DE102005054007A1

DE102005054007A1 - Herstellungsverfahren für magnetoresistive Bauelemente

Info

Publication number: DE102005054007A1
Application number: DE102005054007A
Authority: DE
Inventors: Axel Bartos; Ralf Noetzel; Armin Meisenberg
Original assignee: HL Planartechnik GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Herstellungsverfahren für magnetoresistive Bauelemente, wobei ein Bauelement aus mehr als einem Widerstand besteht und der Widerstand ein un- beziehungsweise schwachgekoppeltes Schichtsystem aufweist und die Widerstände Komponenten einer meßbrücke sind, wobei das Schichtsystem wenigstens aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist: DOLLAR A - wenigstens einer weichmagnetischen Meßschicht, bestehend aus mindestens einer magnetischen Schicht, mit einer Magnetisierung, die in einem weiten Magnetfeldbereich reversibel von einem äußeren Magnetfeld abhängt; DOLLAR A - einem Referenzschichtsystem, bestehend aus einem Mehrschichtsystem, das sich aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten zusammensetzen kann, das hartmagnetischer als die Meßschicht ist und seine Magnetisierungsrichtung bei denselben äußeren Magnetfeldern im wesentlichen beibehält; DOLLAR A - mindestens einer nicht-magnetischen Zwischenschicht, die Referenz- und Meßschichten voneinander trennt DOLLAR A und die Meßbrücke eine Brückenausgangsspannung V¶a¶ aufweist, die sich aus einem temperatur- und magnetfeldabhängigen Signal V¶a¶(H,T) und einem bauelementspezifischen, temperaturabhängigen Störterm V¶off¶(T) = V¶off¶(T¶0¶) + TCV¶off¶ È (T - T¶0¶) zusammensetzt, so daß V¶a¶ = V¶off¶ + V¶a¶(H,T) ist, wobei bei gegebener Temperatur T die Komponente TCV¶off¶ È (T - T¶0¶) des bauelementspezifischen Störterms V¶off¶ bei den hergestellten Bauelementen durch Einstellen der magnetischen Referenzrichtungen innerhalb der Meßbrücke auf einen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für magnetoresistive Bauelemente und betrifft insbesondere die Eigenschaftsunterschiede zwischen magnetoresistiven Bauelementen, die sich trotz gleicher Herstellungsschritte bei den Bauelementen einstellen.
Es ist bekannt, daß bei einigen Materialien der sogenannte Magnetowiderstandseffekt auftritt, also die Änderung des Ohmschen Widerstandes durch eine magnetfeldabhängige Streuung der Elektronen beim Transport.

Beim GMR-Effekt hängt der elektrische Widerstand vom Winkel zwischen den (resultierenden) Magnetisierungen zweier Ein- oder Mehrschichtsysteme ab, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Die den Widerstand verursachende Streuung der Elektronen wird vergrößert, wenn die Magnetisierungsrichtung der beiden Schichtsysteme nicht parallel ist. Für die Sensorik sind die beiden Schichtsysteme i.A. so ausgelegt, daß ein erstes Schichtsystem sehr leicht ummagnetisiert werden kann, also sehr weichmagnetisch ist, (i.A. ,free layer', FL) und ein zweites Schichtsystem seine Magnetisierung bei denselben magnetischen Feldern beibehält, also hartmagnetischer als das erste Schichtsystem ist (i.A. ,pinned layer', PL). Der ,free layer' nimmt die Aufgabe einer Meßschicht wahr, während der ,pinned layer' die Referenzrichtung der Magnetisierung bestimmt. Technologisch kann die Magnetisierungsrichtung des ,pinned layer' durch einen im direkten Kontakt vorhandenen natürlichen oder künstlichen Antiferromagneten oder einer Kombination beider festgehalten werden, der i.A. ebenfalls als Mehrschichtsystem aufgebaut ist. Je nach Stärke der Zwischenschichtkopplung unterscheidet man zwischen gekoppelten und ungekoppelten Systemen. Aus historischen Gründen spricht man bei un- oder schwachgekoppelten Systemen häufig von Spin Valves. Bei einem Sensor, der auf dem TMR-Effekt beruht, gelten dieselben Konventionen.

Beim GMR- und beim TMR-Effekt ist der Widerstand vom Winkel beta zwischen den Richtungen der Magnetisierung des ,free layer' und des ,pinned layer' abhängig. Wird in idealer Näherung die Magnetisierung des ,pinned layer' festgehalten, so daß nur die Magnetisierungsrichtung des ,free layer' vom äußeren Magnetfeld verändert wird, so gilt für die Widerstandsänderung die Beziehung

Der Winkel beta ist signalbestimmend.

Bezugnehmend auf eine im Bezugssystem des Sensors festgelegte Referenzrichtung definiert der Winkel alpha die Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht ,pinned layer' (vgl. 1).

Technologisch wird ein Widerstand R in Form eines Schichtstreifens mit einer Länge I und einer Streifenbreite b ausgeführt. Neben den geometrischen Größen und dem Flächenwiderstand (RF) des Schichtstreifens hängt der Widerstandswert ab von der Richtung der Referenzmagnetisierung alpha und dem signalbestimmenden Winkel beta:

wobei beta wiederum eine komplexe Funktion verschiedener Parameter ist β = β(H →,α,b,T),mit Magnetfeld (H) und Temperatur (T).

Einen Überblick über den Stand der Technik in Applikation und in den Schichtsystemen geben beispielsweise:
D.E. Heim et al., Design and Operation of Spin Valve Sensors, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 30 (1994) p. 316-321,
J. Daughton, GMR and SDT Sensor Applications; IEEE Transactions on Magnetics Volume 36 (2000) p. 2773-2776,
Tehrani, S.; Slaughter, J.M.; Chen, E.; Durlam, M.; Shi, J.; DeHerren, M.; Progreß and Outlook for MRAM Technology, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 35, Issue 5, (1999) p. 2814-2819.

Häufig besteht eine Meßbrücke aus 4 Widerständen R1, R2, R3, R4 von denen jeweils 2 in Reihe geschaltete Widerstände parallel verschaltet sind, diese Konfiguration nennt man Wheatstonebrücke (vgl. 2).

Aus den beiden Halbbrückenspannungen

ergibt sich die Brückenausgangsspannung Va = Vh,1 – Vh,2.

Fertigungstoleranzen bedingen, daß die Brückenausgangsspannung auch im nicht messenden Zustand nicht exakt Null ist. Diese Spannung bezeichnet man i.A. als Brückenoffset oder kurz Offset (V_off).

Zusätzlich ändert sich der Offset mit der Temperatur, so daß ein zusätzlicher Term V_off(delta T) zu berücksichtigen ist. In erster Näherung ist dieser linear mit der Temperatur, so daß dessen Temperaturabhängigkeit sehr oft durch einen einzigen Temperaturkoeffizienten angegeben wird. Die Temperaturabhängigkeit des Offsets läßt sich dann darstellen als Voff(T) = Voff(T0) + TCVoff·(T – T0),wobei T₀ eine Referenztemperatur darstellt.

Im Allgemeinen lassen sich die Beiträge nicht unterscheiden, d.h. der gemessene Wert setzt sich aus dem Signal und einem Störterm zusammen, wie beispielsweise anhand einer linearen Temperaturabhängigkeit in der nachfolgenden Gleichung ausgedrückt:

Besondere Vorkehrungen müssen getroffen werden, wenn das gemessene Signal in der Größenordnung des Offsets V_off(T₀) liegt, und, bzw. oder der durch die Temperatur bedingte Offset V_off(ΔT) = TCV_off·ΔT die Größenordnung des gemessenen Signals annimmt.

Der statistischen Natur des Offsets und seiner Temperaturabhängigkeit entsprechend schwanken beide Werte im Allgemeinen um einen Mittelwert X₀ = 0 mit einer Streuung S₀ ≠ 0. In der Massenfertigung von Bauteilen, insbesondere solche Sensoren, die auf dem Prinzip einer Wheatstonebrücke basieren, können sich daher auf einem Wafer benachbarte Elemente in den Vorzeichen dieser Größen unterscheiden, was die simple Korrektur in nachfolgenden Signalauswertungen nahezu unmöglich macht.

Zur Kompensation oder Unterdrückung des Offsets bzw. seines Temperaturkoeffizienten werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen:
US 5,877,626 beschreibt den Einsatz einer temperaturabhängigen äußeren Führung des magnetischen Flusses um Temperatureffekte zu kompensieren. US 6,100,686 versucht durch zwei identisch aufgebaute, in ihrer Signalantwort aber spiegelverkehrte Sensoren den Offset zu ermitteln, indem die Signale summiert werden. In einer nachgeschalteten Signalauswertung kann der Offset so eliminiert werden. Sofern beide Sensoren die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen, würde dieses Verfahren auch bei unterschied lichen Temperaturen funktionieren. Die Praxis zeigt jedoch, daß dies im Allgemeinen nicht der Fall ist.

Verschiedene Verfahren und Methoden werden zur Kompensation bzw. Manipulation der Temperaturabhängigkeit des Offsets vorgeschlagen:
JP057153483A beschreibt den Einsatz einer temperaturabhängigen Versorgungsspannung Vcc(T) zur Temperaturkompensation des Signals. Da der MR Effekt mit zunehmender Temperatur kleiner wird, soll die Versorgungsspannung mit der Temperatur im gleichen Maße angehoben werden, um eine konstante Signalamplitude zu gewährleisten. Im schlimmsten Fall vergrößert man aber auch den Offset des Sensors, da V_off[in V] = (V_off,0 + TCV_off·ΔT)·V_cc(T).

JP3268372A beschreibt den Einsatz einer zusätzlichen Unterschicht zur Reduzierung der Temperaturabhängigkeit des Brückenoffsets durch eine Homogenisierung der Materialeigenschaften, wodurch man sich eine Minimierung des Temperaturkoeffizienten des Offsets erhofft.

DE10052609A1 beabsichtigt, die Offset Drift durch ein Polynom dritter Ordnung zu kompensieren.

Die Temperaturkompensation für die Signalspannung einer Wheatstone-Brücke in wenigstens einem Kennlinienpunkt, also auch im Offset, ist in DE10342260A1 beschrieben, indem mindestens einer der Brückenwiderstände außer dem magnetoresistiven (Mehr-)Schichtsystem (mit einander gleichem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes) mindestens einen weiteren elektrisch in Reihe geschalteten Schichtstreifen mit einem anderem Temperaturkoeffizienten enthält.

Technologisch umgangen wird das Problem des Offsets bei der Messung sehr kleiner Felder durch den Einsatz einer integrierten, planaren Spule, wie sie in EP0544479A3 , beschrieben ist. Die integrierte Spule erzeugt ein Magnetfeld bekannter Stärke und Richtung, mit dem das zu messende Magnetfeld am Sensorort kompensiert werden kann. Geregelt wird der Spulenstrom auf ein konstantes Sensorausgangssignal. Somit ist die Stärke des Spulenstroms ein Maß für das äußere Magnetfeld.

Die Methode ist genau, hat aber mehrere signifikante Nachteile:

1. die Elektronik zur Signalaufbereitung und Auswertung ist sehr aufwendig und damit teuer
2. der Leistungsverbrauch ist hoch
3. die Spule benötigt viel Chipfläche und macht damit den Chip groß und teuer
4. sie kompensiert den Temperaturkoeffizienten des Offsets nicht

Der Brückenoffset kann nur durch den Einsatz einer zweiten Spule, der sog. set/reset coil, eliminiert werden, indem die Referenzrichtung im anisotropen magnetoresistiven Sensor periodisch um 180° geflippt wird [Set/Reset Pulse Circuits for Magnetic Sensors, Honeywell Applications Note, AN-201; A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Honeywell Technical Articles, beide unter http://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets.html#datasheets]. Zu den zuvor aufgeführten Nachteilen kommen jetzt noch weitere hinzu

1. die Elektronik zur Spulenansteuerung und Signalaufbereitung ist noch komplizierter und teurer
2. die weitere Spule macht den Herstellungsprozeß des Sensors noch teurer
3. der Sensor verbraucht noch mehr Leistung

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Herstellung von magnetoresistiven Bauelementen erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, bei einem magnetoresistiven Bauelement, bei dem die Meßbrücke eine Brückenausgangsspannung

aufweist, die sich aus einem bauelement-spezifischen, temperaturabhängigen Störterm V_off(T) = V_off(T₀) + TCV_off·(T – T₀) und einem temperatur- und magnetfeldabhängigen Signal V_a(H,T) zusammensetzt, bei den hergestellten Bauelementen entweder bei unveränderter Streuung den Mittelwert des Parameters 〈TCV_off〉 des Bauelements-spezifischen Störterms V_off auf einen beliebigen Wert einzustellen, oder bzw. und für jedes Bauelement den Wert TCV_off des Bauelements-spezifischen Störterms V_off bei den hergestellten Bauelementen so einzustellen, daß sich ein neuer Mittelwert X_n mit einer verkleinerten Streuung S_n des Störterms einstellt.

Damit löst sich die Erfindung von dem natürlichen Bestreben, ein Herstellungsverfahren derart zu gestalten, daß ein Störterm vollständig vermieden wird. Vielmehr geht die Erfindung davon aus, daß mit den derzeit vorhandenen Herstellungsmethoden ein Störterm nicht zu vermeiden ist und schlägt Maßnahmen vor, wie trotz dieses Störterms eine präzise Messung eines äußeren Magnetfelds ermöglicht werden kann, indem der Störterm auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.

Die Erfindung geht ferner von dem Grundgedanken aus, daß die zur Verfügung stehenden Herstellungsmethoden für magnetoresistive Bauelemente zu keinem für jedes hergestellte Bauelement gleichen Störterm führen, sondern der bauelement-spezifische Störterm für jedes hergestellte magnetoresistive Bauelemente variiert. Während es das natürliche Bestreben wäre, das Herstellungsverfahren meist derart durchzuführen, daß der Mittelwert des bauelement-spezifischen Störterms einen Wert von Null einnimmt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Mittelwert des bauelement-spezifischen Störterms bei den hergestellten Bauelementen auf einen beliebig vordefinierten Wert einzustellen, vorzugsweise ungleich Null. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht demnach vor, die Herstellung der magnetoresistiven Bauelemente derart durchzuführen, daß bewußt ein Störterm eingestellt wird.

Da herstellungsbedingt bei den hergestellten Bauelementen der Störterm variiert, führt dieses bewußte Einstellen eines Störterms dazu, daß zumindest im Mittelwert die Störterme der hergestellten Bauelemente einen vordefinierten Wert aufweisen.

Eine Kompensation des Störterms läßt sich bei derart hergestellten Bauelementen besonders einfach realisieren. Eine (beispielhafte) Störterm-Kompensation läßt sich nämlich auf einfachste Weise dadurch einstellen, daß ein dem Störterm entsprechender Wert von dem Meßsignal abgezogen wird. In dem nun erfindungsgemäß das Herstellungsverfahren derart durchgeführt wird, daß der Mittelwert des bauelement-spezifischen Störterms vorzugsweise einen Wert ungleich Null aufweist, ist deutlich, daß in dieser besonderen Ausführungsform dieser bewußt eingestellte Störterm gleich dem Korrekturfaktor ist.

Dies Kompensation des Störterms wird bei den erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erreicht, indem die Magnetisierungsrichtungen in den Referenzschichtsystemen von mindestens zwei Widerständen eines Bauteils so eingestellt werden, daß sie von den inhärenten Ansiotropierichtungen verschiedene Richtungen aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden die Widerstände nacheinander auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die ursprüngliche Magnetisierung des Referenzschichtsystems zerstört und beim Abkühlen die Richtung eines von außen einwirkenden Magnetfelds eingefroren wird. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Temperaturkoeffizient von der Richtung der Magnetisierung in der Referenzschicht relativ zu anderen Anisotropierichtungen abhängt. Durch Einstellen der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht kann somit ein Störterm eingestellt werden, der (im Mittelwert) den gewünschten Wert aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden die Widerstände nacheinander durch die Einwirkung eines Energieimpulses kurzzeitig auf eine Temperatur aufgeheizt. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufheizung der Widerstände dar. Dabei kann der Energieimpuls durch den Widerstand selbst geleitet werden oder aber auch ein von dem Widerstand separater Stromleiter in thermischen Kontakt mit dem Widerstand gebracht werden und die Erwärmung des getrennten Stromleiters über Wärmeleitung in den aufzuheizenden Widerstand durchgeführt werden.

Insbesondere bevorzugt werden die Widerstände durch Erhitzen der sie tragenden Widerstandsschicht aufgeheizt, die direkt oder durch einen getrennten Stromleiter erhitzte Widerstandsschicht durch eine dünne, schlecht wärmeleitende Isolierschicht von anderen Widerstandsschichten getrennt auf einer gut wärmeleitenden Schicht mit hoher Wärmekapazität (Wärmeausgleichsschicht) angeordnet, so daß sich während der Dauer des Heizens ein Wärmetransport von der Widerstandsschicht durch die schlecht wärmeleitende Isolierschicht zur Wärmeausgleichsschicht einstellt, welcher zu einem hauptsächlich von dem Wärmewiderstand der schlecht wärmeleitenden Schicht und der zugeführten Wärmeleistung bestimmten Temperaturgefälle führt, ohne hierbei die Magnetisierung benachbarter, nicht stromdurchflossener bzw. nicht erhitzter Sensorstreifen zu verändern.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Wärmeausgleichsschicht ein Siliziumsubstrat eingesetzt, da dieses ohnehin die Basis des Fertigungsprozesses magnetoresistiver Sensoren bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als schlecht wärmeleitende Zwischenschicht ein elektrisch isolierendes Material eingesetzt, insbesondere bevorzugt Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder eine Mischung aus diesen Stoffen. Diese Materialien bieten bei oben beschriebenen Heizprozessen mit moderaten oder hohen Stromstärken Schutz vor elektrostatischen Überschlägen zwischen den Leiterbahnen der Meßbrücken und/oder den Substraten, auf denen sie aufgebaut sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zum Heizen verwendete Energieimpuls durch die Entladung eines Kondensators erzeugt. Dies hat sich als besonders einfache Möglichkeit zum Erzeugen eines Energieimpulses gezeigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung des während des Abkühlvorgangs erforderlichen Magnetfelds die Entladung eines Kondensators durch eine Magnetspule eingesetzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung des während des Abkühlvorgangs erforderlichen Magnetfelds ein Permanentmagnet eingesetzt. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit zum Erzeugen eines Magnetfelds dar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser Permanentmagnet kontinuierlich gedreht, wobei die Energieimpulse während der Drehbewegung so ausgelöst werden, daß beim Abkühlen eines Widerstandselementes die Magnetfeldrichtung der jeweils gewünschten Magnetisierungsrichtung entspricht. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, das Referenzschichtsystem in den verschiedenen Widerständen eines Sensorbauelementes in kurzer Zeit mit den verschiedenen, für die gewünschte Sensorfunktion erforderlichen Referenzschichtsystemmagnetisierungsrichtungen zu versehen.

Die Erfindung betrifft insbesondere die entweder den gigantischen magnetoresistiven Effekt (GMR) oder den Tunnelwiderstandseffekt (TMR) nutzenden Sensoren, die zur Anzeige magnetischer Felder geeignet sind, da sie in Form einer Meßbrücke verschaltet sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 Einen Widerstand R, bestehend aus einem Mehrschichtsystem mit einer Referenzmagnetisierung alpha, wobei die Magnetisierungen des Meßschichtsystems und des Referenzschichtsystems den Winkel beta bilden in einer schematischen Darstellung,
2 der Aufbau einer Wheatstonebrücke in einer schematischen Ansicht
3 ein magnetoresistives Bauelement in einer schematischen Draufsicht,
4 das Schichtsystem eines Widerstands des magnetoresistiven Bauelements in einer schematischen Seitenansicht für ein einfaches Spin Valve System mit einem natürlichen Antiferromagneten (a) und einem Spin Valve System mit einem künstlichen Antiferromagneten AAF (b)
5 das magnetoresistive Bauelement in einer schematischen Darstellung, die die Richtung der Referenzmagnetisierungen verdeutlicht,
6 einen Graph, der die Änderungen des Temperaturkoeffizienten des Offsets einer GMR Wheatstonebrücke in Abhängigkeit von der Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht darstellt, und
7 eine bei der Herstellung des magnetoresistiven Bauelements verwendete Anordnung, bei der die Widerstandsschicht durch eine schlecht wärmeleitende Schicht von einer Wärmeausgleichsschicht getrennt wird.
3 zeigt den möglichen Aufbau eines mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten magnetoresistiven Bauelements. Dieses besteht aus vier Widerständen 1, 2, 3, 4, die Komponenten einer Wheatstonebrücke sind. Ferner sind in 3 die elektrischen Zuleitungen 5 sowie Kontaktpunkte 6 eines Kontaktierungssystems dargestellt.
4 zeigt den Aufbau des Schichtsystems, aus dem der jeweilige Widerstand des magnetoresistiven Bauelements besteht. Dargestellt ist eine weichmagnetische Meßschicht 10, die aus einer magnetischen Schicht mit einer Magnetisierung besteht, die in einem weiten Magnetfeldbereich reversibel von einem äußeren Magnetfeld abhängt. Ein Referenzschichtsystem 11 besteht aus einem Mehrschichtsystem, das sich aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten zusammensetzt, das hartmagnetischer als die Meßschicht 10 ist und seine Magnetisierungsrichtung bei denselben äußeren Magnetfeldern im wesentlichen beibehält (Referenzmagenetisierung). Das Referenzschichtsystem kann einen künstlichen Antiferromagneten 13 enthalten. Ferner weist das Schichtsystem eine nicht-magnetische Zwischenschicht 12 auf, die die Referenz- und die Meßschicht voneinander trennt.
5 zeigt die gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eingestellte bevorzugte Konfiguration der Referenzrichtungen der Magnetisierungen der Referenzschichtsysteme der einzelnen Widerstände. Dargestellt ist die grundsätzliche Referenzrichtung 20 des gesamten magnetoresistiven Bauelements. Diese grundsätzliche Referenzrichtung ist die Richtung, bei der das als Meßsensor verwendete magnetoresistive Bauteil den Meßwert "0" ergeben soll. Durch Pfeile dargestellt sind ferner die Richtungen der Referenzmagnetisierungen 21 der Widerstände R1, R2, R3, R4 des magnetoresistiven Bauelements. Zu erkennen ist, daß die Referenzrichtungen der gegenüberliegenden Widerstände R2, R3, beziehungsweise R1, R4 gleichgerichtet sind, während die Referenzrichtungen der nebeneinander angeordneten Widerstände R1, R3, beziehungsweise R2, R4 gegenläufig ausgerichtet sind. Ferner ist zu erkennen, daß die Richtung der Referenzmagnetisierung einen besonders großen Winkel zur Referenzrichtung des gesamten magnetoresistiven Bauteils aufweist.
5 ist ferner zu entnehmen, daß an das magnetoresistive Bauelement eine Spannung V_CC angelegt wird und eine Brückenausgangsspannung V_A abgegriffen wird.
6 zeigt den bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzten Zusammenhang des Störterms TCV_off in a.u. im Verhältnis des Winkels der Referenzmagnetisierung zur Referenzrichtung. Zur erkennen ist, daß der Offset mit zunehmenden Winkel einen zunehmend größer werdenden positiven oder negativen Wert annimmt. Dies ermöglicht es, durch Einstellen eines besonders großen Winkels zwischen der Referenzmagnetisierung und der Referenzrichtung einen Störterm einzustellen, der derart groß und positiv, beziehungsweise negativ ist, daß selbst bei den herstellungsbedingten Streuungen der tatsächlich bei dem jeweiligen magnetoresistiven Bauteil vorhandenen Störterme die überwiegende Mehrzahl der Bauelemente einen Störterm aufweisen läßt, der das gleiche Vorzeichen wie der Mittelwert hat.
7 zeigt einen Aufbau zur Einstellung der Referenzmagnetisierung bei den Widerständen des magnetoresistiven Bauelements. Die Widerstände 30 sind auf eine Isolationsschicht 31 aufgebracht, die wiederum auf einer Wärmeausgleichsschicht 32 aufgebracht ist. Wird nun einer der Widerstände 30 beispielsweise mittels eines durch den Widerstand geleisteten Energieimpulses kurzzeitig erhitzt, so stellt sich unter anderem ein Wärmetransport von der Widerstandsschicht durch die schlecht wärmeleitende Zwischenschicht zur Wärmeausgleichsschicht ein, wobei in 7 die Isothermen 33 dargestellt sind. Dies führt zu einem Temperaturgefälle, das hauptsächlich von dem Wärmewiderstand der Isolierschicht 31 und der zugeführten Wärmeleistung abhängt.

Claims

Herstellungsverfahren für magnetoresistive Bauelemente, wobei ein Bauelement aus mehr als einem Widerstand besteht und der Widerstand ein un- beziehungsweise schwachgekoppeltes Schichtsystem aufweist und die Widerstände Komponenten einer Meßbrücke sind, wobei das Schichtsystem wenigstens aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist: – Wenigstens einer weichmagnetischen Meßschicht, bestehend aus mindestens einer magnetischen Schicht, mit einer Magnetisierung, die in einem weiten Magnetfeldbereich reversibel von einem äußeren Magnetfeld abhängt; – einem Referenzschichtsystem, bestehend aus einem Mehrschichtsystem, das sich aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten zusammensetzen kann, das hartmagnetischer als die Meßschicht ist und seine Magnetisierungsrichtung bei denselben äußeren Magnetfeldern im wesentlichen beibehält; – mindestens einer nichtmagnetischen Zwischenschicht, die Referenz- und Meßschichten voneinander trennt und die Meßbrücke eine Brückenausgangsspannung V_a aufweist, die sich aus einem temperatur- und magnetfeldabhängigen Signal V_a(H,T) und einem bauelement-spezifischen, temperaturabhängigen Störterm V_off(T) = V_off(T₀) + TCV_off·(T – T₀) zusammensetzt, so daß V_a = V_off + V_a(H,T) ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Temperatur T die Komponente TCV_off·(T – T₀) des bauelement-spezifischen Störterms V_off bei den hergestellten Bauelementen durch Einstellen der magnetischen Referenzrichtungen innerhalb der Meßbrücke auf einen vordefinierten/vorgewählten Wert justiert wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Temperatur T der Mittelwert der Komponente TCV_off über ein Fertigungslos auf einen Wert im Wertbereich –20 bis +20 μV/(VK) eingestellt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtungen in den Referenzschichtsystemen von mindestens zwei Widerständen eines Bauteils so eingestellt werden, daß sie verschiedene Richtungen aufweisen.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände nacheinander und einzelnd auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei der die ursprüngliche Magnetisierung des Referenzschichtsystems zerstört und beim Abkühlen die Richtung eines von außen einwirkenden Magnetfeldes eingefroren wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände nacheinander durch die Einwirkung eines Energieimpulses kurzzeitig auf eine Temperatur oberhalb der Blocking-Temperatur aufgeheizt werden und in einem Magnetfeld bis unterhalb der Blocking-Temperatur abkühlen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß – die Widerstände durch Energiezufuhr in die sie bildenden/tragenden Schicht aufgeheizt werden und – die direkt oder durch einen getrennten Stromleiter erhitzte Widerstandsschicht durch eine dünne, schlecht wärmeleitende Schicht von anderen Widerstandsschichten getrennt auf einer gut wärmeleitenden Schicht mit hoher Wärmekapazität (Wärmeausgleichsschicht) angeordnet wird, so daß sich während der Dauer des Heizens ein Wärmetransport von der Widerstandsschicht durch die schlecht wärmeleitende Isolierschicht zur Wärmeausgleichsschicht einstellt, welcher zu einem hauptsächlich von dem Wärmewiderstand der schlecht wärmeleitenden Schicht und der zugeführten Wärmeleistung bestimmten Temperaturgefälle führt, ohne hierbei die Magnetisierung benachbarter nicht stromdurchflossener bzw. nicht erhitzter Sensorstreifen zu verändern.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeausgleichsschicht Silizium eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als schlecht wärmeleitende Isolierschicht ein elektrisch isolierendes Material eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als schlecht wärmeleitende Isolierschicht überwiegend Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Mischung dieser Stoffe eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Heizen verwendete Energieimpuls durch die Entladung eines Kondensators erzeugt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des während des Abkühlvorgangs erforderlichen Magnetfeldes die Entladung eines Kondensators durch eine Magnetspule eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des während des Abkühlvorgangs erforderlichen Magnetfeldes ein Permanentmagnet eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der Referenzschichtsystemmagnetisierungsrichtungen bei den einzelnen Widerständen der Meßbrücke der Störterm V_off(T₀) auf einen für die Anwendung zweckmäßigen Wert eingestellt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 sowie einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der in einer Meßbrücke erforderlichen unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen des Referenzschichtsystems ein sich drehender Magnet eingesetzt wird, wobei die Energieimpulse während der Drehbewegung kurz vor Erreichen der gewünschten Magnetfeldrichtung ausgelöst werden, so daß die Magnetfeldrichtung beim Abkühlen unter die für das Einfrieren der Magnetisierung erforderlichen Temperatur der beim jeweiligen Widerstand gewünschten Referenzschichtsystemmagnetisierungsrichtung entspricht.