DE102012210378A1

DE102012210378A1 - XMR - Winkelsensoren

Info

Publication number: DE102012210378A1
Application number: DE102012210378A
Authority: DE
Inventors: Klemens Prügl; Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-12-27
Also published as: US20170314965A1; US8884616B2; US10712176B2; US20120326713A1

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf xMR-Sensoren, insbesondere AMR- und/oder TMR-Winkelsensoren mit einem Winkelbereich von 360 Grad. Bei Ausführungsbeispielen kombinieren AMR-Winkelsensoren mit einem Bereich von 360 Grad herkömmliche hochgenaue AMR-Winkelstrukturen mit Strukturen, bei denen eine AMR-Schicht durch einen Exchange-Bias-Kopplungseffekt kontinuierlich magnetisch vorgespannt wird. Das Äquivalentvorspannungsfeld ist niedriger als das externe Drehmagnetfeld und wird fortlaufend an gGegensatz zu herkömmlichen Lösungen kein vorübergehendes Hilfsmagnetfeld erzeugt werden, und Ausführungsbeispiele sind geeignet für Magnetfelder bis zu etwa 100 mT oder mehr. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kombinierte TMR- und AMR-Strukturen. Bei solchen Ausführungsbeispielen wird ein TMR-Stapel mit einer freien Schicht, die als eine AMR-Struktur wirkt, verwendet. Mit einem einzigen solchen Stapel, der auf unterschiedliche Arten kontaktiert wird, kann ein hochgenauer Winkelsensor mit 360-Grad-Eindeutigkeit realisiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensoren und insbesondere auf magnetoresistive IC-Winkelsensoren mit 360-Grad-Eindeutigkeit.
Magnetoresistive Sensoren können anisotrope magnetoresistive (AMR), giantmagnetoresistive (GMR), tunnelmagnetoresistive (TMR) und andere Technologien umfassen, die zusammen als xMR-Technologien bezeichnet werden. XMR-Sensoren können für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich, unter anderem, Magnetfeld- und Stromsensoren, Geschwindigkeitssensoren, Drehsensoren und Winkelsensoren.
Herkömmliche AMR-Winkelsensoren sind inhärent begrenzt auf eine Winkeleindeutigkeit von 180 Grad aufgrund der 90-Grad-Eindeutigkeit des AMR-Effekts bezüglich eines drehenden externen planaren (in-plane) Felds. Somit gibt es viele Anwendungen für Winkelsensoren mit einem Bereich von mehr als 180 Grad, die stattdessen durch Winkelsensoren auf GMR- oder TMR-Technologie-Basis erfüllt werden. Diese Technologien leiden jedoch an beträchtlicher Genauigkeitsdrift, insbesondere bei hohen Magnetfeldern und in Kombination mit hohen Temperaturen, was die GMR-Nutzung bei Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen verhindert. Da die AMR-Technologie keine magnetfeldabhängige Genauigkeitsabweichung zeigt, ist dies typischerweise die bevorzugte Technologiewahl für sehr hochgenaue Anwendungen.
Es gibt Lösungen, die versuchen, den Bereich von AMR-Winkelsensoren auf 360 Grad zu erweitern. Beispielsweise erhöhen einige die anisotrope Feldstärke unter Verwendung einer zusätzlichen Vorrichtung, wie z. B. einer integrierten Spule oder einer hartmagnetischen Vorspannungsschicht (bias layer). Solche Lösungen erfordern häufig, dass das externe Magnetfeld geringer ist als die Sensoranisotropie-Feldstärke, obwohl dies die normalerweise gewünschten starken Magnetfelder begrenzt. Andere Lösungen legen ein zusätzliches oder „Hilfs-”Magnetfeld an, wie z. B. durch integrierte Spulen, das geringer sein kann als das externe Magnetfeld, um es der Filmmagnetisierung zu ermöglichen, sich zu drehen. Nachteile dieser Lösungen umfassen jedoch erhöhte Leistungsaufnahme und begrenztes maximales Messfeld, sowie erhöhte Messzeit aufgrund des Anlegens des temporären Hilfsfelds.
Daher bleibt ein Bedarf an verbesserten xMR-Sensoren, einschließlich eines AMR-Sensors mit einem 360-Grad-Bereich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen AMR-Winkelsensor, Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels, sowie Winkelsensoren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf xMR-Sensoren, Sensorelemente und Strukturen und Verfahren, einschließlich AMR- und/oder TMR-Winkelsensoren mit 360-Grad-Bereich.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein anisotroper magnetoresistiver (AMR-)Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit ein erstes AMR-Sensorelement auf; und ein zweites AMR-Sensorelement, das beim Betrieb fortlaufend vorgespannt ist mit einem Vorspannungsmagnetfeld, wobei das Vorspannungsmagnetfeld kleiner ist als das externe Magnetfeld.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit folgende Schritte auf: Bereitstellen eines anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Winkelsensors, der eine erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung aufweist, wobei AMR-Schichten in der ersten AMR-Sensorelementanordnung eine Exchange-Bias-Richtung haben, die bezüglich einer Exchange-Bias-Richtung von AMR-Schichten in der dritten AMR-Sensorelementanordnung gedreht ist; Messen eines ersten Magnetfeldwinkels durch die zweite AMR-Sensorelementanordnung; Messen eines zweiten und dritten Magnetfeldwinkels durch die erste bzw. dritte AMR-Sensorelementanordnung; Bestimmen einer ersten Differenz zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldwinkel und einer zweiten Differenz zwischen dem ersten und dritten Magnetfeldwinkel; Bestimmen eines Arctan (ATAN) eines Verhältnisses der ersten Differenz zu der zweiten Differenz; und Bestimmen eines gemessene Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit von dem ATAN.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit folgende Schritte auf: Bereitstellen eines anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Winkelsensors, der eine erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung aufweist, wobei AMR-Schichten in der ersten AMR-Sensorelementanordnung eine Exchange-Bias-Richtung haben, die bezüglich einer Exchange-Bias-Richtung von AMR-Schichten in der dritten AMR-Sensorelementanordnung gedreht ist; Messen eines ersten Magnetfeldwinkels durch die zweite AMR-Sensorelementanordnung; Messen eines zweiten Magnetfeldwinkels durch die erste AMR-Sensorelementanordnung; Bestimmen einer ersten Differenz zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldwinkel; Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit von dem Arctan (ATAN) gemäß folgenden Merkmalen: Falls der erste Magnetfeldwinkel größer als ein Winkel B ist oder falls der erste Magnetfeldwinkel kleiner als 180 Grad – Winkel B ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel, falls die erste Differenz größer als 0 ist, oder der erste Magnetfeldwinkel plus 180 Grad, falls die erste Differenz kleiner als 0 ist; und falls der erste Magnetfeldwinkel kleiner als der Winkel B ist oder falls der erste Magnetfeldwinkel größer als 180 Grad – Winkel B ist, dann Messen eines dritten Magnetfeldwinkels durch die dritte AMR-Sensorelementanordnung, Berechnen eines ATAN eines Verhältnisses des ersten und dritten Magnetfeldwinkels, falls der ATAN minus 180 Grad kleiner als der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel, und falls der ATAN minus 180 Grad größer als oder gleich wie der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel plus 180 Grad; wobei der Winkel B ein angenommener absoluter Wert einer Abweichung der Orthogonalität ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit einen tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Stapel auf mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht und einem ersten und zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriere, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; wobei der TMR-Stapel eine erste Sensorkonfiguration aufweist, wenn der erste Kontaktsatz verwendet wird und eine zweite Sensorkonfiguration, wenn der zweite Kontaktsatz verwendet wird, wobei der erste und der zweite Kontaktsatz unterschiedliche Kontaktabstände aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit folgende Schritte auf: Bereitstellen eines tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Stapels mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht, und einem ersten und zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriere, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; Zugreifen auf eine erste Sensorkonfiguration des TMR-Stapels durch den ersten Kontaktsatz, um einen Strom-in-Ebene (CIP; CIP = current-in-plane) TMR-Effekt zu messen; Zugreifen auf eine zweite Sensorkonfiguration des TMR-Stapels durch den zweiten Kontaktsatz, um einen AMR-Effekt zu messen, wobei der zweite Kontaktsatz einen Kontaktabstand aufweist, der geringer ist als ein Kontaktabstand des ersten Kontaktsatzes; und Verwenden des CIP-TMR-Effekts und AMR-Effekts, um einen 360-Grad-eindeutigen Magnetfeldwinkel zu bestimmen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit einen tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Stapel auf mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht, einem ersten Kontaktsatz, der Kontakte auf der ersten und zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht aufweist, und einem zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; wobei der TMR-Stapel eine erste Sensorkonfiguration aufweist, wenn der erste Kontaktsatz verwendet wird, und eine zweite Sensorkonfiguration, wenn der zweite Kontaktsatz verwendet wird, wobei der erste und der zweite Kontaktsatz unterschiedliche Kontaktabstände aufweisen.
Die Erfindung ist besser verständlich unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A ein Winkeldiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b ein Winkeldiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1C ein Winkeldiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Blockdiagramm einer AMR-Sensorkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3A ein Blockdiagramm eines AMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3B ein Blockdiagramm eines AMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine Blockdiagrammsequenz eines Damaszener-Prozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 ein Blockdiagramm eines AMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6A ein Seitenansichtsblockdiagramm eines AMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6B ein Draufsichtsblockdiagramm eines AMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7A ein Blockdiagramm eines AMR-Streifens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7B ein Blockdiagramm von AMR-Streifen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 ein Flussdiagramm eines Prozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 ein simuliertes Diagramm von Winkeldifferenz über Magnetfeldwinkel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 ein Flussdiagramm eines Prozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 ein Blockdiagramm eines TMR-Stapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 ein Ersatzschaltbild des Stapels von 11;
13 eine simulierte Darstellung von CIP-Anteil an CPP-TMR über Kontaktabstand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14 eine simulierte Darstellung von CIP-Anteil an CPP-TMR über Kontaktabstand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
15 einen TMR-Stapel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
16 eine simulierte Darstellung von CIP-Anteil an CPP TMR über Kontaktabstand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
17 eine simulierte Darstellung von CIP-Anteil an CPP TMR über Kontaktabstand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
18 eine simulierte Darstellung von Winkelfehler über Magnetfeldwinkel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
19 eine simulierte Darstellung von Winkelfehler über Magnetfeldwinkel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
20 ein Blockdiagramm einer TMR-Sensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
21 ein Blockdiagramm einer Sensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
22 ein Blockdiagramm einer Sensorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, wurden Einzelheiten derselben in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt werden soll. Im Gegenteil, die Erfindung soll alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in die Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie sie durch die anhängenden Ansprüche definiert sind.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf xMR-Sensoren, insbesondere AMR-Winkelsensoren mit einem Winkelbereich von 360 Grad. Bei Ausführungsbeispielen kombinieren AMR-Winkelsensoren mit einem Bereich von 360 Grad herkömmliche hochgenaue AMR-Winkelstrukturen mit Strukturen, bei denen eine AMR-Schicht fortlaufend magnetisch vorgespannt ist durch einen Exchange-Bias-Kopplungseffekt. Das Äquivalentvorspannungsfeld ist geringer als das externe Drehmagnetfeld und wird fortlaufend durch getrennte Sensorstrukturen angelegt. Somit muss im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen kein vorübergehendes Hilfsmagnetfeld erzeugt werden, und Ausführungsbeispiele sind geeignet für Magnetfelder bis zu etwa 100 mT oder mehr. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kombinierte TMR- und AMR-Strukturen. Bei solchen Ausführungsbeispielen wird ein TMR-Stapel mit einer freien Schicht, die als eine AMR-Struktur wirkt, verwendet. Mit einem einzelnen solchen Stapel, der auf unterschiedliche Arten kontaktiert wird, kann ein Hochpräzisionswinkelsensor mit 360-Grad-Eindeutigkeit realisiert werden.
Der Winkelbereich eines herkömmlichen AMR-Winkelsensors ist in 1A schematisch dargestellt. Aufgrund der 90-Grad-Eindeutigkeit eines einzigen AMR-Elementsignals können Halbräume des Signals (d. h., Φ gegenüber Φ + 180 bei dem Beispiel von 1A) nicht unterschieden werden.
Falls ein vergleichsweise niedriges Hilfsmagnetfeld in der y-Richtung angelegt wird, variiert jedoch die Magnetisierung des AMR-Films leicht, wie es durch Δ in 1B dargestellt ist. Der gemessene Winkel erhöht sich dadurch auf Φ + Δ, falls der tatsächliche Winkel des externen Felds Φ ist und verringert sich um Δ, falls der tatsächliche Winkel Φ + 180 ist.
Falls das externe Feld jedoch 90 Grad oder 270 Grad ist, kann ein Hilfsvorspannungsfeld in der x-Richtung angelegt werden, wie es in 1C dargestellt ist. Der gemessene Winkel eines Magnetfelds in der +y-Richtung wird dadurch verringert, mit einem Feld in der –y-Richtung vergrößert. Als Folge können linke und rechte Halbräume (ausgerichtet wie in 1C) unterschieden werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen ist es jedoch wünschenswert, die Vorspannungsfelder permanent auf dem Chip zu erreichen, anstatt durch Spulen oder zusätzliche Vorrichtungen, die temporäre Felder anlegen, und dass die Felder niedrigere Feldstärken aufweisen als das externe Magnetfeld. Bei Ausführungsbeispielen sind zusätzliche Sensorstrukturen vorgesehen, so dass die AMR-Schicht direkt magnetisch gekoppelt ist mit einer hartmagnetischen Struktur durch den sogenannten Exchange-Bias-Effekt. Die Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Struktur kann eingestellt werden, wie es hierin nachfolgend erörtert ist. Um in der Lage zu sein, das 360-Grad-eindeutige Signal unabhängig von der externen Magnetfeldrichtung auszuwerten, werden bei Ausführungsbeispielen zwei zusätzliche Wheatstone-Brücken mit unterschiedlichen Exchange-Bias-Richtungen zu einer herkömmlichen Konfiguration hinzugefügt. Das Kopplungsfeld ist kleiner als das externe Drehmagnetfeld, um eine Drehung der AMR-Magnetisierung zu ermöglichen.
Mit Bezugnahme auf 2 ist eine Sensorkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Sensor 100 weist einen Wheatstone-Brückenabschnitt 102 eines herkömmlichen AMR-Winkelsensors mit 180-Grad-Eindeutigkeit auf. Der Abschnitt 102 weist zwei Vollbrücken auf, die um 45 Grad bezüglich zueinander gedreht sind, wobei die dargestellten Doppelpfeile die Hauptstromflussachse anzeigen. Der Sensor 100 weist auch zwei zusätzliche Wheatstone-Vollbrücken 104 und 106 auf, bei denen die AMR-Schichten magnetisch gekoppelt sind mit einer bestimmten Richtung eines Exchange-Bias-Felds, das durch die blockartigen Pfeile angezeigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 sind die Richtungen 0 Grad und 90 Grad, um Vollbrücken 104 und 106 zu bilden. Die Hinzufügung der Brücken 104 und 106 erhöht die aktive Fläche; Halbbrücken mit festen, nichtmagnetischen aktiven Referenzwiderständen können bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um die hinzugefügten aktiven Flächen zu reduzieren. Falls ferner bei einigen Anwendungen eine 360-Grad-Messung nicht zu allen Zeiten benötigt wird, können Exchange-Bias-Brücken 104 und 106 von der Versorgung Vdd abgeschaltet werden, um Leistungsaufnahme zu reduzieren.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Drehwinkel von den in 2 dargestellten 45 Grad abweichen. Allgemein sind die Winkel jedoch nicht orthogonal. Beispielsweise können die Exchange-Bias-Richtungen der AMR-Abschnitte des Sensors 100 zu einem gewissen Grad gedreht werden in einem Bereich von 0 bis 90 Grad oder in einem Bereich von 90 bis 180 Grad bei verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die resultierende Nicht-Orthogonalität kann ausgeglichen werden durch einen Kalibrierungsschritt während der Sensorherstellung.
Der Exchange-Bias-Effekt wurde bei GMR- und TMR-Technologien verwendet, um ein stabiles Referenzmagnetisierungssystem zu erstellen in sogenannten „Spin-Ventil” Stapeltypen. Mit Bezugnahme auf 3A ist eine natürliche antiferromagnetische Schicht (NAF) mit einer Schicht, die einen AMR-Effekt zeigt, oder einer AMR-Schicht gekoppelt. In 3B ist eine ferromagnetische (FM) Schicht, wie z. B. Kobalteisen (CoFe) oder Nickeleisen (NiFe) in direktem Kontakt mit einer NAF, wie z. B. Platinmangan (PtMn), Nickelmangan (NiMn) oder Iridiummangan (IrMn). Das Erwärmen und Kühlen des Stapels in einem Magnetfeld führt zu Hartmagnetisierung in der Richtung des Magnetfelds durch den Exchange-Bias-Effekt zwischen der FM und der NAF. Diese gleiche Konfiguration kann verwendet werden für die Exchange-Bias-AMR-Schicht, wobei das Abstimmen der Exchange-Bias-Feldstärke innerhalb eines begrenzten Bereichs möglich ist durch Variieren des NAF-Materials, der Dicke der NAF-Schicht oder der AMR-Schichtdicke. Bei Ausführungsbeispielen ist die AMR-Schicht vergleichsweise dick, wie z. B. 20 bis etwa 30 Nanometer (nm) und zeigt ein wesentliches magnetisches Moment, das zu angemessener thermomagnetischer Drift der Exchange-Bias-Feld-Richtung führen kann.
3B ist die FM-Schicht in direktem Kontakt mit der NAF-Schicht. Die FM-Schichtdicke kann gewählt werden, um nur so dick wie notwendig zu sein, um einen wesentlichen Exchange-Bias und gleichzeitig ein minimales magnetisches Moment aufzubauen. Neben der FM-Schicht befindet sich eine nichtmagnetische Kopplungsschicht (NML), wie z. B. Ruthenium (Ru). Die Dicke der NML definiert die Kopplungsstärke und das Vorzeichen, d. h. ob die Kopplung ferromagnetisch oder antiferromagnetisch ist zwischen der Exchange-Bias-FM-Schicht und der AMR-Schicht auf der Seite der NML durch die sogenannte Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) Austauschkopplung. Als Folge kann das effektive Vorspannungsfeld für die AMR-Schicht innerhalb eines großen Bereichs angepasst werden durch Variieren der NML-Dicke bei Ausführungsbeispielen. Ferner ist die Richtung des eingeprägten Exchange-Bias-Felds höchst stabil, da die dünne FM-Schicht ein minimales Magnetmoment zeigt, das in einem externen Magnetfeld zu kippen ist.
Nachfolgend wird eine Möglichkeit beschrieben zum Verarbeiten von Strukturen mit und ohne Exchange-Bias-AMR-Schichten nebeneinander, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. AMR-relevante Schichten können in zwei Schritten aufgebracht werden, einschließlich eines Damaszener-Prozesses, wie er in der ebenfalls anhängigen US-Anmeldung Nr. 12/946,460 mit dem Titel „XMR SENSORS WITH HIGH SHAPE ANISOTROPY” beschrieben ist, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Ein Beispiel gemäß einem Ausführungsbeispiel wird mit Bezugnahme auf 4 beschrieben. Ausführungsbeispiele können mehr oder weniger Schritte aufweisen als genau dargestellt, wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar ist; beispielsweise kann ein Lithographieprozess zwischen (a) und (b) auftreten, ist aber nicht dargestellt.
Bei (a) wird ein dünnes Dielektrikum 120 auf ein Substrat 118 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Substrat 118 eine polierte Oberfläche, auf die das Dielektrikum 120 aufgebracht wird, und umfasst zwei Durchgangslöcher 122, um später eine Verbindung zu einem darunter liegenden Verdrahtungsmetall bereitzustellen. Bei Ausführungsbeispielen weist das Dielektrikum 120 Siliziumnitrid oder Oxid auf und wird mit einer Dicke aufgebracht, die etwa gleich derjenigen ist, die für die Exchange-Bias-Schicht 103 gewünscht wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere geeignete dielektrische Materialien verwendet werden. Wie es dargestellt ist, werden die Durchgangslöcher 122 während der Verarbeitung mit Wolframstöpseln versehen.
Bei (b) wird eine Rille 124 mit der gewünschten Geometrie der Exchange-Bias-Schicht 103 in das Dielektrikum 120 geätzt mit einer hohen Selektivität zu dem darunterliegenden Oxid des Substrats 118. Bei Ausführungsbeispielen ist eine Breite der Rille 124 in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 10 μm oder kleiner als die AMR-Struktur.
Bei (c) wird die Exchange-Bias-Schicht 103 aufgebracht. Die Exchange-Bias-Schicht 103, wie sie aufgebracht ist, kann eine Keimschicht bei Ausführungsbeispielen eine natürliche antiferromagnetische Schicht und optionale zusätzliche funktionale Schichten aufweisen, siehe beispielsweise 3a und 3b.
Bei (d) entfernt ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) die Abschnitte der Exchange-Bias-Schicht 103 auf dem Dielektrikum 120. Die Exchange-Bias-Schicht 103 bleibt in der früheren Rille 124.
Bei (e) wird der verbleibende Stapel 111 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde der verbleibende Stapel 111 durch einen Standardätzprozess strukturiert, wie z. B. einen chemischen, Plasma- oder Sputterätzprozess, wobei die Abmessungen des verbleibenden Stapels 111 entspannt sind im Vergleich zu denjenigen der Exchange-Bias-Schicht 103 und derselbe aufgebracht wird, nachdem ein Konditionierungsprozess auf der polierten Exchange-Bias-Schicht 103 ausgeführt wurde.
Als Folge gibt es Regionen mit und ohne die Exchange-Bias-AMR-Schicht. Andere Methodiken, einschließlich denjenigen, die auch in der oben erwähnten ebenfalls anhängigen Anmeldung erörtert werden, können bei Ausführungsbeispielen ebenfalls verwendet werden.
Bei einem weiteren Beispiel und Bezug nehmend auf 5 werden die AMR-Strukturen mit und ohne Exchange-Bias in einem einzigen Schritt gestapelt und aufgebracht, getrennt durch eine Isolatorschicht, wie z. B. ein Aluminiumoxid (Al2O3) oder Magnesiumoxid (MgO). Eine zusätzliche Verdrahtungsschicht ist eingeführt, um Kontakt von beiden Seiten des Stapels bereitzustellen, aber die aktive Fläche kann auch wesentlich reduziert werden.
Zwei unterschiedliche Richtungen der Exchange-Bias-Magnetisierung werden ebenfalls eingeprägt. Eine erste Option dafür ist die Verwendung von Laser-unterstützter lokaler Erwärmung der Exchange-Bias-AMR-Strukturen in einem Magnetfeld. Ein solcher Prozess wird herkömmlicherweise für GMR-Winkelsensorverarbeitung verwendet, wie es zum Beispiel beschrieben ist in dem US-Patent Nr. 7,678,585 der gleichen Anmelderin, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein nachteildieses Prozesses ist jedoch, dass jeder Sensorwiderstand einzeln verarbeitet wird, was zusätzliche Zeit benötigt.
Eine weitere beispielhafte Option umfasst die Verarbeitung der unterschiedlichen Magnetisierungen gleichzeitig für den gesamten Wafer, wie er zum Beispiel beschrieben ist in dem US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2010/0118447 der gleichen Anmelderin, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Grundlegend wird eine erste Ausrichtung für alle Exchange-Bias-Strukturen in einem Waferebenemagnetisierungsschritt auferlegt. Bei einer zweiten nicht-magnetischen Härtung wird die Exchange-Bias-Richtung gekippt gemäß der Form, die für den Exchange-Bias-Systemteil des AMR-Sensors gewählt ist, anders ausgedrückt für den Formanisotropieeffekt. Die Formanisotropie ist gewählt, um für die zwei Exchange-Bias-Richtungen unterschiedlich zu sein. Mit Bezugnahme auf 6A und 6B kann Formanisotropie erreicht werden, selbst wenn breite AMR-Sensorstrukturen verwendet werden. Der Exchange-Bias-Abschnitt 602 ist nicht homogen unter der AMR-Schicht 604, sondern eher unterteilt in mehrere schmale Abschnitte, d. h. nicht alle Regionen der AMR-Schicht 604 sind Exchange-Bias-gekoppelt. Dies bewirkt eine Schwächung der effektiven Exchange-Bias-Kopplung und sollte berücksichtigt werden, wenn die Exchange-Bias-Stärke genau eingestellt wird.
Mit Bezugnahme auf 7A wird der Einfluss der Strukturausrichtung auf eine Neuausrichtung der Gepinnte-Schicht-Magnetisierung nach einer Wärmebehandlung dargestellt. Angenommen es gibt einen Winkel von 90 Grad-β zwischen der Streifenlängenachse (Form) und der anfänglichen Gepinnte-Schicht-Magnetisierung, führt eine Wärmebehandlung mit Temperaturen nahe der sogenannten „Sperr”-Temperatur des Systems zu einem Kippen der Magnetisierung um einen Winkel α. Eine ordnungsgemäße Konfiguration der zwei Geometrietypen für das Gepinnte-Schicht-System führt zu einem Winkel von 2α zwischen der Gepinnte-Schicht-Magnetisierung. 7B stellt eine Erzeugung der zwei unterschiedlichen Gepinnte-Schicht-Ausrichtungen durch die Geometrie dar.
Mit erneuter Bezugnahme auf die vorher erwähnte Herausforderung des Bestimmens einer 360-Grad-Eindeutigkeit bei herkömmlichen AMR-Winkelsensoren schaffen hierin erörterte Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Bestimmen von 360-Grad-Eindeutigkeit. Ein erster Ansatz umfasst das Implementieren zusätzlicher CORDIC-Berechnungen (CORDIC = COordinate Rotation DIgital Computer) ohne irgendwelche Annahmen zu treffen, wie es in 8 mit Bezugnahme auf 2 dargestellt ist.
Bei 802 wird der Magnetfeldwinkel α1 durch den Sensorabschnitt 102 gemessen. Bei 804 werden Magnetfeldwinkel α2 und α3 durch Sensorabschnitte 106 bzw. 104 gemessen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird 804 zur gleichen Zeit ausgeführt wie 802. Bei 806 werden gemessene Winkeldifferenzen berechnet: α1 – α2 = Δα2 und α1 – α3 = Δα3. Das Ergebnis ist eine Sinus- und Kosinus-artige Charakteristik (siehe beispielsweise die simulierten Ergebnisse von 9), die verwendet werden kann, um 360-Grad-Eindeutigkeit zu bestimmen. Somit wird bei 808 der Arctan (ATAN) von (Δα2/Δα3) für ΦΔ bestimmt. Wenn ΦΔ – 180 Grad kleiner als α1 ist, dann ist der tatsächliche Winkel, α, α1; falls ΦΔ – 180 Grad größer oder gleich α1 ist, dann ist α α1 + 180 Grad.
Ein weiteres Verfahren zum Bestimmen von α mit 360-Grad-Eindeutigkeit mit weniger zusätzlichen CORDIC-Berechnungen, aber einer Annahme einer Fehlausrichtung der zwei orthogonalen Exchange-Bias-Richtungen ist in 10 mit Bezugnahme auf 2 dargestellt. Dieser Prozess nutzt die Tatsache, dass der Halbraum durch den Wert Δα2 klar definiert ist, außer an den Nulldurchgängen oder um dieselben herum (z. B. 0 und 180 Grad unter idealen Bedingungen).
Bei 1002 wird der Magnetfeldwinkel α1 durch den Sensorabschnitt 102 gemessen. Bei 1004 wird der Magnetfeldwinkel α2 durch den Sensorabschnitt 106 gemessen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird 1004 zur gleichen Zeit ausgeführt wie 1002. Bei 1006 wird die gemessene Winkeldifferenz berechnet: α1 – α2 = Δα2. Bei 1008 wird eine Annahme getroffen, dass der absolute Wert der Orthogonalität um einen Winkel βo abweicht. Dann wird bei 1010 der echte Winkel α berechnet. Bei 1012, falls (α1 > βo) oder (α1 < (180 – βo)), dann: falls (ΦΔ > 0), dann α = α1, oder falls (ΦΔ < 0), dann α = α1 + 180. Bei 1014, falls ((α1 < βo) oder (α1 > (180 – βo)), dann wird bei 1016 α3 durch den Sensorabschnitt 104 gemessen. Bei 1018 wir der ATAN von (Δα2/Δα3) für ΦΔ bestimmt. Falls ΦΔ – 180 Grad kleiner als α1 ist, dann ist der tatsächliche Winkel, α, α1; falls ΦΔ – 180 Grad größer oder gleich α1 ist, dann ist α α1 + 180 Grad.
Eine genaue Ausrichtung der zwei Exchange-Bias-Richtungen bezüglich zueinander oder zu den Grund-Stromrichtungen ist nicht notwendig, solange die Richtungen innerhalb einer 180-Grad-Genauigkeit definiert sind. Daher beeinträchtigt eine realistische Drift der Exchange-Bias-Richtungen während der Sensorlebensdauer die 360-Grad-Erkennung nicht.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf AMR-Winkelsensoren, die die AMR-Schicht mit der gepinnten Schicht koppeln, um 360-Grad-Eindeutigkeit zu bewirken. Wie es oben erwähnt wurde, könnte jedoch die gewünschte Halbrauminformation durch eine GMR oder TMR Spin-Ventil-Sensorstruktur bereitgestellt werden, die inhärent einen 360-Grad-eindeutigen Signalwinkel bereitstellen kann. Wie es ebenfalls bereits erwähnt wurde, gibt es inhärente Vorteile von AMR-Sensorstrukturen, die dieselben für zumindest einige Anwendungen wünschenswert machen. Somit zielen weitere Ausführungsbeispiele darauf ab, gleichzeitige AMR- und TMR-Effekte auszunutzen durch Aufnehmen einer TMR-Struktur in eine Strom-in-Ebene(CIP; CIP = current-in-plane)-Konfiguration, um die gleichen oder ähnliche 360-Grad-Eindeutigkeitseffekte zu erzielen.
Mit Bezugnahme auf 11 kann ein TMR-Stapel 1100 als eine obere und untere Elektrode getrennt durch eine Tunnelbarriere beschrieben werden, was zu einer Ersatzschaltung führt wie sie in 12 dargestellt ist. Wenn eine Spannung an die Anschlusskontakte angelegt wird, existiert auch ein Spannungsgradient über der Barriere, was ein TMR-Signal ergibt, das niedriger ist als das maximal mögliche Signal für einen herkömmlichen Strom-senkrecht-zur-Ebene-Modus (CPP mode; CPP = current-perpendicular-to-plane), aufgrund eines Nebenschlussstroms durch die obere und untere Elektrode.
Wie es oben erwähnt wurde, verwenden Ausführungsbeispiele TMR-Strukturen in CIP-Konfigurationen. Mit Bezugnahme auf 13 gibt es zwei Haupteinflussfaktoren von CIP-Signalen: einen optimalen Kontaktabstand mit einem maximalen CIP TMR-Signal und das Verhältnis von oberen und unteren Widerstandswerten. Bezüglich des ersteren verkürzt die untere Elektrode für geringere Abstände den gesamten Stapel und nur eine geringe Menge an Strom fließt durch die Barrieren. Für größere Kontaktabstände wird der Elementwiderstand hauptsächlich bestimmt durch den parallelen Widerstand der oberen und unteren Elektrode und dominiert die Widerstandsänderung durch den TMR-Effekt.
Bezüglich des zweiten Faktors, um so viel Strom wie möglich durch die Barriere zu bringen (d. h. ein hohes Signal) sollte die untere Elektrode einen hohen Widerstand (R_B) zeigen, die obere Elektrode einen niedrigen Widerstand (R_T). Der erreichbare CIP-Anteil des maximalen CPP-Signals erhöht sich beträchtlich mit einem ansteigenden R_B/R_T Anteil. Der Widerstand der Barriere hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Signalhöhe, aber auf den Abstandswert für die optimale Signalhöhe: je höher der Barrierewiderstand, umso breiter die Kontakte für einen optimalen CIP-TMR-Effekt. Siehe 14.
Der starke Einfluss des Kontaktabstands auf die Stromverteilung durch den TMR-Stapel kann verwendet werden, um entweder nur die untere Elektrode oder den gesamten Stapel messbar zu machen. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der TMR-Stapel mit einer Schicht versehen, die einen AMR-Effekt zeigt, wie z. B. eine Permalloyschicht. Diese Schicht kann bei Ausführungsbeispielen etwa 15 bis 30 nm dick sein und kann beispielsweise NiFe aufweisen, das per se einen AMR-Effekt zeigt, wie z. B. bei einem Ausführungsbeispiel 3% (dR/R). Ein beispielhafter TMR-Spin-Ventil-Stapel 1500 ist in 15 dargestellt, bei dem die Permalloyschicht von NiFe bei einem Ausführungsbeispiel als die freie Schicht wirkt. Die Kontakte sind auf der Seite der freien Schicht angeordnet. Für geringe Kontaktabstände fließt der Strom hauptsächlich durch die untere Elektrode, die Elektrode, die an der Kontaktseite angeordnet ist (d. h. durch die AMR-Schicht). Folglich können nur die magnetischen Eigenschaften der unteren Elektrode, der Schicht mit dem AMR-Effekt, beobachtet werden. Mit erneuter Bezugnahme auf 13 kann der TMR-Effekt unterdrückt werden, abhängig von dem Stapelentwurf, und ein hochgenauer 180-Grad-Winkelsensor wird erhalten. Bei vergrößerten Kontaktabständen kann ein maximaler CIP-TMR-Effekt gemessen werden. Falls der CIP-TMR-Effekt höher ist als der AMR-Effekt, oder falls der AMR-Effekt durch bestimmte Maßnahmen unterdrückt werden kann, kann ein 360-Grad-eindeutiges Winkelsignal erfasst werden. Als Folge und gemäß Ausführungsbeispielen können ein hochgenaues AMR-Winkelsignal und 360-Grad-Informationen mit dem gleichen Stapel erhalten werden durch Auswählen angepasster Kontaktabstände.
16 zeigt die Ergebnisse einer zweidimensionalen numerischen Simulation für das CIP-Signal über dem Kontaktabstandsverhalten eines beispielhaften MR-Stapels, mit, wie bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, einer 20 nm NiFe freien Schicht, einer 1 nm Referenzschicht, einer 2 nm gepinnten Schicht und einem 15 nm natürlichen Antiferromagnetmaterial, wie z. B. PtMn. Mit zunehmendem Barrierewiderstand kann das CIP-TMR-Signal drastisch reduziert werden in der Region mit geringem Kontaktabstand. Beispielsweise zeigt 17 für einen typischen Barrierewiderstand von Rbarr = 10^7 Ωμm^2 und einen Kontaktabstand von 7 μm, einen CIP-TMR-Anteil des CPP-TMR-Signals von 10^ – 3%. Wenn man einen CPP-TMR-Effekt von etwa 100% annimmt, ist das verbleibende Signal dann 10^ – 3%. Mit einem AMR-Effekt von etwa 3% wird das Gesamtsignal der Struktur deutlich dominiert durch das AMR-Signal der freien Schicht. Eine Auswertung des AMR-Signals leicht moduliert mit dem restlichen CIP-TMR-Signal unter den oben erwähnten Bedingungen führt zu einem zusätzlichen Winkelfehler von (maximal) 0,01 Grad, was beinahe vernachlässigbar ist. Siehe 18. Dies bedeutet, dass selbst mit dem störenden TMR-Signal ein hochgenaues AMR-Winkelsignal erhalten wird.
Ähnlich hierzu funktioniert der notwendige geringe Kontaktabstand von etwa 10 μm bei einem Ausführungsbeispiel sehr gut mit dem Konzept eines hochgenauen AMR-Winkelsensors, wie er offenbart ist in der ebenfalls anhängigen US-Anmeldung Nr. 12/950,456 der gleichen Anmelderin, hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen, die eine Reihenschaltung von einzelnen kreisförmigen Elementen mit einem Durchmesser von etwa 10 μm bei einem Ausführungsbeispiel erörtert.
Bei Ausführungsbeispielen mit Kontaktabständen von mehr als 200 μm, wie z. B. 700 μm, wird ein CIP-TMR-Signal von mehr als etwa 4% erwartet, was höher ist als der unerwünschte verbleibende AMR-Effekt von etwa 3%, der vorher erörtert wurde. 19 zeigt einen zusätzlichen Winkelfehler durch das AMR-Signal modulierte CIP-TMR-Signal von etwa 50 Grad, was nach wie vor ausreichend ist, da nur eine 180-Grad-Genauigkeit erforderlich ist, um die korrekte Halbrauminformation zu erhalten.
Trotzdem ist es möglich, den unerwünschten AMR-Effekt für die Strukturen, in denen der CIP-TMR-Effekt extrahiert wird, beinahe vollständig zu unterdrücken durch Kombinieren von Elementen mit orthogonalen Stromrichtungen; dann hebt sich der AMR-Effekt auf. In diesem Fall muss kein zusätzlicher Fehler berücksichtigt werden für die CIP-TMR-Struktur. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer ausgedehnten Platte mit Punktkontaktflächen entlang einer Linie, was zu einer weiten Stromrichtungsverteilung führt; eine solche Struktur zeigt keinen vernünftigen AMR-Effekt. Eine alternative Option ist es, den größeren Kontaktabstand zu wählen, um den AMR-Effekt zu messen. Mit erneuter Bezugnahme auf 16 ist eine Verringerung des CIP-TMR-Signals zu sehen für größere Kontaktabstände und kleinere Barrierewiderstände.
Daher können Sensorausführungsbeispiele zwei Typen von Winkelsensorstrukturen aufweisen: einen mit einem geringen Kontaktabstand, einen mit einem breiteren Abstand. Als Folge misst eine nur den AMR-Effekt der freien Schicht (hochgenaues, 180-Grad-eindeutiges Winkelsignal), die andere misst nur den CIP-TMR-Effekt (wenig genaues, 360-Grad-eindeutiges Winkelsignal), unter Berücksichtigung der Messung für die AMR-Effektunterdrückung. Im Gegensatz zu reinen GMR/TMR-Winkelsensoren muss das Referenzsystem des Stapels nicht besonders stabil sein; eine Genauigkeitsdrift von mehreren 10 Grad kann toleriert werden, da die absolute Genauigkeit nur weniger als etwa 180 Grad sein muss. Als Folge kann eine Sensorstruktur gemäß Ausführungsbeispielen eine hochgenaue Winkelgenauigkeit liefern, selbst für hohe Temperaturen und externe Magnetfelder, wie z. B. bis zu 100 mT, die die Vorteile eines einzigen Stapels und keiner zusätzlichen GMR-Verarbeitung bereitstellen.
Somit, und mit Bezugnahme auf 20, ist eine Wheatstone-Brückenkonfiguration 2000 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Brückenkonfiguration 2000 ist eine beispielhafte TMR-Winkelsensorkomponente, die zwei volle Wheatstone-Brücken 2002 und 2004 aufweist. Pfeile zeigen die Magnetisierungsrichtung der Referenzmagnetisierung des TMR-Spin-Ventil-Stapels an. Die notwendige lokale Definition der Referenzmagnetisierungsrichtung kann beispielsweise erreicht werden durch einen Lasermagnetisierungsprozess, wie er hierin oben erörtert wurde. Innerhalb jeder Vollbrücke 2002 und 2004 sind die Magnetisierungsrichtungen antiparallel ausgerichtet; zwischen den zwei Vollbrücken 2002 und 2004 sind die Richtungen um 90 Grad gedreht.
Eine Sensorstruktur 2100 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 21 dargestellt. Der Sensor 2100 weist Voll-Wheatstone-Brücken 2102 und 2104 mit einzelnen Widerständen auf, von denen jede eine Reihenschaltung von kreisförmigen Strukturen mit definierten Kontaktflächen aufweist, wobei der Kontaktabstand gering ist, um das CIP-TMR-Signal des Stapels zu unterdrücken. Hier ist der Kontaktabstand jedes Widerstands hoch genug, um einen wesentlichen CIP-TMR-Effekt zu zeigen. Ferner ist eine Mäanderstruktur mit orthogonaler Stromausrichtung gewählt, um den AMR-Signaleinfluss auf das CIP-TMR-Signal zu reduzieren. Die Pfeile in dem CIP-TMR-Abschnitt 2106 zeigen die lokal eingeprägten Magnetisierungsrichtungen an. Bei Ausführungsbeispielen kann der CIP-TMR-Abschnitt 2106 als Halbbrücke entworfen sein, um Stromaufnahme und aktive Fläche zu reduzieren. Außerdem gibt es keinen Bedarf an einer breiten Streifenbreite, da ein geringer Winkelfehler für den CIP-TMR-Abschnitt 2106 nicht unbedingt notwendig ist; es ist nur notwendig, den Halbraum des externen Magnetfelds zu bestimmen, somit ist nur eine 180-Grad-Genauigkeit erforderlich. Ferner kann der CIP-TMR-Abschnitt 2106 bei Ausführungsbeispielen durch Schalter ein- oder ausgeschaltet werden, um zu Stromsparzwecken nur am Anfang der Sensoroperation aktiviert zu werden.
22 zeigt ein vorteilhaftes Brückenlayout 2200 mit einer Reihenschaltung von einzelnen kreisförmigen Sensorelementen, wobei acht Widerstände (A, B, C, D, E, F, G und H) enthalten sind. Die gesamte Brücke 2200 ist in einer kreisförmigen Struktur entworfen, die die aktive Fläche an bestimmten Widerständen minimiert. Als Folge können die zusätzlichen Winkelfehler, die durch Verschiebungen des externen Magnets in dem System verursacht werden, reduziert werden.
Es sollte auch angemerkt werden, dass der TMR-Sensorabschnitt in der üblichen TMR-Strom-senkrecht-zur-Ebene-CPP-Konfiguration betrieben werden kann. Bei solchen Ausführungsbeispielen sind Kontakte auf der zweiten Seite der Tunnelbarriere ebenfalls enthalten, zusätzlich zu den Kontakten auf der ersten Seite der Tunnelbarriere.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf xMR-Sensoren, insbesondere AMR-Winkelsensoren mit einem Winkelbereich von 360 Grad. Bei Ausführungsbeispielen kombinieren AMR-Winkelsensoren mit einem Bereich von 360 Grad herkömmliche hochgenaue AMR-Winkelstrukturen mit Strukturen, bei denen eine AMR-Schicht kontinuierlich magnetisch vorgespannt wird durch einen Exchange-Bias-Kopplungseffekt. Das Äquivalentvorspannungsfeld ist niedriger als das externe Drehmagnetfeld und wird fortlaufend an getrennte Sensorstrukturen angelegt. Somit muss im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen kein temporäres Hilfsmagnetfeld erzeugt werden, und Ausführungsbeispiele sind geeignet für Magnetfelder bis zu etwa 100 mT oder mehr. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kombinierte TMR- und AMR-Strukturen. Bei solchen Ausführungsbeispielen wird ein TMR-Stapel mit einer dicken Permalloy-freien Schicht, die als eine AMR-Struktur wirkt, verwendet. Mit einem einzigen solchen Stapel, der in unterschiedlichen Modi kontaktiert wird, kann ein hochgenauer Winkelsensor mit 360-Grad-Eindeutigkeit realisiert werden.
Hierin wurden verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen. Es sollte darüber hinaus klar sein, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsbeispiele, die beschrieben wurden, sowie der Ansprüche, auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsbeispiele zu erzeugen. Obwohl darüber hinaus verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Implantationsorte, usw. für die Verwendung mit offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können andere außer den offenbarten verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu überschreiten.
Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale aufweisen kann als bei jedem einzelnen oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine erschöpfende Präsentation der Möglichkeiten sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Folglich sind die Ausführungsbeispiele keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; sondern die Erfindung kann eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale aufweisen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsbeispielen und/oder von unterschiedlichen Ansprüchen gewählt werden, wie es für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet klar ist.
Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist begrenzt, so dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der im Gegensatz steht zu der expliziten Offenbarung hierin. Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist ferner dadurch begrenzt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist noch weiter begrenzt, so dass alle Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt werden, nicht durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, es sei denn, dieselben sind ausdrücklich hierin enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7678585 [0062]

Claims

Anisotroper magnetoresistiver (AMR-)Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit, der folgende Merkmale aufweist: ein erstes AMR-Sensorelement; und ein zweites AMR-Sensorelement, das beim Betrieb fortlaufend vorgespannt ist mit einem Vorspannungsmagnetfeld, wobei das Vorspannungsmagnetfeld kleiner ist als das externe Magnetfeld.
AMR-Winkelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Vorspannungsmagnetfeld durch einen Exchange-Bias-Effekt auf dem zweiten AMR-Sensorelement bereitgestellt wird.
AMR-Winkelsensor gemäß Anspruch 2, bei dem der Exchange-Bias-Effekt durch Koppeln einer AMR-Schicht des zweiten AMR-Sensorelements mit einer antiferromagnetischen Schicht erzeugt wird.
AMR-Winkelsensor gemäß Anspruch 3, bei dem die AMR-Schicht ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kobalteisen (CoFe) und Nickeleisen (NiFe) besteht.
AMR-Winkelsensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die antiferromagnetische Schicht ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Platinmangan (PtMn), Nickelmangan (NiMn) und Iridiummangan (IrMn) besteht.
AMR-Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die AMR-Schicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 30 nm aufweist.
AMR-Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die AMR-Schicht durch zumindest entweder eine ferromagnetische Schicht oder eine nichtmagnetische Kopplungsschicht mit der antiferromagnetischen Schicht gekoppelt ist.
AMR-Winkelsensor gemäß Anspruch 7, bei dem die nichtmagnetische Kopplungsschicht Ru aufweist.
Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Winkelsensors, der eine erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung aufweist, wobei AMR-Schichten in der ersten AMR-Sensorelementanordnung eine Exchange-Bias-Richtung haben, die bezüglich einer Exchange-Bias-Richtung von AMR-Schichten in der dritten AMR-Sensorelementanordnung gedreht ist; Messen (802) eines ersten Magnetfeldwinkels durch die zweite AMR-Sensorelementanordnung; Messen (804) eines zweiten und dritten Magnetfeldwinkels durch die erste beziehungsweise dritte AMR-Sensorelementanordnung; Bestimmen (806) einer ersten Differenz zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldwinkel und einer zweiten Differenz zwischen dem ersten und dritten Magnetfeldwinkel; Bestimmen (808) eines Arctan (ATAN) eines Verhältnisses der ersten Differenz zu der zweiten Differenz; und Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit von dem ATAN.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Bestimmen eines Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit von dem ATAN ferner folgende Merkmale aufweist: falls der ATAN minus 180 Grad kleiner als der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel; und falls der ATAN minus 180 Grad größer als oder gleich wie der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel plus 180 Grad.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung Voll-Wheatstone-Brücken aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Exchange-Bias-Richtungen der ersten und dritten Sensorelementanordnung bezüglich zueinander um etwa 90 Grad gedreht sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Exchange-Bias-Richtungen der ersten und dritten Sensorelementanordnung bezüglich zueinander in einem Bereich von etwa 0 Grad bis etwa 90 Grad oder in einem Bereich von etwa 90 Grad bis etwa 180 Grad gedreht sind.
Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Winkelsensors, der eine erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung aufweist, wobei AMR-Schichten in der ersten AMR-Sensorelementanordnung eine Exchange-Bias-Richtung haben, die bezüglich einer Exchange-Bias-Richtung von AMR-Schichten in der dritten AMR-Sensorelementanordnung gedreht ist; Messen (1002) eines ersten Magnetfeldwinkels durch die zweite AMR-Sensorelementanordnung; Messen (1004) eines zweiten Magnetfeldwinkels durch die erste AMR-Sensorelementanordnung; Bestimmen (1006) einer ersten Differenz zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldwinkel; Bestimmen (1008) eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit von dem Arctan (ARTAN) gemäß folgenden Merkmalen: falls der erste Magnetfeldwinkel größer als ein Winkel B ist oder falls der erste Magnetfeldwinkel kleiner als 180 Grad minus Winkel B ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel, falls die erste Differenz größer als 0 ist, oder dem ersten Magnetfeldwinkel plus 180 Grad, falls die erste Differenz kleiner als 0 ist (1012); und falls der erste Magnetfeldwinkel kleiner als der Winkel B ist oder falls der erste Magnetfeldwinkel größer als 180 Grad minus Winkel B ist (1014), dann Messen (1016) eines dritten Magnetfeldwinkels durch die dritte AMR-Sensorelementanordnung, Berechnen (1018) eines ATAN eines Verhältnisses des ersten und dritten Magnetfeldwinkels, falls der ATAN minus 180 Grad kleiner als der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel, und falls der ATAN minus 180 Grad größer als oder gleich wie der erste Magnetfeldwinkel ist, dann ist der gemessene Magnetfeldwinkel gleich dem ersten Magnetfeldwinkel plus 180 Grad; wobei der Winkel B ein angenommener absoluter Wert einer Abweichung der Orthogonalität ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die erste, zweite und dritte AMR-Sensorelementanordnung Voll-Wheatstone-Brücken aufweisen.
Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit, der folgende Merkmale aufweist: einen tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Stapel mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR-)Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht, und einem ersten und zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriere, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; wobei der TMR-Stapel eine erste Sensorkonfiguration aufweist, wenn der erste Kontaktsatz verwendet wird, und eine zweite Sensorkonfiguration, wenn der zweite Kontaktsatz verwendet wird, wobei der erste und der zweite Kontaktsatz unterschiedliche Kontaktabstände aufweisen.
Winkelsensor gemäß Anspruch 16, bei dem der TMR-Stapel eine Strom-in-Ebene-(CIP-)Konfiguration aufweist.
Winkelsensor gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem die Schicht, die einen AMR-Effekt zeigt, eine freie Schicht ist.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die Schicht, die einen AMR-Effekt zeigt, zumindest entweder Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) oder eine Legierung davon aufweist.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem die Schicht, die einen AMR-Effekt zeigt, Permalloy aufweist.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem der erste Kontaktabstand größer ist als der zweite Kontaktabstand.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem der erste Kontaktabstand etwa eine Größenordnung größer ist als der zweite Kontaktabstand.
Winkelsensor gemäß Anspruch 22, bei dem der erste Kontaktabstand gleich oder größer als etwa 200 μm ist und der zweite Kontaktabstand gleich oder kleiner als etwa 10 μm ist.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem die erste Sensorkonfiguration einen Strom-in-Ebene-(CIP-)TMR-Effekt misst, und die zweite Sensorkonfiguration einen AMR-Effekt misst.
Winkelsensor gemäß Anspruch 24, bei dem die erste Sensorkonfiguration konfiguriert ist, um orthogonale Stromrichtungen bereitzustellen, um die Unterdrückung des AMR-Effekts zu unterstützen.
Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25, bei dem der TMR-Winkelsensor ein 360-Grad-eindeutiges Ausgangssignal bereitstellt.
Verfahren zum Bestimmen eines gemessenen Magnetfeldwinkels mit 360-Grad-Eindeutigkeit, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines tunnelmagnetoresistiven (TMR-)Stapels mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht, und einem ersten und zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriere, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; Zugreifen auf eine erste Sensorkonfiguration des TMR-Stapels durch den ersten Kontaktsatz, um einen Strom-in-Ebene-(CIP-)TMR-Effekt zu messen; Zugreifen auf eine zweite Sensorkonfiguration des TMR-Stapels durch den zweiten Kontaktsatz, um einen AMR-Effekt zu messen, wobei der zweite Kontaktsatz einen Kontaktabstand aufweist, der geringer ist als ein Kontaktabstand des ersten Kontaktsatzes; und Verwenden des CIP-TMR-Effekts und AMR-Effekts, um einen 360-Grad-eindeutigen Magnetfeldwinkel zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Verwenden des CIP-TMR-Effekts und AMR-Effekts, um einen 360-Grad-eindeutigen Magnetfeldwinkel zu bestimmen, ferner folgende Schritte aufweist: Bestimmen eines genaueren 180-Grad-eindeutigen Magnetfeldwinkels von dem AMR-Effekt; und Bestimmen eines weniger genauen Halbraums des Magnetfeldwinkels von dem CIP-TMR-Effekt.
Winkelsensor zum Messen eines externen Magnetfelds mit 360-Grad-Eindeutigkeit, der folgende Merkmale aufweist: einen tunnelmagnetoresistiven (TMR) Stapel mit einer Tunnelbarriereschicht, einer Schicht, die einen anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt zeigt, und einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht, einem ersten Kontaktsatz, der Kontakte auf der ersten und zweiten Seite der Tunnelbarriereschicht aufweist, und einem zweiten Kontaktsatz auf der ersten Seite der Tunnelbarriereschicht, wobei die erste Elektrode einen AMR-Effekt zeigt; wobei der TMR-Stapel eine erste Sensorkonfiguration aufweist, wenn der erste Kontaktsatz verwendet wird, und eine zweite Sensorkonfiguration, wenn der zweite Kontaktsatz verwendet wird, wobei der erste und zweite Kontaktsatz unterschiedliche Kontaktabstände aufweisen.