DE102017112546A1 - Magnetoresistive Sensoren und Verfahren zum Erzeugen von Magnetisierungsmustern mit geschlossenem Fluss - Google Patents

Magnetoresistive Sensoren und Verfahren zum Erzeugen von Magnetisierungsmustern mit geschlossenem Fluss Download PDF

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Abstract

Ein magnetoresistiver Sensor umfasst eine magnetische Referenzschicht. Die magnetische Referenzschicht umfasst ein Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung. Ferner umfasst der magnetoresistive Sensor eine magnetische freie Schicht. Die magnetische freie Schicht weist einen gesamten lateralen Bereich auf, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht. Ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht ist lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht.

Description

  • Gebiet
  • Beispiele beziehen sich auf magnetoresistive Sensoren und Verfahren zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in einer magnetischen Referenzschicht eines magnetischen Schichtstapels.
  • Hintergrund
  • Magnetoresistive Effekte basieren auf zahlreichen unterschiedlichen physikalischen Phänomenen. Allen diesen Phänomenen ist gemein, dass ein elektrischer Widerstandswert eines resistiven Elements durch ein Magnetfeld, das das resistive Element durchdringt, abänderbar ist. Techniken, die magnetoresistive Effekte verwenden, werden manchmal als „xMR-Techniken“ bezeichnet, wobei das „x“ anzeigt, dass hier eine Vielzahl von Effekten adressiert werden kann, z. B. der Riesenmagnetowiderstands- (GMR-) Effekt (GMR = Giant Magneto-Resistive effect), der Tunnelmagnetowiderstands- (TMR-) Effekt (TMR = Tunnel Magneto-Resistive effect) oder der anisotrope magnetoresistive (AMR-) Effekt (AMR = Anisotropie Magneto-Resistive effect), um nur einige Beispiele zu erwähnen. xMR-Effekte können bei einer Vielzahl von feldbasierten magnetoresistiven Sensoren angewendet werden, zum Beispiel zum Messen von Umdrehung, Winkel etc.
  • Magnetoresistive Sensoren umfassen häufig einen oder mehrere Magnetowiderstände mit festen Referenzmagnetisierungen zum Messen der Größe und/oder Richtung eines externen Magnetfeldes. Die Herstellung dieser magnetoresistiven Sensoren erfordert häufig lokale Magnetisierungsprozesse der Magnetowiderstände. Dies kann umständlich sein, da die lokalen Magnetisierungsprozesse häufig einer nach dem anderen ausgeführt werden müssen, was zeitaufwändig und somit kostspielig sein kann. Daher besteht ein Bedarf nach neuen Konzepten von magnetoresistiven Sensoren, die die Herstellung erleichtern und Herstellungskosten verringern, während ein hohes und genaues Sensorverhalten beibehalten wird. Ein solcher Bedarf kann zumindest teilweise durch den Gegenstand der vorliegenden Offenbarung erfüllt werden.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetoresistiver Sensor bereitgestellt. Der magnetoresistive Sensor umfasst eine magnetische Referenzschicht. Die magnetische Referenzschicht umfasst ein Magnetisierungsmuster mit (z.B. permanent) geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung. Ferner umfasst der magnetoresistive Sensor eine magnetische freie Schicht. Die magnetische freie Schicht weist einen gesamten lateralen Bereich auf, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht. Ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht ist lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit (z.B. permanent) geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung in einer magnetischen Referenzschicht eines magnetischen Schichtstapels bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines externen Magnetfeldes in einer vorbestimmten Richtung an den magnetischen Schichtstapel, wodurch eine magnetische Sättigung der magnetischen Referenzschicht und einer gepinnten Schicht des magnetischen Schichtstapels verursacht wird. Ferner umfasst das Verfahren das Reduzieren des externen Magnetfeldes, um ein erstes Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht und ein zweites Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der gepinnten Schicht zu bilden.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
    • 1 ein Schaltbild eines magnetoresistiven Sensors zeigt;
    • 2a-b schematische Draufsichten von magnetoresistiven Sensoren zeigen;
    • 2c einen magnetischen Schichtstapel magnetoresistiven Sensors zeigt;
    • 2d einen lateralen Querschnitt einer magnetischen Referenzschicht mit einem Hauptabschnitt und einem Vorsprungabschnitt zeigt;
    • 2e-h Simulationsergebnisse von Magnetfeldern in magnetischen Referenzschichten mit einem Hauptabschnitt und einem Vorsprungabschnitt zeigen;
    • 2i einen lateralen Querschnitt einer anderen magnetischen Referenzschicht mit einem Hauptabschnitt und einem Vorsprungabschnitt zeigt;
    • 2j eine dreidimensionale Ansicht einer magnetischen Referenzschicht und einer magnetischen freien Schicht zeigt, die zwei lateral getrennte Teile aufweisen;
    • 3a-i mehrere Beispiele von magnetoresistiven Sensoren in einer schematischen Draufsicht zeigen;
    • 4a-b einen magnetoresistiven Sensor zeigen, der einem externen Magnetfeld ausgesetzt ist;
    • 4c-d schematische vertikale Querschnitte von unterschiedlichen möglichen Aufbauten eines magnetischen Schichtstapels eines magnetoresistiven Sensors zeigen;
    • 5a-d schematische Diagramme von Brückenschaltungen von magnetoresistiven Sensoren zeigen, die zwei oder mehr lateral getrennte Teile einer magnetischen Referenzschicht mit einem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in jedem Teil aufweisen;
    • 6a-b schematische vertikale Querschnitte von unterschiedlichen möglichen Aufbauten von magnetischen Schichtstapeln mit einem vertikalen Strompfad zeigen; und
    • 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung in einer magnetischen Referenzschicht eines magnetischen Schichtstapels zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
  • Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
  • Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Das Gleiche gilt für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
  • Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
  • Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem Beispiele gehören.
  • Als Einführung zeigt 1 ein Schaltbild eines magnetoresistiven Sensors 100 basierend auf einem xMR-Effekt. Der magnetoresistive Sensor 100 kann als ein Winkelsensor zum Messen der Richtung eines extern auferlegten Magnetfeldes 101 verwendet werden. Der magnetoresistive Sensor 100 umfasst eine erste Brückenschaltung 105 und eine zweite Brückenschaltung 108 (oder kann alternativ zumindest zwei Halbbrückenschaltungen aufweisen). Sowohl die erste als auch die zweite Brückenschaltung 105, 108 sind mit einer gemeinsamen Versorgungsspannung VDDa und mit einem gemeinsamen Massepotential GND verbunden. Die erste Brückenschaltung 105 kann Messungen einer X-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes 101 liefern. Die zweite Brückenschaltung 108 kann Messungen einer Y-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes 101 liefern. Wie durch das Koordinatensystem in 1 angezeigt ist, sind die x- und die y-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes 101 orthogonal im Hinblick auf einander und parallel zu einer Chip-Oberfläche (z.B., zu der Oberfläche der ersten und der zweiten Brückenschaltung 105, 108) des magnetoresistiven Sensors 100. Die erste Brückenschaltung 105 umfasst zwei Magnetowiderstände mit Referenzmagnetisierungen in der x-Richtung und zwei Magnetowiderstände mit Referenzmagnetisierungen in der entgegengesetzten x-Richtung, wie durch die Pfeile innerhalb der Magnetowiderstände der ersten Brückenschaltung 105 angezeigt ist. Eine Brückenspannung Vx der ersten Brückenschaltung 105 kann dann anzeigend für eine Größe Bx der x-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes 101 sein.
  • Analog umfasst die zweite Brückenschaltung 108 zwei Magnetowiderstände mit Referenzmagnetisierungen in der y-Richtung und zwei Magnetowiderstände mit Referenzmagnetisierungen in der entgegengesetzten y-Richtung, wie durch die Pfeile innerhalb der Magnetowiderstände der zweiten Brückenschaltung 108 angezeigt ist. Eine Brückenspannung V y der zweiten Brückenschaltung 108 kann dann anzeigend für eine Größe By der y-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes 101 sein.
  • Wenn der magnetoresistive Sensor 100 auf dem GMR-Effekt oder dem TMR-Effekt basiert, kann der magnetoresistive Sensor 100 zum eindeutigen Messen der Richtung des extern auferlegten Magnetfeldes 101 innerhalb 360° verwendet werden. Ein magnetoresistiver AMR-Sensor kann die Richtung des extern auferlegten Magnetfeldes 101 eindeutig innerhalb von 180° messen. Die Richtung (oder der Winkel) des extern auferlegten Magnetfeldes 101 kann berechnet werden aus arctan(By /Bx ). Zu diesem Zweck kann der magnetoresistive Sensor 100 eine Evaluationsschaltung aufweisen (in 1 nicht gezeigt).
  • Optional kann eine Sicherheitsmaßnahme bereitgestellt werden, bei der die Größe B x 2 + B y 2
    Figure DE102017112546A1_0001
    des extern auferlegten Magnetfeldes 101 überwacht wird, die bei Annahme eines extern auferlegten Magnetfeldes mit konstanter Größe, wie bei vielen Anwendungen der Fall ist, nach der Kalibrierung und Temperaturkompensation beider Sensorsignalkomponenten konstant sein sollte (z.B., der Brückenspannungen Vx und Vy ). Diese Prüfung hat jedoch möglicherweise eine begrenzte Genauigkeit und erreicht möglicherweise keine sehr hohe diagnostische Abdeckung, aufgrund ihrer Abhängigkeit von absoluten Werten.
  • Die lokalen Magnetisierungsprozesse zum Bereitstellen der Referenzmagnetisierungen der Magnetowiderstände der ersten und der zweiten Brückenschaltung 105 und 108 können das Ausüben lokaler Erwärmung mit einem Laser innerhalb eines externen Magnetfeldes der gewünschten Richtung umfassen (z.B., der gewünschten Richtung einer Referenzmagnetisierung eines Magnetowiderstands). Jeder Magnetowiderstand kann separat in einem erwärmten Zustand lokal auf seine Pinning-Richtung magnetisiert werden (z.B., auf seine Richtung der Referenzmagnetisierung). Dieser Prozess könnte zeitaufwändig und somit kostspielig sein.
  • Zumindest einige Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung können diesen zeitaufwändigen und somit kostspieligen Magnetisierungsprozess überwinden und/oder umgehen. 2 zeigt eine schematische Draufsicht eines magnetoresistiven Sensors 200-A gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der magnetoresistive Sensor 200-A umfasst eine magnetische Referenzschicht 220. Die magnetische Referenzschicht 220 umfasst ein Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss 222 einer vorbestimmten Rotationsrichtung. Ferner umfasst der magnetoresistive Sensor 200-A eine magnetische freie Schicht 230. Die magnetische freie Schicht 230 weist einen gesamten lateralen Bereich auf, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht 220. Ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht 230 ist lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht 220.
  • Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 ist permanent und von einer vorbestimmten Rotationsrichtung. Lokal jedoch ändert sich die Richtung des Magnetfeldes (und die Magnetflussdichte, die diesem Magnetfeld zugeordnet ist) innerhalb der magnetischen Referenzschicht 220. Dieses Ändern der Richtung des Magnetfeldes kann verwendet werden, um eine gewünschte Richtung der Referenzmagnetisierung im Hinblick auf die magnetische freie Schicht 230 bereitzustellen. Dies ist möglich, da die magnetische freie Schicht 230 einen gesamten lateralen Bereich kleiner als den der magnetischen Referenzschicht 220 aufweist und da der geometrische Schwerpunkt 231 der magnetischen freien Schicht 230 lateral versetzt im Hinblick auf den geometrischen Schwerpunkt 221 der magnetischen Referenzschicht 220 ist. Die magnetische freie Schicht 230 (oder ein Teil der magnetischen freien Schicht 230) kann dann vertikal über (oder, abhängig von dem Aufbau des magnetoresistiven Sensors 200-A, vertikal unter) einem Abschnitt der magnetischen Referenzschicht 220 positioniert sein, was die gewünschte Richtung der Referenzmagnetisierung bereitstellt. Anders ausgedrückt kann die Lage (z.B., die x- und y-Koordinaten, wie durch das Koordinatensystem in 2a angezeigt wird) der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder alternativ vertikal unter) der magnetischen Referenzschicht 220 die Richtung der Referenzmagnetisierung für einen Magnetowiderstand des magnetoresistiven Sensors 200-A bestimmen, der die magnetische freie Schicht 230 (oder ein Teil der magnetischen freien Schicht 230) aufweist.
  • Innerhalb des Kontexts der vorliegenden Offenbarung sei angenommen, dass unterschiedliche Teile einer Schicht (z.B. der magnetischen Referenzschicht 220 und/oder der magnetischen freien Schicht 230) lateral voneinander getrennt sind und von einem elektrisch isolierenden Material umgeben sind (z.B. festem elektrisch isolierendem Material und/oder Hohlräumen). Zum Beispiel können unterschiedliche Teile einer Schicht während der Produktion des magnetoresistiven Sensors 200-A durch Strukturieren der Schicht unter Verwendung eines photolithographischen Prozesses erzeugt werden. Unterschiedliche Abschnitte einer Schicht (z.B. der magnetischen Referenzschicht 220 und der magnetischen freien Schicht 230) können lateral direkt benachbart zu einander sein und werden hierin vorangehend zum Beschreiben unterschiedlicher Formen einer Schicht oder eines Teils einer Schicht verwendet. Ein Teil einer Schicht kann einen oder mehrere Abschnitte aufweisen. Ferner kann der gesamte laterale Bereich einer Schicht (z.B. der magnetischen Referenzschicht 220 oder der magnetischen freien Schicht 230) die Summe der lateralen Bereiche aller Teil der Schicht sein.
  • Ein Magnetowiderstand umfassend die magnetische freie Schicht 230 des magnetoresistiven Sensors 200-A kann eine Referenzmagnetisierung primär in der y-Richtung aufweisen, zum Beispiel, wohingegen ein Magnetowiderstand umfassend die magnetische freie Schicht 230 des magnetoresistiven Sensors 200-B gezeigt in 2B eine Referenzmagnetisierung primär in der x-Richtung aufweisen kann. Da auf diese Weise die Richtung der Referenzmagnetisierung eines Magnetowiderstands durch die Position der magnetischen freien Schicht 230 relativ zu der magnetischen Referenzschicht 220 definiert sein kann, können lokale Magnetisierungsprozesse der magnetischen Referenzschicht zum Bereitstellen von Richtungen der Referenzmagnetisierung während der Fertigung vermieden werden. Dies kann Herstellungszeit und Kosten für den magnetoresistiven Sensors 200-A/B reduzieren.
  • Der geometrische Schwerpunkt 221 (z.B., die geometrische Mitte) der magnetischen Referenzschicht 220 und der geometrische Schwerpunkt 231 der magnetischen freien Schicht 230 können als eine Mitte der magnetischen Referenzschicht 220 und/oder der magnetischen freien Schicht 230 betrachtet werden, auch für asymmetrische Formen (z.B. asymmetrische laterale Querschnitte) der magnetischen Referenzschicht 220 und der magnetischen freien Schicht 230. Der geometrische Schwerpunkt 221 der magnetischen Referenzschicht 220 kann definiert sein als die arithmetische Mittelposition aller Punkte in der magnetischen Referenzschicht 220 und kann innerhalb oder außerhalb der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein, abhängig von der Form der magnetischen Referenzschicht 220. Auf ähnliche Weise kann der geometrische Schwerpunkt 231 der magnetischen freien Schicht 230 als die arithmetische Mittelposition aller Punkte in der magnetischen freien Schicht 230 definiert sein und kann innerhalb oder außerhalb der magnetischen freien Schicht 230 angeordnet sein, abhängig von der Form der magnetischen freien Schicht 230.
  • Wenn zum Beispiel die magnetische freie Schicht 230 zwei oder mehr Teile aufweist, die lateral getrennt voneinander sind, können jeweilige geometrische Schwerpunkte der Teile der magnetischen freien Schicht 230 lateral versetzt im Hinblick auf den geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Wenn zusätzlich dazu die magnetische Referenzschicht zwei oder mehr Teile aufweist, die lateral getrennt voneinander sind, können jeweilige geometrische Schwerpunkte der Teile der magnetischen freien Schicht 230 lateral versetzt im Hinblick auf jeweilige geometrische Schwerpunkte der Teile der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Lateral getrennte Teile der Teil der magnetischen freien Schicht 230 können jeweils lateral umgeben sein von elektrisch isolierendem Material. Ebenso können lateral getrennte Teile der magnetischen Referenzschicht 220 jeweils lateral umgeben sein von elektrisch isolierendem Material.
  • Eine laterale Verschiebung des geometrischen Schwerpunkts 231 der magnetischen freien Schicht 230 im Hinblick auf den geometrischen Schwerpunkt 221 der magnetischen Referenzschicht 220 kann größer sein als zumindest 5% (oder zumindest 10% oder zumindest 20%) einer maximalen lateralen Erstreckung der magnetischen freien Schicht 230. Eine größere laterale Verschiebung kann eine eindeutigere Richtung der Referenzmagnetisierung bereitstellen.
  • Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über oder unter zumindest einem Teil der magnetischen freien Schicht 230 kann eine Komponente mit durchschnittlicher Magnetflussdichte parallel zu der magnetischen freien Schicht 230 (d.h. parallel zu der x-y-Ebene der freien Schicht) aufweisen. Der Teil der magnetischen freien Schicht kann lateral umgeben sein von elektrisch isolierendem Material.
  • Das bedeutet, ein Magnetowiderstand des magnetoresistiven Sensors 200-A/B kann die magnetische freie Schicht 230 oder ein Teil der magnetischen freien Schicht 230 lateral umgeben von elektrisch isolierendem Material aufweisen. Abhängig von dem Aufbau des magnetischen Schichtstapels des magnetoresistiven Sensors 200-A/B kann die magnetische Referenzschicht 220 über oder unter der magnetischen freien Schicht 230 angeordnet sein. Der Teil des Magnetfeldes 222 der magnetischen Referenzschicht, der vertikal über (und/oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 230 (oder ihres Teils) angeordnet ist kann eine Referenzmagnetisierung für den Magnetowiderstand bestimmen. Für eine eindeutige Referenzmagnetisierung kann das Magnetfeld 222, das innerhalb der magnetischen Referenzschicht 220 vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 230 (oder ihres Teils) verläuft, eine Komponente mit durchschnittlicher Magnetflussdichte ungleich Null parallel (z.B. in der xy-Ebene) zu der magnetischen freien Schicht 230 aufweisen. Ansonsten würden so viele Magnetfeldlinien in der x-Richtung und in der y-Richtung vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 230 (oder ihres Teils) verlaufen wie in der negativen x-Richtung und/oder in der negativen y-Richtung verlaufen. Das durchschnittliche Magnetfeld vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 230 (oder ihres Teils) wäre dann Null und eine eindeutige Referenzmagnetisierung des Magnetowiderstands würde nicht existieren. Gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung jedoch kann die laterale Verschiebung des geometrischen Schwerpunkts 231 der magnetischen freien Schicht 230 (oder eines Teils der magnetischen freien Schicht 230) im Hinblick auf die magnetische Referenzschicht 220 (oder im Hinblick auf einen Teil der magnetischen Referenzschicht 220) verursachen, dass das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 230 (oder eines Teils derselben) eine Komponente mit durchschnittlicher Magnetflussdichte parallel zu der magnetischen freien Schicht 230 unterschiedlich zu Null aufweist.
  • Optional kann sich eine Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über oder unter zumindest einem Teil der magnetischen freien Schicht 230 um höchstens 90° (oder um höchstens 60° oder um höchstens 45° oder um höchstens 30°) ändern, wobei der Teil der magnetischen freien Schicht 230 lateral umgeben ist von elektrisch isolierendem Material. Je weniger die Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht (oder von Teilen derselben) sich ändert, desto eindeutiger kann die Richtung der Referenzmagnetisierung sein, die an die magnetische freie Schicht (oder Teile derselben) bereitgestellt wird.
  • Da das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 permanent ist, kann es innerhalb der magnetischen Referenzschicht 220 vorliegen, unabhängig von einem Betriebszustand (z.B. einem Ein-Zustand oder einem Aus-Zustand) des magnetoresistiven Sensors 200-A/B. Die vorbestimmte Rotationsrichtung kann zum Beispiel eine Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn in der xy-Ebene der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Das bedeutet, das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 kann in der Ebene mit der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Unter Vernachlässigung von Magnetfluss-Leckeffekten kann die magnetische Referenzschicht 220 das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 einschließen. Magnetfeldlinien, die innerhalb der magnetischen Referenzschicht 220 verlaufen, können dann Schleifen folgen, die durch die magnetische Referenzschicht 220 eingeschlossen sind. Die vorbestimmte Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 kann sicherstellen, dass die gewünschte Richtung der Referenzmagnetisierung im Hinblick auf die magnetische freie Schicht bereitgestellt werden kann.
  • Der magnetoresistive Sensor 200-A/B kann zusätzlich eine natürliche antiferromagnetische Schicht und eine gepinnte Schicht aufweisen. Die natürliche antiferromagnetische Schicht und die gepinnte Schicht können das Einrichten eines permanenten Magnetisierungsmusters in der magnetischen Referenzschicht 220 unterstützen. Die gepinnte Schicht kann zwischen der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein. Eine optionale Kopplungsschicht kann zwischen der gepinnten Schicht und der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein. Die natürliche antiferromagnetische Schicht, die gepinnte Schicht, die optionale Kopplungsschicht und die magnetische Referenzschicht können unterschiedliche Schichten eines magnetischen Schichtstapels des magnetoresistiven Sensors 200-A/B sein und können als ein magnetisches Referenzsystem des magnetoresistiven Sensors 200-A/B bezeichnet werden, da sie gemeinsam für das Definieren des Referenzmagnetisierungsmusters (d.h. des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss) in der magnetischen Referenzschicht 220 verantwortlich sein können.
  • 2c zeigt ein Beispiel eines magnetischen Schichtstapels 200-C eines magnetoresistiven Sensors gemäß einem Beispiel. Zum Beispiel kann der magnetische Schichtstapel 200-C auf einem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) des magnetoresistiven Sensors angeordnet sein. Wenn sie in einem kartesischen Koordinatensystem mit paarweise perpendikulären Koordinatenachsen x, y und z beschrieben werden, erstrecken sich die Schichten jeweils lateral in einer Ebene, die durch die x- und y-Achse aufgespannt wird. Hierin beziehen sich laterale Abmessungen (z.B. laterale Distanzen, laterale Querschnittsbereiche, laterale Bereiche, lateralen Abmessungen, laterale Verschiebungen, etc.) auf Dimensionen in der xy-Ebene. Vertikale Dimensionen beziehen sich auf Dimensionen in der z-Richtung, senkrecht zu der xy-Ebene. Zum Beispiel kann die (vertikale) Ausdehnung einer Schicht in z-Richtung als die Schichtdicke beschrieben werden.
  • Von unten nach oben weist der magnetische Schichtstapel 200-C eine natürliche antiferromagnetische (NAF) Schicht 210 und eine ferromagnetische gepinnte (pinned) Schicht 212 auf Der Kontakt zwischen der natürlichen antiferromagnetischen Schicht 210 und der gepinnten Schicht 212 kann einen Effekt provozieren, der als Exchange-Bias-Effekt (Austausch-Vorspannungs-Effekt) bekannt ist, der die Magnetisierung der gepinnten Schicht 212 verursacht, um sie in einer bevorzugten Richtung auszurichten. Die gepinnte Schicht 212 kann ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der xy-Ebene aufweisen. Dieses Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss der gepinnten Schicht 212 kann während der Herstellung des magnetischen Schichtstapels 200-C erzeugt werden (wie nachfolgend erklärt wird) und kann permanent sein. Der magnetische Schichtstapel 200-C kann ferner eine Kopplungsschicht 214 aufweisen. Die Kopplungsschicht 214 kann eine diamagnetische Kopplungsschicht sein und kann Ruthenium, Iridium, Kupfer und/oder KupferLegierungen und ähnliche Materialien aufweisen, zum Beispiel. Die Kopplungsschicht 214 trennt die gepinnte Schicht 212 räumlich von der magnetischen (z. B. ferromagnetischen) Referenzschicht 220. Unter Verwendung dieses Aufbaus kann sich die Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht 220 ausrichten und in einer Richtung antiparallel zu der Magnetisierung der gepinnten Schicht 212 gehalten werden. Wenn die gepinnte Schicht 212 zum Beispiel ein Magnetisierungsmuster mit im Uhrzeigersinn geschlossenem Fluss in der xy-Ebene aufweist, kann die magnetische Referenzschicht 220 einen entgegen dem Uhrzeigersinn geschlossenem Fluss in der xy-Ebene aufweisen (oder umgekehrt). Auf diese Weise kann die magnetische Referenzschicht 220 ein Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss aufweisen.
  • Der magnetische Schichtstapel 200-C umfasst zusätzlich eine nicht-magnetische Schicht 216 und eine magnetische freie Schicht 230. Die nicht-magnetische Schicht 216 ist zwischen der magnetischen Referenzschicht 220 und der magnetischen freien Schicht 230 angeordnet. Die magnetische freie Schicht 230 weist einen gesamten lateralen Bereich auf, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht 220. Ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht 230 ist lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht 220. Die magnetische freie Schicht 230 kann ein lineares Magnetisierungsmuster oder ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss aufweisen (z.B. ein Vortex-Magnetisierungsmuster). Ferner kann die Magnetisierung der magnetischen freien Schicht 230 einem extern auferlegten Magnetfeld folgen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die nicht-magnetische Schicht 216 elektrisch leitend sein (z.B. Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Aluminium und/oder Legierungen derselben aufweisen). In diesem Fall kann der magnetoresistive Sensor, der den magnetischen Schichtstapel 200-C aufweist, ein Riesenmagnetowiderstands- (giant-magneto-resistive) Sensor sein. Alternativ kann die nicht-magnetische Schicht 216 eine elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht sein. Der magnetoresistive Sensor, der den magnetischen Schichtstapel 200-C aufweist, kann dann ein Tunnelmagnetowiderstands- (tunnel-magneto-resistive) Sensor sein.
  • Die magnetische freie Schicht 216, die magnetische Referenzschicht 220 und die gepinnte Schicht 212 können bei einigen Ausführungsbeispielen Eisen, Kobalt oder Nickel, und bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen Legierungen derselben aufweisen. Legierungen können auch nicht-ferromagnetische Materialien aufweisen, z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff, und/oder Sauerstoff, wobei ferromagnetische Materialien zumindest 50 % einer Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Zum Beispiel können Schichten Kobalt-Eisen- (CoFe-), Kobalt-Eisen-Bor- (CoFeB-), oder Nickel-Eisen- (NiFe-) Legierungen aufweisen. Im Gegensatz kann die natürliche antiferromagnetische Schicht 210 Iridium, Mangan, Platin und/oder Legierungen umfassen, die diese aufweisen, zum Beispiel.
  • Während des Betriebs eines TMR-Sensors oder wenn der magnetische Schichtstapel 200-C mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt ist, können elektrische Ladungen von einer Seite der Tunnelbarriereschicht 216 zu der anderen in einer vorbestimmten Menge geleitet werden, wenn ein konstantes externes Magnetfeld angelegt ist. Der TMR-Effekt ist ein quantenphysisches Phänomen, das sich selbst in einer Änderung des Ladungsbetrags ausdrückt, der durch die Tunnelbarriereschicht 216 geleitet wird, wenn die Richtung des externen Magnetfeldes geändert wird. Dieser Effekt kann aufgrund von Richtungsänderungen der Magnetisierung der magnetischen freien Schicht 230 im Hinblick auf die Magnetisierung der Referenzschichtmagnetisierung entstehen, die durch das Ändern des externen Magnetfeldes verursacht werden. Zum Beispiel kann das externe Magnetfeld die Magnetisierung der magnetischen freien Schicht 230 in der Richtung der (durchschnittlichen) Magnetisierung eines Abschnitts der magnetischen Referenzschicht 220 ausrichten, die vertikal unter der magnetischen freien Schicht 230 angeordnet ist. Eine größere Menge elektrischer Ladungen kann dann durch die Tunnelbarriereschicht 216 passieren, als wenn das externe Magnetfeld eine unterschiedliche Richtung aufweist, die die Magnetisierung der magnetischen freien Schicht 230 antiparallel (z.B. entgegengesetzt) zu der Magnetisierung des Abschnitts der magnetischen Referenzschicht 220 ausrichtet.
  • Beispiele von magnetoresistiven Sensoren der vorliegenden Offenbarung können den magnetischen Schichtstapel 200-C aus 2C und/oder ähnliche magnetische Schichtstapel aufweisen. Magnetoresistive Sensoren sind nicht auf den GMR- oder TMR-Effekt begrenzt. Andere Beispiele der vorliegenden Offenbarung können Strukturen, die auf anderen xMR-Effekten basieren, umfassen. Der magnetische Schichtstapel 200-C kann einem Magnetowiderstand entsprechen, wie er durch zumindest einige Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung eingesetzt wird.
  • Verschiedene Mittel können zum Bereitstellen einer vorbestimmten Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 der magnetischen Referenzschicht 220 eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein lateraler Querschnitt der magnetischen Referenzschicht 220 (und/oder einer optionalen gepinnten Schicht) eine Form aufweisen, die die Implementierung einer vorbestimmten Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 unterstützen kann. Die magnetischen Referenzschichten 220, die in 2a-c gezeigt sind, haben generische, laterale Querschnitte, die keine bestimmte Form aufweisen. Wie jedoch in 2d dargestellt ist, kann die magnetische Referenzschicht 220 optional einen Hauptabschnitt 224 und einen Vorsprungabschnitt 226 aufweisen. Der Vorsprungabschnitt 226 kann lateral benachbart (z.B. direkt lateral benachbart) zu dem Hauptabschnitt 224 sein. Der Hauptabschnitt 224 kann ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 aufweisen. Ein Magnetisierungsmuster 225 des Vorsprungabschnitts 226 kann ausgebildet sein, um die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vorzubestimmen.
  • Wie in 2d gezeigt ist, kann sich der Vorsprungabschnitt 226 lateral aus dem Hauptabschnitt 224 erstrecken. Alternativ kann die magnetische Referenzschicht einen lateralen Schlitz (nicht in 2d gezeigt) aufweisen. Der laterale Schlitz kann lateral zwischen dem Hauptabschnitt und dem Vorsprungabschnitt angeordnet sein. Zum Beispiel kann sich der laterale Schlitz aus einem Umfang der magnetischen Referenzschicht lateral in (aber nicht durch) die magnetische Referenzschicht erstrecken, um die magnetische Referenzschicht in den Hauptabschnitt und den Vorsprungabschnitt zu formen.
  • In der Nähe zu einer lateralen Verbindung des Vorsprungabschnitts 226 und des Hauptabschnitts 224 (wie durch die gestrichelte Linie in 2D angezeigt ist) kann das Magnetisierungsmuster 225 des Vorsprungabschnitts 226 (im Wesentlichen) entgegengesetzt zu dem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 des Hauptabschnitts 224 gerichtet sein. Zum Beispiel, mit der Hilfe eines externen Magnetfeldes, das an die magnetische Referenzschicht 220 in einer vorbestimmten Richtung während des Herstellens angelegt ist, kann ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 einer vorbestimmten Rotationsrichtung innerhalb des Hauptabschnitts 224 erzeugt werden. Das externe Magnetfeld, das an die magnetische Referenzschicht 220 während der Herstellung angelegt ist, kann eine Richtung entlang des Vorsprungabschnitts 226 aufweisen. Der Vorsprungabschnitt 226 kann dann in der Richtung des externen Magnetfeldes magnetisiert werden, das während des Herstellens angelegt ist. Nach der Entfernung (oder Reduktion) dieses externen Magnetfeldes kann sich ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 innerhalb des Hauptabschnitts 224 bilden und sich in entgegengesetzter Richtung zu dem Magnetisierungsmuster des Vorsprungabschnitts 226 an der lateralen Verbindung des Vorsprungabschnitts 226 und des Hauptabschnitts 224 ausrichten. Die lokale Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 an der lateralen Verbindung kann dann die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 einstellen. Da die Magnetisierung des Vorsprungabschnitts 226 permanent sein kann, kann der Vorsprungabschnitt 226 das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 permanent in seiner vorbestimmten Rotationsrichtung halten.
  • Gemäß einigen Beispielen kann eine Länge 227 des Vorsprungabschnitts 226 größer als zwei Mal eine Breite des Vorsprungabschnitts 226 sein. Dies kann zusätzlich das Implementieren einer vorbestimmten Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 innerhalb des Hauptabschnitts 224 unterstützen. Die Länge 227 des Vorsprungabschnitts 226 kann al die maximale laterale Distanz des Vorsprungabschnitts 226 von einem entfernten Ende (im Hinblick auf den Hauptabschnitt 226) des Vorsprungabschnitts 226 zu dem Hauptabschnitt 226 definiert sein (z.B. zu dem lateralen Verbinden des Vorsprungabschnitts 226 mit dem Hauptabschnitt 224). Die Breite des Vorsprungabschnitts 226 kann definiert sein als die laterale Erstreckung des Vorsprungabschnitts 226 in einer Richtung senkrecht zu der Länge 227 des Vorsprungabschnitts 226. Wie in 2d dargestellt ist, kann der Vorsprungabschnitt 226 eine dreieck-artige laterale Form haben, kann aber auch unterschiedliche Formen haben, z.B. rechteckige, polygonale oder gekrümmte Formen.
  • Eine Länge (z.B. eine maximale laterale Erstreckung) des Hauptabschnitts 224 kann kleiner sein als zwei Mal eine Breite des Hauptabschnitts 224. Dies kann das Bilden des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 innerhalb des Hauptabschnitts 224 ermöglichen. Die Breite des Hauptabschnitts 224 kann als die laterale Erstreckung des Hauptabschnitts 224 in einer Richtung senkrecht zu der Länge des Hauptabschnitts 224 definiert sein. Anders ausgedrückt, während der Vorsprungabschnitt 226 einen länglichen lateralen Querschnitt aufweisen kann, kann der Hauptabschnitt 224 einen nicht länglichen (z.B. kreisförmigen oder flecken-artigen) lateralen Querschnitt aufweisen.
  • Gemäß einigen Beispielen weist der Hauptabschnitt 224 einen rotationsmäßig symmetrischen lateralen Querschnitt auf. Dies kann zusätzlich die Erzeugung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 innerhalb der magnetischen Referenzschicht 220 unterstützen. Zum Beispiel kann der Hauptabschnitt 224 einen elliptischen, einen kreisförmigen, einen quadrierten oder einen regelmäßigen polygonalen lateralen Querschnitt aufweisen.
  • Optional (wie in 2d gezeigt ist), kann sich der Vorsprungabschnitt 226 tangential zu dem Hauptabschnitt 224 erstrecken. Dies kann ferner das Vorbestimmen der Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 innerhalb des Hauptabschnitts 224 der magnetischen Referenzschicht 220 unterstützen.
  • Eine minimale laterale Distanz zwischen der magnetischen freien Schicht (nicht in 2d gezeigt) und dem Vorsprungabschnitt 226 der magnetischen Referenzschicht 220 kann größer sein als 10 % (oder größer als 25 %) einer maximalen lateralen Erstreckung des Hauptabschnitts 224. Auf diese Weise kann eine ausreichende Distanz zwischen dem Vorsprungabschnitt 226 und der magnetischen freien Schicht (oder dem Teil der magnetischen freien Schicht, der lateral am nächstgelegenen zu dem Vorsprungabschnitt 226 ist) derart bereitgestellt werden, dass Auswirkungen des Magnetisierungsmusters 225 des Vorsprungabschnitts 226 auf Referenzmagnetisierungen von Magnetowiderständen des magnetoresistiven Sensors vernachlässigbar sein können. Falls ein lateraler Schlitz implementiert ist, kann eine minimale laterale Distanz zwischen der magnetischen freien Schicht und dem lateralen Schlitz größer sein als 10 % (oder größer als 25 %) einer maximalen lateralen Erstreckung des Hauptabschnitts.
  • Asymmetrien der magnetischen Referenzschicht 220 (und optional einer gepinnten Schicht des magnetoresistiven Sensors) wie der Vorsprungabschnitt 226 können unterstützend sein, um die Bildung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 (z.B. eines Vortex-Magnetisierungsmusters) in einer vordefinierten Rotationsrichtung mittels Austausch-Kopplung zu erlauben, wenn ein abklingendes externes Magnetfeld während der Bildung angelegt ist (z.B. während der Herstellung des magnetoresistiven Sensors).
  • 2e zeigt ein Beispiel für eine Struktur (z.B. einen lateralen Querschnitt eines magnetischen Schichtstapels), die eine definierte Chiralität einer magnetischen Referenzschicht 220 (und/oder einer gepinnten Schicht) eines magnetischen Referenzsystems eines magnetoresistiven Sensors nach dem Aussetzen gegen ein Sättigungs-Magnetfeld 202 und Entspannen in einem niedrigen Feld zur Erzeugung eines Vortex-artigen (z.B. geschlossener Fluss) Magnetisierungsmusters 222 zeigt. Die Struktur (z.B. der laterale Querschnittsbereich der magnetischen Referenzschicht 220) umfasst einen kreisförmigen Hauptabschnitt 224 und einen länglichen Vorsprungabschnitt 226. Während sie dem Sättigungs-Magnetfeld 202 ausgesetzt wird kann das Sättigungs-Magnetfeld 202 derart angelegt sein, dass es vorrangig entlang des Vorsprungabschnitts 226 ausgerichtet ist. Der Vorsprungabschnitt 226 kann eine hohe Formanisotropie zeigen, die seine Magnetisierung 223 im Wesentlichen halten kann, auch nach der Entspannung des externen Magnetfeldes 202. Daher kann während der Erzeugung der Vortex-artigen Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht 220 eine zusätzliche, nicht symmetrische magnetische Kraft die Vortex-Erzeugung beeinflussen, wodurch die Vortex-Chiralität definiert wird (z.B. die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222).
  • Anders ausgedrückt, die Magnetisierung des Vorsprungabschnitts 226 kann im Wesentlichen linear sein (oder nicht geschlossen innerhalb des Vorsprungabschnitts, wie in 2d angezeigt ist) und kann verursachen, dass sich das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 in einer entgegengesetzten Richtung zu demselben an der lateralen Verbindung des Vorsprungabschnitts 226 und des Hauptabschnitts 224 ausrichtet. Dies ist in den mikro-magnetischen Simulationen gezeigt, die in 2e-h angezeigt sind. Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 (oder Vortex-Magnetisierung) in der Nähe des Vorsprungabschnitts 226 der magnetischen Referenzschicht 220 ist antiparallel zu der Magnetisierung 223 der Vorsprungabschnitts 226 ausgerichtet. Folglich kann die Chiralität (z.B. die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222) durch die Geometrie der magnetischen Referenzschicht 220 gesteuert werden.
  • Zum Beispiel zeigen 2e-f eine Chiralität des Vortex abhängig von dem anfänglichen Sättigungszustand für einen Vorsprungabschnitt 226 (z.B. eine Strukturerstreckung) an einer Seite der Strukturform der magnetischen Referenzschicht (oder Strukturform der gepinnten Schicht). 2g-h zeigen eine Chiralität des Vortex abhängig von dem anfänglichen Sättigungszustand für einen Vorsprungabschnitt 226 an einer gegenüberliegenden Seite der Strukturform der magnetischen Referenzschicht (oder Strukturform der gepinnten Schicht).
  • 2i zeigt ein weiteres Strukturbeispiel (z.B. einen lateralen Querschnitt einer magnetischen Referenzschicht 220) mit einer Strukturerstreckung (z.B. einem Vorsprungabschnitt 226). Der Effekt kann ähnlich zu der Struktur mit Erstreckung oben rechts sein, wie gezeigt in 2e-f.
  • Zurück zu dem magnetoresistiven Sensor 200-A/B kann die magnetische freie Schicht 230 einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil aufweisen. Der zweite Teil kann lateral getrennt von dem ersten Teil sein. Zum Beispiel können der erste und der zweite Teil von einander durch ein festes, elektrisch isolierendes Material oder durch einen Hohlraum innerhalb eines magnetischen Schichtstapels getrennt sein. Während der Herstellung des magnetoresistiven Sensors 200-A/B können der erste und der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 aus der magnetischen freien Schicht 230 unter Verwendung eines photolithographischen Prozesses gebildet werden, zum Beispiel. Getrennte Teile der magnetischen freien Schicht 230 können zum Implementieren einer Mehrzahl von Magnetowiderständen des magnetoresistiven Sensors 200-A/B verwendet werden, die dieselbe magnetische Referenzschicht 220 gemeinschaftlich verwenden. Zum Beispiel kann ein erster Magnetowiderstand des magnetoresistiven Sensors 200-A/B den ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweisen und ein zweiter Magnetowiderstand des magnetoresistiven Sensors 200-A/B kann den zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweisen. Auf diese Weise kann das Herstellen des magnetoresistiven Sensors 200-A/B effizienter gemacht und somit die Herstellungskosten reduziert werden. Der erste und der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 können vertikal über (oder vertikal unter) desselben Teils der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein. Alternativ können der erste und der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder vertikal unter) unterschiedlichen Teilen der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein, die lateral getrennt voneinander sind.
  • Zum Beispiel kann vertikal über (oder abhängig von dem Aufbau des magnetischen Schichtstapels, vertikal unter) dem ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 die Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 der magnetischen Referenzschicht unterschiedlich zu seiner Richtung vertikal über (und/oder vertikal unter) dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 sein. Dementsprechend können unterschiedliche Richtungen einer Referenzmagnetisierung für einen ersten Magnetowiderstand bereitgestellt werden, der den ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweist, im Hinblick auf einen zweiten Magnetowiderstand, der den zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweist. Dies kann lokale Magnetisierungsprozesse der Magnetowiderstände vermeiden.
  • Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 der magnetischen freien Schicht 220 kann seine Richtung vertikal über (oder vertikal unter) den entsprechenden Teilen der magnetischen freien Schicht 230 ändern. Daher kann die Richtung der Referenzmagnetisierung für einen Magnetowiderstand eher definiert sein durch eine durchschnittliche Richtung, die durch das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über (oder vertikal unter) den entsprechenden Teilen der magnetischen freien Schicht 230 angenommen wird. Anders ausgedrückt kann sich eine erste durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 (der magnetischen Referenzschicht 220) vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 von einer zweiten durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 unterscheiden.
  • Zum Beispiel kann sich die erste durchschnittliche Richtung von der zweiten durchschnittlichen Richtung um zumindest 5 Grad (oder um zumindest 10 Grad, oder um zumindest 20 Grad, oder um zumindest 45 Grad, oder um zumindest 90 Grad) unterscheiden. Eine größere Differenz zwischen der ersten und der zweiten durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss kann das Messen unterschiedlicher Richtungskomponenten eines externen Magnetfeldes ermöglichen, das auf den magnetoresistiven Sensors 200-A/B einfällt.
  • Zum Beispiel kann die erste durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 mit der x-Richtung zusammenfallen und die zweite durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 kann orthogonal im Hinblick auf die erste durchschnittliche Richtung sein und somit mit der y-Richtung zusammenfallen. Orthogonalität kann eine zuverlässige Bestimmung der Richtung eines extern auferlegten Magnetfeldes unter Verwendung des magnetoresistiven Sensors 200-A/B ermöglichen.
  • Bei einem weiteren Beispiel können die erste durchschnittliche Richtung und die zweite durchschnittliche Richtung zueinander antiparallel sein (d.h. können sich um ungefähr 180° voneinander unterscheiden). Eine antiparallele Ausrichtung der ersten und zweiten durchschnittlichen Richtung kann eine Wheatstone-Halbbrücken-Konfiguration ermöglichen.
  • Eine jeweilige durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal über (oder vertikal unter) einem jeweiligen Teil der magnetischen freien Schicht 230 kann bestimmbar sein durch Integrieren einer ersten Komponente einer Magnetflussdichte, die dem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 zugeordnet ist, über einem Abschnitt der magnetischen Referenzschicht 220, und durch Integrieren einer zweiten Komponente der Magnetflussdichte über diesem Abschnitt, und durch Vergleichen der integrierten ersten Komponente und der integrierten zweiten Komponente der Magnetflussdichte. Der Abschnitt der magnetischen Referenzschicht kann sich von einer oberen Oberfläche zu einer unteren Oberfläche der magnetischen Referenzschicht 220 erstrecken und kann einen lateralen Bereich aufweisen, der mit einem vertikalen Vorsprung des entsprechenden Teils der magnetischen freien Schicht 230 auf die magnetische Referenzschicht 220 zusammenfällt. Die erste und die zweite Komponente der Magnetflussdichte können orthogonal im Hinblick auf einander und in einer Ebene parallel zu der magnetischen freien Schicht 230 sein (z.B. in der xy-Ebene).
  • Dies wird detaillierter mit Hilfe von 2j erklärt. 2j zeigt ein schematisches Diagramm einer magnetischen Referenzschicht 220 zusammen mit einer magnetischen freien Schicht, die über der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet ist (eine optionale nicht-magnetische Schicht, die zwischen der magnetischen Referenzschicht 220 und der magnetischen freien Schicht angeordnet ist ist nicht gezeigt). Die magnetische freie Schicht weist ersten Teil 230-1 und einen zweiten Teil 230-2 auf. Der zweite Teil 230-2 ist lateral getrennt von dem ersten Teil 230-1. Ferner zeigt 2j das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 der magnetischen Referenzschicht 220. Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 nimmt unterschiedliche durchschnittliche Richtungen vertikal unter dem ersten Teil 230-1 und dem zweiten Teil 230-2 der magnetischen freien Schicht an. Um eine jeweilige durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal unter einem jeweiligen Teil 230-1, 230-2 der magnetischen freien Schicht zu bestimmen, können die x- und y-Komponenten (z.B. orthogonale Komponenten in einer Ebene parallel zu der magnetischen freien Schicht) der Magnetflussdichte, die dem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 222 zugeordnet sind, über jeweiligen Abschnitten 228, 229 der magnetischen Referenzschicht 220 integriert werden, die unter den entsprechenden Teilen 230-1, 230-2 der magnetischen freien Schicht angeordnet sind.
  • Das bedeutet, ein erster Abschnitt 228 des Volumens V1 der magnetischen Referenzschicht 220 erstreckt sich von einer oberen zu einer unteren Oberfläche der magnetischen Referenzschicht 220 und weist einen lateralen Bereich auf, der mit einem vertikalen Vorsprung des ersten Teils 230-1 der magnetischen freien Schicht auf die magnetische Referenzschicht 220 zusammenfällt. Auf ähnliche Weise erstreckt sich ein zweiter Abschnitt 229 des Volumens V2 der magnetischen Referenzschicht 220 von der oberen zu der unteren Oberfläche der magnetischen Referenzschicht 220 und weist einen lateralen Bereich auf, der mit einem vertikalen Vorsprung des zweiten Teils 230-2 der magnetischen freien Schicht auf die magnetische Referenzschicht 220 zusammenfällt. Die durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 in einem jeweiligen Abschnitt der magnetischen Referenzschicht von Volumen Vi (z.B., i = 1, 2) kann dann bestimmt werden durch Integrieren der x-Komponente Bx (z.B. der ersten Komponente) der Magnetflussdichte und der y-Komponente By (z.B. der zweiten Komponente) der Magnetflussdichte über dem jeweiligen Abschnitt 228, 229 der magnetischen Referenzschicht 220 gemäß Gleichung 1.1: B x ,i ¯ = 1 V i   ∫ V i B x ( x , y , z )   d V i ;
    Figure DE102017112546A1_0002
    und Gleichung 1.2: B y ,i ¯ = 1 V i   ∫ V i B y ( x , y , z )   d V i .
    Figure DE102017112546A1_0003
  • Ein Vergleich der integrierten (z.B., gemittelten) x-Komponente Bx,i und der integrierten (z.B., gemittelten) y-Komponente By,i der Magnetflussdichte kann dann die jeweilige durchschnittliche Richtung φi des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 222 vertikal unter (oder, abhängig von dem Aufbau des magnetischen Schichtstapels, vertikal über), einem jeweiligen Teil 230-1, 230-2 der magnetischen freien Schicht ergeben. Für den Vergleich kann die Funktion des inversen Tangens eingesetzt werden, so dass die jeweilige durchschnittliche Richtung φi gemäß Gleichung 3.1 bestimmt werden kann: φ i = { tan − 1 ( B y ,i ¯ B x ,i ¯ ) , for  B x ,i ¯ ≥ 0  and  B y ,i ¯ ≥ 0 ; tan − 1 ( B y ,i ¯ B x ,i ¯ ) + 180 ° , for  B x ,i ¯ < 0 ; tan − 1 ( B y ,i ¯ B x ,i ¯ ) + 360 ° , for  B x ,i ¯ ≥ 0  and  B y ,i ¯ < 0.  
    Figure DE102017112546A1_0004
  • Zum Beispiel fällt eine durchschnittliche Richtung von φi = 0° mit der x-Richtung, φi = 90° mit der y-Richtung, φi = 180° mit der negativen x-Richtung, und φi = 270° mit der negativen y-Richtung zusammen.
  • 3a-i zeigen mehrere Beispiele von magnetoresistiven Sensoren (in einer Draufsicht) umfassend eine magnetische Referenzschicht 320 mit einem Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss 322 einer vorbestimmten Rotationsrichtung und eine magnetische freie Schicht mit einem gesamten lateralen Bereich, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht 320. Geometrische Schwerpunkte der magnetischen freien Schicht 330 (oder unterschiedlicher Teile der magnetischen freien Schicht 330-1, 330-2, 330-3, 330-4) sind lateral versetzt im Hinblick auf geometrische Schwerpunkte der magnetischen Referenzschichten 430 der magnetoresistiven Sensoren.
  • Zum Beispiel kann für einen TMR (oder alternativ einen anderen xMR) die magnetische Referenzschicht 320 (und optional die gepinnte Schicht) des TMR eine Vortex-Struktur aufweisen (z.B. ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 322). Die magnetische freie Schicht 330 des TMR (oder Teile 330-1, 330-2, 330-3, 330-4 der magnetischen freien Schicht) kann auf eine Region der Vortex-artigen magnetisierten, magnetischen Referenzschicht 320 beschränkt sein, die die gewollte Richtung der Referenzmagnetisierung aufweist. TMR-Elemente (oder alternativ andere xMR-Elemente) mit unterschiedlichen Richtungen einer Referenzmagnetisierung können durch eine unterschiedliche Platzierung der magnetischen freien Schicht 330 (oder der Teile 330-1, 330-2, 330-3, 330-4 der magnetischen freien Schicht) realisiert werden.
  • Die magnetische freie Schicht 330 kann unterschiedlich strukturiert sein, z.B. kreisförmig, um das Erzeugen eines Vortex-artigen Magnetisierungsmusters oder eines linearen (z.B. rechteckig oder polygonal) zu ermöglichen, um im Wesentlichen homogen magnetisiert zu sein. Ferner kann die magnetische freie Schicht 330 (oder Teile 330-1, 330-2, 330-3, 330-4 der magnetischen freien Schicht) homogen magnetisiert sein, obwohl die Form kreisförmig ist, da die Erzeugung eines Vortex-artigen Magnetisierungsmusters durch die Dicke (z.B. das magnetische Moment) der magnetischen freien Schicht 330 sowie durch die SättigungsMagnetisierung des Materials der magnetischen freien Schicht 330 beeinflusst werden kann.
  • 3a zeigt eine schematische Draufsicht eines magnetoresistiven Sensors 300-A umfassend eine magnetische Referenzschicht 320 mit einem kreisförmigen, lateralen Querschnittsbereich und einem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 322. Ferner umfasst der magnetoresistive Sensor 300-A eine magnetische freie Schicht 330 mit einem kreisförmigen, lateralen Querschnittsbereich. Die magnetische freie Schicht 330 ist vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen Referenzschicht 320 derart angeordnet, dass eine durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 330 überwiegend in die y-Richtung zeigt (d.h. in Richtung φ = 90°), wie durch das Koordinatensystem angezeigt wird, das in 3A gezeigt ist.
  • Der magnetoresistive Sensor 300-B, gezeigt in 3b, ist ähnlich zu dem von 3a, die magnetische freie Schicht weist jedoch einen ersten Teil 330-1 und einen zweiten Teil 330-2, der lateral getrennt ist von dem ersten Teil 330 -1, auf Sowohl der erste als auch der zweite Teil 330-1, 330-2 der magnetischen freien Schicht umfassen kreisförmige, laterale Querschnittsbereiche. Eine erste durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil 330-1 der magnetischen freien Schicht zeigt vorwiegend in die x-Richtung (d.h. in Richtung φ = 90°). Eine zweite durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil 330-2 der magnetischen freien Schicht ist orthogonal im Hinblick auf die erste durchschnittliche Richtung und zeigt vorwiegend in die y-Richtung (d.h. in Richtung φ = 90°).
  • Der magnetoresistive Sensor 300-C, gezeigt in 3c, ist ähnlich zu dem von 3b, die magnetische freie Schicht weist jedoch einen zusätzlichen dritten Teil 330-3 mit einem kreisförmigen Querschnittsbereich auf, der lateral getrennt ist sowohl von dem ersten als auch dem zweiten Teil 330-1, 330-2. Eine dritte durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) dem dritten Teil 330-3 der magnetischen freien Schicht zeigt vorwiegend in die negative x-Richtung (d.h. in Richtung φ = 180°).
  • Natürlich können die Teile der magnetischen freien Schicht unterschiedlich über (oder unter) der magnetischen Referenzschicht (und einer optionalen gepinnten Schicht) platziert sein. Der magnetoresistive Sensor 300-D, gezeigt in 3d, ist ähnlich zu dem von 3c, jedoch sind sowohl der erste als auch der zweite Teil 330-1, 330-2 der magnetischen freien Schicht unterschiedlich im Hinblick auf die magnetische Referenzschicht 320 platziert. Folglich zeigt die erste durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vorwiegend in Richtung φ = 315° (oder -45°), während die zweite durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 322 vorwiegend in Richtung φ = 45° für die gezeigte Anordnung zeigt. Die Anordnung von 3d kann als ein equilaterales Dreieck mit Winkeln von 120° zwischen den unterschiedlichen Teilen 330-1, 330-2, und 330-3 betrachtet werden, die die Ecken des Dreiecks bilden.
  • Der magnetoresistive Sensor 300-E gezeigt in 3e ist ähnlich zu dem von 3d, die magnetische freie Schicht weist jedoch einen vierten Teil 330-4 mit einem kreisförmigen, lateralen Querschnittsbereich auf Der vierte Teil 330-4 ist lateral getrennt von dem ersten, zweiten und dritten Teil 330-1, 330-2, 330-3 der magnetischen freien Schicht. Ferner zeigt die dritte durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vorwiegend in die Richtung φ = 135°, während eine vierte durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) dem vierten Teil 330-4 der magnetischen freien Schicht vorwiegend in die Richtung φ = 225° bei der gezeigten Anordnung zeigt. Die jeweiligen φ's für 330-1 .. 330-4 sind 315°, 45°, 135°, und 225°.
  • Ferner kann die magnetische freie Schicht auch nicht kreisförmig sein, um auch eine Vortex-Magnetisierung zu ermöglichen. Ein lineares magnetisieren magnetischer freier Schichten (oder von Teilen derselben) kann stattdessen verwendet werden.
  • Der magnetoresistive Sensor 300-F, gezeigt in 3f, ist ähnlich zu dem von 3a, die magnetische freie Schicht 330 weist jedoch einen rechteckigen lateralen Querschnittsbereich auf und die durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) der magnetischen freien Schicht 330 zeigt vorwiegend in die negative y-Richtung (d.h. in Richtung φ = 270°).
  • Der magnetoresistive Sensor 300-G, gezeigt in 3g, ist ähnlich zu dem von 3f, weist aber zusätzlich einen zweiten Teil 330-2 der magnetischen freien Schicht mit einem rechteckigen, lateralen Querschnittsbereich auf. Eine durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 322 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil 330-2 der magnetischen freien Schicht zeigt vorwiegend in die y-Richtung.
  • Für den magnetoresistiven Sensors 300-H, der in 3h gezeigt ist, der ähnlich zu dem von 3g ist, ist der rechteckige, laterale Querschnittsbereich des zweiten Teils 330-2 der magnetischen freien Schicht größer als der laterale Querschnittsbereich des ersten Teils 330-1 der magnetischen freien Schicht des magnetoresistiven Sensors 300-G. Dies kann die Empfindlichkeit des magnetoresistiven Sensors 300-H im Hinblick auf den magnetoresistiven Sensors 300-G erhöhen.
  • 3i zeigt einen magnetoresistiven Sensor 300-I, dessen magnetische freie Schicht einen ersten Teil 330-1 und einen zweiten Teil 330-2 mit kreisförmigen, lateralen Querschnittsbereichen und einen dritten Teil mit einem rechteckigen, lateralen Querschnittsbereich aufweist.
  • 4A zeigt einen magnetoresistiven Sensor 400, der einem externen Magnetfeld 401 ausgesetzt ist. Der magnetoresistive Sensor 400 ist ähnlich zu dem von 3c, seine magnetische freie Schicht weist aber einen zusätzlichen vierten Teil 430-4 mit einer vierten durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 433 der Referenzschicht vertikal über (oder vertikal unter) dem vierten Teil 430-4 der magnetischen freien Schicht auf, der vorwiegend in die negative y-Richtung zeigt. Das externe Magnetfeld 401 zeigt in die negative x-Richtung. Dies verursacht, dass die Magnetisierung des ersten Teils 430-1 der magnetischen freien Schicht antiparallel zu der ersten durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 422 der magnetischen Referenzschicht 420 ausgerichtet ist.
  • Anders ausgedrückt verursacht das externe Magnetfeld 401, dass die Magnetisierung des ersten Teils 430-1 der magnetischen freien Schicht entgegengesetzt zu einer ersten Referenzmagnetisierung eines ersten Magnetowiderstands (des magnetoresistiven Sensors 400) gerichtet ist, der den ersten Teil 430-1 der magnetischen freien Schicht aufweist. Dementsprechend verursacht das externe Magnetfeld 401, dass die Magnetisierung des zweiten Teils 430-2 der magnetischen freien Schicht senkrecht zu einer zweiten Referenzmagnetisierung (gegeben durch die zweite durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss 422) eines zweiten Magnetowiderstands (des magnetoresistiven Sensors 400) gerichtet ist, der den zweiten Teil 430-2 der magnetischen freien Schicht aufweist.
  • Ferner verursacht das externe Magnetfeld 401, dass die Magnetisierung des dritten Teils 430-3 der magnetischen freien Schicht parallel zu einer dritten Referenzmagnetisierung (gegeben durch die dritte durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 422) eines dritten Magnetowiderstands (des magnetoresistiven Sensors 400) gerichtet ist, der den dritten Teil 430-3 der magnetischen freien Schicht aufweist. Ferner verursacht das externe Magnetfeld 401, dass die Magnetisierung des vierten Teils 430-4 der magnetischen freien Schicht senkrecht zu einer vierten Referenzmagnetisierung (gegeben durch die vierte durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 422) eines vierten Magnetowiderstands (des magnetoresistiven Sensors 400) gerichtet ist, der den vierten Teil 430-4 der magnetischen freien Schicht aufweist.
  • In 4b fällt das externe Magnetfeld 401 auf den magnetoresistiven Sensor 400, aber gerichtet in die negative y-Richtung. Dies verursacht, dass die Magnetisierung des ersten Teils 430-1 der magnetischen freien Schicht senkrecht zu der ersten Referenzmagnetisierung des ersten Magnetowiderstands ist, die Magnetisierung des zweiten Teils 430-2 der magnetischen freien Schicht entgegengesetzt zu der zweiten Referenzmagnetisierung des zweiten Magnetowiderstands ist, die Magnetisierung des dritten Teils 430-3 der magnetischen freien Schicht senkrecht zu der dritten Referenzmagnetisierung des dritten Magnetowiderstands ist und die Magnetisierung des vierten Teils 430-4 der magnetischen freien Schicht parallel zu der vierten Referenzmagnetisierung des vierten Magnetowiderstands des magnetoresistiven Sensors 400 ist.
  • 4c-d zeigen schematische vertikale Querschnitte (in der yz-Ebene) von unterschiedlichen möglichen Anordnungen eines magnetischen Schichtstapels des magnetoresistiven Sensors 400 aus 4a-b.
  • Der vertikale Querschnitt in 4C zeigt eine erste mögliche Stapelimplementierung: Die sogenannte „Boden-gepinnte Spin-Ventil“-Struktur (BSV-Struktur; bottom-pinned spinvalve), die eine natürliche antiferromagnetische (NAF; natural anti-ferromagnetic) Schicht 410 auf der Boden- (z.B. Substrat-) Seite aufweist. Materialien, die verwendet werden können, sind zum Beispiel Platin-Mangan (PtMn), Iridium-Mangan (IrMn) und/oder Nickel-Mangan (NiMn). Eine Filmdicke der NAF kann in dem Bereich von 5 nm bis 50 nm sein. Auf die NAF 410 wird das sogenannte „Referenzsystem“ (z.B. magnetisches Referenzsystem) abgeschieden, umfassend eine gepinnte Schicht (PL; pinned layer) 412 und die antiferromagnetisch gekoppelte (magnetische) Referenzschicht (RL; reference layer) 420. Beide Schichten (z.B. die gepinnte Schicht 412 und die die Referenzschicht 420) können ferromagnetische Materialien aufweisen, wie beispielsweise Kobalt-Eisen-Legierungen (CoFe), Kobalt-Eisen-Bor- (CoFeB) Legierungen und/oder Nickel-Eisen- (NiFe-) Legierungen. Eine nicht-magnetische Kopplungsschicht 414 dazwischen (z.B. umfassend Ruthenium und/oder Kupfer) kann eine antiferromagnetische Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida- (RKKY-) Kopplung bereitstellen, um einen künstlichen Antiferromagneten zu bilden. Die Filmdicke für die gepinnte Schicht 412 und/oder die Referenzschicht 420 kann in dem Bereich von 1 nm bis 100 nm sein. Ein spontaner Aufbau eines Vortex-artigen Magnetisierungsmusters (z.B. eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss) kann von der magnetischen Energie abhängen, gegeben durch die Geometrie (Durchmesser und Filmdicke) und das Material (Sättigungsmagnetisierung). Als Nächstes kann die Tunnelbarriereschicht 416 abgeschieden werden. Materialien der Tunnelbarriereschicht 416 können Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Magnesiumoxid (MgO) sein, zum Beispiel. Die Dicke der Tunnelbarriereschicht 416 kann z. B. in dem Bereich von 0,5 nm bis 5 nm sein. Die letzte funktionale Schicht kann die (magnetische) freie Schicht (FL; free layer) (gezeigt sind der erste Teil 430-1 und der dritte Teil 430-3 der magnetischen freien Schicht) sein, die als die Sensorschicht wirkt, die ihre Magnetisierung auf ein externes Magnetfeld in der Ebene hin ändert. Materialien der magnetischen freien Schicht können ähnlich zu den Legierungen der ferromagnetischen Materialien der gepinnten Schicht 412 und der Referenzschicht 420 PL/RL, wie z. B. CoFe, CoFeB und/oder NiFe, sein. Die magnetische freie Schicht kann ferner einen Mehrschichtstapel mit ferromagnetischem und nicht ferromagnetischem Material aufweisen. Zusätzlich können auch weitere Schichten, die nicht an dem TMR-Effekt beteiligt sind, eingeführt werden, z.B. Keimschichten zum Beeinflussen/Optimieren des Stapelwachstums oder eine niederohmige Bodenelektrode, die z.B. Kupfer aufweist. Der gesamte Stapel kann in einem Prozess abgeschieden werden und die magnetische freie Schicht und der verbleibende Stapelteil können in separaten Ätzprozessen strukturiert werden, zum Beispiel.
  • Da die magnetische freie Schicht bei dem exemplarischen magnetischen Schichtstapel von 4c über der magnetischen Referenzschicht 420 abgeschieden wird, kann das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss der magnetischen Referenzschicht 420 vertikal unter den entsprechenden Teilen der magnetischen freien Schicht existieren. Die magnetische freie Schicht ist jedoch möglicherweise nicht oben auf dem Stapel. 4D zeigt einen unterschiedlichen Aufbau des magnetischen Schichtstapels des magnetoresistiven Sensors 400, bei dem zuerst die magnetische freie Schicht abgeschieden wird (auf ein Substrat) und strukturiert wird, bevor der verbleibende Stapel abgeschieden und strukturiert wird. In diesem Fall wird der Stapel „Top-gepinntes Spin-Ventil“ (top-pinned spin valve) genannt, da das Referenzsystem oben auf dem Stapel ist. Das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss der magnetischen Referenzschicht 420 kann dann vertikal über den entsprechenden Teilen der magnetischen freien Schicht existieren.
  • Zusätzlich zu der magnetischen freien Schicht, die einen ersten Teil und einen zweiten Teil lateral getrennt von dem ersten Teil aufweist, kann die magnetische Referenzschicht 220 (z.B. der magnetoresistiven Sensoren 200-A/B) optional einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil (nicht gezeigt in 2a-b) aufweisen. Der erste Teil der magnetischen Referenzschicht 220 kann lateral getrennt von dem zweiten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Ferner kann jeder Teil der magnetischen Referenzschicht ein jeweiliges Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweisen. Zusätzlich kann ein vertikaler Vorsprung des ersten Teils der magnetischen freien Schicht auf die magnetische Referenzschicht lateral umgeben sein von einem Umfang des ersten Teils der magnetischen Referenzschicht 220. Ein vertikaler Vorsprung des zweiten Teils der magnetischen freien Schicht 230 auf die magnetische Referenzschicht 220 kann lateral umgeben sein von einem Umfang des zweiten Teils der magnetischen Referenzschicht 220.
  • Anders ausgedrückt kann der erste Teil der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder, abhängig von dem Aufbau des magnetischen Schichtstapels, vertikal unter) dem ersten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein, wobei der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein kann. Ein geometrischer Schwerpunkt des ersten Teils der magnetischen freien Schicht 230 kann möglicherweise lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt des ersten Teils der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Auf ähnliche Weise kann ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht 230 möglicherweise lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt des zweiten Teils der magnetischen Referenzschicht 220 sein. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Magnetowiderständen des magnetoresistiven Sensors 200-A/B bereitgestellt werden.
  • Dies kann zum Beispiel das Bereitstellen von zwei (oder mehr) Magnetowiderständen ermöglichen, die dieselbe Richtung der Referenzmagnetisierung aufweisen, wenn die durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss bei dem ersten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 gleich zu der durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in dem zweiten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 ist. Magnetowiderstände mit derselben Richtung der Referenzmagnetisierung können optional in Reihe geschaltet sein, was die Empfindlichkeit des magnetoresistiven Sensors 200-A/B erhöhen und/oder den Widerstand auf einen bestimmten Wert einstellen kann.
  • Ferner können auf diese Weise Magnetowiderstände umfassend separate Teil der magnetischen Referenzschicht 220 bereitgestellt werden. Dies kann bei GMR-Sensoren zum elektrischen Isolieren des ersten Teils der magnetischen freien Schicht 230 von dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 nützlich sein. Bei einem TMR-Sensor kann die Tunnelbarriereschicht den ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 von dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 elektrisch isolieren.
  • Natürlich kann auch ein Magnetowiderstand mit einer unterschiedlichen Richtung der Referenzmagnetisierung auf diese Weise bereitgestellt werden, wenn die durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss bei dem ersten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 sich von der durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in dem zweiten Teil der magnetischen Referenzschicht 220 vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 unterscheidet. Magnetowiderstände mit einer unterschiedlichen Richtung der Referenzmagnetisierung können zum Detektieren oder Messen unterschiedlicher Richtungskomponenten eines externen Magnetfeldes verwendet werden, das an den magnetoresistiven Sensor 200-A/B angelegt ist, zum Beispiel.
  • Gemäß einigen Beispielen kann ein magnetoresistiver Sensor 200-A/B, dessen magnetische freie Schicht 230 einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil aufweist, eine Brückenschaltung aufweisen. Der Brückenschaltung kann einen ersten und zumindest einen zweiten Magnetowiderstand aufweisen. Der erste Magnetowiderstand kann den ersten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweisen, während der zweite Magnetowiderstand den zweiten Teil der magnetischen freien Schicht 230 aufweisen kann.
  • Zum Beispiel kann innerhalb der Brückenschaltung der erste und der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder vertikal unter) desselben Teils der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein. Alternativ können der erste und der zweite Teil der magnetischen freien Schicht 230 vertikal über (oder vertikal unter) getrennter Teile der magnetischen Referenzschicht 220 angeordnet sein.
  • Die magnetische Referenzschicht 220 kann als ein gemeinsamer Knoten des ersten und des zweiten Magnetowiderstands der Brückenschaltung verwendet werden. Zum Beispiel kann dieser gemeinsame Knoten ein Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten (bridge bias input node) (z.B. verbunden mit einer Versorgungsspannung oder Massepotential der Brückenschaltung) sein. Alternativ kann dieser gemeinsame Knoten ein Brücken-Ausgangsknoten sein, der ein elektrisches Potential (oder eine Spannung) bereitstellt, das anzeigend für die Stärke einer Richtungskomponente eines extern auferlegten Magnetfeldes ist. Alternativ kann dieser gemeinsame Knoten eine Zwischenverbindung des ersten und zweiten Magnetowiderstands sein, wenn der erste und der zweite Magnetowiderstand in Reihe geschaltet sind, zum Beispiel.
  • Die Brückenschaltung kann einen ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenwiderstand aufweisen. Der erste Brückenwiderstand kann zwischen einen ersten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten (z.B. verbunden mit einer Versorgungsspannung) und einen ersten Brücken-Ausgangsknoten geschaltet sein. Der zweite Brückenwiderstand kann zwischen den ersten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten und einen zweiten Brücken-Ausgangsknoten geschaltet sein. Der dritte Brückenwiderstand kann zwischen den ersten Brücken-Ausgangsknoten und einen zweiten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten geschaltet sein (z.B. mit Massepotential oder einer unterschiedlichen Versorgungsspannung verbunden sein). Der vierte Brückenwiderstand kann zwischen den zweiten Brücken-Ausgangsknoten und den zweiten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten geschaltet sein. Eine Spannung (z.B. eine Brückenspannung) zwischen dem ersten und dem zweiten Brücken-Ausgangsknoten kann anzeigend sein für die Stärke einer Richtungskomponente eines extern auferlegten Magnetfeldes. Zumindest einer des ersten, zweiten, dritten und vierten Brückenwiderstands kann eine Reihenschaltung aus Magnetowiderständen aufweisen, wie vorangehend beschrieben wurde, was die Empfindlichkeit der Brückenschaltung und somit des magnetoresistiven Sensors 200-A/B erhöhen kann.
  • 5a zeigt eine Brückenschaltung 500-A eines magnetoresistiven Sensors gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung. Die Brückenschaltung 500-A umfasst einen ersten Teil 520-1 und einen zweiten Teil 520-2 einer magnetischen Referenzschicht des magnetoresistiven Sensors. Der erste Teil 520-1 der magnetischen Referenzschicht umfasst ein erstes Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss 522-1 einer vorbestimmten Rotationsrichtung (z.B. gegen den Uhrzeigersinn). Der zweite Teil 520-1 der magnetischen Referenzschicht umfasst ein zweites Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss 522-2 einer vorbestimmten Rotationsrichtung (z.B. gegen den Uhrzeigersinn). Ferner umfasst die Brückenschaltung 500-A einen ersten Teil 530-1, einen zweiten Teil 530-2, einen dritten Teil 530-3 und einen vierten Teil 530-4 einer magnetischen freien Schicht des magnetoresistiven Sensors. Der erste und der zweite Teil 530-1, 530-2 der magnetischen freien Schicht sind vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil 520-1 der magnetischen Referenzschicht angeordnet. Der dritte und der vierte Teil 530-1, 530-4 der magnetischen freien Schicht sind vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil 520-1 der magnetischen Referenzschicht angeordnet.
  • Eine erste durchschnittliche Richtung des ersten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-1 ist in entgegengesetzter y-Richtung vertikal über (oder vertikal unter) dem ersten Teil 530-1 der magnetischen freien Schicht gerichtet. Eine zweite durchschnittliche Richtung des ersten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-1 ist in der y-Richtung vertikal über (oder vertikal unter) dem zweiten Teil 530-2 der magnetischen freien Schicht gerichtet. Ein erster Brückenwiderstand der Brückenschaltung 500-A umfasst den ersten Teil 530-1 der magnetischen freien Schicht. Ein zweiter Brückenwiderstand der Brückenschaltung 500-A umfasst den zweiten Teil 530-2 der magnetischen freien Schicht. Ferner verwenden der erste und der zweite Brückenwiderstand den ersten Teil 530-1 der magnetischen Referenzschicht gemeinsam. Der erste Teil 520-1 der magnetischen Referenzschicht ist mit einem ersten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-1 der Brückenschaltung 500-A verbunden. Der erste Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-1 ist mit einer Versorgungsspannung Vdd der Brückenschaltung 500-A verbunden. Der erste Teil 530-1 der magnetischen freien Schicht ist mit einem ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 der Brückenschaltung 500-A verbunden. Der zweite Teil 530-2 der magnetischen freien Schicht ist mit einem zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 der Brückenschaltung 500-A verbunden. Somit ist der erste Brückenwiderstand zwischen den erste Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-1 und den ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 geschaltet, während der zweite Brückenwiderstand zwischen den ersten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-1 und den zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 geschaltet ist.
  • Eine erste durchschnittliche Richtung des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-2 ist in der y-Richtung vertikal über (oder vertikal unter) dem dritten Teil 530-3 der magnetischen freien Schicht gerichtet. Eine zweite durchschnittliche Richtung des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-2 ist in entgegengesetzter y-Richtung vertikal über (oder vertikal unter) dem vierten Teil 530-4 der magnetischen freien Schicht gerichtet. Ein dritter Brückenwiderstand der Brückenschaltung 500-A umfasst den dritten Teil 530-3 der magnetischen freien Schicht. Ein vierter Brückenwiderstand der Brückenschaltung 500-A umfasst den vierten Teil 530-4 der magnetischen freien Schicht. Ferner verwenden der dritte und der vierte Brückenwiderstand den zweiten Teil 520-2 der magnetischen Referenzschicht gemeinsam. Der zweite Teil 520-2 der magnetischen Referenzschicht ist mit einem zweiten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-2 der Brückenschaltung 500-A verbunden. Der zweite Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-2 ist mit Masse Gnd der Brückenschaltung 500-A verbunden, könnte alternativ aber auch mit einer anderen Versorgungsspannung unterschiedlich zu Vdd verbunden sein. Der dritte Teil 530-3 der magnetischen freien Schicht ist mit dem ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 verbunden. Der vierte Teil 530-4 der magnetischen freien Schicht ist mit dem zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 verbunden. Somit ist der dritte Brückenwiderstand zwischen den ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 und den zweiten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-2 geschaltet, während der vierte Brückenwiderstand zwischen den zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 und den zweiten Brücken-Vorspannungs-Eingangsknoten 551-2 geschaltet ist.
  • Wenn kein externes Magnetfeld oder ein externes Magnetfeld, das weder jegliche Komponente in y-Richtung noch in entgegengesetzter y-Richtung aufweist, an die Brückenschaltung 500-A angelegt ist, kann eine Spannung (z.B. eine Brückenspannung) zwischen dem ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 und dem zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 gleich Null sein, zum Beispiel. Angenommen, ein externes Magnetfeld mit einer Komponente in einer (positiven) y- Richtung wird angelegt, kann ein Widerstandswert des ersten Brückenwiderstands zunehmen, da der erste Teil 530-1 der magnetischen freien Schicht zumindest teilweise in y-Richtung magnetisiert sein kann und somit entgegengesetzt zu der ersten durchschnittlichen Richtung des ersten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-1. Andererseits kann ein Widerstandswert des dritten Brückenwiderstands abnehmen, da der dritte Teil 530-3 der magnetischen freien Schicht zumindest teilweise in y-Richtung magnetisiert sein kann, was auch die Richtung der ersten durchschnittlichen Richtung des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss 522-2 ist. Für eine positive Versorgungsspannung Vdd kann dann ein elektrisches Potential des ersten Brücken-Ausgangsknotens 552-1 abnehmen. Aus ähnlichen Gründen kann ein Widerstandswert des zweiten Brückenwiderstands abnehmen, während ein Widerstandswert des vierten Brückenwiderstands zunehmen kann. Dies verursacht, dass ein elektrisches Potential des zweiten Brücken-Ausgangsknotens 552-2 zunimmt. Das elektrische Potential des zweiten Brücken-Ausgangsknotens 552-2 kann somit zunehmen und größer sein als das elektrische Potential des ersten Brücken-Ausgangsknotens 552-1, oder anders ausgedrückt kann die Brückenspannung von dem ersten Brücken-Ausgangsknoten 552-1 zu dem zweiten Brücken-Ausgangsknoten 552-2 negativ sein. Dementsprechend kann ein extern auferlegtes Magnetfeld mit einer Komponente in negativer y-Richtung eine positive Brückenspannung verursachen. Das Vorzeichen der Brückenspannung kann somit anzeigend für den Sinn (z.B. positive oder negative y-Richtung) einer y-Komponente des extern auferlegten Magnetfeldes sein. Ferner kann die Größe der Brückenspannung anzeigend für die Stärke des extern auferlegten Magnetfeldes sein.
  • 5b zeigt eine Brückenschaltung 500-B ähnlich zu der Brückenschaltung 500-A aus 5a. Die Brückenschaltung 500-B kann durch Drehen der Brückenschaltung 500-A aus 5A um 90° im Uhrzeigersinn erhalten werden. Die Brückenschaltung 500-B kann somit zum Messen einer X-Komponente eines extern auferlegten Magnetfeldes verwendet werden. Ein exemplarischer, magnetoresistiver Sensor gemäß dieser Offenbarung kann sowohl die Brückenschaltung 500-A als auch die Brückenschaltung 500-B aufweisen, was ermöglichen kann, dass der magnetoresistive Sensor sowohl die Größe als auch die Richtung eines extern auferlegten Magnetfeldes misst.
  • 5c zeigt eine andere Brückenschaltung 500-C eines magnetoresistiven Sensors. Die Brückenschaltung 500-C kann ähnlich zu der Brückenschaltung 500-A aus 5A sein und kann zum Messen einer y-Komponente eines extern auferlegten Magnetfeldes eingesetzt werden. Im Gegensatz zu der Brückenschaltung 500-A aus 5A umfasst jeder Brückenwiderstand 554-1, 554-2, 554-3, 554-4 der Brückenschaltung 500-C zwei lateral getrennte Teile einer magnetischen Referenzschicht des magnetoresistiven Sensors. Ein jeweiliger Teil einer magnetischen freien Schicht des magnetoresistiven Sensors ist vertikal über (oder vertikal unter) jedem Teil der magnetischen Referenzschicht angeordnet. Jeder Brückenwiderstand 554-1, 554-2, 554-3, 554-4 umfasst somit zwei in Reihe geschaltete Magnetowiderstände. Dies kann die Empfindlichkeit die Brückenschaltung 500-C im Hinblick auf die Brückenschaltung 500-A a aus 5A erhöhen und/oder den Widerstandswert der Brückenschaltung erhöhen.
  • 5d zeigt eine wiederum andere Brückenschaltung 500-D eines magnetoresistiven Sensors. Die Brückenschaltung 500-D kann ähnlich zu der Brückenschaltung 500-C aus 5c sein und kann zum Messen einer y-Komponente eines extern auferlegten Magnetfeldes eingesetzt werden. Jeder Brückenwiderstand 554-1, 554-2, 554-3, 554-4 der Brückenschaltung 500-D umfasst ferner zwei lateral getrennte Teile einer magnetischen Referenzschicht des magnetoresistiven Sensors, aber im Gegensatz zu der Brückenschaltung 500-C aus 5c mit zwei lateral getrennten Teilen einer magnetischen freien Schicht des magnetoresistiven Sensors, die vertikal über (oder vertikal unter) jedem Teil der magnetischen Referenzschicht angeordnet sind. Jeder Brückenwiderstand 554-1, 554-2, 554-3, 554-4 der Brückenschaltung 500-D umfasst somit vier in Reihe geschaltete Magnetowiderstände. Dies kann die Empfindlichkeit der Brückenschaltung ist 500-D im Hinblick auf die Brückenschaltungen 500-A, 500-C aus 5a, c weiter erhöhen oder kann den Widerstandsert der Brückenschaltung erhöhen.
  • Um ein Magnetisierungsmuster mit permanent geschlossenem Fluss (z.B. ein Vortex-Magnetisierungsmuster) einer vorbestimmten Rotationsrichtung in der magnetischen Referenzschicht eines magnetoresistiven Sensors zu erzeugen oder die Bildung desselben weiter zu unterstützen, kann ein vertikaler Strompfad von der magnetischen freien Schicht (oder einem Teil der magnetischen freien Schicht) zu der magnetischen Referenzschicht bereitgestellt werden. 6A zeigt einen schematischen vertikalen Querschnitt eines magnetoresistiven Sensors 600-A mit einem solchen Strompfad. Der magnetoresistive Sensor 600-A umfasst eine magnetische freie Schicht mit einem ersten Teil 630-1 und einen zweiten Teil 630-2, der lateral getrennt ist von dem ersten Teil 630 -1. Eine erste Elektrode 661-1 des magnetoresistiven Sensors 600-A umfasst ein laterales Verdrahtungselement (z.B. eine Leiter-Leitung) und ein vertikales Verdrahtungselement (z.B. ein Via) und kontaktiert den ersten Teil 630-1 der magnetischen freien Schicht. Ein geometrischer Schwerpunkt des ersten Teils 630-1 der magnetischen freien Schicht ist lateral versetzt im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt einer magnetischen Referenzschicht 620 des magnetoresistiven Sensors 600-A. Ein Magnetowiderstand des magnetoresistiven Sensors 600-A kann den ersten Teil 630-1 der magnetischen freien Schicht zusammen mit eine Tunnelbarriereschicht 616, der magnetischen Referenzschicht 620 und einer NAF-Schicht 610 des magnetoresistiven Sensors 600-A (und einer optionalen magnetischen gepinnten Schicht und einer optionalen Kopplungsschicht, nicht gezeigt in 6A) aufweisen. Eine zweite Elektrode 661-2 des magnetoresistiven Sensors 600-A umfasst ein anderes laterales Verdrahtungselement (z.B. eine andere Leiter-Leitung) und ein anderes vertikales Verdrahtungselement (z.B. ein anderes Via) und kontaktiert den zweiten Teil 630-2 der magnetischen freien Schicht. Eine dritte Elektrode 661-3 des magnetoresistiven Sensors 600-A umfasst ein wiederum anderes laterales Verdrahtungselement (z.B. eine andere Leiter-Leitung) und ein wiederum anderes vertikales Verdrahtungselement (z.B. ein anderes Via) und kontaktiert die NAF-Schicht 610. Während der Erzeugung des Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht 620 kann ein elektrischer Strom an den magnetoresistiven Sensor 600-A angelegt sein und kann zwischen der zweiten Elektrode 661-2 und der dritten Elektrode 661-3 fließen. Eine Richtung des Stroms (z.B. von der zweiten zu der dritten Elektrode oder umgekehrt) kann die Rotationsrichtung eines Magnetfeldes einstellen, das den Strompfad umgibt und in einer Ebene mit der magnetischen Referenzschicht 620 ist. Die Rotationsrichtung dieses Magnetfeldes kann dann die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht 620 einstellen (z.B. vorbestimmen). Optional ist der Strompfad in der Mitte der Struktur (z.B. des magnetischen Schichtstapels) des magnetoresistiven Sensors 600-A angeordnet, um die Vorbestimmung der Rotationsrichtung durch das kreisförmige Feld weiter zu unterstützen, das durch den Strom durch die Mitte der Struktur erzeugt wird.
  • Zumindest einige exemplarische magnetoresistive Sensoren der vorliegenden Offenbarung können eine Tunnelbarriereschicht und ein elektrisch leitfähiges Via aufweisen. Die Tunnelbarriereschicht kann zwischen der magnetischen Referenzschicht und der magnetischen freien Schicht angeordnet sein. Das elektrisch leitfähige Via kann einen Teil (z.B. den zweiten Teil oder alternativ einen anderen Teil, z.B. einen dritten, vierten oder n-ten Teil) der magnetischen freien Schicht mit der magnetischen Referenzschicht durch die Tunnelbarriereschicht verbinden. Der Teil der magnetischen freien Schicht kann lateral umgeben sein von elektrisch isolierendem Material.
  • Dies ist für den magnetoresistiven Sensor 600-B in 6B gezeigt. Der magnetoresistive Sensor 600-B ist ähnlich zu dem magnetoresistiven Sensor 610-A von 6a. Aufgrund des elektrisch leitfähigen Vias 662 des magnetoresistiven Sensors 600-B jedoch kann der Strom, der zwischen der zweiten Elektrode 661-2 und der dritten Elektrode 661-3 zum Vorbestimmen der Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss während seiner Erzeugung fließt, zunehmen. Somit kann auch die Stärke des Magnetfeldes, das den Strom umkreist, zunehmen. Dies kann die Vorbestimmung der Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss zuverlässiger machen. Anders ausgedrückt kann der Strompfad ein Via durch das Tunneloxid aufweisen, um einen niedrigeren Widerstandswert für diesen Pfad im Vergleich zu den TMR-Strukturen zu erreichen (z.B. dem magnetoresistiven Sensor 600-A).
  • Optional kann das elektrisch leitfähige Via 662 vertikal über dem geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht 620 angeordnet sein. Dies kann ferner die Vorbestimmung der Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss zuverlässiger machen.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung in einer magnetischen Referenzschicht eines magnetischen Schichtstapels. Das Verfahren 700 umfasst ein Anlegen 710 eines externen Magnetfeldes in einer vorbestimmten Richtung an den magnetischen Schichtstapel, wodurch eine magnetische Sättigung der magnetischen Referenzschicht und einer gepinnten Schicht des magnetischen Schichtstapels verursacht wird. Ferner umfasst das Verfahren 700 das Reduzieren 720 des externen Magnetfeldes, um ein erstes Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht und ein zweites Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der gepinnten Schicht zu bilden.
  • Durch Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung in der magnetischen Referenzschicht können lokale Magnetisierungsprozesse zum Bereitstellen gewünschter Richtungen der Referenzmagnetisierung von Magnetowiderständen vermieden werden. Dies kann den Herstellungsaufwand von Magnetowiderständen und/oder magnetoresistiven Sensoren reduzieren und somit ihre Herstellungskosten reduzieren.
  • Das externe Magnetfeld kann zum Beispiel unidirektional und/oder homogen an dem magnetischen Schichtstapel sein. Durch erst Verursachen einer magnetischen Sättigung der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht und dann Reduzieren 720 des externen Magnetfeldes können sich Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht und in der gepinnten Schicht bilden. Zum Beispiel kann eine Stärke des externen Magnetfeldes zuerst über eine Annihilationsfeldstärke der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht eingestellt werden, was eine magnetische Sättigung verursachen kann. Während der magnetischen Sättigung kann die Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht unidirektional sein. Danach kann eine Stärke des externen Magnetfeldes unter eine Nukleationsfeldstärke der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht reduziert werden. Da die Richtung des externen Magnetfeldes vorbestimmt ist (z.B. in einer spezifischen lateralen Richtung und in einer Ebene mit der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht), kann das erste und zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss eine vorbestimmte Rotationsrichtung aufweisen. Das erste und zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss können entgegengesetzte Rotationsrichtungen aufweisen, zum Beispiel. Auf diese Weise kann die Rotationsrichtung des ersten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss durch das zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der gepinnten Schicht permanent in demselben Sinn gehalten werden (z.B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn).
  • Zusätzlich kann das Verfahren 700 ferner das Strukturieren, vor dem Anlegen des externen Magnetfeldes, von zumindest der magnetischen Referenzschicht aufweisen, um einen lateralen Querschnitt zu haben, der einen Hauptabschnitt und einem Vorsprungabschnitt lateral benachbart zu dem Hauptabschnitt aufweist. Nach dem Strukturieren kann das externe Magnetfeld parallel zu dem Vorsprungabschnitt angelegt sein (z.B. entlang einer Achse einer maximalen lateralen Erstreckung des Vorsprungabschnitts). Zum Beispiel kann gemäß dem Verfahren 700 der laterale Querschnitt der magnetischen Referenzschicht strukturiert sein, wie in dem Kontext von 2d-i dargestellt ist.
  • Zusätzlich kann das Verfahren 700 ferner das Pinnen des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in der gepinnten Schicht an eine natürliche antiferromagnetische Schicht des magnetischen Schichtstapels aufweisen. Auf diese Weise kann das zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss permanent in derselben Rotationsrichtung gehalten werden. Somit kann auch das erste Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss permanent in seiner Rotationsrichtung gehalten werden (z.B. entgegengesetzt zu der Rotationsrichtung des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss).
  • Zum Beispiel kann das Verfahren 700 ferner das Halten einer Temperatur des magnetischen Schichtstapels unter 200°C während dem Anlegen 710 des externen Magnetfeldes aufweisen. Nach dem Reduzieren 720 des externen Magnetfeldes kann das Verfahren 700 ferner das Erhöhen der Temperatur des magnetischen Schichtstapels auf über 240°C aber nicht über eine Sperrtemperatur der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht aufweisen. Ferner kann das Verfahren 700 das Halten der Temperatur des magnetischen Schichtstapels über 240°C für mehr als eine Stunde aufweisen, um eine antiferromagnetische Phase innerhalb der natürlichen antiferromagnetischen Schicht zu bilden, was ein Austausch-Vorspannungs-Koppeln (Exchange-Bias-Koppeln) zwischen der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht verursacht. Auf diese Weise kann das zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss an die natürliche antiferromagnetische Schicht des magnetischen Schichtstapels gepinnt werden. Die Sperrtemperatur der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht kann zumindest teilweise durch die Materialkombination der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht bestimmt werden. Die Sperrtemperatur kann als die Temperatur definiert sein, über der die gepinnte Schicht nicht (oder nicht mehr) mit der natürlichen antiferromagnetischen Schicht magnetisch gekoppelt ist.
  • Anders ausgedrückt kann dies einen möglichen Prozess für die Bildung einer Vortex-artigen Magnetisierung in einem magnetischen Referenzsystem mit einer Sperrtemperatur im Bereich von ungefähr 260°C bis ungefähr 400°C aufweisen. Zum Beispiel ist für Platin-Mangan (PtMn) als natürliches antiferromagnetisches (NAF) Material eine antiferromagnetische Phase, die einen Exchange-Bias-Effekt verursacht, um die gepinnte Schicht festzulegen, möglicherweise nicht direkt nach der Abscheidung des magnetischen Schichtstapels vorhanden. Ein Anlegen 710 des externen Magnetfeldes bis zur Sättigung des Bauelements (z.B. des magnetischen Schichtstapels) kann ohne zusätzliche Temperatur (z.B. bei Zimmertemperatur) ausgeführt werden. Eine durchschnittliche Größe der Magnetflussdichte des externen Magnetfeldes an dem magnetischen Schichtstapel kann größer sein als 200 mT (oder größer als 500 mT). Das externe Magnetfeld kann dann reduziert 720 (z.B. abgeschaltet) werden. Eine Vortex-artige Magnetisierung (z.B. des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss) kann dann spontan in der gepinnten Schicht erzeugt werden (und das erste Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss kann seinerseits in der magnetischen Referenzschicht erzeugt werden). Ohne ein zusätzliches, externes Magnetfeld kann ein Temperaturbudget (z.B. 280°C für zwei Stunden) mit einer Temperatur vorzugsweise kleiner als die Sperrtemperatur als nächstes an den magnetischen Schichtstapel angelegt werden, um die antiferromagnetische Phase der natürlichen antiferromagnetischen Schicht zu bilden. Danach kann der magnetische Schichtstapel wieder abgekühlt werden. Die Vortex-artige Magnetisierung der gepinnten Schicht (z.B. das zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss) des magnetischen Referenzsystems kann dann an die natürliche antiferromagnetische Schicht durch eine Exchange-Bias-Kopplungskraft gepinnt werden.
  • Ein alternativer Ansatz zum Pinnen der zweiten Magnetisierung mit geschlossenem Fluss an die natürliche antiferromagnetische Schicht kann das Bilden einer antiferromagnetischen Phase der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und nachfolgend Erhöhen der Temperatur des magnetischen Schichtstapels auf über die Sperrtemperatur der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht vor dem Anlegen 710 des externen Magnetfeldes aufweisen. Ferner kann dieser Ansatz das Halten der Temperatur des magnetischen Schichtstapels über der Sperrtemperatur während des Anlegens 710 des externen Magnetfeldes aufweisen.
  • Dieser alternative Prozess für die Bildung einer Vortex-artigen Magnetisierung in einem magnetischen Referenzsystem kann zum Beispiel in dem Fall angewendet werden, in dem eine antiferromagnetische Phase der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und somit die Exchange-Bias-Kopplung bereits nach der Abscheidung des magnetischen Schichtstapels vorliegt (z.B. für Iridium-Mangan (IrMn) als Material der natürlichen antiferromagnetischen Schicht). Eine Temperatur über der Sperrtemperatur kann an den magnetischen Schichtstapel angelegt werden. Die Exchange-Bias-Kopplung kann dann verschwinden und das magnetische Referenzsystem kann sich wie frei verhalten (z.B. ist über der Sperrtemperatur die Magnetisierung der gepinnten Schicht nicht an die natürliche antiferromagnetische Schicht gepinnt). Zum Beispiel kann die Sperrtemperatur für Iridium-Mangan als natürliches antiferromagnetisches Schichtmaterial von ungefähr 250°C bis 350°C reichen, während die Sperrtemperatur für Platin-Mangan als natürliches antiferromagnetisches Schichtmaterial von ungefähr 350°C bis 400°C reichen kann.
  • Während die Temperatur des magnetischen Schichtstapels über der Sperrtemperatur gehalten wird, kann das externe Magnetfeld an den magnetischen Schichtstapel angelegt 710 werden, was eine Sättigung des Bauelements (z.B. des magnetischen Schichtstapels) verursacht. Nachfolgend kann das externe Magnetfeld wieder reduziert werden (z.B. zumindest unter eine Nukleationsfeldstärke der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht). Zum Beispiel kann das externe Magnetfeld ausgeschaltet werden. Die Vortex-artige Magnetisierung (z.B. das erste und zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss) können dann spontan erzeugt werden. Danach kann die Temperatur des magnetischen Schichtstapels von über der Sperrtemperatur auf unter die Sperrtemperatur reduziert werden, um die Magnetisierung der gepinnten Schicht zu fixieren (z.B. um das zweite Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss an die natürliche antiferromagnetische Schicht durch Exchange-Bias-Kopplungskräfte zu pinnen).
  • Zusätzlich dazu kann das Verfahren 700 das Strukturieren einer magnetischen freien Schicht des magnetischen Schichtstapels aufweisen, um eine laterale Verschiebung eines geometrischen Schwerpunkts der magnetischen freien Schicht (oder von geometrischen Schwerpunkten von lateral getrennten Teilen der magnetischen freien Schicht) im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht (oder im Hinblick auf geometrische Schwerpunkte von lateral getrennten Teilen der magnetischen Referenzschicht) zu verursachen.
  • Zusätzlich dazu kann das Verfahren 700 das Bilden eines elektrisch leitfähigen Via durch eine Tunnelbarriereschicht des magnetischen Schichtstapels aufweisen. Das elektrisch leitfähige Via kann einen lateral getrennten Teil der magnetischen freien Schicht und der magnetischen Referenzschicht verbinden. Zusätzlich kann das Verfahren 700 das Leiten eines Stroms zwischen dem lateral getrennten Teil der magnetischen freien Schicht und der natürlichen antiferromagnetischen Schicht durch das elektrisch leitfähige Via aufweisen. Eine Richtung des Stroms (z.B. von der magnetischen freien Schicht zu der natürlichen antiferromagnetischen Schicht oder umgekehrt) kann die Rotationsrichtung eines Magnetfeldes einstellen, das den Strom umgibt und in einer Ebene mit der magnetischen Referenzschicht und der gepinnten Schicht ist. Die Rotationsrichtung dieses Magnetfeldes kann dann die Rotationsrichtung des ersten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht und/oder des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht einstellen (z.B. vorbestimmen). Optional kann das elektrisch leitfähige Via vertikal über (oder, abhängig von dem Aufbau des magnetischen Schichtstapels, vertikal unter) einem geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht gebildet sein.
  • Gemäß einem Beispiel kann der Prozess der Bildung der Referenzschicht folgende Schritte aufweisen: Erstens, Bringen des Elements in einen warmen Zustand und Anlegen eines externen Feldes, das das Bauelement sättigt; zweitens, Reduzieren des Feldes auf einen Pegel, wo ein Vortex gebildet wird; drittens, Reduzieren des Feldes und der Temperatur; viertens, das Feld Null erreichen lassen, während die Temperatur immer noch ausreichend ist, um die Ausrichtung der (antiferromagnetischen) Referenzschicht einzurichten; und fünftens vollständiges Abkühlen des Bauelements, was verursacht, dass die (antiferromagnetische) Referenzschicht in einen Vortex-Zustand gepinnt wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vortexmagnetisierte Referenzschicht für Winkelsensoren bereitgestellt. Dies kann das Bauen von Winkelsensoren ohne einen lokalen Magnetisierungsprozess für die Definition der Magnetisierung der gepinnten Schicht erlauben. Dies kann das Verwenden von unterschiedlichen Struktur-Geometrien der gepinnten Schicht, des Referenzsystems und/oder der freien Schicht einer xMR-Sensorstruktur aufweisen. Die gepinnte Schicht und/oder das Referenzsystem können eine Vortex-artige Magnetisierung und/oder Magnetisierung mit geschlossenem Fluss aufweisen. Der Bereich der freien Schicht kann sich von dem Bereich der gepinnten Schicht unterscheiden. Die freie Schicht kann ausgebildet sein, um einen bestimmten Bereich der gepinnten Schicht und/oder des Referenzsystems auszuwählen, um empfindlich zu sein für eine gewisse Magnetfeldkomponente. Die Position des Bereichs der freien Schicht auf der gepinnten Schicht und/oder des Bereichs des Referenzsystems kann die empfindliche Richtung definieren.
  • Zum Beispiel können TMR-basierte Strukturen mit freien Schichtregionen auf einer magnetisierten gepinnten Schicht mit geschlossenem Fluss verwendet werden, um Messungen von Magnetfeldkomponenten in unterschiedlichen Richtungen zu erhalten, wobei sich die Erstreckungen der freien Schicht von den Erstreckungen der gepinnten Schicht unterscheiden (z.B. freie Schicht < gepinnte Vortex-Schicht). Dies kann individuelle Magnetisierungsschritte für die Bildung von TMR-Sensorelementen mit unterschiedlichen gepinnten Referenzrichtungen vermeiden. Die Elemente können verbunden werden, um eine Brücke zu bilden, die funktional kompatibel mit anderen magnetoresistiven Winkelsensoren ist. Die Menge von in Reihe geschalteten Elementen kann höher sein als die 2 in jedem Zweig der Brücke, zum Beispiel.
  • Ein anderes Beispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine TMR-Struktur mit einer gepinnten Schicht und/oder Referenzsystem mit einer Vortex-artigen Magnetisierung und einer freien Schicht, die sich nur über (oder unter) einem Teil der gepinnten Schicht / des Referenzsystems erstreckt (unterschiedlich strukturierte freie Schicht). Dies kann die TMR-Herstellungskosten aufgrund der gesparten Laser-Magnetisierungsschritte reduzieren, zum Beispiel.
  • Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
  • Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren bereitstellen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen, oben beschriebenen Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren aus oder verursachen deren Ausführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren oder Steuereinheiten, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, abdecken.
  • Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich 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. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
  • Ein als „Mittel für...“ bezeichneter Funktionsblock, der eine bestimmte Funktion ausführt, kann sich auf eine Schaltung beziehen, die zum Durchführen einer bestimmten Funktion ausgebildet ist. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
  • Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Sensorsignals“, „Mittel zum Erzeugen eines Sendesignals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke kann in Form dedizierter Hardware, z. B „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor-Hardware (DSP-Hardware; DSP = Digital Signal Processor), Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbares Logik-Array (FPGA = Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM = Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory) und nichtflüchtige Speichervorrichtung (storage) umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
  • Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
  • Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
  • Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims (21)

  1. Ein magnetoresistiver Sensor (200-A, 200-B), umfassend: eine magnetische Referenzschicht (220) umfassend ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (222) einer vorbestimmten Rotationsrichtung; und eine magnetische freie Schicht (230) mit einem gesamten lateralen Bereich, der kleiner ist als ein gesamter lateraler Bereich der magnetischen Referenzschicht (220), wobei ein geometrischer Schwerpunkt der magnetischen freien Schicht (230) lateral im Hinblick auf einen geometrischen Schwerpunkt der magnetischen Referenzschicht (220) versetzt ist.
  2. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische Referenzschicht (220) einen Hauptabschnitt (224) und einen Vorsprungabschnitt (226) lateral benachbart zu dem Hauptabschnitt (224) aufweist, wobei der Hauptabschnitt (224) das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (222) aufweist, wobei ein Magnetisierungsmuster (225) des Vorsprungabschnitts (226) ausgebildet ist, um die Rotationsrichtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss (222) vorzubestimmen.
  3. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 2, wobei in der Nähe zu einer lateralen Verbindung des Vorsprungabschnitts (226) und des Hauptabschnitts (224) das Magnetisierungsmuster (225) des Vorsprungabschnitts (226) entgegengesetzt zu dem Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (222) des Hauptabschnitts (224) gerichtet ist.
  4. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 2, wobei eine Länge (227) des Vorsprungabschnitts (226) größer als zwei Mal eine Breite des Vorsprungabschnitts (226) ist.
  5. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 2, wobei sich der Vorsprungabschnitt (226) tangential zu dem Hauptabschnitt (224) erstreckt.
  6. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 2, wobei der Hauptabschnitt (224) einen rotationsmäßig symmetrischen lateralen Querschnitt aufweist.
  7. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 2, wobei eine minimale laterale Distanz zwischen der magnetischen freien Schicht (230) und dem Vorsprungabschnitt (226) größer ist als 10% einer maximalen lateralen Erstreckung des Hauptabschnitts (224).
  8. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 1, wobei das Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (222) vertikal über oder unter zumindest einem Teil (230-1, 230-2) der magnetischen freien Schicht (230) eine Komponente mit durchschnittlicher Magnetflussdichte parallel zu der magnetischen freien Schicht (230) aufweist, die unterschiedlich zu Null ist, wobei der Teil (230-1, 230-2) der magnetischen freien Schicht lateral von elektrisch isolierendem Material umgeben ist.
  9. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 1, wobei eine Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss (222) vertikal über oder unter zumindest einem Teil (230-1, 230-2) der magnetischen freien Schicht (230) sich um höchstens 90° ändert, wobei der Teil (230-1, 230-2) der magnetischen freien Schicht lateral von elektrisch isolierendem Material umgeben ist.
  10. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische freie Schicht (230) einen ersten Teil (230-1) und zumindest einen zweiten Teil (230-2) lateral getrennt von dem ersten Teil (230-1) aufweist.
  11. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 10, wobei eine erste durchschnittliche Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss (222) vertikal über oder unter dem ersten Teil (230-1) der magnetischen freien Schicht sich von einer zweiten durchschnittlichen Richtung des Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss (222) vertikal über oder unter dem zweiten Teil (230-2) der magnetischen freien Schicht unterscheidet.
  12. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 11, wobei sich die erste durchschnittliche Richtung von der zweiten durchschnittlichen Richtung um mehr als 5 Grad unterscheidet.
  13. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 10, wobei die magnetische Referenzschicht (220) einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil lateral getrennt von dem ersten Teil aufweist, wobei jeder Teil der magnetischen Referenzschicht (220) ein entsprechendes Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung aufweist, wobei ein vertikaler Vorsprung des ersten Teils (230-1) der magnetischen freien Schicht auf die magnetische Referenzschicht (220) lateral von einem Umfang des ersten Teils der magnetischen Referenzschicht (220) umgeben ist, wobei ein vertikaler Vorsprung des zweiten Teils (230-2) der magnetischen freien Schicht auf die magnetische Referenzschicht (220) lateral von einem Umfang des zweiten Teils der magnetischen Referenzschicht (220) umgeben ist.
  14. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B) gemäß Anspruch 10, ferner umfassend eine Brückenschaltung (500-A, 500-B, 500-C, 500-D), wobei die Brückenschaltung einen ersten und zumindest einen zweiten Magnetowiderstand aufweist, wobei der erste Magnetowiderstand den ersten Teil (530-1) der magnetischen freien Schicht aufweist, wobei der zweite Magnetowiderstand den zweiten Teil (530-2) der magnetischen freien Schicht aufweist.
  15. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B, 600-B) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Tunnelbarriereschicht (616) und ein elektrisch leitfähiges Via (662), wobei die Tunnelbarriereschicht (616) zwischen der magnetischen Referenzschicht (220, 620) und der magnetischen freien Schicht (230) angeordnet ist, wobei das elektrisch leitfähige Via (662) einen Teil der magnetischen freien Schicht (630-2) mit der magnetischen Referenzschicht (220) durch die Tunnelbarriereschicht (616) verbindet, wobei der Teil (630-2) der magnetischen freien Schicht lateral von elektrisch isolierendem Material umgeben ist.
  16. Der magnetoresistive Sensor (200-A, 200-B, 600-B) gemäß Anspruch 15, wobei das elektrisch leitfähige Via (662) vertikal über dem geometrischen Schwerpunkt (221) der magnetischen Referenzschicht (220, 620) angeordnet ist.
  17. Ein Verfahren (700) zum Erzeugen eines Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss einer vorbestimmten Rotationsrichtung in einer magnetischen Referenzschicht eines magnetischen Schichtstapels, das Verfahren umfassend: Anlegen (710) eines externen Magnetfeldes in einer vorbestimmten Richtung an den magnetischen Schichtstapel, wodurch eine magnetische Sättigung der magnetischen Referenzschicht und einer gepinnten Schicht des magnetischen Schichtstapels verursacht wird; und Reduzieren (720) des externen Magnetfeldes, um ein erstes Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der magnetischen Referenzschicht und ein zweites Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der gepinnten Schicht zu bilden.
  18. Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 17, ferner umfassend das Pinnen des zweiten Magnetisierungsmusters mit geschlossenem Fluss an eine natürliche antiferromagnetische Schicht des magnetischen Schichtstapels.
  19. Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 18, ferner umfassend das Halten einer Temperatur des magnetischen Schichtstapels unter 200°C während dem Anlegen (710) des externen Magnetfeldes; und nach dem Reduzieren (720) des externen Magnetfeldes, Erhöhen der Temperatur des magnetischen Schichtstapels auf über 240°C aber nicht Überschreiten einer Sperrtemperatur der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht, und Halten der Temperatur über 240°C für mehr als eine Stunde, um eine antiferromagnetische Phase innerhalb der natürlichen antiferromagnetischen Schicht zu bilden, was eine Exchange-Bias-Kopplung zwischen der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht verursacht.
  20. Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 18, ferner umfassend das Bilden einer antiferromagnetischen Phase der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und nachfolgend Erhöhen der Temperatur des magnetischen Schichtstapels auf über eine Sperrtemperatur der natürlichen antiferromagnetischen Schicht und der gepinnten Schicht vor dem Anlegen (710) des externen Magnetfeldes, und Halten der Temperatur des magnetischen Schichtstapels über der Sperrtemperatur während des Anlegens des externen Magnetfeldes.
  21. Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 17, ferner umfassend das Strukturieren, vor dem Anlegen (710) des externen Magnetfeldes, von zumindest der magnetischen Referenzschicht, um einen lateralen Querschnitt zu haben, der einen Hauptabschnitt und einen Vorsprungabschnitt lateral benachbart zu dem Hauptabschnitt aufweist, wobei das externe Magnetfeld parallel zu dem Vorsprungabschnitt angelegt (710) ist.
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