KR20140136340A - Mtj소자를 이용한 열 감지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MTJ 소자를 이용하여 온도변화를 감지하는 온도 감지 센서에 관한 것으로. 본 발명은 외부로부터 전달된 열에너지에 의해 자성 벡터가 역전 가능한 자유층(Free layer)과; 고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과; 비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 터널 베리어; 그리고 소자의 상단 또는 하단에 도전물질로 형성되어 소자 외부의 온도변화에 따라 온도가 변화되는 접촉층을 포함하여 구성되는 자기터널접합(MTJ)소자를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 개별적인 자화 특성을 갖는 MTJ 소자들을 조합하여 열 감지센서를 구성하므로, 온도변화 량을 정밀하게 측정할 수 있고, 측정범위 역시 다양한 범위로 설계할 수 있는 효과가 있다.

Description

MTJ소자를 이용한 열 감지 센서 { THERMAL SENSOR USING MTJ }

본 발명은 MTJ 소자를 이용하여 온도변화를 감지하는 온도 감지 센서에 관한 것으로. 교육과학기술부의 원천기술개발사업(글로벌프론티어사업) 중 에너지혁신소자 연구과제(수행기간 2012.09.01~2013.08.31)'를 수행함에 있어 산출된 결과물에 대한 발명이다.

최근에는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junctions, 이하 'MTJ'라 한다) 구조를 응용한 여러 소자에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있고, 이중 가장 진전을 보이고 있는 분야가 메모리 소자이다.

MTJ 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 MTJ는 기본적으로 자화방향이 가변적인 자유층(16)과 자화방향이 고정된 고정층(14)을 포함하여 구성된다.

MTJ 소자의 기본 동작원리를 살피면, 상부 자유층(16)을 지나가는 전자가 터널링 장벽으로 사용된 절연층(15)을 통과할 때 하부 고정층(14)의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라져 서로 다른 저항값(MR)을 가지게 된다.

즉, 자유층(16)과 고정층(14)의 자화방향이 평행할 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반 평행할 경우에는 최소가 되므로 다른 저항값을 가지게 되는 것이다.

이와 같은 MTJ 소자의 동작원리는 대한민국 특허 공개 제2012-0024469호 등의 관련 문헌에 기재되어있다.

한편, 최근 연구에서는 MTJ 소자에 열에너지가 가해지는 경우, 자기터널주입구조에서 스핀주입 현상이 관찰된바 있다.

그러나 최근 MTJ 구조는 메모리분야에만 치중된 연구 개발이 이루어지고 있는 실정이며, 이를 이용한 다른 용도 즉 온변(열) 변화를 감지하기 위한 센서로 활용하는 기술에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다.

대한민국 특허 공개 제2012-0024469호

본 발명은 MTJ의 활용범위를 확장하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 MTJ를 이용하여 열 변화를 검출하는 열 감지 센서를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 외부로부터 전달된 열에너지에 의해 자성 벡터가 역전 가능한 자유층(Free layer)과; 고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과; 비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 터널 베리어; 그리고 소자의 상단 또는 하단에 도전물질로 형성되어 소자 외부의 온도변화에 따라 온도가 변화되는 접촉층을 포함하여 구성되는 자기터널접합(MTJ)소자를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 MTJ 소자는, 상기 MTJ 소자의 상기 접촉층 반대측 단부에 도전물질로 형성되는 단열층을 더 포함하여 구성되고: 상기 단열층은, 상기 접촉층보다 열전도도가 낮은 물질로 형성될 수도 있다.

그리고 상기 열 감지센서는, 복수개의 상기 MTJ소자들이 연결된 MTJ소자 어레이를 포함하여 구성될 수도 있다.

또한, 상기 MTJ소자 어레이는, 적어도 둘 이상의 서로 다른 자화 특성을 갖는 MTJ소자들의 조합으로 구성될 수도 있다.

그리고 상기 서로 다른 자화 특성은, 상기 MTJ소자들의 적층 면적을 서로 다르게 형성함에 의해 구현될 수도 있다.

또한, 상기 서로 다른 자화 특성은, 상기 MTJ소자들의 자성층의 두께를 서로 다르게 형성함에 의해 구현될 수도 있다.

그리고 상기 MTJ소자 어레이는, MTJ소자들이 복수의 행과 열로 배열된 매트릭스구조로 형성될 수도 있다.

한편, 상기 자유층은, 강자성 물질로 형성되는 층으로; NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수도 있다.

그리고 상기 고정층은, 강자성 물질로 형성되는 층으로; NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수도 있다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 개별자화특성을 갖는 MTJ소자 조합을 이용한 열 감지 센서에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 MTJ 소자를 이용하므로, 나노단위의 열 감지센서를 제공하여, 인체, 정밀기계 등 미세한 위치의 온도변화를 정확히 검출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 개별적인 자화 특성을 갖는 MTJ 소자들을 조합하여 열 감지센서를 구성하므로, 온도변화 량을 정밀하게 측정할 수 있고, 측정범위 역시 다양한 범위로 설계할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 일반적인 MTJ 구조를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 구조의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 구조의 다른 실시예를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 일 실시예를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 다른 실시예를 도시한 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 또 다른 실시예를 도시한 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 또 다른 실시예를 도시한 평면도.
도 8은 도 7에 도시된 본 발명에 의한 열 감지센서의 온도변화에 따른 MTJ 소자 어레이의 자화 역전 상태를 도시한 예시도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 개별자화특성을 갖는 MTJ소자 조합을 이용한 열 감지 센서의 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.

먼저 본 발명에 의한 MTJ소자 조합(이하 'MTJ 어레이'라 한다)을 구성하는 각가의 MTJ 소자에 대하여 설명하고, 이들의 조합에 의해 이루어지는 MTJ 어레이를 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 구조의 일 실시예를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 구조의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.

본 발명에 의한 MTJ 어레이를 구성하는 MTJ 소자는 상면과 하면의 온도차이에 의해 내부 전하의 이동이 발생되고, 이로 인하여 자유층의 자화 방향이 역전된다.

본 명세서에서는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용될 수 있는 상기 MTJ소자의 두 가지 실시예를 설명한다.

먼저, 도 2를 참고하여 상기 MTJ소자의 제1실시예를 설명한다.

제1실시예에의한 상기 MTJ 소자(100A)는 자유층(10), 고정층(20), 터널베리어(30), 접촉층(40) 및 하부전극층(50)을 포함하여 구성된다.

상기 자유층(Free layer)(10)은 인가되는 전류 또는 외부 자기장에 따라 자성 vector가 역전 가능한 자성 층으로, 본 발명에서 상기 자유층(10)의 자성벡터는 외부로부터 전달된 열에너지에 의해 역전된다. 상기 자유층(10)은 강자성의 금속성 물질로 형성되는 것으로, 예를 들어 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.

한편, 상기 고정층(Pinned layer)(20)은 전류 또는 외부 자기장에 따라 자성 vector가 변하지 않고 고정된 자성 층으로, 본 발명에서 외부 열에너지에 의해 자성벡터가 변화되지 않는다. 상기 고정층(20)은 강자성의 금속성 물질로 형성되는 것으로, 역시 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.

이때, 상기 고정층(20)은 자성벡터를 고정하기 위한 다양한 공지의 기술이 포함되어 구성될 수 있다. 즉, 상기 고정층(20) 하부에 반자성물질(PtMn 또는 IrMn 등)을 구비하여 자성벡터의 고정효과를 높일 수도 있고, SAF(synthetic anti-ferromagnet)을 이용하여 상기 고정층(20)을 구성할 수도 있다.

그리고 상기 터널베리어(30)는 자유층(10) 및 고정층(20) 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하는 층으로, 비자성 금속으로 형성된다.

여기서 상기 비자성층은 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO) 등), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta 등)로 형성된다.

한편, 상기 접촉층(40)은 소자 최상층 또는 최하층에 구비되는 층으로 측정대상 부위에 접촉하여 열 변화를 소자 내부로 전달하는 역할을 한다. 따라서 상기 접촉층(40)은 도전물질로 형성되고, 열전도율이 높은 금속성 물질로 형성된다.

그리고 상기 하부전극(50)은 MTJ 소자에 전류를 인가하는 층으로 전기저항이 낮은 금속 물질로 형성된다.

이때 상기 각 구성층의 두께는 필요에 따라 다르게 구성될 수 있으나, 10nm 이하의 thin film 범주의 두께로 형성된다.

다음으로, 도 3을 참고하여 상기 MTJ 소자의 제2실시예를 설명한다.

제2실시예에의한 상기 MTJ소자(100B)는 제1실시예에 의한 MTJ소자 구성에 단열층(60)을 더 포함하여 구성된다.

상기 단열층(60)은 상기 접촉층(40) 반대측 단부에 도전물질로 형성되는 것으로 외부의 변화된 온도가 소자내부로 전달되는 것을 방지하는 부분이다.

따라서 상기 단열층(60)은 비교적 열전도율이 낮은 물질로 구성되고, 구체적으로는 상기 접촉층(50)보다 열전도도가 낮은 물질로 형성된다.

즉, 예를 들어 상기 MTJ소자(100B)가 설치된 부분의 온도가 올라가는 경우, 상기 MTJ소자(100B)의 열전도도가 높은 접촉층(40) 부분은 온도가 빨리 증가되는 반면, 열전도도가 비교적 낮은 상기 단열층(60) 부분은 온도가 느리게 증가한다. 이로 인하여 소자 내에 온도차이가 발생되어 전하의 이동이 발생되고, 이에 의한 전류가 임계전류 이상이 되면 상기 자유층의 자성벡터가 역전된다.

한편, 상기 열 감지센서는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 다수개의 MTJ 소자들이 결합한 MTJ소자 어레이로 구성될 수 있다.

이 경우 온도변화에 따른 출력 신호의 강도가 증가되어 온도변화의 검출이 용이해질뿐만 아니라, 상기 MTJ소자들의 자화 특성을 각각 다르게 구성하면, 정밀한 온도변화의 차이를 계산할 수 있다.

이하에서는 이와 같은 MTJ 소자 어레이의 구성을 상세히 살펴보도록 한다.

도 4는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 일 실시예를 도시한 예시도이고, 도 5는 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 다른 실시예를 도시한 예시도이며, 도 6은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 또 다른 실시예를 도시한 예시도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 열 감지센서의 MTJ소자 어레이를 구성하는 각각의 MTJ소자는 각각 서로 다른 자화 특성을 갖는 MTJ소자들로 구성된다.

이때, 상기 자화특성이 다르다 함은 자화역전이 발생되는 임계전류가 서로 다름을 의미하며, 본 발명에서는 자화 역전을 발생시키는 열변화량(ΔT)가 서로 다름을 의미한다.

이때, 상기 MTJ 소자의 자화특성을 결정하는 변수 인자는 자유층을 구성하는 물질 특성, 자성물질의 두께 또는 면적 등이 있다. 따라서 MTJ 소자의 자화 특성을 다르게 구성하는 방법은 생산 여건 등을 고려하여 다양한 방법이 적용될 수 있다.

본 명세서에서는 상기 MTJ소자의 자화특성을 상기 MTJ소자의 자유층(10)두께를 이용하여 다르게 형성하는 방법(제1실시예)과 상기 MTJ소자의 면적을 이용하여 다르게 형성하는 방법(제2실시예)을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 MTJ소자 어레이의 제1실시예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 MTJ소자들을 조합하여 구성하되, 각 MTJ소자 자유층의 두께(적층높이)를 다르게 형성(h1<h2<h3<…<h4)하여 각 MTJ소자의 자화특성을 다르게 형성한다.

이때, 상기 MTJ소자들 모두를 각각 다른 자유층 두께로 형성하는 것도 가능하고, 동일 두께의 자유층을 갖는 MTJ소자와 다른 자유층 두께를 갖는 MTJ소자를 혼합하여 구성하는 것도 가능하다.

본 발명에 의한 MTJ소자 어레이의 제2실시예는, 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 MTJ소자들을 조합하여 구성하되, 각 MTJ소자의 면적을 각각 다르게 설계(l1<l2<l3<…<ln)하여 각 MTJ소자의 자화특성을 각각 다르게 형성한다. 즉, 도시된 바와 같이 각 MTJ소자들은 그 단면크기가 서로 다르게 형성된다.

물론, 이 경우에도 상기 MTJ소자들 모두를 각각 다른 면적(다른 자화특성)으로 형성하는 것도 가능하고, 동일면적의 MTJ소자와 다른 면적의 MTJ소자를 혼합하여 그 배열을 구성하는 것도 가능하다.

한편, 본 발명에 의한 MTJ소자 어레이는, 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 MTJ소자들이 복수의 행과 열로 배열된 매트릭스구조로 구성될 수 있다.

이는, 상기 MTJ소자의 제조 공정에 따른 특성으로, 상기 MTJ소자 제조 공정이 각 층을 적층하는 공정의 조합에 의해 이루어지므로, 하나의 판상에 다수개의 MTJ소자를 매트릭스 형태로 배치하여 생산하는 것이 용이하기 때문이다.

이때, 상기 각 MTJ소자의 단면적은 동일 단면적의 MTJ소자와 다른 단면적의 MTJ소자가 서로 혼합되어 MTJ소자 어레이를 구성하게 된다.

이하에서는 본 발명에 의한 개별자화특성을 갖는 MTJ소자 조합을 이용한 열 감지 센서의 동작 특성을 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명에 의한 열 감지센서에 적용되는 MTJ 소자 어레이 구조의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 본 발명에 의한 열 감지센서의 온도변화에 따른 MTJ 소자 어레이의 자화 역전 상태를 도시한 예시도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 3행 3열의 장방형 매트릭스 형태의 MTJ소자로 구성된 MTJ소자 어레이로 구성된 열 감지 센서를 예로 들어 설명한다.

이때, 각 셀 변의 길이는 각각 다른 d1, d2 및 d3(6d1=3d2=2d3)로 형성된다.

상기 MTJ소자의 단면적이 작아질수록 위칭 전류(switching current)도 줄어들고, 따라서 자화 역전 현상을 유발하는 온도차(ΔT)역시 줄어든다.

따라서 위 MTJ소자 어레이에는 각각 6개의 자화 특성(C1, C2, C3, C4, C5 C6)을 갖는 MTJ소자가 구비되고, 자화특성 C2, C3 및 C5을 갖는 MTJ소자는 각각 2개씩 구비된다.

이와 같은 MTJ소자어레이에 온도차 발생에 따른 각 MTJ소자들의 자화 역전 상태를 살피면, 도 8에 도시된 바와 같이, ΔT가 증가될 수록 낮은 switching current를 갖는 MTJ소자부터 자화 역전이 발생하여, 순차적으로 switching current가 가장 높은 MTJ소자까지 자화 역전이 발생한다.

따라서 본 발명에 의한 열 감지 센서는 상기 MTJ소자 어레이의 자화 역전 상태를 읽어 ΔTfmf 측정할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명은 MTJ 소자를 이용하여 온도변화를 감지하는 온도 감지 센서에 관한 것으로. 본 발명에 의하면, 개별적인 자화 특성을 갖는 MTJ 소자들을 조합하여 열 감지센서를 구성하므로, 온도변화 량을 정밀하게 측정할 수 있고, 측정범위 역시 다양한 범위로 설계할 수 있는 효과가 있다.

10 : 자유층 20 : 고정층
30 : 터널베리어 40 : 접촉층
50 : 하부전극 60 : 단열층
100A, 100B : MTJ소자

Claims (9)

1. 외부로부터 전달된 열에너지에 의해 자성 벡터가 역전 가능한 자유층(Free layer)과;
   고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과;
   비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 터널 베리어; 그리고
   소자의 상단 또는 하단에 도전물질로 형성되어 소자 외부의 온도변화에 따라 온도가 변화되는 접촉층을 포함하여 구성되는 자기터널접합(MTJ)소자를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 MTJ 소자는,
   상기 MTJ 소자의 상기 접촉층 반대측 단부에 도전물질로 형성되는 단열층을 더 포함하여 구성되고:
   상기 단열층은,
   상기 접촉층보다 열전도도가 낮은 물질로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 열 감지센서는,
   복수개의 상기 MTJ소자들이 연결된 MTJ소자 어레이를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 MTJ소자 어레이는,
   적어도 둘 이상의 서로 다른 자화 특성을 갖는 MTJ소자들의 조합으로 구성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 서로 다른 자화 특성은,
   상기 MTJ소자들의 적층 면적을 서로 다르게 형성함에 의해 구현됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 서로 다른 자화 특성은,
   상기 MTJ소자들의 자성층의 두께를 서로 다르게 형성함에 의해 구현됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 MTJ소자 어레이는,
   MTJ소자들이 복수의 행과 열로 배열된 매트릭스구조로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 자유층은,
   강자성 물질로 형성되는 층으로;
   NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 고정층은,
   강자성 물질로 형성되는 층으로;
   NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성됨을 특징으로 하는 MTJ소자를 이용한 열 감지 센서.

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