KR100479445B1 - The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves - Google Patents
The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves Download PDFInfo
- Publication number
- KR100479445B1 KR100479445B1 KR10-2002-0052321A KR20020052321A KR100479445B1 KR 100479445 B1 KR100479445 B1 KR 100479445B1 KR 20020052321 A KR20020052321 A KR 20020052321A KR 100479445 B1 KR100479445 B1 KR 100479445B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- spin valve
- thin film
- layer
- valve thin
- magnetic sensor
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 53
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 21
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 5
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 38
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 4
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- FFBHFFJDDLITSX-UHFFFAOYSA-N benzyl N-[2-hydroxy-4-(3-oxomorpholin-4-yl)phenyl]carbamate Chemical compound OC1=C(NC(=O)OCC2=CC=CC=C2)C=CC(=C1)N1CCOCC1=O FFBHFFJDDLITSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009812 interlayer coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000013515 script Methods 0.000 description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
- H01L21/0271—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers
- H01L21/0273—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers characterised by the treatment of photoresist layers
- H01L21/0274—Photolithographic processes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
본 발명은 풀 브리지 특성을 갖는 교환 바이어스형 스핀밸브를 이용한 자기센서 제조방법에 관한 것이다. 특히, 낮은 자계에서도 고민감도를 가진 스핀밸브 브리지 센서에 있어서 출력의 쌍극성과 최대 출력의 향상을 위한 스핀밸브 각 저항들의 고정 방향을 처리하는 새로운 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a magnetic sensor using an exchange bias spin valve having a full bridge characteristic. In particular, the present invention relates to a new method for processing the fixed direction of the spin valve angle resistors for improving the bipolarity and the maximum output of an output in a spin valve bridge sensor having a high sensitivity even at a low magnetic field.
본 발명에 따르면, 편평한 기판상에 서로 같은 방향의 고정 방향을 갖도록 R1,R3 저항 성분으로 예정된 부위에 제 1스핀밸브 박막을 형성하는 단계와; 상기 R1,R3 저항 성분의 제 1스핀밸브 박막을 마스크 패턴 및 건식식각하여 제 1미소 패터닝을 형성하는 단계와; 상기 제 1스핀밸브 박막의 고정 방향과 180도 정반대 고정방향으로 R2,R4 저항 성분으로 예정된 부위에 제 2스핀밸브 박막을 형성하는 단계와; 상기 R2,R4 저항 성분의 제 2스핀밸브 박막을 마스크 패턴 및 건식식각하여 제 2미소 패터닝을 형성하는 단계와; 상기 R1,R2,R3,R4 저항 성분의 브리지 회로 연결을 위한 컨택 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 교환 바이어스형 스핀밸브를 이용한 자기센서 제조방법이 제시된다.According to the present invention, the method comprises the steps of: forming a first spin valve thin film on a predetermined portion of the R1 and R3 resistance components so as to have a fixed direction in the same direction on a flat substrate; Forming a first smile patterning by mask-etching and dry etching the first spin valve thin film of the R1 and R3 resistive components; Forming a second spin valve thin film at a predetermined portion of the R2 and R4 resistance components in a fixed direction opposite to the fixed direction of the first spin valve thin film by 180 degrees; Forming a second smile patterning by mask-etching and dry etching the second spin valve thin film of the R2 and R4 resistive components; Provided is a method of manufacturing a magnetic sensor using an exchange bias type spin valve, comprising forming a contact line for connecting a bridge circuit of the R1, R2, R3, and R4 resistance components.
Description
본 발명은 풀 브리지 특성을 갖는 교환 바이어스형 스핀밸브를 이용한 자기센서 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 낮은 자계에서도 고민감도를 가진 스핀밸브 브리지 센서에 있어서 출력의 쌍극성과 최대 출력의 향상을 위한 스핀밸브 각 저항들의 고정 방향을 처리하는 새로운 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a magnetic sensor using an exchange bias spin valve having a full bridge characteristic. More specifically, the present invention relates to a new method for processing the fixed direction of spin valve resistances for improving the bipolarity and the maximum output of a spin valve bridge sensor having a high sensitivity even at a low magnetic field.
즉, 4개의 스핀밸브 저항 중 2개의 저항과 다른 2개의 저항의 저항 변화 방향을 서로 정반대로 하기 위해서 스핀밸브의 고정 방향을 증착 중의 자기장 방향에 의해 결정하는 방법을 통해 각각 두 번 스핀밸브 박막의 증착방법과 저항 패터닝 공정을 혼합하는 방법으로서 기존의 브리지 제조 공정 보다 더 신뢰도가 높은 새로운 공정 기술에 관한 것이다.In other words, in order to reverse the direction of change of resistance between two of the four spin valve resistors and the other two resistors, the spin valve is fixed twice according to the direction of the magnetic field during deposition. As a method of mixing the deposition method and the resistance patterning process, the present invention relates to a new process technology that is more reliable than the existing bridge fabrication process.
거대자기저항(giant magnetoresistance; GMR) 센서들에서 중요한 이슈 중의 하나는 휘스톤 브리지 회로를 통한 고출력의 센서의 실현이다. 그 원인은 하나의 기판 위에 서로 반대 방향의 출력 신호를 가진 거대자기저항 성분들을 얻는 것이 쉽지 않기 때문이다.One of the important issues in giant magnetoresistance (GMR) sensors is the realization of high power sensors through the Wheatstone bridge circuit. The reason for this is that it is not easy to obtain large magnetoresistive components with output signals in opposite directions on one substrate.
첫번째, 상용 GMR 센서는 1994년 넌벌러타일 일렉트로닉스(Nonvolatile Electronics; NVE) 회사에 의해 만들어졌으며, 이 센서의 저항 성분은 GMR 다층박막으로서 외부 영(0) 자기장에서 반강자성 결합을 가진 다층박막에 기초하며, IEEE Trans. Magn. 29(1993) 2705 페이지에 제한되었다.First, a commercial GMR sensor was created by Nonvolatile Electronics (NVE) in 1994. The resistive component of the sensor is a GMR multilayer thin film based on a multilayer thin film with antiferromagnetic coupling in an external zero magnetic field. IEEE Trans. Magn. 29 (1993) 2705 pages.
이 때, 브리지 특성은 투자율이 높은 연자성 박막에 의해 외부 자기장에 반응하지 않도록 차폐된 두 저항 성분과 그와 동시에 이 연자성 박막 극(pole) 사이에 위치시켜 집중된 자속을 받아 쉽게 반응하는 다른 두 저항 성분으로 한 구조로써 얻어지게 된다. 그러나 이 경우 출력이 있는 두 저항 성분과 출력이 없는 두 저항 성분을 기초로 하기 때문에 하나의 GMR 성분의 자기저항 변화율의 반(50%)만을 사용하는 하프 브리지(half-bridge) 특성을 가지고 있다.In this case, the bridge characteristic is placed between two resistive components shielded from reacting to an external magnetic field by a high magnetic permeability thin film and at the same time between the two soft magnetic thin film poles, the other two easily reacting under concentrated magnetic flux. It is obtained as a structure with a resistance component. However, in this case, since it is based on two resistance components with output and two resistance components without output, it has a half-bridge characteristic using only half (50%) of the magnetoresistance change rate of one GMR component.
두번째, 상용 GMR 센서는 인피니온 테크놀러지(Infineon Technologies)에 의해 만들어진 것으로 인공 반강자성 삼층막 구조를 경자성층으로 사용한 준스핀밸브(pseude spin valve) 구조이다. 이 때, 브리지 특성은 증착 및 패터닝을 한 후 센서 칩에 국부적으로 다르게 변화는 자기장을 인가함으로써 실현하였다. 그러나 이 경우 자기적 안정성이 부족하다. 특히 190 Oe 이상의 자기장에서는 비가역적인 특성이 나타날 뿐만 아니라 브리지 성분들을 셋팅하기 위해 사용된 자기장 크기가 이후 센서에 손상을 줄 수 있는 문제점을 가지고 있다.Second, the commercial GMR sensor is made by Infineon Technologies, and is a pseudo spin valve structure using an artificial antiferromagnetic three layer structure as a hard magnetic layer. At this time, the bridge characteristics were realized by applying a magnetic field that locally changed to the sensor chip after deposition and patterning. In this case, however, there is a lack of magnetic stability. In particular, the magnetic field of 190 Oe or more not only irreversible characteristics, but also has a problem that the magnetic field size used to set the bridge components may damage the sensor later.
그리고, 교환바이어스형 스핀밸브를 사용한 GMR 센서가 처음으로 IBM 회사에 의해 만들어졌는데 미국특허 US Patent 5,561,368로 등록이 되어 있다. 이 경우 브리지 특성이 쌍극성에 하나의 성분 자기저항비율 100%의 출력을 낼 수 있는 풀 브리지(full-bridge) 특성을 가지고 있도록 고안하였다는 것이다. 이 때, 풀 브리지 특성을 위한 반대 방향의 출력 신호를 가진 성분들로 처리하기 위한 아이디어는 반자성 재료인 FeMn의 블로킹 온도(150℃) 이상에서 부가적인 전류회로 도선에서 생기는 누설자계 방향에 따른 셋팅 회로에 의한 자지장 쿨링법을 사용하였다.In addition, a GMR sensor using an exchange bias type spin valve was first made by an IBM company, and is registered in US Patent 5,561,368. In this case, the bridge characteristic is designed to have a full-bridge characteristic that can give an output of 100% of one component magnetoresistance ratio in bipolarity. At this time, the idea for processing with components with the output signal in the opposite direction for the full-bridge characteristic is to set the circuit according to the leakage magnetic field direction generated in the additional current circuit lead above the blocking temperature (150 ° C) of the diamagnetic material FeMn. The magnetic field cooling method was used.
그러나, 실제 스핀밸브 구조는 열적 안정성이 높은 반강자성 재료로 블로킹 온도가 높은 재료를 사용하기 때문에 외부 셋팅 회로로 스핀의 배열을 바뀌기 위해서는 300℃ 이상의 높은 온도가 필요하다. 더욱이 이 경우 자유층의 구조도 높은 온도에 의해 열적으로 구조 및 특성이 열화되는 등 응용상 큰 문제가 되고 있다. 결국 IBM에서는 브로킹 온도가 낮은 FeMn을 사용하였기에 방향을 제어하는데 큰 문제가 없지만 실제 공정에서는 이 재료가 내식성이 높지 않기 때문에 사용이 되지 않고 있어서 사용화되지 못했다.However, since the actual spin valve structure uses anti-ferromagnetic material with high thermal stability and uses a high blocking temperature material, a high temperature of 300 ° C. or more is required to change the arrangement of spins with an external setting circuit. In addition, in this case, the structure of the free layer is also a big problem in application, such as thermally deteriorated structure and properties due to high temperature. After all, IBM used FeMn with a low breaking temperature, so there was no problem in controlling the direction, but in the actual process, the material was not used because it was not highly corrosion resistant.
최근에 교환바이러스형 스핀밸브에 기초한 또 다른 브리지 센서로서 피 프레이타스 등, J. Appl. Phys. 85 (1999) 5522 페이지에서 INESC에서 보고된 센서인데 이 경우 4개의 스핀밸브 저항 성분 중 2개의 거칠기가 매우 높은 기판 위에 증착하여 외부 자기장에 반응하지 않는 스핀밸브와 나머지 2개는 외부 자기장에 잘 반응하는 스핀밸브 성분들로 이루어지도록 하였다는 것이다. 따라서 이 경우는 NVE에서 만든 GMR 센서와 같은 하프 브리지 특성을 가지고 있다. 그리고 또한 센서의 작동 범위가 좁다.Recently, another bridge sensor based on an exchange virus type spin valve is shown by P. Freitas et al., J. Appl. Phys. A sensor reported by INESC on page 85 (1999) 5522, in which two of the four spin valve resistive components are deposited on a very rough substrate and do not respond to external magnetic fields, and the other two respond well to external magnetic fields. It consists of spin valve components. Therefore, this case has the same half bridge characteristics as the GMR sensor made by NVE. And also the operating range of the sensor is narrow.
상술한 바와 같이, 지금까지 나온 GMR 센서들은 그 특성이 하프 브리지 특성이거나 열적 불안정성 및 제조 공정이 복잡하여 온칩(on chip)을 위한 디자인으로 부적합하다. 앞으로의 센서에 요구되는 조건은 IC칩과 온칩화할 수 있어야 하기 때문에 반도체 집적 공정 측면에서 그 공정적인 접근이 용이하면서 센서 자체의 출력 특성이 우수해야 한다.As described above, GMR sensors thus far are not suitable for on-chip design because their characteristics are half-bridge characteristics or thermal instability and complicated manufacturing processes. In the future, the sensor needs to be able to be on-chip with the IC chip, so that the process is easily accessible in terms of semiconductor integration process and the output characteristic of the sensor itself is excellent.
GMR 다층 박막이나 준스핀밸브를 사용한 센서들의 경우 출력 특성 불안정성 즉, 출력 곡선의 히스테리시스가 존재한다는 측면과 온칩화에 용이한 공정적으로 접근이 쉽지 않은 문제점을 가지고 있다. 반면 교환 바이어스형 스핀밸브는 출력곡선의 히스테리곡선를 완전히 제거할 수 있고 열적 안정성이 높은 반강자성체인 IrMn(보통 250℃ 이상까지 안정) 또는 PtMn(310℃ 까지 안정)을 사용한다면 매우 내열성이 강한 자기장 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.Sensors using a GMR multilayer thin film or quasi-spin valve have problems of output characteristic instability, that is, hysteresis of the output curve, and difficulty in accessing on-chip easily. On the other hand, exchange-biased spin valves can completely eliminate the hysteresis curve of the output curve and are highly heat-resistant magnetic field sensors if IrMn (usually stable up to 250 ° C) or PtMn (stable up to 310 ° C), which has high thermal stability, is used. There is an advantage to manufacture.
스핀밸브의 구조는 제 1강자성층/비자성층/제 2강자성층/반강자성층 구조로 되어 있으며, 이 때 제 2강자성층은 보자력이 낮은 연자성 재료를 주로 사용한다. 통상적으로 NiFe, CoFe, 연자성 비정질 합금 등이 각각 또는 함께 사용될 수 있다.The spin valve has a structure of a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and an antiferromagnetic layer, wherein the second ferromagnetic layer mainly uses a soft magnetic material having a low coercive force. Typically NiFe, CoFe, soft magnetic amorphous alloy and the like can be used individually or together.
또한 제 2강자성층은 반강자성층에 의한 교환 결합으로 인해 절대값으로 대략 250 Oe 이상의 범위안에서 강하게 자기모멘트가 고정되어 있으며, 제 1강자성층은 외부 자기장에 대해서 자유롭게 자화반전을 할 수 있어 그 보자력이 10 Oe 이하의 값을 가진다. 자유층으로 사용되는 재료는 보자력이 낮은 연자성 재료를 사용할 수 있으며, 통상적으로 NiFe, CoFe, 비정질 합금 등의 연자성 합금이 각각 또는 함께 실용재료로 사용될 수 있다.In addition, due to the exchange coupling by the antiferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer is strongly fixed in the magnetic moment within the range of about 250 Oe or more at an absolute value, and the first ferromagnetic layer can freely magnetize and reverse the external magnetic field, thereby providing coercive force. It has a value of 10 Oe or less. As the material used as the free layer, a soft magnetic material having a low coercive force may be used, and soft magnetic alloys such as NiFe, CoFe, and an amorphous alloy may be used as a practical material, respectively or together.
따라서, 제 1강자성층의 자화반전 모드를 스핀밸브 저항 성분의 형상이방성을 이용하면 히스테리시스를 완전히 제거한 자화회전 모드로서 선형출력을 얻을 수 있으며, 더욱이 교환 바이어스형 스핀밸브는 ±30 Oe 이내의 저 자기장 범위에서도 최대 출력을 낼 수 있는 장점이 있어서 불가피하게 매우 낮은 자계범위를 사용해야만 하는 환경에서 더욱 효과적인 센서 역할을 할 수 있다.Therefore, when the magneto-inversion mode of the first ferromagnetic layer uses the shape anisotropy of the spin valve resistance component, a linear output can be obtained as a magnetization rotation mode in which hysteresis is completely eliminated. Furthermore, the exchange bias type spin valve has a low magnetic field within ± 30 Oe. The advantage of providing maximum output in the range also makes it a more effective sensor in environments that inevitably use very low magnetic ranges.
이러한 관점에서 교환 바이어스형 스핀밸브를 사용한 브리지 센서는 그 센서로서의 응용이 매우 우수하다. 한편, 이러한 견지에서 그 응용을 서두른 IBM 회사는 앞서 상술한 교환 바이어스형 스핀밸브를 사용한 브리지 회로 센서 제조방법을 제시하였으나, 이 방법은 스핀밸브의 열적 안정성을 나타내는 온도인 블로킹 온도가 비교적 낮은 150℃를 가진 FeMn을 반강자성층으로 사용할 경우에만 매우 효과적일 뿐, 열적 안정성이 높은 IrMn, PtMn을 사용한 스핀밸브의 경우는 미소 패턴 공정상 온도를 최소 300℃ 이상으로 올려야만 하는 공정상의 안정성 문제가 제기된다. 또한, 전류셋팅 회로인 부가적인 회로패턴으로 인해 공정이 복잡해지기때문에 온칩을 위한 공정 방식으로 부적합할 수 있다. 따라서 IBM의 셋팅 회로에 의한 자기장 쿨링법을 쓴 FeMn을 기초한 스핀밸브 브리지 센서는 상용화되지 못했다.From this point of view, the bridge sensor using the exchange bias type spin valve has excellent application as the sensor. On the other hand, the IBM company which hastened its application in view of the above has proposed a method of manufacturing a bridge circuit sensor using the above-described exchange bias type spin valve, but this method has a relatively low blocking temperature, which is a temperature indicating the thermal stability of the spin valve, at 150 ° C. It is very effective only when using FeMn with antiferromagnetic layer, and spin valve using IrMn and PtMn, which has high thermal stability, raises the issue of process stability that must raise the temperature at least 300 ℃ in the micro pattern process. do. In addition, the additional circuit pattern, which is a current setting circuit, makes the process complicated, making it unsuitable for the on-chip process. Therefore, spin valve bridge sensors based on FeMn using magnetic field cooling by IBM's setting circuits have not been commercialized.
이에, 상기한 문제점을 극복하고 온칩화에 유리한 공정 및 풀 브리지 특성으로서의 높은 출력과 우수한 온도 특성을 구현한 브리지 센서를 위해 본 발명은 스핀밸브의 두 번 증착을 이용한 브리지 센서를 제조하는 새로운 제조 공정방법을 제시하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a new manufacturing process for manufacturing a bridge sensor using two-deposition of spin valve for the bridge sensor that overcomes the above problems and implements a high output and excellent temperature characteristics as a full bridge characteristic and a process advantageous for on-chipization I would like to present a method.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은As a technical idea for achieving the above object of the present invention
평편한 기판 상에 서로 같은 방향의 고정 방향을 갖도록 R1,R3 저항 성분으로 예정된 부위에 제 1스핀밸브 박막을 형성하는 단계와;Forming a first spin valve thin film on a predetermined portion of the R1 and R3 resistance components so as to have a fixed direction in the same direction on a flat substrate;
상기 R1,R3 저항 성분의 제 1스핀밸브 박막을 마스크 패턴 및 건식식각하여 제 1미소 패터닝을 형성하는 단계와;Forming a first smile patterning by mask-etching and dry etching the first spin valve thin film of the R1 and R3 resistive components;
상기 제 1스핀밸브 박막의 고정 방향과 180도 정반대 고정방향으로 R2,R4 저항 성분으로 예정된 부위에 제 2스핀밸브 박막을 형성하는 단계와;Forming a second spin valve thin film at a predetermined portion of the R2 and R4 resistance components in a fixed direction opposite to the fixed direction of the first spin valve thin film by 180 degrees;
상기 R2,R4 저항 성분의 제 2스핀밸브 박막을 마스크 패턴 및 건식식각하여 제 2미소 패터닝을 형성하는 단계와; Forming a second smile patterning by mask-etching and dry etching the second spin valve thin film of the R2 and R4 resistive components;
상기 R1,R2,R3,R4 저항 성분의 브리지 회로 연결을 위한 컨택 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 교환 바이어스형 스핀밸브를 이용한 자기센서 제조방법을 제공한다.It provides a magnetic sensor manufacturing method using an exchange bias type spin valve comprising the step of forming a contact wiring for connecting the bridge circuit of the R1, R2, R3, R4 resistance components.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 스핀밸브 브리지 센서 구조에 대한 개략도이다.1 is a schematic diagram of a spin valve bridge sensor structure according to the present invention.
브리지 회로는 저항 하나의 성분만을 사용한 경우 보다 옵셋(off-set)이 매우 적을 뿐만 아니라 출력이 높은 장점을 가지고 있어서 저주파수용 회로에 매우 적합한 것으로 알려져 있다. I+와 I-에 전류 소스로 일정한 전류를 흘려주면(한쪽을 작동 전압으로 하고, 한쪽을 접지로 하는 경우와 마찬가지이다) 이 때 브리지 회로에서 그림의 전압차를 측정하면 다음과 같은 식으로 나타내어진다.Bridge circuits are known to be very suitable for low-frequency circuits because they have much lower offset and higher output than single resistors. If a constant current is flown into I + and I- as a current source (as in the case where one is the operating voltage and one is the ground), then the voltage difference in the diagram in the bridge circuit When is measured, it is represented by the following formula.
R1,R2,R3,R4는 스핀밸브들의 저항이며, I는 전압차를 측정하기 위한 I+와 I- 끝단에 흐르는 전류이다.R1, R2, R3, and R4 are the resistances of the spin valves, and I is the current flowing at the ends of I + and I- to measure the voltage difference.
이 때, 브리지 센서에서 풀 브리지 특성에 의해 최대의 출력을 가지게 하기 위해서는 도 1의 R1,R3 저항성분 위에 표시한 화살표처럼 R1,R3 스핀밸브는 서로 같은 고정방향(pinning direction)을 가지고 있으며, 한편 R2,R4는 도 1의 R2,R4 위에 표시한 화살표처럼 서로 같은 고정방향을 가지되, 도 2처럼 R1,R3의 고정방향과는 180도의 반 평행하게 되어야 한다.At this time, in order to have the maximum output by the full bridge characteristics in the bridge sensor, the R1 and R3 spin valves have the same pinning direction as shown by the arrow on the R1 and R3 resistive components of FIG. R2 and R4 have the same fixed direction as the arrows shown on R2 and R4 of FIG. 1, but should be anti-parallel by 180 degrees with the fixed direction of R1 and R3 as shown in FIG. 2.
만일 4개의 스핀밸브의 고정방향이 모두 같다면 4개의 자유층의 자기모멘트는 외부 자기장에 항상 함께 반응하기 때문에 수학식 1의 분자항이 거의 0이 되어 출력이 나오지 않는다. 따라서 각 성분 저항의 자기장에 따른 자기저항 거동을 나타내는 도 2에서 보는 바와 같이 스위칭 영역에서의 R1,R3와 R2,R4의 자기저항 스위칭 거동이 서로 반대이어야 한다.If the four spin valves have the same fixed direction, the magnetic moments of the four free layers always react together with the external magnetic field, and thus the molecular term of Equation 1 becomes almost zero, and thus no output occurs. Therefore, as shown in FIG. 2, which shows the magnetoresistive behavior according to the magnetic field of each component resistance, the magnetoresistive switching behavior of R1, R3 and R2, R4 in the switching region should be opposite to each other.
즉, 이론적으로 자기장이 없을 때 R1,R2,R3,R4 4개의 성분이 모두 같은 면저항을 가지면서 같은 크기 패턴, 같은 자기저항비를 가진다면 외부자기장이 0일때는 출력전압(△V)이 0이 되고, 외부 자기장을 걸었을 때 포화자기장 영역에서는 R1,R3가 가장 높은 저항(Rmax)을 가질 때 동시에 R2,R4는 가장 낮은 저항(Rmin)을 가지면 최대 출력을 가지게 된다.(또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다) 따라서 최대 전압차(Vmax)는 수학식 2와 같이 된다.(외부 자기장이 0일때 R1 = R2 = R3 = R4)That is, theoretically, if there are no magnetic fields, if all four components of R1, R2, R3, and R4 have the same sheet resistance and have the same size pattern and the same magnetoresistance ratio, the output voltage (△ V) is zero when the external magnetic field is zero. When the external magnetic field is applied, in the saturated magnetic field, when R1 and R3 have the highest resistance (Rmax), R2 and R4 have the maximum output when the lowest resistance (Rmin) is obtained (or vice versa). The same applies to the case). Therefore, the maximum voltage difference Vmax becomes as shown in Equation 2 (where R1 = R2 = R3 = R4 when the external magnetic field is 0).
따라서, R1,R3는 R2,R4와 반대방향의 고정방향으로 서로 처리하는 방법이 중요한 기술이 될 수 있으며, IBM의 경우 증착중에 결정된 고정방향으로 가진 스핀밸브 막을 한번 증착 후 도 1의 4개의 저항 성분으로 패터닝을 한 다음 그 위에 셋팅회로를 패터닝하여 반강자성체의 블로킹 온도 이상에서 셋팅회로에 전류를 걸어 그 회로에서 나오는 누설 자기장의 방향에 따라 고정방향을 도 1에 표시환 4개의 성분 위의 화살표 고정방향으로 설정한 다음, 냉각하여 그 고정방향을 설정하는 방법을 제안하였다.(US Patent 5,561,368) 그러나 이 방법은 셋팅 회로에 의한 패터닝 공정이 더 필요하므로 좀 더 복잡해지고 열처리를 해야 한다는 단점을 가질 뿐만 아니라 온칩화 문제와 블로킹 온도가 높은 반강자성체를 사용할 때의 스핀 밸브 구조 안정성 및 공정상의 안정성 문제 등의 신뢰성 문제를 안고 있다.Therefore, R1 and R3 may be important technologies in which each other is treated in a fixed direction opposite to R2 and R4. In the case of IBM, the four resistors of FIG. After patterning with components, pattern the setting circuit thereon to apply a current to the setting circuit above the blocking temperature of the antiferromagnetic material, and fix the fixed direction according to the direction of the leakage magnetic field from the circuit. After setting in the fixed direction, a method of cooling and setting the fixed direction has been proposed. (US Patent 5,561,368) However, since this method requires a patterning process by a setting circuit, it has a disadvantage in that it is more complicated and needs to be heat treated. In addition, spin valve structure stability and process stability when using anti-ferromagnetic materials with high on-chipization and high blocking temperature Face the problem of reliability and the like.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 도 3에서 나타낸 공정을 통해서 스핀밸브의 고정 방향을 제어하는 방법을 제시하고자 한다. 간략히 정리하면 첫번째 자장 중 스핀밸브 박막증착 후, R1,R3 저항성분만 패턴닝한 다음 증착 중의 자장 방향을 180도로 하여 스핀밸브 박막을 다시 증착하여 따로 R2,R4를 패터닝하는 방법을 시도하여 증착 중에 그 고정방향을 각각 결정하는 방법으로 브리지센서를 제작하는 방법으로서 본 발명에서 제시된 공정에서는 두 번 스핀밸브 증착이 포함된 신뢰성이 높으면서 반도체 공정에서 온칩에 적합한 미소 패터닝 공정이 된다.Therefore, in order to solve this problem, the present invention is to propose a method for controlling the fixed direction of the spin valve through the process shown in FIG. In short, after the deposition of the spin valve thin film among the first magnetic field, only the R1 and R3 resistive components were patterned, and then the spin valve thin film was re-deposited using the magnetic field direction of 180 degrees during deposition, and then R2 and R4 were separately patterned. As a method for fabricating the bridge sensor by determining the fixed direction, the process proposed in the present invention is a highly patterned micropatterning process suitable for on-chip in semiconductor processing with high reliability including two spin valve deposition.
도 3에 도시된 공정 순서를 좀 더 구체적으로 설명하면,Referring to the process sequence shown in Figure 3 in more detail,
공정 1은 자기장 중 첫번째 스핀밸브를 증착하는 단계로서 스핀밸브 다층박막을 보통 초고진공 스퍼터링 시스템으로 증착하고, 자화 용이축 및 반강자성층에 의한 일방향의 고정방향을 유도하기 위해 스퍼터 증착 중 영구 자석 또는 전자석으로 일정한 방향의 균일한 자기장을 시료에 인가하면서 스퍼터링을 하는 단계이다. 자기장의 세기는 20 Oe ~ 수백 Oe이면 충분하며, 약 100 Oe 정도가 바람직하다.Process 1 is the step of depositing the first spin valve in a magnetic field, in which a spin valve multilayer thin film is usually deposited in an ultra-high vacuum sputtering system, and a permanent magnet or sputter deposition during sputter deposition to induce a fixed direction in one direction by an easy magnetization axis and an antiferromagnetic layer. Sputtering is performed by applying a uniform magnetic field in a constant direction to the sample with an electromagnet. The strength of the magnetic field is 20 Oe to several hundred Oe, and about 100 Oe is preferable.
공정 2에서는 도 1에서 상술된 R1,R3 저항 성분을 첫번째 증착된 스핀밸브 막에 패터닝하고 건식 또는 습식 에칭을 통해 큰 저항을 가지도록 하기 위한 원하는 모양의 스트라이프(stripe)로 만드는 단계이다. 이 때, 스트라이프는 고정 방향축에 대해서 좁고 고정 방향에 수직한 방향으로 길게한 형상을 가져야 한다. 따라서 감지를 위한 외부 누설 자기장은 스핀밸브 스트라이프의 좁은 폭방향의 고정 방향축으로 인가되어야 한다.In process 2, the R1 and R3 resistive components described above in FIG. 1 are patterned onto the first deposited spin valve film and made into stripe of the desired shape to have a large resistance through dry or wet etching. At this time, the stripe should have a shape that is narrow with respect to the fixed direction axis and elongated in the direction perpendicular to the fixed direction. Therefore, the external leakage magnetic field for sensing should be applied to the fixed width axis in the narrow width direction of the spin valve stripe.
스트라이프의 설계는 제조하고자 하는 스트라이프의 저항이 결정되면 폭과 길이의 비가 저항을 면저항으로 나눈 값과 일치하므로 자동적으로 폭과 길이의 비를 결정할 수 있다. 예컨대, 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 된다는 것이다.The stripe design can automatically determine the width-to-length ratio when the resistance of the stripe to be manufactured is determined so that the ratio of width and length is equal to the resistance divided by the sheet resistance. For example, when designing a resistance of 1.5 kΩ, the area term is determined by the sample to be used (generally, the area term of the spin valve sample is 10-20 Ω / □). With this, the width / length ratio is 1.5 kΩ / 15 Ω / □ by 100. In other words, to produce a stripe with 1.5 kΩ, a stripe with a width of 1 micrometer and a size of 100 microns is produced.
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. However, contact mask aligners are usually easy to manufacture when the width is more than 2 microns. The lower limit of width and length is weak in shape anisotropy, so spin rotation does not occur and spin switching occurs.
공정 3은 R1,R3 저항 성분을 마스크 포토레지스트(photoresist; PR)를 통해 다음 단계 S130에서의 두번째 스핀밸브 증착시 이미 패턴된 R1,R3 스핀밸브 저항 성분을 보호하는 마스크 패터닝 단계를 말한다.The process 3 refers to a mask patterning step of protecting the R1, R3 spin valve resistance component that is already patterned during the deposition of the second spin valve in the next step S130 through the mask photoresist PR.
공정 4는 자기장 중 두번째 스핀밸브를 증착하는 단계로서 이 때 반드시 증착 중 자기장 방향을 첫번째 스핀밸브 증착시 자기장 방향과 180도 정반대 방향으로 되도록 하여 증착해야만 한다. 그럼으로써 첫 번째 스핀밸브의 고정방향과 정반대 방향으로 하여 이후 완성될 브리지 회로 센서의 출력을 풀 브리지 특성을 갖도록 할 수 있다.Process 4 deposits the second spin valve of the magnetic field, which must be deposited so that the magnetic field direction during deposition is 180 degrees opposite to the magnetic field direction during the first spin valve deposition. This allows the output of the bridge circuit sensor, which will be completed later, to be fully bridged in the opposite direction of the fixed direction of the first spin valve.
공정 5는 R2,R4의 저항 성분의 형상을 이미 패턴된 R1,R3 형상과 같은 모양으로 패터닝하고 에칭하는 단계이다. 이 때, 패터닝 마스크는 반드시 R1,R3 저항 성분을 에칭으로부터 보호하는 마스크 패터닝을 포함해야 한다.Process 5 is a step of patterning and etching the shape of the resistive components of R2 and R4 into the same shape as the already patterned R1 and R3 shapes. At this time, the patterning mask must include mask patterning to protect the R1 and R3 resistive components from etching.
공정 6은 4개의 저항 성분에 대해 브리지 회로를 위한 컨택 배선을 형성하는 단계로서 알루미늄(Al)이나 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 등의 비저항이 낮고 내식성이 우수한 재료를 1000Å 이상 증착하는 단계이다. 또한 컨택 배선시 접촉저항을 줄이기 위하여 접착을을 향상시키는 금속 예를 들면 Ti, Cr 등을 먼저 증착 후 위에 언급한 재료를 증착하기도 한다. 이 때, 컨택 배선을 위한 마스크 패턴을 먼저 형성한 다음 배선 재료를 증착 후 에칭 또는 리프트 오프(lift-off) 방법으로 배선을 형성한다.Step 6 is to form a contact wiring for the bridge circuit for the four resistive components, and a material having low resistivity and excellent corrosion resistance such as aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), etc. It is a step of depositing more than 1000Å. In addition, in order to reduce contact resistance during contact wiring, a metal, such as Ti or Cr, which improves adhesion may be deposited first and then the above-mentioned materials are deposited. At this time, a mask pattern for contact wiring is first formed, and then wiring is formed by etching or lift-off after deposition of the wiring material.
이러한 제조 공정에 대한 개념을 기초로 하여 수행한 미소 패턴 공정에 대한 구체적인 예가 도 4에 나타나 있다. 본 발명에서는 도 4에 나타나 있는 공정을 수행하여 스핀밸브 브리지 센서를 만들었다.A specific example of the micro pattern process performed based on the concept of the manufacturing process is shown in FIG. 4. In the present invention, the spin valve bridge sensor was manufactured by performing the process shown in FIG. 4.
도 4의 4a 내지 4d까지가 도 3의 " 공정1 "에 속하는 공정으로서 우리가 원하는 부분에만 첫번째 스핀밸브가 증착되도록 한 제조 공정이다.4A to 4D of FIG. 4 are processes belonging to “Process 1” of FIG. 3, in which the first spin valve is deposited only on the desired part.
먼저, 반도체기판 또는 유리기판 등의 평편한 기판(200) 상에 Al2O3 막 혹은 산화막(202)을 적층하고 제 1감광막(PR; 204)을 코팅한 후, 제 1노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행한다. 다음, 전표면에 제 1스핀밸브 박막(206)를 증착한 후 R1,R3 저항 성분으로 예정된 부분을 제외한 나머지 부분은 리프트오프(Lift off)한다.First, an Al 2 O 3 film or an oxide film 202 is laminated on a flat substrate 200 such as a semiconductor substrate or a glass substrate, and the first photoresist film PR is coated, followed by exposure using a first exposure mask. And the developing process. Next, after depositing the first spin valve thin film 206 on the entire surface, the remaining portions except for the portions scheduled as R1 and R3 resistance components are lifted off.
이 때, 상기 제 1스핀밸브 박막(206)는 기본 압력이 Torr인 스퍼터링 시스템을 사용하여 스핀밸브 박막를 증착하였다. 제 1스핀밸브 박막(206)은 기판/버퍼층/제 1강자성층/비자성층/제 2강자성층/반강자성층/보호층의 탑형 적층구조 또는 기판/버퍼층/반강자성층/제 1강자성층/비자성층/제 2강자성층/보호층의 버텀형 적층구조이다.즉, 스핀밸브의 박막 구조는 반강자성층이 적층구조상 하부에 있을 경우 “버텀형 스핀밸브 ”라고 하며, 반강자성층이 상부에 있을 경우 “탑형 스핀밸브 ”라고 한다. 상기 탑형 스핀밸브는 열처리를 하지 않고서도 높은 자기저항비를 얻을 수 있는 반면에, 버텀형 스핀밸브는 열처리 후 큰 자기저항비를 얻을 수 있다.따라서, 상기와 같은 스핀밸브 박막의 구조를 이용하여 자기센서를 제조함으로써 기존의 센서 보다 높은 출력을 얻을 수 있다.At this time, the first spin valve thin film 206 has a basic pressure A spin valve thin film was deposited using a Torr sputtering system. The first spin valve thin film 206 may be formed of a top stacked structure of a substrate / buffer layer / first ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / second ferromagnetic layer / antiferromagnetic layer / protective layer or a substrate / buffer layer / antiferromagnetic layer / first ferromagnetic layer / It is a bottom stack structure of nonmagnetic layer, second ferromagnetic layer, and protective layer. That is, the thin film structure of spin valve is called “bottom spin valve” when the antiferromagnetic layer is on the bottom of the stack structure. If present, it is called “top spin valve”. The top spin valve can obtain a high magnetoresistance ratio without heat treatment, while the bottom spin valve can obtain a large magnetoresistance ratio after heat treatment. Thus, by using the structure of the spin valve thin film as described above, By manufacturing magnetic sensors, higher outputs can be achieved than conventional sensors.
상기 제 1 및 2 강자성층은 보자력이 낮고, 자기변형이 영에 가까운 연자성 물질이며, 통상적으로 NiFe, CoFe, Co 계 비정질 합금등이 사용될 수 있다. 비자성층은 전도성이 좋은 물질로 Cu, Au 등이 사용 될 수 있다. 버퍼층 및 보호층은 자기저항 특성을 저해하지 않고 (111) 면의 우선 방위를 유지하는 물질이며, 박막의 저항을 낮추는 물질이 아니면 어떤 재료를 사용하여도 무방하다.The first and second ferromagnetic layers are soft magnetic materials having low coercive force and magnetostriction close to zero, and typically, NiFe, CoFe, Co-based amorphous alloys, and the like may be used. The nonmagnetic layer may be Cu, Au, or the like as a conductive material. The buffer layer and the protective layer are materials which maintain the preferential orientation of the (111) plane without impairing the magnetoresistive properties, and any material may be used as long as the material lowers the resistance of the thin film.
예컨대, 열산화된 SiO2가 있는 Si 기판에 Ta(20)/NiFe(30)/CoFe(20)/Cu(28)/CoFe(25)/IrMn(60)/Ta(25)으로 톱(Top) 고정 타입이었으며, 각 층의 두께 단위는 Å이다.For example, a Si substrate with thermally oxidized SiO 2 may be sawed with Ta (20) / NiFe (30) / CoFe (20) / Cu (28) / CoFe (25) / IrMn (60) / Ta (25). ) It was a fixed type and the thickness of each layer is Å.
여기서, 교환바이어스를 위한 반자성체는 IrMn, PtMn, NiMn 등으로 블로킹 온도가 대략 250 ℃ 정도로 알려져 있다. 따라서, 최소 250 ℃까지 열적 안정성을 가진다. 상기 제 1스핀밸브 박막(206) 증착시 고정 방향을 제어하기 위해 시편 홀더에 시편 사이에 영구자석이 배치되도록 하여 박막이 성장하는 두께 방향에 수직한 시편 면과 평행한 방향으로 100 Oe의 균일한 자기장이 인가되도록 하였다.Here, the diamagnetic material for the exchange bias is known as IrMn, PtMn, NiMn, and a blocking temperature of about 250 ° C. Thus, it has thermal stability up to at least 250 ° C. In order to control the fixed direction when the first spin valve thin film 206 is deposited, a permanent magnet is disposed between the specimen holders so that the uniformity of 100 Oe in a direction parallel to the specimen surface perpendicular to the thickness direction in which the thin film is grown. Magnetic field was applied.
도 4의 4e 내지 4g까지가 도 3의 " 공정2 " 에 속한다. 제 2감광막(208)을 코팅한 후 제 2노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여 R1,R3 저항 성분 패턴 마스크 형성 이후 이온 밀링(ion milling)으로 에칭하여 원하는 패턴 스크립(210a,210b)을 제외한 나머지 부분은 제거한 후 PR을 제거하는 공정이다.4E to 4G of FIG. 4 belong to "process 2" of FIG. After coating the second photoresist layer 208, the exposure and development process using the second exposure mask is performed to form a R1 and R3 resistive component pattern mask, followed by ion milling to etch the desired pattern scripts 210a and 210b. Except for the rest, PR is removed after removal.
이 공정에서 R1,R3 저항 성분의 크기는 3㎛ ×200㎛으로 하여 약 1KΩ정도의 저항을 가지도록 하였다. 또한 여기서 에칭은 건식 에칭인 이온 밀링을 사용하였으나 습식 에칭 공정을 하여도 무방하다.In this process, the size of the R1 and R3 resistance components was 3 µm x 200 µm, which was about 1 KΩ. In addition, although the etching used the ion mill which is a dry etching, you may perform a wet etching process.
도 4의 4h가 도 3의 " 공정 3" 에 속하는 단계로 R1,R3 저항 성분을 마스크 패턴으로 보호하는 단계이다. 이는 제 3감광막(212)을 코팅한 후 제 3노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여 형성한다.4H of FIG. 4 belongs to the "process 3" of FIG. 3 to protect the R1 and R3 resistance components with a mask pattern. This is formed by coating the third photoresist film 212 and then performing an exposure and development process using a third exposure mask.
도 4의 4i,4j가 도 3의 " 공정 4" 에 속하는 단계로 도 4의 4a 내지 4d에서 증착한 스핀밸브 박막과 똑같은 구조의 제 2스핀밸브 박막(214)를 똑같은 증착조건에서 증착을 하되 반드시 첫번재 제 1스핀밸브 박막(206)증착시 인가된 증착 중 다기장 방향과 정반대방향으로 인가하기 위해 영구자석 사이에 시편 위치가 첫번째 증착과 180도 회전된 각도로 배치시켜 두번째 제 2스핀밸브 박막(214) 증착을 하였다. 바로 이러한 180도 영구자석 자기장 방향 회전을 통한 두번째 제 2스핀밸브 박막(214) 증착을 통하여 R1,R3 저항 성분의 고정 방향과 정반대의 고정 방향을 가진 R2,R4 저항성분을 실현하는 것이다.4i and 4j of FIG. 4 belong to "process 4" of FIG. 3, and the second spin valve thin film 214 having the same structure as the spin valve thin film deposited in 4a to 4d of FIG. 4 is deposited under the same deposition conditions. When depositing the first spin valve thin film 206, the second spin valve is placed at an angle rotated 180 degrees between the first deposition and the permanent magnet in order to be applied in the opposite direction to the multi-field direction among the applied depositions. A thin film 214 was deposited. Through the deposition of the second second spin valve thin film 214 through such a 180 degree permanent magnet direction rotation, the R2 and R4 resistive components having the fixed direction opposite to the fixed direction of the R1 and R3 resistive components are realized.
이 때, 상기 마스크 패터닝된 제 1 및 제 2스핀밸브 박막(206,214)의 형상은 폭이 0. 5 ~ 20 마이크로미터(㎛), 길이가 5 ~ 1000 마이크로미터(㎛)를 갖으며, 반강자성층과 강자성층 사이에서 형성되는 교환이방성 방향은 스트라이프의 폭이 좁은 방향으로 고정되고, 길이 방향으로는 자유층의 형상비방성에 의하여 자화 용이축을 형성하고 있다. 따라서 자유층의 자화 방향은 고정 방향에 수직한 방향으로 길게 되어 형상이방성 형성에 의한 스핀 회전을 이용하게 된다.바람직하게, 상기에서와 같은 형상의 미소 패터닝된 제 1 및 제 2스핀밸브 박막(206,214)을 제조하는 이유는 자유층의 스핀 방향이 길이 방향으로 배열되는 싱글 도메인(single domain)을 형성하기 위해서는 센서의 폭과 길이를 변화시켜 형상이방성을 갖게 해야한다. 즉, 센서의 폭이 너무 넓고, 길이가 작은 경우 정자기에너지가 크게 되어 멀티 도메인(multi domain)을 만들게 되며, 센서의 출력은 선형적인 거동을 하지 못하고 자기이력을 보이게 된다. 따라서 센서의 폭은 작고, 길이를 길게 함으로써 형상이방성을 크게 하여 싱글 도메인(single domain)을 만들게 되며, 센서의 출력을 선형으로 유지할 수 있게 된다.In this case, the mask patterned first and second spin valve thin film (206,214) has a shape of 0.5 to 20 micrometers (μm) in length, 5 to 1000 micrometers (μm) in length, antiferromagnetic The exchange anisotropy direction formed between the layer and the ferromagnetic layer is fixed in a narrow direction of the stripe, and an easy magnetization axis is formed in the longitudinal direction by the shape anisotropy of the free layer. Therefore, the magnetization direction of the free layer is extended in a direction perpendicular to the fixed direction to take advantage of spin rotation by forming anisotropy. Preferably, the micro patterned first and second spin valve thin films 206 and 214 having the shape as described above are used. In order to form a single domain in which the spin direction of the free layer is arranged in the longitudinal direction, the width and the length of the sensor must be changed to have shape anisotropy. That is, if the width of the sensor is too wide and the length is too small, the static magnetic energy becomes large to create a multi domain, and the output of the sensor does not perform linear behavior but shows a magnetic history. Therefore, the width of the sensor is small, and the length is increased to increase the shape anisotropy to create a single domain (single domain), it is possible to maintain the linear output of the sensor.
도 4의 4k 내지 4m이 도 3의 " 공정 5" 에 속하는 단계로 제 4감광막(216)을 코팅한 후 제 4노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여 R2,R4 저항 성분패턴 마스크 형성이후 이온 밀링으로 에칭하여 원하는 패턴 스크립(218a,218b)을 제외한 나머지 부분은 제거한 후 PR을 제거하는 공정이다. 도 4e에서 이미 언급했듯이 이온 에칭시 R1,R3 저항 성분은 보호 마스크 패턴으로 인해 이온 밀링시 PR에 의해 보호된다.4k to 4m in FIG. 4 belong to the "process 5" in FIG. 3 after the fourth photosensitive film 216 is coated and then subjected to an exposure and development process using a fourth exposure mask to form the R2 and R4 resistive component pattern masks. After the etching is performed by ion milling, the remaining portions except for the desired pattern scripts 218a and 218b are removed and then PR is removed. As already mentioned in FIG. 4E, the R1, R3 resistive component in ion etching is protected by PR in ion milling due to the protective mask pattern.
도 4의 4n 내지 4p까지가 도 3의 " 공정 6" 에 속하는 단계로 제 5감광막(220)을 코팅한 후 제 5노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여초기 배선라인을 제외한 나머지 부분을 모두 PR로 덮는 마스크 패터닝을 한 후 배선 재료인 순수 알루미늄막(Al; 222)을 증착한 다음 리프트오프 방법으로 배선라인을 패터닝하여 완성하였다.4n to 4p of FIG. 4 belong to the “process 6” of FIG. 3, and then, the fifth photosensitive film 220 is coated, and the exposure and development processes using the fifth exposure mask are performed to remove the remaining portions except the initial wiring line. After mask patterning was all covered with PR, a pure aluminum film (Al) 222, which was a wiring material, was deposited, and then the wiring line was patterned by a lift-off method.
<실시 예 1><Example 1>
도 5a는 첫번째 증착한 제 1스핀밸브 박막의 자기저항곡선으로서 측정방법은 4단침법을 사용하였으며, 측정은 자화 용이축 방향으로 측정하였다. R1,R3 성분의 자기저항비는 7.5%였고, 자유층의 층간 결합 자기장과 보자력은 각각 10.8 Oe, 4 Oe였다.또한 교환바이어스의 자기장 값은 400 Oe 이상을 가지고 있었다.FIG. 5A illustrates a magnetoresistance curve of the first spin valve thin film deposited by the 4-step needle method, and the measurement was performed in the direction of easy magnetization. The magnetoresistance ratio of the R1 and R3 components was 7.5%, the interlayer coupling magnetic field and coercive force of the free layer were 10.8 Oe and 4 Oe, respectively, and the exchange bias had a magnetic field value of 400 Oe or more.
도 5b는 두번째 증착한 제 2스핀밸브 박막의 자기저항 곡선으로서 측정방법은 도 5a와 마찬가지로의 방법을 이용하였다. R2,R4 성분의 자기저항비는 7.0% 엿고, 자유층의 층간 결합 자기장과 보자력은 각각 12.8 Oe, 3.8 Oe였다. 교환바이어스 자기장 값은 400 Oe 이상을 가지고 있었다.FIG. 5B is a magnetoresistance curve of the second deposited second spin valve thin film, and the measuring method was similar to that of FIG. 5A. The magnetoresistance ratios of the R2 and R4 components were 7.0%, and the interlayer coupling magnetic field and coercive force of the free layer were 12.8 Oe and 3.8 Oe, respectively. The exchange bias magnetic field had a value of 400 Oe or more.
따라서 두 증착 스핀밸브 사이의 자기저항 특성 값이 거의 차이가 없음을 알 수 있었다. 그리고 R1,R3 스핀밸브와 R2,R4 스핀밸브 사이의 자유층의 스위칭에 의해 자기저항이 변화하는 방향이 서로 반대임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 두 스핀밸브의 고정방향은 서로 180도로 되어 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that there is almost no difference in the magnetoresistance characteristic values between the two deposition spin valves. In addition, it is easy to see that the directions of changing the magnetoresistance are reversed by switching the free layer between the R1 and R3 spin valves and the R2 and R4 spin valves. Therefore, it can be seen that the fixed directions of the two spin valves are 180 degrees.
<실시 예 2><Example 2>
도 5는 완성된 브리지 센서에서 도 1에서 언급한 측정 전류를 변화시키면서 브리지 센서의 출력 특성을 측정한 것이다. 측정 결과 스핀밸브 저항 성분 한 개의 저항은 1130 ~ 1280Ω이었으며, 전류를 증가시킬수록 출력 전압이 증가함을 알 수 잇다. 1㎃에서의 옵셋은 0.004 V, 최대 출력과 최소 출력 사이 차이는 0.07 ~ 0.08 V였다. 따라서 최대 출력의 변화가 약 7%이므로 스핀밸브의 자기저항비와 같았다. 또한 옵셋을 무시하였을 때 14㎃(15V동작)에서 ±0.6V의 고출력을 보여주고 있다.FIG. 5 shows the output characteristics of the bridge sensor while varying the measurement current mentioned in FIG. 1 in the completed bridge sensor. Is measured. As a result of the measurement, the resistance of one spin valve resistance component was 1130 ~ 1280Ω, and it can be seen that the output voltage increases with increasing current. Offset at 1㎃ is 0.004 V, difference between maximum and minimum outputs Was 0.07-0.08V. Therefore, the maximum output change was about 7%, which is equivalent to the magnetoresistance ratio of the spin valve. In addition, when the offset is ignored, it shows a high output of ± 0.6V at 14V (15V operation).
< 비교 예 ><Comparative example>
도 7은 교환바이어스형 스핀밸브 브리지 센서를 제조한 다른 그룹들의 센서 특성과 비교한 것이다. 앞서 종래 기술에서 언급한 INESC 방식의 센서와 비교해 보면 INESC 방식은 하프 브리지 특성이기 때문에 같은 동작 전압으로 환원해보더라도 본 새로운 제조공정으로 제조된 브리지 출력의 0.5배 정도 밖에는 안된다. 또한 IBM 방식과 비교하더라도 모든 측면에서 본 방식으로 만들어낸 센서가 더 우수함을 알 수 있다. 또한 본 방식으로 제조된 스핀밸브는 IrMn 기초의 스핀밸브이므로 IBM 방식으로 제조된 FeMn에 기초한 브리지의 열적 안정성 온도 150℃ 보다 100℃ 가 더 높은 250 ℃의 열적 우수성을 가지고 있다.FIG. 7 compares sensor characteristics of other groups fabricating exchange bias type spin valve bridge sensors. Compared with the INESC type sensor mentioned in the prior art, the INESC type has a half bridge characteristic, so even when reduced to the same operating voltage, it is only about 0.5 times the bridge output manufactured by the new manufacturing process. In addition, compared to the IBM approach, the sensor produced in this way is better in all respects. In addition, since the spin valve manufactured in this manner is an IrMn based spin valve, it has a thermal superiority of 250 ° C., which is 100 ° C., higher than 150 ° C. of the thermal stability temperature of the FeMn based bridge manufactured by the IBM method.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 교환 바이어스형 스핀밸브를 이용한 자기센서 제조방법에 따르면 첫째, 교환 바이어스형 스핀밸브를 사용한 브리지센서에서 한 기판 위에 4개의 저항들의 저항 변화 방향을 다르게 제어하여 풀브리지 특성을 얻을 수 있는 방법으로서 신뢰성 및 공정적인 안정성을 높일 수 있으며, 반도체 공정을 통한 IC칩과의 온칩화에 적합하다.As described above, according to the method of manufacturing the magnetic sensor using the exchange bias spin valve according to the present invention, first, in the bridge sensor using the exchange bias spin valve, the resistance change direction of the four resistors on one substrate is controlled differently so as to provide full bridge characteristics. It is possible to increase the reliability and process stability as a way to obtain, and is suitable for on-chip with the IC chip through the semiconductor process.
둘째, 열적으로 안정성이 높고 출력특성이 우수한 센서를 제조할 수 있어 자기센서로서의 자동차용 안티록 브레이크 시스템(ABS) 및 각도 센서 그리고 위치 센서, 속도 센서 등에 응용될 수 있다.Secondly, it is possible to manufacture a sensor with high thermal stability and excellent output characteristics, so that it can be applied to anti-lock brake system (ABS), angle sensor, position sensor and speed sensor as a magnetic sensor.
도 1은 본 발명에 따른 스핀밸브 브리지 센서의 구조에 대한 개략도이다.1 is a schematic diagram of a structure of a spin valve bridge sensor according to the present invention.
도 2는 도 1에서의 R1,R3 저항 성분 및 R2,R4 저항 성분 그리고 스핀밸브의 브리지 전압출력이 외부 인가 자기장에 따라 변화는 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating characteristics of R1 and R3 resistance components, R2 and R4 resistance components, and the bridge voltage output of the spin valve according to an externally applied magnetic field.
도 3은 본 발명에 따른 스핀밸브 브리지 센서의 제조 공정 순서도이다.Figure 3 is a flow chart of the manufacturing process of the spin valve bridge sensor according to the present invention.
도 4a 내지 도 4p는 본 발명에 따른 스핀밸브 브리지 센서의 제조 공정을 나타낸 공정단면도이다.4A to 4P are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the spin valve bridge sensor according to the present invention.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 스핀밸브의 자기저항 곡선을 나타낸 그래프이다.5A and 5B are graphs showing magnetoresistance curves of spin valves according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따라 브리지 회로에 흘려준 전류값을 변화시켰을 때 브리지 센서의 전압 출력값의 외부 자기장에 따른 변화 곡선을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a change curve according to an external magnetic field of the voltage output value of the bridge sensor when the current value flowing to the bridge circuit is changed according to the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예로서 교환바이어스형 스핀밸브 브리지 센서들과의 특성을 비교한 도표이다.7 is a diagram comparing characteristics of exchange bias spin valve bridge sensors with another embodiment of the present invention.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0052321A KR100479445B1 (en) | 2002-08-31 | 2002-08-31 | The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0052321A KR100479445B1 (en) | 2002-08-31 | 2002-08-31 | The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20040020662A KR20040020662A (en) | 2004-03-09 |
| KR100479445B1 true KR100479445B1 (en) | 2005-03-30 |
Family
ID=37325103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0052321A KR100479445B1 (en) | 2002-08-31 | 2002-08-31 | The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100479445B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980051688A (en) * | 1996-12-23 | 1998-09-25 | 오상수 | Magnetoresistive element and manufacturing method thereof |
| JP2000338211A (en) * | 1999-05-27 | 2000-12-08 | Fuji Elelctrochem Co Ltd | Magnetic sensor and its manufacture |
| US6191577B1 (en) * | 1997-03-07 | 2001-02-20 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic sensor exhibiting large change in resistance at low external magnetic field |
| KR20020062852A (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-31 | 야마하 가부시키가이샤 | Magnetic sensor and method of producing the same |
-
2002
- 2002-08-31 KR KR10-2002-0052321A patent/KR100479445B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980051688A (en) * | 1996-12-23 | 1998-09-25 | 오상수 | Magnetoresistive element and manufacturing method thereof |
| US6191577B1 (en) * | 1997-03-07 | 2001-02-20 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic sensor exhibiting large change in resistance at low external magnetic field |
| JP2000338211A (en) * | 1999-05-27 | 2000-12-08 | Fuji Elelctrochem Co Ltd | Magnetic sensor and its manufacture |
| KR20020062852A (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-31 | 야마하 가부시키가이샤 | Magnetic sensor and method of producing the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20040020662A (en) | 2004-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6946834B2 (en) | Method of orienting an axis of magnetization of a first magnetic element with respect to a second magnetic element, semimanufacture for obtaining a sensor, sensor for measuring a magnetic field | |
| US6577124B2 (en) | Magnetic field sensor with perpendicular axis sensitivity, comprising a giant magnetoresistance material or a spin tunnel junction | |
| KR100697123B1 (en) | Magnetic sensor and manufacturing method therefor | |
| JP3017061B2 (en) | Bridge circuit magnetic field sensor | |
| WO2012136134A1 (en) | Single-chip push-pull bridge-type magnetic field sensor | |
| US20080211490A1 (en) | Magnetic detector and method for making the same | |
| WO2012090631A1 (en) | Electromagnetic proportional current sensor | |
| EP1046048A1 (en) | Magnetic field sensor comprising a spin tunneling junction element | |
| JP3587678B2 (en) | Magnetic field sensor | |
| JP4338060B2 (en) | Manufacturing method of magnetic sensor | |
| JP2001266566A (en) | Magnetic memory element and magnetic memory using the same | |
| JP2000180524A (en) | Magnetic field sensor | |
| JP2000298162A (en) | Magnetic detecting element, its manufacture, and magnetic detecting device | |
| CN111965571B (en) | Preparation method of GMR magnetic field sensor | |
| KR100479445B1 (en) | The fabrication method of the full bridge type magnetic sensor using exchange biased spin valves | |
| KR100462792B1 (en) | The fabrication method of magnetic sensor using exchange-biased spin valves | |
| JP2001052315A (en) | Spin valve-type thin-film magnetic element, thin-film magnetic head and manufacture of the spin valve-type thin-film magnetic element | |
| KR20010033533A (en) | Magnetoresistant device and a magnetic sensor comprising the same | |
| KR101965510B1 (en) | Giant magnetoresistance Sensor | |
| JPH11195824A (en) | Magnetoresistance effect element and magnetoresistance effect type head | |
| Hill | A comparison of GMR multilayer and spin-valve sensors for vector field sensing | |
| JP2000150235A (en) | Spin valve magnetoresistive sensor and thin-film magnetic head | |
| JP2001274477A (en) | Magnetoresistive element | |
| CN117177654B (en) | Magneto-resistive element, manufacturing method thereof and electronic equipment | |
| JP4237855B2 (en) | Magnetic field sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20090302 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |