DE102013226319A1

DE102013226319A1 - XMR-Sensor und Verfahren zur Herstellung des XMR-Sensors

Info

Publication number: DE102013226319A1
Application number: DE102013226319.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-07-17
Also published as: US9581661B2; US20140197827A1; US20160097827A1; US9244134B2

Abstract

Ein XMR-Sensor und Verfahren zur Herstellung des XMR-Sensors werden bereitgestellt. Der XMR-Sensor weist ein Substrat, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt und eine XMR-Struktur auf. Das Substrat weist einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich auf. Der erste Kontakt ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet und der zweite Kontakt ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur erstreckt sich von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur entlang einer ersten Richtung angeordnet ist, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist.

Description

GEBIET
Ausführungsformen betreffen einen XMR-Sensor. Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines XMR-Sensors. Weitere Ausführungsformen betreffen eine Brückenschaltung, die vier XMR-Sensoren umfasst. Einige Ausführungsformen betreffen ein Integrationskonzept für einen vertikalen AMR-Sensor.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnetfeldsensoren werden für verschiedene Anwendungen verwendet. Viele Anwendungen erfordern die Messung aller drei Komponenten eines Magnetfeldes, z. B. Kompassanwendungen. Für zweidimensionale Messungen ist die XMR-Technologie aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Feldern auf gleicher Ebene (z. B. entlang der x-Achse und der y-Achse) überaus geeignet, jedoch können Felder, die zu der XMR-Ebene senkrecht sind (z. B. entlang der z-Achse) ohne weitere Messungen nicht erkannt werden.
KURZDARSTELLUNG
Ein XMR-Sensor wird bereitgestellt. Der XMR-Sensor umfasst ein Substrat, eine XMR-Struktur, einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt. Die XMR-Struktur umfasst mindestens einen Abschnitt, der sich entlang einer ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung angeordnet ist. Der erste und der zweite Kontakt sind zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen angeordnet.
Ein XMR-Sensor wird bereitgestellt. Der XMR-Sensor umfasst ein Substrat, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt und eine XMR-Struktur. Das Substrat umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Der erste Kontakt ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet und der zweite Kontakt ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur erstreckt sich von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur entlang einer ersten Richtung angeordnet ist, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines XMR-Sensors wird bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem zweiten Hauptoberflächenbereich. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer XMR-Struktur, die mindestens einen Abschnitt umfasst, der sich entlang einer ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung angeordnet ist. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Kontakts, die zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
Eine Brückenschaltung, die einen ersten Brückenabschnitt und einen zweiten Brückenabschnitt umfasst, wird bereitgestellt. Der erste Brückenabschnitt umfasst eine Reihenschaltung eines ersten XMR-Sensors und eines zweiten XMR-Sensors. Der zweite Brückenabschnitt umfasst eine Reihenschaltung eines dritten XMR-Sensors und eines vierten XMR-Sensors. Jeder des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors umfasst einen Substratbereich, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt und eine XMR-Struktur. Das Substrat umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Die XMR-Struktur umfasst mindestens einen Abschnitt, der sich entlang einer ersten, zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrechten Richtung derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung und in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet ist. Der erste und der zweite Kontakt sind zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen angeordnet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarungen sind hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1(a) eine Querschnittsansicht eines XMR-Sensors gemäß einer Ausführungsform;
1(b) eine Querschnittsansicht eines XMR-Sensors gemäß einer Ausführungsform;
1(c) eine perspektivische Ansicht des XMR-Sensors gemäß einer weiteren Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des XMR-Sensors;
3(a) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach Bereitstellen des Substrats mit dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich;
3(b) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Ätzen des Substrats;
3(c) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Abscheiden einer ferromagnetischen Schicht auf den zweiten Hauptoberflächenbereich und die geätzte Struktur;
3(d) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Abscheiden einer dielektrischen Schicht auf die ferromagnetische Schicht;
3(e) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach der chemisch-mechanischen Polierung des XMR-Sensors und Bereitstellung des zweiten Kontakts;
4(a) eine dreidimensionale Ansicht des ersten Kontakts, des zweiten Kontakts und der XMR-Struktur, die sich von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt erstreckt;
4(b) eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors aus 4(a), der ferner einen Stromleiter 105 umfasst, der an oder parallel zu dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet ist.
4(c) eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors aus 4(a), der ferner einen Stromleiter 105 umfasst, der an oder parallel zu dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet ist.
5 eine erläuternde Ansicht der Stromverteilung innerhalb der XMR-Struktur, die in 4(a) dargestellt ist;
6 in einem Diagramm das simulierte Ausgabesignal, das auf einer y-Komponente eines externen Magnetfeldes basiert; und
7(a) ein Blockdiagramm einer Brückenschaltung, die vier XMR-Sensoren umfasst.
7(b) ein Blockdiagramm der Brückenschaltung, die in 7(a) dargestellt ist, wobei jeder der XMR-Sensoren einen Stromleiter umfasst.
8(a) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Abscheiden der ferromagnetischen Schicht auf den zweiten Hauptoberflächenbereich und die geätzte Struktur.
8(b) eine Draufsicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Abscheiden der ferromagnetischen Schicht auf den zweiten Hauptoberflächenbereich und die geätzte Struktur.
8(c) eine Draufsicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach dem Abscheiden der ferromagnetischen Schicht an dem unteren Abschnitt der geätzten Struktur.
8(d) eine Draufsicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach Aufbringen einer lithographischen Maske.
8(e) eine Draufsicht des XMR-Sensors während der Herstellung nach Ätzen der XMR-Schicht.
Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktion sind in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Bezugszeichen angegeben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung sind mehrere Details dargelegt, um eine genauere Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht im Detail dargestellt, um eine Verschleierung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Außerdem können Merkmale der verschiedenen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
In den Zeichnungen ist ein rechtwinkliges Koordinatensystem, das eine erste Achse, eine zweite Achse und eine dritte Achse umfasst, die (im Wesentlichen) senkrecht zueinander sind, zu Erläuterungszwecken dargestellt.
Darüber hinaus beschreibt eine erste Richtung eine Richtung, die parallel zu oder entlang der ersten Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems verläuft, wobei eine zweite Richtung eine Richtung beschreibt, die parallel zu oder entlang der zweiten Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems verläuft, wobei eine dritte Richtung eine Richtung beschreibt, die parallel zu oder entlang der dritten Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems verläuft.
Die erste Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems kann als die z-Achse bezeichnet werden, wobei die zweite Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems als die y-Achse bezeichnet werden kann und die dritte Achse des rechtwinkligen Koordinatensystems als die x-Achse bezeichnet werden kann. Darüber hinaus kann die erste Richtung als die z-Richtung bezeichnet werden, wobei die zweite Richtung als die y-Richtung bezeichnet werden kann und die dritte Richtung als die x-Richtung bezeichnet werden kann.
1(a) zeigt eine Querschnittsansicht eines XMR-Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform. Der XMR-Sensor 100 umfasst ein Substrat 102, einen ersten Kontakt 104, einen zweiten Kontakt 106 und eine XMR-Struktur 108. Das Substrat 102 umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich 110 und einen zweiten Hauptoberflächenbereich 112. Die XMR-Struktur 108 umfasst mindestens einen Abschnitt, der sich entlang der ersten, zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 senkrechten Richtung derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 in der ersten Richtung angeordnet ist. Der erste Kontakt 104 und der zweite Kontakt 106 sind zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur 108 an verschiedenen Stellen angeordnet.
In Ausführungsformen ist die XMR-Struktur 108 derart angeordnet, dass die XMR-Ebene, d. h. der aktive oder empfindliche Bereich des XMR-Sensors 100 senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet ist. Somit ist der XMR-Sensor 100 empfindlich gegenüber Magnetfeldern oder Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 sind.
Wie in 1(a) dargestellt, können der erste Kontakt 104 und der zweite Kontakt 106 zum Kontaktieren mindestens eines Abschnitts der XMR-Struktur an unterschiedlichen Stellen, z. B. einer ersten Stelle und einer zweiten, von der ersten Stelle verschiedenen Stelle entlang der ersten Richtung angeordnet sein.
Zum Beispiel kann der erste Kontakt 104 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 angeordnet sein, wobei der zweite Kontakt 106 an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet sein kann. Die XMR-Struktur 108 kann sich von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt 106 derart erstrecken, dass die XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen kann sich der erste Hautoberflächenbereich 110 über eine Ebene entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) und der dritten Richtung (z. B. x-Richtung) erstrecken, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
In ähnlicher Weise kann sich der zweite Hauptoberflächenbereich 112 über eine Ebene entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) und der dritten Richtung (z. B. x-Richtung) erstrecken, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
Mit anderen Worten ist es das Ziel, die empfindliche Ebene des XMR-Sensors 100 parallel zu der ersten Achse (z. B. z-Achse) abzustimmen, um auf direkte Weise eine Empfindlichkeit entlang der ersten Achse (z. B. z-Achse) zu erhalten.
Daher kann die XMR-Struktur 108 eine AMR-Struktur (AMR = Anisotropic Magneto Resistive), eine GMR-Struktur (GMR = Giant Magneto Resistive), eine TMR-Struktur (TMR = Tunnel Magneto Resistive) oder eine CMR-Struktur (CMR = Colossal Magneto Resistive) oder eine EMR-Struktur (EMR = Extraordinary Magneto Resistive) sein. Somit kann sich XMR auf AMR, GMR, TMR, CMR oder EMR beziehen.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein mögliches Integrationskonzept in einigen Ausführungsformen mittels eines AMR-Sensors erläutert ist, da seine wesentliche Komponente nur eine Permalloy-Schicht, z. B. NiFe einer bestimmten Dicke (z. B. 10 bis 50 nm oder 5 bis 70 nm oder 20 bis 40 nm) ist. Mit anderen Worten ist in einigen Ausführungsformen eine Art und Weise der Implementierung einer AMR-Technologie beschrieben, die gegenüber Magnetfeldern empfindlich ist, die senkrecht zu der Substratebene (oder dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112) sind.
Wie in 1(a) angegeben, kann das Substrat 102 mindestens zwei Substratschichten 102_1 bis 102_n (n ≥ 2) umfassen, die in der ersten Richtung gestapelt sind. Der erste Kontakt 104 kann in oder auf einer ersten Substratschicht 102_1 der mindestens zwei Substratschichten 102_1 bis 102_n (n ≥ 2) angeordnet sein, wobei der zweite Kontakt 106 in oder an einer zweiten Substratschicht 102_2 der mindestens zwei Substratschichten 102_1 bis 102_n (n ≥ 2) angeordnet sein kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Substrat 102 bis zu n Substratschichten 102_1 bis 102_n umfassen kann, wobei n eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 (n ≥ 2) ist. Zum Beispiel kann das Substrat, wie in 1a dargestellt, eine erste Substratschicht 102_1 und eine zweite Substratschicht 102_2 umfassen. Natürlich kann das Substrat auch weitere Substratschichten umfassen, z. B. eine dritte Substratschicht 102_3 und eine vierte Substratschicht 102_4, die zwischen der ersten Substratschicht 102_1 und der zweiten Substratschicht 102_2 angeordnet ist.
Mindestens die erste Substratschicht 102_1 und die zweite Substratschicht 102_2 der mindestens zwei Substratschichten 102_1 bis 102_n (n ≥ 2) können ein dielektrisches Material umfassen. Zum Beispiel kann die erste Substratschicht 102_1 und die zweite Substratschicht 102_2 Oxid oder Nitrid umfassen.
1(b) zeigt eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors 100.
Wie in 1b angegeben, kann der erste Kontakt 104 und der zweite Kontakt 106 an verschiedenen Positionen entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) angeordnet sein, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
Die XMR-Struktur 108 kann sich von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt 106 derart erstrecken, dass die XMR-Ebene der XMR-Struktur entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) und der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) angeordnet ist, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
Ferner kann sich die XMR-Struktur 108 von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt 106 derart erstrecken, dass eine erste Kante 114 der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) und der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) angeordnet ist, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
Natürlich kann auch eine dritte Kante 118 der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) angeordnet sein, wobei eine vierte Kante 120 der XMR-Struktur 108 entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) angeordnet sein kann.
Die XMR-Struktur 108 mit den vier Kanten 114 bis 120 kann eine (im Wesentlichen) rechteckige oder quadratische Form umfassen.
Somit kann ein Strom, der an den ersten Kontakt 104 (oder den zweiten Kontakt 106) angelegt wird, durch die XMR-Struktur 108 zu dem zweiten Kontakt 106 (oder ersten Kontakt 104) in einem bestimmten Winkel in Bezug auf den ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder den zweiten Hauptoberflächenbereich 112 fließen. Der bestimmte Winkel kann im Bereich zwischen 10° und 80°, zwischen 20° und 70°, zwischen 30° und 60° oder zwischen 40° und 50° liegen. Eine Modifikation und Optimierung des durchschnittlichen bestimmten Winkels kann durch eine Einstellung des Verhältnisses der XMR-Strukturhöhe 140 und des Abstands des ersten und des zweiten Kontakts 142 erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine vertikale Stromrichtung parallel zu der ersten Richtung von ungefähr 0° erhalten werden.
Wie in 1(b) dargestellt, können der erste Hauptoberflächenbereich 110 und der zweite Hauptoberflächenbereich 112 parallel zueinander sein und einander gegenüberliegen.
Darüber hinaus kann eine Abmessung des Substrats 102 entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) kleiner als eine Abmessung des Substrats 102 entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) und/oder Abmessung des Substrats 102 entlang der dritten Richtung (z. B. x-Richtung) sein, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
1(c) zeigt eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zu 1(b), in welcher der erste Kontakt 104 zum direkten Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur 108 angeordnet ist, ist der erste Kontakt 104 in 1(c) zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur 108 mittels einer niederohmigen Verbindung 109 angeordnet.
Die niederohmige Verbindung 109 kann eine Verbindung mit einer Impedanz sein, die kleiner als 10 Ω, 1 Ω, 0,1 Ω, 0,01 Ω oder 0,001 Ω ist, wie zum Beispiel ein Draht, eine Leiterbahn oder eine Kombination einer Durchkontaktierung und einer Leiterbahn.
Natürlich kann der zweite Kontakt 106 zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur 108 mittels einer niederohmigen Verbindung angeordnet sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Kontakt 104 den mindestens einen Abschnitt des XMR-Substrats 108 direkt oder mittels einer niederohmigen Verbindung an einer ersten Stelle kontaktieren kann, wobei der zweite Kontakt 106 den mindestens einen Abschnitt des XMR-Substrats 108 direkt oder mittels einer niederohmigen Verbindung an einer zweiten Stelle, die eine andere als die erste Stelle (entlang der ersten Richtung) ist, kontaktieren kann. Wie in 1(a) bis 1(c) dargestellt, kann ein Abstand zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle entlang der ersten Richtung einer Abmessung der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung entsprechen. Natürlich kann der Abstand zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle auch kleiner als die Abmessung der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung sein.
In Bezug auf 1(c) kann der erste Kontakt 104 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 angeordnet sein, der durch das Bezugszeichen 104a angegeben ist, und mit dem mindestens einen Abschnitt der XMR-Struktur 108 mittels der niederohmigen Verbindung 109 verbunden sein, die mit dem Bezugszeichen 109a angegeben ist.
Darüber hinaus kann der erste Kontakt 104 an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet sein, der durch das Bezugszeichen 104b angegeben ist, und mit dem mindestens einen Abschnitt der XMR-Struktur 108 mittels der niederohmigen Verbindung 109 verbunden sein, die mit dem Bezugszeichen 109b angegeben ist.
Im Folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung des XMR-Sensors 100 beschrieben, der in 1(a) und/oder 1(b) dargestellt ist.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Herstellung des XMR-Sensors 100. Das Verfahren 200 umfasst bei 202 das Bereitstellen eines Substrats 102 mit einem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und einem zweiten Hauptoberflächenbereich 112. Das Verfahren 200 umfasst bei 208 das Bereitstellen einer XMR-Struktur 108, die sich von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt 106 erstreckt, sodass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 entlang einer ersten Richtung, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 senkrecht ist, angeordnet wird. Das Verfahren umfasst bei 204 das Bereitstellen eines ersten Kontakts 104 und eines zweiten Kontakts 106, die zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur 108 an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
Anschließend wird das Verfahren 200 zur Herstellung des XMR-Sensors anhand von Beispielen in Bezug auf 3(a) bis 3(e) beschrieben, die Querschnittsansichten des XMR-Sensors 100 während der Herstellung darstellen.
Dabei geht man davon aus, dass der erste Kontakt 104 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 angeordnet ist, wobei der zweite Kontakt 106 an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet ist und wobei sich die XMR-Struktur von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt 106 derart erstreckt, dass die XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und/oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet ist.
3(a) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach Bereitstellen 202 des Substrats 102 mit dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 und dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112.
Wie in 3(a) angegeben, kann das Bereitstellen 202 des Substrats 102 das Bereitstellen einer ersten Substratschicht 102_1 (Dielektrikum 1, z. B. Oxid) und Bereitstellen einer zweiten Substratschicht 102_2 (Dielektrikum 2, z. B. Oxid) umfassen.
Das Bereitstellen des ersten Kontakts 104 bei 204 kann das derartige Bereitstellen des ersten Kontakts 104 umfassen, dass der erste Kontakt in oder an der ersten Substratschicht 102_1 angeordnet ist.
3(b) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Ätzen des Substrats 102.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 bei 208 kann das Ätzen des Substrats 102 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 entgegen oder entgegengesetzt der ersten Richtung umfassen, bis mindestens der erste Kontakt 104 erreicht ist, um eine geätzte Struktur 126 zu erhalten, in welcher der erste Kontakt 104 mindestens teilweise freigelegt ist.
Die geätzte Struktur 126 kann derart angeordnet sein, dass sich eine erste Wand 128 der geätzten Struktur 126 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 erstreckt.
Mit anderen Worten zeigt 3(b) eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 nach einem Lithographieschritt und Ätzschritt eines Dielektrikums 2.
3(c) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Abscheiden einer ferromagnetischen Schicht 108 auf dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 und der geätzten Struktur 126.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 bei 208 kann das derartige Abscheiden einer ferromagnetischen Schicht (oder XMR-Schicht) 108 auf dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 und der geätzten Struktur 126 umfassen, dass die ferromagnetische Schicht 108 auf der geätzten Struktur 126 aufliegt und sich mindestens ein Teil der ferromagnetischen Schicht 108 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 entlang der Kante 128 erstreckt.
3(d) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Abscheiden einer dielektrischen Schicht 129 auf die ferromagnetische Schicht 108.
Das Bereitstellen 208 der XMR-Struktur 108 kann ferner das Abscheiden der dielektrischen Schicht 129 auf die ferromagnetische Schicht 108 umfassen.
3(e) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach der chemisch-mechanischen Polierung des XMR-Sensors 100 und Bereitstellung des zweiten Kontakts 106.
Mit anderen Worten zeigt 3(e) ein CMP-Verfahren (CMP = chemisch-mechanische Polierung) und eine Metallabscheidung/-ätzung.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 bei 208 kann das chemisch-mechanische Polieren des XMR-Sensors 100 beginnend von einer Oberfläche 130 der dielektrischen Schicht 129, bis mindestens zu dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 des Substrats 102 und bis der Teil der ferromagnetischen Schicht 108, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 erstreckt, freigelegt ist, umfassen.
Der zweite Kontakt 106 kann an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 bereitgestellt sein, sodass der Teil der ferromagnetischen Schicht 108, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 erstreckt, die XMR-Struktur 108 bildet.
Wie in 3(a) bis 3(e) dargestellt, ermöglicht das Verfahren 200 die Herstellung von Rillen 126 mit Seitenwänden 128, die mit Permalloy 108 einer definierten Dicke abgeschieden sind.
Mit anderen Worten zeigen 3(a) bis 3(e) eine schematische Darstellung eines möglichen Verfahrens. Nach dem Bereitstellen einer zweiten dielektrischen Schicht 102_2 auf einem Verdrahtungsmetall 104 mit einer Dicke, die ungefähr der Höhe der vertikalen AMR-Schicht (3(a)) entspricht, kann eine Rille 126 in die zweite dielektrische Schicht 102_2 (3(b)) geätzt werden. Danach kann ein Abscheidungsverfahren mit guter Kantenabdeckung angewendet werden, wenn die Seiten- und Bodenwände der Rille 126 mit einem hochdurchlässigen Film abgedeckt werden, der eine bedeutende AMR-Wirkung zeigt, z. B. Permalloy Ni81Fe19 (3(c)). Danach kann ein dielektrischer Film 129 (z. B. Oxid) abgeschieden (3(d)) und zusammen mit dem ferromagnetischen Material 108 außerhalb der Rille 126 (3(e)) poliert werden. Folglich wird eine flache Oberfläche 112 erhalten, wobei die Oberseite der vertikalen AMR-Schicht 108 z. B. durch ein weiteres Metall 106 kontaktiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die in 3(d) und 3(e) dargestellten Herstellungsschritte durch die Herstellungsschritte ausgetauscht werden, die in 8(c) bis 8(e) dargestellt sind, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht.
8(a) zeigt eine Querschnittsansicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Abscheiden der ferromagnetischen Schicht 108 auf den zweiten Hauptoberflächenbereich 112 und die geätzte Struktur 126, wie bereits in 3(c) dargestellt.
8(b) zeigt eine Draufsicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Abscheiden der ferromagnetischen Schicht 108 auf den zweiten Hauptoberflächenbereich 112 und die geätzte Struktur 126.
8(c) zeigt eine Draufsicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Ätzen der ferromagnetischen Schicht 108 an dem unteren Abschnitt der geätzten Struktur 126.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 kann das Ätzen der XMR-Schicht 108 an der Unterseite der geätzten Struktur 126 unter Beibehaltung des Teils der XMR-Schicht 108 umfassen, die sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 erstreckt.
Mit anderen Worten kann der Schritt des Bereitstellens der XMR-Struktur 108 das Entfernen des XMR-Materials 108 von der unteren Ebene der geätzten Struktur 126 durch ein Ätzverfahren umfassen.
Zum Beispiel kann das XMR-Material 108 von der Unterseite der geätzten Struktur 126 mit einem (anisotropen) Ätzverfahren entfernt werden.
8(d) zeigt eine Draufsicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach Aufbringen einer lithographischen Maske 190.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 kann das derartige Aufbringen einer lithographischen Maske 190 auf einen Abschnitt der geätzten Struktur 126 umfassen, dass die lithographische Maske 190 auf einem Abschnitt der XMR-Schicht 108 aufliegt, wobei der Abschnitt der XMR-Schicht 108 den Teil der XMR-Schicht 108 einschließt, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 zu dem ersten Kontakt 104 erstreckt.
Mit anderen Worten kann ein Lithographieschritt angewendet werden, wenn nur ein Abschnitt der geätzten Struktur 126 durch eine Resist-Schicht 190 abgedeckt ist.
8(e) zeigt eine Draufsicht des XMR-Sensors 100 während der Herstellung nach dem Ätzen der XMR-Schicht 108.
Das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 kann das Ätzen eines Abschnitts der XMR-Schicht 108 unter Beibehaltung des Abschnitts der XMR-Schicht 108 umfassen, auf dem die lithographische Maske 190 aufliegt.
Mit anderen Worten kann das Bereitstellen der XMR-Struktur 108 einen Lithographieschritt und einen nachfolgenden Ätzverfahrensschritt umfassen, wobei das gesamte XMR-Material derart entfernt wird, dass das XMR-Material nur in ausgewählten Regionen der Seitenwände der geätzten Struktur zurückbleibt.
Zum Beispiel bleibt nach einem (isotropen) Ätzverfahren nur XMR-Material 108 unterhalb der Resist-Schicht an den Seitenwänden 128 zurück. Daher weist die XMR-Sensorstruktur 108 zwei zusätzliche Kanten 114 und 118 auf (siehe 1(b)). Der Vorteil ist das Nichtvorhandensein von elektrischen und magnetischen Störungen aus anderen Regionen. Darüber hinaus kann mehr als eine XMR-Struktur 108 in einer geätzten Rille 126 hergestellt werden.
Als Alternative kann die Entfernung des XMR-Materials von der Unterseite der geätzten Struktur 126 auch nicht durchgeführt werden.
Im Folgenden wird die Funktion des XMR-Sensors 100 anhand von Beispielen in Bezug auf 4a bis 6 beschrieben.
4(a) zeigt eine dreidimensionale Ansicht des ersten Kontakts 104, des zweiten Kontakts 106 und der XMR-Struktur 108, die sich von dem ersten Kontakt 104 zu dem zweiten Kontakt erstreckt 106.
Der erste Kontakt 104 und der zweite Kontakt 106 sind an verschiedenen Positionen entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) angeordnet, die zu der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) senkrecht ist.
Wie in 4(a) dargestellt, kann eine Höhe 140 (h) der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) definiert sein, wobei ein Abstand 142 (d) zwischen dem ersten Kontakt 104 und dem zweiten Kontakt 106 entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) definiert sein kann.
Wie bereits erwähnt, fließt durch Anordnen des ersten Kontakts 104 und des zweiten Kontakts 106 an verschiedenen Positionen entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) ein Strom, der an den zweiten Kontakt 106 (oder ersten Kontakt 104) angelegt wird, durch die XMR-Struktur 108 zu dem ersten Kontakt 104 (oder zweiten Kontakt 106) in einem bestimmten Winkel in Bezug auf den ersten Oberflächenbereich 110 und/oder den zweiten Hauptoberflächenbereich 112. Diese Stormrichtung ist in 4(a) mit dem Pfeil 144 (Nettostromrichtung) angegeben.
Aufgrund der Form der XMR-Struktur, d. h. aufgrund der Tatsache, dass die Abmessung der XMR-Struktur 108 entlang der ersten Richtung (z. B. z-Richtung) kleiner als die Abmessung der XMR-Struktur entlang der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) ist, ist die anisotrope Achse 146 („leichte Richtung” oder „Easy Axis”) der XMR-Struktur 108 parallel zu der ersten Richtung (z. B. y-Richtung).
Mit anderen Worten zeigt 4(a) eine schematische Ansicht einer Seitenwand 128 der Rille 126, die in 3 dargestellt ist, und zeigt den oberen und unteren Kontakt 104 und 106, die eine Nettostromrichtung 144 mit einem Winkel zu der „leichten Richtung” 146 realisieren sollen.
AMR-Magnetfeldstärkesensoren weisen einen vordefinierten Winkel zwischen der leichten Richtung der Magnetisierung und der Stromrichtung von ~45° auf, um den Arbeitspunkt in eine Region der Magnetowiderstandsreaktion mit einer linearen und Nichtnull-Empfindlichkeit (”Barber-Pole” der AMR-Sensoren) zu verschieben. Für eine Erkennung der z-Achsen-Magnetfeldkomponente kann die leichte Richtung 146 in der x-/y-Ebene, z. B. entlang der y-Achse liegen, wie in 4(a) dargestellt. Zum Erhalt eines bestimmten Winkels zwischen der leichten Richtung 146 und der Nettostromrichtung 144 können ein oberer und ein unterer (punktueller) Kontakt 104 und 106 um eine Abstand 142 (d) beabstandet sein, der im Bereich der Wandhöhe 140 (h) liegen kann.
4(b) stellt eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors 100 dar, der in 4(a) dargestellt ist und ferner einen Stormleiter 105 umfasst. Der Stromleiter 105 kann an oder parallel zu dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 angeordnet sein, sodass ein Strom 111, der durch den Stromleiter fließt, senkrecht zu der XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 ist. Der Strom 111, der durch den Stromleiter 105 fließt, kann ein Magnetfeld erzeugen, das zu der XMR-Ebene der XMR-Struktur parallel ist, z. B. zu der zweiten Richtung (z. B. y-Richtung) parallel ist.
4(c) zeigt eine dreidimensionale Ansicht des XMR-Sensors 100, der in 4(a) dargestellt ist und ferner einen Stromleiter 105 umfasst. Im Gegensatz zu 4(b) ist der Stromleiter 105 an oder parallel zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110, jedoch auch derart angeordnet, dass ein Strom 111, der durch den Stromleiter fließt, senkrecht zu der XMR-Ebene der XMR-Struktur 108 ist.
Mit anderen Worten kann ein Stromleiter 105 bereitgestellt werden, der einen Stromfluss 111 parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110 oder der zweiten Hauptoberfläche 112 und senkrecht zu der Ebene der XMR-Struktur 108 bereitstellt, wie in 4(b) dargestellt. Folglich wird ein Magnetfeld 107 erzeugt, das parallel zu der zweiten Richtung (und parallel zu der Anisotropieachse 146) ist. Das erzeugte Magnetfeld 107 kann verwendet werden, um ein anfängliches Magnetfeld bereitzustellen, um definierte magnetische Bedingungen in dem XMR-Sensor 100 zu erhalten, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Ferner kann insbesondere im Falle einer AMR-Sensorstruktur das zusätzliche Magnetfeld zu einer sogenannten Ummagnetisierung der Sensorschichtmagnetisierung von einer Seite der Anisotropieachse 146 zu der anderen Seite und umgekehrt, je nach der angewendeten Stromrichtung durch den Stromleiter 105, führen. Von AMR-Magnetfeldstärkensensoren, die auf einem vollen Wheatstone-Brückenkonzept basieren, weiß man, dass das Ummagnetisieren der Sensorschichtmagnetisierung entlang der Anisotropieachse 146 eine exakte Messung des Brückenversatzes und somit einen genaue Versatzausgleich ermöglicht. Dies ist zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit vorteilhaft. Der Stromleiter kann über der XMR-Struktur 108 mit einem Isoliermaterial dazwischen implementiert sein, wie in 4(b) dargestellt. Als Alternative kann der Stromleiter 105 bereits in der ersten Substratschicht 102_1 implementiert sein, wie in 4(c) angegeben. In diesem Fall befindet sich der Stromleiter 105 unterhalb der XMR-Struktur 108. Es ist auch eine Kombination eines Stromleiters 105 oberhalb und unterhalb der XMR-Struktur 108 zur Verbesserung des erzielbaren Magnetfeldes möglich.
5 zeigt eine erläuternde Ansicht der Stromverteilung innerhalb der XMR-Struktur 108, die in 4(a) dargestellt ist.
Wie in 5 dargestellt, fließt ein Strom, der an den zweiten Kontakt 106 angelegt wird, durch die XMR-Struktur zu dem ersten Kontakt 104.
Mit anderen Worten zeigt 5 die simulierte Stromrichtungsverteilung für das Beispiel in 4(a) mit einer Wandhöhe 140 von 2 μm, einer Länge 150 von 5 μm und einer Verlagerung 142 von oberem Kontakt 106/unterem Kontakt 104 von 2 μm.
Eine andere Winkelvariation der Stromrichtung ist in der Region mit bedeutender Stromdichte zwischen ungefähr 25° und 65° zu beobachten. Durch Kombinieren der berechneten Stromverteilung mit dem simulierten mikromagnetischen Verhalten kann das simulierte Ausgabesignal nach einem externen y-Komponenten-Magnetfeld erhalten werden.
6 zeigt in einem Diagramm das simulierte Ausgabesignal, das auf dem externen y-Komponenten-Magnetfeld basiert.
Somit beschreibt die Ordinate das Ausgabesignal (AMR-Signal) in relativen Einheiten, wobei die Abszisse das Magnetfeld in Oersted beschreibt.
Mit anderen Worten zeigt 6 das resultierende AMR-Signal unter Berücksichtigung des mikromagnetischen und elektrischen Verhaltens einer 5 μm langen und 2 μm hohen Permalloy-Seitenwand.
Wie in 6 dargestellt, wird die ursprünglich glockenförmige AMR-Eigenschaft in ein lineares Verhalten umgewandelt, das zur Messung der Feldstärke verwendet werden kann. Eine Spiegelung der Positionen an dem oberen und unteren Kontakt 104 und 106 führt zu einer Drehung der Nettostromrichtung um –90°. Folglich wird auch die Ausgabeeigenschaft aus 6 gespiegelt. Dies ist eine Voraussetzung für die Realisierung einer differenziellen Wheatstone-Brückenkonfiguration.
Wie oben beschrieben, stellen einige Ausführungsformen eine vertikale AMR-aktive Schicht 108 mit einer Magnetfeldempfindlichkeit bereit, die zu der Chipebene (z-Achse) 110 oder 112 senkrecht ist. Die AMR-aktive Schicht 108 weist eine leichte Richtung 146 auf, die zu der z-Achse senkrecht ist, und einen definierten Winkel (Richtungsverteilung) zwischen dem Sensorstrom und der leichten Richtung 146 auf.
Somit stellt der XMR-Sensor 100 den Vorteil des Nichtvorhandenseins von Hysterese-Effekten aufgrund von Flusskonzentratormaterialien bereit, da diese für andere Technologien des Standes der Technik weit verbreitet sind, um Feldkomponenten, die senkrecht zu der Ebene sind, in Komponenten auf gleicher Ebene umzuwandeln. Das Ergebnis ist eine höhere Genauigkeit.
Darüber hinaus sind auch andere Möglichkeiten zur Realisierung einer vertikal ausgerichteten AMR-Schicht möglich, wie ein Plattierverfahren einer Rille mit einer Breite der endgültigen AMR-Schicht.
Zusätzlich zu der gegenüber der z-Komponente empfindlichen Sensorstruktur können auch gewöhnliche XMR-Sensorstrukturen verwendet werden, um die x- und/oder y-Komponente zur Realisierung eines vollkommen dreidimensionalen Sensors einzustellen.
Wie bereits erwähnt, können durch Kippen der Position des oberen und des unteren Kontakts 104 und 106 zwei Typen von vertikalen AMR-Elementen definiert werden, die eine umgekehrte magnetoresistive Eigenschaft zeigen. Eine angemessene Kombination ermöglicht die Realisierung einer differenziellen Wheatstone-Brückenkonfiguration, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird.
7(a) zeigt ein Blockdiagramm einer Brückenschaltung 180. Die Brückenschaltung 180 umfasst einen ersten Brückenabschnitt 182 mit einer Reihenschaltung eines ersten XMR-Sensors 100_1 und eines zweiten XMR-Sensors 100_2. Darüber hinaus umfasst die Brückenschaltung 180 einen zweiten Brückenabschnitt 184 mit einer Reihenschaltung eines dritten XMR-Sensors 100_3 und eines vierten XMR-Sensors 100_4.
Der erste XMR-Sensor 100_1 umfasst einen Substratbereich, einen ersten Kontakt 104_1, einen zweiten Kontakt 106_1 und eine XMR-Struktur 108_1. Der Substratbereich umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Der erste Kontakt 104_1 ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Der zweite Kontakt 106_1 ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur 108_1 erstreckt sich von dem ersten Kontakt 104_1 zu dem zweiten Kontakt 106_1 derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108_1 entlang einer ersten Richtung, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist, und entlang einer zweiten Richtung angeordnet ist, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
Der zweite XMR-Sensor 100_2 umfasst einen Substratbereich, einen ersten Kontakt 104_2, einen zweiten Kontakt 106_2 und eine XMR-Struktur 108_2. Der Substratbereich umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Der erste Kontakt 104_2 ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Der zweite Kontakt 106_2 ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur 108_2 erstreckt sich von dem ersten Kontakt 104_2 zu dem zweiten Kontakt 106_2 derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108_2 entlang einer ersten Richtung, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist, und entlang einer zweiten Richtung angeordnet ist, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
Der dritte XMR-Sensor 100_3 umfasst einen Substratbereich, einen ersten Kontakt 104_3, einen zweiten Kontakt 106_3 und eine XMR-Struktur 108_3. Der Substratbereich umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Der erste Kontakt 104_3 ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Der zweite Kontakt 106_3 ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur 108_3 erstreckt sich von dem ersten Kontakt 104_3 zu dem zweiten Kontakt 106_3 derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108_3 entlang einer ersten Richtung, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist, und entlang einer zweiten Richtung angeordnet ist, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
Der vierte XMR-Sensor 100_4 umfasst einen Substratbereich, einen ersten Kontakt 104_4, einen zweiten Kontakt 106_4 und eine XMR-Struktur 108_4. Der Substratbereich umfasst einen ersten Hauptoberflächenbereich und einen zweiten Hauptoberflächenbereich. Der erste Kontakt 104_4 ist an dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Der zweite Kontakt 106_4 ist an dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet. Die XMR-Struktur 108_4 erstreckt sich von dem ersten Kontakt 104_4 zu dem zweiten Kontakt 106_4 derart, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur 108_4 entlang einer ersten Richtung, die zu dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrecht ist, und entlang einer zweiten Richtung angeordnet ist, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten Richtungen, entlang derer die XMR-Ebenen des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors 100_1 bis 100_4 verlaufen, parallel zueinander sein können, sodass der erste, zweite, dritte und vierte XMR-Sensor 100_1 bis 100_4 entlang der ersten Richtung empfindlich gegenüber Magnetfeldkomponenten ist.
Darüber hinaus können, müssen jedoch nicht, die zweiten Richtungen, entlang derer sich die XMR-Ebenen des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors 100_1 bis 100_4 erstrecken, parallel zueinander sein.
Zum Beispiel können die XMR-Ebenen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 unter der Annahme, dass die Brückenschaltung 180 in Bezug auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem mit einer x'-Achse, einer y'-Achse und einer z'-Achse angeordnet ist, die senkrecht zueinander sind, derart angeordnet sein, dass die ersten Richtungen, entlang derer die XMR-Ebenen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 verlaufen, parallel zu der z'-Achse sind, um z. B. eine Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldkomponenten entlang der z'-Achse zu erzielen.
Eine Empfindlichkeit der XMR-Ebenen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 gegenüber Magnetfeldkomponenten entlang der x'-/y'–Achse hängt dann von den Ausrichtungen der XMR-Ebenen (oder vertikalen Ebenen) der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 zu der ortsfesten x'-/y'–Achse ab. Natürlich können Widerstände (XMR-Sensoren) der Wheatstone-Brücke derart aufgebaut werden, dass die zweiten Richtungen, entlang derer die XMR-Ebenen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 verlaufen, parallel zueinander (z. B. parallel zu der x'-Achse oder y'-Achse) sind oder mit anderen Worten derart, dass die XMR-Ebenen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 parallel zueinander sind. Allerdings wäre es auch möglich, einen Widerstand der Wheatstone-Brücke mittels einer Kombination von zueinander senkrechten XMR-Ebenen (Sensorebenen) aufzubauen, um beispielsweise eine Abhängigkeit von der Richtung der Felder in der x'-/y'-Ebene, z. B. zur Erzielung einer reduzierten Differenz des Sensorsignals, zu verringern, wenn ein parasitäres Feld entlang der x'- oder y'-Achse vorhanden ist.
In einigen Ausführungsformen können der erste, zweite, dritte und vierte XMR-Sensor 100_1 bis 100_4 das gleiche Substrat 102 teilen. d. h., die Substratbereiche des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors 100_1 bis 100_4 können Substratbereiche des gleichen Substrats 102 sein. In diesem Fall können die ersten Hauptoberflächenbereiche der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 Bereiche einer ersten Hauptoberfläche 110 des Substrats 102 sein, wobei die zweiten Hauptoberflächen der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 Bereiche einer zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats 102 sein können.
Natürlich ist es auch möglich, dass jeder XMR-Sensor der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_4 sein eigenes Substrat umfasst oder dass mindestens zwei XMR-Sensoren der XMR-Sensoren 104_1 bis 104 das gleiche Substrat teilen, z. B. dass der erste und der zweite XMR-Sensor 100_1 und 100_2 ein Substrat teilen und der dritte und der vierte XMR-Sensor 100_3 und 100_4 ein Substrat teilen.
Darüber hinaus können die ersten Kontakte 104_1 bis 104_4 der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 in einer ersten Ebene angeordnet sein, die zu der ersten Richtung (z. B. der ersten Hauptoberfläche 110 des Substrats 102) senkrecht ist, wobei die Kontakte 106_1 bis 106_4 der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 in einer zweiten Ebene angeordnet sein können, die zu der ersten Ebene parallel ist und zu der ersten Richtung (z. B. der zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats 102) senkrecht ist.
Der erste XMR-Sensor 100_1 und der zweite XMR-Sensor 100_2 können derart angeordnet sein, dass ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem ersten Kontakt 104_1 des ersten XMR-Sensors 100_1 und dem ersten Kontakt 104_2 des zweiten XMR-Sensors 100_2 kleiner (oder in einer alternativen Ausführungsform größer) als ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Kontakt 106_1 des ersten XMR-Sensors 100_1 und dem zweiten Kontakt 106_2 des zweiten XMR-Sensors 100_2 ist. Darüber hinaus können der dritte XMR-Sensor 100_3 und der vierte XMR-Sensor 100_4 derart angeordnet sein, dass ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem ersten Kontakt 104_3 des dritten XMR-Sensors 100_3 und dem ersten Kontakt 104_4 des vierten XMR-Sensors 100_4 kleiner (oder in der alternativen Ausführungsform größer) als ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Kontakt 106_3 des dritten XMR-Sensors 100_3 und dem zweiten Kontakt 106_4 des vierten XMR-Sensors 100_4 ist.
Der erste XMR-Sensor 100_1 und der zweite XMR-Sensor 100_2 können derart in Reihe verbunden sein, dass der erste Kontakt 104_1 des ersten XMR-Sensors 100_1 und der erste Kontakt 104_2 des zweiten XMR-Sensors 100_2 miteinander verbunden sind. Der dritte XMR-Sensor 100_3 und der vierte XMR-Sensor 100_4 können derart in Reihe verbunden sein, dass der erste Kontakt 104_3 des dritten XMR-Sensors 100_3 und der erste Kontakt 104_4 des vierten XMR-Sensors 100_4 miteinander verbunden sind.
7(b) zeigt ein Blockdiagramm der Brückenschaltung 180, die in 7(a) dargestellt ist, wobei jeder der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 einen Stromleiter 105 umfasst.
Wie in Bezug auf 4(b) und 4(c) ausführlich beschrieben, kann der Stromleiter 105 an oder parallel zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110 oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich 112 des jeweiligen XMR-Sensors 100_1 bis 100_4 derart angeordnet sein, dass ein Strom 111, der durch den Stromleiter fließt, senkrecht zu der XMR-Ebene der jeweiligen XMR-Struktur 108_1 bis 108_4 ist.
Wie bereits erwähnt, können in einigen Ausführungsformen der erste, zweite, dritte und vierte XMR-Sensor 100_1 bis 100_4 das gleiche Substrat 102 teilen, wobei die ersten Hauptoberflächenbereiche der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 Bereiche einer ersten Hauptoberfläche 110 des Substrats 102 sein können, wobei die zweiten Hauptoberflächenbereiche der XMR-Sensoren 100_1 bis 100_4 Bereiche einer zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats 102 sein können. In diesem Fall kann der Stromleiter 105 an oder parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110 oder zweiten Hauptoberfläche des Substrats 102 angeordnet sein.
Wenngleich einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschrittes beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elementes oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können von (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können von einer solchen Vorrichtung einer oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lediglich erläutern. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der hierin beschriebenen Details für den Fachmann ersichtlich sind. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch den Schutzbereich der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details, die durch die Beschreibung und die Erläuterung der Ausführungsformen hierin vorgestellt wurden, eingeschränkt sein.

Claims

XMR-Sensor, umfassend: ein Substrat mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem zweiten, verschiedenen Hauptoberflächenbereich; eine XMR-Struktur, die mindestens einen Abschnitt umfasst, der sich entlang einer ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung angeordnet ist; und einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, die zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen der XMR-Struktur angeordnet sind.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste Kontakt und der zweite Kontakt zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen entlang der ersten Richtung angeordnet sind.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste Kontakt und der zweite Kontakt zum Kontaktieren des mindestens des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur direkt oder mittels einer niederohmigen Verbindung angeordnet sind.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat mindestens zwei Substratschichten umfasst, die zueinander in der ersten Richtung gestapelt sind, wobei der erste Kontakt in oder an einer ersten Substratschicht der mindestens zwei Substratschichten angeordnet ist und wobei der zweite Kontakt in oder an einer zweiten Substratschicht der mindestens zwei Substratschichten angeordnet ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 4, wobei mindestens die erste Substratschicht und die zweite Substratschicht der mindestens zwei Substratschichten ein dielektrisches Material umfassen.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste Kontakt und der zweite Kontakt an verschiedenen Positionen der XMR-Struktur entlang einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet sind.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Abmessung des Substrats entlang der ersten Richtung kleiner als eine Abmessung des Substrats entlang einer zweiten Richtung ist, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste Hauptoberflächenbereich und der zweite Hauptoberflächenbereich des Substrats parallel zueinander sind und einander gegenüberliegen.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei sich die XMR-Struktur von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt derart erstreckt, dass die XMR-Ebene der XMR-Struktur entlang der ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei sich die XMR-Struktur von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt derart erstreckt, dass eine erste Kante der XMR-Struktur entlang der ersten Richtung angeordnet ist und eine zweite Kante der XMR-Struktur entlang einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, wobei die XMR-Struktur eine AMR-Struktur, eine GMR-Struktur, eine TMR-Struktur, eine CMR-Struktur oder eine EMR-Struktur ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Stromleiter, der in Bezug auf die XMR-Struktur derart angeordnet ist, dass ein Strom, der durch den Stromleiter fließt, ein Magnetfeld erzeugt, das zu der XMR-Ebene der XMR-Struktur parallel ist.
XMR-Sensor nach Anspruch 12, wobei der Stromleiter an oder parallel zu dem zweiten Hauptoberflächenbereich oder dem ersten Hauptoberflächenbereich angeordnet ist.
Brückenschaltung, umfassend einen ersten Brückenabschnitt mit einer Reihenschaltung eines ersten XMR-Sensors und eines zweiten XMR-Sensors und einen zweiten Brückenabschnitt mit einer Reihenschaltung eines dritten XMR-Sensors und eines vierten XMR-Sensors, wobei jeder des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors Folgendes umfasst: einen Substratbereich mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem zweiten, verschiedenen Hauptoberflächenbereich; eine XMR-Struktur, die mindestens einen Abschnitt umfasst, der sich entlang einer ersten, zu dem ersten Hauptoberflächenbereich und dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrechten Richtung derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung und in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet ist; und einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, die zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen der XMR-Struktur angeordnet sind.
Brückenschaltung nach Anspruch 14, wobei die XMR-Ebenen der XMR-Strukturen des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors parallel zueinander sind.
Brückenschaltung nach Anspruch 14, wobei der erste Kontakt und der zweite Kontakt jedes des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors an verschiedenen Positionen entlang der zweiten Richtung der XMR-Struktur angeordnet sind; wobei der erste XMR-Sensor und der zweite XMR-Sensor derart angeordnet sind, dass ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem ersten Kontakt des ersten XMR-Sensors und dem ersten Kontakt des zweiten XMR-Sensors kleiner als ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Kontakt des ersten XMR-Sensors und dem zweiten Kontakt des zweiten XMR-Sensors ist; und wobei der dritte XMR-Sensor und der vierte XMR-Sensor derart angeordnet sind, dass ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem ersten Kontakt des dritten XMR-Sensors und dem ersten Kontakt des vierten XMR-Sensors kleiner oder größer als ein Abstand entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Kontakt des dritten XMR-Sensors und dem zweiten Kontakt des vierten XMR-Sensors ist.
Brückenschaltung nach Anspruch 16, wobei der erste XMR-Sensor und der zweite XMR-Sensor in Reihe verbunden sind, sodass der erste Kontakt des ersten XMR-Sensors und der erste Kontakt des zweiten XMR-Sensors miteinander verbunden sind; und wobei der dritte XMR-Sensor und der vierte XMR-Sensor in Reihe verbunden sind, sodass der erste Kontakt des dritten XMR-Sensors und der erste Kontakt des vierten XMR-Sensors miteinander verbunden sind.
Brückenschaltung nach Anspruch 14, wobei die Substratbereiche des ersten, zweiten, dritten und vierten XMR-Sensors auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines XMR-Sensors, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem zweiten, verschiedenen Hauptoberflächenbereich; Bereistellen einer XMR-Struktur, die mindestens einen Abschnitt umfasst, der sich entlang einer ersten, zu dem ersten Hauptoberflächenbereich oder dem zweiten Hauptoberflächenbereich senkrechten Richtung derart erstreckt, dass eine XMR-Ebene der XMR-Struktur in der ersten Richtung angeordnet ist; und Bereitstellen eines ersten Kontakts und eines zweiten Kontakts, die zum Kontaktieren des mindestens einen Abschnitts der XMR-Struktur an verschiedenen Stellen der XMR-Struktur angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen des Substrats Folgendes umfasst: Bereitstellen einer ersten Substratschicht; und Bereitstellen einer zweiten, verschiedenen Substratschicht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bereitstellen des ersten Kontakts das derartige Bereitstellen des ersten Kontakts umfasst, dass der erste Kontakt in oder an der ersten Substratschicht angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur das Ätzen des Substrats von dem zweiten Hauptoberflächenbereich entlang der ersten Richtung umfasst, bis mindestens der erste Kontakt erreicht ist, um eine geätzte Struktur zu erhalten, in welcher der erste Kontakt mindestens teilweise freigelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die geätzte Struktur derart angeordnet ist, dass sich eine erste Wand der geätzten Struktur von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur das Abscheiden einer XMR-Schicht auf dem zweiten Hauptoberflächenbereich und der geätzten Struktur umfasst, sodass die XMR-Schicht auf der geätzten Struktur aufliegt und sich mindestens ein Teil der XMR-Schicht von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur das Ätzen der XMR-Schicht an der Unterseite der geätzten Struktur unter Beibehaltung des Teils der XMR-Schicht entlang der ersten Wand umfasst, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur Folgendes umfasst: Aufbringen einer lithographischen Maske auf einen Abschnitt der geätzten Struktur, sodass die lithographische Maske auf einem Abschnitt der XMR-Schicht aufliegt, wobei der Abschnitt der XMR-Schicht den Teil der XMR-Schicht entlang der ersten Wand einschließt, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt; und Ätzen der XMR-Schicht unter Beibehaltung des Abschnitts der XMR-Schicht, auf dem die lithographische Maske aufliegt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur das Abscheiden einer dielektrischen Schicht auf der XMR-Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Bereitstellen der XMR-Struktur das chemisch-mechanische Polieren beginnend von einer Oberfläche der dielektrischen Schicht bis mindestens zu dem zweiten Hauptoberflächenbereich des Substrats und bis der Teil der ferromagnetischen Schicht, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt, freigelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der zweite Kontakt an dem zweiten Hauptoberflächenbereich bereitgestellt wird und die freigelegte ferromagnetische Schicht derart kontaktiert, dass der Teil der ferromagnetischen Schicht, der sich von dem zweiten Hauptoberflächenbereich zu dem ersten Kontakt erstreckt, die XMR-Struktur bildet.