KR20050051655A

KR20050051655A - 자기 저항 효과 소자, 이 제조 방법 및 사용 방법

Info

Publication number: KR20050051655A
Application number: KR1020057004136A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 니시와키; 가즈히로 오나카; 노부카즈 하야시
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-06-01
Also published as: WO2004025745A1; CN1682386A; EP1536490A1; JPWO2004025745A1; AU2003266512A1; US20060164204A1

Abstract

본 발명의 자기 저항 효과 소자는 기판(1) 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 교대로 2층 이상 적층되어 소정의 패턴으로 형성된 금속 인공 격자막(4)과, 금속 인공 격자막(4)을 덮어 형성된 제1 보호막(5)과, 제1 보호막(5) 상에 형성된 제2 보호막(6)으로 이루어지고, 제1 보호막(5)은 잔류 응력이 실질적으로 0이며, 제2 보호막(6)은 수분의 투과 저지 능력을 갖는 재료로 이루어진다. 이것에 의해, 고온 상태에 있어서도 히스테리시스가 생기지 않고, 특성 열화가 작으며, 내열성, 내침식성이 뛰어난 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있어 자동차용 등의 가혹한 환경에서도 적용할 수 있다.

Description

자기 저항 효과 소자, 이 제조 방법 및 사용 방법{MAGNETORESISTANCE EFFECT ELEMENT AND PRODUCTION METHOD AND APPLICATION METHOD THEREFOR}

본 발명은 센서 등에 사용되고 있는 자기 저항 효과 소자, 특히 거대 자기 저항 효과를 이용한 자기 저항 효과 소자와, 이 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다.

자기 저항 효과 소자는 자계의 방향과 강도의 변화에 따라서 저항값이 변화하는 특성을 갖는다. 이러한 자기 저항 효과 소자를 사용한 센서로서는, 예컨대, 바이어스 자석을 설치한 자기 저항 효과 소자를 직렬로 접속하여 전압을 인가하고, 그 중점의 전압의 변화를 외부 회로에 의해 검출함과 동시에 신호 처리함으로써 회전체의 회전수를 검출하는 회전 검출 센서 등을 들 수 있다.

자기 저항 효과 소자로서는, 반도체 기판에 홀 소자와 제어 회로를 형성한 홀 IC, 니켈-철 합금(Ni-Fe) 또는 니켈-코발트 합금(Ni-Co) 등의 강자성체 박막 소자를 사용한 것, 혹은 인듐 안티몬(InSb) 등의 반도체 자기 저항 소자를 사용한 것이 있다. 이에 대하여, 최근, 보다 큰 자기 저항 효과를 얻기 위해서, 수 nm 정도의 두께를 갖는 자성 박막과 비자성 금속 박막을 교대로 적층시킨 구성의 거대 자기 저항 효과 소자(GMR 소자)가 회전 검출 센서나 위치 검출 센서에 사용되도록 되어 왔다.

이러한 자기 저항 효과 소자로서는, 자성체막과 금속 비자성 박막을 적층하는 구조 뿐만 아니라 여러 가지 구조가 제안되고 있다. 이하, 상기의 자성체막과 금속 비자성 박막을 적층하는 금속 인공 격자막 구조로 이루어지는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법에 관해서 간단하게 설명한다.

처음으로, 기판 상에 스퍼터링 등에 의해 자성 박막과 금속 비자성 박막을 적층하고, 포토리소그래피와 에칭 프로세스에 의해 소정의 패턴 형상으로 한 금속 인공 격자막을 형성한다. 이 금속 인공 격자막의 양 단부에는 전압 인가를 위한 전극이 형성되어 있고, 그 중앙부에는 중점 전위 취출을 위한 전극이 형성되어 있다. 또한, 전극이 형성된 금속 인공 격자막을 덮도록 보호막을 형성하여 자기 저항 효과 소자가 제작된다. 자성 박막과 금속 비자성 박막을 적당한 두께로 설정하면, 금속 비자성 박막을 사이에 두고 인접하는 자성 박막 사이에 반강자성 결합이 작용한다. 이 때, 자성 박막의 자화 방향은 서로 역방향으로 되어 있다. 금속 인공 격자막의 면에 평행하게 자계가 인가되면, 자성 박막의 자화의 방향은 인가된 자계의 방향과 동일하게 되고, 금속 인공 격자막의 저항값은 낮아진다. 이러한 자계의 인가에 의한 저항값의 변화를 검출함으로써 센서로서 이용하고 있다.

이러한 자기 저항 효과 소자를 회전 검출 센서에 사용하는 경우의 동작 원리에 관해서 이하에 설명을 한다.

톱니바퀴와 같이 둘레 상에 일정한 간격으로 요철을 형성한 자성 회전체에 근접하여, 하프 브리지 또는 풀 브리지로 구성한 금속 인공 격자막과 바이어스 자계를 부여하기 위한 영구 자석을 설치한다. 이 상태에서, 자성 회전체를 회전시키면 영구 자석의 자계의 방향이 요철에 따라서 변화하기 때문에, 금속 인공 격자막에 인가되는 자계의 방향이나 크기가 변화한다. 이 변화에 따라서 금속 인공 격자막의 저항값이 변화하기 때문에 브리지의 중점의 전압이 변화한다. 이 전압의 변화를 외부에 접속한 처리 회로에서 처리함으로써, 펄스 형상의 신호로서 취출할 수 있고, 이에 의해 회전수를 검지할 수 있다.

그런데, 자동차의 전자 제어 기술이 매우 발달하고 있고, 자동차를 제어하기 위한 여러 가지 센서가 요구되고 있다. 자동차는 실외에서 가혹한 환경에서 사용되기 때문에, 자동차용으로 자기 저항 효과 소자를 응용하는 경우에는, 엔진 룸 등의 가혹한 분위기 환경 하에서도 특성이 안정되고, 또한 열화하지 않을 것이 요구된다.

거대 자기 저항 효과를 이용한 자기 저항 효과 소자의 경우는, 자기 저항 변화율이 크기 때문에 자동차용 센서로서 유망시되고 있다. 그렇지만, 엔진 룸을 포함시킨 고온 환경 하에서, 자기 저항 효과 소자가 그 큰 자기 저항 변화율을 유지하고 또한 고신뢰성을 확보하기 위해서는, 자기 저항 효과를 직접 발현하는 감자성막의 고온 안정성을 개선해야 한다. 이를 위해서는, 감자성막 자체의 재료와 보호막의 재료 및 그 제작 공정의 개선이 과제이다.

감자성 재료에 관해서는 여러 가지 검토가 행해지고 있다. 예컨대, 일본국 특허공개공보 평8-83937호 공보에는 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자에 있어서, 보다 큰 자기 저항의 변화율을 얻기 위해서, 자성 박막으로서 니켈(Ni)을 5∼40원자%, 코발트(Co)를 30∼95원자%, 잔부가 철(Fe)로 이루어지는 강자성 박막층, 니켈(Ni)을 24∼35원자%, 코발트(Co)를 80∼90원자%, 잔부가 철(Fe)로 이루어지는 강자성체 박막, 혹은 니켈(Ni)을 20% 원자 이하, 코발트(Co)를 80∼90원자%, 잔부가 철(Fe)로 이루어지는 강자성 박막층을 사용하는 것이 나타나 있다. 이러한 재료를 사용함으로써 자기 저항 변화율이 커지고, 또한 내식성도 개선될 수 있다고 하고 있다.

또한, 이러한 자기 저항 효과 소자의 신뢰성을 개선하기 위해서 보호막 재료 및 그 제작 공정에 관해서도 검토가 행해지고 있다. 예컨대, 금속 인공 격자형의 자기 저항 효과 소자의 보호막으로서, 폴리이미드를 사용하는 것이 일본 특허공개공보 2001-203407호 공보에 기재되어 있다. 단, 폴리이미드를 사용함에 따른 자기 저항 효과 소자의 특성으로의 영향 등에 관해서는 전혀 기재되어 있지 않다.

또한, 일본 특허공개공보 평10-326919호 공보에는, 거대 자기 저항 효과를 나타내는 감자성막을 사용한 자기 저항 효과 소자에 있어서, 그 보호막으로서 폴리이미드를 사용하는 것이 나타나 있다. 또한, 그 폴리이미드의 두께를 변화시킴으로써 자성막(자기 저항 효과막)에 가해지는 응력을 변화시킬 수도 있다고 하고 있다. 또한, 폴리이미드와 자성막(자기 저항 효과막) 사이에 이산화규소(SiO₂)나 알루미나(Al₂O₃) 등의 박막층을 형성하여 자성막(자기 저항 효과막)을 이중으로 보호하는 것에 관해서도 기재되어 있다. 단, 폴리이미드의 두께를 변화시켜 자성막의 응력을 변화시키는 방법으로서, 응력을 작게 하기 위해서 폴리이미드의 두께를 얇게 하면 자성막(자기 저항 효과막)의 내식성의 저하에 연결된다. 그렇지만, 내식성을 보증할 수 있는 두께에서 응력을 작게 하는 방법에 관해서는, 특별히 기재되어 있지 않다. 또한, 이산화규소(SiO₂)나 알루미나(Al₂O₃) 등의 박막층을 형성하여 자성막(자기 저항 효과막)을 이중으로 보호하는 방법에 있어서는, 이들의 박막층의 응력에 의한 특성 변동이 생길 가능성이 있다.

이것에 대하여, 본 발명자들은 종래 구성으로 이루어지는 자기 저항 효과 소자를 사용하면, 실온시에 비교하여 150℃ 정도의 고온 분위기 하에서는 자기 저항 변화율이 대폭 저하하는 것을 발견하였다. 또한, 이러한 고온 하에서 장기간 보존이나 사용하면, 저항값이 시간 경과적으로 변화해 가는 것도 발견하였다.

도 1A는 본 발명의 실시형태의 자기 저항 효과 소자의 평면도,

도 1B는 도 1A에 도시하는 A-A선을 따른 단면도,

도 2는 동 실시형태의 자기 저항 효과 소자의 금속 인공 격자막의 상세 구조를 설명하기 위한 단면도,

도 3은 동 실시형태의 금속 인공 격자막을 4개 사용하여 브리지 회로 구성으로 제작한 자기 저항 효과 소자를 도시하는 모식도이다.

본 발명은, 상기 지견에 의거하여, 내열성이 양호하고 자기 저항 변화율이 큰 특성을 갖는 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 기판과, 이 기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 교대로 2층 이상 적층되고, 소정의 패턴 형상으로 형성된 금속 인공 격자막과, 이 기판 상에 금속 인공 격자막을 덮어 형성된 제1 보호막과, 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막으로 이루어지고, 제1 보호막은 잔류 응력이 실질적으로 0이며, 제2 보호막은 수분의 투과 저지 능력을 갖는 재료로 이루어진다.

이것에 의해, 150℃ 정도의 고온 상태에 있어서도 히스테리시스(hysteresis)가 생기지 않고, 특성 열화가 없으며 내열성이 뛰어난 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 내침식성도 뛰어나기 때문에, 자동차용 등의 가혹한 환경에서도 사용 가능한 자기 저항 효과 소자가 얻어진다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 상기 구성에 있어서 자성 박막이 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co)를 포함하는 합금으로 이루어지고, 금속 비자성 박막은 구리(Cu) 또는 은(Ag)의 어느 하나인 구성으로 이루어진다. 이것에 의해, 자기 저항 변화율을 크게 할 수 있고, 충분한 출력을 얻는 것이 가능한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 기판과, 이 기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 적어도 2층 이상 적층되어 소정의 패턴 형상으로 형성된 금속 인공 격자막과, 기판 상에 금속 인공 격자막을 덮어 형성된 보호막으로 이루어지고, 자성 박막은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어지며, 그 원자 수에 의한 조성비는 니켈(Ni)이 1∼5원자%, 코발트(Co)가 50∼95원자%, 잔부가 철(Fe)로 이루어지는 합금막으로 한 구성이다.

이것에 의해, 고온 하에 있어서도 자기 저항 변화율이 열화하지 않고, 더구나 특성의 시간 경과적인 변화를 매우 적게 할 수 있다. 이것은 니켈(Ni)의 조성비를 작게 함으로써, 고온 하에 있어서 생기기 쉬운 니켈(Ni)의 확산을 억제할 수 있는 것에 의한 것으로 추찰하고 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 상기 구성에 있어서 자성 박막의 원자수에 의한 조성비가 니켈(Ni) : 코발트(Co) : 철(Fe) = 4 : 90 : 6으로 이루어지는 합금막인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 내열성이 뛰어나고 또한 자성 박막에 기인하는 히스테리시스도 생기지 않게 할 수 있어 고온 안정성이 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 상기 구성에 있어서 금속 비자성 박막은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 자기 저항 변화율을 크게 할 수 있어 충분한 출력을 얻는 것이 가능한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 보호막이 금속 인공 격자막 상을 포함하는 기판 상에 형성된 제1 보호막과, 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막으로 이루어지고, 제1 보호막은 잔류 응력이 실질적으로 0이고, 제2 보호막은 수분의 투과 저지 능력을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 내열성과 내식성이 뛰어나고, 히스테리시스에 의한 특성 열화가 생기지 않는 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 제1 보호막이 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON) 중 어느 하나로 이루어지고, 제2 보호막은 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 내열성과 내식성이 뛰어나고, 히스테리시스에 의한 특성 열화가 생기지 않는 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 자성 박막의 자기 왜곡이 0인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 자성 박막에 기인하는 히스테리시스의 발생을 방지하고, 고온에서도 특성이 안정적인 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 기판이 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 저렴하고 고온 하에서의 사용에 적합한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 기판이 글래스를 글레이즈한 글레이즈드 세라믹스 기판이고, 금속 인공 격자막은 글래스층 상에 형성되어 있는 구성으로 이루어진다. 이것에 의해, 표면 평활성이 양호한 세라믹스 기판이 얻어지기 때문에 금속 인공 격자막을 형성해도, 특성 편차가 작고 또한 제조 수율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 글래스층에 포함되는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 혼입량은 모두 10ppm 이하인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 이들의 이온 혼입에 의한 금속 인공 격자막의 저항값 및 자기 특성의 변화를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는, 제1 보호막에 포함되는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 혼입량은 모두 10pmm 이하인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 이들의 이온 혼입에 의한 금속 인공 격자막의 저항값 및 자기 특성의 변화를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 제조 방법은, 기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 교대로 2층 이상 적층되고 또한 소정의 패턴 형상의 금속 인공 격자막을 형성하는 공정과, 기판 상에 금속 인공 격자막을 덮고 또한 잔류 응력이 실질적으로 제로인 제1 보호막을 형성하는 공정과, 제1 보호막 상에 수분의 투과 저지 능력을 갖는 제2 보호막을 형성하는 공정을 포함하는 방법으로 이루어진다. 이것에 의해, 내식성이 뛰어나고, 보호막에 기인하는 히스테리시스가 생기지 않는 자기 저항 효과 소자를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 제조 방법은, 금속 인공 격자막을 구성하는 자성 박막이 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe)로 이루어지는 합금으로, 그 원자수에 의한 조성비는 니켈(Ni)이 1∼5원자%, 코발트(Co)가 50∼95%, 잔부가 철(Fe)이고, 금속 비자성막이 구리(Cu) 또는 은(Ag)이며, 이들을 교대로 적층하는 것을 방법으로 이루어진다. 이것에 의해, 내열성 및 내침식성이 뛰어나고, 적어도 제1 보호막에 기인하는 히스테리시스가 생기지 않는 자기 저항 효과 소자를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 제조 방법은, 제1 보호막을 형성하는 공정이 스퍼터링법 또는 증착법에 의해 기판 온도를 200℃∼250℃의 범위로 설정하고, 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON) 중 어느 하나를 형성하는 방법으로 이루어진다. 이것에 의해, 양산성이 좋은 막형성 방법에 의해 내침식성이 뛰어나고 또한 보호막에 기인하는 히스테리시스가 생기지 않는 자기 저항 효과 소자를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 150℃ 이상의 환경에서 사용하는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 고온 하에 있어서도 실온과 동등한 저항값 변화율이 얻어지고, 또한, 금속 인공 격자막의 특성의 시간 경과적 변화를 작게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 사용 방법은, 자기 저항 효과 소자를 150℃ 이상의 환경에서 사용하는 방법으로, 고온 하에서도 자기 저항 변화율의 저하가 작고 안정적으로 사용할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1A는 본 발명의 실시형태에 관한 자기 저항 효과 소자의 평면도이고, 도 1B는 도 1A에 도시하는 A-A선을 따른 단면도이다. 도 2는 도 1A 및 도 1B에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 금속 인공 격자막 부분의 상세 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 한편, 도 1A, 도 1B 및 도 2에 있어서, 같은 요소에 관해서는 같은 부호를 붙이고 있다.

본 실시형태의 자기 저항 효과 소자는, 자성막과 금속 비자성막이 적층하여 이루어지는 금속 인공 격자막을 감자성막으로서 사용한 구조이다. 판형의 기판(1)의 한쪽 면에는 글래스층(2)이 글레이즈되어 있다. 이 기판(1)으로서는, 알루미나 세라믹스, 지르코니아세라믹스, 글래스와 알루미나의 혼합 세라믹스 등, 산화물 분말이나 질화물 분말 등을 소결하여 제작하는 세라믹스라면 사용 가능하다. 또한, 기판(1)으로서 실리콘 웨이퍼, 글래스판, 석영판 또는 매우 치밀하게 소결하여 거울면(鏡面) 상태로 한 세라믹스판을 사용할 수도 있다. 단, 실리콘은 절연재가 아니기 때문에, 특히 자동차용 등의 고온에서 사용하는 경우에는, 기판의 저항값이 내려감으로써 자기 저항 효과가 열화하기 때문에, 절연층을 형성할 필요가 있다. 한편, 알루미나 세라믹스는, 글래스층을 글레이즈함으로써 평활한 표면을 얻을 수 있고, 더구나 저렴하기 때문에 바람직한 기판이다.

또한, 글레이즈하는 글래스층(2)으로서는, 붕규산납유리나 무알칼리, 무납의 붕규산유리 등, 세라믹스 표면에 글레이즈하는 재료로서 일반적으로 사용되고 있는 것으로 알칼리, 염소(Cl)를 포함하지 않은 것이면 사용 가능하다.

취출 전극(3)은, 기판(1)의 글래스층(2) 상에 4개 형성되어 있고, 금속 인공 격자막(4)과 일부가 도통하여 외부 기기(도시하지 않음)에 접속하기 위한 단자로서 작용한다. 이 취출 전극(3)은 니크롬(NiCr) 합금이 바람직하지만, 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 일반적으로 배선용 도체로서 사용되고 있는 재료라면 사용 가능하다.

금속 인공 격자막(4)은 글래스층(2) 상 및 취출 전극(3)의 일부면 상에 도시하는 바와 같이 직사각형상으로 형성되어 있고, 네 모서리에 형성된 취출 전극(3)과 각각 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 본 실시형태와 같은 접속 구성은 브리지 회로라 불리고, 검출 방법은 이하와 같이 실시한다. 즉, 대각선 상에 있는 임의의 2개의 전극(3)에 전압을 인가하고, 나머지 2개의 전극(3) 사이의 차동 출력을 전압으로 하여 취출함으로써 자계의 변화를 검출하는 구성이다.

이 금속 인공 격자막(4)은 도 2로부터 알 수 있듯이, 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)이 적층된 구조로 이루어진다. 본 실시형태의 자기 저항 효과 소자의 금속 인공 격자막(4)에서는, 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)을 각각 2층 적층하여 4층 구성으로 하고 있지만, 적층 수는 이것에는 한정되지 않는다. 3층 이상이더라도 좋고, 자기 저항 변화율을 크게 하기 위해서는 10층 정도로 하는 것이 바람직하다.

자성 박막(7)은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어지는 합금이다. 그 조성비는 원자수%로 표시하여 코발트(Co)가 50원자%∼95원자%, 니켈(Ni)이 1원자%∼5원자%, 잔부를 철(Fe)로 하면 자기 저항 변화율을 크게 할 수 있고 또한 내식성을 향상시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 바람직하게는 니켈(Ni)이 1원자%∼4원자%로 하는 것이 좋다. 이 니켈(Ni) 조성 범위로 하면, 시간 경과적 변화 특성이 더욱 개선된다. 이것은, 고온 분위기 하에서의 니켈(Ni)의 확산이 억제되는 것에 의한 것으로 추측하고 있다. 또한, 이 조성비로서는 자기 왜곡이 0으로 되는 조건으로 설정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 니켈(Ni) : 철(Fe) : 코발트(Co) = 4 : 6 : 90의 원자수 조성비가 좋다. 이 조성비라면 자기 왜곡이 0이 되고, 자기 저항 변화율도 크며 또한 내열성도 크게 개선된다.

금속 비자성 박막(8)은 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)을 적층하여 소정의 패턴 형상으로 가공함으로써 금속 인공 격자막(4)이 형성되어 있다.

제1 보호막(5)은 금속 인공 격자막(4)을 덮도록 형성되어 있고, 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON)에서 선택된 하나의 재료를 사용하여 형성되어 있다. 이 제1 보호막(5)은 막 제조시의 온도 조건을 적당히 설정함으로써 잔류 응력이 0이 되도록 형성되어 있다. 제2 보호막(6)은 제1 보호막(5) 상에 형성되어 있고, 폴리이미드가 적합한 재료이지만, 반도체의 표면 보호막으로서 사용되는 유기 재료라면 사용 가능하다. 제1 보호막(5)과 제2 보호막(6)은 도시하는 바와 같이 본 실시형태에서는, 거의 금속 인공 격자막(4)만을 덮도록 형성되어 있고, 이렇게 형성함으로써 응력의 영향을 보다 저감할 수 있다.

2층 구성의 보호막으로 한 경우의 작용 효과에 관해서 설명한다. 자동차용으로서 사용하는 경우에는 가혹한 환경에 견디는 것이 요구된다. 그러나, 이러한 조건 하에서는, 종래 사용되어 온 폴리이미드를 보호막으로 한 구성의 경우, 내열성은 양호하지만 자기 저항 효과 소자에 히스테리시스가 생겨 원하는 자기 저항 변화가 얻어지지 않게 되는 것을 발견하였다. 이것은 금속 인공 격자막(4)을 자왜가 0이 되는 조건에서 제작하여 금속 인공 격자막(4) 자체로서는 히스테리시스가 발생하지 않도록 해도 생기는 것을 알 수 있었다. 이 원인에 관해서 조사한 바, 폴리이미드의 경화시에 잔류 응력이 생기고, 금속 인공 격자막(4)이 그 영향을 받기 때문인 것을 알 수 있었다.

제1 보호막(5)으로서, 예컨대 이산화규소(SiO₂)를 스퍼터링 또는 증착에 의해 형성하면, 통상은 압축 응력이 생긴다. 그러나, 본 발명자들은 후술하는 바와 같이, 막형성시에 기판 온도를 200℃∼250℃로 설정하면, 잔류 응력을 0으로 할 수 있는 것을 발견하였다. 이 결과, 금속 인공 격자막(4)에 가해지는 응력을 0으로 할 수 있다. 또한, 제2 보호막(6)으로서, 예컨대 폴리이미드를 사용한 경우, 경화시에 폴리이미드는 응력을 발생하지만, 이 응력은 제1 보호막(5)에 의해 흡수되어, 금속 인공 격자막(4)에는 실질적으로는 거의 영향을 주지 않는다. 이 결과, 보호막에 기인하는 히스테리시스를 없앨 수 있다.

한편, 여기에서「응력을 실질적으로 0으로 한다」라고 기재하였지만, 이것은 기판의 휨을 측정하여 응력을 계산하는 방법 등의 일반적인 응력 측정 방식으로 측정하였을 때에 거의 0이 되는 상태로, 또한 금속 인공 격자막이 히스테리시스를 발생시키지 않을 정도의 크기라는 의미로 사용하고 있다.

또한, 제2 보호막(6)은 예컨대 폴리이미드를 사용할 수도 있기 때문에, 자동차용 등의 고온, 다습인 환경에서도 금속 인공 격자막(4)을 충분히 보호하여 자기 저항 효과 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.

다음에, 본 실시형태의 자기 저항 효과 소자의 제조 방법에 관해서 설명한다.

알루미나 등의 세라믹스의 표면에 글래스 프리트를 사용하여 글레이즈하고, 글래스층(2)이 형성된 기판(1)을 준비한다. 이 기판(1)의 글래스층(2) 상에 취출 전극(3)을 도시하는 바와 같은 패턴 형상이 되도록 마스크 증착으로 형성한다. 한편, 취출 전극(3)의 패턴 형상이 복잡한 경우는, 마스크를 사용하지 않고 전면에 취출 전극이 되는 박막을 증착한 후, 포토리소 프로세스와 에칭 프로세스를 사용하여 소정의 패턴 형상을 얻는 방법으로 해도 된다. 또한, 취출 전극이 되는 박막은 스퍼터링에 의해 형성해도 된다.

다음에, 글래스층(2) 상에 취출 전극(3)의 일부와 겹치도록 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)을 스퍼터링에 의해 소정의 두께를 형성하면서 교대로 적층한다. 적층수는 전부 10층 정도 있으면, 충분한 자기 저항 변화율을 얻을 수 있다. 금속 인공 격자막(4)은 이렇게 하여 적층되어 소정의 형상으로 제작된다. 한편, 금속 인공 격자막(4)은 글래스층(2) 상의 전면에 형성되는 것은 아니고, 소정의 패턴 형상으로 형성해야 한다. 이 형성 방법으로서는, 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)을 형성할 때에, 이들의 박막이 소정의 패턴 형상으로 형성되도록 마스크를 사용하여 막형성하는, 소위 마스크 막형성 방식이어도 된다. 또한, 글래스층(2) 상에 자성 박막(7)과 금속 비자성 박막(8)의 소정의 적층막을 형성한 후에, 포토리소그래피와 에칭 프로세스에 의해 소정의 패턴 형상으로 에칭 가공해도 된다. 그 에칭 방법으로서는, 습식 에칭, 건식 에칭 뿐만 아니라 이온 밀링 등의 방법을 사용할 수도 있다.

다음에, 제1 보호막(5)을 형성한다. 이 형성 방법으로서는, 스퍼터링 또는 증착에 의해 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON)에서 선택된 하나의 재료를 사용하여 형성한다. 막형성 시에 기판 온도를 200℃에서 250℃로 설정함으로써 내부의 잔류 응력을 0으로 할 수 있다.

또한, 이후, 제1 보호막(5) 상에 제2 보호막(6)을 형성한다. 제2 보호막(6)으로서는, 예컨대 폴리이미드 수지를 스핀 코트에 의해 도포하고 300℃에서 가열하여 경화시키면 폴리이미드를 보호막으로 한 구성을 얻을 수 있다. 이러한 제조 방법에 의해 본 실시형태의 자기 저항 효과 소자가 제작된다.

이하, 이 자기 저항 효과 소자의 동작에 관해서 설명한다. 금속 인공 격자막(4)은 가해진 자계의 방향과 그 크기에 의해서 전기 저항값이 변한다는 특성을 갖고 있다. 따라서, 피검출 부재의 위치에 의해서 자계의 방향이나 자계의 크기가 변하면, 피검출 부재의 위치에 대응하여 금속 인공 격자막(4)의 전기 저항값이 변화한다. 이 결과, 피검출 부재의 위치 검출이 가능해진다.

실제의 사용에 있어서는, 무자계 상태에서의 저항값의 편차나 온도에 의한 저항값 변화 등의 영향을 받지 않도록 4개 이상의 금속 인공 격자막(4)을 브리지 회로에 구성하여 사용하는 경우가 많다. 또는, 2개의 금속 인공 격자막(4)을 직렬로 접속하여 중점 전위를 취출하는 하프 브리지 회로로 하여 사용하는 경우도 있다.

도 3은 이러한 금속 인공 격자막을 4개 사용하여 브리지 회로 구성으로 제작한 자기 저항 효과 소자를 도시하는 도면이다. 도 3에 있어서, 금속 인공 격자막(4a, 4b)의 일단은 취출 전극(3b)에 공통으로 접속되어 있다. 또한, 금속 인공 격자막(4c, 4d)의 일단은 마찬가지로 취출 전극(3c)에 공통으로 접속되어 있다. 또한, 금속 인공 격자막(4a, 4c)의 타단끼리는 공통으로 접속되고, 취출 전극(3a)에 접속되어 있다. 금속 인공 격자막(4b, 4d)의 타단끼리도 마찬가지로 공통으로 접속되고, 취출 전극(3d)에 접속되어 있다. 이렇게 접속함으로써 브리지 회로를 구성한 자기 저항 효과 소자가 제작된다. 이 자기 저항 효과 소자의 제작은, 글래스층(2) 상에 금속 인공 격자막(4)을 4개 배치시켜 두고, 이들을 소정의 배선 패턴으로 전기적으로 접속하면 된다. 이 때, 배선 패턴은 취출 전극과 동일한 재료로 동시에 제작하면 효율적으로 제조할 수 있다. 이러한 브리지 회로 구성으로 하면, 온도 변동이나 저항값 편차를 캔슬할 수 있기 때문에, 고정밀하고 또한 온도 안정성을 대폭 개선할 수가 있다.

상기한 바와 같이, 본 실시형태의 자기 저항 소자는, 150℃ 정도의 고온 상태에 있어서도 자기 저항 변화율이 크고, 또한 히스테리시스를 발생시키지 않기 때문에 자동차의 엔진 룸 등의 가혹한 환경에서 사용할 수 있다.

한편, 기판으로서 알루미나와 같은 강체를 사용함으로써, 사용 시에 기판에 외력이 가해져도, 기판이 그 외력을 흡수하여 금속 인공 격자막에 응력이 가해지는 것을 방지할 수 있다. 한편, 여기서, 「강체」란 「가요체」에 대한 용어로서 사용하고 있고, 통상의 사용 시의 외력에 대한 내부 변형이 실용상 무시할 수 있을 정도로 작은 것을 의미하는 것이다.

또한, 글레이즈하는 글래스층의 두께는 평활한 면을 얻을 수 있는 두께라면, 특별히 제약은 없다. 일반적인 알루미나 등의 세라믹스에서는 표면 요철이 비교적 크기 때문에, 평활한 표면을 얻기 위해서는 10μm 이상의 두께로 하는 것이 요구된다. 실제로, 글래스층의 두께를 여러 가지 바꾼 기판을 사용하여 자기 저항 효과 소자를 제작하고, PCBT 시험을 온도 121℃, 습도 80%, 2기압의 고온 다습 환경 하로 하에서 실시하여 자기 저항 변화율의 열화 특성을 평가하였다. 그 결과, 10μm 이상의 두께로 하면 열화가 생기지 않도록 할 수 있는 것을 발견하였다. 한편, 글래스층의 두께를 두껍게 하면 생산성이 저하할 뿐만 아니라, 응력이 커져 기판에 휨이 생기기 때문에 바람직하지 않다. 이들의 점에서, 글래스층의 두께는 10μm∼40μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제조의 편차 등을 고려하면 20μm 이상이 보다 바람직하다.

또한, 글래스층 중에 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)이 포함되어 있으면, 특히 고온 하에 있어서 금속 인공 격자막 중에 확산하여 금속 인공 격자막 중의 원소와 결합하고, 그 특성을 변화시키는 것을 알 수 있었다. 이들의 함유량에 관해서, 상한값을 실험에 의해 구한 바, 각각 10ppm 이하로 하면, 150℃ 정도의 실용 조건에 있어서도 자기 저항 변화율의 열화가 생기지 않게 되는 것이 발견되었다.

한편, 기판(1)으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우에는, 기판 표면에 형성하는 절연층 중의 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 할 수 있는 재료 및 막형성법을 선택해야 한다. 또한, 기판(1)으로서, 글래스판, 석영판 혹은 경면 상태의 세라믹스판 상에 직접 금속 인공 격자막(4)을 형성하는 경우에는, 이들의 재료 중의 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하는 것이 필요하다. 즉, 금속 인공 격자막(4)과 접하는 기판(1) 또는 글래스층(2) 중의 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하면 된다.

또한, 제1 보호막에 있어서도 마찬가지로, 막 중에 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)이 포함되어 있으면, 특히 고온 하에서 금속 인공 격자막 중에 확산하여 금속 인공 격자막 중의 원소와 결합하고 그 특성을 변화시킨다. 따라서, 이들의 함유량에 관해서도 10ppm 이하로 하면 좋은 것을 알 수 있었다.

한편, 글래스층 중 및 제1 보호막 중의 양쪽 모두에 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하면, 보다 특성 열화를 개선할 수 있다. 또한, 제조 공정 중에 오염에 의해 혼입하는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)에 관해서도 방지하면, 더욱 안정화할 수 있다.

한편, 본 실시형태와 같이 보호막을 2층 형성하는 구성이 아니라 보호막이 1층만인 경우에는, 이 1층만의 보호막이 함유하는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하면 된다. 마찬가지로, 보호막을 3층 이상 형성하는 구성의 경우에는, 적어도 금속 인공 격자막(4)에 접하는 보호막이 함유하는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하면 된다. 즉, 금속 인공 격자막과 접하는 보호막 중의 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 함유량을 각각 10ppm 이하로 하면 된다.

이상과 같이, 본 실시형태의 자기 저항 효과 소자는 자동차 등의 고온 다습한 환경 하에서도 사용이 가능하고, 150℃ 이상, 폴리이미드 등의 수지의 장기간의 내열 온도인 200℃ 이하의 환경에서도 사용할 수 있다.

본 발명에 관한 자기 저항 효과 소자는, 고온 상태에 있어서도 히스테리시스가 생기지 않고, 특성 열화가 작으며, 내열성, 내식성도 뛰어나기 때문에, 자동차용 등의 가혹한 환경에서 사용하는 센서 등으로서 유용하다.

Claims

기판과, 이 기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 교대로 2층 이상 적층되어 소정의 패턴 형상으로 형성된 금속 인공 격자막과, 상기 기판 상에 상기 금속 인공 격자막을 덮어 형성된 제1 보호막과, 상기 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막으로 이루어지며, 상기 제1 보호막은 잔류 응력이 실질적으로 0이고, 상기 제2 보호막은 수분의 투과 저지 능력을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 박막은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co)를 포함하는 합금으로 이루어지고, 상기 금속 비자성 박막은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
기판과, 이 기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 적어도 2층 이상 적층되어 소정의 패턴 형상으로 형성된 금속 인공 격자막과, 상기 기판 상에 상기 금속 인공 격자막을 덮어 형성된 보호막으로 이루어지고, 상기 자성 박막은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co)를 포함하며, 그 원자수에 의한 조성비는 니켈(Ni)이 1∼5원자%, 코발트(Co)가 50∼95원자%, 잔부가 철(Fe)로 이루어지는 합금막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 3 항에 있어서, 상기 자성 박막의 원자수에 의한 조성비가 니켈(Ni) : 코발트(Co) : 철(Fe) = 4 : 90 : 6으로 이루어지는 합금막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 금속 비자성 박막은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호막은 상기 금속 인공 격자막 상을 포함하는 상기 기판 상에 형성된 제1 보호막과, 상기 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막으로 이루어지고, 상기 제1 보호막은 잔류 응력이 실질적으로 0이고, 상기 제2 보호막은 수분의 투과 저지 능력을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보호막은 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON) 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 제2 보호막은 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 박막은 자기 왜곡이 0인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 9 항에 있어서, 상기 기판은 글래스가 글레이즈된 글레이즈드 세라믹스 기판이고, 상기 금속 인공 격자막은 상기 글래스층 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 10 항에 있어서, 상기 글래스층에 포함되는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 혼입량은 모두 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제1 보호막에 포함되는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염소 이온(Cl^-)의 혼입량은 모두 10pmm 이하인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
기판 상의 일부에 자성 박막과 금속 비자성 박막이 교대로 2층 이상 적층되고, 또한 소정의 패턴 형상의 금속 인공 격자막을 형성하는 공정과, 상기 기판 상에 상기 금속 인공 격자막을 덮고 또한 잔류 응력이 실질적으로 0인 제1 보호막을 형성하는 공정과, 상기 제1 보호막 상에 수분의 투과 저지 능력을 갖는 제2 보호막을 형성하는 공정을 포함하는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 금속 인공 격자막은 상기 자성 박막이 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe)로 이루어지는 합금으로, 그 원자수에 따른 조성비는 상기 니켈(Ni)이 1∼5원자%, 코발트(Co)가 50∼95%, 잔부가 철(Fe)이고, 상기 금속 비자성막이 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 제1 보호막을 형성하는 공정은, 스퍼터링법 또는 증착법에 의해 상기 기판의 온도를 200℃∼250℃의 범위로 설정하고, 일산화규소(SiO), 이산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x) 또는 질화산화규소(SiON) 중 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 150℃ 이상의 환경에서 사용하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항 또는 제 6 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 150℃ 이상의 환경에서 사용하는 자기 저항 효과 소자의 사용 방법.