ITTO20121067A1

ITTO20121067A1 - Sensore magnetoresistivo integrato in una piastrina per il rilevamento di campi magnetici perpendicolari alla piastrina nonche' suo procedimento di fabbricazione

Info

Publication number: ITTO20121067A1
Application number: IT001067A
Authority: IT
Inventors: Dino Faralli; Dario Paci; Andrea Picco
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-13
Also published as: US9568566B2; US20140159717A1

Description

DESCRIZIONE

â€œSENSORE MAGNETORESISTIVO INTEGRATO IN UNA PIASTRINA PER IL RILEVAMENTO DI CAMPI MAGNETICI PERPENDICOLARI ALLA PIASTRINA NONCHE' SUO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONEâ€

La presente invenzione Ã ̈ relativa ad un sensore magnetoresistivo integrato in una piastrina per il rilevamento di campi magnetici perpendicolari alla piastrina nonchÃ© al suo procedimento di fabbricazione.

Nella descrizione che segue, si farÃ particolare riferimento ad un sensore magnetoresistivo anisotropo (AMR â€“ Anisotropic Magneto-Resistor), senza tuttavia limitarsi a questo e l'invenzione Ã ̈ applicabile anche ad altri tipi di sensori magnetoresistivi, quali il sensore GMR (Giant Magneto-Resistor) e TMR (Tunneling Magneto-Resistor) e altri sensori integrati di campo magnetico di per sÃ© sensibili a campi magnetici paralleli alla piastrina in cui sono integrati.

Come Ã ̈ noto, i sensori magnetoresistivi sfruttano la capacitÃ di opportuni materiali ferromagnetici (chiamati materiali magnetoresistivi, ad esempio il materiale noto con il nome di "permalloy" costituito da una lega di NiFe) di modificare la propria resistenza in presenza di un campo magnetico esterno.

Attualmente, i sensori magnetoresistivi vengono realizzati a partire da strisce di materiale magnetoresistivo. Nel caso dei sensori magnetoresistivi anisotropi, durante la fabbricazione, la striscia di materiale magnetoresistivo puÃ² essere sottoposta ad un campo magnetico esterno in modo da presentare una magnetizzazione preferenziale in una prefissata direzione (chiamata â€³easy axisâ€³), ad esempio la direzione longitudinale della striscia stessa.

Prima della misura del campo magnetico esterno, uno stato di magnetizzazione iniziale lungo lâ€™asse di magnetizzazione preferenziale Ã ̈ imposto tramite un impulso di corrente attraverso una bobina di â€œset/resetâ€ . In assenza di campi magnetici esterni, la magnetizzazione mantiene la direzione imposta dallâ€™impulso di set/reset, e la striscia presenta massima resistenza lungo tale direzione. In presenza di campi magnetici esterni aventi direzione differente da quella di magnetizzazione preferenziale, la magnetizzazione della striscia cambia, cosÃ¬ come la sua resistenza, come spiegato qui sotto.

In fig. 1, un magnetoresistore 1 Ã ̈ formato da una striscia 2 di materiale magnetoresistivo avente direzione longitudinale parallela all'asse X, che costituisce anche la direzione di magnetizzazione preferenziale EA. In assenza di campi magnetici esterni, il magnetoresistore 1 Ã ̈ quindi attraversato da una corrente I fluente nella direzione longitudinale della striscia. Quando il magnetoresistore 1 Ã ̈ immerso in un campo magnetico esterno Hy diretto parallelamente all'asse Y (HA, "hard axis", la magnetizzazione M ruota di un angolo Î± dipendente dall'ampiezza del campo magnetico esterno Hy. In questa condizione, cambia la resistivitÃ del magnetoresistore 1. Tale cambiamento puÃ² essere rilevato da un circuito esterno, che quindi Ã ̈ in grado di determinare l'ampiezza del campo magnetico esterno Hy.

Inoltre, come mostrato in fig. 2, per linearizzare l'andamento della resistenza R in funzione dell'angolo Î± almeno in una porzione operativa della curva (campi magnetici di piccole dimensioni), Ã ̈ noto formare, al di sopra della striscia 2 di materiale magnetoresistivo, una pluralitÃ di strisce trasversali 3 (chiamate "barber poles"), di materiale conduttore (ad esempio alluminio), poste a distanza costante e con inclinazione 45° rispetto alla direzione X.

In questa situazione, cambia la direzione della corrente I, ma non la magnetizzazione.

Generalmente, per semplificare la lettura, i magnetoresistori 10 vengono collegati in modo da formare un ponte di Wheatstone, come mostrato ad es. in fig. 3, mostrante un sensore magnetoresistivo 11 destinato al rilevamento di un campo magnetico diretto secondo l'asse X. In particolare, il sensore magnetoresistivo 11 comprende quattro magnetoresistori 10a, 10b formanti due rami 4a, 4b fra loro in parallelo, in cui i magnetoresistori indicati con 10a hanno strisce trasversali 3 disposte secondo un primo angolo, qui di 45°, e i magnetoresistori indicati con 10b hanno strisce trasversali 3 disposte secondo un secondo angolo, qui di -45°. I rami 4a, 4b definiscono terminali di ingresso 5, 6 e terminali di uscita 7, 8. I magnetoresistori 10a, 10b di un ramo sono disposti in modo speculare rispetto ai magnetoresistori 10b, 10a dell'altro ramo, per cui il magnetoresistore 10a del primo ramo 4a Ã ̈ collegato al secondo terminale di ingresso 6 e il magnetoresistore 10a del secondo ramo 4b Ã ̈ collegato al primo terminale di ingresso 5; i magnetoresistori 10b sono disposti analogamente. Fra i terminali di ingresso 5, 6 viene applicata una tensione di polarizzazione Vb.

In assenza di campo magnetico esterno orientato parallelamente alla direzione di rilevamento (qui il campo Hx), la tensione di uscita Vo esistente fra i terminali di uscita 7, 8 Ã ̈, in prima battuta, nulla. Viceversa, in caso di magnetizzazione iniziale diretta verticalmente verso il basso, un campo magnetico esterno Hx provoca un aumento della resistivitÃ dei magnetoresistori 10a e una corrispondente riduzione della resistivitÃ degli altri magnetoresistori 10b. Di conseguenza, ogni variazione di resistenza dovuta ad un campo esterno perpendicolare ai magnetoresistori 10a, 10b provoca una corrispondente variazione lineare della tensione di uscita Vo, il cui valore dipende quindi in modo lineare dal campo magnetico esterno Hx.

Quando Ã ̈ necessario rilevare entrambe le componenti di un campo magnetico diretto lungo una direzione parallela al piano del dispositivo integrato nella piastrina, Ã ̈ possibile disporre i magnetoresistori 10 in direzione perpendicolare fra di loro, come mostrato nel sensore 12 di fig. 4, nella quale per semplicitÃ sono mostrati un magnetoresistore 10x, per il rilevamento della componente X e un magnetoresistore 10y, per il rilevamento della componente Y. Ovviamente, ciascun magnetoresistore 10x, 10y di fig. 4 puÃ² essere sostituito da un rispettivo ponte di Wheatstone analogo a quello di fig. 3, in cui i quattro magnetoresistori 10x sono orientati perpendicolarmente ai quattro magnetoresistori 10y.

Data l'alta sensibilitÃ dei sensori magnetoresistivi del tipo indicato, ne Ã ̈ stato proposto l'uso come bussole elettroniche in sistemi di navigazione. In questo caso, il campo esterno da rilevare Ã ̈ costituito dal campo magnetico terrestre. In prima approssimazione, il campo magnetico terrestre puÃ² essere considerato parallelo alla superficie terrestre e la lettura della bussola puÃ² essere fatta usando il sensore 12, in cui X e Y rappresentano le due direzioni del piano tangente localmente alla superficie terrestre. Dato che tuttavia l'inclinazione della bussola rispetto a tale piano tangente comporta errori di lettura, per correggere tale errore Ã ̈ in pratica necessario avere tre sensori, ciascuno sensibile ad un rispettivo asse X, Y, Z.

A tale scopo, Ã ̈ necessario disporre i tre sensori ruotati di 90° uno rispetto all'altro. Mentre per la realizzazione di un sensore sensibile a campi diretti lungo due direzioni non crea difficoltÃ , dato che essi giacciono nello stesso piano, il rilevamento della terza direzione Ã ̈ critico, dato che richiede la realizzazione di un terzo sensore posto in un piano perpendicolare rispetto a quello dei primi due sensori. Dato che le attuali tecnologie non consentono di realizzare industrialmente a costi accettabili magnetoresistori verticali, sensibili all'asse Z, in alcune bussole il sensore Z viene realizzato planare, come per i sensori X e Y, e la relativa piastrina viene fissata su una base o â€³frameâ€³ in posizione verticale, perpendicolare a quella dei sensori X e Y. Tuttavia, in tal caso, le operazioni di montaggio sono complesse e il dispositivo finito risulta costoso. Inoltre, il dispositivo incapsulato presenta volume (in particolare altezza) eccessiva, che non ne consente l'utilizzo in piccoli apparecchi.

Per risolvere tale problema, Ã ̈ stato proposto realizzare, a fianco di un magnetoresistore planare, un concentratore ferromagnetico diretto trasversalmente al piano di sensibilitÃ del magnetoresistore (si veda ad es. WO 2012/085296). Per una migliore comprensione, si faccia riferimento alla fig. 5, mostrante un sensore magnetoresistivo 15 realizzato in una piastrina 16 avente un substrato 17 di materiale conduttore, ad esempio silicio, ed uno strato isolante 18. Il substrato 17 ha superfici principali 19, 20 parallele al piano XY. Lo strato isolante 18 alloggia magnetoresistori 10z, estendentesi parallelamente alle superfici principali 19, 20 e al piano XY e definenti il piano di sensibilitÃ del sensore 15.

Un concentratore 24 di materiale ferromagnetico "morbido" (che puÃ² essere magnetizzato facilmente e non mantiene la magnetizzazione dopo che Ã ̈ stato rimosso il campo magnetico esterno) si estende in una trincea 22 nel substrato 17 che si estende per tutto lo spessore o quasi del substrato 17. Il concentratore 24 ha qui forma ad U e comprende un braccio 24a avente lunghezza parallela all'asse Z molto piÃ¹ lunga rispetto al suo spessore. Il braccio 24a si estende quindi fino in prossimitÃ della faccia principale 19 ed Ã ̈ lateralmente sfalsato rispetto ai magnetoresistori 10z.

Di conseguenza, quando il sensore magnetoresistivo 15 Ã ̈ sottoposto ad un campo magnetico esterno Hz diretto lungo l'asse Z, il braccio 24a provoca una concentrazione e deflessione delle linee di campo e la generazione di una componente orizzontale di campo Hy diretta lungo l'asse Y e quindi parallela al piano di sensibilitÃ . In particolare, le linee di flusso deviate e concentrate attraversano i magnetoresistori 10z, consentendo quindi il rilevamento del campo magnetico esterno Hz mediante un circuito di lettura in modo noto.

In tale sensore magnetoresistivo noto, tuttavia, si Ã ̈ osservato che, in alcuni casi, a causa della distanza verticale (in direzione Z) fra il concentratore 24 e i magnetoresistori 10z e a causa degli inevitabili disallineamenti in direzione orizzontale (qui in direzione Y) che danno origine ad un gap anche in tale direzione, il campo magnetico deflesso e concentrato nel concentratore 24 si distribuisce e si allarga (fenomeno di "spread"). Tale fenomeno provoca una riduzione di sensibilitÃ indesiderata e soprattutto una variazione di sensibilitÃ fra sensori realizzati in fette semiconduttrici diverse o addirittura fra sensori realizzati in una stessa fetta.

Scopo della presente invenzione Ã ̈ mettere a disposizione un sensore magnetoresistivo che superi gli inconvenienti indicati.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un sensore magnetoresistivo integrato in una piastrina per il rilevamento di campi magnetici perpendicolari alla piastrina nonchÃ© il suo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 10.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la fig. 1 mostra schematicamente un magnetoresistore di tipo noto, e la direzione delle relative grandezze elettriche e magnetiche;

- la fig. 2 mostra la variazione della direzione della corrente nel magnetoresistore noto dotato di barber poles;

- la fig. 3 presenta un sensore magnetoresistivo utilizzante magnetoresistori noti collegati a ponte di Wheatstone;

- la fig. 4 mostra una disposizione nota di magnetoresistori di un sensore di rilevamento di campi magnetici lungo due assi cartesiani paralleli al piano del sensore;

- la fig. 5 mostra una sezione trasversale attraverso un sensore noto;

- la fig. 6 mostra una vista prospettica sezionata del presente sensore magnetoresistivo;

- la fig. 7 Ã ̈ una sezione trasversale del sensore magnetoresistivo di fig. 6;

- le figg. 8 e 9 mostrano varianti del sensore magnetoresistivo di fig. 7;

- la fig. 10 mostra il layout di un dispositivo utilizzante gli elementi magnetoresistivi delle figg.

6-9;

- la fig. 11 Ã ̈ un equivalente elettrico del dispositivo di fig. 10;

- la fig. 12 mostra una vista prospettica sezionata di una parte di un altro sensore magnetoresistivo;

- le figg. 13A-13E mostrano sezioni trasversali attraverso una fetta di materiale semiconduttore in successive fasi di fabbricazione del sensore magnetoresistivo di fig. 9, secondo una forma di realizzazione;

- le figg. 14A-14C mostrano sezioni trasversali attraverso una fetta di materiale semiconduttore in successive fasi di fabbricazione del sensore magnetoresistivo di fig. 9, secondo una diversa forma di realizzazione;

- le figg. 15A-15E mostrano sezioni trasversali attraverso una fetta di materiale semiconduttore in successive fasi di fabbricazione del sensore magnetoresistivo di fig. 8, secondo un'altra forma di realizzazione; e

le figg. 16A-16C mostrano sezioni trasversali attraverso una fetta di materiale semiconduttore in successive fasi di fabbricazione del sensore magnetoresistivo di fig. 8, secondo una diversa forma di realizzazione.

Le figg. 6 e 7 mostrano un sensore magnetoresistivo 30 formato in una piastrina 31 comprendente un substrato 32, tipicamente di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, ed una regione isolante 33 (non rappresentata in fig. 6, per chiarezza), ad esempio di ossido di silicio, formato tipicamente da una pluralitÃ di strati sovrapposti. Il substrato 32 ha una superficie 34 coperta dalla regione isolante 33 ed estendentesi parallelamente al piano XY. All'interno del substrato 32 puÃ² essere presente almeno un'area attiva 36 (fig. 7) alloggiante componenti elettronici 37, mostrati solo schematicamente.

La regione isolante 33 alloggia un magnetoresistore 40, ad esempio un magnetoresistore anisotropo AMR, di tipo planare, avente direzioni principali (lunghezza larghezza) in un piano parallelo al piano XY e alla superficie 34 e definente quindi un piano di sensibilitÃ del magnetoresistore 40 stesso. Nell'esempio illustrato, il magnetoresistore 40 Ã ̈ realizzato in modo analogo al magnetoresistore 10 di fig. 2, e quindi comprende una striscia magnetoresistiva 41 e strisce trasversali o "barber poles" 42. In alternativa, come discusso sotto con riferimento alla fig. 10, il magnetoresistore 40 puÃ² essere formato da una pluralitÃ di strisce magnetoresistive 41 collegate in modo da costituire una forma a serpentina.

Una trincea o cavitÃ 44 si estende all'interno del substrato 32 e alloggia un concentratore 45 formato da uno strato di materiale ferromagnetico che copre i lati e il fondo della trincea 44. Il concentratore 45 si estende in parte oltre la superficie 34 del substrato 32 (e quindi la trincea 44), nella regione isolante 33. La trincea 44 Ã ̈ inoltre riempita con una regione di riempimento 46 di materiale isolante, tipicamente lo stesso materiale della regione isolante 33. Nella sezione trasversale di figura 7, il concentratore 45 ha forma ad U comprendente due bracci 45a, 45b. Uno dei bracci, qui il braccio 45a, nella parte sporgente nella regione isolante 33, Ã ̈ a contatto diretto con la striscia magnetoresistiva 41, riducendo a zero la distanza fra il concentratore 45 e l'magnetoresistore 41.

Qui, la parte superiore del braccio 45a si estende lateralmente alla striscia magnetoresistiva 41 ed Ã ̈ a contatto con una superficie longitudinale della striscia magnetoresistiva 41 stessa.

La striscia magnetoresistiva 41 Ã ̈ realizzata ad esempio di una lega permalloy (NiFe) o da un multistrato NiFe e TaN Le strisce trasversali 42 sono realizzate di materiale conduttore (ad esempio alluminio).

Il concentratore 45 Ã ̈ di un materiale ferromagnetico "morbido" (cioÃ ̈, puÃ² essere magnetizzato facilmente e non mantiene la magnetizzazione dopo che Ã ̈ stato rimosso il campo magnetico esterno). Ad esempio puÃ² essere utilizzata una lega amorfa a base di cobalto oppure una lega permalloy, tipicamente non anisotropa, o almeno con â€³easy axisâ€³ non allineato alla parete verticale (asse Z).

Il concentratore 45 Ã ̈ formato da uno strato sottile avente spessore Th molto minore rispetto alla lunghezza L1 dei bracci 45a, 45b in direzione Z (ad es. il rapporto fra Th e L1 Ã ̈ da 10:1 fino ad oltre 100:1) e alla lunghezza L2 in direzione longitudinale (qui direzione Y), approssimativamente uguale alla lunghezza della striscia magnetoresistiva 41. Ad es. lo spessore Th puÃ² essere compreso fra 10 nm e 1 µm, ad es. 30 nm, la lunghezza L1 dei bracci 45a, 45b puÃ² essere compresa fra 5 e 500 µm, ad es. 10 µm, e la lunghezza L2 del concentratore 45 (fig. 6) puÃ² essere compresa fra 50 µm e 500 µm. Inoltre, la larghezza L3 della base della trincea 44 puÃ² essere ad es. pari a 1-6 µm, in particolare, puÃ² essere uguale alla lunghezza L1 dei bracci 45a, 45b. Lo spessore della striscia magnetoresistiva 41 puÃ² essere la stessa o comparabile a quella del concentratore 45.

Teoricamente, la deflessione della componente Z di un campo magnetico in direzione planare (piano XY) Ã ̈ tanto piÃ¹ efficace quanto maggiore Ã ̈ la lunghezza L1 dei bracci 45a, 45b del concentratore 45 e quanto piÃ¹ inclinate (fino ad essere ortogonali)_ rispetto a tale piano sono le pareti laterali della trincea 44 (e quindi i bracci 45a, 45b stessi). Tuttavia, anche concentratori 45 con bracci 45a, 45b inclinati non perpendicolarmente al piano XY sono vantaggiosi, anche se Ã ̈ preferibile un angolo maggiore di 45° rispetto alla superficie 34.

Il sensore 30 puÃ² comprendere un concentratore ausiliario 48 formato nella regione isolante 33 e disposto sul lato della striscia magnetoresistiva 41 opposto a quello del concentratore 45.

Secondo la variante di fig. 8, il bordo superiore del braccio 45a Ã ̈ a contatto con la superficie inferiore della striscia magnetoresistiva 41. In questo caso, il braccio 45 puÃ² avere una porzione di estremitÃ ripiegata perpendicolarmente al resto del braccio 45a, come mostrato nelle figg. 15 e 16.

In fig. 9, il concentratore 45 e la striscia magnetoresistiva 41 sono formati in uno stesso strato ferromagnetico deposto.

La figura 10 mostra un sensore magnetoresistivo 50 insensibile a campi magnetici diretti parallelamente al piano XY.

In dettaglio, il sensore magnetoresistivo 50 comprende quattro magnetoresistori 51 formanti corrispondenti resistori R1-R4, complanari e collegati in modo da formare un ponte di Wheatstone 52 (si veda anche l'equivalente elettrico fig. 11). Inoltre, nell'esempio mostrato, ciascun magnetoresistore 51 Ã ̈ formato da una pluralitÃ di strisce magnetoresistive 41 estendentisi longitudinalmente nella direzione dell'asse Y (easy axis EA e collegate alle estremitÃ da linee di connessione 53. In particolare, le linee di connessione 53 collegano anche primi terminali dei resistori R1, R2 fra loro e ad un ingresso di alimentazione 55 del ponte 52; primi terminali dei resistori R3, R4 fra loro e ad ingresso di connessione a massa (grounding input) 56; secondi terminali dei resistori R1, R4 fra loro e ad un primo terminale di uscita 57 e secondi terminali dei resistori R2, R3 fra loro e ad un secondo terminale di uscita 58. In pratica, i resistori R1 e R4 formano un primo ramo del ponte 52 e i resistori R2 e R3 formano un secondo ramo. I resistori R1-R4 sono fra loro uguali per quanto riguarda le caratteristiche geometriche ed elettriche delle strisce magnetoresistive 41, ma hanno strisce trasversali 42 inclinate a ±45° rispetto all'asse Y. In particolare, nell'esempio mostrato, i resistori R1-R4 sono disposti simmetricamente rispetto ad un primo asse di simmetria A parallelo all'asse X. Infatti, i resistori R1, R4 del primo ramo del ponte 52 hanno strisce trasversali 42 dirette a -45° (+135°) rispetto all'asse Y e sono disposti simmetricamente ai resistori R2, R3 del secondo ramo del ponte 52, aventi strisce trasversali 3 dirette a 45° (+225°) rispetto all'asse Y. Inoltre, i resistori R1-R4 sono disposti simmetricamente (a parte l'orientamento delle strisce trasversali 42) intorno ad un secondo asse di simmetria B parallelo all'asse Y.

Nell'esempio mostrato, a lato di ciascuna striscia magnetoresistiva 41, Ã ̈ disposto un concentratore 45 realizzato come mostrato nelle figg. 6-9. Nell'esempio considerato, i concentratori 45 si estendono su uno stesso primo lato dei resistori R1, R3 (lato inferiore, nella vista dall'alto di fig. 10, rivolto verso la direzione negativa dell'asse X) e su uno stesso secondo lato dei resistori R2, R4 (lato superiore, nella vista dall'alto di fig. 10, rivolto verso la direzione positiva dell'asse X).

Come discusso nel succitato documento WO 2012/085296, la configurazione mostrata, in cui la corrente fluisce a 45° (225°) rispetto all'asse Y nei resistori R1, R4 e fluisce a 135° (305°) rispetto all'asse Y nei resistori R2, R3, Ã ̈ possibile dimostrare che la tensione di uscita Vo sui terminali 57-58 Ã ̈ sensibile solo alle componenti Z e insensibile alle componenti X e Y di campi magnetici esterni.

Nelle forme di realizzazione delle figg. 6-10, grazie al contatto diretto fra la/ciascuna striscia magnetoresistiva 41 e il relativo concentratore 45, si ha una massimizzazione dell'effetto di concentrazione, dato che non esistono gap e le linee di flusso concentrate da ciascun concentratore 45 vengono deflesse sostanzialmente tutte nella relativa striscia magnetoresistiva 41.

Per evitare che il contatto elettrico diretto fra le strisce magnetoresistive 41 e i rispettivi concentratori 45 provochino perdite dovute ad un percorso parallelo per le correnti fluenti nel sensore 30, 50, con la conseguenza che il magnetoresistore 40 si trovi a lavorare in una zona a bassa linearitÃ e bassa variazione di resistenza in funzione del campo magnetico esterno, in particolare se la lunghezza L1 del braccio 45a Ã ̈ confrontabile con la larghezza W della striscia magnetoresistiva 41 (fig. 7), Ã ̈ possibile operare in diversi modi.

Secondo una prima possibilitÃ , ciascun concentratore 45 viene realizzato di materiale molto piÃ¹ resistivo rispetto alla rispettiva striscia magnetoresistiva 41, in modo da costituire una resistenza in parallelo di valore molto maggiore e da confinare la maggior parte della corrente nella striscia magnetoresistiva 41 stessa. Ad esempio, ciÃ² puÃ² essere ottenuto realizzando la/e striscia/e magnetoresistiva/e 41 di NiFe e il concentratore di una lega a base di cobalto, ad es. di (CoFe o CoFeSiB), come descritto piÃ¹ in seguito con riferimento alle figg. 15 e 16.

In alternativa, un sottile strato resistivo, ad es. di TaN, puÃ² essere interposto fra il concentratore 45 e la striscia magnetica 41. Ad es. nella forma di realizzazione di fig. 7, il sottile strato potrebbe estendersi sulla parete esterna del concentratore 45 (quindi, fra questo e la trincea 44, per la porzione del concentratore all'interno del substrato, e in proseguimento della trincea 44, per la porzione del concentratore 45 sporgente nella regione isolante 33).

Viceversa, nella forma di realizzazione di fig. 8, il sottile strato potrebbe estendersi al di sotto della striscia magnetoresistiva 41, fra questa e il bordo o l'estremitÃ ripiegata del braccio 45a, come descritto piÃ¹ in seguito con riferimento alle figg. 16A-16C.

Secondo un'altra possibilitÃ , il percorso elettrico nel concentratore viene interrotto. Ad esempio, diversamente da quanto mostrato nelle figg. 6 e 7, in cui il concentratore 45 Ã ̈ formato da uno strato estendentesi longitudinalmente in modo continuo in direzione Y, il concentratore potrebbe essere formato da una pluralitÃ di porzioni isolate una dall'altra, susseguentisi in direzione Y, come mostrato in fig. 12.

In dettaglio, qui il substrato 32 comprende una pluralitÃ di minitrincee 60 separate. Le minitrincee 60 possono avere lunghezza (in direzione Y) minore rispetto alla profonditÃ (in direzione Z). Ad es., la lunghezza di ciascuna microtrincea 60 puÃ² essere compresa fra 3 e 200 µm, ad es. 6-8 µm. Per il resto, le minitrincee 60 possono avere i valori indicati con riferimento alle figg. 6 e 7.

Le minitrincee 60 sono reciprocamente allineate in direzione Y; ad es., esse possono essere spaziare reciprocamente, in direzione longitudinale della striscia magnetoresistiva 41 (direzione Y) di una distanza compresa fra 2 e 20 µm. Inoltre, le minitrincee 60 hanno un lato (in fig. 12 il lato sinistro) allineato alla striscia magnetoresistiva 41. Ciascuna minitrincea 60 alloggia un segmento di concentratore 61 che ricopre le pareti laterali e di fondo delle minitrincee 60 e puÃ² sporgente parzialmente nella regione isolante 33 (non mostrata, per chiarezza), analogamente a quanto mostrato nelle figg.

6-10. Preferibilmente, in modo non mostrato, strati isolanti si estendono fra ciascun segmento di concentratore 61 e le rispettive minitrincee 60.

Inoltre, come mostrato nelle figg. 6-10, una porzione superiore di un lato di ciascun segmento di concentratore 61 (in fig. 12 del lato di sinistra) Ã ̈ allineato e a contatto con la striscia magnetoresistiva 41. I segmenti di concentratore 61 sono quindi anch'essi allineati parallelamente alla striscia magnetoresistiva 41 e formano complessivamente un concentratore 62.

Dato che i segmenti di concentratore 61 sono separati uno dall'altro, la corrente fluente nel magnetoresistore Ã ̈ costretta a rimanere nella striscia magnetoresistiva 41, evitando perdite di corrente o variazioni nelle caratteristiche elettriche e di sensibilitÃ del magnetoresistore stesso.

Con le soluzioni descritte, Ã ̈ possibile ottenere (a paritÃ di L1 e Th) un guadagno di sensibilitÃ di circa 1,5 rispetto al sensore magnetoresistivo di fig.

5, senza modifica di area e senza modificare caratteristiche critiche, quali il comportamento lineare, la reiezione nei confronti di componenti di campo trasversali e il rumore.

Inoltre, il sensore magnetoresistivo ottenibile presenta ripetitibilitÃ migliorata, ed Ã ̈ poco sensibile a variazioni di parametri di processo (quali lo spessore dello strato di ossido al di sotto delle strisce magnetoresistive 41 ed eventuali disallineamenti).

Il sensore magnetoresistivo descritto puÃ² essere realizzato ad esempio nei modi qui di seguito descritti.

Le figg. 13A-13E mostrano un esempio di realizzazione di un sensore magnetoresistivo 30 in cui il concentratore 45 o 62 Ã ̈ realizzato dello stesso materiale della striscia magnetoresistiva 41.

In dettaglio, inizialmente (fig. 13A), nel substrato 32, tramite una tecnica litografica e di attacco chimico secco profondo del silicio ("deep dry silicon etch"), viene realizzata la trincea 44 o 62, che puÃ² estendersi per l'intera lunghezza della striscia magnetoresistiva 41 come in fig. 6 o essere formata da una pluralitÃ di minitrincee 60 come in fig.

12.

Un primo strato isolante 70, ad esempio formato da una pila ("stack") sottile di ossido-nitruro termico, viene quindi cresciuto nella trincea 44 e sulla superficie 34. Ad es., con microtrincee 61 aventi le dimensioni sopra indicate, il primo strato isolante 70 puÃ² avere uno spessore compreso fra 20 e 200 nm. Quindi, viene deposto uno strato ferromagnetico 71, ad es. NiFe avente uno spessore compreso fra 1 e 100 nm. Lo strato ferromagnetico 71 viene deposto usando una tecnica che consente di ottenere una buona copertura delle pareti della trincea 44, ad es. deposizione per sputtering, PVD, ALD, CVD o ECD. Viene poi deposto per CVD (deposizione chimica in fase vapore) uno strato protettivo 72, ad es. di TaN con uno spessore compreso fra 10 e 50 nm, ottenendo la struttura di fig. 13A.

In seguito, fig. 13B, viene deposto un secondo strato isolante 74. Il secondo strato isolante 74 puÃ² essere uno spesso strato di ossido, avente uno spessore compreso fra 200 e 2000 nm, in modo da riempire la trincea 44.

Successivamente, fig. 13C, dopo una fase di assottigliamento della porzione superficiale del secondo strato isolante 74, ad es. tramite CMP, la striscia magnetoresistiva 41 viene definita tramite litografia. A tale scopo, uno strato di fotoresist viene depositato e definito in modo da formare una maschera strisce 75 che copre gli strati deposti nella trincea 44 e dove si vuole realizzare la striscia magnetoresistiva 41; quindi, utilizzando la maschera strisce 75, e mediante attacco secco, vengono rimosse le porzioni esposte del secondo strato isolante 74. La porzione superficiale rimanente del secondo strato isolante 74 quindi forma una maschera hard 74a.

Dopo la rimozione della maschera strisce 75, fig.

13D, lo strato protettivo 72 e lo strato ferromagnetico 71 vengono sagomati ("patterned"), usando la maschera hard 74a ed effettuando un attacco a fascio ionico (Ion Beam Etch).

Quindi, fig. 13E, viene rimossa la maschera hard 74a, per cui lo strato ferromagnetico 71 e il relativo strato protettivo 72 rimangono esposti e il secondo strato isolante 74 rimane solo all'interno della trincea 44, a formare la regione di riempimento 46 di fig. 7. Seguono fasi standard per la realizzazione del sensore magnetoresistivo 30, includenti qui la realizzazione delle strisce trasversali 42, ad esempio depositando un primo strato di metallizzazione 77, ad es. di TiW, con spessore compreso fra 10 e 100 nm, avente la funzione di favorire l'adesione e la contattatura fra gli strati adiacenti, ed un secondo strato di metallizzazione 78, ad es. di Al, con spessore compreso fra 100 e 1000 nm

Il processo comprende in seguito il deposito di uno strato dielettrico intermetallico, ad es. TEOS con spessore compreso fra 1 e 3 µm, e relativa planarizzazione CMP; il deposito di un ulteriore strato dielettrico, ad es. TEOS con spessore compreso fra 100 e 1000 nm, formante, insieme allo strato dielettrico intermetallico, un terzo strato isolante 79; l'apertura di vie verso il primo o secondo strato di metallizzazione 77, 78, arrivando alla struttura di fig. 13E. In seguito, viene deposito e sagomato almeno un terzo strato metallico, non mostrato, ad es. di Al o Cu, avente spessore compreso fra 1 e 5 µm e utilizzato per realizzare bobine di set/reset di magnetizzazione della striscia magnetoresistiva 41); viene depositato uno strato di passivazione finale (non mostrato) e infine vengono aperte le piazzole di contatto (non mostrate).

In alternativa a quanto sopra, lo strato ferromagnetico 71 puÃ² essere sagomato direttamente tramite uno strato di resist, senza utilizzare la maschera hard 74a. In questo caso, fig. 14A, dopo la realizzazione della trincea 44, il deposito del primo strato isolante 70, dello strato ferromagnetico 71 e dello strato protettivo 72, viene realizzata subito la maschera strisce 75 e vengono attaccati gli strati 71, 72 per formare la striscia magnetoresistiva 41.

Dopo la rimozione della maschera strisce 75, fig.

14B, viene deposto il secondo strato isolante 74 e questo viene planarizzato, ad es. tramite CMP,fino ad uno spessore di circa 400 nm.

Quindi, fig. 14C, vie 80 (una sola delle quali Ã ̈ visibile in figura) vengono aperte nel secondo strato isolante 74, al di sopra della striscia magnetoresistiva 41, fino a raggiungere lo strato protettivo 72. In alternativa (in modo non mostrato) l'attacco puÃ² rimuovere anche lo strato protettivo 72, fino a scoprire lo strato ferromagnetico 71. Le vie 80 sono allineate lungo la direzione longitudinale della striscia magnetoresistiva 41 (direzione Y in fig. 6, perpendicolare al foglio) e hanno la forma a parallelogramma desiderata per le strisce trasversali 42 Successivamente vengono depositati e sagomati il primo strato di metallizzazione 77 e il secondo strato di metallizzazione 78, che riempiono la via 80 e, dopo la sagomatura, formano le strisce trasversali 42.

Il procedimento prosegue quindi nel modo sopra descritto con il deposito di uno o piÃ¹ strati dielettrici, il secondo strato metallico e lo strato di passivazione finale, e con l'apertura delle piazzole.

Le fig. 15A-15E mostrano fasi successive di un procedimento di fabbricazione basato sull'uso di due materiali diversi per il concentratore 45, 62 e la striscia magnetoresistiva 41.

In dettaglio, inizialmente e analogamente a quanto descritto sopra, fig. 15A, viene realizzata la trincea 44 e vengono depositati il primo strato isolante 70 e un primo strato ferromagnetico 82, analogo allo strato ferromagnetico 71 delle figure 13 e 14. Qui, la trincea 44 puÃ² essere continua, come in fig. 6, oppure formata da una pluralitÃ di minitrincee 60, come mostrato in fig. 12.

Quindi viene realizzata una maschera concentratore 83 che copre la trincea 44 e viene rimossa la parte superficiale del primo strato ferromagnetico 82, in modo da definire il concentratore 45, 62.

Dopo la rimozione della maschera concentratore 83, fig. 15B, vengono depositati un primo strato di protezione 84 di materiale altamente resistivo, quale TaN, uno secondo strato ferromagnetico 85, ad es. di NiFe, ed un secondo strato di protezione 86, ad es. di TaN. Il primo strato di protezione 84 Ã ̈ opzionale, in particolare quando il primo strato ferromagnetico 82 ha resistivitÃ molto maggiore dello strato ferromagnetico 85, ma Ã ̈ preferibile, nel caso che il secondo strato ferromagnetico 85 abbia resistivitÃ confrontabile o uguale a quella del primo strato ferromagnetico 82 (ad es. siano realizzati dello stesso materiale) e la trincea 44 sia continua per una porzione sostanziale della lunghezza della striscia magnetoresistiva 41.

Il secondo strato ferromagnetico 85 puÃ² avere lo stesso spessore del primo strato ferromagnetico 82.

In seguito, fig. 15C, viene realizzata la maschera strisce 75 e vengono attaccati gli strati 85 e 86 per formare la striscia magnetoresistiva 41.

Dopo la rimozione della maschera strisce 75, fig.

15D, viene depositato uno strato di riempimento ("filling layer") 90, ad es. uno spesso strato di ossido, avente uno spessore compreso fra 200 e 2000 nm, in modo da riempire la trincea 44 o le minitrincee 60, analogamente al secondo strato isolante 74 di fig. 13B. Lo strato di riempimento 90 viene quindi planarizzato tramite CMP.

In seguito, fig. 15E, analogamente a quanto descritto con riferimento alla fig. 14C, vie 80 (una sola delle quali Ã ̈ visibile in figura) vengono aperte nello strato di riempimento 90, al di sopra della striscia magnetoresistiva 41, fino a raggiungere il secondo strato di protezione 86, e vengono depositati e sagomati il primo strato di metallizzazione 77 e il secondo strato di metallizzazione 78, che riempiono la via 80 e, dopo la sagomatura, formano le strisce trasversali 42. Seguono le fasi finali.

Secondo una diversa forma di realizzazione, prima di realizzare la maschera concentratore 83 di fig. 15A, la trincea 44 puÃ² essere riempita di ossido e plana rizzata tramite CMP, analogamente a quanto descritto con riferimento alla fig. 13C. In questo modo, Ã ̈ possibile utilizzare una tecnica di rivestimento con resist piÃ¹ standard.

Un'altra variante ancora, mostrata nelle figg.

16A-16C, prevede la realizzazione dello strato ferromagnetico prima della realizzazione della trincea. In dettaglio, secondo tale variante, prima della realizzazione della trincea, il substrato 32 viene coperto da uno strato isolante 95; quindi viene depositato e sagomato uno strato ferromagnetico 96 (ad esempio un singolo strato di NiFe o un doppio strato di NiFe-TaN o un triplo strato di NiFe-TaN-SiO2o di NiFe-TaN-SiN), fig. 16A; la trincea 44 viene realizzata attraverso lo strato ferromagnetico e viene depositato e sagomato uno strato di concentratore 97, ad es. di NiFe, per ottenere il concentratore 45, fig. 16B; viene deposto, planarizzato tramite CMP e sagomato uno strato di riempimento trincea 98, ad es. di TEOS; e viene deposto e sagomato il doppio strato di barber pole 99, fig. 16C. Seguono le fasi finali sopra descritte.

Il dispositivo e il procedimento qui descritti presentano numerosi vantaggi.

In primo luogo, viene realizzato un sensore magnetoresistivo, ad es. un sensore AMR triassiale planare, integrabile in una sola piastrina. In questo modo si riducono le imprecisioni nella direzione del campo magnetico rilevato, grazie alla riduzione dei disallineamenti delle magnetoresistenze.

Il sensore complessivo Ã ̈ particolarmente compatto, e quindi facilmente utilizzabile in sistemi e apparecchi anche di piccole dimensioni.

L'assemblaggio del sensore complessivo Ã ̈ di tipo standard, e quindi non richiede operazioni e fasi complesse per il posizionamento, fissaggio e connessioni ad hoc della/e piastrine. Di conseguenza, i costi di fabbricazione sono ridotti.

Sono richieste poche operazioni in piÃ¹ rispetto ad un flusso AMR standard, il che consente di avere costi di fabbricazione comparabili con analoghi dispositivi utilizzanti la stessa tecnologia.

Il sensore puÃ² essere fabbricato con costi ridotti rispetto al caso di piastrina verticale, oltre che per i motivi di cui sopra, anche grazie al fatto di avere una sola piastrina, per cui l'area totale di silicio impiegata in tutte e tre le direzioni spaziali Ã ̈ minore.

La sensibilitÃ del sensore Ã ̈ notevolmente maggiore rispetto alle soluzioni note con sensore Z planare.

Il dispositivo finale Ã ̈ meno sensibile agli spread di processo rispetto alle soluzioni note.

Il sensore magnetoresistivo descritto puÃ² quindi essere utilizzato vantaggiosamente in bussole elettroniche e in dispositivi di rilevamento di campi magnetici di bassa ampiezza.

Risulta infine chiaro che al sensore e al procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dallâ€™ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sensore magnetoresistivo integrato (30; 50), comprendente una piastrina (31) includente un substrato (32) avente una superficie (34) ed una regione isolante (33) coprente la superficie del substrato, la piastrina alloggiando un magnetoresistore (40; 51) di un primo materiale ferromagnetico e avente un piano di sensibilitÃ parallelo alla superficie, la piastrina alloggiando inoltre un concentratore (45; 62) di un secondo materiale ferromagnetico includente almeno un braccio (45a) estendentesi in direzione trasversale al piano di sensibilitÃ ed avente una estremitÃ a contatto con il magnetoresistore.
2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui il magnetoresistore (40; 51) si estende nella regione isolante (33), il substrato (32) presenta una trincea (44) aprentesi sulla superficie (34) e il braccio (45a) del concentratore (45; 62) si estende all'interno della trincea e l'estremitÃ del braccio sporge dalla trincea e si estende nello strato isolante.
3. Sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo e il secondo materiale ferromagnetico sono scelti fra una lega a base di cobalto e una lega di Fe-Ni, ad esempio di "permalloy".
4. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'estremitÃ del braccio (45a) presenta una porzione ripiegata diretta parallelamente e a contatto con il magnetoresistore (40; 51).
5. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui il magnetoresistore (40; 51) comprende almeno una striscia magnetoresistiva (41), la striscia magnetoresistiva e il concentratore (45; 62) essendo realizzati in uno stesso strato di materiale ferromagnetico.
6. Sensore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il magnetoresistore (40; 51) ha forma allungata avente una direzione longitudinale, e il concentratore (62) Ã ̈ formato da una pluralitÃ di segmenti di concentratore (61), a contatto con il magnetoresistore, separati reciprocamente ed allineati nella direzione longitudinale.
7. Sensore secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralitÃ di magnetoresistori (R1-R4) ed una corrispondente pluralitÃ di concentratori (45), i magnetoresistori essendo collegati a formare un ponte di Wheatstone (35) e comprendendo ciascuno almeno una striscia magnetoresistiva (41) e una pluralitÃ di strisce trasversali conduttrici (42) sovrapposte alla ciascuna striscia magnetoresistiva; e i concentratori estendendosi lateralmente e a contatto con le rispettive strisce magnetoresistive, parallelamente alle strisce magnetoresistive stesse.
8. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato (32) Ã ̈ di materiale semiconduttore, in particolare silicio.
9. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, formante una bussola elettronica integrata o un rilevatore di campo magnetico ad elevata sensibilitÃ .
10. Procedimento di fabbricazione di un sensore magnetoresistivo integrato (30; 50) in una piastrina (31) avente un substrato (32) ed una regione isolante (33), il substrato definendo una superficie (34), il procedimento comprendendo le fasi di: formare nella piastrina un magnetoresistore (40; 51) di un primo materiale ferromagnetico definente un piano di sensibilitÃ parallelo alla superficie, formare nella piastrina un concentratore (45; 62) di un secondo materiale ferromagnetico e avente almeno un braccio (45a) estendentesi in direzione trasversale al piano di sensibilitÃ e a contatto con il magnetoresistore.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui il magnetoresistore (40; 51) ha forma allungata avente direzione longitudinale e il concentratore (62) Ã ̈ formato da una pluralitÃ di segmenti di concentratore (61), a contatto con il magnetoresistore, separati reciprocamente ed allineati nella direzione longitudinale.
12. Procedimento secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui formare un magnetoresistore (40; 51) e formare un concentratore (45; 62) comprendono formare una trincea (44) nel substrato (32) a partire dalla superficie (34), rivestire pareti della trincea e la superficie con uno strato ferromagnetico (71), e sagomare lo strato ferromagnetico.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, comprendente, dopo la fase di rivestire le pareti, riempire la trincea (44) con materiale isolante prima o dopo la fase di sagomare.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui formare un concentratore (45; 62) comprende formare una trincea (44) nel substrato a partire dalla superficie (34); rivestire pareti della trincea ed una porzione della superficie (34) adiacente alla trincea con un primo strato ferromagnetico (82), e formare il magnetoresistore (40; 51) almeno parzialmente sul primo strato ferromagnetico.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, comprendente, dopo la fase di rivestire le pareti, e prima di formare il magnetoresistore (40; 51), formare uno strato protettivo (84) al di sopra del primo strato ferromagnetico (82); e formare il magnetoresistore comprende depositare un secondo strato ferromagnetico (85); sagomare il secondo strato ferromagnetico; il procedimento comprendendo inoltre riempire la trincea (44) con materiale isolante.
16. Procedimento secondo la rivendicazione 10 o 11, comprendente depositare un primo strato isolante (95) sulla superficie; formare il magnetoresistore (40; 51) sul primo strato isolante; formare una trincea (44) nel substrato, attraverso il primo strato isolante e a fianco del magnetoresistore; e depositare uno strato ferromagnetico (97) su pareti della trincea e su una porzione del magnetoresistore.