KR100996712B1

KR100996712B1 - 자기 센서 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR100996712B1
Application number: KR20080056029A
Authority: KR
Inventors: 주니치 아즈미; 후토요시 코우; 아키히로 후세
Original assignee: 가부시키가이샤 리코
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2010-11-25
Also published as: CN101325210A; KR20080109683A; CN101325210B; JP5157611B2; DE602008000820D1; JP2009020092A

Abstract

복수의 축을 갖고 적은 공정 단계수로 제조 가능한 자기 센서를 개시한다. 이 자기 센서는 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 고정 저항기를 각각 포함하는 복수의 센서 브리지 회로를 포함한다. 상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 각각의 상기 자기장 검출기는 자기저항 효과 소자로 형성되고, 상기 자기장 검출기들의 자성 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차한다. 상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하고, 상기 센서 브리지 회로 각각의 상기 자기장 검출기 쌍은 상기 동일 경사면에 배치된다.

Description

자기 센서 및 이의 제조 방법{MAGNETIC SENSOR AND PRODUCTION METHOD THEREOF}

본원발명은 자기저항 소자(magneto-resistance element)를 이용한 자기 센서와 그 자기 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.

관련 분야에서, 자기저항 소자를 가지는 다양한 종류의 센서들이 존재한다. 그리고 그러한 종류의 센서들은 자기저항 효과 소자(MR element), 자기 임피던스 소자(MI element), 플럭스게이트 센서, 반도체 홀 효과 센서 등을 포함한다.

예를 들어, MI 소자(자기 임피던스 소자)를 사용하는 MI 센서의 경우에, 그것은 MI 센서를 쉽게 가늘고 작도록 만들 수 있고, 추가적인 개량이 이루어질 수 있다.

MR 소자에 관해서는, MR 소자에 고주파수 전류(high-frequency current)가 흐를 때, MR 소자의 고주파수 임피던스(high-frequency impedence)는 자기장(magnetic field)에 따라 변한다. 그리고 자기장에 의해 야기되는 높은 주파수 임피던스(high-frequency impedence)의 변화를 이용해서 자기장의 세기(field strength)를 검출하는 것이 가능하다. 거대 자기저항 소자(Giant Magneto- Resistive element, GMR 소자라 함) 그리고 터널 자기저항(TMR) 소자는 자기저항(MR) 효과 소자들을 이용한 자기 센서로 잘 알려져 있다.

GMR 소자는 교대로 적층된 강자성층 및 비강자성층을 포함하고, 두 이웃하는 자성층 사이의 자화 방향이 외부 자기장의 힘에 따라 평행 상태와 역평행 상태 사이에서 변할 때 발생하는 다양한 저항을 이용하여 자기장의 세기(field strength)를 검출한다.

TMR 소자는 절연막(insulating film)이 사이에 개재된 상태로 적층된 자성 박막(magnetic thin film)을 포함한다. TRM 소자에 있어서, 전도에 기여하는 전자들은 그것의 스핀을 유지하는 동안에 터널링 현상(tunneling phenomenon)에 의해 절연막을 관통한다. 이에 의해, 터널링 계수(tunneling coefficient)는 이러한 과정에서의 자화 현상에 따라 변한다. TRM 소자는 다양한 터널링 계수를 이용하여 자기장의 세기를 검출한다.

그러한 자기저항 효과 소자(MR element)는 자화 방향이 하나의 특정 방향으로 확정(고정)되어 있는 핀드층(pinned layer 또는 fixed layer)과 외부 자기장의 방향에 따라 자화 방향이 변하는 프리층(free layer)를 포함한다. 상기 자기 센서는 외부 자기장의 자화 방향에 따라 변하는 프리층의 자화 방향과 외부 자기장의 검출 중에 고정된 핀드층의 자화 방향 사이의 상대적인 관계에 따라 저항이 변한다는 사실을 이용해 외부 자기장의 방향을 검출한다.

최근 몇 년 사이에, 자동차 네비게이션 장치 및 이동 전화와 같은 GPS(Global Position System)을 이용한 장치들이 폭넓게 사용되었다. 이러한 장치 중에서, GPS 위성들로부터의 전자기파가 차단되는 지역에서 현재 위치를 확인하는 어플리케이션의 경우에는 아주 작은 전자 센서들이 요구된다. 이러한 목적을 위해, 실리콘웨이퍼(silicon wafer)에 형성되고 IC(Integrated Circuit)와 통합될 수 있는 자기 센서가 아주 적절하다. 추가적으로, 자기 센서는 또한 2 차원 평면 또는 3차원 공간에서 방향 검출에 요구된다.

예를 들어, 일본 특허 Gazette No. 3498737(이하, '인용 1'이라 함)은 2 차원 평면에서 방향 검출을 할 수 있는 자기 센서에 관해 공개하고 있다.

3 차원 공간에서 방향 검출을 할 수 있는 자기 센서는 Japanese Laid Open Application No. 2003-008101(이하, '인용 2'라 함), Japanese Laid Open Application No. 2006-010591(이하, '인용 3'이라 함) 및 Japanese Laid Open Application No.2006-308573(인하, '인용 4'라 함)에 공개되어 있다.

인용 1에 있어서, 자기저항 효과 소자들은 상호 수직인 두 개의 방향(예를 들어, X 방향, Y 방향)에 따라 자기장의 변화를 검출하기 위해 서로 수직이 되도록 하나의 기판 평면에 배열된다. 추가적으로, 두 개의 방향 각각에 있어, 복수 자기저항 효과 소자들이 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 형성하기 위해 연결된다.

인용 2는 TRM 소자들을 이용하는 기술을 공개한다. 인용 2에 있어, 각각이 하나의 축을 따라 자기장의 변화를 검출할 수 있는 일축 TRM 소자들은 3축 방향 센서를 형성하기 위한 결합 기술을 이용해 서로에게 수직인 세 개의 축을 따라 독립적으로 결합된다.

인용 3에 있어서, MR 소자들로부터 형성되는 2 축 자기장 검출기 및 일축 자기장 검출기는 플렉시블 기판에 형성되고, 3축 방향 센서는 플렉시블 기판과 2 축 자기장 검출기 및 일축 자기장 검출기에 전기적으로 연결된 박막 전도성 부재를 벤딩하는 것에 의해 얻어진다.

인용 4에 있어서, 자기저항 효과 소자들은 수직하는 두 방향(예를 들어, X 방향, Y 방향)에 따라 자기장의 변화를 검출하기 위해 기판 평면에서 서로 수직하도록 배열된다. 더욱이, 자기저항 효과 소자들은 Z 방향을 따라 자기장의 변화를 검출하기 위해 기판상에 형성된 경사진 면에 배열된다. 더욱이, 3 방향 각각에 있어서 복수 자기저항 효과 소자들이 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 형성하기 연결된다.

상기에서 설명한 바와 같이, 서로 수직인 3 축 방향에 일축 자기 소자들이 결합되어 형성되는 인용 2에 공개된 3축 자기 센서, 플렉시블 기판상에 2 축 자기장 검출기 및 1 축 자기장 검출기가 배열되어 플렉시블 기판을 벤딩하는 것에 의해 형성된 인용 3에서 개시된 3 축 자기 센서와 같은 여러 종류의 3 축 자기 센서들이 존재한다.

그러나, 인용 2에 개시된 3 축 방향 센서는 3 차원적 결합 때문에 3 축들의 수직성(perpendicularity)의 정확성을 향상시키기 어렵고, 전기 배선들의 상호 결합이 복잡하고 그리고 3 축 방향 센서가 상대적으로 커지게 된다.

인용 3에 공개된 3 축 방향 센서에 있어서, 2 축 자기장 검출기들의 자화 방향들의 상대적인 위치 관계의 정확성, 구체적으로 축들에서의 핀드층의 자화 방향 들은 매우 높게 만들어질 수 있다. 반면, 1 축 자기장 검출기에 관한 2 축 자기장 검출기들의 상대적인 위치 관계의 정확성은 플렉시블 기판의 벤딩 방법에 의해 결정된다. 그리고 이러한 목적으로 위해, 2 축 자기장 검출기 및 1 축 자기장 검출기의 자화 방향들의 상대적인 위치 관계의 정확성은 2 축 자기장 검출기들의 자화 방향들의 상대적 위치 관계의 정확성보다 낮다. 추가적으로, 플렉시블 기판을 벤딩 및 고정을 위해, 일정한 오버랩 범위(overlap width)가 요구되고, 이것은 플렉시블 기판을 고정하기 위해 두껍고 큰 기판 부재를 야기한다.

3 축들 사이의 상대적인 위치의 정확성에 대한 불확실성은 외부 자기장의 측정된 결과로부터 얻어지는 위치 정확성의 경사를 야기한다.

더욱이, 3 축 방향 센서가 이동 전화 또는 다른 장치들에 장착되는 경우에는 작고 얇은 자기 센서들을 요구한다. 하지만, 인용 2 및 인용 3에 공개된 3 축 방향 센서들은 이러한 면에 있어서 제한이 있다.

인용 4에 공개된 방향 센서들은 인용 2 및 인용 3에 개시된 방향 센서들에 존재하는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 자기저항 효과 소자(MR element)를 사용하는 자기 센서는 자화 방향이 특정 방향으로 고정된 핀드층과 외부 자기장의 방향에 따라 자화 방향이 변하는 프리층을 가진다. 자기 센서는 외부 자기장의 방향에 따라 변하는 프리층의 자화 방향과 외부 자기장이 검출되는 동안 고정된 핀드층의 자화 방향 사이의 상대적인 관계에 따라 저항이 변한다는 사실을 이용해 외부 자기장의 방향을 검출한다. 그러므로, 핀드층의 자화 방향은 다중 축 방향에서 최적 방향과는 차이가 있다. 핀드층의 자화 방향은 자기장에 주어진 온도에서 열처리에 의해 결정된다. 이러한 이유 때문에, 동일 기판상의 2 축 혹은 다중 축 센서들에 있어서 각각의 축에 대해, 자화 방향은 인용 1 및 인용 4에 개시된 바와 같이 핀드층을 자화하기 위해 변한다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하는 것으로, 기판상에 배치된 3 축 자기 센서의 세 축들의 상대적인 위치 관계의 정확성을 3 축 자기 센서를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 브리지 회로(bridge circuit)를 형성하도록 연결된 기준 저항들이 동일 기판 상에 형성되도록 할 수 있고, 미리 정해진 방향을 갖는 자기장에서의 열처리에 의해 모든 축의 핀드층의 동시 자화를 가능하게 하는 자기 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 복수의 축을 갖는 자기 센서를 제공함과 동시에, 그 자기 센서를 적은 공정 단계수를 통해 제조할 수 있게 하는 제조 방법을 제공한다.

본원발명의 제1 측면에 따르면, 자기 센서는

기판; 및

상기 기판상에 배치된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 고정 저항기를 각각 포함하는 복수의 센서 브리지 회로를 포함하고,

상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 각각의 상기 자기장 검출기는 자기저항 효과 소자로 형성되고, 상기 자기장 검출기들의 자화 방향은 3 차원 공간에서(in a 3 dimensional manner) 서로 교차하며,

상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하고,

상기 센서 브리지 회로의 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 상기 동일 경사면에 배치되어 있다.

바람직하게는, 상기 기판은 (100)단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향들이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 경사면 각각은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고, 상기 센서 브리지 회로 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 경사면에 배치된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 자기 센서는

기판; 및

제 1 센서 브리지 회로, 제 2 센서 브리지 회로 및 제 3 센서 브리지 회로를 포함하고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각은, 상기 기판에 배치되고 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 기준 저항기를 포함하고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항효과 소자로 형성되고, 상기 기준 저항기 각각은 외부 자기장에 의해 영향받지 않는 일정한 저항값을 갖고, 상기 자기장 검출기의 자화 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하며,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각의 자기장 검출기는 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치되고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 하나에 있어 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치된다.

바람직하게는, 상기 기판은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 각각의 경사면은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각의 상기 자기장 검출기는 3 차원 공간에서 법선 방향들이 서로 교차하는 경사면 상에 배치되고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 동일한 브리지 회로에 있어 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치된다.

바람직하게는, 상기 고정 저항기 각각은 상기 자기장 검출기들과 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하고, 사이에 전기적 절연의 절연 부재를 갖는 자기 쉴드막으로 커버되어 있다.

바람직하게는, 상기 고정 저항기는 상기 기판 상에 형성된 경사면 상에 배치된다.

바람직하게는, 상기 자기저항 효과 소자는 터널 자기저항 효과 소자를 포함한다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 자기 센서의 제조 방법은

기판을 준비하는 단계;

법선 방향이 3 차원 공간에서 서로 교차하는 복수의 경사면을 상기 기판상에 형성하는 단계;

동일 경사면의 복수의 센서 브리지 회로 각각에 한 쌍의 자기장 검출기를 배치하는 단계; 및

기판을 가열하면서 상기 기판의 표면에 수직 방향으로 자기장을 인가함에 의해 상기 자기장 검출기 각각의 핀드 층을 자화하는 단계를 포함하며,

상기 센서 브리지 회로 각각은 상기 기판상에 배치된 상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기를 포함하고, 상기 한 쌍의 자기장 검출기들과 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항 효과 소자로 형성된다.

바람직하게는, 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드 부재에 의해 상기 고정 저항기 각각을 커버하는 단계를 더 포함하고,

상기 고정 저항기 각각은 자기장 검출기와 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함한다.

본원발명의 상술한 것 이외 다른 목적, 특징들 및 이점들은 이어지는 도면을 참조하여 주어지는 바람직한 실시예들의 하기 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 된다.

상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 센서 브리지 회로의 자기장 검출기들은 3 차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향들을 갖는 경사면 상에 배치되고, 동일 센서 브리지 회로의 한 쌍의 상기 자기장 검출기들은 상기 동일 경사면에 배치되기 때문에, 상기 자기장에서 상기 기판을 단지 한번 가열하는 동안 자기장을 일 방향으로 인가함으로써, 상기 자기장 검출기들의 핀드층을 한 방향으로 자화하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 다른 좌표계의 핀드층의 자화 방향이 3차원 공간에서 서로 교차하는 3개 방향으로의 자화를 구현할 수 있다. 따라서, 제조 공정수를 감소시킬 수 있고 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판 상의 일체 배치(integral)가 가능하기때문에, 자기 센서를 작고 얇게 만들 수 있고, 많은 수의 자기 센서를 제조할 수 있다. 즉, 생산성이 향상된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원발명의 바람직한 실시예들이 설명된다.

본원발명의 자기 센서는 기판; 및 상기 기판상에 배치된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 고정 저항기를 각각 포함하는 복수의 센서 브리지 회로를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 각각의 상기 자기장 검출기는 자기저항 효과 소자로 형성되고, 상기 자기장 검출기들의 자화 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차한다. 상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하고, 상기 센서 브리지 회로의 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 상기 동일 경사면에 배치되어 있다.

상술한 구성에 따르면, 기판은 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 복수의 경사면을 갖고, 각각의 센서 브리지 회로 내의 상기 1쌍의 자기장 검출기는 동일 경사면에 배치된다.

그 결과, 한 방향으로 자기장을 인가하면서 상기 기판을 단 1번 가열함으로써, 상기 자기장 검출기의 핀드층을 한 방향으로 자화시킬 수 있고, 다른 좌표계의 핀드층의 자화 방향이 3차원 공간에서 서로 교차하는 3개 방향으로의 자화를 구현할 수 있다. 따라서, 제조 공정수를 감소시킬 수 있고 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판 상의 일체 배치(integral mounting)가 가능하기때문에, 자기 센서를 작고 얇게 만들 수 있고, 많은 수의 자기 센서를 제조할 수 있다. 즉, 생산성이 향상된다.

상술한 구성에 따르면, 상기 기판은 (100)단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향들이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 경사면 각각은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고, 상기 센서 브리지 회로 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 경사면에 배치 된다.

또한, 자기 센서가 배치되는 경사면은 결정면에 의해 규정되기 때문에, 다른 축 방향의 자기 센서들의 위치 정밀도가 매우 높고, 3축 방향의 위치 관계가 결정면의 위치 관계에 의해 일의적으로(uniquely) 정해진다. 따라서, 소자간 변동이 적은 자기 센서를 제조할 수 있게 된다.

다른 실시예로서, 본 발명의 자기 센서는, 기판; 및 제 1 센서 브리지 회로, 제 2 센서 브리지 회로 및 제 3 센서 브리지 회로를 포함할 수 있다. 상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각은, 상기 기판에 배치되고 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 기준 저항기를 포함하고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항효과 소자로 형성되고, 상기 기준 저항기 각각은 외부 자기장에 의해 영향받지 않는 일정한 저항값을 갖고, 상기 자기장 검출기의 자화 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차한다. 상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차한다. 상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각의 자기장 검출기는 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치되고, 상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 하나에 있어 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치된다.

상술한 구성에 따르면, 기판은 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 복수의 경사면을 갖고, 제1 센서 브리지 회로, 제2 센서 브리지 회로 및 제3 센서 브리지 회로 각각 내의 상기 자기장 검출기는 3차원 공간에서 서로 교차하는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치되고, 제1 센서 브리지 회로, 제2 센서 브리지 회로 및 제3 센서 브리지 회로의 동일 브리지 회로(하나의 브리지 회로) 내의 상기 1쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치된다.

그 결과, 한 방향으로 자기장을 인가하면서 상기 기판을 단 1번 가열함으로써, 상기 자기장 검출기의 핀드층을 한 방향으로 자화시킬 수 있고, 다른 좌표계의 핀드층의 자화 방향이 3차원 공간에서 서로 교차하는 3개 방향으로의 자화를 구현할 수 있다. 따라서, 제조 공정수를 감소시킬 수 있고 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판 상의 일체 배치가 가능하기때문에, 자기 센서를 작고 얇게 만들 수 있고, 많은 수의 자기 센서를 제조할 수 있다. 즉, 생산성이 향상된다.

바람직하게는, 상기 기판은 (100)단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향들이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 경사면 각각은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고, 상기 제 1, 제2, 및 제3 센서 브리지 회로 각각의 상기 자기장 검출기는 3차원에서 서로 교차하는 동일 법선 방향을 갖는 경사면에 배치되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 센서 브리지 회로의 동일 브리지 회로(하나의 브리지 회로) 내의 상기 1쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면에 배치된다.

상술한 구성에 따르면, 상기 기판은 (100)단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향들이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 경사면 각각은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고, 상기 제1, 제2, 및 제3 센서 브리지 회로 각각의 상기 자기장 검출기는 3차원에서 서로 교차하는 동일 법선 방향을 갖는 경사면에 배치되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 센서 브리지 회로의 동일 브리지 회로(하나의 브리지 회로) 내의 상기 1쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면에 배치된다.

또한, 자기 센서가 배치되는 경사면은 결정면에 의해 규정되기 때문에, 다른 축 방향의 자기 센서들의 위치 정밀도가 매우 높고, 3축 방향의 위치 관계가 결정면의 위치 관계에 의해 일의적으로(uniquely) 정해진다. 따라서, 소자간 변동이 적 은 자기 센서를 제조할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 고정 저항기 각각은 상기 자기장 검출기들과 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하고, 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드막으로 커버되어 있다.

상술한 구성에 따르면, 상기 고정 저항기 각각은 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드막으로 커버되어 있기 때문에, 상기 고정 저항기는 상기 자기 센서가 자기저항 효과 소자의 외부 자계에 민감한 때에도 외부 자계의 영향 없이 일정한 저항을 가진다. 추가적으로, 상기 각각의 고정 저항기는 상기 자기장 검출기와 동일 층 구조로부터 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하기 때문에, 상기 자기 센서는 일정한 온도 특성을 갖고, 이에 따라 안정된 성능을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 고정 저항기는 상기 기판 상에 형성된 경사면 상에 배치될 수 있다.

상술한 구성에 따르면, 자기 센서에 의해 점유되는 면적이 작고, 실리콘 웨이퍼로부터 많은 수의 칩들을 커팅할 수 있어 제조 비용이 저감된다.

상술한 구성에 따르면, 자기저항 효과 소자가 터널 자기저항 효과 소자를 포함하기 때문에, 자기 검출시 전력 소모를 감속시킬 수 있다.

본 발명에 따른 자기 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 법선 방향이 3 차원 공간에서 서로 교차하는 복수의 경사면을 상기 기판상에 형성하는 단계; 동일 경사면의 복수의 센서 브리지 회로 각각에 한 쌍의 자기장 검출기를 배치하는 단계; 및 기판을 가열하면서 상기 기판의 표면에 수직 방향으로 자기장을 인가함에 의해 상기 자기장 검출기 각각의 핀드 층을 자화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 센서 브리지 회로 각각은 상기 기판상에 배치된 상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기를 포함하고, 상기 한 쌍의 자기장 검출기들과 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항 효과 소자로 형성된다.

상술한 구조에 따르면, 전체 기판을 가열하는 동안 수직 방향의 자기장이 기판 표면에 인가되어 자기저항 효과 소자로 형성된 자기장 검출기의 핀드층을 자화(즉, 자화 방향으로 확정)시키기 때문에, 단 하나의 자화 단계를 통해 자기장 검출기의 자화를 완성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제조 방법은 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드 부재에 의해 상기 고정 저항기 각각을 커버하는 단계를 더 포함하고, 상기 고정 저항기 각각은 자기장 검출기와 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함한다.

상술한 구성에 따르면, 자기 검출시 전력 소모를 감속시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명한다.

실시예 1

본 실시예에서, 자기장 검출기들(magnetic detectors)은 소정 각도를 갖는 동일한 경사면 내에 배치된다.

도 1은 자기저항 효과 소자가 브리지 회로에 연결된 제1 실시예에 따른 자기 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도임.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 자기 센서(1)는 기판(4), 기판 상에 배치된 자기장 검출기(2A), 자기장 검출기(2B), 고정 저항기(3A), 고정 저항기(3B), 그루브(grooves: 5A, 5B) (필요시 통칭하여 그루부(5)라 함), 연결 배선(6), 및 본딩 패드(7)을 포함한다.

예를 들어, 자기장 검출기(2A, 2B), 고정 저항기(3A, 3B)는 터널 자기저항(TMR) 소자이다. 또한 자기장 검출기(2A, 2B) 및 고정 저항기(3A, 3B)는 동일한 층 구성을 갖는다. 각각의 고정 저항기(3A, 3B)에서, 외부 자계에 대한 감도를 감소시키기 위해 자기 쉴드막(magnetic shielding film)이 제공된다. 자기 쉴드막은 아래 기재된 바와 같이 설명된다.

본 실시예에서, 자기 센서(1)의 기판(4)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성된 것이다. 각각 100 ㎛의 깊이를 갖는 2개의 그루브(5A, 5B)은, 예를 들어, 실리콘 질화물 에칭 마스크와 KOH (수산화칼륨) 에칭액 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 에칭액으로 에칭함으로써 (100) 실리콘 웨이퍼(4)에서 형성된다. 각각의 그루브(5A, 5B)는 각각 기판(4) 면에 대해 55도의 각도를 갖는 4개의 경사면으로 형성된다.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 라인을 따라 자른 단면도로서, 상기 경사면 상에 배치된 자기저항 효과 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(2A, 2B) 및 고정 저항기(3A, 3B)는 기판(4)의 그루브(5A, 5B)의 경사면 상에 배치되어, 자화 방향이 경사면 내에 있게 되도록 함과 동시에, 자화 센싱 방향(magnetization sensing directions)이 상기 경사면의 깊이 방향으로 되고 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(2A, 2B) 및 고정 저항기(3A, 3B))의 길이방향과 교차하도록 자화 방향(magnetization directions)이 결정된다.

본 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 그루브(5A 및 5B)의 바닥면은 평평한 면, 즉 기판(4)의 표면에 거의 평행한 면이지만, 그루브(5A 및 5B)의 바닥면은 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 그루브(5A 및 5B)의 바닥면은 평평한 부분이 없는 V자형일 수 있다. 이 경우, 그루브(5A 및 5B)에 의해 점유되는 면적은 평평한 바닥면의 크기만큼 감소되고, 자기 센서(1)가 작게 만들어질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(2A, 2B)와 고정 저항기(3A, 3B))는 그루브(5A, 5B)의 경사면 상에 서로 대향하여 배치되고, 그루브(5A, 5B)의 경사면 폭의 대부분을 점유한다. 이러한 배치 때문에, V자형 그루브에 가까운 형상으로 구현될 수 있고 자기 센서(1)가 작게 만들어질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(2A, 2B)와 고정 저항기(3A, 3B)는 배선(6)을 통해 연결되어 브리지 회로(도 3 참조)를 구성하고, 입출력단에 해당하는 본딩 패드(7)에 접속된다. 배선(6)은 그루브(5A, 5B) 사이의 공간에 배치된다.

본 실시예에서는 기판(4) 내에 그루브(5A, 5B)가 파여져 있는 것으로 설명되었으나, 역(반대)의 에칭 마스크와 KOH(수산화칼륨) 에칭액 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 에칭액을 사용하여 에칭함으로써 그루브(5A, 5B)는 돌기부로 대체될 수 있다.

그러나, 배선(6)과 본딩 패드(7)는 에칭된 표면 상에 배치되므로 에칭된 표면은 평탄성이 요구된다.

또한, 자기 센서(1)의 기판(4)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼 외에, (110) 실리콘 웨이퍼, 실리콘 외의 다른 반도체, 유리 물질, 세라믹 물질, 비자성 물질, 및 그외 다른 것으로 형성될 수도 있다. 또한 본 실시예에서는 그루브(5A, 5B)가 사각 피라미드의 상부(top portion)을 커팅하여 얻어지는 역 사다리꼴(inversed trapezoidal) 형상을 갖는 것으로 설명되었으나, 상기 그루브(5A, 5B)는 삼각 피라미드 또는 임의의 측면 또는 원뿔을 갖는 다른 피라미드로 형성될 수 있다.

(100) 실리콘 웨이퍼가 기판(4)으로 사용될 때, 기판(4) 표면에 대해 55도 각도로 경사진 (111) 결정면이 KOH 또는 다른 에칭액을 사용하는 이방성 습식 에칭에 의해 안정적으로 형성될 수 있기 때문에, 자기장 검출기(2A, 2B)의 위치 관계가 일정하고, 이에 따라 제조의 재현성이 좋고, 제조 수율이 높다. 따라서, 본 실시예에서는, 기판(4)으로서, (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서, 도 3을 참조하여 자기장 검출기(2A, 2B)와 고정 저항기(3A, 3B)에 의해 형성되는 브리지 회로에 대해 설명한다.

도 3은 브리지 회로를 나타내는 회로도이다.

본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(2A, 2B)는 동일한 경사면 상에 배치되는 반면에, 고정 저항기(3A, 3B)는 서로 평행하면서도 자기장 검출기(2A, 2B)가 배치된 경사면과 다른 2개의 경사면 상에 각각 배치된다. 자기장 검출기(2A, 2B)와 고정 저항기(3A, 3B)는 도 3에 도시된 브리지 회로의 저항(R1, R2, R3, R4)을 구성한다.

도 3에서, R1은 자기저항 검출기(2B)에 해당하고, R2는 고정 저항기(3A)에 해당하고, R3는 고정 저항기(3B)에 해당하고, R4는 자기장 검출기(2A)에 해당한다.

본 실시예의 자기 센서(1)는 브리지 회로를 형성하므로, 전원 전압의 변동, 검출기의 입력 임피던스, 또는 비선형성(non-linearity)에 의존하지 않는(독립적인) 영위법에 의해 높은 정밀도로 자기장을 검출할 수 있다.

다음으로, 자기저항 효과 소자, 특히 본 실시예에서 사용되는 TMR 소자에 대하여 고정 저항기(3A)를 예를 들어 설명한다.

도 4A는 자기저항 효과 소자의 구조을 나타내는 평면도이다.

도 4B는 자기저항 효과 소자의 구조를 설명하기 위해 도 1의 IIIb-IIIb 라인을 따라 자른 단면도이다.

도 4B에 도시된 바와 같이, 고정 저항기(3A)는 프리층(free layer; 21), 핀드층(pinned; 22), 절연층(23), 핀드층(22)측 전극(24), 및 캡층(25)을 포함한다. 또한, 고정 저항기(3A)는 기판(4)과의 절연성을 확보하는 절연층(26)과 패시베이션막(27)로 덮여있다.

도 4A에 도시된 바와 같이, 전극(24)과 캡층(25)을 배선 전극과 접합시키기 위해 핀드층측 콘택홀(31)과 프리층층 콘택홀(32)이 패시베이션막(27)에 형성되어 있고, 전기적 연결을 위한 배선(도시 안함)이 콘택홀(31)과 콘택홀(32)을 통해 배치된다.

프리층(21)은 외부 자계의 방향에 따라 변화하는 자화 방향을 갖는 반면에, 핀드층(22)은 외부 자계의 방향에 따라 변화하지 않는 고정된 자화 방향을 갖는다.

절연층(23)은 프리층(21)과 핀드층(22)에 의해 샌드위칭되어 터널링층(tunneling layer)으로서 기능한다.

TMR 소자인 고정 저항기(3A)에서, 기판(4) 상에 증착된 핀드층(22)은 Fe-Ni와 같은 반강자성체층(antiferromagnetic layer; 22a)과 Co-Fe와 같은 자성체층(22b)으로 형성될 수 있다. 절연층(23)은 핀드층(22) 상에 증착되어 있고, 또한 프리층(21)이 절연층(23) 상에 증착되어 있다.

예를 들어, 절연층(23)은 SiO₂와 같은 절연물질로 형성되거나 Al₂O₃ 또는 MgO 와 같은 비자성 금속산화물로 형성될 수 있고, 프리층(21)은 Co-Fe 또는 Fe-Ni로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 자기저항 효과 소자가 TMR 소자에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, GMR 소자일 수도 있다.

도 5는 3개 세트의 1축 자기 센서를 포함하는 본 실시예에 따른 3축 자기 센서의 구조를 나타낸 개략적인 평면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 3축 자기 센서(1A)는 기판(4), 6개의 자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F; 필요시 통칭하여 "자기장 검출기(2)"라 함), 6개의 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F; 필요시 통칭하여 "고정 저항기(3)"라 함), 5개의 그루브(5A, 5B, 5C, 5D, 5E; 필요시 통칭하여 "그루브(5)"라 함), 12개의 본딩 패드(7), 및 자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F)와 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F) 간의 전기적 연결을 위한 연결 배선(6)을 포함한다.

자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F)와 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F)는 터널 자기저항(TMR) 효과 소자이고, 동일한 층 구조를 갖는다.

3축 자기 센서(1A)의 기판(4)은 (100) 실리콘 웨이퍼이다. 각각 100 ㎛의 깊이를 갖는 5개의 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)는, 예를 들어, 실리콘질화물 에칭 마스크와 KOH(수산화칼륨) 에칭액 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 에칭액으로 에칭함으로써 (100) 실리콘 웨이퍼(4)에 형성될 수 있다. 각각의 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)는 기판(4) 표면에 대해 각각 55도의 각도를 갖는 4개의 경사면으 로 형성된다.

자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F)와 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F)는 기판(4) 내의 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)의 경사면에 배치되어 자화 방향이 경사면 내에 있게 되도록 함과 동시에, 자화 방향은 자화 센싱 방향이 상기 경사면의 깊이 방향으로 되고 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F) 및 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F))의 길이방향과 교차하도록 결정된다.

본 실시예에서, 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)의 바닥면은 평평한 면, 즉, 기판(4) 표면에 거의 평행한 면이지만, 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)의 바닥면은 평평하지 않고 V자형일 수 있다. 이 경우, 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)에 의해 점유되는 면적은 평평한 바닥면의 크기만큼 감소되고, 3축 자기 센서(1A)는 작게 만들어질 수 있다.

자기저항 효과 소자(자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F) 및 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F))는 서로 대향하는 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)의 경사면 상에 배치되고, 그루브(5A, 5B, 5C. 5D, 5E)의 경사면 폭의 대부분을 점유한다. 이러한 배치때문에, V자형 그루브에 가까운 형상으로 구현될 수 있고 자기 센서(1A)가 작게 만들어질 수 있다.

도 5에 도시된 3축 자기장 센서(1A)에서, 자기장 검출기(2A, 2B)는 제1 축방향에 따른 1축 자기장 센서로 기능하고 , 고정 저항기(3A, 3B)와 결합하여 제1 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(2C, 2D)는 제2 축방향에 따른 1축 자기장 센서로 기능하고, 고정 저항기(3C, 3D)와 결합하여 제2 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(2E, 2F)는 제3 축방향에 따른 1축 자기장 센서로 기능하고, 고정 저항기(3E, 3F)와 결합하여 제3 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F) 내의 핀드층(22)의 자화 방향은, 제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로, 및 제3 브리지 회로로 형성된 3개의 1축 자기장 센서들에서 각각 서로 다르다. 특히, X축 및 Z축의 핀드층(22)의 자화 방향은 지면상에서 서로 수직이고, X축 및 Y축의 핀드층(22)의 자화 방향은 지면 상에서 반평행(anti-parallel)하다. 즉, X축, Y축 및 Z축의 핀드층(22)의 자화 방향은 기판 표면에 대해 55도의 각도로 3개의 방향으로 입체적으로 방사한다.

자기장 검출기(2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F)와 고정 저항기(3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F)는, X축, Y축 및 Z축의 핀드층의 자화 방향이 서로 다른 한, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 2

제1 실시예와 유사하게, 본 실시예에서, 일정 각을 갖는 동일한 경사면에 자기장 검출기들이 배치된다.

도 6은 자기저항 효과 소자들이 브리지 회로를 형성하도록 연결된 제2 실시예에 따른 자기장 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 자기 센서(301)는 기판(304), 기판(304) 상에 배치된 자기장 검출기(302A), 자기장 검출기(302B), 고정 저항 기(303A), 고정 저항기(303B), 그루브(305), 연결 배선(306), 및 본딩 패드(307)을 포함한다.

자기 센서(301)에서, 고정 저항기(303A) 및 고정 저항기(303B)는 본딩 패드(307)이 형성된 동일 표면 상에 배치되어 있다.

예를 들어, 자기장 검출기(302A, 302B), 고정 저항기(303A, 303B)는 터널 자기저항(TMR) 소자이고, 동일한 층 구조를 갖는다. 각각의 고정 저항기(303A, 303B)에서, 자기 쉴드막(magnetic shielding film)이 외부 자계에 대한 감도를 감소시키도록 제공된다. 자기 쉴드막을 아래에서 설명한다.

본 실시예에서, 자기 센서(301)의 기판(304)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성된다. 200㎛의 깊이를 갖는 그루브(305)는, 예를 들어, 실리콘 질화물 에칭 마스크와 KOH(수산화칼륨) 에칭액 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 에칭액으로 에칭함으로써 (100) 실리콘 웨이퍼(304)에 형성된다. 그루브(305)는 각각 기판(304) 표면에 대해 55도의 각도를 갖는 4개의 경사면으로 형성된다.

도 7 은 경사면 상에 배치된 자기장 검출기(302A)를 개략적으로 나타내기 위한 도면으로서, 도 6의 XV-XV을 따라 절단된 단면도이다.

도 7 및 도 6에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(302A, 302B)는 기판(4)의 그루브(5A, 5B)의 경사면 상에 배치되어 자화 방향이 경사면 내에 있게 되도록 함과 동시에, 자화 센싱 방향이 상기 경사면의 깊이 방향을 따르고 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(302A, 302B))의 길이방향과 교차하도록 자화 방향이 결정된다.

본 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 그루브(305)의 바닥면은 평평한 면, 즉 기판(304) 표면에 거의 평행한 면이지만, 그루브(305)의 바닥면은 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 그루브(305)의 바닥면은 평평한 부분이 없는 V자형일 수 있다. 이 경우, 그루브(305)에 의해 점유되는 면적은 평평한 바닥면의 크기만큼 감소되고, 자기 센서(301)가 작게 만들어질 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(302A, 302B)와 고정 저항기(303A, 303B)는 배선(306)을 통해 연결되어 브리지 회로(도 3 참조)를 구성하고, 입출력단에 해당하는 본딩 패드(7)에 접속된다.

또한, 자기 센서(301)의 기판(304)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라, (110) 실리콘 웨이퍼, 실리콘 외의 다른 반도체, 유리 물질, 세라믹 물질, 비자성 물질, 및 그외 다른 것으로 형성될 수도 있다. 그러나, (100) 실리콘 웨이퍼가 기판(304)으로 사용될 때, 기판(304) 표면에 대해 55도 각도로 경사진 (111) 결정면이 KOH 또는 다른 에칭액을 사용하는 이방성 습식 에칭에 의해 안정적으로 형성될 수 있기 때문에, 자기장 검출기(302A, 302B)의 위치 관계가 일정하고, 이에 따라 제조의 재현성이 좋고, 제조 수율이 높다. 따라서, 본 실시예에서는, 기판(304)으로서, (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서, 도 3을 참조하여 자기장 검출기(302A, 302B)와 고정 저항기(303A, 303B)에 의해 형성되는 브리지 회로에 대해 설명한다.

본 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(302A, 302B)는 기판(304)의 동일한 경사면 상에 배치되는 반면에, 고정 저항기(303A, 303B)는 기판(304)의 평평한 표면 상에 배치된다. 자기장 검출기(302A, 302B)와 고정 저항 기(303A, 303B)는 도 3에 도시된 브리지 회로의 저항(R1, R2, R3, R4)을 구성한다.

도 3에서, R1은 자기저항 검출기(302B)에 해당하고, R2는 고정 저항기(303A)에 해당하고, R3는 고정 저항기(303B)에 해당하고, R4는 자기장 검출기(302A)에 해당한다.

본 실시예의 자기 센서(301)는 브리지 회로를 형성하므로, 전원 전압의 변동, 검출기의 입력 임피던스, 또는 비선형성(non-linearity)에 의존하지 않는 영위법에 의해 높은 정밀도로 자기장을 검출할 수 있다.

자기저항 효과 소자들(자기장 검출기(302A, 302B)와 고정 저항기(302A, 302B))의 구조는 제1 실시예에서 설명한 바와 같으며, 중복된 설명은 생략한다.

또한, 도 6에 도시된 자기 센서(301)는 1축 자기 센서로 기능할 수 있고, 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 이러한 1축 자기 센서의 3개 세트가 결합되고 적절히 배치되어 3축 자기 센서를 형성한다.

제1 실시예와 마찬가지로, 본 실시예의 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(302A, 302B), 고정 저항기(303A, 303B))는 TMR 소자에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, GMR 소자일 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 자기장 검출기(302A, 302B)가 기판(304)의 그루브(305)의 경사면 상에 배치되는 반면, 고정 저항기(303A, 303B)는 본딩 패드(307)가 형성된 기판(304)의 동일한 평탄면 상에 배치되어 있기 때문에, 자기 센서(301)에 의해 점유되는 면적이 작고, 실리콘 웨이퍼로부터 많은 수의 칩들을 커팅할 수 있어 제조 비용이 저감된다.

실시예 3

본 실시예에서, 자기장 검출기 및 고정 저항기는 동일 그루브의 경사면에 배열된다.

도 8은 자기저항 효과 소자들이 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 제 3 실시예에 따른 자기 센서의 구성을 도식적으로 설명하는 평면도이다.

도 9는 도 8의 XVII-XVII을 따라 절단된 단면을 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 자기 센서(401)는 기판(404), 상기 기판(404) 상에 배치된 자기장 검출기(402A), 자기장 검출기(402B), 고정 저항기(403A), 고정 저항기(403B), 그루브(405), 연결 배선(406) 및 본딩 패드(407)를 포함한다.

상기 자기 센서(401)에서 자기장 검출기(402A), 자기장 검출기(402B), 고정 저항기(403A) 및 고정 저항기(403B)는 동일 그루브(405)의 경사면에 배치된다.

이때, 예를 들어, 자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B)는 TMR 소자이고, 동일 층 구조를 갖는다. 각각의 고정 저항기(403A, 403B)에는 외부 자계의 감도를 감소시키기 위해 자기 쉴드막이 제공된다. 자기 쉴드막은 아래에서 상세히 기술한다.

본 실시예에서, 자기 센서(401)의 기판(404)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성된다. 200μm의 깊이를 갖는 그루브(405)가, 예를 들어, 질화 실리콘 에칭 마스크 및 KOH (potassium hydroxide) 에칭 용액 또는 TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) 에칭 용액를 이용한 에칭에 의해 (100) 실리콘 웨이퍼에 형성된다. 그루브(405)는, 각각의 경사면이 기판(404)의 표면에 대해 55도의 각도를 갖는 네 개의 경사면으로 형성된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 그루브(405)의 바닥면은 평평하다, 즉 기판(404)의 표면과 거의 평행하다. 그러나, 그루브(405)의 바닥면은 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들면, 그루브(405)의 바닥면은 평면부를 갖는 V자형일 수도 있다.

자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B)는 브리지 회로를 형성하도록(도 3 참조) 연결 배선(406)을 통해 연결되며, 입출력단을 제공하는 본딩 패드(407)에 연결된다. 전기적 절연을 위해 절연성 박막(408)이 기판(404)과 본딩 패드(407) 사이에 제공된다. 예를 들면, 절연성 박막(408)은 플라즈마 CVD에 의해 규소산화물로 형성될 수 있다. 특히, 절연성 박막(408)은 층간 절연을 위해 사용될 수 있는 임의의 절연 물질로 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 기판(404)이 실리콘 웨이퍼로 형성되기 때문에, 기판(404)의 열산화에 의해 형성된 규소산화물막이 절연성 박막(408)으로 사용될 수 있다.

두 개의 연결 배선(406)이 서로 교차하여 배치된다. 두 개의 연결 배선(406)이 서로 직접 접촉하지 않도록 하기 위해, 도 9에 도시된 바와 같이 두 개의 연결 배선(406) 사이의 절연을 보호하기 위한 층간 절연층(409)이 형성된다. 예를 들면, 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 형성된 규소산화물막이 층간 절연층(409)으로 사용될 수 있다. 층간 절연막(409)이 두 개의 연결 배선(406) 사이의 절연을 보호할 수 있는 한, 층간 절연막(409)은 규소산화물막으로 한정되지 않으며, 층간 절연 막(409)의 생성 방법도 플라즈마 CVD로 한정되지 않는다.

패시베이션막(절연성 박막)(410)이 습기 및 먼지를 방지하기 위해 연결 배선(406), 본딩 패드(407) 및 자기장 검출기(402A), 자기장 검출기(402B), 고정 저항기(403A) 및 고정 저항기(403B)를 덮도록 제공된다. 예를 들면, 패시베이션막(410)은 플라즈마 CVD에 의한 규소산화물로 형성될 수 있다. 특히, 패시베이션막(410)은 층간 절연을 위해 사용될 수 있는 임의의 절연 물질로 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다.

자기 센서(401)의 기판(404)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라, (110) 실리콘 웨이퍼, 실리콘 이외의 반도체, 유리 물질, 세라믹 물질, 비자기 금속 등으로 형성될 수도 있다. 그러나, (100) 단결정 실리콘 웨이퍼가 기판(404)으로 사용될 때, 기판(404)의 표면에 대해 55도의 각도로 경사진 (111) 결정면이 KOH 또는 다른 에칭 용액을 사용하는 이방성 습식 에칭에 의해 안정되게 형성될 수 있기 때문에, 자기장 검출기(402A, 403B)의 위치 관계가 일정하고, 따라서 제조 생산성이 우수하며 제조 생산량이 높다. 따라서, 본 실시예에서는 기판(404)으로 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B)로 구성된 브리지 회로를 도 3을 참조하여 설명한다.

본 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(402A) 및 자기장 검출기(402B)는 그루브(405)의 동일 경사면에 배치되고, 고정 저항기(403A) 및 고정 저항기(403B)는 자기장 검출기(402A) 및 자기장 검출기(402B)가 배치된 경사면 반대편의 그루브(405)의 동일 경사면에 배치된다. 자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B)는 도 3에 도시된 브리지 회로의 저항 R1, R2, R3 및 R4를 구성한다.

도 3에서, R1은 자기장 검출기(402B)에 해당하고, R2는 고정 저항기(403A)에 해당하고, R3는 고정 저항기(403B)에 해당하고, R4는 자기장 검출기(402A)에 해당한다.

본 실시예의 자기 센서(401)가 브리지 회로를 구성하기 때문에, 전력 전압의 변화, 검출기의 입력 임피던스, 또는 비선형성과 독립적인 영위법(null method)에 의해 정확하게 자기장을 검출하는 것이 가능하다.

자기저항 효과 소자(자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B))의 구조는 실시예 1에서 기술한 바와 동일하며 중복되는 설명은 생략한다.

또한, 도 8에 도시된 자기 센서(401)는 1 축 자기 센서처럼 동작할 수도 있고, 실시예 1에서 기술된 바와 같이 이러한 1 축 자기 센서들의 세 개의 세트가 결합되어 3 축 자기 센서를 형성하도록 배치될 수 있다.

실시예 1과 유사하게, 본 실시예의 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B))는 TMR 소자로 한정되지 않고, 예를 들어 GMR 소자일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 자기장 검출기(402A, 402B) 및 고정 저항기(403A, 403B)는 오직 하나의 그루브(405)에 배치되기 때문에, 자기 센서(401)에 의해 차지되는 영역이 작고, 다수의 칩이 실리콘 웨이퍼에서 생략될 수 있어서 이는 제조 비 용을 감소시킨다.

또한, 고정 저항기(403A, 403B) 역시 그루브(405)의 경사면에 배치되기 때문에, 고정 저항기(403A, 403B)의 온도 특성이 자기장 검출기(402A, 402B)의 온도 특성과 유사하게 제어될 수 있고, 이는 자기장을 정확하게 검출하는 것을 용이하게 한다.

실시예 4

본 실시예에서, 두 개의 자기장 검출기가 서로 평행한 두 개의 경사면에 배치된다.

도 10은 자기저항 효과 소자들이 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 제 4 실시예에 따른 자기 센서의 구성을 도식적으로 설명하는 평면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 자기 센서(101)는 기판(104), 상기 기판(404) 상에 배치된 자기장 검출기(102A), 자기장 검출기(102B), 고정 저항기(103A), 고정 저항기(103B), 그루브(105A, 105B)(필요한 경우 총칭하여 그루브(105)라 함), 연결 배선(106) 및 본딩 패드(107)를 포함한다.

제 1 실시예와 비교하면, 자기장 검출기(102A) 및 고정 저항기(103A)의 위치가 자기장 검출기(2A) 및 고정 저항기(3A)와 상기하고, 그 결과 자기장 검출기(102A) 및 자기장 검출기(102B)가 그루브(105A)의 두 개의 상이한 경사면에 배치된다.

이때, 예를 들어, 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)는 TMR 소자이다. 또한, 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)는 동일 층 구조를 갖는다. 각각의 고정 저항기(103A, 103B)에는 외부 자계의 감도를 감소시키기 위해 자기 쉴드막이 제공된다. 자기 쉴드막은 아래에서 상세히 기술한다.

본 실시예에서, 자기 센서(101)의 기판(104)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성된다. 각 200μm의 깊이를 갖는 두 개의 그루브(105A, 105B)가, 예를 들어, 질화 실리콘 에칭 마스크 및 KOH (potassium hydroxide) 에칭 용액 또는 TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) 에칭 용액를 이용한 에칭에 의해 (100) 실리콘 웨이퍼(410)에 형성된다. 각각의 그루브(105A, 105B)는, 각각의 경사면이 기판(104)의 표면에 대해 55도의 각도를 갖는 네 개의 경사면으로 형성된다.

도 11 은 경사면들에 배치된 자기저항 효과 소자들을 도식적으로 설명하기 위해 도 10의 VII-VII을 따라 절단한 단면도이다.

도 11 및 도 10에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)는 기판(104)에서 경사면 내에 자성 방위(orientation of magnetization)를 갖도록 그루브(105A, 105B)의 경사면에 배치된다. 또한, 자성 센싱 방향이 경사면의 깊이 방향 및 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B))의 길이 방향과의 교차선을 따르도록 자성 방향이 결정된다.

본 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 그루브(105A 및 105B)는 기판(104)의 표면과 거의 평행한 평탄한 바닥을 갖지 않는 V자형이다. 특히, 그루브(105A 및 105B)의 바닥면은 다른 형태를 가질 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)는 연결 배선(106)을 통해 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 입출력단을 제공하는 본딩 패드(107)와 연결된다. 연결 배선(106)은 그루브(105A, 105B) 사이의 공간에 배치된다.

또한, 자기 센서(101)의 기판(104)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라, (110) 실리콘 웨이퍼, 실리콘 이외의 반도체, 유리 물질, 세라믹 물질, 비자기 금속 등으로 형성될 수도 있다.

(100) 단결정 실리콘 웨이퍼가 기판(104)으로 사용될 때, 기판(104)의 표면에 대해 55도의 각도로 경사진 (111) 결정면이 KOH 또는 다른 에칭 용액을 사용하는 이방성 습식 에칭에 의해 안정되게 형성될 수 있기 때문에, 서로 평행인 두 개의 경사면 상의 자기장 검출기(2A, 3B)의 위치 관계가 일정하고, 따라서 제조 생산성이 우수하며 제조 생산량이 높다. 따라서, 본 실시예에서는 기판(104)으로 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)로 구성된 브리지 회로를 도 12를 참조하여 설명한다.

도 12는 브리지 회로를 나타내는 회로도이다.

본 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 자기장 검출기(2A, 2B)는 서로 평행인 상이한 경사면에 배치되고, 고정 저항기(103A, 103B)는 자기장 검출기(102A, 102B)가 배치된 경사면과 상이한 두 개의 경사면에 배치된다. 자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B)는 도 12에 도시된 브리지 회로의 저 항 R1, R2, R3 및 R4)를 구성한다.

도 12에서, R1은 자기장 검출기(102B)에 해당하고, R2는 고정 저항기(103A)에 해당하고, R3는 고정 저항기(103B)에 해당하고, R4는 자기장 검출기(102A)에 해당한다.

본 실시예의 자기 센서(101)가 브리지 회로를 구성하기 때문에, 전력 전압의 변화, 검출기의 입력 임피던스, 또는 비선형성과 독립적인 영위법에 의해 정확하게 자기장을 검출하는 것이 가능하다.

자기저항 효과 소자(자기장 검출기(102A, 102B) 및 고정 저항기(103A, 103B))의 구조는 실시예 1에서 기술한 바와 동일하며 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에서, 자기저항 효과 소자는, TMR 소자로 한정되지 않고, 예를 들어 GMR 소자일 수 있다.

도 13은 세 개의 세트의 일축 자기 센서들을 포함하는 본 실시예에 따른 3 축 자기 센서의 구성을 도식적으로 나타내는 평면도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 3축 자기 센서(101A)는, 기판(104), 6개의 자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F)(필요한 경우 총칭하여 "자기장 검출기(102)"라 함), 6개의 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F)(필요한 경우 총칭하여 "고정 저항기(103)"라 함), 5개의 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E), 12개의 본딩 패드(107), 및 자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F)와 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F) 사이의 전기적 연결을 위한 연결 배선(106)을 포함한다.

자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F) 및 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F)는 RMR 소자이고 동일 층 구조를 갖는다.

3축 자기 센서(101A)의 기판(104)은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성된다. 각각 200μm의 깊이를 갖는 5개의 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E)는, 예를 들어, 질화 실리콘 에칭 마스크 및 KOH (potassium hydroxide) 에칭 용액 또는 TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) 에칭 용액를 이용한 에칭에 의해 (100) 실리콘 웨이퍼(104)에 형성된다. 각각의 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E)는, 각각의 경사면이 기판(104)의 표면에 대해 55도의 각도를 갖는 네 개의 경사면으로 형성된다.

자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F) 및 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F)는 기판(104)에서 경사면 내에 자성 방위(orientation of magnetization)를 갖도록 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E)의 경사면에 배치된다. 또한, 자성 센싱 방향이 경사면의 깊이 방향 및 자기저항 효과 소자(자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F) 및 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F))의 길이 방향과의 교차선을 따르도록 자성 방향이 결정된다.

본 실시예에서, 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E)의 바닥면은 기판(104)의 표면과 거의 평행한 평탄면을 갖지 않는 V자형이다. 특히, 그루브(105A, 105B, 105C, 105D, 105E)의 바닥면은 다른 형태를 가질 수 있다.

도 13에 도시된 3축 자기 센서(101A)에서, 자기장 검출기(102A, 102B)는 제1 축 방향에 적합화된 1축 자기 센서로서 동작하고, 고정 저항기(103A, 103B)와 결합하여 제1 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(102C, 102D)는 제2 축 방향에 적합화된 1축 자기 센서로서 동작하고, 고정 저항기(103C, 103D)와 결합하여 제2 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(102E, 102F)는 제3 축 방향에 적합화된 1축 자기 센서로서 동작하고, 고정 저항기(103E, 103F)와 결합하여 제3 브리지 회로를 형성한다.

자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F)에서 핀드 층(22)(도 4b에 도시)의 자성 방향은, 각각 제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로 및 제3 브리지 회로로 구성되는 세 개의 1축 자기 센서에서 서로 상이하다. 특히, X축 및 Z축에서 핀드 층의 자성 방향은 종이에서 서로 수직이고, X축 및 Y축에서 핀드 층의 자성 방향은 종이에서 서로 반대평형(anti-paralle)이다. 즉, X축, Y축 및 Z축에서 핀드 층의 자성 방향은 기판의 표면에 대해 55도의 3개의 방향에서 입체 구조로 방사한다.

자기장 검출기(102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F) 및 고정 저항기(103A, 103B, 103C, 103D, 103E, 103F)의 배열은, X축, Y축 및 Z축에서의 핀드 층의 자성 방향이 서로 상이한 한, 상기의 실시예들로 한정되지 않는다.

실시예 5

본 실시예에서는, 외부 자계에 대한 고정 저항기의 감도를 감소시키기 위해 제공된 자기 쉴드막을 주로 설명한다.

도 14는 자기 쉴드막이 고정 저항기에 제공되는 제 5 실시예에 따른 자기 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

본 실시예의 자기 센서의 기본 구조는 자기 쉴드막을 제외하고는 제1 실시예에서의 기본 구조와 동일한다. 또한, 본 실시예의 자기 센서의 기본 구조는 제2 내지 제4 실시예의 자기 센서의 기본 구조와 대체될 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 자기 센서(201)는 기판(204), 기판(204) 상에 배치된 자기장 검출기(202A), 자기장 검출기(202B), 고정 저항기(203A), 고정 저항기(203B), 그루브(205A, 205B; 필요시 통칭하여 "그루브(205)"라 함), 연결 배선(206), 및 본딩 패드(207)을 포함한다.

예를 들어, 자기장 검출기(202A, 202B), 고정 저항기(203A, 203B)는 터널 자기저항(TMR) 소자이다. 또한, 자기장 검출기(202A, 202B)와 고정 저항기(203A, 203B)는 동일한 층 구조를 갖는다. 자기 쉴드막은 각각의 고정 저항기(203A, 203B) 상에, 절연성 박막을 사이에 개재시킨 상태로 형성되어 외부 자계에 대한 감도를 저감시킨다.

도 15는 자기저항 효과 소자 특히, 고정 저항기(203A)를 예를 들어, 본원발명의 TRM 소자의 구성을 설명하기 위해 도 14의 XI-XI를 따라 절단된 단면도이다.

도 15에 도시된 구조는, 고정 저항기에 자기 쉴드막이 더 형성되어 있다는 점을 제외하고는, 도 4B에 도시된 구조와 기본적으로 동일한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 고정 저항기(203A)는 프리층(221), 핀드층(222), 절연층(223), 핀드층(222)측 전극(224), 및 캡층(225), 배선 전극(235), 하부 자기 쉴드막(241), 상부 자기 쉴드막(242), 하부 자기 쉴드막(241), 상부 자기 쉴드막(242)과 전극(224, 235) 간의 절연을 확보하기 위한 절연성 박막(228, 229), 기판(204)와의 절연성을 확보하기 위한 절연성 박막(226), 및 패시베이션막(227)을 포함한다.

핀드측 콘택홀(231)과 프리층측 코택홀(232)은 전극(224)와 캡층(225)를 배선 전극(235)와 접합시키기 위해 패시베이션층(227)에 형성되고, 전기적 연결을 배선(도시 안함)이 콘택홀(231)과 콘택홀(232)를 통해 배치된다.

프리층(221)은 외부 자계의 방향에 따라 변화하는 자화 방향을 갖는 반면에, 핀드층(222)은 외부 자계의 방향에 따라 변화하지 않는 고정된 자화 방향을 갖는다.

절연층(223)은 프리층(221)과 핀드층(222)에 의해 샌드위칭되어 터널링층으로서 기능한다.

프리층(221)이 자기 쉴드막(241)과 상부 자기 쉴드막(242)에 의해 커버되어 있기 때문에, 프리층(221)은 외부 자계에 영향을 받지 않는다.

TMR 소자인 고정 저항기(203A)에서, 기판(204) 상에 증착된 핀드층(222)은 Fe-Ni와 같은 반강자성체층(222a)과 Co-Fe와 같은 자성체층(222b)을 포함할 수 있다. 절연층(223)은 핀드층(222) 상에 증착되어 있고, 또한 프리층(221)이 절연층(223) 상에 증착되어 있다.

예를 들어, 절연층(223)은 SiO₂와 같은 절연물질로 형성되거나 Al₂O₃ 또는 MgO와 같은 비자성 금속산화물로 형성될 수 있고, 프리층(221)은 Co-Fe 또는 Fe-Ni로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 자기저항 효과 소자는 TMR 소자에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, GMR 소자일 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 센서 브리지 회로를 형성하는 자기장 검출기(202A), 자기장 검출기(202B), 및 고정 저항기(203A), 고정 저항기(203B)는 동일한 물질로 형성되고 동일한 층 구조를 갖는다. 고정 저항기(203A, 203B)만이 절연성 박막을 개재시킨 자기 쉴드막에 의해 커버된다. 따라서, 자기장 검출기(202A), 자기장 검출기(202B), 및 고정 저항기(203A), 고정 저항기(203B)는 동일한 온도 특성을 갖고, 온도에 따른 특성 변동이 감소될 수 있다.

이하, 본 실시예의 자기 센서(201), 특히 자기 센서(201)에 사용되는 자기저항 효과 소자를 제조하는 방법을 설명한다.

도 16은 본 실시예의 자기 센서(201)의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.

이하에서, 설명의 편의상, 원하는 경사면은 이미 기판 상에 형성된 것으로 가정한다.

도 16에 도시된 바와 같이, 단계 S101에서, 경사면을 갖는 기판 상에 예를 들어, 실리콘산화물로 절연성 박막을 형성한다.

단계 S102에서, 예를 들어, Ni-Fe 합금막, Si-Fe 합금막, 또는 Fe-Ni-Mn-Cu 합금막으로 자기 쉴드막을 형성한다.

단계 S103에서, 상기 자기 쉴드막 상에서 포토리소그래피와 에칭 공정을 실 시하여, 자기장 검출기가 배치될 위치 근방의 자기 쉴드막의 일부를 제거한다.

단계 S104에서, 실리콘 산화물로 또다른 절연성 박막을 형성한다.

단계 S105에서, 자기 센서(201)에 사용되는 자기저항 효과 소자를 구성하는 층 구조의 층들을 순차적으로 형성한다.

단계 S106에서, 상기 형성된 층들 상에 리소그래피와 에칭 공정을 2번 실시하여 2단계 패턴(2-step pattern)을 형성한다.

단계 S107에서, 상기 패터닝된 구조 상에 절연성 보호층을 형성한다.

단계 S108에서, 상기 보호층 상에 리소그래피와 에칭 공정을 실시하여 콘택홀을 형성한다.

단계 S109에서, 배선 및 본딩 패드용 비자성 금속막을 상기 기판 전면 상에 형성하여 콘택홀을 덮는다.

단계 S110에서, 리소그래피 및 에칭 공정을 실시하여 콘택홀과 입출력단 간을 연결하기 위한 본딩 패드 금속을 형성한다.

도 17 은 본 실시예의 자기 센서(201)를 제조하는 방법을 설명하는 도 16의 흐름도로부터 계속되는 흐름도이다.

도 17을 참조하면, 단계 S111에서, 예를 들어, 실리콘 산화물로 또다른 절연성 박막을 형성한다.

단계 S112에서, 자기저항 효과 소자가 형성된 기판 표면측 상에, Ni-Fe 합금막, Si-Fe 합금막, 또는 Fe-Ni-Mn-Cu 합금막으로, 단계 S111에서 형성된 절연성 박막 상에 자기 쉴드막을 형성한다.

단계 113에서, 리소그래피 및 에칭 공정으로 자기 쉴드막을 패터닝하여, 자기 쉴드막의 일부가 고정 저항기(203A) 및 고정 저항기(203B)를 커버한 상태로 남아있고 자기 쉴드막의 다른 부분은 제거되도록 한다.

단계 S114에서, 리소그래피와 에칭 공정을 실시하여 본딩 패드 금속 상에 형성된 절연성 박막을 제거한다.

단계 S115에서, 자기장을 인가한 상태에서 어닐링을 실시하여 핀드층의 방향을 확정시킨다.

이 단계에서, 자기장의 인가 방향은 기판 표면에 수직인 것으로 설정된다. 자기 센서(201)가 1축 센서로 사용될 때, 자기장의 인가 방향은 기판의 경사면에 수직인 방향과 다르다.

단계 S116에서, 핀드층의 자화 방향을 확정한 후, 단계 S115에서의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 자기장 인가 상태에서 어닐링을 다시 실시하여 프리층의 방향을 확정한다.

이 단계에서, 자기장의 인가 방향은 기판 표면에 평행인 것으로 설정된다. 단계 S115에서 핀드층의 방향이 확정(고정)되었기 때문에, 단계 S116에서는 핀드층의 방향이 변하지 않는다.

이러한 방식으로, 전체 기판을 가열하는 동안 수직 방향의 자기장이 기판 표면에 인가되어 자기저항 효과 소자로 형성된 자기장 검출기의 핀드층을 자화(즉, 자화 방향으로 확정)시키고, 단 하나의 자화 단계를 통해 자기장 검출기의 자화를 완료할 수 있다.

상술한 실시예들에서, 본 발명의 자기 센서의 기판(4, 104, 204, 304, 404)을 형성하기 위해 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼가 사용되고, 기판 표면에 대해 각각 55도의 각도를 갖는 4개의 경사면으로 그루브(5, 105, 205, 305, 405)가 형성된다고 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 경사면의 각도는 수평각(horizontal angle)을 제외한 임의의 각일 수 있고, 그루브에 대신에 돌기부가 본 발명에 적용될 수도 있다.

또한, (100) 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라, 자기 센서의 기판은 (110) 실리콘 웨이퍼, 실리콘 이외의 반도체, 유리 물질, 세라믹 물질, 비자성 금속, 및 그 외 다른 것으로 형성될 수도 있다. (100) 실리콘 웨이퍼가 사용될 때, 결정 방위 면(crystal orientation plane)은 약 54.7 (약 55)도이고, 이것은 본 발명에서 바람직한다.

상술한 실시예들에 따르면, 기판은 3차원 공간에서(in a 3-dimensional manner) 교차하는 법선 방향(normal directions)을 갖는 복수의 경사면을 갖고, 각 센서 브리지 회로 내의 자기장 검출기 쌍은 동일한 경사면에 배치된다.

또한, 기판이 (100) 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3차원적으로 서로 교차하는 법선 방향의 복수 경사면을 가질 때, 이 복수의 경사면 각각은 기판 표면에 대해 55도의 각도를 형성하는 (111) 방위 결정면이 되고, 각각의 자기 브리지 회로 내의 자기장 검출기 쌍은 동일한 경사면에 배치된다.

대안으로, 기판이 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 복수의 경사면을 가질 때, 제1 센서 브리지 회로, 제2 센서 브리지 회로, 및 제3 센서 브 리지 회로 각각의 자기장 검출기는 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 경사면 내에 배치되고, 제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로, 및 제3 브리지 회로의 동일 브리지 회로 내의 자기장 검출기 쌍은 동일한 법선 방향을 갖는 경사면 내에 배치된다.

기판이 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3차원적으로 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 복수의 경사면을 가질 때, 각각의 경사면은 기판 표면에 대해 55도의 각도를 이루는 (111) 방위 결정면이 되고, 제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로, 및 제3 브리지 회로 각각의 자기장 검출기는 3차원적으로 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 경사면 내에 배치되고, 제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로, 및 제3 브리지 회로의 동일 브리지 회로 내의 자기장 검출기 쌍은 동일 법선 방향을 갖는 경사면 내에 배치된다.

그 결과, 자기장을 일 방향으로 인가하면서 그 자기장 속에서 기판을 가열하는 공정을 단 1번만 실행함으로써, 자기장 검출기의 핀드층을 일 방향으로 자화시킬수 있고, 다른 좌표계의 핀드층의 자화 방향이 3차원 공간에서 서로 교차하는 3개 방향으로의 자화를 구현할 수 있다. 따라서, 제조 공정수를 감소시킬 수 있고 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판 상의 일체 배치(integral)가 가능하기때문에, 자기 센서를 작고 얇게 만들 수 있고, 많은 수의 자기 센서를 제조할 수 있다. 즉, 생산성이 향상된다.

자기 센서가 배치되는 경사면은 결정면에 의해 규정될 수 있기 때문에, 다른 축 방향의 자기 센서들의 위치의 정밀도가 매우 높다. 3축 방향의 위치 관계는 결 정면의 위치 관계에 의해 일의적으로(uniquely) 정해진다. 이에 따라, 제품 편차가 적은 자기 센서를 제조할 수 있다.

또한, 각각의 고정 저항기는 전기절연성의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드막으로 커버되어 있기 때문에, 자기 센서가 자기저항 효과 소자의 외부 잔계에 민감할 때에도 고정 저항기는 외부 자계에 의해 영향받음이 없이 일정한 저항을 갖는다. 또한, 각각의 고정 저항기는 자기장 검출기와 동일한 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하기 때문에, 자기 센서는 균일한(uniform) 온도 특성을 갖고 이에 따라 안정된 성능을 나타낸다.

자기저항 효과 소자는 터널 자기저항 효과 소자를 포함하기 때문에, 자기 검출에서의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

자기저항 효과 소자로 형성된 자기장 검출기의 핀드층의 자화(즉, 자화 방향의 확정 또는 고정)는 기판을 가열하는 동안 기판 표면에 수직인 방향으로 자기장을 인가함으로써 수행될 수 있기 때문에, 단 하나의 자화 단계로 자기장 검출기의 자화를 완성시킬 수 있다.

본 발명은 GPS를 이용하는 디바이스, 예를 들어 자동차 네비게이션 시스템 또는 모바일 폰 등에서, 전자기 신호가 차폐되는 지역에서의 현재 위치를 확인하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 상세한 설명을 위해 선택된 특정 실시예들을 참고하여 설명하였으나, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기본 개념과 범위로부터 벗어남이 없이 본 기술분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 수 정예 및 변형예가 가능하다.

본 특허출원은 2007년 6월 13일에 출원된 일본특허출원 제2007-156423호과 2008년 4월 17일에 출원된 일본특허출원 제2008-108061호를 우선권 주장의 기초로 하는 출원이며, 이 기초가 되는 일본특허출원의 전체 내용은 참조로 본 명세서에 원용된다.

도 1 은 자기저항 효과 소자들이 브리지 회로를 형성하도록 연결되는 제 1 실시예에 의해 자기 센서의 구성을 나타내는 평면도이다.

도 2 는 경사면들에 배치된 자기저항 효과 소자를 도식적으로 나타내기 위해 도 1의 II-II 라인을 따라 절단된 단면을 나타내는 도면이다.

도 3 은 브리지 회로를 설명하는 회로 다이어그램이다.

도 4A는 자기저항 효과 소자의 구조를 나타내는 평면도이다.

도 4B는 자기저항 효과 소자의 구조를 설명하기 위해 도 1의 IIIb-IIIb에 의한 단면도이다.

도 5 는 3 세트의 일축 자기 센서들을 포함하는 본원발명에 의한 3 축 자기 센서의 구성을 도식적으로 나타내는 도면이다.

도 6 은 자기저항 효과 소자들이 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 제 2 실시 예에 의한 자기 센서의 구성을 도식적으로 나타내는 평면도이다.

도 7 은 경사진 표면에 배치된 자기장 검출기(302A)를 도식적으로 설명하는 도 6의 XV-XV을 따라 절단된 단면을 나타내는 도면이다.

도 8 은 자기저항 효과 소자들이 브리지 회로를 형성하도록 연결된 제 3 실시예에 의해 자기 센서의 구성을 도식적으로 설명하는 평면도이다.

도 9 는 도 8의 XVII-XVII을 따라 절단된 단면을 나타내는 도면이다.

도 10 은 자기저항 효과 소자들이 하나의 브리지 회로를 형성하기 위해 연결된 제 4 실시예에 의해 자기 센서의 구성을 도식적으로 설명하는 평면도이다.

도 11 은 경사진 표면들에 배열된 자기저항 효과 소자들을 도식적으로 설명하기 위해 도 10의 VII-VII 라인을 따라 절단된 단면을 나타내는 도면이다.

도 12 는 브리지 회로를 나타내는 회로 다이어그램이다.

도 13 은 3 세트의 일축 자기 센서들을 포함하는 본원발명에 의한 3 축 자기 센서의 구성을 도식적으로 나타내는 평면도이다.

도 14 는 고정 저항기에 자기 쉴드막이 제공되는 제 5 실시예에 의한 자기 센서의 구성을 도식적으로 설명하는 평면도이다.

도 15 는 자기저항 효과 소자 특히, 고정 저항기(203A)를 예를 들어, 본원발명의 TRM 소자의 구성을 설명하기 위해 도 14의 XI-XI를 따라 절단된 단면도이다.

도 16 은 본원발명의 자기 센서(201)를 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 17 은 본원발명의 자기 센서(201)를 제조하는 방법을 설명하는 도 16의 흐름도로부터 계속되는 흐름도이다.

Claims

기판; 및

상기 기판상에 배치된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 고정 저항기를 각각 포함하는 복수의 센서 브리지 회로를 포함하고,

상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 각각의 상기 자기장 검출기는 자기저항 효과 소자로 형성되고, 상기 자기장 검출기들의 자화 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하며,

상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하고,

상기 센서 브리지 회로의 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 상기 동일 경사면에 배치되고,

상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 방향으로 자화된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
기판; 및

제 1 센서 브리지 회로, 제 2 센서 브리지 회로 및 제 3 센서 브리지 회로를 포함하고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각은, 상기 기판에 배치되고 하나의 브리지 회로를 형성하도록 연결된 한 쌍의 자기장 검출기 및 한 쌍의 기준 저항기를 포함하고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항효과 소자로 형성되고, 상기 기준 저항기 각각은 외부 자기장에 의해 영향받지 않는 일정한 저항값을 갖고, 상기 자기장 검출기의 자화 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하며,

상기 기판은 복수의 경사면을 가지고, 상기 경사면의 법선 방향은 3 차원 공간에서 서로 교차하고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 각각의 자기장 검출기는 3차원 공간에서 서로 교차하는 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배치되고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 하나에 있어 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배열되고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 중 동일 센서 브리지에 포함된 자기장 검출기는 동일 방향으로 자화되며, 상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로 중 서로 다른 센서 브리지에 포함된 자기장 검출기는 서로 직교하는 방향으로 자화된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 기판은 (100)단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 경사면 각각은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고, 상기 센서 브리지 회로 각각의 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 경사면에 배열되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 기판은 (100) 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 3 차원 공간에서 법선 방향이 서로 교차하는 복수의 경사면을 갖고, 상기 각각의 경사면은 상기 기판의 표면에 대해 55°의 각도를 형성하는 (111) 방향 결정면이고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 각각의 상기 자기장 검출기는 3 차원 공간에서 법선 방향이 서로 교차하는 경사면 상에 배치되고,

상기 제 1 센서 브리지 회로, 상기 제 2 센서 브리지 회로 및 상기 제 3 센서 브리지 회로의 하나에 있어 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 법선 방향을 갖는 경사면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 고정 저항기 각각은 상기 자기장 검출기들과 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하고, 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드막으로 덮여지는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 기준 저항기 각각은 상기 자기장 검출기들과 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하고, 전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드막으로 덮여지는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 고정 저항기는 상기 기판상에 형성된 상기 경사면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 기준 저항기는 상기 기판상에 형성된 상기 경사면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 자기저항 효과 소자는 터널 자기저항 효과 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 자기저항 효과 소자는 터널 자기저항 효과 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
기판을 준비하는 단계;

법선 방향이 3 차원 공간에서 서로 교차하는 복수의 경사면을 상기 기판상에 형성하는 단계;

동일 경사면의 복수의 센서 브리지 회로 각각에 한 쌍의 자기장 검출기를 배치하는 단계; 및

기판을 가열하면서 상기 기판의 표면에 수직 방향으로 자기장을 인가함에 의해 상기 자기장 검출기 각각의 핀드 층을 자화하는 단계를 포함하며,

상기 센서 브리지 회로 각각은 상기 기판상에 배치된 상기 한 쌍의 자기장 검출기 및 상기 한 쌍의 고정 저항기를 포함하고, 상기 한 쌍의 자기장 검출기들과 상기 한 쌍의 고정 저항기는 브리지 회로를 형성하도록 연결되고, 상기 자기장 검출기 각각은 자기저항 효과 소자로 형성되고, 상기 한 쌍의 자기장 검출기는 동일 방향으로 자화된 것을 특징으로 하는 자기 센서 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

전기적 절연의 절연 부재를 사이에 개재시킨 자기 쉴드 부재에 의해 상기 고정 저항기 각각을 커버하는 단계를 더 포함하고,

상기 고정 저항기 각각은 자기장 검출기와 동일 층 구조로 형성된 자기저항 효과 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 자기저항 효과 소자는 터널 자기저항 효과 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 제조 방법.