KR20050083943A

KR20050083943A - 자기저항 소자의 자기변형 측정 방법

Info

Publication number: KR20050083943A
Application number: KR1020057009191A
Authority: KR
Inventors: 후베르트 그림
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-08-26
Also published as: US7298139B2; US20080024123A1; US20080024124A1; AU2003278097A1; JP2006510884A; US7471082B2; TW200428014A; US20080278153A1; EP1625413B1; DE60307523T2; ATE336009T1; US7728585B2; DE60307523D1; CN100403051C; CN1692286A; TWI230266B; WO2004057359A1; EP1625413A1; JP4330150B2; US7375513B2

Abstract

자기저항 요소의 자기변형 상수를 직접적으로 측정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 1) 1 이상의 자기저항 요소들을 보유하는 기판을 제공하는 단계 2) 상기 기판을 벤딩 장치(bending fixture) 내로 삽입하는 단계 3) 상기 기판에 평행한 자기 직류장(DC field)을 가하는 단계 4)상기 기판에 수직이고, 상기 요소들의 자기저항층들에 평행한 자기 교류장(alternating field)을 가하는 단계 5) 상기 요소로부터 신호를 측정하는 단계 6) 상기 기판을 굽힘으로써 상기 기판에 평행한 기계적 응력을 가하는 단계 7) 상기 기계적 응력을 가하기 전에 측정된 상기 신호가 도달될 때까지 상기 자기 직류장을 변화시키는 단계를 포함한다.

Description

자기저항 소자의 자기변형 측정 방법{METHOD FOR MEASURING MAGNETOSTRICTION IN MAGNETORESISTIVE ELEMENTS}

본 발명은 일반적으로 자기변형 상수의 측정에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 자기저항 소자들의 자기변형 상수의 측정에 관한 것이다.

자기장의 측정이 필요한 상황들이 많이 있다. 그러한 상황들은 구조체 자화부, 저장된 자기 정보의 반응체의 위치나 접근을 측정하는 것과, 그리고 전류 경로에 측정 장치 없이 전류를 측정하는 것 등이다.

그러한 상황에서 많은 자기 효과들은 상대적으로 작고, 따라서 민감한 자기 센서를 필요로 한다. 그러한 작은 자기장 섭동(perturbation)을 감지할 수 있는 자기 센서는 제조하기에 경제적인데, 자기저항 효과를 기초로 해서 제공된다. 단일 집적 회로 제조 기술들을 사용하는 경우, 그러한 자기저항 물질에 기초한 자기 센서들은 박막으로 제조될 수 있고, 따라서 경제적으로 만들어질 수 있을 뿐만 아니라 크기에 있어서 꽤 작게 만들어질 수 있다. 자기저항 물질에 기초한 자기 센서는 전기 저항기로서 사용될 수 있는 자기저항 물질을 제공함으로써 배치된다. 전류가 자기저항 물질을 통해 지나가고, 그리고 거기를 가로지르는 전압은 상기 전류가 흐르는 경로에 걸쳐 상기 물질의 유효 저항에 의존할 것이다. 상기 저항값은 상기 물질의 자화 상태에 차례로 의존할 것이다. 만약, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance;AMR)의 경우와 같이, 상기 자화가 전류에 평행하다면, 상기 물질은 최대 저항을 나타낼 것이고, 상기 전류에 직교하는 자화에 대해서는 최소 저항을 나타낼 것이다.

거대 자기저항(Giant Magnetoresistance;GMR)에 있어서, 최대 저항은 비자성 경계층(non-magnetic interface layer)에 의해 분리되고 서로 인접한 자기층들의 자화가 평행하게 정렬되는 경우이다. 스핀 밸브 시스템(spin valve system)은 2개의 자기층, 자유층(free layer), 핀층(pinned layer)으로 이루어지는데, 반강자성층 또는 반강자성으로 결합된 핀 층에 의해 피닝(pinning)이 이루어질 수 있다.

그러한 시스템 내의 전류는 막 면에 평행하거나(CIP) 또는 막 면에 수직(CPP)일 수 있다. 상기 CPP 구조는 일반적으로 터널 소자(터널 자기저항-TMR;Tunneling Magnetoresistance)에서 사용되는데, 여기에서 비자성 경계층은 절연체로 이루어진다.

자기저항 소자에서는 유효 자화가 있는 자유 회전층이 존재한다. 자기저항 물질에서 작용하는 외부장(external field)은 결과적으로 상기 층 시스템의 저항을 변화시키기 위해 그 안에 있는 자화 방향을 회전시킬 것이다. 전류를 운반하는 상기 변화된 저항은, 외부장 크기의 표시로서 감지될 수 있는, 저항기를 가로지르는 전압 강하 변화를 야기시킨다.

그러한 막의 유효 저항은 AMR의 경우에는 상기 물질을 통과하는 전류 방향과 유효 자화 방향 사이의 각도의 코사인(cosine) 제곱에 따라 변할 것이고, GMR이나 TMR의 경우에는 인접한 층들의 각도의 코사인에 따라 변할 것이다. 그러나, 전체 저항은 일반적으로 중요하지 않고, 오히려 가해진 외부 자기장의 변화에 응답하는 저항의 변화가 중요하다. AMR의 경우에, 이러한 변화는 상기 코사인 제곱 응답 곡선에 따른 지점에서 자주 가장 잘 측정되는데, 여기에서 상기 곡선은 선형 함수에 가깝다.

이러한 상기 응답 곡선의 선형부 상에 작용(operation)을 제공하는 것은, 외부에서 가해진 자기장이 없는 경우 전류의 방향과 자화의 공칭 방향 사이의 초기 각도가 존재하는 것을 요구한다. 바이어스 배열(bias arrangement)에서, 이것은 다른 방법으로 실시될 수 있다. 상기 자기저항 물질은 상기 저항기의 연장 방향에 대하여 약 45°의 경사 각도를 가진, 연속적으로 결합된 다중 경사들의 헤링본(herringbone) 패턴(pattern) 또는 액트(act)에서 연속적인 저항기로서 상기 소자 기판에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 저항기의 연장 방향에 90°방향으로 향하는 자기 바이어스계에 대한 근원이 제공되어야만 한다.

또 다른 방법은 선형 스트립(strip)의 자기저항 물질을 제공하는 것이지만, 상기 스트립 방향에 대하여 45°의 각도로 상기 스트립을 가로지르는 개개의 컨덕터들을 추가하는 것이다. 사실상, 이것은 전류가 상기 스트립 자체의 연장 방향에 대해 상기 자기저항 스트립을 통하는 각도로 흐르게 한다. 이러한 후자의 구성은 그 구성으로 인해 "바버 폴(barber pole)" 센서로 자주 불리어지고, 그러한 배치는 자기 바이어스계의 외부 근원에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

자기 기록 헤드에서, AMR 센서의 센스층(sensing layer)의 자화는 상기 센서 스트립 방향에 수직으로 자화된 인접한 자기층의 스트레이계(stray field)에 의해 상기 센스 전류에 대해 45°까지 회전한다. 이 층은 강자기 물질(강 바이어스층;hard bias layer) 또는 상기 센스 전류에 의해 자화된 연자기 물질(연 인접층;soft adjacent layer)일 수 있다.

GMR 또는 TMR 소자에서, 상기 자유층의 자화는 상기 스트립 방향과 평행한 방향이어야만 한다. 이것은 상기 센서의 각각의 측면에 놓여진 강 바이어스층에 의해 정상적으로 행해진다. 상기 핀층의 자화는 반강자성 커플링에 의해 상기 스트립 방향에 수직으로 고정된다.

자기변형은 박막들과 다층(multilayers)의 자기 특성들을 제어하기 위한 필수적인 파라미터이다. 자기변형은 자기 역전에 의한 자기 물질의 길이의 변화를 나타낸다.

자기 기록 소자에서, 균질의(homogeneous) 자화 자기층, 특히 상기 센스층 스택(stack) 내에 센스층(자유층)을 가지는 것이 중요하다. 보텍스들(vortices) 또는 자기 영역(magnetic domains)과 같은, 비균질의 자화 영역은 기록 신호의 불안정함을 야기시킨다. 따라서, 상기 자기층은 국소(local) 자기장(교환 커플링계, 강바이어스계)에 의해 정렬된다. 국소 비균질성은 자기변형 이방성에 의해 야기될 수 있다. 따라서, 상기 자기변형은 매우 정확히 제어되어야만 한다.

박막들의 자기탄성(magnetoelastic) 특성들을 연구하기 위해 다양한 실험적 방법들이 발달 되어왔다. 그 중 하나가 이른바 "외팔보 방법"에 의한 직접적인 측정이다. 자화의 변화는 박막과 함께 상기 기판의 휨을 야기시키는, 길이의 변화를 이끌게 된다. 이것은 예를 들어 E. du Tremolet de Lacheisserie 등의 "박막의 자기변형 및 내부 응력 : 외팔보 방법", 자력 및 자기 물질 저널(Journal of Magnetism and Magnetic Materials) 136 (1994년, 189-196 페이지)에서 설명된다.

또 다른 방법들은 스트레인 게이지 방법에 의한 간접적인 측정인데, 이것은 자기막에 기계적 응력을 형성한다. 자기 이방성은 자기변형 커플링을 통해 변화한다. 이것은 예를 들어 D. Markham 등의 "퍼멀로이(permalloy) 내의 자기변형의 자기변형 측정", 자기학에 대한 IEEE 회보(25권, 넘버 5, 1989년 9월, 4198-4200 페이지)에서 설명된다.

자기 막의 자기변형 상수를 측정하기 위한 장치가 일본 공개 특허, JP 62106382 A2의 요약서에 또한 개시되어 있다.

Kenji Narita 등의 자기학에 대한 IEEE 회보(16권, 넘버 2, 1980년 3월, 435-439페이지)는 소각(小角) 자화 회전(SAMR;small-angle magnetization rotation)에 의한 얇은 비결정질 리본(ribbon)의 포화 자기변형을 측정하는 방법을 개시한다.

그러나, 상기 센서의 실제 환경이 반영되지 않도록, 직접적으로 자기 센서들의 자기저항 효과를 사용하여 자화 변화를 측정하는 어떠한 방법도 알려져 있지 않다. 따라서, 그러한 방법들을 개선할 필요성이 여전히 있다.

도면은 본 발명의 방법에 따른 자기변형 상수를 측정하기 위한 구성을 개략적으로 도시한다.

따라서, 자기 요소들의 자기변형 상수를 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

이러한, 그리고 다른 목적 및 이점들은 청구항 1에서 개시된 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 유용한 실시예들이 종속항에 개시된다.

본 발명에서, 자기 기록 헤드, 자기장 센서 등과 같이, 이방성 자기저항(AMR), 거대 자기저항(GMR), 또는 터널 자기저항(TMR;일반적으로 XMR)에 기초한 요소들의 자기변형 상수(MS;magnetostriction constant)는 소각 자화 회전(SAMR)에 의해 측정된다. 상기 센서의 전기 신호는 외부장에 의해 야기된 자화 회전을 측정하도록 사용된다. 자기저항(MR) 소자에서, 상기 자화는 다양한 방법들, 예를 들어 강바이어스, 반강자성 교환 커플링, 바버 폴(barber pole) 등에 의해 편향된다. 제안된 M_s 측정을 위해, 상기 바이어스계(하드 바이어스, 연 바이어스, 교환장)는 가해진 응력과 평행하게 정렬되어야만 하는 추가 외부 직류장(DC field)에 의해 유지될 수 있다. 박막 내의 상기 응력이 변화한다면, 상기 센서 신호는 자기변형 커플링으로 인해 또한 변화할 것이다. 그러나, 상기 센서 신호의 변화는 상기 외부 직류장을 변화시킴으로써 보상될 수 있다. 차단(shielded) 요소들을 위해, 상기 외부장은 상기 차단층으로부터 자기소거 효과들(demagnetizing effects)의 영향을 반영하도록 조정된다. 상기 응력은, 벤딩에 의해 또는 예를 들어 온도, 피에조층(piezo layer) 등과 같은 임의의 다른 수단들에 의해, 웨이퍼(wafer) 또는 로(row) 레벨(level) 상에 가해질 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 자기 기록 헤드에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 자기장 센서들 및 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAMs)과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 자기 기록 헤드에 대해서는 아래에서 간단히 설명된다.

도면은 본 발명의 방법에 따른 자기변형 상수를 측정하기 위한 구성을 도시한다. 우선, 로(row) 또는 웨이퍼(wafer;10)가 벤딩 장치, 예를 들어 편향 게이지(deflection gauge;12), 그 위에 형성된 상기 로 또는 웨이퍼 보유 XMR 요소들 내로 삽입된다. 다음으로, 자기 직류장(DC-field)이 상기 로 또는 웨이퍼(10)에 평행하게, 즉 도면에 도시된 x축의 방향으로 가해진다. 자기 교류장(alternating field)이 상기 로 또는 웨이퍼(10)에 수직으로 가해지고, 그리고 상기 자기저항 층들과 평행하게, 즉 도면에 도시된 y축 방향으로 가해진다. 이 교류장은 주파수 f를 가지는 사인파(sinusoidal)인 것이 바람직하다. 신호는 자기저항 소자, 예를 들어 XMR 소자에서 측정되고, 이 신호는 주파수 f를 가지는 교류장의 크기에 비례한다. 이것을 단순한 방법으로 실시하기 위하여, 상기 교류장의 주파수에 구속되는 락-인 증폭기(lock-in amplifier;14)가 사용될 수 있다. 지금 기계적 응력이 상기 로 또는 웨이퍼(10)를 굽힘으로써, 예를 들어 마이크로미터 스크류(micrometer screw;16)에 의해 x방향에 평행한 XMR 소자의 층에 발생된다. 상기 스크류는 "마이크로스크류 제어 유닛(48)"에 의해 라인(20)을 통해 전기적으로 제어될 수 있다. 상기 XMR 소자의 센서층 내의 자기탄성 상호작용으로 인해, 상기 자기 이방성은 변화할 것이다. 이것은 차례로 상기 락-인 증폭기(14)에서 측정된 신호의 크기 변화를 이끌게 될 것이다. 마지막으로, x축 방향으로 가해진 자기 직류장은, 상기 락-인 증폭기에서의 측정 신호가 기계적 응력을 가하지 않고 측정된 값에 다시 도달할 때까지, 적당한 제어 회로에 의해 변화한다. 상기 로/웨이퍼 편향 장치(12) 바로 위의 상기 자기 조립체(22)는 y방향으로의 자기장 발생을 위한 교류 전력 공급(42), 그리고 라인(28 및 30)을 통해 x방향으로의 직류 보상장(DC compensation field)의 발생을 위한 직류 전력 공급(24)에 의해 동력이 공급된다. 상기 XMR 소자는 일정한 전류원(34)으로 라인(32)를 통해 동력이 공급된다. 상기 센스 출력, 그리고 상기 XMR 저항기를 가로지르는 전압은 라인(36)을 통해 상기 락-인 증폭기(14)로 공급되는데, 전술한 바와 같이, 상기 자기 교류장의 여기 주파수(excitation frequency;38)에 구속된다. 전체 측정 조립체는 버스(bus;26)을 통해 컴퓨터(40)로 제어될 수 있다.

상기 자기변형 λ_s은, 자기탄성 에너지 밀도(상기 방정식의 왼쪽)가 자기 이방성 에너지 밀도(상기 방정식의 오른쪽)와 동일한 것을 의미하는, 아래 공식에 의해 정의된다.

(Ⅰ)

기계적 응력 이방성의 변화, △σ는 (균질 및 등방성의 물질에 한정되는) 훅의 법칙에 의해 상기 스트레인 변화 △ε = △l/l (상기 로 또는 웨이퍼의 굽힘에 의해 야기된 상대적 연장)와 연관된다.

상기 전압 변화 △σ는 상기 편향의 기계적 파라미터들로부터 계산된다.

(Ⅱ)

아래의 방법들은 특별한 기계적 파라미터들을 얻는데 사용될 수 있다.

1) 상기 스트레인은 아래의 공식에 의해 상기 편향(도면에서 b)으로부터 계산될 수 있다.

(Ⅲ)

여기에서, L은 벤딩 길이(도면 참조)이고, d_s는 기판 두께(도면 참조)이며, 상기 스트레인 게이지의 중심에서 x = 0 이며, 그리고 △ε_y = 0 이다.

2) 샘플 표면에 걸쳐 레이저 빔을 주사함으로써 상기 표면 곡률을 측정하는데, 상기 레이저는 상기 로 또는 웨이퍼 표면들로부터 위치 민감 광학 장치(position sensitive optical device)까지 반사된다.

상기 스트레인 △ε은 상기 편향 b 또는 2)의 표면 곡률로부터 결정된다.

이방성계의 측정은 전체 에너지를 따르게 된다.

(Ⅳ)

이 공식은 외부장들의 에너지(H_x, H_y), 단축 이방성(uniaxial anisotropy; Hk)를 포함하는데, 상기 단축 이방성은 유도 이방성(induced anisotropy) 및 자기변형 이방성 뿐만 아니라 폼 이방성(form anisotropy)으로 이루어지고, 상기 폼 이방성은 측정될 상기 층의 자화 분산을 고려한다.

평형 조건, dE/d = 0 으로부터, 아래의 공식이 유도된다.

(Ⅴ)

주기 여기장(periodic excitation field) H_y = H_yo sin(Φt)이라고 하면, 자화는 평형 상태 부근에서 요동할 것이다. 자기저항 요소의 저항은 동일 주파수와 함께 변화한다.

기계적 장력은 이방성장 H_k를 변화시킨다. 이것은, 차례로, 저항의 변화 및 상기 자화의 변동(fluctuation) 크기의 변화를 야기시킨다. 이러한 변화들은 외부장 H_k에 의해 보상되고, 최초 평형 상태는 회복된다. 아래의 방정식은

(Ⅵ)

λ_s의 계산은 간단하다. 스트레인 △ε은, 예를 들어 (Ⅲ)으로부터 계산될 수 있다. 따라서, 스트레인 이방성 △σ은 (Ⅱ)로부터 유도된다. (Ⅰ)로부터 자기변형 상수는 (Ⅳ)로부터 △σ, △H_k,σ를 대입함으로써 계산될 수 있다.

포화 자화 M_s 및 탄성 상수들 E, ν은 상수로서 방정식 (Ⅰ)에 대입된다.

본 발명은 상기 자화 변화의 측정을 위해 직접적으로 자기 센서들의 MR-효과를 사용하는 것을 제안한다. 본 발명에 따른 방법은 아래의 이점들을 가지고 있다.

- 보상 방법의 사용이 조정 자화 상태를 보증하는데, 이것은 구성된 막의 국소 자화 분산에 의해 에러를 방지한다. 바이어스계, 예를 들어 이방성 자기저항 센서(AMR)의 연바이어스, 세로 방향의 자기적으로 강한 자계(강바이어스) 또는 자기층에 인접한 교환장(exchange fields)은 어떠한 효과도 가지지 않는다.

- 측정이 단순하고 빠르다.

- MR 효과가 매우 민감하다.

- 측정이 상기 센서 요소들 자체에서 수행될 수 있다. 분리되어 제조된 모니터층들(monitor layers)을 가질 필요가 없다.

Claims

자기저항 요소의 자기변형 상수를 직접적으로 측정하기 위한 방법으로서,

1 이상의 자기저항 요소들을 보유하는 기판을 제공하는 단계;

상기 기판을 벤딩 장치(bending fixture) 내로 삽입하는 단계;

상기 기판에 평행한 자기 직류장(DC field)을 가하는 단계;

상기 기판에 수직이고, 상기 요소들의 자기저항층들에 평행한 자기 교류장(alternating field)을 가하는 단계;

상기 요소로부터 신호를 측정하는 단계;

상기 기판을 굽힘으로써 상기 기판에 평행한 기계적 응력을 가하는 단계; 및

상기 기계적 응력을 가하기 전에 측정된 상기 신호가 도달될 때까지 상기 자기 직류장을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 기판은 로(row) 또는 웨이퍼(wafer)인 것인 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 로 또는 웨이퍼는 복수의 자기저항 요소들을 보유하는 것인 측정 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 장력은 마이크로미터 스크류(micrometer screw)에 의해 가해지는 것인 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 마이크로미터 스크류는 전기적으로 제어되는 것인 측정 방법.
전술한 한 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기저항 요소는 이방성 자기저항(AMR), 거대 자기저항(GMR) 또는 터널 자기저항(TMR)에 기초한 센서인 것인 측정 방법.