KR100222740B1 - 자기저항 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기저항 소자의 제조방법에 관한 것으로, 종래에의 자기 유도형 소자, 홀소자, 단층막 자기저항 소자 또는 다층박막형 자기저항 소자들은 저속 검출 성능 저하, 에어 갭에 따른 출력변화 등의 문제가 있으며, 낮은 자계에서 선형성이 나쁘며 자계가 0 일 때 불평형 전압이 발생되며, 자기저항비가 1.5-2% 정도로 낮으므로 민감도가 낮으며, 제조시 적층수가 많으므로 평탄도, 두께, 열처리 온도 등으로 제작공수가 많아지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판에 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 자기저항 소자의 제조방법을 제공함으로써 온도계수가 적고 안정되게 동작되며, 저자장하에서도 출력 특성이 우수하며, 동작온도 범위가 폭넓으며, 응용폭이 넓은 효과를 가져올 수 있다.

Description

자기저항 소자 및 그 제조방법

본 발명은 자기저항 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층으로 이루어진 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 에어콘 콤프레셔용 속도센서, 차고센서, 회전속도 검출용 속도센서, 타이어의 펑크감지 센서, ABS 센서 등 다양한 센서가 장치되어 전자제어시스템과 함께 다양한 기능을 수행하도록 되어 있다.

에어콘 콤프레셔용 속도센서는 에어콘 콤프레셔의 풀리에 장치되어 풀리 회전수를 검출하여 에어콘의 동작을 제어하는 것이며, 차고센서는 앞차축과 뒷차축의 크로스멤버의 양단에 장치되어 보디와 차축의 상대위치를 검출하여 차량의 바운싱, 노즈다이빙, 피칭 등의 상태를 제어하는 것이며, 회전속도 검출용 속도센서는 차량의 바퀴 휠에 장치되어 주행속도를 검출하는 것이며, ABS 센서는 바퀴의 미끄러짐량을 감지할 수 있도록 장치되어 차량의 제동시 급제동시나 빗길 등의 미끄러운 노면에서 브레이크의 작동압을 제어하는 것이다.

이와같은 다양한 센서들은 자기 유도형 소자, 홀소자, 단층막 자기저항 소자 또는 다층박막형 자기저항 소자를 이용한다.

자기 유도형 소자는 센서 코일을 통과하는 마그네틱 플럭스(Magnetic flux)가 주위 회전체에 의해서 변하게 되면 센서코일에 기전력이 발생하는 원리를 응용한 것이며, 이는 저속 검출 성능 저하, 에어 갭에 따른 출력변화 등의 문제가 있다.

홀 소자를 이용한 센서는 반도체 기판에 전류를 흘리고, 이 전류와 수직인 방향에서 전계를 가하면 전류와 자계의 양쪽에서 수직인 방향의 전위차가 발생되는 원리를 응용한 것으로, 낮은 자계에서 선형성이 나쁘며 자계가 0 일 때 불평형 전압이 발생되는 문제점이 있었다.

한편, 이와같은 문제를 해소하기 위해 NiFe 계 또는 NiCo 계 등의 강자성체의 단층막을 이용한 단층막 전기저항 소자가 제안되어 있으나, 일측 이방성을 갖도록 하기 위해 높은 자장에서 별도의 열처리가 필요하며, 상기 일축 이방성에 의해 기인되는 자기저항 효과의 자기저항비가 1.5-2% 정도로 낮으므로 민감도가 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 다층박막형 자기저항 소자는 기판위에 자성층, 비자성층을 교대로 20회 이상 적층시킴으로서 제조되며 비자성층을 중간에 둔 양쪽 자성층간의 보자력 차이로서 나타나는 자기저항 특성을 이용한 것으로, 민감도는 향상되었으나 제조시 적층수가 많으므로 평탄도, 두께, 열처리 온도 등 고려해야 할 인자가 복잡해지며 제작공수가 많아지는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자기저항비가 3%까지 향상되며, 자장 감응도가 2% 이상이며 , 포화장이 70 Οe 미만이며, 열적 안정성이 우수하며, 응답성이 우수한 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자의 제조방법 및 이를 이용한 에어콘 콤프레셔용 속도센서, 차고센서, 회전속도 검출용 속도센서, 타이어의 펑크감지 센서, ABS 센서 등을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 실리콘 기판의 표면에 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 산화층 위에 포토 레지스터를 도포하고 증착 윈도우를 형성하는 사진식각 단계와, 상기 포토 레지스터 및 증착 윈도우에 의해 노출된 산화층 위에 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계와, 상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 소정형상을 갖도록 포토 레지스트를 리프트 오프(Lift-Off)시켜 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패턴된 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층 상면에 전극을 형성하고 와이어 본딩하는 단계로 된 자기저항 소자 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 .표면에 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판 위에 스퍼터링 증착공정에 의해 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어콘 콤프레셔용 속도센서, 차고센서, 회전속도 검출용 속도센서, 타이어의 펑크감지 센서 및 ABS 센서에 적용되는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 제공한다.

도 1 은 본 발명에 따른 자기저항 소자의 제조공정을 보인 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 자기저항 소자의 적층구조를 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 강자성층에 일축 자기이방성을 부여하는 구조를 보인 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 자기저항 소자의 자기저항비를 나타낸 그래프.

이하 본 발명의 구성 및 작용효과를 첨부도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 자기저항 소자의 제조공정을 보인 공정도이며, 도 2는 본 발명에 따른 자기저항 소자의 적층구조를 보인 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 구조를 보인 개략도이며, 도 4는 본 발명의 강자성층에 일축 자기이방성을 부여하는 구조를 보인 구성도이다.

도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 자기저항 소자는 자계의 변화에 의해 전기저항이 수∼수십% 변화하는 막으로, 프리층(free layer),핀층(pinned layer)으로 불리는 2 개층의 강자성층에 비자성층을 매개로 끼워 그 위에 반자성층을 설정하는 이른바 스핀밸브 구조를 이루고 있으며, 본 발명의 스핀밸브 구조는 산화층(SiO₂)이 형성되어 있는 Si 기판 위에 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 형성된 구조를 이룬다.

한편, 본 발명에서 사용한 스퍼터링 장치는 4 개의 서로 다른 타겟(target)을 사용하여 동시에 플라즈마가 발생할 수 있도록 고주파 마그네트론 총(radio frequency magnetron gun) 또는 직류 마그네트론 총(direct current magnetron gun)을 장착하고 있으며, 4 개의 총에서 동시에 발생한 플라즈마가 서로 간섭하는 것을 방지하기 위하여 분리막과 개구를 설치하여 내부를 각각의 영역으로 분할하고 있다.

또한, 기판 고정대(substrate holder)는 스테핑 모터(stepping moter)에 의해 중간에서 회전하게 되어 있으며, 타겟과 기판 사이의 거리는 약 8㎝ 정도를 유지하도록 하였다.

본 발명에 따른 자기저항 소자의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판(1)을 준비하여 그 위에 포토 레지스터를 도포한 후 통상적인 사진식각공정으로 증착 윈도우를 형성한다.

이어서, 상기 스퍼터링 장치를 이용하여 먼저 증착 윈도우에 의해 노출된 산화층(SiO₂) 및 포토 레지스터 상면에 스퍼터링 증착 공정으로 NiFe 를 30∼70Å 정도의 두께로 적층하여 프리층(free layer)인 강자성층을 형성한다.

이때, 플라즈마를 발생시키는 수단은 400V, 120mA 에서 직류 마그네트론 총을 이용하며, 증착속도는 2Å/sec를 유지하며, 예비 스터터링 시간(presputtering time)을 5 분간 가졌다.

이어서, 상기 프리층 위에 스퍼터링 증착 공정으로 Cu 를 20∼50Å 정도의 두께로 적층하여 비자성층을 형성한다.

이때, 스퍼터링 증착 조건은 상기 강자성층과 동일한 직류 마그네트론 총을 이용하여 370V, 50mA 에서 2Å/sec의 증착속도를 유지하며, 5 분간의 예비 스퍼터링 시간을 가진다.

이어서, 상기 비자성층 위에 스퍼터링 증착 공정으로 NiFe 를 10∼100Å 정도의 두께로 적층하여 핀층(pinned layer)인 강자성층을 형성한다.

이때, 스퍼터링 증착 조건은 상기 강자성층과 동일한 직류 마그네트론 총을 이용하여 400V, 120mA 에서 2Å/sec의 증착속도를 유지하며, 5 분간의 예비 스퍼터링 시간을 가진다.

이어서, 상기 핀층 위에 스퍼터링 증착 공정으로 NiO를 420Å 정도의 두께로 적층하여 반강자성층을 형성한다.

이때, 스퍼터링 증착 조건은 고주파 마그네트론 방법으로 100W에서 1 시간 동안 420Å을 증착시키며, 예비 스퍼터링을 10분간 실시한다.

이어서, 상기 반강자성층 위에 Ta를 50Å 정도의 두께로 증착하여 보호층(capping layer)을 형성한다.

이때, 스퍼터링 증착 조건은 직류 마그네트론 총을 이용하여 370V, 120mA 에서 2Å/sec의 증착속도를 유지하며, 5 분간의 예비 스퍼터링 시간을 가진다.

한편, 각 층의 증착시 초기 진공도는 5×10^-6torr를 유지하며, 타겟부근의 아르곤의 부분압력은 1.3×10^-3torr를 유지할 수 있도록 한다.

또한, 도 3 에 도시된 바와 같이, 시료 홀더 양쪽에 영구자석을 장착하여 200Οe 정도의 자기장을 인가시켜 강자성층에 일축 자기이방성을 갖게 하였다.

아래의 표는 상기 스핀밸브구조를 갖는 자기저항소자의 공정 조건을 도식적으로 정리한 것이다.

[표]

기본압력	5×10-6Torr
스퍼터링 조건	NiO	NiFe	Cu	Ta
플라즈마	고주파 마그네트론 스퍼터링	직류 마그네트론 스퍼터링
전원	100W	400V, 120mA	370V, 50mA	370V, 120mA
부분압력	1.3×10-3Torr
증착속도	420Å/h	2Å/sec
스퍼터링 시간	10 분	5 분
일축 자기장	200Οe

이어서, 상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 스핀 밸브 구조가 소정형상을 갖도록 포토 레지스터 및 포토 레지스터 상면에 증착된 다층박막을 리프트 오프 공정으로 제거하고 스트리퍼로 초음파 세척을 수행한다.

최종단계로 상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 상면에 은, 니켈 또는 금 등을 증착하여 전극을 형성한 후 와이어 본딩 작업을 자기저항 소자의 제조공정이 완료된다.

상기된 바와 같이 제작된 NiFe/Cu/NiFe/NiO 스핀 밸브형 자기 저항 소자의 특성은 상기 반강자성층과 상기 핀층 사이의 경계면에서 교환 상호 작용에 의해 핀층에 교환바이어스 자계가 인가된다.

한편, 외부로부터 인가되는 자계가 작은 경우에 상기 교환 바이어스 자계에 의해서 상기 핀층의 자화는 용이하게 자화되지 못하고 스핀이 고정되는 반면에, 상기 반강자성층에 인접하지 않은 상기 프리층은 외부로부터 인가되는 자계에 의하여 용이하게 자유로이 회전되어 자화된다.

즉, 상기된 바와 같이 외부로부터 인가되는 자계에 의하여 상기 핀층 및 프리층의 자화 방향은 「평행↔반평행」상태로 변화하고, 이러한 자화 방향이 평행한 경우에 는 자기 변화에 의한 전기 저항율이 낮으며, 이와는 반대로 상기 자화 방향이 반평행한 경우에 전기 저항율이 높다.

즉, 상기된 바와 같이 상기 스핀 밸브형 자기 저항 소자는 자화의 방향 즉 스핀의 방향에 따라서 전류가 흐르기 쉽게 되거나 또는 전류가 흐르기 어렵게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 자기저항 소자의 자기저항비를 나타낸 그래프로서, 가로축은 자장의 세기를 나타내며, 세로축은 자기저항비를 백분율로 나타내고 있다.

또한, 실선은 핀층을 나타내며, 은선은 프리층을 나타낸다.

그래프에 나타난 바와 같이 본 본 발명의 자기저항 소자는 자기저항비가 종래의 일반적인 2 %를 초과하여 약 3% 까지 향상됨을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 온도계수가 0.03%/℃정도로 적으며, 동작온도가 -40∼75℃로 넓어 안정되게 동작하므로 열적 안정성이 우수한 특성을 나타낸다.

또한, 저자장하에서도 출력특성이 우수하며, 응답성이 우수한 특성을 갖는다.

이와같은 본 발명의 자기저항 소자는 에어콘 콤프레셔용 속도센서에 적용되어 에어콘 콤프레셔의 풀리에 장치되어 풀리 회전수를 검출하여 에어콘의 동작을 제어하는데 이용된다.

또한, 본 발명의 자기저항 소자는 차고센서에 적용되어 앞차축과 뒷차축의 크로스멤버의 양단에 장치되어 보디와 차축의 상대위치를 검출하여 차량의 바운싱, 노즈다이빙, 피칭 등의 상태를 제어하는데 이용된다.

또한, 본 발명의 자기저항 소자는 회전속도 검출용 속도센서에 적용되어 차량의 바퀴 휠에 장치되어 주행속도를 검출하는데 이용되며, ABS 센서에 적용되어 바퀴의 미끄러짐량을 감지할 수 있도록 장치되어 차량의 제동시 급제동시나 빗길 등의 미끄러운 노면에서 브레이크의 작동압을 제어하는데 이용된다.

이상, 상기 내용은 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

따라서 본 발명에 따르면, 스핀 밸브 구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 로 이루어진 자기저항 소자를 제공함으로써 온도계수가 적고 안정되게 동작되며, 저자장하에서도 출력 특성이 우수하며, 동작온도 범위가 폭넓으며, 응용폭이 넓은 효과를 가져올 수 있다.

Claims (25)

1. 실리콘 기판의 표면에 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 산화층 위에 포토 레지스터를 도포하고 증착 윈도우를 형성하는 사진식각 단계와, 상기 포토 레지스터 및 증착 윈도우에 의해 노출된 산화층 위에 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계와, 상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 소정형상을 갖도록 포토 레지스트를 리프트 오프(Lift-Off)시켜 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패턴된 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층 상면에 전극을 형성하고 와이어 본딩하는 단계로 된 자기저항 소자 제조방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계에서 프리층 및 핀층인 NiFe층의 플라즈마 발생 총이 직류 마그네트론 총인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 NiFe층의 증착속도가 2Å/se인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 NiFe층의 예비 스터터링 시간을 5 분간 수행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계에서 비자성층인 Cu 층의 플라즈마 발생 총이 직류 마그네트론 총인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 Cu 층의 증착속도가 2Å/sec인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 Cu 층의 예비 스터터링 시간을 5 분간 수행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계에서 반강자성층인 NiO 층의 플라즈마 발생 총이 고주파 마그네트론 총인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 NiO 층의 증착속도가 420Å/h 인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 NiFe층의 예비 스터터링 시간을 10 분간 수행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 스핀밸브구조를 갖는 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층을 순차적으로 적층시키는 스퍼터링 증착 단계에서 보호층인 Ta 층의 플라즈마 발생 총이 직류 마그네트론 총인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 Ta 층의 증착속도가 2Å/sec인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 Ta 층의 예비 스터터링 시간을 5 분간 수행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
14. 제 1 항에 있어서,

    상기 상기 스퍼터링 증착 공정의 아르곤의 부분압력을 1.3×10^-3torr로 고정하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 스퍼터링 증착 공정에서 시료 홀더 양쪽에 영구자석을 장착하여 150∼380ο_e정도의 자기장을 인가시켜 강자성층에 일축 자기이방성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자 제조방법.
16. 표면에 산화층(SiO₂)이 형성된 실리콘 기판 위에 스퍼터링 증착공정에 의해 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 프리층인 NiFe 층이 30∼70Å 정도의 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 비자성층인 Cu 층이 20∼50Å 정도의 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
19. 제 16 항에 있어서,

    상기 핀층인 NiFe 층이 10∼100Å 정도의 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
20. 제 16 항에 있어서,

    상기 반강자성층인 NiO 층이 420Å 정도의 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
21. 제 16 항에 있어서,

    상기 보호층인 Ta 층이 50Å 정도의 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
22. 제 16 항에 있어서,

    상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 구비하는 에어콘 콤프레셔 속도센서가 에어콘 콤프레셔의 풀리 회전수를 검출하여 에어콘의 동작을 제어할 수 있도록 풀리에 장치되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
23. 제 16 항에 있어서,

    상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 구비하는 차고센서가 보디와 차축의 상대위치를 검출할 수 있도록 앞차축과 뒷차축의 크로스멤버의 양단에 장치되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
24. 제 16 항에 있어서,

    상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 구비하는 ABS 센서가 바퀴의 미끄러짐량을 감지할 수 있도록 장치되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
25. 제 16 항에 있어서,

    상기 NiFe/Cu/NiFe/NiO/Ta 층이 순차적으로 적층된 스핀밸브 구조를 갖는 자기저항 소자를 구비하는 회전속도 검출용 속도센서가 주행속도를 검출할 수 있도록 차량의 바퀴 휠에 장치되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.