DE102021127346A1

DE102021127346A1 - Magnetfeldsensor, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zum messen eines magnetfelds

Info

Publication number: DE102021127346A1
Application number: DE102021127346.3A
Authority: DE
Inventors: Milan Agrawal; Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: US20230126694A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Magnetfeldsensor (10), insbesondere Winkelsensor, umfassend eine magnetoresistive Sensorkomponente (12) und eine Spin-Orbit Torque, SOT, Sensorkomponente (14).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit Magnetfeldsensoren und insbesondere mit Winkelsensoren mit einer magnetoresistiven (MR) Sensorkomponente und einer Spin-Bahn-Drehmoment (Spin-Orbit Torque, SOT) Sensorkomponente.
Hintergrund
Winkelsensoren sind ein wesentliches Bauteil für die Steuerung von Drehbewegungen in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, bei Konsumgütern, in der Fertigung usw. Unter den verschiedenen Arten von Winkelsensoren sind magnetische Sensoren am weitesten verbreitet, da sie berührungslose Erfassung, robuste Leistung und niedrige Kosten vereinen. Ein typischer Aufbau zur magnetischen Winkelerfassung umfasst einen Magneten, der an einer rotierenden Welle befestigt ist, um einen zeitlich variierenden magnetischen Fluss zu erzeugen, und einen stationären Magnetsensor, der diesen Fluss erfasst. Je nachdem, ob er eine zeitliche Ableitung, eine Größe oder eine Richtung des magnetischen Flusses erfasst wird, kann der Sensor in drei Haupttypen eingeteilt werden: induktive, Hall-Effekt- und Magnetowiderstandssensoren (MR).
Jede Art von Sensor hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Der induktive Sensor ist beispielsweise robust und sehr widerstandsfähig. Gleichzeitig ist er jedoch im Vergleich zu Hall- und MR-Sensoren eher sperrig und teurer. Hallsensoren, die derzeit in Automobilanwendungen dominieren, sind kostengünstig, haben aber eine mäßige Empfindlichkeit bei niedrigem Feld und eine relativ große thermische Drift. Die MR-Sensoren, darunter der anisotrope Magnetowiderstandssensor (AMR), der Riesenmagnetowiderstandssensor (GMR) und der Tunnelmagnetowiderstandssensor (TMR), schließen die Lücke zwischen Hall- und induktiven Sensoren in Bezug auf Feldempfindlichkeit, Erkennungsgenauigkeit und Kosten.
MR-Sensoren wurden als Lesesensoren für Datenspeicheranwendungen entwickelt. Wenn sie jedoch richtig konfiguriert sind, können diese Sensoren im Sättigungszustand ein sinusförmiges Ausgangssignal in Bezug auf eine externe Feldrichtung erzeugen; daher funktionieren sie auch als Winkelsensor. Obwohl das Funktionsprinzip einfach ist, sind spezielle Konstruktionen und Herstellungsverfahren erforderlich, um verzerrungsfreie sinusförmige Ausgangssignale zu erhalten; daher sind sie tendenziell teurer als Hall-Sensoren.
MR-Sensoren haben jedoch auch einige Mängel. So weisen AMR-basierte Winkelsensoren zwar eine vernachlässigbare Lebensdauerdrift auf, haben aber nur eine 180-Grad-Periodizität bei der Winkelmessung. Andererseits haben GMR- oder TMR-Winkelsensoren eine volle 360-Grad-Periodizität, weisen aber aufgrund ihres komplexen mehrschichtigen Sensorelementstapels eine Lebensdauerdrift auf. Bei der MR-Sensortechnologie entsteht die Lebensdauerdrift durch eine Änderung der Magnetisierungsrichtung des Bezugssystems. Diese Änderung der Magnetisierung führt zu einer Phasendrift des Sensorausgangssignals und letztlich zu einem zusätzlichen Winkelfehler.
Es besteht daher ein Bedarf an Winkelsensoren mit einer Erkennung und/oder Kompensation von Lebensdauerdrift.
Zusammenfassung
Diesem Bedarf wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Magnetfeldsensor, insbesondere Winkelsensor, mit einer MR-Sensorkomponente und einer Spin-Bahn-Drehmoment (SOT) Sensorkomponente vorgeschlagen. Es wird also eine Kombination von SOT- mit MR-Technologie zur Erkennung und/oder Kompensation von Lebensdauerdrift der MR-Sensorkomponente vorgeschlagen.
Die SOT-Technologie kann Sensorschichten so einfach wie ein AMR-Sensor aufweisen, hat aber eine volle 360-Grad-Periodizität. Die Kombination der SOT-Technologie mit der MR-Technologie bietet eine Lösung, bei der die Unzulänglichkeiten (Lebensdauer-Phasendrift) der MR-Technologie durch eine redundante und vielfältige Lösung behoben werden kann. Ein SOT-Sensor weist die gleiche sinusförmige Winkelabhängigkeit auf wie TMR- und GMR-Sensoren, ist aber strukturell einfacher aufgebaut und kann daher potenziell zu einem Winkelsensor führen, der im Vergleich zu seinen GMR- und TMR-Gegenstücken kostengünstiger ist. Der SOT-Effekt in einer Heterostruktur aus Schwermetall (HM)/Ferromagnet (FM) wurde in den letzten Jahren ausgiebig als vielversprechender Mechanismus für eine Magnetisierungsumschaltung und damit verbundene Anwendungen untersucht. Obwohl der genaue Mechanismus noch immer umstritten ist, wird allgemein angenommen, dass in HM/FM-Heterostrukturen zwei Arten von Drehmomenten vorhanden sind, von denen die eine als feldartig (FL) und das andere als (anti)dämpfungsartig (DL) bezeichnet wird.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente des Magnetfeldsensors ausgebildet, um redundant ein externes Magnetfeld zu messen. Beide Sensorkomponenten messen also ein und dasselbe (rotierende) Magnetfeld.
Dazu können gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat (z.B. Halbleitersubstrat) integriert sein. Das heißt, beide Sensorkomponenten können als eine gemeinsame integrierte Schaltung ausgebildet sein und somit räumlich nah zueinander platziert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente in einem gemeinsamen Schichtstapel aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten integriert sein. Der Schichtstapel kann auf dem gemeinsamen (Halbleiter-)Substrat gebildet sein.
Um möglichst voneinander unabhängige Messergebnisse zu erzielen, können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente galvanisch voneinander isoliert sein. Dazu können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente beispielsweise durch eine Magnesiumoxid-Schicht (MgO) voneinander getrennt sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die MR-Sensorkomponente innerhalb eines Schichtstapels in Schichten oberhalb der SOT-Sensorkomponente gebildet sein. Alternativ kann die SOT-Sensorkomponente innerhalb eines Schichtstapels in Schichten oberhalb der MR-Sensorkomponente gebildet sein. In beiden Varianten sind die Sensorkomponenten also übereinandergestapelt.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die MR-Sensorkomponente eine Current-Perpendicular-to-Plane (CPP) Konfiguration aufweisen, so dass ein Strom senkrecht zur freien Schicht (und anderen Schichten) durch den Schichtstapel der MR-Sensorkomponente fließt. Im Gegensatz zur MR-Sensorkomponente kann die SOT-Sensorkomponente gemäß manchen Ausführungsbeispielen eine Current-In-Plane (CIP) Konfiguration aufweisen, wobei ein Strom lateral durch den Schichtstapel der SOT-Sensorkomponente fließt.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente in einem gemeinsamen Chipgehäuse angeordnet sein. Dabei können beide Sensorkomponenten auf einem gemeinsamen Halbleiter-Die oder auf separaten Halbleiter-Dies angeordnet sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die MR-Sensorkomponente wenigstens eine Wheatstone-Brückenschaltung auf. Dabei können vier MR-Widerstandselemente in der Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sein. Für die Messung von Sinus- und Cosinus-Magnetfeldkomponenten kann jeweils eine Wheatstone-Brückenschaltung vorgesehen sein, wobei die jeweiligen Referenzmagnetisierungen um 90° verschieden sind.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die SOT-Sensorkomponente wenigstens eine Hall-Kreuz-Anordnung auf. Mit einem Paar von Hall-Kreuzen aus Schwermetall/Ferromagnet-Heterostrukturen kann eine 360°-Detektion über den gesamten Bereich realisiert werden. Stromachsen der beiden Hall-Kreuze können orthogonal zueinander ausgerichtet sein, so dass eine differentielle Hall-Spannung aufgrund von Stromimpulsen entgegengesetzter Polarität eine Sinus- bzw. Cosinus-Winkelabhängigkeit von der Feldrichtung aufweist, wenn beide SOT-Sensorkomponenten einem in der Ebene rotierenden Magnetfeld ausgesetzt sind. Der Rotationswinkel des Feldes kann dann aus den Sinus- und Cosinus-Ausgangssignalen über die Funktion arctan2 berechnet werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente jeweils als Winkelsensoren ausgebildet, um jeweils eine sin- und cos-Komponente eines Drehwinkels eines rotierenden externen Magnetfelds zu messen. Dazu bedarf es dann jeweils einer MR sin- und cos-Sensorkomponente und einer SOT sin- und cos-Sensorkomponente.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die SOT-Sensorkomponente ausgebildet, Mess-Drifts der MR-Sensorkomponente zu ermitteln. Dies ist möglich, weil die SOT-Sensorkomponente weniger Lebensdauerdrift aufweist als die MR-Sensorkomponente.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die MR-Sensorkomponente eine GMR- und/oder einer TMR-Sensorkomponente auf. Die SOT-Sensorkomponente kann also mit einer GMR-Sensorkomponente oder einer TMR-Sensorkomponente kombiniert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Messen eines (rotierenden) Magnetfelds, umfassend ein Messen des Magnetfelds mit einer MR-Sensorkomponente und ein Messen des Magnetfelds mit einer SOT-Sensorkomponente.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen werden beim Messen jeweils eine sin- und cos-Komponente eines Drehwinkels des Magnetfelds gemessen. Das heißt, die MR-Sensorkomponente kann eine sin- und cos-Komponente des Drehwinkels messen und die SOT-Sensorkomponente kann eine sin- und cos-Komponente des Drehwinkels messen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann eine Mess-Verschiebung (Drift) über eine Lebensdauer der MR-Sensorkomponente mittels einer Messung der SOT-Sensorkomponente korrigiert werden.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetfeld- bzw. Winkelsensors, umfassend ein Bilden einer MR-Sensorkomponente auf einem Substrat und ein Bilden einer SOT-Sensorkomponente auf dem Substrat.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente monolithisch auf dem Substrat integriert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente in einem gemeinsamen Schichtstapel aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten gebildet werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die MR-Sensorkomponente und die SOT-Sensorkomponente durch eine MgO-Schicht galvanisch voneinander isoliert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die MR-Sensorkomponente innerhalb eines Schichtstapels in Schichten oberhalb der SOT-Sensorkomponente gebildet werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die MR-Sensorkomponente einen GMR- und/oder TMR-Schichtstapel umfassen.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 einen magnetischen Winkelsensor gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 einen Schichtstapel umfassend eine MR-Sensorkomponente und eine SOT-Sensorkomponente;
3 einen Schichtstapel umfassend eine SOT-Sensorkomponente und zwei in Serie geschaltete MR-Sensorkomponenten;
4 ein Kontaktierungskonzept für eine SOT-Sensorkomponente;
5 ein SOT Cosinus-Hall-Kreuz und eine SOT Sinus-Hall-Kreuz; und
6 ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelsensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
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 mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Die 1 zeigt einen magnetischen Winkelsensor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Der magnetische Winkelsensor 10 umfasst eine MR-Sensorkomponente 12 und eine SOT-Sensorkomponente 14. Sowohl die MR-Sensorkomponente 12 als auch die SOT-Sensorkomponente 14 können jeweils ausgebildet sein, um einen Winkel eines rotierenden externen Magnetfelds 16 zu messen und entsprechende Winkelsignale auszugeben. Dabei sind beide Sensorkomponenten 12, 14 ausgebildet, dasselbe externe rotierende Magnetfeld 16 zu messen.
Bei dem magnetischen Winkelsensor 10 kann es sich um einen Dual-Die Winkelsensor handeln, bei dem MR-Sensorkomponente 12 und SOT-Sensorkomponente 14 auf unterschiedlichen Halbleiter-Dies in einem gemeinsamen Chip-Gehäuse 18 bereitgestellt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem magnetischen Winkelsensor 10 um einen Single-Die-Winkelsensor, bei dem MR-Sensorkomponente 12 und SOT-Sensorkomponente 14 auf einem einzigen Halbleiter-Die bereitgestellt werden, also auch zusammen in einem gemeinsamen Halbleiterfertigungsprozess monolithisch auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gefertigt werden. Gemäß beiden Konzepten können die MR-Sensorkomponente 12 und SOT-Sensorkomponente 14 in einem gemeinsamen Chipgehäuse (Package) 18 bereitgestellt werden und somit einen redundant aufgebauten magnetischen Winkelsensor 10 mit zwei Winkelsensorkomponenten zur Messung des rotierenden Magnetfelds 16 bilden.
Prinzipiell kommen als MR-Sensorkomponente 12 AMR-, GMR-, oder TMR-Sensorkomponenten in Betracht. Besonders vorteilhaft hat sich jedoch erwiesen, wenn die MR-Sensorkomponente 12 als GMR- oder TMR-Sensorkomponente ausgebildet ist, da dann ein inhärenter Lebensdauerdrift der GMR- oder TMR-Sensorkomponente 12 durch die diesbezüglich stabilere SOT-Sensorkomponente 14 kompensiert werden kann.
GMR- oder TMR-Sensorkomponenten werden typischerweise aus einem Schichtstapel magnetischer und nichtmagnetischer Schichten auf einem (Halbleiter-) Substrat gebildet. Einen Teil des Schichtstapels bildet dabei ein sogenanntes Referenzsystem mit einer festen Referenzmagnetisierung, einen anderen Teil eine freie Schicht, deren Magnetisierung sich mit dem externen Magnetfeld 16 abhängig von dessen Drehwinkel ändert. Abhängig von der Richtung bzw. dem Winkel der Magnetisierung der freien Schicht zur Referenzmagnetisierung ändert sich ein elektrischer Widertand der MR-Sensorkomponente.
Bei dem Single-Die Konzept kann die SOT-Sensorkomponente 14 zusätzlich in den MR-Schichtstapel intergiert werden, indem die SOT-Sensorkomponente 14 in Schichten oberhalb oder unterhalb des Schichtstapels der MR-Sensorkomponente 12 gebildet wird. Es ist allerdings auch denkbar, die SOT-Sensorkomponente 14 lateral bzw. horizontal neben der MR-Sensorkomponente 12 auf dem gemeinsamen (Halbleiter-) Substrat zu bilden.
2 zeigt einen beispielhaften Schichtstapel 20, in welchem die MR-Sensorkomponente 12 und die SOT-Sensorkomponente 14 gemeinsam gebildet sind. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei der MR-Sensorkomponente 12 um eine TMR-Sensorkomponente. Ein ähnliches Integrationskonzept gilt auch allerdings auch für eine GMR-Sensorkomponente.
Mögliche TMR-Schichtstapel sind allgemein bekannt und werden hier deshalb nicht detailliert erläutert. Der TMR-Schichtstapel umfasst oben eine magnetische Schicht 21, die freie Schicht (FL), eine darunterliegende Abstandsschicht 22 (z. B. MgO) und ein wiederum unter der Abstandsschicht 22 liegendes Referenzsystem 23. Typische Materialien für die FL-Schicht 21 und das Referenzsystem 23 sind Ni, Co, Fe und ihre Legierungen wie NiFe, Co-Fe oder CoFeB. Eine unter dem Referenzsystem 23 befindliche Elektrode 24 (z. B. eine Cu-Schicht) der TMR-Sensorkomponente 12 kann verwendet werden, um zwei TMR-Widerstandselemente einer (Wheatstone-) Brückenschaltung von unten zu verbinden. Eine obere Elektrode eines TMR-Widerstandselements kann beispielsweise mit der jeweiligen FL-Schicht 21 in Kontakt gebracht werden (siehe 3). Dadurch ergibt sich eine sogenannte CPP-Konfiguration für die TMR-Widerstandselemente der MR-Sensorkomponente 12.
Die SOT-Sensorkomponente 14 kann beispielsweise mit Hilfe von Durchkontaktierungen (durch ein Substrat) von unten kontaktiert werden. Die SOT-Sensorkomponente 14 kann zwei Schichten 26, 27 unterhalb des TMR-Schichtstapels bzw. der Elektrode 24 umfassen, eine (ferro-)magnetische Schicht 26 (Ni, Co, Fe, NiFe, CoFe oder CoFeB) und darunter eine SO-Schicht 27. Die magnetische Schicht 26 hat die gleiche Funktion wie die FL-Schicht 21 der MR-Sensorkomponente 12. Die SO-Schicht 27 kann Schwermetalle, wie z.B. Pt, W, Ta, usw., umfassen. Obwohl der gesamte Schichtstapel 20 in einem einzigen Schritt abgeschieden werden kann, bleiben die beiden Sensoren 12, 14 durch eine dicke untere Magnesiumoxidschicht (MgO) 25 zwischen den Schichten 24 und 26 galvanisch isoliert. Die 3 und 4 zeigen Top-Via-Kontakte 31 der MR-Sensorkomponente 12 und Bottom-Via-Kontakte 41 der SOT-Sensorkomponente 14. Durch die oberen Elektroden 31 und die untere Elektrode 24 ergibt sich für die MR-Sensorkomponente 12 eine CPP-Konfiguration. Durch die unteren Elektroden 41 ergibt sich für die SOT-Sensorkomponente 14 eine CIP-Konfiguration.
Das Funktionsprinzip eines MR-Winkelsensors wird kurz beschrieben. Die MR-Sensorkomponente 12 kann zwei Wheatstone-Brücken umfassen, nämlich eine Sinus- und einer Cosinus-Brücke. Alle acht MR-Messwiderstände dieser beiden Brücken (vier pro Brücke) sind physikalisch identisch und vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, um die Formanisotropie zu verringern. Eine Magnetisierungsrichtung der Referenzsysteme 23 in den Widerständen der Sinus-Brücke ist jedoch um 90° gedreht (orthogonal) in Bezug auf die Cosinus-Brücke. Jeweilige Spannungsausgangssignale dieser Brücken können wie folgt geschrieben werden: $V_{s i n} = V_{01} sin θ$
$V_{c o s} = V_{02} cos θ$
$θ_{s e n s} = {tan}^{- 1} (\frac{v_{s i n}}{v_{c o s}})$
Dabei bezeichnet θ einen Winkel zwischen der Magnetisierung der freien Schicht 21 und der Referenzschicht 23. Durch Messung der Spannungssignale V_sin und V_cos kann der Winkel θ des angelegten Magnetfeldes 16 gemäß Gl. (3) berechnet werden.
Das Funktionsprinzip eines SOT-Winkelsensors wird kurz beschrieben. Wie es in 5 gezeigt ist, kann die SOT-Sensorkomponente 14 zwei identisch ausgebildete rechteckige Hall-Kreuze 50-Sin, 50-Cos umfassen, von denen eines als Sinus- und das andere als Cosinus-Signalgeber fungiert. Die Funktionsweise eines derartigen SOT-Winkelsensors ist detailliert beispielsweise in Luo et al., „Magnetic angular position sensor enabled by spin-orbit torque“, Appl. Phys. Lett. 112, 262405 (2018) beschrieben. Das Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) wird durch die Spin-Orbit-Wechselwirkung oder den Rashba-Effekt an der Grenzfläche ungleicher Materialien induziert, das heißt, der Grenzfläche zwischen den Schichten 26, 27. Die Hall-Kreuze 50-Sin, 50-Cos sind aus einer Ferromagnet/Schwermetall-Heterostruktur 26, 27 gefertigt und zusammen mit den MR-Widerstandselementen des MR-Winkelsensors 12 in dem Schichtstapel 20 auf einem gemeinsamen (Halbleiter-) Substrat angeordnet. Im Gegensatz zur MR-Sensorkomponente 12 hat die SOT-Sensorkomponente 14 umfassend die Hall-Kreuze 50-Sin, 50-Cos nur eine (ferro-)magnetische Schicht 26, die analog zur freien Schicht 21 der MR-Sensorkomponente 12 ist. Die orthogonalen Stromflussrichtungen x, y in den beiden Hall-Kreuzen 50-Sin, 50-Cos machen sie empfindlich für die orthogonale Komponenten x, y des externen Magnetfelds 16 in der x-y-Ebene. Der Stromfluss erzeugt aufgrund des planaren Halleffekts (PHE) und des anomalen Halleffekts (AHE) ein sinusförmiges Signal mit einer Periodizität von 180°. Ein differentielles Sinus- oder Cosinus-Signal (Periodizität 360°) wird erzeugt, indem Ströme in entgegengesetzter Richtung fließen. Die so erhaltenen Signale können zur Bewertung des Winkels θ des Magnetfelds 16 in der x-y-Ebene mit den gleichen Gleichungen (Gl. 1-3) verwendet werden.
Der SOT-Sensorkomponente 14 hat eine Winkelperiodizität von 360° und weist im Wesentlichen keinen Lebensdauerdrift ihrer Leistung auf. Allerdings erfordert ein Ausgangssignal eine komplexe Nachbearbeitung, um die Winkelinformationen zu erhalten. Daher ist ein eigenständiger SOT-Sensor mit einer gewissen Komplexität verbunden. Eine Kombination von SOT- mit TMR/GMR-Technologie bedeutet jedoch einen bedeutenden Fortschritt. Beim kombinierten SOT- und TMR/GMR-Sensor 10 fungiert der TMR/GMR-Sensor 12 als Hauptsensor, während der SOT-Sensor 14 für die Bewertung der Phasenverschiebungen während der Lebensdauer verwendet wird. Durch die Kompensation der Drifts kann die Leistung des TMR/GMR-Sensors 12 über die gesamte Lebensdauer aufrechterhalten werden. Daher wird der integrierte Sensor 10 ähnliche Fähigkeiten wie herkömmliche GMR/TMR Sensoren haben, jedoch mit einer wesentlich besseren Leistung während seiner Lebensdauer.
Zusammenfassend betreffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung eine monolithische Integration von SOT-Sensoren mit GMR- oder TMR-Sensoren in einem Single-Stack-Beschichtungsprozess. Die Herstellung des kombinierten Sensors 10 erfordert kein neues Integrationskonzept und ist daher im Vergleich zum Dual-Die-Sensorkonzept kostengünstig. 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines entsprechenden Herstellungsverfahrens 60.
Das Verfahren 60 zur Herstellung des Magnetfeldsensors 10 umfasst ein Bilden 61 einer MR-Sensorkomponente 12 auf einem Substrat und ein Bilden 62 einer SOT-Sensorkomponente 14 auf dem Substrat. Dabei können die MR-Sensorkomponente 12 und die SOT-Sensorkomponente 14 monolithisch auf dem Substrat integriert werden, zum Beispiel in Form des Schichtstapels 20.
Obwohl die detaillierte Beschreibung im Hinblick auf Winkelsensoren erfolgte, wird dem Fachmann einleuchten, dass das vorgeschlagene Konzept auch auf andere Anwendung von Magnetfeldsensoren anwendbar ist, in welchen ein redundante Magnetfeldmessung von Vorteil ist.
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall 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 als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Magnetfeldsensor (10), umfassend eine magnetoresistive Sensorkomponente (12); und eine Spin-Orbit Torque, SOT, Sensorkomponente (14).
Magnetfeldsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) ausgebildet sind, um redundant ein externes Magnetfeld zu messen.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) in einem gemeinsamen Schichtstapel (20) aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten integriert sind.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) galvanisch voneinander isoliert sind.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) innerhalb eines Schichtstapels in Schichten oberhalb der SOT-Sensorkomponente (14) gebildet ist.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) in einem gemeinsamen Chipgehäuse (18) angeordnet sind.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) wenigstens eine Wheatstone-Brückenschaltung aufweist.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SOT-Sensorkomponente (14) wenigstens eine Hall-Kreuz-Anordnung (50) aufweist.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) jeweils als Winkelsensoren ausgebildet sind, um jeweils eine sin- und cos-Komponente eines Drehwinkels eines rotierenden externen Magnetfelds (16) zu messen.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SOT-Sensorkomponente (14) ausgebildet ist, Mess-Drifts der magnetoresistiven Sensorkomponente (12) zu ermitteln.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) eine GMR- und/oder einer TMR-Sensorkomponente aufweist.
Magnetfeldsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SOT-Sensorkomponente (14) aus einer Ferromagnet/Schwermetall-Heterostruktur (26, 27) gebildet ist.
Verfahren zum Messen eines Magnetfelds (16), umfassend Messen des Magnetfelds (16) mit einer magnetoresistiven Sensorkomponente (12); und Messen des Magnetfelds (16) mit einer Spin-Orbit Torque, SOT, Sensorkomponente (14).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei beim Messen jeweils eine sin- und cos-Komponente eines Drehwinkels des Magnetfelds (16) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, umfassend Korrigieren einer Mess-Verschiebung über eine Lebensdauer der magnetoresistiven Sensorkomponente (12) mittels der SOT-Sensorkomponente (14).
Verfahren (60) zur Herstellung eines Magnetfeldsensors (10), umfassend Bilden einer magnetoresistiven Sensorkomponente (12) auf einem Substrat; und Bilden einer Spin-Orbit Torque, SOT, Sensorkomponente (14) auf dem Substrat.
Verfahren (60) nach Anspruch 17, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) in einem gemeinsamen Schichtstapel (20) aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten gebildet werden.
Verfahren (60) nach einem der Ansprüche 17 bis oder 18, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) und die SOT-Sensorkomponente (14) durch eine MgO-Schicht (25) galvanisch voneinander isoliert werden.
Verfahren (60) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die magnetoresistive Sensorkomponente (12) innerhalb eines Schichtstapels (20) in Schichten oberhalb der SOT-Sensorkomponente (14) gebildet wird.