DE102014110438B4

DE102014110438B4 - XMR-Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102014110438B4
Application number: DE102014110438.2A
Authority: DE
Inventors: Klemens Prügl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: US10006968B2; DE102014110438A1; US20160025819A1; CN105301529B; CN105301529A

Abstract

Sensorvorrichtung (10; 73), welche Folgendes umfasst:einen ersten magnetoresistiven Sensorstapel (12; 20; 30; 50), wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) eine erste freie Schicht (530) umfasst, die für ein erstes Magnetfeld an der ersten freien Schicht (530) empfindlich ist, undeinen zweiten magnetoresistiven Sensorstapel (13; 21; 31; 51), der auf dem ersten magnetoresistiven Sensorstapel (12; 20; 30; 50) bereitgestellt ist, wobei der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine zweite freie Schicht (520) umfasst, die für ein zweites Magnetfeld an der zweiten freien Schicht (520) empfindlich ist,wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) und der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) wenigstens eine gemeinsam verwendete Schicht (525) umfassen, undwobei wenigstens einer von dem ersten (12; 20; 30; 50) oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine antiferromagnetische Schicht (534, 535) umfasst, die angrenzend an die jeweilige erste (530) oder zweite (520) freie Schicht bereitgestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft XMR-Sensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren.
Hintergrund
Magnetfeldsensoren werden bei vielen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Magnete für die Geschwindigkeits- oder Bewegungserfassung beispielsweise auf einem so genannten Polrad bereitgestellt werden, wodurch ein moduliertes Magnetfeld erzeugt wird, wenn sich das Polrad dreht. Die Modulation des Felds kann dann durch einen Magnetfeldsensor erfasst werden. Das dadurch erfasste Magnetfeld und seine Modulation geben dann beispielsweise die Drehgeschwindigkeit des Polrads an. An Stelle eines Polrads kann beispielsweise auch ein Zahnrad oder ein lineares magnetisches Element, das bei einer Bewegung ein moduliertes Magnetfeld erzeugt, verwendet werden. Auch andere Anwendungen verwenden Magnetfeldsensoren, beispielsweise eine magnetische Speichervorrichtung in der Art von Festplatten.
Magnetfeldsensoren umfassen Hall-Sensoren und Sensoren auf der Grundlage des magnetoresistiven Effekts (MR-Effekts), welche auch als XMR-Sensoren bezeichnet werden. In vielen Fällen weisen XMR-Sensoren geringere Schwankungen auf als Hall-Sensoren, was für einige Anwendungen wichtig sein kann, beispielsweise für die Geschwindigkeitserfassung bei Automobilanwendungen und/oder bei indirekten Reifendrucküberwachungssystemen. XMR-Sensoren sind jedoch für zu einer Messrichtung orthogonale Magnetfelder empfindlich. Deshalb kann eine ungenaue Positionierung von XMR-Sensoren beispielsweise in Bezug auf ein Polrad oder eine andere bewegliche magnetische Vorrichtung eine Erhöhung von Schwankungen hervorrufen.
Die DE 10 2005 060 713 A1 offenbart eine Magnetfeldsensoreinrichtung mit zwei Magnetfeldsensorkörpern, die jeweils einen Schichtstapel aufweisen können, um eine Ausfallsicherheit bereitzustellen.
Die US 2005 / 0 280 957 A1 , die US 2004 / 0 114 280 A1 , die US 5 701 222 A und die US 2010 / 0 079 917 A1 betreffen jeweils Anordnungen, bei welchen antiparallel ausgerichtete gepinnte Schichten bereitgestellt werden, um eine differenzielle Messung zu ermöglichen.
Weitere Sensoren ohne Sensorstapel sind aus der DE 10 2012 201 458 A1 und der DE 10 2004 017 191 A1 bekannt. Die US 2012 / 0 155 164 A1 betrifft einen magnetischen Speicher. Eine weitere Vorrichtung ist aus der US 2010 / 0 142 101 A1 bekannt.
Die US 2009 / 0 059 437 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem ersten magnetoresistiven Sensorstapel und einem zweiten magnetoresistiven Sensorstapel, die gekoppelt sind, um als ein einziges Sensorelement zur Strommessung betrieben zu werden.
Die US 2005 / 0 045 913 A1 zeigt eine weitere Anordnung mit aufeinandergestapelten Sensorstapeln.
Kurzfassung
Gemäß einer Ausführungsform ist eine in Anspruch 1 definierte Sensorvorrichtung bereitgestellt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein in Anspruch 13 definiertes Verfahren bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine schematische Ansicht der elektrischen Kontaktierung in einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
3 ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Kontaktierung in einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm einer Schichtstruktur einer Vorrichtung, die keine beanspruchte Ausführungsform ist.
5 ist ein Diagramm einer Schichtstruktur einer Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein Diagramm eines Anwendungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen detailliert mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Es ist zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur erläuternden Zwecken dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Wenngleich Ausführungsformen beispielsweise als mehrere verschiedene Einzelheiten, Merkmale oder Elemente umfassend beschrieben werden können, können bei anderen Ausführungsformen einige dieser Einzelheiten, Merkmale oder Elemente fortgelassen werden, und sie können in einer anderen als der dargestellten Weise implementiert werden, und/oder sie können durch alternative Einzelheiten, Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich oder alternativ können gemäß anderen Ausführungsformen zusätzliche Einzelheiten, Merkmale oder Elemente, die hier nicht explizit beschrieben oder in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, bereitgestellt werden.
Einige Ausführungsformen betreffen Magnetfeld-Sensorvorrichtungen. Eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung kann beispielsweise einen XMR-Sensor umfassen. Der Begriff XMR-Sensor, wie er hier verwendet wird, kann sich auf Sensoren beziehen, die auf einem oder mehreren Magnetowiderstands-(MR)-Effekten beruhen. Nicht einschränkende Beispiele für magnetoresistive Effekte umfassen GMR (Riesenmagnetowiderstand), CMR (Kolossal-Magnetowiderstand), AMR (anisotroper Magnetowiderstand) oder TMR (Tunnel-Magnetowiderstand).
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung einen ersten XMR-Sensorstapel und einen zweiten XMR-Sensorstapel auf dem ersten XMR-Sensorstapel umfassen. Der Begriff „Stapel“, wie er hier verwendet wird, kann mehrere aufeinander angeordnete Schichten, die den XMR-Sensorstapel bilden, bezeichnen. Sowohl der erste XMR-Sensorstapel als auch der zweite XMR-Sensorstapel können eine auch als Sensorschicht bezeichnete freie Schicht und/oder eine Referenzschicht umfassen. Der erste und der zweite XMR-Sensorstapel können in Bezug auf ihr Ansprechen auf äußere Magnetfelder im Wesentlichen unabhängig voneinander sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen freien Schichten des ersten und des zweiten XMR-Sensorstapels 15 nm oder mehr betragen, beispielsweise 20 nm oder mehr.
Gemäß einigen Ausführungsformen können sich der erste XMR-Sensorstapel und der zweite XMR-Sensorstapel eine oder mehrere Schichten teilen, beispielsweise eine antiferromagnetische Schicht.
Gemäß einigen Ausführungsformen können der erste XMR-Sensorstapel und der zweite XMR-Sensorstapel elektrisch gekoppelt sein, um als ein einziges XMR-Sensorelement betreibbar zu sein. Gemäß einigen Ausführungsformen können hierdurch Schwankungen verringert werden.
Nun sei mit Bezug auf die Figuren bemerkt, dass 1 eine schematische Schnittansicht einer XMR-Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Die XMR-Sensorvorrichtung 10 weist ein Substrat 11 auf. Das Substrat 11 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, das einen Siliciumwafer umfasst, sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Abgesehen von Elementen, die nachstehend in weiteren Einzelheiten erörtert werden, können elektronische Vorrichtungen oder Schaltungen auf dem Substrat 11 gebildet werden.
Auf dem Substrat 11 ist ein erster XMR-Sensorstapel 11 bereitgestellt. Auf dem ersten XMR-Sensorstapel 12 ist ein zweiter XMR-Sensorstapel 13 bereitgestellt. Wie durch Punkte 14 angegeben ist, können gemäß einigen Ausführungsformen auf dem zweiten XMR-Sensorstapel 13 ein oder mehrere weitere XMR-Sensorstapel bereitgestellt sein. Der erste XMR-Sensorstapel 11 und der zweite XMR-Sensorstapel 13 können jeweils mehrere Schichten umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen können sich der erste XMR-Sensorstapel 12 und der zweite XMR-Sensorstapel 13 auch eine oder mehrere Schichten teilen, beispielsweise eine antiferromagnetische Schicht, wie später in weiteren Einzelheiten beschrieben wird.
Beim Beispiel aus 1 kann eine xy-Ebene einer Ebene des Substrats 11 entsprechen (beispielsweise kann sich eine Fläche des Substrats 11 in xy-Richtung erstrecken). Eine z-Richtung kann einer Richtung senkrecht dazu, beispielsweise senkrecht zu einer Fläche des Substrats 11, entsprechen. In einem solchen Koordinatensystem ist der zweite XMR-Sensorstapel 13 auf dem ersten XMR-Sensorstapel 12, beispielsweise in z-Richtung darauf gestapelt, bereitgestellt.
Es sei bemerkt, dass die Darstellungen in den Figuren nur schematisch sind und nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, sondern im Interesse der Zweckmäßigkeit der Darstellung gewählt sind. Beispielsweise kann gemäß einigen Ausführungsformen die Breite des ersten und des zweiten XMR-Sensorstapels 12, 13 in x- und/oder y-Richtung höher sein, beispielsweise wenigstens eine Größenordnung höher, als die Höhe in z-Richtung. Beispielsweise kann die Breite im Bereich von 10 µm oder darüber liegen, während die Höhe im Bereich von 30 bis 40 nm liegen kann, um lediglich ein Beispiel zu geben. Dies kann auch für XMR-Sensorstapel gelten, die nachstehend mit Bezug auf die 2 - 5 erklärt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen können der erste XMR-Sensorstapel 12 und der zweite XMR-Sensorstapel 13 jeweils eine freie Schicht (auch als Sensorschicht bezeichnet) und eine Referenzschicht umfassen. Zusätzlich können sowohl der erste XMR-Sensorstapel 12 als auch der zweite XMR-Sensorstapel 13 jeweils eine gepinnte Schicht umfassen, wobei die Magnetisierungsrichtung durch eine antiferromagnetische Schicht gepinnt ist. Es können auch andere Konfigurationen verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Ansprechen einer freien Schicht des ersten XMR-Sensorstapels 12 auf ein Magnetfeld an der freien Schicht des ersten XMR-Sensorstapels 12 im Wesentlichen vom Ansprechen einer freien Schicht des zweiten XMR-Sensorstapels 13 auf ein Magnetfeld an der freien Schicht des zweiten XMR-Sensorstapels 13 unabhängig sein. Bei einigen Anwendungen kann das Magnetfeld an der freien Schicht des ersten XMR-Sensorstapels 12 im Wesentlichen gleich dem Magnetfeld an der freien Schicht des zweiten XMR-Sensorstapels 13 sein. Die Magnetfelder an den freien Schichten des ersten und des zweiten XMR-Sensorstapels 12, 13 können gemäß Ausführungsformen ein zu messendes äußeres Magnetfeld umfassen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die empfindliche Richtung des ersten XMR-Sensorstapels 12 und des zweiten XMR-Sensorstapels 13 die x-Richtung sein. Die empfindliche Richtung kann sich in dieser Hinsicht auf eine Richtung beziehen, in der ein Magnetfeld zu messen ist. Gemäß einigen Ausführungsformen können durch Bereitstellen zweier XMR-Sensorstapel 12, 13 Schwankungen verringert werden, die durch Magnetfelder in y-Richtung hervorgerufen werden, welche zur x-Richtung orthogonal ist. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Schwankungen um einen Faktor $1 / \sqrt{n}$
verringert werden, wobei n die Anzahl der bereitgestellten XMR-Sensorstapel ist. Diese Verringerung ist unter der Annahme, dass die freien Schichten der Stapel im Wesentlichen unabhängig voneinander sind, im Wesentlichen eine statistische Verringerung. Gemäß einigen Ausführungsformen kann sich das Ansprechen von XMR-Sensorstapeln in der Art des ersten und des zweiten XMR-Sensorstapels 12, 13 aus 1 auf solche Magnetfelder in y-Richtung von XMR-Sensorstapel zu XMR-Sensorstapel zumindest in gewissem Maße unterscheiden. Daher können Einflüsse von Magnetfeldern in y-Richtung einander zumindest teilweise aufheben, wenn die XMR-Sensorstapel zusammen verwendet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen können der erste XMR-Sensorstapel 12 und der zweite XMR-Sensorstapel 13 elektrisch miteinander gekoppelt werden, um im Wesentlichen als ein einziges XMR-Element betreibbar zu sein. Dies wird mit Bezug auf die 2 und 3 erklärt.
Allgemein besteht eine Technik für die Verwendung von XMR-Sensorstapeln für Magnetfeldmessungen darin, einen Messstrom durch den XMR-Stapel (die XMR-Stapel) bereitzustellen und einen Spannungsabfall zu messen. Mit anderen Worten wird ein Widerstandswert der Schichten gemessen. Dieser Widerstandswert kann von einem zu messenden äußeren Magnetfeld abhängen.
In den folgenden Erklärungen werden XMR-Vorrichtungen, die einen ersten XMR-Sensorstapel und einen zweiten XMR-Sensorstapel umfassen, zu erläuternden Zwecken verwendet. Es ist jedoch zu verstehen, dass, wie bereits mit Bezug auf 1 angegeben wurde, gemäß einigen Ausführungsformen auch mehr als zwei XMR-Sensorstapel bereitgestellt werden können. In dieser Hinsicht sind Begriffe wie „einen ersten XMR-Sensorstapel und einen zweiten XMR-Sensorstapel umfassend“ so auszulegen, dass sie auch Fälle abdecken, in denen ein oder mehrere weitere XMR-Sensorstapel abgesehen vom ersten und vom zweiten XMR-Sensorstapel bereitgestellt werden.
In 2 ist eine elektrische Kopplung zwischen einem ersten XMR-Sensorstapel 20 und einem zweiten XMR-Sensorstapel 21, der sich auf dem ersten XMR-Sensorstapel 20 befindet, dargestellt. Der erste und der zweite XMR-Sensorstapel 20, 21 können gemäß der Ausführungsform aus 2 beispielsweise GMR-Stapel sein, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt. Bei GMR-Sensorelementen wird bei vielen Anwendungen ein Widerstandswert in einer durch die Schichten eines Sensorstapels definierten Ebene (beispielsweise an einer Fläche oder Grenzflächenebene einer freien Schicht) gemessen. Es ist jedoch zu verstehen, dass gemäß anderen Ausführungsformen auch bei GMR-Sensorstapeln ein zu dieser Ebene senkrechter Strom angewendet werden kann, wie später mit Bezug auf 3 erklärt wird. Für das Messen des vorstehend erwähnten Widerstandswerts in der Ebene werden gemäß der Ausführungsform aus 2 der erste XMR-Sensorstapel 20 und der zweite XMR-Sensorstapel 21 durch elektrische Verbindungen 22, die schematisch dargestellt sind, parallel geschaltet. Im Fall von 2 kann, wie bereits mit Bezug auf 1 erwähnt wurde, die Breite der XMR-Sensorstapel 20, 21 höher sein als die Höhe der XMR-Sensorstapel 20, 21, beispielsweise um eine Größenordnung oder mehr. Gemäß einigen Ausführungsformen, wie in 2 dargestellt ist, fließt daher ein Messstrom I_mess beispielsweise durch den ersten XMR-Sensorstapel und den zweiten XMR-Sensorstapel im Wesentlichen in einer Richtung, die sich einer Ebene von Schichten des ersten XMR-Sensorstapels 20 und des zweiten XMR-Sensorstapels 21 befindet. Die elektrische Verbindung 22 kann durch verschiedene Techniken bereitgestellt werden, beispielsweise Techniken, die herkömmlicherweise bei der Halbleiterverarbeitung für das elektrische Kontaktieren von Komponenten oder Schichten verwendet werden. Beispielsweise kann eine elektrische Kopplung zwischen dem ersten XMR-Sensorstapel 20 und dem zweiten XMR-Sensorstapel 21 durch Metallabscheidung und -strukturierung auf einem Substrat in der Art des Substrats 11 aus 1 bereitgestellt werden. In 2 gezeigte elektrische Verbindungen 22 sind nur als schematisch anzusehen, und die Kontaktierung des ersten und des zweiten XMR-Sensorstapels 20, 21 kann beispielsweise am Boden des ersten XMR-Sensorstapels 20 oder an den Seiten der XMR-Sensorstapel 20 und/oder 21, anders als gezeigt sein, solange der Messstrom vorherrschend in der Innerebenenrichtung durch die XMR-Sensorstapel 20, 21 fließt.
Zur Messung eines Magnetfelds kann beispielsweise der durch den Messstrom I_mess hervorgerufene Spannungsabfall in 2 gemessen werden. Gemäß anderen Ausführungsformen kann eine feste Spannung angelegt werden und kann ein Strom/Messstrom gemessen werden.
In 2 kann der Gesamtwiderstandswert durch Parallelschalten des ersten XMR-Sensorstapels 20 und des zweiten XMR-Sensorstapels 21 verringert werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann hierdurch der Messstrom Imess erhöht werden. Gemäß anderen Ausführungsformen kann Imess ein fester Strom sein, der beispielsweise durch eine geregelte Stromquelle erzeugt wird.
In 3 ist eine Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Die Ausführungsform aus 3 weist einen ersten XMR-Sensorstapel 30 und einen zweiten XMR-Sensorstapel 31 auf. Gemäß der Ausführungsform aus 3 können der erste XMR-Sensorstapel 30 und ein zweiter XMR-Sensorstapel 31 TMR-Stapel sein, wenngleich sie nicht darauf beschränkt sind. Bei TMR-Stapeln ist gewöhnlich eine Tunnelbarriere, beispielsweise eine MgO-Tunnelbarriere, als eine der Schichten sowohl im ersten XMR-Sensorstapel 30 als auch im zweiten XMR-Sensorstapel 31 bereitgestellt. Ein Messstrom fließt bei vielen TMR-Anwendungen senkrecht zu den Schichtflächen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann der Messstrom jedoch auch ein Innerebenen-Messstrom sein, wie mit Bezug auf 2 erklärt wurde. Gemäß einer Ausführungsform können unter Verwendung eines zu den Schichtflächen senkrechten Messstroms, wie durch elektrische Verbindungen 33 gezeigt, der erste XMR-Sensorstapel 30 und ein zweiter XMR-Sensorstapel 31 parallel geschaltet werden, so dass beispielsweise der Messstrom nacheinander durch eine Tunnelbarriere des ersten XMR-Sensorstapels 30 und eine Tunnelbarriere eines zweiten XMR-Sensorstapels 31 fließt. Der Widerstandswert kann durch Einstellen der Dicke der Tunnelbarriere eingestellt werden. Auch in diesem Fall können elektrische Verbindungen 33 beispielsweise durch beliebige herkömmlicherweise bei der Halbleiterverarbeitung verwendete Techniken gebildet werden und in einer anderen Weise als der dargestellten bereitgestellt werden.
Als nächstes werden mit Bezug auf die 4 und 5 Beispiele für XMR-Sensorstapel detailliert erklärt.
In 4 ist ein Beispiel eines kombinierten Stapels 42, der einen ersten XMR-Sensorstapel und einen zweiten XMR-Sensorstapel umfasst, der keine beanspruchte Ausführungsform ist, dargestellt. Der Stapel 42 ist im Wesentlichen eine Kombination eines so genannten unteren Spin-Valves 40 und eines oberen Spin-Valves 41. Die Spin-Valves 40, 41 können beispielsweise GMR-Stapel sein.
Das untere Spin-Valve 40 weist eine antiferromagnetische Schicht 412 auf einer Keimschicht 411 auf. Die Keimschicht 411 kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen, welches einer Abscheidung einer antiferromagnetischen Schicht 412 darauf ermöglicht. Die antiferromagnetische Schicht 412 kann beispielsweise PtMn, IrMn und/oder NiMn umfassen. Angrenzend an die antiferromagnetische Schicht 412 ist eine gepinnte Schicht 413 aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise CoFe, bereitgestellt. Die magnetische Orientierung der gepinnten Schicht 413 kann durch die antiferromagnetische Schicht 412 festgelegt werden.
Auf der gepinnten Schicht 413 ist eine nicht magnetische Schicht 414, beispielsweise aus Ruthenium (Ru), gefolgt von einer ferromagnetischen Referenzschicht 415, bereitgestellt. Die Referenzschicht 415 kann beispielsweise aus CoFe und/oder CoFeB bestehen.
Auf der Referenzschicht 415 kann eine nicht magnetische Schicht 416 bereitgestellt werden. Die nicht magnetische Schicht 416 kann beispielsweise Cu oder MgO umfassen. Auf der nicht magnetischen Schicht 415 ist eine freie Schicht 417, die auch als Sensorschicht bezeichnet wird, bereitgestellt. Die freie Schicht 417 kann aus einem ferromagnetischen Material, wie CoFe, NiFe, CoFeB oder einer Kombination verschiedener ferromagnetischer Materialien bestehen. Auf der freien Schicht 417 ist eine Deckschicht 418, beispielsweise aus TaN, bereitgestellt. Beliebige hier angegebene Materialien sind lediglich als Beispiel angegeben, und es können bei anderen Implementationen andere geeignete Materialien verwendet werden.
Ein äußeres Magnetfeld kann die magnetische Orientierung der freien Schicht 417 in Bezug auf die gepinnte Schicht 413 und/oder die Referenzschicht 415 ändern, wodurch der Widerstandswert des unteren Spin-Valve-Stapels 40 geändert wird.
Der obere Spin-Valve-Stapel 41 entspricht im Wesentlichen dem unteren Spin-Valve-Stapel 40, wobei die Reihenfolge der Schichten geändert ist und zwar beispielsweise abgesehen von einer Keimschicht und einer Deckschicht im Wesentlichen umgekehrt ist. Im Stapel 41 folgt einer Keimschicht 43 eine freie Schicht 44 aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise CoFe, NiFe, CoFeB, oder einer Kombination verschiedener ferromagnetischer Materialien. Auf der freien Schicht 44 ist eine nicht magnetische Schicht 45 bereitgestellt, die beispielsweise Cu und/oder MgO umfasst.
Der nicht magnetischen Schicht 45 folgt eine ferromagnetische Referenzschicht, die beispielsweise CoFe und/oder CoFeB umfasst, gefolgt von einer nicht magnetischen Schicht 47. Die nicht magnetische Schicht 47 kann beispielsweise Ruthenium (Ru) umfassen.
Auf der nicht magnetischen Schicht 47 ist eine gepinnte Schicht 48, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material wie CoFe, gefolgt von einer antiferromagnetischen Schicht 49, welche beispielsweise PtMn, IrMn und/oder NiMn umfasst, bereitgestellt. Die antiferromagnetische Schicht 49 legt die magnetische Orientierung der gepinnten Schicht 48 fest. Die freie Schicht 44 ändert ihre magnetische Orientierung ansprechend auf ein zu messendes äußeres Magnetfeld in Bezug auf die Orientierung der gepinnten Schicht 48 und/oder der Referenzschicht 46, wodurch der Widerstandswert des oberen Spin-Valve-Stapels 41 geändert wird.
Der kombinierte Stapel 42 gemäß einer Ausführungsform ist, wie bereits erwähnt wurde, im Wesentlichen eine Kombination des unteren Spin-Valve-Stapels 40 und des oberen Spin-Valve-Stapels 41.
Der Stapel 42 umfasst die Schichten 420 - 424 auf einer Keimschicht 419. Die Schichten 420 - 424 gemäß einer Ausführungsform entsprechen den Schichten 44 - 48 des oberen Spin-Valve-Stapels 41. Auf der gepinnten Schicht 424 ist eine antiferromagnetische Schicht 425, beispielsweise aus PtMn, bereitgestellt. Auf der antiferromagnetischen Schicht 425 sind Schichten 426 - 430 bereitgestellt, welche Schichten 413 - 417 des unteren Spin-Valve-Stapels 40 entsprechen. Auf der freien Schicht 430 ist eine Deckschicht 431, beispielsweise aus TaN, bereitgestellt.
Daher entspricht ein Stapel 42 im Wesentlichen dem Stapel 40 auf dem Stapel 41, wobei sie sich die antiferromagnetische Schicht 425 teilen und nur eine Keimschicht 419 und eine Deckschicht 431 bereitgestellt sind. Daher legt im Stapel 42 die antiferromagnetische Schicht 425 die magnetische Orientierung sowohl der gepinnten Schicht 424 als auch der gepinnten Schicht 426 fest. Weil die antiferromagnetischen Schichten und Materialien, die darin bei einigen Implementationen verwendet werden, verhältnismäßig kostspielig sind, kann das geteilte Verwenden einer antiferromagnetischen Schicht gemäß einigen Ausführungsformen dazu dienen, die Kosten zu verringern. Allerdings können gemäß anderen Ausführungsformen getrennte antiferromagnetische Schichten für verschiedene XMR-Sensorstapel bereitgestellt werden.
Im Stapel 42 dienen die freie Schicht 430 und die freie Schicht 420 als im Wesentlichen unabhängige Sensorschichten. „Im Wesentlichen unabhängig“ gibt in diesem Fall an, dass sie einander im besten Fall vernachlässigbar beeinflussen und unabhängig dazu dienen, ein jeweiliges lokales Magnetfeld zu messen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann durch das unabhängige Messen in den freien Schichten 420 und 430, zumindest in gewissem Maße der Einfluss von Magnetfeldkomponenten außerhalb einer empfindlichen Richtung (beispielsweise y-Richtung beim Beispiel aus 1) statistisch verringert werden, weil Einflüsse solcher Felder auf die freie Schicht 420 und die freie Schicht 430 einander in gewissem Maße aufheben können, insbesondere im Fall statistisch veränderlicher Magnetisierungsrichtungen.
Um die Unabhängigkeit zwischen der freien Schicht 420 und der freien Schicht 430 bereitzustellen, kann der Abstand zwischen der freien Schicht 420 und der freien Schicht 430 gemäß einigen Ausführungsformen größer als 15 nm, beispielsweise größer oder gleich 30 nm, sein. Gemäß anderen Ausführungsformen können andere Abstandswerte verwendet werden.
In 5 ist ein kombinierter Stapel 52, der im Wesentlichen einem unteren Spin-Valve-Stapel 50 auf einem oberen Spin-Valve-Stapel 51 entspricht, gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Die Ausführungsform aus 5 ist im Wesentlichen eine Variation der Ausführungsform aus 4. Insbesondere entsprechen die Schichten 511 - 518 des unteren Spin-Valve-Stapels 50 den Schichten 511 - 518 des unteren Spin-Valve-Stapels 40, entsprechen die Schichten 53 - 510 des oberen Spin-Valve-Stapels 51 den Schichten 43 - 410 des oberen Spin-Valve-Stapels 41 und entsprechen die Schichten 519 - 531 des kombinierten Stapels 52 den Schichten 419 - 431 des kombinierten Stapels 42 aus 4 und werden daher nicht erneut detailliert beschrieben. Mit Bezug auf 4 beschriebene Variationen und Alternativen können auch auf entsprechende Schichten und Stapel aus 5 angewendet werden. Zusätzlich zur Ausführungsform aus 4 sind gemäß der Ausführungsform aus 5 antiferromagnetische Schichten angrenzend an die freien Schichten bereitgestellt. Beispielsweise ist im unteren Spin-Valve-Stapel 50 eine antiferromagnetische Schicht 533 angrenzend an die freie Schicht 517 bereitgestellt und ist im oberen Spin-Valve-Stapel 51 eine antiferromagnetische Schicht 532 angrenzend an die freie Schicht 54 angeordnet. Im kombinierten Stapel 52 ist eine antiferromagnetische Schicht 534 angrenzend an die freie Schicht 520 bereitgestellt und ist eine antiferromagnetische Schicht 535 angrenzend an die freie Schicht 530 bereitgestellt.
Diese antiferromagnetischen Schichten 532, 533, 534 und 535 stellen eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung für die jeweiligen freien Schichten 517, 532, 520 und 530 bereit. Dies kann gemäß einigen Ausführungsformen weiter helfen, Schwankungen zu verringern. Die Vorzugsrichtung für die freien Schichten kann orthogonal zur durch die antiferromagnetische Schicht 512, 59 oder 525 hervorgerufenen magnetischen Orientierung sein.
Die mit Bezug auf die 4 und 5 erläuterten Stapel dienen nur als Beispiele, und es können gemäß anderen Ausführungsformen andere Systeme verwendet werden, beispielsweise TMR-Systeme, welche eine Tunnelbarriere umfassen. Ferner können gemäß einigen Ausführungsformen keine geteilt verwendeten Schichten eingesetzt werden. Beispielsweise können zwei untere Spin-Valve-Stapel 40 oder zwei obere Spin-Valve-Stapel 41 aufeinander bereitgestellt werden, um einen kombinierten Stapel ohne geteilt verwendete Schichten bereitzustellen. Auch können gemäß einigen Ausführungsformen einige der gezeigten Schichten fortgelassen werden. Beispielsweise kann gemäß einigen Ausführungsformen nur eine gepinnte Schicht und eine freie Schicht ohne eine zusätzliche Referenzschicht dazwischen verwendet werden. Es können auch andere herkömmliche Implementationen von XMR-Sensorstapeln verwendet werden, wobei die XMR-Sensorstapel dann aufeinander bereitgestellt werden können, um Ausführungsformen zu bilden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren aus 6 kann beispielsweise für die Herstellung beliebiger der mit Bezug auf die 1 - 5 erörterten Ausführungsformen verwendet werden, es kann jedoch auch für die Herstellung anderer Ausführungsformen verwendet werden.
Bei 60 in 6 wird ein erster XMR-Sensorstapel bereitgestellt. Bei 61 wird in dem Verfahren ein zweiter XMR-Sensorstapel auf dem ersten XMR-Sensorstapel bereitgestellt, um einen kombinierten Stapel zu bilden. Der erste und der zweite XMR-Sensorstapel können sich eine oder mehrere Schichten teilen, beispielsweise eine antiferromagnetische Schicht.
Bei 62 werden optional der erste und der zweite XMR-Sensorstapel elektrisch kontaktiert, um als ein einziges XMR-Sensorelement betrieben werden zu können, wie beispielsweise mit Bezug auf die 2 und 3 gezeigt und erklärt wurde.
In 7 ist eine als Beispiel dienende Anwendungsumgebung für XMR-Sensorvorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen dargestellt. Es ist jedoch hervorzuheben, dass diese lediglich als Beispiel dient und dass XMR-Sensorvorrichtungen gemäß Ausführungsformen in verschiedenen Anwendungen verwendet werden können.
Die in 7 dargestellte Vorrichtung weist eine XMR-Sensorvorrichtung auf, welche einen zweiten XMR-Sensorstapel umfassen kann, der auf einem ersten XMR-Sensorstapel bereitgestellt ist, wie beispielsweise mit Bezug auf die 1 - 5 erläutert wurde. Die XMR-Sensorvorrichtung 73 wird angrenzend an ein Polrad 71 angeordnet, das mit einer Drehachse 70 gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Drehachse 70 mit einem Rad eines Fahrzeugs gekoppelt sein, um das Messen der Radgeschwindigkeit zu ermöglichen, oder sie kann mit der Lenksäule eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Allerdings ist die Anwendung der in 7 dargestellten Vorrichtung nicht auf Automobilanwendungen beschränkt. Gemäß anderen Ausführungsformen kann an Stelle eines Polrads 71 eine andere magnetische Vorrichtung verwendet werden, die bei einer Bewegung ein moduliertes Magnetfeld erzeugt, beispielsweise ein Zahnrad oder eine lineare magnetische Vorrichtung.
Das Polrad 71 weist mehrere entlang seinem Umfang angeordnete Magnete 72 auf. Die Magnete 72 können Permanentmagnete sein oder beispielsweise Elektromagnete sein. Die Anzahl und/oder die Anordnung der Magnete kann von der in 7 zu Erläuterungszwecken gezeigten abweichen.
Wenn sich die Achse 70 und daher das Polrad 71 dreht, spürt die XMR-Sensorvorrichtung 73 ein moduliertes Magnetfeld. Dieses kann für die Geschwindigkeits- und/oder Richtungserfassung verwendet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können durch Bereitstellen eines ersten und eines zweiten XMR-Sensorstapels wie beschrieben Schwankungen der XMR-Sensorvorrichtung 73, insbesondere in Fällen einer leicht ungenauen Anordnung der XMR-Sensorvorrichtung 73 in Bezug auf das Polrad 71, verringert werden.
Eine Ausgabe der XMR-Sensorvorrichtung 73 wird einer Steuereinrichtung 74 zugeführt. Bei einer Automobilanwendung kann die Steuereinrichtung 74 beispielsweise eine elektronische Steuereinheit (ECU) eines Fahrzeugs sein. Abhängig vom empfangenen Signal, kann die Steuereinrichtung 74 eine oder mehrere Steuervorrichtungen 75 steuern. Beispielsweise können im Fall einer Radgeschwindigkeitsmessanwendung die gesteuerten Vorrichtungen 75 Komponenten eines Antiblockier-Bremssystems (ABS) umfassen oder können im Fall einer Rotationserfassung einer Lenksäule die gesteuerten Vorrichtungen 55 Vorrichtungen umfassen, die sich auf das Lenken eines Fahrzeugs beziehen.

Claims

Sensorvorrichtung (10; 73), welche Folgendes umfasst: einen ersten magnetoresistiven Sensorstapel (12; 20; 30; 50), wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) eine erste freie Schicht (530) umfasst, die für ein erstes Magnetfeld an der ersten freien Schicht (530) empfindlich ist, und einen zweiten magnetoresistiven Sensorstapel (13; 21; 31; 51), der auf dem ersten magnetoresistiven Sensorstapel (12; 20; 30; 50) bereitgestellt ist, wobei der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine zweite freie Schicht (520) umfasst, die für ein zweites Magnetfeld an der zweiten freien Schicht (520) empfindlich ist, wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) und der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) wenigstens eine gemeinsam verwendete Schicht (525) umfassen, und wobei wenigstens einer von dem ersten (12; 20; 30; 50) oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine antiferromagnetische Schicht (534, 535) umfasst, die angrenzend an die jeweilige erste (530) oder zweite (520) freie Schicht bereitgestellt ist.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach Anspruch 1, wobei die erste freie Schicht (530) von der zweiten freien Schicht (520) im Wesentlichen magnetisch unabhängig ist.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand zwischen der ersten freien Schicht (530) und der zweiten freien Schicht (520) mindestens 15 nm beträgt.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) und der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) auf wenigstens einem von einem Riesenmagnetowiderstand, einem anisotropen Magnetowiderstand, einem kolossalen Magnetowiderstand oder einem Tunnel-Magnetowiderstand beruhen.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wenigstens eine gemeinsam verwendete Schicht (525) eine weitere antiferromagnetische Schicht umfasst.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) eine erste gepinnte Schicht (526) mit einer vorgegebenen magnetischen Orientierung umfasst und wobei der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine zweite gepinnte Schicht (524) mit einer vorgegebenen magnetischen Orientierung umfasst.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) eine erste ferromagnetische Referenzschicht (528) umfasst und wobei der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine zweite ferromagnetische Referenzschicht (522) umfasst.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste (12; 20; 30; 50) und der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) als ein einziges magnetoresistives Sensorelement betreibbar sind.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Magnetfeld an der ersten freien Schicht (530) im Wesentlichen gleich dem zweiten Magnetfeld an der zweiten freien Schicht (520) ist.
Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Magnetfeld an der ersten freien Schicht (530) und das zweite Magnetfeld an der zweiten freien Schicht (520) jeweils ein durch die Sensorvorrichtung zu messendes äußeres Magnetfeld umfassen.
Vorrichtung, welche Folgendes umfasst: eine bewegliche magnetische Vorrichtung (71) und eine Sensorvorrichtung (10; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, angrenzend an die bewegliche magnetische Vorrichtung (71).
Vorrichtung nach Anspruch 11, welche ferner eine Steuereinrichtung (74) umfasst, wobei die Steuereinrichtung dafür eingerichtet ist, wenigstens eine gesteuerte Vorrichtung (75) auf der Grundlage eines Signals von der Sensorvorrichtung (10; 73) zu steuern.
Verfahren, welches folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten magnetoresistiven Sensorstapels (12; 20; 30; 50), wobei der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) eine erste freie Schicht (530) umfasst, die für ein erstes Magnetfeld an der ersten freien Schicht (530) empfindlich ist, und Bereitstellen eines zweiten magnetoresistiven Sensorstapels (13; 21; 31; 51) auf dem ersten magnetoresistiven Sensorstapel(12; 20; 30; 50), wobei der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine zweite freie Schicht (520) umfasst, die für ein zweites Magnetfeld an der zweiten freien Schicht (520) empfindlich ist, wobei das Bereitstellen des ersten (12; 20; 30; 50) und des zweiten (13; 21; 31; 51) magnetoresisitiven Sensorstapels derart erfolgt, dass der erste magnetoresistive Sensorstapel (12; 20; 30; 50) und der zweite magnetoresistive Sensorstapel (13; 21; 31; 51) wenigstens eine gemeinsam verwendete Schicht (525) umfassen, und dass wenigstens einer von dem ersten (12; 20; 30; 50) oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorstapel (13; 21; 31; 51) eine antiferromagnetische Schicht umfasst, die angrenzend an die jeweilige erste (530) oder zweite (520) freie Schicht bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend Koppeln des ersten (12; 20; 30; 50) und des zweiten magnetoresistiven Sensorstapels(13; 21; 31; 51), so dass der erste (12; 20; 30; 50) und der zweite (13; 21; 31; 51) magnetoresistive Sensorstapel als ein einziges magnetoresistives Element betreibbar sind.