KR20080033959A - 자기 클래딩을 갖는 터널 접합 센서 - Google Patents

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KR20080033959A
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magnetic
mtj
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mfs
electrode
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KR1020087002363A
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정영실
로버트 더블류. 베어드
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프리스케일 세미컨덕터, 인크.
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Abstract

물리적 매개변수들을 감지하기 위한 방법들 및 장치가 제공된다. 장치(30)는 자기 터널 접합(MTJ)(32) 및 자계 소스(34)를 포함하고 자계 소스의 자계(35)는 MTJ와 겹치고 MTJ에의 근접은 센서에의 입력에 응답하여 변한다. 자기 차폐(33)는 적어도, MTJ로부터 떨어진 MFS의 면 상에 제공된다. MTJ는 제1 및 제2 자기 전극들(36, 38)을 이들 사이에 유효한 터널링 도통이 되게 구성된 유전체에 의해 분리되어 포함한다. 제1 자기 영역은 이의 회전축이 고정되어 있고 제2 자기 전극은 이의 회전축이 자유롭다. 자계 소스는 제1 자기 전극보다 제2 자기 전극에 더 가까운 방위로 놓여있다. 전체 센서 동적범위는 동일 입력을 수신하나 서로 다른 개개의 응답 곡선들을 가지며 바람직하지만 필수는 아닌, 동일 기판 상에 형성되는 복수의 전기적으로 결합된 센서들을 제공함으로써 확장된다.
물리적 매개변수, 자기 터널 접합, 자계 소스, 센서, 자기 차폐

Description

자기 클래딩을 갖는 터널 접합 센서{TUNNEL JUNCTION SENSOR WITH MAGNETIC CLADDING}
본 발명은 일반적으로 감지에 관한 것으로, 특히 자기 터널 접합들(MTJ)을 채용한 센서들에 관한 것이다.
센서들은 이를테면 다음으로 한정되는 것은 아니지만, 위치, 움직임, 힘, 가속도, 온도, 압력 등등과 같은 물리적 매개변수들을 측정 혹은 검출하기 위해서 최신의 시스템들에서 널리 사용된다. 이들 및 이외 다른 매개변수들을 측정하기 위한 많은 서로 다른 유형들의 센서들이 종래 기술에 존재한다. 그러나, 이들은 모두 이 기술에서 잘 알려진 각종의 예를 들면, 과도한 크기와 무게, 불충분한 감도 및/또는 동적범위, 비용, 신뢰도 및 이외 다른 요소들에 제한이 있다. 이에 따라, 향상된 센서들, 특히 반도체 디바이스들 및 집적회로들에 쉽게 집적될 수 있는 센서들 및 이의 제조 방법들에 대한 계속적인 필요성이 있다.
따라서, 각종 물리적 매개변수들을 측정하는데 적응할 수 있는 향상된 센서 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 센서 및 방법이 간단하고, 강건하고 신뢰성 있으며, 또한, 반도체 디바이스 및 집적회로 구조들과 제조 방법에 호환될 수 있고, 바람직하게는 필수는 아니지만 동일 기판 상에 형성되도록 된 것이 바람 직하다. 또한, 향상된 센서 및 방법이 측정되는 물리 매개변수를 전기신호를 변환하는 것이 바람직하다. 발명의 이외 다른 바람직한 특성들 및 특징들은 첨부한 도면들 및 앞에 기술분야 및 배경과 함께 취해진, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.
이하 발명은 동일 요소들에 동일 참조부호를 사용한 다음의 도면들에 관련하여 기술될 것이다.
도 1은 발명의 실시예에 따라, 자기 터널 접합(MTJ)을 채용하는 센서의 간이화한 개략적인 측면도 및 전기회로이다.
도 2는 자기 회전축들의 서로 다른 방위들을 도시한, 도 1의 자기 터널 접합 일단의 측면들이다.
도 3은 자기 회전축들의 서로 다른 방위들을 도시한, 도 1의 자기 터널 접합의 일단의 분해한 평면도들이다.
도 4는 자기 회전축들의 2개의 서로 다른 방위들에 대해 자기 터널 접합의 간이화한 전류 대 전압 플롯이다.
도 5-7은 인가된 자계의 함수로서 자기 터널 접합의 저항의 간이화한 플롯들이다.
도 8은 위치가 센서 입력에 따르는, 자계 소스를 지지하는 움직일 수 있는 캔틸레버 빔을 채용한 발명의 또 다른 실시예들에 따른 자기 터널 접합 센서의 간이화한 개략적인 측면도이다.
도 9는 전류를 수송하는 유연한 U-자형 캔틸레버 빔이 센서 입력에 따라 자기 터널 접합에의 가변 자계를 제공하는, 도 8의 자기 터널 접합 센서의 간이화한 평면도이다.
도 10은 더 상세함을 보여주는 도 8-9의 캔틸레버 빔의 부분의 간이화한 측단면도이다.
도 11은 단일의 유연한 캔틸레버 빔이 센서 입력에 따라 자기 터널 접합에의 가변 자계를 제공하는, 도 8의 자기 터널 접합 센서의 간이화한 평면도이다.
도 12는 더 상세함을 보여주는 도 8 및 도 11의 캔틸레버 빔의 부분의 간이화된 측단면도이다.
도 13은 발명의 다른 실시예에 따라 자기 터널 접합 센서를 관통한 간이화된 개략적인 단면도이다.
도 14는 도 13의 센서의 간이화한 부분 절결 평면도이다.
도 15는 도 13의 센서와 유사하나 발명의 또 다른 실시예에 따른 간이화한 개략적 단면도이다.
도 16은 도 13과 유사하나, 능동 자계 소스를 채용하는 발명의 또 다른 실시예에 따른 간이화한 개략적인 단면도이다.
도 17은 더 상세함을 보여주는 도 16의 센서의 간이화한 부분 절결 평면도이다.
도 18은 도 16의 센서와 유사하나, 온도 혹은 압력을 측정하도록 한, 발명의 또 다른 실시예에 따른 간이화한 개략적인 단면도이다.
도 19는 발명된 센서의 제조 방법의 간이화된 흐름도이다.
도 20은 더 상세함을 보여주는, 도 19의 흐름도와 유사한 간이화된 흐름도이다.
도 21은 도 19-20의 방법의 실시예의 더 상세함을 예시하는 개략적인 한 세트의 단면도들이다.
도 22는 도 21과 유사하나 발명의 방법의 또 다른 실시예에 따라 개략적인 한 세트의 단면도들이다.
도 23은 도 21-22과 유사하나 발명의 방법의 또 다른 실시예에 따른 개략적인 한 세트의 단면도들이다.
도 24는 전극들 중 적어도 하나가 정사각형인 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들의 분해한 평면도이다.
도 25는 전극들 중 어느 하나 혹은 모두가 다양한, 정사각형이 아닌 형상들인 발명의 실시예들에 따른 MTJ의 전극들의 분해한 평면도이다.
도 26은 전극들 중 적어도 하나가 다른 전극에 관하여 다양한 각도 배열들을 갖는 발명의 실시예들에 따른 MTJ의 전극들의 평면도이다.
도 27은 복수의 MTJ들에 근접한 자계 소스들을 지지하는 서로 다른 길이들의 캔틸레버 빔들을 갖는 복수의 센서들의 간이화한 평면도이다.
도 28은 도 27의 복수의 MTJ들이 병렬로 전기적으로 결합되는 것으로서 도시된 간이화한 개략적인 전기 회로도이다.
도 29는 도 28의 병렬 배열에 있어서 터널링 저항 RT 대 힘 혹은 가속도 F의 간이화한 플롯으로서, RT는 복수의 MTJ들을 통한 터널링 저항들의 병렬 결합이고 F는 복수의 센서들에 동시에 인가되는 가속도 혹은 힘이다.
다음 상세한 설명은 사실상 단지 예시적인 것으로 발명 혹은 발명의 적용 및 용도들을 제한하려는 것은 아니다. 또한, 앞에 기술분야, 배경, 간략한 요약 혹은 다음의 상세한 설명에 나타난 어떠한 표현된 혹은 암시된 이론에 의해서도 국한되게 할 의도는 없다.
예시의 간략성 및 명료함을 위해서, 도면들은 일반적인 방식의 구조를 도시하며, 공지된 특징들 및 교시의 설명 및 상세는 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해서 생략될 수 있다. 또한, 도면들에서 구성요소들은 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다. 예를 들면, 도면들에서 어떤 구성요소들 혹은 영역들의 치수들은 발명의 실시예들의 이해를 향상시키는데 도움을 주기 위해서 다른 구성요소들 혹은 영역들에 비해 과장되어 있을 수 있다.
설명 및 청구항들에서 "제1", "제2", "제3", "제3" 등의 용어들은 유사한 구성요소들간에 구별을 위해 사용될 수 있으며 반드시 특정한 순차적 혹은 시간적 순서를 기술하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용되는 용어들은 여기 기술된 발명의 실시예들이, 예를 들면, 예시된 것들 혹은 아니면 여기 기술될 것 외의 순서들로 동작할 수 있게 하는 적합한 환경들 하에선 상호교환될 수 있음을 알 것이다. 또한, "포함하다", "갖는다"라는 용어들은, 공정, 방법, 물품, 혹은 구성요소들의 리스트를 포함하는 장치가 반드시 이들 구성요소들로 제한되는 것은 아니고 명백하게 열거되지 않은 혹은 이러한 공정, 방법, 물품, 혹은 장치에 본연의 다른 구성요소들을 포함할 수 있게, 비-배타적 포함들을 포함하게 한 것이다.
설명 및 청구항들에서 "좌측", "우측", "내", "바깥, "전방", "후방", "위", "아래", "상부", "하부", "에 걸쳐", "아래에", "위에", "밑에" 등의 용어들은, 어느 것이든 있다면, 설명의 목적으로 사용되며 반드시 영속적인 상대적 위치들을 기술하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용되는 용어들은 여기 기술되는 발명의 실시예들이 예를 들면 예시된 것 혹은 아니면 여기 기술된 것과는 다른 방위들로 동작할 수 있게 하는 적합한 환경들 하에선 상호교환될 수 있다. 여기에서 사용되는 "결합된"이라는 용어는 전기적으로 혹은 비-전기적으로 직접적으로 간접적으로 혹은 접속되는 것으로서 정의된다.
도 1은 발명의 실시예에 따라, 자기 터널 접합(MTJ)(32) 및 가동(moveable) 자계 소스(MFS)(34)를 채용하는 센서(30)의 간이화한 개략적인 측면도 및 전기회로이다. 자계 소스(MFS)(34)는 화살표들(44-1, 44-2)(전체는 44)로 나타낸 바와 같이 자유롭게 이동하여, MTJ(32)에 관하여 이동하는 자계(35)를 제공하고, 그럼으로써 MFS(34) 및 MTJ(32)의 상대적 위치에 따라 MTJ(32)에서 자계(H)의 세기 및/또는 방향을 변경한다. MTJ(32)는 제1 전극(36), 절연 터널링 유전체(37) 및 제2 전극(38)을 포함한다. 전압(Vt)가 MTJ(32)에 인가되었을 때, 전류(It)는 인가된 전압의 극성 에 따라 전극(36)에서 전극(38)으로 혹은 그 반대로 절연체(37)를 관통하는 양자역학적 터널링에 의해 흐른다.
전극들(36, 38)은 바람직하게는 자기 물질들이며, 예를 들면 다음으로 제한되는 것은 아니나, NiFe, CoFe, 등이며, 혹은 더 바람직하게는 전자 회전축들이 일괄하여 정렬될 수 있는 물질들이다. 적합한 전극물질들 및 배열들의 예들은, 이 기술에 공지되어 있고, 무엇보다도, 강자성 물질들을 함유하는 자기저항성 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 디바이스들의 전극들용으로 일반적으로 사용되는 물질들 및 구조들이다. 전극들(36, 38)은 보자력(coercive force)을 갖는 것이 바람직한데, 즉 전극(36)은 MFS(34)의 이동에 의해 실질적으로 영향을 받지 않기 위해 회전축들의 방위가 고정(pin)될 수 있도록 큰 보자력을 가져야 하며, 전극(38)은 MFS(34)의 이동에 의해 회전축들의 방위가 변경되도록 비교적 낮은 보자력을 가져야 한다. 전극(36)의 보자력은 전극(38)의 보자력보다 약 두 자리수 더 큰 크기인 것이 바람직하나, 더 큰 비 및 더 작은 비도 유용하다. 전극들의 보자력은 이 기술에 공지된 수단에 따라 이들 전극의 조성을 가변시킴으로써 조정될 수 있다. 전형적인 회전축 정렬들은 도 1이며 도 1에서 전극(36)의 벡터들(40)(이하 회전축들(40))은 전극(36)에서 전자 회전축들이 도 1의 도면들의 평면에 수직하게 이 평면을 향하여 정렬됨을 나타내며, 전극(38)의 벡터(42)(이하 회전축들(42))는 전극(38)에서 전자 회전축들이 도 1에서 도면의 평면에 평행하게 그리고 도 1에서 우측을 향하여, 즉 회전축들(40)에 직교하여 정렬됨을 나타낸다. 회전축 방위는 자계의 존재 하에서 적합한 열처리에 의해서 그리고 다른 수단에 의해서 한 방향으로 혹은 다른 방향으 로 고정될 수 있다는 것은 이 기술에 공지되어 있다. 하측 전극(36), 즉 자계 소스(34)로부터 가장 먼 전극에서의 회전축들은 고정되는 것이 바람직하다. 회전축들은 예를 들면 소스(34)의 자계방향에 따라 임의의 편리한 방향으로 고정될 수 있다. 상측(MFS(34)에 가장 가까운) 전극(38)에서의 회전축들(42)은 자유이며, 즉 MFS(34)에 의해 제공되는 자계(35)에 응답하여 전극(36)에 고정된 회전축들(40)에 관하여 고정되지 않고 방위를 변경하지 않는다. 또한, MTJ(32)는 바람직하게는 MSF(34)의 말단 부분(들), 즉 MTJ(32)로부터 멀리 면하는 MFS(34)의 부분(들)을 덮거나 에워싸는 자기 차폐 혹은 클래딩(33)을 포함한다. 자기차폐(33)가 MFS(34)의 뒷면(39)뿐만 아니라 옆면들을 덮도록 컵 형상인 것이 바람직하나, 이것은 필수는 아니다. 따라서, 여기에서 사용되는 바와 같이, MFS(34)에서 언급하는 "말단 부분" 이라는 단어들은 MFS(34)의 뒷면(39) 및 하나 이상의 측면들의 조합(들)뿐만 아니라 뒷면(39)만을 포함하게 의도된 것이다. 어느 한 배열이든 유용하다. 자기차폐 혹은 클래딩(33)의 목적은 MTJ(32)를 향하여 자계(35)를 지향시키는 것으로, 즉 MRJ(32)에서 그의 세기를 증가시키는 것이며(이외 다른 것들은 동일하다), 이것을 전체적으로 혹은 부분적으로 달성하는 어떠한 기하학적 배열도 유용하여 "자기 차폐", "자기 클래딩", 혹은 "클래딩"이라는 용어들에 포함되게 의도된 것이다. 자기 차폐 혹은 클래딩(33)은 예를 들면 제한하려는 것은 아니지만, 100 내지 20,000 이상의 범위의 고 자기 투자율 μ을 갖는 물질인 것이 바람직하다. 철, 및 니켈-철 합금들은 적합한 물질들은 비제한적 예들이지만, 어떠한 고 투자율 물질이든 사용될 수 있다. 자계 소스 도전체(34A)는 편리하게 MTJ(32)에 근접하게 그러나 MFS(34)에 대향한 측 상에 제공되고 이의 자계에 관하여 MFS(34)에 대해 직각들에 있도록 하는 방위로 놓여져 있다. 전류(If)는 MFS(34) 단독으로 가능할 수도 있는 것보다는 다른 방향들로 회전축들(42)을 플립하는데 도움을 주거나, MFS(34)에 근접에 의해 플립된 후에 이전 상태로 회전축들(42)을 복구시키기 위해 편리하게 MFS 도전체(34A)에 제공된다.
도 2는 도 1의 자기 터널 접합(MTJ)(32), 즉 MTJ들(32-1....32-5)의 일단의 측면들로서, 전극들(36, 38)에서 자기 회전축들(40, 42)의 서로 다른 상대적 방위들을 예시하고 있다. MTJ(32-1)에서, 자유 회전축들(42-1) 및 고정된 회전축들(40-1)은 평행하여 도 2의 도면의 평면 내 놓이고 이둘 둘 다는 우측을 향하고 있다. MTJ(32-2)에서 자유 회전축들(42-2) 및 고정된 회전축들(40-2)은 평행하고 도면의 평면 내 놓여있으나 서로 대향하는(반-평행) 방향들로 향하고 있고, 축들(42-2)은 좌측을 향하고 축들(40-2)은 우측을 향하고 있다. MTJ(32-3)에서, 회전축들은 직교하며, 전극(38)에서 자유 회전축들(42-3)은 도면들의 평면에 놓이고 우측을 향하며 전극(36)의 고정된 회전축들(40-3)은 도면의 평면에 수직하게 면 안쪽을 향하고 있다. MTJ(32-4)에서, 회전축들은 반-평행하며, 회전축들(42-4)은 도면의 평면 안쪽으로 향하고 회전축들(40-4)은 도면의 평면 밖으로 향한다. MTJ(32-5)에서, 회전축들(42-5, 40-5)은 평행하며 도면의 평면에 수직하고 그 안쪽을 향하고 있다. 도 2의 예들은 이들이 전부가 아니며, 여러 상대적 회전축들의 방위들이 가능함을 단지 예시하는 것이다. 다른 상대적 방위들도 가능하다.
도 3은 도 2의 도를 수직하게 본 것으로, 자기 회전축들의 서로 다른 방위들을 예시한 도 1의 자기 터널 접합(32)의 일단의 분해한 평면도들(32-6, 32-7, 32-8)이다. 도 1-2에서, 전극(38)은 이로부터 터널링 유전체(37)에 의해 분리된 전극(36) 위에 놓여 있으나, 도 3에서 전극들(36, 38)은 이러한 정렬로부터, 전극들(36, 38)의 평면에 놓인 회전축들의 방위각의 방위가 보다 쉽게 보여질 수 있게 변위되어 있다. 예를 들면, 도 3의 MTJ(32-6)에서 회전축들(42-6, 40-6)은 도 2의 회전축들(42-1, 40-1)과 동일한 방위를 가지며, 도 3의 MTJ(32-7)에서, 회전축들(42-7, 40-7)은 도 2의 MTJ(32-3)의 회전축들(42-3, 40-3)과 동일한 방위를 갖는다. 그러나, 도 3의 MTJ(32-8)는 또 다른 가능성을 예시하는데, 즉 회전축들(42-8)은 회전축들(40-8)에 평행하지도 직교하지도 않은, 그러나 회전축들(40-8)에 관하여 중간의 방위각에 놓인 방위각 방위를 가진다. 앞에서, 전극들(36, 38)은 충분히 얇아 회전축들(40, 42)이 항시 전극들(36, 38)의 평면들에 놓이지만 전극들(36, 38)의 평면들에서 서로 다른 상대적 방위각들의 방위로 놓여질 수 있는 것을 가정한다.
전극(36, 38)에서 회전축들의 상대적 방위는 MTJ(32)의 전기적 특성들에 영향을 미친다. 이것은 회전 방위가 대부분 터널링이 일어나는 페르미 레벨 근처에 전자상태들의 밀도에 영향을 미치고 따라서 일정한 장벽 두께에서 동일 인가된 전계 혹은 인가된 전압에 대해 터널링 확률에 영향을 미치기 때문이다. 도 4는 자기 회전축들(40, 42)의 2개의 서로 다른 방위들에 대해 자기 터널 접합(32)의 대표적인 전류 대 전압 플롯(40)을 도시한 것이다. 자취(51)는 회전축들(40, 42)이 평행 한 경우에 대응하고, 자취(52)는 회전축들(40, 420)이 반-평행한 경우에 대응한다. MTJ(32)에 걸린 주어진 전압 Vt=Vt(1)에 대해서, MTJ(32)는 It 대 Vt 특징이 자취(51)에 대응할 때 컨덕턴스 Ct(1)을 가지며 It 대 Vt 특징이 자취(52)에 대응할 때 다른 컨덕턴스 Ct(2)를 갖는다. 환원하여, MTJ(32)가 자취(51)로 특징지워지는 상태에 있을 때, Vt=Vt(1)에 대해서, It=It(1)이고 MTJ(32)가 자취(52)에 의해 특징지워지는 상태에 있을 때, 동일 전압 Vt=Vt(1)에 대해서, Itt=It(2)<It(1)이다. 컨덕턴스 Ct 또는 저항 Rt 혹은 일정전압에서 전류 It에 이러한 차이는 전극들(36, 38)에서 회전축들(40, 42)의 상대적 방위에 변화들을 검출하는데 사용될 수 있다. 전극(38)에서 회전축 방위가 인가된 자계(H)에 따르기 때문에(예를 들면, 도 1 참조), 컨덕턴스 혹은 저항에 변화 혹은 일정전압에서 전류에 변화는 H에 변화들 혹은 H에 변화를 야기할 수 있는 임의의 물리적 매개변수에 변화들을 검출하는데 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, MTJ(32)에 관하여 MFS(34)의 위치 혹은 방위에 변화들(예를 들면, 화살표들(44-1, 44-2)로 나타낸 바와 같은)은 MTJ(32)에 H가 변하게 하며 따라서 MTJ(32)의 전기적 특성들을 예측가능하게 변하게 할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 두 경우들에 있어서 터널링 저항 Rt는 Rt(2)=Vt(1)/It(2) 및 Rt(1)=Vt(1)/It(1)의 관계식들로부터 계산될 수 있다.
도 5-7은 인가된 자계(H)의 함수로서 MTJ(32)의 터널링 저항 Rt의 간이화한 플롯들(60, 62, 64)이다. 도 5의 플롯(60)은 단일 자구(magnetic domain)처럼 전극(38)이 전환하는 경우, 즉, 이의 회전축들(42)이 임계자계 Hc 혹은 -Hc에 도달할 때까지 -이후에 이것은 실질적으로 새로운 방위로 스냅 혹은 플립한다- 실질적으로 변경되지 않은 채로 있는 경우를 예시한다. 예를 들면, MTJ(32)가 Vt=Vt(1)에서 Rt=Rt(1)로 특징지워지는 상태에 있다면, H=Hc가 되고 이어서 Rt=Rt(2)에 의해 특징지워지는 상태로 플립할 때까지 이 상태에 머물러 있는다. 이것은 반대로 플립하는 H=-Hc가 될 때까지 이 상태에 머물러 있는다. 이러한 유형의 히스테리시스 거동은 센서(30)가 가속도, 힘, 온도, 위치, 압력 혹은 예를 들면 MFS(34)를 MTJ(32)에 관하여 이동하게 함으로써 그외 다른 물리적 매개변수가 H를 변하게 하는 것이면 무엇이든지 이들의 변화들에 응답하여 바이너리 출력을 갖는 것이 바람직할 때 매우 유용하다. 반대로 플립하게 하는데 필요한 자계 -Hc는 편리하게 도 1에 도시된 전류 리드(34A)에 의해 제공될 수 있다.
도 6의 플롯(62)은 전극(38)이, 약간 서로 다른 자계들 Hc'≤H≤Hc"에서 개별적으로 플립할 수 있는 복수의 자구들로 되는 것을 나타내는 경우를 도시한 것이다. 설명의 목적상 MTJ(32)가 Rt=Rt(1)에 의해 특징지워지는 상태에 있다고 가정하면, H가 증가됨에 따라, Rt는 H=Hc'가 될 때까지 변경되지 않는 상태에 있고, 이후에 Rt는 H=Hc"가 될 때까지 일정전압에서 점차적으로 증가하며, 이후에 Rt는 Rt=Rt(2)로 고정된다. 히스테리시스 루프(62)는 경사진 평행사변형 형상을 갖는다. 도 7은 전극(38)의 물질 및 방위가, H의 증가 혹은 감소에 응답하여 자화가 연속적으로 회전할 수 있게 하는(예를 들면 서로 직각들로) 것일 때의 상황을 도시한 것이다. 이때 히스테리시스 루프는 Rt=Rt(1) 및 Rt=Rt(2)에서 2개의 극단들을 갖는 Rt 대 H 플롯(64)으로 나타낸 바와 같이 거의 직선으로 접어진다. 이 상황은 예를 들면 도 3의 MTJ(32-8)에 도시된 바와 같이, 회전축들(40)에 관하여 연속적으로 회전축들(42)이 회전할 수 있을 때 일어난다. 도 1에 도시된 전류 라인(34A)은 회전축들(42)이 리셋될 수 있게, 즉 자계(35)에 의해 교란되기 전에 그의 초기 방위로 다시 플립될 수 있게 자계 -Hc를 제공하기 위해서 플롯들(60, 62)에 의해 도시된 배열들에 관련하여 편리하게 사용된다.
도 8은 위치가 센서(70)에의 입력에 따르는, 자계 소스(86)와 함께 편향가능 캔틸레버 빔(84)을 채용한 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합 센서(70)의 간이화한 개략적인 측면도이다. MTJ 센서(MTJS)(70)는 편리하게, 자계 소스(86)와 함께 MTJ 디바이스(32) 및 캔틸레버 빔(84)이 형성되는 반도체 기판을 포함한다. 바람직하게 기판(72)은 필수는 아니지만 MTJ(32)의 전기적 특성들에 변화를 측정하기 위한 전자회로(73)가 제공되는 부분(74)을 갖는다. 능동 자계 소스가 채용될 때(예를 들면 도 9 참조), 회로(73)는 자계 소스(MFS) 부분(86)을 위한 전류 구동기들을 포함할 수도 있으나, 이것은 필수는 아니다. 도체(76)는 편리하게, MTJ 전극(36)과 전기적 접촉하며 도체(78)는 MTJ 전극(38)과 전기적 접촉한다. 도체들(76, 78)은 편리하게 Ta/TaN을 가지지만 이것은 제한하려는 것은 아니며 어떠한 적합한 도전성의 물질이든 사용될 수 있다. 절연층(도시생략)은 도체(76)와 부분(74) 사이에 제공될 수 있다. 도 8-10을 과도하게 혼잡하게 하는 것을 피하기 위해 도시되지 않았지만, 도 1의 전류 라인(34A)은 MTJ(32) 밑에, 즉 도체(76)와 기판(72)의 영역(74) 사이에 제공될 수도 있는데, 그러나 이것은 필수는 아니다. 유전체 영역(75)은 전극(78)을 지지하기 위해 제공된다. 터널링 유전체(37)는 편리하게 산화알루미늄이지만 그러나 매우 얇고, 실질적으로 균일한, 핀-홀이 없는 층들로 제조될 수 있는, MgO와 같은 그외 매우 절연성의 물질들이 사용될 수도 있다. 도전체들(76, 78) 위에 유전 평탄화층(77)이 제공된다. 캔틸레버 빔(84)의 영역(82)은 층(77)의 영역(92)에 의해 지지된다. 캔틸레버 빔(84)의 부분들(85, 86)은 자유로운데, 즉 이들은 화살표들(88)로 나타낸 바와 같이 움직일 수 있다. 빔(84)의 자계 소스(MFS) 부분(86)은 MTJ(32) 위에 놓인다. 화살표들(88)로 나타낸 바와 같이, 예를 들면 MTJ(32)를 향하여 그리고 이로부터 멀어지게 캔틸레버 빔(84)의 부분(85) 및 MFS 부분(86)이 편향할 수 있게, 층(77) 내에 홈 혹은 개구(80)가 제공된다. 도 1의 클래딩(33)과 유사한 자기 차폐 혹은 클래딩(83)은 MFS(86)의 말단 면(86) 상에 제공된다. 도 9-10 및 11-12에 관련하여 설명된 바와 같이, MFS(86)는 능동적일 수도 있고, 즉 전류를 수송(예를 들면, 도 9-10 참조)하거나, 수동적일 수도 있는데, 즉 영구자석(87)(예를 들면, 도 11-12 참조)을 포함할 수 있다. 센서(70)에 의해 측정될 것이 요망되는 어떠한 물리적 매개변수이든 간에, 이러한 물리적 매개변수는 이러한 물리적 매개변수의 변화들에 응답하여 화살표들(88)로 나타낸 바와 같이 캔틸 레버 빔(84)이 편향되게 하기 위해서 이 캔틸레버 빔(84)에 결합된다.
도 9는 도 8의 센서(70)의 실시예에 대응하는 자기 터널 접합 센서(70-1)의 간이화한 평면도(90-1)이며, 여기서 캔틸레버 빔(84)은 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, U-자형을 갖는다. 전류를 수송하는 편향가능한 캔틸레버 빔(84-1)은 자기 터널 접합(MTJ)(32)에 가변 자계를 제공하는 MFS 부분(86-1)을 갖는다. MTJ(32)는 관찰자에게 전극(38)을 가장 가깝게 한 평면도(90-1)로 보여져 있다. U-자형의 캔틸레버 빔(84-1)은 층(77)의 영역(92-1) 상에 고정되는 단부 영역들(82-1) 및 층(77) 내 홈 영역 혹은 개구(80-1) 위로 확장하는 부분들(85-1, 86-1)을 갖는다. MFS 부분(86-1)은 "U"의 바닥을 이루며 MTJ(32) 위에 놓인다. 전류(96)는 MFS 부분(86-1)을 포함하는 U-자형 캔틸레버 빔(84-1)을 통해 흐르며 도 1의 센서(30)의 자계(35)와 유사하게, MTJ(32) 근처에 자계를 생성한다. 이러한 배열은 능동 자계 소스(MFS)를 갖는 것이라 칭해지는데, 즉 자계는 영구자석이 아닌 전류에 의해 발생된다. 캔틸레버 빔(84-1)이 U-자형의 곧은 일정한 폭의 레그 부분들을 갖는 것으로 도시되었지만, 이것은 단순히 설명의 편의를 위한 것이고 제한하려는 것은 아니며 당업자들은 여기 기술된 것에 기초하여, 요망되는 전류를 수용하고 화살표들(88)의 방향으로 요망되는 편향 특징들을 제공하는데 적합한 어떠한 U-자형이든 채용될 수 있음을 알 것이다.
도 10은 더 상세함을 보여주는 도 8-9의 캔틸레버 빔(84-1)의 부분(71-1)의 간이화한 측단면도이다. 자계 소스(86-1)의 말단 부분은 실질적으로 자계 차폐 혹은 클래딩(83-1)에 의해 덮이며, MFF(86-1)의 노출된 표면(91-1)은 화살표(95-1)로 나타낸 바와 같이 MTJ(32)를 향하여 있다.
도 11은 도 8의 센서(70)의 또 다른 실시예에 대응하는 자기 터널 접합 센서(70-2)의 간이화한 평면도(90-2)이며, 여기서 위에 영구자석(87)이 있는 MFS 부분(86-2)을 갖는 캔틸레버 빔(84-2)은 센서(70-2)에의 입력에 변화들에 응답하여, 자기 터널 접합(32)에 가변 자계를 제공한다. 이러한 배열은 수동 자계 소스를 갖는 것으로 지칭되는데, 즉 자계는 전류 수송 와이어 혹은 코일이 아니라 영구자석에 의해 발생된다. MTJ(32)는 관찰자에게 전극(38)을 가장 가깝게 한 평면도(90-2)로 보여져 있다. 캔틸레버 빔(84-2)은 편리하게, 단부 영역(82-2)이 층(77)의 영역(92-2) 상에 고정되고 부분들(85-2, 86-2)이 층(77) 내 홈 혹은 개구(80-2) 위로 확장하는 단일 빔이다. 영구자석(87)은 임의의 편리한 수단에 의해 MTJ(32) 위에 MFS 부분(86-2)에 부착되어 제공된다. 자석(87)은 편리하게, 부분(86-2) 밑에 빔(84-2)의 밑면 상에 장착되나 필수는 아니며, 부분(86-2) 위에 혹은 이 위의 다른 어떤 곳에 장착될 수도 있을 것이다. 자석(87)은 도 1의 센서(30)의 자계와 유사하게 MTJ(32) 근처에 자계를 생성한다. 캔틸레버 빔(84-2)은 고정(anchor) 영역(82-2)과 MFS 부분(86-2) 사이에 테이퍼 된 폭(93)을 갖는 것으로서 도 11에 도시되었으나, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것이며, 당업자들은 화살표들(88)의 방향으로 캔틸레버 빔(84-2)에 대한 요망되는 편향 특징들을 제공하기 위해 어떠한 형상이든 사용될 수 있음을 알 것이다.
도 12는 더 상세함을 보여주는 도 8 및 도 11의 캔틸레버 빔(84-2)의 부분(71-2)의 간이화된 측단면도이다. 하측 표면 상에 영구자석(87-2)을 갖는 자계 소스(86-2)의 말단 부분은 실질적으로 자기 차폐 혹은 클래딩(83-2)에 의해 덮인다. 자석(87-2)이 장착된 MFS(86-2)의 표면(91-2) 및 자석(87-2)은 화살표(95-2)로 나타낸 바와 같이 MTJ(32)를 향하여 면하여 있다.
도 13-18은 다양한 물리적 매개변수들을 검출할 수 있는 센서들을 제공하기 위해서 MTJ(32)가 어떻게 채용될 수 있는가를 도시한 것이다. 도 13-18은 비제한적 예들로서 의도된 것이며, 당업자들은 여기 기술된 것에 기초하여, 이들 및 다른 예들이 여기에서 교시하는 기본 원리들에 따라 이외 많은 다른 구현들이 가능함을 알 것이다. 설명의 편의를 위해, 도 13-18의 센서들은 감지 및/또는 구동회로를 포함하나 배제되지 않는 집적회로의 부분이 아닌 분리된, 독립된 형태로 있는 것으로서 도시되었다. 도 13-18 및 연관된 논의는 단지 설명을 용이하게 하기 위해 의도된 것이며 제한하는 것은 아니다. 당업자들은 여기 기술된 바에 기초하여 이들 여러 예들에서 교시된 원리들은 이산 혹은 집적 형태로 채용될 수 있음을 알 것이다.
도 13은 발명의 다른 실시예에 따라 자기 터널 접합 센서(100)를 관통한 간이화된 개략적인 단면도이다. 도 14는 도 13의 센서(100)의 간이화한 부분 절결 평면도이다. 제한하려는 것은 아니나 이들을 도 14, 도 17에서 쉽게 볼 수 있게 하기 위해서, MTJ(32)는 실질적으로 평면도에서 정사각형인 것으로 취해지고 자계 소스(104)는 평면도에서 원형인 것으로 취해지나, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것이다. 센서(100)는 몸체(101) 내 장착되는 리드들 혹은 도체들(76, 78)을 가진 MTJ(32)를 포함한다. 다시 도 13을 참조하면, 도 10, 도 11 및 도 12의 소스(87) 및 도 1의 소스(34)와 유사한 자계 소스(104)를 가진 다이아프램(102)은 MTJ(32) 위에 위치된다. 자계 소스(104)를 가진 다이아프램(102)은 여러 외부 자극들에 응답하여 화살표들(106)로 나타낸 바와 같이 움직인다. 이것은 MTJ(32)에서 자계(H)를 변경하는 효과를 가지며, 그럼으로써 도 1-7에 관련하여 설명된 바와 같이, 이의 전기적 특성들이 변하게 한다. 이에 따라, 센서(100)는 자계 소스(MFS)(104) 및 MTJ(32)의 상대적 위치를 변경할 수 있는 임의의 물리적 매개변수 혹은 기능의 변화들을 검출할 수 있다. 이러한 물리적 현상들의 비제한적 예들은 움직임, 가속도, 힘, 압력, 온도, 등이다.
도 15는 도 13의 센서와 유사하나 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서(111)의 간이화한 개략적 단면도이다. 센서(111)는 MFS(104)을 가진 다이아프램(102)을, 원격의 입력, 예를 들면, 제한하려는 것은 아니나, 위치 혹은 가속도가 모니터링 혹은 검출될 대상에 결합, 혹은 온도, 압력, 또는 이외 물리적 매개변수에 따라 크기 혹은 분리가 변하는 디바이스에 결합을 용이하게 하기 위해서, 부착 구멍(107)을 갖는 부착 러그(105)를 포함한 것에 의해 센서(100)와는 다르다.
도 16은 대체로 도 13과 유사하나, 도 8-10의 자계 소스 캔틸레버 빔(84, 86) 및 도 1의 소스(34)와 유사한 능동 자계 소스 캔틸레버 빔(108)을 채용하는 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서(112)의 간이화한 개략적인 단면도이다. 도 17은 더 상세함을 보여주는 도 16의 센서(112)의 간이화한 부분 절결 평면도이다. 다이아프램(102)과 MTJ(32) 사이에는 도 8-10의 캔틸레버 빔(84)과 유사한 캔틸레버 빔(108)이 장착되고 자계 소스(86)와 유사하게 단부(110)가 MTJ(32) 위에 놓여지고, 자기 차폐 혹은 클래딩(103)은 실질적으로 MTJ(32)로부터 멀리 면한 측 상에서 단부(110)를 덮고 있다. 보스 혹은 결합수단(109)은 편리하게, 다이아프램(102)의 하측 상에, 즉 캔틸레버 빔(108)을 향하여 면한 측 상에 제공되어, 캔틸레버 빔(108)에 다이아프램(102)의 움직임(106)을 용이하게 결합시킨다. 캔틸레버 빔(108)의 제1 단부는 영역(101-1) 내에서 몸체(101) 내에 고정되고 말단 단부(110)는 MTJ(32)를 향하여 혹은 이로부터 멀어지게 도 16에서 수직의 방향으로 자유롭게 움직인다. 도 17에서 보다 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 캔틸레버 빔(108)은 도 8-10의 MFS(86)과 유사하게 말단 단부(110)가 MTJ(32) 위에 위치된 "U"의 "바닥"을 형성하여 U-자형인 것이 바람직하다. 캔틸레버 빔(108)은 도 1의 자계(35)와 유사하게 MTJ(32) 근처에서 자계(H)를 생성하는 도 9의 전류(96)와 유사하게 전류(114)를 수송하도록 되어 있고 자기 차폐 혹은 클래딩(103)에 의해 집중된다. 보스 혹은 결합수단(109)을 통해 캔틸레버 빔(108)에 결합된 다이아프램(102)의 위치에 변화들은 MTJ(32)에서 자계(H)를 변경하며, 그럼으로써 이의 전기적 특성들을 도 1-7에 관련하여 설명된 바와 같이 변경한다. 이에 따라, 도 16-17의 배열은, 구동전류(114)를 가변시킴으로써, 바이너리 출력(예를 들면, 도 5 참조) 혹은 아날로그 출력(예를 들며나, 도 7 참조) 혹은 이들의 조합(예를 들면, 도 6 참조)이 요망되는지 여부에 따라 센서(112)가 가장 유리한 범위로 동작하도록 MTJ(32)에서 주변 자계(H)가 조정될 수 있는 또 다른 잇점을 갖고, 이미 언급된 물리적 매개변수들 중 어느 것에 대한 센서로서 작용할 수 있다. 이는 상당한 이점이다.
도 18은 도 16의 센서와 유사하나, 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서(116)의 간이화한 개략적인 단면도이다. 센서(116)는 특히, 압력 및/또는 온도를 측정하 도록 된 것이다. 센서(116)는 다이아프램(102) 위에 내부 챔버(120)를 가진 하우징(118)을 포함하는 것에 의해 센서(114)와는 다르다. 센서(116)가 압력센서로서 주로 기능하는 것이 요망될 때, 선택적인 I/O 포트(119)가 하우징(118) 내에 제공되고 압력이 판정될 챔버 혹은 라인 혹은 영역에 결합된다. 챔버(12) 내 압력의 증가는 다이아프램(102) 및 캔틸레버 빔(108)의 말단 단부(110)를 MTJ(32)쪽으로 움직이게 하고, 그럼으로써 MTJ(32)에서 자계(H)를 증가시킨다. 챔버(120) 내 압력이 떨어질 때, 역전이 일어나고 MTJ(32)에서 자계(H)가 감소한다. 자계(H) 변화들에 응답하여 전기적 특성들에 대응하는 변화는 압력변화들을 반영하는 전기적 출력을 제공한다. 앞에서 설명된 바와 같이, 이 출력은 바이너리, 혹은 아날로그 혹은 이들의 혼합일 수 있다.
센서(116)가 온도 센서로서 기능할 것이 요망될 때, 선택적 I/O 포트(119)는 생략되거나 시일(seal)되며, 그럼으로써 챔버(120) 내 기지의 량의 기체를 트랩한다. 챔버(118) 내 기체의 온도가 하우징(118)의 온도 변화들에 응답하여 올라가거나 내려감에 따라, 챔버(120) 내 기체의 압력은 그에 따라 응답하여, 다이아프램(102)은 MTJ(32) 쪽으로 혹은 이로부터 멀어지게 움직여 MTJ(32)의 전기적 특성들은 압력센서의 경우에 대해 이미 기술된 바와 동일한 방식으로 변한다. 기준온도에서, 선택적으로 구동전류(114)에서 초기 가스압력을 조정함으로써, MTJ(32)로부터의 기준 온도 출력은 요망되는 값으로 설정될 수 있다. 마찬가지로, 센서(116)의 동적범위는 캔틸레버 빔(108) 및 다이아프램(102)의 스프링 정수들을 선택함으로써 가변될 수 있다. 다이아프램(102) 및/또는 캔틸레버 빔(108)의 적합한 설계에 의해 서, 센서(116)의 응답은 요망되는 애플리케이션에 따라 선형이 되게 혹은 비선형이 되게 할 수도 있다. 당업자들은 선형 혹은 비선형 응답들을 가진 캔틸레버 스프링들 혹은 다이아프램들을 제작하는 방법을 안다. 이들은 발명의 또 다른 잇점들이다. 도 16의 압력 및 온도 센서가 U-자형의 능동 자계 소스를 사용하여 예시되었지만, 이것은 제한하려는 것은 아니며 수동 자계 소스 및 단일 암 캔틸레버 빔이 사용될 수도 있다. MTJ(42) 자체의 특성들에 온도 변화들이 MFS(104, 110)의 움직임에 의해 유발되는 변화들에 비해 현저하지 않도록 MTJ(32)에 대해 온도 안정화를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 19는 발명된 센서의 제조 방법제조 방법간이화된 흐름도이다. 방법(122)은 시작(123) 및 도 1의 도체(34A)를 갖거나 없이, 예를 들면 도 1 및 도 8-18의 MTJ(32)와 유사한 자기 터널 접합(MTJ)이 준비되는 초기 MTJ 형성 단계(124)부터 시작한다. 당업자들은 MTJ(32)의 기하구조 및 배열이 단지 예시적인 것이고 제한하려는 것은 아님을 알 것이다. 이외 다른 MTJ 구성이 사용될 수도 있다. 후속 단계 125에서, 예를 들면 도 1 및 도 8-18에 예시된 MFS(34, 86, 87, 104, 110)와 같은, 가동(moveable) 자계 소스(MFS)는, MTJ(32)에 자계가 MFS(34)의 움직임에 의해 수정되게, 움직일 수 있게 MTJ(32)에 결합된다. 어떠한 유형의 자계 소스든 사용될 수 있다. 도 13-18에 도시된 구성의 센서들의 경우에, MFS(104, 110)을 포함하는 다이아프램(102)은 MTJ(32) 위에 부착된다. 방법(122)은 일반적으로 종료(126)에서 완료된다.
도 20은 더 상세함을 보여주는, 도 19의 방법(122)과 유사한 방법(122')의 간이화된 흐름도이다. 시작(123') 및 MTJ 형성 단계(124)는 방법(122)에서와 동일하다. 도 20에서, 단계(125)는 MTJ 위에 평탄화 스페이서 추가 단계(126), 이에 이어 평탄화 스페이서 상에 MFS 형성 단계(127), 이에 이어 MFS의 말단 부분 상에 자기 클래딩 형성 단계(128), 및 이어서 클래드 MFS(예를 들면 MFS(34, 86, 87, 104, 110)이 감지 혹은 측정될 것이 요망되는 변하는 물리적 매개변수에 응답하여 MTJ(예를 들면 MTJ(32))에 관하여 움직일 수 있고 이에 의해서 움직임이 MTJ(예를 들면, MTJ(32))에서 자계를 가변시키도록, 단계(126)에서 제공된 평탄화 스페이서의 부분이 제거되는 단계(129)로 세분된다. 방법(122')는 센서(30, 70)가 집적회로 기술을 사용하여 제조되는 상황에 적합하나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이어서 방법(122')은 종료(126')로 진행한다.
도 21은 도 19-20의 방법의 실시예의 더 상세함을 단계들(132-138)에 의해 예시하는 간이화한 개략적인 한 세트의 단면도들(이하 방법(130))이다. 방법(130)은 도 19-20의 단계(124)에 대응하는 단계들(132-138) 및 도 19-20의 단계들(125)과 유사한 단계들(140-148)(전체는 125-1)로 세분될 수 있다. 방법(130)은 편리하게, MTJ 센서(32)가 집적회로의 부분으로서 제조되고 있는 경우에 대해 기술되나, 당업자들은 독립적인 구성요소로서 센서를 제조하는 방법을 알 것이다. 초기 단계(132)에서, 바람직하게는 예를 들면 실리콘의 집적회로의 준비에 적합한 반도체 기판(예를 들면, Si, GaAs, 등)인 기판(150)이 제공된다. 단계 134에서, 트랜지스터들 및/또는 이외 다른 요소들은 MTJ 센서 및 요망된다면 전류 리드(34A)를 위한 측정 및/또는 구동 회로(152)를 기판(150) 내 및/또는 그 위에 제공하기 위해 공지 의 반도체 집적회로 가공기술들을 사용하여 형성된다. 당업자들은 이것을 행하는 방법을 알 것이다. 이것은 발명에 있어 필수는 아니다. 단계 136에서, 예를 들면 산화실리콘 및/또는 질화실리콘 혹은 이외 절연물질의 유전층(154)이 성장 혹은 증착되고 예를 들면 알루미늄, 구리, 탄탈, 질화탄탈, 티탄, 질화티탄 등의 제1 도체(76)가 그 위에 증착 혹은 형성되고, 선택적으로, 회로(152)의 적합한 요소들에 영역(157)에서 접촉하게 패터닝된다. 예를 들면 이리듐 망간, 백금 망간, 코발트 철, 코발트 철 보론, 루테늄, 등, 및 이들의 조합들의 제1 전극(36)이 증착되어 도체(76)와 전기적으로 접촉하고 MTJ(32)(도 8 참조)의 제1 전극(36)을 형성하기 위해 패터닝된다. 선택되는 물질들의 조합은 비교적 높은 보자력을 가져야 한다. 기판(150) 뿐만 아니라, 지금까지 제공된 여러 가지 반도체, 유전체 및 도체 영역들 혹은 층들은 전극(36) 내 회전축들(40)을 소정의 방위로 고정시키는데 사용될 수 있는 어닐링 온도(예를 들면, 200 내지 350℃)를 견디기 위해 충분히 내화성이 있는 것이 바람직하나 필수는 아니다. 그러나, 회전축들(40)을 고정시키는 다른 수단이 사용될 수도 있다. 단계 138에서, 예를 들면 산화알루미늄 혹은 산화마그네슘의 터널링 유전체(37)가 전극(36) 상에 성장 혹은 증착되고, 예를 들면, 니켈 철, 코발트 철, 코발트 철 보론, 루테늄, 및/또는 등등 및 어쩌면, 탄탈, 질화탄탈, 티탄, 질화티탄, 등과 같은 도전성 물질로 캡핑된 도전성 전극(38)이 터널링 유전체(37) 상에 성장 혹은 증착된다. 전극(38)에 사용되는 물질들의 조합은 전극(36)을 구성하는 물질들보다는 낮은 보자력을 가져야 한다. 전극(36), 유전체(37) 및 전극(38)은 도 1 및 도 8에 도시된 MTJ(32)를 형성한다. 도체들(76, 78)은 편리하 게, 각각 전극들(36, 38)에 접촉하기 위해 제공된다. 도체들(76, 78)이 위치들(157, 169)에서 회로(152)의 적합한 요소들과 접촉하는 것으로 보여졌으나, 이것은 필수는 아니며 이들은 임의의 편리한 대로 구동 전자장치들에 결합될 수도 있다.
예를 들면 이산화실리콘, 질화실리콘, 인이 도핑된 이산화실리콘, 등의 제1 평탄화층(166)이 전극(38)의 상측표면이 노출되게 현존 구조 상에 증착되거나 성장되고 아니면 형성된다. 대안적으로, 제1 평탄화층(166)이 증착되고 이어서 선택적으로, 예를 들면, 화학 기계식 연마(CMP) 공정에 의해서 혹은 일련의 포토리소그래픽 및 에칭에 의해 전극(38)의 상측표면 전부 혹은 일부로부터 제거될 수 있다. 이어서, 예를 들면 알루미늄, 구리, 탄탈, 질화탄탈, 티탄, 질화티탄, 등 혹은 이들 유형들의 물질들의 조합들의 도체(78)가 전극(38)과, 선택적으로는 위치(169)에서 회로(152)의 적합한 요소들과 전기적 접촉하기 위해서 그 위에 증착되거나, 성장되거나, 아니면 형성된다. 도체(78)에서 위치(169)로 확장하는 싱커(sinker)(163)는 동시에 그리고 도체(78)의 일부로서 형성될 수 있고 혹은 도체(78)의 형성 전 혹은 후에 별도로 형성될 수도 있다. 어느 배열도 유용하다. 그러나, 싱커(163)( 및 단계 136의 싱커(155))는 필수는 아니며 도체(78)( 및 도체(76))는 매립된 회로(152)가 아니라 다른 어떤 곳으로 이어질 수 있다. 단계 140에서, 상측표면(171)을 가진 예를 들면 이산화실리콘, 질화실리콘, 인이 도핑된 이산화실리콘, 등의 제2 평탄화층(170)이 제1 평탄화층(166) 및 도체(78) 상에 증착되거나, 성장되거나, 아니면 형성된다. 제2 평탄화층(170)의 두께(173)는 부분적으로 캔틸레버 빔(84) 및 MTJ(32)의 주변 간격을 결정할 것이다. 두께(173)는 유용하게 0.1 내지 1.0 마이크론 범위, 편리하게 0.1 내지 0.5 마이크론 범위, 및 바람직하게는 0.2 내지 0.4 마이크론 범위이다. 영구자석(87)이 MTJ(32)에 면하는 캔틸레버 빔(84)의 하측 면 위에 실장될 것이라면, 이의 두께는 고려될 필요가 있다.
이어서 MFS 영역(86, 110)(도 8-12 참조)가 MTJ(32) 위에 놓여지고 층(170) 상에 위치된 고정 영역(82)(도 8-12 참조)이 그로부터 요망되는 빔 길이만큼 이격되도록 적합한 위치에 표면(171) 상에 빔(84)에 대해 요망되는 물질이 성장되거나 증착되거나 아니면 형성된다. 순물질이거나 합금들이거나 복합물들이거나 혹은 층을 이룬 구조들의 매우 다양한 물질들이 빔(84)의 물질용으로 사용될 수 있다. Cu, Al, Au, Ti, W, 폴리-Si 및 여러 가지 혼합물들 및 이들의 합금들은 적합한 물질들은 비제한적 예들이지만 이외 다른 물질들도 사용될 수 있다. 이러한 물질들은 편리하게 그러나 필수는 아니나, 스퍼터링, 코-스퍼터링, 증발, 전기도금, 무전해 도금 혹은 화학기상증착에 의해 형성 혹은 증착될 수 있고 혹은 이들의 조합들이 사용될 수도 있다. 아마도 전기도금과 협동하여, 스퍼터링 및 코-스퍼터링은이 바람직하나, 이외 다른 물질들 및 공정들도 사용될 수 있다. 중요한 것은 빔(84)이 요망되는 애플리케이션에 적합한 크기 및 강성을 갖는다는 것이다. 당업자들은 여기 기술된 바에 기초하여, 이들의 애플리케이션들에 대해 요망되는 특성들의 캔틸레버 빔들을 설계하고 제조하는 방법을 알 것이다. 도 9에 예시된 유형의 빔 구조들은 약 0.3 내지 1.0 마이크론의 범위의 빔 두께 및 약 100 마이크론의 U-자형 암 폭들로 그리고 약 5 마이크론 폭의 MFS 영역(86)(도 8-10)으로 Cu를 사용하여 제조되었 다. 이어서 클래딩(83)은 빔(84)의 영역(86) 상에 형성되고 패터닝된다. 앞에서 언급된 바와 같이, 고 자기 투자율을 가진 자기 물질들이 클래딩(83)용으로 바람직하다.
단계 144에서, 예를 들면 이산화실리콘 혹은 질화실리콘의 추가의 마스킹층(174)이 편리하게 제2 평탄화층(170) 및 클래딩(83)으로 여전히 지지된 빔(84) 상에 성장되거나 증착되거나 아니면 형성된다. 구멍 혹은 개구(175)가 예를 들면 일련의 포토리소그래피 및 에칭을 사용하여, 이 기술에 공지된 수단을 사용하여 그에 제공된다. 캔틸레버 빔(84)의 부분(82)이 될 것은(도 8-12 참조) 마스킹층(174)에 의해 덮인 상태로 놔둔다. 그렇지 않으면 구멍 혹은 개구(175)는, 방법의 단계 146에서, 개구(175) 밑에 평탄화층(170)의 부분(178)이, 예를 들면, 습식 에칭 공정에 의해 제거되어 그 자리에 공동 혹은 홈(80)을 생성할 수 있도록 나머지 빔(84)의 주변을 약간 넘어 확장한다. 이 공정의 보다 나은 제어는 에치 중지 층(도시생략)이 공동(80)의 내측 벽들을 따라서 그리고 형성에 앞서 공동(80)의 바닥을 따라서 수직으로 제공된다면 달성됨을 당업자들은 알 것이다. 빔(84)은 평탄화층(166, 77)의 부분(92)에 고정된 부분(82)을 제외하곤 이제 자유가 된다. 방법의 단계(148)에서, 마스킹층(174)의 나머지는 제거되고(바람직하나 필수는 아니다), 선택적으로 전류(96)를 공급하기 위한 리드(들)(도 8-9 참조)는 빔(84)의 부분들(82)에 본딩 혹은 아니면 결합된다. 도 11의 구성이 수동 MFS(87)에 사용된다면, 리드(들)(179)는 필요하지 않다.
도 22는 도 21의 방법(130)의 단계들(132-148)과 유사하나 발명의 방법의 또 다른 실시예에 따라 간이화된 개략적인 한 세트의 단면도들(132-138, 140'-148')(전체는 방법(130'))이다. 방법(130')은 도 19-20의 단계 124에 대응하는 단계들 132-138 및 도 19-20의 단계들 125와 유사한 단계들 140'-148'(전체는 124-2)로 세분될 수 있다. 동일 참조부호들은 동일 영역들 혹은 층들을 확인하기 위해 도 19-20에서 사용되고 영역들 혹은 층들은 반드시 동일한 것은 아니지만 유사한 경우, 이들은 '를 덧붙인 동일 참조부호를 사용함으로써 확인된다. 예를 들면, 도 22에서 단계 140'은 도 21의 단계 140과 유사하고 도 22에서 표면(171')은 도 21에 표면(171)과 유사하고, 등등이다. 방법들(130, 130') 간에 현저한 공통성 때문에, 방법(130)의 논의는 참조로 여기 포함시키고 두드러진 차이들만 여기에서 설명된다. 방법(130')의 단계들 132-138은 실질적으로 방법(130)에서와 동일하며 여기서 더 이상 기술되지 않는다. 단계들 14O'-148'은 어떤 면들에서 다르다. 단계 140'에서, 캔틸레버 빔(84) 밑에 제공될 공동(80)(도 8 참조)에 대해 요망되는 것과 실질적으로 동일한 형상, 위치 및 두께(173')을 갖도록, 예를 들면 인이 도핑된 이산화실리콘의 희생영역(172)이 증착되어 패터닝된다. 영역(172) 및 제2 평탄화 층(170')은 서로 다르게 에칭되거나 용해(dissolve)될 수 있는 것, 즉 영역(172)이 제2 평탄화층(170') 혹은 임의의 하지의 층들 혹은 영역들에 현저하게 영향을 미치지 않고 용해될 수 있는 것이 중요하다. 예를 들면 이산화실리콘 혹은 질화실리콘의 제2 평탄화층(170')은 희생영역(172)의 상측표면(171")과 거의 같은 레벨의 상측표면(171')을 갖게 하기 위해서 단계(142')에서 형성된다. 이것은 예를 들면 제2 평탄화층(170')을 증착하고 이어서 CMP 단계 혹은 다른 평탄화하는 일련의 공정에 의해 달성될 수 있다. 단계 144'에서, 캔틸레버 빔(84) 및 클래딩(83)은 실질적으로 동일한 방식으로 형성되고 방법(130)에서 앞에 기술된 바와 동일한 물질들 및 형상과 크기를 갖는다. 단계 146'에서, 희생영역(172)은 에칭되어 도 8의 공동 혹은 홈(8)에 대응하는 캔틸레버 빔(84) 밑에 공동 혹은 홈(80)을 남긴다. 단계 148'에서, 리드들(179)은 선택적으로, 방법(130)의 단계 148에 관련하여 앞에서 기술된 바와 같이 빔(84)에 부착된다. 방법(130')의 최종 결과는 방법(130)에 의해 얻어진 것과 유사하다. 방법(130')이 바람직하다.
도 23은 도 21-22과 유사하나 발명의 방법의 또 다른 실시예(200)에 따른 개략적인 한 세트의 단면도들(132-138, 140', 202-206)이다. 방법(200)은 도 19-20의 단계 124에 대응하는 단계들 132-138 및 도 19-20의 단계들 125와 유사한 단계들 140', 202-206(전체는 125-3)로 세분될 수 있다. 동일 참조부호들은 동일 영역들 혹은 층들을 확인하기 위해 도 21-23에서 사용되고 영역들 혹은 층들은 반드시 동일한 것은 아니지만 유사한 경우, 이들은 '를 덧붙인 동일 참조부호를 사용함으로써 이들을 확인하는 방법(130')에 관련하여 사용되는 바와 동일한 관례에 따른다. 방법(200)의 단계들 132-138은 실질적으로 방법들(130, 130')에서와 동일하며 여기서 더 이상 기술되지 않는다. 단계들 14O' 및 202-206은 어떤 면들에서 다르다. 단계 140'에서, 캔틸레버 빔(84') 밑에 제공될 공동(80)(도 8 참조)에 대해 요망되는 것과 실질적으로 동일한 형상, 위치 및 두께(173')을 갖도록, 방법(130')에 이미 기술된 바와 동일한 방식으로 희생영역(172)이 형성되고 패터닝된다. 영역(172) 및 제1 평탄화층(166)은 서로 다르게 에칭되거나 용해될 수 있는 것, 즉 영역(172)이 제1 평탄화층(166) 혹은 전극(78)에 현저하게 영향을 미치지 않고 용해될 수 있는 것이 중요하다. 단계 202에서, 캔틸레버 빔(84') 및 클래딩(83')은 방법들(130, 130')에서 앞에 기술된 바와 같이, 실질적으로 동일 방법으로 물질들로 형성된다. 단계 202에서 빔(84')은 편리하게 평탄화층(166)에 고정되나, 이것은 필수는 아니며 방법(130')에서 채용되는 것과 유사한 제2 평탄화층을 채용하는 구조가 사용될 수도 있을 것이다. 단계 204에서, 희생영역(172)은 용해되거나 에칭되어 캔틸레버 빔(84') 밑에 공동 혹은 홈(80')을 남긴다. 단계 206에서, 리드들(179)은 선택적으로, 방법(130)의 단계 148에 관련하여 앞에서 기술된 바와 같이 빔(84)에 부착된다. 방법(200)의 최종 결과는 방법(130')에 의해 얻어진 것과 유사하다.
도 24는 전극들 중 적어도 하나가 정사각형인 발명의 실시예에 따른 MTJ(32)의 전극들(36, 38)의 분해한 평면도(300)이다. 전극들(36, 38)은 이들의 상대적 형상 및 크기가 보다 쉽게 보여질 수 있도록 도 23에서 측방형으로 변위되어 있다. MTJ(32)을 형성하기 위해 조립될 때, 이들은 수직으로, 즉 전극(36) 위에 전극(38)으로 놓인다. 전극(38)은 MFS(34, 86)에 가장 가깝다. 전극들(36-1, 38-1)은 실질적으로 정사각형인 것으로서, 즉 X 및 Y 치수들 Y36-1 = X36-1 = Y38-1 = X38-1을 갖는 것으로서 도시되었다. 설명의 편의상, 이것은 대부분 지금까지 사용된 표현이지만 필수는 아니다. 전극들(36-2, 38-2)은 Y36-2 > X36-2 및 Y38-2 = X38-2의 사각형인 전극(36-2)과 다르다. 다시, 이것은 단지 전극들의 여러 가능한 형상들을 예시하기 위한 것으로 전부 다이거나 제한하려는 것은 아니다.
도 25는 전극들 중 어느 하나 혹은 모두가 다양한, 정사각형이 아닌 형상들인 발명의 실시예들에 따른 MTJ의 전극들(36, 38)의 평면도(310)를 도시한 것이다. 예를 들면, 310-1에서, 전극들(36, 38) 중 어느 하나 혹은 둘 다는 사각형이며 Y보다 현저하게 큰 치수 X를 갖고 길어져 있고, 310-2에서, 전극들(36, 38) 중 어느 하나 혹은 둘 다는 X>>Y이고 양단이 삼각형으로 하여 길어져 있으며, 310-3에서, 전극들(36, 38) 중 어느 하나 혹은 둘 다는 X>>Y이고 양단을 둥들게 하여 길어져 있다. 전극들이 다른 것 위에 놓여져 MTJ(32)을 형성할 때, 이들의 더 긴 치수들은 도 26에 개략적으로 도시된 바와 같이, 서로에 관하여 다양한 각도를 만들 수 있다. 얇은 전극들에서 평면에서 보아 비대칭은 전자 회전축들이 회전될 수 있는 용이성 및 곤란성에 영향을 미치기 때문에 어떤 상황들 하에서는 현저하게 비대칭인 전극 형상들을 사용하는 것이 유용하다. 예를 들면, 자계가 있는 상태에서 열처리에 의해 제1 전극에서 전자 회전축들을 고정시키는 것이 이 기술에 고정되어 있으나, 또 다른 방법은 예를 들면 평면에서 보아 길고 좁은 이러한 비대칭 형상의 긴 방향으로부터 멀리 전자 회전축들을 회전하기가 매우 어렵기 때문에, 전극형상을 매우 비대칭이 되게 하는 것이다. 그러나, 회전축들을 고정시키기 위한 어느 배열이든 사용될 수 있다.
도 26은 전극들(36, 38) 중 적어도 하나가 다른 전극에 관하여 다양한 각도 배열들을 갖는 발명의 실시예들에 따른 MTJ의 전극들의 평면도(320)를 도시한 것이다. 설명의 편의상 제1 전극(36-4)은 단일의 연속된 전극으로서 도시되었고, 이 전극을 여러 세그먼트된 제2 전극들(38-4-1 .... 38-4-4)이 서로 다른 각도들로 횡단 하고 있다. 그러나, 이것은 제한하려는 것은 아니며 전극(36-4)은 개별적 세그먼트들로 구성될 수 있고, 그 각각은 제2 전극들(38-4-1 .... 38-4-4) 중 단일의 전극 밑에 있다. 제2 전극(38-4-1)은 이의 긴 치수를 전극(36-4)에 대해 각도 (β3)로 한 방위로 놓여져 있는데, 예를 들면 제1 전극(36-4)의 긴 치수에 실질적으로 직교하여 있다. 제2 전극(38-4-2)은 이의 긴 치수를 제1 전극(36-4)의 긴 치수와 실질적으로 병렬(혹은 반-병렬)로 한 방위로 놓여져 있다. 제2 전극(38-4-3)은 이의 긴 치수를 각도 β-1로 한 방위로 놓이고 제2 전극(38-4-4)은 이의 긴 치수를 제1 전극(36-4)의 긴 치수에 관하여 β-2로 한 방위로 놓여져 있고, 여기서 0≤β≤90도이다. 이에 따라, 매우 다양한 서로 다른 상대적 각도 방위들이 제1 및 제2 전극들(36, 38)에 대해 사용될 수 있다.
도 27은 자기 차폐들(83A, 83B, 83C)에 의해 클래드되고 복수의 MTJ들(32A, 32B, 32C)에 근접하여 위치된 자계 소스들(86A, 86B, 86C)을 지지하기 위해 사용되는 서로 다른 길이들(333, 335, 337)의 복수의 캔틸레버 빔들(332, 334, 336)의 간이화한 평면도(330)이다. 단면은 동일하나 길이들이 서로 다른(혹은 단면들은 서로 다르나 길이들이 유사하거나 다른 크기 및 형상 변형들을 가진) 캔틸레버 빔들을 사용함으로써 서로 다른 빔들을 편향시키는데 필요한 힘 혹은 가속도는 다르게 할 수 있다. 이에 따라, 각 빔은 다른 한 범위의 힘 혹은 가속도 혹은 압력 혹은 온도 혹은 이외 다른 물리적 매개변수에 대해 반응하게 할 수 있다. 이들은 단일 센서에 결합함으로써, 센서의 전체 동적범위는 원하는대로 확장될 수 있다. 도 27의 예에서, 센서들(332, 334, 336) 간에 유일한 차이들은 빔 길이들(333, 335, 337)이다. 이러한 복수의 센서들은 동일 기판 상에 동일 공정에 의해 실질적으로 동시에 제조될 수 있고, 개개의 센서들의 다른 기하구조는 공정 변화들이 아니라 마스크 변화들에 의해 제공된다. 이것은 본 발명의 두드러진 잇점이다.
도 28은 도 27의 복수의 MTJ들(32A, 32B, 32C)이 각각 단자들(343, 345)에 이르는 리드들(342, 344)에 의해 병렬로 전기적으로 결합되는 것으로서 도시된 간이화한 개략적인 전기 회로도(340)이다. 도 29는 MTJ들(32A, 32B, 32C)의 병렬 배열에 대한 RT 대 F의 간이화한 플롯으로서, RT는 개개의 MTJ들(32A, 32B, 32C)의 저항(Rt)의 병렬 결합이고 F는 복수의 센서들(332, 334, 336)의 캔틸레버 빔들(84A, 84B, 84C)에 동시에 인가되는 가속도 혹은 힘이다. 설명의 편의상 MTJ들(32A, 32B, 32C)은 실질적으로 동일한 Rt 대 H 특성들을 갖지만, 캔틸레버 빔들(84A, 84B, 84C)은 센서(336)에 있어서, H=Hc가 F-1에서 일어나고, 센서(334)에 있어서 H=Hc는 F=2에서 일어나라고 센서(332)에 있어서, H=Hc는 F=3 유닛들에서 일어나도록 서로 다른 강성을 갖는 것으로 가정한다. 즉, F=1에서, 빔(84C)은 완전히 편향되며(이의 정지에 대해서 혹은 MTJ(32C)에 닿는 영역(86-3)에서), F=2에서 빔(84B)은 완전히 편향되며(이의 정지에 대해서 혹은 MTJ(32B)에 닿는 영역(86-2)에서), F=3에서 빔(84A)은 완전히 편향되며(이의 정지에 대해서 혹은 MTJ(32A)에 닿는 영역(86A)에서), 각 경우에서 한도 위치는 연관된 MTJ에서 Hc를 생성한다. 이어서 도 5에 도시된 것과 유사한 개개의 Rt 대 H 특성에 대해서, 이 3개의 빔 배열은 플롯들(352, 354, 356) 로 도 29에 개략적으로 도시된 RT 대 F 응답(350)을 준다. 플롯(352)의 자취(358)는 F=1의 힘(혹은 가속도)이 센서들(330)에 인가된 상황에 대응하고 가장 쉽게 편향된 센서(예를 들면, 센서(336))는 MTJ(32C)에 Hc를 제공한다. 플롯(354)의 자취(360)는 F=2의 힘(혹은 가속도)이 센서들(330)에 인가된 상황에 대응하고 가장 쉽게 편향된 센서(예를 들면, 센서(334))는 MTJ(32B)에 Hc를 제공한다. 플롯(356)의 자취(362)는 F=3의 힘(혹은 가속도)가 센서들(330)에 인가된 상황에 대응하고 가장 쉽게 편향된 센서(예를 들면, 센서(332))는 MTJ(32A)에 Hc를 제공한다. 이 예에서, 모든 MTJ들이 초기에 이들의 낮은 저항 상태에 있는 것으로 가정하면, 회로(340)에서 측정된 총 저항(RT)는 센서들(330)이 노출되는 힘 혹은 가속도가 증가함에 따라 계단씩의 형태로 증가한다. 도 1의 도체(34A)와 유사한 전류 리드(여기에 도시되지 않음)는 편리하게, F가 제거되었을 때 전극(38)에 회전축들을 이의 초기 상태로 다시 플립하기 위한 -Hc를 제공하기 위해 각 센서에 포함된다. 이에 따라, 서로 다른 스프링 정수들 및 편향 범위들을 갖는 복수의 센서들을 사용함으로써, 보다 넓은 전체 동적범위는 도 29에 도시된 바와 같이 양자화되거나, 도 6 혹은 도 7과 유사한 응답의 MTJ들을 사용함으로써 유사하게 하여, 달성될 수 있다. 도 28에 도시된 병렬로 결합된 전기적 배열이 유용하나, 직렬 배열도 사용될 수 있다. 어느 배열이든 작동한다. 개별적 센서들의 기하구조를 변경하기 위해 단지 마스크 차이들만으로, 동일 제조공정을 사용하여 동일 기판 상에서 서로 다른 응답들을 갖는 센서들을 쉽게 구 축할 수 있는 것은 본 발명의 현저한 잇점이다. 동적범위를 확장하기 위해 복수의 센서들의 사용이 캔틸레버 빔 센서들에 관련하여 기술되었으나, 이것은 단지 예시 목적을 위한 것이며 제한하려는 것은 아니다. 당업자들은 여기 기술된 바에 기초하여 도 13-18에 도시된 바와 같은 다이아프램 유형의 센서들 및 이외 상대적 위치들이 센서 입력에 응답하여 변하는 복수의 MTJ들 및 복수의 MFS들을 결합한 물리적 배열들이 사용될 수도 있음을 알 것이다.
제1 실시예에서, 센서에 있어서, 자기 터널 접합(MTJ); 상기 센서의 입력에 응답하여 상기 MTJ와 자계 소스(MFS)간의 거리의 변화가 상기 MTJ에 상기 MFS의 자계를 변하게 하여, 상기 MTJ의 전기적 특성들을 변경하도록 상기 MTJ에 근접하여 움직일 수 있게 매달린, 상기 MTJ에 자계를 제공하기 위한 것인, 상기 MFS; 및 상기 MTJ에서 상기 MJS의 자계가 강화되도록 상기 MTJ로부터 멀리 면하는 상기 MFS의 표면에 고정되게 결합된 자기 클래딩을 포함하는, 센서가 제공된다. 또 다른 실시예에서, 상기 자기 클래딩은 상기 MFS의 자기 투자율 이상의 자기 투자율을 갖는 물질을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제1항에 있어서, 상기 자기 클래딩은 실질적으로 영구적으로 자화되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 상기 자기 클래딩은 상기 MFS의 외부 자계를 실질적으로 상기 MTJ를 향한 방향들에 한정한다. 또 다른 실시예에서, 상기 MTJ는, 전자 회전축들을 고정된 제1 자기 전극; 상기 제1 전극보다 상기 MFS에 더 가까이 놓여지고 전자 회전축들이 자유로운 제2 자기 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극들을 분리하고 이들 사이에 유효한 터널링 도통이 되게 구성된 유전체를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 제1 자기 전극은 제1의 길고 제1의 짧 은 치수를 가지며, 상기 제2 자기 전극은 제2의 길고 제2의 짧은 치수를 가지며, 상기 제2 자기 전극은 상기 제2 긴 치수를 상기 제1 긴 치수에 관하여 각도 β로 배열하여 상기 제1 자기 전극 위에 놓인다. 또 다른 실시예에서, 0≤β≤90도이다. 또 다른 실시예에서, 상기 제1 자기 전극은 실질적으로 단부들이 뾰족한 혹은 만곡된 제1의 긴 형상을 가지며, 상기 제2 자기 전극은 실질적으로 단부들이 뾰족한 혹은 만곡된 제2의 긴 형상을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 상기 제1 전극은, 제1 보자력을 가지며 전자 회전축이 고정된 제1 자기 물질을 가지며, 상기 제2 전극은, 상기 제1 보자력보다 작은 제2 보자력을 가지며 전자 회전축이 자유로운 제2 자기 물질을 가진다. 또 다른 실시예에서, 상기 MFS는, 전류를 수송하도록 된 것으로 상기 MTJ 위로 지나는 제1 방위를 갖는 제1 도체를 포함하며, 상기 센서는, 상기 MJT 밑에 있고 전류를 수송하도록 된 것으로 상기 제1 방위에 실질적으로 직교하는 제2 방위를 갖는 제2 도체를 포함한다.
제2 실시예에서, 센서에 있어서, 제1의 적어도 부분적으로 강자성 전극; 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극; 상기 제1 및 제2 전극들을 분리하고 이들 간에 터널링 도통을 제공하도록 된 유전체를 포함하는 자기 터널 접합(MTJ); 상기 MTJ에 근접하여 움직일 수 있게 놓여져, 상기 센서의 입력에 따라 변하는 상기 MTJ에 자계를 제공하는 자계 소스(MFS); 및 상기 MFS의 상기 자계를 상기 MTJ를 향하는 영역으로 실질적으로 한정하기 위해서, 상기 MTJ에서 말단의 상기 MFS의 하나 이상의 부분들 상에 자기 차폐를 포함하는, 센서가 제공된다. 또 다른 실시예에서, 상기 MFS는 전류 수송 도체이며, 상기 자기 차폐는 상기 MJT에 근접하나 이를 향해 면하 여 있지 않는 상기 도체의 부분들을 실질적으로 둘러싼다. 또 다른 실시예에서, 상기 MFS는 상기 MTJ에 근접하고 움직일 수 있게 이로부터 이격되어 있는 전면을 갖는 U형상의 기부를 형성하는 부분을 가진 U형상 도체를 포함하고, 상기 자기 차폐는 상기 부분의 후면을 덮는다. 추가의 실시예에서, 상기 자기 차폐는 상기 부분의 하나 이상의 측면들을 덮는다. 추가의 실시예에서, 상기 MFS는 영구자석을 포함하고, 상기 자기 차폐는 상기 MTJ로부터 멀리 면하는 상기 자석의 부분들을 실질적으로 둘러싼다. 추가의 실시예에서, 상기 MFS를 구현하는 부분을 구비하는 캔틸레버 빔이 제공되고, 상기 자기 차폐는 상기 부분에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 상기 제1의 부분적으로 강자성 전극 밑에 있고 이를 지지하는 기판을 더 포함하고, 상기 MFS는 상기 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극으로부터 이격된 상기 캔틸레버 빔의 제1 단부에 결합되고, 상기 캔틸레버 빔의 제2의 말단 단부는 상기 기판에 결합되고, 상기 자기 차폐는 상기 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극에 대향한 상기 캔틸레버 빔의 상기 제1 단부에 결합된다.
제3 실시예에서, 복수-범위 센서에 있어서, 복수의 자기 터널 접합들(MTJ); 복수의 자기적으로 차폐된 자계 소스들(MFS)로서, 각각은 하나의 MTJ에 연관되고, 상기 자기 차폐에 의해 범위가 제한되고 자계가 상기 연관된 MTJ와 겹치는 자계를 제공하는, 상기 자계 소스들을 포함하고, 각각의 MFS는 상기 복수-범위 센서의 입력을 수신하고 상기 복수의 자기적으로 차폐된 MFS들이 상기 연관된 MTJ들에의 근접은 상기 복수의 자기적으로 차폐된 MFS들에 공통인 상기 복수-범위 센서의 입력에 응답하여 서로 다르게 가변하며; 상기 복수의 MTJ들은 전기적으로 결합되는, 복 수-범위 센서가 제공된다. 또 다른 실시예에서, 각각이, 상기 자기적으로 차폐된 MFS들 중 하나를 상기 연관된 MTJ에 근접하여 지지하는 것인, 복수의 캔틸레버 빔들을 더 포함하고, 상기 자기 차폐는 상기 MTJ들에 근접하나 이들로부터 멀리 면하여 있는 캔틸레버 빔들의 단부들 상에 위치하여 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 자기적으로 차폐된 MFS들을 지원하는 상기 복수의 캔틸레버 빔들은 상기 복수 범위 센서에의 입력에 응답하여 서로 다른 편향 특징들을 갖는다.
앞에 상세한 설명에서 적어도 한 실시예가 제시되었지만, 방대한 수의 변형들이 존재함을 알 것이다. 또한, 실시예 혹은 실시예들은 단지 예들이며 어떤 식으로든 발명의 범위, 적용성, 혹은 구성을 제한하려는 것은 아님을 알 것이다. 그보다는, 앞에 상세한 설명은 당업자들에게 실시예 혹은 실시예들을 구현하기 위한 편리한 로드 맵을 제공할 것이다. 첨부된 청구항들 및 이들의 적법한 등가물들에 개시된 발명의 범위 내에서 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경들이 행해질 수 있음을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 센서에 있어서,
    자기 터널 접합(MTJ);
    상기 센서의 입력에 응답하여 상기 MTJ와 자계 소스(MFS) 간의 거리의 변화가 상기 MTJ에의 상기 MFS의 자계를 변하게 하여, 상기 MTJ의 전기적 특성들을 변경하도록 상기 MTJ에 근접하여 움직일 수 있게 매달린, 자계를 상기 MTJ에 제공하기 위한, 상기 MFS; 및
    상기 MTJ에의 상기 MFS의 자계가 강화되도록 상기 MTJ로부터 멀리 떨어져 향하는 상기 MFS의 표면에 고정되게 결합된 자기 클래딩(magnetic cladding)을 포함하는, 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 클래딩은 상기 MFS의 자기 투자율 이상의 자기 투자율을 갖는 물질을 갖는, 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기 클래딩은 영구적으로 자화되지 않는, 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자기 클래딩은 상기 MFS의 외부 자계를 실질적으로 상기 MTJ를 향한 방향들로 한정하는, 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 MTJ는,
    전자 회전축들을 고정된 제1 자기 전극;
    상기 제1 전극보다 상기 MFS에 더 가까이 놓여지고 전자 회전축들이 자유로운 제2 자기 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극들을 분리하고 이들 사이의 상당한 터널링 도통을 허용하도록 구성된 유전체를 포함하는, 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 자기 전극은 제1의 길고 제1의 짧은 치수를 가지며, 상기 제2 자기 전극은 제2의 길고 제2의 짧은 치수를 가지며, 상기 제2 자기 전극은 상기 제2 긴 치수를 상기 제1 긴 치수에 관하여 각도 β로 배열하여 상기 제1 자기 전극 위에 놓인, 센서.
  7. 제6항에 있어서, 0≤β≤90도인, 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 자기 전극은 실질적으로 단부들이 뾰족한 혹은 만곡된 제1의 긴 형상을 가지며, 상기 제2 자기 전극은 실질적으로 단부들이 뾰족한 혹은 만곡된 제2의 긴 형상을 갖는, 센서.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제1 전극은, 제1 보자력을 가지며 전자 회전축이 고정된 제1 자기 물질이며, 상기 제2 전극은, 상기 제1 보자력보다 작은 제2 보자력을 가지며 전자 회전축이 자유로운 제2 자기 물질인, 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 MFS는, 전류를 수송하도록 적응된 것으로 상기 MTJ 위를 지나는 제1 방위를 갖는 제1 도체를 포함하며, 상기 센서는, 상기 MJT 밑에 있고 전류를 수송하도록 된 것으로 상기 제1 방위에 실질적으로 직교하는 제2 방위를 갖는 제2 도체를 포함하는, 센서.
  11. 센서에 있어서,
    제1의 적어도 부분적으로 강자성 전극; 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극들을 분리하고 이들 간에 터널링 도통을 제공하도록 적응된 유전체를 포함하는 자기 터널 접합(MTJ);
    상기 MTJ에 근접하여 움직일 수 있게 놓여져, 상기 센서의 입력에 따라 변하는 자계를 상기 MTJ에 제공하는 자계 소스(MFS); 및
    상기 MFS의 상기 자계를 상기 MTJ를 향하는 영역에 실질적으로 한정하기 위해서, 상기 MTJ로부터의 상기 MFS 말단의 하나 이상의 부분들 상에 자기 차폐를 포함하는, 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 MFS는 전류 수송 도체이며, 상기 자기 차폐는 상기 MJT에 근접하나 이를 향하고 있지 않는 상기 도체의 부분들을 실질적으로 둘러싸는, 센서.
  13. 제11항에 있어서, 상기 MFS는 상기 MTJ에 근접하고 움직일 수 있게 이로부터 이격되어 있는 전면을 갖는 U-자형의 기부(base)를 형성하는 부분을 가진 U-자형 도체를 포함하고, 상기 자기 차폐는 상기 부분의 후면을 덮는, 센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 자기 차폐는 상기 부분의 하나 이상의 측면들을 덮는, 센서.
  15. 제11항에 있어서, 상기 MFS는 영구 자석을 포함하고, 상기 자기 차폐는 상기 MTJ로부터 멀리 떨어져 향하는 상기 자석의 부분들을 실질적으로 폐쇄하는, 센서.
  16. 제11항에 있어서, 상기 MFS를 구현하는 부분을 구비하는 캔틸레버 빔(cantilevered beam)을 더 포함하고,
    상기 자기 차폐는 상기 부분에 부착되는, 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1의 적어도 부분적으로 강자성 전극 밑에 있고 이를 지지하는 기판을 더 포함하고,
    상기 MFS는 상기 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극으로부터 이격된 상기 캔틸레버 빔의 제1 단부에 결합되고, 상기 캔틸레버 빔의 제2의 말단 단부는 상기 기판에 결합되고, 상기 자기 차폐는 상기 제2의 적어도 부분적으로 강자성 전극에 대향한 상기 캔틸레버 빔의 상기 제1 단부에 결합된, 센서.
  18. 복수-범위 센서에 있어서,
    복수의 자기 터널 접합들(MTJs);
    복수의 자기적으로 차폐된 자계 소스들(MFSs)로서, 각각은 하나의 MTJ에 연관되고, 자기 차폐에 의해 범위가 제한되고 자계가 상기 연관된 MTJ와 겹치는 자계를 제공하는, 상기 복수의 자기적으로 차폐된 자계 소스들(MFS)을 포함하고,
    각각의 MFS는 상기 복수-범위 센서의 입력을 수신하고 상기 복수의 자기적으로 차폐된 MFS들의 상기 연관된 MTJ들에의 근접은 상기 복수의 자기적으로 차폐된 MFS들에 공통인 상기 복수-범위 센서의 입력에 응답하여 서로 다르게 가변하며;
    상기 복수의 MTJ들은 전기적으로 결합되는, 복수-범위 센서.
  19. 제18항에 있어서, 각각이 상기 자기적으로 차폐된 MFS들 중 하나를 상기 연관된 MTJ에 근접하여 지지하는, 복수의 캔틸레버 빔들을 더 포함하고,
    상기 자기 차폐는 상기 MTJ들에 근접하나 이들로부터 멀리 떨어져 향하는 캔틸레버 빔들의 단부들 상에 위치된, 복수-범위 센서.
  20. 제19항에 있어서, 상기 자기적으로 차폐된 MFS들을 지원하는 상기 복수의 캔틸레버 빔들은 상기 복수-범위 센서에의 입력에 응답하여 서로 다른 편향 특징들을 갖는, 복수-범위 센서.
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