Präzises Ionenstrahlätzen von TMR-Sensoren

Moderne hochgenaue Sensoren nutzen den Tunnelmagnetowiderstandseffekt (engl. tunnel magnetoresistance, TMR). Diese Sensoren finden ein breites Anwendungsspektrum, z.B. zur Winkelmessungen in der Automobilindustrie oder für Auslesesensoren der Festplattenindustrie. Hauptkomponenten der TMR-Sensoren sind die magnetischen Tunnelwiderstände (engl. magnetic tunnel junctions, MTJs) welche den TMR-Effekt nutzen. Zwei ferromagnetische Schichten sind durch eine nichtmagnetische, elektrisch isolierende Barriereschicht getrennt. Die oberste Schicht (freie FM-Schicht) ist eine weichmagnetische Schicht, die ihre Magnetisierungsrichtung in einem externen Magnetfeld leicht ändert. Die untere Schicht (gepinnte FM-Schicht) ist hartmagnetisch und behält ihre Magnetisierungsrichtung in einem externen Magnetfeld, solange ein bestimmtes Schaltfeld nicht erreicht ist. Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns der Elektronen und damit der elektrische Widerstand des MTJs ist abhängig von der Magnetisierungsrichtung der freien FM-Schicht im Verhältnis zur gepinnten FM-Schicht. Für eine parallele Magnetisierung der freien und gepinnten FM-Schicht wird ein Mindestwiderstand benötigt.

Im Vergleich zu Standardsensoren, basierend auf dem Riesenmagnetowiderstands-Effekt (engl. giant magnetoresistance, GMR), bietet TMR eine höhere thermische Stabilität sowie ein gestiegenes Ausgangssignal bei reduzierter Leistungsaufnahme. Diese Vorteile führen zu einem schnell wachsenden Markt für diese Sensoren.

Für einen TMR-Sensor wird ein komplexer Multilagenaufbau benötigt (siehe Abb. 2). Zur elektrischen Kontaktierung des Sensors erfolgt im Anschluss eine Ätzung durch alle Lagen des Stapels. Bei dem standardmäßig eingesetzten Trockenätzverfahren führt diese Strukturierung zu Problemen, da magnetische Materialien wie CoFe, CoPt und NiFe generell eine schlechte Reaktivität aufweisen. Zusätzlich kann es, aufgrund der reaktiven Gase, zur Korrosion der freigelegten Elektrode kommen.

Beim Ionenstrahlätzen wird ein Ionenbeschuss durch Argon-Ionen angewendet. Dieser erlaubt es, anders als beim chemischen Ätzen, alle Materialien des TMR-Stapels abzutragen (siehe Abb. 2). Ionendichte und Ionenenergie können dabei präzise über die Ionenstrahlquelle eingestellt werden. Zudem wird beim Trockenätzen mit Inertgasen, wie Argon, die Nachkorrosion unterdrückt, was zu einer höheren Widerstandsfähigkeit des Metalls führt. Mit Einsatz einer Heliumrückseitenkühlung für das Substrat kann auch empfindlicher Fotolack unbeschädigt prozessiert werden.

Abbildung 3 zeigt einen weiteren entscheidenden Vorteil des Ionenstrahlätzens. Durch Einsatz eines Sekundärionenmassenspektrometers ist eine hochgenaue Messung der abgetragenen Materialien möglich. Diese Technik ermöglicht, es Endpunkte der Ätzungen exakt zu bestimmen und Schichtdicken im sub-nm Bereich (hier Ru) zu messen.