特許 7207671 異常ホール効果を利用する磁気センサ、ホールセンサおよびホールセンサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-10

(45)【発行日】2023-01-18

(54)【発明の名称】異常ホール効果を利用する磁気センサ、ホールセンサおよびホールセンサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/07 20060101AFI20230111BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20230111BHJP

   H10N 52/00 20230101ALI20230111BHJP

   H10N 52/01 20230101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

G01R33/07

H01L29/82 Z

H01L43/06 M

H01L43/06 P

H01L43/06 Z

H01L43/14

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2021530323

(86)(22)【出願日】2019-11-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-26

(86)【国際出願番号】 KR2019016704

(87)【国際公開番号】W WO2020111862

(87)【国際公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-05-27

(31)【優先権主張番号】10-2018-0152366

(32)【優先日】2018-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(31)【優先権主張番号】10-2018-0152367

(32)【優先日】2018-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】515294318

【氏名又は名称】世宗大学校産学協力団

(73)【特許権者】

【識別番号】521231318

【氏名又は名称】ナノゲート

【氏名又は名称原語表記】ＮＡＮＯＧＡＴＥ

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100165803

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100170900

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 渉

(72)【発明者】

【氏名】ギム テワン

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－００８８０７４（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００４－２７３６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９９７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／１２３０２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－０８４７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５８７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５１５２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１０２６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３７６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２０３１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４１３３７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６、

Ｈ０１Ｌ ２７／２２、

２９／８２、

４３／００－４３／１４、

Ｈ０１Ｆ １０／００－１０／３２、

４１／１４－４１／３４、

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５、

２１／８２３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成され、多結晶構造を有する下部非磁性金属層；
前記下部非磁性金属層上に形成され、印加される磁界によって異常ホール効果が発生する強磁性層；および
前記強磁性層上に形成され、多結晶構造を有する上部非磁性金属層を含み、
前記基板と前記下部非磁性金属層間には前記下部非磁性金属層の多結晶構造の形成を誘導するためのバッファ層がさらに含まれ、
前記バッファ層はＴａ、ＲｕまたはＴｉを含み、１０Å～５０Åの厚さを有することを特徴とする、異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項2】

前記強磁性層は前記下部非磁性金属層または前記上部非磁性金属層が有する厚さ以上の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項3】

前記強磁性層はＣｏＦｅＳｉＢを含み、１０Å～４５Åの厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項4】

前記下部非磁性金属層または上部非磁性金属層はＰｔまたはＰｄを含むことを特徴とする、請求項２に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項5】

前記下部非磁性金属層は前記上部非磁性金属層と同一材質でありＰｔを含むことを特徴とする、請求項４に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項6】

前記強磁性層は
前記下部非磁性金属層と接する界面領域に形成され、垂直磁気異方性が優勢な第１容易軸誘導層；
前記上部非磁性金属層と接する界面領域に形成され、垂直磁気異方性が優勢な第２容易軸誘導層；および
前記第１容易軸誘導層および前記第２容易軸誘導層間に配置され、磁化の等方性が優勢なバルク層を含み、
前記第１容易軸誘導層、前記第２容易軸誘導層および前記バルク層は同一材質であることを特徴とする、請求項１に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項7】

前記バルク層は前記第１容易軸誘導層または前記第２容易軸誘導層の垂直磁化による影響で前記強磁性層の垂直な方向の磁化容易軸を有することを特徴とする、請求項６に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項8】

前記強磁性層の界面に垂直な方向に印加される磁界の強度に比例してホール電圧が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の異常ホール効果を利用する磁気センサ。

【請求項9】

菱形の形状を有し、垂直に印加される磁界に対して異常ホール効果によるホール電圧を生成する感知領域；
前記感知領域の菱形の形状の頂点に一体に連結され、入力電流が印加され、ホール電圧が出力される電極配線部；および
前記電極配線部と一体に形成され、外部と電気的に連結されるパッド部を含むパッド部を含み、
前記感知領域は
基板上に形成された下部非磁性金属層；
前記基板と前記下部非磁性金属層間には前記下部非磁性金属層の多結晶構造を誘導するためのバッファ層；
前記下部非磁性金属層上に形成され、界面に垂直に印加される磁界によりホール電圧を生成するための強磁性層；および
前記強磁性層上に形成された上部非磁性金属層を含み、
前記バッファ層はＴａ、ＲｕまたはＴｉを含み、１０Å～５０Åの厚さを有することを特徴とする、異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項10】

前記強磁性層はＣｏＦｅＳｉＢを含み、下部非磁性金属層または上部非磁性金属層と接する界面での誘導された垂直磁気異方性によって界面に垂直な方向に磁化容易軸を有することを特徴とする、請求項９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項11】

前記強磁性層は
前記下部非磁性金属層に接する界面から形成され、垂直磁気異方性が優れた第１容易軸誘導層；
前記第１容易軸誘導層上に形成され、磁化の等方性が優勢なバルク層；および
前記バルク層上に形成され、前記上部非磁性金属層に接する界面から形成され、前記上部非磁性金属層の磁気誘導によって垂直磁気異方性が優れた第２容易軸誘導層を含み、
前記第１容易軸誘導層、前記バルク層および前記第２容易軸誘導層は同一材質であることを特徴とする、請求項１０に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項12】

前記下部非磁性金属層はＰｔまたはＰｄを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項13】

前記上部非磁性金属層はＰｔまたはＰｄを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項14】

前記強磁性層の厚さは前記下部非磁性金属層または前記上部非磁性金属層の厚さ以上であることを特徴とする、請求項９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項15】

前記強磁性層は１０Å～４５Åの厚さを有することを特徴とする、請求項１４に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項16】

前記電極配線部は前記感知領域と同一の積層構造を有し、前記感知領域を構成する膜質が一体化されて連結されたことを特徴とする、請求項９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項17】

前記パッド部は前記感知領域と同一の積層構造を有し、前記電極配線部を構成する膜質が一体化されて連結されたことを特徴とする、請求項９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項18】

前記感知領域の菱形の形状の長軸の幅は短軸の幅に対して１～１．５倍の大きさを有することを特徴とする、請求項９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサ。

【請求項19】

基板上に下部非磁性金属層、強磁性層および上部非磁性金属層を順次形成する段階；
前記上部非磁性金属層上にフォトレジストパターンを形成する段階；および
前記フォトレジストパターンを食刻マスクとして利用した選択的食刻を通じて前記基板の一部を露出させ、菱形の形状を有し、垂直に印加される磁界に対して異常ホール効果によるホール電圧を生成する感知領域、前記感知領域の菱形の形状の頂点に一体に連結され、入力電流が印加され、ホール電圧が出力される電極配線部、および前記電極配線部と一体に形成され、外部と電気的に連結されるパッド部を含むパッド部を同時に形成する段階を含み、
前記下部非磁性金属層を形成する段階の前に、前記下部非磁性金属層の多結晶構造を誘導するために、Ｔａ、ＲｕまたはＴｉを含み、１０Å～５０Åの厚さを有するバッファ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、異常ホール効果を利用するホールセンサの製造方法。

【請求項20】

前記入力電流は、前記感知領域の対向する頂点に連結された前記電極配線部の最上層の前記パッド部を通じて印加されることを特徴とする、請求項１９に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサの製造方法。

【請求項21】

ホール電圧は、前記感知領域で入力電流が印加されない頂点に連結された前記電極配線部の最上層の前記パッド部を通じて出力されることを特徴とする、請求項２０に記載の異常ホール効果を利用するホールセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は磁気センサに関し、さらに詳細には、異常ホール効果を利用する磁気センサ、ホールセンサおよびホールセンサを利用する製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサは磁場の変化を感知して電気的信号に変換する素子である。したがって、磁気センサの実質的な入力は磁場であり、出力は電気信号となる。代表的な磁気センサとしてはホールセンサがある。ホールセンサはホール効果を利用する素子である。ホール効果は電流が磁場を横切る方向に流れる条件下で、電流方向と磁場方向に同時に垂直な方向に電位差が発生する現象を指し示す。

【0003】

ホールセンサの製造に適合な素材は低いキャリア濃度と高い移動度を有する必要がある。万一、キャリア濃度が高いと、散乱によってキャリアの速度が減少してキャリアに及ぼすローレンツ力が減少する。移動度が大きいと、ドリフト速度（ｄｒｉｆｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が増加してローレンツ力が強化される。

【0004】

したがって、ローレンツ力を利用する伝統的なホールセンサは金属または半導体を基本素材として利用する。ただし、金属はキャリアの濃度が高く、散乱によって出力電圧が減少し、線形性が低下する問題があるため、半導体を利用したホールセンサが製作され研究される。ただし、半導体を利用したホールセンサは出力電圧を高めるためにセンサパターンのサイズを増加させなければならず、出力において大きなオフセット電圧が発生する問題がある。また、磁石とセンサの間の距離は非常に短くなければならず、高い駆動温度で特性が歪む現象が発生する。

【0005】

ホールセンサは使われる環境に適合する特性を有さなければならない。通常的にホールセンサは低いオフセット電圧、高いレベルのホール電圧、高い分解能を有する必要がある。このような特性を具現するために、ホールセンサは略十字状の構造を有し、半導体基板上にｎ型でドーピングされた感知領域が形成され、感知領域は略十字状の構造を有する。

【0006】

最も代表的なホールセンサはＧａＡｓタイプのホールセンサである。ＧａＡｓタイプのホールセンサは出力電圧として高いホール電圧を有し、低いオフセット電圧によりカメラの手振れ防止機能（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）の具現に使われる。

【0007】

図１は、従来技術に係るホールセンサの構造を図示した斜視図である。

【0008】

図１を参照すると、ホールセンサとしてＧａＡｓタイプのホールセンサが提供される。ホールセンサの製作のために基板１０としてはＧａＡｓが使われる。基板１０上にＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程を通じて、ｎタイプのＧａＡｓ膜質を成長させる。膜質の成長後には、通常のフォトリソグラフィ工程を利用してフォトレジストパターンを形成する。引き続き、フォトレジストパターンを食刻マスクとして利用して食刻を遂行すると、基板１０上に十字状を有し、ｎ型でドーピングされた感知領域２０を得ることができる。感知領域２０内で十字状の末端は金属配線３１、３２、３３、３４と電気的に連結されなければならない。通常のリフトオフまたは金属膜の蒸着以降の選択的食刻を通じて金属配線３１、３２、３３、３４が形成される。形成された金属配線３１、３２、３３、３４は感知領域２０末端部上に重なって形成され、感知領域２０が形成されていない領域ではＧａＡｓ材質の基板１０上に直接形成される。

【0009】

金属配線３１、３２、３３、３４は基板１０の所定領域に形成されたパッドと電気的に連結される。前記パッドは金属配線３１、３２、３３、３４と同一材質であり、金属配線３１、３２、３３、３４と同時に形成される。ただし、前記パッドは形状とサイズで金属配線３１、３２、３３、３４と異なるのが特徴である。

【0010】

ただし、前記図１に図示されたＧａＡｓタイプのホールセンサは、印加される磁界の強度が非常に大きくなければならず、温度の変化に敏感である短所を有する。印加される磁界の強度が大きくなければならないということは、磁界の変化に対して高い分解能を有さないものと解釈される。また、温度が変化する場合、ホール電圧の変動が発生して印加される磁界の強度に線形的に変化するホール電圧の動作特性を低下させる原因となる。

【0011】

このような問題を解決するために、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサおよびＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサが使われる。これらはいずれも強磁性体と他の素材間の層間の相互作用を利用するものであって、スピン電子の磁気誘導現象を利用するものと説明される。

【0012】

ＧＭＲセンサは巨大磁気抵抗効果センサとしても知られている。これは２個の強磁性体の間に非磁性体が介入された構造である。これらの界面に垂直な方向に電流が流れる状態で、外部磁界は界面に水平な方向に印加される。界面に水平な方向に印加される磁界によって、スピン電流と強磁性体が有する磁気モーメントは同一方向または異なる方向となり得る。これを通じて２個の強磁性体間の抵抗が決定され、強磁性体での水平磁気異方性が変更され、これはホール電圧として現れる。

【0013】

ＴＭＲセンサは２個の強磁性体の間に絶縁膜の一種であるトンネル障壁層が介入された構造である。界面で磁気モーメントは水平を維持する。ただし、２個の強磁性体の界面に垂直な方向に電流を流す場合、まるでバルブが存在するように電流量が変更されるところ、これをスピンバルブと指称する。これはトンネル障壁層を通過する電子の量を調節する。ただし、強磁性体は水平磁気異方性を有し、界面に水平な方向に磁界が印加されてホール電圧を誘導することができる。

【0014】

前述した新しいＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサは強磁性体の界面に水平な方向に磁界を印加し、磁界の変化をホール電圧で具現する。したがって、使用環境でセンサをパッケージ化して基板に実装する場合、適用が円滑でない問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

本発明が達成しようとする第１技術的課題は、多層薄膜を有する異常ホール効果を利用する磁気センサを提供するところにある。

【0016】

本発明の第２技術的課題は、強磁性体の界面に垂直に印加される磁界を利用して、異常ホール効果を利用するホールセンサを提供するところにある。

【0017】

本発明の第３技術的課題は、前記第２技術的課題を達成するための異常ホール効果を利用するホールセンサの製造方法を提供するところにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

前記第１技術的課題を達成するための本発明は、基板上に形成され、多結晶構造を有する下部非磁性金属層；前記下部非磁性金属層上に形成され、印加される磁界によって異常ホール効果が発生する強磁性層；および前記強磁性層上に形成され、多結晶構造を有する上部非磁性金属層を含む、異常ホール効果を利用する磁気センサを提供する。

【0019】

前記第２技術的課題を達成するための本発明は、菱形の形状を有し、垂直に印加される磁界に対して異常ホール効果によるホール電圧を生成する感知領域；前記感知領域の菱形の形状の頂点に一体に連結され、入力電流が印加され、ホール電圧が出力される電極配線部；および前記電極配線部と一体に形成され、外部と電気的に連結されるパッド部を含むパッド部を含む、異常ホール効果を利用するホールセンサを提供する。

【0020】

前記第３技術的課題を達成するための本発明は、基板上に下部非磁性金属層、強磁性層および上部非磁性金属層を順次形成する段階；前記上部非磁性金属層上にフォトレジストパターンを形成する段階；および前記フォトレジストパターンを食刻マスクとして利用した選択的食刻を通じて前記基板の一部を露出させ、菱形の形状を有し、垂直に印加される磁界に対して異常ホール効果によるホール電圧を生成する感知領域、前記感知領域の菱形の形状の頂点に一体に連結され、入力電流が印加され、ホール電圧が出力される電極配線部、および前記電極配線部と一体に形成され、外部と電気的に連結されるパッド部を含むパッド部を同時に形成する段階を含む、異常ホール効果を利用するホールセンサの製造方法を提供する。

【発明の効果】

【0021】

前述した本発明によると、強磁性体の上部および下部に非磁性金属層を配置し、２個の非磁性金属層は互いに同一の材質を有する。また、強磁性体の厚さは４５Å以下に設定される。厚さが４５Åを上回ると、強磁性体内で垂直方向の磁化容易軸の形成が困難になり、垂直磁気異方性を確保することができない。したがって、磁界および入力電流を増加させても感度特性を確保することができず、線形性が破壊される。また、強磁性体と接触する非磁性金属層の厚さは強磁性体の厚さ以下に設定される。これを通じて優れた線形性と高い感度を有する磁気センサを得ることができる。

【0022】

また、本発明では電極配線部およびパッド部の積層構造が感知領域と同一である。すなわち、製作過程で一つのフォトマスクを使用し、１回の食刻工程を通じてホールセンサを製作することができる。これを通じて高い生産性を確保する。

【0023】

また、本発明によると、界面に垂直な方向に印加される磁界を利用し、印加される磁界に応じて強磁性層の垂直磁気異方性の強度が変更される異常ホール効果を利用する。これを通じて温度変化に鈍感であり、高い感度を有するホールセンサを得ることができ、強磁性層の界面に垂直方向に磁界を印加してホール効果を誘導できるため、非常に弾力的な使用環境に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】従来技術に係るホールセンサの構造を図示した斜視図である。

【図2】本発明の第１実施例に係る異常ホール効果を利用した磁気センサの断面図である。

【図3】本発明の第１実施例により前記図２の異常ホール効果を利用した磁気センサの詳細断面図である。

【図4】本発明の製造例１により強磁性層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図5】本発明の製造例１により強磁性層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図6】本発明の製造例１により強磁性層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図7】本発明の製造例２によりバッファ層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図8】本発明の製造例２によりバッファ層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図9】本発明の製造例２によりバッファ層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図10】本発明の製造例３により下部非磁性金属層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図11】本発明の製造例３により下部非磁性金属層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図12】本発明の製造例３により下部非磁性金属層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【図13】本発明の第２実施例に係る異常ホール効果を利用するホールセンサの平面図である。

【図14】本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサをＡＡ’方向に切断した断面図である。

【図15】本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサの感知領域の動作を説明するための詳細断面図である。

【図16】本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサをＡＡ’ラインに沿って切断した他の断面図である。

【図17】本発明の第２実施例に係る前記図１３および図１４のホールセンサを製作する方法を説明するための平面図および断面図である。

【図18】本発明の第２実施例に係る前記図１３および図１４のホールセンサを製作する方法を説明するための平面図および断面図である。

【図19】本発明の製造例４により磁界の印加によるホール電圧の変化を測定したグラフである。

【図20】本発明の製造例４により磁界の印加によるホール電圧の変化を測定したグラフである。

【図21】本発明の製造例４により磁界の印加によるホール電圧の変化を測定したグラフである。

【図22】本発明の製造例４により磁界の印加によるホール電圧の変化を測定したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明は多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。各図面を説明して類似する参照符号を類似する構成要素に対して使用した。

【0026】

特に定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使われるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使われる辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。

【0027】

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。

【0028】

第１実施例
図２は、本発明の第１実施例に係る異常ホール効果を利用した磁気センサの断面図である。

【0029】

図２を参照すると、基板１００、バッファ層１１０、下部非磁性金属層１２０、強磁性層１３０および上部非磁性金属層１４０が備えられる。

【0030】

前記基板１００は絶縁性材質であるのが好ましく、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を含むことができる。この他に、前記基板１００は後工程でバッファ層１１０乃至上部非磁性金属層１４０の形成においても物性が大きく変わらない材質であれば、いずれも使用可能と言える。

【0031】

前記基板１００上にはバッファ層１１０が形成される。前記バッファ層１１０は下部非磁性金属層１２０の形成を容易にするために備えられる。すなわち、絶縁性材質の基板１００上に直接下部非磁性金属層１２０を形成する場合、下部非磁性金属層１２０は一定の格子定数を有することができないか、結晶粒を形成できないため多結晶構造が形成されないこともある。したがって、バッファ層１１０の形成を通じて、下部非磁性金属層１２０は多結晶の状態に容易に形成される。前記バッファ層１１０はＴａ、ＲｕまたはＴｉであることが好ましい。

【0032】

前記バッファ層１１０上には下部非磁性金属層１２０が形成される。下部非磁性金属層１２０は多結晶の状態であり、強磁性層１３０との界面で応力を誘発する。また、強磁性層１３０との界面での磁気的相互作用によって強磁性層１３０の界面部位に垂直磁気異方性を誘導する。前記下部非磁性金属層１２０はＰｔまたはＰｄであることが好ましい。

【0033】

前記下部非磁性金属層１２０上には強磁性層１３０が形成される。強磁性層１３０はＣｏＦｅＳｉＢの合金で構成される。強磁性層１３０内のバルク領域では垂直磁気異方性と水平磁気異方性が混在された状態である。すなわち、垂直磁化および水平磁化が混在され、垂直と水平の中間領域の磁化も現れる。ただし、強磁性層１３０の下部領域および上部領域は非磁性金属層１２０、１４０と隣接または接し、接する領域付近では垂直磁気異方性が優勢に現れる。これは下部非磁性金属層１２０および上部非磁性金属層１４０の厚さと強磁性層１３０の厚さによって決定される。すなわち、所定の厚さ範囲を有する場合、非磁性金属層１２０、１４０と接する強磁性層１３０の界面では垂直磁気異方性が優勢に現れる。界面に現れる強い垂直磁気異方性はバルク領域にまでスピン軌道相互作用を誘発する。

【0034】

スピン軌道相互作用によって強磁性層１３０は垂直磁化が磁化容易軸として設定される。したがって、強磁性層１３０に垂直な方向に磁界が印加される場合、垂直方向が磁化容易軸となるため、強磁性層１３０は印加される磁界の強度に比例して垂直磁気異方性が強化され、これはホール電圧として現れる。

【0035】

前記強磁性層１３０上には上部非磁性金属層１４０が形成される。上部非磁性金属層１４０はＰｔまたはＰｄの材質を有することが好ましい。上部非磁性金属層１４０は下部の強磁性層１３０の界面に垂直磁気異方性を誘導する。誘導された垂直磁気異方性によって、強磁性層１３０の磁化容易軸は垂直方向に決定される。前記上部非磁性金属層１４０は、磁気の対称性の確保のために下部非磁性金属層１２０と同一材質で構成されることが好ましい。また、上部非磁性金属層１４０が有する厚さは下部非磁性金属層１２０が有する厚さと同一であることが好ましい。これを通じて磁気の対称性が確保され、強磁性層１３０のバルク領域での磁化容易軸が対称的に設定され得、製造されるホールセンサの出力電圧であるホール電圧のオフセットが最小化され得る。

【0036】

図３は、本発明の第１実施例により前記図２の異常ホール効果を利用した磁気センサの詳細断面図である。

【0037】

図３を参照すると、説明の便宜のために基板およびバッファ層は省略される。また、下部非磁性金属層１２０と上部非磁性金属層１４０の間には強磁性層１３０が備えられる。

【0038】

下部非磁性金属層１２０と接する強磁性層１３０の界面から所定の領域には垂直磁気異方性が強化された第１容易軸誘導層１３１が形成され、上部非磁性金属層１４０と接する強磁性層１３０の所定領域には第２容易軸誘導層１３３が形成される。２個の容易軸誘導層１３１、１３３は非磁性金属層１２０、１４０との界面での相互作用によって形成される。ただし、第１容易軸誘導層１３１および第２容易軸誘導層１３３はバルク層１３２とは同一材質であり、垂直磁気異方性では区分される層として説明される。すなわち、第１容易軸誘導層１３１と第２容易軸誘導層１３３は垂直磁気異方性が優勢な特徴を有し、容易軸誘導層１３１、１３３の間のバルク層１３２は磁化方向の等方性が優勢な特徴がある。

【0039】

ただし、第１容易軸誘導層１３１および第２容易軸誘導層１３３の垂直磁化によってバルク層１３２ではスピン軌道相互作用が起き、これに伴い、バルク層１３２での磁化容易軸は垂直方向に設定される。したがって、外部磁界が強磁性層１３０の平面に対して垂直方向に印加されると、バルク層１３２の等方性は異方性で転換され、強磁性層１３０の平面方向に電流が印加されると、電流および磁界の方向に垂直な方向にホール電圧を生成する。

【0040】

強磁性層１３０のバルク層１３２に誘導される垂直磁気異方性の大きさは印加される磁界の強度に比例し、これを通じて出力電圧であるホール電圧は線形性を確保することができる。

【0041】

製造例１：強磁性層の厚さ変化を通じての線形特性
ＤＣマグネトロンスパッタリングを利用して磁気センサを製作する。チャンバー内の蒸着圧力は３ｍＴｏｒｒ～５ｍＴｏｒｒに設定する。蒸着のためにそれぞれのターゲットを配置し、ガンパワー（ｇｕｎ ｐｏｗｅｒ）を利用する。基板はＳｉＯ_２であり、バッファ層としてはＴａが使われ、下部非磁性金属層はＰｔ材質であり、強磁性層はＣｏＦｅＳｉＢであり、上部非磁性金属層は下部非磁性金属層と同一のＰｔ材質である。Ｔａターゲットに印加されるガンパワーは６０Ｗ、Ｐｔターゲットに印加されるガンパワーは６０Ｗ、ＣｏＦｅＳｉＢターゲットに印加されるガンパワーは８０Ｗである。

【0042】

前記条件を適用して、ターゲットのスパッタリング時間の変更を通じて強磁性層の厚さが変更された３種のサンプルを製造する。ＳｉＯ_２基板上に蒸着されたＴａバッファ層の厚さは５０Å、下部非磁性金属層であるＰｔの厚さは２５Åであり、上部非磁性金属層であるＰｔの厚さは２５Åである。サンプルの分離は強磁性層の厚さにより遂行される。これは下記の表１のように区分される。

【0043】

【表1】

【0044】

図４～図６は、本発明の製造例１により強磁性層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【0045】

サンプルは正方形の形状を有し、最上層である上部非磁性金属層の表面に電流を印加し、基板の表面に垂直な方向に磁界を印加する。ホール電圧は印加される電流の方向に垂直であり、印加される磁界の方向に垂直な方向に測定される。すなわち、正方形の上部非磁性金属層で向かい合う辺に電流が印加されると、これと垂直な辺でホール電圧が測定される。ホール電圧の測定法は以下の他の製造例においても同一に適用される。

【0046】

図４を参照すると、ＣｏＦｅＳｉＢの厚さが２５Åである時の出力電圧であるホール電圧の線形特性が開示される。ホール電圧は約４ｍＶと４．８ｍＶの間で優れた線形特性を示す。

【0047】

図５を参照すると、ＣｏＦｅＳｉＢの厚さが３５Åである時のホール電圧の線形特性が開示される。ホール電圧は－０．６ｍＶと０．２ｍＶの間で優れた線形特性を示す。前記図４と図５において、ホール電圧の絶対値よりは線形特性が現れるホール電圧の差値に注目する必要がある。これは二つのグラフでモード０．８ｍＶの差値を有し、ＣｏＦｅＳｉＢが３５Å以下で優れた線形特性を示すことが分かる。また、製造された他のサンプルでＣｏＦｅＳｉＢの厚さが１０Åまで減少しても、同一の線形特性を得ることができた。ただし、１０Å未満の厚さに対する線形特性は製造装備の限界によって確認されない。

【0048】

図６を参照すると、ＣｏＦｅＳｉＢの厚さが５５Åである時のホール電圧の線形特性が開示される。０エルステッド（Ｏｅ）の磁界の強度を中心に非線形特性が示され、ホールセンサで備えるべき飽和磁化（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）が示されない。したがって、印加される磁界をセンシングできる特定範囲が決定されず、非線形特性により磁気センサとして使用できないものと示される。

【0049】

本製造例で確認できる事項は、強磁性層の厚さに一定の制限があるということである。すなわち、強磁性層の厚さが５５Åに達すると、増加した厚さによって強磁性層の垂直磁気異方性が損傷することが分かる。上部および下部に配置される非磁性金属層によって界面領域で垂直磁気異方性が現れても、増加した厚さによってバルク層の厚さも増加して磁化容易軸の形成が困難であることを確認することができる。グラフで図示されてはいないが、強磁性層の厚さが４５Åを上回ると線形性が悪化し、飽和磁化と関連した曲線が消え線形的な曲線に変わる。したがって、強磁性層の厚さは１０Å～４５Åであることが好ましい。

【0050】

また、強磁性層の厚さは上部非磁性金属層または下部非磁性金属層が有する厚さ以上である必要がある。これは強磁性層を流れる電流量に関連したものであって、非磁性金属層を流れる電流に対して一定比率以上の電流量が強磁性層に流れる必要がある。測定の限界によって強磁性層を流れる電流量を把握することができないが、強磁性層の厚さはそれぞれが非磁性金属層の厚さ以上の値を有する必要がある。これに伴い、非磁性金属層を流れる電流量に対して一定比率以上の電流量が強磁性体に印加されると、垂直磁気異方性による異常ホール効果が現れ、ホール電圧の線形性を確保することができる。

【0051】

製造例２：バッファ層の厚さ変化を通じての線形特性
ＤＣマグネトロンスパッタリングを利用して磁気センサを製作する。磁気センサ製作のためのチャンバー圧力、ターゲットに対するガンパワーは前記製造例１で説明されたものと同一である。ただし、下部非磁性金属層、強磁性層および上部非磁性金属層の厚さは固定し、バッファ層の厚さを変更して３個のサンプルを製作する。製作されたサンプルのバッファ層の厚さによる区分は表２の通りである。

【0052】

【表2】

【0053】

図７～図９は、本発明の製造例２によりバッファ層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【0054】

図７を参照すると、バッファ層であるＴａの厚さが３０Åである時の出力電圧であるホール電圧の線形特性を示す。

【0055】

また、図８を参照すると、バッファ層であるＴａの厚さが５０Åである時の出力電圧であるホール電圧の線形特性を示す。

【0056】

図７と図８でＴａの厚さが５０Å以下の値を有する場合、ホール電圧は０エルステッドを中心に対称的であり線形的な特性を示す。したがって、バッファ層の厚さは５０Å以下であることが好ましい。製造装備の限界によってバッファ層であるＴａの厚さは１０Åまで設定して進めた結果、バッファ層が１０Åまで減少しても線形的な特性には変化がないものと確認される。

【0057】

図９を参照すると、Ｔａの厚さが７０Åであると磁気センサの線形性が弱くなり、印加される磁界の強度に対するホール電圧の反応度が低下する。これはバッファ層が一定厚さ以上になると磁気センサのｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎが減少し、感度が非常に弱くなることが分かる。特に、飽和磁化が完全になくなるため磁気センサとして使うことができない問題点が現れる。

【0058】

本製造例でバッファ層の厚さが５０Åを上回るとホール電圧の線形性が弱くなり、センシング感度が低下することが分かる。これは強磁性層で垂直磁気異方性特性が円滑に作用しないことを意味する。バッファ層の厚さが５０Åを上回る場合、バッファ層と下部非磁性金属層間で発生する応力またはストレスがバッファ層の大きな厚さによって吸収される。したがって、下部非磁性金属層が強磁性層と接する界面で強磁性層にエネルギーの形態で印加されるストレスも減少する。これに伴い、垂直磁化の強度が減少して垂直磁気異方性が弱くなる。

【0059】

製造例３：下部非磁性金属層の厚さ変化を通じての線形特性
ＤＣマグネトロンスパッタリングを利用して磁気センサを製作する。磁気センサ製作のためのチャンバー圧力、ターゲットに対するガンパワーは前記製造例１で説明されたものと同一である。ただし、バッファ層、強磁性層および上部非磁性金属層の厚さは固定し、下部非磁性金属層の厚さを変更して３個のサンプルを製作する。製作されたサンプルのバッファ層の厚さによる区分は表３の通りである。

【0060】

【表3】

【0061】

図１０～図１２は、本発明の製造例３により下部非磁性金属層の厚さ変化による出力電圧の線形特性を図示したグラフである。

【0062】

図１０を参照すると、下部非磁性金属層であるＰｔの厚さが１５Åである時の出力電圧であるホール電圧の線形特性が示され、図１１を参照すると、下部非磁性金属層であるＰｔの厚さが３５Åである場合のホール電圧の線形特性が図示される。また、図１２を参照すると、下部非磁性金属層であるＰｔの厚さが4５Åである場合のホール電圧の線形特性が図示される。

【0063】

下部非磁性金属層の厚さが強磁性層の厚さ以下である場合、ホール電圧は線形的な特性を示し、飽和磁化状態前の線形的軌跡で電圧差も相互に同一であることが分かる。また、下部非磁性金属層の厚さが小さいほど低い値の磁界においてもホール電圧が急激に変わることが分かる。これは下部非磁性金属層の厚さが小さいほどセンシング感度が向上することを意味する。

【0064】

前述したデータと現象は二通りに解釈される。

【0065】

第１は、下部非磁性金属層の構造が有するストレスまたは応力が小さい厚さを有するほど強磁性体の界面に大きく作用し、これに伴い、強磁性体の垂直磁気異方性が強化されたのである。すなわち、下部非磁性金属層のストレスは小さい厚さを有するほど大きくなり、これは強磁性体の界面に作用して強磁性層の第１容易軸誘導層の垂直磁気異方性を強化する。したがって、強磁性層のバルク層では磁化容易軸が増加し、印加される磁界の強度に応じてホール電圧が敏感に反応して感度が向上し、線形性が改善する。

【0066】

第２は、下部非磁性金属層の厚さが強磁性層の厚さ以下に設定される場合、強磁性層には下部非磁性金属層を流れる電流量対比一定比率以上の電流が流れる。強磁性層を流れる電流によって異常ホール効果が発生し、異常ホール効果によって線形性が改善する。

【0067】

強磁性層では半導体素材とは異なり、既存のホール効果と異常ホール効果が同時に現れる。既存のホール効果は印加される磁場に比例してホール電圧が生成される。ただし、強磁性層は金属材質であるため電流が供給されても電子の格子散乱によって既存のホール効果が半導体に比べて大きく表れない。したがって、強磁性体の厚さを下部非磁性金属層の厚さ以上に設定する場合、既存のホール効果によるホール電圧の寄与度は減少するか、微々たるものとなる。ただし、異常ホール効果によるホール電圧の寄与度は増加する。これは強磁性体内のキャリアである電子のスピン分極によるものである。強磁性体内でキャリアの移動はスピンに依存し、スピン軌道の相互作用によって異常ホール効果が発生し、このためには非磁性金属層を流れる電流に一定比率以上の電流が流れることを通じて、異常ホール効果が最大化されることが分かる。

【0068】

前述した通り、本実施例では強磁性体の上部および下部に非磁性金属層を配置し、２個の非磁性金属層は互いに同一の材質を有する。また、強磁性体の厚さは４５Å以下に設定される。厚さが４５Åを上回ると、強磁性体内で垂直方向の磁化容易軸の形成が困難になり、垂直磁気異方性を確保することができない。したがって、磁界および入力電流を増加させても感度特性を確保することができず、線形性が破壊される。また、強磁性体と接触する非磁性金属層の厚さは強磁性体の厚さ以下に設定される。これを通じて優れた線形性と高い感度を有する磁気センサを得ることができる。

【0069】

第２実施例
図１３は、本発明の第２実施例に係る異常ホール効果を利用するホールセンサの平面図である。

【0070】

図１３を参照すると、ホールセンサは感知領域２１０、電極配線部２２０およびパッド部２３０を含む。

【0071】

感知領域２１０、電極配線部２２０およびパッド部２３０は基板１００上に形成される。基板１００は絶縁性材質であることが好ましく、ＳｉＯ_２またはＳｉＮを含むことができる。この他に、基板１００は後工程の進行においても物性が大きく変わらない絶縁性材質であればいずれのものも使用可能と言える。

【0072】

感知領域２１０は略菱形の形状を有し、菱形の頂点は電極配線部２２０と連結される。前記感知領域２１０では印加される磁界によってホール電圧が発生する。すなわち、感知領域２１０で異常ホール効果によるホール電圧が生成される。

【0073】

菱形の形状を有する感知領域２１０では垂直磁気異方性の変化によるホール電圧が生成される。また、形成されるホール電圧の線形性の確保および大きさの増加のために感知領域２１０は菱形の形状を有する。

【0074】

感知領域２１０の４個の頂点は電極配線部２２０に連結される。感知領域２１０と電極配線部２２０の材質はたあいイ完全に同一である。例えば、菱形の長軸であるｙ方向には第１電極配線２２１および第３電極配線２２３が形成される。また、菱形の短軸であるｘ方向には第２電極配線２２２および第４電極配線２２４が形成される。また、長軸であるｙ方向への幅は短軸であるｘ方向の幅より１倍または１．５倍の大きさを有することが好ましい。

【0075】

入力電流がｘ方向に印加される場合、ｙ方向の２個の電極配線２２１、２２３はホール電圧を感知するのに使われる。もちろん、感知領域２１０の表面と垂直な方向には磁界が印加される。

【0076】

ｘ方向に入力電流が流れる場合、菱形の斜辺に沿って電流が拡散され、感知領域２１０の表面全体に均一に電流が供給され得る。したがって、印加される磁界の変化に対するホール電圧の増加を誘導することができる。また、既存の十字状の構造が、十字状のパターンの中心部に入力される磁界をホール電圧に利用できることに比べて、本発明の菱形の感知領域２１０は菱形に印加されるすべての磁界をホール電圧の生成に利用できる長所がある。本実施例では短軸であるｘ方向に入力電流が印加され、長軸であるｙ方向の両頂点でホール電圧を出力するものとして説明されるが、その反対の場合も可能である。

【0077】

前記電極配線部２２０はパッド部２３０と一体に形成され、４個のパッド２３１、２３２、２３３、２３４を有する。

【0078】

図１４は、本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサをＡＡ’方向に切断した断面図である。

【0079】

図１４を参照すると、基板１００上に第４パッド２３４、感知領域２１０および第２パッド２３２が図示される。第４パッド２３４、感知領域２１０および第２パッド２３２は相互間に同一の積層構造を有し、これは図１４に開示されていない他のパッドおよび電極配線部にも同一に適用される。すなわち、電極配線部２２０およびパッド部２３０の積層構造は感知領域２１０と同一である。

【0080】

したがって、第４パッド２３４は基板１００上にバッファ層１１０、下部非磁性金属層１２０、強磁性層１３０および上部非磁性金属層１４０を有し、これは感知領域２１０および第２パッド２３２にも同一に適用される。

【0081】

バッファ層１１０は前記基板１００上に形成される。前記バッファ層１１０は下部非磁性金属層１２０の形成を容易にするために備えられる。すなわち、絶縁性材質の基板１００上に直接下部非磁性金属層１２０を形成する場合、下部非磁性金属層１２０は一定の格子定数を有することができないか結晶粒を形成できないため、多結晶構造が形成されないこともある。したがって、バッファ層１１０の形成を通じて下部非磁性金属層１２０は多結晶の状態に容易に形成される。前記バッファ層１１０はＴａ、ＲｕまたはＴｉであることが好ましい。

【0082】

前記バッファ層１１０上には下部非磁性金属層１２０が形成される。下部非磁性金属層１２０は多結晶の状態であり、強磁性層１３０との界面で応力を誘発する。また、強磁性層１３０との界面での磁気的相互作用によって強磁性層１３０の界面部位に垂直磁気異方性を誘導する。前記下部非磁性金属層１２０はＰｔまたはＰｄであることが好ましい。

【0083】

前記下部非磁性金属層１２０上には強磁性層１３０が形成される。強磁性層１３０はＣｏＦｅＳｉＢの合金で構成される。強磁性層１３０内のバルク領域では垂直磁気異方性と水平磁気異方性が混在された状態である。すなわち、垂直磁化および水平磁化が混在され、垂直と水平の中間領域の磁化も現れる。ただし、強磁性層１３０の下部領域および上部領域は非磁性金属層１２０、１４０と隣接または接し、接する領域付近では垂直磁気異方性が優勢に現れる。これは下部非磁性金属層１２０および上部非磁性金属層１４０の厚さと強磁性層１３０の厚さによって決定される。すなわち、所定の厚さ範囲を有する場合、非磁性金属層１２０、１４０と接する強磁性層１３０の界面では垂直磁気異方性が優勢に現れる。界面に現れる強い垂直磁気異方性はバルク領域にまでスピン軌道相互作用を誘発する。

【0084】

スピン軌道相互作用によって強磁性層１３０は垂直磁化が磁化容易軸として設定される。したがって、強磁性層１３０に垂直な方向に磁界が印加される場合、垂直方向が磁化容易軸となるため、強磁性層１３０は印加される磁界の強度に比例して垂直磁気異方性が強化され、これはホール電圧として現れる。

【0085】

前記強磁性層１３０上には上部非磁性金属層１４０が形成される。上部非磁性金属層１４０はＰｔまたはＰｄの材質を有することが好ましい。上部非磁性金属層１４０は下部の強磁性層１３０の界面に垂直磁気異方性を誘導する。誘導された垂直磁気異方性によって、強磁性層１３０の磁化容易軸は垂直方向に決定される。前記上部非磁性金属層１４０は、磁気の対称性の確保のために下部非磁性金属層１２０と同一材質で構成されることが好ましい。また、下部非磁性金属層１４０が有する厚さは下部非磁性金属層１２０が有する厚さと同一であることが好ましい。これを通じて磁気の対称性が確保され、強磁性層１３０のバルク領域での磁化容易軸が対称的に設定され得、製造されるホールセンサの出力電圧であるホール電圧のオフセットが最小化され得る。

【0086】

また、本実施例でパッドを通じて入力電流は上部非磁性金属層１４０に優先的に供給される。上部非磁性金属層１４０、強磁性層１３０および下部非磁性金属層１２０は金属材質であるため、それぞれの抵抗に相応して入力電流が拡散されて流れる。また、入力端子として決定されたパッドに対応して残留する２個のパッドは出力端子を形成する。出力であるホール電圧は上部非磁性金属層１１４を通じて出力される。

【0087】

図１５は、本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサの感知領域の動作を説明するための詳細断面図である。

【0088】

図１５を参照すると、説明の便宜のために基板およびバッファ層は省略される。また、下部非磁性金属層１２０と上部非磁性金属層１４０の間には強磁性層１３０が備えられる。

【0089】

下部非磁性金属層１２０と接する強磁性層１３０の界面から所定の領域には垂直磁気異方性が強化された第１容易軸誘導層１３１が形成され、上部非磁性金属層１４０と接する強磁性層１３０の所定領域には第２容易軸誘導層１３３が形成される。２個の容易軸誘導層１３１、１３３は非磁性金属層１２０、１４０との界面での相互作用によって形成される。ただし、第１容易軸誘導層１３１および第２容易軸誘導層１３３はバルク層１３２とは同一材質であり、垂直磁気異方性では区分される層として説明される。すなわち、第１容易軸誘導層１３１と第２容易軸誘導層１３３は垂直磁気異方性が優勢な特徴を有し、容易軸誘導層１３１、１３３の間のバルク層１３２は磁化方向の等方性が優勢な特徴がある。

【0090】

ただし、第１容易軸誘導層１３１および第２容易軸誘導層１３３の垂直磁化によってバルク層１３２ではスピン軌道相互作用が起き、これに伴い、バルク層１３２での磁化容易軸は垂直方向に設定される。したがって、外部磁界が強磁性層１３０の平面に対して垂直方向に印加されると、バルク層１３２の等方性は異方性に転換され、強磁性層１３０の平面方向に電流が印加されると、電流および磁界の方向に垂直な方向にホール電圧を生成する。

【0091】

強磁性層１３０のバルク層１３２に誘導される垂直磁気異方性の大きさは印加される磁界の強度に比例し、これを通じて出力電圧であるホール電圧は線形性を確保することができる。

【0092】

前述した垂直磁気異方性が印加される磁界の強度によって変化する現象は電極配線部およびパッド部にも発生し、これに伴い、出力電圧であるホール電圧でノイズ成分が発生する恐れがある。しかし、ホール電圧は、強磁性層の表面に垂直に印加される磁界、入力電流およびホール電圧を測定するための出力ノードが一つの要素にすべて具備されないと測定できないデータである。すなわち、電極配線部では入力電流および出力ノードのうちいずれか一つが欠如した状態であり、パッド部でも入力電流および出力ノードのうちいずれか一つが欠如した状態で現れるため、感知領域で発生するホール電圧に影響を及ぼせない。

【0093】

図１６は、本発明の第２実施例により前記図１３のホールセンサをＡＡ’ラインに沿って切断した他の断面図である。

【0094】

図１６を参照すると、基板１００上に第４パッド２３４、感知領域２１０および第２パッド２３２が形成される。第４パッド２３４、感知領域２１０および第２パッド２３２は互いに同一の積層構造を有する。これは電極配線部に対しても同一に適用される。すなわち、電極配線部２２０、パッド部２３０および感知領域２１０は同一の積層構造を有する。ただし、前記積層構造は前記図１４で開示した積層構造で強磁性層と非磁性金属層を追加したものである。

【0095】

前記図１６で基板１００上にバッファ層１１０、下部非磁性金属層１２０、強磁性層１３０、上部非磁性金属層１４０、追加強磁性層１５０および追加非磁性金属層１６０が形成される。

【0096】

バッファ層１１０の材質は前記図１４で説明されたものと同一である。したがって、前記バッファ層１１０はＴａ、ＲｕまたはＴｉであることが好ましい。また、非磁性金属層１２０、１４０、１６０の材質は前記図１４で説明されたものと同一にＰｔまたはＰｄを含む。また、強磁性層１３０、１５０の材質はＣｏＦｅＳｉＢを含む。すなわち、前記図１６では強磁性層１３０、１５０を中心に上部および下部に非磁性金属層１２０、１４０、１６０が配置され、前記配置が繰り返される構造である。ただし、追加強磁性層１５０は下部の強磁性層１３０の間に一つの非磁性金属層１４０を共有する構造である。

【0097】

前記図１３～図１６でそれぞれのバッファ層１１０の厚さは１０Å～５０Åであることが好ましい。バッファ層１１０の厚さが５０Åを上回るとホール電圧の線形性が弱くなり、センシング感度が低下することが分かる。これは強磁性層で垂直磁気異方性特性が円滑に作用しないことを意味する。バッファ層１１０の厚さが５０Åを上回る場合、バッファ層１１０と下部非磁性金属層１２０の間で発生する応力またはストレスがバッファ層１１０の大きな厚さによって吸収される。したがって、下部非磁性金属層１２０が強磁性層１３０と接する界面で強磁性層１３０にエネルギーの形態で印加されるストレスも減少する。これに伴い、垂直磁化の強度が減少して垂直磁気異方性が弱くなる。

【0098】

また、１０Å未満の厚さを有するバッファ層１１０は本出願の発明者らが保有する装備ではその製造の有無を確認することができない。

【0099】

また、それぞれの強磁性層１３０、１５０はその厚さが１０Å～４５Åの値を有することが好ましい。ＣｏＦｅＳｉＢ材質を有する強磁性層１３０、１５０は１０Å未満の厚さに製作することが困難である。また、強磁性層１３０、１５０の厚さが４５Åを上回ると線形性が悪化し、飽和磁化と関連した曲線が消え、印加される磁界に対して非常に低い感度を有するものと確認される。

【0100】

また、それぞれの非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さは強磁性層１３０、１５０の厚さ以下であることが好ましい。ただし、非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さを１０Å未満で製作することは工程上非常に困難である。したがって、非磁性金属層１２０、１４０、１６０はその厚さが１０Å以上であり強磁性層１３０、１５０の厚さ以下である必要がある。非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さが強磁性層１３０、１５０の厚さ以下である場合、ホール電圧は線形的な特性を示し、飽和磁化状態前の線形的軌跡で電圧差も相互に同一であることが分かる。また、非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さが小さいほど低い値の磁界においてもホール電圧が急激に変わる傾向がある。これは非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さが小さいほどセンシング感度が向上することを意味する。

【0101】

また、非磁性金属層１２０、１４０、１６０の厚さが強磁性層１３０、１５０の厚さを上回ると線形性が悪くなり、飽和磁化が生成されない。感度も急激に低下する。これは非磁性金属層１２０、１４０、１６０に流れる電流が強磁性層１３０、１５０を流れる電流を上回り、一定比率以上に非磁性金属層１２０、１４０、１６０に電流が集中すると磁気異方性の除去が困難であることを意味する。

【0102】

特に、増加した厚さを有する非磁性金属層１２０、１４０、１６０は内部に大きい厚さのバルク領域を有し、これは強磁性層１３０、１５０との界面でエネルギーまたはストレスを起こすことができない。したがって、垂直磁気異方性による磁化容易軸の生成が困難となる。

【0103】

図１７～図１８は、本発明の第２実施例に係る前記図１３および図１４のホールセンサを製作する方法を説明するための平面図および断面図である。

【0104】

図１７を参照すると、基板１００上にスパッタリングなどの多様な方法を通じてバッファ層１１０、下部非磁性金属層１２０、強磁性層１３０および上部非磁性金属層１４０を順次形成する。それぞれの膜質の厚さと材質は説明されたものと同一である。

【0105】

したがって、基板１００の全面に亘って膜質が形成され、最上層には上部非磁性金属層１４０が露出される。

【0106】

図１８を参照すると、最上層の上部非磁性金属層１４０上にフォトレジストパターン１１８が形成される。前記フォトレジストパターン１１８は知られているフォトリソグラフィ工程により形成される。すなわち、上部非磁性金属層１４０上にフォトレジストが塗布され、通常のフォトリソグラフィ工程によってフォトレジストパターン１１８を形成する。

【0107】

引き続き、形成されたフォトレジストパターン１１８を食刻マスクとして利用して下部の基板１００の一部が露出するように食刻を遂行する。これを通じて前記図１３および図１４に図示されたホールセンサパターンの形状を得ることができる。

【0108】

引き続き、アッシングなどの工程を利用して上部のフォトレジストパターン１１８を除去し、最上層の上部非磁性金属層１４０の表面を露出させる。

【0109】

前述した製造工程で本実施例の感知領域２１０は電極配線部２２０と同一の積層構造を有する。また、感知領域２１０はパッド部２３０とも同一の積層構造を有する。すなわち、電極配線の形成のための別途の金属層の形成およびパターン化工程が要求されない。これはパッド部に対しても同一に適用される。

【0110】

すなわち、ただ１回のフォトレジストパターンの形成および食刻工程を通じて、感知領域、電極配線部およびパッド部が同時に形成される。したがって、生産工程で複雑な工程が省略され得、生産性を改善することができる。

【0111】

製造例４：パターンの変化によるホール電圧の測定
ＤＣマグネトロンスパッタリングを利用してホールセンサを製作する。チャンバー内の蒸着圧力は３ｍＴｏｒｒ～５ｍＴｏｒｒに設定する。蒸着のためにそれぞれのターゲットを配置し、ガンパワー（ｇｕｎ ｐｏｗｅｒ）を利用する。基板はＳｉＯ_２であり、バッファ層ではＴａが使われ、下部非磁性金属層はＰｔ材質であり、強磁性層はＣｏＦｅＳｉＢであり、上部非磁性金属層は下部非磁性金属層と同一のＰｔ材質である。Ｔａターゲットに印加されるガンパワーは６０Ｗ、Ｐｔターゲットに印加されるガンパワーは６０Ｗ、ＣｏＦｅＳｉＢターゲットに印加されるガンパワーは８０Ｗである。

【0112】

前記条件を適用して、マスクパターンで電極配線部の幅を変更して４種のサンプルを製造する。ＳｉＯ_２基板上に蒸着されたＴａバッファ層の厚さは５０Å、下部非磁性金属層であるＰｔの厚さは２５Åであり、上部非磁性金属層であるＰｔの厚さは２５Åであり、強磁性層であるＣｏＦｅＳｉＢの厚さは３５Åである。

【0113】

サンプルの分離のために、電極配線部の配線幅の変更を通じて入力抵抗を４つの値に分離する。また、入力配線は互いに向かい合う方向に設定され、出力配線も互いに向かい合う方向に設定される。配線幅を調節して出力抵抗を１．３ｋΩに設定する。入力抵抗の変動によるサンプルの分離は下記の表４のように区分される。

【0114】

【表4】

【0115】

図１９～図２２は、本発明の製造例４により磁界の印加によるホール電圧の変化を測定したグラフである。

【0116】

図１９を参照すると、入力抵抗が１．６ｋΩである場合のホール電圧の変化が図示され、図２０では入力抵抗が１．２ｋΩである場合のホール電圧が変化が図示される。また、図２１では入力抵抗が８９０Ωである場合のホール電圧の変化が図示され、図２２では入力抵抗が５５０Ωである場合のホール電圧の変化が図示される。

【0117】

また、測定は前記図１３のパターンで感知領域が短軸と長軸の幅の比率が１．５であり、短軸に入力電流が印加され、長軸の頂点でホール電圧が測定されたものである。ホール電圧はパッド部に露出した上部非磁性金属層に対するプロービングを通じて遂行される。

【0118】

図１９～図２２において、印加される磁界の強度が（－）値を有し、飽和磁化を形成する時のホール電圧と磁界の強度が（＋）値を有しつつ飽和磁化を形成した場合、ホール電圧の差の絶対値はいずれも約１４×１０^－４Ｖ値を有する。すなわち、入力抵抗の値の変動があってもホール電圧の特性の変化は殆どないことが分かる。

【0119】

したがって、入力用電極配線の幅が多少変動するとしても特性が同一のホールセンサを得ることができる。ホールセンサは印加される磁界の強度が変化する場合、ホール電圧の変化も敏感である必要がある。これを通じて感度の向上を得ることができる。しかし、ホールセンサが具現されるパターンで、入力電極配線の幅に変化が発生し、電極配線の幅の変化がホール電圧を変化させる場合、ホールセンサの歩留まりと特性の安定性を害する一因となる。しかし、本実施例では電極配線部とパッド部が感知領域と同一の積層構造を有し、それぞれの要素の連結が物理的に連続した状態であり、一つの積層構造のパターン化によって形成される長所がある。

【0120】

また、電極配線部およびパッド部に磁界が印加されても、入力電流および出力ノードのうちいずれか一つは欠如した状態であるため、安定した状態のホール電圧を形成することができる。

【0121】

前述した本実施例では電極配線部およびパッド部の積層構造が感知領域と同一である。すなわち、製作過程で一つのフォトマスクを使用し、１回の食刻工程を通じてホールセンサを製作することができる。これを通じて高い生産性を確保する。

【0122】

また、本実施例では界面に垂直な方向に印加される磁界を利用し、印加される磁界に応じて強磁性層の垂直磁気異方性の強度が変更される異常ホール効果を利用する。これを通じて、温度変化に鈍感であり、高い感度を有するホールセンサを得ることができ、強磁性層の界面に垂直方向に磁界を印加してホール効果を誘導できるため、非常に弾力的な使用環境に適用され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】