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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Die
WO 02/082111 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem Substrat, auf dessen Substratoberfläche mehrere magnetoresistive Sensoreinrichtungen angeordnet sind, mittels welchen magnetische Feldstärkekomponenten eines externen Magnetfelds in verschiedenen parallel zu der Substratoberfläche ausgerichteten Richtungen ermittelbar sein sollen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft kostengünstige Sensorvorrichtungen, mittels welchen jeweils eine richtungsabhängige physikalische Größe nicht nur in einer parallel zu einer Substratoberfläche eines Substrats der jeweiligen Sensorvorrichtung ausgerichteten ersten Sensierrichtung, sondern auch in einer senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichteten zweiten Sensierrichtung vermessbar ist. Trotz ihrer vielseitigen Funktionalität weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dennoch aufgrund der Anordnung ihrer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung und ihrer Hall-Sensoreinrichtung auf der gleichen Substratoberfläche einen vergleichsweise geringen Bauraumbedarf auf. Aufgrund der bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung realisierten Kombination zweier verschiedener Sensortechnologien auf dem gleichen Substrat ist die Sensorvorrichtung relativ kostengünstig herstellbar. Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auch keinen Magnetfeldumlenker, sodass dessen Nachteile, wie beispielsweise eine in der Regel geringe Effizienz des Magnetfeldumlenkers und eine Hysterese des ferromagnetischen Materials des Magnetfeldumlenkers, bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung nicht in Kauf genommen werden müssen. Deshalb weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung trotz ihrer relativ kostengünstigen Herstellbarkeit und ihres vergleichsweise geringen Bauraumbedarfs verglichen mit dem Stand der Technik eine gute Sensitivität, eine hohe Messgenauigkeit und ein geringes Rauschen auf.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Hall-Sensoreinrichtung eine Sensiermaterialschicht aus einem Sensiermaterial, in welcher eine Hall-Spannung oder ein Hall-Strom mittels eines externen Magnetfelds induzierbar ist, wobei eine maximale Ausdehnung der Sensiermaterialschicht senkrecht zu der Substratoberfläche kleiner-gleich 10 Atomlagen des Sensiermaterials ist. Die hier beschriebene Ausbildung der Hall-Sensoreinrichtung zeichnet sich nicht nur durch ihre gute Integrierbarkeit in eine Fertigstellung zumindest der auf der gleichen Substratoberfläche angeordneten ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung, sondern auch durch die Möglichkeit einer Verwendung eines nicht-magnetischen Sensiermaterials für die Sensiermaterialschicht aus. Mittels einer Verwendung eines nicht-magnetischen Sensiermaterials, wie beispielsweise Silizium, Indium-Antimon (InSb) oder Graphen, kann sichergestellt werden, dass die Hall-Sensoreinrichtung das zu vermessende externe Magnetfeld nicht/kaum verändert.
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Beispielsweise kann die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial Graphen ausgebildet sein. Damit können die Vorteile von Graphen, wie beispielsweise seine hohe Elektronenmobilität, seine relativ gute mechanische Biegsamkeit und seine (gleichzeitig) vergleichsweise hohe Stabilität auf molekularer Ebene, auch für die hier beschriebene Sensorvorrichtung genutzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung zusätzlich noch eine auf der Substratoberfläche oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung mit einer parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung ausgerichteten dritten Sensierrichtung, wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung ein dritter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der dritten Sensierrichtung ermittelbar ist. Die hier beschriebene Ausführungsform der Sensorvorrichtung realisiert somit einen 3D-Sensor zum Vermessen der richtungsabhängigen physikalischen Größe in drei senkrecht zueinander ausgerichteten Raumrichtungen.
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Insbesondere können die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung je eine antiferromagnetische Schicht und je eine ferromagnetische Schichtfolge aufweisen, wobei die jeweilige ferromagnetische Schichtfolge zwei hartmagnetische Schichten und eine zwischen den zwei hartmagnetischen Schichten liegende nicht-magnetische Schicht umfasst, und wobei eine zu der antiferromagnetischen Schicht ausgerichtete hartmagnetische Schicht der zwei hartmagnetischen Schichten eine gepinnte Schicht ist. Die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung können somit einen Schichtaufbau aufweisen, dessen Herstellung im Dünnschichtverfahren leicht in eine Fertigung der auf der gleichen Substratoberfläche angeordneten Hall-Sensoreinrichtung integrierbar ist.
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Beispielsweise können die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung je eine Schichtfolge aus ferromagnetischen, antiferromagnetischen, dielektrischen und leitfähigen Schichten aufweisen. Speziell können die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung eine Folge aus der antiferromagnetischen Schicht und den zwei hartmagnetischen Schichten, welche durch die dünne nichtmagnetische Schicht getrennt sind, und einer Schicht mit fixierter Magnetisierung (Fixed Layer) aufweisen. An der Schicht mit fixierter Magnetisierung (Fixed Layer) angrenzend können eine dünne dielektrische Schicht und eine weichmagnetische Schicht (Free Layer) vorliegen. Die weichmagnetische Schicht (Free Layer) weist vorzugsweise keine oder nur eine sehr geringe Vorzugsrichtung für die Magnetisierung auf, und kann deshalb dem äußeren magnetischen Feld folgen. Die dünne dielektrische Schicht kann als Tunnelbarriere fungieren, deren Widerstand klein ist, wenn die Magnetisierungsrichtungen von der Schicht mit fixierter Magnetisierung (Fixed Layer) und der weichmagnetischen Schicht (Free Layer) in die gleiche Richtung zeigen, deren Widerstand jedoch groß ist, wenn die Magnetisierungsrichtungen von der Schicht mit fixierter Magnetisierung (Fixed Layer) und der weichmagnetischen Schicht (Free Layer) in entgegengesetzte Richtung zeigen. Eine geeignete Strukturierung der Schichtfolge kann die Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der Free-Layer-Magnetisierung beeinflussen. Ein magnetischer Anneal-Prozess kann die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung (Fixed Layer), und damit die Sensierrichtung parallel zur Oberfläche, festlegen. Die Widerstandsänderung der Tunnelbarriere kann zur Erzeugung eines Sensorsignals genutzt werden.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile werden auch geschaffen durch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung. Das Herstellungsverfahren kann gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Sensorvorrichtung weitergebildet werden.
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Bei einem Ausführen des Herstellungsverfahrens kann die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial zuerst auf einem Wachstumshilfssubstrat aufgewachsen werden und anschließend von dem Wachstumshilfssubstrat auf die Substratoberfläche oder die mindestens eine Zwischenschicht transferiert werden. Insbesondere bei einer Herstellung der Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial Graphen können die vorteilhaften Materialeigenschaften von Graphen bei einem Ausführen der hier beschriebenen Verfahrensschritte genutzt werden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematische Gesamt- und Teildarstellungen einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a und 1b zeigen schematische Gesamt- und Teildarstellungen einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die in 1a schematisch dargestellte Sensorvorrichtung weist ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a auf. Auf der Substratoberfläche 10a oder mindestens einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden (nicht skizzierten) Zwischenschicht ist eine erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 angeordnet. Die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 weist eine parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete erste Sensierrichtung 12a auf. Darunter ist zu verstehen, dass mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest ihrer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 ein erster Wert einer richtungsabhängigen physikalischen Größe in der ersten Sensierrichtung 12a ermittelbar ist/ermittelt wird. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet sein, unter Nutzung zumindest ihrer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 den ersten Wert einer magnetischen Feldstärkekomponente eines externen Magnetfelds in der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten ersten Sensierrichtung 12a zu messen.
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Außerdem hat die Sensorvorrichtung noch eine Hall-Sensoreinrichtung 14, welche ebenfalls auf der Substratoberfläche 10a oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet ist. Für die Hall-Sensoreinrichtung 14 ist eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete zweite Sensierrichtung 14a festgelegt. Entsprechend ist/wird mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der Hall-Sensoreinrichtung 14 ein zweiter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der zweiten Sensierrichtung 14a ermittelbar/ermittelt. Insbesondere kann mittels der Sensorvorrichtung unter Nutzung zumindest ihrer Hall-Sensoreinrichtung 14 der zweite Wert der magnetischen Feldstärkekomponente des externen Magnetfelds in der senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten zweiten Sensierrichtung 14a messbar sein.
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Die Sensorvorrichtung nutzt somit nicht nur die magnetoresistive Technologie (AMR-, GMR oder TMR-Technologie) zum Bestimmen des ersten Werts der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten ersten Sensierrichtung 12a, sondern auch die Hall-Technologie (bzw. den Hall-Effekt) zum Bestimmen des zweiten Werts der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten zweiten Sensierrichtung 14a. Damit ist die Sensorvorrichtung nicht nur in der Ebene ihrer maximalen Ausdehnung sensitiv (in-plane sensitive), sondern auch senkrecht zu ihrer maximalen Ausdehnung sensitiv (out-of-plane sensitive). Trotzdem weist die Sensorvorrichtung aufgrund der gemeinsamen Anordnung der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 und der Hall-Sensoreinrichtung 14 auf der gleichen Substratoberfläche 10a einen relativ geringen Bauraumbedarf auf. Zusätzlich entfällt bei einem Herstellen der Sensorvorrichtung ein umständliches und teures Bonden verschiedener Chips miteinander in einem Gehäuse. Eine Miniaturisierung der Sensorvorrichtung ist damit erleichtert. Die aufgrund der vorteilhaften Nutzung der magnetoresistiven Technologie und der Hall-Technologie durch die Sensorvorrichtung ermöglichte Miniaturisierung der Sensorvorrichtung steigert zusätzlich deren Einsetzbarkeit für eine Vielzahl von Verwendungszwecken. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die Sensorvorrichtung aufgrund der gemeinsamen Anordnung der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 und der Hall-Sensoreinrichtung 14 auf der gleichen Substratoberfläche 10a vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist. Es wird hier auch darauf hingewiesen, dass die Sensorvorrichtung keinen Magnetfeldumlenker benötigt. Die oben schon aufgezählten Nachteile eines Magnetfeldumlenkers müssen somit bei einer Verwendung der hier beschriebenen Sensorvorrichtung nicht in Kauf genommen werden.
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Als vorteilhafte Weiterbildung weist die hier beschriebene Sensorvorrichtung zusätzlich noch eine ebenfalls auf der Substratoberfläche 10a oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 auf, für welche eine parallel zu der Substratoberfläche 10a und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung 12a ausgerichtete dritte Sensierrichtung 16a festgelegt ist. Deshalb kann mittels der Sensorvorrichtung zusätzlich zu dem ersten Wert und dem zweiten Wert auch unter Verwendung zumindest der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 16 ein dritter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der dritten Sensierrichtung 16a ermittelt werden. Insbesondere kann der dritte Wert der magnetischen F Feldstärkekomponente des externen Magnetfelds in der parallel zu der Substratoberfläche 10a und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung 14a ausgerichteten dritten Sensierrichtung 16 von der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest ihrer zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 16 gemessen werden.
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Die hier beschriebene Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann somit als dreidimensionaler Magnetfeldsensor zum Vermessen des externen Magnetfelds in drei senkrecht zueinander ausgerichteten Raumrichtungen verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit der hier beschriebenen Sensorvorrichtung nicht auf einen Magnetfeldsensor beschränkt ist. Die Sensorvorrichtung kann z.B. auch als Rotorlagesensor, als Endlagensensor oder als Stromsensor eingesetzt werden. Für alle hier aufgezählte Sensortypen kann die signifikante Reduktion der Querfeldempfindlichkeit der Sensorvorrichtung, insbesondere die Reduktion ihrer lediglich durch Aufbautoleranzen bedingten Querfeldempfindlichkeit in Bezug auf senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete Magnetfelder, vorteilhaft genutzt werden. Die Reduktion der die Querfeldunempfindlichkeit kann vor allem auch durch eine geeignete Brückenschaltung erreicht werden.
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Wie unten genauer erläutert ist, können die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 trotz ihrer Auslegung zum Bestimmen/Messen der richtungsabhängigen physikalischen Größe in den unterschiedlichen Sensierrichtungen 12a und 16a einen (im Wesentlichen) gleichen Schichtaufbau aufweisen. Die zusätzliche Ausstattung der Sensorvorrichtung mit der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 16 steigert darum einen zu ihrer Herstellung aufzubringenden Arbeitsaufwand kaum. Ebenso ist aufgrund der Anordnung der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 16 auf der gleichen Substratoberfläche 10a wie die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und die Hall-Sensoreinrichtung 14 die Sensorvorrichtung trotz ihrer gesteigerten Funktionalität noch vergleichsweise bauraumsparend und relativ kostengünstig herstellbar.
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Als die mindestens eine Zwischenschicht können wahlweise eine oder mehrere Ebenen von unterschiedlichen Materialien auf der Substratoberfläche 10a abgeschieden sein. Vorzugsweise ist auf der Substratoberfläche 10a und/oder in dem Substrat 10 eine integrierte Schaltung ausgebildet, mittels welcher zumindest die Hall-Sensoreinrichtung 14 und die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und evtl. auch die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 betreibbar sind. Z.B. kann mittels der mindestens einen Zwischenschicht auf der Substratoberfläche 10a zumindest der auf der Substratoberfläche 10a angeordnete Teil der integrierten Schaltung realisiert sein. Die auf der Substratoberfläche 10a und/oder in dem Substrat 10 angeordnete integrierte Schaltung kann insbesondere eine anwendungsspezifische Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) sein. Die integrierte Schaltung kann insbesondere auch mindestens eine Betreiber- und/oder Auswerteeinrichtung für die Hall-Sensoreinrichtung 14, die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 umfassen. Ebenso kann die integrierte Schaltung mindestens eine Funktionsstruktur aufweisen, wie z.B. mindestens eine Struktur zum Ausführen eines Selbsttests, mindestens eine Struktur zur Erzeugung eines magnetischen Flusses und/oder mindestens eine Struktur zum Ausführen eines magnetischen Resets (Rückstellung des Sensors in einen Initialzustand). Des Weiteren kann die integrierte Schaltung mindestens eine Testleitung, mindestens eine Verbindungsleitung und/oder mindestens eine zur Erzeugung eines Magnetfelds ausgelegte Spule/Spulenkomponente, wie speziell mindestens eine als Einzelleiter ausgebildete Spulenkomponente und/oder mindestens eine als Verbund von Leitern ausgebildete Spulenkomponente, umfassen.
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Als die mindestens eine Zwischenschicht kann auch eine Passivierungsschicht auf der Substratoberfläche 10a gebildet sein, mittels welcher zumindest ein Teilbereich der Hall-Sensoreinrichtung 14 und der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 und evtl. auch der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung 16 von der integrierten Schaltung elektrisch isoliert ist. Gegebenenfalls kann mindestens eine elektrische Kontaktierung durch die Passivierungsschicht ausgebildet sein, mittels welcher die Hall-Sensoreinrichtung 14, die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 mit der integrierten Schaltung elektrisch verbunden sind.
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Wie in 1a schematisch dargestellt ist, umfasst die Hall-Sensoreinrichtung 14 eine Sensiermaterialschicht aus einem Sensiermaterial mit einer maximalen Ausdehnung der Sensiermaterialschicht senkrecht zu der Substratoberfläche 10a kleiner-gleich 10 Atomlagen des Sensiermaterials. Unter der Sensiermaterialschicht kann z.B. eine Schicht der Hall-Sensoreinrichtung 14 verstanden werden, in welcher der von der parallel zu der zweiten Raumrichtung 14a ausgerichteten Magnetfeldkomponente des externen Magnetfelds induzierte Hall-Effekt auftritt, d.h. in welcher eine Hall-Spannung oder ein Hall-Strom mittels des externen Magnetfelds induzierbar ist. Durch die quasi nicht vorhandene Ausdehnung der Hall-Sensoreinrichtung 14 senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ist nahezu keine Querempfindlichkeit der Hall-Sensoreinrichtung 14 für Magnetfeldkomponenten in der Ebene der Substratoberfläche 10a zu beobachten. Vorzugsweise weist die Sensiermaterialschicht Graphen als das Sensiermaterial auf. Das aus Kohlenstoff hergestellte Graphen ist dazu geeignet, einen starken Hall-Effekt hervorzurufen. Graphen weist eine hohe Elektronenmobilität, eine hohe Sensitivität, ein niedriges Rauschen und eine hohe mechanische Stabilität auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass anstelle von Graphen auch ein anderes sogenanntes 2D-Material, welches eine flächige Ausdehnung entlang der Substratoberfläche 10a bei einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Dicke von lediglich wenigen Atomlagen aufweist, zum Bilden der Sensiermaterialschicht verwendet werden kann.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Sensorvorrichtung verwenden die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 jeweils die magnetische Tunnelwiderstand-Technologie (Tunnel Magnetoresistance, TMR). Darum weist jede der magnetoresistiven Sensoreinrichtungen 12 und 16 jeweils einen TMR-Schichtstapel 18, wie er in 1b dargestellt ist, auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass, obwohl bei der Ausführungsform der 1a und 1b die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 gemäß der magnetischen Tunnelwiderstand-Technologie ausgebildet sind, ihre Ausbildbarkeit nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung 12 und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung 16 auch gemäß der Riesenmagnetowiderstands-Technologie (Giant Magnetoresistance, GMR) und/oder gemäß der anisotropen Magnetowiderstand-Technologie (Anisotrope Magnetoresistive, AMR) ausgebildet sein.
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Der TMR-Schichtstapel 18 umfasst eine antiferromagnetische Schicht 20, welche zumindest teilweise (vorzugsweise vollständig) aus mindestens einem antiferromagnetischen Material, wie beispielsweise Iridium-Mangan (IrMn) oder Platin-Mangan (PtMn), gebildet ist. Die hier aufgezählten Beispiele für das mindestens eine antiferromagnetische Material sind jedoch nicht abschließend zu interpretieren.
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Eine ferromagnetische Schichtfolge 22 des TMR-Schichtstapels 18 liegt zwischen der antiferromagnetischen Schicht 20 und einer Tunnelbarriere 24 des TMR-Schichtstapels 18. Die ferromagnetische Schichtfolge 22 weist zwei hartmagnetische Schichten 22a und 22b und eine zwischen den zwei hartmagnetischen Schichten 22a und 22b liegende nicht-magnetische Schicht 22c auf. Die zwei hartmagnetischen Schichten 22a und 22b sind zumindest teilweise (insbesondere vollständig) aus mindestens einem hartmagnetischen Material, wie speziell einer CoFe- (Kobalt-Eisen) oder einer CoFeB (Kobalt-Eisen-Bor)- Legierung, gebildet. Die nicht-magnetische Schicht 22c kann zumindest teilweise (vorzugsweise vollständig) aus Ruthenium (Ru) sein. Auf der anderen Seite der Tunnelbarriere befindet sich eine weichmagnetische Schicht 28 (Free Layer), sowie eine (nicht skizzierte) Anschlusselektrode. Der gesamte TMR-Schichtstapel 18 kann entweder, wie hier gezeigt, mit der antiferromagnetischen Schicht 20 als „unterster Schicht“ oder mit der antiferromagnetischen Schicht 20 als „oberster Schicht“, unter Einhaltung der Schichtfolge, vorliegen.
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Die antiferromagnetische Schicht 20 und die ferromagnetische Schichtfolge 22 sind bei dem TMR-Schichtstapel 18 derart zueinander angeordnet, dass zumindest bei einer Temperatur unter einer sogenannten Schwellentemperatur ein sogenannter „Pinning-Effekt“ oder „Exchange-Bias-Effekt“ in einer zu der antiferromagnetischen Schicht 20 ausgerichteten ersten hartmagnetischen Schicht 22a der zwei hartmagnetischen Schichten 22a und 22b auftritt. Ein magnetischer Anneal-Prozess, welcher zumindest ein Aufheizen über die Pinning-Temperatur sowie ein Abkühlen unter die Pinningtemperatur sowie das Anlegen eines magnetischen Feldes enthält, definiert mit Hilfe des „Pinning-Effekts“ oder „Exchange-Bias-Effekts“ eine magnetische Vorzugsrichtung 26a in der ersten hartmagnetischen Schicht 22a, welche auch als eine Pinningrichtung 26a der ersten hartmagnetischen Schicht 22a bezeichenbar ist.
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Mehrere TMR-Schichtstapel 18 können geeignet strukturiert und untereinander verschaltet sein. Insbesondere können mehrere TMR-Einzelwiderstände sowie Gruppen von TMR-Einzelwiderständen in geeigneter Weise zu Messbrücken verschaltet sein. Für die TMR-Einzelwiderstände oder Gruppen von TMR-Einzelwiderständen kann mittels der Pinningrichtung 26a die jeweilige Sensierrichtung 12a oder 16a der jeweiligen magnetoresistiven Sensoreinrichtung 12 oder 16 festgelegt werden. Die zu der antiferromagnetischen Schicht 20 ausgerichtete erste hartmagnetische Schicht 22a der zwei hartmagnetischen Schichten 22a und 22b kann deshalb auch als eine gepinnte Schicht 22a des TMR-Schichtstapels 18 bezeichnet werden. Eine magnetische Vorzugsrichtung 26b einer von der antiferromagnetischen Schicht 20 weg gerichteten zweiten hartmagnetischen Schicht 22b der zwei hartmagnetischen Schichten 22a und 22b ist der Pinningrichtung 26a der ersten hartmagnetischen Schicht 22a entgegengerichtet. Die zweite hartmagnetische Schicht 22b wird als „Fixed Layer“ bezeichnet und definiert die Sensierrichtung.
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Die auf einer von der antiferromagnetischen Schicht 20 weg gerichteten Seite der ferromagnetischen Schichtfolge 22 ausgebildete Tunnelbarriere 24 ist aus mindestens einem elektrisch nicht-leitfähigen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid (MgO), gebildet. Eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Schichtdicke der Tunnelbarriere 24 liegt im Bereich von wenigen Atomlagen. Die Tunnelbarriere 24 liegt zwischen der ferromagnetischen Schichtfolge 22 und der weichmagnetischen Schicht 28 (Free Layer), welche zumindest teilweise aus mindestens einem weichmagnetischen Material, wie insbesondere aus Nickel-Eisen, Kobalt-Eisen oder Kobalt-Eisen-Bor, besteht. Auf beiden Seiten des TMR-Schichtstapels 18 befindet sich je eine (nicht skizzierte) Elektrode, d.h. eine leitfähige Schicht, die nach geeigneter Strukturierung zur elektrischen Kontaktierung des strukturierten TMR-Schichtstapels 18 (TMR-Einzelwiderstand) dient.
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Der TMR-Schichtstapel 18 kann wahlweise derart auf der Substratoberfläche 10a oder der mindestens einen Zwischenschicht abgeschieden sein, dass entweder die antiferromagnetischen Schicht 20 oder die weichmagnetische Schicht 28 (Free Layer) zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtet ist.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung.
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Das Herstellungsverfahren weist zumindest die Verfahrensschritte S1 und S2 auf. In dem Verfahrensschritt S1 wird eine erste magnetoresistive Sensoreinrichtung mit einer ersten Sensierrichtung auf der Substratoberfläche oder mindestens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht angeordnet/ausgebildet. Der Verfahrensschritt S1 wird derart ausgeführt, dass die erste Sensierrichtung der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung nach Beenden des Herstellungsverfahrens parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtet ist. Außerdem erfolgt die Ausbildung der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung derart, dass mittels der späteren Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest ihrer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung ein erster Wert einer richtungsabhängigen physikalischen Größe in der ersten Sensierrichtung ermittelbar ist/ermittelt wird. Wie oben bereits erklärt wird, kann beispielsweise bei einem späteren Betrieb der fertig hergestellten Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest ihrer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung der erste Wert einer magnetischen Feldstärkekomponente eines externen Magnetfelds in der parallel zu der Substratoberfläche ausgerichteten ersten Sensierrichtung messbar sein/gemessen werden.
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In dem Verfahrensschritt S2 wird eine Hall-Sensoreinrichtung mit einer zweiten Sensierrichtung ebenfalls auf der Substratoberfläche oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet/ausgebildet. Bei Ausführen des Verfahrensschritts S2 wird dafür gesorgt, dass die zweite Sensierrichtung der Hall-Sensoreinrichtung nach Beenden des Herstellungsverfahrens senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtet ist. Ebenso wird durch Ausführen des Verfahrensschritts S2 dafür gesorgt, dass mittels der späteren Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der Hall-Sensoreinrichtung ein zweiter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der zweiten Sensierrichtung ermittelbar ist/ermittelt wird. Insbesondere kann bei dem späteren Betrieb der fertig hergestellten Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest ihrer Hall-Sensoreinrichtung der zweite Wert der magnetischen Feldstärkekomponente des externen Magnetfelds in der senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichteten zweiten Sensierrichtung messbar sein/gemessen werden.
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Als vorteilhafte Weiterbildung des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens kann gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt S1 auch ein Verfahrensschritt S3 ausgeführt werden, in welchem zusätzlich zu der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung noch eine zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung mit einer dritten Sensierrichtung auf der Substratoberfläche oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet/ausgebildet wird. Im Unterschied zu der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung wird die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung durch Ausführen des Verfahrensschritts S3 derart ausgebildet, dass die dritte Sensierrichtung parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung ausgerichtet ist. Somit kann bei dem späteren Betrieb ihrer fertig hergestellten Sensorvorrichtung ein dritter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der dritten Sensierrichtung ermittelbar sein/ermittelt werden. Insbesondere kann der dritte Wert der magnetischen Feldstärkekomponente des externen Magnetfelds in der dritten Sensierrichtung unter Verwendung zumindest der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung messbar sein/gemessen werden.
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Optionaler Weise kann das hier beschriebene Herstellungsverfahren mit einem Verfahrensschritt S0 gestartet werden, in welchem eine integrierte Schaltung auf der Substratoberfläche des Substrats der späteren Sensorvorrichtung und/oder in dem Substrat ausgebildet wird. Die mindestens eine Zwischenschicht auf der Substratoberfläche kann zum Ausbilden zumindest eines Teils der integrierten Schaltung auf der Substratoberfläche genutzt werden. Vorteilhafte Komponenten der integrierten Schaltung sind oben schon aufgezählt. Evtl. kann die integrierte Schaltung noch mit einer Passivierungsschicht (als einer der Zwischenschichten) zumindest teilweise abgedeckt werden. Gegebenenfalls kann in dem Verfahrensschritt S0 auch mindestens eine elektrische Kontaktierung durch die Passivierungsschicht ausgebildet werden, mittels welcher die Hall-Sensoreinrichtung, die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung mit der integrierten Schaltung elektrisch verbunden werden.
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Es ist nicht notwendig, dass der Verfahrensschritt S0 vor einem Beginn eines der Verfahrensschritte S1 bis S3 bereits beendet ist. Beispielsweise kann zuerst die mindestens eine elektrische Kontaktierung zum elektrischen Anbinden der erste magnetoresistive Sensoreinrichtung und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung an der integrierten Schaltung ausgebildet werden und dann mit mindestens einem der Verfahrensschritte S1 und S3 begonnen werden, während die mindestens eine elektrische Kontaktierung zum elektrischen Anbinden der Hall-Sensoreinrichtung an der integrierten Schaltung erst kurz vor einem Beginn des Verfahrensschritt S2 gebildet wird.
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Beim Ausführen mindestens eines der Verfahrensschritte S1 und S3 kann zuerst eine Grundschicht der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung und/oder der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung abgeschieden werden, welche sowohl als „Wachstumsschicht“ zur Beeinflussung eines Kristallwachstums einer darauf aufgewachsenen Schicht als auch als erste Elektrode der jeweiligen magnetoresistiven Sensoreinrichtung genutzt werden kann. Beispielsweise kann eine antiferromagnetische Schicht der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung und/oder der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung auf der als „Wachstumsschicht“ genutzten ersten Elektrode aufgewachsen werden. Beim Ausführen mindestens eines der Verfahrensschritte S1 und S3 kann insbesondere der oben schon beschriebene TMR-Schichtstapel gebildet werden, auf dessen Aufbau hier nicht nochmals eingegangen wird. Eine Strukturierung des TMR-Schichtstapels kann wahlweise in einem einzelnen Strukturierschritt oder in unterschiedlichen Strukturierschritten erfolgen. Insbesondere mittels der Strukturierung der freien Lage des TMR-Schichtstapels kann eine magnetische Formanisotropie erzeugt werden, welche für die Realisierung bestimmter Sensoreigenschaften wie Sensitivität, Messbereich und Linearität genutzt werden kann. Vorzugsweise wird deshalb die freie Lage getrennt von den weiteren Schichten des TMR-Schichtstapels strukturiert. Davor oder danach können die weiteren Schichten des TMR-Schichtstapels unter Beachtung der in den zwei hartmagnetischen Schichten gewünschten magnetischen Vorzugsrichtungen getrennt von der freien Lage strukturiert werden.
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Während des Ausführens mindestens eines der Verfahrensschritte S1 und S3 kann insbesondere mittels einer Erwärmung zumindest der ferromagnetischen Schichtfolge auf die Schwellentemperatur, nachfolgender Abkühlung und eines externen Magnetfelds die gewünschte magnetische Vorzugsrichtung in der gepinnten Schicht des TMR-Schichtstapels festgelegt werden. Da Möglichkeiten zum „Pinnen“ der magnetischen Vorzugsrichtung in der gepinnten Schicht des TMR-Schichtstapel aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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Vorzugsweise wird beim Ausführen des Verfahrensschritts S2 eine Sensiermaterialschicht der Hall-Sensoreinrichtung aus einem Sensiermaterial, in welcher eine Hall-Spannung oder ein Hall-Strom mittels eines externen Magnetfelds induzierbar ist, auf der Substratoberfläche oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet. Evtl. kann zuvor auf einer späteren Position der Sensiermaterialschicht ein Dielektrikum abgeschieden und strukturiert werden, das als (Back-)Gate dient. Gegebenenfalls kann zur Schirmung polarer Gruppen im (Back-)Gatedielektrikum noch eine unpolare und selbst-assemblierte Monolagenschicht, speziell aus methyliertem oder fluoriertem Chlorsilan, auf dem (Back-)Gatedielektrikum ausgebildet werden. Mittels einer VUV (Vakuum Ultraviolet)-Belichtung kann bei Bedarf anschließend mindestens ein Überstand der Monolagenschicht lokal und selektiv entfernt werden.
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Bevorzugter Weise wird das Sensiermaterial derart auf der Substratoberfläche oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet, dass bei der fertig hergestellten Sensorvorrichtung eine maximale Ausdehnung der Sensiermaterialschicht ihrer Hall-Sensoreinrichtung senkrecht zu der Substratoberfläche kleiner-gleich 10 Atomlagen des Sensiermaterials ist. Beispielsweise kann dazu der Verfahrensschritt S2 einen Teilschritt S2a umfassen, in welchem die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial zuerst auf einem Wachstumshilfssubstrat aufgewachsen wird. Als Sensiermaterialschicht wird z.B. eine 2D-Materialschicht, vorzugsweise aus Graphen, auf dem Wachstumshilfssubstrat aufgewachsen. Das Wachstumshilfssubstrat kann beispielsweise ein Kupfersubstrat sein. In einem weiteren Teilschritt S2b des Verfahrensschritts S2 wird dann die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial von dem Wachstumshilfssubstrat auf die Substratoberfläche oder die mindestens eine Zwischenschicht transferiert. Vorzugsweise ist dies ein Transfer der Sensiermaterialschicht auf das (Back-)Gatedielektrikum, bzw. die Monolagenschicht.
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Optionaler Weise kann die Sensiermaterialschicht mit einer unpolaren Deckschicht, wie zum Beispiel einer Spin-on-Glass-Schicht, einer BCB-Schicht, einer SU-8-Schicht, einer Polyimid-Schicht, einer Paraffin-Schicht, einer Parylene-Schicht, einer PDMS-Schicht oder einer PMMA-Schicht, abgedeckt werden. Durch die Deckschicht kann anschließend mindestens ein Kontaktloch strukturiert werden, in welchem mindestens ein Kontakt, z.B. aus Gold, Kupfer, Palladium und/oder Platin, ausgebildet wird.
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Das vorausgehend beschriebene Herstellungsverfahren kann beispielsweise im Back-End-Prozess ausgeführt werden. Das Herstellungsverfahren kann als ein Dünnschichtverfahren bezeichnet werden. Obwohl in dem Flussdiagramm der 2 die Verfahrensschritte S1 und S3 vor dem Verfahrensschritt S2 ausgeführt werden, ist eine Ausführbarkeit des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens auf keine bestimmte Reihenfolge seiner Verfahrensschritte beschränkt. Sofern die beim Ausführen mindestens eines der Verfahrensschritte S1 und S3 auftretenden Temperaturen keinen Einfluss auf die Hall-Sensoreinrichtung haben, kann der Verfahrensschritts S2 auch vor zumindest dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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