KR101965510B1 - 거대자기저항 센서 - Google Patents

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KR101965510B1 KR1020170153162A KR20170153162A KR101965510B1 KR 101965510 B1 KR101965510 B1 KR 101965510B1 KR 1020170153162 A KR1020170153162 A KR 1020170153162A KR 20170153162 A KR20170153162 A KR 20170153162A KR 101965510 B1 KR101965510 B1 KR 101965510B1
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유천열
이기승
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서는 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항을 포함한다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은, 기판 상에 배치된 단열 절연층; 상기 단열 절연층 상에 배치된 가열 라인; 상기 가열 라인 상에 차례로 적층된 고정층, 비자성 금속층, 및 자유층을 포함하는 GMR 소자; 상기 가열 라인의 일단에 연결된 제1 가열 라인 패드; 상기 가열 라인의 타단에 연결된 제2 가열 라인 패드; 상기 GMR 소자의 일단에 연결된 제1 연결 패드; 및 상기 GMR 소자의 타단에 연결된 제2 연결 패드를 포함한다. 상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 제1 내지 제4 GMR 저항에서 서로 다르다.

Description

거대자기저항 센서{Giant magnetoresistance Sensor}
본 발명은 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 센서에 관한 것으로, 더 구체적으로 휘스톤 브릿지를 구성하는 GMR 저항들의 고정층의 자화 방향을 가열 라인을 이용하여 서로 다른 방향으로 자화시킨 GMR 센서에 관한 것이다.
자기저항(MR, magneto-Resistance)은 강자성체에 외부 자기장이 안가되었을 때 저항이 변화하는 현상을 말한다. 이러한 자기저항 변화는 일반적으로 자기저항비(MR ratio)로 표현한다.
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여기서 Rmax 및 Rmin은 자기장에 따른 최대 및 최소의 저항값을 의미한다. 여러 가지 자기저항 중 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR)의 기본원리는 두 개의 강자성 박막이 비자성 금속박막에 의해서 분리되어 있는 다층박막구조(multilayer)에서 매우 큰 자기저항 변화를 나타내는 것이다. 이것은 기존의 이방성 자기 저항 센서(Anisotropic MagneticResistance; AMR sensor)의 자기저항 변화가 수 %에 불과한 점에 비추어, 거대자기저항(giant magnetoresistance; GMR)의 자기저항 변화는 수십 퍼센트에 이른다. 거대자기저항 현상은 스핀 의존성 산란(spin­dependent scattering)에 기인한다. 두 강자성 박막의 저항은 자성 박막내의 자기 모멘트가 평행인가 또는 반평행인가에 따라 변화한다.
두 자성박막이 평행한 자기 모멘트를 가질 때는 스핀 업(spin up) 상태인 전자들은 경계(interface)에서 산란 없이 통과할 수 있어 전자산란(electron scattering)이 덜 일어나 전자의 평균자유행정(mean free path)이 더 길어지므로 저항도 작아진다. 두 자성박막이 반평행 자기 모멘트를 가지면, 경계면에서 모든 전자들이 산란되기 때문에 전자의 평균자유행정이 짧아지고 따라서 저항도 증가한다.
일반적으로 GMR 센서는 4개의 GMR 저항을 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)로 접속한다. 휘트스톤 브릿지는 저항 값의 변화량을 전압의 변화로 변환해 주는 회로이다. 또한 휘트스톤 브릿지를 사용할 경우, 포화자화에서의 저항 값을 보상해 주는 회로를 필요로 하지 않는다. 또한 소자의 출력신호를 키울 수 있어 감도를 향상시킬 뿐만 아니라 소자의 기하학적 구조와 이방성의 적절한 배치로 인가 자기장의 방향에 따른 감도의 변화를 유도하여 방향성 소자로 활용할 수 있다.
이방성 자기 저항 센서에서는 휘트스톤 브릿지의 각 변을 바버 폴(barber pole ) 구조로 하여 마주보는 변의 외부 자기장에 대한 감도를 달리하였다. 그러나 GMR 센서에서는 그와 같은 수단을 사용할 수가 없기 때문에 이를 위해서 통합자속집속기(IMC, Integrated Magnetic Concentrator)를 이용한다. 통합자속집속기는 퍼말로이(permalloy)로 만들어진다. GMR 센서에서 사용되는 두 개의 GMR 센서 저항(R1, R4)는 외부 자계에 노출되고, 나머지 두 개의 GMR 기준 저항(R2, R3)은 외부 자계로부터 차폐된다. GMR 센서 저항R1, R4)은 두 집자속체 사이에 위치하며, 이 저항은 외부에서 인가된 자계보다 더 강한 자계를 받는다. 이 자계의 세기는 집자속체의 길이(D2)와 간극(D1)에 의해서 결정된다. GMR 브릿지 센서의 감도는 간극(D1)과 길이(D2)를 변화시켜 조정할 수 있다.
GMR 자기저항은 강자성체에 외부 자기장이 인가되었을 때 저항이 변화하는 현상을 이용하는 것이다. GMR 자기저항은 GMR 구조의 다층 박막을 사용하여 얻어질 수 있으며 잘 알려진 스핀 밸브형 구조를 사용한다. 이때 스핀밸브형 구조는 두 강자성층 중 하나의 강자성층을 교환결합특성을 갖는 반강자성층을 이용한 구조로 제작하여 고정층으로 사용한다. 이때 교환결합을 하지 않은 강자성층은 자유층 역할을 한다. 따라서 외부 자기장에 의한 자유층의 변화가 자기저항의 변화에 기여하며 자기저항의 변화는 전류의 양을 밸브 형태로 조절하는 기능을 한다. 이때 고정층의 방향을 결정하는데 있어서 반강자성층의 역할이 중요하다. 반강자성체는 자기장 하에서 열처리 후 상온까지 냉각시키면 열처리중 가해준 자기장의 방향에 평행한 자화 용이축을 갖는 일축이방성을 나타낸다. 이 열처리는 자장을 가한 상태에서 특정온도를 지나는 냉각조건이 필요하다.
이때 고정층의 방향을 결정하는 방법은 열처리 중 외부 자기장을 인가하는 방법인 관계로 센서의 작은 크기(수 μm ~ 수 mm) 때문에 국부적으로 외부자기장을 가해줄 수 있는 방법이 없다. 따라서, 각각의 저항의 고정층의 방향을 한 번에 같은 방향으로 결정할 수밖에 없는 단점이 있다. 고정층 별로 다른 자화방향이 필수적인 경우, 각각의 고정층 방향으로 따로따로 공정이 진행되어야 하므로 각각의 방향에 따라 비용도 증가한다는 단점이 있다. 그러므로 기존의 방법으로는 자화 방향을 90도씩 아니면 임의의 방향으로 결정할 수 없는 한계점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 GMR 센서를 구성하는 GMR 저항마다 별도의 가열 라인을 구비하고 가열 라인을 이용하여 국부적으로 가열한 상태에서 외부 자기장을 인가하여 각 GMR 저항의 고정층의 자화 방향을 임의의 방향으로 설정할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 GMR 센서를 구성하는 GMR 저항마다 별도의 가열 라인을 구비한 GMR 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서는 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항을 포함한다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은, 기판 상에 배치된 단열 절연층; 상기 단열 절연층 상에 배치된 가열 라인; 상기 가열 라인 상에 차례로 적층된 고정층, 비자성 금속층, 및 자유층을 포함하는 GMR 소자; 상기 가열 라인의 일단에 연결된 제1 가열 라인 패드; 상기 가열 라인의 타단에 연결된 제2 가열 라인 패드; 상기 GMR 소자의 일단에 연결된 제1 연결 패드; 및 상기 GMR 소자의 타단에 연결된 제2 연결 패드를 포함한다. 상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 제1 내지 제4 GMR 저항에서 서로 다르다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 가열 라인에 흐르는 전류에 의하여 가열된 상태에서, 외부 설정 자기장에 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열 절연층의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정층 및 상기 자유층은 수평 자기 이방성을 가지고, 상기 GMR 소자는 면내 전류 주입 방식에 의하여 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 상기 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치되고, 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 구불구불한 곡류 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정층은, 반강자성층; 상기 반강자성층과 교환자기이방성을 형성하고 상기 반강자성층 상에 배치된 제1 강자성층; 상기 제1 강자성층 상에 배치된 금속 중간층; 및 상기 금속 중간층 상에 배치된 제2 강자성층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유층은, CoFe를 포함하는 하부 자유층; 및 상기 하부 자유층 상에 배치되고 퍼멀로이를 포함하는 상부 자유층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 GMR 소자는 상기 자유층 상에 배치된 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 GMR 저항은 휘스톤 브릿지 회로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서는 제1 내지 제4 GMR 저항을 포함한다. 상기 GMR 센서의 제조 방법은, 기판 상에 단열 절연층을 형성하는 단계; 상기 단열 절연층 상에 가열 라인을 형성하는 단계; 상기 가열 라인 상에 차례로 적층된 고정층, 비자성 금속층, 및 자유층을 포함하는 GMR 소자를 형성하는 단계; 상기 가열 라인의 양단에 각각 제1 가열 라인 패드 및 제2 가열 라인 패드 및 상기 GMR 소자의 양단에 각각 연결된 제1 연결 패드 및 제2 연결 패드를 형성하는 단계; 및 제1 내지 제4 GMR 저항 각각에서 상기 가열 라인에 전류를 인가하여 상기 고정층을 가열한 상태에서 외부 설정 자기장을 인가하여 상기 고정층을 자화시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각의 고정층의 자화방향은 서로 다르고, 상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 상기 GMR 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열 절연층의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서는 단열 절연층과 가열 라인으로 GMR 저항을 국소적으로 가하면서 열처리하여 상기 GMR 저항의 고정층의 자화 방향을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a는 제1 측정 자기장 성분(Bx)을 측정하는 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 개념도이다.
도 3b는 도 3a의 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 회로도이다.
도 4a는 제2 측정 자기장 성분을 측정하는 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 개념도이다.
도 4b는 도 4a의 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GMR 센서의 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서는 4개의 GMR 저항들의 고정층의 자화 방향을 서로 다르게 설정하기 위하여 가열 라인을 통하여 국소 열처리 수행한다. 이에 따라, 하나의 휘트스톤 브릿지를 구성하는 4개의 GMR 저항의 각각의 고정층의 방향을 모두 다른 방향으로 설정된다.
가열 라인의 절연을 위하여 단열 절연층이 배치된다. 실리콘 기판에서 단열 절연층의 두께와 그 위에 형성된 열원으로 작용하는 가열 라인의 두께와 넓이가 정해진다. 약 1012 A/m2의 높은 밀도로 상기 가열 라인에 전류를 흘려주게 되면 각각의 물리적 상수에 의해 가열되는 온도가 결정된다. 상기 가열 온도가 쿠리에 온도 이상으로 가열된 경우, 고정 자성층은 외부 설정 자기장 방향으로 자화될 수 있다.
한 쌍의 휘트스톤 브릿지는 지구 자기장과 같이 측정 자기장이 인가되는 평면에서 수직한 한 쌍의 성분을 각각 측정할 수 있다. 하나의 휘트스톤 브릿지는 4개의 곡류 모양의 GMR 저항들을 이용하여 면내 측정 자기장의 일 성분을 측정할 수 있다. 다른 하나의 휘트스톤 브릿지는 4개의 곡류 모양의 GMR 저항들을 이용하여 면내 자기장의 다른 성분을 측정할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GMR 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, GMR 센서(100)는, 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)을 포함한다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각은, 기판(110) 상에 배치된 단열 절연층(111); 상기 단열 절연층(111) 상에 배치된 가열 라인(112); 상기 가열 라인(112) 상에 차례로 정렬되어 적층된 고정층(120), 비자성 금속층(130), 및 자유층(140)을 포함하는 GMR 소자(102); 상기 가열 라인(112)의 일단에 연결된 제1 가열 라인 패드(191); 상기 가열 라인(112)의 타단에 연결된 제2 가열 라인 패드(192); 상기 GMR 소자(102)의 일단에 연결된 제1 연결 패드(181); 및 상기 GMR 소자(102)의 타단에 연결된 제2 연결 패드(182)를 포함한다. 상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)에서 서로 다르다.
상기 GMR 소자의 고정층(120)의 자화 방향은 상기 가열 라인(112)에 흐르는 전류에 의하여 가열된 상태에서, 외부 설정 자기장(Bset)에 설정된다. 상기 가열 라인(112)와 상기 GMR 소자(102)는 대부분 중첩되나, 상기 GMR 소자(102)의 양단 주위에서 서로 중첩되지 않고 서로 분리될 수 있다.
휘스톤 브릿지는 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)이 정사각형을 이루는 회로이다. 상기 휘스톤 브릿지는 GMR 저항의 작은 변화를 측정할 수 있다. 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)은 휘스톤 브릿지를 구성한다.
제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각은 교환결합형 스핀 밸브 구조일 수 있다. 교환결합형 스핀 밸브는 강자성체와 반강자성체를 접합시킬 때 나타나는 교환결합 자기이방성(exchange anisotopy)을 이용한다. 교환결합형 스핀 밸브는 반강자성체/제1강자성체/비자성체/제2강자성체를 포함할 수 있다. 스핀 밸브 구조에서, 반강자성체와 인접한 제1강자성체는 자화가 교환결합 자기이방성에 의한 한 쪽 방향으로 강하게 고정될 수 있다. 반강자성체는 내부적으로 스핀들이 반평행하게 정렬되어 있는 구조를 가지며, 강한 교환결합력으로 인해 외부 자기장에 대하여 거의 반응하지 않는다. 자유층(140)은 약한 자기장에도 쉽게 자화 방향이 변경될 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 기판(110) 상에 단열 절연층(111)이 형성될 수 있다. 상기 단열 절연층(111)은 상기 기판(110) 방향으로 열 손실을 감소시킬 수 있는 물질일 수 있다. 상기 단열 절연층(111)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 단열 절연층의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
상기 가열 라인(112)은 상기 단열 절연층(111)에 배치될 수 있다. 상기 가열 라인(112)의 평면 형상은 상기 GMR 소자의 평면 형상과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 GMR 소자(102)의 평면 형상이 구불구불한 곡류 형상일 수 있다. 상기 GMR 소자는 상기 가열 라인으로부터 열을 효율적으로 전달받도록 상기 가열 라인 상에 배치될 수 있다. 상기 가열 라인의 폭은 상기 GMR 소자의 폭과 같거나 클 수 있다. 상기 가열 라인의 폭과 상기 GMR 소자의 폭이 같은 경우, 상기 가열 라인(112)은 양단을 제외하고 상기 GMR 소자(102)와 수직으로 정렬될 수 있다. 상기 가열 라인(112)의 폭은 수십 nm 내지 수백 nm일 수 있다. 상기 가열 라인에 의하여 가열된 온도는 섭씨 100도 내지 300도 일 수 있다.
상기 가열 라인(112)에 흐르는 일정한 전류 펄스에 대하여, 상기 단열 절연층(111)의 두께가 증가함에 따라 상기 가열 라인(112)의 최고 온도가 증가할 수 있다. 한편, 상기 단열 절연층(111)의 두께가 2 마이크로미터 이상인 경우, 상기 가열 라인(112)의 온도는 포화될 수 있다. 상기 가열 라인(112)의 폭이 증가할수록, 상기 가열 라인(112)의 포화 온도는 증가할 수 있다.
상기 가열 라인(112)는 상기 단열 절연층(111) 상에 배치될 수 있다. 상기 가열 라인(112)는 곡류 (meander) 형상을 가질 수 있다. 상기 가열 라인(112)는 금속 발열체 또는 비금속 발열체일 수 있다. 상기 가열 라인(112)는 나란히 연장되면서 가장 자리가 서로 연결되어 서펜타인(serpentine) 형상 또는 구불구불한 곡류(meander) 형상을 제공할 수 있다. 상기 가열 라인(112)는 Ni-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Mn-Ni 합금, Fe-Cr-Al 합금일 수 있다.
GMR 소자(102)는, 상기 가열 라인(112) 상에 차례로 정렬되어 적층된 고정층(120), 비자성 금속층(130), 및 자유층(140)을 포함한다. 상기 GMR 소자(102)는 나란히 연장되면서 가장 자리가 서로 연결되어 서펜타인(serpentine) 형상 또는 구불구불한 곡류(meander) 형상을 제공할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각 또는 GMR 소자(102) 각각은 나란히 연장되면서 가장 자리가 서로 연결되어 구불구불한 곡류 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각은 상기 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각은 구불구불한 곡류 형상을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 GMR 저항(101a)에서, 상기 곡류 형상의 장축 방향은 X' 방향일 수 있다. 상기 제2 GMR 저항(101b)에서, 상기 곡류 형상의 장축 방향은 Y' 방향일 수 있다. 상기 제3 GMR 저항(101c)에서, 상기 곡류 형상의 장축 방향은 X' 방향일 수 있다. 상기 제4 GMR 저항(101d)에서, 상기 곡류 형상의 장축 방향은 Y' 방향일 수 있다.
상기 제1 GMR 저항(101a)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 Y' 방향일 수 있다. 상기 제2 GMR 저항(101b)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 X' 방향일 수 있다. 상기 제3 GMR 저항(101c)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 -Y' 방향일 수 있다. 상기 제4 GMR 저항(101d)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 -X' 방향일 수 있다. 상기 제1 GMR 저항(101a)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 상기 곡류 형상의 장축 방향과 수직할 수 있다.
상기 GMR 소자(102)와 상기 가열 라인(112)은 서로 정렬될 수 있다. 다만, 제1 가열 라인 패드(191) 및 제2 가열 라인 패드(192)에 인접한 가열 라인(112)는 상기 GMR 소자(102)에 의하여 중첩되지 않고 분리될 수 있다.
상기 고정층(120)은, 인위적 준강자성(synthetic ferrimagnetic) 구조일 수 있다. 상기 고정층(120)은, 반강자성층(122); 상기 반강자성층(122)과 교환자기이방성을 형성하고 상기 반강자성층(122) 상에 배치된 제1 강자성층(123); 상기 제1 강자성층(123) 상에 배치된 금속 중간층(124); 및 상기 금속 중간층(124) 상에 배치된 제2 강자성층(125)을 포함할 수 있다. 상기 반강자성층(122)은 IrMn, FeMn일 수 있다. 상기 제1 강자성층(123)은 CoFe일 수 있다. 상기 금속 중간층(124)은 Ru일 수 있다. 상기 제2 강자성층(125)은 CoFe일 수 있다. 상기 제1 강자성층(123)과 상기 제2 강자성층(125)은 면내 자기이방성을 가지고 서로 반평형한 자화방향을 가질 수 있다.
상기 비자성 금속층(130)은 상기 고정층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 비자성 금속층(130)은 Cu일 수 있다.
상기 자유층(140)은 하부 자유층(142) 및 상기하부 자유층(142) 상에 배치된 상부 자유층(144)을 포함할 수 있다. 상기 하부 자유층(142)은 CoFe 이고, 상기 상부 자유층(144)은 퍼멀로이일 수 있다. 상기 퍼멀로이는 NiFe 합금일 수 있다. 상기 하부 자유층(142) 및 상기 상부 자유층(144)의 자화 방향은 동일하고 면내 자기이방성을 가질 수 있다. 상기 자유층(140)은 측정하고자 하는 측정 자기장의 방향으로 정렬될 수 있다. 이에 따라, 상기 GMR 저항은 상기 고정층의 자화 방향과 상기 자유층의 자화 방향에 따라 자기 저항값을 가질 수 있다.
보호층(153)은 상기 자유층(140) 상에 배치될 수 있다. 상기 GMR 소자(102)은 상기 보호층(153)을 포함할 수 있다. 상기 보호층(153)은 차례로 적층된 제1 보호층(152) 및 제2 보호층(154)을 포함할 수 있다. 상기 보호층(153)은 차례로 적층된 Ru/Ta 구조일 수 있다.
제1 가열 라인 패드(191)는 상기 가열 라인(112)의 일단에 연결될 수 있다. 제1 가열 라인 패드(191)는 낮은 저항을 가지는 금속 또는 금속합금일 수 있다. 상기 제1 가열 라인 패드(191)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다.
제2 가열 라인 패드(192)는 상기 가열 라인(112)의 타단에 연결될 수 있다. 제2 가열 라인 패드(192)는 낮은 저항을 가지는 금속 또는 금속합금일 수 있다. 상기 제2 가열 라인 패드(192)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다. 상기 가열 라인(112)을 사용하여 상기 고정층(120)을 가열할 경우, 상기 GMR 소자(102)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 구체적으로, 상기 가열 라인(112)을 사용할 경우, 각 GMR 소자(102)의 곡류 형상을 커버하는 사각형의 일변의 길이는 1 마이크로미터 이하로 줄일 수 있다.
제1 연결 패드(181)는 상기 GMR 소자(102)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 제1 연결 패드(181)는 상기 GMR 소자(102)의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자(102)의 측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 연결 패드(181)는 낮은 저항을 가지는 금속 또는 금속합금일 수 있다. 상기 제1 연결 패드(181)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다.
제2 연결 패드(182)는 상기 GMR 소자(102)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제2 연결 패드(182)는 상기 GMR 소자(102)의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자(102)의 측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 제2 연결 패드(182)는 낮은 저항을 가지는 금속 또는 금속합금일 수 있다. 상기 제2 연결 패드(182)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다.
상기 GMR 소자(102)는 면내 전류(current in the plane;CIP) 주입 방식에 의하여 동작할 수 있다.
측정 자기장은 제1 측정 자기장 성분(Bx) 및 제2 측정 자기장 성분(By)을 포함할 수 있다. 상기 측정 자기장을 나타내는 좌표계(XY)는 X'Y' 평면에서 Z'축을 기준으로 45도 회전한 좌표계일 수 있다.
도 3a는 제1 측정 자기장 성분(Bx)을 측정하는 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 개념도이다.
도 3b는 도 3a의 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 회로도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, GMR 센서(100a)는 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)을 포함한다. 제1 내지 제4 GMR 저항을 구성하는 각각의 GMR 소자(102)의 고정층(120)의 자화 방향은 서로 다른 방향을 가진다. 구체적으로, 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)의 상기 고정층(120)의 자화 방향 각각은 상기 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 GMR 저항(101a)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 Y' 방향일 수 있다. 상기 제2 GMR 저항(101b)에서, 상기 고정층의 자화 방향은 X' 방향일 수 있다. 상기 제3 GMR 저항(101c)에서, 상기 고정층의 자화 방향은 -Y' 방향일 수 있다. 상기 제4 GMR 저항(101d)에서, 상기 고정층의 자화 방향은 -X' 방향일 수 있다.
측정 자기장은 제1 측정 자기장 성분(BX)을 가질 수 있다. 상기 GMR 센서는 제1 휘스톤 브릿지를 구성하고, 상기 제1 측정 자기장 성분(BX)을 측정할 수 있다.
제1 휘스톤 브릿지에서 X-Y 방향의 각각의 측정 자기장 또는 지구 자기장 을 검출하기 위해서는 신호 처리가 필요하다. X 방향의 제1 측정 자기장 성분(BX)을 감지하기 위해서, 소정의 배선이 사용된다.
구체적으로, 제1 GMR 저항(101a)의 일단은 바이어스 전압(Vcc)에 인가되고, 제1 GMR 저항(101a)의 타단과 상기 제2 GMR 저항(101b)의 일단은 서로 연결되어 제1 노드(N1)를 형성한다. 상기 제1 노드(N1)의 측정 전압은 Vb이다. 상기 제2 GMR 저항(101b)의 타단은 접지된다. 제1 GMR 저항(101a)의 제1 연결 패드(181)는 바이어스 전압(Vcc)에 인가될 수 있다. 상기 제1 GMR 저항(101a)의 제2 연결 패드(182)와 상기 제2 GMR 저항(101b)의 제1 연결 패드(181)는 외부 배선에 의하여 서로 연결될 수 있다.
제3 GMR 저항(101c)의 일단은 바이어스 전압(Vcc)에 인가된다. 상기 제3 GMR 저항(101c)의 타단과 상기 제4 GMR 저항(101d)의 일단은 서로 연결되어 제2 노드(N2)를 형성한다. 상기 제2 노드(N2)의 측정 전압 Va이다. 상기 제4 GMR 저항(101d)의 타단은 접지된다.
이 경우, 제1 측정 자기장 성분(Bx)이 있는 경우, 제2노드(N2)의 측정 전압(Va)과 제1 노드(N1)의 측정 전압(Vb)의 차이(VX(BX))는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure 112017114070689-pat00002
여기서, R1은 제1 GMR 저항(101a)의 저항값이고, R2는 제2 GMR 저항(101b)의 저항값이고, R3는 제3 GMR 저항(101c)의 저항값이고, 그리고 R4는 제4 GMR 저항(101d)의 저항값이다.
제2노드(N2)의 측정 전압(Va)과 제1 노드(N1)의 측정 전압(Vb)의 차이(VX(BX))는 제1 측정 자기장 성분(BX)의 함수로 주어진다.
도 4a는 제2 측정 자기장 성분을 측정하는 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 개념도이다.
도 4b는 도 4a의 GMR 센서의 전기적 배선을 나타내는 회로도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, GMR 센서(100b)는 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)을 포함한다. 제1 내지 제4 GMR 저항을 구성하는 각각의 GMR 소자(102)의 고정층(120)의 자화 방향은 서로 다른 방향을 가진다. 구체적으로, 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)의 상기 고정층(120) 각각은 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 GMR 저항(101a)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 Y' 방향일 수 있다. 상기 제2 GMR 저항(101b)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 X' 방향일 수 있다. 상기 제3 GMR 저항(101c)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 -Y' 방향일 수 있다. 상기 제4 GMR 저항(101d)에서, 상기 고정층(120)의 자화 방향은 -X' 방향일 수 있다.
측정 자기장은 제2 측정 자기장 성분(BY)을 가질 수 있다. 상기 GMR 센서(100b)는 제2 휘스톤 브릿지를 구성하고, 상기 제2 측정 자기장 성분(BY)을 측정할 수 있다.
제2 휘스톤 브릿지에서 X-Y 방향의 각각의 측정 자기장 또는 지구 자기장 을 검출하기 위해서는 신호 처리가 필요하다. Y 방향의 제2 측정 자기장 성분(BY)을 감지하기 위해서, 소정의 배선이 사용된다.
구체적으로, 제1 GMR 저항(101a)의 일단은 제4 GMR 소자(101d)의 타단과 서로 연결되어 제1 노드(N1)를 형성한다. 상기 제1 노드(N1)의 측정 전압은 Vc이다. 제1 GMR 저항(101a)의 타단은 바이어스 전압(Vcc)에 인가된다. 제4 GMR 저항(101d)의 일단은 접지된다.
제2 GMR 저항(101b)의 일단은 접지된다. 상기 제2 GMR 저항(101b)의 타단과 제3 GMR 저항(101c)의 일단은 서로 연결되어 제2 노드(N2)를 형성한다. 상기 제2 노드(N2)의 측정 전압은 Vd이다. 제3 GMR 저항(101c)의 타단은 바이어스 전압(Vcc)에 인가된다.
이 경우, 제2 측정 자기장 성분(BY)이 있는 경우, 제1노드(N1)의 측정 전압(Vc)과 제2 노드(N2)의 측정 전압(Vd)의 차이(VY(BY))는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 2]
Figure 112017114070689-pat00003
여기서, R1은 제1 GMR 저항(101a)의 저항값이고, R2는 제2 GMR 저항(101b)의 저항값이고, R3는 제3 GMR 저항(101c)의 저항값이고, 그리고 R4는 제4 GMR 저항(101d)의 저항값이다. 제1노드(N1)의 측정 전압(Vc)과 제2 노드(N2)의 측정 전압(Vd)의 차이(VY(BY))는 제2 측정 자기장 성분(BY)의 함수로 주어진다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GMR 센서의 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, GMR 센서(100)는 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)을 포함한다. 제1 내지 제4 GMR 저항을 구성하는 각각의 GMR 소자(102)의 고정층(120)의 자화 방향은 서로 다른 방향을 가진다. 구체적으로, 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d)의 상기 고정층(120) 각각은 사각형의 중심점(P)을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치될 수 있다.
상기 GMR 센서(100)의 제조 방법은, 기판(110) 상에 단열 절연층(111)을 형성하는 단계; 상기 단열 절연층(111) 상에 가열 라인(112)을 형성하는 단계; 상기 가열 라인(112) 상에 차례로 적층된 고정층(120), 비자성 금속층(130), 및 자유층(140)을 포함하는 GMR 소자(102)를 형성하는 단계; 상기 가열 라인(112)의 양단에 각각 제1 가열 라인 패드(191) 및 제2 가열 라인 패드(192) 및 상기 GMR 소자(102)의 양단에 각각 연결된 제1 연결 패드(181) 및 제2 연결 패드(182)를 형성하는 단계; 및 제1 내지 제4 GMR 저항 각각에서 상기 가열 라인에 전류를 인가하여 상기 고정층을 가열한 상태에서 외부 설정 자기장을 인가하여 상기 고정층을 자화시키는 단계를 포함한다. 제1 내지 제4 GMR 저항 각각의 고정층의 자화방향은 서로 다르다. 상기 제1 내지 제4 GMR 저항(101a,101b,101c,101d) 각각은 상기 GMR 소자(102)를 포함한다.
도 5a를 참조하면, 기판(100) 상에 단열 절연층(111)을 형성한다. 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 단열 절연층(111)은 화학기상 증착법으로 형성된 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 단열 절연층(111)의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
상기 단열 절연층(111) 상에 가열 라인(112)을 패터닝하여 형성한다. 상기 가열 라인(112)은 포토리소그라피 및 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 가열 라인(112)은 구불구불한 형상을 포함할 수 있다. 상기 가열 라인(112)은 Ni-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Mn-Ni 합금, Fe-Cr-Al 합금일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 가열 라인(112)이 형성된 상기 기판(110) 상에 차례로 고정층(120), 비자성 금속층(130), 및 자유층(140)을 형성할 수 있다. GMR 소자(102)는 상기 고정층(120), 상기 비자성 금속층(130), 및 상기 자유층(140)을 포함할 수 있다. 상기 GMR 소자(102)는 상기 자유층 상에 배치된 보호층(153)을 더 포함할 수 있다. 상기 GMR 소자(102)는 포토리소그라피 및 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 가열 라인과 상기 GMR 소자(102)는 서로 대부분 중첩되어 배치되나, 상기 GMR 소자(102)의 양단에서 중첩되지 않도록 서로 분리될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 가열 라인(112)의 양단에 각각 제1 가열 라인 패드(191) 및 제2 가열 라인 패드(192) 및 상기 GMR 소자(102)의 양단에 각각 연결된 제1 연결 패드(181) 및 제2 연결 패드(182)를 형성할 수 있다. 상기 제1 가열 라인 패드(191) 및 상기 제2 가열 라인 패드(192)는 리프트-오프 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제1 가열 라인 패드(191) 및 상기 제2 가열 라인 패드(192)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다. 상기 제1 연결 패드(181) 및 상기 제2 연결 패드(182)는 상기 제1 가열 라인 패드(191) 및 상기 제2 가열 라인 패드(192)와 동시에 리프트-오프 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제1 연결 패드(181) 및 상기 제2 연결 패드(182)는 Cu, Al, Au 또는 이들을 포함하는 다층 박막일 수 있다.
이어서, 전류원(190)이 상기 제1 GMR 소자(101a)의 상기 제1 가열 라인 패드(191)와 제2 가열 라인 패드(192) 사이에 연결될 수 있다. 상기 전류원(190)은 상기 가열 라인(112)에 펄스 전류를 인가하여 상기 가열 라인(112) 및 상기 제1 GMR 저항(101a)의 고정층(120)을 쿠리어 온도 이상으로 가열할 수 있다. 이 경우, 외부 설정 자기장(Bset)은 Y' 방향으로 인가될 수 있다. 상기 가열 라인(112) 및 상기 제1 GMR 저항의 고정층(120)이 냉각됨에 따라, 상기 제1 GMR 저항의 고정층(120)은 상기 외부 설정 자기장(Bset)의 방향으로 자화될 수 있다.
위와 같은 상기 제1 GMR 저항(101a)의 고정층의 자화 방향을 설정하는 단계는 제2 내지 제4 GMR 저항(101b,101c,101d)에 순차적 적용될 수 있다.
이와 같은 방법으로 외부 설정 자기장(Bset)의 방향을 바꾸면서 전류를 각각의 GMR 저항에 가해주면, 고정층의 자화 방향은 각각의 GMR 저항마다 다른 방향으로 제작될 수 있다. GMR 센서의 사이즈가 점점 초소형이 요구되면서 이러한 국소 열처리로써 GMR 센서의 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: GMR 센서
111: 단열 절연층
112: 가열 라인
120: 고정층
130: 비자성 금속층
140: 자유층
191: 제1 가열 라인 패드
192: 제2 가열 라인 패드

Claims (11)

  1. 사각형의 변에 각각 배치되는 제1 내지 제4 GMR 저항을 포함하는 GMR 센서에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은:
    기판 상에 배치된 단열 절연층;
    상기 단열 절연층 상에 배치된 가열 라인;
    상기 가열 라인 상에 차례로 적층된 고정층, 비자성 금속층, 및 자유층을 포함하는 GMR 소자;
    상기 가열 라인의 일단에 연결된 제1 가열 라인 패드;
    상기 가열 라인의 타단에 연결된 제2 가열 라인 패드;
    상기 GMR 소자의 일단에 연결된 제1 연결 패드; 및
    상기 GMR 소자의 타단에 연결된 제2 연결 패드를 포함하고,
    상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 제1 내지 제4 GMR 저항에서 서로 다르고,
    상기 고정층 및 상기 자유층은 수평 자기 이방성을 가지고,
    상기 가열라인은 상기 GMR 소자와 수직 방향으로 정렬되고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항은 휘스톤 브릿지 회로를 형성하고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 상기 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 상기 사각형의 변에 순차적으로 배치되고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 구불구불한 곡류 형상을 가지고,
    상기 제1 연결 패드는 상기 GMR 소자의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자의 측면에 접촉하도록 배치되고,
    상기 제2 연결 패드는 상기 GMR 소자의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자의 측면에 접촉하도록 배치되고,
    상기 가열 라인는 Ni-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Mn-Ni 합금, Fe-Cr-Al 합금이고,
    상기 GMR 소자는 면내 전류 주입 방식에 의하여 동작하는 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 GMR 소자의 고정층의 자화 방향은 상기 가열 라인에 흐르는 전류에 의하여 가열된 상태에서, 외부 설정 자기장에 설정되는 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 절연층의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 고정층은:
    반강자성층;
    상기 반강자성층과 교환자기이방성을 형성하고 상기 반강자성층 상에 배치된 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 배치된 금속 중간층; 및
    상기 금속 중간층 상에 배치된 제2 강자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층은:
    CoFe를 포함하는 하부 자유층; 및
    상기 하부 자유층 상에 배치되고 퍼멀로이를 포함하는 상부 자유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 GMR 소자는 상기 자유층 상에 배치된 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GMR 센서.
  9. 삭제
  10. 제1 내지 제4 GMR 저항을 포함하는 GMR 센서의 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 단열 절연층을 형성하는 단계;
    상기 단열 절연층 상에 가열 라인을 형성하는 단계;
    상기 가열 라인 상에 상기 가열 라인과 직접 접촉하도록 차례로 적층된 고정층, 비자성 금속층, 및 자유층을 포함하는 GMR 소자를 형성하는 단계;
    상기 가열 라인의 양단에 각각 제1 가열 라인 패드 및 제2 가열 라인 패드 및 상기 GMR 소자의 양단에 각각 연결된 제1 연결 패드 및 제2 연결 패드를 형성하는 단계; 및
    제1 내지 제4 GMR 저항 각각에서 상기 가열 라인에 전류를 인가하여 상기 고정층을 가열한 상태에서 외부 설정 자기장을 인가하여 상기 고정층을 자화시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각의 고정층의 자화방향은 서로 다르고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 상기 GMR 소자를 포함하고,
    상기 고정층 및 상기 자유층은 수평 자기 이방성을 가지고,
    상기 가열라인은 상기 GMR 소자와 수직 방향으로 정렬되고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항은 휘스톤 브릿지 회로를 형성하고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 사각형의 중심점을 기준으로 반시계 방향으로 90도씩 회전하면서 사각형의 변에 순차적으로 배치되고,
    상기 제1 내지 제4 GMR 저항 각각은 구불구불한 곡류 형상을 가지고,
    상기 제1 연결 패드는 상기 GMR 소자의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자의 측면에 접촉하도록 배치되고,
    상기 제2 연결 패드는 상기 GMR 소자의 상부면의 일부를 덮고 상기 GMR 소자의 측면에 접촉하도록 배치되고,
    상기 가열 라인는 Ni-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Mn-Ni 합금, Fe-Cr-Al 합금이고,
    상기 GMR 소자는 면내 전류 주입 방식에 의하여 동작하는 것을 특징으로 하는 GMR 센서의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 단열 절연층의 두께는 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 GMR 센서의 제조 방법.
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CN113917216A (zh) * 2021-10-08 2022-01-11 江苏多维科技有限公司 一种电流测量器件

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