KR102825687B1

KR102825687B1 - 감도의 보상된 온도 계수를 갖는 자기저항 센서 소자 및 상기 소자를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR102825687B1
Application number: KR1020227022081A
Authority: KR
Inventors: 레아 쿠셰; 안드리 티모피브; 제프리 칠드레스
Original assignee: 알레그로 마이크로시스템스, 엘엘씨
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2025-06-26
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: KR20220140484A; US12313707B2; JP2023512148A; EP3862769A1; WO2021156714A1; JP7648633B2; US20230066027A1

Abstract

본 개시내용은 고정된 기준 자화(230)를 갖는 기준층(23); 피측정 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화(210)를 갖는 감지층(21); 및 상기 기준층(23)과 상기 감지층(21) 사이에 절연 물질을 포함하는 터널 장벽층(22)을 포함하는 자기저항 센서 소자(2)로서, 상기 감지층(21)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지부(211) 및 상기 제1 강자성 감지부(211)과 접촉하는 제2 강자성 감지부(212)를 포함하고; 상기 제2 강자성 감지부(212)는 상기 감지층(21)의 자화율(χ)의 온도 의존성이 자기저항 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR)의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 비율로 희석 원소를 포함하는 자기저항 센서 소자에 관한 것이다. 본 개시내용은 자기저항 센서 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

감도의 보상된 온도 계수를 갖는 자기저항 센서 소자 및 상기 소자를 제조하는 방법

본 발명은 외부 자기장을 감지하는 자기 센서용 자기저항 센서 소자 및 상기 자기저항 센서 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 제1 기준 자화(234)를 갖는 제1 강자성층(231) 및 제2 기준 자화(235)를 갖는 제2 강자성층(232)을 포함하는 강자성 기준층(23), 자유 감지 자화(210)를 갖는 강자성 감지층(21) 및 상기 자유 감지 자화 및 상기 기준 강자성층(21, 23) 사이에 터널 장벽층(22)을 구비하는 자기저항 센서 소자(2)의 단면도를 도시한다. 감지 자화(210)는 외부 자기장(60)으로 지향될 수 있는 반면 기준 자화(234, 235)가 실질적으로 동요하지 않는다. 따라서, 자기저항 센서 소자(2)의 저항을 측정함으로써 외부 자기장(60)을 감지할 수 있다. 저항은 감지 자화와 기준 자화의 상대적인 방향에 따른다. 기준층(23)은 고정된 기준 자화를 갖는 단일 기준층을 포함할 수 있음에 유의하라.

도 2a 및 2b는 감지층(21)의 평면도를 예시한 것으로, 감지 자화(210)는 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함한다. 와류 구성은 자기저항 센서 소자(2)의 실제 크기 및 감지층(21)의 두께에 대한 외부 자기장(60)의 큰 크기 범위 내에서 선형 및 논히스테리시스 거동을 제공한다. 따라서, 와류 구성은 1D 자기 센서 응용에 유리하다. 감지층(21)에서 와류 구성의 획득은 감지층(21)의 재료 특성을 비롯한 여러 요인에 따라 달라진다. 일반적으로, 와류 구성은 감지층(21)의 직경에 대한 두께의 종횡비를 증가시킴으로써 (0 인가된 장에서) 선호된다. 종횡비는 여전히 전형적으로 1보다 훨씬 작다(예를 들어, 0.01 내지 0.5). 보다 구체적으로, 도 2a는 와류 구성의 코어(213)가 실질적으로 감지층 단면의 중심에 있는 외부 자기장(60)의 부재 시 감지 자화(210)를 도시한다. 이 구성에서, 감지층(21)은 실질적으로 0(M=0)인 순 자기 모멘트를 갖는다. 도 2b는 외부 자기장(60)의 존재 하에서 감지 자화(210)를 도시한다. 외부 자기장(60)은 코어(213)가 외부 자기장(60) 중 하나에 실질적으로 수직인 방향(점선 화살표로 도시됨)으로 이동하게 한다. 코어(213)의 변위로 인해 감지층(21)에서 순 자기 모멘트(M ≠ 0)가 발생된다. 특히, (도 2b에 도시된 바와 같이) 코어(213)가 우측으로 변위되면 결과 감지층(21)에서 순 자기 모멘트(M)가 0보다 큰 반면, 외부 자기장(60)이 도 2b에 도시된 방향과 반대 방향으로 배향될 경우, 코어(213)가 좌측(미도시)으로 변위되면 감지층(21)에서 순 자기 모멘트(M)는 0보다 작다.

도 3은 감지 자화(210)(M, 임의 단위) 상의 외부 자기장(60)(H_ext, 임의의 단위)에 대한 히스테리시스 응답(또는 자화 곡선)을 도시한다. 와류 감지 자화(210)의 전체 히스테리시스 루프는 와류 방출 자기장이 H_expl 지점에 도달할 때까지 인가된 자기장(H_ext)와 함께 자화(M)의 선형 증가를 특징으로 한다. 이 지점에서, 감지 자화(210)는 자기적으로 포화된다. 감지층(21)에서 와류 상태를 복구하기 위해, 핵형성 자기장(H_nucl) 아래의 자기장을 감소시켜야 한다. 인가된 자기장이 감지 자화(210)에서 와류의 방출 자기장(+/-H_expl)에 대응하는 크기 내에 있는 한, 외부 자기장(60)에 대한 히스테리시스 응답은 외부 자기장(60)에 따른 코어(213)의 이동에 해당하는 가역적 선형 부분을 포함한다. 히스테리시스 루프의 선형 부분의 값과 기울기는 감지층(21)의 크기에 크게 의존한다. 자화 곡선의 선형 및 논히스테리시스 부분은 작은 외부 자기장의 변화(H_ext)의 측정을 용이하게 한다.

특히, 와류는 M(H) 루프의 선형 영역의 기울기에 해당하는 자화율(χ)을 특징으로 한다:

χ = ∂M /∂H_ext (1)

자기저항 센서 소자(2)의 감도(S)는 자화율(χ)과 자기저항 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR) 사이의 곱에 비례할 것이다:

S = χ*TMR (2)

도 4a 및 도 4b는 외부 자기장(60)(H_ext, 임의 단위)의 함수로서 자기저항 센서 소자(2)의 전기 전도도(G)(임의 단위)를 도시한다. 도 4a는 감지 자화(210)가 제1 기준 자화(234)에 평행할 때 전기 전도도(G)를 나타내는 반면, 도 4b는 감지 자화(210)가 제1 기준 자화(234)에 역평행일 때 전기 전도도(G)를 나타낸다. 자기저항 센서 소자(2)는 상기 자기저항 센서 소자(2)를 통해 판독 전류(31)(도 1 참조)를 통과시켜 측정될 수 있다. 자기저항 센서 소자(2)의 전기 전도도(G)는 제1 기준 자화(234)의 방향으로 평균 감지 자화(210)의 투영에 비례하므로, 외부 자기장(H_ext)에 대한 전기 전도도(G)는 외부 자기장(H_ext)이 제1 기준 자화(234)의 방향과 정렬될 때 (도 3의) 히스테리시스 응답과 유사하다.

그러나, 자화율(χ) 및 TMR은 모두 온도(T)의 함수에 따라 변한다. 특히, 온도(T)가 증가하면, 감지 자화(210)가 감소하여 자화율(χ)이 증가하게 된다. 반면에, TMR은 온도(T)가 증가하면 감소한다. 자기저항 센서 소자(2)의 온도 의존성은 온도(T)에 따른 감도(S)의 변화에 대응하는 감도의 온도 계수(TCS)로 특징지어질 수 있다. 도 5는 자기저항 센서 소자(2)의 여러 온도에서 측정된, 외부 자기장(H_ext)(임의 단위)의 함수로서, 포화 감지 자화(Ms)(임의 단위)에 대한 감지 자화(M)의 비율을 나타낸다. 선형 영역의 기울기와 이에 따른 자화율(χ)이 온도를 증가시킨다. 도 6a 내지 6c는 (도 6a에서 도 6c까지) 3개의 증가하는 온도(T)에 대해 외부 자기장(H_ext)(임의 단위)의 함수로서 자기저항 센서 소자(2)의 측정된 전기 전도도 곡선, 즉, 전기 전도도(G)(임의의 단위)를 나타낸다. 도 6a 내지 도 6c는 온도가 증가함에 따라 TMR이 감소함을 나타낸다. TMR은 외부 자기장(Hext)의 함수로서 자기저항 센서 소자(2)의 저항(또는 역 전도도)의 최대 변화를 나타낸다.

대부분의 경우, 온도가 증가하면, TMR은 자화율(χ)이 증가하는 것보다 빠르게 감소하고, 이는 큰 음의 TCS로 이어진다. 따라서, 자기저항 센서 소자(2)의 TCS는 자기저항 센서 소자(2)의 감지 성능과 잠재적인 실제 적용 범위에 영향을 미칠 수 있는 매우 중요한 파라미터이다.

TCS는 온도 변화에 대한 자기저항 소자 바이어스 전압을 변화시킴으로써 자기저항 저항 소자(2)의 감도(S)의 변화를 보상하는 전자 회로를 사용함으로써 제어될 수 있다. 그러나, 이 방안은 TCS를 조정하기 위해 트리밍이 필요한다. 더욱이, 추가적인 전자 회로를 사용하는 것은 더 큰 다이 크기를 필요로 하고, 자기저항 센서 소자(2)의 공정 및 개발을 더 복잡하게 만든다.

참조문헌 US2018164387은 고정된 기준 자화를 갖는 기준층; 피측정 외부 자기장에 따라 코어가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화를 갖는 감지층; 상기 기준층과 상기 감지층 사이의 터널 장벽층을 포함하는 자기 센서를 개시한다.

참조문헌 US2017371006은 고정 자성층, 비자성 재료층, 제1 반강자성층과 교환 결합된 자유 자성층을 포함하는 GMR 소자를 개시하고 있다. 자유 자성층은 제1 강자성층과 자기 조절층으로 이루어진다. 자기 조정층은 적어도 하나의 철족 원소와 적어도 하나의 백금족 원소를 포함한다. 자기 조절층은 자유 자성층의 포화 자화를 감소시키고, 결과적으로, 자유 자성층과 제1 반강자성층 사이의 교환 결합의 교환 결합 바이어스(Hex)의 크기를 증가시킨다.

본 발명의 목적은 상기 단점 및 결함을 개선한 보상된 감도 온도 계수를 갖는 자기저항 센서 소자 및 상기 소자의 제조 방법을 제안하는 것이다.

본 개시내용은 1차원(1D) 외부 자기장을 감지하기 위한 자기저항 센서 소자에 관한 것으로, 자기저항 센서 소자는 고정된 기준 자화를 갖는 기준층; 피측정 외부 자기장에 따라 코어가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화를 갖는 감지층; 및 상기 기준층과 상기 감지층 사이에 절연 물질을 포함하는 터널 장벽층을 포함하고, 상기 감지층은 터널 장벽층과 접촉하는 제1 강자성 감지부 및 상기 제1 강자성 감지부과 접촉하는 제2 강자성 감지부를 포함하며; 상기 제2 강자성 감지부는 상기 감지층의 자화율의 온도 의존성이 자기저항 센서 소자의 터널 자기저항의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 비율로 희석 원소를 포함한다.

본 개시내용은 또한 자기저항 센서 소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 전이 금속 원소의 비율과 복수의 온도에 대해:

각 온도에 대한 복수의 측정된 전도도 곡선을 얻기 위해, 복수의 온도에 대한 외부 자기장의 함수로서 자기저항 센서 소자의 전기 전도도를 측정하는 단계;

TMR의 온도 의존성을 결정하기 위해, 복수의 전기 전도도 곡선으로부터 자기저항 센서 소자의 TMR 값을 계산하는 단계;

감지층의 자화율의 온도 의존성을 결정하기 위해, 감지층(21)의 자화를 측정하는 단계; 및

TMR의 온도 의존성이 자화율의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 전이 금속 원소의 비율을 결정하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 개시된 자기저항 센서 소자는 감도의 최소 온도 의존성 또는 최소 TCS를 갖는다. 자기저항 센서 소자는 각 온도에 대한 바이어스 전압을 조정하여 감도 손실을 보상하기 위해 추가 온보드 전자 장치를 필요하지 않다. 자기저항 센서 소자는 작은 다이 크기를 가질 수 있으며 추가 테스트 시간이 필요하지 않다.

본 발명의 내용에 포함됨.

본 발명은 예로서 제공되고 도면에 의해 예시된 실시예의 설명의 도움으로 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 감지층을 포함하는 자기저항 센서 소자의 단면도를 도시한다.
도 2a 및 2b는 외부 자기장에서 이동 가능한 와류 구성을 포함하는 감지 자화를 갖는 감지층의 평면도를 예시한다.
도 3은 감지 자화에서 외부 자기장에 대한 전체 히스테리시스 응답을 도시한다.
도 4a 및 4b는 감지 자화가 기준 자화에 대해 평행(도 4a) 및 역평행(도 4b)일 때 외부 자기장의 함수로서 자기저항 센서 소자의 전기 전도도를 도시한다.
도 5는 자기저항 센서 소자에서 여러 온도에 대해 측정된 외부 자기장의 함수로서 포화 감지 자화에 대한 감지 자화의 비율을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 증가하는 온도에 대한 외부 자기장의 함수로서 자기저항 센서 소자의 전기 전도도를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 제1 강자성 감지부 및 제2 강자성 감지부를 포함하는 감지층(21)의 세부 사항을 도시한다.
도 8은 감지 자화의 상이한 희석에 대한 온도의 함수로서의 포화 자화를 도시한다.
도 9는 감지층에 대한 온도의 함수로서 실험적으로 측정된 포화 자화를 나타내며, 제2 강자성 감지부는 전이 금속 원소의 상이한 함량에 대한 NiFe 합금을 포함한다.
도 10은 제2 강자성 감지부의 NiFe 합금에 Ta를 첨가함으로써 달성된 다양한 희석에 대한 TCS 값을 보고한다.
도 11은 일 실시예에 따른 제2 강자성 감지부의 세부사항을 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 자기저항 센서를 생성하기 위해 4개의 자기저항 소자가 사용되는 휘트스톤 브리지 구성을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 자기저항 센서 소자(2)는 고정된 기준 자화(230)를 갖는 강자성 기준층(23), 외부 자기장(60)에 따라 이동 가능한 감지 자화(210)를 갖는 강자성 감지층(21), 및 상기 감지층 및 상기 강자성 기준층(21, 23) 사이의 터널 장벽층(22)을 포함한다. 감지 자화(210)는 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함한다(도 2a 및 2b 참조).

강자성층은 CoFe, NiFe 또는 CoFeB와 같은 Fe계 합금으로 제조될 수 있다. 기준층은 자기 교환 바이어스 결합에 의해 반강자성층(24)에 의해 고정될 수 있다. 반강자성층은 이리듐(Ir) 및 망간(Mn) 기반 합금(예를 들어, IrMn)과 같은 망간(Mn) 기반 합금; 철(Fe) 및 망간(Mn) 기반 합금(예를 들어, FeMn); 백금(Pt) 및 망간(Mn) 기반 합금(예를 들어, PtMn); 및 니켈(Ni) 및 망간(Mn) 기반 합금(예를 들어, NiMn)을 포함할 수 있다. 기준층(23)은 하나 또는 복수의 강자성층을 포함할 수 있거나, 도 1에 도시된 바와 같이, 기준층(23)은 Ru, Ir 또는 Cu 또는 이들 원소들의 조합으로 구성된 역평행 결합층(233)에 의해 제2 강자성층(232)과 분리된 적어도 하나의 제1 강자성층(231)을 포함한 합성 반강자성체(SAF)를 포함할 수 있다. 반강자성층(24)에 인접한 강자성층(232)의 제2 기준 자화(235)는 고정되고, 제1 강자성층(231)의 제1 기준 자화(234)는 역평행 결합층(233)에 의해 제2 기준 자화(235)에 역평행으로 결합된다. 터널 장벽층(22)은 절연 재료를 포함할 수 있다. 적절한 절연 재료는 산화알루미늄(예를 들어,Al₂O₃) 및 산화마그네슘(예를 들어, MgO)과 같은 산화물을 포함한다. 터널 장벽층(22)의 두께는 약 1 nm 내지 약 3 nm와 같은 nm 범위일 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 감지층(21)의 세부사항을 도시한다. 감지층(21)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지부(211) 및 상기 제1 강자성 감지부(211)과 접촉하는 제2 강자성 감지부(212)을 포함한다. 제2 강자성 감지부(212)는 감지층(21)의 자기 자화율(χ)의 온도 의존성이 자기저항 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR)의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 비율로 희석 원소를 포함한다. 제2 강자성 감지부(212)은 (장치 크기에 맞게 조정되는) b와류 상태를 허용할 정도로 충분히 두꺼워야 한다.

희석 원소는 감지 자화(210)를 희석하고 감지층(21)의 퀴리 온도(Tc)를 감소시킨다. 도 8은 제1 퀴리 온도(Tc₁)를 갖는 희석되지 않은 감지 자화(곡선 A), 제1 퀴리 온도(Tc₁)보다 작은 제2 퀴리 온도(Tc₂)를 갖는 적당히 희석된 감지 자화(곡선 B), 및 제2 퀴리 온도(Tc₂)보다 작은 제3 퀴리 온도(Tc₃)를 갖는 고도로 희석된 감지 자화(곡선 C)에 대한 온도(T)의 함수로서 0K Ms(T)/Ms(0)에서 정규화된 포화 자화를 나타낸다.

또한 도 8에는 작동 온도 범위(T_WR) 내에서 곡선 A 내지 C의 중앙점에서의 접선이 도시되어 있다. 작동 온도 범위(T_WR)는 도 8에서 점선 박스로 표시되며 자기저항 센서 소자(2)가 일반적으로 작동되는 온도에 해당한다. 곡선 A 내지 C에 대한 접선은 감지층(21)의 퀴리 온도(Tc)를 감소시킴으로써 작동 온도 범위(T_WR)에서 온도(T)가 증가함에 따라 자화가 더 빠르게 강하하는 것을 나타낸다. 온도(T)가 증가함에 따라 자화가 더 빠르게 감소함으로써 온도가 증가함에 따라 자화율(χ)이 더 빠른 증가한다.

감지 자화(210)의 희석을 조정함으로써 온도 증가에 따른 자화율(χ)의 증가에 따라 TMR의 감소를 실질적으로 보상하는 것이 가능하다. 따라서, 감지 자화(210)의 희석을 조정함으로써 TCS를 제어하는 것이 허용되고, 예를 들어 TCS가 작동 온도 범위(T_WR)에서 실질적으로 0이 되도록 한다. 여기서, 감지 자화(210)의 희석은 제2 강자성 감지부(212)를 형성하는 강자성 재료에 희석 원소를 추가함으로써 달성된다.

일 실시예에서, 희석 원소는 전이 금속 원소이다. 예를 들어, 제2 강자성 감지부(212)는 전이 금속 원소를 포함하는 NiFe 합금을 포함할 수 있다. 전이 원소는 예를 들어 Ta, W 또는 Ru를 포함할 수 있다.

도 9는 제2 강자성 감지부(212)가 층에 포함된 희석 원소의 상이한 함량의 NiFe 합금을 포함하는 감지층(21)에 대한 온도(T)의 함수로서 실온 M/M(RT)에서 정규화된 측정된 포화 자화를 나타낸다. 자화 곡선은 희석 없음(곡선 A), 10%vol Ta 농도(곡선 C), 10%vol W 농도(곡선 D) 및 7%vol Ta 농도(곡선 B)를 나타낸다. 도 10은 제2 강자성 감지부(212)의 NiFe 합금에 Ta을 포함함으로써 온도(T)에 따른 자화가 더 빠르게 감소하는 것을 보여준다. 제2 강자성 감지부(212)에 W를 추가하면 Ta가 추가되었을 때보다 온도에 따른 자화가 더 강하게 감소한다

도 10은 직경이 약 440 nm인 감지 자화(210)의 와류 구성을 갖는 제2 강자성 감지부(212)의 NiFe 합금에 Ta를 첨가함으로써 달성된 다양한 희석에 대한 TCS 값을 나타낸다. TCS는 NiFe 합금에서 약 8%vol의 Ta 농도에 대해 실질적으로 보상된다(TCS가 null 값에 접근함).

도 11에 도시된 실시예에서, 제2 강자성 감지부(212)는 강자성 합금을 포함하는 복수의 강자성 서브층(214) 및 희석 원소, 예를 들어 전이 금속 원소를 포함하는 복수의 희석 서브층(215)을 포함한다. 강자성 서브층(214)은 0.5 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 강자성 서브층(214)은 0.5 내지 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 희석 서브층(215)은 0.1 내지 0.5 nm의 두께를 가질 수 있다.

강자성 서브층(214)은 NiFe, CoFe 또는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다.

제1 강자성 감지부(211)는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다.

한 가지 특정 예에서, 제1 강자성 감지부(211)는 CoFeB 합금을 포함하고, 제2 강자성 감지부(212)는 강자성 NiFe 합금을 포함하는 복수의 강자성 서브층(214) 및 Ta를 포함하는 복수의 희석 서브층(215)을 포함한다. 여기서, 제1 강자성 감지부(211)는 약 2.4nm의 두께를 가질 수 있고, 강자성 서브층(214)은 약 1.2nm의 두께를 가질 수 있으며, 희석 서브층(215)은 약 0.1nm의 두께를 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 희석 원소의 농도 및 복수의 온도에 대해 자기저항 센서 소자를 제조하는 방법은:

각 온도(T)에 대한 복수의 측정된 전도도 곡선을 얻기 위해, 복수의 온도(T)에 대한 외부 자기장(H_ext)의 함수로서 자기저항 센서 소자(2)의 전기 전도도(G)를 측정하는 단계;

TMR의 온도 의존성을 결정하기 위해, 복수의 전기 전도도 곡선으로부터 자기저항 센서 소자(2)의 TMR 값을 계산하는 단계; 및

감지층(21)의 자화율(χ)의 온도 의존성을 결정하기 위해, 감지층(21)의 자화를 측정하는 단계를 수행하는 것을 포함한다.

자기저항 센서 소자(2)의 전기 전도도(G)는 자기저항 센서 소자(2)를 통해 판독 전류(31)(도 1 참조)를 통과시킴으로써 측정될 수 있다. 3개의 상이한 곡선(T)에 대해 측정된 전도도 곡선의 예가 6a-6c에 도시되어 있다.

사전 형성된 단계로부터, 상기 방법은 TTMR의 온도 의존성이 자화율(χ)의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 전이 금속 원소의 비율을 결정하는 단계를 더 포함한다.

TCS를 보상하기 위해, 온도(T)에 따른 자화 Ms(T)의 변화는 다음과 같아야 한다:

Ms(T) = A TMR(T) / (2 + TMR(T)) (3)

여기서, A는 상수이고 TMR(T)은 TMR의 온도 의존성이다.

1D 외부 자기장(Hext)를 감지하기 위한 자기저항 센서는 복수의 자기저항 센서 소자(2)를 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 일 실시예에서, 자기저항 센서(20)는 휘트스톤 풀 브리지 구성으로 배열된다. 이는 센서의 열 안정성과 선형성을 향상시킬 수 있다. 이러한 풀 브리지 내부에서, 대각선 요소(2)는 동일한 응답 곡선(예를 들어, 도 4a)을 가지지만 각 하프 브리지에서 한 감지 소자는 응답 곡선(4a)을 갖고 다른 감지 소자는 반전된 응답 곡선(도 4b)을 갖는다. 이는 각각 도 4a 및 도 4b의 응답 곡선과 같은 응답 곡선을 갖는 2개의 감지 소자(2)에 대해 기준층(230)의 반대 방향을 가짐으로써 달성된다.

자기저항 센서(20)가 1V(V_in = 1V)로 바이어스되는 경우, TMR의 온도 의존성은 히스테리시스 곡선의 포화 자화(FB_out)에서 자기저항 센서(20)의 전기 출력(V_out)으로부터 계산될 수 있다(예를 들어, 도 3 참조):

TMR = 2 FB_out/(FB_out - 2) (4)

여기서, FB_out = max(FB_out) - min(FB_out)이고, max(FB_out) 및 min(FB_out)은 히스테리시스 곡선의 포화 자화이다.

온도(T)에 따른 자화 Ms(T)의 변화는 자력계를 사용하여 감지층(21)에서 별도로 측정될 수 있다.

2 자기저항 센서 소자
20 자기저항 센서
21 감지층
210 감지 자화
211 제1 강자성 감지부
212 제2 강자성 감지부
213 코어
214 강자성 서브층
215 희석 서브층
22 터널 장벽층
23 기준층
230 기준 자화
231 제1 강자성층
232 제2 강자성층
233 역평행 결합층
234 제1 기준 자화
235 제2 기준 자화
24 반강자성층
31 판독 전류
60 외부 자기장
G 전기 전도도
H_ext 외부 자기장
H_expl 방출 자기장
H_nucl 핵형성 자기장
Ms 포화 자화
S 감도
T 온도
Tc 퀴리 온도
TCS 감도의 온도 계수
TMR 터널 자기저항
T_WR 작동 온도 범위
χ 자화율

Claims

고정된 기준 자화(230)를 갖는 기준층(23);
피측정 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화(210)를 갖는 감지층(21); 및
상기 기준층(23)과 상기 감지층(21) 사이에 절연 물질을 포함하는 터널 장벽층(22)을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)로서,
상기 감지층(21)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지부(211) 및 상기 제1 강자성 감지부(211)과 접촉하는 제2 강자성 감지부(212)를 포함하고;
상기 제2 강자성 감지부(212)는 합금 및 희석 원소를 포함하며, 희석 원소는 7-10%vol의 농도를 가지고, 희석 원소는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR)의 온도 의존성을 보상하도록 배열되고, 희석 원소는 전이 금속인 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제1항에 있어서,
전이 금속은 Ta 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제1항에 있어서,
제1 강자성 감지부(211)는 CoFeB 합금을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제1항에 있어서,
합금은 NiFe 합금을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제1항에 있어서,
제 2 강자성 감지부(212)는 합금을 포함하는 복수의 강자성 서브층(214) 및 희석 원소를 포함하는 복수의 희석 서브층(215)을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제5항에 있어서,
각각의 희석 서브층(215)은 두께가 0.1 내지 0.5 nm이고, 각각의 강자성 서브층(214)은 두께가 0.5 내지 5 nm인 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
제5항에 있어서,
강자성 서브층(214)은 NiFe, CoFe 또는 CoFeB 합금을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자.
복수의 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)를 포함하는 1D 외부 자기장을 감지하기 위한 터널 자기저항(TMR) 센서(20)로서,
각 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)는:
고정된 기준 자화(230)를 갖는 기준층(23);
피측정 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화(210)를 갖는 감지층(21); 및
상기 기준층(23)과 상기 감지층(21) 사이에 절연 물질을 포함하는 터널 장벽층(22)을 포함하고,
상기 감지층(21)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지부(211) 및 상기 제1 강자성 감지부(211)과 접촉하는 제2 강자성 감지부(212)를 포함하고;
상기 제2 강자성 감지부(212)는 합금 및 희석 원소를 포함하며, 희석 원소는 7-10%vol의 농도를 가지고, 희석 원소는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR)의 온도 의존성을 보상하도록 배열되고, 희석 원소는 전이 금속인 터널 자기저항(TMR) 센서(20).
제8항에 있어서,
휘트스톤 풀 브리지 구성으로 배열되는 터널 자기저항(TMR) 센서(20).
고정된 기준 자화(230)를 갖는 기준층(23)을 형성하는 단계;
피측정 외부 자기장(60)에 따라 코어(213)가 가역적으로 이동 가능한 안정적인 와류 구성을 포함하는 자유 감지 자화(210)를 갖는 감지층(21)을 형성하는 단계로, 상기 감지층(21)은 터널 장벽층(22)과 접촉하는 제1 강자성 감지부(211) 및 상기 제1 강자성 감지부(211)과 접촉하는 제2 강자성 감지부(212)를 포함하고, 상기 제2 강자성 감지부(212)는 상기 감지층(21)의 자화율(χ)의 온도 의존성이 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)의 터널 자기저항(TMR)의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 비율로 희석 원소를 포함하는 것인 단계; 및
상기 기준층(23)과 상기 감지층(21) 사이에 절연 물질을 포함하는 터널 장벽층(22)을 형성하는 단계로, 터널 장벽층(22)은 감지층(21)의 제1 강자성 감지부(211)와 접촉하는 것인 단계를 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자를 제조하는 방법으로서,
감지층(21)을 형성하는 단계는 희석 원소의 농도를 결정하는 것을 포함하며, 농도는:
각 온도(T)에 대한 측정된 전도도 곡선을 얻기 위해, 복수의 온도(T)에 대한 외부 자기장(H_ext)의 함수로서 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)의 전기 전도도(G)를 측정하는 단계;
TMR의 온도 의존성을 결정하기 위해, 복수의 전기 전도도 곡선으로부터 터널 자기저항(TMR) 센서 소자(2)의 TMR 값을 계산하는 단계;
감지층(21)의 자화율(χ)의 온도 의존성을 결정하기 위해, 감지층(21)의 자화를 측정하는 단계; 및
TMR의 온도 의존성이 자화율(χ)의 온도 의존성을 실질적으로 보상하는 희석 원소의 농도를 결정하는 단계에 의해 결정되는 것을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자를 제조하는 방법.
제10항에 있어서,
희석 원소는 전이 금속을 포함하는 터널 자기저항(TMR) 센서 소자를 제조하는 방법.