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Gebiet
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf Sensorbauelemente und insbesondere auf magnetoresistive Sensorbauelemente.
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Hintergrund
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Sensoren werden heutzutage in zahlreichen Anwendungen, z. B. automotiven Anwendungen, angewandt. Sicherheitskritische Anwendungen, z. B. Antiblockiersysteme (ABS; ABS = Anti-Blocking System) oder elektrische Servolenkung (EPS; EPS = Electrical Power Steering) sind häufig auf Konzepte mit redundanten Sensoren angewiesen, um ausreichend geringe Wahrscheinlichkeiten von zufälligen Hardwareausfällen zu erreichen. Solche Konzepte mit redundanten Sensoren können Dual-Sensor-Lösungen mit zwei redundanten Sensoren anstelle von einem verwenden. Dual-Sensor-Gehäuse können zwei Sensoren mit jeweiligen separaten Leistungsversorgungen und separaten Signalausgängen integrieren. Die Sensoren sind aufgrund einer galvanischen Isolierung elektrisch unabhängig. Das bedeutet, dass die zwei Sensoren unabhängig arbeiten, wodurch die Systemzuverlässigkeit erhöht wird.
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Insbesondere integrierte magnetoresistive Sensoren sind prädestiniert für diese Art von Redundanz, da sie klein sind und über einer Schaltungsanordnung untergebracht werden können. Magnetoresistive Sensoren können Riesenmagnetowiderstands-(GMR-; GMR = Giant Magnetoresistive), Tunnelmagnetowiderstands-(TMR-; TMR = Tunnel Magnetoresistive), anisotrope Magnetowiderstands-(AMR-; AMR = Anisotropic Magneto Resistive) und andere bekannte Magnetowiderstandstechnologien umfassen, die zusammen als XMR-Technologien bezeichnet werden. Ferner unterstützen XMR die Integration von elektrisch unabhängigen Sensoren auf einem einzelnen Chip, da sie nicht das Silizium-Bulk verwenden und durch Isolatoren, z. B. Oxide oder Nitride, galvanisch isoliert sind.
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Konzepte mit redundanten Sensoren erfordern ausreichend Unabhängigkeit der redundanten Sensorelemente. Ein Grund für abhängige Fehler, die den einen oder den anderen Sensor beeinträchtigen, kann ein Kurzschluss oder ein Leck durch Isolierschichten zwischen den zwei magnetoresistiven Sensoren sein, was zum Beispiel durch Defekte oder Verunreinigung unterstützt werden kann, was die Isolierfähigkeit des verwendeten Trenn- oder Isoliermaterials, z. B. Oxid oder Nitrid, reduziert. Solche Defekte führen häufig nicht umgehend zu einem sicherheitskritischen Leck, können aber während des Betriebs nach einiger Zeit in einem elektrischen Feld aktiviert werden.
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Ein Weg, um die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen oder einem Leck durch Trenn- oder Isolierschichten zu reduzieren, kann sein, die Distanz zwischen den benachbarten Sensoren zu erhöhen. Allerdings wäre dies kostspielig, da es erforderlich wäre, dass der Bereich zwischen den magnetoresistiven Strukturen vergleichbar oder sogar größer ist als die magnetoresistiven Elemente selbst.
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Somit besteht ein Bedarf für verbesserte Konzepte zum Reduzieren der Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen oder einem Leck zwischen magnetoresistiven Sensoren von integrierten Schaltungen mit redundanten Sensoren (ICs; IC = Integrated Circuit = integrierte Schaltung).
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Zusammenfassung
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen vor, eine magnetoresistive Struktur als ein elektrischer oder elektromagnetischer Schirm zwischen zwei magnetoresistiven Sensorelementen zu verwenden. Die magnetoresistive Schirmstruktur kann unter Verwendung der gleichen Fertigungstechnologien gebildet werden, wie sie zum Fertigen der magnetoresistiven Sensorelemente verwendet werden. Es sind möglicherweise keine zusätzlichen Fertigungstechnologien für die Schirmstruktur erforderlich.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine integrierte Schaltung bereitgestellt, die einen magnetoresistiven Stapel von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten umfasst, die auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind. Die integrierte Schaltung umfasst zumindest ein erstes magnetoresistives Sensorelement, das durch eine erste Sektion des magnetoresistiven Stapels bereitgestellt ist oder in einer selben implementiert ist. Die integrierte Schaltung umfasst zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement, das durch eine separate zweite Sektion des magnetoresistiven Stapels bereitgestellt ist oder in einer selben implementiert ist. Ferner umfasst die integrierte Schaltung zumindest ein Schirmelement, das durch eine separate dritte Sektion des magnetoresistiven Stapels zwischen der ersten und der zweiten Sektion bereitgestellt ist oder in einer selben implementiert ist. Das Schirmelement kann zum Beispiel als ein elektrischer Schirm zwischen dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement während eines Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements verwendet werden.
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Der Betrieb des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements kann zum Beispiel verstanden werden als ein Bereitstellen des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements mit jeweiligen Versorgungsspannungen oder Strömen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen gehen die separate erste, zweite und dritte magnetoresistive Stapelsektion auf einen ursprünglich zusammenhängenden magnetoresistiven Stapel zurück, der während der Fertigung der integrierten Schaltung in die unterschiedlichen Sektionen oder Abschnitte getrennt wird.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das gemeinsame Substrat ein Halbleitersubstrat, z. B. Silizium, sein. Ferner können integrierte Schaltungsabschnitte, die die Schnittstelle für die magnetoresistiven Sensorelemente und/oder das Schirmelement bilden, in dem gemeinsamen Substrat implementiert sein. Somit kann die integrierte Schaltung, die die magnetoresistiven Sensorelemente und das (magnetoresistive) Schirmelement umfasst, auf einem gemeinsamen Halbleiterchip implementiert sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können das zumindest eine erste magnetoresistive Sensorelement und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement Teile von jeweiligen Brückenschaltungen sein, die das jeweilige magnetoresistive Sensorelement umfassen. Somit kann der Ausdruck „zumindest ein erstes magnetoresistives Sensorelement” auch eine erste magnetoresistive Brückenschaltung umfassen und der Ausdruck „zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement” kann auch eine zweite magnetoresistive Brückenschaltung umfassen. Beispiele für Brückenschaltungen sind Wheatstone-Brücken und Modifikationen derselben.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Sektion des magnetoresistiven Stapels von der dritten Sektion des magnetoresistiven Stapels durch ein Isoliermaterial (isolating material, insulating material), z. B. Oxid oder Nitrid, getrennt sein. Ebenso kann die dritte Sektion des magnetoresistiven Stapels von der zweiten Sektion des magnetoresistiven Stapels durch das Isoliermaterial getrennt sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können das zumindest eine erste magnetoresistive Sensorelement und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement ausgebildet sein zum Erfassen des Magnetfeldes unabhängig voneinander. Somit kann die integrierte Schaltung eine IC mit redundanten Sensoren, z. B. eine Dual-Sensor-IC, umfassen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Schaltung ferner einen oder mehrere elektrische Verbinder mit oder von zumindest einem von dem ersten magnetoresistiven Sensorelement, dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement oder dem Schirmelement umfassen. Der eine oder die mehreren elektrischen Verbinder oder Anschlussflächen können als eine Schnittstelle zwischen der integrierten Schaltung und einer externen Schaltung ausgebildet sein. Somit können Signale an/von zumindest einem von dem ersten magnetoresistiven Sensorelement, dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement oder dem Schirmelement von/an die externe Schaltung geliefert werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Schaltung ferner zumindest eine gemeinsame Kontaktanschlussfläche (z. B. für eine gemeinsame Versorgung und/oder eine gemeinsame Masse) umfassen, die durch das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement gemeinschaftlich verwendet wird. Diese gemeinsame Kontaktanschlussfläche der Sensoren ist allerdings von jeglichen Kontaktanschlussflächen des Schirmelements elektrisch getrennt.
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Bei Ausführungsbeispielen, die auf ICs mit redundanten Sensoren gerichtet sind, kann die integrierte Schaltung ferner zum Beispiel eine Verifizierungsschaltungsanordnung umfassen, die ausgebildet ist, zum Vergleichen eines ersten Sensorsignals, das durch das zumindest eine erste magnetoresistive Sensorelement oder eine zugeordnete Ableseschaltungsanordnung erzeugt wird, mit einem zweiten Sensorsignal, das durch das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement oder eine zugeordnete Ableseschaltungsanordnung erzeugt wird, ansprechend auf ein Magnetfeld, das an eine jeweilige Erfassungs- oder freie Schicht des zumindest einen ersten und zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements angelegt wird. Falls die Verifizierung zum Beispiel eine Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorsignal über einer bestimmten Schwelle ergibt, kann ein Fehlerereignis signalisiert werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Schaltung ferner ein Schaltnetzwerk umfassen, das ausgebildet ist zum Koppeln oder Ziehen von elektrischen Verbindern des Schirmelements mit einem/auf ein Referenzpotential während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements. Auf diese Weise können zum Beispiel alle elektrisch leitfähigen Schichten des magnetoresistiven Schichtstapels des Schirmelements, und somit das komplette Schirmelement, mit einem Massepotential während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements gekoppelt sein. Ferner kann das Schaltnetzwerk ausgebildet sein zum Koppeln oder Ziehen der elektrischen Verbinder des Schirmelements mit einem/auf ein Screening-Potential während eines Screening-Modus der integrierten Schaltung. Auf ,Screening' oder ,Belastungs-Screening' wird hierin als Verfahren zum Defekt-Screening von ICs Bezug genommen, um zu verhindern, dass Defekte in mikroelektronischen Schaltungen in das Feld gelangen, wo sie Zuverlässigkeitsausfälle verursachen können. Bei einem Beispiel implementiert der Screening-Modus eine Stromlecküberprüfung (Stromleck-Screening). Zum Beispiel können alle elektrisch leitfähigen Schichten des magnetoresistiven Schichtstapels des Schirmelements, somit das gesamte Schirmelement, mit dem Screening-Potential während des Screening-Modus gekoppelt sein oder auf dasselbe gezogen sein. Somit kann die integrierte Schaltung in zumindest zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden: Betrieb des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements (Erfassungsmodus) und Screening-Modus der integrierten Schaltung.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Schaltnetzwerk ausgebildet sein zum Koppeln oder Ziehen von jeweiligen elektrischen Verbindern des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements mit dem/auf das Referenzpotential während des Screening-Modus. Auf diese Weise können zum Beispiel alle elektrischen Verbinder und somit alle elektrisch leitfähigen Schichten von dem magnetoresistiven Schichtstapel von zumindest einem ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement, somit das jeweilige komplette magnetoresistive Sensorelement, mit Massepotential während des Screening-Modus gekoppelt werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Schaltnetzwerk ausgebildet sein zum Koppeln des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements zwischen ein jeweiliges Versorgungspotential und das Referenzpotential während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements. Während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements können das zumindest eine erste und/oder das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement ausgebildet sein zum Erfassen eines Magnetfeldes. Das jeweilige erfasste Magnetfeld kann das gleiche Magnetfeld bei Dual-Sensor-Lösungen sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Screening-Potential größer sein als ein Versorgungspotential, das zum Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements verwendet wird, kann aber geringer sein als eine Durchbruchspannung von einer oder mehreren elektrostatischen Entladeschaltungen (ESD-Schaltungen; ESD = Electro-Static Discharge = elektrostatische Entladung), die dem Schirmelement und/oder dem zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelement und/oder dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement zugeordnet sind. Das höhere Screening-Potential kann verursachen, dass ein starkes elektrisches Feld aktiviert wird und kann leitfähige Verunreinigungsdefekte im Isolier- oder Trennmaterial zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen und dem Schirmelement aufwachsen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Schirmelement mit zumindest einer Metallschicht oder -leitung der integrierten Schaltung durch eine Mehrzahl von Vias (oder Schnitte) zwischen die zumindest eine Metallschicht oder -leitung und das Schirmelement gekoppelt sein. Die Mehrzahl von Vias kann ein Via-Gitter oder -Schirm zwischen dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement bilden. Somit kann der elektrische Schirm weiter verbessert werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Schaltung ferner eine Leckdetektionsschaltungsanordnung umfassen, die mit dem Schirmelement gekoppelt ist. Die Leckdetektionsschaltungsanordnung kann ausgebildet sein zum Detektieren eines Auftretens von Leckstrom zwischen dem Schirmelement und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement. Die Leckdetektionsschaltungsanordnung kann ausgebildet sein zum Detektieren des Auftretens von Leckstrom während des Screening-Modus und/oder während des Erfassungsmodus.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Schirmelement zwischen einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt gekoppelt sein. Der erste und zweite elektrische Kontakt können sich an gegenüberliegenden Enden des Schirmelements befinden. Auf diese Weise kann das Schirmelement zusammen mit entsprechender Detektionsschaltungsanordnung ausgebildet sein zum Detektieren von Rissen in dem magnetoresistiven Stapel basierend auf einem Bewerten eines elektrischen Stroms durch das Schirmelement ansprechend auf eine Rissdetektionsspannung oder -strom, die/der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt während des Screening-Modus oder eines anderen Testmodus angelegt ist.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Abschnitt der dritten Sektion des magnetoresistiven Stapels als ein Parallelwiderstand ausgebildet sein. Somit kann zumindest ein Abschnitt des Schirmelements als Parallelwiderstand verwendet werden. Alternativ kann ein externer Parallelwiderstand mit dem Schirmelement zum Detektieren von Spannungsabfällen aufgrund von Leckstrom gekoppelt sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement als AMR-, GMR- oder TMR-Sensorelemente ausgebildet sein. Somit kann ein magnetoresistiver Stapel in dem gemeinsamen Substrat als AMR-, GMR-, oder TMR-Stapel ausgebildet sein. Stapel basierend auf anderen magnetoresistiven Effekten sind auch möglich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Sensorschaltung bereitgestellt, die einen Stapel von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten umfasst, die auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind. Die Sensorschaltung umfasst zumindest ein erstes magnetoresistives Sensorelement, das durch eine erste Sektion des Schichtstapels bereitgestellt ist, und zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement, das durch eine separate zweite Sektion des Schichtstapels bereitgestellt ist. Ferner umfasst die Schaltung zumindest ein Schirmelement, das durch eine separate dritte Sektion des Schichtstapels zwischen der ersten und der zweiten Sektion bereitgestellt ist. Das Schirmelement kann als ein elektrischer Schirm zwischen dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements agieren. Die Sensorschaltung umfasst ferner ein Schaltnetzwerk, das ausgebildet ist zum Ziehen des Schirmelements auf Masse (z. B. durch ein Verbinden aller seiner elektrischen Kontakte mit Masse) während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements, und zum Ziehen des Schirmelements auf ein Screening-Potential (z. B. durch Verbinden aller seiner elektrischen Kontakte mit dem Screening-Potential) während eines Screening-Modus der Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können zumindest das erste magnetoresistive Sensorelement, das zweite magnetoresistive Sensorelement und das Schirmelement in einen gemeinsamen integrierten Schaltungsabschnitt integriert sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Schirmelement die gleichen ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten des Schichtstapels wie das erste und zweite magnetoresistive Sensorelement. Somit können das Schirmelement, das erste magnetoresistive Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement auf der gleichen XMR-Technologie basieren.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Sensorbauelements bereitgestellt, das einen magnetoresistiven Stapel von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten umfasst, die auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind, wobei das Sensorbauelement zumindest ein erstes magnetoresistives Sensorelement, das durch eine erste Sektion des magnetoresistiven Stapels bereitgestellt ist, zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement, das durch eine separate zweite Sektion des magnetoresistiven Stapels bereitgestellt ist und ein Schirmelement, das durch eine separate dritte Sektion des magnetoresistiven Stapels zwischen der ersten und der zweiten Sektion bereitgestellt ist, umfasst. Das Verfahren umfasst während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements:
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- • Verbinden des zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelements und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements mit einem Versorgungspotential und optional mit einer jeweiligen Ableseschaltungsanordnung.
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Hier kann der Betrieb des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements verstanden werden als ein regulärer Betriebsmodus, bei der das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement und eine jeweilige Ableseschaltungsanordnung ein Magnetfeld erfassen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner während eines Screening-Modus des integrierten Sensorbauelements ein Ziehen (z. B. durch ein Verbinden aller elektrischen Kontakte von) des zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelements und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements auf ein gemeinsames Referenzpotential und ein Verbinden des Schirmelements mit einer Screening-Spannung höher als eine Betriebsversorgungsspannung, die zum Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements verwendet wird.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ansprechend auf die angelegte Screening-Spannung ein Prüfen auf Leckstrom zwischen dem Schirmelement und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement während des Screening-Modus.
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Bei den Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner während des Screening- oder eines anderen Testmodus des integrierten Sensorbauelements ein elektrisches Koppeln des Schirmelements zwischen einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt, ein Anlegen einer Rissdetektionsspannung oder -stroms zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt, ein Detektieren von Rissen in dem magnetoresistiven Stapel oder dem gemeinsamen Substrat basierend auf einem Bewerten eines elektrischen Stroms durch das Schirmelement ansprechend auf die Rissdetektionsspannung oder -strom.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Fertigen eines integrierten Sensorbauelements bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bilden eines magnetoresistiven Stapels von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten auf einem gemeinsamen Substrat, ein Bilden von zumindest einem ersten magnetoresistiven Sensorelement in einer ersten Sektion des magnetoresistiven Stapels, ein Bilden von zumindest einem zweiten magnetoresistiven Sensorelement in einer separaten zweiten Sektion des magnetoresistiven Stapels und ein Bilden eines Schirmelements, das als ein elektrischer Schirm zwischen dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement wirksam ist, in einer separaten dritten Sektion des magnetoresistiven Stapels zwischen der ersten und der zweiten Sektion.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Trennen der ersten Sektion des magnetoresistiven Stapels von der dritten Sektion des magnetoresistiven Stapels durch ein Isoliermaterial und ein Trennen der dritten Sektion des magnetoresistiven Stapels von der zweiten Sektion des magnetoresistiven Stapels durch ein oder das Isoliermaterial. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Trennung durch ein Ätzen von Abständen in den magnetoresistiven Stapel und ein Befüllen der Abstände zwischen den sich ergebenden separaten Sektionen/Abschnitten des Stapels mit einem Isoliermaterial, z. B. Oxid oder Nitrid, durchgeführt werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Verbinden von einem oder mehreren elektrischen Kontakten des Schirmelements mit Massepotential während eines Plasmaätzens.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Integrieren einer ersten Ableseschaltungsanordnung, die dem zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelement zugeordnet ist, in dem gemeinsamen Substrat, und ein Integrieren einer zweiten Ableseschaltungsanordnung, die dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement zugeordnet ist, in dem gemeinsamen Substrat.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner ein Integrieren einer Leckstromdetektionsschaltungsanordnung zum Detektieren von Leckstrom zwischen dem Schirmelement und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement in dem gemeinsamen Substrat.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner während des Screening- oder eines anderen Testmodus des integrierten Sensorbauelements ein elektrisches Koppeln des Schirmelements zwischen einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt, ein Anlegen einer Rissdetektionsspannung oder -strom zwischen den ersten und den zweiten elektrischen Kontakt und ein Detektieren von Rissen in dem magnetoresistiven Stapel basierend auf einem Bewerten eines elektrischen Stroms durch das Schirmelement ansprechend auf die angelegte Rissdetektionsspannung oder -strom.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner während eines Screening-Modus des integrierten Sensorbauelements ein Verbinden oder Ziehen des zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelements und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements mit einem/auf ein gemeinsames Referenzpotential, ein Verbinden oder Ziehen des Schirmelements mit einer/auf eine Screening-Spannung höher als eine Betriebsversorgungsspannung, die zum Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements verwendet wird, und ansprechend auf die angelegte Screening-Spannung ein Prüfen auf Leckstrom zwischen dem Schirmelement und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement während des Screening-Modus.
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Einige Ausführungsbeispiele stellen eine Struktur bereit, die es erlaubt, eine erhöhte Spannungsbelastung anzulegen, um eine beschleunigte Aktivierung von extrinsischen Defekten beim Isoliermaterial (z. B. Oxid) zu erlauben und es danach neu zu konfigurieren, um als ein Schild zwischen redundanten Sensorelementen zu dienen. Somit stellen einige Ausführungsbeispiele Strukturen und Verfahren zum Kombinieren von Extrinsischer-Defekt-Screening und funktionaler Isolierung von XMR-Sensoren bereit.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen:
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1a, b Seiten- und Draufsichten eines Abschnitts einer integrierten Sensorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen;
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2a, b ein Verfahren zum Fertigen eines integrierten Sensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen;
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3 ein Verhältnis zwischen der Reduzierung von extrinsischen Defekten, Screening-Zeit und Screening-Spannung zeigt;
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4 eine Draufsicht eines Abschnitts einer integrierten Sensorschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
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5 eine Draufsicht eines Abschnitts einer integrierten Sensorschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt; und
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6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer integrierten Sensorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Während dementsprechend verschiedene Abänderungen und alternative Formen von Ausführungsbeispielen möglich sind, werden Ausführungsbeispiele davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Abänderungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Ziffern auf gleiche Elemente.
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Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe „erste, r, s”, „zweite, r, s” usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschrieben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet und auf ähnliche Weise ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Rahmen der Ausführungsbeispiele abzuweichen. Nach hiesigem Gebrauch umfasst der Begriff „und/oder” sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen, aufgeführten Elemente.
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Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Worte sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
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Die hier angewandte Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für weitere Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Einzelformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht deutlich Sonstiges anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
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Auch ist zu beachten, dass bei einigen alternativen Implementierungen die angegebenen Funktionen/Schritte nicht entsprechend der in den Figuren angegebenen Reihenfolge vorkommen können. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Figuren tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der Funktionalität/den eingebundenen Schritten.
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Bezugnehmend auf 1a, b ist schematisch eine Sektion einer integrierten Sensorschaltung 100 gemäß einem Beispiel gezeigt. Während 1a eine Seitenansicht der integrierten Sensorschaltung 100 darstellt, stellt 1b eine entsprechende Draufsicht dar.
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Die integrierte Sensorschaltung 100 umfasst einen magnetoresistiven Stapel 110 von abwechselnden ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Schichten, die auf einem gemeinsamen Substrat (nicht gezeigt) gebildet sind. Das gemeinsame Substrat der integrierten Sensorschaltung 100 kann ein Halbleitersubstrat, z. B. ein Siliziumwafer, sein. Der Halbleiterwafer kann die Basis für die integrierte Sensorschaltung 100 bilden. Bei dem dargestellten Beispiel ist der magnetoresistive Stapel 110 zwischen einer oberen Metallschicht oder -leitung 120-1 und einer unteren Metallschicht oder -leitung 120-2 der integrierten Sensorschaltung 100 implementiert. Diese Konfiguration zwischen Metallschichten kann für sogenannte CPP-Geometrien (Strom-Perpendikulär-zu-Ebene-Geometrien; CPP = Current Perpendicular to Plane) von magnetoresistiven Stapeln verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen bezogen auf sogenannte CIP-Geometrien (Strom-in-Ebene-Geometrien; CIP = Current in Plane) kann der magnetoresistive Stapel 110 auch unter oder über einer Metallschicht, die von nur einer Seite (oben oder unten) kontaktiert werden soll, implementiert sein.
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Der magnetoresistive Stapel 110 umfasst drei separate Abschnitte oder Sektionen 110-1, 110-2 und 110-3. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass die drei separaten Abschnitte oder Sektionen 110-1, 110-2, 110-3 auf den gleichen magnetoresistiven Stapel 110 zurückgehen, wie nachfolgend weiter erläutert wird. Eine Zusammensetzung von Schichten 20 des magnetoresistiven Stapels 110 kann auf verschiedene Weise gewählt werden, um unterschiedliche magnetoresistive Effekte zu erhalten. Bei einigen Ausführungsbeispielen können ferromagnetische und nicht-magnetische Schichten kombiniert werden, um den magnetoresistiven Stapel 110 gemäß dem AMR-, dem GMR- oder dem TMR-Effekt zu implementieren.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der magnetoresistive Stapel 110 eine antiferromagnetische Pinning-Schicht, eine ferromagnetische gepinnte Schicht, eine diamagnetische Kopplungsschicht, eine ferromagnetische Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung mit einem linearen oder geraden Muster, eine elektrisch isolierende Tunnelbarriere oder diamagnetische Schicht und eine ferromagnetische freie Schicht umfassen. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass die obige Zusammensetzung von Schichten nur eine von vielen Möglichkeiten ist, um XMR-Sensorelemente zu bilden. Eine umgekehrte Zusammensetzung ist zum Beispiel auch möglich. Zum Beispiel kann die freie Schicht aus einer Zusammensetzung von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten bestehen. Eine freie Schicht, die zusammengesetzt ist aus einer Multischichtstruktur mit Schichten mit einer Leitfähigkeit nahe zu der Kopplungsschicht und Schichten mit einer kleinen Leitfähigkeit weiter weg von der Kopplung kann für diese Anwendung vorteilhaft sein. Die freie Schicht oder die gepinnte Schicht kann eine Multischichtstruktur sein, die Spininjektionsschichten umfasst, die zu einer hohen Spinpolarisation führen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass der magnetoresistive Stapel 110 des Beispiels von 1 ein TMR-Stapel ist.
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Zumindest ein erstes magnetoresistives Sensorelement 130-1 ist durch den ersten Abschnitt 110-1 des magnetoresistiven Stapels 110 bereitgestellt. Zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement 130-2 ist durch den zweiten separaten Abschnitt 110-2 des magnetoresistiven Stapels 110 bereitgestellt. Ein Schirmelement oder -struktur 140 ist durch den separaten dritten Abschnitt 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 bereitgestellt. Bei dem dargestellten Beispiel sind das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1, das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 sowie das Schirmelement 140 TMR-Strukturen. Wie oben erwähnt ist allerdings jegliche andere magnetoresistive Struktur auch möglich.
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Der dritte Abschnitt 110-3, somit das Schirmelement 140, befindet sich oder ist angeordnet zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 110-1 und 110-2 und ist somit benachbart zu dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 sowie benachbart zu dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 angeordnet. Bei einer typischen integrierten Schaltung kann der erste Abschnitt 110-1 des magnetoresistiven Stapels 110 von dem dritten Abschnitt 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 durch ein Isoliermaterial 150 (isolating material, insulating material), z. B. Oxid oder Nitrid, getrennt sein. Ebenso kann der dritte Abschnitt 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 von dem zweiten Abschnitt 110-2 des magnetoresistiven Stapels 110 durch das Isoliermaterial 150 getrennt sein. Der dritte Abschnitt 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 und somit das Schirmelement 140 ist als ein elektrischer Schirm zwischen dem zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 wirksam.
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Eine mögliche Fertigung der integrierten Sensorschaltung 100 wird nun bezugnehmend auf 2a, b erklärt.
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2a stellt eine Halbleiteranordnung 200 dar, die ein Halbleitersubstrat 202 umfasst. Eine oder mehrere Schichten von Isoliermaterial 150 können über dem Halbleitersubstrat 202 abgeschieden sein. Eine Mehrzahl von Metallleitungen 120-2 kann innerhalb des Isoliermaterials 150 gebildet werden. Vias oder Schnitte 160 verbinden die Metallleitungen 120-2 mit einem magnetoresistiven Stapel 110, der oben auf dem Isoliermaterial 150 und dem Metall 120-2 abgeschieden ist. Eine Fotomaske (Photoresist) ist auf dem magnetoresistiven Stapel 110 abgeschieden, um Abschnitte des magnetoresistiven Stapels 110, z. B. unter Verwendung bekannter Ätztechniken, zu strukturieren.
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Ein Ergebnis des Strukturierungsprozesses ist in 2b dargestellt, die die drei separaten Stapelabschnitte 110-1, 110-2 und 110-3 als Basis für die jeweiligen Sensor- und Schirmelemente 130-1, 130-2 und 140 darstellt. Geätzte Abstände oder Gräben 206 zwischen den separaten Stapelabschnitten 110-1, 110-2 und 110-3 können zum Beispiel mit dem Isoliermaterial 150 (z. B. SiO2) befüllt sein.
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Somit stellen Ausführungsbeispiele auch ein Verfahren zum Fertigen eines integrierten Sensorbauelements 100 bereit. Das Verfahren umfasst ein Bilden eines magnetoresistiven Stapels 110 von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten auf einem gemeinsamen Substrat 202, ein Bilden von zumindest einem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 in einer ersten Sektion 110-1 des magnetoresistiven Stapels 110, ein Bilden von zumindest einem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 in einer separaten zweiten Sektion 110-2 des magnetoresistiven Stapels 110 und ein Bilden eines Schirmelements 140, das als ein elektrischer Schirm zwischen dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2 in einer separaten dritten Sektion 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 zwischen der ersten und der zweiten Sektion 110-1, 110-2 wirksam ist. Das Fertigungsverfahren kann ferner ein Trennen der ersten Sektion 110-1 des magnetoresistiven Stapels von der dritten Sektion 110-3 des magnetoresistiven Stapels durch ein Isoliermaterial 150 und ein Trennen der dritten Sektion 110-3 des magnetoresistiven Stapels von der zweiten Sektion 110-2 des magnetoresistiven Stapels durch ein Isoliermaterial 150 umfassen. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, dass eine weitere integrierte Schaltungsanordnung, z. B. eine Ableseschaltungsanordnung, die dem zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 zugeordnet ist, auch in oder auf dem gemeinsamen Substrat 202 integriert sein kann. Ebenso kann eine Ableseschaltungsanordnung, die dem zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 zugeordnet ist, ferner in dem gemeinsamen Substrat 202 integriert sein.
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Bezugnehmend auf die Beispiele von 1 sind das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1, das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 sowie das Schirmelement 140 in der CPP-Konfiguration von der Oberseite und dem Boden durch jeweilige Vias oder Schnitte 160, die sich durch das Isoliermaterial 150 erstrecken, elektrisch kontaktiert. Die Vias 160 koppeln das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1, das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 und das Schirmelement 140 mit jeweiligen zugeordneten oberen und unteren Metallschichten oder -leitungen 120-1, 120-2. Wie oben erwähnt, können das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1, das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 und das Schirmelement 140 zum Beispiel auch nur von einer Seite (oben, Boden) für CIP-Konfigurationen kontaktiert sein.
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Das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 kann unabhängig oder als Teil einer komplexeren ersten magnetoresistiven Sensorschaltungsanordnung implementiert sein. Ebenso kann das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 unabhängig oder als Teil einer komplexeren zweiten magnetoresistiven Sensorschaltungsanordnung implementiert sein. Eine solche magnetoresistive Sensorschaltungsanordnung kann Wheatstone- oder ähnliche Brückenschaltungen umfassen, um Magnetfelder und/oder Änderungen von Magnetfeldern zu detektieren. Wie der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt, können das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 mit jeweiligen integrierten Ableseschaltungen (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Ferner können das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 und ihre jeweiligen integrierten Ableseschaltungen mit einer Verifizierungsschaltungsanordnung gekoppelt sein, die ausgebildet sein kann zum Vergleichen eines ersten Sensorsignals, das durch das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 erzeugt wird, mit einem zweiten Sensorsignal, das durch das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 erzeugt wird, ansprechend auf ein Magnetfeld, das an eine jeweilige Erfassungsschicht (z. B. freie Schicht) des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelement angelegt ist. Dies kann insbesondere relevant für sicherheitskritische Anwendungen sein, wo die integrierte Sensorschaltung 100 als eine Dual-Sensor-IC verwendet werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 ausgebildet zum Erfassen des gleichen Magnetfeldes unabhängig voneinander. Zum Beispiel kann ein magnetoresistives Sensorelement die x-Komponente des Magnetfeldes messen, während das andere die y-Komponente des Magnetfeldes misst. In solchen Fällen kann eine dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 zugeordnete Schaltungsanordnung über eine erste Versorgungsspannung versorgt oder betrieben werden, während eine dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 zugeordnete Schaltungsanordnung über eine unabhängige zweite Versorgungsspannung versorgt werden kann.
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1b stellt eine Draufsicht der Sensoranordnung von 1a dar.
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Wie aus dem Beispiel von 1b zu sehen, sind die oberen und unteren Metallleitungen 120-1 und 120-2 in Kontakt mit dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2 nicht nur räumlich in z-Richtung verschoben, sondern können auch räumlich in y-Richtung verschoben sein, während sie sich parallel in x-Richtung erstrecken. Das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 können sich im Wesentlichen parallel in der y-Richtung zwischen ihren jeweilig zugeordneten oberen und unteren Metallleitungen 120-1, 120-2 erstrecken. Beide magnetoresistive Sensorelemente 130-1, 130-2 können mit jeweiligen Kontaktanschlussflächen 171, 172 und/oder einer weiteren integrierten Schaltungsanordnung (z. B. Ableseschaltungsanordnung) über ihre zugeordneten oberen und unteren Metallleitungen 120-1, 120-2 gekoppelt sein.
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Die oberen und unteren Metallleitungen 120-1, 120-2, die dem Schirmelement 140 zugeordnet sind, sowie das Schirmelement 140 selbst erstrecken sich in y-Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2 bei dem dargestellten Beispiel. Somit kann sich das Schirmelement 140 im Wesentlichen parallel zu oder zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 130-1, 130-2 erstrecken. Hier ist das Schirmelement 140 mit seinen zugeordneten oberen und unteren Metallleitungen 120-1, 120-2 durch eine Mehrzahl von Vias 160 zwischen die jeweilige Metallleitung 120-1 oder 120-2 und das Schirmelement 140 gekoppelt. Die Mehrzahl von Vias 160 kann ein zusätzliches Via-Gitter oder -Schirm zwischen dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2 bilden.
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Während eines (Normal-)Betriebs der integrierten Sensorschaltung 100 können das erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 betrieben werden, um jeweilige Magnetfelder oder das gleiche Magnetfeld im Fall von Konzepten mit redundanten Sensoren zu erfassen. Zu diesem Zweck können beide magnetoresistiven Sensorelemente 130-1, 130-2 zum Beispiel zwischen ein Versorgungspotential und Masse (GND; GND = ground) unter Verwendung jeweiliger Kontaktanschlussflächen 171-1, 172-1 und 171-2, 172-2 gekoppelt sein. Während des Normalbetriebs kann das elektrische Potential des Schirmelements 140 auf Masse (GND) unter Verwendung von einer oder mehreren zugeordneten Kontaktanschlussflächen 173 gesetzt oder gezogen sein. Somit kann ein elektrischer Schirm zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 130-1, 130-2 durch das (magnetoresistive) Schirmelement 140 während des Normalbetriebs der integrierten Sensorschaltung 100 bereitgestellt sein. Das Schirmelement 140 kann Kurzschlüsse und somit ein Stromleck zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 130-1, 130-2 vermeiden.
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Ein Kurzschluss zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 130-1, 130-2 kann zum Beispiel durch einen leitfähigen Partikel (z. B. extrinsischer Defekt) verursacht werden, der während der Produktion in dem Isoliermaterial 150 verbleibt. Manchmal werden solche leitfähigen Partikel während eines Tests (Screening), der vor der Auslieferung der integrierten Schaltung 100 durchgeführt werden kann, aufgrund ihrer kleinen Größe nicht detektiert. Der leitfähige Partikel kann daher anfänglich ein undetektierter schlafender Fehler sein. Aufgrund unterschiedlicher Einflüsse, z. B. Altern, Temperatur, Feuchtigkeit oder Korrosion, kann der leitfähige Partikel im Verlauf der Zeit an Größe zunehmen und kann dann einen Kurzschluss zwischen prinzipiell separaten Leitern verursachen. Der undetektierte schlafende Fehler kann verursachen, dass ein Modul, das die integrierte Schaltung 100 umfasst und das anfänglich ohne Fehler an einen Kunden geliefert wird, innerhalb einer normalen Betriebsperiode einen Defekt aufweist. Ein undetektierter schlafender Fehler kann zum Beispiel auch während der Produktion durch ein inkorrektes Bearbeiten während des chemisch-mechanischen Polierens (abgekürzt als „CMP” bezeichnet; CMP = Chemical Mechanical Polishing) verursacht werden.
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Ein leitfähiger Partikel kann sich im Inneren der integrierten Sensorschaltung 100 zum Beispiel in der Region nahe dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 befinden. Aufgrund seiner kleinen Größe wird der leitfähige Partikel nach der Produktion der integrierten Sensorschaltung 100 nicht umgehend detektiert und die integrierte Sensorschaltung 100 ist somit komplett funktionsfähig. Der leitfähige Partikel kann im Verlauf der Zeit an Größe zunehmen, bis er mit sowohl dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 als auch dem Schirmelement 140 in Kontakt kommt. Ein Kontakt zwischen dem leitfähigen Partikel und dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem Schirmelement 140 kann einen Stromfluss (Leckstrom) zwischen dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem Schirmelement 140 verursachen. Allerdings erreicht dieser Leckstrom nicht das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 und schadet somit der integrierten Sensorschaltung 100 nicht.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Leckstrom zwischen einem von dem ersten oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem Schirmelement 140 durch eine optionale Leckdetektionsschaltungsanordnung, die mit dem Schirmelement 140 gekoppelt ist, detektiert werden. Zum Beispiel kann ein elektrischer Kontaktanschluss des Schirmelements 140 mit Masse gekoppelt sein, während der andere elektrische Kontaktanschluss des Schirmelements 140 mit der Leckdetektionsschaltungsanordnung gekoppelt sein kann. Die Leckdetektionsschaltungsanordnung kann zum Beispiel unter Verwendung eines Parallelwiderstands ausgebildet sein zum Detektieren eines Leckstroms zwischen dem Schirmelement 140 und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2. Zum Beispiel kann ein Abschnitt der dritten Sektion 110-3 des magnetoresistiven Stapels 110 und somit ein Abschnitt des Schirmelements 140 als ein Parallelwiderstand ausgebildet sein. Ein leitfähiger extrinsischer Defekt kann daher detektiert werden, sogar bevor ein Kurzschluss zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 130-1, 130-2 auftreten kann.
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Im Inneren der integrierten Sensorschaltung 100 kann ein schlafender Fehler, z. B. ein leitfähiger Partikel, rechtzeitig aufgedeckt werden. Der schlafende Fehler kann aufgedeckt werden, sobald ein Leckstrom von dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 zu dem Schirmelement 140 oder von dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 zu dem Schirmelement 140 auftritt. Der schlafende Fehler kann daher detektiert werden, sogar bevor ein Kurzschluss oder Leck zwischen dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 auftritt. Der schlafende Fehler kann zu einem Zeitpunkt detektiert werden, zu dem die integrierte Sensorschaltung 100 noch komplett funktionsfähig ist, das heißt, bevor eine Gefahr in der integrierten Schaltungsanordnung 100 auftritt. Zum Beispiel kann der schlafende Fehler vermieden und/oder detektiert werden, bevor das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 oder eine mit dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 verbundene Schaltung aufgrund eines Kurzschlusses zerstört wird. Eine „Gefahr” kann daher verhindert werden.
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Das Schirmelement 140 und eine optionale Leckdetektionsschaltungsanordnung können die Funktionssicherheit der integrierten Sensorschaltung 100 sicherstellen. Da das (magnetoresistive) Schirmelement 140 und die Bewertungsschaltung 118 einen geringen Flächenbedarf aufweisen können, ist es möglich, die Funktionssicherheit innerhalb der integrierten Sensorschaltung 100 auf effiziente Weise sicherzustellen.
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Das Schirmelement 140 und die optionale Leckdetektionsschaltungsanordnung können dafür bestimmt sein, schlafende Fehler zu verhindern oder zu detektieren. Anders ausgedrückt, bei einigen Ausführungsbeispielen übernimmt das Schirmelement 140 keine Logikfunktion während des Normalbetriebs der integrierten Sensorschaltung 100. Zum Beispiel ist das Schirmelement 140 möglicherweise nicht an einer Logikoperation der integrierten Sensorschaltung 100 beteiligt. Während des Normalbetriebs der integrierten Sensorschaltung 100, das heißt, wenn ein Kurzschluss nicht vorhanden ist, besteht möglicherweise keine elektrische Verbindung zwischen dem Schirmelement 140 und weiteren Funktionselementen der integrierten Sensorschaltung 100. Zum Beispiel besteht möglicherweise keine elektrische Verbindung zwischen dem Schirmelement 140 und dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 oder zwischen dem Schirmelement 140 und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2. Es besteht möglicherweise ebenso keine elektrische Verbindung zwischen dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und der optionalen Leckdetektionsschaltungsanordnung und zwischen dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 und der Leckdetektionsschaltungsanordnung.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Schirmelement 140 nicht nur nützlich sein während des Normalbetriebs der integrierten Sensorschaltung 100, die das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement 130-1 und 130-2 umfasst, sondern auch während des Testens oder Screenings der integrierten Sensorschaltung 100 während oder nach der Fertigung der integrierten Sensorschaltung 100. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die integrierte Sensorschaltung 100 somit auch in einem Screening-Modus betrieben werden.
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Während des Screening-Modus der integrierten Sensorschaltung 100 können elektrische Verbinder 173 des Schirmelements 140 mit einer Screening-Spannung für eine beschleunigte Aktivierung von extrinsischen Defekten gekoppelt sein. Andererseits können jeweilige elektrische 20 Verbinder des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 während des Screening-Modus zum Beispiel mit Masse gekoppelt sein. Anders ausgedrückt, das erste und/oder das zweite magnetoresistive Sensorelement 130-1, 130-2 können auf ein definiertes Potential (vorzugsweise GND) gezogen sein. Im Fall einer integrierten Schaltung kann dies durch Schalter erfolgen, die in dem Screening-Modus aktiviert werden. Im Fall eines einfachen grundlegenden XMR-Elements, das keine aktive Schaltungsanordnung umfasst, kann dies durch Testausrüstung erfolgen. Die Screening-Spannung kann an das Schirmelement 140 angelegt werden (die Screening-Spannung sollte so hoch wie möglich sein, um die Aktivierung von extrinsischen Defekten zu beschleunigen) und kann für eine bestimmte Zeit gehalten werden (je höher die Spannung, desto kürzer die Zeit zum Erreichen des gleichen Grads an Sicherheit für das Testergebnis (beschleunigter Lebensdauertest zum Aktivieren von Frühe-Lebensdauer-Fehlern (Badewannenkurve)). Optional kann gemessen werden, wenn ein Leck zwischen zumindest einem magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und 130-2 und dem Schirmelement 140 auftritt.
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Somit kann eine Potentialdifferenz, die der Screening-Spannung entspricht, zwischen dem Schirmelement 140 und einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1, 130-2 erzeugt werden. Somit kann die Screening-Spannung größer sein als ein Versorgungspotential, das zum normalen Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 verwendet wird. Allerdings kann das Screening-Versorgungspotential gleichzeitig geringer sein als eine Durchbruchspannung von einer oder mehreren elektrostatischen Entladeschaltungen (ESD-Schaltungen), die dem Schirmelement 140 und/oder dem ersten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und/oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-2 zugeordnet sind. Typischerweise hängt der Betrag (Magnitude) der Screening-Spannung von dem Versorgungspotential, das zum normalen Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 verwendet wird, und/oder einer verfügbaren Screening-Zeit ab. Zum Beispiel kann die Screening-Spannung, die an das Schirmelement während des Screenings angelegt wird, in dem Bereich von 5 V bis 30 V oder bei einigen Ausführungsbeispielen bis zu 60 V sein.
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Eine Beziehung zwischen der Reduzierung von extrinsischen Defekten, der Screening-Zeit und der Screening-Spannung ist in 3 dargestellt. Wie aus 3 qualitativ zu sehen ist, nimmt die Reduzierung von extrinsischen Defekten sowohl mit der Screening-Zeit als auch der Screening-Spannung, die während des Screening-Modus angelegt wird, zu. Zum Beispiel kann ein Anlegen einer Screening-Spannung von zwei Mal der normalen Versorgungsspannung für eine Sekunde extrinsische Defekte um einen Faktor von ungefähr 100 reduzieren.
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Während eines normalen Fertigungstests auf Waferebene und/oder während des Normalbetriebs (Erfassungsmodus) kann das Schirmelement 140 mit einem definierten Potential (typischerweise GND) verbunden sein oder auf ein selbes gezogen sein und kann optional mit einer Leckdetektionsschaltungsanordnung verbunden sein, die auch als Schirmüberwachungseinrichtung bezeichnet werden kann. Im Fall einer integrierten Schaltung kann dies durch Schalter erfolgen, die im Erfassungsmodus aktiviert werden. Im Fall eines einfachen grundlegenden XMR-Elements, das keine aktive Schaltungsanordnung umfasst, kann dies durch ein Bonden der Schirmanschlussfläche 173 mit einem von den XMR-Versorgungsstiften erfolgen oder kann auf gedruckter Schaltungsplatinenebene (PCB-Ebene, PCB = Printed Circuit Board) in der Anwendung erfolgen. In letzterem Fall kann dies auch eine Leckdetektion erlauben, z. B. durch Ziehen des Schirmstifts auf GND über einen großen Widerstand (z. B. 100 MΩ) und Überwachen des Spannungsabfalls über den Widerstand, z. B. mit einem Mikrocontroller-Analog-Digital-Wandler (ADC; ADC = Analog-to-Digital Converter). Danach kann ein normaler Fertigungstest des gehäusten (packaged) Bauelements folgen.
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Um zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi (Screening-, normaler Fertigungstest- oder Erfassungs-Modus) zu schalten, kann das integrierte Sensorbauelement 100 ferner ein analoges und/oder digitales Schaltnetzwerk umfassen, die ausgebildet ist zum Koppeln oder Ziehen von elektrischen Verbindern 173 des Schirmelements 140 mit/auf ein Referenzpotential (GND) während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 und ausgebildet ist zum Koppeln oder Ziehen der elektrischen Verbinder 173 des Schirmelements 140 mit/auf die Screening-Spannung während des Screening-Modus der integrierten Schaltung 100. Das Schaltnetzwerk kann ferner ausgebildet sein zum Koppeln oder Ziehen von jeweiligen elektrischen Verbindern 171, 172 des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 mit/auf das Referenzpotential während des Screening-Modus. Während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements, d. h. während eines normalen Fertigungstests auf Waferebene und/oder während des Normalbetriebs (Erfassungsmodus) kann das Schaltnetzwerk ausgebildet sein zum Koppeln des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 zwischen einem jeweiligen Versorgungspotential und dem Referenzpotential.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der integrierten Sensorschaltung 100 ist in 4 dargestellt.
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Hier unterscheidet sich die integrierte Schaltung von der in 1b dargestellten dahingehend, dass das Schirmelement 140 zwischen zwei Kontaktanschlussflächen 173 und 174, die sich an gegenüberliegenden Enden des Schirmelements 140 befinden, entlang seiner Achse in y-Richtung (längsgerichtet) gekoppelt sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die XMR-Schichten des Schirmelements 140 in z-Richtung (Höhe) aufeinander gestapelt sind und das erste und zweite magnetoresistive Sensorelement 130-1 und 130-2 benachbart zu dem Schirmelement 140 in x-Richtung (Breite) sind. Somit sind die Kontaktanschlussflächen 173 und 174 positioniert zum Erlauben eines Strom-in-Ebene (CIP) entlang der Schichten des Schirmelements 140. Bei der Anordnung von 4 können Risse, die sich in dem Halbleitermaterial oder dem magnetoresistiven Stapelabschnitt 110-3 des Schirmelements 140 erstrecken, detektiert werden. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine Spannung oder ein Strom an die Kontaktanschlussfläche 174 angelegt werden, während die Kontaktanschlussfläche 173 mit Masse gekoppelt sein kann. In diesem Fall und unter Normalbedingungen würde ein bestimmter Strom durch das Schirmelement 140 längsgerichtet in y-Richtung im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Schichten des Stapelabschnitts 110-3 fließen. Bei Vorhandensein eines Risses wäre der Strom zwischen den Anschlussflächen 173 und 174 allerdings kleiner als erwartet, möglicherweise sogar Null. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann somit das Schirmelement 140 zwischen einen ersten elektrischen Kontakt 173 und einen zweiten elektrischen Kontakt 174 gekoppelt sein und kann ausgebildet sein zum Detektieren von Rissen in dem magnetoresistiven Stapel 110 basierend auf einem Bewerten eines elektrischen Stroms durch das Schirmelement 140 ansprechend auf eine Rissdetektionsspannung oder -strom, die/der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt während eines Testmodus angelegt wird.
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Optional kann das Schirmelement 140 auch mit einem Massepotential für Fertigungszwecke gekoppelt oder auf dasselbe gezogen sein, z. B. um den Antenneneffekt während des Plasmaätzens zu verhindern. Während der Fertigung der integrierten Sensorschaltung 100 kann somit die Test-/Schirmleitung, die dem Schirmelement 140 zugeordnet ist, mit einer Masseanschlussfläche 175 außerhalb einer Sägelinie 180 verbunden sein, um einen oder mehrere elektrische Kontakte des Schirmelements 140 mit einem Massepotential während des Plasmaätzens zu verbinden. Nach der Fertigung kann die integrierte Sensorschaltung 100 durch ein Sägen der IC entlang der Sägelinie 180 singularisiert werden. Der Antenneneffekt oder plasmainduzierte Gateoxidschaden ist ein Effekt, der möglicherweise Probleme hinsichtlich Ausbeute und Zuverlässigkeit während der Herstellung von integrierten Schaltungen verursachen kann. Gegenwärtig verwenden lithographische Prozesse zur IC-Fertigung Plasmaätzen-Trockenätzen. Plasma ist ein ionisiertes/reaktives Gas, das zum Ätzen verwendet wird. Dies erlaubt eine gute Strukturierungssteuerung (schärfere Ränder/weniger Unterschnitt) und erlaubt auch mehrere chemische Reaktionen, die beim traditionellen (Nass-)Ätzen nicht möglich sind. Allerdings akkumulieren sich mehrere ungewollte Effekte. Einer von diesen sind Ladeschäden. Ein Plasmaladeschaden bezieht sich auf eine ungewollte Hochfeldbelastung während des Plasmabearbeitens. Während des Plasmaätzens kann sich eine große Ladungsmenge auf Polysilizium- und Metalloberflächen ansammeln. Durch kapazitives Koppeln können sich große elektrische Felder entwickeln, die zu Belastungen führen, die einen Oxidzusammenbruch und Verschiebungen der Schwellenspannung des Bauelements verursachen. Die angesammelten Ladungen können durch Strom, der zu der Masseanschlussfläche 175 getunnelt wird, neutralisiert werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der integrierten Sensorschaltung 100 ist in 5 gezeigt. Hier ist ein Abschnitt der dritten Sektion 110-3 des magnetoresistiven Stapels, und somit ein Abschnitt des Schirmelements 140 als ein integrierter Parallelwiderstand 145 ausgebildet, um einen Spannungsabfall zusätzlich zu einer ESD-Durchbruchspannung einer ESD-Schaltungsanordnung hinzuzufügen, um elektrische Belastungstests zu beschleunigen. Diese Möglichkeit wurde bereits vorher erwähnt. Der Parallelwiderstand 145 kann anstelle eines externen Widerstands als Detektionselement verwendet werden, um einen Spannungsabfall im Fall von eines Stromlecks zwischen einem von dem ersten oder dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement 130-1 und dem Schirmelement 140 zu erzeugen. Eine Größe des integrierten Parallelwiderstands 145 kann durch ein entsprechendes Auswählen von Vias 160 (z. B. ihre Distanz) für ein elektrisches Kontaktieren des relevanten Parallelwiderstandsabschnitts der dritten Sektion 110-3 angepasst werden. Bei dem Beispiel von 5 kann die Anschlussfläche 174 für eine Leckdetektion während eines normalen Fertigungstests auf Waferebene und/oder während des Normalbetriebs (Erfassungsmodus) verwendet werden, während die Anschlussfläche 173 für einen Belastungstest während des Screening-Modus der integrierten Schaltung 100 verwendet werden kann.
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Zusammenfassend zeigt 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines integrierten Sensorbauelements 100. Während eines normalen Fertigungstests auf Waferebene und/oder während des Normalbetriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 (Erfassungsmodus) verbindet (Schritt 610) das Verfahren 600 das Schirmelement 140 mit einem Referenzpotential (z. B. Masse) und/oder mit einer Leckdetektionsschaltungsanordnung, um Leckstrom zwischen dem Schirmelement 140 und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten magnetoresistiven Sensorelement zu detektieren. Das Verfahren 600 verbindet (Schritt 620) ferner das zumindest eine erste magnetoresistive Sensorelement 130-1 und das zumindest eine zweite magnetoresistive Sensorelement 130-2 mit einem Versorgungspotential und optional mit einer jeweiligen Ableseschaltungsanordnung während des Betriebs des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2.
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Während eines optionalen Belastungs- oder Screening-Modus des integrierten Sensorbauelements kann das Verfahren 600 alle elektrischen Kontakte des zumindest einen ersten magnetoresistiven Sensorelements 130-1 und des zumindest einen zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-2 mit einem gemeinsamen Referenzpotential (z. B. Masse) verbinden (Schritt 630). Das Verfahren 600 kann ferner das Schirmelement 140 mit einer Screening-Spannung verbinden (Schritt 640), die höher sein kann als eine Betriebsversorgungsspannung, die zum Betreiben des ersten und/oder des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 130-1, 130-2 verwendet wird.
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Zusammenfassend stellen Ausführungsbeispiele XMR-Strukturen bereit, die es erlauben, eine erhöhte Spannungsbelastung anzulegen, um eine beschleunigte Aktivierung von extrinsischen Defekten in einem Oxid zu erlauben und es danach neu zu konfigurieren, um als ein Schirm zwischen redundanten XMR-Elementen zu dienen.
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Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
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Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Offenbarung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Flussdiagramme, Ablaufdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
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Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht.
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Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
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Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
