DE102016111995B4

DE102016111995B4 - Magnetsensorbauelement

Info

Publication number: DE102016111995B4
Application number: DE102016111995.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: DE102016111995A1

Abstract

Ein Magnetsensorbauelement (100), umfassendeine spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110); undeinen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt (120, 130), die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110), wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt (120, 130) an einer gleichen Kontaktschicht der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) angebracht sind,wobei die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) eine erste leitfähige Struktur (101) umfasst, die von einer zweiten leitfähigen Struktur (102) der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) durch eine elektrisch isolierende Schicht (103) getrennt ist,wobei ein elektrischer Flächenwiderstand der ersten leitfähigen Struktur (101) in dem Bereich von 1 Ω/sq bis 100 Ω/sq ist, wobei ein elektrischer Flächenwiderstand der zweiten leitfähigen Struktur (102) in dem Bereich von 0,1 Ω/sq bis 50 Ω/sq ist, wobei ein Widerstand der elektrisch isolierenden Schicht (103) in dem Bereich von 100 Ω · µm2bis 100 MΩ · µm2ist,wobei die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) zumindest eine erste Windung aufweist, wobei die erste Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) vier gerade Abschnitte aufweist, die perpendikulär zueinander sind, und wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt an gegenüberliegenden Eckabschnitten der ersten Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) angeordnet sind.

Description

Gebiet
Beispiele beziehen sich auf eine Rotationsdetektion. Insbesondere beziehen sich einige Beispiele auf ein Magnetsensorbauelement.
Hintergrund
Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, dass mehrere Drehungen (turns) (Rotationen) eines externen rotierenden Magnetfeldes detektiert werden. Zum Beispiel kann der Lenkwinkel oder die Position eines Aktors in einem Kupplungssystem eines Kraftfahrzeugs durch Detektieren einer Anzahl von Drehungen eines Magnetfeldes gemessen werden. Ein entsprechendes Erfassungssystem erfordert ferner eine True-Power-On- (TPO; TPO = Wahre-Leistung-An-) Fähigkeit, d. h. es ist erforderlich, dass der korrekte Ausgangszustand augenblicklich beim Einschalten der Versorgungsspannung gegeben wird.
Eine Klasse von Magnetsensorbauelementen mit TPO-Fähigkeit sind auf Domänenwand-basierende Multiturn-Zähler (Mehrfachdrehungszähler), die eine leistungsfreie Erzeugung, Transport und Speicherung von magnetischen Domänenwänden basierend auf einem rotierenden externen Magnetfeld ermöglichen. Nur für das Ablesen des Multiturn-Zählers ist es erforderlich, dass eine Versorgungsspannung geliefert wird.
Ein herkömmlicher Multiturn-Zähler umfasst eine spiralförmige Riesenmagnetowiderstands-Struktur (GMR-Struktur; GMR = Giant MagnetoResistive, Giant MagnetoResistance). Eine Sensorschicht der GMR-Struktur richtet ihre Magnetisierung gemäß dem externen Magnetfeld in der Ebene aus, während eine Referenzschicht der GMR-Struktur eine feste Magnetisierung in einer vordefinierten Richtung aufweist. Der Widerstand der GMR-Struktur hängt von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der Sensorschicht und der Referenzschicht zueinander ab.
Es ist erforderlich, dass die Sensorschicht eine große Formanisotropie aufweist, um keine Remagnetisierung durch das externe Magnetfeld selbst zu ermöglichen. Die Remagnetisierung darf lediglich durch die Bewegung der Domänenwände initiiert werden. Die Formanisotropie wird gemeinhin durch eine Kombination aus einer dicken Sensorschicht (z. B. 20 Nanometer, nm, Dicke) und einer Schmalstreifenbreite der GMR-Struktur (z. B. weniger als 200 nm) realisiert.
Zum Verwenden eines Multiturn-Zählers bei einer automotiven Anwendung ist zum Beispiel ein ausreichend großer magnetischer Arbeitsbereich erforderlich. Das minimale Magnetfeld wird durch das Magnetfeld bestimmt, das erforderlich ist, um die 180°-Domänenwände durch die Spirale zu bewegen, d. h. das minimale Magnetfeld wird durch Pinning-Prozesse (Festhalteprozesse) bei Imperfektionen / Inhomogenitäten der GMR-Struktur bestimmt. Das maximale Magnetfeld ist etwas unter dem Feld, an dem die 180°-Domänenwände spontan im Inneren der Spirale erzeugt werden, oder an dem die Remagnetisierung der Sensorschicht durch das externe Magnetfeld selbst anstelle der Bewegung der Domänenwände verursacht wird. Somit wird das maximale Magnetfeld durch die Formanisotropie bestimmt, die invers proportional zu der Breite der GMR-Struktur und proportional zu der Dicke der Sensorschicht ist. Das heißt, ein herkömmlicher Multiturn-Zähler erfordert eine schmale Breite der GMR-Struktur mit einer eher dicken Sensorschicht.
Für Strukturbreiten unter 200 nm ist die Reproduzierbarkeit der Breite jedoch von Struktur zu Struktur, aber auch innerhalb einer einzelnen Struktur, schlechter. Dies führt zu einer Variation / Einengung des magnetischen Arbeitsbereichs. Gemeinhin erfordert die Realisierung der Schmalstreifenbreite eine Tief-Ultraviolett-Lithographie (Tief-UV-Lithographie), während das Strukturieren z. B. durch einen Ionenstrahlätzen-Prozess (IBE-Prozess; IBE = Ion Beam Etch) durchgeführt werden kann. Dies verursacht eine bestimmte Seitenwandrauigkeit der GMR-magnetoresistiven Struktur. Je schmaler die GMR-Struktur ist, desto mehr beeinflusst die Seitenwandrauigkeit die magnetischen Eigenschaften (z. B. Vergrößern des minimalen Magnetfeldes). Ferner nehmen Variationen der magnetischen Eigenschaften mit variierender Strukturbreite und variierenden Seitenwandbedingungen zu. Dementsprechend nimmt eine Produktionsausbeute ab und führt zu höheren Produktionskosten.
Aufgrund eines Shunt-Effekt (Nebenschluss-Effekt) führt eine dicke Sensorschicht zu einer Reduzierung des GMR-Effekt-Verhältnisses $\frac{d R}{R},$
wobei R der minimale Widerstand der GMR-Struktur ist und dR die Änderung des Widerstands ist, die durch Ändern des magnetischen Zustands der Sensorschicht beobachtet wird. Gleichzeitig verschlechtert der unerwünschte parasitäre anisotrope Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt; AMR = Anisotropic MagnetoResistive, Anisotropic MagnetoResistance) das messbare Signal des Multiturn-Sensors (Mehrfachdrehung-Sensor), wobei das Ausmaß des AMR-Effekts von der Materialzusammensetzung der Sensorschicht abhängt. Die vorgenannten Probleme bezogen auf die Schmalstreifenbreite der GMR-Struktur können verringert werden durch ein Erhöhen der Dicke der Sensorschicht in Kombination mit einer Erhöhung der Breite der GMR-Struktur. Allerdings führt dies zu einer Abnahme des GMR-Effekt-Verhältnisses $\frac{d R}{R}$
und gleichzeitig zu einem Anstieg des unerwünschten AMR-Effekt-Verhältnisses $\frac{d R}{R} .$
Das heißt, das messbare Signal des Multiturn-Sensors kann möglicherweise nicht länger für eine eindeutige Drehungszählung verwendet werden.
Ein derartiges Sensorelement wird beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2011 075 306 A1 vorgeschlagen. Weiterhin betrifft die Druckschrift US 2008/0100289 A1 ein magnetoresistives Sensorelement zum Sensieren eines Magnetfelds. Auch die Druckschrift DE 10 2006 050 833 B4 befasst sich mit einem magnetoresistiven Sensorelement. Die Druckschrift DE 10 2010 010 893 B4 betrifft eine elektrische Schaltung, insbesondere für einen Umdrehungszähler. In den Druckschriften DE 10 2012 022 611 B4 und DE 10 2008 063 226 A1 werden magnetische Umdrehungszähler vorgeschlagen. Die Druckschrift DE 198 61 304 B4 betrifft ein Magnetfeld-Erfassungselement. Druckschrift DE 10 2012 210 378 A1 schlägt einen XMR-Winkelsensor vor. In Druckschrift US 9 231 026 B2 wird ein magnetoresistives Sensormodul vorgeschlagen. Druckschrift Diegel et al.: „A New Four Bit Magnetic Domain Wall Based Multiturn Counter“ in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, No. 10, Oktober 2009, Seiten 3792 bis 3795, ISSN 0018-9464 schlägt einen weiteren Umdrehungszähler vor. Die vorgenannten Dokumente können jedoch die oben angesprochenen Problemstellungen nicht lösen. Ferner sind aus den Dokumenten DE 10 2010 010 893 A1 , DE 10 2015 210 586 A1 und WO 2017/097284 A1 weitere Umdrehungszähler bekannt.
Es kann ein Bedarf bestehen für ein Erfassungsbauelement, das eine Multiturn-Zählung mit gelockerten Strukturanforderungen und einem hohen $\frac{d R}{R} - Verh \ddot{a} ltnis$
-Verhältnis ermöglicht, um den parasitären AMR-Effekt zu dominieren. Ferner soll das Erfassungsbauelement mit einer hohen Ausbeute produziert werden können.
Zusammenfassung
Der Bedarf kann durch die vorgeschlagenen Beispiele erfüllt werden.
Ein Beispiel bezieht sich auf ein Magnetsensorbauelement. Das Magnetsensorbauelement umfasst eine spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur. Ferner umfasst das Magnetsensorbauelement einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt, die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur. Der erste und der zweite elektrische Kontakt sind an einer gleichen Kontaktschicht der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur angebracht. Die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur umfasst eine erste leitfähige Struktur, die von einer zweiten leitfähigen Struktur der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Ein elektrischer Flächenwiderstand der ersten leitfähigen Struktur ist in dem Bereich von 1 Ω/sq bis 100 Ω/sq. Ein elektrischer Flächenwiderstand der zweiten leitfähigen Struktur ist in dem Bereich von 0,1 Ω/sq bis 50 Ω/sq. Ein Widerstand der elektrisch isolierenden Schicht ist in dem Bereich von 100 Ω · µm² to 100 MΩ · µm². Die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur weist zumindest eine erste Windung auf. Die erste Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur weist vier gerade Abschnitte auf, die perpendikulär zueinander sind. Der erste und der zweite elektrische Kontakt sind an gegenüberliegenden Eckabschnitten der ersten Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur angeordnet.
Bei den vorgeschlagenen Beispielen legen der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt einen Strom parallel an die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur an, was als eine Strom-in-Ebene-Konfiguration (CIP-Konfiguration; CIP = Current-in-Plane = Strom-in-Ebene) bezeichnet wird. Das heißt, die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur wird in einer CIP-Konfiguration betrieben. Das Tunnelmagnetowiderstands- (TMR-) Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
\ nimmt mit zunehmender Dicke der Sensorschicht der TMR-Struktur beim Betrieb in der CIP-Konfiguration und wenn die Sensorschicht nicht Teil der Kontaktschicht ist zu. Dies ist gegenläufig zu dem Effekt für eine GMR-Struktur. Dementsprechend kann eine geforderte Formanisotropie der TMR-Struktur durch Erhöhen der Dicke der Sensorschicht erreicht werden, während gleichzeitig die Breite der TMR-Struktur erhöht werden kann. Somit kann eine reduzierte Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegenüber Variationen der Strukturbreite von niedrigen bis hohe räumliche Frequenzen, die sich aus dem Herstellungsprozess (z. B. Lithographie- oder Ätzprozess) ergeben, erhalten werden. Dementsprechend kann eine Produktionsausbeute erhöht werden. Ferner kann auch eine Performance (Leistungsfähigkeit) des Magnetsensorbauelements verbessert werden, da ein Erhöhen der Dicke der Sensorschicht der TMR-Struktur zu einem höheren TMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
führt, das den parasitären AMR-Effekt dominiert, sodass die Qualität des messbaren Signals des Magnetsensorbauelements zunimmt.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen

1 ein Beispiel eines Magnetsensorbauelements darstellt;
2 ein Beispiel einer TMR-Struktur darstellt;
3 ein Beispiel einer gleichwertigen Schaltung der in 2 dargestellten TMR-Struktur darstellt;
4 ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt darstellt;
5 ein anderes Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt darstellt;
6 ein noch anderes Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt darstellt;
7 ein weiteres Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt darstellt;
8 ein anderes Beispiel einer TMR-Struktur darstellt;
9 ein Beispiel eines integrierten Magnetsensorbauelements darstellt;
10 ein anderes Beispiel eines integrierten Magnetsensorbauelements darstellt; und
11 ein Beispiel eines Umdrehungszählers darstellt;

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während sich dementsprechend weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden einige Beispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Beispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen. Weitere Beispiele können alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente, die identisch oder in modifizierter Form im Vergleich zueinander implementiert sein können, während sie dieselbe oder eine ähnliche Funktionalität bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. 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 Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ um nur einige Beispiele zu nennen).
Die hierin verwendete Terminologie bezweckt das Beschreiben bestimmter Beispiele und soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Immer, wenn eine Singularforme wie „ein, eine“ und „das, der, die“ verwendet wird, und die Verwendung von nur einem Element weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralformen umfassen, um dieselbe Funktionalität zu implementieren. Auf ähnliche Weise, wenn eine Funktionalität nachfolgend derart beschreiben wird, dass sie unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert wird, können weitere Beispiele dieselbe Funktionalität unter Verwendung eines einzelnen Elements oder Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert werden alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) in ihrer üblichen Bedeutung des technischen Gebietes verwendet, zu dem die Beispiele gehören, außer es ist hierin eindeutig anderes angegeben.
1 stellt ein Beispiel eines Magnetsensorbauelements 100 dar. Das Magnetsensorbauelement 100 umfasst eine spiralförmige TMR-Struktur 110. Die TMR-Struktur 110 ist eine Schichtstruktur, die den TMR-Effekt aufweist.
Die in 1 dargestellte, spiralförmige TMR-Struktur 110 weist eine quadratische Spiralform auf. Das heißt, eine Windung (turn) der quadratischen spiralförmigen TMR-Struktur weist vier gerade Abschnitte auf, wobei die vier geraden Abschnitte perpendikulär zueinander sind. Benachbarte der vier geraden Abschnitte sind via einen jeweiligen gebogenen Eckabschnitt verbunden. Zum Beispiel weist die äußerste Windung 110-1 der spiralförmigen TMR-Struktur 110 die vier geraden Abschnitte 111-1, 111-2, 111-3 und 111-4 auf, die perpendikulär zueinander sind. Die benachbarten geraden Abschnitte 111-1 and 111-2 sind via einen gebogenen Eckabschnitt 112-1 verbunden, die benachbarten geraden Abschnitte 111-2 und 111-3 sind via einen gebogenen Eckabschnitt 112-2 verbunden, und die benachbarten geraden Abschnitte 111-3 und 111-4 sind via einen gebogenen Eckabschnitt 112-3 verbunden. Wie in 1 angezeigt, kann die spiralförmige TMR-Struktur 110 eine Mehrzahl von Windungen umfassen. Das in 1 dargestellte Beispiel weist, abgesehen von der äußersten ersten Windung 110-1, eine zweite Windung 110-2 und einen Teil einer dritten Windung 110-3 auf. Die spiralförmige TMR-Struktur 110 ist jedoch nicht auf die dargestellte Anzahl von Windungen begrenzt. Im Allgemeinen kann die spiralförmige TMR-Struktur 110 jegliche Anzahl von Windungen aufweisen, d. h. die spiralförmige TMR-Struktur 110 weist zumindest eine erste Windung auf. Zum Beispiel kann die Anzahl von Windungen der spiralförmigen TMR-Struktur 110 basierend auf der erwünschten Anwendung (d. h. der Anzahl von Windungen, die gezählt werden sollen) ausgewählt sein.
Bei dem Beispiel von 1 ist eine quadratische spiralförmige TMR-Struktur 110 dargestellt. Das Magnetsensorbauelement 100 ist jedoch nicht auf diesen Entwurf begrenzt. Im Allgemeinen kann die spiralförmige TMR-Struktur 110 jegliche Art von Spirale sein. Das heißt, die spiralförmige TMR-Struktur kann eine oder mehrere durchgehende Windungen von jeglicher polygonaler, kreisförmiger oder elliptischer Form aufweisen, die in einer räumlichen Ebene umeinander herum laufen. Zum Beispiel kann die spiralförmige TMR-Struktur 110 eine Mehrzahl von geraden Abschnitten aufweisen, wobei Aufeinanderfolgende der Mehrzahl von geraden Abschnitten via einen jeweiligen gebogenen Eckabschnitt verbunden sind.
Das Magnetsensorbauelement 100 umfasst ferner einen ersten elektrischen Kontakt 120 und einen zweiten elektrischen Kontakt 130, die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die spiralförmige TMR-Struktur 110. Der erste elektrische Kontakt 120 und der zweite elektrische Kontakt 130 sind an einer gleichen Kontaktschicht der spiralförmigen TMR-Struktur angebracht. Der erste elektrische Kontakt 120 und der zweite elektrische Kontakt 130 legen somit einen Strom parallel an die Schichtstruktur der TMR-Struktur 110 an. Somit wird die TMR-Struktur 110 in einer CIP-Konfiguration betrieben. Zum Beispiel kann der zweite elektrische Kontakt 130 mit Masse (GND) verbunden sein, und eine Versorgungsspannung (VDD) kann an den ersten elektrischen Kontakt 120 bereitgestellt werden, um einen elektrischen Strom an die spiralförmige TMR-Struktur 110 anzulegen.
Die TMR-Struktur 110 umfasst eine erste leitfähige Struktur, die von einer zweiten leitfähigen Struktur der TMR-Struktur 110 durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Somit ist die Kontaktschicht entweder eine Schicht der ersten leitfähigen Struktur oder eine Schicht der zweiten leitfähigen Struktur. Der elektrische Widerstand der TMR-Struktur 110 kann abgeändert werden durch Ändern des Winkels zwischen den Magnetisierungsrichtungen von ferromagnetischen Schichten der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur der TMR-Struktur 110. Die ferromagnetische Schicht von einer von der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur ist magnetisch weich verglichen zu der/den ferromagnetischen Schicht(en) der anderen von der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur. Die magnetisch weiche, ferromagnetische Schicht ist die Sensorschicht, da die Richtung ihrer Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld geändert werden kann, während gleichzeitig die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht(en) der anderen von der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur unverändert bleibt. Dementsprechend ist (sind) die magnetisch harte(n), ferromagnetische(n) Schicht(en) der anderen von der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur die Referenzschicht.
Das TMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
nimmt mit zunehmender Dicke der Sensorschicht der TMR-Struktur 110 beim Betrieb in der CIP-Konfiguration und wenn die Sensorschicht nicht Teil der Kontaktschicht ist zu. Dies ist gegenläufig zu dem Effekt für eine herkömmliche GMR-Struktur. Dementsprechend kann eine geforderte Formanisotropie der TMR-Struktur 110 durch Erhöhen der Dicke der Sensorschicht erreicht werden, während gleichzeitig die (Streifen-)Breite der TMR-Struktur 110 erhöht werden kann. Somit kann eine Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegenüber Variationen der TMR-Strukturbreite, die auf die Herstellungsprozesse zurückgehen, reduziert werden. Dementsprechend kann eine Produktionsausbeute erhöht werden. Ferner kann auch eine Performance (Leistungsfähigkeit) des Magnetsensorbauelements 100 erhöht werden, da eine Erhöhung der Dicke der Sensorschicht der TMR-Struktur 110 zu einem höheren TMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
führt, das den parasitären AMR-Effekt dominiert, sodass die Qualität des messbaren Signals des Magnetsensorbauelements 100 zunimmt.
Bei einigen Beispielen kann die Breite der TMR-Struktur 110 in dem Bereich von 200 nm bis 2000 nm sein. Zum Beispiel kann die Breite des individuellen geraden Abschnitts der TMR-Struktur 110 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 400 nm, 450 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 1000 nm, 1200 nm, 1400 nm, 1600 nm, 1800 nm oder 2000 nm sein.
Die Dicke der ferromagnetischen Sensorschicht der TMR-Struktur 110 bei einigen Beispielen in dem Bereich von 5 nm bis 200 nm sein. Zum Beispiel kann die Dicke der ferromagnetischen Sensorschicht der TMR-Struktur 110 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 70 nm, 100 nm, 150 nm oder 200 nm sein. Verglichen mit einem herkömmlichen Zähler, der eine GMR-Struktur verwendet, kann die Dicke der Sensorschicht in einem viel breiteren Bereich variieren. Ferner kann die absolute Dicke der Sensorschicht viel höher sein. Dementsprechend kann die Breite der TMR-Struktur 110 breiter gewählt werden, während die Formanisotropie aufgrund der dicken Sensorschicht beibehalten wird. Das Verhältnis der Dicke der Sensorschicht der TMR-Struktur 110 zu der Breite der Sensorschicht der TMR-Struktur 110 kann z. B. in dem Bereich von 0,05 bis 0,5 sein.
Bei einigen Beispielen kann das Magnetsensorbauelement 100 ferner einen dritten elektrischen Kontakt 121 und einen vierten elektrischen Kontakt 131 aufweisen, die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die TMR-Struktur 110. Ferner sind der dritte elektrische Kontakt 121 und der vierte elektrische Kontakt 131 beide an der Kontaktschicht angebracht. Der dritte elektrische Kontakt 121 und der vierte elektrische Kontakt 131 sind an gegenüberliegenden Eckabschnitten 112-5 und 112-7 der zweiten Windung 110-2 der quadratischen spiralförmigen TMR-Struktur 110 angeordnet. Wie in 1 angezeigt, kann j egliche Windung der spiralförmigen TMR-Struktur 110 ein Paar von elektrischen Kontakten aufweisen, die an gegenüberliegenden Eckabschnitten der jeweiligen Windung angeordnet sein, die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die TMR-Struktur 110.
Ferner können Erfassungskontakte auf der TMR-Struktur 110 angeordnet sein. Wie in 1 dargestellt, kann ein erster Erfassungskontakt 140-1, der an der Kontaktschicht angebracht ist, an einem Eckabschnitt 112-2 der ersten Windung 110-1 zwischen dem Eckabschnitt 112-1, an dem der erste elektrische Kontakt 120 angebracht ist, und dem Eckabschnitt 112-3, an dem der zweite elektrische Kontakt 130 angebracht ist, angeordnet sein. Ferner kann ein zweiter Erfassungskontakt 140-2, der an der Kontaktschicht angebracht ist, an einem Eckabschnitt 112-4 der ersten Windung 110-1 zwischen dem Eckabschnitt 112-3, an dem der zweite elektrische Kontakt 130 angebracht ist, und dem Eckabschnitt 112-5, an dem der dritte elektrische Kontakt 121 angebracht ist, angeordnet sein. Das heißt, eine Windung der TMR-Struktur 110 kann ein Paar von Erfassungskontakten aufweisen, die an gegenüberliegenden Eckabschnitten der jeweiligen Windung angeordnet sind. Dementsprechend können zwei Halbbrücken pro Windung durch die elektrischen Kontakte und die auf der TMR-Struktur 110 angeordneten Erfassungskontakte gebildet werden. Die Sensorsignale der Halbbrücken können verwendet werden, um die Rotation eines externen Magnetfeldes relativ zu der TMR-Struktur 110 zu detektieren.
Da die TMR-Struktur 110 eine Formanisotropie aufweist, kann die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht lediglich parallel oder antiparallel zu dem Verlauf der spiralförmigen TMR-Struktur 110 sein, wohingegen die Richtung der Referenzschicht in die gleiche Richtung über die gesamte Spirale ausgerichtet sein soll.
Das Magnetsensorbauelement kann ferner ein Domänenwandgenerator 150 mit einer geometrischen Erstreckung sein, derart, dass der Domänenwandgenerator 150 eine reduzierte oder vernachlässigbare Formanisotropie aufweist verglichen mit der spiralförmigen TMR-Struktur 110. Der Domänenwandgenerator 150 kann z. B. durch Bilden eines Teils der TMR-Struktur 110 in einer Kreisform gebildet werden, wie in 1 dargestellt. Da der Domänenwandgenerator 150 nur eine kleine oder vernachlässigbare Formanisotropie aufweist, kann seine Magnetisierungsrichtung dem externen Magnetfeld problemlos folgen. Zum Bereitstellen des externen Magnetfeldes kann das Magnetsensorbauelement 100 z. B. ferner einen Permanentmagneten aufweisen, wobei der Permanentmagnet drehbar relativ zu der TMR-Struktur 110 ist. Zum Beispiel kann der Permanentmagnet an einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs fixiert sein, um eine Anzahl von Rotationen des Lenkrads unter Verwendung des Magnetsensorbauelements 100 zu detektieren.
Die Magnetisierungsrichtung des Domänenwandgenerators 150 rotiert, wenn das externe Magnetfeld rotiert. Zum Beispiel wird das externe Magnetfeld im Uhrzeigersinn in Bezug auf die TMR-Struktur 110 rotiert, bis die Magnetisierungsrichtung des Domänenwandgenerators 150 antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des ersten geraden Abschnitts 111-1 ist. Dann wird eine 180°-Domänenwand an dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Domänenwandgenerator 150 und dem ersten geraden Abschnitt 111-1 erzeugt. Die 180°-Domänenwand bewegt sich von dem Verbindungsabschnitt zu dem ersten Eckabschnitt 112-1, da diese Position einem günstigen energetischen Zustand entspricht. Gleichzeitig ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des ersten geraden Abschnitts 111-1 um 180°. Dementsprechend ändert sich der Widerstand des ersten geraden Abschnitts 111-1 der TMR-Struktur 110.
Wenn das externe Magnetfeld ferner im Uhrzeigersinn um 90° weiter rotiert wird, bewegt sich die 180°-Domänenwand von dem ersten Eckabschnitt 112-1 zu dem zweiten Eckabschnitt 112-2, da diese Position nun einem günstigen energetischen Zustand entspricht.
Gleichzeitig ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des zweiten geraden Abschnitts 111-2 um 180°. Dementsprechend ändert sich der Widerstand des zweiten geraden Abschnitts 111-2 der TMR-Struktur 110.
Eine weitere Rotation des externen Magnetfeldes im Uhrzeigersinn um 90° verursacht, dass sich die 180°-Domänenwand von dem zweiten Eckabschnitt 112-2 zu dem dritten Eckabschnitt 112-3 bewegt, da diese Position nun einem günstigen energetischen Zustand entspricht. Gleichzeitig ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des dritten geraden Abschnitts 111-3 um 180°. Dementsprechend ändert sich der Widerstand des dritten geraden Abschnitts 111-3 der TMR-Struktur 110.
Ferner ist die Magnetisierungsrichtung des Domänenwandgenerators 150 nun antiparallel zu der abgeänderten Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des ersten geraden Abschnitts 111-1. Somit wird eine zweite 180°-Domänenwand an dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Domänenwandgenerator 150 und dem ersten geraden Abschnitt 111-1 erzeugt. Die zweite 180°-Domänenwand bewegt sich von dem Verbindungsabschnitt zu dem ersten Eckabschnitt 112-1, da diese Position einem günstigen energetischen Zustand entspricht. Gleichzeitig ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des ersten geraden Abschnitts 111-1 wiederum um 180°. Dementsprechend ändert sich der Widerstand des ersten geraden Abschnitts 111-1 der TMR-Struktur 110 wieder (d. h. zurück zu seinem Ausgangswert).
Wie aus der obigen Beschreibung zu sehen ist, schreitet für jede 90°-Bewegung des externen Magnetfeldes eine erzeugte Domänenwand zu einem nächsten Eckabschnitt der Spiralstruktur fort. Ferner wird für jede 180°-Bewegung des externen Magnetfeldes eine neue Domänenwand erzeugt.
Bei dem obigen Beispiel wurde das externe Magnetfeld im Uhrzeigersinn rotiert, um die 180°-Domänenwand entlang der spiralförmigen TMR-Struktur 110 zu bewegen. Wenn das externe Magnetfeld gegen den Uhrzeigersinn rotiert wird, werden die oben erörterten Prozesse umgekehrt. Das heißt, jede 90°-Rotation des externen Magnetfeldes relativ zu der TMR-Struktur 110 weist eine spezielle Domänenwandcharakteristik auf. Anders ausgedrückt, jede 90°-Rotation des externen Magnetfeldes relativ zu der TMR-Struktur 110 entspricht einem spezifischen Widerstandsmuster der Mehrzahl von geraden Abschnitten der TMR-Struktur 110.
Durch Detektieren der Signale der individuellen Halbbrücken via die Erfassungskontakte kann eine Anzahl von Rotationen oder eine Orientierung des externen Magnetfeldes detektiert werden. Zum Beispiel entspricht eine 360°-Rotation des externen Magnetfeldes einem Bewegen einer Domäne entlang einer vollen Windung der TMR-Struktur 110 (z. B. von dem Eckabschnitt 112-2 zu einem Eckabschnitt 112-6). Dementsprechend kann eine spiralförmige TMR-Struktur 110, die N Windung (wobei N eine Ganzzahl ist) aufweist, ermöglichen, N 360°-Rotationen des externen Magnetfeldes relativ zu der TMR-Struktur 110 zu detektieren.
Das Magnetsensorbauelement 100 kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Beispiele entsprechen.
Zu illustrativen Zwecken stellt 2 wieder die Grundstruktur der TMR-Struktur 100 dar. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist ein Abschnitt der TMR-Struktur 100 als rechteckiger Festkörper (der keine gebogenen Abschnitte aufweist) dargestellt.
Die TMR-Struktur 110 umfasst eine erste leitfähige Struktur 101, die von einer zweiten leitfähigen Struktur 102 der TMR-Struktur 110 durch eine elektrisch isolierende Schicht 103 getrennt ist, die als Tunnelbarriere agiert. Wie zuvor erwähnt, ist die Kontaktschicht entweder eine Schicht der ersten leitfähigen Struktur 101 oder eine Schicht der zweiten leitfähigen Struktur 102. In 2 ist die Kontaktschicht als eine Schicht der zweiten leitfähigen Struktur 102 dargestellt, an der der erste elektrische Kontakt 120 und der zweite elektrische Kontakt 130 angebracht sind. Der erste elektrische Kontakt 120 und der zweite elektrische Kontakt 130 sind durch eine Distanz λ entlang einer Oberfläche der Kontaktschicht getrennt. Zum Beispiel kann die Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 120 und dem zweiten elektrischen Kontakt 130 entlang der Oberfläche der Kontaktschicht in dem Bereich von 5 µm bis 500 µm sein.
Via die zwei elektrischen Kontakte 120, 130 wird ein Strom an die TMR-Struktur 110 angelegt (z. B. durch Verbinden der zwei elektrischen Kontakte 120, 130 jeweils mit GND und VDD). Nur Strom, der von der zweiten leitfähigen Struktur 102 durch die elektrisch isolierende Schicht 103 (die als Tunnelbarriere agiert) zu der ersten leitfähigen Struktur 101 und zurück durch die elektrisch isolierende Schicht 103 zu der zweiten leitfähigen Struktur 102 fließt, trägt zu einem TMR-Magnetowiderstandssignal bei.
Eine gleichwertige Schaltung ist in 3 dargestellt. Es ist offensichtlich aus 3, dass die Menge des zum Signal beitragenden Stroms über die elektrisch isolierende Schicht, d. h. die Tunnelbarriere, von dem Verhältnis $\frac{R_{B}}{R_{T}}$
abhängt, wobei R_B den Widerstand der zweiten leitfähigen Struktur 102 bezeichnet und R_T den Widerstand der ersten leitfähigen Struktur 101 bezeichnet. Da die Menge des zum Signal beitragenden Stroms von dem Verhältnis $\frac{R_{B}}{R_{T}}$
abhängt, wird sie durch die Distanz λ zwischen den zwei elektrischen Kontaktregionen 120, 130 und den spezifischen Widerstand der Tunnelbarriere beeinflusst.
Dies ist aus 4 ersichtlich, die ein Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des Strom-Perpendikulär-zu-Ebene- (CPP-; CPP = current-perpendicular-to-plane) TMR-Effekts $\frac{d R}{R}$
und der Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektri-R schen Kontakt darstellt. Der CPP-TMR-Effekt $\frac{d R}{R}$
zeigt den Magnetowiderstandseffekt einer TMR-Struktur an, die in der gemeinsamen Konfiguration mit einem ersten elektrischen Kontakt, der an der ersten leitfähigen Struktur angebracht ist, und einem zweiten elektrischen Kontakt, der an der zweiten leitfähigen Struktur angebracht ist, kontaktiert wird, um einen Spannungsgradienten und Stromfluss perpendikulär zu der Schichtebene anzulegen. Der CPP-TMR-Effekt $\frac{d R}{R}$
ist das maximal verfügbare Signal einer TMR-Struktur, da der komplette Messstrom zu dem Magnetowiderstandseffekt beiträgt. Wie nachstehend erklärt wird, ist der Magnetowiderstandseffekt einer TMR-Struktur, die in einer CIP-Konfiguration betrieben wird, normalerweise kleiner als der CPP-TMR-Effekt. Wenn der CPP-TMR Effekt $\frac{d R}{R}$
z. B. 100 % ist und das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts 30 % ist, dann weist die CIP-TMR-Struktur einen Magnetowiderstandseffekt $\frac{d R}{R}$
von 30 % auf. Bei 4 ist der Barrierewiderstand der Tunnelbarriere fest, während das Verhältnis des spezifischen Widerstands der ersten leitfähigen Struktur 101 und der zweiten leitfähigen Struktur 102 variiert wird.
Für kleine Kontaktdistanzen λ agiert die zweite leitfähige Struktur 102 als ein Nebenschlusswiderstand (Shunt-Widerstand) und verkürzt die Struktur, was zu einem geringen CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts führt. Für sehr lange Kontaktdistanzen λ wird der Strukturwiderstand durch den Parallelwiderstand der ersten leitfähigen Struktur 101 und der zweiten leitfähigen Struktur 102 bestimmt. Das heißt, es gibt keine signifikante Strommenge, die die Tunnelbarriere passiert. Wiederum ist das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts niedrig. Für mittlere Kontaktdistanzen gibt es ein Maximum des CIP-Verhältnisses des CPP-TMR-Effekts. Wie aus 4 zu sehen ist, je höher das Verhältnis $\frac{R_{B}}{R_{T}},$
desto höher ist das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts, wobei die optimale Kontaktdistanz λ nicht entscheidend geändert wird. Daher ist es offensichtlich, dass, falls die erste leitfähige Struktur die Sensorschicht aufweist, ein Anstieg der Sensorschichtdicke in einem verbesserten CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts resultiert.
Die optimale Kontaktdistanz λ wird jedoch durch den Barrierewiderstand der Tunnelbarriere beeinflusst. Dies ist in 5 dargestellt, die ein anderes Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt darstellt. In 5 sind die spezifischen Widerstände der ersten leitfähigen Struktur 101 und der zweiten leitfähigen Struktur 102 fest, während der Barrierewiderstand der Tunnelbarriere variiert wird. Wie aus 5 zu sehen ist, variiert die optimale Kontaktdistanz λ für unterschiedliche Barrierewiderstände der Tunnelbarriere.
Die Abhängigkeit der optimalen Kontaktdistanz λ von dem Barrierewiderstand der Tunnelbarriere ist ferner in 6 dargestellt. 6 stellt noch ein anderes Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt dar. In 5 sind die spezifischen Widerstände der ersten leitfähigen Struktur 101 und der zweiten leitfähigen Struktur 102 fest, während der Barrierewiderstand der Tunnelbarriere variiert wird. Es wurde eine 30 nm-dicke Schicht aus NiFe als Sensorschicht in der ersten leitfähigen Struktur verwendet. Es ist offensichtlich aus 6, dass die optimale Kontaktdistanz λ für unterschiedliche Barrierewiderstände der Tunnelbarriere variiert.
Es ist ersichtlich aus 2 bis 6, dass die spezifischen Widerstände der ersten leitfähigen Struktur 101 und der zweiten leitfähigen Struktur 102 abgestimmt (angepasst) werden können, um das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts anzupassen. Auf diese Weise kann ein CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts von mehr als 30 % erreicht werden, was etwa fünf Mal höher ist als entsprechende Signalverhältnisse, die für herkömmliche GMR-Strukturen in Multiturn-Zählern zu beobachten sind, falls das CPP-TMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
100 % ist. Die verbesserten Signalcharakteristika für die TMR-Struktur werden ferner erreicht ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Schichten oder erhöhter Integrationskomplexität. Da die Höhe und die Position des Maximums ziemlich unabhängig angepasst werden kann, kann die vorgeschlagene TMR-Struktur (d. h. eine TMR-Struktur, die in einer CIP-Konfiguration kontaktiert wird) sehr flexibel an eine große Breite von Strukturgeometrien adaptiert werden.
Der spezifische Widerstand der ersten leitfähigen Struktur 101, die die Sensorschicht umfasst, kann jedoch nicht nur durch Variieren der Dicke der Sensorschicht sondern auch durch Zufügen einer Schicht aus einem (hoch)leitfähigen nicht-magnetischen Material angepasst werden. Die eine von der ersten leitfähigen Struktur und der zweiten leitfähigen Struktur der TMR-Struktur, die nicht die Kontaktschicht umfasst, kann eine Schicht aus einem leitfähigen nicht-magnetischen Material umfassen. Bezugnehmend auf die obigen Beispiele, kann die erste leitfähige Struktur 101 ferner eine Schicht aus einem (hoch)leitfähigen nicht-magnetischen Material umfassen. Zum Beispiel kann das (hoch)leitfähige nicht-magnetische Material Cu oder Ru sein. Dies kann ermöglichen, das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts ziemlich unabhängig von der Formanisotropie abzustimmen (anzupassen), was durch die Dicke der Sensorschicht beeinflusst wird. Der Einfluss einer zusätzlichen Cu-Schicht in der ersten leitfähigen Struktur 101 ist in 7 dargestellt. 7 stellt noch ein anderes Beispiel einer Relation zwischen dem CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts und der Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt dar. In 7 sind zusätzliche Cu-Schichten von jeweils unterschiedlicher Dicke in der ersten leitfähigen Struktur 101 enthalten. Es ist offensichtlich aus 7, dass zum Erhöhen der Dicke der Cu-Schicht das CIP-Verhältnis des CPP-TMR-Effekts zunimmt, wobei die optimale Kontaktdistanz λ nicht entscheidend geändert wird.
Bei einigen Beispielen kann der elektrische Flächenwiderstand der ersten leitfähigen Struktur in dem Bereich von 1 Ω/sq bis 100 Ω/sq (Ohm pro Quadrat; Ω/sq = Ω/square = Ω/Quadrat) sein. Der elektrische Flächenwiderstand der zweiten leitfähigen Struktur kann bei einigen Beispielen in dem Bereich von 0,1 Ω/ sq bis 50 Ω/ sq sein. Der spezifische Widerstand der elektrisch isolierenden Schicht (d. h. der Tunnelbarriere) kann bei einigen Beispielen in dem Bereich von 100 Ω · µm² bis 100 MΩ · µm² sein. Bei einigen Beispielen kann die Distanz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt entlang einer Oberfläche der Kontaktschicht somit in dem Bereich von 5 µm bis 500 µm sein.
8 stellt ein Beispiel einer TMR-Spin-Ventil-Struktur 800 dar, die als TMR-Struktur in dem Magnetsensorbauelement verwendet werden kann.
Die TMR-Spin-Ventil-Struktur 800 umfasst eine erste leitfähige Struktur 101 und eine zweite leitfähige Struktur 102, die durch eine elektrisch isolierende Schicht 103 getrennt sind, die als eine Tunnelbarriere der TMR-Struktur agiert.
Die erste leitfähige Struktur 101 weist eine erste Schicht aus ferromagnetischem Material 810 auf. Die erste Schicht aus ferromagnetischem Material 810 dient als Sensorschicht und ist auch als sogenannte Freie Schicht (FL; FL = Free Layer) bekannt. Die erste Schicht aus ferromagnetischem Material 810 kann z. B. NiFe, CoFe oder CoFeB enthalten. Eine Dicke der ersten Schicht aus ferromagnetischem Material 810 kann z. B. in dem Bereich von 5 nm bis 200 nm sein.
Die zweite leitfähige Struktur 102 weist eine Schicht aus antiferromagnetischem Material 850 auf. Die Schicht aus antiferromagnetischem Material 850 kann durch eine Schicht aus natürlich antiferromagnetischem Material (z. B. PtMn, NiMn oder IrMn) implementiert sein. Die zweite leitfähige Struktur 102 weist ferner eine zweite Schicht aus ferromagnetischem Material 840 (z. B. NiFe, CoFe oder CoFeB) auf, wobei die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material 840 und die Schicht aus antiferromagnetischem Material 850 miteinander gekoppelt sind. Die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material 840 und die Schicht aus antiferromagnetischem Material 850 sind via den Exchange-Bias-Effekt (Austauschvorspannungseffekt) direkt gekoppelt und stellen eine feste Magnetisierungsrichtung bereit, die in einem separaten Magnetisierungsprozess definiert werden kann. Die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material 840 ist auch als gepinnte Schicht (PL; PL = Pinned Layer) bekannt.
Die zweite leitfähige Struktur 102 umfasst ferner eine Schicht aus nicht-magnetischem Material (z. B. Ru) 830, die mit der zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material 840 gekoppelt ist. Ferner umfasst die zweite leitfähige Struktur 102 eine dritte Schicht aus ferromagnetischem Material 820 (z. B. NiFe, CoFe oder CoFeB). Die dritte Schicht auf ferromagnetischem Material 820 ist auch als Referenzschicht (RL; RL = Reference Layer) bekannt. Die dritte Schicht aus ferromagnetischem Material 820 ist anti-ferromagnetisch mit der zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material 840 via die Schicht aus nicht-magnetischem Material 830 gekoppelt. Die dritte Schicht aus ferromagnetischem Material 820 ist mit der zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material 840 via den RKKY- (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida-) Kopplungsmechanismus anti-ferromagnetisch gekoppelt. Die dritte Schicht aus ferromagnetischem Material 820 und die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material 840 bilden das sogenannte Referenzsystem der TMR-Spin-Ventil-Struktur 800.
Unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes kann die Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht aus ferromagnetischem Material 810 geändert werden, während die Magnetisierungsrichtung des Referenzsystems der TMR-Spin-Ventil-Struktur 800 unverändert bleibt. Dementsprechend kann ein Widerstand der TMR-Spin-Ventil-Struktur 800 abgeändert werden.
Ein an die TMR-Spin-Ventil-Struktur 800 angelegter Strom oder Spannung via den ersten elektrischen Kontakt 120 und den zweiten elektrischen Kontakt 130 an die Schicht aus antiferromagnetischem Material 850 kann somit zu unterschiedlichen gemessenen Spannungspegeln für unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen der ersten Schicht aus ferromagnetischem Material 810 führen.
Da die erste leitfähige Struktur 101 nicht die Kontaktschicht (d. h. die Schicht aus antiferromagnetischem Material 850) aufweist, kann die erste leitfähige Struktur 101 ferner eine Scicht aus einem leitfähigen nicht-magnetischen Material (z. B. Cu oder Ru, nicht dargestellt) aufweisen, um den spezifischen Widerstand der ersten leitfähigen Struktur 101 unabhängig von der Dicke der ersten Schicht aus ferromagnetischem Material 810 abzustimmen.
Bei einigen Beispielen kann die TMR-Struktur 800 invertiert sein, d. h. der erste elektrische Kontakt 120 und der zweite elektrische Kontakt 130 können an der ersten Schicht aus ferromagnetischem Material 810 angebracht sein. Anders ausgedrückt, die TMR-Struktur 800 ist in Bezug auf den ersten elektrischen Kontakt 120 und den zweiten elektrischen Kontakt 120 umgedreht. Dementsprechend kann die zweite leitfähige Struktur 102 ferner eine Schicht aus leitfähigem nicht-magnetischen Material (z. B. Cu oder Ru, nicht dargestellt) aufweisen, um den spezifischen Widerstand der zweiten leitfähigen Struktur 102 abzustimmen.
Ein Beispiel eines integrierten Magnetsensorbauelements 900 ist in 9 dargestellt. Zusätzlich zu der TMR-Struktur 910 umfasst das Magnetsensorbauelement 900 eine integrierte Schaltung (IC; IC = Integrated Circuit) 990, die ausgebildet ist zum Detektieren einer Änderung eines elektrischen Parameters der TMR-Struktur 910 ansprechend auf ein Magnetfeld eines Permanentmagneten (nicht dargestellt), der drehbar relativ zu der TMR-Struktur 910 ist.
Um die TMR-Struktur 910 und die IC 990 zu kontaktieren, wird eine Mehrzahl von Verdrahtungsmetallschichten 981 und 982 zwischen der TMR-Struktur 910 und der IC 990 gebildet. Die Verdrahtungsmetallschichten 981 und 982 sind teilweise durch Isolierschichten 971, 972 und 973 umgeben. Die TMR-Struktur 910 und die IC 990 sind durch Via-Verbindungen zwischen der Verdrahtungsmetallschicht 981 und der TMR-Struktur 910, Via-Verbindungen zwischen der Verdrahtungsmetallschicht 981 und zwischen der Verdrahtungsmetallschicht 982, und Via-Verbindungen zwischen der Verdrahtungsmetallschicht 982 und der IC 990 miteinander gekoppelt. Das heißt, die Via-Verbindungen zwischen der Verdrahtungsmetallschicht 981 und der TMR-Struktur 910 agieren als elektrische Kontakte zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die TMR-Struktur 910 sowie als Erfassungskontakte zum Erfassen des TMR-Signals. Bei dem Beispiel von 9 wird die TMR-Struktur 910 von der Unterseite kontaktiert. Um die TMR-Struktur 910 vor der Umgebung zu schützen, umgibt eine Passivierungsschicht 960 teilweise die TMR-Struktur 910.
Durch Ablesen der Erfassungskontakte kann die IC 990 eine Änderung eines elektrischen Parameters der TMR-Struktur 910 ansprechend auf ein Magnetfeld des Permanentmagneten detektieren. Ferner kann die IC 990 ferner ausgebildet sein zum Bereitstellen, basierend auf der detektierten Änderung des elektrischen Parameters der TMR-Struktur 910, eines Signals, das eine Anzahl von Umdrehungen des Permanentmagneten relativ zu der TMR-Struktur 910 anzeigt. Zum Beispiel kann die IC 990 die Spannungssignale der verschiedenen Halbbrücken interpretieren, die durch die elektrischen Kontakte und die Erfassungskontakte auf der Kontaktschicht der TMR-Struktur 910 gebildet werden. Die IC 990 kann z. B. auch eine Signalkonditionierung auf die Signale der individuellen Halbbrücken durchführen. Bei einigen Beispielen kann die IC 990 zusätzlich Schalter aufweisen, um die individuellen Halbbrücken-Erfassungskontakte mit der IC 990 für eine Signalbewertung und -konditionierung zu verbinden.
Das in 9 dargestellte Beispiel kann ermöglichen, die TMR-Struktur 910 und die IC 990 auf einem gemeinsamen Chip monolithisch zu integrieren.
Bei einigen Beispielen kann die Kontaktschicht der TMR-Struktur eine kürzeste Distanz zu der IC unter allen Schichten der TMR-Struktur, wie in 9 dargestellt, für eine Bodenkontaktierung der TMR-Struktur 910 aufweisen.
Die TMR-Struktur kann jedoch auch von der Oberseite kontaktiert werden, wie in 10 dargestellt. 10 stellt eine andere monolithische Integration einer TMR-Struktur 1010 und einer IC 1090 auf einem gemeinsamen Chip dar. Die TMR-Struktur 1010 ist auf der IC 1090 angeordnet und teilweise durch eine Isolier- und Passivierungsschicht 1070 umgeben. Ein erster elektrischer Kontakt 1010 und ein zweiter elektrischer Kontakt 1020 erstrecken sich durch die Isolier- und Passivierungsschicht 1070, um die TMR-Struktur 1010 auf ihrer Oberseite in einer CIP-Konfiguration zu kontaktieren. Die Kontakte von der Oberseite können mit einer Schaltungsanordnung auf dem gemeinsamen Chip (in 10 nicht gezeigt) verbunden sein.
Ein Beispiel eines Umdrehungszählers 1100 ist in 11 dargestellt. Der Umdrehungszähler 1100 umfasst eine TMR-Struktur 1110 mit zumindest einer durchgehenden Sensorschicht. Das heißt, zumindest die Sensorschicht ist durchgehend entlang des Verlaufs der TMR-Struktur 1110 gebildet. Die Referenzschicht und andere Schichten der TMR-Struktur 1110 können durchgehend oder fragmentiert (d. h. diese Schichten können nur entlang eines Teils oder von Teilen des Verlaufs der TMR-Struktur 1110 gebildet sein) gebildet sein. Die TMR-Struktur 1110 weist mehrere Windungen 1120, 1130 auf, die in einer räumlichen Ebene umeinander herum laufen.
Bei dem Beispiel von 11 ist eine quadratische spiralförmige TMR-Struktur 1110 dargestellt. Der Umdrehungszähler 1100 ist jedoch nicht auf diesen Entwurf begrenzt. Im Allgemeinen kann die TMR-Struktur 1110 mehrere durchgehende Windungen von jeglicher polygonaler, kreisförmiger oder elliptischer Form aufweisen, die in einer räumlichen Ebene umeinander herum laufen.
Die TMR-Struktur 1110 wird in einer CIP-Konfiguration kontaktiert, wie durch die elektrischen Kontakte 1141, 1142, 1143, 1151, 1152 angezeigt, die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die TMR-Struktur 1110. Ferner sind die Erfassungskontakte 1161, 1162, 1171, 1172 auf der gleichen Kontaktebene angeordnet wie die elektrischen Kontakte 1141, 1142, 1143, 1151, 1152.
Die TMR-Struktur des Umdrehungszählers 1100 kann mit reduzierter Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegenüber auf den Herstellungsprozess zurückgehenden Variationen der TMR-Struktur-Breite bereitgestellt sein verglichen mit einem herkömmlichen Zähler, der eine GMR-Struktur verwendet. Ferner kann die Performance des Umdrehungszählers 1100 erhöht werden, da ein TMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
erhöht werden kann verglichen mit einem GMR-Effekt-Verhältnis $\frac{d R}{R}$
eines herkömmlichen Zählers. Somit kann der Umdre-R hungszähler eine eindeutige Drehungszählung sowie eine hohe Produktionsausbeute ermöglichen.
Ein Domänenwandgenerator 1180 mit einer geometrischen Erstreckung, derart, dass der Domänenwandgenerator 1180 eine reduzierte oder vernachlässigbare Formanisotropie aufweist verglichen mit den mehreren Windungen der TMR-Struktur 1110, kann ferner bereitgestellt sein. Der Domänenwandgenerator 1180 kann z. B. durch Bilden eines Teils der TMR-Struktur 1110 in einer Kreisform gebildet sein, wie in 11 dargestellt.
Gemäß der obigen Beschreibung kann der Umdrehungszähler 1100 bei einigen Beispielen ferner einen Permanentmagneten und eine IC umfassen, wobei der Permanentmagnet drehbar relativ zu der TMR-Struktur 1110 ist, und wobei die IC ausgebildet ist zum Detektieren einer Änderung eines elektrischen Parameters der TMR-Struktur 1110 ansprechend auf ein Magnetfeld des Permanentmagneten. Bei einigen Beispielen kann die IC ferner ausgebildet sein zum Bereitstellen, basierend auf der detektierten Änderung des elektrischen Parameters der TMR-Struktur 1110, eines Signals, das eine Anzahl von Umdrehungen des Permanentmagneten relativ zu der TMR-Struktur 1110 anzeigt. Somit kann die IC eine direkte Bewertung der gemessenen Signale erlauben.

Claims

Ein Magnetsensorbauelement (100), umfassend eine spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110); und einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt (120, 130), die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110), wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt (120, 130) an einer gleichen Kontaktschicht der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) angebracht sind, wobei die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) eine erste leitfähige Struktur (101) umfasst, die von einer zweiten leitfähigen Struktur (102) der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) durch eine elektrisch isolierende Schicht (103) getrennt ist, wobei ein elektrischer Flächenwiderstand der ersten leitfähigen Struktur (101) in dem Bereich von 1 Ω/sq bis 100 Ω/sq ist, wobei ein elektrischer Flächenwiderstand der zweiten leitfähigen Struktur (102) in dem Bereich von 0,1 Ω/sq bis 50 Ω/sq ist, wobei ein Widerstand der elektrisch isolierenden Schicht (103) in dem Bereich von 100 Ω · µm² bis 100 MΩ · µm² ist, wobei die spiralförmige Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) zumindest eine erste Windung aufweist, wobei die erste Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) vier gerade Abschnitte aufweist, die perpendikulär zueinander sind, und wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt an gegenüberliegenden Eckabschnitten der ersten Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) angeordnet sind.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die erste leitfähige Struktur (101) eine erste Schicht (810) aus ferromagnetischem Material aufweist, wobei die zweite leitfähige Struktur (102) eine Schicht (850) aus antiferromagnetischem Material und eine zweite Schicht (840) aus ferromagnetischem Material aufweist, wobei die zweite Schicht (840) aus ferromagnetischem Material und die Schicht (850) aus antiferromagnetischem Material miteinander gekoppelt sind, und wobei die zweite leitfähige Struktur (102) ferner eine Schicht (830) aus nicht-magnetischem Material, wobei die Schicht (830) aus nicht-magnetischem Material mit der zweiten Schicht (840) aus ferromagnetischem Material gekoppelt ist, und eine dritte Schicht (820) aus ferromagnetischem Material, wobei die dritte Schicht (820) aus ferromagnetischem Material anti-ferromagnetisch mit der zweiten Schicht (840) aus ferromagnetischem Material via die Schicht (830) aus nicht-magnetischem Material gekoppelt ist, umfasst.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 2, wobei eine Dicke der ersten Schicht (810) aus ferromagnetischem Material in dem Bereich von 5 nm bis 200 nm ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontaktschicht entweder eine Schicht der ersten leitfähigen Struktur (101) oder eine Schicht der zweiten leitfähigen Struktur (102) ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 4, wobei die eine von der ersten leitfähigen Struktur (101) und der zweiten leitfähigen Struktur (102), die nicht die Kontaktschicht umfasst, eine Schicht aus einem leitfähigen nicht-magnetischen Material aufweist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis einer Dicke einer Sensorschicht der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) zu einer Breite der Sensorschicht der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) in dem Bereich von 0,05 bis 0,5 ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt (120, 130) entlang einer Oberfläche der Kontaktschicht in dem Bereich von 5 µm bis 500 µm ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend einen ersten Erfassungskontakt (140-1), der an der Kontaktschicht angebracht ist, wobei der erste Erfassungskontakt (140-1) an einem Eckabschnitt der ersten Windung zwischen dem Eckabschnitt, an dem der erste elektrische Kontakt angebracht ist, und dem Eckabschnitt, an dem der zweite elektrische Kontakt angebracht ist, angeordnet ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend einen dritten und einen vierten elektrischen Kontakt (121, 131), die ausgebildet sind zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110), wobei der dritte und der vierte elektrische Kontakt (121, 131) beide an der Kontaktschicht angebracht sind, und wobei der dritte und der vierte elektrische Kontakt (121, 131) an gegenüberliegenden Eckabschnitten einer zweiten Windung der spiralförmigen Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) angeordnet sind.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 9, ferner umfassend einen zweiten Erfassungskontakt (140-2), der an der Kontaktschicht angebracht ist, wobei der zweite Erfassungskontakt (140-2) an einem Eckabschnitt der ersten Windung zwischen dem Eckabschnitt, an dem der zweite elektrische Kontakt angebracht ist, und dem Eckabschnitt, an dem der dritte elektrische Kontakt angebracht ist, angeordnet ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Breite der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) in dem Bereich von 200 nm bis 2000 nm ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet drehbar relativ zu der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) ist.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 12, ferner umfassend eine integrierte Schaltung, die ausgebildet (990, 1090) ist zum Detektieren einer Änderung eines elektrischen Parameters der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) ansprechend auf ein Magnetfeld des Permanentmagneten.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 13, wobei die integrierte Schaltung (990, 1090) ferner ausgebildet ist zum Bereitstellen, basierend auf der detektierten Änderung des elektrischen Parameters der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110), eines Signals, das eine Anzahl von Umdrehungen des Permanentmagneten relativ zu der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) anzeigt.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei die Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) und die integrierte Schaltung (990, 1090) auf einem gemeinsamen Chip monolithisch integriert sind.
Das Magnetsensorbauelement gemäß Anspruch 15, wobei die Kontaktschicht der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) eine kürzeste Distanz zu der integrierten Schaltung (990) unter allen Schichten der Tunnelmagnetowiderstandsstruktur (110) aufweist.