DE10222395A1

DE10222395A1 - TMR-Sensorelement sowie Schaltungseinrichtung mit mehreren solcher Elemente

Info

Publication number: DE10222395A1
Application number: DE10222395A
Authority: DE
Inventors: Jens Hauch; Klaus Ludwig; Gotthard Rieger; Joachim Wecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: DE10222395B4

Abstract

Das mindestens eine magnetoresistive Sensorelement (E¶j¶) vom TMR-Typ weist eine Dünnschichtenfolge mit einer weichmagnetischen Detektionsschicht (5¶j¶), einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht (3¶j¶) sowie einer zwischen diesen Schichten befindlichen isolierendem Tunnelbarrierenschicht auf. An der Referenzschicht und an der Detektionsschicht sind elektrische Anschlüsse (8, 9) vorhanden. Zwischen diesen Anschlüssen (8, 9) soll eine spannungsbegrenzende Schutzbeschaltung (S¶n¶) z. B. in Form von antiparallel geschalteten Dioden (D¶n¶, D'¶n¶) vorgesehen sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Sensorelement, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und eine Dünnschichtenfolge mit wenigstens

- einer weichmagnetischen Detektionsschicht,
- einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht oder einem entsprechenden Referenzschichtsystem,
- einer zwischen diesen Schichten befindlichen Entkopplungsschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere

- elektrische Anschlüsse an der Referenzschicht bzw. dem Referenzschichtsystem und an der Detektionsschicht

Ein entsprechendes Sensorelement geht z. B. aus der WO 98/14793 A1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungseinrichtung mit mehreren solcher Sensorelemente. Eine entsprechende Schaltungseinrichtung ist der DE 100 28 640 A1 zu entnehmen.

Magnetoresistive Dünnschichtenfolgen, die gegenüber einschichtigen Elementen mit einem sogenannten "klassischen AMR- Effekt" einen wesentlich erhöhten magnetoresistiven Effekt (sogenannter "XMR-Effekt") zeigen, sind allgemein bekannt (vgl. z. B. den Band "XMR-Technologien" - Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum "Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Innerhalb dieser XMR-Dünnschichtenfolgen stellen solche vom sogenannten "TMR(Tunneling Magneto Resistance)-Typ" einen Sonderfall dar. Entsprechende TMR-Elemente weisen zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eine dünne Schicht aus einem isolierenden Material auf, die einen spinabhängigen Tunneleffekt ermöglicht (vgl. z. B. die Beiträge im "Symposium on Spin Tunneling and Injection Phenomena" in "J. Appl. Phys." 79 (8), 15. April 1996, Seiten 4724 bis 4739). Speziell können solche TMR-Dünnschichtenfolgen vom sogenannten "Spin Valve-Typ" sein (vgl. die eingangs genannte WO-A1-Schrift). In ihrer einfachsten Form weisen Dünnschichtenfolgen von diesem Typ eine hartmagnetische Referenzschicht mit einer festen Magnetisierung sowie eine davon zumindest weitgehend magnetisch entkoppelte weichmagnetische Detektions- oder Messschicht mit einer Magnetisierung, die durch ein äußeres Magnetfeld einstellbar ist. Zwischen diesen ferromagnetischen Schichten muss deshalb eine elektrisch isolierende, extrem dünne Entkopplungsschicht als eine Tunnel(barrieren)schicht angeordnet sein. Es zeigt sich jedoch, dass sich bekannte TMR-Sensorelemente mit entsprechenden Dünnschichtenfolgen unter Anwendung üblicher Dünnfilmtechnologien nur mit geringer Ausbeute und schwer reproduzierbaren Eigenschaften in größerer Stückzahl herstellen lassen und in der Handhabung (handling) äußerst empfindlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das TMR- Sensorelement mit der eingangs genannten Dünnschichtenfolge dahingehend auszugestalten, dass eine reproduzierbare Herstellung mit vergleichsweise größerer Ausbeute ermöglicht wird. Mit mehreren solcher Sensorelemente soll eine Schaltungseinrichtung zu erstellen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Aufbau des TMR- Sensors gemäß Anspruch 1 gelöst. Dementsprechend soll zwischen oder an den elektrischen Anschlüssen der Detektionsschicht und der Referenzschicht bzw. des Referenzschichtsystems eine spannungsbegrenzende Schutzbeschaltung vorgesehen sein.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass auf Grund der geringen Stärke der Tunnelbarrierenschicht diese sehr empfindlich gegen Überspannungen sind. Viele Elemente können nämlich schon bei den üblichen Schichtdicken in der Größenordnung zwischen 1,2 und 1,5 nm durch Spannungen unter 1 V zerstört werden. Solche Spannungen werden insbesondere durch statische Felder erzeugt, wie sie während der Herstellung und der Handhabung der Elemente auftreten.

Mit der Kombination von einem TMR-Sensorelement vom Spin Valve-Typ mit einer Schutzbeschaltung auf einem Substrat ergibt sich erst eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung insbesondere für einen Winkel-, Linear- oder Stromsensor auf TMR-Basis. Ohne eine solche Schutzbeschaltung ist ein solcher Sensor außerhalb einer stark kontrollierten Entwicklungsumgebung nicht handhabbar und kann deshalb auch nicht als Massenprodukt vertrieben werden. Mit der erfindungsgemäßen Schutzbeschaltung ist jedoch ein solcher Sensor weitgehend gegen versehentliche Zerstörung durch elektrische Potenziale geschützt. Vorteilhaft werden schon die Schichten während des ganzen Herstellungsprozesses gegen Überspannungen geschützt, so dass eine entsprechend höhere Ausbeute bei der Herstellung gegeben ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen TMR- Sensorelementes sind den Anspruch 1 zugeordneten abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

So kann insbesondere die Schutzbeschaltung zumindest teilweise in ein Substrat integriert sein, auf dem auch die Schichtenfolge des Elementes ausgebildet ist.

Für die Schutzbeschaltung kommen vorzugsweise wenigstens zwei antiparallel geschaltete Dioden oder eine Zener-Diode in Frage.

Außerdem kann die Schutzbeschaltung vorteilhaft einen parallel geschalteten Kondensator aufweisen.

Vorteilhaft kann mit mehreren TMR-Sensorelementen eine Schaltungseinrichtung wie insbesondere eine Wheatstone-Brücke aufgebaut werden, die die Schutzbeschaltungen der einzelnen Elemente umfasst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen TMR-Sensorelementes bzw. der Schaltungseinrichtung gehen aus den übrigen, vorstehend nicht angesprochenen, jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen
deren Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines bekannten TMR- Sensorelementes,
deren Fig. 2 die Cosinus-Kennlinie dieses Sensorelementes,
deren Fig. 3 eine Brückenschaltung mit vier erfindungsgemäß ausgeführten Sensorelementen einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
deren Fig. 4 eine weitere Brückenschaltung mit vier erfindungsgemäß ausgeführten Sensorelementen einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelementes wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen, die einen sogenannten TMR-Effekt zeigen und vom Spin Valve-Typ sind (vgl. z. B. die eingangs genannte WO-A1-Schrift). Entsprechende Elemente eignen sich auf Grund ihrer geringen Baugröße und ihres vergleichsweise großen magnetoresistiven Effektes zur Erfassung insbesondere von Winkelbereichen bis 360°, aber auch als Linearsensoren zur Erfassung einer linearen Verschiebung eines Dauermagneten oder als hochempfindliche Stromsensoren. Solche TMR-Elemente zeichnen sich jeweils dadurch aus, dass sie eine Schichtenfolge mit wenigstens folgenden Schichten aufweisen, nämlich eine weichmagnetische Mess- oder Detektionsschicht, eine vergleichsweise magnetisch härtere Referenzschicht sowie eine zwischen diesen Schichten angeordnete, extrem dünne Zwischenschicht aus einem isolierenden Material, das eine sogenannte Tunnelbarriere bildet. Die Referenzschicht kann auch Teil eines Referenzschichtensystems sein. Entsprechende Bauelemente lassen sich insbesondere so ausbilden, dass sie gerade bei Raumtemperatur einen gegenüber einem einschichtigen magnetoresistiven Bauelement vom AMR-Typ vergleichsweise deutlich höheren magnetoresistiven Effekt, z. B. in der Größenordnung zwischen 15 und 50%, zeigen. Die genannte Schichtenfolge kann weitere Schichten enthalten (vgl. z. B. die DE 198 13 250 C2) und insbesondere in bekannter Weise zur Erhöhung des zu gewinnenden Ausgangssignals einen sich periodisch wiederholenden Aufbau haben.
Eine bekannte TMR-Dünnschichtenfolge, wie sie für Sensorelemente nach der Erfindung vorgesehen werden kann, geht in ihrer einfachsten Form aus Fig. 1 hervor. In dieser Figur sind bezeichnet mit 2 allgemein die Schichtenfolge, mit 3 deren magnetisch härtere Referenzschicht, mit 4 eine Tunnel- bzw. Entkopplungsschicht, mit 5 eine weichmagnetische Detektionsschicht und mit 6 ein Substrat, auf dem sich die Schichtenfolge befindet. Statt der Referenzschicht kann selbstverständlich auch ein bekanntes Referenzschichtensystem eingesetzt werden. Beispielsweise lässt sich eine Doppelschicht aus einem hartmagnetischen Material wie z. B. einer Co-Legierung und aus einer antiferromagnetischen IrMn-Schicht vorsehen, die austauschgekoppelt mit der hartmagnetischen Schicht ist (sogenanntes "Exchange Biasing"; vgl. z. B. "Journ. Appl. Phys.", Vol. 83, No. 11, 01.06.1998, Seiten 7216 bis 7218). Oder das Referenzschichtsystem 3 wird von einem künstlichen Antiferromagneten gebildet (vgl. z. B. WO 94/15223 A). Die Entkopplungsschicht 4 kann z. B. aus Al₂O₃ bestehen, während als Detektionsschicht 5 eine Schicht aus NiFe-Legierung (wie "Permalloy") vorgesehen werden kann. Die Magnetisierung M der unteren, z. B. auf dem Substrat 6 abgeschiedenen Referenzschicht 3 stellt also eine hartmagnetische Referenzschicht- oder Biasschichtmagnetisierung dar, die gegen externe Felder H_ex praktisch unempfindlich ist und bezüglich welcher die Magnetisierung M' der weichmagnetischen Detektionsschicht gedreht bzw. geschaltet werden kann, wenn auf diese ein hinreichend hohes externes Magnetfeld H_ex einwirkt. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur kann dieses externe Feld H_ex durch einen um eine Achse A drehbaren Permanentmagneten 7 erzeugt werden. Die Ausrichtung der Magnetisierungen M und M' sind in der Figur als ein Koordinatensystem veranschaulicht, wobei zwischen den Magnetisierungen ein Drehwinkel φ des Permanentmagneten 7 aufgespannt ist. An den ferromagnetischen Schichten 3 und 5 sind ferner elektrische Kontaktierungen bzw. Anschlüsse 8 und 9 vorhanden, zwischen denen ein Widerstand R der Schichtenfolge abgreifbar ist. Dieser Widerstand ist durch die folgende Cosinus-Beziehung

R = R₀ + ΔR cos (φ)

charakterisiert. R₀ ist dabei der nicht-winkelabhängige Anteil des Widerstandes.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die relative Widerstandsänderung ΔR/R₀ (in willkürlichen Einheiten) in Abhängigkeit von dem Drehwinkel φ (in Grad) als eine Kennlinie der Schichtenfolge 2 nach Fig. 1.
Das erwähnte Überspannungsproblem zwischen den beiden Anschlüssen 8 und 9 eines Aufbaus einer Schichtenfolge 2 nach Fig. 1 lässt sich lösen, indem man bei einem entsprechenden TMR-Sensorelement dessen Schichtenfolge niemals ohne eine Schutzbeschaltung handhabt oder betreibt. D. h., es darf keine direkte Kontaktierung der als Elektroden des Sensorelementes dienenden ferromagnetischen Schichten 3 und 5 über die Anschlüsse 8 und 9 erfolgen. Um den wettbewerblichen Vorteil einer geringen Baugröße nicht zu verlieren, lässt sich für den Aufbau dieser Schutzbeschaltung das Substrat 6, auf dem die TMR-Schichtenfolge ausgebildet wird, nutzen, da dieses in der Regel Silizium ist. Eine entsprechende Beschaltung kann hierbei entweder neben einer Schichtenfolge platziert werden. Falls die Oberfläche zusammen mit weiteren Schichtenfolgen oder anderen Bauelementen planarisiert werden soll, kann man auch die Schutzbeschaltung sogar direkt unter den einzelnen Schichtenfolgen anordnen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaltungseinrichtung mit mehreren TMR-Sensorelementen, deren jeweilige Schichtenfolge mit einer Schutzbeschaltung versehen ist, geht aus Fig. 3 hervor. Die Schaltungseinrichtung kann dabei insbesondere eine Wheatstone-Brücke B1 darstellen. Sie umfasst vier Tunnel-Sensorelemente E_j (mit j = 1. . .4) in zwei parallelgeschalteten, stromdurchflossenen Brückenzweigen Zw1 und Zw2. In jedem der beiden Brückenzweige befinden sich zwei in Stromführungsrichtung gesehen hintereinander angeordnete TMR- Sensorelemente E₁, E₃ bzw. E₂, E₄. Die Magnetisierungen der Referenzschichten 3 _j und der Detektionsschichten 5 _j der einzelnen Elemente E_j sind mit M_j bzw. M'_j bezeichnet (jeweils mit j = 1. . .4). An die Brückenschaltung ist eine Versorgungsspannung V_cc-Gnd von beispielsweise 0,5 V an gemeinsamen Anschlussstellen 11 und 12 der Brückenzweige Zw1 und Zw2 zu legen. Dabei bedeuten V_cc das erhöhte Spannungspotenzial und Gnd das Erdpotenzial. Zwischen den Sensorelementen jedes Brückenzweiges befinden sich die Abgriffpunkte 13 und 14 für das Brückensignal.
Erfindungsgemäß soll an jedem Anschluss 8 und 9 jedes Sensorelementes E_j bzw. dessen Schichtenfolge eine Schutzbeschaltung S_n vorgesehen sein, die für eine Spannungsbegrenzung zwischen den jeweiligen Anschlüssen bzw. den damit verbundenen Elektrodenschichten 3 _j bzw. 5 _j der Elemente sorgt. Im einfachsten Fall genügt hierfür schon für die dargestellte Schaltungseinrichtung B1 ein System von drei Schutzbeschaltungen S_n (mit n = 1. . .3) wegen der Parallelschaltung der Anschlüsse 9 der Elemente E₁ und E₂ sowie der Parallelschaltung der Anschlüsse 8 der Elemente E₃ und E₄. Die hierfür erforderlichen sechs Dioden können alle problemlos in Standard- Silizium-Technologie hergestellt werden. Denn bei diesem System ist jeder Anschluss, der nach außen geführt wird, über zwei parallel angeordnete und entgegengesetzt geschaltete Dioden D_n, D_n' (mit n = 1. . .3) mit dem Erdpotential Gnd der Anschlussstelle 12 verbunden. Auf diese Art wird die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgängen und der Erde auf die Diodendurchbruchsspannung begrenzt.
Es ist jedoch auch möglich, jede andere Schutzbeschaltung zur Spannungsbegrenzung zu nutzen. Gemäß Fig. 4 ist für die dort dargestellte Brückenschaltung B2 statt antiparallel geschalteter Dioden jeweils eine Zener-Diode Z_n (mit n = 1. . .3) vorgesehen. Alle übrigen Teile der Brückenschaltung B2 entsprechen denen des Aufbaus der Brückenschaltung B1 nach Fig. 3.
Es ist jedoch auch möglich, jede andere Schutzbeschaltung, wie sie heutzutage zum ESD("Electrostatic Discharge")-Schutz von CMOS-Bauelementen genutzt werden, zu nutzen.
Auf einem Substrat kann nicht nur ein solcher ESD-Schutz untergebracht werden, sondern auch die gesamte Signalkonditionierungs-Elektronik. Der ESD-Schutz fällt dabei als Nebenprodukt ab, da er für die Signal-Elektronik ohnehin benötigt wird. Z. B. können die Verstärker, die Temperaturkompensation, die Linearisierung, A/D Konvertierung alle auf einem Substrat mit dem wenigstens einen Sensorelement untergebracht werden. Dadurch ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass Störsignale wegen der kurzen Signalwege zwischen Sensorelement und Verstärker schlechter einkoppeln können.
Gegebenenfalls lassen sich auch zur Filterung der Signale benötigte Induktivitäten in magnetischer Dünnschichttechnik mit auf dem Substrat integrieren, da die Substrate ohnehin beschichtet werden.
Darüber hinaus kann, wie in den Fig. 3 und 4 nur angedeutet ist, parallel zu den Brückenzweigen Zw1 und Zw2 und damit zu den zugehörenden Schutzbeschaltungen S_n = S₁ bzw. = Z₁ noch ein Schutzkondensator C1 geschaltet werden. Ein entsprechender Kondensator lässt sich ebenfalls in ein Silizium-Substrat mit integrieren.

Claims

1. Magnetoresistives Sensorelement, das einen gegenüber einem AMR-Effekt erhöhten magnetoresistiven TMR-Effekt zeigt und eine Dünnschichtenfolge mit wenigstens

1. einer weichmagnetischen Detektionsschicht,

- einer vergleichsweise magnetisch härteren Referenzschicht oder einem entsprechenden Referenzschichtsystem,

- einer zwischen diesen Schichten befindlichen Entkopplungsschicht aus isolierendem Material als eine Tunnelbarriere

und

1. elektrische Anschlüsse an der Referenzschicht bzw. dem Referenzschichtsystem und an der Detektionsschicht

aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen oder an den Anschlüssen (9, 8) der Detektionsschicht (5, 5 _j) und der Referenzschicht (3, 3 _j) bzw. des Referenzschichtsystems eine spannungsbegrenzende Schutzbeschaltung (S_n) vorgesehen ist.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschaltung (S_n) zumindest teilweise in ein Substrat (6) integriert ist, auf dem auch die Schichtenfolge (2) ausgebildet ist.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschaltung von zwei antiparallel geschalteten Diodenelementen (D_n, D_n') gebildet ist.

4. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschaltung von einer Zener-Diode (Z_n) gebildet ist.

5. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschaltung einen parallel geschalteten Schutzkondensator (C1) aufweist.

6. Schaltungseinrichtung mit mehreren TMR-Sensorelementen (E_j) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

7. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens vier zu einer Wheatstone- Brücke (B1, B2) mit zwei parallelgeschalteten, stromdurchflossenen Brückenzweigen (Zw1, Zw2) verschalteten magnetoresistiven TMR-Sensorelementen (E_j), von denen jeweils zwei

- einen der Zweige (Zw1 bzw. Zw2) der Brücke (B1, B2) bilden sowie

- in Stromführungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet sind.

8. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenzweige (Zw₁, Zw2) sowie die Schutzbeschaltungen (S_n) einseitig auf Erdpotential (Gnd) gelegt sind.