DE10327390B4

DE10327390B4 - Arrangement for avoiding electromigration

Info

Publication number: DE10327390B4
Application number: DE10327390A
Authority: DE
Inventors: Uwe Loreit; Olaf Dr. Kahlen; Jochen Schmitt
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE10327390A1

Abstract

Anordnung zur Vermeidung von Elektromigration aus mindestens einem magnetoresistiven Sensorelement (1) und mindestens einem elektrisch mit dem magnetoresistiven Sensorelement (1) verbundenen Verbindungsleiter (2) mit migrationshemmender geringer Länge, wobei mindestens ein weiteres resistives Element (4) einerseits mit dem Verbindungsleiter (2) elektrisch leitend verbunden ist und andererseits ein Leitungselement (5) elektrisch kontaktiert und wobei die Breite des elektrischen Kontaktbereiches (7) des Leitungselementes (5) mit dem resistiven Element (4) mindestens das Doppelte der Breite des elektrischen Kontaktbereiches (6) des Sensorelementes (1) mit dem Verbindungsleiter (2) beträgt.arrangement to avoid electromigration from at least one magnetoresistive sensor element (1) and at least one electrically connected to the magnetoresistive sensor element (1) connected connecting conductor (2) with low migration anti-migration, wherein at least one further resistive element (4) on the one hand with the Connecting conductor (2) is electrically connected and on the other hand a line member (5) electrically contacted and wherein the width the electrical contact region (7) of the line element (5) with the resistive element (4) at least twice the width the electrical contact region (6) of the sensor element (1) with the connecting conductor (2) is.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf magnetoresistive Sensorelemente, wie sie als Teil von magnetoresistiven Sensoren bekannt sind. Insbesondere ist sie bei jeder Art von magnetoresistivem Sensoraufbau anwendbar, bei dem es zu Elektromigrationseffekten kommen kann. Wie gut bekannt ist, führt Elektromigration in Aluminiumleitbahnen häufig zum Versagen von integrierten Schaltkreisen oder in auf Siliziumsubstraten aufgebauten Dünnschichtsensoren.The The invention relates to magnetoresistive sensor elements, such as they are known as part of magnetoresistive sensors. Especially Is it applicable to any type of magnetoresistive sensor design, which can lead to electromigration effects. As you know is, leads Electromigration in aluminum runways often leads to failure of integrated Circuits or in built on silicon substrates thin film sensors.

Magnetoresistive Sensoren zur Messung von Magnetfeldern oder damit verbundener Größen sind bekannt. Sie nutzen die Abhängigkeit des Widerstandes dünner ferromagnetischer Schichten oder Schichtstapeln von der Richtung und Stärke äußerer einwirkender Magnetfelder. Die Schichtdicken liegen bei bekannten Sensorelementen im Bereich von einigen wenigen bis zu einigen zehn Nanometern. Um Sensorwiderstände im Bereich einiger kΩ bis zu einigen 10 kΩ zu erreichen, werden als magnetfeldempfindliche Sensorelemente Schichtstreifen mit einigen 10 μm bis zu einigen 100 μm Länge und Breiten von einigen μm bis zu einigen 10 μm eingesetzt. Durch die Zielstellung einer möglichst kompakten Bauweise der Sensoren mit Abständen zwischen den Sensorschichtstreifen in der Dimension der Schichtstreifenbreite von einigen wenigen μm wird es nötig, auch die Zuleitungen, die in der Regel aus Al-Legierungen (z. B. Al-0,5% Cu) bestehen, zumindest im Anschlussbereich zwischen Leitbahn und Sensorelement mit Breiten von einigen μm auszuführen. Wird als Beispiel eine 5 μm breite Al-Leitbahn mit einer Leitbahndicke mit 0,2 μm betrachtet, die von einem Strom von 10 mA Stärke durchflossen wird, so ergibt sich in der Leitbahn eine Stromdichte von 10⁶ A/cm². Bei dieser Stromdichte kann es insbesondere an den Leitbahnenden zu deutlichen Schädigungen durch Elektromigration (Void und Hillock Bildung) kommen, die zu einem Versagen des Bauteils führen können. Die Elektromigration resultiert aus der Wanderung von Ionen in einem Leiter bei Einwirken des Stromes. Das Leitbahnmaterial enthält nicht besetzte Gitterplätze, sogenannte Leerstellen, auf die die wandernden Ionen Ihren Platz wechseln können. Ist diese Wanderung im Mittel ungerichtet, so spricht man von Selbstdiffusion. Insbesondere an Korngrenzen und an freien Oberflächen läuft die Diffusion durch viele vorhandene freie Gitterplätze um Größenordnungen schneller ab, als im Materialvolumen. Wird nun durch das Leitbahnmaterial ein Strom geschickt, so üben die fließenden Elektronen in Stromrichtung eine zusätzliche Kraft auf die Ionen aus, die einen Materialfluss in Stromrichtung generiert. Die Stärke des Materialflusses ist proportional zur Stärke des fließenden Stromes. Die elektromigrationsbedingte Versagensrate einer Leitbahn steigt demnach an, wenn sich der durch diese Leitbahn fliessende Strom erhöht. Dieser negative Effekt wirkt sich auch auf Teilbereiche der Leitbahn aus, z. B. wenn die Leitbahnbreite oder die Leitbahndicke sich lokal verringern. Verringerungen in der Leitbahnbreite und sich damit ergebende Stromerhöhungen können z. B. im Anschlussbereich von Leitbahnen zu Sensorelementen wegen verringertem Platzbedarf nötig sein. Variationen in der Leitbahndicke treten z. B. dann auf, wenn Leitbahnen an steilen Kanten aufgedampft werden müssen.Magnetoresistive sensors for measuring magnetic fields or related variables are known. They use the dependence of the resistance of thin ferromagnetic layers or layer stacks on the direction and strength of external magnetic fields. The layer thicknesses are in known sensor elements in the range of a few to several tens of nanometers. In order to achieve sensor resistances in the range of a few kΩ up to a few 10 kΩ, layer strips with a number of 10 μm to a few 100 μm length and widths of a few μm to several 10 μm are used as magnetic field-sensitive sensor elements. Due to the goal of a compact design of the sensors with distances between the sensor layer strips in the dimension of the layer strip width of a few microns, it is necessary, even the leads, which are usually made of Al alloys (eg., Al-0.5% Cu), at least in the connection region between the conductor track and sensor element with widths of a few microns run. If, for example, a 5 μm wide Al conductor track with a conductor track thickness of 0.2 μm is considered, which is traversed by a current of 10 mA, then a current density of 10 ⁶ A / cm ² results in the conductor track. At this current density, in particular at the Leitbahnenden to significant damage by electromigration (Void and Hillock formation) come, which can lead to failure of the component. The electromigration results from the migration of ions in a conductor under the action of the current. The conductive material contains unoccupied lattice sites, so-called vacancies, on which the migrating ions can change their place. If this migration is undirected on average, it is called self-diffusion. Especially at grain boundaries and on free surfaces, the diffusion through many existing free lattice sites is orders of magnitude faster than in the material volume. If a current is now sent through the conductive material, the flowing electrons in the direction of the current exert an additional force on the ions, which generates a flow of material in the direction of the current. The strength of the material flow is proportional to the strength of the flowing stream. Accordingly, the electromigration-induced failure rate of a conductive path increases as the current flowing through this conductive path increases. This negative effect also affects subregions of the interconnect, z. B. if the track width or the track thickness decrease locally. Reductions in the track width and thus resulting increases in electricity can, for. B. be necessary in the connection area of interconnects to sensor elements due to reduced space requirements. Variations in the track thickness occur z. B. on when interconnects must be deposited on steep edges.

Lokal hohe Stromdichten treten insbesondere auch im Übergangsbereich von magnetoresistiven Sensorelementen zu den Leitbahnen dort auf, wo die Breite des Anschlussbereiches durch schmale magnetoresistive Sensorelemente oder spitz zulaufende magnetoresistive Sensorelemente begrenzt wird.Local high current densities occur in particular in the transition region of magnetoresistive sensor elements to the interconnects there where the width of the connection area by narrow magnetoresistive sensor elements or pointed magnetoresistive Sensor elements is limited.

1a und 1b zeigen insbesondere im Übergangsbereich (3) der magnetoresistiven Sensorelemente (1) zu den Verbindungsleitern (2), lokale Maximalstromdichten, wodurch das Bauteil stark elektromigrationsgefährdet wird. Der maximale Strom, den eine Leitbahn vorgegebener Geometrie tragen kann, ohne Elektromigrationsversagen zu zeigen, wird auch als Schwellwertstrom für die Elektromigration bezeichnet. Bei kurzen Verbindungsleitern, die eine Länge von weniger als 50 μm aufweisen, baut sich durch das am Ende anstauende Material und vielen freien Plätzen am Stromeintritt ein Rückdruck auf, so dass weiterer Materialfluss gestoppt und ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Für Leitbahnen, deren Länge einige 100 μm überschreitet, reicht der sich aufbauende Rückdruck nicht bis zum Ort des Stromeintrittes am Leiteranfang, so dass sich kein Gleichgewicht des Materialflusses ausbilden kann. Lochbildung und ein mögliches Leitbahnversagen können dann nicht mehr verhindert werden. 1a and 1b show especially in the transitional area ( 3 ) of the magnetoresistive sensor elements ( 1 ) to the interconnectors ( 2 ), local maximum current densities, whereby the component is highly susceptible to electromigration. The maximum current that a track of given geometry can carry without exhibiting electromigration failure is also referred to as the threshold current for electromigration. With short connecting conductors, which have a length of less than 50 μm, a back pressure builds up on the flow of current through the end accumulating material and many free places, so that further material flow is stopped and a state of equilibrium is reached. For interconnects whose length exceeds some 100 microns, the build-up back pressure does not reach the point of entry of current at the beginning of the conductor, so that no balance of the material flow can form. Hole formation and a possible track failure can then no longer be prevented.

Die Patentschrift US 5,614,764 A (Baerg et al.) beschreibt eine Reihe von Methoden um Elektromigrationseffekte zu verhindern, bzw. zu reduzieren. Bei einer ersten Methode zur Verminderung von Elektromigration, wie sie auch in der Patentschrift US 3,848,330 A (Hall et al.) dargestellt wird, werden AlCu-Legierungen auf Halbleitersubstraten mittels Depositionstechniken abgeschieden, um im folgenden Schritt dann auf Temperaturen von mehr als 400°C (bevorzugt zwischen 425°C und 475°C) aufgeheizt zu werden, um das Cu im Al zu lösen. Danach wird mit Abkühlraten von 50°C/s abgekühlt, wodurch sich ein feinkörniges Al-Gefüge in den Leitbahnen ausbildet, welches an den Korngrenzen und ihren Tripelpunkten kupferreiche Ausscheidungen enthält, die die Diffusion von Al-Atomen an den Korngrenzen unterdrücken und die Elektromigration vermindern. Da der in der Patentschrift US 3,848,330 A beschriebene positive Aspekt der Elektromigrationsminderung mit steigendem Cu-Gehalt anwächst, werden Cu-Anteile in der Al-Legierung von 1–10 Prozent (bevorzugt 2%) vorgeschlagen. Die von Hall et al. vorgeschlagene Methode hat für magnetoresistive Sensorelemente entscheidende Nachteile. Durch das Aufheizen auf hohe Temperaturen von 425°C–475°C kommt es in den nur einige zehn nm dicken magnetoresistiven Sensorschichten zu unerwünschten Diffusionseffekten, welche die magnetoresistiven Eigenschaften der Schichten verschlechtern. Starke Ausscheidungen von AlCu-Seggregaten an den Korngrenzen bei ALCu-Legierungen mit hohem Cu-Gehalt > 1% verringern zwar die Elektromigrationsneigung, andererseits wird die AlCu-Legierung dadurch hart und spröde, was insbesondere zu Bondproblemen an den Kontaktpads führen kann.The patent US 5,614,764 A (Baerg et al.) Describes a number of methods to prevent or reduce electromigration effects. In a first method for reducing electromigration, as in the patent US 3,848,330 A (Hall et al.), AlCu alloys are deposited on semiconductor substrates by deposition techniques to then be heated to temperatures of greater than 400 ° C (preferably between 425 ° C and 475 ° C) in the following step to form the Cu to solve in the Al. It is then cooled at cooling rates of 50 ° C / s, which forms a fine-grained Al-structure in the interconnects, which contains copper-rich precipitates at the grain boundaries and their triple points, which suppress the diffusion of Al atoms at the grain boundaries and reduce the electromigration , As in the patent US 3,848,330 A As described positive aspect of the electromigration reduction increases with increasing Cu content, Cu proportions in the Al alloy of 1-10 percent (preferably 2%) are proposed. The Hall et al. proposed Method has decisive disadvantages for magnetoresistive sensor elements. By heating to high temperatures of 425 ° C-475 ° C occurs in only a few tens of nm thick magnetoresistive sensor layers to undesirable diffusion effects, which deteriorate the magnetoresistive properties of the layers. Although strong precipitations of AlCu aggregates at the grain boundaries in ALCu alloys with a high Cu content> 1% reduce the tendency for electromigration, on the other hand the AlCu alloy becomes hard and brittle, which in particular can lead to bonding problems at the contact pads.

Ein weiterer Weg zur Vermeidung von Bauteilversagen durch Elektromigration ist nach der Patentschrift US 5,614,764 A die Verwendung von sogenannten „shunt lagern", die parallel zu und in elektrischem Kontakt zu den Al Leitbahnen eingebracht werden, wobei z. B. ein dünner Ti oder TiN-Film über die Al-Schicht depositioniert wird, und der shunt layer aufgrund seiner Materialzusammensetzung und des höheren Widerstands gegen Elektromigration weitgehend resistent ist. Treten nun in den Al-Leitbahnen Lochbildungen durch Elektromigration auf, so kann der Strom durch den Parallelschluß des shunt layers fließen und das Bauteil wird nicht zerstört. Obwohl bei Verwendung von shunt lagern kein Materialversagen auftritt, führen die Parallelschlüsse durch das hochohmige Shunt-Material zu einer lokalen unsymmetrischen Widerstandserhöhung, was z. B. für Wheatstonebrücken eine unerwünschte Offsetverschiebung bedingt, welche die Sensorperformance im Betrieb deutlich verschlechtern kann.Another way to avoid component failure by electromigration is according to the patent US 5,614,764 A the use of so-called "shunt bearings" which are introduced in parallel to and in electrical contact with the Al interconnects, wherein, for example, a thin Ti or TiN film is deposited over the Al layer, and the shunt layer due to its material composition If electromigration forms holes in the Al channels, the current can flow through the shunt layer and the component will not be destroyed, even though shunt does not cause material failure, lead the parallel shorts through the high-impedance shunt material to a local asymmetrical increase in resistance, which, for example, for Wheatstone bridges an undesirable offset shift due, which can significantly deteriorate the sensor performance during operation.

Eine weitere Technik zur Vermeidung von Elektromigration ist die Verwendung breiterer Leitbahnen, wodurch die Stromdichte in der Leitbahn herabgesetzt wird. Nach 1a wurde im Vergleich zur Breite des magnetoresistiven Sensorelementes (1) eine Verbreiterung der Verbindungsleiter (2) vorgesehen. Wie 1a und 1b aber zeigen, kommt es insbesondere am Übergang (3) des auch viel dickeren Verbindungsleiters (2) zum magnetoresistiven Sensorelement (1) zu einer Konzentration der Stromdichte, mit der Gefahr einsetzender Schädigungen durch Elektromigration. Um also insbesondere am kritischen Kontakt der Sensorelemente zu den Leitbahnen die Stromdichte zu reduzieren, muss auch das magnetoresistive Sensorelement an seinem Ende über die Leitbahnbreite hin aufgeweitet werden, wie 2 darstellt.Another technique for avoiding electromigration is to use wider interconnects, thereby reducing the current density in the interconnect. To 1a was compared to the width of the magnetoresistive sensor element ( 1 ) a widening of the connecting conductors ( 2 ) intended. As 1a and 1b but show it is especially at the transition ( 3 ) of the much thicker connecting conductor ( 2 ) to the magnetoresistive sensor element ( 1 ) to a concentration of current density, with the risk of damage due to electromigration. Thus, in order to reduce the current density, in particular at the critical contact of the sensor elements to the interconnects, the magnetoresistive sensor element must also be widened at its end over the interconnect width, such as 2 represents.

Bei magnetoresistiven Sensorelementen ist das Aufweiten der Elementenden für die magnetischen Sensoreigenschaften aber nachteilig.at Magnetoresistive sensor elements is the expansion of the element ends for the magnetic sensor properties but disadvantageous.

An geraden und insbesondere aufgeweiteten Streifenenden treten sogenannte magnetische Enddomänen auf. Die Richtung der Magnetisierung in den geraden oder aufgeweiteten Endbereichen kann deutlich von der Richtung der Magnetisierung in den geraden parallelen Bereichen des kontinuierlichen Sensorelementes abweichen. Sogenannte Enddomänen sind vor allem deshalb problematisch, da sie oft metastabil und durch geringe magnetische Störfelder und/oder Temperaturfluktuationen beeinflussbar sind. Fluktuationen in der Magnetisierung der Endbereiche der MR-Sensorelemente können daher Schwankungen im Widerstand und damit im Ausgangssignal des Sensors hervorrufen, die zu Messfehlern führen. Für ein stabiles magnetisches Sensorverhalten des Elementes ist es günstig, die Enden der magnetoresistiven Sensorelemente (Schichtstreifen) spitz oder ellipsenförmig zulaufen zu lassen. In der Patentschrift EP 0 369 160 A2 der Offenlegungschrift DE 100 14 780 A1 werden spitze, bzw elliptische Sensorelemente bei magnetoresistiven Sensoren dargestellt.At straight and in particular widened strip ends occur so-called magnetic end domains. The direction of magnetization in the straight or flared end regions may differ significantly from the direction of magnetization in the even parallel regions of the continuous sensor element. So-called end domains are particularly problematic because they are often metastable and influenced by low magnetic interference and / or temperature fluctuations. Fluctuations in the magnetization of the end regions of the MR sensor elements can therefore cause fluctuations in the resistance and thus in the output signal of the sensor, which lead to measurement errors. For a stable magnetic sensor behavior of the element, it is favorable to make the ends of the magnetoresistive sensor elements (layer strips) tapered or elliptical. In the patent EP 0 369 160 A2 the disclosure document DE 100 14 780 A1 are pointed, or elliptical sensor elements shown in magnetoresistive sensors.

In magnetoresistiven Sensoren werden meist Sensorelemente verwendet, deren Verhältnis Länge/Breite größer 10 ist. Dann ist das „switching field", also das magnetische Feld, welches nötig ist, eine stabile Konfiguration in eine dazu antiparallele stabile Magnetkonfiguration umzuwandeln, bei spitz zulaufenden magnetoresistiven Sensorelementen etwa dreifach größer als bei geraden Strukturen, wobei sich für aufgeweitete Strukturen noch ungünstigere Faktoren ergeben würden, so dass gerade oder aufgeweitete Sensorelemente in ihren Endbereichen deutlich instabiler gegen Störfelder sind. Bemerkenswert ist auch, dass bei spitz zulaufenden Sensorelementen keine Enddomänen vorhanden sind, während die Größe und das Auftreten der Enddomänen bei Verwendung zu rechteckigen Enden hin ansteigt. Ziel des Sensordesigns bei magnetoresistiven Sensoren ist daher, das eigentliche Sensorelement möglichst spitz oder ellipsenförmig zulaufen zu lassen und Enddomänen zu vermeiden.In magnetoresistive sensors are mostly sensor elements used their ratio length / width is greater than 10. Then this is the "switching field", ie the magnetic field Field, which needed is a stable configuration in a stable antiparallel Magnetic configuration, with tapered magnetoresistive Sensor elements about three times larger than with straight structures, whereby for expanded structures still unfavorable Would result in factors so that straight or expanded sensor elements clearly in their end unstable against interference fields are. It is also noteworthy that with tapered sensor elements no end domains are present while the size and that Occurrence of the end domains at Use increases to rectangular ends. Aim of the sensor design in magnetoresistive sensors, therefore, is the actual sensor element preferably pointed or elliptical to run and end domains to avoid.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine geeignete Anordnung von magnetoresistiven Sensorelementen und Leitbahnelementen anzugeben, die durch die Geometrie der Kontaktbereiche und die gewählte Dimensionierung der Elemente die Leitbahnen vor Schädigungen durch Elektromigration schützt, die Verwendung von AlCu-Leitbahnmaterialien guter Bondbarkeit mit Cu-Gehalten < 1% ohne Parallelschluss durch zusätzliche shunt layer ermöglicht und für die streifenförmigen Sensorelemente eine kontinuierlich zulaufende Endgeometrie erlaubt.The The object of the invention is to provide a suitable arrangement of specify magnetoresistive sensor elements and interconnect elements, due to the geometry of the contact areas and the selected dimensioning the elements the interconnects from damage by electromigration protects the use of AlCu interconnect materials with good bondability with Cu content <1% without parallel closure by additional shunt layer allows and for the strip-shaped Sensor elements allows a continuous tapered end geometry.

Die Lösung dieser Aufgabe ist mit dem Hauptanspruch der Erfindung gegeben. Dazu sind in der Nähe der Enden der magnetoresistiven (MR) Sensorelemente, die wie bevorzugt mit kontinuierlich zulaufenden Enden versehen werden, weitere resistive Elemente vorgesehen. Die weiteren resistiven Elemente können auch aus magnetoresistiven Materialien bestehen. Um in diesem Fall weitgehend zu vermeiden, dass z. B. durch magnetische Streufelder eine magnetische Beeinflussung zwischen den MR-Sensorelementen und den weiteren resistiven Elementen auftritt, wird der Abstand zwischen diesen Elementen derart groß gewählt, dass keine direkten ferromagnetischen Kopplungen auftreten.The solution to this problem is given by the main claim of the invention. For this purpose, further resistive elements are provided in the vicinity of the ends of the magnetoresistive (MR) sensor elements, which are preferably provided with continuously tapered ends. The other resistive elements can also be made of magnetoresistive mate exist. To avoid in this case largely that z. B. magnetic stray magnetic interference between the MR sensor elements and the other resistive elements occurs, the distance between these elements is chosen so large that no direct ferromagnetic couplings occur.

Die bevorzugt kontinuierlich an ihren Enden zulaufenden magnetoresistiven Sensorelemente sind durch erste kurze Verbindungsleitungen (Leitbahnstücke), deren Länge beispielweise weniger als 50 μm beträgt, mit den weiteren resistiven Elementen elektrisch leitend verbunden. Diese Anordnung kann vielfach wiederholt werden, d. h. es können weitere resistive Elemente vorgesehen werden, die in gleicher Weise durch kurze Leiterstücke elektrisch leitend verbunden werden, wobei in jedem Schritt eine weitere Aufweitung des Leiterquerschnittes erfolgen kann.The preferably continuously at their ends tapered magnetoresistive Sensor elements are by first short connecting lines (Leitbahnstücke) whose Length for example less than 50 μm is, electrically connected to the other resistive elements. This arrangement can be repeated many times, d. H. it can be more resistive Elements are provided which in the same way by short conductor pieces electrically conductively connected, wherein in each step a further expansion the conductor cross section can be made.

Eine Anordnung von magnetoresistiven Sensorelementen und weiteren resistiven Elementen, wie hier beschrieben, hat den Vorteil, dass die eigentlichen Sensorelemente an ihren Enden kontinuierlich oder spitz zusammenlaufend ausgeführt werden können, wodurch sie für die Sensorfunktion vorteilhafte magnetische Eigenschaften mit einer stabilen Magnetisierungsrichtung und fehlende Enddomänen aufweisen. In dem direkt an das eigentliche Sensorelement angeschlossenen kurzen Leiterstückchen treten an den Übergängen der Sensorelementenden zu den Verbindungsleitern, bedingt durch die zulaufende oder gleichförmige Kontur der Sensorelemente hohe lokale Stromdichten auf, die Elektromigration hervorrufen können. Dadurch, dass der erste Verbindungsleiter, welcher sich an das Sensorelement anschliesst, eine kurze Länge aufweist, bildet sich in dem ersten Verbindungsleiter ein Materialstau aus, der zu einem Gleichgewicht bei der Ionenwanderung oder Materialwanderung führt, d. h. Elektromigration wird vermieden.A Arrangement of magnetoresistive sensor elements and other resistive Elements, as described here, has the advantage that the actual Sensor elements converge at their ends continuously or pointedly accomplished can be making them for the sensor function has favorable magnetic properties with one have stable magnetization direction and missing end domains. In the short connected directly to the actual sensor element Leiterstückchen occur at the transitions of Sensor element ends to the connecting conductors, due to the tapered or uniform Contour of the sensor elements high local current densities that cause electromigration can. Characterized in that the first connection conductor, which is connected to the sensor element connects, a short length has, in the first connecting conductor forms a material jam resulting in a balance in ion migration or material migration leads, d. H. Electromigration is avoided.

Das weitere resistive Element kann nun großflächig ausgeführt werden. Dadurch kann der Strom, der im ersten kurzen Verbindungsleiter fliesst, großflächig in das weitere resistive Element eintreten. Weitergehende Verbindungsleitungen zu anderen MR-Sensorelementen oder zur Spannungsversorgung können im Kontaktbereich zum weiteren MR Element auch großflächig ausgeführt werden. Dadurch ist es möglich, die lokale maximale Stromdichte, die in den langen Zuleitungen zu den Sensorelementen auftritt, deutlich gegenüber demjenigen Fall zu reduzieren, bei dem kontinuierlich geometrisch zulaufende MR-Sensorelemente direkt an lange Zuleitungen angeschlossen werden.The additional resistive element can now be executed over a large area. This allows the stream, which flows in the first short connecting conductor, large area in enter the further resistive element. Further connecting cables to other MR sensor elements or to the power supply in the contact area to the other MR element also be executed over a large area. This makes it possible the local maximum current density in the long leads too the sensor elements occurs to be significantly reduced compared to that case in the continuously geometrically tapered MR sensor elements be connected directly to long supply lines.

Dabei kann im Falle, dass die weiteren resistiven Elemente aus magnetoresistiven Material bestehen, der Anschluss oder die Anschlüsse an das/die weitere/n MR-Elemente derart geometrisch ausgeführt werden, dass an den Anschlüssen der weiteren MR-Elemente im Betrieb keine magnetfeldabhängige elektrische Potentialdifferenz entsteht, sondern die weiteren MR-Elemente weitestgehend rein resistiv wirken.there can in the case that the further resistive elements from magnetoresistive Material, the connection or the connections to the other MR element (s) are carried out geometrically in such a way, that at the terminals the other MR elements in operation no magnetic field dependent electrical Potential difference arises, but the other MR elements largely purely resistive Act.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Vermeidung oder Reduktion von Elektromigration mit einfachen konstruktiven Mitteln realisierbar ist, wodurch z. B. eine chemische Legierungszusammensetzung des Al-Leitermaterials mit guter Bondbarkeit gewählt werden kann.The Invention has the advantage that an avoidance or reduction of Electromigration feasible with simple constructive means is, whereby z. B. a chemical alloy composition of Al conductor material can be selected with good bondability.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt 3 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung von MR-Sensorelementen, Verbindungsleiter, resistiven Elementen und Leitungselementen. Die 4a, 4b, 5, 6 und 7 zeigen in Aufsicht erfindungsgemäße Anordnungen von MR-Sensorelementen, Verbindungsleitern, resistiven Elementen und Leitungselementen mit unterschiedlicher geometrischer Ausführung der Kontaktbereiche zwischen den Elementen.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. In addition shows 3 a plan view of an inventive arrangement of MR sensor elements, connecting conductors, resistive elements and line elements. The 4a . 4b . 5 . 6 and 7 show in plan according to the invention arrangements of MR sensor elements, connecting conductors, resistive elements and line elements with different geometric design of the contact areas between the elements.

Eine elektromigrationsfeste Anordnung von Sensorelementen gemäß der Erfindung ist in 3 schematisch in der Aufsicht dargestellt und umfaßt mindestens ein im wesentlichen streifenförmiges Sensorelement (1) aus einem magnetoresistiven Material (streifenförmige MR Sensorelemente). Ein erstes weiteres resistives Element (4) ist bevorzugt dicht benachbart zum MR-Sensorelement (1) angeordnet. Das MR-Sensorelement (1) und das resistive Element (4) sind durch einen oder mehrere erste kurze Verbindungsleiter (2) elektrisch leitend verbunden. Mit dem resistiven Element (4) ist ein Leitungselement (5) elektrisch leitend verbunden. Das Leitungselement (5) kann als Aussenanschluss zu einem nächsten resistiven Element (4) oder zur Spannungsversorgung dienen. Bestimmend für die Stromdichte im Verbindungsleiter (2) ist die Breite des elektrischen Kontaktbereiches (6) des Verbindungsleiters (2) zum magnetoresistiven Sensorelement (1) und zum resistiven Element (4). Da in der Regel die magnetoresistiven Sensorelemente (1) aufgrund der Anforderung eines möglichst hohen Sensorwiderstandes schmal gegenüber den Verbindungsleitern (2) ausgeführt werden müssen, tritt die maximale Stromdichte im Verbindungsleiter (2) an der Breite des elektrischen Kontaktbereich (6) des Sensorelementes (1) zum Verbindungsleiter (2) auf. Der Verbindungsleiter (2) wird bevorzugt kurz ausgeführt, d. h. mit einer Länge die weniger als 50 μm beträgt. Dadurch wird erreicht, dass durch den vorab beschriebenen Materialrückstau Elekromigration trotz hoher Stromdichten im kurzen Verbindungsleiter (2) weitgehend vermieden werden kann. Wird die laterale Ausdehnung des resistiven Elementes (4) deutlich größer ausgeführt als die Streifenbreite der Sensorelemente (1), so wird erreicht, dass die Breite des elektrischen Kontaktbereiches (7) des Leitungselementes (5) zum resistiven Element (4) ein Doppeltes oder auch nehrfaches der Breite des elektrischen Kontaktbereiches (6) beträgt, wodurch sich die maximale Stromdichte im Leitungselement (5) im Vergleich zur maximalen Stromdichte im Verbindungsleiter (2) halbiert oder noch weiter erniedrigt. Somit sind dann auch lange Leitungselemente (5) z. B. als Anschluss verwendbar.An electromigration-resistant arrangement of sensor elements according to the invention is shown in FIG 3 schematically shown in plan view and comprises at least one substantially strip-shaped sensor element ( 1 ) of a magnetoresistive material (strip-shaped MR sensor elements). A first further resistive element ( 4 ) is preferably closely adjacent to the MR sensor element ( 1 ) arranged. The MR sensor element ( 1 ) and the resistive element ( 4 ) are connected by one or more first short connection conductors ( 2 ) electrically conductively connected. With the resistive element ( 4 ) is a conduit element ( 5 ) electrically conductively connected. The conduit element ( 5 ) can be used as external connection to a next resistive element ( 4 ) or to supply power. Determining the current density in the connecting conductor ( 2 ) is the width of the electrical contact area ( 6 ) of the facilitator ( 2 ) to the magnetoresistive sensor element ( 1 ) and the resistive element ( 4 ). Since as a rule the magnetoresistive sensor elements ( 1 ) due to the requirement of the highest possible sensor resistance narrow compared to the connecting conductors ( 2 ), the maximum current density in the connecting conductor ( 2 ) at the width of the electrical contact area ( 6 ) of the sensor element ( 1 ) to the connection conductor ( 2 ) on. The connecting conductor ( 2 ) is preferably made short, ie with a length which is less than 50 microns. This ensures that the material backlog described above Elekromigration despite high current densities in the short connecting conductor ( 2 ) can be largely avoided. Will the lateral off elongation of the resistive element ( 4 ) made significantly larger than the strip width of the sensor elements ( 1 ), it is achieved that the width of the electrical contact area ( 7 ) of the conduit element ( 5 ) to the resistive element ( 4 ) a double or even a multiple of the width of the electrical contact region ( 6 ), whereby the maximum current density in the line element ( 5 ) compared to the maximum current density in the connecting conductor ( 2 ) halved or further reduced. Thus, then also long line elements ( 5 ) z. B. usable as a connection.

In 4a ist eine erfindungsgemäße Anordnung in der Aufsicht dargestellt. Ein im wesentlichen streifenförmiges MR-Sensorelement (1) weist an seinem Ende eine gleichförmig spitz zulaufende Kontur aus. Dabei kann die zulaufende Kontur aus dreieckigen und/oder trapezförmigen und/oder elliptischen und/oder halbkugelförmigen Geometrieelementen aufgebaut sein.In 4a an arrangement according to the invention is shown in plan view. A substantially strip-shaped MR sensor element ( 1 ) has at its end a uniform tapered contour. In this case, the tapered contour can be constructed from triangular and / or trapezoidal and / or elliptical and / or hemispherical geometric elements.

Ein erstes weiteres resistives Element (4) ist bevorzugt dicht benachbart zum MR-Sensorelement (1) angeordnet. Dabei kann das weitere resistive Element (4) abweichend von der in 4a dargestellten rechteckigen Form auch als Vieleck, oder auch in kugelförmiger oder elliptischer Geometrie ausgeführt werden. Der kurze Verbindungsleiter (2) wird im Kontaktbereich zum resistiven Element (4) an seinem Ende halbkugelförmig ausgeführt. Das Leitungselement (5), das sich im elektrischen Kontakt zum resistiven Element (4) befindet, besitzt an einem Ende eine Aussparung, die in Ihrer Dimension und Gestaltung kongruent zum halbkugelförmigen Ende des Verbindungsleiters (2) ausgeführt ist. Getrennt sind der Verbindungsleiter (2) und das Leitungselement (5) durch einen möglichst engen Spalt. Durch die halbkugelförmige Ausführung des Spaltes erfolgt eine Aufweitung des Stromes beim Übergang vom Verbindungsleiter (2) über das resistive Element (4) zum Leitungselement (5).A first further resistive element ( 4 ) is preferably closely adjacent to the MR sensor element ( 1 ) arranged. In this case, the further resistive element ( 4 ) differing from the one in 4a shown rectangular shape as a polygon, or in spherical or elliptical geometry are executed. The short connection conductor ( 2 ) is in contact with the resistive element ( 4 ) executed hemispherical at its end. The conduit element ( 5 ) which is in electrical contact with the resistive element ( 4 ) has at one end a recess which is congruent in dimension and configuration to the hemispherical end of the connection conductor ( 2 ) is executed. Separated are the connecting conductor ( 2 ) and the conduit element ( 5 ) through the narrowest possible gap. The hemispherical design of the gap causes a widening of the current during the transition from the connecting conductor (FIG. 2 ) via the resistive element ( 4 ) to the line element ( 5 ).

Das resistive Element (4) kann aus demselben magnetoresistiven Material bestehen, wie das MR-Sensorelement (1). Bei vektorieller Addition der Ströme im Spaltbereich ergibt sich ein resultierender Stromvektor in Normalenrichtung zur Schnittkante der Halbkugel, d. h. alle Stromkomponenten in Querrichtung zur Normalenrichtung ergeben sich in der Addition zu Null. Die Ausrichtung des Spaltes kann variiert werden; auch so dass die Richtung des resultierenden Stromvektors im Spalt der Stromrichtung im MR-Sensorelement entspricht.The resistive element ( 4 ) may consist of the same magnetoresistive material as the MR sensor element ( 1 ). Vector addition of the currents in the gap region results in a resulting current vector in the normal direction to the cut edge of the hemisphere, ie all current components in the transverse direction to the normal direction result in the addition to zero. The orientation of the gap can be varied; also so that the direction of the resulting current vector in the gap corresponds to the current direction in the MR sensor element.

Eine Erweiterung der in 4a dargestellten Anordnung um weitere resistive Elemente (8) und Verbindungsleiter (9) erfolgt in 4b. Hieraus wird ersichtlich, dass die Erniedrigung der maximalen Stromdichte an den Kontaktanschlüssen auch über mehrere Stufen erfolgen kann.An extension of in 4a arrangement shown by further resistive elements ( 8th ) and connecting conductors ( 9 ) takes place in 4b , From this it can be seen that the reduction of the maximum current density at the contact terminals can also take place over several stages.

Um die Stromdichte im Kontaktbereich zu verringern, kann der Anschlussbereich auf dem resistiven Element (4) durch fingerartige Geometrien der Verbindungsleiter (2) und der Leitungselemente (5), wie in 5 oder durch meanderförmige Geometrien der Verbindungsleiter (2) und der Leitungselemente (5) wie in 6, noch stärker aufgeweitet werden.In order to reduce the current density in the contact region, the connection region on the resistive element ( 4 ) by finger-like geometries of the connecting conductors ( 2 ) and the line elements ( 5 ), as in 5 or by meandering geometries of the connecting conductors ( 2 ) and the line elements ( 5 ) as in 6 to be widened even more.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung nach 7 ist zwischen den Verbindungsleitern (2) und den Leitungselementen (5), die an Ihren Enden dreiecksförmig spitz zulaufen, ein weiteres dreieckiges Leiterelement (10) vorgesehen. Das resistive Element (4) sei aus einem Material, welches den AMR Effekt zeigt. Wird der Winkel α zu nahe 45° und der Winkel β zu nahe 90° gewählt, so wird der Widerstand des resistiven Elementes (4) unabhängig von äußeren Magnetfeldern. Da die Fläche des resistiven Elementes (4) durch die im Vergleich sehr niederohmigen Verbindungsleiter (2), und die Leitungselemente (5), (10) weitgehend kurzgeschlossen wird, tragen nur die Spaltbereiche zwischen dem Verbindungsleiter (2) und den Leitungselementen (5), (10) zur magnetisch induzierten Widerstandsänderung bei. Bei β nahe 90° weist die Differenz der Stromrichtungen in den Spalten einen Differenzwinkel von nahe 90° auf. Im Falle von resistiven Elementen (4) aus Material, welches einen AMR Effekt zeigt, verändern sich dann zwar die Widerstände in den Spalten magnetfeldbedingt, da der Effekt aber in beiden Spalten immer gegenläufig ist, resultiert die integrale magnetfeldbedingte Widerstandsänderung im resistiven Element (4) zu Null.In another embodiment of the invention according to 7 is between the connecting conductors ( 2 ) and the line elements ( 5 ), which taper at their ends in a triangular shape, another triangular conductor element ( 10 ) intended. The resistive element ( 4 ) is made of a material that shows the AMR effect. If the angle α is selected to be too close to 45 ° and the angle β to close to 90 °, then the resistance of the resistive element ( 4 ) independent of external magnetic fields. Since the area of the resistive element ( 4 ) by the comparatively very low impedance connecting conductors ( 2 ), and the line elements ( 5 ) 10 ) is largely short-circuited, carry only the gap areas between the connecting conductor ( 2 ) and the line elements ( 5 ) 10 ) to the magnetically induced change in resistance. At β near 90 °, the difference of the current directions in the columns has a differential angle of near 90 °. In the case of resistive elements ( 4 ) of material which shows an AMR effect, although the resistances in the columns change due to the magnetic field, since the effect is always opposite in both columns, the integral magnetic field-induced resistance change in the resistive element ( 4 ) to zero.

Claims

Arrangement for preventing electromigration from at least one magnetoresistive sensor element ( 1 ) and at least one electrically connected to the magnetoresistive sensor element ( 1 ) connecting conductors ( 2 ) with low migration inhibition, wherein at least one further resistive element ( 4 ) on the one hand with the connection conductor ( 2 ) is electrically conductively connected and on the other hand, a line element ( 5 ) and wherein the width of the electrical contact region ( 7 ) of the conduit element ( 5 ) with the resistive element ( 4 ) at least twice the width of the electrical contact area ( 6 ) of the sensor element ( 1 ) with the connection conductor ( 2 ) is.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the length of the connecting conductor ( 2 ) is less than 50 microns.

Arrangement according to claim 1, characterized gekenn characterized in that the at least one magnetoresistive element consists of the same material as the magnetoresistive sensor element ( 1 ).

Arrangement according to claim 1, characterized in that the at least one magnetoresistive sensor element ( 1 ) is constructed of one or more layers showing the AMR, GMR, CMR or TMR effect.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the shape of the ends of the at least one magnetoresistive sensor element ( 1 ) is constructed of rectangular and / or triangular and / or trapezoidal and / or elliptical and / or semicircular geometric elements.

Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the conduit element ( 5 ) forms an electrical contact to a second resistive element, to an external terminal or to the power supply.