DE19949714A1 - Magnetically sensitive component used as a sensor element operating according to a spin-valve principle in vehicles comprises two magneto-resistive layer systems with a reference layer, an intermediate layer and a detection layer - Google Patents
Magnetically sensitive component used as a sensor element operating according to a spin-valve principle in vehicles comprises two magneto-resistive layer systems with a reference layer, an intermediate layer and a detection layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein magnetisch sensitives Bauteil, insbesondere ein Sensorelement, mit mindestens zwei magnetoresistiven Schichtsystemen in Brückenschaltung auf einem Substrat nach der Gattung des Hauptanspruches.The invention relates to a magnetically sensitive component, in particular a sensor element with at least two magnetoresistive layer systems in a bridge circuit on one Substrate according to the type of the main claim.
Bekannte magnetoresistive Sensorelemente, die nach dem
sogenannten "Spin-Valve-Prinzip" arbeiten, bestehen
üblicherweise aus einer weichmagnetischen Detektionsschicht mit
einer parallel zu der Detektionsschicht gerichteten, durch ein
äußeres Magnetfeld einstellbaren ersten Magnetisierung m1, einer
hartmagnetischen Referenzschicht mit einer vorgegebenen
räumlichen Ausrichtung einer zugehörigen, parallel zu der
Referenzschicht gerichteten und möglichst unveränderbaren
zweiten Magnetisierung m2, sowie einer unmagnetischen
metallischen Zwischenschicht. Bei geeigneter Dimensionierung der
Schichtdicken und geeigneter Materialwahl zeigt dieses System
dann eine Änderung des elektrischen Widerstandes bei einem
innerhalb der Ebene der Zwischenschicht fließenden elektrischen
Stromes gemäß
Known magnetoresistive sensor elements which operate according to the so-called "spin valve principle" usually consist of a soft magnetic detection layer with a first magnetization m 1 directed parallel to the detection layer and adjustable by an external magnetic field, a hard magnetic reference layer with a predetermined spatial orientation associated, parallel to the reference layer and as unchangeable as possible second magnetization m 2 , and a non-magnetic metallic intermediate layer. With a suitable dimensioning of the layer thicknesses and a suitable choice of material, this system then shows a change in the electrical resistance in the case of an electrical current flowing within the plane of the intermediate layer
R = R0 + Ccosθ
R = R 0 + Ccosθ
wobei θ den Winkel zwischen den Richtungen der beiden zu der Referenzschicht und der Detektionsschicht zugehörigen Magnetisierungen bezeichnet (GMR-Effekt, "Gigant Magnetic Resistance"). Die Widerstandsänderung liegt typischerweise im Bereich zwischen 5% und 10% und kann durch Veränderung der Richtung der Magnetisierung m1, beispielsweise über ein äußeres Magnetfeld, vermessen werden.where θ denotes the angle between the directions of the two magnetizations associated with the reference layer and the detection layer (GMR effect, "Gigant Magnetic Resistance"). The change in resistance is typically in the range between 5% and 10% and can be measured by changing the direction of the magnetization m 1 , for example via an external magnetic field.
Die hartmagnetische Referenzschicht besteht weiter üblicherweise entweder aus einer dünnen Schicht aus relativ hartmagnetischem Material, oder aus zwei übereinander liegenden Schichten in Form einer an die Zwischenschicht angrenzenden, weich- oder relativ hartmagnetischen Teilschicht und einer benachbarten antiferromagnetischen Teilschicht, welche die räumliche Orientierung der Magnetisierung der an die Zwischenschicht angrenzenden magnetischen Schicht festlegt oder stabilisiert.The hard magnetic reference layer usually still exists either from a thin layer of relatively hard magnetic Material, or from two superimposed layers in the form one adjacent to the intermediate layer, soft or relative hard magnetic sublayer and an adjacent one antiferromagnetic sublayer, which is the spatial Orientation of the magnetization of the intermediate layer adjusts or stabilizes the adjacent magnetic layer.
Die Funktion derartiger magnetoresistiver Sensorelemente beruht darauf, daß die Richtung der Magnetisierung m1 der Detektionsschicht sich möglichst leicht und weitgehend parallel zu einer innerhalb der Ebene der Detektionsschicht liegenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes ausrichtet, während die Richtung der Magnetisierung m2 der Referenzschicht von derartigen äußeren Feldern möglichst unbeeinflußt bleiben sollte, damit eine zuverlässige Referenz für die Bestimmung des Winkels θ gewährleistet ist.The function of such magnetoresistive sensor elements is based on the fact that the direction of the magnetization m 1 of the detection layer aligns itself as easily and largely as possible parallel to a component of an external magnetic field lying within the plane of the detection layer, while the direction of the magnetization m 2 of the reference layer of such external fields should remain as unaffected as possible so that a reliable reference for determining the angle θ is guaranteed.
Hinsichtlich weiterer Details zu magnetoresistiven Sensorelementen und möglicher Anwendungen sei beispielsweise auf C. Tsang et al., "Design, Fabrication and Testing of Spin-Valve Read Heads for High Density Recording", IEEE Trans. Magn., 30, (1994), Seite 3801 ff., verwiesen.For more details on magnetoresistive Sensor elements and possible applications, for example C. Tsang et al., "Design, Fabrication and Testing of Spin Valve Read Heads for High Density Recording ", IEEE Trans. Magn., 30, (1994), page 3801 ff.
Um ein magnetoresistives Schichtsystem in einem Sensorelement, beispielsweise zur berührungslosen Messung von äußeren Magnetfeldern, für den Einsatz in Kraftfahrzeugen als ABS- Radsensor, Lenkwinkelsensor oder Potentiometerersatz usw. verwenden zu können, ist es unerläßlich, daß das Sensorelement über einen möglichst weiten Temperaturbereich eine temperaturunabhängige und zur Erhöhung der Meßgenauigkeit möglichst Offset-freie Ausgangsspannung liefert. Dazu ist bereits bekannt, ein Sensorelement mit zwei oder vier magnetoresistiven Schichtsystemen in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zu verschalten, um dadurch die gegenüber dem Meßsignal relativ große und temperaturabhängige Offset-Spannung eines einzelnen magnetoresistiven Schichtsystems zu eliminieren.To a magnetoresistive layer system in a sensor element, for example for the contactless measurement of external Magnetic fields, for use in motor vehicles as ABS Wheel sensor, steering angle sensor or potentiometer replacement etc. To be able to use it is essential that the sensor element over the widest possible temperature range temperature-independent and to increase the measuring accuracy provides output voltage that is as offset-free as possible. Is to already known, a sensor element with two or four magnetoresistive layer systems in the form of a Wheatstone To connect the bridge circuit, thereby the opposite to the Measurement signal of relatively large and temperature-dependent offset voltage of a single magnetoresistive layer system.
Im einzelnen wird dazu ein Sensorelement in Form von vier Einzelwiderständen R1 bis R4 aus vier magnetoresistiven Schichtsystemen erzeugt, die üblicherweise als mäanderförmige Leiterbahnen ausgebildet, strukturiert und über zusätzliche elektrische Leiterbahnen und Anschlußkontakte in an sich bekannter Weise zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden. Alternativ ist auch bekannt, lediglich zwei magnetoresistive Schichtsysteme einzusetzen, und diese in Form von zwei Halbbrücken mit zwei weiteren externen, herkömmlichen Widerständen in an sich bekannter Weise zu einer Wheatstone- Brücke zu verschalten.In particular, a sensor element in the form of four individual resistors R 1 to R 4 is produced from four magnetoresistive layer systems, which are usually designed as meandering conductor tracks, structured and connected in a manner known per se to form a Wheatstone bridge via additional electrical conductor tracks and connecting contacts. Alternatively, it is also known to use only two magnetoresistive layer systems and to interconnect them in the form of two half bridges with two further external, conventional resistors in a manner known per se to form a Wheatstone bridge.
Unterscheiden sich beispielsweise in der erstgenannten
Brückenschaltung die Magnetisierungsrichtungen der
Magnetisierung m2 der Referenzschichten in den Widerständen R1
und R3 von denen in den Widerständen R2 und R4 gerade um 180°, so
ergibt sich eine temperaturunabhängige, Offset-freie
Brückenausgangspannung:
If, for example, the magnetization directions of the magnetization m 2 of the reference layers in the resistors R 1 and R 3 differ from those in the resistors R 2 and R 4 by just 180 ° in the first-mentioned bridge circuit, a temperature-independent, offset-free bridge output voltage results:
UB = 2.U0.C.cosθ.U B = 2.U 0 .C.cosθ.
Um ein solches Sensorelement auf einem Substrat, beispielsweise einem Chip, in kompakter Form herstellen zu können, ist weiter bekannt, die Referenzschicht in Form dreier übereinander liegender Teilschichten auszubilden, wobei eine Kupferschicht von einigen Å Dicke zwei dünne Cobaltschichten voneinander trennt, die je eine unterschiedlich starke und entgegengerichtete Magnetisierung mit jeweils einem daraus resultierenden magnetischen Moment aufweisen, und die über die Kupferschicht magnetisch miteinander gekoppelt sind. Eine derartig aufgebaute Referenzschicht wird als "künstlicher Antiferromagnet" oder "künstlichantiferromagnetische" Referenzschicht bezeichnet, da weder Kobalt noch Kupfer antiferromagnetisch ist.Such a sensor element on a substrate, for example a chip that can be produced in a compact form is further known, the reference layer in the form of three on top of each other to form lying partial layers, with a copper layer A few Å thick, two thin layers of cobalt from each other separates, each a different strength and opposing magnetization with one each resultant magnetic moment, and that over the Copper layer are magnetically coupled to one another. A reference layer constructed in this way is called "artificial Antiferromagnet "or" artificially antiferromagnetic " Reference layer referred to, since neither cobalt nor copper is antiferromagnetic.
Mit derartigen, bekannten Sensorelementen lassen sich die Referenzmagnetisierungen m2 der Referenzschichten der einzelnen magnetoresistiven Schichtsysteme erst nach dem Erzeugen der magnetoresistiven Schichtsysteme in Brückenschaltung auf einem Chip erzeugen, indem nach Deposition der Schichtsysteme auf dem Chip lokal mittels eines äußeren Magnetfeldes die Magnetisierungen m2 der einzelnen Referenzschichten der magnetoresistiven Schichtsysteme erst definiert erzeugt werden.With such a known sensor elements, the reference magnetizations blank m 2 generate the reference layers of the individual magnetoresistive layer systems only after the generating of the magnetoresistive layer systems in a bridge circuit on a chip by after deposition of the layer systems on the chip locally by means of an external magnetic field the magnetizations m 2 of the individual Reference layers of the magnetoresistive layer systems are only generated in a defined manner.
Dies ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelementen möglich, weil die "künstlich- antiferromagnetische" Referenzschicht durch das resultierende magnetische Moment ihrer beiden Teilschichten aus Kobalt durch ein in der Regel besonders starkes, bei der Herstellung des Sensorelementes beispielsweise über magnetische Schreibköpfe angelegtes lokales äußeres Magnetfeld beeinflußbar, und darüber insgesamt die Magnetisierung m2 der Referenzschicht in ihrer Richtung einstellbar ist. Somit können lokal unterschiedlich gerichtete Referenzmagnetisierungen m2 in unterschiedlichen magnetoresistiven Schichtsystemen durch einmaliges Einprägen bei der Produktion über starke lokale äußere Magnetfelder auf dem Chip erhalten werden.This is possible in the case of the sensor elements known from the prior art, because the "artificial-antiferromagnetic" reference layer due to the resulting magnetic moment of its two sub-layers made of cobalt, as a rule a particularly strong local one, created during the manufacture of the sensor element, for example via magnetic writing heads External magnetic field can be influenced, and the overall direction of the magnetization m 2 of the reference layer can be adjusted. Thus, locally different reference magnetizations m 2 can be obtained in different magnetoresistive layer systems by one-time impressing during production via strong local external magnetic fields on the chip.
Ein derartiges Sensorelement wird bereits durch die Fa. Infineon Technologies AG, 81609 München unter der Bezeichnung GMR B6 angeboten und ist mit weiteren detaillierten Angaben zu Aufbau und Funktion unter http://www.infineon.com/products/38/38.htm im Internet beschrieben.Such a sensor element is already being manufactured by Infineon Technologies AG, 81609 Munich under the designation GMR B6 offered and is with further detailed information on construction and function at http://www.infineon.com/products/38/38.htm in Internet described.
Das erfindungsgemäße, magnetisch sensitive Bauteil mit magnetoresistiven Schichtsystemen in Brückenschaltung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit über einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis 150°C eine weitgehend Offset-freie und temperaturunabhängige Ausgangsspannung erhalten werden kann, wobei das magnetisch sensitive Bauteil, beispielsweise als Sensorelement, vorteilhaft auf einem Substrat oder Chip sehr kompakt, vorzugsweise monolithisch integriert, aufgebaut ist. Dies erspart einen aufwendigen nachträglichen Aufbau und eine nachträgliche Verschaltung der einzelnen magnetoresistiven Schichtsysteme bzw. zusätzlichen Widerstände. The magnetically sensitive component according to the invention with has magnetoresistive layer systems in bridge circuit the advantage over the prior art that over a wide temperature range from -40 ° C to 150 ° C largely offset-free and temperature-independent Output voltage can be obtained, which is magnetic sensitive component, for example as a sensor element, advantageous very compact on a substrate or chip, preferably monolithically integrated, is built. This saves you elaborate retrofit and a retrofit Interconnection of the individual magnetoresistive layer systems or additional resistances.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße magnetisch sensitive Bauteil mit einem gängigen, in der Serienfertigung zur Herstellung von Schichtsystemen und deren Mikrostrukturierung eingesetzten Verfahren hergestellt werden, das gut beherrschbar ist.Furthermore, the magnetically sensitive component according to the invention with a common, in series production for the production of Layer systems and their microstructuring used Processes are produced that are easy to control.
Sehr vorteilhaft ist weiterhin, daß das erfindungsgemäße magnetisch sensitive Bauteil, insbesondere bei der Verwendung als Sensorelement, auch unter dem Einfluß starker äußerer Magnetfelder oder magnetischer Störfelder stets unverändert bleibt, und es nicht zu irreversiblen Beeinträchtigungen oder einem relevanten zeitlichen Drift der Sensorcharakteristik oder des GMR-Effektes oder TMR-Effektes ("Tunnel Magnetic Resistance") der einzelnen Schichtsysteme, insbesondere durch Veränderung der Richtung der Magnetisierung m2 der Referenzschicht und damit des Referenzwertes für den Winkel θ, kommt.It is also very advantageous that the magnetically sensitive component according to the invention, in particular when used as a sensor element, always remains unchanged even under the influence of strong external magnetic fields or magnetic interference fields, and that it does not lead to irreversible impairments or a relevant temporal drift of the sensor characteristics or the GMR. Effect or TMR effect ("Tunnel Magnetic Resistance") of the individual layer systems, in particular by changing the direction of the magnetization m 2 of the reference layer and thus the reference value for the angle θ.
Unter starken Magnetfeldern werden dabei insbesondere Magnetfelder mit H < 15 kA/m verstanden.In particular, strong magnetic fields Magnetic fields with H <15 kA / m understood.
Damit weist das erfindungsgemäße, magnetisch sensitive Bauteil eine besonders hohe Zuverlässigkeit, Störunempfindlichkeit und Meßgenauigkeit, insbesondere hinsichtlich der Winkelgenauigkeit, sowie zeitliche Konstanz und Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses auf.The magnetically sensitive component according to the invention thus has a particularly high reliability, immunity to interference and Measuring accuracy, especially with regard to angular accuracy, as well as temporal constancy and reproducibility of the Measurement result.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.Advantageous developments of the invention result from the measures listed in the subclaims.
So ist es besonders vorteilhaft, daß der Meßbereich des erfindungsgemäßen Sensorelementes bei Betrieb als Winkelsensor einen Winkelbereich von 360° umfassen kann. So it is particularly advantageous that the measuring range of the sensor element according to the invention when operated as an angle sensor can include an angular range of 360 °.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Referenzschicht eine Strukturierung, insbesondere eine Wellen- oder sägezahnförmige Topographie mit uniaxialer Vorzugsrichtung aufweist, wobei die einzelnen Wellen dieser Topographie vorteilhaft möglichst parallel zu der Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht ausgerichtet sind. Diese Form der Strukturierung führt zu einer besonders stabilen und gegenüber Störungen unempfindlichen Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht.It is also advantageous if the reference layer has a Structuring, especially a wave or sawtooth-shaped topography with uniaxial preferred direction has, the individual waves of this topography advantageously as parallel as possible to the direction of the Magnetization of the reference layer are aligned. This Form of structuring leads to a particularly stable and direction insensitive to interference Magnetization of the reference layer.
Im übrigen kann das erfindungsgemäße Schichtsystem in einfacher Weise auch als TMR-Sensorelement oder TMR- Speicherelement ("Tunnel Magnetic Resistance") betrieben werden. Dazu ist lediglich die Zwischenschicht in Form einer dünnen dielektrischen Schicht auszubilden und ein elektrischer Strom senkrecht zu der Ebene der Zwischenschicht anzulegen. Die Zwischenschicht wirkt in diesem Fall als Tunnelbarriere, wobei vorteilhaft große Widerstandsänderungen dieser Tunnelbarriere für Ströme senkrecht zu der Ebene der Zwischenschicht als Funktion eines äußeren Magnetfeldes auftreten.In addition, the layer system according to the invention can in simply as a TMR sensor element or TMR Storage element ("Tunnel Magnetic Resistance") operated become. For this purpose, only the intermediate layer is in the form of a form a thin dielectric layer and a electric current perpendicular to the plane of the Apply intermediate layer. The intermediate layer works in this case as a tunnel barrier, advantageously large Resistance changes of this tunnel barrier for currents perpendicular to the plane of the intermediate layer as a function of an external magnetic field.
Insgesamt eignet sich das erfindungsgemäße Schichtsystem vorteilhaft zum Einsatz in einem magnetischen Speicherelement (MRAM = "Magnetic Random Access Memory"), einem Magnetplattenlesekopf, einem GMR-Sensor (GMR = "Gigant Magnetic Resistance"), einem TMR-Sensor ("Tunnel Magnetic Resistance") oder allgemein in einem magnetischen Sensor zur berührungslosen Erfassung von Weg, Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit, sowie davon abgeleiteter physikalischer Meßgrößen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Overall, the layer system according to the invention is suitable advantageous for use in a magnetic storage element (MRAM = "Magnetic Random Access Memory"), one Magnetic disk reading head, a GMR sensor (GMR = "Gigant Magnetic Resistance "), a TMR sensor (" Tunnel Magnetic Resistance ") or generally in a magnetic sensor for non-contact Detection of distance, speed and angular velocity, as well as derived physical measurands, for example in motor vehicles.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are based on the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen Fig. 1 eine einfache Prinzipskizze eines magnetoresistiven Schichtsystems, Fig. 2 und Fig. 3 erläutern ein erstes Ausführungsbeispiel eines magnetisch sensitiven Bauteils mit magnetoresistiven Schichtsystemen in Brückenschaltung in Draufsicht, Fig. 4a und 4b ein zweites Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines magnetisch sensitiven Bauteils auf einem Substrat mit magnetoresistiven Schichtsystemen in streifenförmigen Gebieten im Schnitt, Fig. 4c eine Weiterführung von Fig. 4b, wobei ein Schichtsystem gemäß Fig. 3 entsteht, Fig. 5, ausgehend von Fig. 4b, ein zu Fig. 4c alternatives, weiteres Ausführungsbeispiel und Fig. 6 eine zu Fig. 2 alternative Ausführungsform gemäß Fig. 4a oder Fig. 5.In the drawings Fig. 1 is a simple schematic diagram of a magnetoresistive layer system, Fig. 2 and Fig. 3 illustrate a first embodiment of a magnetically sensitive component with magnetoresistive layer systems in a bridge circuit in plan view, Fig. 4a and 4b, a second embodiment for producing a magnetically sensitive component on a substrate having a magneto-resistive layer systems in strip-shaped regions in cross-section, Fig. 4c is a continuation of Fig. 4b, where a layer system 3 is formed as shown in Fig., Fig. 5, starting from Fig. 4b, a to Fig. 4c alternative, another embodiment and Fig. 6 shows an alternative to Fig. 2 embodiment of FIG. 4a or Fig. 5.
Die Fig. 1 zeigt zunächst eine Prinzipskizze eines magnetoresistiven Schichtsystems 20 mit einer Detektionsschicht 1 aus einem weichmagnetischen Material, die eine Magnetisierung m1 aufweist, die beispielsweise die durch den Pfeil angegebene Richtung hat. Weiterhin weist das Schichtsystem 20 eine Zwischenschicht 3 aus einem elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen Material auf, durch die ein Strom I in der Ebene der Zwischenschicht 3 fließt. Schließlich ist auf der Zwischenschicht 3 auf der der Detektionsschicht 1 gegenüberliegenden Seite eine Referenz schicht 2 aus einem hartmagnetischen Material aufgebracht, die eine Magnetisierung m2 aufweist, deren Richtung beispielsweise durch den Pfeil gegeben ist. Fig. 1 shows the schematic diagram of a magnetoresistive layer system 20 having a detection layer 1 of a soft magnetic material, the magnetization m 1 has, for example, has the direction indicated by the arrow. Furthermore, the layer system 20 has an intermediate layer 3 made of an electrically conductive, non-magnetic material, through which a current I flows in the plane of the intermediate layer 3 . Finally, on the intermediate layer 3 on the side opposite the detection layer 1 , a reference layer 2 made of a hard magnetic material is applied, which has a magnetization m 2 , the direction of which is given, for example, by the arrow.
Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze einer elektrischen Schaltung nach Art einer Wheatstone-Brücke 21, die aus einer ersten Halbbrücke 22 und aus einer zweiten Halbbrücke 23 besteht, die jeweils die Brückenwiderstände R1 und R2 sowie R3 und R4 aufweisen. In dieser Wheatstone-Brücke 21 wird zunächst eine äußere eingeprägte Spannung U0 angelegt und es werden weiterhin die Brückenwiderstände R1, R2, R3 und R4 derart abgeglichen oder dimensioniert, daß die Brücken spannung UB minimal, vorzugsweise Null, ist. In Fig. 2 werden die Brückenwiderstände R1, R2, R3 und R4 weiter jeweils durch ein magnetoresistives Schichtsystem 20 gebildet, wobei in Fig. 2 durch die Pfeile jeweils die Richtung der Magnetisierung m2 der Referenzschicht gemäß Fig. 1 angedeutet ist. Fig. 2 shows a schematic diagram of an electrical circuit in the manner of a Wheatstone bridge 21, which consists of a first half-bridge 22 and a second half-bridge 23, each having the bridge resistors R 1 and R 2 and R 3 and R 4. In this Wheatstone bridge 21 , an externally impressed voltage U 0 is first applied and the bridge resistances R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are further adjusted or dimensioned such that the bridge voltage U B is minimal, preferably zero. In FIG. 2, 1, the bridge resistors R 1, R 2, R 3 and R 4 are further respectively formed by a magnetoresistive layer system 20, wherein in Fig. 2 by the arrows, respectively, the direction of magnetization m 2 of the reference layer as shown in FIG. Indicated is .
Die Fig. 3 erläutert ein erstes Ausführungsbeispiel eines magnetisch sensitiven Bauteils 30 mit magnetoresistiven Schichtsystemen 20 in Brückenschaltung. Dazu sind die magnetoresistiven Schichtsysteme 20 auf einem Substrat 10 in einem ersten streifenförmigen Gebiet 31 und einem dritten streifenförmigen Gebiet 33 angeordnet, wobei die magnetoresistiven Schichtsysteme 20, die die Brückenwider stände R1 und R2 bilden, eine parallel zueinander ausgerichtete Magnetisierung m2 aufweisen, und die magneto resistiven Schichtsysteme 20, die die Brückenwiderstände R2 und R4 bilden, ebenfalls eine parallel zueinander aus gerichtete Magnetisierung m2 aufweisen. Die Richtung der Magnetisierung m2 der die Brückenwiderstände R1 und R3 bildenden Schichtsysteme 20 und die Richtung der Magnetisierung m2 der die Brückenwiderstände R2 und R4 bildenden Schichtsysteme 20 sind weiter einander entgegengerichtet. Fig. 3 illustrates a first embodiment of a magnetically sensitive component 30 with magnetoresistive layer systems 20 in the bridge circuit. For this purpose, the magnetoresistive layer systems 20 are arranged on a substrate 10 in a first strip-shaped region 31 and a third strip-shaped region 33 , the magnetoresistive layer systems 20 , which form the bridge resistances R 1 and R 2 , having a magnetization m 2 oriented parallel to one another, and the magnetoresistive layer systems 20 , which form the bridge resistors R 2 and R 4 , likewise have a magnetization m 2 oriented parallel to one another. The direction of the magnetization m 2 of the layer systems 20 forming the bridge resistors R 1 and R 3 and the direction of the magnetization m 2 of the layer systems 20 forming the bridge resistors R 2 and R 4 are further opposed to one another.
Die Verschaltung der einzelnen Brückenwiderstände gemäß Fig. 3 erfolgt analog der Fig. 2 in an sich bekannter Weise durch nicht dargestellte Leiterbahnen, die über an sich bekannte Strukturierungsverfahren aus der Mikro strukturtechnik aufgebracht bzw. erzeugt wurden. Da die Kontaktierung, Spannungsversorgung und Verschaltung dem Fachmann an sich bekannt ist, wird darauf im weiteren im Detail nicht eingegangen.The connection of the individual bridge resistors according to FIG. 3 is carried out analogously to FIG. 2 in a manner known per se by conductor tracks, not shown, which have been applied or generated using structuring methods known per se from microstructure technology. Since the contacting, power supply and interconnection are known per se to the person skilled in the art, they will not be dealt with in more detail below.
Die Fig. 4a und 4b bzw. 4a bis 4c erläutern den Herstellungsprozeß eines magnetisch sensitiven Bauteils 30 auf einem Substrat 10, wobei am Ende dieses Herstellungs prozesses ein magnetisch sensitives Bauteil 30 mit einem prinzipiellen Aufbau gemäß Fig. 3 entsteht. Insofern ist die Fig. 4c eine Schnittdarstellung der Fig. 3. FIGS. 4a and 4b and 4a to 4c illustrate the manufacturing process of a magnetically sensitive component 30 on a substrate 10, at the end of this manufacturing process, a magnetically sensitive component 30 having a basic structure shown in FIG. 3 is formed. In this respect, FIG. 4c is a sectional illustration of FIG. 3.
Im einzelnen geht man zur Herstellung eines erfindungsgemäßen, magnetisch sensitiven Bauteils 30 zunächst gemäß Fig. 4a von einem Substrat 10, beispielsweise einem Siliziumwafer oder einem Chip, aus, dessen Oberfläche aus thermisch oxidiertem Silizium besteht. Auf die Oberfläche des Substrates 10 wird weiter zunächst, beispielsweise in Sputtertechnik, eine optionale Bufferschicht 11 aufgebracht, die aus einer einige nm dicken Tantalschicht oder einer einige nm dicken NiFe-Schicht besteht. Auf der Bufferschicht 11 wird anschließend in sich bekannter Weise eine Detektionsschicht 1 aufgebracht, die bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere NiFe oder FeCo, besteht. Die Detektionsschicht 1 wird dabei in an sich bekannter Weise derart abgeschieden, daß diese eine Magnetisierung m1 aufweist, deren Richtung unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes veränderbar ist, und die sich jeweils derart einstellt, daß sie zumindest weitgehend parallel zu einer am Ort des jeweiligen, dort zu erzeugenden magnetoresistiven Schichtsystems 20 parallel zu einer zu der Ebene der Detektionsschicht 1 gerichteten Komponente des äußeren Magnetfeldes orientiert ist.In particular, FIG one goes to the production of a component 30 according to the invention, the magnetic sensitive first invention. 4a of a substrate 10, such as a silicon wafer or a chip from the surface of which is made of thermally oxidized silicon. Furthermore, an optional buffer layer 11 is first applied to the surface of the substrate 10 , for example using sputtering technology, and consists of a tantalum layer a few nm thick or a NiFe layer a few nm thick. A detection layer 1 , which preferably consists of a soft magnetic material, in particular NiFe or FeCo, is then applied to the buffer layer 11 in a manner known per se. The detection layer 1 is deposited in a manner known per se in such a way that it has a magnetization m 1 , the direction of which can be changed under the influence of an external magnetic field, and which adjusts itself in such a way that it is at least largely parallel to one at the location of the respective one , magnetoresistive layer system 20 to be produced there is oriented parallel to a component of the external magnetic field directed to the plane of the detection layer 1 .
Auf der Detektionsschicht 1 wird in einem nächsten Schritt dann eine Zwischenschicht 3 abgeschieden. Diese Zwischenschicht 3 besteht im erläuterten Beispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem unmagnetischen Metall wie Kupfer.In a next step, an intermediate layer 3 is then deposited on the detection layer 1 . In the example explained, this intermediate layer 3 consists of an electrically conductive material, preferably a non-magnetic metal such as copper.
Sofern man anstelle eines GMR-Sensorelements ein TMR- Sensorelement aufbauen möchte, eignet sich als Material für die Zwischenschicht 3 jedoch auch ein dielektrisches Material, vorzugsweise Aluminiumoxid. Da die prinzipielle Funktionsweise von GMR-Sensorelementen oder TMR- Sensorelementen bekannt ist, wird auf deren Funktionsweise im einzelnen nicht näher eingegangen.If you want to build a TMR sensor element instead of a GMR sensor element, a dielectric material, preferably aluminum oxide, is also suitable as the material for the intermediate layer 3 . Since the basic mode of operation of GMR sensor elements or TMR sensor elements is known, their mode of operation will not be discussed in detail.
Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 3 wird dann gemäß Fig. 4a im Bereich eines zweiten streifenförmigen Gebietes 32 eine Strukturierung in Form einer Opferschicht 12, beispielsweise durch Aufbringen eines entsprechend strukturierten Fotolacks als Maskierung, erzeugt. Nach dem Abscheiden dieser Opferschicht 12 wird dann flächig, insbesondere auch auf der Opferschicht 12, eine erste Teilschicht 2a der Referenzschicht 2 aufgebracht, die bevorzugt aus einem hartmagnetischen Material, beispielsweise Cobalt homogener magnetischer Ausrichtung, oder einem weichmagnetischen Material, beispielsweise NiFe oder FeCo, besteht. Auf der ersten Teilschicht 2a wird dann eine zweite Teilschicht 2b erzeugt, die aus einem antiferromagnetischen Material besteht.After application of the intermediate layer 3 is then in accordance with Fig. 4a is a structuring in the form of a sacrificial layer 12, produced in the region of a second strip-shaped region 32, for example by applying a suitably patterned photoresist as a masking. After the deposition of this sacrificial layer 12 is then surface, in particular a reference layer 2 is applied on the sacrificial layer 12, a first part layer 2, preferably made of a hard magnetic material such as cobalt homogeneous magnetic orientation, or a soft magnetic material, for example NiFe or FeCo, consists. A second sub-layer 2 b is then produced on the first sub-layer 2 a, which consists of an antiferromagnetic material.
Im einzelnen wird dazu die zweite Teilschicht 2b beispielsweise durch eine NiO-, Iridium-Mangan-, Platin- Mangan- oder Mangan-Eisen-Schicht von einigen nm Dicke gebildet. Gleichzeitig wird zur Erzeugung der Richtung der Magnetisierung m2 während der Abscheidung der zweiten Teilschicht 2b und vorzugsweise auch während der Abscheidung der ersten Teilschicht 2a der Referenzschicht 2 ein homogenes äußeres Magnetfeld H angelegt, das in Fig. 4a durch seine Richtung mit dem eingezeichneten Pfeil gekennzeichnet ist, und das in der Referenzschicht 2 eine entsprechende Ausrichtung der Magnetisierung m2 der Referenzschicht 2 bewirkt.In detail, the second sub-layer 2 b is formed, for example, by a NiO, iridium-manganese, platinum-manganese or manganese-iron layer of a few nm in thickness. At the same time the direction of the magnetization is used to generate m 2 during the deposition of the second partial layer 2 b and preferably also applied a homogeneous external magnetic field H during deposition of the first part layer 2a of the reference layer 2, depicted in Fig. 4a by its direction with the characterized arrow, and a corresponding orientation of the magnetization in the reference layer 2 m 2 causes the reference layer. 2
Im einzelnen bewirkt die zweite, antiferromagnetische Teilschicht 2b durch das Abscheiden während eines anliegenden, gerichteten äußeren Magnetfeldes H in an sich bekannter Weise eine permanente Induktion und Stabilisierung der Richtung der Magnetisierung der ersten Teilschicht 2a, so daß sich deren Richtung nach dem Abscheiden und nach Ab schalten des bei der Deposition angelegten äußeren Magnetfeldes H durch danach auftretende äußere Magnetfelder oder Störfelder nicht mehr zu verändern vermag. Somit wird erreicht, daß die Richtung der Magnetisierung m2 in der Referenzschicht 2 fest fixiert ist. In detail, the second, antiferromagnetic sub-layer 2 b causes a permanent induction and stabilization of the direction of the magnetization of the first sub-layer 2 a by the deposition during an adjacent, directed external magnetic field H in a manner known per se, so that its direction after the deposition and after switching off the external magnetic field H created during deposition, it is no longer able to change due to external magnetic fields or interference fields occurring thereafter. It is thus achieved that the direction of the magnetization m 2 is fixed in the reference layer 2 .
In Fig. 4b ist dargestellt, wie nach der Abscheidung der Referenzschicht 2 die Opferschicht 12 durch einen so genannten, an sich bekannten Lift-Off-Prozeß entfernt wird, so daß sich eine Strukturierung der Oberfläche des Substrates 10 in benachbarte, streifenförmige Gebiete 31, 32 ergibt, wobei lediglich in dem Gebiet 31 die Referenzschicht 2 mit ihrer zugeordneten Magnetisierung m2 verbleibt. Im Bereich des zweiten streifenförmigen Gebietes 32 dagegen wurde die zuvor dort auf der Opferschicht 12 abgeschiedene Referenzschicht 2 wieder entfernt.In Fig. 4b as the sacrificial layer 12 off process elevator is removed after the deposition of the reference layer 2 by a so-called, known per se is shown, so that a structuring of the surface of the substrate 10 in adjacent strip-shaped regions 31, 32 results, the reference layer 2 with its associated magnetization m 2 remaining only in the region 31 . In the area of the second strip-shaped area 32, however, the reference layer 2 previously deposited there on the sacrificial layer 12 was removed again.
Das Schichtsystem gemäß Fig. 4b wird dann weiterhin derart oberflächlich strukturiert, daß innerhalb des ersten und des zweiten streifenförmigen Gebietes 31, 32 je zwei, flächig oder mäanderförmig ausgebildete Brückenwiderstände entstehen. Dazu werden aus dem ersten Gebiet 31 die beiden Brückenwiderstände R2 und R4 und aus dem zweiten Gebiet 32 die beiden Brückenwiderstände R5 und R6 gemäß Fig. 6 herausstrukturiert, und über die beiden Halbbrücken 22, 23 zu der Wheatstone-Brücke 21 verschaltet. Dabei sind die Brückenwiderstände R5 und R6 in diesem Ausführungsbeispiel rein Ohm'sche, durch die Zwischenschicht 3 bzw. die Detektionsschicht 1 gebildete Widerstände, die keinen GMR- Effekt aufweisen.The layer system according to FIG. 4b is then further structured on the surface in such a way that two, flat or meandering bridge resistances are formed within the first and the second strip-shaped region 31 , 32 . For this purpose, the two bridge resistors R 2 and R 4 are structured out of the first region 31 and the two bridge resistors R 5 and R 6 are structured out of the second region 32, as shown in FIG. 6, and connected to the Wheatstone bridge 21 via the two half bridges 22 , 23 . The bridge resistors R 5 and R 6 in this exemplary embodiment are purely ohmic resistors formed by the intermediate layer 3 or the detection layer 1 and have no GMR effect.
Die Fig. 4c erläutert in Weiterführung von Fig. 4b ein weiteres Ausführungsbeispiel und sieht dazu vor, auf dem Substrat 10 zusätzlich eine zweite Referenzschicht 2' abzuscheiden. Deren Aufbau ist zunächst völlig analog dem Aufbau der Referenzschicht 2, sie erstreckt sich jedoch die gesamte Oberfläche des Substrates 10. Weiterhin wird während der Abscheidung der zweiten Referenzschicht 2' die Richtung des bei der Deposition anliegenden äußeren Magnetfeldes H entgegengesetzt der bei der Abscheidung der ersten Referenzschicht 2 gewählten Richtung des äußeren Magnetfeldes H gewählt. Fig. 4c explained in continuation of Fig. 4b is a further exemplary embodiment, and thus provides for, on the substrate 10 in addition a second reference layer 2 'deposit. Its structure is initially completely analogous to the structure of the reference layer 2 , but it extends over the entire surface of the substrate 10 . Furthermore, during the deposition of the second reference layer 2 ′, the direction of the external magnetic field H applied during the deposition is selected opposite to the direction of the external magnetic field H selected during the deposition of the first reference layer 2 .
Dadurch entsteht auf dem Substrat 10 ein drittes, streifenförmiges Gebiet 33, in dem sich auf der Zwischenschicht 3 die zweite Referenzschicht 2' befindet, die selbst aus einer dritten Teilschicht 2a' und einer vierten Teilschicht 2b' umgebildet ist. Die dritte Teilschicht 2a' ist dabei analog zur ersten Teilschicht 2a und die vierte Teilschicht 2b' ist analog zur zweiten Teilschicht 2b in Fig. 4a ausgebildet.This produces on the substrate 10 a third strip-shaped region 33, the second reference layer 2 'is located, which itself consists of a third sub-layer 2a' in which on the intermediate layer 3, and a fourth sub-layer 2 reshuffled b '. The third sub-layer 2a 'is analogous to the first sub-layer 2a and the fourth partial layer 2 b' is analogous to the second part layer 2b in Fig. 4a is formed.
Die beiden Referenzschichten 2' und 2 in Fig. 4c unterscheiden sich jedoch dadurch, daß die Richtung der jeweiligen Magnetisierungen m2 und m2' beispielsweise zueinander entgegengesetzt gerichtet sind.However, the two reference layers 2 'and 2 in FIG. 4c differ in that the direction of the respective magnetizations m 2 and m 2' are directed opposite to each other, for example.
Nach der Fertigstellung des Schichtaufbau gemäß Fig. 4c und deren oberflächlicher Strukturierung in Brückenwiderstände R1 bis R4 gemäß Fig. 3 wird dann die Oberfläche des Substrates 10 in an sich bekannter Weise durch Aufbringen von Leitungsschichten zur Verschaltung sowie Isolations- und Schutzschichten entsprechend dem Stand der Technik versehen.After completion of the layer structure according to FIG. 4c and its superficial structuring in bridge resistors R 1 to R 4 according to FIG. 3, the surface of the substrate 10 is then applied in a manner known per se by applying line layers for connection as well as insulation and protective layers according to the state the technology.
Diese Verschaltung erfolgt dabei derart, daß im Bereich des dritten streifenförmigen Gebietes 33 zwei magnetoresistive Schichtsysteme 20 entstehen, die gemäß Fig. 3 als Brückenwiderstände R1 und R3 verschaltet sind. Analog erfolgt die Verschaltung in dem ersten streifenförmigen Gebiet 31 derart, daß ebenfalls zwei magnetoresistive Schichtsysteme 20 entstehen, die als Brückenwiderstände R2 und R4 gemäß Fig. 3 verschaltet sind.This connection takes place in such a way that two magnetoresistive layer systems 20 are formed in the region of the third strip-shaped region 33 , which are connected as bridge resistors R 1 and R 3 according to FIG. 3. The connection in the first strip-shaped region 31 is carried out analogously in such a way that two magnetoresistive layer systems 20 are likewise formed, which are connected as bridge resistors R 2 and R 4 according to FIG. 3.
Auf diese Weise ist eine elektrische Schaltung in Form einer Wheatstone-Brücke 21 entstanden, wobei die Brückenwider stände R1 bis R4 durch magnetoresisitve Schichtsysteme 20 gebildet werden, von denen jeweils zwei eine zueinander parallele Richtung der Magnetisierung m2 bzw. m2' aufweisen. Somit entspricht das dritte Gebiet 33 dem ersten Streifen 5 in Fig. 3 und das erste Gebiet 31 in dem zweiten Streifen 6 in Fig. 3. Die erzeugte Wheatstone-Brücke 21 besteht weiter aus einer ersten Halbbrücke 22 und einer zweiten Halbbrücke 23 und ist in an sich bekannter Weise mit der anliegenden äußeren Spannung 110 und andererseits mit einer Vorrichtung zur Messung der Brückenspannung UB verbunden.In this way, an electrical circuit in the form of a Wheatstone bridge 21 has been created, the bridge resistances R 1 to R 4 being formed by magnetoresistive layer systems 20 , two of which each have a mutually parallel direction of magnetization m 2 or m 2 ' . The third region 33 thus corresponds to the first stripe 5 in FIG. 3 and the first region 31 in the second stripe 6 in FIG. 3. The Wheatstone bridge 21 produced further consists of a first half-bridge 22 and a second half-bridge 23 and is in in a manner known per se with the applied external voltage 110 and, on the other hand, with a device for measuring the bridge voltage U B.
Es ist im übrigen offensichtlich, daß auf dem Substrat 10 gemäß Fig. 4b oder Fig. 4c auch mehrere Wheatstone-Brücken 21 erzeugt werden können, indem das Substrat 10 in streifenförmigen Gebieten strukturiert wird, die jeweils entsprechende, bei Bedarf auch unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen.It is moreover obvious that a plurality of Wheatstone bridges 21 can also be produced on the substrate 10 according to FIG. 4b or FIG. 4c by structuring the substrate 10 in strip-shaped regions, each of which has corresponding, if necessary also different magnetization directions.
Sofern mehrere Wheatstone-Brücken 21 auf einem Substrat 10 erzeugt bzw. herausstrukturiert werden, erfolgt dies weiter bevorzugt derart, daß in den verschiedenen Schichtsystemen 20, die jeweils diese Wheatstone-Brücken 21 bilden, die Magnetisierungsrichtungen m2 bzw. m2' zwischen den einzelnen Brücken 21 senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise ist mit einem magnetisch sensitiven Bauteil 30 eine Winkelmessung über volle 360° möglich, wobei die übrigen erfindungsgemäßen Vorteile gewahrt bleiben. If a plurality of Wheatstone bridges 21 are produced or structured out on a substrate 10 , this is preferably done in such a way that in the different layer systems 20 , which each form these Wheatstone bridges 21 , the magnetization directions m 2 and m 2 ' between the individual ones Bridges 21 are aligned perpendicular to each other. In this way, an angle measurement over a full 360 ° is possible with a magnetically sensitive component 30 , the other advantages according to the invention being retained.
Die Fig. 6 erläutert ein Ausführungsbeispiel, bei dem gegenüber Fig. 2 bzw. Fig. 3 die Brückenwiderstände R5 und R6 als inaktive Brückenwiderstände ausgebildet sind. Somit enthält eine Wheatstone-Brücke 21 gemäß Fig. 6 zwei Halbbrücken 22, 23 die jeweils einen Brückenwiderstand R2, R4 aufweisen, die selbst jeweils durch ein magnetoresistives Schichtsystem 20 mit einer Referenzschicht 2, 2' gebildet werden. Im einzelnen wird dazu das Substrat 10, wie vorstehend bereits erläutert, zunächst vollständig analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel strukturiert, so daß ein Schichtaufbau des magnetisch-sensitiven Bauteils 30 entsteht, wie er mit Hilfe von Fig. 4b erläutert ist. Anschließend wird dann jedoch auf die Abscheidung der zweiten Referenzschicht 2', wie dies im vorstehenden Ausführungsbeispiel mit der Fig. 4c erläutert wurde, verzichtet, und es erfolgt unmittelbar eine Strukturierung des ersten bzw. zweiten Gebietes 31, 32 in Fig. 4b. FIG. 6 explains an exemplary embodiment in which the bridge resistors R 5 and R 6 are designed as inactive bridge resistors compared to FIG. 2 or FIG. 3. Thus 21 includes a Wheatstone bridge as shown in FIG. 6, two half-bridges 22, 23 each having a bridge resistance R 2, R 4, which are themselves each formed by a magnetoresistive layer system 20 having a reference layer 2, 2 '. In detail, the substrate 10 , as already explained above, is initially structured completely analogously to the first exemplary embodiment, so that a layer structure of the magnetically sensitive component 30 is produced, as is explained with the aid of FIG. 4b. Subsequently, however, the deposition of the second reference layer 2 ', as was explained in the above exemplary embodiment with FIG. 4c, is dispensed with, and the first or second region 31 , 32 in FIG. 4b is structured immediately.
Im einzelnen werden dazu aus dem ersten Gebiet 31 zwei magnetoresistive Schichtsysteme 20 herausstrukturiert, die eine gleiche Richtung der Magnetisierung m2 aufweisen, und die im weiteren die Brückenwiderstände R2 und R4 gemäß Fig. 6 bilden. Die Richtung der Magnetisierung m2 in Fig. 6 ist dabei durch den eingezeichneten Pfeil gegeben. Weiter wird in Fig. 4b ebenso das zweite Gebiet 32 in an sich bekannter Weise derart strukturiert, daß zwei inaktive Brückenwiderstände R5 und R6 entstehen. Danach werden diese Brückenwiderstände R2, R4, R5 und R6 in an sich bekannter Weise zu der Wheatstone-Brücke 21 gemäß Fig. 6 verschaltet, und, wie im vorherigen Ausführungsbeispiel bereits ausgeführt, mit Leitungsschichten zur Verschaltung sowie Isolations- und Schutzschichten entsprechend dem Stand der Technik versehen.In particular, two magnetoresistive layer systems 20 are structured out of the first region 31 , which have the same direction of magnetization m 2 and which furthermore form the bridge resistances R 2 and R 4 according to FIG. 6. The direction of the magnetization m 2 in FIG. 6 is given by the arrow shown. Next 4b as the second area 32 is in Fig. In a known manner so structured that two inactive bridge resistors R 5 and R cut into 6. Thereafter, these bridge resistors R 2 , R 4 , R 5 and R 6 are connected in a manner known per se to the Wheatstone bridge 21 according to FIG. 6, and, as already explained in the previous exemplary embodiment, with line layers for connection as well as insulation and protective layers provided according to the state of the art.
Die beiden inaktiven Brückenwiderstände R5 und R6 werden somit in Fig. 6 durch die Zwischenschicht 3 gebildet und sind lediglich ohmsche Widerstände, die nicht sensitiv auf die Richtung eines äußeren Magnetfeldes sind. Somit enthält die Wheatstone-Brücke 21 gemäß Fig. 6 lediglich zwei magnetoresistive Schichtsysteme 20, die beispielsweise eine gleichgerichtete Richtung der Magnetisierung aufweisen, und wobei jeder Halbbrücke 22, 23 der Wheatstone-Brücke 21 jeweils ein magnetoresistives Schichtsystem 20 zugeordnet ist.The two inactive bridge resistors R 5 and R 6 are thus formed in FIG. 6 by the intermediate layer 3 and are merely ohmic resistors which are not sensitive to the direction of an external magnetic field. Thus, the Wheatstone bridge includes 21 according to Fig. 6, only two magnetoresistive layer systems 20, which comprise for example a rectified direction of magnetization, and wherein each half-bridge 22, 23 of the Wheatstone bridge 21, a magnetoresistive layer system 20 is associated in each case.
Die erhaltene Brückenausgangsspannung UB der Wheatstone- Brücke 21 gemäß Fig. 6 beträgt zwar bei gleicher eingeprägter Spannung U0 lediglich die Hälfte der Schaltung gemäß Fig. 2 mit vier magnetoresistiven Schichtsystemen 20 als Brückenwiderstände R1, R2, R3 und R4, der Vorteil eines temperaturunabhängigen Offsets der Brückenausgangsspannung UB bleibt jedoch auch in Fig. 6 erhalten, da alle Brückenwiderstände R2, R4, R5 und R6 aus dem gleichen Material bestehen.The obtained bridge output voltage U B of the Wheatstone bridge 21 according to FIG. 6 is only half of the circuit according to FIG. 2 with four magnetoresistive layer systems 20 as bridge resistors R 1 , R 2 , R 3 and R 4 with the same impressed voltage U 0 , However, the advantage of a temperature-independent offset of the bridge output voltage U B is also retained in FIG. 6, since all bridge resistors R 2 , R 4 , R 5 and R 6 consist of the same material.
Im übrigen sei betont, daß es ebenso möglich ist, die Brückenwiderstände R5 und R6 als externe ohmsche Widerstände auszuführen, das heißt als Widerstände, die nicht auf dem Substrat 10 erzeugt worden sind, sondern die mittels einer elektronischen Schaltung in an sich bekannter Weise als externe Widerstände mit den auf dem Substrat 10 befindlichen, magnetisch sensitiven Brückenwiderständen R2 und R4 in der erläuterten Art nach der Art einer Wheatstone- Brücke bzw. zwei Halbbrücken verschaltet sind.Furthermore, it should be emphasized that it is also possible to design the bridge resistors R 5 and R 6 as external ohmic resistors, that is to say as resistors which have not been produced on the substrate 10 , but rather by means of an electronic circuit in a manner known per se are connected as external resistors to the magnetically sensitive bridge resistors R 2 and R 4 on the substrate 10 in the manner described, in the manner of a Wheatstone bridge or two half bridges.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung eines magnetisch sensitiven Bauteils 30 mit einer Wheatstone- Brücke 21, die gemäß Fig. 6 verschaltet ist, erläutert die Fig. 5. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 4b lediglich dadurch, daß in Fig. 5 in einem vierten Gebiet 34, das dem zweiten Gebiet 32 gemäß Fig. 4b entspricht, auch die erste Teilschicht 2a aufgebracht ist.A further exemplary embodiment for realizing a magnetically sensitive component 30 with a Wheatstone bridge 21 , which is connected according to FIG. 6, is explained in FIG. 5. The embodiment according to FIG. 5 differs from that according to FIG. 4b only in that in Fig. 5, the first part layer 2a is applied in a fourth region 34 corresponding to the second area 32 according to Fig. 4b.
Im einzelnen ist dazu zunächst gemäß Fig. 5 auf der gesamten Oberfläche des Substrates 10 die erste Teilschicht 2a aufgebracht worden. Danach erfolgt dann eine Strukturierung der Oberfläche des Substrates 10 in streifen förmige Gebiete 31, 34, beispielsweise über eine geeignete Maskierung im Bereich des vierten Gebietes 34, der dann eine Abscheidung der zweiten Teilschicht 2b bei gleichzeitig angelegtem äußerem Magnetfeld H entsprechend Fig. 4b zur Erzeugung einer gerichteten Magnetisierung m2 in dem ersten Gebiet 31 folgt. Anschließend wird dann die Maskierung im Bereich des vierten Gebietes wieder entfernt.In detail this, first shown in FIG. 5 on the entire surface of the substrate 10, the first part layer 2a been applied. The surface of the substrate 10 is then structured into strip-shaped regions 31 , 34 , for example via a suitable masking in the region of the fourth region 34 , which then deposits the second sub-layer 2 b with an external magnetic field H applied at the same time as shown in FIG. 4b Generation of a directed magnetization m 2 in the first region 31 follows. The masking in the area of the fourth region is then removed again.
Ansonsten ist die Erzeugung des Schichtaufbaus gemäß Fig. 5 völlig analog dem mit Hilfe der Fig. 4a und 4b erläuterten Ausführungsbeispiel, d. h. es wird in Fig. 5 auf der Oberfläche der Zwischenschicht 3 zunächst eine weichmagnetische erste Teilschicht 2a abgeschieden, die beispielsweise aus NiFe besteht, und danach in dem ersten streifenförmigen Gebiet 31 die antiferromagnetische Teilschicht 2b, beispielsweise aus NiO oder Iridium-Mangan, aufgebracht.Otherwise, the generation of the layer structure according to FIG. 5 is completely analogous to the exemplary embodiment explained with the aid of FIGS. 4a and 4b, ie a soft magnetic first partial layer 2 a is first deposited on the surface of the intermediate layer 3 in FIG. 5, for example made of NiFe consists, and then in the first strip-shaped region 31, the antiferromagnetic partial layer 2 b, for example made of NiO or iridium-manganese, applied.
Damit wird erreicht, daß sich die weichmagnetische erste Teilschicht 2a in dem streifenförmigen vierten Gebiet 34 stets in Richtung eines äußeren Magnetfeldes ausrichtet, so daß keine magnetfeldabhängige Widerstandsänderung hervorgerufen wird, während in dem ersten streifenförmigen Gebiet 31 durch die antiferromagnetische Teilschicht 2b in der ersten Teilschicht 2a eine stets auch bei starken äußeren Magnetfeldern oder Störfeldern zumindest weitgehend unbeeinflußt bleibende Magnetisierung vorliegt, deren Richtung konstant ist, und die somit als zuverlässige Referenz zur Verfügung steht.This ensures that the soft magnetic first partial layer 2 a in the strip-shaped fourth region 34 is always aligned in the direction of an external magnetic field, so that no change in resistance dependent on the magnetic field is caused, while in the first strip-shaped region 31 by the antiferromagnetic partial layer 2 b in the first part of layer 2 a is an always at least largely unaffected constant even under strong external magnetic fields or interference fields present magnetization whose direction is constant, and is thus available as a reliable reference.
Insgesamt wird somit in dem ersten streifenförmigen Gebiet 31 durch ein äußeres Magnetfeld eine Änderung der Richtung der Magnetisierung in der Detektionsschicht 1 bewirkt, so daß ein magnetoresistiver Effekt auftritt, wobei man ausnutzt, daß die antiferromagnetische zweite Teilschicht 2b kein äußeres resultierendes magnetisches Moment besitzt, so daß sie durch ein äußeres Magnetfeld nachträglich nicht ausgerichtet oder beeinflußt werden kann.Overall, a change in the direction of the magnetization in the detection layer 1 is thus brought about in the first strip-shaped region 31 by an external magnetic field, so that a magnetoresistive effect occurs, taking advantage of the fact that the antiferromagnetic second sub-layer 2 b has no external resulting magnetic moment, so that it cannot be subsequently aligned or influenced by an external magnetic field.
Es ist im übrigen offensichtlich, daß die mit Hilfe der Fig. 4a bis 4c sowie 5 erläuterten Schichtabfolgen in dem magnetisch sensitiven Bauteil 30 auch vertauscht werden können. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich, auf dem Substrat 10 zunächst eine Bufferschicht 11, darauf dann eine erste Referenzschicht 2 und gegebenenfalls eine zweite Referenzschicht 2' aufzubringen, auf der dann die Zwischenschicht 3 und nachfolgend die Detektionsschicht 1 abgeschieden wird.It is also obvious that the layer sequences explained with the aid of FIGS. 4a to 4c and 5 in the magnetically sensitive component 30 can also be interchanged. For example, it is easily possible to first apply a buffer layer 11 to the substrate 10 , then a first reference layer 2 and possibly a second reference layer 2 ', on which the intermediate layer 3 and subsequently the detection layer 1 are then deposited.
Weiterhin kann das magnetisch sensitive Bauteil 30 anstelle des GMR-Effektes auch den sogenannten TMR-Effekt nutzen, indem die Zwischenschicht 3 nicht leitfähig, sondern aus einem dielektrischen Material, insbesondere Al2O3, gebildet wird. In diesem Fall fließt der durch die äußere Spannungs quelle U0 erzeugte Strom I nicht in der Ebene der Zwischen schicht 3, sondern senkrecht dazu, wobei die Zwischenschicht 3 eine Tunnelbarriere bildet und der Tunnelstrom durch die Richtung der Magnetisierungen der Detektionsschicht 1 bzw. der ersten und/oder zweiten Referenzschicht 2, 2' bestimmt wird. Derartige Schaltungen sind dem Fachmann an sich bekannt.Furthermore, the magnetically sensitive component 30 can also use the so-called TMR effect instead of the GMR effect, in that the intermediate layer 3 is not formed in a conductive manner but instead from a dielectric material, in particular Al 2 O 3 . In this case, the source through the external voltage U does not flow 0 current I generated in the plane of the intermediate layer 3, but perpendicular to the intermediate layer 3 forms a tunnel barrier and the tunneling current by the direction of magnetization of the detection layer 1 and the first and / or second reference layer 2 , 2 'is determined. Such circuits are known per se to the person skilled in the art.
Weiterhin ist es in gewissen Fällen vorteilhaft, die erste bzw. dritte Teilschicht 2a, 2a' der Referenzschichten 2 bzw. 2' zumindest eines magnetoresistiven Schichtsystems 20 des magnetisch sensitiven Bauteils 30 zumindest oberflächlich und zumindest bereichsweise mit einer Strukturierung zu ver sehen, die zusätzlich zu der Wirkung der antiferro magnetischen zweiten bzw. vierten Teilschicht 2b, 2b' einer Änderung der Richtung der Magnetisierung m2 der ersten bzw. dritten Teilschicht 2a, 2a' entgegenwirkt.It is also advantageous in certain cases, the first and third sublayer 2 a, 2 a at least one magnetoresistive layer system 20 of the magnetically sensitive component 30 and at least partially, see 'the reference layers 2 and 2', at least superficially, with a structure to ver the in addition to the effect of the antiferro-magnetic second or fourth sub-layer 2 b, 2 b 'counteracts a change in the direction of magnetization m 2 of the first or third sub-layer 2 a, 2 a'.
Diese Strukturierung ist bevorzugt eine wellenförmige oder sägezahnförmige Topographie, deren Strukturen zumindest weitgehend eine uniaxiale Vorzugsrichtung aufweisen, die zumindest weitgehend parallel zu der Richtung der Magnetisierung m2 und/oder zumindest weitgehend parallel zu der Richtung der Magnetisierung m2' orientiert ist. This structuring is preferably a wavy or sawtooth-shaped topography, the structures of which at least largely have a uniaxial preferred direction which is oriented at least largely parallel to the direction of magnetization m 2 and / or at least largely parallel to the direction of magnetization m 2 ' .
11
Detektionsschicht
Detection layer
22nd
erste Referenzschicht
first reference layer
22nd
a erste Teilschicht
a first sub-layer
22nd
b zweite Teilschicht
b second sub-layer
22nd
' zweite Referenzschicht
'' second reference layer
22nd
a' dritte Teilschicht
a 'third sub-layer
22nd
b' vierte Teilschicht
b 'fourth sub-layer
33rd
Zwischenschicht
Intermediate layer
55
erster Streifen
first strip
66
zweiter Streifen
second strip
1010th
Substrat
Substrate
1111
Bufferschicht
Buffer layer
1212th
Opferschicht
Sacrificial layer
2020th
Schichtsystem
Layer system
2121
Wheatstone-Brücke
Wheatstone bridge
2222
erste Halbbrücke
first half bridge
2323
zweite Halbbrücke
second half bridge
3030th
magnetisch sensitives Bauteil
magnetically sensitive component
3131
erstes Gebiet
first area
3232
zweites Gebiet
second area
3333
drittes Gebiet
third area
3434
viertes Gebiet
fourth area
Claims (26)
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
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