KR102182095B1 - 3축 자기 센서 - Google Patents

Abstract

물리적으로 분리되지 않고 하나의 소자로 제작된 3축 자기 센서가 제공된다. 자화 씨드층과 자화 자유층의 접합 계면을 통해 스핀 궤도 토크가 발생되고, 이를 통해 자화 씨드층에서는 수평 자기장의 변화가 전류 또는 전압의 형태로 감지될 수 있다. 또한, 자화 자유층 상에는 터널링 절연층 및 자화 고정층이 형성된다. 형성된 구조는 터널 자기 저항 현상을 유발한다. 이를 통해 수직 방향의 자기장의 변화는 감지된다.

Description

3축 자기 센서{3-Dimensional Magneto-Sensor}

본 발명은 자기 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직 자기이방성과 수평 자기이방성을 동시에 가지는 3축 자기 센서에 관한 것이다.

자기 센서는 인가되는 자기장의 변화를 감지하여 이를 전기적 신호로 변환하는 장치이다.

상용화되어 널리 사용되는 자기 센서를 홀 센서가 있다. 홀 센서는 십자형의 반도체층을 통과하는 자계의 변화를 전압차로 변환하는 소자이며, 최근 스마트 폰용 카메라의 손떨림 방지 기능에 이용되고 있다.

홀 센서 이외에 자기 저항을 이용하는 자기 저항 센서(Magneto-Resistance Sensor)가 있다. 이는 자기 저항 효과를 이용하는 것으로 자장의 존재 유무에 따라 이를 구성하는 재료의 전기 저항이 변경되는 현상을 이용한다. 자기 저항 센서는 이방성 자기 저항(Anisotropic Magneto-Resistance ; AMR), 거대 자기 저항(Giant Magneto-Resistance ; GMR) 또는 터널 자기 저항(Tunneling Magneto-Resistance ; TMR)을 이용한다. 자기 저항 센서는 여하한 동작 원리를 이용하더라도 기존의 홀 센서에 비해 최소 10배의 감도를 가지는 장점이 있다.

이방성 자기 저항 현상은 강자성 금속과 이들의 합금에서 나타나는 효과로 정상적인 자기 저항 효과 이외의 부가적인 효과로 알려져 있다. 이는 spin-orbit interaction에 기인한 것으로 강자성체의 자화용 이축, 외부자계와 전류간의 각도에 의존하여 발생하며, 비교적 낮은 감도를 가지는 것으로 알려져 있다.

거대 자기 저항 현상은 2개의 자성층의 자기 방향이 평행과 반평형의 경우에 전기 저항이 크게 차이나는 현상이다. 이는 다층 구조를 통해 구현되며, 2개의 자성체 박막들 사이에 도전체막이 형성되는 구조이다. 2개의 자성체 박막들 중 자화의 방향이 고정된 층이 구비되며, 자성체 박막들의 자화의 방향의 역으로 될 때, 최대 저항이 나타난다.

터널 자기 저항 현상은 스핀 터널 방식이며, 높은 재생 감도를 가지는 장점이 있다. 이는 비자성층을 전기 절연층으로 형성하고, 전기 절연층의 터널 효과가 자화 고정층과 자화 자유층의 자기 각도에 따라 변화하는 현상을 이용한다.

일본 등록특허 제5765721호는 터널 자기 저항을 이용한 자기 센서를 개시한다. 상기 특허는 씨드층으로 TaN을 이용하고, 자성층으로는 CoFeB, 전기 절연층인 산화물층으로는 MgO를 이용하며 캡핑층으로 TaN을 이용하고 있다. 이는 자성층들이 고정단과 자유단으로 구성되며, 수직 방향의 자기 이방성을 이용하는 특징을 가진다.

또한, 일본 공개특허 제2010-266247호는 터널 절연층으로 MgO를 이용하고, 자화 고정층은 CoFe, 자화 자유층은 CoFe를 이용한다. 다만, 상기 특허에서는 반대 강자성층 등을 이용하고, 센서에 교류 전류를 인가하여 센싱 감도를 향상시키고 있다.

상기 특허들은 z축 센싱 구조를 가진다. 즉, 자성층이 형성된 평면에 수직인 방향의 자기장이 인가되는 경우, 자기장과 수평인 방향으로의 저항의 변화를 감지하는 메커니즘이 사용된다. 만일, x축 또는 y축이 포함된 센싱 구조를 구현하기 위해서는 각각의 자기 센서들을 복수개로 구비하여 센싱하는 방법이 제안될 수 있다. 그러나, 이는 복수개의 센서들을 구비해야 하며 이를 구동하거나 동작의 양상을 감지하는 복수개의 회로들이 별도로 구비되어야 하는 부담이 따른다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 3축 센싱 동작을 수행할 수 있는 자기 센서를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 수평 방향의 자기장의 변화를 감지하기 위한 자화 씨드층; 상기 자화 씨드층 상에 형성되고, 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및 상기 자화 자유층 상에 형성되고, 수직 방향의 자기장의 변화를 감지하기 위한 수직 센싱부를 포함하는 3축 자기 센서를 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 기술적 과제는, 자화 씨드층, 자화 자유층 및 수직 센싱부로 구성된 3축 자기 센서에 있어서, 상기 자화 씨드층은 상기 수직 센싱부와 함께 상기 자화 자유층을 공유하고, 상기 자화 씨드층과 상기 자화 자유층은 상기 수평 방향의 자기장의 변화를 감지하고, 상기 수직 센싱부와 상기 자화 자유층은 상기 수직 방향의 자기장의 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서의 제공을 통해서도 달성된다.

상술한 본 발명에 따르면, 하나의 자기 센서에서 스핀 궤도 토크 현상과 터널 저항 효과에 의한 자기 감지 동작이 동시에 수행된다. 스핀 궤도 토크에 의해 수평 방향으로 인가되는 자기장의 변화는 감지될 수 있으며, 터널 저항 효과에 의해 수직 방향으로 인가되는 자기장의 변화도 감지될 수 있다. 따라서, 3축 센싱 동작을 위해 각각의 자기 센서들을 복수개로 구비해야 하는 종래에 비해 낮은 제작비용으로 높은 감도를 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3축 센서를 도시한 사시도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 3축 자기 센서의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 3축 자기 센서의 제조방법을 설명하기 위한 다른 사시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3축 센서를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 자화 씨드층(100), 자화 자유층(200) 및 수직 센싱부(300)가 구비된다.

자화 씨드층(100)은 대략 십자형의 구조를 가지며, 스핀 궤도 토크(Spin Obit Torque : SOT)를 통한 자화 반전 메커니즘에 의해 자화도가 변경되며, 이를 통해 자화 씨드층(100)의 자기저항은 변경된다. 자화 씨드층(100)의 자기저항의 변경은 자화 자유층(200)과의 계면 접합을 통해 달성된다. 즉, z축 방향으로 자화 자유층(200)과 자화 씨드층(100)을 흐르는 전류 또는 인가된 전압이 존재하는 상태에서 수평으로 인가되는 자기장에 대한 변화는 자화 씨드층(100)의 자기저항의 변화로 감지될 수 있다.

상기 자화 씨드층(100)에서는 스핀 궤도 토크에 따른 자기저항이 변경된다. 자화 씨드층(100)으로는 비자성체인 Ta, W, Hf, Mo, Nb, Ti, Pt 또는 Pd가 선택되며, 이들의 합금도 선택될 수 있다.

스핀 궤도 토크에 따른 자화 반전에 관해서는 출원일 현재 학계에서 다양한 모델이 제시되고 있다. 이들 중 크게 2가지 모델에 따른 자화 반전 메커니즘이 소개된다.

첫째는 라쉬바 효과(Rashaba Effect)에 의한 자화 반전이다.

이는 1960년 라쉬바에 의해 제기된 효과이며, 서로 다른 물질이 접합되는 계면이나 표면에 형성된 2차원 전자계에서 면에 수직인 방향으로 전위차를 인가하면 비자성체라도 전자스핀의 상태가 변화하며, 이를 통해 자화의 반전이 유도될 수 있다는 이론이다.

둘째는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect)에 의한 자화 반전이다.

이는 1971년 디야코노프와 페렐이 예상한 전하의 수송 현상인 바, 스핀-궤도 커플링(Spin-Orbit Coupling)이 강한 물질 내에서 전류가 흐를 경우에 발생되는 현상으로 고전적인 홀 효과와 유사한 기전력을 발생시킨다. 통상의 스핀 주입은 강자성체와 비자성체의 전류를 흘릴 때 발생되는 현상이나, 스핀-궤도 커플링은 비자성체에서 스핀전류를 형성할 수 있는 현상이다.

상기 2가지 이론을 통해 자화 반전 현상이 수행된다. 즉, 자화 씨드층(100)과 자화 자유층(200)에서의 계면 접합에 의해 자화 씨드층(100)에서의 자화 반전이 발생된다. 또한, 상기 자화 자유층(200)은 수직자기이방성을 가지며, 자기장의 인가에 의해 스핀 토크가 변경될 수 있는 특징을 가짐이 바람직하다. 자화 자유층(200)은 강자성체 물질로 CoFeB가 사용될 수 있다.

수평 방향의 자기장의 변화를 감지하기 위해서는 x축과 y축에서의 자기장의 변화가 감지될 필요가 있다. 이를 위해 자화 씨드층(100)은 x축 센싱부(110) 및 y축 센싱부(120)가 구비된다.

x축 센싱부(110)는 y축 방향으로 신장되며, x축 방향으로 인가되는 자기장의 변화를 감지한다. 또한, y축 센싱부(120)는 x축 방향으로 신장되어 y축 방향으로 인가되는 자기장의 변화를 감지한다. x축 센싱부(110)와 y축 센싱부(120)의 결합에 의해 자화 씨드층(100)은 대략 십자형의 형상을 가진다.

만일, x축 방향으로 인가되는 자기장이 변경되면, 스핀 궤도 토크 현상에 의해 y축 방향으로 신장된 x축 센싱부(110)에서의 저항의 변화는 발생되고 이는 전류 또는 전압의 변화로 감지될 수 있다.

또한, y축 방향으로 인가되는 자기장이 변경되면, 스핀 궤도 토크 현상에 의해 x축 방향으로 신장된 y축 센싱부에(120)서의 저항의 변화가 발생되고, 이는 전류 또는 전압의 변화로 감지될 수 있다.

예컨대, x축 방향으로 제1 주파수 f1을 가진 전류가 공급되고, 상기 x축에 수직이고 동일 평면을 이루는 y축으로 제2 주파수 f2를 가진 전류가 공급될 수 있다. 바람직하기로는 제1 주파수 f1과 제2 주파수 f2는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 또한, 각각의 주파수를 가진 전류들은 상호간의 간섭이 최소화될 수 있도록 그 주파수가 설정됨이 바람직하다.

만일, x축 방향으로 자기장의 변화가 나타나면 y축 방향에서의 전압의 변화가 나타난다. 이를 통해 자기장의 변화는 전류 또는 전압의 형태로 감지될 수 있다. 또한, y축 방향으로 자기장의 변화가 나타나면 x축 방향에서의 전압의 변화가 나타난다.

상술한 자화 씨드층(100)를 구성하는 소재의 두께는 3nm 내지 10nm임이 바람직하다. 만일 자화 씨드층(100)의 두께가 3nm 미만이면 계면 접합에 따른 라쉬바 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 두께의 제어가 실질적으로 곤란해진다. 또한, 자화 씨드층(100)의 두께가 10nm를 상회하면, 자화 씨드층(100) 상부에 형성되는 터널 자기 저항 구조인 수직 센싱부(300)를 통해 충분한 전류의 공급이 곤란해지며, 스핀 궤도 토크 현상에 따른 수평 자계의 변화를 감지하기 곤란해진다.

상기 자화 자유층(200) 상에는 수직 센싱부(300)가 구비된다. 자화 씨드층(100), 자화 자유층(200) 및 수직 센싱부(300)는 물리적으로 분리되지 않는 일체화된 구조를 가진다.

또한, 자화 씨드층(100)이 수평 자기장의 변화를 감지하기 위해서는 수직 센싱부(300)에서의 바이어스의 인가 또는 전류의 공급이 수행되어야 한다.

수직 센싱부(300)는 터널 자기 저항 구조를 가진다. 이를 위해 수직 센싱부(300)는 터널링 절연층(310) 및 자화 고정층(320)을 가진다. 터널링 절연층(310)으로는 MgO가 사용될 수 있으며, 자화 고정층(320)으로는 수평자기이방성을 가지는 CoFeB가 사용될 수 있다.

터널 자기 저항 구조는 자화 자유층(200), 터널링 절연층(310) 및 자화 고정층(320)에 의해 완성된다. 이를 통해 z축으로 인가되는 자기장의 변화는 수직 센싱부(300)를 흐르는 전류의 변화 또는 전압의 변화로 감지될 수 있다.

따라서, 스핀 궤도 토크의 유도를 통한 수평 자기장의 감지 및 터널 자기 저항을 통한 수직 자기장의 감지를 위해 자화 자유층(200)은 공유된다.

즉, 수직자기이방성을 가지는 자화 자유층(200)은 하부에 형성된 자화 씨드층(100)과 계면 접합을 형성하며, 스핀 궤도 토크 현상을 유도하여 자화 씨드층(200)에 자기 저항의 변화를 유도한다.

또한, 자화 자유층(200), 터널링 절연층(310) 및 자화 고정층(320)은 터널 자기 저항 구조를 이루며, 수직 방향의 자기장의 변화를 감지한다. 즉, 터널링 절연층(310)을 중심으로 2개의 강자성체들인 자화 자유층(200) 및 자화 고정층(320)이 구비되며, 각각의 강자성체는 인가되는 전류에도 자화의 방향이 변경되지 않는 수평자기이방성을 가지는 자화 고정층(320)과 자화의 방향이 변경되는 자화 자유층(200)으로 구성된다. 수직 센싱부(300)에서 전류의 방향은 z축이므로 자화 고정층(320)은 수평자기이방성을 가진다. 따라서, 평면에 수평한 방향으로 스핀들이 정렬된 상태이다. 또한, 자화 자유층(200)은 수직자기이방성을 가지는 바, 평면에 수직한 방향의 스핀들이 나타난다.

z축 방향으로 흐르는 전류의 양은 자화 자유층(200)과 자화 고정층(310)이 형성하는 전류 경로에 의해 결정된다. 즉, 자화 자유층(200)과 자화 고정층(320)에서의 자화의 방향이 동일하면, 터널링 절연층(310)을 흐르는 터널링 전류는 최대가 되며, 자화방향이 반대가 되면 터널링 절연층(310)을 흐르는 터널링 전류는 최소가 된다. 따라서, 외부 자계에 따라 터널링 저항은 변경된다. 특히, 자화 자유층(200)은 수직자기이방성을 가지므로 z축으로 인가되는 자기장의 변화에 따라 터널링 저항이 변경될 수 있다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 3축 자기 센서의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.

도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 자화 씨드층(100), 자화 자유층(200), 터널링 절연층(310), 자화 고정층(320)이 순차적으로 형성된다.

상기 기판(10)으로는 이후에 형성되는 재질이 증착될 때, 열적 안정성을 유지할 수 있는 재질 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 예컨대, SiO2 등이 기판으로 사용될 수 있으며, 특별한 한정은 없다.

도 3을 참조하면, 상기 도 2에서 형성된 구조물 상에 제1 포토레지스트 패턴(410)이 형성된다. 상기 제1 포토레지스트 패턴(410)은 통상의 포토리소그래피 공정을 통해 형성된다. 형성되는 제1 포토레지스트 패턴(410)은 대략 십자형의 형상을 가진다. 이를 통해 십자형의 자화 씨드층(100)이 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 3의 제1 포토레지스트 패턴(410)을 식각 마스크로 이용한 식각이 수행된다. 식각은 하부의 기판(10)이 노출될 때 까지 진행된다. 이를 통해 십자형의 구조물이 형성된다. 이어서, 잔류하는 포토레지스트 패턴은 에싱 공정 등을 통해 제거된다.

도 5를 참조하면, 대략 십자형의 구조물의 중심에 제2 포토레지스트 패턴(420)이 형성된다. 또한, 형성된 제2 포토레지스트 패턴(420)을 식각 마스크로 이용한 식각이 수행된다. 상기 식각은 하부의 자화 씨드층(100)이 노출될 때까지 진행된다. 이를 통해 십자형의 자화 씨드층(100), 그 상부에 순차적으로 형성된 자화 자유층(200), 터널링 절연층(310) 및 자화 고정층(320)이 형성되며, 제조된 3축 자기 센서는 상기 도 1에 도시된 바와 동일하다.

또한, 본 실시예에서 3축 자기 센서는 다른 제조방법을 통해 형성될 수 있다.

예컨대, 포토레지스트 패턴을 이용한 증착과 리프트-오프를 이용하여 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 3축 자기 센서의 제조방법을 설명하기 위한 다른 사시도이다.

도 6을 참조하면 기판(10) 상에 대략 십자형의 오픈된 영역을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 형성된 포토레지스트 패턴 사이의 공간을 매립하는 자화 씨드층(100)을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴에 대한 리프트-오프 공정을 통해 대략 십자형의 자화 씨드층(100)을 얻을 수 있다.

이외에 기판(10) 상에 자화 씨드층(100)을 형성하고, 십자형의 포토레지스트 패턴의 형성 및 식각을 통해 십자형의 자화 씨드층(100)을 얻을 수도 있다.

이어서, 십자형의 자화 씨드층(100)의 외곽 영역에 포토레지스트 패턴을 형성한다. 형성된 포토레지스트 패턴에 의해 자화 씨드층(100) 중심 부위는 오픈된다. 이어서, 통상의 증착법을 통해 자화 자유층(200), 터널링 절연층(310) 및 자화 고정층(320)을 순차적으로 형성한다. 마지막으로 잔류하는 포토레지스트 패턴에 대한 리프트-오프 공정을 통해 상기 도 1의 3축 자기 센서를 얻을 수 있다.

상술한 본 발명에서는 스핀 궤도 토크 동작을 통해 수평 자기장의 센싱이 수행되며, 이와 동시에 자기 터널 저항 효과를 통해 수직 자기장에 대한 센싱이 수행된다. 이를 통해 3축 자기장의 변화에 대한 센싱이 가능해진다.

100 : 자화 씨드층 200 : 자화 자유층
300 : 수직 센싱부 310 : 터널링 절연층
320 : 자화 고정층

Claims (15)

1. 수평 방향의 자기장의 변화를 감지하기 위해 십자형 구조를 가지는 자화 씨드층;
   상기 자화 씨드층 상에 형성되고, 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및
   상기 자화 자유층 상에 형성되고, 수직 방향의 자기장의 변화를 감지하기 위한 수직 센싱부를 포함하고,
   상기 자화 씨드층은 상기 자화 자유층과 계면 접합을 형성하고, 스핀 궤도 토크에 의해 자기저항이 변경되어 상기 수평 방향의 자기장의 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 자화 씨드층은,
   y축 방향으로 신장되고, x축 방향으로 인가되는 자기장의 변화를 감지하기 위한 x축 센싱부; 및
   상기 x축 센싱부와 동일 평면을 이루며, x축 방향으로 신장되고, y축 방향으로 인가되는 자기장의 변화를 감지하기 위한 y축 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 자화 씨드층은 Ta, W, Hf, Mo, Nb, Ti, Pt 또는 Pd을 가지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 자화 자유층은 수직자기이방성을 가지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 자화 씨드층은 3nm 내지 10nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 수직 센싱부는,
   상기 자화 자유층 상에 형성된 터널링 절연층; 및
   상기 터널링 절연층 상에 형성되고 수평자기이방성을 가지는 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
9. 제8항에 있어서, 상기 수직 센싱부는 상기 자화 자유층과 함께 자기 터널 저항 효과에 의해 수직 방향의 자기장을 감지하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
10. 순차적으로 적층된 자화 씨드층, 자화 자유층 및 수직 센싱부로 구성된 3축 자기 센서에 있어서,
    상기 자화 씨드층은 상기 수직 센싱부와 함께 상기 자화 자유층을 공유하고, 상기 자화 씨드층과 상기 자화 자유층은 수평 방향의 자기장의 변화를 감지하고, 상기 수직 센싱부와 상기 자화 자유층은 수직 방향의 자기장의 변화를 감지하며,
    상기 자화 자유층과 상기 자화 씨드층의 계면 접합에 의해 스핀 궤도 토크가 발생되고, 상기 자화 씨드층에서 자기저항이 변경되는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서, 상기 자화 씨드층은 Ta, W, Hf, Mo, Nb, Ti, Pt 또는 Pd을 가지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
13. 제10항에 있어서, 상기 자화 자유층 및 상기 수직 센싱부는 터널링 자기 저항 구조를 형성하여 수직으로 인가되는 자기장의 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
14. 제13항에 있어서, 상기 자화 자유층은 수직자기이방성을 가지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
15. 제13항에 있어서, 상기 수직 센싱부는,
    상기 자화 자유층 상에 형성된 터널링 절연층; 및
    상기 터널링 절연층 상에 형성되고 수평자기이방성을 가지는 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.

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