KR940004365B1 - Making method of electric resistor - Google Patents

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Abstract

forming an alloy thin film on a substrate; forming a magnetic field sensing part by selective wet etching the alloy thin film; formin a magnetic focusing part by depositing an alloy thin film using high frequency magnetic sputtering; and coating organic resin, and then forming an insulating protection layer, thereby obtaining the maximum resistor variation rate.

Description

자기 저항 소자의 제조방법Manufacturing method of magnetoresistive element

제1도는 자기 저항 소자의 개략도.1 is a schematic diagram of a magnetoresistive element.

제2도는 종래의 자기 저항 소자 구조의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional magnetoresistive element structure.

제3도는 종래의 자기 저항 소자 구조의 단면도.3 is a cross-sectional view of a conventional magnetoresistive element structure.

제4a도는 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 기본 구조도.4a is a basic structural diagram of a magnetoresistive element according to the present invention;

제4b도는 제4a도의 단면도.4b is a cross-sectional view of FIG. 4a.

제5도는 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 제조 공정도.5 is a manufacturing process diagram of a magnetoresistive element according to the present invention.

제6도는 자장의 변화에 따른 종래 및 본 발명에서의 저항 변화율을 나타낸 그래프.6 is a graph showing the rate of change of resistance in the prior art and the present invention according to the change of the magnetic field.

본 발명은 자기센서 중의 하나인 자기 저항 소자에 있어서, 자계감지부의 동일면상에 자계집속부를 형성시킴으로서 고감도 저비용을 실현한 자기 저항 소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a magnetoresistive element which realizes high sensitivity and low cost by forming a magnetic field concentrating portion on the same surface of a magnetic field sensing portion in a magnetoresistive element which is one of magnetic sensors.

자기센서에는 자계에 관련된 물리현상이 동작원리로서 많이 이용되고 있으며, 이들의 효과를 능숙하게 이용한 홀소자, 홀IC, 자기저항(효과)소자, 자기 트랜지스터, 서치코일, 리드스위치, SQUID, 광자기센서 등이 있다.In magnetic sensors, physical phenomena related to magnetic fields are widely used as operation principles, and Hall elements, Hall ICs, magnetoresistance (effect) elements, magnetic transistors, search coils, reed switches, SQUIDs, and magneto-optical magnets that use these effects proficiently Sensor and the like.

자기저항효과는 강자성체의 특유효과로서 자성체의 자화방향 변화에 따른 배향효과와 자화의 크기에 따라서 저항이 변화하는 자기효과가 있다.Magnetoresistance effect is a peculiar effect of a ferromagnetic material, which has an orientation effect according to the change in the magnetization direction of the magnetic material and a magnetic effect in which the resistance changes depending on the size of the magnetization.

이를 이용한 강자성체 자기저항효과소자는 주로 Ni-Fe, Ni-Co 합금들을 재료로 사용하며 신호 자계에 따른 재생감도가 높은 소자로서 위치 및 회전수 검출 등에 널리 이용되고 있다.Ferromagnetic magnetoresistance effect element using this is mainly Ni-Fe, Ni-Co alloys as a material and is widely used for position and rotation detection as a high reproducibility element according to the signal magnetic field.

강자성 자기저항효과에는 자계가 크게 되면 저항이 직선적으로 감소하는 부상 자기저항효과와 자화 방향과 전류방향이 이루는 각도에 따라 저항이 이방적으로 변하는 것이 있다.Ferromagnetic magnetoresistance effects include floating magnetoresistance effect in which the resistance decreases linearly when the magnetic field is large, and resistance is anisotropically changed depending on the angle between the magnetization direction and the current direction.

강자성 자기 저항 효과에 이용되는 효과는 후자의 이방성 자기 저항 효과로서 저자계 강도가 특히 우수하다. 그 구조는 소자의 소형화, 고저항화 등의 목적으로 박막에서 굽힘선 형태로 구성되어 있다(제4a도 참조).The effect used for the ferromagnetic magnetoresistance effect is the latter anisotropic magnetoresistance effect, which is particularly excellent in low field strength. The structure is formed in the form of a bend line in the thin film for the purpose of miniaturization and high resistance of the device (see also FIG. 4A).

이와 같은 소자는 통상적으로 제1도에 도시된 바와 같이 박막 패턴(1)을 기판상에 형성시켜 제조한다. 박막 패턴(1)을 길이 방향으로 전류를 흐르게 하고, 이와 수직방향에 외부 자장 Hex를 인가하면, 이 외부자장의 크기에 따라 자기 저항의 변화가 발생되어 이를 전압 또는 전류로 전환시켜 출력하게 된다.Such a device is typically manufactured by forming a thin film pattern 1 on a substrate as shown in FIG. When the current flows in the longitudinal direction of the thin film pattern 1 and an external magnetic field Hex is applied to the thin film pattern 1, a change in the magnetic resistance is generated according to the magnitude of the external magnetic field, which is converted into a voltage or a current and output.

이때, 상기 패턴의 양쪽에 자극이 생겨 외부자장(Hex)의 자화방향과 역방향의 자장이 발생하며, 이를 반자계(Hd)라고 하며, 크기는 Hd=4πMt/w이다(w : 패턴의 폭, t : 패턴의 두께, M : 자화갑).At this time, the magnetic poles are generated on both sides of the pattern and the magnetic field in the opposite direction to the magnetization direction of the external magnetic field Hex is called a diamagnetic field H d and the size is H d = 4πMt / w (w: Width, t: thickness of the pattern, M: magnetization box).

따라서 실제 유효자계 Heff=Hex-Hd로서, 반자계가 증가하면 실제유효자계는 감소하게 된다.Therefore, as the effective field H eff = H ex -H d , the effective field is decreased as the diamagnetic field increases.

상기의 반자계에 의한 효율저하를 개선하기 위해 종래에는 기판(1)상에 일정한 간격의 자계감지부 패턴(3)을 형성하고, 그 사이에 격설되게 박막형태의 고투자율 자성체(Mn-Zn페라이트 종류)(2)를 동일면상에 위치시켜 자기 저항 소자를 제조하거나(제2도), 제3도에 도시된 바와 같이 기판(1)상에 절연성 자성 집속체(3')를 격설되게 형성한 다음 비자성 절연층(4)을 도포하고, 그 위에 강자성체 패턴(2')을 형성하여 자기 저항 소자를 제조하였다.In order to improve the efficiency deterioration due to the semi-magnetic field, conventionally, the magnetic field sensing pattern 3 is formed on the substrate 1 at regular intervals, and a thin film-type high permeability magnetic material (Mn-Zn ferrite) is interposed therebetween. Type) 2 on the same plane to manufacture a magnetoresistive element (FIG. 2), or to form an insulating magnetic focusing body 3 'on the substrate 1 as shown in FIG. Next, a nonmagnetic insulating layer 4 was applied, and a ferromagnetic pattern 2 'was formed thereon to manufacture a magnetoresistive element.

그러나 1~2㎛씩의 갭(gap)을 이루는 미세가공이 어렵고, 기판상에 절연성 자성 집속체를 형성한 후 비자성 절연층 및 강자성체 패턴 등을 형성하는 제조공정이 복잡하여 제조원가면에서나 효율면에서 바람직하지 못한 결과를 나타내고 있다.However, it is difficult to make micromachining with a gap of 1 ~ 2㎛, and the manufacturing process of forming an insulating magnetic concentrator on a substrate and then forming a nonmagnetic insulating layer and a ferromagnetic pattern is complicated. Shows undesirable results.

따라서 본 발명에서는 상기의 종래기술의 문제점을 극복하고, 간단한 제조공정으로 반자계를 감소시켜 효율을 높여, 저비용으로 고감도의 자기 저항 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to overcome the problems of the prior art, to increase the efficiency by reducing the semi-magnetic field in a simple manufacturing process, to provide a method of manufacturing a high sensitivity magnetoresistive element at low cost.

상기의 목적을 달성하고자 본 발명에서는 자계감지부 패턴과 동일한 면상에(기판상에) 자계감지효율을 높이기 위한 자계집속부를 양쪽 측면에만 설치하며, 이 자계집속부를 고투자율 금속 자성체 박막으로 형성한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a magnetic flux concentrator is installed on both sides of the magnetic field concentrator to increase magnetic field sensing efficiency on the same surface (on a substrate) as the magnetic field sensing pattern, and the magnetic flux concentrating portion is formed of a high permeability metal magnetic thin film.

자계집속부 및 자계감지부의 재료를 각각 Ni-Co 및 Ni-Fe 합금인 것으로 사용할 수 있다.Materials of the magnetic field concentrating portion and the magnetic field sensing portion can be used as Ni-Co and Ni-Fe alloys, respectively.

본 발명에서의 자기 저항 소자에 대한 제조공정은 포토리소그래픽공정(Photo lithographic process : 사진 식각공정)을 이용하는데, 포토리소그래픽공정은 웨이퍼 표면 위에 있는 재료층에 마스크로부터 설정된 패턴을 형성시키는 공정으로 구성된다.The manufacturing process for the magnetoresistive element in the present invention uses a photo lithographic process (photo lithographic process), which is a process of forming a set pattern from a mask on a material layer on the wafer surface. It is composed.

하기 기술된 단계들을 통해 본 발명에서의 자기 저항 소자를 제조하는 방법을 상세히 설명하면, (a) 기판(1)상에 고주파(RF) 스퍼터링방법을 이용하여 82wt%의 Ni과 18wt%의 Fe합금 박막(웨이퍼)을 두께 500~2000Å으로 형성한다(제5a도).The method of manufacturing the magnetoresistive element according to the present invention will be described in detail through the steps described below. (A) 82 wt% Ni and 18 wt% Fe alloy using a high frequency (RF) sputtering method on the substrate 1; A thin film (wafer) is formed to a thickness of 500 to 2000 mm 3 (Fig. 5a).

(b) 웨이퍼 표면에 포토레지스트(PR)를 균일한 층으로 코팅하다(제5b도).(b) The photoresist PR is coated with a uniform layer on the wafer surface (FIG. 5B).

(c) 포토리소그래픽 공정에 의해(웨이퍼위에 직접 그리고 반복과정을 통해 마스크의 패턴을 설정하는 공정) 패턴이 설정된 마스크가 포토레지스트 표면 위에 놓이는 상태(제5a도)에서 웨이퍼 마스크 시스템은 마스크 얼라이너에서 적외선 광원에 노출되어, 노출된 부분의 PR은 경화된 후 PR이 현상되어 린스되어 제거되고, 노출되지 않은 PR부분이 제5c'도에 도시된 바와 같이 패턴을 형성한다.(c) The wafer mask system is a mask aligner in which a patterned mask is placed on the surface of the photoresist by a photolithographic process (a process of setting a pattern of a mask directly on a wafer and through an iterative process) (Fig. 5a). Is exposed to an infrared light source, the PR of the exposed portion is cured and then PR is developed and rinsed and removed, and the unexposed PR portion forms a pattern as shown in FIG. 5C '.

(d) 습식 에칭(Wet etching) 방법에 의해 Ni-Fe 합금 박막을 형성한다(제5d도).(d) A Ni-Fe alloy thin film is formed by a wet etching method (FIG. 5d).

제5c'도에 도시된 바와 같은 웨이퍼를 불화수소산 용액에 담그면 포토레지스트가 제거된 부분의 Ni-Fe 합금 박막은 에칭되지만(제거됨) 포토레지스트에 영향을 주지 않는다.Dipping a wafer as shown in FIG. 5C 'into a hydrofluoric acid solution etches (removes) the Ni-Fe alloy thin film in the portion where the photoresist has been removed but does not affect the photoresist.

(e) 아세톤으로 PR을 린스하여 제거한다(제5e도).(e) Rinse the PR with acetone to remove it (Figure 5e).

(f) 1㎛ 두께의 PR을 코팅한 후(제5f도) Lift-off 방식을 이용하여, 자계집속부 위치(4)만 다시 PR을 제거한다(제5f'도).(f) After coating the PR having a thickness of 1 탆 (FIG. 5f), only the magnetic field focusing portion 4 is removed again using the Lift-off method (FIG. 5f ').

(g) 고주파 자기 스퍼터링법을 사용하여 82wt%의 Ni, 18wt%의 Fe 합금 박막을 자계감지부(2')에만 1㎛의 두께로 제조한다(제5g도).(g) A 82 wt% Ni and 18 wt% Fe alloy thin film was manufactured to have a thickness of 1 μm only in the magnetic field sensing portion 2 ′ using the high frequency magnetic sputtering method (FIG. 5 g).

Ni-Fe 합금 박막의 두께와 제e단계에서의 PR의 두께를 동일하게 한다.The thickness of the Ni—Fe alloy thin film is equal to the thickness of PR in the e stage.

(h) 아세톤 또는 PR 제거제로 PR을 제거한다(제5h도). 그 결과 고투자율 자계집속부(5)가 양쪽 측면에 Ni-Fe 합금의 재료로 형성된다.(h) PR is removed with acetone or PR remover (FIG. 5h). As a result, the high magnetic permeability magnetic field concentrating portion 5 is formed of Ni-Fe alloy material on both sides.

(i) 핀 홀(pin hole)을 방지하기 위해 유기물 수지의 일종인 에폭시(epoxy)(6)를 코팅한다(제5i도).(i) coating epoxy (6), which is a kind of organic resin, to prevent pin holes (Fig. 5i).

(j) 절연 보호막(7)으로서 Al2O3, SiO2, AIN 등을 두께 200~500Å으로 코팅한다.(j) Al 2 O 3 , SiO 2 , AIN and the like are coated with a thickness of 200 to 500 kPa as the insulating protective film 7.

상기와 같은 단계의 제조공정을 거쳐 자기 저항 소자를 제조하면 자계감지부의 양측에 고투자율 금속재료(Ni-Fe 합금)의 자계집속부를 설치함으로서 보다 큰 저항 변화율을 얻어서 고감도의 저항 소자를 이룰 수 있다.When the magnetoresistive element is manufactured through the above-described manufacturing process, a magnetic resistive part of a high permeability metal material (Ni-Fe alloy) is provided on both sides of the magnetic field sensing part to obtain a higher resistance change rate, thereby achieving a high sensitivity resistance element. .

저항 소자들의 외부 자장의 변화에 따른 저항의 변화율을 제6도에 도시하였다. 그 결과는 다음과 같다. 자계집속부가 없는 경우(1)의 저항 변화율의 최대값은 1.5%이었고, 종래의 소자의 경우(2) 즉, Mn-Zn 또는 Ni-Zn 페라이트의 자계집속부를 사용하여 패턴들 사이에(제2도 참조) 또는 자계감지 패턴의 하부에(제3도 참조) 자계집속부를 형성한 경우 최대 저항 변화율은 3.5%이었다.6 shows the change rate of the resistance according to the change of the external magnetic field of the resistive elements. the results are as follow. The maximum value of the change rate of resistance in the case of no magnetic field concentrating part (1) was 1.5%, and in the case of the conventional device (2), that is, between the patterns using the magnetic field concentrating part of Mn-Zn or Ni-Zn ferrite (second). The maximum resistance change rate was 3.5% when the magnetic field converging portion was formed below the magnetic field sensing pattern (see FIG. 3).

본 발명의 제조공정을 통한 자계감지부를 형성할 경우(3)의 최대 저항 변화율은 3%이었으나, 결과적으로 본 발명의 소자가 종래의 소자의 경우와 거의 유사한 정도의 최대 저항 변화율을 얻어면서도 그 제조공정이 현저하게 용이하고 표 1에 기재된 바와같이 수율이 30%이상 우수하여 수득률 및 제조비용면에서 현저한 발전을 이루게 되었다.In the case of forming the magnetic field sensing unit through the manufacturing process of the present invention (3), the maximum resistance change rate was 3%, but as a result, the device of the present invention obtained the maximum resistance change rate almost similar to that of the conventional device, The process is remarkably easy and the yields are excellent, as shown in Table 1, by more than 30%, resulting in significant advances in yield and manufacturing costs.

[표 1]TABLE 1

Figure kpo00001
Figure kpo00001

Claims (5)

기판상에 합금 박막을 형성하는 공정과; 그 위에 포토레지스트(PR)을 균일하게코팅하는 공정; 포토마스크 공정으로 자계감지부와 동일한 패턴의 PR을 형성하는 공정; 습식에칭에 의해 자계감지부 패턴의 합금 박막을 형성시키는 공정; 아세톤 등으로 PR을 핀스하여 제거함으로서 자계감지부를 형성시키는 공정; 자계감지부가 형성된 기판에 PR을 코팅하여 Lift-off 방식으로 자계집속부 위치의 PR을 제거한 후 고주파 자기 스퍼터링법으로 자계집속부에 합금 박막을 PR과 동일 두께로 형성하여 남은 PR를 제거함으로서 자계집속부를 형성시키는 공정; 유기물 수지를 코팅한 후 절연보호막을 코팅하는 공정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자의 제조방법.Forming an alloy thin film on the substrate; Uniformly coating the photoresist PR thereon; Forming a PR having the same pattern as the magnetic field sensing unit by a photomask process; Forming an alloy thin film having a magnetic field sensing portion pattern by wet etching; Forming a magnetic field sensing unit by pinning and removing PR with acetone or the like; PR is coated on the substrate on which the magnetic field sensing unit is formed to remove the PR at the position of the magnetic field concentrating part by a lift-off method, and then the high frequency magnetic sputtering method forms an alloy thin film at the magnetic field concentrating part with the same thickness as the PR to remove the remaining PR. Forming a part; Coating an organic protective film and then coating an insulating protective film; Method of manufacturing a magnetoresistive element, characterized in that consisting of. 제1항에 있어서, 일정간격의 자계감지부 패턴의 양측에 자계집속부를 동일평면상에 형성시키는 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자의 제조방법.The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetic field focusing portions are formed on the same plane on both sides of the magnetic field sensing portion pattern at a predetermined interval. 제1항에 있어서, 상기 자계집속부가 고투자율 금속자성체 재료인 Ni-Co 또는 Ni-Fe 합금인 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자의 제조방법.The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetic field focusing portion is Ni-Co or Ni-Fe alloy which is a high permeability metal magnetic material. 제1항에 있어서, 상기 자계집속부가 두께가 1㎛ 이상이고, 상기 자계감지 패턴의 폭이 10㎛, 두께가 500~2000Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자의 제조방법.The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetic field focusing portion has a thickness of 1 µm or more, a width of the magnetic field sensing pattern is 10 µm, and a thickness of 500 to 2000 GPa. 제2항에 있어서, 상기 Ni-Fe 합금의 조성이 82wt%의 Ni 및 18wt%의 Fe인 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자의 제조방법.The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 2, wherein the Ni-Fe alloy has a composition of 82 wt% Ni and 18 wt% Fe.
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