KR102472732B1 - 휘트스톤 브리지형 박막 자기저항 센서 - Google Patents

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KR102472732B1
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Abstract

본 발명에 따른 박막 자기저항 센서는 기판에 설치된 휘트스톤 브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체를 포함하고, 복수의 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되고, 비대칭 자기 저항 효과에 의해 외부 자기장에 따라 저항이 변하며, 각각의 상기 복수의 저항체는, 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)로 구성되는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 포함하고, 상기 미세 패턴 세그먼트(segment)는 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되는 것을 특징으로 한다.

Description

휘트스톤 브리지형 박막 자기저항 센서 {WHEATSTONE BRIDGE TYPE THIN FILM MAGNETO RESISTANCE SENSOR}
본 발명은 박막 자기저항 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발열 노이즈가 작으면서도 감도가 우수한 휘트스톤 브리지형 (wheatstone bridge type) 박막 자기저항 센서에 관한 것이다.
박막 자기저항 센서는, 전류가 흐르는 평면에 수직인 자기장 성분에 반응하는 일반적인 Hall 효과와 달리 전류가 흐르는 평면 상의 자기장 성분에 반응한다. 박막 자기저항 센서는 강자성 물질의 평면 홀 효과(Planar Hall effect)와 비대칭 자기저항 효과(AMR effect, Asymmetric Magneto-resistance 또는 Anisotropic Magnetoresistance effect)에 의한 저항변화를 이용하여 외부 자기장을 측정한다.
비대칭 자기저항 효과는 전기저항이 전류와 자화 벡터(Magnetization vector) 사이의 각도에 의존하는 현상으로, 전류와 자화 벡터의 방향이 평행일 때 저항은 최대로 되고 전류와 자화 벡터가 서로 수직일 경우 최소가 된다. 보다 구체적으로 설명하면, 퍼말로이(permalloy) 강자성 박막을 기판에 증착하는 과정에서 강자성 박막의 자화 용이축(magnetization easy axis) 방향으로 강한 자계를 인가하면 증착 후 퍼말로이 박막은 길이 방향(자화 용이축 방향)으로 자화되어 기본 자화 벡터 (
Figure 112020093452010-pat00001
)을 갖는다. 전류(I)가 흐르게 한 후, 자화 용이축에 수직인 자계 민감축 방향으로 외부 자기장이 박막에 인가되면, 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00002
)의 회전에 의한 비대칭 자기저항 효과에 의해 자기저항 변화가 있으므로, 이를 이용하여 신호를 측정한다.
도 1을 참조하면, 자화벡터(
Figure 112020093452010-pat00003
, Magnetization)가 전류(I)가 θ의 각도일 때 비대칭 자기저항 효과에 의한 저항 R(θ) 변화는 다음의 식 (1)과 같다.
Figure 112020093452010-pat00004
식(1)
여기에서
Figure 112020093452010-pat00005
는 전류와 자화 벡터가 수직(θ=π/2) 일 때의 비대칭 자기저항 효과에 따른 저항이고,
Figure 112020093452010-pat00006
이고,
Figure 112020093452010-pat00007
는 전류와 자화 벡터가 평행일 때(θ=0)의 저항이다.
위 식(1)을 그래프로 나타낸 것이 도 2이고, 도 2에서 가로축은 전류 방향과 자화 벡터 사이의 각도 θ이고, 세로축은 비대칭 자기저항 효과에 의한 저항이다.
도 2를 참조하면, 비대칭자기저항 효과에 의한 저항 변화율(dR/dθ)은 θ가 0, π/2, n*π/2(n은 정수) 근처에서 작고, π/4에서 가장 변화율이 크며 선형변화에 가까워 자기신호 감도가 우수하다. 따라서 박막 자기저항 센서에서 전류가 흐르는 방향(저항체 패턴 배치 방향)이 기본 자화 벡터와 π/4, 3π/4, 5π/4 또는 7π/4의 각도를 이루도록 저항체 패턴은 배치된다.
박막 자기저항 센서는 저항 스트립 2개를 이용하여 전위차계를 결선하거나 또는 4개의 저항 스트립을 이용하여 휘트스톤브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 휘트스톤브리지(Wheatstone bridge)의 두 노드 A, C에 각기 바이어스전압(Vcc)과 접지(GND)을 연결하고, 나머지 노드(노드 B, D)는 측정용 단자로서 전압(Vsig = VBD)이 출력되는데, 외부 자기장이 없을 경우 브리지 회로의 저항은 정합 상태로 R1/R4=R2/R3 로 Vsig=VBD=0 이 되도록 구성된다.
외부 자기장이 인가되면 박막 자기저항 센서의 비대칭 자기저항 효과에 의해 저항이 변화하고 전압(Vsig = VBD)이 측정되는데, 이는 외부에서 인가되는 자기장 세기(자계 민감축 방향 성분)에 비례한다(도 6 참조).
문제는 외부 자기장이 인가되지 않은 상태에서도 Vsig이 측정되는 것인데, 이러한 옵셋 신호에 대한 보정이 필요하다. 뿐만 아니라 저항 발열(Joule heating)로 인한 발열 드리프트 노이즈(drift noise) 문제도 있다. 즉, 측정을 위해 바이어스 전압이 인가되면 저항체(R1~ R4)의 발열(Joule heating)로 온도가 변하고, 이 온도변화로 인한 저항변화가 생긴다. 비대칭 자기저항 효과에 의한 저항 변화를 이용하여 외부 자기장의 세기를 측정하는 박막 자기저항 센서에서 이러한 주울 발열에 의한 저항 변화는 신호 왜곡을 일으킨다.
도 4는 이러한 발열 drift noise의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다. 여기에서는 샘플에 3.3V의 바이어스 전압을 인가한 상태에서 외부 자기장이 없음에도 불구하고 신호(Vsig)가 발생하고, 그 값은 시간이 경과함에 따라 증가함을 알 수 있다. 시간 경과에 따라 발열(Joule heating)에 의해 온도가 올라가기 때문이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 옵셋 방법을 제시하거나 저항열의 발생을 줄여 측정의 정확도를 높이고자 하는 시도가 있다. 그러나, 이러한 방법들은 옵셋 문제에 대한 근본적인 해결책이 아니고, Joule 발열로 인한 드리프트 노이즈를 보정하고 제거하는 데 어려움이 있었다.
등록특허공보 제10-1891413호
본 발명은 종래의 문제점을 해결하여 주울 발열에 의한 드리프트 노이즈를 제거하여 센싱 정확도가 높은 박막 자기저항 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 워밍업 시간(전원 인가 후 센서가 일정한 출력을 내는 안정한 상태에 이르는 시간으로, 여기에서는 자체 발열에 의한 드리프트가 없어질 때까지의 시간)이 단축된 박막 자기저항 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 박막 포토 식각 공정의 로딩 효과에 의한 오프셋이 감소된 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 감도가 향상된 박막 자기저항 센서를 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 박막 자기저항 센서는 기판에 설치된 브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체를 포함하는 박막 자기저항 센서로서, 복수의 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되고, 비대칭 자기 저항 효과에 의해 외부 자기장에 따라 저항이 변하는 것이 바람직하다.
각각의 상기 복수의 저항체는, 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)로 구성되는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 포함한다. 상기 미세 패턴 세그먼트(segment)는 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되는 것이 바람직하다.
신호부를 구성하는 복수의 미세 패턴 세그먼트는 기판 상에 서로 평행하게 이격 형성된 복수의 가늘고 긴 스트립이고, 기본 자계 벡터에 대해 45도 또는 135도 각도로 배치된다. 상기 하나 이상의 연결부는 가늘고 긴 스트립 형태이고, 상기 신호부와 다른 배향을 가지고 상기 미세 패턴 세그먼트 보다 더 짧은 것이 바람직하다.
상기 하나 이상의 연결부는 상기 신호부와 다른 배향을 가지고 서로 평행하게 배치되되, 외부 자기장에 의한 비대칭 자기저항 효과가 최소화되는 각도로 배치된다.
복수의 미세 패턴 세그먼트는 기판 상에 서로 평행하게 이격 형성된 복수의 가늘고 긴 스트립이고, 상기 하나 이상의 연결부는 미세 패턴 세그먼트에 대해 135도 또는 45도 각도를 가지고 배치되어, 외부 자기장에 의한 연결부의 비대칭 자기저항 효과가 최소화되는 것이 바람직하다.
상기 복수의 저항체는 휘트스톤브리지 회로를 구성하고, 상기 휘트스톤브리지 회로에서 대향하는 접점의 양측에 연결되는 2개의 저항체가 쌍을 이루어 각기 동일 영역에 배치되는 것이 바람직하다.
각각의 상기 복수의 저항체는 기판상에 형성되어 서로 연결된 복수의 서브패턴을 가지고, 상기 서브패턴은 신호부와 연결부를 포함하고, 동일 영역에 배치된 저항체 쌍의 서로 다른 저항체에 속하는 서브패턴들이 순차로 균일하게 배치된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 각각의 저항체는 복수의 서브패턴 레이어를 가지고, 각각의 서브패턴 레이어는 각 저항체를 구성하는 복수의 서브패턴이 일렬로 정렬되어 형성된다. 상기 복수의 서브패턴은 전기적으로 서로 연결되어 각각의 저항체를 형성하되, 동일한 저항체를 구성하는 서브패턴은 동일한 형태의 신호부와 연결부를 포함한다. 동일 영역에 배치된 2개의 저항체의 서브패턴의 신호부는 방향이 서로 상이하고, 동일한 영역에 배치된 2개의 저항체의 서브패턴 레이어는 서로 교차 배치된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 기판에 설치되는 제1 내지 제4 저항체로 구성되는 휘트스톤브리지 회로가 제공된다. 상기 회로에서 제1 내지 제4 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되되, 기판상에 형성되어 전기적으로 연결된 복수의 서브패턴을 각기 가진다.
제1 저항체를 구성하는 복수의 제1 서브패턴과 제4 저항체를 구성하는 복수의 제4 서브패턴은 기판 상의 제1 영역에 순차로 균일하게 배치되고, 제2 저항체를 구성하는 복수의 제2 서브패턴과 제3 저항체를 구성하는 복수의 제3 서브패턴은 기판 상의 제2 영역에 순차로 균일하게 배치된다.
제1 저항체의 저항 R1, 제2 저항체의 저항 R2, 제3 저항체의 저항 R3, 제4 저항체의 저항 R4는 외부 신호가 없는 상태에서 R1/R4=R2/R3의 브리지 정합을 가지도록 구성된다.
제1 내지 제4 저항체는 비대칭 자기 저항 효과에 의해 저항이 변화될 수 있으며, 각각의 서브패턴은 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)로 구성되는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 각기 포함한다.
상기 미세 패턴 세그먼트(segment)들은 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되고, 상기 연결부는 비대칭 자기 저항 효과가 최소가 되는 각도로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 박막 자기저항 센서는 기판에 설치되는 제1 내지 제4 저항체로 구성되는 휘트스톤브리지 회로를 포함하는 박막 자기저항 센서다.
제1 내지 제4 저항체는 비대칭 자기 저항 효과에 따라 외부 자기장에 의해 저항이 변하고, 제1 내지 제4 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되되, 기판상에 형성되어 전기적으로 연결된 복수의 서브패턴을 각기 가진다.
제1 저항체를 구성하는 복수의 제1 서브패턴과 제4 저항체를 구성하는 복수의 제4 서브패턴은 기판 상의 제1 영역에 순차로 균일하게 배치되고, 제2 저항체를 구성하는 복수의 제2 서브패턴과 제3 저항체를 구성하는 복수의 제3 서브패턴은 기판 상의 제2 영역에 순차로 균일하게 배치된다.
제1 저항체의 저항 R1, 제2 저항체의 저항 R2, 제3 저항체의 저항 R3, 제4 저항체의 저항 R4는 외부 신호가 없는 상태에서 R1/R4=R2/R3의 브리지 정합을 가지도록 구성된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 센서 제조 공정의 로딩효과로 인한 브리지 미스매치 문제를 해결하여 우수한 성능의 브리지형 박막 자기저항 센서를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 로딩 효과로 인한 저항 불균형을 해소하여 박막 자기저항 센서에서 주울 발열로 인한 신호 노이즈를 제거할 수 있다.
본 발명은 또한 제조 공정의 로딩 효과로 인한 센서 오프셋이 감소된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 미세 패턴으로 형성된 저항체에서 신호 감쇄 효과를 줄여 신호 감도가 향상된 박막 자기저항 센서가 제공된다.
도 1은 자화 벡터의 방향과 전류가 흐르는 방향의 각도 간의 상관 관계를 나타낸 개념도이다.
도 2는 자화 벡터의 방향과 전류 사이 각도에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3는 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 회로 배치 개념도이다.
도 4는 휘트스톤브리지형 박막 자기저항 센서의 발열 드리프트 노이즈(drift noise)의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래의 휘트스톤브리지형 박막 자기저항 센서의 배치 개념도와 이를 구현한 반도체 패턴 사진이다.
도 6은 도 3의 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 회로에서 외부 자기장이 있을 경우 비대칭 자기저항 효과에 의한 저항 변화를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 의한 브리지패턴 배치도이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 의한 패턴 배치도이다.
도 9은 특정 자기 저항체를 구성하는 서브 패턴에서의 AMR 효과에 의한 신호 변동을 설명하는 도면이다.
도 10은 특정 패턴의 R4 영역에서의 AMR 효과에 의한 신호 변동을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 패턴의 AMR 효과에 의한 신호 변동을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 휘트스톤브리지형 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 패턴을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 또는 통신으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 5는 종래의 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 회로(좌측)와 이를 기판 상에 반도체 회로 패턴으로 구현한 사진(우측)이다. 도 5의 패턴에 의하면, A 영역은 저항R1, B 영역은 저항 R2, C 영역은 저항R4, D 영역은 저항 R3에 대응한다.
신호감도를 높이기 위해서는 브리지 회로를 구성하는 저항의 비대칭 자기저항 효과를 크게 하는 것이 바람직하고, 기준 자화 벡터와 45도 각도로 저항을 길게 형성할수록 비대칭저항효과는 커진다. 소형화를 위해 회로 중심을 원점으로 각 사분면에 반복 패턴으로 채워서 저항을 형성하고 접점에서 금속 배선에 의해 연결된다.
그런데, 센서 제조 과정에서 노광, 식각 공정의 로딩 효과(loading effect)에 의해 국지적 패턴 변동이 발생할 수 있다. 로딩 효과란 패턴의 critical dimension이 작을수록 공정에서 휘발성 부산물이 완전히 제거되지 않아 에칭이 제대로 이루어지지 않는 것으로, 예를 들어, A 영역의 패턴이 로딩 효과에 의해 패턴의 깊이가 상이할 수 있다. 불균일한 저항 패턴은 주울 발열에 의한 온도의존성 저항 변화를 일으켜 Vsig의 drift 노이즈가 발생한다. 이 경우 설계안과 다른 저항에 의해 브리지 부정합(bridge mismatch, R1/R4≠R2/R3)이 발생한다. 이러한 브리지 부정합은 외부 자기 신호가 없을 때에 측정 신호(Vsig)가 검출되는 옵셋의 원인이 되기도 한다.
상기 문제 해결을 위해, 제조 공정 상의 로딩 효과로 인한 국지적 패턴 변동으로부터 유발되는 발열에 의한 Vsig의 drift 노이즈는 저항열로 인한 것이므로 저항열이 V2/R에 비례하는 것을 고려하여 바이어스 전압을 작게 함으로써 줄일 수 있다. 그러나, 바이어스 전압을 낮게 하면 Vsig도 작아지므로 신호의 감도가 떨어지는 문제가 있다.
저항을 크게 하면 주울 발열은 줄어드나, 더 넓은 영역에 걸쳐 패턴이 형성되어야 하므로 로딩효과에 의한 저항의 물리적 불균일 가능성은 더 높아진다.
따라서 측정 감도를 유지하고 충분히 넓은 영역에 걸쳐 자기저항을 크게 형성하면서도, 로딩효과로 인한 저항 발열이 원인인 신호 드리프트 노이즈를 줄일 필요가 있다.
그런데, 주울 발열에 의한 출력전압 drift 노이즈
Figure 112020093452010-pat00008
는 다음과 같다.
Figure 112020093452010-pat00009
,
여기에서 Vcc는 바이어스 전압이고,
Figure 112020093452010-pat00010
로 브리지 미스매치이다.
그러므로, R1/R4-R2/R3=0, R1/R4-R2/R3 -> R1R3=R2R4 이면, 브리지 미스매치 BM(T)=0 이 되어
Figure 112020093452010-pat00011
으로 주울 발열에 의한 drift 노이즈도 없다. 따라서, 브리지를 구성하는 자기저항을 충분히 넓은 영역에 걸쳐 형성하면서도
Figure 112020093452010-pat00012
이 0이 되거나 최소화된다면 주울발열로 인한 신호 드리프트 노이즈를 제거하거나 최소화할 수 있다. 이는 또한 옵셋 보정의 필요를 줄일 수도 있다.
본 발명자들은 저항 발열로 인한 드리프트 노이즈를 제거할 수 있도록
Figure 112020093452010-pat00013
을 최소화하여 브리지 부정합을 제어하기 위해 도 7, 8의 패턴 배치를 도출하였다. 브리지 회로에서 서로 마주하는 노드의 양측에 배치되는 저항체 쌍을 반도체 기판의 각기 별도 영역에 형성(R1, R4를 한 쌍으로, R2, R3를 또 다른 쌍으로 각기 A 영역과 B 영역에 형성)하되, 동일 영역에 배치된 저항체쌍을 구성하는 복수의 자기저항 서브패턴을 상기 동일 영역에서 순차로 교차 배치함으로써 한 쌍을 이루는 두 저항체의 로딩 효과를 상쇄하여 미스매치를 최소화하는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 복수의 자기저항체로 구성되는 휘트스톤브리지 회로의 패턴을 나타낸 것이다. 도 7의 좌측 도면은 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 회로의 개념도로서 우측 패턴의 등가 회로이고, 우측 도면은 이를 실제 반도체 기판 상에 구현하기 위한 배치 패턴이다.
직렬로 접속된 제1저항체(R1) 및 제2 저항체(R2)로 이루어지는 직렬접속회로와, 제3 저항체(R3) 및 제4 저항체(R4)로 이루어지는 직렬 접속 회로가 서로 병렬 연결되어 휘트스톤브리지 회로가 형성된다. 제1 내지 제4 저항체는 시계 방향으로 폐회로를 형성하고 제1 저항체와 제2 저항체의 연결접점에 바이어스 전압이, 제3 저항체와 제4 저항체의 연결접점에 접지 배선이 연결되며, 제1 저항체와 제4 저항체 사이 연결 접점과 제2 저항체와 제3 저항체 사이 연결접점에 신호 측정 단자가 연결된다.
도 7, 8에서 제1저항체 R1은 하늘색으로, 제2 저항체 R2는 보라색으로, 제3 저항체 R3은 연두색으로, 제4 저항체 R4는 붉은색으로 표시된다. 노란 색은 금속 배선을 표시하는 것으로, 금속 배선은 각각의 패턴, 서브패턴, 접점들을 연결하고 도면에서 다른 패턴 등과 겹쳐진 부분은 단락이 되지 않도록 실재로는 via hole등을 통해 다른 레이어에 배치되어 있다.
도 7에 의하면, 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 제1 내지 제4 자기저항체(R1~R4)는 동일한 기판 상에 자기저항재료로 이루어진 규칙적인 패턴으로 각기 형성된다. 각각의 자기저항체를 형성하는 패턴은 전기적으로 연결된 복수의 자기저항 서브패턴을 포함한다. 예를 들어 제1 저항체(R1)는 기판 상에 형성된 복수의 동일한 서브패턴들(R1-11, R1-12,… R1-21, R1-22, … R1-nn)이 직접 또는 금속 배선에 의해 연결되어 하나의 저항체를 형성한다. 각각의 서브패턴은 저항체별로 동일한 배향으로 평행 배치된 미세 패턴 세그먼트(segment)와 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 직렬로 선형(linear) 띠를 형성하도록 세그먼트의 양 단부에서 연결하는 하나 이상의 연결부를 포함한다. 상기 미세 패턴 세그먼트(segment)는 신호부를 형성한다. 나머지 다른 저항체들도 동일한 방식으로 형성되되 배향은 저항체 별로 달라질 수 있다.
도 7, 8에서는 동일한 기판 상에 접지(GND)를 위한 배선이 대각선 형태로 중앙에 길게 형성되고, 대각선 배선의 양 측의 두 영역(A, B)에 각기 저항체 쌍이 대각선 배선을 중심으로 대칭되게 배치된다. 제1 및 제4 저항체 (R1, R4)로 이루어진 저항체쌍이 하나의 영역(A)에 형성되도록 하여 로딩 효과로 인한 패턴의 불균형이 제1 및 제4 저항체 (R1, R4)에서 동일 내지 유사하게 발생하게 하여 로딩 효과가 상쇄되게 한다. 나머지 저항체 쌍인 제2 및 제3 저항체(R2, R3)를 또 다른 B 영역에 배치하여 로딩효과로 인한 불균형이 R2, R3사이에서 서로 상쇄되게 한다. 즉, 브리지회로를 구성하는 4개의 저항체를 서로 인접한 2개의 저항체들로 나누어 각기 동일한 영역에 배치함으로써 로딩 효과가 생기더라도 인접 배치된 저항체에서 유사하게 작용하도록 하여 로딩효과가 상쇄되도록 한다.
이러한 로딩 효과 상쇄의 효과를 더욱 높이기 위해, 제1 내지 제4 저항체 중 A 영역에 배치되는 제1 저항체(R1)와 제4저항체를 각기 구성하는 복수의 서브패턴들을 서로 순차로 교차 배치한다. 도 7, 8과 같이 제1 저항체(R1)와 제4저항체를 각기 구성하는 제1서브패턴과 제4서브패턴을 바둑판 형태로 서로 순차 배치되게 함으로써 로딩 효과 상쇄를 극대화할 수 있다. 외곽에 배치된 것을 제외하고, 각각의 제1서브패턴은 제4서브패턴에 의해 둘러싸이고, 각각의 제4서브패턴은 제1서브패턴에 의해 둘러싸이도록 기판의 동일 평면 상에 배치된다. 이를 달리 표현하면, 서로 다른 배향을 가진 자기저항 서브 패턴들이 순차로 교차 형성되어 있다.
한편, 도 7, 8의 실시예에서는 R1, R4를 한 쌍으로, R2, R3를 또 다른 쌍으로 각기 A 영역과 B 영역에 형성하였으나, R1/R4=R2/R3은 R1/R2=R4/R3와 같으므로, 제1저항체와 제2저항체를 쌍으로 동일 영역에 배치하고 제3 및 제4 저항체를 또 다른 쌍으로 동일 영역에 배치하고 각각의 서브패턴을 교차 배열할 수도 있다. 이 경우에도 로딩 효과 상쇄에 의해 브리지 저항 미스매치를 최소화할 수 있다.
도 7의 각 영역은 평행사변형이고, 도 8의 각 영역은 삼각형이지만, 본 발명의 저항체 배치 영역의 형태는 동일 기판에 형성되는 다양한 형태일 수 있다.
이처럼 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체(R1 내지 R4)를 미세 패턴화하여 배치하되 R1과 R4를 구성하는 자기저항 서브패턴을 서로 인접되게 교차 배치하고, R2와 R3를 구성하는 자기저항 서브패턴을 인접 교차 배치함으로써 로딩 효과에 의한 영역별 패턴 불균일을 상쇄하여 브리지 미스매치를 줄여 옵셋 및 저항 발열로 인한 온도 drift noise가 줄어든다.
또한 전원 인가 후 센서가 일정한 출력을 내는 안정한 상태에 이르는 시간인 워밍업 시간이 단축된다. 즉, 여기에서는 자체 발열에 의한 드리프트가 없어질 때까지의 시간이 단축된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 더 넓은 영역에 걸쳐 자기저항 패턴을 형성(저항 커짐)하여 측정 신호의 감도가 우수하면서도 동시에 로딩효과 상쇄로 미스매치를 최소화하여 발열 노이즈나 옵셋이 개선된 박막 자기저항 센서를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지를 구성하는 자기저항체에 적용되었으나, 박막 자기저항 센서뿐 아니라 다른 센서들의 휘트스톤 브리지 회로에도 적용되어 발열 노이즈나 옵셋 문제를 해결할 수 있다.
이처럼 도 7, 8의 패턴에 의하면 미세 패턴 확장이 가능하면서도 브리지 미스매치가 해소되어 노이즈를 줄이는 장점이 있으나, 미세패턴 확장에 필요한 연결부에서 신호가 상쇄되어 감도가 떨어지는 문제점이 발견되었다.
박막 자기저항 센서의 외부 자기장 신호 검출원리를 설명하면, 도 3는 외부 자기장이 없는 상태에서 기본 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00014
)와 브리지 회로를 도식적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 외부 자기장
Figure 112020093452010-pat00015
이 인가되었을 때 브리지의 각 저항의 변화를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6에서, 노드 A, B 사이의 저항체 R1에 흐르는 전류와 기본 자화 벡터(파란색 점선 화살표로 표시)는 45도(π/4) 각도를 이루고 있다. 나머지 노드들 사이를 흐르는 전류와 기본 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00016
)도 모두 45도(π/4), 또는 135도(7π/4)의 각도를 이루고 각 저항은 R2, R3, R4으로 표시된다. 외부 자기장이 인가되지 않은 상태의 휘트스톤브리지 회로에서 저항은 R1/R4=R2/R3로 정합을 이루고 따라서, Vsig=VBD=0이다(여기에서 로딩 효과가 상쇄되어 미스매치는 없는 것으로 가정한다).
도 6에 의하면, 외부 자기장
Figure 112020093452010-pat00017
이 휘트스톤브리지 회로에 인가되고, 이로 인해 자화벡터(
Figure 112020093452010-pat00018
)는 기본 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00019
)에 대해 Δθ만큼 방향이 변경된다. 따라서, 도 6에 나타낸 바와 같이 동일한 배향을 가진 제1 및 제 3 자기저항체(R1, R3)에 대해 자화 벡터와 전류 방향과 사이각이 π/4 보다 Δθ 감소하고, 제1 및 제 3 저항체에 대해 수직으로 배치되는 제2 및 제4 자기 저항체(R2, R4)에 대해 자화 벡터는 사이각이 π/4 보다 Δθ 증가하게 된다. 비대칭 자기 저항 효과의 식 (1)에 따라, 계산하면 도 6의 수학식과 같은 저항 변화를 얻을 수 있다.
도 6의 수학식에 의하면, 저항 R1, R3은 증가하고, 저항 R2, R4는 감소하며, R1/R4≠R2/R3이 되어, 브리지 저항의 정합이 깨지게 된다.
휘스톤브리지 저항 정합이 깨어짐에 따라, 전위차로 인해 0이 아닌 Vsig=VBD가 측정되며, 이 값은 외부 자기장의 세기에 비례하므로, 자기 센서로서 작동한다. 구체적인 수식은 도 6을 참조한다.
한편, 도 9에는 박막 자기저항 센서의 휘트스톤브리지 회로가 자세히 표시되어 있다. 도 9의 좌측 도면은 우측 패턴 배치도의 등가회로이고, 우측 도면에는 단일 미세 패턴으로 이루어진 저항체들이 휘트스톤브리지 회로를 구성한다. 붉은 색으로 표시된 제4 저항체(R4)는 서로 평행한 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)을 포함하는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들(S1, S2, S3)을 단부에서 연결하여 선형의 긴 띠 형태의 저항체로 형성하는 하나 이상의 연결부(E1, E2)를 포함한다.
자기저항재료로 형성된 미세 패턴 세그먼트들(S1, S2, S3)은 실리콘 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 가늘고 긴 스트립으로 형성되고, 비대칭자기저항 효과가 적용될 수 있도록 일정한 방향성을 가지고 복수개가 평행하게 배치된다. 예를 들어 제4 저항체를 형성하는 미세 패턴 세그먼트들은 기본 자화 벡터에 대해 45도 각도를 가지도록 배치되고 하나 이상의 연결부가 세그먼트들의 단부에 배치되어 세그먼트들을 연결한다. 도 9의 연결부는 긴 스트립 형태로, 세그먼트에 대해 수직 방향으로 배치되는데, 상대적으로 그 길이는 세그먼트 보다 짧다.
그런데, 연결부가 세그먼트들과 90도 각도를 이루도록 형성되므로, 45+90=135도 각도로 기본 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00020
)에 대해 배치된다. 따라서, 외부 자기장에 의한 자화 벡터(M)에 의한 비대칭 자기저항 효과가 세그먼트와 연결부에서 서로 상반되게 작용한다. 도 10에 의하면, 신호부인 미세 패턴 세그먼트들은 외부 자기장이 인가될 때 저항이 감소되나 연결부의 저항은 동일한 자기장에 의해 증가된다. 따라서, 동일한 외부 자기장에 의한 비대칭 자기저항효과가 신호부에서는 저항 감소로 연결부에서는 저항증가로 나타나 신호 감쇄 효과가 발생하고 이는 곧 신호 감도 저하의 원인이 된다. 연결부 스트립이 신호부 스트립에 대해 수직으로 배치되어 신호부 스트립들을 연결할 경우, 외부 자기장에 의한 비대칭자기저항 효과는 동일한 변화율 영역에서 반대로 나타나게 되어 신호 감쇄가 나타나게 된다.
도 10에 도시된 바와 같이 기본 자화 벡터(
Figure 112020093452010-pat00021
)에 대해 신호부는 45도, 연결부는 135도 각도로 배치될 경우 신호부와 연결부에 대한 비대칭 자기저항 효과는 모두 가장 큰 영역에 속하고 또한 서로 반대로 작용하여 신호감쇄효과가 최대가 됨을 알 수 있다.
이러한 종래의 미세 패턴에서의 연결부에 의한 신호 감쇄 문제를 해결하여 도 11에 도시된 것과 같이 감쇄 효과를 최소화하는 새로운 패턴을 제안한다. 도 11은 기판 상에 형성된 새로운 패턴의 연결부에서의 비대칭자기저항 효과의 영향을 도시한다.
도 11에 의하면, 기판에 설치되고 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 제1 내지 제4 저항체는 각기 미세 패턴으로 형성된다. 각 저항체는 가운데에 길게 횡으로 배치되는 접지용 금속 배선의 상하 양측에 분배되어 배치된다. 접지용 금속 배선을 중심으로 대칭되게 복수의 저항체가 형성된다.
각각의 저항체는 기판 상에 비대칭 자기저항 재료로 미세 패턴으로 형성되고, 서로 평행한 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)을 포함하는 신호부와 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 양 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부(붉은 색 점선원으로 표시)를 포함한다. 미세 패턴 세그먼트와 신호부는 각기 가늘고 긴 스트립 형태이고, 각각의 저항체의 신호부에 포함된 복수의 미세 패턴 세그먼트들은 동일한 길이와 방향으로 평행하게 배치되며 기본 자화 벡터(그리고 이와 수직인 측정 자기장 방향)에 대해 45도 또는 135도의 사이각을 가지도록 배치된다.
연결부는 기본 자화 벡터에 대해 90도, 자계 민감축(측정 대상 외부 자기장 방향)과 평행하도록 배치되어 세그먼트들을 연결한다. 이러한 배치에서 외부 자기장이 인가되어도 연결부와 자화 벡터의 방향은 대략 90도에 가깝다. 연결부의 전류와 기본 자화 벡터 사이의 각도가 90도, 270도로 배치된 경우에는 비대칭 자기저항 효과에 의한 저항 변화가 최소화되므로 신호부의 자기저항효과에 의한 신호감쇄도 최소화된다.
도 11의 패턴뿐 아니라 연결부가 기본 자화 벡터에 대해 0도, 자계 민감축과 90도 각도로 배치될 경우에도 연결부에서의 비대칭자기저항 효과가 최소화되어, 세그먼트 형태의 신호부의 비대칭자기저항 효과로 인한 신호에 대한 상쇄가 거의 없다.
즉, 연결부가 비대칭자기저항 효과가 최소화되는 배향을 가지도록 세그먼트들을 연결하는 경우 동일한 신호 감쇄 문제를 막을 수 있어 센서감도가 향상된다.
도 12는 박막 자기저항 센서의 브리지회로를 구성하는 저항체를 동일 기판 상에 확장된 패턴으로 형성하는 경우에 로딩 효과로 인한 발열 노이즈를 줄이면서 동시에 연결부에 의한 신호 감쇄를 최소화하는 저항체 패턴을 도시한다.
도 12에 의하면, 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체(R1 내지 R4)가 미세 패턴화 하여 기판에 배치되되, 저항체 R1과 R4를 동일 영역에 배치되고 R2와 R3를 포함하는 저항체 쌍을 다른 영역에 같이 배치된다.
도 12의 실시예에서, 각 저항체는 중앙부에 길기 배치되는 금속 배선의 양측의 일측 영역에 제1 및 제4 저항체로 이루어진 저항체 쌍이 배치되고, 제2 및 제3 저항체로 이루어진 저항체 쌍이 타측 영역에 배치된다
각각의 저항체는 복수의 서브패턴 레이어를 가지고, 각각의 서브패턴 레이어는 각 저항체를 구성하는 복수의 서브패턴이 일렬로 정렬되어 형성된다. 상기 복수의 서브패턴은 서로 연결되어 각 서브패턴 레이어를 형성하고 각각의 서브패턴 레이어는 배선 등에 의해 서로 연결되어 각 저항체를 형성하되, 동일한 저항체를 구성하는 서브패턴은 동일한 형태의 신호부와 연결부를 포함한다.
이 때 제1 저항체를 구성하는 제1 서브패턴 레이어는 일정 패턴으로 배치된 복수의 제1 서브패턴이 일렬로 정렬되고 서로 연결된 것이고, 나머지 제2 내지 제4 저항체는 동일한 방식으로 형성된다. 동일 영역에 배치된 제1 서브패턴 레이어와 제4 서브패턴 레이어는 순차로 상하로 균일하게 배치된다. 이런 방식으로 교차 배치되어, 로딩 효과에 의한 영역별 패턴 불균일을 줄이고 브리지 미스매치를 해소하여 주울 저항에 의한 노이즈를 줄일 수 있다.
제2 저항체를 구성하는 제2 서브패턴 레이어와 제4 저항체를 구성하는 제4 서브패턴 레이어도 동일한 방식으로 순차로 배치될 수 있다.
각각의 서브패턴은 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)로 구성되는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 각기 포함한다. 이 때 각각의 서브패턴을 구성하는 미세 패턴 세그먼트(segment)들은 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되고, 상기 연결부는 비대칭 자기 저항 효과가 최소가 되는 각도로 배치된다.
즉, 각각의 서브패턴은 미세 패턴 세그먼트들(S1, S2, S3)은 실리콘 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 가늘고 긴 스트립으로 형성되고, 비대칭자기저항 효과가 적용될 수 있도록 일정한 방향성을 가지고 복수개가 평행하게 배치된다. 예를 들어 제4 저항체를 형성하는 미세 패턴 세그먼트들은 기본 자화 벡터에 대해 45도 각도를 가지도록 배치되고 하나 이상의 연결부가 세그먼트들의 단부에 배치되어 세그먼트들을 연결한다. 상기 하나 이상의 연결부는 자계 민감축(측정 대상 외부 자기장 방향)과 평행하도록 배치되어 외부 자기장에 의한 비대칭 자기저항이 최소화된다.
이런 구성에 의해 비대칭 자기 저항 효과를 크게 하면서 동시에 연결부에 의한 신호 감쇄와 로딩 효과로 인한 주울 발열 노이즈를 개선할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판에 설치된 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체를 포함하는 박막 자기저항 센서로서,
    복수의 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되고, 비대칭 자기 저항 효과에 의해 외부 자기장에 따라 저항이 변하며,
    상기 휘트스톤브리지 회로에서 대향하는 접점의 양측에 연결되는 2개의 저항체가 쌍을 이루어 각기 동일 영역에 배치되고,
    각각의 상기 복수의 저항체는, 기판상에 형성되어 서로 연결된 복수의 서브패턴을 가지고,
    동일 영역에 배치된 저항체 쌍의 서로 다른 저항체에 속하는 복수의 서브패턴들이 순차로 균일하게 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 서브패턴은 저항체별로 동일한 배향으로 평행 배치된 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)들로 구성된 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 포함하고,
    상기 미세 패턴 세그먼트(segment)는 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결부는 상기 신호부와 다른 배향을 가지고 서로 평행하게 배치되되, 외부 자기장에 의한 비대칭 자기저항 효과가 최소화되는 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    복수의 미세 패턴 세그먼트는 기판 상에 서로 평행하게 이격 형성된 복수의 가늘고 긴 스트립이고, 기본 자계 벡터에 대해 45도 또는 135도 각도로 배치되며,
    상기 하나 이상의 연결부는 가늘고 긴 스트립 형태이되 상기 미세 패턴 세그먼트 보다 더 짧고,
    상기 하나 이상의 연결부는 미세 패턴 세그먼트에 대해 135도 또는 45도 각도를 가지고 배치되어, 외부 자기장에 의한 연결부의 비대칭 자기저항 효과가 최소화되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 기판에 설치된 휘트스톤브리지 회로를 구성하는 복수의 저항체를 포함하는 박막 자기저항 센서로서,
    복수의 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되고, 비대칭 자기 저항 효과에 의해 외부 자기장에 따라 저항이 변하며,
    상기 휘트스톤브리지 회로에서 대향하는 접점의 양측에 연결되는 2개의 저항체가 쌍을 이루어 각기 동일 영역에 배치되고,
    각각의 저항체는 복수의 서브패턴 레이어를 가지고,
    각각의 서브패턴 레이어는 각 저항체를 구성하는 복수의 서브패턴이 일렬로 정렬되어 형성되고,
    상기 복수의 서브패턴은 전기적으로 서로 연결되어 각각의 저항체를 형성하되, 동일한 저항체를 구성하는 서브패턴은 동일한 형태의 신호부와 연결부를 포함하고,
    동일 영역에 배치된 2개의 저항체의 서브패턴의 신호부는 방향이 서로 상이하고,
    동일한 영역에 배치된 2개의 저항체의 서브패턴 레이어는 서로 교차 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
  8. 기판에 설치되는 제1 내지 제4 저항체로 구성되는 휘트스톤브리지 회로로서,
    제1 내지 제4 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되되, 기판상에 형성되어 전기적으로 연결된 복수의 서브패턴을 각기 가지고,
    제1 저항체를 구성하는 복수의 제1 서브패턴과 제4 저항체를 구성하는 복수의 제4 서브패턴은 기판 상의 제1 영역에 순차로 균일하게 배치되고,
    제2 저항체를 구성하는 복수의 제2 서브패턴과 제3 저항체를 구성하는 복수의 제3 서브패턴은 기판 상의 제2 영역에 순차로 균일하게 배치되며,
    제1 저항체의 저항 R1, 제2 저항체의 저항 R2, 제3 저항체의 저항 R3, 제4 저항체의 저항 R4는 외부 신호가 없는 상태에서 R1/R4=R2/R3의 브리지 정합을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휘트스톤브리지 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 내지 제4 저항체는 비대칭 자기 저항 효과에 의해 저항이 변화될 수 있으며,
    각각의 서브패턴은 복수의 미세 패턴 세그먼트(segment)로 구성되는 신호부와, 상기 복수의 미세 패턴 세그먼트들을 단부에서 서로 연결하여 선형의 저항체를 형성하는 하나 이상의 연결부를 각기 포함하고,
    상기 미세 패턴 세그먼트(segment)들은 비대칭 자기 저항 효과가 최대가 되도록 배향되고, 상기 연결부는 비대칭 자기 저항 효과가 최소가 되는 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 휘트스톤브리지 회로.
  10. 기판에 설치되는 제1 내지 제4 저항체로 구성되는 휘트스톤브리지 회로를 포함하는 박막 자기저항 센서로서,
    제1 내지 제4 저항체는 비대칭 자기 저항 효과에 따라 외부 자기장에 의해 저항이 변하고,
    제1 내지 제4 저항체는 각기 기판상에 일정한 패턴으로 형성되되, 기판상에 형성되어 전기적으로 연결된 복수의 서브패턴을 각기 가지고,
    제1 저항체를 구성하는 복수의 제1 서브패턴과 제4 저항체를 구성하는 복수의 제4 서브패턴은 기판 상의 제1 영역에 순차로 균일하게 배치되고,
    제2 저항체를 구성하는 복수의 제2 서브패턴과 제3 저항체를 구성하는 복수의 제3 서브패턴은 기판 상의 제2 영역에 순차로 균일하게 배치되며,
    제1 저항체의 저항 R1, 제2 저항체의 저항 R2, 제3 저항체의 저항 R3, 제4 저항체의 저항 R4는 외부 신호가 없는 상태에서 R1/R4=R2/R3의 브리지 정합을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기저항 센서.
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