KR100462792B1

KR100462792B1 - 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법

Info

Publication number: KR100462792B1
Application number: KR10-2002-0052322A
Authority: KR
Inventors: 김광윤; 장성호; 김희중
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2002-08-31
Filing date: 2002-08-31
Publication date: 2004-12-20
Also published as: KR20040020663A

Abstract

본 발명은 낮은 자계에서도 높은 민감도를 가진 스핀밸브 브리지 회로 센서에 있어서 출력의 쌍극성과 최대 출력의 향상을 위해서 한 기판 위에 있는 스핀밸브의 각 저항성분에 대한 고정방향을 다르게 처리하는 방법에 관한 것이다.

4개의 저항성분 중 2개의 저항성분과 다른 2개의 저항성분의 저항 변화방향을 서로 정반대로 하기 위해, 스핀밸브에서 원하는 고정방향을 증착 중의 자기장 방향에 의해 결정하는 방법을 사용하되, 그 공정을 간단히 하면서 패턴의 재현성 및 신뢰성을 2번의 증착 및 1번의 패터닝만 수행한다.

그러므로 본 발명은 종래 브리지센서에 제시된 방법보다 더 간단하면서도 낮은 옵셋을 가지도록 하는 새로운 공정으로서 온칩화 등의 다른 미소 패터닝 공정들과의 결합성과 호환성이 요구되는 공정에 매우 적합하다.

Description

교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법 {The fabrication method of magnetic sensor using exchange-biased spin valves}

본 발명은 낮은 자계에서도 높은 민감도를 가진 스핀밸브 브리지센서의 출력향상과 출력의 쌍극성을 위해 스핀밸브 각 저항들에 대한 고정방향을 처리하는 방법에 관한 것이다.

보다 더 상세하게는, 4개의 스핀밸브 저항 중 2개의 저항과 다른 2개 저항의 저항 변화방향을 서로 정반대로 하기 위해 스핀밸브 고정방향을 증착 중의 자기장 방향에 의해 결정하는 과정을 통해 2번의 스핀밸브 박막 증착공정과 1번의 저항 패터닝 공정을 수행하는 방법으로 종래 제조방법보다 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

거대자기저항(giant magnetoresistance, 이하 'GMR'이라 함) 센서들에서 중요한 이슈의 하나는 휘스톤 브리지 회로를 통한 고출력 센서의 실현이다.

그 원인은 하나의 기판 위에 서로 반대방향의 출력신호를 가진 GMR 성분들을 얻는 것이 쉽지 않기 때문이다.

1994년 넌벌러타일 일렉트로닉스(Nonvolatile Electronics, NVE) 회사에 의해 상용화된 GMR 센서의 저항성분은 GMR 다층박막으로서, 외부 영(0) 자기장에서 반강자성 결합을 가진 다층박막에 기초하며, IEEE Trans. Magn. 29(1999) 2705페이지에 제안되었다.

이 센서의 브리지 특성은 투자율이 높은 연자성 박막에 의해 외부 자기장에 반응하지 않도록 차폐된 두 저항성분과 그와 동시에 이 연자성 박막 극(pole) 사이에 위치시켜 집중된 자속을 받아 쉽게 반응하는 다른 두 저항성분으로 한 구조로써 얻어진다.

그러나 이 경우 출력이 있는 두 저항성분과 출력이 없는 두 저항성분을 기반으로 하기 때문에 하나의 GMR 성분에 대한 자기저항 변화율의 50%을 사용하는 하프브리지(half-bridge) 특성을 가진다.

인피니온 테크놀로지(Infineon Technologies)에 의해 상용화된 GMR 센서는 인공 반강자성 삼층막 구조를 경자성층으로 사용한 준스핀밸브(pseudo spin valve) 구조이다.

이 센서의 브리지 특성은 증착 및 패터닝을 수행한 후 센서칩에 국부적으로 다르게 변하는 자기장을 인가하여 얻어진다.

그러나 상기 센서는 자기적 안정성이 부족하다.

특히, 190 Oe 이상의 자기장에서는 비가역적인 특성이 나타날 뿐만 아니라 브리지 성분 등을 셋팅하기 위해 사용된 자기장의 크기가 이후 센서에 손상을 줄 수 있다.

그리고 본원발명과 비교되는 미국 특허(US Patent 5561368호)에는 교환바이어스(exchange-biased)형 스핀밸브를 사용한 GMR 센서가 개시되었다.

이 센서의 브리지 특성은 쌍극성에 하나의 성분 자기저항비율 100%을 출력하는 풀 브리지(full-bridge) 특성을 가진다.

이 특허에서는 상기 풀 브리지 특성을 얻기 위한 반대방향의 출력 신호를 가진 저항성분들로 처리하기 위하여, 반강자성 재료인 FeMn의 블로킹 온도(150℃) 이상에서 부가적인 전류 회로 도선에서 생기는 누설 자계 방향에 따른 셋팅 회로에 의한 자기장 쿨링법이 사용된다.

또한 증착 중에 결정된 저항의 고정방향을 가진 스핀밸브 박막을 한번 증착후 4개의 저항성분으로 패터닝을 한 다음, 그 위에 셋팅회로를 패터닝하여 반강자성체의 블로킹 온도 이상에서 셋팅 회로에 전류를 걸어 그 회로에서 나오는 누설 자기장의 방향에 따라 도 1에 표시된 화살표의 고정방향으로 설정하고, 냉각하여 그 고정방향을 설정하는 방법이 제안된다.

그러나 이 방법은 셋팅 회로에 의한 패터닝 공정이 더 필요하므로 복잡해지고, 열처리를 해야 한다는 단점이 있다.

또한 실제 스핀밸브 구조는 열적 안전성이 높은 반강자성 재료로 블로킹 온도가 높은 재료를 사용하기 때문에 외부 셋팅 회로로 스핀의 배열을 바꾸기 위해서는 300℃ 이상의 높은 온도가 필요하다.

또한 자유층의 구조 및 특성이 높은 온도에 의해 열적으로 열화되는 등 응용상 문제점이 있었다.

결국 상기 특허가 블로킹 온도가 낮은 FeMn을 사용하여 방향을 제어하는데 큰 문제가 없지만, 실제 공정에서는 상기 FeMn이 내식성이 높아서 상용화되지 못하였다.

최근에 피 피 프레이타스 등, J. Appl. Phys. 85 (1999) p5522. INESC에 보고된 교환바이어스형 스핀밸브를 기반으로 하는 브리지센서는, 4개의 스핀밸브 저항성분 중 2개의 저항은 거칠기가 매우 높은 기판 위에 증착하여 외부 자기장에 반응하지 않는 스핀밸브로 하고, 나머지 2개의 저항은 외부 자기장에 잘 반응하는 스핀밸브로 하여 구성한다.

따라서 이 브리지센서는 하프 브리지 특성을 가지고 센서의 작동 범위가 좁다.

상술한 바와 같이, 지금까지 개발된 GMR 센서들은 그 특성이 하프 브리지 특성이거나 열적 불안정성 및 제조 공정이 복잡하여 온칩(on-chip)을 위한 디자인으로 부적합하다.

GMR 다층 박막이나 준스핀밸브를 사용한 센서들의 경우 출력 특성이 불안정하고 -출력 곡선에 히스테리시스가 존재하고- 온칩화 공정이 용이하지 못하다.

한편 미국 특허(US Patent 5561368호)는 블로킹 온도(150℃)가 비교적 낮은 FeMn을 반강자성층으로 사용할 경우에만 효과적일 뿐, 열적 안정성이 높은 IrMn, PtMn을 사용한 스핀밸브의 경우는 미소패턴 공정에서 온도를 300℃ 이상으로 올려야 하기 때문에 공정상에 안정성 문제가 제기된다.

또한 전류 셋팅 회로인 부가적인 회로 패턴으로 인해 공정이 복잡해지기 때문에 온칩을 위한 공정이 부적합하다.

따라서 상기 종래 미국 특허는 상용화되지 못하였다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스핀밸브의 2번 증착으로 브리지센서를 제조하여 온칩화 공정에 유리하고, 풀 브리지 특성으로서의 높은 출력 및 우수한 온도 특성을 가지며 재현성과 낮은 옵셋(off-set)을 구현하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 편평한 기판상에 증착을 원하는 부분에 마스크 패턴을 형성하여 PR(photoresist)로 보호한 상태에서, 4개의 브리지저항성분중 같은 고정방향을 갖는 2개의 저항성분으로 예정된 부분에 첫번째 스핀밸브 박막을 증착하고 PR을 제거하는 제1공정과;

상기 제1공정의 첫번째 스핀밸브 박막을 마스크 패턴을 형성하여 PR로 보호한 상태에서, 같은 고정방향을 갖는 나머지 2개의 저항성분으로 예정된 부분에 두번째 스핀밸브 박막을 증착하고 PR을 제거하는 제2공정과;

상기 4개 저항성분 패턴의 마스크를 형성하고 에칭하는 제3공정과;

상기 4개 저항성분의 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 형성한 다음 배선 재료를 증착한 후 배선을 형성하는 제4공정을;

포함하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법을 제공하고자 한다.

도 1은 일반적인 스핀밸브 브리지센서의 구조에 대한 개략도이다.

도 2는 도 1에 나타낸 저항성분의 저항값과 전압출력이 외부 자기장에 따라 변화하는 특성을 보인 그래프이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 제조공정별 개념도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 마스크의 평면투영도 및 남동 등각 투영도이다.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 브리지센서의 전압출력이 외부 자기장에 따라 변화하는 특성을 보인 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,2,3,4 : 마스크패턴 5 : 배선

R1,R2,R3,R4 : 저항

먼저 본 발명의 이해를 위해 스핀밸브의 구조에 대하여 설명하면, 스핀밸브는 기판 아래에서 상부로 대략 제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층으로 이루어진다.

상기 제2강자성층은 반강자성층에 의한 교환결합으로 인해 절대값으로 250 Oe 이상의 범위에서 강하게 자기모멘트가 고정된다.

이때 상기 제2강자성층을 고정층(pinned layer)이라고 하며 고정층의 자기모멘트가 고정된 방향을 고정방향(pinning direction)이라고 한다.

제2강자성층은 보자력이 낮은 연자성 재료를 주로 사용하며, 통상적으로 NiFe, CoFe, 연자성 비정질 합금 등이 각각 또는 함께 사용된다.

상기 제1강자성층은 외부 자기장에 대해서 자유롭게 자화반전을 할 수 있어 그 보자력이 보통 10 Oe 이하의 값을 가지므로 자유층(free layer)라고 한다.

자유층으로 사용되는 재료로는 보자력이 낮은 연자성 재료를 주로 사용하며, 통상적으로 NiFe, CoFe, 비정질 합금 등의 연자성 합금이 각각 또는 함께 실용재료로 사용된다.

따라서 제1강자성층의 자화 반전 모드를 스핀밸브 저항성분의 형상에 이용하면 히스테리시스를 완전히 제거한 자화 회전 모드로서 선형 출력을 얻을 수 있다.

더욱이 교환바이어스형 스핀밸브는 ±30 Oe 이내의 저 자기장 범위에서도 최대 출력을 낼 수 있는 장점이 있어서 매우 낮은 자계 범위를 사용해야 하는 경우에도 더욱 효과적인 센서 역할을 할 수 있는 것이다.

스핀밸브 브리지센서의 개략적인 그림이 도 1에 보인다.

브리지회로는 저항 하나의 성분만을 사용한 경우보다 옵셋(off-set)이 매우 적을 뿐만 아니라 출력이 높은 장점을 가지고 있어 저주파수용 회로에 매우 적합하다.

I+와 I-에 일정한 전류를 흘려 도 1에서 전압차(△V=(V+) - (V-))를 측정하면 수학식 1로 나타내어진다.

,

여기에서 R1, R2, R3, R4는 스핀밸브의 저항성분이며, I는 전압차를 측정하기 위해 I+, I- 끝단에 흐르는 전류이다.

상기 수학식 1은 한쪽을 작동 전압으로 하고, 다른 쪽을 접지로 하는 경우에도 마찬가지이다.

이때 브리지센서에서 풀 브리지 특성에 의해 최대 출력을 얻기 위해서는 도 1에서처럼, R1, R3 스핀밸브의 저항성분은 서로 같은 고정방향을 가지고, R2, R4 스핀밸브의 저항성분도 서로 같은 고정방향을 가지되, 각 쌍((R1,R3),(R2,R4))의 스핀밸브 저항성분 사이에 고정방향은 180°정반대방향이어야 한다.

만일 4개의 스핀밸브 저항성분의 고정방향이 모두 같으면 4개의 자유층(제1강자성층)의 가지모멘트가 외부 자기장에 항상 함께 반응하기 때문에 상기 수학식 1의 분자항이 거의 1이 되어 출력이 나오지 않게 된다.

따라서 각 저항성분의 자기장에 따른 자기저항 거동을 나타내는 도 2b에서 보는 바와 같이, 스위치 영역에서의 R1, R3와 R2, R4의 자기저항 스위치 거동이 서로 반대여야 한다.

즉, 이론적으로 자기장이 없을 때 R1, R2, R3, R4 4개의 저항성분이 모두 같은 면저항, 같은 자기저항비, 같은 패턴 크기를 가진다면, 외부 자기장이 0일 때는 출력전압(△V)이 0이 된다.

또한 외부 자기장을 걸었을 때 포화자기장 영역에서는 R1, R3가 가장 높은 저항값(R_max)을 가지고, 동시에 R2, R4가 가장 낮은 저항값(R_min)을 가질 때 최대출력을 가지게 된다(그 반대의 경우도 마찬가지이다).

따라서 최대 전압차(△V_max)는 수학식 2와 같이 된다.

여기서 외부 자기장이 0일 때 저항값 R1=R2=R3=R4=R이다.

이와 같이 R1, R3과 R2, R4를 반대방향의 고정방향으로 서로 처리하는 방법이 중요한 기술이 된다.

본 발명에서 제시하고자 하는 방법은, 반도체 및 유리 등으로 이루어지는 편평한 기판상의 증착을 원하는 부분에 마스크 패턴을 형성하여 PR(photoresist)로 보호한 상태에서, 4개의 브리지 저항성분중 같은 고정방향을 갖는 2개의 저항성분으로 예정된 부분에 첫번째 스핀밸브 박막을 증착하고 PR을 제거하는 제1공정과;

상기 4개 저항성분의 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 형성한 다음 배선 재료를 증착한 후 배선을 형성하는 제4공정으로 이루어진다.

도 1에 나타난 브리지 회로에서 R1, R3은 같은 고정방향이고, R2, R4는 R1, R3와 정반대방향의 고정방향을 가져야 한다는 개념을 고려하여, 도 3a 나타낸 것처럼 R1, R3 저항성분이 될 부분인 스핀밸브 영역 A1, A3을 증착중 인가된 자기장 방향에 의해 결정되는 고정방향을 가진 스핀밸브 박막으로 증착한다.

R2, R4 저항성분이 될 부분인 스핀밸브 영역 A2, A4를 상기 인가 자기장의 방향과 180°정반대로 한 상태에서 A1, A3과 정반대의 고정방향을 가지는 스핀밸브 박막으로 증착한다.

도 3b에서처럼 마스크 미소 패터닝 공정의 4개의 R1, R2, R3, R4 저항성분으로 한번에 패턴을 형성한 후, 도 3c처럼 배선 패터닝과 컨택 배선 재료 증착으로 브리지 회로를 구성한다.

본 발명에 따른 공정의 특징은 한 번 증착한 후, R1, R3 저항성분을 따로 미소 패터닝하고 다음 두 번째 증착한 후, R2, R4 저항성분을 따로 미소 패터닝하는 복잡한 공정 문제와 브리지 출력의 옵셋 제어의 어려운 점을 해결할 수 있다.

상기 공정의 구체적인 예를 설명하면 다음과 같다.

제1실시예로, 제1공정은 일반적으로 사용되는 편평한 기판 위에 첫번째 스핀밸브 박막을 증착한다.

상기 제1공정에서 반드시 영구자석으로 자기장을 인가한 상태에서 첫번째 스핀밸브 박막을 증착해야 한다.

즉, 자화 용이축 및 반강자성층에 의한 일방향의 고정방향을 유도하기 위해 스퍼터 증착 중 영구자석 또는 전자석으로 일정한 방향의 균일한 자기장을 시료에 인가하면서 스퍼터링을 해야 한다.

이때 자기장의 세기는 20 Oe∼수백 Oe이면 충분하며, 약 100 Oe 정도가 바람직하다.

첫번째 스핀밸브 박막은 기판에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층 순으로 적층되는 탑(top)형이거나, 버퍼층/반강자성층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/보호층의 순으로 적층되는 버텀(bottom)형이고, 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn, NiMn으로 이루어진다.

상기 제1 및 제2강자성층은 보자력이 낮고, 자기변형이 0에 가까운 연자성 물질이며, 통상적으로 NiFe, CoFe, Co계 비정질 합금 등이 사용된다.

비자성층은 전도성의 좋은 물질로 Cu, Au 등이 사용된다.

버퍼층 및 보호층은 자기저항 특성을 저해하지 않고 (111) 면의 우선 방위를 유지하는 물질이며, 박막의 저항을 낮추는 물질이 아니면 어떤 재료를 사용하여도 무방하다.

제2공정은, 도 3에서 R1과 R3이 될 스핀밸브 영역 A1, A3을 마스크 패턴을 형성하여 포토레지스트(Photoresist, PR)로 보호한 상태에서 나머지 부분을 에칭하는 공정으로, A2, A4 부분은 다시 기판으로 드러나게 된다.

이에 의해 A1, A3 부분에만 증착된 스핀밸브 박막이 남게 된다.

제3공정은, A1, A3 부분을 마스크 패턴을 형성하여 포토레지스트로 보호한 상태에서 두번째 스핀밸브 박막을 증착한다.

두번째 스핀밸브 박막도 첫번째 스핀밸브 박막과 같은 구조로, 기판에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층 순으로 적층되는 탑형이거나, 버퍼층/반강자성층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/보호층의 순으로 적층되는 버팀형이고 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn, NiMn으로 이루어진다.

비자성층은 전도성의 좋은 물질로 Cu, Au 등이 사용된다.

상기 제3공정에서 증착 중 자기장 방향을 첫번째 스핀밸브 박막 증착시 자기장의 방향과 180°정반대방향으로 되도록 하여 증착해야만 한다.

이와 같이 두번째 스핀밸브의 고정방향이 첫번째 스핀밸브의 고정방향과 정반대방향으로 되어 이후 완성될 브리지 회로 센서의 출력이 풀 브리지 특성을 얻게 되는 것이다.

제4공정은, 리프트 오프(lift off) 공정에 의해 PR을 제거한 후 R1, R2, R3, R4 저항성분을 패터닝하고 에칭하는 공정이다.

이때 상기 R1과 R3은 첫번째 스핀밸브 영역인 A1, A3에 저항 패턴을 위치시켜야 하고, R2와 R4는 두번째 스핀밸브 영역인 A2, A4에 저항 패턴을 위치시켜서 한 번에 4개의 저항성분을 패터닝한다.

이때 각 저항의 형상은 고정방향축에 대해서 좁고 고정방향에 수직한 방향으로 긴 스트라이프 형상이 바람직하다.

따라서 감지를 위한 외부 누설 자기장은 스핀밸브 스트라이프의 좁은 폭을 갖는 고정방향축으로 인가되는 것이 바람직하다.

스트라이프의 설계는 제조하고자 하는 스트라이프의 저항이 결정되면 폭과 길이의 비가 저항을 면저항으로 나눈 값과 일치하므로 자동적으로 폭과 길이의 비를 결정할 수 있다.

예를 들면 저항 1.5 kΩ을 설계시 면적항은 사용하고자 하는 시료에 의해 결정되므로(일반적으로 스핀밸브 시료의 면적항은 10-20 Ω/□) 이를 이용하면 폭/길이 비는 1.5 kΩ/15 Ω/□ 에 의해서 100 이다.

즉 1.5 kΩ을 갖는 스트라이프를 제조하기 위해서는 1 마이크로미터의 폭과 길이가 100 마이크론의 크기를 갖는 스트라이프를 제조하면 된다.

그러나 보통 컨택 마스크 얼라이너를 사용하면 폭은 2 마이크론 이상일 때 제조하기가 쉽다.

폭과 그리고 길이의 하한은 형상이방성에 약해 스핀회전이 일어나지 않고, 스핀 스위칭이 발생할 때이다.

상기 첫번째와 두번째 스핀밸브 박막은 폭이 0.5 ㎛에서 20㎛, 길이가 5㎛ 에서 1000㎛인 스트라이프 형상이고, 반강자성층과 강자성층 사이에서 형성되는 교환이방성 방향은 스트라이프의 폭은 좁은 방향으로 고정되며, 길이방향으로는 자유층(강자성층)의 형상비방성에 의하여 자화 용이축이 형성된다.

이에 의해 자유층(강자성층)의 자화 방향은 고정방향에 수직한방향으로 길게 되어 형상이방성 형성 형성에 의한 스핀 회전을 이용할 수 있다.

제5공정은, 각 저항성분에 대해 브리지 회로를 위한 컨택 배선을 형성하는 공정으로, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 비저항이 낮고 내식성이우수한 재료를 1000Å 이상의 두께로 증착한다.

제5공정에서 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 먼저 형성한 다음 배선 재료를 증착한 후 에칭 또는 리프트오프 방법으로 배선을 형성한다.

또한 전극과 배선금속과의 접촉저항을 감소시키기 위하여 Cr이나 Ti 등을 먼저 증착한 후 상기 배선용 금속을 증착하여 컨택 배선을 형성할 수도 있다.

제2실시예로, 제1공정은 일반적으로 사용되는 편평한 기판에서 증착을 원하는 부분에 마스크 패턴을 형성하여 PR로 보호한 상태에서 첫번째 스핀밸브 박막을 증착한 다음 리프트 오프를 하여 PR을 제거하는 공정이다.

여기에서는 상기 PR로 보호되는 기판 부분이 R2, R4가 될 A2, A4 부분으로 가정한다.

그러면 PR로 보호된 부분을 제외한 부분(A1,A3)에 첫번째 스핀밸브가 증착되고, A2, A4 부분은 기판으로 드러나게 된다.

이 제1공정에서도 제1실시예의 제1공정에서처럼, 반드시 영구자석으로 자기장을 인가한 상태에서 스핀밸브 박막을 증착해야 한다.

첫번째 스핀밸브 박막은 기판에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층의 탑형 순이나, 버퍼층/반강자성층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/보호층의 버텀형순으로 적층되고 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn, NiMn으로 이루어진다.

제2공정은 제1공정의 마스크 패턴과 정반대의 마스크 패턴을 형성하여 첫번째 스핀밸브 박막(A1,A3부분)을 PR로 보호한 상태에서 두번째 스핀밸브 박막을 증착하고 리프트 오프로 PR을 제거하는 공정이다.

그러면 A2, A4 부분에 두번째 스핀밸브 박막이 증착된다.

만약 제1공정에서 A2, A4 부분이 첫번째 스핀밸브 박막으로 증착되어 있으면 이 경우에는 A2, A4 부분이 PR로 보호되어 A1, A3 부분에 두번째 스핀밸브 박막이 증착된다.

이 제2공정에서도 제1실시예의 제3공정에서처럼 증착 중 자기장 방향을 첫번째 스핀밸브 증착시 자기장의 방향과 180°정반대방향으로 되도록 하여 증착해야만 한다.

상기 두번째 스핀밸브 박막도 첫번째 스핀밸브 박막과 같은 구조인 기판에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층의 톱형 순이나, 버퍼층/반강자성층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/보호층의 버텀형 순으로 적층되며 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn, NiMn으로 이루어진다.

제3공정은 네 개의 R1, R2, R3, R4 저항성분을 패터닝하고 에칭하는 공정이다.

따라서 감지를 위한 외부 누설 자기장은, 스핀밸브 스트라이프의 좁은 폭을 갖는 고정방향축으로 인가되는 것이 바람직하다.

제4공정은, 각 저항성분에 대해 브리지 회로를 위한 컨택 배선을 형성하는 공정으로, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 비저항이 낮고 내식성이 우수한 재료를 1000Å 이상의 두께로 증착한다.

제4공정에서 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 먼저 형성한 다음 배선 재료를 증착한 후 에칭 또는 리프트오프 방법으로 배선을 형성한다.

제1실시예와 제2실시예의 차이점은, A1, A3부분에 첫번째 스핀밸브만, A2, A4부분에 두번째 스핀밸브만 증착되게 하는 패턴 공정의 순서를 어떻게 하느냐에 차이가 있을 뿐 그 이후의 공정인 4개의 저항성분 패터닝과 회로 배선 패터닝은 똑같다.

상기 제1,2실시예는 도 3에서의 개념을 구현하기 위한 기본적인 예로서 본 발명을 적용하는 중에 세세한 부분들은 공정의 최적화를 위해서 수정이 가미될 수있다.

상기 제2실시예를 이용하여 실제 센서를 제조하는 경우에, 미소 패터닝을 위한 마스크 개략도가 도 4a와 도 4b에 표시된다.

도 4a는 평면 투영도이고, 도 4b는 남동 등각 투영도이다.

제1마스크패턴(1)이 제2실시예의 제1공정에 해당하는 패턴이며, 제2마스크패턴(2)이 제2공정에 해당하는 패턴이며, 제3마스크패턴(3)이 제3공정에 해당하는 패턴이며, 제4마스크패턴(4)가 제4공정에 해당하는 패턴이다.

아래는 제2의 구체적인 실시예이다.

Si(100Å)/SiO₂(1500Å)기판 위에 제1마스크패턴(1)을 형성하여 A2, A4부분을 PR로 보호한 상태에서 스퍼터링 장비에 장입하여 첫번째 스핀밸브 박막을 증착한다.

이때 스퍼터링 장비의 메인 챔버 압력은 7x10^-8Torr이다.

상기 첫번째 스핀밸브 구조는 기판 아래에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층으로 탑 고정 타입이고 각 층의 물질과 두께(단위 Å)는 Ta(50)/NiFe(45)CoFe(15)/Cu(25)/CoFe(30)/IrMn(60)/Ta(100)이다.

여기서 교환바이어스를 위한 반강자성체의 물질인 IrMn은 블로킹 온도가 대략 250℃ 정도이다.

따라서 최소 250℃까지 열적 안정성을 가진다.

상기 스핀밸브가 증착시 고정방향을 제어하기 위해 시편 사이에 영구자석이배치되도록 하여 스핀밸브 박막이 성장하는 두께 방향에 수직한 시편면과 평형한 방향으로 100 Oe의 균일한 자기장이 인가되도록 한다.

제2실시예의 제2공정에서는 제2마스크패턴(2)을 형성하여 첫번째 스핀밸브가 증착된 기판 부분을 PR로 보호한 상태에서 상술한 첫번째 스핀밸브 구조와 똑같은 구조의 두번째 스핀밸브 박막을 똑같은 증착 조건에서 증착을 한다.

단, 첫번째 스핀밸브 박막 증착시 인가된 증착중 자기장 방향과 정반대방향으로 인가하기 위해, 영구자석 사이에 시편 위치를 첫번째 증착과 180°회전각도로 배치시켜 두번째 스핀밸브 박막을 증착한 후, 리프트 오프로 PR을 제거한다.

제3공정에서는 제3마스크패턴(3)을 이용하여 R1, R2, R3, R4 저항성분 패턴의 마스크를 형성한 후, 이온 밀링(ion milling)으로 원하는 패턴 스트립을 제외한 나머지 부분을 제거한 후 PR을 제거한다.

상기 제3마스크패턴(3)에서 R1, R3 저항성분의 크기는 3㎛ x 200㎛로 하여 약 500Ω정도의 저항값을 가지도록 한다.

또한 여기서 에칭은 건식 에칭인 이온 밀링으로 하였으나 습식 에칭 공정을 하여도 무방하다.

제4공정에서는 제4마스크패턴(4)을 이용하여 브리지 회로 배선(5)을 제외한 나머지 부분을 모두 PR로 덮도록 마스크를 형성한 후, 배선(5) 재료인 알루미늄(Al)을 증착한 다음, 리프트 오프로 배선 라인을 패터닝하여 브리지센서의 제조가 완료된다.

도 5는 상술한 실시예에 따라 제조된 브리지센서의 출력 특성(△V)을, 1mA,5mA의 측정 전류에 대하여 ±300 Oe 범위에서 측정한 것이다.

측정 결과 스핀밸브 저항성분 한 개의 저항값은 500Ω이며, 전류를 증가시킬수록 출력전압이 증가함을 알 수 있다.

1mA에서의 옵셋은 0.002V이고, 최대출력과 최소출력 사이의 차(△V_max)는 0.03V이다.

따라서 최대 출력의 변화가 6%이므로 스핀밸브의 자기저항비와 같다.

또한 표 1에서 옵셋을 무시하였을 때 5mA(2.5V 동작)에서 ±0.10V의 고출력을 보여주고 있음을 알 수 있다.

상기 표 1에서 그 특성을 보면 본원발명에 의해 제조된 센서가 풀브리지 센서로서 같은 작동전압(V)으로 환원하여 볼 때 종래 미국 특허(US Patent 5561368호)의 센서에 비해 전혀 뒤지지 않으며, 본 발명은 IrMn(블로킹 온도 250℃)를 기초로 하므로 미국 특허의 FeMn(블로킹 온도 150℃)에 비해 열적 안정성 온도가 100℃ 더 높은 열적 우수성을 가지고 있는 것이다.

또한 제조 공정에 있어서 종래 미국 특허보다 간단하면서 그 신뢰성이 우수하고, 다른 패턴들과 혼합하여 쉽게 접근할 수 있는 온칩화에 적합한 공정이라는것을 쉽게 알 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 교환바이어스형 스핀밸브를 사용한 브리지센서에서 한 기판위에 4개 저항들의 저항 변화 방향을 다르게 제어하여 풀 브리지 특성을 얻을 수 있는 방법으로서 신뢰성 및 공정의 안정성을 높이고 반도체 공정을 통한 IC칩과의 온칩화에 적합한다.

또한 증착중 자기장 방향을 제어하는 두번 증착 및 패터닝 혼합의 새로운 방법에 의해 열적으로 안정성이 높고 출력 특성이 우수하므로, 자기 센서로서 자동차용 ABS 시스템, 각도 센서, 위치 센서, 속도 센서 등에 응용될 수 있다.

Claims

편평한 기판상에 증착을 원하는 부분에 마스크 패턴을 형성하여 PR(photoresist)로 보호한 상태에서, 4개의 브리지 저항성분중 같은 고정방향을 갖는 2개의 저항성분으로 예정된 부분에 첫번째 스핀밸브 박막을 증착하고 PR을 제거하는 제1공정과;

상기 제1공정의 첫번째 스핀밸브 박막을 마스크 패턴을 형성하여 PR로 보호한 상태에서, 같은 고정방향을 갖는 나머지 2개의 저항성분으로 예정된 부분에 두번째 스핀밸브 박막을 증착하고 PR을 제거하는 제2공정과;

상기 4개 저항성분 패턴의 마스크를 형성하고 에칭하는 제3공정과;

상기 4개 저항성분의 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 형성한 다음 배선 재료를 증착한 후 배선을 형성하는 제4공정을;

포함하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1공정과 제2공정에서 각각의 스핀밸브 박막은 일정한 방향의 균일한 자기장을 인가한 상태에서 증착시킴을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제2공정에서 첫번째 스핀밸브 박막의 고정방향과 180° 정반대 고정방향으로 두번째 스핀밸브 박막을 증착시킴을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 3에 있어서, 상기 정반대 고정방향을 각각의 박막 증착 공정중에 인가한 자기장 방향과 평행한 방향으로 결정하는 것을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 첫번째와 두번째 스핀밸브 박막은 기판에서 상부로 버퍼층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/반강자성층/보호층 순으로 적층시키는 탑(top)형인 것을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 첫번째와 두번째 스핀밸브 박막은 기판에서 상부로 버퍼층/반강자성층/제1강자성층/비자성층/제2강자성층/보호층의 순으로 적층시키는 버텀(bottom)형인 것을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn, NiMn중에서 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 첫번째와 두번째 스핀밸브 박막은 폭이 0.5 ㎛에서 20㎛, 길이가 5㎛ 에서 1000㎛인 스트라이프 형상이고, 반강자성층과 강자성층 사이에서 형성되는 교환이방성 방향은 스트라이프의 폭은 좁은 방향으로 고정되며, 길이방향으로는 자유층(강자성층)의 형상비방성에 의하여 자화 용이축이 형성됨을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 컨택 배선은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 중에서 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 컨택 배선은 Cr이나 Ti을 증착한 후 배선용 금속을 증착하는 것임을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제3공정에서,

제1공정의 2개의 저항성분은 첫번째 스핀밸브 박막 위치에 패터닝되고, 제2공정의 나머지 2개의 저항성분은 두번째 스핀밸브 박막 위치에 패터닝됨을 특징으로 하는 교환바이어스형 스핀밸브를 이용한 브리지센서 제조방법.