DE102012201458A1

DE102012201458A1 - Magnetoresistive vorrichtung und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE102012201458A1
Application number: DE102012201458A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Raberg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US9523747B2; US9207292B2; US20150377986A1; US20120194180A1

Abstract

Eine magnetoresistive Vorrichtung umfasst einen Träger, einen xMR-Sensor, eine über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors gebildete magnetische Schicht und eine zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht angeordnete isolierende Schicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetoresistive Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf magnetoresistive Sensoren, die auf xMR-Technologie beruhen und bei Umdrehungsgeschwindigkeitssensoranwendungen eingesetzt werden können.
Heutzutage werden Geschwindigkeitssensoren, die auf magnetoresistiven Vorrichtungen beruhen, die xMR-Strukturen umfassen, üblicherweise für Umdrehungsgeschwindigkeitssensoranwendungen verwendet. Derartige xMR-basierte Geschwindigkeitssensoren werden beispielsweise mit einem Magnetpolrad als Wandlerrad eingesetzt. Die auf xMR-Technologie beruhenden magnetoresistiven Vorrichtungen können xMR-Strukturen wie beispielsweise Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Strukturen, Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Strukturen oder Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Strukturen umfassen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, magnetoresistive Vorrichtungen sowie Verfahren zum Herstellen derselben mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern eine magnetoresistive Vorrichtung, die einen Träger und einen auf dem Träger befindlichen xMR-Sensor aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors gebildete magnetische Schicht und eine zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht angeordnete isolierende Schicht auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern eine magnetoresistive Vorrichtung, die einen Träger, einen auf dem Träger befindlichen xMR-Sensor, der auf einem Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekt, einem Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekt oder einem Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekt beruht, aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors gebildete hartmagnetische Schicht und eine zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht angeordnete isolierende Schicht auf. Die hartmagnetische Schicht ist dazu konfiguriert, ein Vormagnetisierungsfeld (bias magnetic field) für die aktive xMR-Region des xMR-Sensors von oben bereitzustellen, und ein vertikaler Abstand zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht ist geringer als eine laterale Abmessung der hartmagnetischen Schicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern eine magnetoresistive Vorrichtung, die einen xMR-Sensor und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Vormagnetisierungsfeldes für eine aktive xMR-Region des xMR-Sensors ausgehend von einer Position, die oberhalb des xMR-Sensors liegt, aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern ein Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Vorrichtung. Das Verfahren weist ein Bereitstellen eines xMR-Sensors und ein Bilden einer magnetischen Schicht über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors auf. Bei einem Ausführungsbeispiel sind der xMR-Sensor und die magnetische Schicht miteinander integriert, um eine Vorrichtung vom Typ einer integrierten Schaltung zu bilden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern ein Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Vorrichtung. Das Verfahren weist ein Bereitstellen eines xMR-Sensors auf der Basis eines Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekts, eines Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekts oder eines Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekts und ein Bilden einer hartmagnetischen Schicht über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors auf. Außerdem weist das Verfahren ein Anordnen einer isolierenden Schicht zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht auf, wobei der Schritt des Anordnens der isolierenden Schicht vor dem Schritt des Bildens der hartmagnetischen Schicht über der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors durchgeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen Graphen einer beispielhaften Magnetfeldintensität, die an der Stelle eines xMR-Sensors des Ausführungsbeispiels der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 1 erzeugt wird;
3a eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Wafers, der nach einem Front-End-Prozess (FE-Prozess) und einem Schleifen vorliegt;
3b eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des xMR-Sensors gemäß 3a;
4a eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsteils einer magnetoresistiven Vorrichtung nach einer Wiederherstellung (Rekonstitution);
4b eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des Herstellungsteils der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 4a;
5a eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsteils einer magnetoresistiven Vorrichtung nach Abscheidung einer ersten dielektrischen Schicht;
5b eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des Herstellungsteils der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 5a;
6a eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsteils einer magnetoresistiven Vorrichtung nach Abscheidung und Strukturierung eines hartmagnetischen Materials;
6b eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des Herstellungsteils der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 6a;
7a eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsteils einer magnetoresistiven Vorrichtung nach einem Strukturieren eines Umverteilungsmetalls, einer Abscheidung einer abschließenden dielektrischen Schicht und einem Öffnen;
7b eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des Herstellungsteils der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 7a;
8a eine Ansicht einer Bx/Bz-Ebene eines schematischen Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Geschwindigkeitssensors bei einer Polradkonfiguration;
8b eine Ansicht einer By/Bz-Ebene des Ausführungsbeispiels des xMR-Geschwindigkeitssensors gemäß 8a;
9 eine schematische Veranschaulichung einer Magnetfeldrotation über eine xMR-Streifenlänge, wenn ein Streifen in der Mitte des in 8a gezeigten Polrades positioniert ist;
10 einen Graphen einer simulierten xMR-Antwort auf eine Rotation (Drehung) eines rotierenden Magnetfeldes hin, der eine Charakteristik-Diskontinuität veranschaulicht;
11a eine Ansicht aus der Vogelperspektive auf simulierte Magnetisierungsregionen der freien Schicht eines xMR-Streifens für einen Magnetfeldwinkel von 5°, was Punkt 1 in 10 entspricht;
11b eine Ansicht aus der Vogelperspektive auf simulierte Magnetisierungsregionen der freien Schicht eines xMR-Streifens für einen Magnetfeldwinkel von 45°, was Punkt 2 in 10 entspricht; und
11c eine Ansicht aus der Vogelperspektive auf simulierte Magnetisierungsregionen der freien Schicht eines xMR-Streifens für einen Magnetfeldwinkel von 60°, was Punkt 3 in 10 entspricht.
Viele der heutigen xMR-basierten Geschwindigkeitssensoren werden mit einem Magnetpolrad als Wandlerrad eingesetzt.
Die xMR-Strukturen sind üblicherweise schmale Streifen mit einer homogenen Breite von < 2 μm, um eine definierte Empfindlichkeit durch die Formanisotropie bereitzustellen. Um einen vernünftigen xMR-Widerstand im Bereich von 10 kOhm zu erreichen, ist der Streifen mehrere 100 μm lang. Die Wandlerpolräder weisen nur eine begrenzte Dicke/axiale Breite auf, und deshalb ist das Magnetsignalfeld nicht über die gesamte Streifenlänge hinweg homogen. Mit zunehmendem (axialem) Abstand von der Polradmitte nimmt die By-Komponente zu und ist zwischen der unteren und der oberen Hälfte des Polrades um 180° phasenverschoben (siehe z. B. 8a, 8b und 9). In Kombination mit einer Bx-Komponente, die bezüglich der einzelnen By-Komponenten um +/– 90° phasenverschoben ist, führt dies zu einer Rotation des Magnetfeldvektors.
Die Formanisotropie führt zu unterschiedlichem Verhalten der Magnetisierungen über die Streifenbreite hinweg: Während die Bereiche in der Mitte relativ problemlos einem äußeren Magnetfeld folgen können, sind die Magnetisierungsregionen an den Kanten viel stabiler. 11a, 11b und 11c zeigen eine Ansicht aus der Vogelperspektive der simulierten Magnetisierung der freien Schicht (d. h. Sensorschicht) des xMR-Stapels, nachdem es mit einem äußeren Drehfeld beaufschlagt wird, wobei Bx = By = 8 mT. Die Rotation beginnt bei phi = 0°, wobei das Magnetfeld nach rechts zeigt. Bei phi = 5° (Punkt 1 in 10) kann die zentrale Magnetisierungsregion folgen, wohingegen die Kantenregionen ihre Magnetisierung in der anfänglichen Richtung in dem Raum der oberen Hälfte beibehalten. Eine weitere Drehung im Uhrzeigersinn (phi = 45°, entspricht Punkt 2 in 10) führt zu einer Erzeugung von Domänenwänden von 180° zwischen den Magnetisierungen der Streifenmitte und der Kante. Bei einem Drehwinkel von etwa phi = 60° (entspricht Punkt 3 in 10) ist die Kraft auf den Kantenregionen stark genug, um deren Magnetisierungsrichtung entlang des äußeren Feldes zu drehen. Dieser Umschaltvorgang (Wechselvorgang) spiegelt sich in einer Diskontinuität der Widerstandscharakteristik wider (siehe 10). 10 zeigt einen beispielhaften Graphen einer simulierten xMR-Antwort auf eine Beaufschlagung mit einem magnetischen Drehfeld hin (B = 8 mT). Unter Bezugnahme auf 10 kann zwischen Feldwinkeln von 55° und 60° eine Diskontinuität der Charakteristik beobachtet werden. Der Feldwinkel, bei dem das Umschalten (Wechseln) auftritt, hängt von den Feldbedingungen (By/Bx-Verhältnis) des Drehfeldvektors und der Formanisotropie und somit von der Streifenbreite ab.
Die Diskontinuität des Ausgangssignals kann die Interpretation des Signals stark beeinflussen (Jitter, verlorener Puls usw.).
Gemäß dem Stand der Technik existieren Verfahren zum Erzeugen eines einachsigen Vormagnetisierungsfeldes zum Stabilisieren der Richtung der Magnetisierung der freien Schicht. Durch Verwendung eines derartigen Vorfeldes können Diskontinuitäten des Ausgangssignals, das durch eine rotierende Magnetisierung der freien Schicht erzeugt werden, verhindert oder zumindest verringert werden. Bekannte Verfahren zum Erzeugen eines derartigen Vorfeldes setzen beispielsweise die Verwendung eines hartmagnetischen Vormagnetisierungsmaterials an den Kanten der Sensorschicht, die Austauschvormagnetisierung der freien Schicht mit einem natürlichen Antiferromagneten oder das Anbringen eines Vormagnetisierungsmagneten an der Rückseite des Sensors ein.
Insbesondere kann die Verwendung eines hartmagnetischen Vormagnetisierungsmaterials an den Kanten der Sensorschicht lediglich für sehr kurze Vorrichtungen verwendet werden, während das Austauschvormagnetisieren der freien Schicht mit einem natürlichen Antiferromagneten üblicherweise ein ziemlich großes Vorfeld erzeugt. Außerdem ist das Verfahren zum Anbringen eines Vormagnetisierungsmagneten an der Rückseite des Sensors ziemlich komplex und erhöht die Herstellungskosten der Vorrichtung und deren Größe.
Deshalb besteht ein Bedarf an einem verbesserten Konzept einer magnetoresistiven Vorrichtung, das einerseits eine kompakte und flexible Struktur ermöglicht und andererseits eine weniger komplexe und kosteneffektive Herstellung derselben ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern eine kompakte und flexible Struktur, die erzielt werden kann, falls über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors eine magnetische Schicht gebildet wird. Anhand dieser Maßnahme können Nachteile in Bezug auf Komplexität, Kosten und Größe überwunden werden, wodurch ein verbessertes Konzept einer kompakten und flexiblen magnetoresistiven Vorrichtung verwirklicht wird.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, weist die magnetoresistive Vorrichtung 100 einen Träger 110, einen xMR-Sensor 120, eine magnetische Schicht 130 und eine isolierende Schicht 140 auf. Hier ist die magnetische Schicht 130 über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors 120 gebildet. Außerdem ist die isolierende Schicht 140 zwischen dem xMR-Sensor 120 und der magnetischen Schicht 130 angeordnet.
Der xMR-Sensor 120 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 kann beispielsweise auf einem Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekt, einem Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekt oder einem Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekt beruhen. In 1 ist zu erkennen, dass die magnetoresistive Vorrichtung 100 auch zwei oder mehr xMR-Sensoren aufweisen kann, die nebeneinander auf dem Träger 110 angeordnet sind. Die zwei oder mehr xMR-Sensoren können bei einem Ausführungsbeispiel dazu verwendet werden, einen Gradienten eines außen angelegten Magnetfeldes zu erfassen.
Der Träger 110 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat sein, das aus Silizium hergestellt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die magnetische Schicht 130 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 dazu konfiguriert, ein Vormagnetisierungsfeld für die aktive xMR-Region des xMR-Sensors 120 von oben zu liefern. Dies kann im Wesentlichen dadurch erzielt werden, dass die magnetische Schicht 130 über der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors 120 gebildet wird. Die präsentierte Maßnahme ermöglicht eine verbesserte Funktionalität der magnetoresistiven Vorrichtung und liefert eine leichtere Verwendung, Handhabung und Herstellung derselben.
Somit ist die magnetische Schicht gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dazu konfiguriert, ein Vormagnetisierungsfeld für die aktive xMR-Region des xMR-Sensors von oben zu liefern.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die magnetische Schicht 130 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 als hartmagnetische Schicht oder als weichmagnetische Schicht konfiguriert sein. Die hartmagnetische Schicht kann beispielsweise aus einem hartmagnetischen Material hergestellt sein, das SmCo, Hartferrit oder NdFeB aufweist. Die weichmagnetische Schicht kann beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sein, das einer Austauschvormagnetisierung seitens eines natürlichen Antiferromagneten unterzogen ist.
Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der 1 liegt der vertikale Abstand d_v zwischen dem xMR-Sensor 120 und der magnetischen Schicht 130 in einem Bereich von etwa 1 bis 100 μm, vorzugsweise 3 bis 10 μm. Aufgrund dieses geringen vertikalen Abstands kann das durch die magnetische Schicht 130 bereitgestellte Vormagnetisierungsfeld in unmittelbarer Nähe zu dem xMR-Sensor 120 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 erzeugt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die magnetische Schicht 130 als hartmagnetische Schicht konfiguriert, die eine Magnetisierungsrichtung entlang der Richtung der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors 120 aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Vormagnetisierungsfeld anhand der hartmagnetischen Schicht in der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors 120 entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors 120 erzeugt wird.
Insbesondere kann die hartmagnetische Schicht 130 mit einer Magnetisierung, einer Dicke und einem vertikalen Abstand d_v von dem xMR-Sensor 120 versehen sein, derart, dass eine Stärke des entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors 120 erzeugten Vormagnetisierungsfeldes zwischen etwa 2 und 10 mT beträgt.
Folglich kann die Stärke des entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors erzeugten Vormagnetisierungsfeldes variabel eingestellt werden, sodass eine rotierende Magnetisierung der freien Schicht in der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors vermieden oder zumindest minimiert werden kann, wodurch Diskontinuitäten des Ausgangssignals des xMR-Sensors verringert werden. Hier sei darauf hingewiesen, dass das Vormagnetisierungsfeld, das entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors erzeugt werden soll, angewendet werden kann, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu stabilisieren, ohne die Komplexität, die Kosten und die Größe der magnetoresistiven Vorrichtung erhöhen zu müssen.
2 zeigt einen Graphen einer beispielhaften Magnetfeldintensität, die an der Stelle eines xMR-Sensors des Ausführungsbeispiels der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß 1 erzeugt wird. Insbesondere sind in 2 drei Kurven 210, 220 und 230 der durch eine 1 μm dicke SmCo-Schicht (hartmagnetische Schicht) erzeugten Magnetfeldintensität in verschiedenen Abständen gezeigt. Die vertikale Achse des Graphen stellt die Magnetfeldintensität (1 mT ~ 796 A/m) dar, während die horizontale Achse des Graphen die Position in einer lateralen Richtung oder der x-Richtung in einem gegebenen Abstand von der SmCo-Schicht darstellt. Hier kann die 1 μm dicke SmCo-Schicht der magnetischen Schicht 130 der magnetoresistiven Vorrichtung 100, wie sie in 1 gezeigt ist, entsprechen. Die den verschiedenen Kurven 210, 220 und 230 in dem Graphen der 2 zugeordneten diversen Abstände können verschiedenen vertikalen Abständen d_v (z. B. 1 μm, 10 μm bzw. 100 μm) zwischen dem xMR-Sensor 120 und der magnetischen Schicht 130 der magnetoresistiven Vorrichtung 100 entsprechen. In 2 kann man klar erkennen, dass die drei Kurven 210, 220 und 230 der Magnetfeldintensität innerhalb eines Bereichs von etwa 0,2 bis 0,8 mm nahezu identisch sind, wohingegen sie außerhalb dieses Bereichs beträchtlich voneinander abweichen. Es ist zu beachten, dass die Magnetfeldintensität hier mit einer logarithmischen Skala aufgetragen ist. Das charakteristische Verhalten der verschiedenen Kurven 210, 220 und 230 zeigt, dass die erzeugte Magnetfeldintensität durch Schwankungen des Abstands zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht nicht beträchtlich beeinflusst wird. Deshalb kann die magnetoresistive Vorrichtung gegenüber derartigen Schwankungen des Abstands robust gestaltet werden.
Somit zeigt die Simulation unter Bezugnahme auf 2 bis zu vertikalen Abständen d_v von 100 μm wenig Einfluss bezüglich der Feldintensität. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt der vertikale Abstand d_v zwischen etwa 1 und 100 μm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 μm.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Vorrichtung die folgenden Schritte aufweisen. Als erstes wird ein xMR-Sensor bereitgestellt. Dann wird über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors eine magnetische Schicht gebildet. Hier sei darauf hingewiesen, dass der xMR-Sensor bei einem Ausführungsbeispiel auf einer CMOS-Schaltungsanordnung vorgesehen sein kann, wobei er im Wesentlichen einen integrierten Sensor darstellt.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Herstellen der magnetoresistiven Vorrichtung ferner ein Anordnen einer isolierenden Schicht zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht aufweisen. Hier wird der Schritt des Anordnen der isolierenden Schicht vor dem Schritt des Bildens der magnetischen Schicht über der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors durchgeführt.
Überdies kann die magnetoresistive Vorrichtung, die anhand des Herstellungsprozesses erhalten wird und den xMR-Sensor, die magnetische Schicht und die isolierende Schicht umfasst, der magnetoresistiven Vorrichtung 100 entsprechen, die den xMR-Sensor 120, die magnetische Schicht 130 bzw. die isolierende Schicht 140 umfasst.
3a, 3b–7a, 7b zeigen schematische Querschnittsansichten und entsprechende Draufsichten von Ausführungsbeispielen bzw. auf Ausführungsbeispiele von Herstellungsteilen einer magnetoresistiven Vorrichtung, die nach verschiedenen Schritten des Herstellungsprozesses erhalten wird.
Unter Bezugnahme auf 3a, 3b–7a, 7b wird die Vorgehensweise zum Herstellen der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Folgenden kurz beschrieben. Hier sind die Querschnittsansichten der 3a–7a entlang der Linien A-A in 3b–7b genommen, während die Draufsichten der 3b–7b die Strukturen der 3a–7a nebeneinander zeigen.
Als erstes wird ein xMR-Wafer bzw. GMR-Wafer auf eine standardmäßige Art und Weise durch das FE (Front-End) verarbeitet und anschließend verdünnt. Ein Verdünnen des xMR-Wafers kann bei einem Ausführungsbeispiel durch einen Schleifvorgang erzielt werden. Als Ausgangspunkt wird der xMR-Wafer nach dem FE-Prozess und dem Schleifen erhalten, wie in 3a bzw. 3b gezeigt ist. In 3a und 3b sind der Träger 110, beispielsweise ein Si-Chip, der eine CMOS-Schaltungsanordnung umfasst, und ein oder mehrere xMR-Sensoren 120, beispielsweise ein GMR-Sensor, gezeigt. Außerdem kann auf dem oder in dem Träger 110 eine Öffnung und eine Kontaktanschlussfläche 150 vorgesehen sein.
Danach werden bei einem Ausführungsbeispiel die xMR-Chips vereinzelt, auf eine Folie platziert und unter Verwendung einer Formmasse zu einem waferartigen Substrat wiederhergestellt (rekonstituiert). 4a und 4b zeigen das Verarbeitungsergebnis nach der Wiederherstellung. Insbesondere ist in 4a und b eine Form 160 gezeigt, die den Träger 110 umgibt.
Nach Entfernen der Folie wird eine isolierende Schicht 140 oder eine dielektrische Schicht auf der Passivierungsschicht oder dem Photoimid mit einer Dicke zwischen 3 und 10 μm abgeschieden. Das Verarbeitungsergebnis nach Abscheidung der isolierenden Schicht 140 oder der ersten dielektrischen Schicht mit einer Dicke von z. B. 5 μm ist in 5a bzw. 5b gezeigt. Wie in 5a und 5b zu sehen ist, bedeckt die isolierende Schicht 140 den Träger 110 vollständig und erstreckt sich innerhalb eines Bereichs, der durch einen Innenumfang der Form 160 definiert ist. Mit anderen Worten weist der Schritt des Anordnens der isolierenden Schicht ein Abscheiden einer dielektrischen Schicht mit einer Dicke zwischen 3 und 10 μm auf.
Anschließend wird über der xMR-Region des xMR-Sensors 120 eine magnetische Schicht 130 wie beispielsweise eine hartmagnetische Schicht, die beispielsweise aus SmCo, NdFeB oder Hartferrit hergestellt ist, derart gebildet, dass das durch diese Schicht 130 erzeugte Feld an der Stelle der xMR-Sensoren 120 oder xMR-Elemente entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit der xMR-Sensoren oder xMR-Elemente verlauft und eine Stärke zwischen 2 mT und 10 mT aufweist. Dies kann beispielsweise durch eine SmCo-Schicht mit einer Dicke von etwa 3 μm erzielt werden. Das Verarbeitungsergebnis einer Abscheidung und Strukturierung eines hartmagnetischen Materials (z. B. einer 3 μm dicken hartmagnetischen SmCo-Schicht) ist in 6a bzw. 6b gezeigt. Aus den 6a und 6b kann man erkennen, dass die magnetische Schicht 130 über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors 120 gebildet ist, wobei ein vertikaler Abstand d_v zwischen dem xMR-Sensor 120 und der magnetischen Schicht 130 geringer ist als eine laterale Abmessung d_l der magnetischen Schicht 130. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, besteht ein Vorteil einer derartigen Konfiguration darin, dass Schwankungen des Abstands zwischen dem xMR-Element und der hartmagnetischen Schicht einen vernachlässigbaren Effekt aufweisen, solange der Abstand im Vergleich zu der lateralen Abmessung der Vormagnetisierungsschicht klein ist.
Somit ist gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein vertikaler Abstand zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht kleiner als eine laterale Abmessung der magnetischen Schicht. Auf diese Weise ist es möglich, einen Einfluss von Schwankungen des Abstands zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht auf die Betriebszuverlässigkeit der magnetoresistiven Vorrichtung zu vermeiden.
Im Anschluss an die Bildung der magnetischen Schicht 130 oder der Vormagnetisierungsschicht werden eine weitere dielektrische Schicht, eine Umverteilungsmetallschicht und eine abschließende dielektrische Schicht (Struktur 170) abgeschieden. Das Verarbeitungsergebnis nach dem Strukturieren des Umverteilungsmetalls, der Abscheidung einer abschließenden dielektrischen Schicht (eines dritten ILD (Inter-Layer Dielectric), Zwischenschicht-Dielektrikums) und einer Öffnung ist in 7a bzw. 7b gezeigt. Unter Bezugnahme auf 7a und 7b sind eine Öffnung in der abschließenden dielektrischen Schicht und eine Durchkontaktierung 180, die beispielsweise mit einem metallischen Material gefüllt ist, vorgesehen, wodurch ein elektrischer Kontakt mit der Anschlussflache 150 verwirklicht wird.
Der unter Bezugnahme auf 3a, 3b–7a, 7b beschriebene beispielhafte Prozessablauf kann vorteilhafterweise zur Herstellung einer magnetoresistiven Vorrichtung mit verringerter Prozesskomplexität sowie verringerten Kosten und einer verringerten Größe verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern den Vorteil, dass Diskontinuitäten bei dem durch eine rotierende Magnetisierung der freien Schicht erzeugten Ausgangssignal verhindert oder zumindest verringert werden können. Außerdem können Nachteile in Bezug auf Prozesskomplexität, Kosten und Größe der resultierenden Sensorvorrichtung vermieden werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern ein Konzept zum Erzeugen eines einachsigen Vorfeldes entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit eines xMR-Sensors ohne beträchtliche zusätzliche Kosten und ohne eine Veränderung der abschließenden Sensorvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung sieht dieses Konzept vor, indem sie nach Abschluss des standardmäßigen Waferprozesses der integrierten Vorrichtung Vorfelder in der unmittelbaren Nähe der xMR-Sensorelemente erzeugt. Diese Nähe kann erzielt werden, indem ein Waferebenen-Lösungsansatz verwendet wird, um auf der Stirnseite des xMR-Sensors eine magnetische Schicht oder eine Zwischenschicht zu erzeugen, die z. B. ein dünnes hartmagnetisches Material (galvanisch abgeschieden oder gesputtert) oder eine weichmagnetische Schicht enthält, die einer Austauschvormagnetisierung seitens eines natürlichen Antiferromagneten unterzogen ist.
Ein Vorteil des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die magnetische Schicht oder Zwischenschicht (Vormagnetisierungsschicht (Eias-Layer oder Biasing-Layer)) ermöglicht, ein magnetisches Vorfeld in unmittelbarer Nähe zu der Sensorschicht oder freien Schicht zu erzeugen, wodurch die Menge an benötigtem Material beträchtlich verringert wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern auch den Vorteil, dass das Vorfeld ohne weiteres abgestimmt werden kann, indem die Dicke der (Vormagnetisierungs-)Schicht variiert wird. Außerdem haben Schwankungen des Abstands zwischen der Vormagnetisierungsschicht und dem Sensor einen vernachlässigbaren Einfluss. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist keine Modifikation des Sensorelements selbst erforderlich, sodass kein Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu erwarten ist.
Die vorliegende Erfindung liefert aufgrund der Anwendung von Halbleitermethodologie eine sehr kosteneffektive Lösung. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern einen Entwurf einer Vormagnetisierungsschicht, der mittels Lithographie ohne weiteres verändert werden kann.
Im Gegensatz zum Stand der Technik hat man festgestellt, dass keine beträchtlichen Änderungen an dem Integrationsprozess vorgenommen werden müssen, wenn der Prozess auf die dargestellte Weise durchgeführt wird. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern einen zusätzlichen Prozessablauf, der ohne Berücksichtigung der Integrationstechnologie durchgeführt werden kann, die für das Sensorelement selbst und im Einzelnen für integrierte CMOS- und xMR-Sensoren verwendet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Bezug auf Flexibilität und Effizienz nicht beschränkt und sind in Bezug auf Komplexität, Kosten und Größe vorteilhaft.
Zusammenfassend wird die vorliegende Erfindung verwirklicht, indem ein Waferebenen-Lösungsansatz verwendet wird, um eine Vormagnetisierungsschicht in unmittelbarer Nähe zu den xMR-Elementen zu erzeugen. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem auf dem xMR-Sensorwafer eine zweckorientierte Metallisierungsebene hinzugefügt wird oder indem ein eWLB-Lösungsansatz (eWLB = embedded Wafer Level Ball Grid Array) verwendet wird.
Obwohl manche Aspekte im Kontext einer Apparatur beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Postens oder Merkmals einer entsprechenden Apparatur dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichen. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, lediglich durch den Schutzumfang der folgenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten beschränkt zu sein, die anhand einer Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert werden.

Claims

Magnetoresistive Vorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist: einen Träger (110); einen auf oder in dem Träger gebildeten xMR-Sensor (120); eine über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors gebildete magnetische Schicht (130); und eine zwischen dem xMR-Sensor und der magnetischen Schicht angeordnete isolierende Schicht (140).
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der die magnetische Schicht (130) dazu konfiguriert ist, ein Vormagnetisierungsfeld für die aktive xMR-Region des xMR-Sensors (120) ausgehend von einer Position, die über dem xMR-Sensor (120) liegt, bereitzustellen.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die magnetische Schicht (130) eine hartmagnetische Schicht oder eine weichmagnetische Schicht aufweist.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein vertikaler Abstand (d_v) zwischen dem xMR-Sensor (120) und der magnetischen Schicht (130) kleiner ist als eine laterale Abmessung der magnetischen Schicht.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, bei der der vertikale Abstand (d_v) zwischen dem xMR-Sensor (120) und der magnetischen Schicht (130) in einem Bereich von 1 μm bis 100 μm liegt.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der xMR-Sensor (120) auf einem Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekt, einem Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekt oder einem Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekt beruht.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die magnetische Schicht (130) eine hartmagnetische Schicht aufweist und bei der die hartmagnetische Schicht ein hartmagnetisches Material aufweist, das SmCo, Hartferrit oder NdFeB aufweist.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die magnetische Schicht (130) eine weichmagnetische Schicht aufweist und bei der die weichmagnetische Schicht ein weichmagnetisches Material aufweist, das einer Austauschvormagnetisierung seitens eines natürlichen Antiferromagneten unterzogen ist.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die magnetische Schicht (130) eine hartmagnetische Schicht aufweist und bei der eine Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht entlang einer Richtung einer Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors (120) liegt, derart, dass ein Vormagnetisierungsfeld anhand der hartmagnetischen Schicht in der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors (120) entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors erzeugt wird.
Magnetoresistive Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, bei der die hartmagnetische Schicht eine Magnetisierung, eine Dicke und einen vertikalen Abstand (d_v) von dem xMR-Sensor (120) aufweist, derart, dass die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes, das entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des xMR-Sensors (120) erzeugt wird, zwischen 2 mT und 10 mT liegt.
Magnetoresistive Vorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist: einen Träger (110); einen auf oder in dem Träger gebildeten xMR-Sensor (120), wobei der xMR-Sensor auf einem Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekt, einem Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekt oder einem Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekt beruht; eine über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors gebildete hartmagnetische Schicht; und eine zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht angeordnete isolierende Schicht (140), wobei die hartmagnetische Schicht dazu konfiguriert ist, ein Vormagnetisierungsfeld für die aktive xMR-Region des xMR-Sensors ausgehend von einer Position, die über dem xMR-Sensor liegt, bereitzustellen, und wobei ein vertikaler Abstand (d_v) zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht kleiner ist als eine laterale Abmessung der hartmagnetischen Schicht.
Magnetoresistive Vorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist: einen xMR-Sensor (120); und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Vormagnetisierungsfeldes für eine aktive xMR-Region des xMR-Sensors ausgehend von einer über dem xMR-Sensor gelegenen Position, wobei die Einrichtung in die magnetoresistive Vorrichtung mit dem xMR-Sensor integriert ist.
Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Vorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines xMR-Sensors (120) auf oder in einem Träger (110); und Bilden einer magnetischen Schicht (130) über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors (120), wobei die magnetische Schicht und der xMR-Sensor miteinander integriert sind, um eine Vorrichtung vom Typ einer integrierten Schaltung zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner folgenden Schritt aufweist: Anordnen einer isolierenden Schicht (140) zwischen dem xMR-Sensor (120) und der magnetischen Schicht (130), wobei der Schritt des Anordnens der isolierenden Schicht vor dem Bilden der magnetischen Schicht über der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Anordnen der isolierenden Schicht (140) ein Abscheiden einer dielektrischen Schicht, die eine Dicke zwischen 3 und 10 μm aufweist, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem eine Dicke der isolierenden Schicht einen vertikalen Abstand (d_v) zwischen der magnetischen Schicht (130) und dem xMR-Sensor (120) definiert und bei dem der vertikale Abstand kleiner ist als eine laterale Abmessung der magnetischen Schicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Bilden der magnetischen Schicht ein galvanisches Abscheiden oder Sputtern der hartmagnetischen Schicht, die eine Dicke von etwa 3 μm aufweist, aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Vorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines xMR-Sensors (120) auf oder in einem Träger (110) auf der Basis eines Anisotrope-Magnetoresistenz(AMR)-Effekts, eines Giant-Magnetoresistenz(GMR)-Effekts oder eines Tunnel-Magnetoresistenz(TMR)-Effekts; Bilden einer hartmagnetischen Schicht über einer aktiven xMR-Region des xMR-Sensors (120); und Anordnen einer isolierenden Schicht (140) zwischen dem xMR-Sensor und der hartmagnetischen Schicht, wobei das Anordnen der isolierenden Schicht vor dem Bilden der hartmagnetischen Schicht über der aktiven xMR-Region des xMR-Sensors durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die hartmagnetische Schicht, die isolierende Schicht und der xMR-Sensor miteinander integriert werden, um eine Vorrichtung vom Typ einer integrierten Schaltung zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem eine Dicke der isolierenden Schicht einen vertikalen Abstand (d_v) zwischen der hartmagnetischen Schicht und dem xMR-Sensor (120) definiert und bei dem der vertikale Abstand kleiner ist als eine laterale Abmessung der hartmagnetischen Schicht.