DE102019118167A1

DE102019118167A1 - Magnetoresistiver sensor mit reduzierter beanspruchungssensitivität

Info

Publication number: DE102019118167A1
Application number: DE102019118167.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Zimmer; Klemens Pruegl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-01-09
Also published as: US11346899B2; US20200011943A1; CN110690343B; CN110690343A

Abstract

Ein magnetoresistiver Sensor umfasst eine erste nicht-magnetische Schicht, eine zweite nichtmagnetische Schicht und eine magnetische freie Doppelschicht. Die magnetische freie Doppelschicht ist zwischen einer ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nichtmagnetischen Schicht angeordnet, die magnetische freie Doppelschicht umfassend eine erste magnetische freie Schicht, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist. Die erste magnetische freie Schicht ist mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt und die zweite magnetische freie Schicht ist mit der zweiten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt. Die zweite nicht-magnetische Schicht umfasst ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein magnetoresistives Sensorbauelement und auf Verfahren zur Herstellung desselben, und insbesondere auf ein magnetoresistives Sensorbauelement mit reduzierter Beanspruchungssensitivität.
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. Technologien, die magnetoresistive Effekte verwenden, werden manchmal als „xMR-Technologien“ bezeichnet, wobei das „x“ anzeigt, dass hier eine Vielzahl von Effekten adressiert werden kann, z. B. der Riesenmagnetowiderstands- (GMR-) Effekt (GMR = Giant Magnetoresistive), der Tunnelmagnetowiderstands- (TMR-) Effekt (TMR = Tunnel Magnetoresistive) oder der anisotrope magnetoresistive (AMR-) Effekt (AMR = Anisotropie Magnetoresistive), um nur einige Beispiele zu erwähnen. xMR-Effekte können bei einer Vielzahl von feldbasierten magnetoresistiven Sensoren angewandt werden, zum Beispiel zum Messen von Umdrehung, Winkeln etc.
xMR-Sensoren, und insbesondere xMR-Winkelsensoren, sollten eine Sensorschicht (freie Schicht) aufweisen, die in der Lage ist, der Richtung eines externen Dreh-Magnetfeldes ideal zu folgen. Trotzdem kann es in der Realität interne Magnetkräfte (z.B. magnetische Anisotropien) geben, die mit dem externen Magnetfeld konkurrieren, was zu einer Abweichung zwischen der der Freien-Schicht-Magnetisierung und der externen Feldrichtung führt. Folglich kann der xMR-Sensor aufgrund dieses Winkelfehlers, der durch die Abweichung verursacht wird, einen falschen Wert ausgeben. Ferromagnetische Materialien können einen magnetostriktiven Effekt, d.h. auf einem externen Magnetfeld ändert sich eine geometrische Abmessung, aufweisen. Der inverse Effekt ist der sogenannte magnetoelastische Effekt, d.h. eine Änderung einer geometrischen Abmessung führt zu der Erzeugung einer magnetischen Anisotropieachse.
Ferner kann der xMR-Sensorstapel ein sogenanntes magnetoelastisches Verhalten, d.h. bei angelegter mechanischer Beanspruchung/Belastung an den Sensorchip kann eine zusätzliche magnetische Anisotropieachse eingeführt werden, die zu einem zusätzlichen Winkelfehler führt, aufweisen. Mechanische Beanspruchung/Belastung kann auf dem Sensorchip durch den Häusungsprozess, über eine Temperatur innerhalb des Gehäuses und/oder über eine Lebensdauer des Bauelements auftreten. Somit können sich die Eigenschaften des Magnetsensors über eine Temperatur und/oder Lebensdauer ändern, was unerwünscht ist.
Daher ist möglicherweise ein Reduzieren des magnetoelastischen Verhaltens von xMR-Stapeln erwünscht, um die Sensorperformance zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für einen magnetoresistiven Sensor und einen magnetoresistiven Sensor.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem oder mehreren der Ansprüche erfüllt werden.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen magnetoresistiven Sensor, umfassend eine erste nicht-magnetische Schicht; eine zweite nicht-magnetische Schicht; und eine magnetische freie Doppelschicht (engl.: magnetic free bi-layer), die zwischen einer ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Doppelschicht eine erste magnetische freie Schicht (engl.: magnetic free layer) umfasst, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist, wobei die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist und die zweite magnetische freie Schicht mit der zweiten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist, und die zweite nichtmagnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht, umfasst.
Optional ist das nicht-magnetische Material aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt.
Wiederum optional umfasst die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, das aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist.
Optional sind die erste magnetische freie Schicht und die zweite magnetische freie Schicht jeweils aus einem Material hergestellt, das aus Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen dieser ausgewählt ist.
Wiederum optional ist die erste magnetische freie Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt und die zweite magnetische freie Schicht ist aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt.
Optional umfasst der magnetoresistive Sensor ferner eine Keimschicht (engl.: seed layer); eine Abdeckungsschicht (engl.: cap layer); und einen magnetischen Schichtstapel, der zwischen der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, der magnetische Schichtstapel umfassend die erste nicht-magnetische Schicht, die zweite nicht-magnetische Schicht und die magnetische freie Doppelschicht, wobei die zweite nicht-magnetische Schicht zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist.
Wiederum optional umfasst der magnetische Schichtstapel ferner ein magnetisches Referenzsystem, umfassend eine gepinnte Schicht (engl.: pinned layer) und eine Referenzschicht (engl.: reference layer), wobei das magnetische Referenzsystem mit der ersten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist.
Optional ist die Referenzschicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist.
Wiederum optional ist die erste magnetische freie Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt und die zweite magnetische freie Schicht ist aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt.
Optional umfasst der magnetoresistive Sensor ferner ein magnetisches Referenzsystem, umfassend eine gepinnte Schicht und eine Referenzschicht, wobei das magnetische Referenzsystem mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist.
Wiederum optional umfasst die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Optional umfasst die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Wiederum optional umfasst die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Optional umfasst das nicht-magnetische Material der zweiten nicht-magnetischen Schicht einen Atomradius innerhalb von 10% des Atomradius der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Wiederum optional umfasst das nicht-magnetische Material der ersten nicht-magnetischen Schicht einen Atomradius innerhalb von 10% des Atomradius der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Optional weist die erste nicht-magnetische Schicht eine Dicke auf, die unterschiedlich von einer Dicke der zweiten nicht-magnetischen Schicht ist.
Wiederum optional sind die erste magnetische freie Schicht und die zweite magnetische freie Schicht jeweils ausgebildet, eine Magnetisierungsrichtung derer basierend auf einem Magnetfeld, das darauf auftrifft, zu ändern.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen magnetoresistiven Sensor, umfassend eine Keimschicht; eine Abdeckungsschicht; und einen magnetischen Schichtstapel, der zwischen der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, der magnetische Schichtstapel umfassend eine erste nicht-magnetische Schicht; eine zweite nicht-magnetische Schicht; und eine magnetische freie Doppelschicht, die zwischen einer ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Doppelschicht eine erste magnetische freie Schicht umfasst, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist, wobei die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist, und die zweite magnetische freie Schicht mit der zweiten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist, wobei die zweite nicht-magnetische Schicht zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, und wobei die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius zwischen einem Atomradius der zweiten magnetischen freien Schicht und einem Atomradius von zumindest einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht, umfasst.
Optional umfasst die Keimschicht zwei Teilschichten, umfassend eine erste Teilschicht umfassend Nickel-Chrom (NiCr) und eine zweite Teilschicht aus Tantal, die Abdeckungsschicht umfasst Tantal, die erste magnetische freie Schicht ist aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt, und die zweite magnetische freie Schicht ist aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt.
Wiederum optional ist das nicht-magnetische Material der ersten nicht-magnetischen Schicht aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt , und die zweite nicht-magnetische Schicht umfasst ein nicht-magnetisches Material, das aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist.
Ausführungsbeispiele stellen ein magnetoresistives Sensorbauelement mit reduzierter Beanspruchungssensitivität bereit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein magnetoresistiver Sensor eine erste nichtmagnetische Schicht, eine zweite nicht-magnetische Schicht und eine magnetische freie Doppelschicht. Die magnetische freie Doppelschicht ist zwischen einer ersten nichtmagnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet, die magnetische freie Doppelschicht umfassend eine erste magnetische freie Schicht, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist. Die erste magnetische freie Schicht ist mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt und die zweite magnetische freie Schicht ist mit der zweiten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt. Die zweite nicht-magnetische Schicht umfasst ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein magnetoresistiver Sensor eine Keimschicht, eine Abdeckungsschicht und einen magnetischen Schichtstapel, der zwischen der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist. Der magnetische Schichtstapel umfasst eine erste nicht-magnetische Schicht, eine zweite nicht-magnetische Schicht und eine magnetische freie Doppelschicht, die zwischen der ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist. Die magnetische freie Doppelschicht umfasst eine erste magnetische freie Schicht, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist, wobei die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist, und die zweite magnetische freie Schicht mit der zweiten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist. Die zweite nicht-magnetische Schicht ist zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet. Zusätzlich umfasst die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius zwischen einem Atomradius der zweiten magnetischen freien Schicht und einem Atomradius von zumindest einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
2 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines anderen GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind nur zu darstellenden Zwecken gegeben und sollen nicht als einschränkend betrachtet werden. Zum Beispiel, während Ausführungsbeispiele als eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisend beschrieben sein können, können einige dieser Merkmale oder Elemente bei anderen Ausführungsbeispielen weggelassen sein und/oder können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu jenen bereitgestellt sein, die ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nachfolgend miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben. Zum Beispiel können Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
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.
Ferner werden entsprechende oder gleiche Elemente oder Elemente mit entsprechender oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den entsprechenden oder gleichen Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen bereitgestellt sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, gegenseitig austauschbar.
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 ferner, dass die Ausdrücke „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung eines/einer oder mehrerer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente, Komponenten und/oder einer beliebigen Gruppe davon ausschließen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ etc.).
Bei Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d.h. jegliche Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d.h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen, implementiert sein, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel , das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird.
Die Zeichnungen sollen als schematische Repräsentationen betrachtet werden und Elemente, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Stattdessen sind die verschiedenen Elemente derart dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich werden. Jegliche Verbindung oder Kopplung zwischen funktionalen Blöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physischen oder funktionalen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert sein. Funktionale Blöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination derselben implementiert sein.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme, und das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein Sensorbauelement, wie hierin beschrieben ist, kann ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches sein.
Ein Magnetfeldsensor umfasst beispielsweise ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Charakteristika eines Magnetfeldes (z.B. eine Menge an Magnetfeldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldausrichtung, etc.) messen. Das Magnetfeld kann durch einen Magneten, einen stromtragenden Leiter (z.B. einen Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle erzeugt werden. Jedes Magnetfeldsensorelement ist ausgebildet, ansprechend auf ein oder mehrere Magnetfelder, die auf das Sensorelement auftreffen, ein Sensorsignal (z.B. ein Spannungssignal) zu erzeugen. Somit ist ein Sensorsignal anzeigend für die Größe und/oder die Ausrichtung des Magnetfeldes, das auf das Sensorelement auftrifft.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“, und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung durchgehend austauschbar verwendet werden können, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung auch durchgehend austauschbar verwendet werden können.
Magnetsensoren, wie sie hierin bereitgestellt sind, können magnetoresistive Sensoren sein. Magnetowiderstand ist eine Eigenschaft eines Materials, den Wert seines elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an dasselbe angelegt wird. Einige Beispiele von magnetoresistiven Effekten sind Riesenmagnetowiderstand (GMR; GMR = Giant Magneto-Resistance), der ein quantenmechanischer Magnetowiderstandseffekt ist, der bei Dünnfilmstrukturen beobachtet wird, die aus abwechselnden ferromagnetischen und nichtmagnetischen leitfähigen Schichten zusammengesetzt sind, Tunnelmagnetowiderstand (TMR; TMR = Tunnel Magneto-Resistance), der ein magnetoresistiver Effekt ist, der bei einem Magnettunnelübergang (MTJ; MTJ = magnetic tunnel junction) auftritt, der eine Komponente bestehend aus zwei durch einen dünnen Isolator getrennten Ferromagneten ist, oder anisotroper Magneto-Widerstand (AMR; AMR = Anisotropie Magneto-Resistance), der eine Eigenschaft eines Materials ist, bei der eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von dem Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms (d.h. der Erfassungsachse) und der Richtung der Magnetisierung beobachtet wird. Zum Beispiel ändert sich in dem Fall von AMR-Sensoren ein Widerstand für ein AMR-Sensorelement gemäß einem Quadrat eines Sinus eines Winkels der Magnetfeldkomponente, die auf eine Erfassungsachse des AMR-Sensorelements projiziert wird.
Die Mehrzahl von unterschiedlichen magnetoresistiven Effekten wird gemeinhin als xMR abgekürzt, wobei das „x“ als ein Platzhalter für die verschiedenen magnetoresistiven Effekte fungiert. xMR-Sensoren können die Ausrichtung eines angelegten Magnetfeldes durch ein Messen von Sinus- und Cosinus-Winkelkomponenten mit monolithisch integrierten magnetoresistiven Sensorelementen detektieren.
Magnetoresistive Sensorelemente solcher xMR-Sensoren umfassen üblicherweise eine Mehrzahl von Schichten, von denen zumindest eine Schicht eine Referenzschicht mit einer Referenzmagnetisierung (d.h. einer Bezugsrichtung in dem Fall von GMR- oder TMR-Technologie) ist. Die Bezugsmagnetisierung ist eine Magnetisierungsrichtung, die eine Erfassungsrichtung entsprechend einer Erfassungsachse des xMR-Sensors bereitstellt. Dementsprechend, in dem Fall für ein GMR- oder TMR-Sensorelement, wenn eine Magnetfeldkomponente (z.B. eine freie Schicht) in genau dieselbe Richtung wie die Bezugsrichtung zeigt, ist ein Widerstand des xMR-Sensorelements bei einem Minimum und wenn eine Magnetfeldkomponente genau in die entgegengesetzte Richtung zu der Bezugsrichtung zeigt, ist der Widerstand des xMR-Sensorelements bei einem Maximum. Eine Magnetfeldkomponente kann beispielsweise eine x-Magnetfeldkomponente (Bx), eine y-Magnetfeldkomponente (By) oder eine z-Magnetfeldkomponente (Bz) sein, wobei die Bx- und By-Feldkomponenten in einer Ebene zu dem Magnetsensors sind und Bz außerhalb einer Ebene zu dem Magnetsensors ist.
Während die für die freie Schicht gewählten Materialien intrinsisch (d.h. als ein Bulkmaterial) magnetostriktionsfrei sein können, kann als ultradünne Schichten ein magnetostriktives/magnetoelastisches Verhalten in dem Freie-Schicht-System induziert werden. Dieser Effekt hängt von dem Material und einer Dicke der nächsten benachbarten Schicht der magnetischen freien Schicht als eine Konsequenz einer Gitterfehlanpassung zwischen den zwei Schichten (d.h. zwischen der Nachbarschicht und der magnetischen freien Schicht) ab. Die magnetische freie Schicht für einen xMR-Sensor kann aus einer Nickel-Eisen-(NiFe-)-Legierung oder einer Kobalt-Eisen-(CoFe-)-Legierung oder einer Kombination aus beiden hergestellt sein und kann in einer Doppelschichtanordnung verwendet werden, wo zwei magnetische freie Schichten verwendet werden. Insbesondere kann jede magnetische freie Schicht aus einem Material hergestellt sein, das aus Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen derselben ausgewählt ist. Legierungen können nicht-ferromagnetische Materialien (z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und/oder Sauerstoff) aufweisen, wobei ferromagnetische Materialien zumindest 50% einer Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Nach hiesigem Gebrauch, bezieht sich eine „Doppelschicht“ auf zwei benachbart angeordnete Schichten, die ein Schichtsystem bilden.
Eine Nachbarschicht kann ein Nachbarschichtsystem bilden, wo ein Ruthenium-(Ru)/Kupfer-(Cu)-Doppelschicht-Nächste-Nachbarschicht-System benachbart zu einer der magnetischen freien Schichten angeordnet ist. Durch Variieren des Dicke-Verhältnisses von Ru/Cu kann das magnetoelastische Verhalten verändert werden.
Für eine Sensoranwendung sollte die Dicke von nicht-magnetischen, aber leitfähigen Schichten so klein wie möglich sein, um zu verhindern, dass ein zu starkes Shunting das Signalverhältnis dR/R reduziert. Daher ist das Ru/Cu-Doppelschichtsystem zum Anpassen des magnetoelastischen Verhaltens für Sensoranwendungen nicht vorteilhaft.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann ein xMR-Schichtstapel, bezeichnet als ein magnetischer Schichtstapel, eine magnetische freie Doppelschicht umfassen, die zwischen zwei nicht-magnetischen Schichten angeordnet ist. Die zwei nicht-magnetischen Schichten benachbart zu der magnetischen freien Doppelschicht können als Nachbarschichten bezeichnet werden. Die magnetische freie Doppelschicht umfasst zwei benachbart angeordnete magnetische freie Schichten. Eine der nichtmagnetischen Schichten kann jeweils zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer Abdeckungsschicht oder einer Keimschicht in einer unteren Spinventil (BSV; bottom spin valve) bzw. einer oberen Spinventil (TSV; top spin valve) - Anordnung angeordnet sein.
Die Abdeckungsschicht kann aus Tantal (Ta) oder Tantal-Nitrid (TaN) hergestellt sein, aufweisend einen Atomradius von 200 pm. Die Keimschicht kann aus einer Doppelschicht aus einer Ta- oder TaN-Schicht und einer Nickel-Chrom (NiCr)-Schicht hergestellt sein, aufweisend einen Atomradius von 166 ppm.
Co(Fe) und Ni(Fe) haben ähnliche Atomradien (Gitterkonstante) von jeweils 152pm und 149pm. Eine Kupfer (Cu) -Schicht, die einen Atomradius von 145 pm aufweist, kann als eine Nachbarschicht verwendet werden, was somit nicht zu einer signifikanten Gitterfehlanpassung im Hinblick auf die magnetische(n) freie(n) Schicht(en) führt. Andererseits führt die Ta(N)-Schicht oder die NiCr-Schicht auf der anderen Seite der freien Schichten mit einem Atomradius von 200pm oder 166pm zu einer signifikanten Gitterfehlanpassung im Hinblick auf die magnetische(n) freie(n) Schicht(en) und somit zu einer möglichen Einführung eines magnetoelastischen Verhaltens. Somit wird eine andere nicht-magnetische Schicht, die einen Atomradius aufweist, der der/den magnetische(n) freie(n) Schicht(en) ähnlicher ist, als die zweite Nachbarschicht verwendet. Diese zweite Nachbarschicht kann auch als eine Anpassungsschicht bezeichnet werden.
Die Anpassungsschicht zwischen der Keim-/Abdeckungsschicht und der magnetischen freien Doppelschicht, die eine Gitterkonstante aufweist, die ähnlich zu der/den der freien Schicht(en) ist, reduziert die potenzielle Gitterfehlanpassung. Als ein Beispiel wäre eine dünne Cu (Atomradius 145pm) oder Magnesium Mg (Atomradius 145pm) -Schicht geeignet. Durch diese zusätzliche Schicht wird die Gitterfehlanpassung der freien Schicht zu den benachbarten Schichten minimiert. Folglich wird die Sensitivität gegenüber Beanspruchung/Belastung reduziert.
Dementsprechend kann der Magnetschichtstapel eine erste nicht-magnetische Schicht; eine zweite nicht-magnetische Schicht (d.h. eine Anpassungsschicht); und eine magnetische freie Doppelschicht umfassen, die zwischen der ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist, die magnetische freie Doppelschicht umfassend eine erste magnetische freie Schicht, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist. Hier ist die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt und die zweite magnetische freie Schicht ist mit der zweiten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt.
Zusätzlich, um die Gitterfehlanpassung zu minimieren, ist die zweite nicht-magnetische Schicht aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt, das einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht aufweist. Beispielsweise, wenn die zweite magnetische freie Schicht NiFe ist, das einen Atomradius von 149 pm aufweist, sollte die zweite nicht-magnetische Schicht aus einem Material hergestellt sein, das einen Atomradius innerhalb von 14,9 pm von 149 pm (d.h. 134,1-163,9 pm) aufweist. Somit kann das nicht-magnetische Material der zweiten nichtmagnetischen Schicht beispielsweise aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt werden. Zusätzlich kann zur weiteren Reduzierung der Gitterfehlanpassung das nicht-magnetische Material der zweiten nicht-magnetischen Schicht ausgewählt werden, einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht aufzuweisen.
Ähnlich kann auch das Material der ersten nicht-magnetischen Schicht ausgewählt werden, um die Gitterfehlanpassung zwischen dieser und der ersten magnetischen freien Schicht zu minimieren. Hier kann die erste nicht-magnetische Schicht aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein, das einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht aufweist. Beispielsweise, wenn die erste magnetische freie Schicht aus CoFe hergestellt ist, das einen Atomradius von 152 pm aufweist, sollte die zweite nicht-magnetische Schicht aus einem Material hergestellt sein, das einen Atomradius innerhalb von 15,2pm von 152pm (d.h. 136,8-167,2 pm) aufweist. Somit kann das nicht-magnetische Material der ersten nichtmagnetischen Schicht aus beispielsweise einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt werden. Zusätzlich kann zur weiteren Reduzierung der Gitterfehlanpassung das nicht-magnetische Material der ersten nicht-magnetischen Schicht ausgewählt werden, einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht aufzuweisen.
Nachfolgend sind einige beispielhaften Implementierungen von GMR-Strukturen beschrieben. Jedoch können ähnliche Prinzipien auf andere Arten von xMR-Sensoren, wie TMR und Ähnliche, angewendet werden. GMR-Strukturen werden häufig in einer sogenannten Strom-in-Ebene (CIP; current-in-plane) -Konfiguration betrieben, d.h. der angelegte Strom fließt parallel zu der Schichtstruktur oder zu der oberen Oberfläche des Chips. Das Anwendungsspektrum für TMR-Strukturen ist ähnlich zu GMR-Strukturen. Verglichen mit GMR-Strukturen werden TMR-Strukturen jedoch oft in einer sogenannten Strom-senkrecht-zu-Ebene (CPP; currentperpendicular-to-plane) -Konfiguration betrieben, d.h. der angelegte Strom fließt senkrecht zu der Schichtstruktur oder der oberen Oberfläche des Chips.
1 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines GMR-Stapels gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere ist der GMR-Stapel in 1 in einer unteren Spinventil-Konfiguration angeordnet.
1 zeigt ein Beispiel eines magnetischen Schichtstapels 100 eines magnetoresistiven Sensors gemäß einem Beispiel. Zum Beispiel kann der magnetische Schichtstapel 100 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, laterale Erstreckungen, laterale Verschiebungen, etc.) auf Abmessungen in der xy-Ebene. Vertikale Abmessungen beziehen sich auf Abmessungen 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 umfasst der magnetische Schichtstapel 100 eine Keimschicht 102, die genutzt wird, um das Stapelwachstum zu beeinflussen und/oder zu optimieren. Eine natürliche antiferromagnetische (NAF; natural antiferromagnetic) Schicht 104 ist auf der Keimschicht 102 angeordnet und eine ferromagnetische, gepinnte Schicht 106 ist auf der NAF-Schicht 104 angeordnet. Die NAF-Schicht 104 kann aus Platin-Mangan (PtMn), Iridium-Mangan (IrMn), Nickel-Mangan (NiMn) oder Ähnlichem hergestellt sein. Eine Filmdicke der NAF kann in dem Bereich von 5 nm bis 50 nm sein. Die gepinnte Schicht (PL; pinned layer) 106 kann aus CoFe, Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) oder Ähnlichem hergestellt sein.
Ein Kontakt zwischen der NAF-Schicht 104 und der gepinnten Schicht 106 kann einen Effekt provozieren, der als Exchange-Bias-Effekt (Austausch-Vorspannungs-Effekt) bekannt ist, der verursacht, dass sich die Magnetisierung der gepinnten Schicht 106 in eine bevorzugte Richtung (z.B. in die x-Richtung, wie gezeigt) ausrichtet. Die gepinnte Schicht 106 kann ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss in der xy-Ebene aufweisen. Dieses Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss der gepinnten Schicht 106 kann während einer Herstellung des magnetischen Schichtstapels 100 erzeugt werden und kann permanent sein. Alternativ kann die gepinnte Schicht 106 ein lineares Magnetisierungsmuster in der xy-Ebene aufweisen.
Der magnetische Schichtstapel 100 umfasst ferner eine nicht-magnetische Schicht (NML; nonmagnetic layer), die als eine Kopplungsschicht 108 bezeichnet wird. Die Kopplungsschicht 108 kann diamagnetisch sein und kann Ruthenium, Iridium, Kupfer und/oder Kupfer-Legierungen und ähnliche Materialien aufweisen, zum Beispiel. Die Kopplungsschicht 108 trennt die gepinnte Schicht 106 räumlich von der magnetischen (z. B. ferromagnetischen) Referenzschicht (RL; reference layer) 110. Die Kopplungsschicht 108 kann eine antiferromagnetische Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida- (RKKY-) Kopplung bereitstellen, um einen künstlichen Antiferromagneten zu bilden. Somit, unter Verwendung dieses Aufbaus kann sich die Magnetisierung der magnetischen Referenzschicht 110 ausrichten und in einer Richtung antiparallel zu der Magnetisierung der gepinnten Schicht 106 d.h. in die -x-Richtung, wie gezeigt ist)) gehalten werden.
Zum Beispiel, wenn die gepinnte Schicht 106 ein Magnetisierungsmuster mit im Uhrzeigersinn geschlossenem Fluss in der xy-Ebene aufweist, kann die magnetische Referenzschicht 110 eine Magnetisierungsmuster mit entgegen dem Uhrzeigersinn geschlossenem Fluss in der xy-Ebene (oder umgekehrt) aufweisen. Auf diese Weise kann die magnetische Referenzschicht 110 ein Magnetisierungsmusters mit permanent geschlossenem Fluss aufweisen. Ferner, in dem Fall, dass die gepinnte Schicht 106 ein lineares Magnetisierungsmuster in der xy-Ebene in eine bestimmte Richtung umfasst, kann die Referenzschicht 110 ein lineares Magnetisierungsmuster in einer antiparallelen Richtung umfassen. Somit bilden die gepinnte Schicht 106, die Kopplungsschicht 108 und die magnetische Referenzschicht 110 ein magnetisches Referenzsystem 111. Die Filmdicke für die gepinnte Schicht 106 und/oder die Referenzschicht 110 kann jeweils in dem Bereich von 1 nm bis 100 nm sein.
Der magnetische Schichtstapel 100 umfasst zusätzlich eine nicht-magnetische Schicht 112, die als eine Nachbarschicht bezeichnet wird, und eine magnetische freie Doppelschicht 113. Die nicht-magnetische Schicht 112 kann ein nicht-magnetisches Material wie beispielsweise Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn oder Zink aufweisen und ist zwischen der magnetischen Referenzschicht 110 und der magnetischen freien Doppelschicht 113 angeordnet. Die magnetische freie Doppelschicht 113 weist zwei magnetische freien Schichten 114 und 116 auf. Jede der magnetischen freien Schichten 114 und 116 wirkt als eine Sensorschicht, die ihre Magnetisierung bei einem externen magnetischen In-Ebene-Feld ändert. Die nicht-magnetische Schicht 112 ist direkt mit einer der magnetischen freien Schichten - in diesem Fall mit der magnetischen freien Schicht 114 - gekoppelt, ohne irgendeine Zwischenschicht dazwischen.
Die magnetischen freien Schichten 114 und 116 sind magnetisch miteinander gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann diese Kopplung eine direkte Kopplung ohne irgendeine Zwischenschicht zwischen den freien Schichten 114 und 116 sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Kopplung eine RKKY-Kopplung mit einer nicht-magnetischen Schicht (d.h. einer Kopplungsschicht) zwischen den freien Schichten 114 und 116 aufweisen. Materialien der magnetischen freien Schichten können ähnlich zu den Legierungen von ferromagnetischen Materialien der gepinnten Schicht 106 und der Referenzschicht 110 sein, wie beispielsweise CoFe, CoFeB und/oder NiFe. Insbesondere kann jede magnetische freie Schicht aus einem Material hergestellt sein, das aus Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen dieser ausgewählt ist. Legierungen können nicht-ferromagnetische Materialien aufweisen, (z. B. Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und/oder Sauerstoff), wobei ferromagnetische Materialien zumindest 50% einer Materialzusammensetzung der jeweiligen Schicht ausmachen. Bei diesem Beispiel ist die magnetische freie Schicht 114 aus CoFe hergestellt und die magnetische freie Schicht 116 ist aus NiFe hergestellt.
Jede magnetische freie Schicht (FL; free layer) 114 und 116 kann ein lineares Magnetisierungsmuster oder ein Magnetisierungsmuster mit geschlossenem Fluss (z.B. ein Vortex-Magnetisierungsmuster) aufweisen. Ferner kann die Magnetisierung jeder magnetischen freien Schicht 114 und 116 einem extern auferlegten Magnetfeld folgen. Durch eine Verwendung von zwei Sensorschichten in einer Doppelschichtanordnung kann eine Signalamplitude des xMR-Sensors erhöht/verstärkt werden.
Der magnetische Schichtstapel 100 umfasst zusätzlich eine nicht-magnetische Schicht 118, die als eine Nachbarschicht bezeichnet wird, und ferner als eine Anpassungsschicht bezeichnet wird. Die nicht-magnetische Schicht 118 kann ein nicht-magnetisches Material, wie beispielsweise Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn oder Zink aufweisen. Die nicht-magnetische Schicht 118 ist auf der magnetischen freien Doppelschicht 113 angeordnet und speziell auf der magnetischen freien Schicht 116. Somit ist die nicht-magnetische Schicht 118 direkt mit einer der magnetischen freien Schichten - in diesem Fall mit der magnetischen freien Schicht 116 - gekoppelt, ohne irgendeine Zwischenschicht dazwischen.
Eine Abdeckungsschicht 120, die aus Tantal (Ta) oder Tantal-Nitrid (TaN) hergestellt ist, ist auf der nichtmagnetischen Schicht 118 angeordnet und bildet die obere Schicht des magnetischen Schichtstapels 100.
Das Material der nichtmagnetischen Schicht 118 kann so gewählt sein, dass ihre Gitterkonstante (d.h. der Atomradius) enger an die Gitterkonstante der magnetischen freien Schicht 116 angepasst ist als an die der Abdeckungsschicht 120. Beispielsweise kann das nichtmagnetische Material der Anpassungsschicht 118 einen Atomradius zwischen einem Atomradius der magnetischen freien Schicht 116 und einem Atomradius der Abdeckungsschicht 120 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das nicht-magnetische Material der Anpassungsschicht 118 so ausgewählt sein, dass es einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius der magnetischen freien Schicht 116 aufweist. Genauer kann das nicht-magnetische Material der Anpassungsschicht 118 so ausgewählt sein, dass es einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius der magnetischen freien Schicht 116 aufweist. Der Atomradius des nichtmagnetischen Materials der Anpassungsschicht 118 kann ähnlich innerhalb eines bestimmten Bereichs (z.B. 5% oder 10%) von der magnetischen freien Schicht 114 sein.
Ähnlich kann das Material der nicht-magnetischen Schicht 112 so gewählt sein, dass ihre Gitterkonstante (d.h. der Atomradius) eng an die Gitterkonstante der magnetischen freien Schicht 114 angepasst ist. Zum Beispiel kann das nicht-magnetische Material der nicht-magnetischen Schicht 112 so ausgewählt sein, dass es einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius der magnetischen freien Schicht 114 aufweist. Genauer kann das nicht-magnetische Material der nicht-magnetischen Schicht 112 so ausgewählt sein, dass es einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius der magnetischen freien Schicht 114 aufweist. Der Atomradius des nichtmagnetischen Materials der nicht-magnetischen Schicht 112 kann ähnlich innerhalb eines bestimmten Bereichs (z.B. 5% oder 10%) von der magnetischen freien Schicht 116 sein.
Durch diese Anordnung wird die Gitterfehlanpassung der freien Schichten 114 und 116 zu den benachbarten Schichten 112 und 118 minimiert. Somit wird die Sensitivität gegenüber Beanspruchung/Belastung reduziert.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die nicht-magnetische Schicht 112 elektrisch leitfähig sein (z.B. Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Aluminium und/oder Legierungen derselben aufweisen). In diesem Fall kann der magnetoresistive Sensor, der der magnetischen Schichtstapel 100 aufweist, ein GMR-Sensor sein. Alternativ kann die nicht-magnetische Schicht 112 eine elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht (z.B. hergestellt aus Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Magnesiumoxid (MgO)) sein. Der magnetoresistive Sensor, der den magnetischen Schichtstapel 100 aufweist, kann dann ein TMR-Sensor sein. Somit können Beispiele von xMR Sensoren der vorliegenden Offenbarung den magnetischen Schichtstapel 100 aus 1 und/oder ähnliche magnetische Schichtstapel aufweisen. Magnetoresistive Sensoren sind nicht auf den GMR- oder den TMR-Effekt begrenzt. Andere Beispiele der vorliegenden Offenbarung können Strukturen, die auf anderen xMR-Effekten basieren, umfassen. Der magnetische Schichtstapel 100 kann einem Magnetowiderstand entsprechen, wie er durch zumindest einige Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung eingesetzt ist.
Wie vorangehend erwähnt wurde, zeigt die 1 einen vertikalen Querschnitt einer ersten möglichen Stapel-Implementierung: die sogenannte „Boden-gepinnte-Spinventil“-Struktur (BSV; bottom-pinned spin-valve), die eine NAF-Schicht 104 auf der unteren (z.B. Substrat) - Seite aufweist.
2 zeigt einen unterschiedlichen Aufbau des magnetischen Schichtstapels 200 des magnetoresistiven Sensors, wobei zuerst die nicht-magnetische Schicht 118 (d.h. die Anpassungsschicht) abgeschieden wird (auf ein Substrat) und danach der verbleibende Stapel abgeschieden wird. In diesem Fall wird der Stapel „Top-gepinntes Spin-Ventil“ (TSV; toppinned spin valve) genannt, da das Referenzsystem 111 auf dem oberen Abschnitt des Stapels ist. Die NAF-Schicht 104 ist auch auf der Oberseite des Stapels (d.h. abgeschieden oben auf dem Referenzsystem 111).
Die Reihenfolge der Schichten des magnetischen Schichtstapels 200 ist im Wesentlichen umgekehrt zu dem magnetischen Schichtstapel 100, der in 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme der Keimschicht 102 und der Abdeckungsschicht 120, die in beiden Anordnungen ähnlich angeordnet sind. Zusätzlich umfasst eine Keimschicht 101 in 2 eine Doppelschichtanordnung zu zwei Keimschichten oder zwei Teil-Keimschichten 102 und 103, wobei die Keimschicht 102 aus Ta oder TaN hergestellt ist, und die Keimschicht 103 aus Nickel-Chrom (NiCr) hergestellt ist, das einen Atomradius von 166pm aufweist.
In dem Fall einer Verwendung einer Doppelschicht-Anordnung für die Keimschicht 102 für eine TSV-Konfiguration ist die Anpassungsschicht 118 auf der Keimschicht 103 angeordnet. Die Anpassungsschicht 118 kann einen Atomradius zwischen dem Atomradius der Keimschicht 103 und dem Atomradius der magnetischen freien Schicht 116 aufweisen und/oder kann innerhalb eines vorbestimmten Bereichs des Atomradius der magnetischen freien Schicht 116 (z.B. innerhalb von 5 oder 10%) sein.
Während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist es für Durchschnittsfachleute offensichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Hinblick auf die angehängten Ansprüche und ihre Entsprechungen. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen ausgeführt werden (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, außer anderweitig angegeben, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen der Erfindung ausführt.
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 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.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass 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.
Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. 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 mehrere Teilschritte umfassen oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbaren Konzepte erreichen werden, ohne von dem Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, passend eingesetzt werden können. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die Bezug nehmend auf eine spezielle Figur beschrieben werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in diesen, die nicht explizit erwähnt werden. Solche Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts sollen von den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten abgedeckt sein.

Claims

Ein magnetoresistiver Sensor, umfassend: eine erste nicht-magnetische Schicht; eine zweite nicht-magnetische Schicht; und eine magnetische freie Doppelschicht, die zwischen einer ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Doppelschicht eine erste magnetische freie Schicht umfasst, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist, wobei die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist und die zweite magnetische freie Schicht mit der zweiten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist, und die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht, umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 1, wobei das nicht-magnetische Material aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 2, wobei die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material umfasst, das aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste magnetische freie Schicht und die zweite magnetische freie Schicht jeweils aus einem Material hergestellt sind, das aus Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen dieser ausgewählt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste magnetische freie Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt ist und die zweite magnetische freie Schicht aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Keimschicht; eine Abdeckungsschicht; und einen magnetischen Schichtstapel, der zwischen der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, der magnetische Schichtstapel umfassend die erste nicht-magnetische Schicht, die zweite nicht-magnetische Schicht und die magnetische freie Doppelschicht, wobei die zweite nicht-magnetische Schicht zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 6, der magnetische Schichtstapel ferner umfassend: ein magnetisches Referenzsystem, umfassend eine gepinnte Schicht und eine Referenzschicht, wobei das magnetische Referenzsystem mit der ersten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 7, wobei die Referenzschicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die erste magnetische freie Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt ist und die zweite magnetische freie Schicht aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein magnetisches Referenzsystem, umfassend eine gepinnte Schicht und eine Referenzschicht, wobei das magnetische Referenzsystem mit der ersten nichtmagnetischen Schicht gekoppelt ist.
Der magnetoresistive Sensor einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 10% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht, umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht, umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die erste nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius innerhalb von 5% eines Atomradius von zumindest einer der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht, umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: das nicht-magnetische Material der zweiten nicht-magnetischen Schicht einen Atomradius innerhalb von 10% des Atomradius der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 14, wobei das nicht-magnetische Material der ersten nicht-magnetischen Schicht einen Atomradius innerhalb von 10% des Atomradius der ersten magnetischen freien Schicht und der zweiten magnetischen freien Schicht umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste nicht-magnetische Schicht eine Dicke aufweist, die unterschiedlich von einer Dicke der zweiten nicht-magnetischen Schicht ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste magnetische freie Schicht und die zweite magnetische freie Schicht jeweils ausgebildet sind, eine Magnetisierungsrichtung derer basierend auf einem Magnetfeld, das darauf auftrifft, zu ändern.
Ein magnetoresistiver Sensor, umfassend: eine Keimschicht; eine Abdeckungsschicht; und einen magnetischen Schichtstapel, der zwischen der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, der magnetische Schichtstapel umfassend: eine erste nicht-magnetische Schicht; eine zweite nicht-magnetische Schicht; und eine magnetische freie Doppelschicht, die zwischen einer ersten nicht-magnetischen Schicht und der zweiten nicht-magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die magnetische freie Doppelschicht eine erste magnetische freie Schicht umfasst, die mit einer zweiten magnetischen freien Schicht gekoppelt ist, wobei die erste magnetische freie Schicht mit der ersten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist, und die zweite magnetische freie Schicht mit der zweiten nicht-magnetischen Schicht gekoppelt ist, wobei die zweite nicht-magnetische Schicht zwischen der magnetischen freien Doppelschicht und einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht angeordnet ist, und wobei die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material, aufweisend einen Atomradius zwischen einem Atomradius der zweiten magnetischen freien Schicht und einem Atomradius von zumindest einer aus der Keimschicht und der Abdeckungsschicht, umfasst.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 18, wobei: die Keimschicht zwei Teilschichten umfasst, umfassend eine erste Teilschicht umfassend Nickel-Chrom (NiCr) und eine zweite Teilschicht aus Tantal, die Abdeckungsschicht Tantal umfasst, die erste magnetische freie Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) hergestellt ist, und die zweite magnetische freie Schicht aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt ist.
Der magnetoresistive Sensor gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei: das nicht-magnetische Material der ersten nicht-magnetischen Schicht aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist, und die zweite nicht-magnetische Schicht ein nicht-magnetisches Material umfasst, das aus einem aus Kupfer, Magnesium, Indium, Bismut, Zinn und Zink ausgewählt ist.