WO2016078793A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer magnetfeldsensorvorrichtung sowie diesbezügliche magnetfeldsensorvorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer magnetfeldsensorvorrichtung sowie diesbezügliche magnetfeldsensorvorrichtung Download PDF

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magnetic
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Jochen Schmitt
Johannes Paul
Ronald LEHNDORFF
Jürgen Wahrhusen
Claudia Glenske
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Sensitec Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a magnetic field sensor device and to a magnetic field sensor device produced by the method according to the invention. More particularly, the invention is directed to permanent magnetization of at least one ferromagnetic layer in a magnetic field sensor device mounted on a chip substrate, particularly simultaneous magnetization of a plurality of adjacent ferromagnetic layers in two or more directions to thereby provide high sensitivity and improved quality magnetic field sensor devices.
  • Magnetoresistive sensor devices are used for the resistance-based measurement of magnetic fields and thus for an indirect detection of other physical quantities such as path, angle or current.
  • Such a sensor device is based on a magnetoresistive effect, in which a change in the electrical resistance of a chip structure is caused by the application of an external magnetic field.
  • magnetic field sensor devices based on a giant magnetoresistance effect (GMR effect) or a tunnel magneto effect (TMR effect) have increasingly been used. These include a thin film structure of non-magnetic and magnetic materials in which a magnetic coupling or a spin effect through the layers has an influence on the electrical resistance.
  • a change of up to 5% (GMR) or up to 600% (TMR) of the electrical resistance based on an external magnetic field can be achieved.
  • TMR sensors is a layer structure of at least two ferromagnetic and an insulator layer, the a tunnel barrier is formed, so that electrons between the two ferromagnetic layers can tunnel through the insulator layer.
  • the insulator layer is, for example, Al 2 O 3 or MgO; in the case of a GMR sensor, a thin conductive layer, eg Cu or Ru, is often used.
  • the electrical resistance of the tunneling element depends on how the two ferromagnetic layers are magnetized to each other.
  • the resistance is minimal. If they are magnetized anti-parallel to each other, the resistance is maximum.
  • the direction of magnetization of one of the two ferromagnetic layers is often fixed (pinned) so that the magnetization of this layer does not react or reacts only weakly to external fields.
  • This layer is called reference layer, or also pinned layer or permanently magnetized layer.
  • the other layer is designed so that its magnetization follows the external field in a defined manner.
  • This layer is called a detection layer or free layer. Due to the division into a reference layer and a detection layer, which react differently to external fields, it is possible to obtain resistance changes when changing external fields and to realize a sensory device.
  • the resistance dependence correlates with the angle between the magnetization direction of the detection layer, which is also referred to as "freelayer” and the magnetization direction of the reference layer, the so-called "pinned layers”.
  • the direction of the magnetization of the reference layer can be permanently adjusted, which is often referred to as pinning.
  • the ferromagnetic layer is usually coupled to an antiferromagnetic adjacent layer.
  • the resistance element is heated above the so-called blocking temperature, at which the exchange coupling between the anti-reflection element ferromagnetic layer and the ferromagnetic layer disappears, wherein this temperature is usually lower than the Curie temperature of the ferromagnetic layers.
  • the ferromagnetic layers After heating above the blocking temperature and below the Curie temperature, the ferromagnetic layers are exposed to an external magnetic field which forces them into a defined direction of magnetization. This magnetization direction is maintained when the antiferromagnetic layer cools again when the magnetic field is applied and the blocking temperature is again undershot.
  • a method for pinning GMR or TMR-based resistance elements is described in US 2002 0180 433 A1, in which a soft-magnetic structuring element is first arranged as flux concentration element in the vicinity of a resistive element, and a pinning magnetic field parallel to the chip surface is coupled, so that all occupied with a soft magnetic structuring element resistor elements are pinned in an identical magnetic field direction.
  • US Pat. No. 8,715,776 B2 discloses a generic pinning method in which resistance elements are either covered or bound by an insulating layer separated from a hard magnetic layer in order to achieve alternating pinning in a magnetization direction in opposite polarization.
  • the pretreatment magnetic field is in turn coupled in parallel to the chip substrate surface.
  • JP 2010 066 262 A and the parallel DE 10 2008 041859 A relates to a magnetic field sensor arrangement for measuring a perpendicularly on a chip substrate surface measuring magnetic field component, wherein a Flußkonzentrati- onselement is provided that when coupling the perpendicular magnetic field component to each other antiparallel, lying in the chip substrate surface Magnetic field generated components that are detectable by magnetoresistive resistance elements.
  • US 2006 0226 940 describes a pinning method for GMR resistor elements in which a chip substrate with its chip substrate surface parallel to a magnetic field axis of a superconducting current coil is introduced into the center of the coil, around a pinning axis of the current coil pretreatment magnetic field parallel to the substrate surface define.
  • US 201 10151 589 A1 discloses a pinning method of resistance elements in two orthogonal directions, wherein rectangular resistor elements having a predefined length-width ratio in orthogonal rows are arranged on a chip substrate, and a pretreatment magnetic field aligned parallel to the chip substrate has a pinning angle 45 ° is coupled to the orthogonal axes to pin the orthogonal resistor element rows in orthogonal directions.
  • Another object of the invention is to provide a precise and highly integrated sensor element that can measure magnetic fields in 2D or 3D directions, for example, on a single chip substrate.
  • a method for producing a magnetoresistive sensor device in which pinning, i. permanent magnetization of at least one ferromagnetic layer in a magnetic field sensor device applied to a chip substrate, the following steps are carried out:
  • At least one magnetoresistive resistor element on a chip substrate which comprises at least one ferromagnetic layer and at least one antiferromagnetic layer, wherein between ferromagnetic and antiferromagnetic layer has an exchange coupling, which disappears upon reaching the blocking temperature;
  • a first step at least one, in particular a plurality of magnetoresistive resistance elements is applied to a chip substrate, preferably GMR or TMR resistance elements which have a free layer and a reference layer, the reference layer consisting of at least one ferromagnetic layer passing through direct exchange coupling is coupled to an adjacent antiferromagnetic layer.
  • at least one soft-magnetic structuring element for example a lithographically structured nickel-iron alloy, is applied, which is applied adjacently or partially overlapping the resistance elements on the chip substrate surface. This can be done, for example, by electro-galvanic deposition, by sputtering, by a vapor deposition method or similar measures known from chip structuring on the chip substrate.
  • the pretreatment magnetic field an external magnetic field is introduced, which in the following is called the pretreatment magnetic field, the field lines of the pretreatment Magnetic field are guided by the soft magnetic structuring element so that they emerge at a suitable location in the resistive element and cause there on the basis of the geometric structure of the structuring element adjustable magnetization of the ferromagnetic layers.
  • the pretreatment magnetic field is coupled into the structuring element perpendicular to the chip substrate surface.
  • the soft-magnetic structuring of the element can be removed from the chip substrate, for example by etching, sputtering or similar methods that selectively remove material.
  • the structuring elements can also remain on the chip substrate in order to be used, for example, as a conductor element, flux guide element or the like.
  • any orientation of a pinning magnetic field can be achieved by the stray fields of the structuring element in order to be able to pin the individual ferromagnetic layers in individual directions.
  • the structuring element can be removed again after impressing the pinning magnetic field and may preferably consist of nickel iron. Between the resistance settin and the structuring element may be provided with a relatively small thickness of 30 nm to 5 ⁇ an insulating layer, for example SiN.
  • the structuring element can have an arbitrary expansion surface and any structuring of the boundary surface from which the pinning stray magnetic field emerges.
  • different pinning directions of a Wheatstone measuring bridge structure can be specified in a single process step. This makes it possible to construct resistance elements of the Wheatstone measuring bridge spatially adjacent to one another, for example, so that material inhomogeneities on the chip structure due to the spatially close arrangement of corresponding resistance elements of a measuring structure are compensated. As a result, temperature-dependent errors or material errors are virtually compensated and allows increased accuracy.
  • a single structuring element may be designed such that it can simultaneously pin two or more TMR or GMR resistance elements.
  • the soft-magnetic structuring element is arranged such that the pretreatment magnetic field is coupled into the structuring element perpendicular to the chip surface and also generates magnetic field components parallel to the chip surface at the location of the resistive element which at least partially penetrate the ferromagnetic layer of the resistive element.
  • the pretreatment magnetic field may be a homogeneous magnetic field that impinges perpendicularly on the chip substrate surface and that emerges from the magnetic field guiding property and the geometric design of the structuring element in the form of a stray field also parallel to the chip surface at boundary edges and pinning the adjacent resistor elements makes.
  • any pinning directions can be provided in the resistance element, whereby a single structuring element can pin multiple resistance elements simultaneously.
  • the soft-magnetic structuring element can be assigned two or more resistance elements in order to magnetize the at least one ferromagnetic layer of the resistance elements in the same direction parallel to the chip substrate surface.
  • two or more resistive elements may be associated with the soft magnetic structuring element to magnetize the at least one ferromagnetic layer of the resistive element in opposite directions parallel to the chip substrate surface.
  • a structuring element can be assigned to two or more resistance elements at the same time, whereby pinning in the same direction or in different, in particular antiparallel, directions is made possible by forming magnetic poles of the structuring element.
  • two opposing poles of the structuring element can cause a 180 ° leakage of stray magnetic field lines, so that a pinching of two resistance elements, which are associated, for example, with a lower or upper half-bridge of a Wheatstone measuring bridge, is made possible at the same time.
  • the oppositely pinned resistive elements are spatially adjacent, a temperature drift or a material defect in the chip substrate causes identical changes in resistance, so that they compensate each other in the measuring bridge, whereby the bridge offset is minimized. Offset minimization increases the accuracy of the magnetic field sensor bridge.
  • the homogeneity of the tunnel barrier is a weak point in the manufacturing process.
  • the layer thickness of the tunnel barrier exponentially enters into the resistance of the tunnel element, causing minute changes in the layer thickness within a Wheatstone bridge comparatively large offset values of the bridge.
  • the set magnetization direction of the ferromagnetic layers of the resistance elements can be parallel or antiparallel to one another, depending on the profile of the contour of the structuring element and the spatial position of the resistance elements relative to the structuring element.
  • the at least two or more resistance elements can be used to form a Wheatstone measuring bridge, preferably for forming at least one upper or lower bridge branch of a Wheatstone measuring bridge.
  • a structuring element for pinning the upper and a structuring element for pinning the lower bridge branch or to provide a common structuring element with differently shaped poles for simultaneously pinning the resistance elements of the upper and lower bridge branches.
  • the resistive elements forming the upper bridge branch and the resistive elements forming the lower bridge branch are spatially adjacent to the chip substrate.
  • the resistance elements are set up in such a way that they form a GMR layer system.
  • a giant magnetoresistance (GMR) layer system means a structure consisting of at least two ferromagnetic layers separated by a non-magnetic metal layer. Between the two ferromagnetic layers acts an indirect exchange coupling, the so-called RKKY interaction.
  • the resistance of the GMR resistance element depends on the angle at which the magnetization directions of the ferromagnetic layers are in relation to each other.
  • the magnetic field sensor device may also comprise resistive elements forming a tunnel resistance layer system (TMR layer system).
  • TMR layer system is based on the fact that between two ferromagnetic layers there is a thin insulator with a layer thickness of 0.5 to 3 nm. that is, so that the electrons can tunnel between the ferromagnetic layers.
  • the proposed manufacturing method can thus be used particularly simply and favorably for the production of GMR or TMR magnetic field sensors.
  • magnetic field sensor devices for a compass application or for a distance meter, protractor or the like can be produced.
  • At least one boundary edge of the soft-magnetic structuring element can extend substantially parallel or tangentially to a boundary edge of a resistance element, wherein the resistance element is partially covered by the soft magnetic structuring element or bordered by it, and wherein the coverage is a measure of 5 ⁇ m or less having. It is thus proposed to provide at least one boundary edge of the soft-magnetic structuring element parallel or tangential to a contour of the resistance element so that magnetic fields which pass through the structuring element and exit at the boundary edges enter directly into the resistance element and thus have a high pinning force. Effect of the ferromagnetic layer can cause. In this way, a coupling of the pinning magnetic field from the structuring element into the resistance element can be improved and a reliable alignment of the ferromagnetic layer can be achieved.
  • the pretreatment magnetic field can penetrate the chip substrate essentially perpendicular to the chip substrate surface, magnetic stray fields being aligned substantially parallel to the chip substrate surface in the region of the boundary edge of a soft magnetic structuring element, or having a sufficiently strong component parallel to the chip substrate surface.
  • the magnetic field lines can thus also be directed to a 45 ° angle to the chip substrate surface. It is suggested that the pretreatment magnetic field is perpendicular over the structuring elements can be aligned with the chip substrate, scattering stray magnetic fields parallel to the chip substrate in the area of the boundary edges, and the magnetic opposite pole being arranged below the chip substrate so that the stray fields have only a locally limited effect and through the chip substrate onto the chip substrate Are guided opposite pole of the magnetic field generating device.
  • the soft-magnetic structuring element can be shaped so that the flux density of the leaking magnetic stray fields is preferably guided and amplified by distinct pole shoes or flow-guiding recesses in the structuring element.
  • the structuring element along the edge of the edge, but also on the surface facing the chip substrate surface in such a way that pronounced pole shoes are formed or flux guiding recesses, such as edges, steps or roundings, are provided around the magnetic fields within the soft magnetic structuring element to guide and bundle in order to enable a high stray field to emerge at the desired boundary edges.
  • pole shoes such as edges, steps or roundings
  • flux guiding recesses such as edges, steps or roundings
  • the resistance elements of the soft magnetic structuring element by an insulating layer in particular by a layer of SiN or Al 2 0 3 with a thickness of 30 nm to 5 ⁇ be isolated.
  • An insulating interlayer between the chip substrate, in particular resistance elements and the structuring element simplifies the application of the structuring element, and in particular the ablation of the structuring element. solve the structuring element after pinning without damage to the resistor elements or the chip substrate easily possible. This prevents contamination and damage on the chip substrate.
  • a layer of SiN or Al 2 O 3 can be applied with a relatively small thickness of 30 nm to 5 ⁇ , a maximum of up to 10 ⁇ easily, and protects the magnetic field sensor chip before and during the application and removal of the soft magnetic structuring element.
  • the soft-magnetic structuring element can be produced by depositing or constructing a layer of soft magnetic material on the chip substrate, in particular NiFe with a layer thickness of 1000 nm to 20 ⁇ m, preferably by an electrogalvanic or a gas deposition method and a lithographic patterning method for structuring individual soft-magnetic structuring bodies ,
  • electroplating a seed layer is usually first applied, on which a photostructure is applied. After that, the structuring bodies are deposited by means of a galvanization layer, and the seed layer is then removed again.
  • the structuring element by deposition of NiFe with a layer thickness of 1000 nm to 20 ⁇ m, in particular by means of a lithographic patterning method and an electrogalvanic deposition or a gas deposition.
  • a lithographic structuring can be carried out in order to form individual structuring bodies and, for example, to form defined pole shoes or the like and a desired course of the boundary contour of the structuring element.
  • proven techniques for applying the structuring elements can be used, which can be integrated effortlessly without high costs and without a great deal of time in an already existing manufacturing process.
  • the soft magnetic structuring element (s) can be removed from the chip substrate.
  • the structuring elements are then used only as a manufacturing and sacrificial layer, which can be removed without residue after the coupling of the pinning magnetic field.
  • the design and shape of the magnetic field sensor structures can be selected independently of a shape of the launch patterning elements.
  • the shape of the structuring elements can thus be selected optimally for the coupling-in process of the pinning magnetic field without having to compromise on a further use of the structuring elements.
  • the invention in a secondary aspect, relates to a magnetic field pretreatment device for the magnetic pretreatment of resistance elements of a magnetic field sensor device applied to a chip substrate.
  • the magnetic field pretreatment device comprises a heating furnace and a magnetic field generating device having a pole and a Gegenpolober Structure inside the heating furnace, wherein at least one chip substrate of at least one soft magnetic structuring element between pole and Gegenpolober Design can be inserted to a magnetic pretreatment, in particular pinning of to achieve arranged on the chip substrate resistance elements by a perpendicular to the chip substrate surface aligned pretreatment magnetic field.
  • a plurality of chip substrates or wafers are pinned at the same time.
  • the heater is adapted to set a temperature beyond the blocking temperature, but below the Curie temperature, of the individual laminations of the resistive elements and to achieve pinning by imparting an external pretreatment magnetic field.
  • the pretreatment magnetic field can be used throughout the heating and cooling process abutment, or can be selectively on reaching a predetermined temperature and switched off when falling below a further predetermined temperature.
  • the chip substrate or the wafer to be pinned may be taken out of the magnetic field device to remove the external pinning magnetic field. Thereafter, possibly a detachment of the structuring elements, and in further process steps, the completion of the magnetic field sensor device is performed.
  • the magnetic field generating device may comprise a permanent magnet which is arranged in the heating furnace, wherein a strength of the pretreatment magnetic field is adjustable via an adjustable air gap between permanent magnet and pole and Gegenpolober Structure means of an air gap adjusting device.
  • a strength of the pretreatment magnetic field is adjustable via an adjustable air gap between permanent magnet and pole and Gegenpolober Structure means of an air gap adjusting device.
  • the pretreatment magnetic field is provided by a permanent magnet, such a magnetic field generating device can be used in any heating furnace without having to provide an additional power supply.
  • the strength of the magnetic field in this case can be made by adjusting an air gap using an air gap adjuster to adjust the strength of the pretreatment magnetic field.
  • the magnetic field is permanently applied during the heating and cooling process and can be varied, for example, in terms of strength by changing an air gap.
  • the prefabricated chip substrate with soft magnetic structuring elements is used, wherein the heating furnace is heated to a temperature above the blocking temperature of the antiferromagnetic layers, and remains below the Curie temperature of the ferromagnetic layers, so that reliable pinning of the magnetic field sensor device can be achieved.
  • a magnetic field sensor device for detecting at least one component of an external magnetic field which comprises at least one magnetoresistive resistor.
  • Stand element includes.
  • the magnetic field sensor device is manufactured according to one of the aforementioned possible embodiments of the manufacturing method.
  • FIG. 1a is a perspective view of a first embodiment of a manufacturing step according to the manufacturing method according to the invention.
  • 1 b is a magnetic stray field for pinning a resistance structure according to a manufacturing step of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a chip structure with soft-magnetic structuring elements for producing a measuring device according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic circuit diagram and chip structure of an embodiment of a measuring device according to the invention.
  • FIG. 5 representation of an exemplary advantageous for the process
  • Layer structure shows schematically an embodiment of a magnetic field Pre-treatment device according to an embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows in perspective an embodiment of a magnetic pretreatment device according to the invention
  • 8 is a side view schematically showing a pinning step according to various embodiments of the invention
  • FIG. 9 is a sectional view of a structuring structure after applying a soft magnetic structuring element in the context of an embodiment of the method according to the invention.
  • similar elements are numbered with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a perspective, schematic representation for pinning resistor elements 14 of a magnetic field sensor device 10.
  • the magnetic field sensor device 10 comprises a chip substrate 12, on which resistor elements 14 are arranged.
  • the resistive elements 14 consist of a plurality of individual thin ferromagnetic and antiferromagnetic layers which are stacked on top of one another and which can be connected to form a Wheatstone measuring bridge.
  • a pretreatment magnetic field H z 38 is used which is oriented perpendicular to the surface 36 of the chip substrate 12.
  • the pretreatment magnetic field H z 38 is emitted from a magnetic pole, not shown, penetrates the chip substrate 12 and is resumed by a Jacobpolober Structure 58, which is disposed below the chip substrate 12.
  • the pretreatment magnetic field ⁇ 38 penetrates vertically into a soft-magnetic structuring element 18, wherein it is aligned at right angles to the structuring layer surface 44.
  • the structuring element 18 carries the pretreatment magnetic field 38, so that, due to a distance from the chip substrate and by an increased magnetic conductivity through the resistance elements 14, exits at marginal edges 20 parallel to the chip surface 36 and penetrates the resistive elements 14.
  • An improved penetration of the resistance elements 14 is achieved, in particular, by setting a temperature above the blocking temperature of the antiferromagnetic layers of the resistance element, so that improved flux conduction through the resistance elements 14 can take place.
  • the boundary edges 20 of the structuring element 18 overlap the boundary edges 22 of the resistance elements 14.
  • FIG. 1 b A corresponding magnetic field sectional view is shown in FIG. 1 b, wherein the magnetic flux scattering at the boundary edges 20 and the corresponding stray magnetic field 46 of the structuring element 18 is shown, which lies in the influence of the resistance elements 14. It can clearly be seen that the boundary edges 20 of the structuring element 18 penetrate the boundary edges 22 of the resistance element 14. The resistance element 14 is thus penetrated in its entire width by magnetic fields, which also have a component in the chip plane. Finally, the magnetic field lines are directed through the chip substrate 12 onto the opposite pole surface 58, so that different pinning magnetic field directions can be set depending on the orientation of the boundary edges 20 of the structuring elements 18 on the chip substrate 12.
  • FIGS. 2 a to 2 c various further embodiments of possible soft-magnetic structuring elements 18 are shown in perspective. These are, for example, as 8-corner of Fig. 2a, designed as a half-disk according to Fig. 2b or as an angled layer strip of Fig. 2c. Texturing elements 18 may have a multiplicity of boundary edges 20 bent or bent in polygonal fashion relative to one another.
  • the pretreatment magnetic field H z 38 is perpendicular to the patterning layer surface 44, with stray magnetic fields 46 normal to the boundary surface 20 of the structuring elements 18 substantially parallel to the chip substrate surface. As a result, any pinning directions for producing a magnetic field sensor device 10 can be adjusted.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate the production of two complex Wheatstone measuring bridges for measuring two orthogonal magnetic field components X and Y of a magnetic field sensor device 10.
  • FIG. 3 illustrates the pinning step of a magnetic field sensor device 10, wherein on a chip substrate surface 36 of a chip substrate 12 a plurality of resistive elements, e.g. TMR resistor elements 14 is arranged. Partially overlapping to the boundary edges 22 of the resistance elements 14 soft magnetic structuring elements 18 are applied, the edge of the edge 20 at least partially cover the boundary edges 22 of the resistive elements 14.
  • boundary edge stray fields 46 of the structuring elements 18 are produced, which perform a pinning of the resistance elements 14.
  • FIG. 4 a shows a circuit diagram of one of the two Wheatstone measuring bridges of the magnetic field sensor device according to FIG. 3.
  • the Wheatstone measuring bridge 24 consists of four individual bridge resistors 26, wherein each bridge resistor 26 consists of two resistive elements 14, and thus each bridge resistor 26 is composed of a respective bridge resistance element 26a and 26b, which are connected in series.
  • the resistance elements 26a and 26b are pinned in the same direction.
  • By supply pins B1 a and B1 b 40 a current can be introduced into the measuring bridge 24.
  • the bridge resistors 26 of the upper measuring bridge 30 of the two bridge arms are pinned in the opposite direction. The same applies to the bridge resistors 26 of the lower measuring bridge 28.
  • the bridge resistors 26 of the upper measuring bridge 30 and the lower measuring bridge 28 are also pinned in opposite directions to one another.
  • the resistance values of the bridge resistors of the upper and lower measuring bridges are influenced in such a way that a significant voltage difference results at the measuring contacts B2a, B2b 40, whose resistance change can be used to deduce the magnitude or angle of an external magnetic field.
  • two sets of resistive elements 14 connected to the bridge resistors 26 are disposed on a plane of the chip substrate 12, with resistance elements 14 being provided for two measurement bridges 24 which are 90 ° to each other for a 2D measurement are arranged.
  • FIG. 4b shows, after removal of the soft-magnetic structuring elements 18 and an electrical connection of the individual resistance elements 14, the circuit-technical configuration, as shown schematically in FIG. 4a.
  • Two measuring bridges 24x and 24y are arranged on a common chip substrate 12, which can be pinned in the X and Y directions via a uniform pretreatment magnetic field.
  • a plurality of soft magnetic structuring elements 18 are provided, each of which two adjacent resistance elements 26a, 26b pinned in opposite directions, and which are offset by 90 ° for the two measuring bridges 24x, 24y against each other.
  • the illustrated two Wheatstone measuring bridges for a 2D magnetic field sensor device can be used for an angle sensor.
  • the two Wheatstone gauges deliver a sinusoidal output signal in a 360 ° rotation of an external magnetic field in-plane.
  • the different pinning directions generate sine and cosine signals which are phase-shifted by 90 °.
  • the structuring elements 18 can have any desired geometric shapes and do not necessarily have to provide pinning directions which are offset by 90.degree. Or 180.degree.
  • the pinned layer which consists only of an antiferromagnetic layer (AFM) 86 with a coupled ferromagnetic layer (FM) 82 as the reference layer 92, is applied to a seed layer 88, which can also serve as an electrical contact layer.
  • AFM antiferromagnetic layer
  • FM coupled ferromagnetic layer
  • a seed layer 88 which can also serve as an electrical contact layer.
  • a thin metallic non-magnetic intermediate layer e.g. Cu (GMR) 84 or a thin insulating layer e.g. MgO (TMR) 76.
  • the free ferromagnetic layer (FM) 82 is arranged as a detection layer 94, which is ultimately covered by a protective layer 90, e.g. Ta is covered.
  • the layer stack of the resistive element 14 is heated above the blocking temperature at which the exchange coupling between the antiferromagnetic layer 86 and the reference layer 92 disappears and the layer stack is exposed to an external pretreatment magnetic field.
  • the structuring elements 18 (not shown here) magnetic field components are generated parallel to the layer planes, which in the reference layer 92, the desired Set magnetization.
  • the coupling of the reference layer 92 with the antiferromagnetic layer 86 resumes and stable magnetization in the reference layer 92 is maintained even after the pretreatment magnetic field has been switched off.
  • the pinning serves to adjust the magnetization of the reference layer 92.
  • FIG. 6 shows a magnetic field pretreatment device 50 which comprises a heating furnace 52 and a magnetic field generating device 66.
  • the heater 52 has a door 70 which is openable and resealable, and through which the entire magnetic field generating device 66 can be removed.
  • an electrically operable heating device 54 for example, the interior of the heating furnace can be heated to a temperature above the blocking temperature, preferably above 200 ° C.
  • the magnetic field generating device 66 comprises a permanent magnet 68, which consists of a magnetic yoke made of individual ferromagnetic components, which lead to a pole surface 56 and a Gegenpolober Structure 58.
  • the magnetic field of the permanent magnet 68 is passed through an iron yoke 80 and penetrates the air gap between pole surface 56 and Gegenpolober Structure 58.
  • an air gap adjusting device 60 is provided, through which a variable air gap 34 in the iron yoke 80th can be adjusted so as to vary the strength of the pole and Gegenpolober Structure 56, 58 adjusting pretreatment magnetic field 38 can.
  • a pole-spacing adjusting device 64 is provided, which serves for a reliable supply of the pretreatment magnetic field 38 into the soft-magnetic structuring elements 18.
  • FIG. Pretreatment device 50 An embodiment of a magnetic field shown schematically in FIG. Pretreatment device 50 is shown in perspective in FIG. 7 in conjunction with a heating oven 52.
  • FIGS. 8a to 8c the coupling in of the pinning magnetic field in the context of a production method of a magnetic field sensor device 10 is shown schematically in side views.
  • the magnetic field sensor device 10 comprises a chip substrate 12, in which resistor elements 14 are applied as TMR stacks with a multiplicity of thin ferromagnetic and antiferromagnetic layers.
  • Each resistive element 14 comprises a contact layer 88 for supplying electric current, an antiferromagnetic layer 86 and two ferromagnetic layers 82, a reference layer 92 immediately adjacent to the layer 86, and a detection layer 94 separated from the reference layer 92 by a non-magnetic layer 84 ,
  • a pretreatment magnetic field 38 penetrates vertically over the surface 44 into a structuring element 18, wherein the structuring element 18 causes a guide of the magnetic flux 78, so that a stray magnetic field 46 emerges through boundary edges 20, which penetrates into the resistance elements 14 and the magnetic orientation of the ferromagnetic Layers 82, in particular the reference layer 92 causes.
  • the surface 44 may be planar, curved or otherwise designed. It is already possible to arrange lower and upper contact layers for electrically contacting the resistance layers 14.
  • the magnetic flux 78 is shown only diagrammatically and simplified in the illustrations of FIG. 8 in order to illustrate the mode of operation to be achieved in principle. The dimensions and flow patterns shown are merely illustrative of the underlying principle.
  • the structuring element 18 is shaped in such a way that deductive formed pole pieces 72, which cause a guiding of the stray field 46 in the adjacent vicinity of the resistive element 14 and cause an increased concentration of the stray field 46 in order to achieve a complete pinning of the ferromagnetic layers 82, in particular the reference layer 92.
  • FIG. 9 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a production method according to the invention.
  • a soft magnetic structuring element 18 is arranged on a chip substrate 12, wherein it is spaced from resistive elements 14 by an insulating layer 76.
  • the resistance elements 14 consist of a layer stack of ferromagnetic layers 82, which serve as a reference and detection layer 92, 94, a non-magnetic intermediate layer 84 and an antiferromagnet 86, which are contacted with contact layers 88.
  • the structuring element 18 has a flux guide recess 74 and pole pieces 72 in order to achieve a guidance of the resulting pinning magnetic field into the resistance elements 14.
  • stray field lines are introduced via the pole pieces 72 of the structuring element 18 into the resistance elements 14 in order to align the ferromagnetic layers 82, in particular the reference layer 92.
  • the structuring element 18 can be removed again, for example by etching or by another removal method, and the production of the magnetic sensor device 10 can be completed.
  • the effective pinning magnetic field at the location of the reference layer can only be one low strength of typically 100 mT or less, which is sufficient for pinning a simple spin-valve layer construction.
  • an artificial antiferromagnet in the reference layer usually requires significantly higher fields for pinning and can not be pinned by such weak fields.
  • An artificial antiferromagnet is understood to mean a layer structure in which two or more ferromagnetic layers are separated by a thin non-magnetic intermediate layer, wherein an exchange coupling acts between the ferromagnetic layers for aligning the magnetization in the ferromagnetic layers.
  • an artificial antiferromagnet comprises a series of at least two thin layers of magnetic and nonmagnetic conductive material, eg, Co and Cu, whose thin magnetic layers are alternately magnetized and thus do not produce a resultant external magnetic field.
  • a layer structure can be pinned even at these low field strengths at temperatures above the blocking temperature.
  • the structuring element 18 can be deposited by a plating process and is usually between 1 ⁇ and 20 ⁇ high.
  • a NiFe structure for example made of NiFe 8020, is used for this purpose.
  • the resistance element 14 to be pinned is closely adjacent to the boundary edge 20 of the structuring element 18. Regions of about 5 ⁇ m can be pinned, wherein the areas to be pinned can be partially covered by the structuring element 18.
  • Opposite pinned resistor elements 14 can be very close to each other. In this case, the resistance elements 14 have identical material properties, such as, for example, barrier resistance and TMR effects.
  • parallel Wheatstone bridge branches can be constructed identically with different pinning directions to achieve an optimized offset value.
  • the insulating layer can be made, for example, of SiN or Al 2 O 3 with a layer thickness of 30 nm to 5,000 nm exist.
  • the soft-magnetic structuring elements 18 can be constructed by means of an electro-galvanic method. By means of a patterning process, the structuring elements 18 can be shaped and exposed to a perpendicular pretreatment magnetic field to perform pinching. After removal of the soft-magnetic structuring element 14, the insulating layer 76 can be selectively opened in order to be able to electrically contact the resistance elements 14.
  • a pinning can be performed by means of the proposed magnetic field pretreatment device 50 by means of a magnetic field 38 oriented perpendicular to the chip surface 36.
  • a magnetic field 38 oriented perpendicular to the chip surface 36.
  • an adjustable air gap 34 By an adjustable air gap 34, the strength of the pretreatment magnetic field can be adjusted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur permanenten Magnetisierung mindestens einer ferromagnetischen Schicht in einer auf einem Chipsubstrat (12) aufgebrachten Magnetfeldsensorvorrichtung (10). Das Verfahren umfasst die Schritte: - Herstellung mindestens eines Widerstandselementes (14) auf einem Chipsubstrat (12), - Aufbringen von mindestens einem weichmagnetischen Strukturierungselement (18) auf dem Chipsubstrat (12); - Erwärmen des Widerstandselementes (14) über die Blocking-Temperatur und Einkoppeln eines Vorbehandlungs-Magnetfeldes (38); - Abkühlen des Widerstandselementes (14) unterhalb der Blocking-Temperatur; - Entfernen des Vorbehandlungs-Magnetfeldes (38). Es wird hierbei vorgeschlagen, dass das weichmagnetische Strukturierungselement (18) so angeordnet ist, dass das eingekoppelte Vorbehandlungs-Magnetfeld (38) das Strukturierungselement (18) im Wesentlichen senkrecht zur Chipoberfläche (36) durchdringt und am Ort des Widerstandselementes (14) Magnetfeldkomponenten parallel zur Chipoberfläche erzeugt, die zumindest bereichsweise die ferromagnetische Schicht des Widerstandselementes (14) durchdringen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Magnetfeldsensorvorrichtung sowie diesbezügliche Magnetfeldsensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Magnetfeldsensorvorrichtung sowie eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Magnetfeldsensorvorrichtung. Insbesondere zielt die Erfindung auf eine permanente Magnetisierung mindestens einer ferromagnetischen Schicht in einer auf einem Chipsubstrat aufgebrachten Magnetfeldsensorvorrichtung, insbesondere ein gleichzeitiges Magnetisieren einer Mehrzahl von be- nachbarten ferromagnetischen Schichten in zwei oder mehreren Richtungen, um somit Magnetfeldsensorvorrichtungen hoher Empfindlichkeit und verbesserter Qualität bereitzustellen.
STAND DER TECHNIK
Magnetoresistive Sensorvorrichtungen dienen der widerstandsbasierten Mes- sung von Magnetfeldern und somit für eine indirekte Erfassung von weiteren physikalischen Größen wie beispielsweise Weg, Winkel oder Stromstärke. Eine derartige Sensorvorrichtung beruht auf einem magnetoresistiven Effekt, bei welchem eine Änderung des elektrischen Widerstands einer Chipstruktur durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds hervorgerufen wird. In jüngster Zeit werden vermehrt Magnetfeldsensorvorrichtungen eingesetzt, die auf einem Riesen- magnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt) oder einem Tunnelmagnetoeffekt (TMR-Effekt) beruhen. Diese umfassen einen Dünnschichtaufbau von nichtmagnetischen und magnetischen Materialien, bei welchen eine magnetische Kopplung bzw. ein Spin-Effekt durch die Schichten hindurch einen Einfluss auf den elektrischen Widerstand hat. Bei GMR- und TMR-basierten magnetoresistiven Schichtsystemen kann eine Veränderung von bis zu 5 % (GMR) bzw. bis zu 600 % (TMR) des elektrischen Widerstandes auf Basis eines externen Magnetfelds erreicht werden. Für die Herstellung von TMR-Sensoren wird ein Schichtaufbau von mindestens zwei ferromagnetischen und einer Isolatorschicht, die eine Tunnelbarriere darstellt, ausgebildet, so dass Elektronen zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten durch die Isolatorschicht tunneln können. Im Falle eines TMR-Sensors ist die Isolatorschicht beispielsweise Al203 oder MgO, im Falle eines GMR-Sensors wird oft eine dünne leitfähige Schicht, z.B. Cu oder Ru verwendet. Der elektrische Widerstand des Tunnelelements hängt davon ab, wie die beiden ferromagnetischen Schichten zueinander magnetisiert sind. Sind die beiden ferromagnetischen Schichten parallel zueinander magnetisiert, ist der Widerstand minimal. Sind sie antiparallel zueinander magnetisiert, ist der Widerstand maximal. In der Praxis wird häufig die Magnetisierungsrich- tung einer der beiden ferromagnetischen Schichten fixiert (gepinnt), so dass die Magnetisierung dieser Schicht nicht oder nur schwach auf äußere Felder reagiert. Diese Schicht wird Referenzschicht genannt, oder auch gepinnte Schicht bzw. permanent magnetisierte Schicht. Die andere Schicht wird dagegen so gestaltet, dass ihre Magnetisierung in definierter Weise dem äußeren Feld folgt. Diese Schicht wird Detektionsschicht oder freie Schicht genannt. Durch die Aufteilung in eine Referenzschicht und eine Detektionsschicht, die unterschiedlich auf äußere Felder reagieren, gelingt es, Widerstandsänderungen bei Veränderung von äußeren Feldern zu erhalten und eine sensorische Vorrichtung zu realisieren. Die Widerstandsabhängigkeit korreliert mit dem Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der Detektionsschicht, die auch als „Freelayer" bezeichnet wird und der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht, des sogenannten„pinned layers".
Zur Herstellung derartiger Strukturen werden Dünnschichttechnologien eingesetzt. Im Rahmen des Herstellverfahrens kann die Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht permanent eingestellt werden, was häufig als Pinning bezeichnet wird. Zum Pinnen der ferromagnetischen Schichten, die auch als Referenzschichten bezeichnet werden, wird in der Regel die ferromagnetische Schicht an eine antiferromagnetische Nachbarschicht gekoppelt. Zum Einstellen der Magnetisierungsrichtung wird das Widerstandselement über die sogenannte Blocking-Temperatur erhitzt, bei der die Austauschkopplung zwischen der anti- ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Schicht verschwindet, wobei in der Regel diese Temperatur niedriger als die Curie-Temperatur der ferromagnetischen Schichten ist. Nach Erwärmen oberhalb der Blocking- Temperatur und unterhalb der Curie-Temperatur werden die ferromagnetischen Schichten einem externen Magnetfeld ausgesetzt, welches diese in eine definierte Magnetisierungsrichtung zwingt. Diese Magnetisierungsrichtung bleibt erhalten, wenn bei angelegtem Magnetfeld die antiferromagnetische Schicht wieder abkühlt und die Blocking-Temperatur wieder unterschritten wird.
Es ist höchst wünschenswert, auf einem Chipsubstrat verschiedene Pinning- Richtungen individuell und unabhängig voneinander einstellen zu können, so dass mehr als eine einzelne Pinning-Richtung vorgebbar ist. Insbesondere in der Sensorik sind Wheatstone-Brücken sehr nützlich. Hierbei ist es ideal, wenn die vier Äste der Wheatstone-Brücken identisch geformt sind und sich nur in den Pinningrichtungen unterscheiden. Aus dem Stand der Technik ist zur Herstellung von Pinning-Strukturen für die Bereitstellung von magnetoresistiven Sensoren bereits eine Vielzahl von unterschiedlichen Lösungen bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2012 208 882 das Anlegen eines Magnetfelds planar zu einer Chipsubstratoberfläche, um eine homogene Pinning-Richtung auf dem gesamten Chip- Substrat bereitstellen zu können. In ähnlicher Weise wird in der DE 1 1 2009 001 140 bei Temperaturen zwischen 200 °C bis 350 °C ein externes Magnetfeld parallel zur Chipoberfläche aufgebracht, um die ferromagnetischen Schichten voreinzustellen. In der US 6 501 678 B1 wird beispielsweise eine Art Magnetfeldstempel vorgeschlagen, um komplexe Magnetfeldorientie- rungen innerhalb des Chipsubstrats bereitstellen zu können.
Alternativ hierzu gibt es Herstellverfahren, in denen Stromleiter auf der Chipsubstratoberfläche vorgesehen sind oder kurzfristig auf sie aufgebracht werden, um mithilfe eines Stromflusses diverse lokale Magnetfelder erzeugen zu können, um eine Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten erreichen zu können. So beschreibt beispielsweise die WO 96/38738 die Einprägung eines Pinning-Stroms mithilfe eines Stromleiters, um eine Magnetisierung einzelner Schichtstreifen zu bewirken. Auch die DE 195 20 206 schlägt eine Leiterschicht zur Führung eines Einstellstroms vor, um eine Pinning-Richtung vorgeben zu können. Schließlich schlagen auch die US 5 561 368 und die DE 1 1 2010 003 705 komplexe Stromführungselemente vor, um verschiedene Pinning-Richtungen auf einem Chipsubstrat einprägen zu können. Auch wird ein lokales Erhitzen mittels eines Lasers unter Einprägung einer Magnetisierungsrichtung durch eine Leiterbahn in der DE 195 20 206 diskutiert, um kom- plexe Pinning-Muster in eine Magnetfeldsensorvorrichtung bereitstellen zu können.
In der US 2002 0180 433 A1 ist ein Verfahren zum Pinnen von GMR- oder TMR-basierten Widerstandselemente beschrieben, bei dem zunächst jeweils ein weichmagnetisches Strukturierungselemente als Flusskonzentrationsele- ment in der Nähe eines Widerstandselements angeordnet wird, und parallel zu der Chipoberfläche ein Pinning-Magnetfeld eingekoppelt wird, so dass alle mit einem weichmagnetischen Strukturierungselement belegten Widerstandselemente in eine identische Magnetfeldrichtung gepinnt werden.
Aus der US 8 715 776 B2 geht ein gattungsgemäßes Pinningverfahren hervor, wobei Widerstandselemente durch eine Isolationsschicht getrennt von einer hartmagnetischen Schicht entweder überdeckt oder berandet wird, um alternierende ein Pinnen in einer Magnetisierungsrichtung in entgegengesetzter Polarisierung zu erreichen. Das Vorbehandlungs-Magnetfeld wird wiederum parallel zur Chipsubstratfläche eingekoppelt. Die JP 2010 066 262 A und die parallele DE 10 2008 041859 A betrifft eine Magnetfeldsensorordnung zur Messung einer senkrecht auf einer Chipsubstratfläche stehenden Mess-Magnetfeldkomponente, wobei ein Flusskonzentrati- onselement vorgesehen ist, dass beim Einkoppeln der senkrechten Magnetfeldkomponente zueinander antiparallele, in der Chipsubstratfläche liegende Magnetfeldkomponenten erzeugt, die durch magnetoresistive Widerstandselemente detektierbar sind.
In der US 2006 0226 940 wird ein Pinningverfahren für GMR- Widerstandselemente beschrieben, bei der ein Chipsubstrat mit seiner Chip- Substratoberfläche parallel zu einer Magnetfeldachse einer supraleitenden Stromspule in das Zentrum der Spule eingebracht wird, um eine zur Substratoberfläche parallele Pinningachse des Stromspulen-Vorbehandlungsmagnetfelds zu definieren.
Durch die US 201 1 0151 589 A1 ist ein Pinningverfahren von Widerstandsele- menten in zwei orthogonalen Richtungen offenbart, wobei rechteckförmige Widerstandselemente mit einem vordefinierten Längen-Breitenverhältnis in orthogonalen Reihen auf einem Chipsubstrat angeordnet sind, und ein parallel zum Chipsubstrat ausgerichtetes Vorbehandlungsmagnetfeld in einem Pinningwinkel 45° zu den orthogonalen Achsen eingekoppelt wird, um die orthogonalen Widerstandselemente-Reihen in orthogonalen Richtungen zu pinnen.
Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum lokalen Pinnen von Schichtstreifen von magnetoresistiven Widerstandsstrukturen weisen den Nachteil auf, dass bei Anlegen eines externen Magnetfelds parallel zur Chipsubstratoberfläche alle Widerstandselemente in die gleiche Richtung gepinnt werden, oder zum Vorsehen von verschiedenen Richtungen sehr komplexe Leitungsstrukturen aufgebracht werden müssen, um durch einen Pinning- Einstellstrom eine Magnetisierung zu erreichen. Werden Pinning- Leiterstrukturen vorgesehen, so muss eine elektrische Kontaktierung während des Herstellverfahrens gegeben sein, so dass zusätzliche Prozessschritte und damit hohe Kosten für die Herstellung solcher Sensoren aufgewendet werden müssen.
Somit leiden die vorbekannten Herstellverfahren darunter, dass nur mit hohem Aufwand ein relativ großflächiges homogenes und unidirektionales Pinning er- folgen kann, so dass die resultierenden Sensoren eine geringe Auflösungsgenauigkeit, hohe Herstellkosten bzw. hohen Herstellaufwand aufweisen.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ergibt sich somit das Problem, magnetoresistive Sensorelemente höherer Qualität und Miniaturisie- rung kostengünstig herzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Referenzschichten unterschiedliche Pinning-Magnetisierungsrichtungen aufweisen, die einfach herzustellen sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein präzises und hochintegriertes Sensorelement bereitzustellen, das beispielsweise auf einem einzelnen Chipsubstrat Magnetfelder in 2D oder 3D- Richtungen messen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Herstellverfahren und eine Herstellvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Hiermit kann eine magnetoresistive Sensorvorrichtung nach einem weiteren unabhängigen Hauptanspruch hergestellt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Unter- ansprüchen beschrieben.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer magnetoresistiven Sensorvorrichtung vorgeschlagen, bei dem zum Pinnen, d.h. permanenten Magnetisieren mindestens einer ferromagnetischen Schicht in einer auf einem Chipsubstrat aufgebrachten Magnetfeldsensorvorrichtung folgende Schritte durchgeführt werden:
- Herstellung mindestens eines magnetoresistiven Widerstandselements auf einem Chipsubstrat, welches mindestens eine ferromagnetische Schicht und mindestens eine antiferromagnetische Schicht umfasst, wobei zwischen fer- romagnetischer und antiferromagnetischer Schicht eine Austauschkopplung wirkt, welche bei Erreichen der Blocking-Temperatur verschwindet; - Aufbringen von mindestens einem weichmagnetischen Strukturierungsele- ment auf dem Chipsubstrat benachbart oder teilweise überlappend zu dem Widerstandselement;
- Erwärmen des Widerstandselements über die Blocking-Temperatur des Ma- terials der antiferromagnetischen Schicht und Einkoppeln eines Vorbehandlungs-Magnetfeldes;
- Abkühlen des Widerstandselementes unterhalb der Blocking-Temperatur;
- Entfernen des Vorbehandlungs-Magnetfeldes.
In einem ersten Schritt wird auf einem Chipsubstrat mindestens ein, insbeson- dere eine Vielzahl von magnetoresistiven Widerstandselementen aufgebracht, vorzugsweise GMR- oder TMR-Widerstandselemente, die eine freie Schicht und eine Referenzschicht aufweisen, wobei die Referenzschicht aus mindestens einer ferromagnetischen Schicht besteht, die durch direkte Austauschkopplung an eine benachbarte antiferromagnetische Schicht gekoppelt ist. Zu- sätzlich wird mindestens ein weichmagnetisches Strukturierungselement, beispielsweise eine lithographisch strukturierte Nickel-Eisen-Legierung, aufgebracht, die benachbart oder teilweise überlappend zu den Widerstandselementen auf der Chipsubstratoberfläche aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise durch elektrogalvanisches Abscheiden, durch Sputtern, durch ein Dampfab- scheideverfahren oder ähnlichen aus der Chipstrukturierung bekannten Maßnahmen auf dem Chipsubstrat erfolgen. Zum Ausrichten der ferromagnetischen Schichten wird eine Temperatur höher als die Blocking-Temperatur angelegt, so dass die Austauschwechselwirkung zwischen der ferromagnetischen Schicht und der antiferromagnetischen Schicht verschwindet. Die ferromagnetische Schicht ist nun nicht mehr durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht gepinnt und verhält sich ähnlich wie die freie Schicht. Anschließend erfolgt ein Einkoppeln eines externen Magnetfeldes, das im Folgenden Vorbehandlungs- Magnetfeld genannt wird, wobei die Feldlinien des Vorbehandlungs- Magnetfeldes durch das weichmagnetische Strukturierungselement so geführt werden, dass diese an geeigneter Stelle in das Widerstandselement austreten und dort eine auf Basis der geometrischen Struktur des Strukturierungselements einstellbare Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten bewirken. Das Vorbehandlungs-Magnetfeld wird erfindungsgemäß senkrecht zur Chipsubstratoberfläche in das Strukturierungselement eingekoppelt. Es können auch Winkel bis zu 45° zur Normalen der Chipsubstratoberfläche für die maximale Komponente des Vorbehandlungs-Magnetfelds angenommen werden. Hiernach erfolgen ein Abkühlen des Widerstandselements unterhalb der Blo- cking-Temperatur und ein Entfernen des Vorbehandlungs-Magnetfelds, so dass die Magnetisierung fixiert wird, wodurch ein Pinnen der ferromagnetischen Schicht abgeschlossen ist.
Anschließend kann optional vor einer Fertigstellung des Pinningvorgangs die weichmagnetische Strukturierung des Elements vom Chipsubstrat entfernt wer- den, beispielsweise durch ein Ätzen, Sputtern oder ähnliche selektiv materialabtragende Verfahren. Allerdings kann das bzw. können die Strukturierungsele- mente auch auf dem Chipsubstrat verbleiben, um beispielsweise als Leiterelement, Flussführungselement oder ähnliches verwendet zu werden.
Je nach Berandungsform des weichmagnetischen Strukturierungselements können beliebige Ausrichtungen eines Pinning-Magnetfelds durch die Streufelder des Strukturierungselements erreicht werden, um die einzelnen ferromagnetischen Schichten in individuelle Richtungen pinnen zu können. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, beliebige Pinningrichtungen einzustellen. Das Sensorelement als Ganzes kann einem möglichst homogenen externen Magnetfeld (= Vorbehandlungs-Magnetfeld) zum Pinnen ausgesetzt werden, wobei aufgrund der Pole bzw. Berandungskanten des Strukturierungselements individuelle lokale Magnetisierungsrichtungen einstellbar sind. Das Strukturierungselement kann nach dem Einprägen des Pinning-Magnetfelds wieder entfernt werden und kann bevorzugt aus Nickeleisen bestehen. Zwischen den Widerstand- selementen und dem Strukturierungselement kann eine Isolierschicht beispielsweise SiN mit einer relativ geringen Dicke von 30 nm bis 5 μηι vorgesehen sein.
Aufgrund des lithographischen Herstellverfahrens kann das Strukturierungs- element eine beliebige Ausdehnungsfläche und eine beliebige Strukturierung der Berandungsfläche, aus der das Pinning-Streumagnetfeld austritt, aufweisen. Somit können in einem einzelnen Prozessschritt unterschiedliche Pinning- Richtungen einer Wheatstone-Messbrückenstruktur vorgegeben werden. Hierdurch ist es möglich, Widerstandselemente der Wheatstone-Messbrücke bei- spielsweise interdigital miteinander räumlich benachbart aufzubauen, so dass sich Materialinhomogenitäten auf der Chipstruktur aufgrund der räumlich nahen Anordnung sich korrespondierender Widerstandselemente einer Messstruktur ausgleichen. Hierdurch werden temperaturabhängige Fehler oder Materialfehler praktisch kompensiert und eine erhöhte Genauigkeit ermöglicht. Ein einziges Strukturierungselement kann derart gestaltet sein, dass es zwei oder mehrere TMR- oder GMR-Widerstandselemente gleichzeitig pinnen kann.
Erfindungsgemäß wird das weichmagnetische Strukturierungselement so angeordnet, dass das Vorbehandlungs-Magnetfeld in das Strukturierungselement senkrecht zur Chipoberfläche eingekoppelt wird und am Ort des Widerstandse- lements auch Magnetfeldkomponenten parallel zur Chipoberfläche erzeugt, die zumindest bereichsweise die ferromagnetische Schicht des Widerstandselements durchdringen. So kann das Vorbehandlungs-Magnetfeld ein homogenes Magnetfeld sein, das senkrecht auf die Chipsubstratoberfläche auftrifft, und das durch die Magnetfeldführungseigenschaft und die geometrische Gestaltung des Strukturierungselements in Form eines Streufelds auch parallel zur Chipoberfläche an Berandungskanten austritt und ein Pinning der benachbarten Widerstandselemente vornimmt. Hierdurch können beliebige Pinning-Richtungen im Widerstandselement vorgesehen sein, wodurch ein einzelnes Strukturierungselement mehrere Widerstandselemente gleichzeitig pinnen kann. In einer vorteilhaften Weiterbildung können dem weichmagnetischen Strukturie- rungselement zwei oder mehrere Widerstandselemente zugeordnet sein, um eine Magnetisierung der zumindest einen ferromagnetischen Schicht der Widerstandselemente in die gleiche, parallel zur Chipsubstratoberfläche liegende Richtung vorzunehmen. Alternativ dazu können dem weichmagnetischen Struk- turierungselement zwei oder mehrere Widerstandselemente zugeordnet sein, um eine Magnetisierung der zumindest einen ferromagnetischen Schicht des Widerstandselements in entgegengesetzten, parallel zur Chipsubstratoberfläche liegenden Richtungen vorzunehmen. Somit kann ein Strukturierungsele- ment zwei oder mehreren Widerstandselementen gleichzeitig zugeordnet sein, wobei durch Ausbildung von Magnetpolen des Strukturierungselements ein Pinning in gleicher Richtung oder in verschiedenen, insbesondere antiparallelen Richtungen ermöglicht wird. So können zwei, sich gegenüberliegende Pole des Strukturierungselements einen 180° Austritt von Streumagnetfeldlinien bewir- ken, so dass ein Pinnen zweier Widerstandselemente, die beispielsweise einer unteren oder oberen Halbbrücke einer Wheatstone-Messbrücke zugeordnet sind, gleichzeitig ermöglicht wird. Da die entgegengesetzt gepinnten Widerstandselemente räumlich benachbart sind, bewirkt ein Temperaturdrift oder ein Materialfehler im Chipsubstrat identische Widerstandsänderungen, so dass die- se sich in der Messbrücke kompensieren, wodurch der Brückenoffset minimiert wird. Eine Offset-Minimierung bewirkt eine erhöhte Genauigkeit der Magnet- feldsensormessbrücke. Insbesondere bei TMR-Widerstandselementen ist die Homogenität der Tunnelbarriere eine Schwachstelle bei den Herstellungsverfahren. Da die Schichtdicke der Tunnelbarriere exponentiell in den Widerstand des Tunnelelements eingeht, bewirken winzige Änderungen der Schichtdicke innerhalb einer Wheatstone-Brücke vergleichsweise große Offsetwerte der Brücke. Um diese Offset-Problematik zu minimieren, ist es vorteilhaft, die beiden Brückenäste räumlich so dicht wie möglich anzuordnen, da aufgrund der räumlichen Nähe, die Variationen der Barrierendicke am geringsten sind und die Brückenäste möglichst gleichartige Struktureigenschaften aufweisen. Somit können vorteilhafterweise die eingestellte Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichten der Widerstandselemente parallel oder antiparallel zueinander stehen, abhängig von dem Verlauf der Kontur des Strukturie- rungselements und der räumlichen Lage der Widerstandselemente gegenüber dem Strukturierungselement.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die zumindest zwei oder mehrere Widerstandselemente zur Ausbildung einer Wheatstone-Messbrücke, bevorzugt zur Ausbildung zumindest eines oberen oder unteren Brückenzweigs einer Wheatstone-Messbrücke, genutzt werden. Hierzu bietet es sich an, insbesonde- re ein Strukturierungselement zum Pinning des oberen und ein Strukturierungselement zum Pinning des unteren Brückenzweigs einzusetzen, oder ein gemeinsames Strukturierungselement mit verschieden ausgeformten Polen zum gleichzeitigen Pinnen der Widerstandselemente des oberen und des unteren Brückenzweigs vorzusehen. Bevorzugt sind die Widerstandselemente, die den oberen Brückenzweig bilden, und die Widerstandselemente, die den unteren Brückenzweig bilden, auf dem Chipsubstrat räumlich benachbart angeordnet.
Vorteilhafterweise sind die Widerstandselemente derart eingerichtet, dass sie ein GMR-Schichtsystem bilden. Ein GMR-Schichtsystem (Giant- Magnetoresistance-Schichtsystem) bedeutet eine Struktur, die aus mindestens zwei ferromagnetischen Schichten bestehen, welche durch eine nichtmagnetische Metallschicht getrennt sind. Zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten wirkt eine indirekte Austauschkopplung, die sogenannte RKKY Wechselwirkung. Der Widerstand des GMR-Widerstandselementes hängt von dem Winkel ab, in dem die Magnetiserungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten zueinander stehen.
Alternativ kann die Magnetfeldsensorvorrichtung auch Widerstandselemente umfassen, die ein Tunnelwiderstandsschichtsystem (TMR-Schichtsystem) bilden. Ein TMR-System beruht darauf, dass zwischen zwei ferromagnetischen Schichten ein dünner Isolator mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 3 nm vorhan- den ist, so dass die Elektronen zwischen den ferromagnetischen Schichten tun- neln können. Das vorgeschlagene Herstellverfahren kann somit besonders einfach und günstig für die Herstellung von GMR- oder TMR-Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Hierdurch können Magnetfeldsensorvorrichtungen für eine Kompassanwendung oder für einen Wegstreckenmesser, Winkelmesser oder dergleichen hergestellt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest eine Berandungskante des weichmagnetischen Strukturierungselements im Wesentlichen parallel oder tangential zu einer Berandungskante eines Widerstandselements verlaufen, wobei das Widerstandselement bereichsweise vom weichmagnetischen Struk- turierungselement überdeckt oder von ihm eingefasst ist, und wobei die Überdeckung ein Maß von 5 μηι oder weniger aufweist. Es wird somit vorgeschlagen, zumindest eine Berandungskante des weichmagnetischen Strukturierungselements parallel oder tangential zu einer Kontur des Widerstandsele- ments vorzusehen, so dass Magnetfelder, die durch das Strukturierungsele- ment geführt und an den Berandungskanten austreten, unmittelbar im Widerstandselement eintreten und somit eine hohe Pinning-Wirkung der ferromagnetischen Schicht bewirken können. Hierdurch kann eine Kopplung des Pinning- Magnetfelds vom Strukturierungselement in das Widerstandselement verbes- sert und ein zuverlässiges Ausrichten der ferromagnetischen Layer erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Vorbehandlungs-Magnetfeld das Chipsubstrat im Wesentlichen senkrecht zur Chipsubstratoberfläche durchdringen, wobei im Bereich der Berandungskante eines weichmagnetischen Struktu- rierungselements magnetische Streufelder im wesentlichen parallel zur Chipsubstratoberfläche ausgerichtet sind, oder eine ausreichend starke Komponente parallel zur Chipsubstratoberfläche aufweisen. Die Magnetfeldlinien können somit auch bis zu einem 45° Winkel zur Chipsubstratoberfläche gerichtet sein. Es wird vorgeschlagen, dass das Vorbehandlung-Magnetfeld senkrecht über die Strukturierungselemente auf das Chipsubstrat ausgerichtet sein kann, wobei im Bereich der Berandungskanten magnetische Streufelder parallel zum Chipsubstrat streuen, und wobei unterhalb des Chipsubstrats der magnetische Gegenpol angeordnet ist, so dass die Streufelder nur eine lokal begrenzte Wirkung haben, und durch das Chipsubstrat hindurch auf den Gegenpol der Magnetfeld- Erzeugungseinrichtung geführt werden. Somit können viele verschieden ausgerichtete Streufelder durch das Strukturierungselement eng benachbart zueinander hervorgerufen werden, um unterschiedliche Pinning-Richtungen in hoher Dichte auf dem Chip vorsehen zu können. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann das weichmagnetische Strukturierungselement dahin gehend geformt sein, dass die Flussdichte der austretenden magnetischen Streufelder vorzugsweise durch ausgeprägte Polschuhe o- der Flussführungsausnehmungen im Strukturierungselement geführt und verstärkt wird. Es wird vorgeschlagen, das Strukturierungselement entlang der Be- randungskanten, aber auch an der der Chipsubstratoberfläche zugewandten Fläche derart auszuformen, dass ausgeprägte Polschuhe gebildet werden bzw. Flussführungsausnehmungen, wie Kanten, Stufen oder Abrundungen vorgesehen sind, um die Magnetfelder innerhalb des weichmagnetischen Strukturie- rungselements gezielt zu führen und zu bündeln, um einen hohen Streufeldaus- tritt an den gewünschten Berandungskanten ermöglichen zu können. Hierdurch werden relativ hohe Pinning-Magnetfeldstärken an den Berandungskanten ermöglicht und ein zuverlässiges Pinnen mit hoher und gleichbleibender Qualität erreicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Widerstandselemente von dem weichmagnetischen Strukturierungselement durch eine Isolationsschicht, insbesondere durch eine Schicht von SiN oder Al203 mit einer Dicke von 30 nm bis 5 μηι isoliert sein. Durch eine Isolationszwischenschicht zwischen Chipsubstrat, insbesondere Widerstandselementen und dem Strukturierungselement, ist das Aufbringen des Strukturierungselements vereinfacht und insbesondere das Ab- lösen des Strukturierungselements nach erfolgtem Pinning ohne Beschädigung der Widerstandselemente oder des Chipsubstrats einfach möglich. Hierdurch werden Verunreinigungen und Beschädigungen auf dem Chipsubstrat vermieden. Eine Schicht von SiN oder Al203 lässt sich mit einer relativ geringen Dicke von 30 nm bis 5 μηπ, maximal bis zu 10 μηι leicht aufbringen, und schützt den Magnetfeldsensorchip vor und während dem Aufbringen und beim Entfernen des weichmagnetischen Strukturierungselements.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das weichmagnetische Strukturierungselement durch Ablagern oder Aufbau einer Schicht weichmagnetischen Materials auf dem Chipsubstrat, insbesondere NiFe mit einer Schichtdicke von 1000 nm bis 20 μηπ, bevorzugt durch ein elektrogalvanisches oder ein Gasabscheideverfahren und einem lithographischen Strukturierungsverfahren zur Strukturierung einzelner weichmagnetischer Strukturierungskörper hergestellt werden. In der Galvanik wird in der Regel zunächst ein Seedlayer aufgebracht, auf dem eine Photostruktur aufgebracht wird. Hiernach werden durch eine Gal- vanisierungsschicht die Strukturierungskörper abgelagert, und hiernach der Seedlayer wieder entfernt. Es wird vorgeschlagen, das Strukturierungselement durch Abscheiden von NiFe mit einer Schichtdicke von 1000 nm bis 20 μηι abzulagern, insbesondere mittels eines lithographischen Strukturierungsverfah- rens und einer elektrogalvanischen Abscheidung oder einer Gasabscheidung abzulagern. Dabei kann nach einem großflächigen Abscheiden eine lithographische Strukturierung vorgenommen werden, um einzelne Strukturierungskörper auszubilden, und beispielsweise definierte Polschuhe oder Ähnliches und einen gewünschten Verlauf der Berandungskontur des Strukturierungselements aus- zubilden. Hiermit können bewährte Techniken zum Aufbringen der Strukturie- rungselemente eingesetzt werden, die ohne höhere Kosten und ohne großen Zeitaufwand in einem bereits existierenden Herstellverfahren mühelos integriert werden können. Vorteilhafterweise können nach Fertigstellung des Pinningvorgangs das oder die weichmagnetischen Strukturierungselemente vom Chipsubstrat entfernt werden. Die Strukturierungselemente dienen dann nur als Herstell- und Opferschicht, die nachträglich nach dem Einkoppeln des Pinning-Magnetfelds wieder rückstandsfrei entfernt werden kann. Somit sind der Sensorstruktur keine Grenzen gesetzt und das Design und die Form der Magnetfeldsensorstrukturen können unabhängig von einer Form der Einkopplungs-Strukturierungselemente gewählt werden. Die Form der Strukturierungselemente kann somit optimal für den Einkoppelprozess des Pinningmagnetfelds gewählt werden, ohne Kom- promisse bezüglich einer weiteren Verwendung der Strukturierungselemente machen zu müssen.
In einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung eine Magnetfeld- Vorbehandlungsvorrichtung zur magnetischen Vorbehandlung von auf einem Chipsubstrat aufgebrachten Widerstandselementen einer Magnetfeldsensorvor- richtung. Die Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung umfasst einen Heizofen und eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung mit einem Pol und einer Gegenpoloberfläche im Inneren des Heizofens, wobei mindestens ein Chipsubstrat von mindestens einem weichmagnetischen Strukturierungselement zwischen Pol- und Gegenpoloberfläche einlegbar ist, um eine magnetische Vorbehand- lung, insbesondere Pinning von auf dem Chipsubstrat angeordneten Widerstandselementen durch ein senkrecht auf die Chipsubstratoberfläche ausgerichtetes Vorbehandlungs-Magnetfeld zu erreichen. Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von Chipsubstraten bzw. Wafern gleichzeitig gepinnt. Der Heizofen ist dazu geeignet, eine Temperatur jenseits der Blocking-Temperatur, aber unter- halb der Curie-Temperatur, der einzelnen Schichtstreifen der Widerstandselemente einzustellen, und ein Pinning durch Aufprägen eines externen Vorbehandlungs-Magnetfelds zu erreichen. Nach dem Aufbringen der Widerstandselemente auf der Chipsubstratoberfläche erfolgt ein Erhitzen und Pinnen innerhalb der Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung. Das Vorbehandlungs- Magnetfeld kann während des gesamten Erwärmungs- und Abkühlprozesses anliegen, oder kann selektiv bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur zu- und bei Unterschreiten einer weiteren vorbestimmten Temperatur abgeschaltet werden. Alternativ kann das Chipsubstrat bzw. der zu pinnende Wafer aus der Magnetfeldvorrichtung herausgenommen werden, um das externe Pinning- Magnetfeld zu entfernen. Hiernach erfolgt evtl. ein Ablösen der Strukturierungs- elemente, und in weiteren Prozessschritten wird die Fertigstellung der Magnetfeldsensorvorrichtung durchgeführt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung einen Permanentmagneten umfassen, der im Heizofen angeordnet ist, wobei eine Stärke des Vorbehandlungs-Magnetfelds über einen einstellbaren Luftspalt zwischen Permanentmagnet und Pol- und Gegenpoloberfläche mittels einer Luftspalt-Einstelleinrichtung einstellbar ist. Wird das Vorbehandlungs- Magnetfeld durch einen Permanentmagneten bereitgestellt, so kann in einem beliebigen Heizofen eine derartige Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung einge- setzt werden, ohne eine zusätzliche Stromversorgung bereitstellen zu müssen. Die Stärke des Magnetfelds kann in diesem Fall durch die Einstellung eines Luftspalts mithilfe einer Luftspalt-Einstelleinrichtung vorgenommen werden, um die Stärke des Vorbehandlungs-Magnetfeldes einzustellen. Das Magnetfeld liegt während des Aufheiz- und Abkühlprozesses permanent an und kann bei- spielsweise in der Stärke durch Verändern eines Luftspalts variiert werden. Zwischen der Pol- und der Gegenpoloberfläche wird das vorgefertigte Chipsubstrat mit weichmagnetischen Strukturierungselementen eingesetzt, wobei der Heizofen auf eine Temperatur über der Blocking-Temperatur der antiferromag- netischen Schichten erhitzt wird, und unterhalb der Curie-Temperatur der fer- romagnetischen Schichten bleibt, so dass ein zuverlässiges Pinnen der Magnetfeldsensorvorrichtung erreicht werden kann.
Abschließend wird in einem weiteren Nebenaspekt der Erfindung eine Magnetfeldsensorvorrichtung zur Detektion mindestens einer Komponente eines externen Magnetfelds vorgeschlagen, die zumindest ein magnetoresistives Wider- Standselement umfasst. Die Magnetfeldsensorvorrichtung ist nach einem der vorgenannten möglichen Ausführungsformen des Herstellverfahrens hergestellt.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus den vorliegenden Zeichnungsbeschreibun- gen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
Fig. 1a in einer perspektivischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines Herstellschrittes gemäß des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens;
Fig. 1 b ein magnetisches Streufeld zum Pinnen einer Widerstandsstruktur gemäß einem Herstellschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 verschiedene Darstellungen weichmagnetischer Strukturierungs- elemente zur Verwendung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 Chipstruktur mit weichmagnetischen Strukturierungselementen zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
Fig. 4 schematisches Schaltbild sowie Chipstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
Fig. 5 Darstellung eines beispielhaften für das Verfahren vorteilhaften
Schichtaufbaus; Fig. 6 schematisch eine Ausführungsform einer Magnetfeld- Vorbehandlungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 perspektivisch eine Ausführungsform einer magnetischen Vorbehandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 8 in einer Seitendarstellung schematisch ein Pinning-Schritt gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
Fig. 9 Schnittdarstellung eines Strukturierungsaufbaus nach Aufbringen eines weichmagnetischen Strukturierungselements im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
In der Fig. 1 ist eine perspektivische, schematische Darstellung zum Pinnen von Widerstandselementen 14 einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10 dargestellt. Die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 umfasst ein Chipsubstrat 12, auf dem Widerstandselemente 14 angeordnet sind. Die Widerstandselemente 14 bestehen aus einer Vielzahl von einzelnen dünnen ferro- und antiferromagnetischen Schichten, die aufeinandergestapelt sind, und die zu einer Wheatstone- Messbrücke verschaltet werden können. Zur magnetischen Vorausrichtung, dem sogenannten Pinnen der ferromagnetischen Schichten des Widerstandselements 14 wird ein Vorbehandlungs-Magnetfeld Hz 38 eingesetzt, das senk- recht zur Oberfläche 36 des Chipsubstrats 12 ausgerichtet ist. Das Vorbehandlungs-Magnetfeld Hz 38 wird von einem nicht dargestellten Magnetpol ausgesendet, durchdringt das Chipsubstrat 12 und wird von einer Gegenpoloberfläche 58, die unterhalb des Chipsubstrats 12 angeordnet ist, wieder aufgenommen. Das Vorbehandlungs-Magnetfeld Η 38 dringt senkrecht in ein weichmag- netisches Strukturierungselement 18 ein, wobei es rechtwinklig auf der Struktu- rierungsschicht-Oberfläche 44 ausgerichtet ist. Das Strukturierungselement 18 führt das Vorbehandlungs-Magnetfeld 38, so dass es, bedingt durch einen Abstand zum Chipsubstrat und durch eine erhöhte magnetische Leitfähigkeit durch die Widerstandselemente 14, an Berandungskanten 20 parallel zur Chipoberfläche 36 austritt und die Widerstandselemente 14 durchdringt. Ein verbessertes Durchdringen der Widerstandselemente 14 wird insbesondere dadurch erreicht, dass eine Temperatur oberhalb der Blocking-Temperatur der antifer- romagnetischen Schichten des Widerstandselements eingestellt ist, so dass eine verbesserte Flussführung durch die Widerstandselemente 14 erfolgen kann. Die Berandungskanten 20 des Strukturierungselements 18 überlappen die Berandungskanten 22 der Widerstandselemente 14.
Eine entsprechende Magnetfeldschnittdarstellung zeigt die Fig. 1 b, wobei die Magnetflussstreuung an den Berandungskanten 20 und das entsprechende Streumagnetfeld 46 des Strukturierungselements 18 dargestellt ist, das im Ein- fluss der Widerstandselemente 14 liegt. Deutlich zu sehen ist, dass die Berandungskanten 20 des Strukturierungselements 18 die Berandungskanten 22 des Widerstandselements 14 durchdringen. Das Widerstandselement 14 wird so in seiner gesamten Breite von Magnetfeldern durchsetzt, die auch eine Komponente in der Chipebene aufweisen. Letztlich werden die magnetischen Feldlinien durch das Chipsubstrat 12 auf die Gegenpoloberfläche 58 gelenkt, so dass verschiedene Pinning-Magnetfeldrichtungen in Abhängigkeit der Ausrichtung der Berandungskanten 20 der Strukturierungselemente 18 auf dem Chipsub- strat 12 einstellbar sind.
In den Fig. 2a bis 2c sind perspektivisch verschiedene weitere Ausführungsformen von möglichen weichmagnetischen Strukturierungselementen 18 dargestellt. Diese sind z.B. als 8-Eck nach Fig. 2a, als Halbscheibe nach Fig. 2b oder als abgewinkelter Schichtstreifen nach Fig. 2c ausgeführt. Strukturierungsele- mente 18 können eine Vielzahl polygonartig zueinander abgewinkelter oder gebogener Berandungskanten 20 aufweisen. Das Vorbehandlungs-Magnetfeld Hz 38 steht senkrecht auf der Strukturierungsschicht-Oberfläche 44, wobei Streumagnetfelder 46 normal zu der Berandungsoberfläche 20 der Strukturierungselemente 18 im Wesentlichen parallel zur Chipsubstratoberfläche austre- ten. Hierdurch lassen sich beliebige Pinning-Richtungen zur Herstellung einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10 einstellen.
In den Figs. 3 und 4 ist die Herstellung zweier komplexer Wheatstone- Messbrücken zur Messung zweier rechtwinkliger Magnetfeldkomponenten X und Y einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10 dargestellt. In der Fig. 3 ist der Pinning-Schritt einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10 dargestellt, wobei auf einer Chipsubstratoberfläche 36 eines Chipsubstrats 12 eine Vielzahl von Widerstandselementen z.B. TMR-Widerstandselementen 14 angeordnet ist. Teilweise überlappend zu den Berandungskanten 22 der Widerstandselemente 14 sind weichmagnetische Strukturierungselemente 18 aufgebracht, deren Beran- dungskante 20 die Berandungskanten 22 der Widerstandselemente 14 zumindest teilweise überdecken. Durch Aufbringen eines senkrecht zur Chipsubstratoberfläche 36 gerichteten Vorbehandlungs-Magnetfeldes werden, wie mit den kleinen Pfeilen angedeutet, Berandungskanten-Streufelder 46 der Strukturie- rungselemente 18 erzeugt, die ein Pinnen der Widerstandselemente 14 durchführen.
In der Fig. 4a ist ein Schaltbild einer der beiden Wheatstone-Messbrücken der Magnetfeldsensorvorrichtung nach Fig. 3 dargestellt. Die Wheatstone- Messbrücke 24 besteht aus vier einzelnen Brückenwiderständen 26, wobei je- der Brückenwiderstand 26 aus zwei Widerstandselementen 14 besteht, und somit jeder Brückenwiderstand 26 aus jeweils einem Brückenwiderstandselement 26a und 26b, die in Reihe geschaltet sind, zusammengesetzt ist. Die Widerstandselemente 26a und 26b sind in gleicher Richtung gepinnt. Durch Versorgungspins B1 a und B1 b 40 kann ein Strom in die Messbrücke 24 eingeführt werden. Die Brückenwiderstände 26 der oberen Messbrücke 30 der beiden Brückenzweige sind in entgegengesetzter Richtung gepinnt. Das Gleiche gilt für die Brückenwiderstände 26 der unteren Messbrücke 28. Die Brückenwiderstände 26 der oberen Messbrücke 30 und der unteren Messbrücke 28 sind ebenfalls gegensinnig zueinander gepinnt. Durch Anlegen eines externen Magnet- felds werden die entsprechenden Widerstandswerte der Brückenwiderstände der oberen und unteren Messbrücke derart beeinflusst, dass sich eine deutliche Spannungsdifferenz an den Messkontakten B2a, B2b 40 ergibt, durch dessen Widerstandsänderung auf die Größe bzw. Winkel eines externen Magnetfelds zurückgeschlossen werden kann. Wie in Fig. 3 dargestellt, sind zwei Sets von Widerstandselementen 14, die zu den Brückenwiderständen 26 verbunden werden, auf einer Ebene des Chipsubstrats 12 angeordnet, wobei für eine 2D- Messung Widerstandselemente 14 für zwei Messbrücken 24 vorgesehen sind, die um 90° gegeneinander angeordnet sind. Die Fig. 4b zeigt nach Entfernen der weichmagnetischen Strukturierungsele- mente 18 und einer elektrischen Verbindung der einzelnen Widerstandselemente 14 die schaltungstechnische Konfiguration, wie sie in Fig. 4a schematisch dargestellt ist. Es sind zwei Messbrücken 24x und 24y auf einem gemeinsamen Chipsubstrat 12 angeordnet, die über ein einheitliches Vorbehandlungs- Magnetfeld in X- und Y-Richtung gepinnt werden können. Hierzu ist, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Vielzahl von weichmagnetischen Strukturierungselementen 18 vorgesehen, die jeweils zwei benachbarte Widerstandselemente 26a, 26b gegensinnig pinnen können, und die für die beiden Messbrücken 24x, 24y um 90° gegeneinander versetzt sind. Durch einen einheitlichen Pinning-Prozess durch Anordnen von weichmagnetischem Strukturelementmaterial und Einleiten eines homogenen Vorbehandlungs-Magnetfelds kann sehr einfach ein zuverlässiges Pinnen erreicht werden, wobei die zugeordneten Widerstandselemente 14 der Messbrücke 26 räumlich benachbart sind, um Temperaturdrifts oder Inhomogenitäten im Chipsubstrat gegenseitig kompensieren zu können. Hierdurch kön- nen hochpräzise Brückenschaltungen bereitgestellt werden, die nur eine geringe Drift und eine hochsensitive Widerstandsänderung bei Anlegen von zweidimensionalen Magnetfeldern aufnehmen können.
Die dargestellten zwei Wheatstone-Messbrücken für eine 2D- Magnetfeldsensorvorrichtung können für einen Winkelsensors eingesetzt wer- den. Durch das Einkoppeln des Vorbehandlungs-Magnetfelds 38 out-of-plane, d.h. senkrecht zur Chipsubstratoberfläche 36, können komplexe Pinning- Richtungen vorgegeben werden. Die beiden Wheatstone-Messbrücken liefern bei einer 360°-Drehung eines äußeren Magnetfelds in-plane ein sinusförmiges Ausgangssignal. In den beiden Messbrücken 24x und 24y werden durch die unterschiedlichen Pinning-Richtungen um 90° phasenverschobene Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt. Wie in den Figs. 2a - 2c dargestellt, können die Struk- turierungselemente 18 beliebige geometrische Formen aufweisen und müssen nicht zwangsläufig 90° oder 180° zueinander versetzte Pinning-Richtungen be- reitstellen.
In Fig. 5 sind Beispiele für Schichtstapel eines Widerstandselements 14 dargestellt, dessen Schichtaufbau besonders für die erfindungsgemäße Einstellung der Magnetisierungsrichtung der sog. simple-spin-valve- Referenzschicht geeignet ist. Auf eine Startschicht (Seedlayer) 88, .die auch als elektrische Kontaktschicht dienen kann, wird der Pinnedlayer aufgebracht, der lediglich aus einer antiferromagnetischen Schicht (AFM) 86 mit angekoppelter ferromagnetischer Schicht (FM) 82 als Referenzschicht 92 besteht. Darüber befindet sich je nach MR-Technologie entweder eine dünne metallische, unmagnetische Zwischenschicht z.B. Cu (GMR) 84 oder ein dünne Isolierschicht z.B. MgO (TMR) 76. Darüber ist die freie ferromagnetische Schicht (FM) 82 als Detektionsschicht 94 angeordnet, die letztlich von einer Schutzschicht 90 z.B. Ta abgedeckt wird.
Zum Einstellen der Magnetisierungsrichtung wird der Schichtstapel des Widerstandselements 14 über die Blocking-Temperatur erhitzt, bei der die Austauschkopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht 86 und der Referenzschicht 92 verschwindet und der Schichtstapel wird einem externen Vorbehandlungsmagnetfeld ausgesetzt. Durch die (hier nicht gezeigten) Strukturierungselemente 18 werden Magnetfeldkomponenten parallel zu den Schichtebenen erzeugt, welche in der Referenzschicht 92 die gewünschte Magnetisierung einstellen. Nach Abkühlen des Schichtstapels unter die Blocking-Temperatur setzt die Kopplung der Referenzschicht 92 mit der antiferromagnetischen Schicht 86 wieder ein und eine stabile Magnetisierung in der Referenzschicht 92 bleibt auch nach Ausschalten des Vorbehandlungsmagnetfeldes erhalten. Das Pinning dient dazu, die Magnetisierung der Referenzschicht 92 einzustellen.
In der Fig. 6 ist eine Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung 50 dargestellt, die ein Heizofen 52 und eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 66 umfasst. Der Heizofen 52 weist eine Tür 70 auf, die offen- und wiederverschließbar ist, und durch welche die gesamte Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 66 entnommen werden kann. Mittels einer beispielsweise elektrisch betreibbaren Heizungseinrichtung 54 kann das Innere des Heizofens auf eine Temperatur oberhalb der Blocking-Temperatur, bevorzugt oberhalb 200 °C erhitzt werden. Die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 66 umfasst einen Permanentmagneten 68, der über ein Magnetjoch aus einzelnen ferromagnetischen Bauteilen besteht, die zu einer Poloberfläche 56 und einer Gegenpoloberfläche 58 führen. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 68 wird durch ein Eisenjoch 80 geführt und durchdringt den Luftspalt zwischen Poloberfläche 56 und Gegenpoloberfläche 58. Zum Regulieren der Stärke des Vorbehandlungs-Magnetfelds 38 ist eine Luft- spalt-Einstelleinrichtung 60 vorgesehen, durch die ein variabler Luftspalt 34 im Eisenjoch 80 eingestellt werden kann, um somit die Stärke des zwischen Pol- und Gegenpoloberfläche 56, 58 sich einstellenden Vorbehandlungs- Magnetfelds 38 variieren zu können. Zur verbesserten magnetischen Kontaktie- rung einer Magnetfeldsensorvorrichtung auf einem Chipsubstrat 12 mit Wider- Standselementen 14 und weichmagnetischen Strukturierungselementen 18 ist eine Polabstands-Einstelleinrichtung 64 vorgesehen, die für eine zuverlässige Zuführung des Vorbehandlungs-Magnetfelds 38 in die weichmagnetischen Strukturierungselemente 18 dient.
Ein Ausführungsbeispiel einer in Fig. 6 schematisch dargestellten Magnetfeld- Vorbehandlungsvorrichtung 50 ist in Fig. 7 in Verbindung mit einem Heizofen 52 perspektivisch dargestellt. In den Fig. 8a bis 8c sind in Seitendarstellungen schematisch das Einkoppeln des Pinning-Magnetfelds im Rahmen eines Herstellverfahrens einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10 dargestellt. Die Magnet- feldsensorvorrichtung 10 umfasst ein Chipsubstrat 12, in dem Widerstandselemente 14 als TMR-Stapel mit einer Vielzahl dünner ferro- und antiferromagneti- scher Schichten aufgebracht sind. Jedes Widerstandselement 14 umfasst eine Kontaktschicht 88 zur Zuführung elektrischen Stroms, eine antiferromagneti- sche Schicht 86 sowie zwei ferromagnetische Schichten 82, eine unmittelbar an die Schicht 86 angrenzende Referenzschicht 92 und eine Detektionsschicht 94, die durch eine unmagnetische Schicht 84 von der Referenzschicht 92 getrennt ist. Ein Vorbehandlungs-Magnetfeld 38 dringt senkrecht über die Oberfläche 44 in ein Strukturierungselement 18 ein, wobei das Strukturierungselement 18 eine Führung des Magnetflusses 78 bewirkt, so dass ein Streumagnetfeld 46 durch Berandungskanten 20 austritt, das in die Widerstandselemente 14 eindringt und die magnetische Ausrichtung der ferromagnetischen Schichten 82, insbesondere der Referenzschicht 92 bewirkt. Die Oberfläche 44 kann planar, gekrümmt oder andersartig gestaltet sein. Es können bereits untere und obere Kontaktschichten zum elektrischen Kontaktieren der Widerstandsschichten 14 ange- ordnet sein.
In der Fig. 8a ist das Strukturierungselement 18 U-förmig ausgebildet und weist eine Flussführungsausnehmung 74 auf, der der Magnetfluss 78 ausweicht und somit konzentriert geführt wird. Hierdurch wird der Magnetfluss 78 verstärkt zu den Berandungskanten 20 geführt und tritt als Streufluss 46 aus. Der Magnet- fluss 78 ist in den Darstellungen der Fig. 8 nur schematisch und vereinfacht dargestellt, um die grundsätzlich zu erreichende Wirkungsweise darzustellen. Die gezeigten Abmessungen und Flussverläufe dienen lediglich zur Illustration des zugrundeliegenden Prinzips.
In der Fig. 8b ist das Strukturierungselement 18 derart ausgeformt, dass dedi- zierte Polschuhe 72 ausgebildet werden, die ein Führen des Streufelds 46 in die benachbarte Nähe des Widerstandselements 14 bewirken und eine erhöhte Konzentration des Streufelds 46 bewirken, um ein vollständiges Pinnen der ferromagnetischen Schichten 82, insbesondere der Referenzschicht 92 zu errei- chen.
Schließlich ist in der Fig. 8c das Strukturierungselement 18 komplex aufgebaut, weißt eine Flussführungsausnehmung 74 sowie überlappende Polschuhkanten 72 auf, um eine verbesserte Ankopplung der Flussführung 78 in das Innere des Widerstandselements 14 zu erreichen. In der Fig. 9 ist in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens dargestellt. Ein weichmagnetisches Strukturierungselement 18 ist auf einem Chipsubstrat 12 angeordnet, wobei es von Widerstandselementen 14 durch eine Isolationsschicht 76 beabstandet ist. Die Widerstandselemente 14 bestehen aus einem Schichtstapel von ferromagneti- sehen Schichten 82, die als Referenz- und Detektionsschicht 92, 94 dienen, einer unmagnetische Zwischenschicht 84 und einem Antiferromagnet 86, die mit Kontaktschichten 88 kontaktiert sind. Darüber befindet sich die Isolationsschicht 76 über die ein Strukturierungselement 18 aufgebracht ist. Das Strukturierungselement 18 weist eine Flussführungsausnehmung 74 und Polschuhe 72 auf, um eine Führung des resultierenden Pinningmagnetfelds in die Widerstandselemente 14 zu erreichen. Durch Beaufschlagung mit einem senkrecht zur Chipoberfläche 36 gerichteten Magnetfeld werden Streufeldlinien über die Polschuhe 72 des Strukturierungselements 18 in die Widerstandselemente 14 eingeleitet, um die ferromagnetischen Schichten 82, insbesondere die Referenzschicht 92 auszurichten. Nach dem Pinning kann das Strukturierungselement 18 beispielsweise durch Ätzen oder durch ein anderes Abtragungsverfahren wieder entfernt werden und die Herstellung der Magnetsensorvorrichtung 10 abgeschlossen werden.
Das wirksame Pinning-Magnetfeld am Ort der Referenzschicht kann nur eine geringe Stärke von typisch 100 mT oder weniger betragen, was zum Pinnen eines simple-Spin-Valve-Schichtaufbaus jedoch ausreicht. Ein derartiger künstlicher Antiferromagnet im Referenzlayer benötigt zum Pinnen allerdings üblicherweise deutlich höhere Felder und lässt sich nicht durch derartig schwache Felder pinnen. Als künstlicher Antiferromagnet wird ein Schichtaufbau verstanden, bei dem 2 oder mehrere ferromagnetische Schichten durch eine dünne nicht magnetische Zwischenschicht getrennt sind, wobei zwischen den ferro- magnetischen Schichten eine Austauschkopplung zur Ausrichtung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten wirkt. Somit umfasst ein künstlicher Antiferromagnet eine Folge von zumindest zwei dünnen Schichten aus magnetischem und nichtmagnetischem leitenden Material, z.B. Co und Cu, deren dünnen magnetischen Schichten alternierend magnetisiert sind und somit kein resultierendes äußeres Magnetfeld erzeugt. Durch Verwendung eines nicht ausbalancierten, d.h. unterschiedliche ferromagnetische Schichtdicken aufweisen- den künstlichen Antiferromagneten in der Referenzschicht kann ein derartiger Schichtaufbau jedoch auch bei diesen niedrigen Feldstärken bei Temperaturen oberhalb der Blocking-Temperatur gepinnt werden.
Das Strukturierungselement 18 kann durch ein Plating- Verfahren abgeschieden werden und ist üblicherweise zwischen 1 μηι und 20 μηι hoch. Hierzu wird ins- besondere eine NiFe-Struktur, beispielsweise aus NiFe 8020 eingesetzt. Das zu pinnende Widerstandselement 14 ist eng benachbart zur Berandungskante 20 des Strukturierungselements 18. Es können Bereiche von ca. 5 μηι gepinnt werden, wobei die zu pinnenden Bereiche teilweise von dem Strukturierungselement 18 überdeckt werden können. Entgegengesetzt gepinnte Widerstand- selemente 14 können sehr eng zueinander benachbart sein. Dabei weisen die Widerstandselemente 14 identische Materialeigenschaften, wie zum Beispiel Barrierenwiderstand und TMR-Effekte auf. Somit können parallele Wheatstone- Brückenäste identisch mit unterschiedlichen Pinning-Richtungen aufgebaut sein, um einen optimierten Offset-Wert zu erreichen. Die Isolationsschicht kann beispielsweise aus SiN oder AI2O3 mit einer Schichtdicke von 30 nm bis 5000 nm bestehen. Nach dem Aufbringen eines Seed Layers können durch ein elekt- rogalvanisches Verfahren die weichmagnetischen Strukturierungselemente 18 aufgebaut werden. Durch ein Strukturierungsverfahren können die Strukturierungselemente 18 ausgeformt und einem senkrechten Vorbehandlungs- Magnetfeld ausgesetzt werden, um ein Pinnen vorzunehmen. Nach dem Entfernen des weichmagnetischen Strukturierungselements 14 kann die Isolationsschicht 76 selektiv geöffnet werden, um die Widerstandselemente 14 elektrisch kontaktieren zu können. Im Gegenstand zu klassischen Pinning-Vorrichtungen, in denen Magnetfelder parallel zur Chipoberfläche in-plane angelegt werden, kann mithilfe der vorgeschlagenen Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung 50 mittels eines senkrecht zur Chipoberfläche 36 ausgerichteten Magnetfelds 38 ein Pinning vorgenommen werden. Durch einen einstellbaren Luftspalt 34 kann die Stärke des Vorbehandlungs-Magnetfelds justiert werden.
Bezugszeichenliste Magnetfeldsensorvorrichtung
Chipsubstrat
Widerstandselement weichmagnetisches Strukturierungselement weichmagnetische Berandungskante
Berandungskante des Widerstandselements
Wheatstone-Messbrücke
Brückenwiderstand
Unterer Brückenzweig
Oberer Brückenzweig Einstellbarer Luftspalt
Chipsubstratoberfläche
Vorbehandlungs-Magnetfeld
Messbrücke-Kontaktfläche
Chipsubstrat-Unterseite
Weichmagnetische Strukturierungsschicht-Oberfläche Berandungskanten-Streufeld Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung
Heizofen
Heizungseinrichtung
Poloberfläche
Gegenpoloberfläche
Luftspalt-Einstelleinrichtung
Chipsubstrat-Halteeinrichtung
Polabstands-Einstelleinrichtung
Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung
Permanentmagnet
Tür des Heizofens
Polschuh
Flussführungsausnehmungen
Isolationsschicht
geführter Magnetfluss
Eisenjoch
ferromagnetische Schicht
Zwischenschicht
antiferromagnetische Schicht / Antiferromagnet Kontaktschicht
Schutzschicht / Isolierschicht
Referenzschicht
Detektionsschicht

Claims

Patentansprüche Verfahren zur permanenten Magnetisierung mindestens einer ferromagne- tischen Schicht in einer auf einem Chipsubstrat (12) aufgebrachten Magnetfeldsensorvorrichtung (10) umfassend die Schritte:
- Herstellung mindestens eines magnetoresistiven Widerstandselements (14) auf einem Chipsubstrat (12), welches mindestens eine ferromagneti- sche Schicht und mindestens eine antiferromagnetische Schicht umfasst, wobei zwischen ferromagnetischer und antiferromagnetischer Schicht eine Austauschkopplung wirkt, welche bei Erreichen der Blocking-Temperatur verschwindet;
- Aufbringen von mindestens einem weichmagnetischen Strukturierungs- element (18) auf dem Chipsubstrat (12) benachbart oder teilweise überlappend zu dem Widerstandselement (14);
- Erwärmen des Widerstandselementes (14) über die Blocking-Temperatur des Materials der antiferromagnetischen Schicht und Einkoppeln eines Vorbehandlungs-Magnetfeldes (38);
- Abkühlen des Widerstandselementes (14) unterhalb der Blocking- Temperatur;
Entfernen des Vorbehandlungs-Magnetfeldes (38), dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Strukturierungs- element (18) so angeordnet ist, dass das eingekoppelte Vorbehandlungs- Magnetfeld (38) das Strukturierungselement (18) im Wesentlichen senkrecht zur Chipoberfläche (36) durchdringt und am Ort des Widerstandselementes (14) Magnetfeldkomponenten parallel zur Chipoberfläche erzeugt, die zumindest bereichsweise die ferromagnetische Schicht des Widerstandselementes (14) durchdringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem weichmagnetischen Strukturierungselement (18) zwei oder mehrere Widerstandselemente (14) zugeordnet sind, um eine permanente Magnetisierung der zumindest einen ferromagnetischen Schicht der Widerstandselemente (14) in die gleiche, parallel zur Chipsubstratoberfläche (36) liegende Richtung vorzunehmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem weichmagnetischen Strukturierungselement (18) zwei oder mehrere Widerstandselemente (14) zugeordnet sind, um eine permanente Magnetisierung der zumindest einen ferromagnetischen Schicht der Widerstandselemente (14) in verschiedene, parallel zur Chipsubstratoberfläche (36) liegende Richtungen vorzunehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellten Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten der Widerstandselemente (14) entweder parallel oder antiparallel zueinander stehen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei oder mehreren Widerstandselemente (14) zur Ausbildung einer Wheatstone-Messbrücke (24), bevorzugt zur Ausbildung zumindest eines oberen oder unteren Brückenzweigs (28, 30) einer Wheatstone-Messbrücke (24) einsetzbar sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselemente (14) GMR-Schichtsysteme und/oder TMR-Schichtsysteme umfassen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Berandungskante (20) des weichmagnetischen Strukturierungselementes (18) im Wesentlichen parallel oder tangential zu einer Berandungskante (22) eines Widerstandselementes (14) verläuft, wobei das Widerstandselement (14) bereichsweise vom weichmagnetischen Strukturierungselement (18) überdeckt ist, und wobei die Überdeckung eine Maß von 5 μηι oder weniger beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturierungselement (18) dahingehend geformt ist, dass die Flussdichte der austretenden magnetischen Streufelder (46) vorzugsweise durch ausgeprägte Polschuhe (72) oder Flussführungsausneh- mungen (74) im Strukturierungselement geführt und verstärkt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselemente (14) von dem weichmagnetischen Strukturierungselement (18) durch eine Isolationsschicht (76), insbesondere einer Schicht aus SiN oder Al203 mit einer Dicke von 30 nm bis 5 μηι isoliert sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Strukturierungselement (18) durch Ablagern oder Aufbauen einer Schicht weichmagnetischen Materials auf dem Chipsubstrat (12), insbesondere NiFe mit einer Schichtdicke von 1000 nm bis 20 μηπ, bevorzugt durch ein elektrogalvanisches Abscheideverfahren und lithographischen Strukturierungsverfahren zur Strukturierung einzelner weichmagnetischer Strukturierungselemente (18) hergestellt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Fertigstellung des Pinningvorgangs das oder die weichmagnetischen Strukturierungselemente (18) vom Chipsubstrat (12) entfernt werden.
12. Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung (50) zur magnetischen Vorbehandlung von auf einem Chipsubstrat (12) aufgebrachten Widerstandselementen (14) einer Magnetfeldsensorvorrichtung (10) dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung (50) einen Heizofen (52) und eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (66) mit einer Pol- und Gegenpoloberfläche (56, 58) im Inneren des Heizofens (52) umfasst, wobei mindestens ein Chipsubstrat (12) mit mindestens einem weichmagnetischen Strukturierungselement (18) zwischen Pol- und Gegenpoloberfläche (56, 58) einlegbar ist, um eine magnetische Vorbehandlung von auf dem Chipsubstrat (12) angeordneten Widerstandselementen (14) durch ein senkrecht auf die Chipsubstratoberfläche (36) ausgerichtetes Vorbehandlungs-Magnetfeld (38) zu erreichen.
13. Magnetfeld-Vorbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (66) einen Permanentmagneten (68) umfasst, der im Heizofen (52) angeordnet ist, wobei eine Stärke des Vorbehandlungs-Magnetfeldes (38) über einen einstellbaren Luftspalt (34) zwischen Permanentmagnet (68) und Pol- und Gegenpoloberfläche (56, 58) mittels einer Luftspalt-Einstelleinrichtung (60) einstellbar ist.
14. Magnetfeldsensorvorrichtung (10) zur Detektion zumindest einer Komponente eines externen Magnetfeldes, umfassend zumindest ein magnetore- sistives Widerstandselement (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorvorrichtung (10) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 hergestellt ist.
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