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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet magnetoelektronischer Vorrichtungen und insbesondere CMOS-kompatibler magnetoelektronischer Feldsensoren, die eingesetzt werden, um Magnetfelder in drei zueinander senkrechten Richtungen zu erfassen.
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Hintergrund
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Sensoren werden verbreitet in modernen Systemen eingesetzt, um physikalische Parameter, wie beispielsweise Position, Bewegung, Kraft, Beschleunigung, Temperatur, Druck usw. zu messen oder zu erfassen. Obwohl eine Vielzahl verschiedener Sensortypen zum Messen dieser und anderer Parameter existieren, weisen sie alle verschiedene Beschränkungen auf. Beispielsweise bestehen kostengünstige Schwachfeldsensoren, wie z. B. diejenigen, die in einem elektronischen Kompass oder für andere ähnliche Magneterfassungs-Einsatzzwecke verwendet werden, im Allgemeinen aus Vorrichtungen auf Basis des anisotropen Magnetorwiderstandes, sogenannten AMR-Vorrichtungen. Um die erforderliche Empfindlichkeit und geeignete Widerstände zu erreichen, die gute Übereinstimmung mit CMOS aufweisen, haben die Erfassungseinheiten dieser Sensoren im Allgemeinen Abmessungen in der Größenordnung von Quadratmillimetern. Für mobile Einsatzzwecke sind derartige AMR-Sensorkonfigurationen teuer hinsichtlich des Aufwandes, der Schaltungsfläche und des Stromverbrauchs.
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Andere Typen von Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren, Supermagnetorwiderstand-Sensoren, sogenannte GMR-Sensoren, sowie Magnetic-Tunnel-Junction-Sensoren, sogenannte MTJ-Sensoren, sind eingesetzt worden, um kleinere Sensoren zu schaffen, jedoch haben diese Sensoren ebenfalls bestimmte Probleme, wie beispielsweise unzureichende Empfindlichkeit und Beeinflussung durch Temperaturänderungen. Um diese Probleme zu lösen, sind MTJ-Sensoren und GMR-Sensoren in einer Wheatstone-Brückenstruktur eingesetzt worden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und temperaturabhängige Änderungen des Widerstands auszuschließen. Viele Magneterfassungstechnologien reagieren inhärent häufig auf eine Ausrichtung des wirkenden Feldes und schließen senkrechte Achsen aus. Es sind allerdings Zweiachsen-Magnetfeldsensoren für den Einsatz in elektronischen Kompassen entwickelt worden, mit denen die Richtung des Erdfeldes unter Verwendung einer Wheatstone-Brückenstruktur für jede Erfassungsachse ermittelt wird.
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Hall-Sensoren sprechen beispielsweise im Allgemeinen auf Feldkomponenten außerhalb der Ebene senkrecht zu der Substrat-Oberfläche an, während magnetoresistive Sensoren auf innerhalb der Ebene wirkende Magnetfelder ansprechen. Wenn diese Ansprech-Achsen genutzt werden, wird bei der Entwicklung einer Dreiachsen-Erfassungslösung mit geringer Grundfläche üblicherweise ein Multichip-Modul mit einem oder mehreren Chip/s eingesetzt, die in rechten Winkeln zueinander positioniert sind. Bei magnetoresistiven Sensoren können die senkrechten innerhalb der Ebene wirkenden Komponenten durch ausgewogene Konstruktion des Sensors erreicht werden, das Ansprechen auf Komponenten außerhalb der Ebene wird jedoch im Allgemeinen über Vertikalbonden (vertikal bonding) oder Aufschmelzlöten (solder reflow) zum Herstellen von Kontakt mit einem sekundären Chip erreicht, der vertikal montiert worden ist. Da die Größe des vertikal gebondeten Chips üblicherweise durch den Abstand zwischen zwei Pads (pad pitch) bestimmt wird, der von den Bearbeitungseinschränkungen abhängt, führt ein derartiges Verfahren zu einer großen vertikalen Ausdehnung der fertigen Baugruppe, zu hohen Kosten für Chip und Montage, und sogenanntes „Chip Scale Packaging” wird erschwert und teuer, da durch den Chip verlaufende Kontaktlöcher integriert werden müssen.
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Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Konstruktions- und Herstellungsprozess zum Ausbilden eines Einchip-Magnetsensors, der auf ein wirkendes Magnetfeld in drei Dimensionen anspricht. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an einem Dreiachsensensor, der effizient und kostengünstig als eine integrierte Schaltungsstruktur zum Einsatz für mobile Zwecke konstruiert werden kann. Weiterhin besteht ein Bedarf an einem verbesserten Magnetfeldsensor sowie verbesserter Herstellung, um so die oben aufgeführten Probleme der Technik zu lösen. Im Weiteren werden andere vorteilhafte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen und dem vorliegenden Hintergrund ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unten in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben, in denen die gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, wobei
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1 eine elektronische Kompassstruktur darstellt, die Differentialsensoren verwendet, die aus drei Brückenstrukturen mit MTJ-Sensoren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bestehen;
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2 eine Teilschnittansicht der Z-Achsen-Brückenstruktur in 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist;
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3 eine Ansicht von Flusslinien ist, wie sie mittels Finite-Element-Simulation von zwei der vier MTJ-Sensoren in 2 berechnet werden;
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4 eine Teilschnittansicht der Z-Achsen-Brückenstruktur in 1 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist;
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5 eine Teilschnittansicht der Z-Achsen-Brückenstruktur in 1 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist;
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6 eine weitere Form eines Flussleiters ist, wie er in 5 gezeigt ist;
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7 eine weitere Form des Flussleiters ist, wie er in 5 gezeigt ist;
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8 eine weitere Form des Flussleiters ist, wie er in 6 gezeigt ist; und
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9 ein Diagramm ist, das die Z-Empfindlichkeit, ausgedrückt in Form eines Prozentsatzes der X-Empfindlichkeit für ein einzelnes (nicht differenziell verdrahtetes) MTJ-Erfassungselement, als eine Funktion des Abstandes von Umhüllung zu Sensor darstellt.
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Es liegt auf der Hand, dass der Einfachheit und Übersichtlichkeit der Darstellung halber in den Zeichnungen dargestellte Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Beispielsweise sind die Abmessungen einiger der Elemente relativ zu anderen Elementen vergrößert, um Klarheit und Verständnis zu fördern und zu verbessern. Des Weiteren sind, wenn dies als zweckdienlich betrachtet wird, Bezugszeichen in den Zeichnungen wiederholt worden, um entsprechende oder analoge Elemente zu bezeichnen.
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Zusammenfassung
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Ein Magnetfeldsensor auf Basis eines ferromagnetischen Dünnfilms enthält einen ersten magnetoresistiven Sensor, der ein Substrat mit einer planen Fläche sowie ein erstes Erfassungselement umfasst, das eine erste Seite hat, die parallel zu der planen Fläche des Substrats liegt, wobei das erste Erfassungselement eine zweite Seite hat, die der ersten Seite gegenüberliegt, und eine erste sowie eine zweite Kante hat, die einander gegenüberliegen, sowie einen ersten Flussleiter, der zu der ersten Seite des Substrats nicht-parallel angeordnet ist und ein Ende hat, das nahe an der ersten Kante und der ersten Seite des ersten Erfassungselementes liegt. Ein wahlweise vorhandener zweiter Flussleiter kann nicht-parallel zu der ersten Seite des Substrats angeordnet sein und ein Ende haben, das nahe an der zweiten Kante und der zweiten Seite des ersten Erfassungselementes liegt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält ein Magnetfeldsensor auf Basis eines ferromagnetischen Dünnfilms einen ersten, einen zweiten und einen dritten magnetoresistiven Sensor. Der erste MTJ-Sensor enthält eine erste Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung, eine sogenannte ”pinned layer”, sowie ein erstes Erfassungselement, das auf der ersten Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung ausgebildet ist, der zweite MTJ-Sensor enthält eine zweite Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung und ein zweites Erfassungselement, das auf der zweiten Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung und senkrecht zu dem ersten Erfassungselement ausgebildet ist, und der dritte MTJ-Sensor enthält eine dritte Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung sowie ein drittes Erfassungselement, das auf der dritten Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung ausgebildet ist, wobei die dritte Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung in ungefähr 45° zu der ersten und der zweiten Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung angeordnet ist und das dritte Erfassungselement eine erste und eine zweite Kante sowie eine erste und eine zweite Seite hat. Ein Flussleiter ist nicht-parallel zu einer planen Fläche des Substrats angeordnet und hat ein Ende, das sich nahe an der ersten Kante und der ersten Seite des dritten Erfassungselementes befindet.
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Ausführliche Beschreibung
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Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Erfindung oder den Einsatzzweck bzw. Verwendungszwecke der Erfindung nicht einschränken. Des Weiteren ist keine Bindung an eine in dem vorangehenden Hintergrund oder der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellte Theorie beabsichtigt.
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Über die Integration vertikaler Stäbe (Flussleiter) mit hohem Seitenverhältnis aus einem Material mit hoher Permeabilität, beispielsweise Nickel-Eisen (NiFe), deren Enden nahe an einander gegenüberliegenden Kanten und einander gegenüberliegenden Seiten eines Magneterfassungselementes enden, kann ein Teil des Z-Achsen-Feldes in die XY-Ebene gebracht werden. Diese Flussleiter dienen dazu, Magnetfluss von einem wirkenden Feld zu erfassen, das in der Z-Richtung ausgerichtet ist, und dadurch dazu, die Feldlinien in der Nähe der Enden der Flussleiter im Wesentlichen horizontal zu biegen. Über asymmetrische Positionierung der Flussleiter, beispielsweise des Flussleiter-Segmentes oberhalb der linken Kante von Erfassungselementen in zwei Schenkeln der vier Schenkel einer Wheatstone-Brücke und des Flussleiters oberhalb der rechten Kante von Erfassungselementen in den zwei anderen Schenkeln, können die horizontalen Komponenten in einander entgegengesetzten Richtungen für die zwei paarigen Schenkel wirken, so dass ein starkes Differenzsignal entsteht. Ein in der X- oder Y-Richtung wirkendes Feld wird gleichmäßig auf alle vier Schenkel der Brücke projiziert und daher herausgerechnet und trägt nicht zu dem abschließenden Sensorsignal bei. Separate Brücken sind an andere Stelle in dem Magnetsensor-Chip enthalten, um die X- und die Y-Komponente des Magnetsignals zu bestimmen, und auf diese Weise kann ein Feld mit Komponenten in allen drei räumlichen Ausrichtungen mit einem magnetoresistiven Einzelchip-Erfassungsmodul genau bestimmt werden, das beispielsweise auf MTJ-Erfassungselementen basiert. FEM-Simulationen haben gezeigt, dass ein Paar Flussleiter mit hohem Seitenverhältnis, die beispielsweise 25 nm breit und 500 nm hoch sind und sich über mehrere μm in der dritten Richtung erstrecken, wenn sie optimal positioniert sind, an einem einzelnen Element ein Signal erzeugen, das 80% des in einem ebenen (X-Achsen-)Feld der gleichen Stärke gemessenen Signals ausmacht. Ein zusätzliches Signal kann über größere Nähe des Flussleiters zu dem Sensor, Vergrößerung der Höhe des Flussleiters und zusätzliche Formung der Geometrie des Leiters erzielt werden. Ein Beispiel besteht darin, dass horizontale Segments parallel zu dem Erfassungselement hinzugefügt werden, die sich über die Kanten des Erfassungselementes erstrecken. Andere Beispiele bestehen darin, ein U zu formen, das in dem inneren horizontalen Segment angeordnet ist und auf die Außenkante des Erfassungselementes ausgerichtet ist, in winkligem Abschluss der vertikalen Segmente durch den sich der Flussleiter teilweise in der Ebene des Erfassungselementes erstreckt, und in einer auf ähnliche Weise angeordneten Kastenstruktur. Diese Formen dienen dazu, die horizontale Komponente des geleiteten Flusses weiter zu verstärken und sie in einen weiter in der Mitte liegenden Bereich des Sensors zu verschieben. Eine Struktur mit einzelnen 25 nm breiten vertikalen Stäben, die als Flussleiter verwendet werden, ist tolerant gegenüber Overlay-Fehlern und erzeugt eine scheinbare X-Z-Feldumwandlung (für eine differenziell verdrahtete Wheatstone-Brücke) bei der Rate von 2,5% bei einer Fehlausrichtung von 85 nm (3 Sigma) zwischen einer einzelnen Flussleiterschicht und der Erfassungsschicht.
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Die Flussleiterschicht kann aus Schichten bestehen, die üblicherweise in dem MRAM-Prozessfluss eingesetzt werden, bei dem Bit- und Digitleitungen eingesetzt werden, die mit einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität (wie beispielsweise in typischen magnetischen Speichervorrichtungen) ummantelt sind, das im Folgenden als ein Flussleiter bezeichnet wird, um die vorhandenen Feldfaktoren zu verstärken und den Strom zu verringern, der erforderlich ist, um das Speicherelement zu schalten. Bei dem Einsatz für Sensoren kann der gleiche Prozessfluss mit dem optionalen zusätzlichen Schritt eingesetzt werden, in dem die Unterseite der Digitleitung gesputtert wird, um jegliche Ummantelung zu entfernen, die am Boden des Grabens vorhanden ist. Abwandlungen können an dem Prozess vorgenommen werden, so dass die Höhe und die Breite der Ummantelung, die für Flussleitungszwecke verwendet wird, anstelle der 500 nm bzw. 25 nm, die bei dem oben beschriebenen beispielhaften Prozess eingesetzt werden, optimale Werte haben.
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Im Folgenden werden ein Verfahren und eine Vorrichtung ausführlicher beschrieben, mit denen Mehrachsen-Fixierung der Magnetisierrichtung (multi-axis pinning) auf einem Bulk-Wafer bewirkt wird, der eingesetzt werden kann, um einen IC-Sensor mit unterschiedlichen Bezugsschichten auszubilden, die drei verschiedene Fixier-Richtungen haben, von denen zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander sind und die mit einem einzelnen Vorgang zum Abscheiden von Material zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung sowie zum Einstellen eines Bulk-Wafers festgelegt werden. In einem vorbereitenden Schritt werden eine Anordnung aus einer oder mehreren Schichten aus ferromagnetischen und antiferromagnetischen Materialien in geformte Bezugsschichten hineingeätzt, die eine zweidimensionale Form mit einem hohen Seitenverhältnis haben, wobei die Form eine Unterscheidung der gewünschten Magnetisierungsrichtung für jede Bezugsschicht ermöglicht. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien und Verfahren kann die abschließende Magnetisierungsrichtung entlang der kurzen Achse oder der langen Achse der geformten Schicht ausgebildet sein. Wenn beispielsweise die Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung mit einem geringfügig asymmetrischen synthetischen Antiferromagneten (SAF) versehen ist, der in Dimensionen im Mikrometermaßstab strukturiert ist, verläuft die Magnetisierung entlang der kurzen Achse. Die SAF-Ausführungsform weist, wie dem Fachmann bekannt ist, eine Anzahl von Vorteilen auf, die mit dem Einsatz von SAF-Bezugsschichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung in magnetoelektronischen Vorrichtungen zusammenhängen. In anderen Ausführungsformen kann, wenn die Dicke der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung und der stationären Schichten sowie die räumliche Ausdehnung der Strukturanordnung in der Ebene gesteuert werden, die abschließende Magnetisierung entlang der langen Achse verlaufen. Wenn Form-Anisotropie genutzt wird, werden unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen in den Bezugsschichten induziert, indem beim Vorhandensein eines ausrichtenden Feldes erhitzt wird, das zwischen den gewünschten Magnetisierungsrichtungen für die Bezugsschichten ausgerichtet ist. In ausgewählten Ausführungsformen werden die Bezugsschichten ausreichend erhitzt, um die Materialkomponente der Anisotropie zu reduzieren und zuzulassen, dass die Form und das externe Feld die Magnetisierungsrichtung bestimmen. Auf diese Weise richtet die Form-Anisotropie, wenn das ausrichtende Feld aufgehoben ist, die Magnetisierung in der gewünschten Richtung aus. Beim Aufheben des ausrichtenden Feldes entspannen sich die Bezugsschichten und folgen der Form der Bezugsschichten, so dass eine Magnetisierung induziert wird, die entlang der gewünschten Achse der geformten Bezugsschicht ausgerichtet ist. Ein optionales kompensierendes Feld kann angewendet werden, um Rechtwinkligkeit induzieren zu können, und die Bezugsschichten werden dann über die Phasenübergangstemperatur der antiferromagnetischen Fixierschichten hinaus erhitzt. Wenn beispielsweise zwei Bezugsschichten so geformt sind, dass sie längere Abmessungen haben, die senkrecht zueinander sind, dann sind die für die zwei Bezugsschichten induzierten Magnetisierungen nahezu senkrecht zueinander.
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Verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Obwohl in der folgenden Beschreibung verschiedene Details dargelegt sind, ist klar, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden kann und dass zahlreiche Entscheidungen für eine Umsetzungsform der hier beschriebenen Erfindung getroffen werden können, um die spezifischen Ziele bei der Konstruktion zu erreichen, so beispielsweise Übereinstimmung mit Prozesstechnologie oder konstruktionsbezogenen Einschränkungen, die sich von einer Umsetzungsform zur anderen unterscheiden. Auch wenn dieser Entwicklungsaufwand möglicherweise komplex und zeitintensiv ist, handelt es sich dennoch um eine Routinearbeit für den Fachmann, der die vorliegende Offenbarung nutzen kann. Des Weiteren werden ausgewählte Aspekte unter Bezugnahme auf vereinfachte Schnittzeichnungen dargestellt, ohne dass jede einzelne Struktur oder Form der Vorrichtung einbezogen wird, um zu verhindern, dass die vorliegende Erfindung eingeschränkt oder unklar wird. Es ist auch anzumerken, dass in der gesamten ausführlichen Beschreibung herkömmliche Verfahren und Merkmale, die sich auf Konstruktion und Funktion von Magnetsensoren, die Konstruktion von MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), die Funktion von MRAM, die Herstellung von Halbleitervorrichtungen und anderer Aspekte der integrierten Schaltungsvorrichtungen beziehen, möglicherweise nicht ausführlich beschrieben werden. Obwohl bestimmte Materialien geformt und entfernt werden, um die IC-Sensoren als Teil eines existierenden Prozesses zur Herstellung von MRAM herzustellen, werden die spezifischen Vorgänge zum Formen oder Entfernen dieser Materialien im Folgenden nicht ausführlich beschrieben, da diese Details bekannt sind und nicht als notwendig erachtet werden, um dem Fachmann zu vermitteln, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt bzw. genutzt wird. Des Weiteren sollen in den hier enthaltenen verschiedenen Figuren dargestellte Schaltungs-/Komponentenkonstruktionen und -konfigurationen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung repräsentieren. Es sollte bemerkt werden, dass vielen Alternativen oder zusätzlichen Schaltungs-/Komponentenkonstruktionen in einer praktischen Ausführungsform vorhanden sein können.
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1 zeigt einen Magnetfeldsensor 100, der mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Differentialsensor 101, 111, 112 versehen ist, mit denen die Richtungen der Komponenten eines wirkenden Feldes entlang einer ersten Achse 120 (beispielsweise die Y-Achsen-Richtung), einer zweiten Achse 110 (beispielsweise die X-Achsen-Richtung) und einer dritten Achse 130 (beispielsweise die Z-Achsen-Richtung) erfasst werden. Die Z-Achsen-Richtung ist als ein Punkt und ein Fadenkreuz dargestellt, das sich entweder in die Seite, auf der sich 1 befindet, hinein oder aus ihr heraus erstreckt. Beispielhafte Ausführungsformen des ersten und des zweiten Sensors 101, 111 sind ausführlich in der US-Patentanmeldung 12/433,679 beschrieben. Jeder Sensor 101, 111, 121 ist, wie hier dargestellt, mit nicht abgeschirmten Erfassungselementen versehen, die in einer Brückenanordnung verbunden sind. So besteht der erste Sensor 101 aus der Verbindung einer Vielzahl von Erfassungselementen 102–105 in einer Brücken-Anordnung über einer entsprechenden Vielzahl von Schichten 106–109 mit fixierter Magnetisierungsrichtung, wobei jede der Schichten 106–109 mit fixierter Magnetisierungsrichtung in der X-Achsen-Richtung magnetisiert ist. Auf ähnliche Weise besteht der zweite Sensor 111 aus der Verbindung einer Vielzahl von Erfassungselementen 112–115 in einer Brückenanordnung über einer entsprechenden Vielzahl Schichten 116–119 mit fixierter Magnetisierungsrichtung, die jeweils in der Y-Achsen-Richtung magnetisiert sind, die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der Schichten 106–109 mit fixierter Magnetisierungsrichtung ist. Des Weiteren besteht der dritte Sensor 121 in der gleichen Ebene wie der erste und der zweite Sensor 101–111 aus der Verbindung einer Vielzahl von Erfassungselementen 122–125 in einer Brückenanordnung über einer Vielzahl Schichten 126–129 mit fixierter Magnetisierungsrichtung, die jeweils in der XY-Achsen-Richtung magnetisiert sind, die in einem Winkel von 45° zur Magnetisierungsrichtung der magnetisch ausgerichteten Schichten 106–109 und 116–119 liegt. Bei der dargestellten Brücken-Anordnung 101 sind die Erfassungselemente 102–104 so ausgebildet, dass sie eine erste leichte Magnetisierungsrichtung haben, und die Erfassungselemente 103, 105 sind so ausgebildet, dass sie eine zweite leichte Magnetisierungsrichtung haben, wobei die erste und die zweite leichte Magnetisierungsrichtung senkrecht zueinander sind und so ausgerichtet sind, dass sie sich im gleichen Maße von der Magnetisierungsrichtung der Schichten 106–109 mit fixierter Magnetisierungsrichtung unterscheiden. Was die zweite Brücken-Anordnung 111 angeht, so haben die Erfassungselemente 112, 114 eine erste leichte Magnetisierungsrichtung, die senkrecht zu der zweiten leichten Magnetisierungsrichtung für die Erfassungselemente 113, 115 ist, so dass die erste und die zweite leichte Magnetisierungsrichtung so ausgerichtet sind, dass sie sich in gleichem Maße von der Magnetisierungsrichtung der Schichten 116–119 mit fixierter Magnetisierungsrichtung unterscheiden. Bei der dritten Brücken-Anordnung haben die Erfassungselemente 122, 123, 124 sowie 125 sämtlich eine leichte Magnetisierungsrichtung, die senkrecht zu der ausgerichteten Magnetisierungsrichtung der Schichten 126, 127, 128 und 129 mit fixierter Magnetisierungsrichtung ist. Die dritte Brücken-Anordnung 121 enthält des Weiteren Flussleiter 132–135, die an die rechte Kante der Erfassungselemente 122–125 angrenzend positioniert sind, sowie Flussleiter 136–139, die an die linke Kante der Erfassungselemente 122, 125 angrenzend positioniert sind. Flussleiter 132, 137, 134 und 139 sind oberhalb der Erfassungselemente 122–125 positioniert, und die Flussleiter 136, 133, 138 und 135 sind unterhalb der Erfassungselemente 122–125 positioniert. Die Positionierung dieser Flussleiter 132–139 wird im Folgenden ausführlicher in 2 beschrieben. Bei den dargestellten Sensoren 101, 111, 121 ist keine Abschirmung für die Erfassungselemente erforderlich, und es sind auch keine speziellen Bezugselemente erforderlich. In einer beispielhaften Ausführungsform wird dies erreicht, indem jedes aktive Erfassungselement (beispielsweise 102, 104) unter Verwendung von Form-Anisotropieverfahren mit einem anderen aktiven Erfassungselement (beispielsweise 103, 105) in Beziehung gebracht wird, um die leichten Magnetachsen der in Beziehung zueinander stehenden Erfassungselemente so festzulegen, dass sie für den X- und den Y-Sensor um 90° zueinander versetzt sind, und indem Bezug zu einem Erfassungselement hergestellt wird, das in entgegengesetzter Weise auf ein in der Z-Richtung wirkendes Feld für den Z-Sensor anspricht. Die Herstellung des Bezugs für den Z-Sensor wird weiter unten ausführlicher beschrieben. Die in 1 gezeigte Anordnung muss nicht die Vorteile der in 2 ausführlicher beschriebenen dritten Sensorstruktur 121 nutzen und dient lediglich als Beispiel.
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Indem der erste und der zweite Sensor 101, 111 so positioniert werden, dass sie senkrecht zueinander ausgerichtet sind, und dabei die Ausrichtungen der Erfassungselemente jeweils auf gleiche Weise gegenüber der Fixierrichtung des Sensors und bei jedem Sensor senkrecht zueinander versetzt werden, können die Sensoren die Richtungen der Komponenten eines wirkenden Feldes entlang der ersten und der zweiten Achse erfassen. Flussleiter 132–139 sind in Sensor 121 oberhalb und unterhalb der einander gegenüberliegender Kanten der Elemente 122–125 asymmetrisch zwischen Schenkeln 141, 143 und Schenkeln 142, 144 positioniert. Da Flussleiter 132, 134 oberhalb der Erfassungselemente 122, 124 angeordnet sind, kann der Magnetfluss von dem Z-Feld durch die Flussleiter 132 und 134 an der rechten Seite entlang in die XY-Ebene geleitet werden und bewirken, dass sich die Magnetisierung der Erfassungselemente 122 und 124 in einer ersten Richtung zu einem höheren Widerstand hin dreht. Desgleichen kann der Magnetfluss von dem Z-Feld durch die Fluss-Pfade 133 und 135 an der rechten Seite des Erfassungselementes entlang in die XY-Ebene geleitet werden und bewirken, dass sich die Magnetisierung der Erfassungselemente 123 und 125 in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu einem niedrigen Widerstand hin dreht, da sich diese Flussleiter unterhalb der Erfassungselemente 123, 125 befinden. So kann der Sensor 121 die Richtungen der Komponenten eines wirkenden Feldes entlang der dritten Achse erfassen. Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform die Flussleiter in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Feldsensors liegen, wirken die Flussleiter auch, wenn der Winkel, den sie zu dem Sensor bilden, nicht genau 90° beträgt. In anderen Ausführungsformen könnte der Winkel zwischen dem Flussleiter und dem Feldsensor in einem Bereich von 45° bis 135° liegen, wobei der genaue Winkel in Abhängigkeit von anderen Faktoren, wie beispielsweise der Einfachheit der Herstellung, ausgebildet wird.
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Wie aus dem Obenstehenden ersichtlich ist, kann ein Magnetfeldsensor aus Differentialsensoren 101, 111, 121 bestehen, bei denen nicht-abgeschirmte Erfassungselemente 102–105, 112–115 und Erfassungselemente 122–125 mit geleitetem Magnetfluss eingesetzt werden, die in einer Brücken-Anordnung über jeweiligen Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung bzw. Bezugsschichten 106–109, 116–119 sowie 126–129 verbunden sind, um das Vorhandensein und die Richtung eines wirkenden Magnetfeldes zu erfassen. Durch diese Konfiguration ermöglicht der Magnetfeldsensor gute Empfindlichkeit und bietet auch die Temperaturkompensationseigenschaften einer Brücken-Anordnung.
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Die Brückenschaltungen 101, 111, 121 können als Teil eines existierenden Prozesses zum Herstellen von MRAM oder Dünnfilm-Sensoren bei lediglich geringen Abwandlungen zum Steuern der magnetischen Ausrichtung der verschiedenen Sensorschichten und des Querschnitts der Flussleiter-Strukturen hergestellt werden. Jede der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 sowie 126–129 kann mit einer oder mehreren unteren ferromagnetischen Schicht/en ausgebildet werden, und jedes der Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 kann mit einer oder mehreren oberen ferromagnetischen Schichten ausgebildet werden. Eine isolierende dielektrische Tunnelschicht (nicht dargestellt) kann zwischen den Erfassungselementen 102–105, 112–125, 122, 125 sowie den Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 angeordnet sein. Die Elektroden und die Erfassungselektroden bestehen vorteilhafterweise aus magnetischen Materialien, deren Magnetisierungsschicht ausgerichtet werden kann. Geeignete Elektrodenmaterialien und Anordnungen von Materialien zu Strukturen, die üblicherweise für Elektroden von MRAM-Vorrichtungen und anderen MTJ-Vorrichtungen eingesetzt werden, sind in der Technik bekannt. Beispielsweise können Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 mit einer oder mehreren Schicht/en aus ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Materialien in einer Gesamtdicke im Bereich von 10 bis 1000 Å und in ausgewählten Ausführungsformen im Bereich von 250 bis 350 Å ausgebildet werden. In einer beispielhaften Umsetzungsform wird jede der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 mit einer einzelnen ferromagnetischen Schicht und einer darunterliegenden antiferromagnetischen Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung ausgebildet. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform enthält jede Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 eine synthetische antiferromagnetische Schichtkomponente (beispielsweise eine Schichtanordnung aus CF (Kobalt-Eisen), Ruthenium (Ru) und CFB), die 20 bis 80 Å dick ist, und eine darunterliegende ferromagnetische Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung, die ungefähr 200 Å dick ist. Die unteren antiferromagnetischen Materialien zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung können rücksetzbare Materialien, wie beispielsweise IrMn, sein, obwohl auch andere Materialien, wie beispielsweise PtMn, eingesetzt werden können, die bei normalen Temperaturen nicht ohne Weiteres zurückgesetzt werden können. Die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 wirken als eine fixierte magnetische Schicht bzw. eine magnetische Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung, wenn die Richtung ihrer Magnetisierung in einer Richtung fixiert wird, die sich unter normalen Betriebsbedingungen nicht ändert. Die Erwärmungseigenschaften der zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 verwendeten Materialien können, wie hier offenbart, den Herstellungsablauf ändern, der zum Ausbilden dieser Schichten verwendet wird.
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Jeweils eines der Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 und jeweils eine der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 bilden einen MTJ-Sensor. Beispielsweise bilden bei Brückenschaltung 121 Erfassungselement 122 und die Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 126 einen MTJ-Sensor 141. Desgleichen bilden Erfassungselement 123 und die Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 127 einen MTJ-Sensor 142, das Erfassungselement 124 und die Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 128 bilden einen MTJ-Sensor, und Erfassungselement 125 und die Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 129 bilden einen MTJ-Sensor 144.
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Die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119 und 126–129 können mit einer einzelnen strukturierten ferromagnetischen Schicht ausgebildet werden, die eine Magnetisierungsrichtung (mit dem Pfeil angedeutet) hat, die sich entlang der Längsrichtung der strukturierten Bezugsschicht/en ausrichtet. In anderen Ausführungsformen kann jedoch die Bezugsschicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung mit einer synthetischen antiferromagnetischen (SAF) Schicht implementiert werden, die dazu dient, die Magnetisierung der Bezugsschicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung entlang der kurzen Achse der strukturierten Bezugsschichten auszurichten. Die SAF-Schicht kann, wie klar ist, in Kombination mit einer darunterliegenden antiferromagnetischen Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung implementiert werden, jedoch ist bei SAF-Strukturen mit geeigneter Geometrie und geeigneten Materialien, die ausreichend starke Magnetisierung gewährleisten, die darunterliegende antiferromagnetische Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung möglicherweise nicht erforderlich, so dass ein einfacher Herstellungsprozess mit Kosteneinsparungen umgesetzt werden kann.
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Die Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 können mit einer oder mehreren Schichten aus ferromagnetischen Materialien in einer Dicke im Bereich von 10 bis 5000 Å und in ausgewählten Ausführungen im Bereich von 10 bis 60 Å ausgebildet werden. Die oberen ferromagnetischen Materialien können magnetisch weiche Materialien, wie beispielsweise NiFe, CoFe, Fe, CFB und dergleichen, sein. in jedem MTJ-Sensor dienen die Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 als eine Erfassungsschicht bzw. freie magnetische Schicht, da die Richtung ihrer Magnetisierung durch das Vorhandensein eines äußeren wirkenden Feldes, wie beispielsweise des Magnetfeldes der Erde, abgelenkt werden kann. In abschließender Form können die Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 mit einer einzelnen ferromagnetischen Schicht ausgebildet sein, die eine Magnetisierungsschicht (mit den Pfeilen angedeutet) hat, die entlang der Längsachse der strukturierten Formen ausgerichtet ist.
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Die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 und die Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 können so ausgebildet werden, dass sie unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Beispielsweise können die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 mit einer antiferromagnetischen Film-Austauschschicht ausgebildet werden, die mit einem ferromagnetischen Film gekoppelt ist, so dass Schichten mit einer hohen Koerzitivkraft und versetzten Hysteresekurven entstehen und ihre Magnetisierungsschichten in einer Richtung ausgerichtet sind und sie dadurch im Wesentlichen durch ein von außen wirkendes Magnetfeld nicht beeinflusst werden. Im Unterschied dazu können die Erfassungselemente 102–105, 112–125, 122–125 mit einem magnetischen weichen Material ausgebildet werden, so dass unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen entstehen, die vergleichsweise geringe Anisotropie und Koerzitivkraft aufweisen, und die Magnetisierungsrichtung der Erfassungselektrode durch ein von außen wirkendes Magnetfeld geändert werden kann. in ausgewählten Ausführungsformen ist die Stärke des Feldes zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung ungefähr zweimal größer als das Anisotropie-Feld der Erfassungselektroden, wobei jedoch unterschiedliche Verhältnisse verwendet werden können, indem die jeweiligen magnetischen Eigenschaften der Elektroden unter Verwendung bekannter Verfahren zum Variieren ihrer Zusammensetzung reguliert werden.
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Die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 in den MTJ-Sensoren sind so ausgebildet, dass sie eine durch die Form bestimmte Magnetisierungsrichtung in der Ebene der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 haben (durch die Vektorpfeile für jede Sensor-Brücke mit der Bezeichnung ”Richtung zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung” in 1 bezeichnet). Die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 kann, wie beschrieben, unter Verwendung von Form-Anisotropie. der Elektroden mit fixierter Magnetisierungsrichtung erzielt werden, wobei in diesem Fall die Formen der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 jeweils in der Ausrichtrichtung für eine einzelne ausgerichtete Schicht Länger sein können. Als Alternative dazu können bei einer SAF-Struktur mit fixierter Magnetisierungsrichtung die Bezugsschicht und die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung in der Richtung zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung kürzer sein. Insbesondere die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 kann erzielt werden, indem zunächst die geformten Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 beim Vorhandensein eines orientierenden magnetischen Feldes erhitzt werden, das nicht senkrecht zur Achse der längsten Ausrichtung für die geformten Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 ausgerichtet ist, so dass das wirkende ausrichtende Feld eine Feldkomponente in der Richtung der gewünschten Richtung zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung für die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129 enthält. Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung werden wenigstens vorübergehend in einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet. Indem jedoch die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung bei dieser Behandlung entsprechend erhitzt werden und das ausrichtende Feld ausgehoben wird, ohne dass die Wärme verringert wird, entspannt sich die Magnetisierung der Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung entlang der gewünschten Achse der Ausrichtung für die geformten Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–129. Wenn sich die Magnetisierung entspannt, können die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung angelassen und/oder abgekühlt werden, so dass die Magnetfeldrichtung der Elektrodenschichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung in der gewünschten Richtung für die geformten Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 106–109, 116–119, 126–119, 126–129 festgelegt wird.
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Die hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen können unter Verwendung bekannter lithografischer Prozesse wie im Folgenden dargelegt hergestellt werden. Die Herstellung integrierter Schaltungen, mikroelektronischer Vorrichtungen, mikroelektromechanischer Vorrichtungen, mikrofluidischer Vorrichtungen und photonischer Vorrichtungen schließt die Erzeugung mehrerer Schichten aus Materialien ein, die auf bestimmte Weise in Wechselwirkung treten. Eine oder mehrere dieser Schichten kann/können so strukturiert werden, dass verschiedene Bereiche der Schicht unterschiedliche elektrische oder sonstige Eigenschaften haben, wobei diese innerhalb der Schicht miteinander oder mit anderen Schichten verbunden sein können, um elektrische Komponenten und Schaltungen zu schaffen. Diese Bereiche können geschaffen werden, indem selektiv verschiedene Materialien eingebracht oder entfernt werden. Die Strukturen, die diese Bereiche bilden, werden häufig mit lithografischen Prozessen geschaffen. Beispielsweise wird eine Schicht aus Fotoresistmaterial auf eine Schicht aufgetragen, die über einem Wafer-Substrat liegt. Eine Fotomaske (die durchsichtige und undurchsichtige Zonen enthält) wird verwendet, um dieses Fotoresist-Material selektiv mit einer Form von Strahlung zu belichten, so beispielsweise mit ultraviolettem Licht, Photonen oder Röntgenstrahlen. Entweder das mit der Strahlung belichtete oder das nicht mit der Strahlung belichtete Foto-Resistmaterial wird durch die Anwendung eines Entwicklers entfernt. Dann kann eine Ätzung der Schicht durchgeführt werden, die nicht durch das verbleibende Resist geschützt ist, und wenn das Resist entfernt ist, wird die über dem Substrat liegende Schicht strukturiert. Als Alternative dazu könnte auch ein additiver Prozess eingesetzt werden, indem beispielsweise eine Struktur unter Verwendung des Fotoresist als einer Schablone aufgebaut wird.
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Wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, enthält gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Struktur der MTJ-Vorrichtungen 141–144 der dritten Brückenschaltung 121 die Schichten mit fixierter Magnetisierungsrichtung 126–129, die Erfassungselemente 122–125 und die Flussleiter 132–139, die alle in dem dielektrischen Material 140 ausgebildet sind. Der Flussleiter 136 ist an eine Leitung 150 angrenzend positioniert, und ein Ende desselben ist unterhalb einer Kante des Sensorelementes 122 positioniert. Die Flussleiter 133 und 138 sind an einander gegenüberliegenden Seiten einer Leitung 146 positioniert, und ihre Enden sind unterhalb von Kanten der Sensorelemente 123 bzw. 124 positioniert. Der Flussleiter 135 ist an eine Leitung 147 angrenzend positioniert, und ein Ende desselben ist unterhalb einer Kante des Sensorelementes 125 positioniert. Die Flussleiter 132 und 137 sind durch eine obere Leitung 148 beabstandet, und Enden derselben sind oberhalb von Kanten der Sensorelemente 122 bzw. 123 positioniert, und die Flussleiter 134 und 139 sind durch eine obere Leitung 149 beabstandet, und Enden derselben sind oberhalb von Kanten der Sensorelemente 134 bzw. 139 positioniert. Die Leitungen 145–149 bestehen vorzugsweise aus Kupfer, können jedoch in einigen Ausführungsformen aus einem Dielektrikum bestehen. Eine aus Metall bestehende Stabilisierungsleitung 150 ist oberhalb der MTJ-Vorrichtungen 141–144 positioniert, um ein Stabilisierungsfeld für die Erfassungselemente zu erzeugen. Die Enden der Flussleiter können so nahe wie möglich an den Sensorelementen angeordnet sein, wobei ein bevorzugter Abstand von 250 nm oder weniger zwischen den beiden besteht. Die Erfassungselemente werden so nahe wie möglich für die Anordnung mit höchster Dichte angeordnet, d. h. vorzugsweise weniger als 2,5 μm beabstandet.
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3 ist eine Ansicht von Flusslinien, wie sie mittels Finite-Element-Simulation von MTJ-Vorrichtungen 141, 142 aus 2 berechnet werden, wobei ein Magnetfeld in der Z-Richtung auf die Erfassungselemente 122–123 wirkt. FEM-Modellierung zeigt die entstehenden magnetischen Flusslinien 160, die eine Komponente in der Ebene des Sensors aufweisen. Die MTJ-Vorrichtung 151 wird durch Flussleiter 132 und 136 an einander gegenüberliegenden Enden des Erfassungselementes 122 dargestellt. Die MTJ-Vorrichtung 142 wird durch Flussleiter 133 und 137 an einander gegenüberliegenden Enden des Erfassungselementes 123 dargestellt. Das heißt, das Erfassungselement 122 erstreckt sich von den Flussleitern 132 und 136 aus, und das Erfassungselement 123 erstreckt von den Flussleitern 133 und 137 aus. Das Magnetfeld 160 entlang der Z-Achse 130 bewirkt ein asymmetrisches Ansprechverhalten der Erfassungselemente 122, 123 entlang der X-Achse 120, wie dies mit den Pfeilen 170 angedeutet ist. Auf diese Weise dreht sich bei einem Feld 160 in der Z-Richtung 130, das auf die Unterseite des Blattes zu gerichtet ist, die Magnetisierung von Erfassungselement 122 von der Richtung zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung (zum höheren Widerstand) der Schicht mit fixierter Magnetisierungsrichtung 126 weg, während sich die Magnetisierung von Erfassungselement 123 auf die Richtung zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung (und zum niedrigeren Widerstand) der Schicht 127 mit fixierter Magnetisierungsrichtung zu dreht. Bei einem Feld in der X-Richtung 120 zeigen beide Elemente 122, 123 induzierte Magnetisierung in der gleichen Richtung (auf höheren oder niedrigeren Widerstand zu). Daher wird, indem MTJ-Elemente 141, 142 in einer Wheatstone-Brücke zu Differentialmessung verdrahtet werden und die Widerstände der MTJ-Vorrichtungen 141, 142 subtrahiert werden, die X-Feld-Antwort eliminiert, und die Z-Feld-Antwort wird zweifach gemessen.
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Wenn ein starkes Magnetfeld wirkt, das Magnetisierungsstörungen und Bereichsstruktur (domain structure) in den Flussleitern 132–139 bewirken kann, kann, wie unter erneuter Bezugname auf 2 zu sehen ist, ein starker Stromimpuls entlang der Metallleitungen 145–149 erzeugt werden und die Flussleiter-Bereichsstruktur zurücksetzen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform (in 4 gezeigt) ist jede der ummantelten Leitungen 145–149 in zwei unabhängige Metallleitungen unterteilt, und zusätzliche Nichtflussleitungs-Ummantelung (161–168 und 191–198) ist zwischen diesen zwei Metallleitungen an den Innenkanten angeordnet. Für Sensor 141 leitet der Flussleiter 161 an der linken Kante der linken Metallleitung 148 Z-Feld-Fluss in das Erfassungselement 122 an seiner linken Seite, und der Flussleiter 192 an der am weitesten rechts liegenden Kante der rechten Metallleitung 145 leitet Z-Feld-Fluss in das Erfassungselement 122 an seiner rechten Seite. Die Sensoren 142–144 wirken auf ähnliche Weise, wobei die ummantelte Kante der Metallleitung, die an jedes Erfassungselement angrenzt, die aktive Flussleitungsfunktion erfüllt. Da diese Leitungen getrennt sind, kann ein Strom durch die ummantelten Leitungen 145, 146, 182 und 183 in das Blatt hinein und 181, 147, 148 und 149 aus dem Blatt heraus geleitet werden, so dass ein Magnetfeld entlang der ummantelten Kante der Leitungen mit einer Z-Komponente erzeugt wird, die in einer gleichbleibenden Richtung zeigt (bei diesem Beispiel nach unten). Diese Stromausrichtungen können dazu dienen, ein Magnetfeld mit einer starken Komponente in der Z-Richtung zu schaffen, das über eine Kalibrierung der Geometrie als Selbsttest für die Funktionalität und die Empfindlichkeit der Z-Achsen-Antwort dienen kann.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform (siehe 5) enthält Verlängerungen 152–159, die integral mit den Flussleitern 132–139 ausgebildet sind. Die Verlängerungen 152–159 verlaufen entlang der gleichen Achse wie die Sensorelemente 122–125 und verstärken die horizontale Komponente des Flussleiters und verschieben die horizontale Komponente stärker zur Mitte des entsprechenden Erfassungselementes 122–125 hin.
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Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen für die Flussleiter einschließlich der vertikalen Elemente 132–139 in 2 und der L-förmigen Flussleiter einschließlich der Verlängerungen 152–159 in 5 dargestellt worden sind, können andere beispielhafte Ausführungsformen sowohl für obere als auch untere Flussleiter eingesetzt werden, so beispielsweise kastenförmige oder U-förmige Flussleiter. Bei der U-förmigen Struktur (6) verbindet ein horizontales NiFe-Segment 171 die beiden vertikalen Segmente 161, 162 entlang der unteren Metailleitung, während bei der kastenförmigen Struktur (7) ein horizontales Segment 172 die beiden vertikalen Segmente, die sich beide oberhalb der Metallleitung befinden, ebenfalls verbindet. Ein horizontales Segment trägt dazu bei, die magnetische Struktur der zwei vertikalen Segmente zu koppeln, so dass der Feldumwandlungs-Faktor gegenüber dem von zwei solierten vertikalen Flussleitern um 10–20% verstärkt wird. Zwei horizontale Segmente der kastenartigen Struktur bewirken bessere Kopplung und erhöhen den Feldumwandlungsfaktor gegenüber einem einfachen vertikalen Flussleiter um 20–40%. Des Weiteren können die vertikalen Segmente der U-förmigen Struktur in 6 nach außen aufgeweitet sein (siehe 173, 174 in 8), so dass der Bereich in der Nähe der Kante des Erfassungselementes eine horizontale Komponente hat. Ähnlich wie die L-förmigen Flussleiter leiten die aufgeweiteten Segmente den magnetischen Fluss so, dass eine Komponente direkt in der Ebene des Magnetsensors vorhanden ist und so der Feldumwandlungsfaktor weiter verstärkt wird. Jedoch muss darauf geachtet werden, dass die Überlappung nicht zu stark ist, da sonst der Magnetfluss gegenüber dem Sensor abgeschirmt wird.
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9 ist ein Diagramm, das das Z-/X-Empfindlichkeitsverhältnis in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Ummantelung und Sensor bei einem 25 nm breiten, 500 nm hohen vertikalen Segment darstellt, das oberhalb und unterhalb des Erfassungselementes angeordnet ist. Die Z-/X-Empfindlichkeit nimmt um ungefähr 75% zu, wenn die Ummantelung einen Abstand von 25 nm hat. Zusätzliche Faktoren können über Änderungen des Querschnitts, wie die oben hervorgehobenen, oder über Verbesserungen des Seitenverhältnisses des Flussleiters erzielt werden, wenn beispielsweise der Flussleiter höher ausgeführt wird und das Seitenverhältnis vergrößert wird, führt dies zu linearer Zunahme des Z-/X-Empfindlichkeitsverhältnisses. Daher ist es wichtig, den Flussleiter so nahe wie möglich an dem Erfassungselement anzuordnen und sein Seitenverhältnis so weit wie möglich zu vergrößern, ohne die magnetische Mikrostruktur nachteilig zu beeinflussen.
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Obwohl die hier offenbarten beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen verschiedene Sensorstrukturen und Verfahren zum Herstellen derselben betreffen, ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, die erfindungsgemäße Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellen, die bei einem breiten Spektrum von Halbleiterprozessen und/oder -vorrichtungen eingesetzt werden können. So sind die oben offenbarten speziellen Ausführungsformen lediglich veranschaulichend und sollten nicht als Beschränkungen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, da die Erfindung modifiziert und auf verschiedene Weise äquivalent umgesetzt werden kann, wie dies für den Fachmann ersichtlich ist, der von den vorliegenden Lehren profitieren kann. Beispielsweise können die relativen Positionen der Erfassungsschichten und der Schichten zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung in einer Sensorstruktur so umgekehrt werden, dass sich die Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung oben befindet und sich die Erfassungsschicht darunter befindet. Des Weiteren können die Erfassungsschichten und die Ausrichtschichten mit anderen Materialien als den offenbarten ausgebildet werden. Darüber hinaus kann die Dicke der beschriebenen Schichten von den offenbarten Werten der Dicke abweichen. Dementsprechend soll die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf die spezielle dargelegte Form beschränken, sondern es ist im Gegenteil beabsichtigt, Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente abzudecken, die im Geist und Schutzumfang der Erfindung enthalten sein können, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, so dass dem Fachmann verständlich wird, dass verschiedene Veränderungen, Ersatzlösungen und Abwandlungen möglich sind, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung in seiner weitesten Form abzuweichen.
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Nutzen, weitere Vorteile und Problemlösungen sind oben anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und jegliche Elemente, die einen Vorteil, Vorzug oder eine Lösung erbringen oder stärker ausprägen, sind nicht als entscheidend, erforderlich oder wesentliches Merkmal oder Element eines oder aller der Patentansprüche zu betrachten. Die hier verwendeten Begriffe ”umfasst”, ”umfassend” oder jegliche Abwandlung derselben sollen ein nicht-ausschließliches Enthaltensein abdecken, so dass beispielsweise ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, der/die eine Reihe von Elementen umfasst, nicht nur diese Element enthält, sondern auch andere Elemente enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder einem derartigen Prozess, Verfahren, Artikel oder einer derartigen Vorrichtung inhärent ist.
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Obwohl in der obenstehenden ausführlichen Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden ist, sollte klar sein, dass eine große Anzahl von Varianten existiert. Es sollte des Weiteren klar sein, dass die beispielhafte/n Ausführungsform/en lediglich als Beispiel/e dient/dienen und den Schutzumfang, die Einsetzbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken soll/sollen. Stattdessen bietet die obenstehende ausführliche Beschreibung dem Fachmann eine praktische Vorlage zum Umsetzen einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, wobei sich versteht, dass verschiedene Veränderung an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, wie sie in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
