eine kreisförmige Gestaltung, so kann die elektrische Kontaktierung zur Bildung eines Messsignals ausschließlich über die oberen Bereiche (14) und (8.7) erfolgen.
-
Eine weitere vorteilhafte Erweiterung ist in 8 dargestellt. In der Seitenansicht ist ein strukturierter Schichtaufbau eines bevorzugten Sensorsystems dargestellt. Zwischen der ferromagnetischen Schicht (2.1), die zu einem Bereich mit bevorzugter Magnetisierungsrichtung aufgrund der Formanisotropie strukturiert wurde, und dem Capping-Layer befindet sich eine zusätzliche Pinning-Schicht (6), welche die Schwelle erhöht, ab der externe Magnetfelder die bestehende Magnetisierung aufgrund der Formanisotropie verändern bzw. aufheben.
-
Ein erfindungsgemäßer Magnetoresistiver Sensor kann auch durch mehrere Schichtsysteme realisiert werden, die über einem Seed-Layer (7) verbunden auf einem Substrat (16) angeordnet sind, wobei jedes Schichtsystem aus den dargestellten Strukturen gemäß 2–8 gebildet wird. Vorteilhaft wären damit bei orthogonaler Strukturierung der Bereiche (2.3) und (2.4) wiederum Sensorelemente herstellbar, die um 90° verschobene elektrische Signale für eine Aufgabenstellung Drehzahl- oder Drehwinkelmessung liefern.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schichtsystem für Sensor
- 2, 2.1, ... 2.4
- ferromagnetische Schichten
- 3, 3.1, 3.2
- Capping-Layer
- 4, 4.1, 4.2
- Tunnel-Barriere
- 5
- gepinnte ferromagnetische Schicht
- 6
- Pinning-Schicht (Antiferromagnet)
- 7
- Seed-Layer
- 8, 8.1, ... 8.7
- Bereiche mit magnetischer Vorzugsrichtung
- 9
- Vorzugsrichtung der Magnetisierung
- 10
- Bereich bestehend aus Teilbereichen
- 11, 12, 13
- Teilbereiche mit magnetischer Vorzugsrichtung
- 14
- zusätzlicher elektrischer Anschluss
- 15
- strukturiertes Schichtsystem für Sensor
- 16
- Substrat
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19813250 C2 [0004]
- DE 10309243 A1 [0004]
- WO 94/152223 A1 [0006]
- DE 4243358 A1 [0008]
- US 6953601 B2 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- ”XMR-Technologien”-Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum Düsseldorf, 1997, Seiten 11 bis 46 [0002]
- von Grünberg und Fert 1988 [0007]
