WO2023117452A1 - Sensorvorrichtung und herstellungsverfahren für eine sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2023117452A1
WO2023117452A1 PCT/EP2022/084921 EP2022084921W WO2023117452A1 WO 2023117452 A1 WO2023117452 A1 WO 2023117452A1 EP 2022084921 W EP2022084921 W EP 2022084921W WO 2023117452 A1 WO2023117452 A1 WO 2023117452A1
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sensor device
layer
substrate surface
sensing
magnetoresistive sensor
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PCT/EP2022/084921
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Christoph Schelling
Robert Peter Uhlig
Corinna Koepernik
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Definitions

  • the invention relates to a sensor device and a manufacturing method for a sensor device.
  • WO 02/082111 A1 discloses a semiconductor device with a substrate, on the substrate surface of which several magnetoresistive sensor devices are arranged, by means of which magnetic field strength components of an external magnetic field can be determined in different directions aligned parallel to the substrate surface.
  • the present invention provides a sensor device having the features of claim 1 and a manufacturing method for a sensor device having the features of claim 6.
  • the present invention creates cost-effective sensor devices, by means of which a direction-dependent physical variable can be measured not only in a first sensing direction aligned parallel to a substrate surface of a substrate of the respective sensor device, but also in a second sensing direction aligned perpendicular to the substrate surface.
  • a sensor device according to the invention still requires a comparatively small amount of installation space due to the arrangement of its first magnetoresistive sensor device and its Hall sensor device on the same substrate surface. Due to the combination of two different sensor technologies on the same substrate implemented in the sensor device according to the invention, the sensor device can be produced relatively inexpensively.
  • the sensor device according to the invention also requires no magnetic field deflector, so that its disadvantages, such as one in the Generally, low efficiency of the magnetic field deflector and hysteresis of the ferromagnetic material of the magnetic field deflector do not have to be accepted when using the present invention. For this reason, a sensor device according to the invention has good sensitivity, high measurement accuracy and low noise in comparison with the prior art, despite being relatively inexpensive to manufacture and having a comparatively small installation space requirement.
  • the Hall sensor device comprises a sensing material layer made of a sensing material in which a Hall voltage or a Hall current can be induced by means of an external magnetic field, with a maximum extent of the sensing material layer perpendicular to the substrate surface being less than or equal to 10 atomic layers of the sensing material.
  • the design of the Hall sensor device described here is characterized not only by its good integrability in a finish of at least the first magnetoresistive sensor device arranged on the same substrate surface, but also by the possibility of using a non-magnetic sensing material for the sensing material layer.
  • a non-magnetic sensing material such as silicon, indium-antimony (InSb) or graphene, it can be ensured that the Hall sensor device does not change/hardly changes the external magnetic field to be measured.
  • the sensing material layer can be formed from the sensing material graphene.
  • the advantages of graphene such as its high electron mobility, its relatively good mechanical flexibility and its (at the same time) comparatively high stability at the molecular level, can thus also be used for the sensor device described here.
  • the sensor device additionally comprises a second magnetoresistive sensor device arranged on the substrate surface or the at least one intermediate layer, with a third sensing direction aligned parallel to the substrate surface and perpendicular to the first sensing direction, with the sensor device using at least the second magnetoresistive sensor device a third value of the direction-dependent physical variable can be determined in the third sensing direction.
  • the one described here The embodiment of the sensor device thus implements a 3D sensor for measuring the direction-dependent physical quantity in three spatial directions aligned perpendicular to one another.
  • the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can each have an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer sequence each, with the respective ferromagnetic layer sequence comprising two hard-magnetic layers and a non-magnetic layer lying between the two hard-magnetic layers, and with one the antiferromagnetic layer aligned hard magnetic layer of the two hard magnetic layers is a pinned layer.
  • the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can thus have a layer structure whose production using the thin-layer method can be easily integrated into production of the Hall sensor device arranged on the same substrate surface.
  • the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can each have a layer sequence composed of ferromagnetic, antiferromagnetic, dielectric and conductive layers.
  • the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can comprise a sequence of the antiferromagnetic layer and the two hard magnetic layers separated by the thin nonmagnetic layer and a layer with fixed magnetization (fixed layer).
  • a thin dielectric layer and a soft magnetic layer (free layer) may be present adjacent to the layer with fixed magnetization (fixed layer).
  • the soft-magnetic layer (free layer) preferably has no or only a very small preferred direction for the magnetization and can therefore follow the external magnetic field.
  • the thin dielectric layer can function as a tunnel barrier, the resistance of which is small when the magnetization directions of the magnetization fixed layer (Fixed Layer) and the soft magnetic layer (Free Layer) point in the same direction, but the resistance of which is large when the magnetization directions point in opposite directions from the layer with fixed magnetization (Fixed Layer) and the soft magnetic layer (Free Layer).
  • a suitable structuring of the layer sequence can influence the anisotropy (directional dependency) of the free-layer magnetization.
  • a magnetic annealing process can fix the magnetization direction of the fixed layer, and thus the sensing direction parallel to the surface.
  • the change in resistance of the tunnel barrier can be used to generate a sensor signal.
  • the sensing material layer made of the sensing material can first be grown on a growth support substrate and then be transferred from the growth support substrate to the substrate surface or the at least one intermediate layer.
  • the advantageous material properties of graphene can be used when carrying out the method steps described here.
  • FIG. 1a and 1b schematic overall and partial representations of an embodiment of the sensor device
  • Fig. 2 is a flow chart for explaining an embodiment of the
  • FIG. 1a and 1b show schematic overall and partial representations of an embodiment of the sensor device.
  • the sensor device shown schematically in FIG. 1a has a substrate 10 with a substrate surface 10a. On the substrate surface 10a or at least one that at least partially covers the substrate surface 10a (Not sketched) intermediate layer, a first magnetoresistive sensor device 12 is arranged.
  • the first magnetoresistive sensor device 12 has a first sensing direction 12a aligned parallel to the substrate surface 10a. This means that a first value of a direction-dependent physical variable in the first sensing direction 12a can be/is determined by the sensor device using at least its first magnetoresistive sensor device 12 .
  • the sensor device can be designed to use at least its first magnetoresistive sensor device 12 to measure the first value of a magnetic field strength component of an external magnetic field in the first sensing direction 12a aligned parallel to the substrate surface 10a.
  • the sensor device also has a Hall sensor device 14, which is also arranged on the substrate surface 10a or the at least one intermediate layer.
  • a second sensing direction 14a oriented perpendicular to the substrate surface 10a is defined for the Hall sensor device 14 .
  • a second value of the direction-dependent physical variable in the second sensing direction 14a can be/is determined by means of the sensor device using at least the Hall sensor device 14 .
  • the second value of the magnetic field strength component of the external magnetic field can be measured by the sensor device using at least its Hall sensor device 14 in the second sensing direction 14a oriented perpendicularly to the substrate surface 10a.
  • the sensor device thus not only uses magnetoresistive technology (AMR, GMR or TMR technology) to determine the first value of the direction-dependent physical quantity in the first sensing direction 12a aligned parallel to the substrate surface 10a, but also Hall technology (or the Hall effect) for determining the second value of the direction-dependent physical quantity in the second sensing direction 14a aligned perpendicular to the substrate surface 10a.
  • the sensor device is therefore not only sensitive in the plane of its maximum extent (in-plane sensitive), but also sensitive perpendicularly to its maximum extent (out-of-plane sensitive).
  • the sensor device has the first magnetoresistive sensor device 12 and the Hall sensor device 14 due to the common arrangement the same substrate surface 10a requires relatively little installation space.
  • the sensor device when manufacturing the sensor device, there is no need for complicated and expensive bonding of different chips to one another in one housing. This facilitates miniaturization of the sensor device.
  • the miniaturization of the sensor device made possible by the sensor device due to the advantageous use of magnetoresistive technology and Hall technology additionally increases its usability for a large number of purposes.
  • the sensor device can be produced comparatively inexpensively due to the joint arrangement of the first magnetoresistive sensor device 12 and the Hall sensor device 14 on the same substrate surface 10a.
  • the sensor device does not require a magnetic field deflector. The disadvantages of a magnetic field deflector already listed above therefore do not have to be accepted when using the sensor device described here.
  • the sensor device described here also has a second magnetoresistive sensor device 16, which is also arranged on the substrate surface 10a or the at least one intermediate layer, for which a third sensing direction 16a aligned parallel to the substrate surface 10a and perpendicular to the first sensing direction 12a is defined. Therefore, in addition to the first value and the second value, the sensor device can also be used to determine a third value of the direction-dependent physical variable in the third sensing direction 16a using at least the second magnetoresistive sensor device 16 .
  • the third value of the magnetic F field strength component of the external magnetic field in the third sensing direction 16 which is oriented parallel to the substrate surface 10a and perpendicular to the first sensing direction 14a, can be measured by the sensor device using at least its second magnetoresistive sensor device 16.
  • the embodiment of the sensor device described here can thus be used as a three-dimensional magnetic field sensor for measuring the external magnetic field in three spatial directions aligned perpendicular to one another.
  • the usability of the sensor device described here is not limited to a magnetic field sensor.
  • the sensor device can also be used as a rotor position sensor, for example End position sensor or as a current sensor.
  • the significant reduction in the transverse field sensitivity of the sensor device in particular the reduction in its transverse field sensitivity caused only by structural tolerances, can be advantageously used in relation to magnetic fields aligned perpendicularly to the substrate surface 10a.
  • the reduction of the transverse field insensitivity can be achieved above all by a suitable bridge circuit.
  • the first magnetoresistive sensor device 12 and the second magnetoresistive sensor device 16 can have an (essentially) identical layer structure despite their design for determining/measuring the direction-dependent physical variable in the different sensing directions 12a and 16a.
  • the additional equipment of the sensor device with the second magnetoresistive sensor device 16 therefore hardly increases the amount of work required for its manufacture.
  • the sensor device due to the arrangement of the second magnetoresistive sensor device 16 on the same substrate surface 10a as the first magnetoresistive sensor device 12 and the Hall sensor device 14, the sensor device can still be produced in a comparatively space-saving and relatively inexpensive manner despite its increased functionality.
  • One or more levels of different materials can optionally be deposited on the substrate surface 10a as the at least one intermediate layer.
  • An integrated circuit is preferably formed on substrate surface 10a and/or in substrate 10, by means of which at least Hall sensor device 14 and first magnetoresistive sensor device 12 and possibly also second magnetoresistive sensor device 16 can be operated.
  • at least the part of the integrated circuit arranged on the substrate surface 10a can be realized by means of the at least one intermediate layer on the substrate surface 10a.
  • the integrated circuit arranged on the substrate surface 10a and/or in the substrate 10 can in particular be an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • the integrated circuit can in particular also include at least one operator and/or evaluation device for Hall sensor device 14, first magnetoresistive sensor device 12 and/or second magnetoresistive sensor device 16.
  • the integrated circuit can have at least one functional structure, such as at least a structure for performing a self-test, at least one structure for generating a magnetic flux and/or at least one structure for performing a magnetic reset (resetting the sensor to an initial state).
  • the integrated circuit can include at least one test line, at least one connecting line and/or at least one coil/coil component designed to generate a magnetic field, such as specifically at least one coil component designed as a single conductor and/or at least one coil component designed as a combination of conductors.
  • a passivation layer can also be formed on substrate surface 10a as the at least one intermediate layer, by means of which at least a partial region of Hall sensor device 14 and first magnetoresistive sensor device 12 and possibly also second magnetoresistive sensor device 16 is electrically insulated from the integrated circuit. If necessary, at least one electrical contact can be formed through the passivation layer, by means of which Hall sensor device 14, first magnetoresistive sensor device 12 and/or second magnetoresistive sensor device 16 are electrically connected to the integrated circuit.
  • the Hall sensor device 14 includes a sensing material layer made of a sensing material with a maximum extension of the sensing material layer perpendicular to the substrate surface 10a of less than or equal to 10 atomic layers of the sensing material.
  • the layer of sensing material can be understood, for example, as a layer of Hall sensor device 14 in which the Hall effect induced by the magnetic field component of the external magnetic field oriented parallel to second spatial direction 14a occurs, ie in which a Hall voltage or a Hall current is of the external magnetic field can be induced.
  • the sensing material layer includes graphene as the sensing material.
  • the graphene made of carbon is capable of producing a strong Hall effect.
  • Graphene exhibits high electron mobility, high sensitivity, low noise, and high mechanical stability.
  • another so-called 2D material can also be used to form the sensing material layer, which has a two-dimensional extent along the substrate surface 10a with a thickness of only a few atomic layers aligned perpendicular to the substrate surface 10a.
  • the first magnetoresistive sensor device 12 and the second magnetoresistive sensor device 16 each use tunnel magnetoresistance (TMR) technology. For this reason, each of the magnetoresistive sensor devices 12 and 16 has a TMR layer stack 18, as shown in FIG. 1b.
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • the first magnetoresistive sensor device 12 and the second magnetoresistive sensor device 16 are designed according to magnetic tunnel resistance technology in the embodiment in FIGS.
  • the first magnetoresistive sensor device 12 and/or the second magnetoresistive sensor device 16 can also be designed according to giant magnetoresistance (GMR) technology and/or according to anisotropic magnetoresistive (AMR) technology.
  • GMR giant magnetoresistance
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • the TMR layer stack 18 comprises an antiferromagnetic layer 20 which is at least partially (preferably completely) formed from at least one antiferromagnetic material such as iridium manganese (IrMn) or platinum manganese (PtMn).
  • at least one antiferromagnetic material such as iridium manganese (IrMn) or platinum manganese (PtMn).
  • IrMn iridium manganese
  • PtMn platinum manganese
  • a ferromagnetic layer sequence 22 of the TMR layer stack 18 lies between the antiferromagnetic layer 20 and a tunnel barrier 24 of the TMR layer stack 18.
  • the ferromagnetic layer sequence 22 has two hard-magnetic layers 22a and 22b and a non-magnetic layer between the two hard-magnetic layers 22a and 22b layer 22c.
  • the two hard-magnetic layers 22a and 22b are formed at least partially (in particular completely) from at least one hard-magnetic material, such as specifically a CoFe (cobalt-iron) or a CoFeB (cobalt-iron-boron) alloy.
  • the non-magnetic layer 22c can be at least partially (preferably fully) ruthenium (Ru).
  • the entire TMR layer stack 18 can be present either, as shown here, with the antiferromagnetic layer 20 as the “bottom layer” or with the antiferromagnetic layer 20 as the “top layer”, while maintaining the layer sequence.
  • the antiferromagnetic layer 20 and the ferromagnetic layer sequence 22 are arranged relative to each other in the TMR layer stack 18 such that at least at a temperature below a so-called threshold temperature, a so-called “pinning effect” or “exchange bias effect” occurs in one of the antiferromagnetic layers 20 aligned first hard magnetic layer 22a of the two hard magnetic layers 22a and 22b occurs.
  • a magnetic annealing process which includes at least heating above the pinning temperature and cooling below the pinning temperature and applying a magnetic field, defines a preferred magnetic direction 26a with the help of the “pinning effect” or “exchange bias effect”. in the first hard-magnetic layer 22a, which can also be referred to as a pinning direction 26a of the first hard-magnetic layer 22a.
  • TMR layer stacks 18 can be suitably structured and connected to one another.
  • TMR individual resistors and groups of TM R individual resistors can be suitably connected to form measuring bridges.
  • the respective sensing direction 12a or 16a of the respective magnetoresistive sensor device 12 or 16 can be defined for the TMR individual resistors or groups of TMR individual resistors by means of the pinning direction 26a.
  • the first hard-magnetic layer 22a of the two hard-magnetic layers 22a and 22b, which is aligned with the antiferromagnetic layer 20, can therefore also be referred to as a pinned layer 22a of the TMR layer stack 18.
  • the second hard-magnetic layer 22b is referred to as the "fixed layer” and defines the sensing direction.
  • the tunnel barrier 24 formed on a side of the ferromagnetic layer sequence 22 directed away from the antiferromagnetic layer 20 is formed from at least one electrically non-conductive material, such as aluminum oxide or magnesium oxide (MgO).
  • a layer thickness of the tunnel barrier 24 aligned perpendicular to the substrate surface 10a is in the range of a few atomic layers.
  • the tunnel barrier 24 lies between the ferromagnetic layer sequence 22 and the soft-magnetic layer 28 (free layer), which consists at least partially of at least one soft-magnetic material, such as in particular nickel-iron, cobalt-iron or cobalt-iron-boron.
  • the soft-magnetic layer 28 free layer
  • an electrode not sketched
  • a conductive layer which, after suitable structuring, is used for electrical contacting of the structured TMR layer stack 18 (TMR individual resistance).
  • the TMR layer stack 18 can optionally be deposited on the substrate surface 10a or the at least one intermediate layer in such a way that either the antiferromagnetic layer 20 or the soft-magnetic layer 28 (free layer) is aligned with the substrate surface 10a.
  • FIG. 2 shows a flow chart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a sensor device.
  • the manufacturing method has at least the method steps S1 and S2.
  • a first magnetoresistive sensor device with a first sensing direction is arranged/formed on the substrate surface or on at least one intermediate layer that at least partially covers the substrate surface.
  • Method step S1 is carried out in such a way that the first sensing direction of the first magnetoresistive sensor device is aligned parallel to the substrate surface after the end of the manufacturing method.
  • the first magnetoresistive sensor device is designed in such a way that a first value of a direction-dependent physical variable in the first sensing direction can be/is determined by means of the subsequent sensor device using at least its first magnetoresistive sensor device.
  • the first value of a magnetic field strength component of an external magnetic field in the parallel to the Substrate surface aligned first sensing be measurable / be measured.
  • a Hall sensor device with a second sensing direction is also arranged/formed on the substrate surface or the at least one intermediate layer.
  • the second sensing direction of the Hall sensor device is aligned perpendicular to the substrate surface after the end of the production method.
  • Executing method step S2 also ensures that a second value of the direction-dependent physical variable in the second sensing direction can be/is determined by the later sensor device using at least the Hall sensor device.
  • the second value of the magnetic field strength component of the external magnetic field can be/can be measured in the second sensing direction perpendicular to the substrate surface.
  • a method step S3 can also be carried out at the same time as method step S1, in which, in addition to the first magnetoresistive sensor device, a second magnetoresistive sensor device with a third sensing direction is arranged/formed on the substrate surface or the at least one intermediate layer.
  • the second magnetoresistive sensor device is formed by carrying out method step S3 in such a way that the third sensing direction is aligned parallel to the substrate surface and perpendicular to the first sensing direction.
  • a third value of the direction-dependent physical variable in the third sensing direction can thus be/can be determined during subsequent operation of your fully manufactured sensor device.
  • the third value of the magnetic field strength component of the external magnetic field can be/can be measured in the third sensing direction using at least the second magnetoresistive sensor device.
  • the manufacturing method described here can be started with a method step SO, in which an integrated circuit on the substrate surface of the substrate of the subsequent sensor device and / or is formed in the substrate.
  • the at least one intermediate layer on the substrate surface can be used to form at least part of the integrated circuit on the substrate surface.
  • Advantageous components of the integrated circuit have already been listed above.
  • the integrated circuit can also be at least partially covered with a passivation layer (as one of the intermediate layers).
  • at least one electrical contact can also be formed through the passivation layer in method step SO, by means of which the Hall sensor device, the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device are electrically connected to the integrated circuit.
  • method step SO it is not necessary for method step SO to have already ended before one of method steps S1 to S3 begins.
  • the at least one electrical contact for electrically connecting the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can be formed on the integrated circuit and then at least one of method steps S1 and S3 can be started, while the at least one electrical contact for electrically connecting the Hall sensor device on the integrated circuit is only formed shortly before the start of method step S2.
  • a base layer of the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can first be deposited, which can be used both as a "growth layer” for influencing crystal growth of a layer grown thereon and as a first electrode of the respective magnetoresistive sensor device can be used.
  • an antiferromagnetic layer of the first magnetoresistive sensor device and/or the second magnetoresistive sensor device can be grown on the first electrode used as the “growth layer”.
  • a magnetic shape anisotropy can be generated, which for the Realization of certain sensor properties such as sensitivity, measuring range and linearity can be used.
  • the free layer is therefore preferably structured separately from the other layers of the TM layer stack.
  • the further layers of the TMR layer stack can be structured separately from the free layer, taking into account the preferred magnetic directions desired in the two hard-magnetic layers.
  • the desired preferred magnetic direction in the pinned layer of the TMR layer stack can be defined in particular by heating at least the ferromagnetic layer sequence to the threshold temperature, subsequent cooling and an external magnetic field. Since possibilities for “pinning” the preferred magnetic direction in the pinned layer of the TMR layer stack are known from the prior art, they will not be discussed in more detail here.
  • a sensor material layer of the Hall sensor device made of a sensor material, in which a Hall voltage or a Hall current can be induced by means of an external magnetic field, is preferably arranged on the substrate surface or the at least one intermediate layer.
  • a dielectric that serves as a (back) gate can be deposited and structured beforehand on a later position of the sensing material layer.
  • a non-polar and self-assembled monolayer specifically made of methylated or fluorinated chlorosilane, can also be formed on the (back)gate dielectric to shield polar groups in the (back)gate dielectric.
  • VUV vacuum ultraviolet
  • the sensing material is preferably arranged on the substrate surface or the at least one intermediate layer such that in the finished sensor device a maximum extension of the sensing material layer of its Hall sensor device perpendicular to the substrate surface is less than or equal to 10 atomic layers of the sensing material.
  • method step S2 can include a partial step S2a, in which the sensing material layer made of the sensing material is first grown on a growth aid substrate.
  • Sensing material layer is, for example, a 2D material layer, preferably made of graphene, grown on the growth support substrate.
  • the growth aid substrate can be a copper substrate, for example.
  • the sensing material layer made of the sensing material is then transferred from the growth aid substrate to the substrate surface or the at least one intermediate layer. This is preferably a transfer of the sensing material layer onto the (back)gate dielectric or the monolayer layer.
  • the sensing material layer with a non-polar top layer such as a spin-on-glass layer, a BCB layer, a SU-8 layer, a polyimide layer, a paraffin layer, a parylene layer, a PDMS layer or a PMMA layer to be covered.
  • a non-polar top layer such as a spin-on-glass layer, a BCB layer, a SU-8 layer, a polyimide layer, a paraffin layer, a parylene layer, a PDMS layer or a PMMA layer to be covered.
  • At least one contact hole can then be structured through the cover layer, in which at least one contact, e.g. made of gold, copper, palladium and/or platinum, is formed.
  • the manufacturing method described above can be carried out in the back-end process, for example.
  • the manufacturing process can be referred to as a thin film process.
  • the method steps S1 and S3 are carried out before the method step S2 in the flow chart of FIG. 2 , the feasibility of the production method described above is not limited to any specific order of its method steps. If the temperatures occurring when carrying out at least one of method steps S1 and S3 have no influence on the Hall sensor device, method step S2 can also be carried out before at least method step S1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a), einer auf der Substratoberfläche (10a) oder mindestens einer die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht angeordneten ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) mit einer parallel zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten ersten Sensierrichtung (12a), wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) ein erster Wert einer richtungsabhängigen physikalischen Größe in der ersten Sensierrichtung (12a) ermittelbar ist und einer auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordneten Hall-Sensoreinrichtung (14) mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten zweiten Sensierrichtung (14a), wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der Hall-Sensoreinrichtung (14) ein zweiter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der zweiten Sensierrichtung (14a) ermittelbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.

Description

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

Claims

Ansprüche
1. Sensorvorrichtung mit: einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a); und einer auf der Substratoberfläche (10a) oder mindestens einer die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht angeordneten ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) mit einer parallel zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten ersten Sensierrichtung (12a), wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) ein erster Wert einer richtungsabhängigen physikalischen Größe in der ersten Sensierrichtung (12a) ermittelbar ist; gekennzeichnet durch eine auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete Hall-Sensoreinrichtung (14) mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten zweiten Sensierrichtung (14a), wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der Hall-Sensoreinrichtung (14) ein zweiter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der zweiten Sensierrichtung (14a) ermittelbar ist.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hall-Sensoreinrichtung (14) eine Sensiermaterialschicht aus einem Sensiermaterial, in welcher eine Hall-Spannung oder ein Hall-Strom mittels eines externen Magnetfelds induzierbar ist, umfasst, und wobei eine maximale Ausdehnung der Sensiermaterialschicht senkrecht zu der Substratoberfläche (10a) kleinergleich 10 Atomlagen des Sensiermaterials ist.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial Graphen ausgebildet ist. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung eine auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung (16a) mit einer parallel zu der Substratoberfläche (10a) und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung (12a) ausgerichteten dritten Sensierrichtung (16a) umfasst, und wobei mittels der Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (16) ein dritter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der dritten Sensierrichtung (16a) ermittelbar ist. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste magnetoresistive Sensoreinrichtung (12) und/oder die zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung (16) je eine antiferromagnetische Schicht (20) und je eine ferromagnetische Schichtfolge (22) aufweisen, wobei die jeweilige ferromagnetische Schichtfolge (22) zwei hartmagnetische Schichten (22a, 22b) und eine zwischen den zwei hartmagnetischen Schichten (22a, 22b) liegende nicht-magnetische Schicht (22c) umfasst, und wobei eine zu der antiferromagnetischen Schicht (20) ausgerichtete hartmagnetische Schicht (22a) der zwei hartmagnetischen Schichten (22a, 22b) eine gepinnte Schicht (22a) ist. Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit dem Schritt:
Anordnen einer ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) mit einer ersten Sensierrichtung (12a) derart auf einer Substratoberfläche (10a) eines Substrats (10) oder mindestens einer die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht, dass die erste Sensierrichtung (12a) der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) parallel zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichtet ist, und mittels der späteren Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) ein erster Wert einer richtungsabhängigen physikalischen Größe in der ersten Sensierrichtung (12a) ermittelbar ist (Sl); gekennzeichnet durch den Schritt: 18
Anordnen einer Hall-Sensoreinrichtung (14) mit einer zweiten Sensierrichtung (14a) derart auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht, dass die zweite Sensierrichtung (14a) senkrecht zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichtet ist, und mittels der späteren Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der Hall- Sensoreinrichtung (14) ein zweiter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der zweiten Sensierrichtung (14a) ermittelbar ist (S2). Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei beim Anordnen der Hall- Sensoreinrichtung (14) eine Sensiermaterialschicht der Hall- Sensoreinrichtung aus einem Sensiermaterial, in welcher eine Hall- Spannung oder ein Hall-Strom mittels eines externen Magnetfelds induzierbar ist, auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht derart angeordnet wird, dass eine maximale Ausdehnung der Sensiermaterialschicht senkrecht zu der Substratoberfläche (10a) kleiner-gleich 10 Atomlagen des Sensiermaterials ist. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei die Sensiermaterialschicht aus dem Sensiermaterial zuerst auf einem Wachstumshilfssubstrat aufgewachsen wird (S2a) und anschließend von dem Wachstumshilfssubstrat auf die Substratoberfläche (10a) oder die mindestens eine Zwischenschicht transferiert wird (S2b). Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine zweite magnetoresistive Sensoreinrichtung (16) mit einer dritten Sensierrichtung (16a) derart auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnet wird, dass die dritte Sensierrichtung (16a) parallel zu der Substratoberfläche (10a) und senkrecht zu der ersten Sensierrichtung (12a) ausgerichtet ist, und mittels der späteren Sensorvorrichtung unter Verwendung zumindest der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (16) ein dritter Wert der richtungsabhängigen physikalischen Größe in der dritten Sensierrichtung (16a) ermittelbar ist. 19 10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei beim
Anordnen der ersten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (12) und/oder der zweiten magnetoresistiven Sensoreinrichtung (16) auf der Substratoberfläche (10a) oder der mindestens einen Zwischenschicht je eine antiferromagnetische Schicht (20) und je eine ferromagnetische Schichtfolge (22) derart gebildet werden, dass die jeweilige ferromagnetische Schichtfolge (22) zwei hartmagnetische Schichten (22a, 22b) und eine zwischen den zwei hartmagnetischen Schichten (22a, 22b) liegende nicht-magnetische Schicht (22c) umfasst und eine zu der antiferromagnetischen Schicht (20) ausgerichtete hartmagnetische Schicht (22a) der zwei hartmagnetischen Schichten (22a, 22b) eine gepinnte
Schicht (22a) ist.
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