DE102021106145A1

DE102021106145A1 - Magnetsensorbrücke unter verwendung von dualer freier schicht

Info

Publication number: DE102021106145A1
Application number: DE102021106145.8A
Authority: DE
Inventors: Xiaoyong Liu; Quang Le; Zhigang Bai; Daniele Mauri; Zhanjie Li; Kuok San Ho; Thao A. Nguyen; Rajeev Nagabhirava
Original assignee: Western Digital Technologies Inc
Current assignee: Western Digital Technologies Inc
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-12-30
Also published as: CN113848517A; US20210405131A1; US11275130B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Sensorvorrichtung, wie eine Magnetsensorbrücke, die eine Struktur mit dualer freier Schicht (DFL-Struktur) verwendet. Die Vorrichtung schließt eine Vielzahl von Widerständen ein, die jeweils dieselbe DFL-Struktur einschließen. Angrenzend an die DFL-Struktur befindet sich eine Magnetstruktur, die einen Permanentmagneten, eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht) mit einer synthetischen antiferromagnetischen AFM-Struktur (SAF-Struktur) darauf, einen Permanentmagneten mit einer SAF-Struktur darauf oder eine AFM-Schicht mit einer ferromagnetischen Schicht darauf einschließen kann. Die DFL-Strukturen sind mit verschiedenen Schichten der Magnetstrukturen ausgerichtet, um die Widerstände zu unterscheiden. Die unterschiedliche Ausrichtung und/oder unterschiedliche Magnetstrukturen führen zu einer Verringerung der Herstellungszeit aufgrund verringerter Komplexität und somit zu einer Kostenreduzierung.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Gebiet der Offenbarung
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf eine Wheatstone-Brückenanordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Wheatstone-Brücke ist eine elektrische Schaltung, die zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstands verwendet wird, indem zwei Zweige einer Brückenschaltung abgeglichen werden, von denen ein Zweig eine unbekannte Komponente einschließt. Die Wheatstone-Schaltung liefert im Vergleich zu einem einfachen Spannungsteiler äußerst genaue Messungen.
Die Wheatstone-Brücke schließt mehrere Widerstände ein, die insbesondere in jüngster Zeit magnetisches Material, wie Magnetsensoren, einschließen. Magnetsensoren können Hall-Effekt-Magnetsensoren, AMR-Sensoren (Anisotropy Magnetoresistive), GMR-Sensoren (Giant Magnetoresistive) und TMR-Sensoren (Tunnel Magnetoresistive) einschließen. Der TMR-Sensor weist im Vergleich zu anderen Magnetsensoren eine sehr hohe Empfindlichkeit auf.
Die Wheatstone-Brückenanordnung weist ein lineares Ausgangssignal und widersteht der Umgebungstemperatur. Jegliche Temperaturänderung in der Wheatstone-Brückenanordnung wird aufgehoben. Die Wheatstone-Brückenanordnung weist vier Widerstände auf. Zwei der Widerstände weisen den gleichen Widerstandswert auf, während die übrigen beiden Widerstände untereinander gleiche Widerstandswerte aufweisen, sich jedoch von den ursprünglichen beiden Widerständen unterscheiden.
Bei herkömmlichen GMR- oder TMR-basierten Wheatstone-Brückensensoren wird das Erreichen der unterschiedlichen Widerstände für die Widerstände dadurch erreicht, dass sie entgegengesetzte Pinning-Richtungen für zwei der Widerstände relativ zu den anderen zwei Widerständen aufweisen. Um unterschiedliche Pinning-Richtungen zu erhalten, können unterschiedliche Sensorstapel oder spezielles Tempern verwendet werden, jedoch erhöht die Herstellung von zwei unterschiedlichen Sensoren und spezielles Tempern die Produktionszeit, was teuer, komplex und zeitraubend sein kann.
Daher besteht in der Technik ein Bedarf für eine verbesserte Wheatstone-Brückenanordnung.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Sensorvorrichtung, wie eine Magnetsensorbrücke, die eine Struktur mit dualer freier Schicht (DFL-Struktur) verwendet. Die Vorrichtung schließt eine Vielzahl von Widerständen ein, die jeweils dieselbe DFL-Struktur einschließen. Angrenzend an die DFL-Struktur befindet sich eine Magnetstruktur, die einen Permanentmagneten, eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht) mit einer synthetischen antiferromagnetischen AFM-Struktur (SAF-Struktur) darauf, einen Permanentmagneten mit einer SAF-Struktur darauf oder eine AFM-Schicht mit einer ferromagnetischen Schicht darauf einschließen kann. Die DFL-Strukturen sind mit verschiedenen Schichten der Magnetstrukturen ausgerichtet, um die Widerstände zu unterscheiden. Die unterschiedliche Ausrichtung und/oder unterschiedliche Magnetstrukturen führen zu einer Verringerung der Herstellungszeit aufgrund verringerter Komplexität und somit zu einer Kostenreduzierung.
In einer Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht); und eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur), die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur, wobei jede zweite Magnetstruktur aufweist: eine zweite AFM-Schicht; und eine ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ferromagnetischen Schicht ausgerichtet.
In einer anderen Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine Magnetstruktur, wobei jede Magnetstruktur aufweist: einen ersten Permanentmagneten; und eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur), die über dem ersten Permanentmagneten angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens einen zweiten Permanentmagneten, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit dem mindestens einen zweiten Permanentmagneten ausgerichtet ist.
In einer anderen Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: mindestens einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur Folgendes aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die ein erstes Material aufweist; und eine erste ferromagnetische Schicht, die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist; und mindestens einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur, wobei jede zweite Magnetstruktur aufweist: eine zweite AFM-Schicht, die ein zweites Material aufweist, wobei sich das zweite Material von dem ersten Material unterscheidet; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist, wobei die zweite ferromagnetische Schicht gleich oder verschieden von der ersten ferromagnetischen Schicht ist. Der mindestens eine erste DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet.
In einer anderen Ausführungsform weist ein Verfahren auf: Bilden einer Vielzahl von Sensoren mit dualer freier Schicht für eine Vielzahl von Widerständen; Bedecken mindestens eines ersten Widerstands der Vielzahl von Widerständen, wobei mindestens ein zweiter Widerstand der Vielzahl von Widerständen freigelegt bleibt; Bilden entweder eines ersten Permanentmagneten oder einer ersten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen zweiten Widerstands; Freilegen des mindestens einen ersten Widerstands; Bedecken des mindestens einen zweiten Widerstands; Bilden entweder eines zweiten Permanentmagneten oder einer zweiten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen ersten Widerstands; Freilegen des mindestens einen zweiten Widerstands; und Durchführen eines Bridge-Pinning-Resets.
Figurenliste
Zur Verdeutlichung der Art und Weise, wie die vorstehend dargelegten Merkmale der vorliegenden Offenbarung im Detail verstanden werden können, kann eine ausführlichere Beschreibung der Offenbarung, die vorstehend kurz zusammengefasst ist, unter Bezugnahme auf Ausführungsformen erfolgen, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es ist jedoch zu beachten, dass in den beigefügten Zeichnungen nur typische Ausführungsformen dieser Offenbarung veranschaulicht sind und diese daher nicht als ihren Schutzumfang einschränkend anzusehen sind, da die Offenbarung andere ebenso wirksame Ausführungsformen zulassen kann.

1 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Wheatstone-Brückenanordnung.
2 ist eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brückenanordnung mit mehreren TMR-Strukturen für jeden Widerstand.
3 ist eine Querschnittsansicht eines einzelnen Lesekopfs eines Sensors mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor).
4A-4F sind schematische Darstellungen einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
5A-5F sind schematische Darstellungen einer Sensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
6A-6F sind schematische Darstellungen einer Sensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.

Zum besseren Verständnis wurden, soweit möglich, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen, die den Figuren gemein sind. Es wird in Betracht gezogen, dass die in einer Ausführungsform offenbarten Elemente ohne besondere Aufzählung vorteilhaft auf andere Ausführungsformen angewendet werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird auf die Ausführungsformen der Offenbarung verwiesen. Es versteht sich jedoch, dass die Offenbarung nicht auf bestimmte beschriebene Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen wird jede Kombination der folgenden Merkmale und Elemente, unabhängig davon, ob sie sich auf verschiedene Ausführungsformen beziehen oder nicht, zur Umsetzung und Praxis der Offenbarung in Betracht gezogen. Auch wenn Ausführungsformen der Offenbarung Vorteile gegenüber anderen möglichen Lösungen und/oder dem Stand der Technik erzielen können, bedeutet die Tatsache, ob durch eine bestimmte Ausführungsform ein besonderer Vorteil erzielt wird oder nicht, keine Einschränkung der Offenbarung. Die folgenden Gesichtspunkte, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile sind daher nur veranschaulichend und gelten nicht als Elemente oder Einschränkungen der beigefügten Ansprüche, es sei denn, sie werden ausdrücklich in einem oder mehreren Ansprüchen erwähnt. Ebenso soll eine Bezugnahme auf „die Offenbarung“ nicht als Verallgemeinerung eines hierin offenbarten erfinderischen Gegenstands ausgelegt werden und soll nicht als Element oder Einschränkung der beigefügten Ansprüche betrachtet werden, es sei denn, dies wird ausdrücklich in einem Anspruch bzw. in Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Sensorvorrichtung, wie eine Magnetsensorbrücke, die eine Struktur mit dualer freier Schicht (DFL-Struktur) verwendet. Die Vorrichtung schließt eine Vielzahl von Widerständen ein, die jeweils dieselbe DFL-Struktur einschließen. Angrenzend an die DFL-Struktur befindet sich eine Magnetstruktur, die einen Permanentmagneten, eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht) mit einer synthetischen antiferromagnetischen AFM-Struktur (SAF-Struktur) darauf, einen Permanentmagneten mit einer SAF-Struktur darauf oder eine AFM-Schicht mit einer ferromagnetischen Schicht darauf einschließen kann. Die DFL-Strukturen sind mit verschiedenen Schichten der Magnetstrukturen ausgerichtet, um die Widerstände zu unterscheiden. Die unterschiedliche Ausrichtung und/oder unterschiedliche Magnetstrukturen führen zu einer Verringerung der Herstellungszeit aufgrund verringerter Komplexität und somit zu einer Kostenreduzierung.
1 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Wheatstone-Brückenanordnung 100. Die Anordnung 100 schließt eine Vorspannungsquelle 102, einen ersten Widerstand 104, einen zweiten Widerstand 106, einen dritten Widerstand 108, einen vierten Widerstand 110, einen ersten Knoten 112 für Leitungsverbindung, einen zweiten Knoten 114 für Leitungsverbindung und eine Masseverbindung 116 ein. Eine Vorspannung wird über die Anordnung von der Vorspannungsquelle 102 an die Masseverbindung 116 angelegt. Der erste Knoten 112 und der zweite Knoten 114 erfassen die Ausgabe der angelegten Spannung. Jegliche Temperaturänderung aus den Widerständen 104, 106, 108, 110 kann aufgehoben werden.
Wie hierin erörtert, schließen die Widerstände 104, 106, 108, 110 jeweils einen DFL-Sensor ein. In einer Ausführungsform sind die Widerstände 104, 110 miteinander identisch, und die Widerstände 106, 108 sind miteinander identisch, jedoch von den Widerständen 104, 110 verschieden. Für einen DFL-Sensor in Anordnung 100 liegt die RA für die Anordnung 100 bei 100 Ohm Mikrometer².
Typische Magnetfeldsensoren verwenden MR-Vorrichtungen (Magnetoresistenz-Vorrichtungen) einer Wheatstone-Brückenschaltung. Der Sensor benötigt MR-Vorrichtungen, um in der Brücke unterschiedlich zu wechseln. Wie hierin erörtert, besteht ein neues Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors darin, identische DFL-Sensoren herzustellen, jedoch unterschiedliche Magnetstrukturen angrenzend daran zu verwenden, um die Widerstände zu differenzieren. Die Zuverlässigkeit und Leistung der DFL-Sensoren bestimmen das Magnetowiderstandsverhalten. Auf diese Weise kann in Kombination mit unterschiedlichen Magnetstrukturen, die an DFL-Sensoren angrenzen, ein perfekter Aufbau einer Wheatstone-Brücke für einen Magnetfeldsensor hergestellt werden.
2 ist eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brückenanordnung 200 mit mehreren DFL-Sensoren für jeden Widerstand R1, R2, R3, R4. R1 kann Widerstand 104 entsprechen; R2 kann Widerstand 106 entsprechen; R3 kann Widerstand 110 entsprechen; und R4 kann Widerstand 108 entsprechen. Wenn die Arbeitsfeldvorspannung auf 0 gesetzt ist, dann gilt R1=R2=R3=R4. Zusätzlich unterscheiden sich die Widerstände R1 und R3 von den Widerständen R2 und R4 basierend auf den Magnetstrukturen angrenzend an den DFL-Sensoren, um zwei unterschiedliche Magnetowiderstandsantworten bereitzustellen.
In der Anordnung 200 schließt jeder Widerstand R1, R2, R3, R4 eine Vielzahl von Magnetstrukturen angrenzend an die DFL-Sensoren ein. Insbesondere schließen in einer Ausführungsform die Widerstände R1 und R3 eine Vielzahl von DFL-Sensoren mit angrenzenden Magnetstrukturen 204 ein, und die Widerstände R2 und R4 schließen eine Vielzahl von DFL-Sensoren mit angrenzenden Magnetstrukturen 202 ein.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Sensors 300 mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor). Der DFL-Sensor 300 schließt eine untere Leitung (S1) 302, eine Keimschicht 304, eine erste freie Schicht (FL) 306, eine Sperrschicht 308, eine zweite FL 310, eine Kappe 312, eine obere Leitung (S2) 322 und Isoliermaterial 324 ein. Es versteht sich, dass andere Materialien, die nicht für jede der hierin beschriebenen Schichten aufgeführt sind, in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf die Materialien beschränkt sind, die für jede der Schichten des DFL-Sensors aufgeführt sind.
Die S1 302 und die S2 322 schließen jeweils ein elektrisch leitfähiges Material ein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Kupfer (Cu), Wolfram (W), Tantal (Ta), Aluminium (AI) und Legierungen davon einschließt. Die Dicke von S1 302 und S2 322 kann jeweils zwischen etwa 20 nm und etwa 500 nm liegen. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl Cu, W, Ta und AI als S1 302- und S2 322-Materialien beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Cu, W, Ta oder AI für S1 302 und S2 322 beschränkt sind.
Auf der S1 302 wird eine Keimschicht 304 gebildet. Die Keimschicht 304 wird durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Galvanisierung, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden. Die Keimschicht 304 schließt ein Material ein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Tantal (Ta), Wolfram (W), Ruthenium (Ru) und Legierungen davon einschließt. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl Ta, W und Ru als Keimschichtmaterialien 304 beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ta, W oder Ru für die Keimschicht 304 beschränkt sind.
Die erste FL 306 wird auf der Keimschicht 304 gebildet. Die erste FL 306 schließt einen CoFe/CoFeB/Ta/NiFe-Mehrschichtstapel ein. Die CoFe-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 3 Angström bis etwa 10 Angström aufweisen. Die CoFeB -Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 20 Angström aufweisen. Die Ta-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 0,5 Angström bis etwa 2 Angström aufweisen. Die NiFe-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 3 Angström bis etwa 300 Angström aufweisen, wie zwischen etwa 3 Angström und etwa 10 Angström oder zwischen etwa 10 Angström und etwa 300 Angström. Die erste FL 306 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe/CoFeB/Ta/NiFe als erstes FL 306-Material beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe/CoFeB/Ta/NiFe für die erste FL 306 beschränkt sind.
Die Sperrschicht 308 wird auf der ersten FL 306 gebildet. Die Sperrschicht 308 schließt ein Material wie Magnesiumoxid (MgO) mit einer Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 20 Angström ein. Es versteht sich, dass, obwohl MgO als Sperrschicht 308 beispielhaft dargestellt ist, andere Isoliermaterialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf MgO für die Sperrschicht 308 beschränkt sind.
Die zweite FL 310 wird auf der Sperrschicht 308 gebildet. Die zweite FL 310 schließt einen CoFe/CoFeB/Ta/NiFe-Mehrschichtstapel ein. Die CoFe-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 3 Angström bis etwa 10 Angström aufweisen. Die CoFeB -Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 20 Angström aufweisen. Die Ta-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 0,5 Angström bis etwa 2 Angström aufweisen. Die NiFe-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 3 Angström bis etwa 300 Angström aufweisen, wie zwischen etwa 3 Angström und etwa 10 Angström oder zwischen etwa 10 Angström und etwa 300 Angström. Die zweite FL 310 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe/CoFeB/Ta/NiFe als das zweite FL 310-Material beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe/CoFeB/Ta/NiFe für die zweite FL 310 beschränkt sind. Die magnetischen Momente für die erste FL 306 und die zweite FL 310 können aufgrund der antiparallelen Vorspannung von der synthetischen antiferromagnetischen (SAF) weichen Vorspannung (SB), die weiter unten beschrieben wird, antiparallel sein.
Die Kappe 312 ist auf der zweiten FL 310 ausgebildet. Die Kappe 312 schließt ein Material ein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Tantal (Ta), Ruthenium (Ru), Titan (Ti) und andere nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Materialien einschließt. Die Kappe 312 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Die Kappe 312 kann eine Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 100 Angström aufweisen. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl Ta, Ru und Ti als Materialien der Kappe 312 beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ta, Ru oder Ti für die Kappe 312 beschränkt sind.
Der DFL-Sensor 300 schließt weiterhin eine erste synthetische antiferromagnetische (SAF) weiche Vorspannung (SB) (z. B. eine Seitenabschirmung) ein, die eine erste untere SB 316a, einen ersten Abstandshalter 318a und eine erste obere SB 320a einschließt, und eine zweite SAF-SB, die eine zweite untere SB 316b, einen zweiten Abstandshalter 318b und eine zweite obere SB 320b einschließt.
Die erste untere SB 316a und die zweite untere SB 316b schließen ein Material ein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die NiFe, CoFe, CoNi, CoFeNi, CoFeB, Co und Legierungen davon einschließt. Die erste untere SB 316a und die zweite untere SB 316b können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Die erste untere SB 316a und die zweite untere SB 316b können jeweils eine Dicke zwischen etwa 15 Angström bis etwa 340 Angström aufweisen. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl NiFe, CoFe, CoNi, CoFeNi, CoFeB und Co als Materialien der Kappe 312 beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ta, Ru oder Ti für die Kappe 312 beschränkt sind.
Der erste Abstandshalter 318a ist auf der ersten unteren SB 316a ausgebildet, und der zweite Abstandshalter 318b ist auf der zweiten unteren SB 316b ausgebildet. Ein geeignetes Material für den ersten Abstandshalter 318a und den zweiten Abstandshalter 318b schließt Ruthenium (Ru) in einer Dicke zwischen etwa 4 Angström bis etwa 10 Angström ein. Es versteht sich, dass, obwohl Ru als Material des ersten Abstandshalters 318a und des zweiten Abstandshalters 318b beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ru für den ersten Abstandshalter 318a und den zweiten Abstandshalter 318b beschränkt sind.
Die erste obere SB 320a und die zweite obere SB 320b schließen ein Material ein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die NiFe, CoFe, CoNi, CoFeNi, CoFeB, Co und Legierungen davon einschließt. Die erste obere SB 320a und die zweite obere SB 320b können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Die erste obere SB 320a und die zweite obere SB 320b können jeweils eine Dicke zwischen etwa 15 Angström bis etwa 340 Angström aufweisen. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl NiFe, CoFe, CoNi, CoFeNi, CoFeB und Co als Materialien der ersten oberen SB 320a und zweiten oberen SB 320b beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf NiFe, CoFe, CoNi, CoFeNi, CoFeB und Co für die erste obere SB 320a und die zweite obere SB 320b beschränkt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann sowohl auf dem ersten oberen SB 320a als auch auf dem zweiten oberen SB 320b eine Verkappungsschicht, ähnlich der Kappe 312, ausgebildet sein. Die Verkappungsschicht kann eine Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 100 Angström aufweisen.
Das Isoliermaterial 324 kann in dem DFL-Sensor 300 angeordnet sein, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen der S1 302, der Keimschicht 304, der ersten FL 306, der Sperrschicht 308, der zweiten FL 310, der Kappe 312, der S2 322, der ersten SAF-SB und der zweiten SAF-SB vermieden werden kann. Geeignete Materialien für die Isolierschicht 324 schließen dielektrische Materialien wie Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Siliciumnitrid ein. Die Isolierschicht 324 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Atomlagenabscheidung (ALD) oder Sputtern gebildet werden. Die Isolierschicht 324 kann eine Dicke zwischen etwa 10 Angström bis etwa 700 Angström aufweisen.
In einer Ausführungsform sind die erste untere SB 316a und die zweite untere SB 318b identisch. Ferner sind die erste obere SB 320a und die zweite obere SB 320b identisch. Außerdem sind der erste Abstandshalter 318a und der zweite Abstandshalter 318b identisch.
4A ist eine schematische Draufsichtdarstellung einer Sensorvorrichtung 400 gemäß einer Ausführungsform. Gesichtspunkte der Wheatstone-Brückenanordnung 200 von 2 können den in 4A beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein. Zum Beispiel kann der erste Widerstand 402 R4, der zweite Widerstand 404 R1, der dritte Widerstand 406 R3 und der vierte Widerstand 408 R2 entsprechen. Zusätzlich unterscheiden sich der erste Widerstand 402 und der vierte Widerstand 408 von dem zweiten Widerstand 404 und dem dritten Widerstand 406 basierend auf den DFL-Sensoren mit unterschiedlichen angrenzenden Magnetstrukturen, die zwei unterschiedliche Magnetowiderstandsantworten bereitstellen.
Der erste Widerstand 402 und der vierte Widerstand 408 schließen jeweils antiferromagnetische/ferromagnetische Strukturen (AFM/FM-Strukturen) 410a, 410b und einen DFL-Sensor 412 ein. Wie nachstehend erörtert wird, ist der DFL-Sensor 412 angrenzend an die AFM/FM-Strukturen 410a, 410b angeordnet. Der DFL-Sensor 412 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein. Die AFM/FM-Strukturen 410a, 410b sind Mehrschichtstrukturen, worin die Basisschicht eine AFM-Schicht ist und der FM-Anteil eine ferromagnetische Struktur ist, die auf der AFM-Schicht ausgebildet ist. Die Pinning-Richtung der FM-Schicht wird durch Herunterkühlen von der Blockiertemperatur des AFM auf Raumtemperatur in einem nach unten gerichteten globalen Magnetfeld gesetzt. Aufgrund der Austauschvorspannung zwischen AFM- und FM-Schichten wird die FM-Schicht während des Temperprozesses etwa in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld ausgerichtet. Die Richtung des Magnetfeldes der AFM/FM-Strukturen 410a, 410b wird durch die Pfeile der AFM/FM-Strukturen 410a, 410b veranschaulicht.
Die AFM-Schicht der AFM/FM-Strukturen 410a, 410b kann IrMn, FeMn, NiMn, PdMn oder PtMn in einer Dicke zwischen etwa 40 Angström bis etwa 500 Angström einschließen. Die AFM-Schicht kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl IrMn, FeMn, NiMn, PdMn und PtMn als Materialien der AFM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf IrMn, FeMn, PdMn, NiMn oder PtMn für die AFM-Schicht beschränkt sind.
Die FM-Schicht der AFM/FM-Strukturen 410a, 410b kann CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi, andere weiche oder harte ferromagnetische Materialien oder andere Heusler-Legierungen in einer Dicke einschließen, die gleich oder größer als die Dicke des DFL-Sensors ist, und die typische Dicke liegt zwischen etwa 100 Angström bis etwa 1000 Angström. Die FM-Schicht kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi und Heusler-Legierungen als Materialien der FM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi oder Heusler-Legierungen für die FM-Schicht beschränkt sind. Geeignete Materialien für die Abstandshalterschicht werden nachstehend erörtert.
Der zweite Widerstand 404 und der dritte Widerstand 406 schließen jeweils AFM/SAF-Strukturen 414a, 414b und einen DFL-Sensor 412 ein. Der DFL-Sensor 412 ist angrenzend an die AFM/SAF-Strukturen 414a, 414b angeordnet. Der DFL-Sensor 412 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein.
4B und 4C sind schematische Querschnittsdarstellungen von Widerstandselementen 420, 430 der TMR-Sensorvorrichtung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Widerstandselemente 420, 430 können beliebige der Widerstände 402, 404, 406, 408 sein. Zwei der Widerstände 402, 408 weisen identische Widerstandselemente 420 auf, während die übrigen beiden Widerstände 404, 406 identische Widerstandselemente 430 aufweisen. 4B veranschaulicht das Widerstandselement 420. Das Widerstandselement 420 schließt eine Magnetstruktur 414 angrenzend an einen DFL-Sensor 412 ein. Die Magnetstruktur 414 schließt eine AFM-Schicht 422 mit einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur (SAF-Struktur) 421 darüber ein. Die SAF-Struktur 421 schließt eine erste ferromagnetische Schicht (FM1-Schicht) 424, die auf oder über der AFM-Schicht 422 angeordnet ist, eine Abstandshalterschicht 426, die auf oder über der FM1-Schicht 424 angeordnet ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht (FM2-Schicht) 428, die auf der Abstandshalterschicht 426 angeordnet ist, ein. Die Abstandshalterschicht 426 ist eine Metallschicht mit einer bestimmten Dicke, sodass die FM1-Schicht 424 und die FM2-Schicht 428 antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind. In einer Ausführungsform ist die DFL 412 bei Betrachtung im Querschnitt linear auf die FM2-Schicht 428 ausgerichtet, wie in 4B dargestellt. 4C veranschaulicht das Widerstandselement 430. Das Widerstandselement 430 schließt den DFL-Sensor 412 angrenzend an eine Magnetstruktur 432 ein. Die Magnetstruktur 432 schließt eine AFM-Schicht 422 mit einer ferromagnetischen Schicht (FM-Schicht) 434 darauf ein. Der DFL-Sensor 412 ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der FM-Schicht 434 ausgerichtet. Die Pinning-Richtung der FM2-Schicht 428 wird durch denselben Kühlprozess in den Magnetstrukturen 414, 432 gesetzt. Aufgrund der Austauschvorspannung zwischen der AFM-Schicht 422 und der FM1-Schicht 424 und der Austauschvorspannung zwischen der AFM-Schicht 422 und der FM-Schicht 434 sind die FM1-Schicht 424 und die FM-Schicht 434 während des Temperprozesses etwa in die gleiche Richtung ausgerichtet wie das Magnetfeld, und die FM2-Schicht 428 ist in die entgegengesetzte Richtung wie das Magnetfeld oder in die entgegengesetzte Richtung wie die FM-Schicht 434 in dem Widerstandselement 430 ausgerichtet. Die Richtung des Magnetfeldes der Magnetstrukturen 414, 432 wird durch die Pfeile der AFM/FM-Strukturen 410a, 410b veranschaulicht.
Die unterschiedlichen Magnetstrukturen 414, 432 für die Widerstandselemente 420, 430 in unterschiedlichen Widerständen 402, 404, 406, 408 führen zu unterschiedlichen Widerständen 402, 404, 406, 408. Zum Beispiel können die Widerstände 402, 408 ein oder mehrere Widerstandselemente 420 aufweisen, während die Widerstände 404, 406 ein oder mehrere Widerstandselemente 430 aufweisen. Alternativ können die Widerstände 402, 408 ein oder mehrere Widerstandselemente 430 aufweisen, während die Widerstände 404, 406 ein oder mehrere Widerstandselemente 420 aufweisen. Durch die Verwendung des gleichen DFL-Sensors 412 für die Widerstandselemente 420, 430, jedoch unter Verwendung einer anderen dazu angrenzenden Magnetstruktur, wird die Herstellung der Widerstände vereinfacht.
Die AFM-Schicht 422 kann IrMn, FeMn, NiMn, PdMn oder PtMn in einer Dicke zwischen etwa 40 Angström bis etwa 500 Angström einschließen. Die AFM-Schicht kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl IrMn, FeMn, NiMn, PdMn und PtMn als Materialien der AFM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf IrMn, FeMn, PdMn, NiMn oder PtMn für die AFM-Schicht beschränkt sind.
Die SAF-Struktur 421 schließt eine FM1-Schicht 424, eine Abstandshalterschicht 426 und eine FM2-Schicht 428 ein. Die FM1-Schicht 424, die FM2-Schicht 428 und die FM-Schicht 434 können CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi, andere weiche oder harte ferromagnetische Materialien, oder anderen Heusler-Legierungen in einer Dicke, die gleich oder größer als die Dicke des DFL-Sensors ist, und die typische Dicke liegt zwischen etwa 100 Angström bis etwa 1000 Angström, als Magnetschichten mit einer Abstandshalterschicht dazwischen einschließen. Die FM1-Schicht 424 und die FM2-Schicht 428 können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi und Heusler-Legierungen als Materialien der FM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi oder Heusler-Legierungen für die FM1-Schicht 424 und FM2-Schicht 426 beschränkt sind.
Ein geeignetes Material für die Abstandshalterschicht 426 schließt Ruthenium (Ru) in einer Dicke zwischen etwa 4-5 Angström oder 8-9 Angström ein. Es versteht sich, dass, obwohl Ru als Material der Abstandshalterschicht 426 beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ru für die Abstandshalterschicht 426 beschränkt sind. Die Magnetisierungsrichtung der FM1-Schicht 424 liegt aufgrund der antiparallelen Kopplung mit der Abstandshalterschicht 426 entgegengesetzt zur Magnetisierungsrichtung der FM2-Schicht 428.
4D-4F sind schematische Darstellungen von Widerständen 440, 450, 460 einer DFL-Sensorvorrichtung 400 gemäß einer Ausführungsform. Die Widerstände 440, 450, 460 können beliebige der Widerstände 402, 404, 406, 408 von 4A sein. Die AFM-Stapel (die als Magnetstruktur oder MS bezeichnet werden können) 442a-442c, 452a-452i, 462a-462f können entweder die AFM/FM-Strukturen 410a, 410b oder die AFM/SAF-Strukturen 414 sein. Die DFLs 444a-444f, 454a-454f, 464a-464f können der DFL-Sensor 300 von 3 sein. Die Anzahl der Zeilen und die Anzahl der Spalten der in den 4D-4F veranschaulichten AFM-Stapel soll nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen. Gleichermaßen sollen die Anzahl der Zeilen und die Anzahl der Spalten der DFLs, die in den 4D-4F veranschaulicht sind, nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen.
In 4D schließt der Widerstand 440 eine erste Magnetstruktur 442a, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 444a-444c, eine zweite Magnetstruktur 442b, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 444d-444f und eine dritte Magnetstruktur 442c ein. In einer Ausführungsform weisen die Magnetstrukturen 442a-442c die gleiche Größe auf wie drei der DFL-Sensoren 444a-444c kombiniert.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 444a-444f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 444a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 444b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL 444b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 444c verbunden, und so weiter.
Da die Vielzahl von DFL-Sensoren 444a-444f in Reihe geschaltet ist, kann eine einzelne gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Sensoren gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 4D kann eine beliebige der Magnetstrukturen 442a-442c sein. Zum Beispiel können die erste Magnetstruktur 442a und die zweite Magnetstruktur 442b auf den ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 444a-444c wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 442a dem ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 444a-444c auferlegt wird. Aufgrund des gleichen globalen Magnetfeldes werden der vierte, fünfte, sechste DFL-Sensore 444d-444f durch Magnetstrukturen 442b, 442c in die gleiche Richtung wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 444a-444c vorgespannt.
In 4E schließt der Widerstand 450 eine Vielzahl von Magnetstrukturen 452a-452c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 454a-454c, eine Vielzahl von Magnetstrukturen 452d-452f, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 454d-454f und eine Vielzahl von Magnetstrukturen 452g-452i ein. In einer Ausführungsform weist die Magnetstruktur die gleiche Größe wie jeder der DFL-Sensoren auf.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 454a-454f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 454a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 454b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL 454b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 454c verbunden, und so weiter.
Jeder einzelne der DFL-Sensoren 454a-454f wird separat durch jedes Paar von Magnetstrukturen 452a-452i oben und unten vorgespannt. Zum Beispiel kann auf den ersten DFL-Sensor 454a durch die Magnetstruktur 452a oben und die Magnetstruktur 452d unten eingewirkt werden, wobei die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 452a dem ersten DFL-Sensor 454a auferlegt wird und die Richtung des Magnetfelds der Magnetstruktur 452d dem ersten DFL-Sensor 454a auferlegt wird. Aufgrund des gleichen globalen Magnetfeldes sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 454d-454f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 454a.
In 4F schließt der Widerstand 460 eine Vielzahl von Magnetstrukturen 462a-462c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 464a-464c, eine vierte Magnetstruktur 462d, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 464d-464f und eine Vielzahl von Magnetstrukturen 462g-462f ein. In einer Ausführungsform hat die Magnetstruktur die gleiche Größe wie einer der DFL-Sensoren, zwei der DFL-Sensoren und/oder drei der DFL-Sensoren. Die zuvor aufgeführten Größen sollen nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform bereitstellen. Zum Beispiel hat eine erste Magnetstruktur 462a die gleiche Größe wie ein erster DFL-Sensor 464a, eine vierte Magnetstruktur 462d hat die gleiche Größe wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 464a, 464b, 464c kombiniert, und eine sechste Magnetstruktur 462f hat die gleiche Größe wie der vierte und fünfte DFL-Sensor 464d-464e kombiniert.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 464a-464f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 464a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 464b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 464b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 464c verbunden, und so weiter.
Da die Vielzahl von DFL-Sensoren in Reihe geschaltet ist, kann eine einzige gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Sensoren gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 4F kann eine beliebige der Magnetstrukturen 462a-462f sein. Zum Beispiel kann die erste Magnetstruktur 462a auf den ersten DFL-Sensor 454a wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 462a dem ersten DFL-Sensor 464a auferlegt wird. Aufgrund des gleichen globalen Magnetfeldes sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 464d-464f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 464a.
5A ist eine schematische Draufsichtdarstellung einer Sensorvorrichtung 500 gemäß einer anderen Ausführungsform. Gesichtspunkte der Wheatstone-Brückenanordnung 200 von 2 können den in 5A beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein. Zum Beispiel kann der erste Widerstand 502 R4, der zweite Widerstand 504 R1, der dritte Widerstand 506 R3 und der vierte Widerstand 508 R2 entsprechen. Zusätzlich unterscheiden sich der erste Widerstand 502 und der vierte Widerstand 508 von dem zweiten Widerstand 504 und dem dritten Widerstand 506 basierend auf den DFL-Sensoren, die an unterschiedliche Magnetstrukturen angrenzen, um zwei unterschiedliche Magnetowiderstandsantworten bereitzustellen.
Der erste Widerstand 502 und der vierte Widerstand 508 schließen jeweils einen Permanentmagneten 510a, 510b und einen DFL-Sensor 512 ein. Der DFL-Sensor 512 ist angrenzend an den PM 510a, 510b angeordnet. Der DFL-Sensor 512 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein. Das Magnetfeld des PM 510a, 510b wird um ein globales Magnetfeld gesetzt, das größer ist als die nach unten gerichtete Koerzitivfeldstärke von PM. Die Richtung des Magnetfeldes des PM 510a, 510b wird durch die Pfeile des PM 510a, 510b veranschaulicht.
Der zweite Widerstand 504 und der dritte Widerstand 506 schließen jeweils eine PM/SAF-Struktur 514 und einen DFL-Sensor 512 ein. Der DFL-Sensor 512 ist angrenzend an die PM/SAF-Struktur 514 angeordnet. Der DFL-Sensor 512 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein.
5B und 5C sind schematische Darstellungen von Widerstandselementen 520, 530 der Widerstände 502, 504, 506, 508 der Sensorvorrichtung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Widerstandselement 520 schließt eine PM/SAF-Struktur 514 und eine DFL 512 ein. Das Widerstandselement 530 schließt einen PM 532 und den DFL-Sensor 512 ein. Die PM/SAF-Struktur 514 schließt einen PM 522 mit einer SAF 521 darüber ein. Die SAF 521 schließt eine FM1-Schicht 524, die auf oder über dem PM 522 angeordnet ist, eine Abstandshalterschicht 526, die auf oder über der FM1-Schicht 524 angeordnet ist, und eine FM2-Schicht 528, die auf oder über der Abstandshalterschicht 526 angeordnet ist, ein. In einer Ausführungsform ist der DFL-Sensor 512 auf die FM2-Schicht 528 ausgerichtet, wie in 5B dargestellt. Die magnetische Ausrichtung der FM2-Schicht wird durch den gleichen Feldsetzprozess wie vorstehend erörtert gesetzt. Aufgrund starker Kopplung zwischen PM 522 und der FM1-Schicht 524 ist die FM1-Schicht 524 während des Feldresetprozesses etwa in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld ausgerichtet, und die FM2-Schicht 528 ist in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet. Die Richtung des Magnetfeldes der FM2-Schicht 528 in der Magnetstruktur 514 wird durch die Pfeile der PM/SAF-Strukturen 514a, 514b veranschaulicht.
PM 522 ist aus einem Material mit hoher Koerzitivfeldstärke ausgebildet, wie einem Material, das eines oder mehrere von Co, Pt und/oder Cr einschließt, wie CoPt oder CoPtCr einschließt. Mit einer Dicke zwischen etwa 100 Angström bis etwa 1000 Angström. Der PM 522 kann durch bekannte Abscheidungsverfahren wie physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wie Sputtern oder IBD gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoPt oder CoPtCr als PM-Material beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoPt oder CoPtCr für die PM beschränkt sind.
Die SAF-Struktur 521 schließt die FM1-Schicht 524, die Abstandshalterschicht 526 und die FM2-Schicht 528 ein. Die FM1-Schicht 524 und die FM2-Schicht 528 können CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi, andere weiche oder harte ferromagnetische Materialien oder andere Heusler-Legierungen in einer Dicke zwischen etwa 100 Angström bis etwa 1000 Angström einschließen. Die FM-Schichten können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi und Heusler-Legierungen als Materialien der FM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi oder Heusler-Legierungen für die FM-Schicht beschränkt sind.
Ein geeignetes Material für die Abstandshalterschicht 526 schließt Ruthenium (Ru) in einer Dicke zwischen etwa 4-5 Angström oder 8-9 Angström ein. Es versteht sich, dass, obwohl Ru als Material der Abstandshalterschicht 526 beispielhaft dargestellt wurde, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf Ru für die Abstandshalterschicht 526 beschränkt sind. Die Magnetisierungsrichtung der FM1-Schicht 524 ist aufgrund der antiparallelen Kopplung mit der Abstandshalterschicht 526 entgegengesetzt zur Magnetisierungsrichtung der FM2-Schicht 528. Außerdem kann die Vorspannung der PM/SAF-Struktur 514 zum DFL-Sensor 512 auf die magnetische Richtung der FM2-Schicht 528 zurückzuführen sein.
5D-5F sind schematische Darstellungen von Widerständen 540, 550, 560 einer Sensorvorrichtung 500 gemäß einer Ausführungsform. Die Widerstände 540, 550, 560 können beliebige der Widerstände 502, 504, 506, 508 von 5A sein. Die Magnetstrukturen 542a-542c, 552a-552i, 562a-562f können entweder die PM 510a, 510b oder die PM/SAF-Struktur 514a, 514b sein. Die DFL-Sensoren 544a-544f, 554a-554f, 564a-564f können der DFL-Sensor 300 von 3 sein. Die Anzahl der Zeilen und die Anzahl der Spalten der in den 5D-5F veranschaulichten Magnetstrukturen soll nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen. Gleichermaßen sollen die Anzahl von Zeilen und die Anzahl von Spalten der in den 5D-5F veranschaulichten DFL-Sensoren nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen.
In 5D schließt der Widerstand 540 eine erste Magnetstruktur 542a, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 544a-544c, eine zweite Magnetstruktur 542b, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 544d-544f und eine dritte Magnetstruktur 542c ein. In einer Ausführungsform hat die Magnetstruktur die gleiche Größe wie drei der DFL-Sensoren.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 544a-544f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 544a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 544b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 544b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 544c verbunden, und so weiter.
Da die Vielzahl von DFL-Sensoren in Reihe geschaltet ist, kann eine einzige gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Sensoren gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 5D kann eine beliebige der Magnetstrukturen 542a-542c sein. Zum Beispiel können die erste Magnetstruktur 542a und die zweite Magnetstruktur 542b auf den ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 544a-544c wirken, wobei die Richtungen des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 542a und der zweiten Magnetstruktur dem ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 544a-544c auferlegt werden. Aufgrund des globalen Feldes während des PM-Resetprozesses ist der vierte, fünfte, sechste DFL-Sensor 544d-544f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 544a-544c.
In 5E schließt der Widerstand 550 eine Vielzahl von Magnetstrukturen 552a-552c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 554a-554c, eine Vielzahl von Magnetstrukturen 552d-552f, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 554d-554f und eine Vielzahl von Magnetstrukturen 552g-552i ein.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 554a-554f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 554a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 554b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 554b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 554c verbunden, und so weiter.
Jeder einzelne der DFL-Sensoren 554a-554f wird separat durch jedes Paar von Magnetstrukturen 552a-552i oben und unten vorgespannt. Die Vorspannungseinheit von 5E kann eine beliebige der Magnetstrukturen 552a-552i sein. Zum Beispiel kann die erste Magnetstruktur 552a auf den ersten DFL-Sensor 554a wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 552a dem ersten DFL-Sensor 554a auferlegt wird. Aufgrund des globalen Feldes während des PM-Resetprozesses sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 554d-554f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 554a.
In 5F schließt der Widerstand 560 eine Vielzahl von Magnetstrukturen 562a-562c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 564a-564c, eine vierte Magnetstruktur 562d, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 564d-564f und eine Vielzahl von Magnetstrukturen 562g-562f ein. In einer Ausführungsform weisen die Magnetstrukturen die gleiche Größe wie einer der DFL-Sensoren, zwei der DFL-Sensoren und/oder drei der DFL-Sensoren auf. Die zuvor aufgeführten Größen sollen nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform bereitstellen. Zum Beispiel hat eine erste Magnetstruktur 562a die gleiche Größe wie ein erster DFL-Sensor 564a, eine vierte Magnetstruktur 562d hat die gleiche Größe wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 564a, 564b, 564c kombiniert, und eine sechste Magnetstruktur 562f hat die gleiche Größe wie der vierte und fünfte DFL-Sensor 564d-564e kombiniert.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 564a-564f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 564a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 564b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 564b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 564c verbunden, und so weiter.
Aufgrund des globalen Feldes während des PM-Resetprozesses kann eine einzelne gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Sensoren gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 5F kann eine beliebige der Magnetstrukturen 562a-562f sein. Zum Beispiel kann die erste Magnetstruktur 562a auf den ersten DFL-Sensor 554a wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds der ersten Magnetstruktur 562a dem ersten DFL-Sensor 564a auferlegt wird. Aufgrund des globalen Feldes während des PM-Resetprozesses sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 564d-564f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 564a.
6A ist eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 600 gemäß einer Ausführungsform. Gesichtspunkte der Wheatstone-Brückenanordnung 200 von 2 können den in 6A beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein. Zum Beispiel kann der erste Widerstand 602 R4, der zweite Widerstand 604 R1, der dritte Widerstand 606 R3 und der vierte Widerstand 608 R2 entsprechen. Zusätzlich unterscheiden sich der erste Widerstand 602 und der vierte Widerstand 608 von dem zweiten Widerstand 604 und dem dritten Widerstand 606 basierend auf den TMR-Strukturen, um zwei unterschiedliche Magnetowiderstandsantworten bereitzustellen.
Der erste Widerstand 602 und der vierte Widerstand 608 schließen jeweils eine erste AFM1/FM1-Struktur 610a, einen DFL-Sensor 612 und eine zweite AFM1/FM1-Struktur 610b ein. Der DFL-Sensor 612 ist zwischen der ersten AFM1/FM1-Struktur 610a und der zweiten AFM2/FM2-Struktur 610b angeordnet. Der DFL-Sensor 612 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein. Das Magnetfeld der AFM1/FM1-Strukturen 610a, 610b wird um ein globales, nach unten gerichtetes Magnetfeld gesetzt. Die Richtung des Magnetfeldes der AFM1/FM1-Strukturen 610a, 610b wird durch die Pfeile der AFM1/FM1-Strukturen 610a, 610b veranschaulicht.
Der zweite Widerstand 604 und der dritte Widerstand 606 schließen jeweils eine erste AFM2/FM2-Struktur 614a, einen DFL-Sensor 612 und eine zweite AFM2/FM2-Struktur 614b ein. Der DFL-Sensor 612 ist zwischen der ersten AFM2/FM2-Struktur 614a und der zweiten AFM2/FM2-Struktur 614b angeordnet. Der DFL-Sensor 612 kann der in 3 beschriebene DFL-Sensor 300 sein. Die Richtung des Magnetfeldes der AFM2/FM2-Strukturen 614a, 614b wird durch die Pfeile der AFM2/FM2-Strukturen 614a, 614b veranschaulicht.
6B und 6C sind schematische Darstellungen der Widerstandselemente 620, 630 für Widerstände 602, 604, 606, 608 der TMR-Sensorvorrichtung 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Widerstandselement 620 kann in dem ersten Widerstand 602 und/oder dem vierten Widerstand 608 verwendet werden. Das Widerstandselement 620 schließt eine erste AFM1/FM1-Struktur 610a, eine zweite AFM1/FM1-Struktur 610b und einen DFL-Sensor 612 ein. Die AFM1/FM1-Strukturen 610a, 610b schließen jeweils eine AFM1-Schicht 622, eine auf der AFM1-Schicht 622 angeordnete FM1-Schicht 624 ein.
Das Widerstandselement 630 kann als der zweite Widerstand 604 und/oder der dritte Widerstand 606 verwendet werden. Das Widerstandselement 630 schließt eine erste AFM2/FM2-Struktur 614a, eine zweite AFM2/FM2-Struktur 614b und einen DFL-Sensor 612 ein. Die AFM2/FM2-Strukturen 614a, 614b schließen jeweils eine AFM2-Schicht 632, eine auf der AFM2-Schicht 632 angeordnete FM2-Schicht 634 ein.
In Bezug auf das Widerstandselement 620 ist in einer Ausführungsform der DFL-Sensor 612 auf die FM1-Schicht 624 ausgerichtet. In Bezug auf das Widerstandselement 630 ist in einer Ausführungsform der DFL-Sensor 612 auf die FM2-Schicht 634 ausgerichtet, wie in 6C dargestellt.
Die AFM1-Schicht 622 und die AFM2-Schicht632 können IrMn, FeMn, NiMn, PdMn oder PtMn in einer Dicke zwischen etwa 40 Angström bis etwa 500 Angström einschließen. Die AFM-Schichten 622, 632 können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl IrMn, FeMn, NiMn, PdMn und PtMn als Materialien der AFM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf IrMn, FeMn, PdMn, NiMn oder PtMn für die AFM-Schicht beschränkt sind. In einer Ausführungsform unterscheidet sich die AFM1-Schicht 622, 610a, 610b von der AFM2-Schicht 632, 614a, 614b, sodass die AFM 1-Schicht 622 und die AFM2-Schicht 632 unterschiedliche Blockiertemperaturen aufweisen. Ferner wird die AFM1-Schicht 622 durch Kühlen in einem ersten Magnetfeld auf die erste Vorspannrichtung von einer ersten Blockiertemperatur gesetzt. Die AFM2-Schicht 632 wird durch Kühlen in einem zweiten Magnetfeld auf die zweite Vorspannrichtung von einer zweiten Blockiertemperatur gesetzt, wobei die zweite Blockiertemperatur niedriger als die erste Blockiertemperatur ist und die zweite Magnetfeldrichtung entgegengesetzt zu der ersten Magnetfeldrichtung verläuft und die zweite Vorspannrichtung entgegengesetzt zu der ersten Vorspannrichtung verläuft. Die Magnetfeldrichtung aus der FM1-Schicht 624 verläuft entgegengesetzt zu der Magnetfeldrichtung aus der FM2-Schicht 634.
Die FM1-Schicht 624 und die FM2-Schicht 634 aus den 6B und 6C können CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi, andere weiche oder harte ferromagnetische Materialien oder andere Heusler-Legierungen in einer Dicke zwischen etwa 100 Angström bis etwa 1000 Angström einschließen. Die FM-Schichten können durch bekannte Abscheidungsverfahren wie Sputtern gebildet werden. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi und Heusler-Legierungen als Materialien der FM-Schicht beispielhaft dargestellt wurden, andere Materialien in Betracht gezogen werden und die hierin erörterten Ausführungsformen nicht auf CoFe, NiFe, CoFeNi, CoMnGe, NiCo, NiFeCu, CoFeMnGe, CoMnSi, CoFeSi oder Heusler-Legierungen für die FM-Schicht beschränkt sind. In einer Ausführungsform schließt die FM1-Schicht 624 die gleichen Materialien wie die FM2-Schicht 634 ein. In einer anderen Ausführungsform schließt die FM1-Schicht 624 nicht die gleichen Materialien wie die FM2-Schicht 634 ein. Die Magnetisierungsrichtung der FM1-Schicht 624 verläuftentgegengesetzt zu der Magnetisierungsrichtung der FM2-Schicht 634 in 6C aufgrund der entgegengesetzten Feldrichtung während des Feldkühlprozesses.
6D-6F sind schematische Darstellungen von Widerständen 640, 650, 660 einer TMR-Sensorvorrichtung 600 gemäß einer Ausführungsform. Die Widerstände 640, 650, 660 können beliebige der Widerstände 602, 604, 606, 608 von 6A sein. Die AFM1/2-Stapel 642a-642c, 652a-652i, 662a-562f können entweder die AFM1/FM1-Schichten 610a, 610b oder die AFM2/FM2-Strukturen 614a, 614b sein. Die DFL-Sensoren 644a-644f, 654a-654f, 664a-664f können der DFL-Sensor 300 von 3 sein. Die Anzahl der Zeilen und die Anzahl der Spalten der in den 6D-6F veranschaulichten AFM-Stapel soll nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen. Gleichermaßen sollen die Anzahl von Zeilen und die Anzahl von Spalten der in den 6D-6F veranschaulichten DFL-Sensoren nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel einer möglichen Ausführungsform bereitstellen.
In 6D schließt der Widerstand 640 einen ersten AFM1/2-Stapel 642a, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 644a-644c, einen zweiten AFM1/2-Stapel 642b, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 644d-644f und einen dritten AFM1/2-Stapel 642c ein. In einer Ausführungsform hat der AFM1/2-Stapel die gleiche Größe wie drei der DFL-Sensoren. Die zuvor aufgeführte Größe soll nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform bereitstellen. Zum Beispiel hat der erste AFM1/2-Stapel 642a die gleiche Größe wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 644a-644c kombiniert.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 644a-644f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 644a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 644b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL 644b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 644c verbunden, und so weiter.
Aufgrund des globalen Feldes während des Feldkühlprozesses kann eine einzelne gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Zellen gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 6D kann ein beliebiger der AFM1/2-Stapel 642a-642c sein. Zum Beispiel kann der erste AFM1/2-Stapel 642a und 642b auf den ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 644a-644c wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds des ersten AFM1/2-Stapels 642a und 642b dem ersten, zweiten und dritten DFL-Sensor 644a-644c auferlegt wird. Da die DFL-Sensoren in Reihe geschaltet sind, sind der vierte, fünfte, sechste DFL-Sensor 644d-644f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 644a-644c.
In 6E schließt der Widerstand 650 eine Vielzahl von AFM1/2-Stapeln 652a-652c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 654a-654c, eine Vielzahl von AFM1/2-Stapeln 652d-652f, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 654d-654f und eine Vielzahl von AFM1/2-Stapeln 652g-652i ein. In einer Ausführungsform weist der AFM1/2-Stapel die gleiche Größe wie jeder der DFL-Sensoren auf. Die zuvor aufgeführte Größe soll nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform bereitstellen. Zum Beispiel ist der erste AFM1/2-Stapel 652a gleich groß wie jeder der Vielzahl von DFL-Sensoren 654a-654f.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 654a-654f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 654a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 654b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 654b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 654c verbunden, und so weiter.
Jeder einzelne der DFL-Sensoren 654a-654f wird separat durch jedes Paar von AFM 1/2-Stapeln 652a-652i oben und unten vorgespannt. Zum Beispiel kann auf den ersten DFL-Sensor 654a durch den AFM1/2-Stapel 652a oben und den AFM1/2-Stapel 652d unten eingewirkt werden, wobei dem ersten DFL-Sensor 654a die Richtung des Magnetfeldes des ersten AFM1/2-Stapels 652a und 652d auferlegt wird. Aufgrund des gleichen globalen Magnetfeldes sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 654d-654f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 654a.
In 6F schließt der Widerstand 660 eine Vielzahl von AFM1/2-Stapeln 662a-662c, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 664a-664c, einen vierten AFM1/2-Stapel 662d, eine Vielzahl von DFL-Sensoren 664d-664f und eine Vielzahl von AFM1/2-Stapeln 662g-662f ein. In einer Ausführungsform weist der AFM1/2-Stapel die gleiche Größe wie einer der DFL-Sensoren, zwei der DFL-Sensoren und/oder drei der DFL-Sensoren auf. Die zuvor aufgeführten Größen sollen nicht einschränkend sein, sondern ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform bereitstellen. Zum Beispiel hat ein erster AFM1/2-Stapel 662a die gleiche Größe wie ein erster DFL-Sensor 664a, ein vierter AFM1/2-Stapel 662d hat die gleiche Größe wie der erste, zweite und dritte DFL-Sensor 664a, 664b, 664c kombiniert, und ein sechster AFM1/2-Stapel 662f hat die gleiche Größe wie der vierte und fünfte DFL-Sensor 664d-664e kombiniert.
Die Vielzahl von DFL-Sensoren 664a-664f ist in Reihe geschaltet, wobei die oberen Leitungen eines Sensors mit den unteren Leitungen des angrenzenden Sensors verbunden sind. Zum Beispiel ist die obere Leitung eines ersten DFL-Sensors 664a mit der unteren Leitung des zweiten DFL-Sensors 664b verbunden, die obere Leitung des zweiten DFL-Sensors 664b ist mit der unteren Leitung des dritten DFL-Sensors 664c verbunden, und so weiter.
Aufgrund des globalen Feldes während des Feldkühlprozesses kann eine einzelne gemeinsame Vorspannungseinheit verwendet werden, um alle DFL-Sensoren gleichzeitig vorzuspannen. Die Vorspannungseinheit von 6F kann ein beliebiger der AFM1/2-Stapel 662a-662f sein. Zum Beispiel kann der erste AFM1/2-Stapel 662a auf den ersten DFL-Sensor 654a wirken, wobei die Richtung des Magnetfelds des ersten AFM1/2-Stapels 662a dem ersten DFL-Sensor 664a auferlegt wird. Da die DFL-Sensoren in Reihe geschaltet sind, sind der zweite bis sechste DFL-Sensor 664d-664f in die gleiche Richtung vorgespannt wie der erste DFL-Sensor 664a.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 700 zum Herstellen einer TMR-Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Es beginnt mit einem Si-Wafer. In Block 702 werden die DFL-Sensoren mit einem Material wie Al₂O₃, Si₃N₄, MgO oder deren Kombination gebildet und isoliert. Die DFL-Sensoren werden für jeden der Widerstände der TMR-Sensorvorrichtung gebildet. In Block 704 werden die Widerstände R2 und R4 bedeckt oder maskiert, sodass die Verarbeitung für die Widerstände R1 und R3 fortgesetzt werden kann. Insbesondere sind die Widerstände R2 und R4 mit einem Hartmaskenmaterial, wie DLC, bedeckt. Danach wird über den Widerständen R1-R4 ein Photoresist, wie Duramid, abgeschieden. Der Photoresist wird dann strukturiert, um die gewünschten Bereiche der Widerstände R1 und R3 für die Verarbeitung freizulegen. Die freigelegten gewünschten Bereiche der Widerstände R1 und R3 werden dann geätzt, um Materialien unter Verwendung eines Entfernungsprozesses wie RIE zu entfernen. In Block 706 wird entweder der PM, der AFM oder der AFM1 angrenzend an die DFL-Struktur der Widerstände R1 und R3 gebildet. In Block 708 wird der SAF auf dem PM abgeschieden, der AFM oder FM1 wird auf dem AFM1 abgeschieden (anstatt SAF auf AFM1). Nach der SAF-Abscheidung wird ein Hartmaskenmaterial, wie DLC, abgeschieden, gefolgt von einem CMP-Lift-off-Prozess und einem RIE-Prozess.
In Block 710 werden die Widerstände R2 und R4 freigelegt und entfernt. Die Widerstände R1 und R3 werden dann abgedeckt oder maskiert, sodass die Verarbeitung für die Widerstände R2 und R4 fortgesetzt werden kann. Die Bedeckung und Maskierung weist das Bedecken der Widerstände R1 und R3 mit einem Hartmaskenmaterial, wie DLC, auf. Danach wird über den Widerständen R1-R4 ein Photoresist, wie Duramid, abgeschieden. Der Photoresist wird dann strukturiert, um die gewünschten Bereiche der Widerstände R2 und R4 für die Verarbeitung freizulegen. Die freigelegten gewünschten Bereiche der Widerstände R2 und R4 werden dann geätzt, um Materialien unter Verwendung eines Entfernungsprozesses wie RIE zu entfernen. In Block 714 wird der PM, der AFM oder der AFM2 angrenzend an die DFL-Struktur gebildet. In Block 716 wird der FM über dem AFM gebildet, oder FM2 wird auf dem AFM2 abgeschieden (nichts wird über dem PM gebildet). Nach der FM- oder FM2-Abscheidung wird ein Hartmaskenmaterial, wie DLC, abgeschieden, gefolgt von einem CMP-Lift-off-Prozess und einem RIE-Prozess. In Block 718 werden die Widerstände R1 und R3 freigelegt, und die weitere Verarbeitung der DFL-TMR-Sensorvorrichtung wird fortgesetzt, um die oberen Leitungen/Kontaktschritte für den Brückensensor abzuschließen. Der letzte Schritt vor dem Vereinzeln und Verkapseln ist der Feldresetprozess in Block 720. Für die Überbrückung mit PM/FM und PM/SAF wird ein globales einheitliches Magnetfeld aufgebracht, das größer ist als die Koerzitivfeldstärke von PM, um die PM-Richtung zu setzen. Für die Überbrückung mit AFM/FM und AFM/SAF wird der gesamte Wafer in einem globalen einheitlichen Magnetfeld von der vorstehenden Blockiertemperatur des AFM abgekühlt. Für die Überbrückung mit AFM1/FM1 und AFM2/FM2 wird ein zweistufiger Feldkühlschritt durchgeführt: Der erste Wafer wird durch Kühlung in einem ersten Magnetfeld von einer ersten Blockiertemperatur von AFM1 auf die Vorspannrichtung gesetzt. Dann wird die AFM2-Schicht durch kontinuierliches Abkühlen von einer zweiten Blockiertemperatur von AMF2 auf Raumtemperatur, jedoch in einem 2. Magnetfeld gesetzt, wobei die zweite Blockiertemperatur niedriger als die erste Blockiertemperatur ist und die zweite Magnetfeldrichtung der 1. Magnetfeldrichtung entgegengesetzt ist.
Durch die Verwendung der gleichen DFL-Struktur und PM- oder AFM-Strukturen, aber die Ausrichtung der verschiedenen FM-Schichten der PM- oder AFM-Strukturen auf die DFL-Strukturen, kann eine TMR-Sensorbrückenvorrichtung mit verringerter Produktionszeit hergestellt werden, wodurch Geld gespart und die Komplexität verringert wird. Außerdem wird die Verwendung der gleichen DFL-Struktur mit unterschiedlichen AFM-Materialien in den AFM-Strukturen die Produktionszeit verringern und somit Kosten sparen und die Komplexität verringern.
In einer Ausführungsform wird der TMR-Sensor in einer Kamera verwendet, die als Einachsensensor arbeitet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der TMR-Sensor als ein zweidimensionaler oder sogar ein dreidimensionaler Sensor verwendet werden kann. Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass der TMR-Sensor in anderen Technologien als Kameras, wie am Körper tragbaren Vorrichtungen, Kompass und MEMS-Vorrichtungen, integriert und verwendet werden kann. Ferner kann der TMR-Sensor als Positionssensor, Brückenwinkelsensor, Magnetschalter, Stromsensor oder Kombinationen davon arbeiten. Der TMR-Sensor kann verwendet werden, um eine Kamera wie eine Smartphone-Kamera zu fokussieren, indem die TMR-Sensoren als Positions- und Winkelsensoren verwendet werden. Außerdem sind TMR-Sensoren in der Automobilindustrie als Schalter-, Strom- und Winkelsensoren verwendbar, um Hall-, AMR- und GMR-Stromsensoren zu ersetzen. TMR-Sensoren können auch in der Drohnen- und Roboterindustrie als Positions- und Winkelsensoren verwendet werden. Medizinische Vorrichtungen können unter anderem auch TMR-Sensoren zur Flussratensteuerung für Infusionssysteme und Endoskopkamerasensoren verwenden. Somit weisen die hier erläuterten TMR-Sensoren Anwendungen weit über Smartphone-Kameras hinaus auf und sollten somit nicht auf die Verwendung als Sensoren für Smartphone-Kameras beschränkt werden. Ferner müssen TMR-Sensoren nicht in einer Wheatstone-Brückenanordnung angeordnet sein, sondern können in beliebiger Weise angeordnet sein.
In einer Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht); und eine synthetische AFM- (SAF)STRUKTUR, die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur. Die SAF-Struktur weist auf: eine erste ferromagnetische Schicht; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist. Der mindestens eine erste DFL-Sensor ist linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet. Die mindestens eine zweite Magnetstruktur weist auf: eine zweite AFM-Schicht; und eine ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ferromagnetischen Schicht ausgerichtet. Der mindestens eine erste DFL-Sensor weist eine Vielzahl von ersten DFL-Sensoren auf, wobei die mindestens eine erste Magnetstruktur eine Vielzahl von ersten Magnetstrukturen aufweist und wobei eine Anzahl der Vielzahl von ersten DFL-Sensoren größer als eine Anzahl der Vielzahl von ersten Magnetstrukturen ist. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor weist eine Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren auf, wobei die mindestens eine zweite Magnetstruktur eine Vielzahl von zweiten Magnetstrukturen aufweist und wobei eine Anzahl der Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren größer als eine Anzahl der Vielzahl von zweiten Magnetstrukturen ist. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin einen dritten Widerstand, wobei der dritte Widerstand im Wesentlichen identisch mit dem ersten Widerstand ist; und einen vierten Widerstand auf, wobei der vierte Widerstand im Wesentlichen identisch mit dem zweiten Widerstand ist. Die Sensorvorrichtung ist eine Wheatstone-Brückenanordnung.
In einer anderen Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine Magnetstruktur, wobei jede Magnetstruktur aufweist: einen ersten Permanentmagneten; und eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur), die über dem ersten Permanentmagneten angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens einen zweiten Permanentmagneten, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit dem mindestens einen zweiten Permanentmagneten ausgerichtet ist. Der mindestens eine erste DFL-Sensor ist eine Vielzahl von ersten DFL-Sensoren, die in Reihe geschaltet sind. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor ist eine Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren, die in Reihe geschaltet sind. Die SAF-Struktur weist auf: eine erste ferromagnetische Schicht; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Die mindestens eine Magnetstruktur weist eine Vielzahl von Magnetstrukturen auf, wobei der mindestens eine zweite Permanentmagnet eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten aufweist, wobei eine Anzahl der Vielzahl von Magnetstrukturen gleich einer Anzahl der Vielzahl von zweiten Permanentmagneten ist. Die Sensorvorrichtung ist eine Wheatstone-Brückenanordnung.
In einer anderen Ausführungsform weist eine Sensorvorrichtung auf: mindestens einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur Folgendes aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die ein erstes Material aufweist; und eine erste ferromagnetische Schicht, die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist; und mindestens einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur, wobei jede zweite Magnetstruktur aufweist: eine zweite AFM-Schicht, die ein zweites Material aufweist, wobei sich das zweite Material von dem ersten Material unterscheidet; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist, wobei die zweite ferromagnetische Schicht gleich oder verschieden von der ersten ferromagnetischen Schicht ist. Der mindestens eine erste DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet. Der mindestens eine zweite DFL-Sensor ist bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet. Der mindestens eine erste Widerstand weist eine Vielzahl von ersten Widerständen auf und wobei der mindestens eine zweite Widerstand eine Vielzahl von zweiten Widerständen aufweist. Die Sensorvorrichtung ist eine Wheatstone-Brückenanordnung.
In einer anderen Ausführungsform weist ein Verfahren auf: Bilden einer Vielzahl von Sensoren mit dualer freier Schicht für eine Vielzahl von Widerständen; Bedecken mindestens eines ersten Widerstands der Vielzahl von Widerständen, wobei mindestens ein zweiter Widerstand der Vielzahl von Widerständen freigelegt bleibt; Bilden entweder eines ersten Permanentmagneten oder einer ersten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen zweiten Widerstands; Freilegen des mindestens einen ersten Widerstands; Bedecken des mindestens einen zweiten Widerstands; Bilden entweder eines zweiten Permanentmagneten oder einer zweiten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen ersten Widerstands; Freilegen des mindestens einen zweiten Widerstands; und Durchführen eines Bridge-Pinning-Resets. Es wird sowohl ein erster Permanentmagnet als auch ein zweiter Permanentmagnet gebildet. Das Verfahren weist weiterhin das Bilden einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur über dem ersten Permanentmagneten auf. Es wird sowohl eine erste antiferromagnetische Schicht als auch eine zweite antiferromagnetische Schicht gebildet. Die erste antiferromagnetische Schicht und die zweite antiferromagnetische Schicht weisen unterschiedliche Materialien auf. Das Verfahren weist weiterhin das Bilden einer ferromagnetischen Schicht über der ersten antiferromagnetischen Schicht und der zweiten antiferromagnetischen Schicht auf. Die erste antiferromagnetische Schicht und die zweite antiferromagnetische Schicht weisen die gleichen Materialien auf. Das Verfahren weist weiterhin das Bilden einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur über der ersten antiferromagnetischen Schicht auf. Das Verfahren weist weiterhin das Bilden einer ferromagnetischen Schicht über der zweiten antiferromagnetischen Schicht auf.
Während sich das Vorstehende auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bezieht, können andere und weitere Ausführungsformen der Offenbarung ausgearbeitet werden, ohne vom grundlegenden Schutzumfang davon abzuweichen, und der Schutzumfang wird durch die nachstehenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Sensorvorrichtung, aufweisend: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht); und eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur), die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die SAF-Struktur aufweist: eine erste ferromagnetische Schicht; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine zweite Magnetstruktur aufweist: eine zweite AFM-Schicht; und eine ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor eine Vielzahl von ersten DFL-Sensoren aufweist, wobei die mindestens eine erste Magnetstruktur eine Vielzahl von ersten Magnetstrukturen aufweist und wobei eine Anzahl der Vielzahl von ersten DFL-Sensoren größer als eine Anzahl der Vielzahl von ersten Magnetstrukturen ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor eine Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren aufweist, wobei die mindestens eine zweite Magnetstruktur eine Vielzahl von zweiten Magnetstrukturen aufweist und wobei eine Anzahl der Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren größer als eine Anzahl der Vielzahl von zweiten Magnetstrukturen ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: einen dritten Widerstand, wobei der dritte Widerstand im Wesentlichen identisch mit dem ersten Widerstand ist; und einen vierten Widerstand, wobei der vierte Widerstand im Wesentlichen identisch mit dem zweiten Widerstand ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung eine Wheatstone-Brückenanordnung ist.
Sensorvorrichtung, aufweisend: einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine Magnetstruktur, wobei jede Magnetstruktur aufweist: einen ersten Permanentmagneten; und eine synthetische antiferromagnetische Struktur (SAF-Struktur), die über dem ersten Permanentmagneten angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der SAF-Struktur ausgerichtet ist; und einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens einen zweiten Permanentmagneten, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit dem mindestens einen zweiten Permanentmagneten ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor eine Vielzahl von ersten DFL-Sensoren ist, die in Reihe geschaltet sind.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor eine Vielzahl von zweiten DFL-Sensoren ist, die in Reihe geschaltet sind.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die SAF-Struktur aufweist: eine erste ferromagnetische Schicht; eine Abstandshalterschicht, die über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der Abstandshalterschicht angeordnet ist, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die mindestens eine Magnetstruktur eine Vielzahl von Magnetstrukturen aufweist, wobei der mindestens eine zweite Permanentmagnet eine Vielzahl von zweiten Permanentmagneten aufweist, wobei eine Anzahl der Vielzahl von Magnetstrukturen gleich einer Anzahl der Vielzahl von zweiten Permanentmagneten ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Sensorvorrichtung eine Wheatstone-Brückenanordnung ist.
Sensorvorrichtung, aufweisend: mindestens einen ersten Widerstand, aufweisend: mindestens einen ersten Sensor mit dualer freier Schicht (DFL-Sensor); und mindestens eine erste Magnetstruktur, wobei jede erste Magnetstruktur aufweist: eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die ein erstes Material aufweist; und eine erste ferromagnetische Schicht, die über der ersten AFM-Schicht angeordnet ist; und mindestens einen zweiten Widerstand, aufweisend: mindestens einen zweiten DFL-Sensor; und mindestens eine zweite Magnetstruktur, wobei jede zweite Magnetstruktur aufweist: eine zweite AFM-Schicht, die ein zweites Material aufweist, wobei sich das zweite Material von dem ersten Material unterscheidet; und eine zweite ferromagnetische Schicht, die über der zweiten AFM-Schicht angeordnet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der mindestens eine erste DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der ersten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei der mindestens eine zweite DFL-Sensor bei Betrachtung im Querschnitt linear mit der zweiten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der mindestens eine erste Widerstand eine Vielzahl von ersten Widerständen aufweist und wobei der mindestens eine zweite Widerstand eine Vielzahl von zweiten Widerständen aufweist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Sensorvorrichtung eine Wheatstone-Brückenanordnung ist.
Verfahren, aufweisend: Bilden einer Vielzahl von Sensoren mit dualer freier Schicht für eine Vielzahl von Widerständen; Bedecken mindestens eines ersten Widerstands der Vielzahl von Widerständen, wobei mindestens ein zweiter Widerstand der Vielzahl von Widerständen freigelegt bleibt; Bilden entweder eines ersten Permanentmagneten oder einer ersten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen zweiten Widerstands; Freilegen des mindestens einen ersten Widerstands; Bedecken des mindestens einen zweiten Widerstands; Bilden entweder eines zweiten Permanentmagneten oder einer zweiten antiferromagnetischen Schicht angrenzend an den Sensor mit dualer freier Schicht des mindestens einen ersten Widerstands; Freilegen des mindestens einen zweiten Widerstands; und Durchführen eines Bridge-Pinning-Resets.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei sowohl ein erster Permanentmagnet als auch ein zweiter Permanentmagnet gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 22, weiterhin aufweisend das Bilden einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur über dem ersten Permanentmagneten.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei sowohl eine erste antiferromagnetische Schicht als auch eine zweite antiferromagnetische Schicht gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei die erste antiferromagnetische Schicht und die zweite antiferromagnetische Schicht unterschiedliche Materialien aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin aufweisend das Bilden einer ferromagnetischen Schicht über der ersten antiferromagnetischen Schicht und der zweiten antiferromagnetischen Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei die erste antiferromagnetische Schicht und die zweite antiferromagnetische Schicht die gleichen Materialien aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 27, weiterhin aufweisend das Bilden einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur über der ersten antiferromagnetischen Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 28, weiterhin aufweisend das Bilden einer ferromagnetischen Schicht über der zweiten antiferromagnetischen Schicht.