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KR20080033957A - 자기 터널 접합 센서 - Google Patents

자기 터널 접합 센서 Download PDF

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KR20080033957A
KR20080033957A KR1020087002294A KR20087002294A KR20080033957A KR 20080033957 A KR20080033957 A KR 20080033957A KR 1020087002294 A KR1020087002294 A KR 1020087002294A KR 20087002294 A KR20087002294 A KR 20087002294A KR 20080033957 A KR20080033957 A KR 20080033957A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mtj
electrode
mfs
sensor
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020087002294A
Other languages
English (en)
Inventor
영 서 정
로버트 더블유. 바이르드
브레들리 엔. 엥겔
Original Assignee
프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프리스케일 세미컨덕터, 인크. filed Critical 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Publication of KR20080033957A publication Critical patent/KR20080033957A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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Abstract

물리적 파라미터들을 센싱하기 위한 방법들 및 장치들이 제공된다. 장치(130)는 자기 터널 접합(MTJ)(32)과, 자기장 소스(34)를 포함하며, 상기 자기장 소스의 자기장(35)은 상기 MTJ에 겹쳐지고, 상기 MTJ에 대한 상기 자기장 소스의 근처는 센서의 입력에 응답하여 변한다. 상기 MTJ는 유전체(37)에 의해 분리된 제1 및 제2 자기 전극들(36, 38)을 포함하며, 상기 유전체는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상당한 터널링 전도를 가능하게 하도록 구성된다. 제1 자기 전극은 고정된 회전축을 가지며, 제2 자기 전극은 자유로운 회전축을 갖는다. 상기 자기장 소스는 상기 제1 자기 전극보다 상기 제2 자기 전극에 더 가깝게 지향된다. 동일한 입력을 수신하지만 상이한 개별 응답 곡선들을 가지며, 동일한 기판상에 형성되는 - 바람직하지만 필수적은 아님 - 복수의 전기적으로 결합된 센서들을 제공함으로써, 전체적인 센서 동적 범위가 연장된다.
센서, 자기 터널 접합, 자기장 소스, 전극

Description

자기 터널 접합 센서{MAGNETIC TUNNEL JUNCTION SENSOR}
본 발명은 일반적으로 센싱에 관한 것으로, 특히, 자기 터널 접합(magnetic tunnel junctions: MTJ)을 채용한 센서들에 관한 것이다.
현대 시스템들에서, 다음의 것으로 제한되도록 의도되지는 않지만, 위치, 이동, 힘, 가속도, 온도, 압력 등과 같은 물리적 파라미터들을 측정하거나 검출하기 위해 센서들이 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 파라미터들과 그 밖의 파라미터들을 측정하기 위한 많은 상이한 타입들의 센서들이 종래 기술에서 존재한다. 그러나, 이러한 센서들은 모두, 예를 들면, 과도한 크기 및 무게, 부적절한 감도(sensitivity) 및/또는 동적 범위, 비용, 신뢰도 및 기타 요인들과 같은 이 기술분야에서는 잘 알려진 여러 가지 한계들을 겪고 있다. 따라서, 개선된 센서들, 특히 반도체 디바이스들과 집적 회로들 및 그에 다른 제조 방법들과 쉽게 통합될 수 있는 센서들에 대한 필요성이 계속되고 있다.
따라서, 다양한 물리적 파라미터들을 측정하는데 적합한 개선된 센서 및 방법을 제공하는 것이 요구된다. 또한, 간단하면서 강하고 신뢰할 수 있으며, 반도체 디바이스와 집적 회로 구조체들 및 제조 방법들과 호환되고, 동일한 기판상에 형성될 수 있도록 구성된 - 바람직하지만 필수적은 아님 - 센서 및 방법이 요구된 다. 또한, 측정되는 물리적 파라미터를 전기 신호로 변환하는 개선된 센서 및 방법이 요구된다. 본 발명의 다른 바람직한 특징들과 특성들은 첨부한 도면들과 전술한 기술분야 및 배경과 함께 다음의 상세한 설명과 첨부한 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 이후에 다음의 도면들과 함께 설명되며, 여기서, 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 자기 터널 접합(MTJ)를 채용한 센서의 전기 회로 및 간략화된 개략적 측면도이다.
도 2는 그 안에 자기 회전축들의 상이한 방위들을 도시한 도 1의 자기 터널 접합의 측면도들의 집합이다.
도 3은 그 안에 자기 회전축들의 상이한 방위들을 도시한 도 1의 자기 터널 접합의 분해 평면도들의 집합이다.
도 4는 자기 회전축들의 2개의 상이한 방위들에 대한 자기 터널 접합의 전류 대 전압의 간략화된 플롯이다.
도 5 내지 도 7은 인가된 자기장의 함수로서의 자기 터널 접합의 레지스턴스의 간략화된 플롯들이다.
도 8은 그 위치가 센서 입력에 의존하는 자기장 소스를 지지하는 이동가능한 외팔보 빔을 채용한 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자기 터널 접합 센서의 간략화된 개략적 측면도.
도 9는 전류를 운반하고 유연하며 U자 형태인 외팔보 빔이 센서 입력에 따라 자기 터널 접합에 가변 자기장을 제공하는 도 8의 자기 터널 접합 센서의 간략화된 평면도.
도 10은 하나의 유연한 외팔보 빔이 센서 입력에 따라 자기 터널 접합에 가변 자기장을 제공하기 위한 영구 자석을 지지하는 도 8의 자기 터널 접합 센서의 간략화된 평면도.
도 11은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자기 터널 접합 센서의 간략화된 개략적 단면도이다.
도 12는 도 11의 센서에 대한 간략화되고 부분적으로 잘라낸 평면도이다.
도 13은 도 11과 유사하지만 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 간략화된 개략적 단면도이다.
도 14는 도 11과 유사하지만 능동 자기장 소스를 채용한 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 간략화된 개략적 단면도이다.
도 15는 더욱 상세한 세목들을 도시한 도 14의 센서에 대한 간략화되고 부분적으로 잘라낸 평면도이다.
도 16은 도 14와 유사하지만, 온도 또는 압력을 측정하도록 구성된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 간략화된 개략적 단면도이다.
도 17은 발명된 센서의 제조 방법의 간략화된 흐름도이다.
도 18은 도 17의 흐름도와 유사하지만 상세한 세목들을 도시한 간략화된 흐름도이다.
도 19는 도 17 및 도 18의 방법의 실시예에 대한 더욱 상세한 세목들을 도시한 단면도들의 개략적 세트이다.
도 20은 도 19와 유사하지만 본 발명의 방법의 다른 예시적인 실시예에 따른 단면도들의 개략적 세트이다.
도 21은 도 19 및 도 20과 유사하지만 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 단면도들의 개략적 세트이다.
도 22는 전극들 중 적어도 하나가 정사각형인 본 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들의 분해 평면도이다.
도 23은 전극들 중 하나 또는 양쪽 모두가 여러 가지 예시적인 정사각형이 아닌 형태들을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들의 분해 평면도이다.
도 24는 전극들 중 적어도 하나가 다른 전극에 대해 여러 각을 이루는 배열들을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들의 분해 평면도이다.
도 25는 복수의 MTJ들 근처의 자기장 소스들을 지지하는 상이한 크기들의 외팔보 빔들을 가진 복수의 센서들의 간략화된 평면도이다.
도 26은 도 25의 복수의 MTJ들이 병렬로 전기적으로 결합되도록 도시된 간략화된 개략적 전기 회로도이다.
도 27은 도 26의 병렬 배열에 대한 터널링 레지스턴스(RT) 대 힘 또는 가속도(F)의 간략화된 플롯(350)이며, 여기서, RT는 복수의 터널 접합을 통한 터널링 레지스턴스의 병렬 조합이고, F는 복수의 센서들에 동시에 인가되는 힘 또는 가속도 이다.
다음의 상세한 설명은 당연히 단지 예시적인 것이며, 본 발명이나 본 명세서 및 본 발명의 용도들을 제한하도록 의도되지는 않는다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 상세한 설명 및 다음의 실시예에 나타난 표현 또는 함축된 모든 이론에 의해 제한되는 의도는 없다.
간략하고 명료한 설명을 위해, 도면들은 일반적인 방식의 구성을 예시하며, 주지된 특징들과 기술들의 설명과 세부사항들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 생략될 수 있다. 추가로, 도면들 내의 구성요소들은 반드시 비례적으로 도시된 것은 아니다. 예를 들면, 도면들 내의 요소들 또는 영역들 중 일부의 치수들은, 본 발명의 실시예들의 이해를 돕기 위해, 다른 요소들 또는 영역들에 비해 과장될 수 있다.
상세한 설명과 청구범위 내의 "제1", "제2", "제3", "제4" 등과 같은 용어들은, 만약 있다면, 유사한 구성요소들을 구별하기 위해 사용될 수 있지만, 반드시 특정하게 순차적이거나 연대적인 순서를 표현하기 위해 사용된 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어들은, 여기서 설명된 본 발명의 실시예들이, 예를 들면, 여기에 예시되거나 그렇지 않으면 설명된 것들 이외의 순서로 동작할 수 있도록, 적절한 상황들 하에서 서로 교환될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, "포함한다", "가진다" 및 이것들의 다른 어미 변화들과 같은 용어들은, 요소들의 목록을 포함하는 공정, 방법, 물품, 또는 장치가 반드시 그 요소들로 제한되지 않지는 않지만, 이러한 공정, 방법, 물품, 또는 장치에 대해 명백히 목록되거나 고유한 것이 아닌 다른 요소들을 포함할 수 있도록, 배타적이지 않은 포함들을 커버하도록 의도된다.
상세한 설명과 청구범위 내의 "좌", "우", "안", "밖", "전", "후", "상", "하", "상부", "하부", "위", "아래", "보다 위", "보다 아래"와 같은 용어들은, 만약 있다면, 묘사적인 의도로 사용되지만, 반드시 영구적인 상대 위치들을 설명하기 위한 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어들은, 여기서 설명된 본 발명의 실시예들이, 예를 들면, 여기에 예시되거나 그렇지 않으면 설명된 것들과 다른 방위들로 동작할 수 있도록, 적절한 상황들 하에서 서로 교환될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 여기서 사용되는 "결합"이라는 용어는 전기적이거나 비전기적인 방식으로 직접 또는 간접적으로 연결되는 것으로 정의된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 자기 터널 접합(MTJ)(32) 및 이동가능한 자기장 소스(MFS)(34)를 사용하는 센서(30)의 전기 회로와 간략화된 개략적 측면도이다. 자기장 소스(MFS)(34)는 화살표들(44-1, 44-2, 집합적으로 44)로 표시된 바와 같이 이동하는데 자유롭고, MTJ(32)에 대해 이동하는 자기장(35)을 제공함으로써, MFS(34)와 MTJ(32)의 상대 위치에 따라, MTJ(32)에서의 자기장(H)의 세기 및/또는 방향이 변하게 된다. MTJ(32)는 제1 전극(36), 절연 터널링 유전체(37) 및 제2 전극(38)을 포함한다. 전압(Vt)이 MTJ(32)에 인가되면, 전류(It)는 양자 역학적 터널링에 의해, 인가된 전압의 극성에 따라 전극(36)으로부터 전극(38)으로, 또는 그 반대로, 절연체(37)를 통해 흐른다.
전극들(36, 38)은 바람직하게는, 다음의 것으로 제한되도록 의도되지는 않지만, 예를 들면, NiFe, CoFe, 및 기타 유사한 자기 재료들이거나, 또는 더욱 포괄적으로는, 그 전자 회전축들이 집합적으로 정렬될 수 있는 재료들이다. 적절한 전극 재료들과 배열들의 예들은 자기저항식 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 디바이스들의 전극들에 공통적으로 사용되는 재료들과 구조들이며, 이것은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고, 다른 것들 중에서 강자성 재료들을 포함한다. 전극들(36, 38)은 상이한 보자력을 가지는 것이 바람직한데, 즉, 전극(36)은 그 회전축 방위가 MFS(34)의 이동에 의해 실질적으로 영향받지 않도록 고정될 수 있도록 높은 보자력을 가져야 하며, 전극(38)은 그 회전축 방위가 MFS(34)의 이동에 의해 변경되도록 비교적 낮은 보자력을 가져야 한다. 전극(36)의 보자력은 전극(38)의 보자력보다 약 2 크기 자리수(two orders of magnitude) 더 큰 것이 바람직하지만, 더 크거나 더 작은 비율들도 역시 유용하다. 전극들의 보자력은 이 기술분야에서 주지된 수단에 따라 그들의 조성을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 예시적인 회전축들의 정렬들이 도 1에 표시되어 있는데, 여기서, 전극(36)의 벡터들(40)(이후부터는 회전축들(40))은, 전극(36) 내의 전자 회전축들이 도 1의 도면들의 평면 측으로 향하고 이에 대해 수직으로 정렬되는 것을 나타내며, 전극(38)의 벡터(42)(이후부터 회전측들(42))는, 전극(38) 내의 전자 회전축들이 도 1에서 우측, 즉, 회전축들(40)에 대해 직각으로 향하고 도면의 평면에 대해 평행하게 정렬되는 것을 나타낸다. 회전축 방향은 자기장에 대한 적절한 열처리 및 기타 수단들에 의해 한 방향 또는 다른 방향으로 고정될 수 있다는 것이 본 기술분야에서 알려져 있다. 하부 전극(36), 즉, 자기장 소스(34)로부터 가장 먼 전극 내의 회전축들은 고정되는 것이 바람직하다. 회전축들은, 예를 들면, 소스(34)의 자기장 방향에 따라, 편리한 방향으로 고정될 수 있다. 상부(MFS(34)에 대해 가장 가까운) 전극(38) 내의 회전축들은 자유롭다. 즉, 고정되지 않고, MFS(34)에 의해 제공되는 자기장(35)에 응답하여 전극(36) 내의 고정된 회전축들(40)에 대해 방위를 바꾼다. MTJ(32)에 근접하지만 MFS(34)의 반대측 상에 자기장 소스 컨덕터(34A)가 편리하게 제공되며, 그 자기장의 관점에서 MFS(34)에 대해 직각이 되도록 지향된다. MFS(34)만으로 할 수 있는 방향 이외의 방향들로 회전축들을 플립하는(flipping) 것을 돕기 위해, 또는 MFS(34) 근처에 의해 플립된 후에 회전축들을 이전 상태로 복구하기 위해, MFS 컨덕터(34A) 내에 전류(It)가 편리하게 제공된다.
도 2는 전극들(36, 38) 내의 자기 회전축들(40, 42)의 상이한 상대 방위들을 예시하는, 도 1의 자기 터널 접합(MTJ)(32), 즉, MTJ들(32-1...32-5)의 측면도들의 집합이다. MTJ(32-1)에서, 자유 회전축들(42-1)과 고정 회전축들(40-1)은 평행하고, 도 2 도면의 평면 내에 놓여있으며, 둘 다 우측으로 향하고 있다. MTJ(32-2)에서, 자유 회전축들(42-2)과 고정 회전축들(40-2)은 평행하고, 도면의 평면 내에 놓여있으나, 서로 반대 방향들(반평행(anti-parallel))로 향하여, 회전축들(42-2)은 좌측으로 향하고, 회전축들(40-2)은 우측으로 향한다. MTJ(32-3)에서, 회전축들은 직각을 이루어, 전극(38) 내의 자유 회전축들(42-3)은 도면의 평면 내에 놓여있고, 우측으로 향하며, 전극(36)의 고정 회전축들(40-3)은 도면의 평면에 대해 수 직으로 안으로 향한다. MTJ(32-4)에서, 회전축들은 반평행하고, 회전축들(42-4)은 도면의 평면 안으로 향하고, 회전축들(40-4)은 도면의 평면 밖으로 향한다. MTJ(32-5)에서, 회전축들(42-5, 40-5)은 평행하고, 도면의 평면에 대해 수직으로 안으로 향한다. 도 2의 예들은 배타적인 것을 의미하지 않으며, 단지 다양한 상대적인 회전축 방위들이 가능하다는 것을 예시하는 것이다. 그 밖의 상대적 방위들도 역시 가능하다.
도 3은 자기 회전축들의 상이한 방위들을 예시하는, 도 1의 자기 터널 접합(32)의 분해 평면도들(32-6, 32-7, 32-8)의 집합이며, 도 2의 도면에 대해 수직으로 도시된다. 도 1 및 도 2에서, 전극(38)은 터널링 유전체(37)에 의해 그로부터 분리된 전극(36)의 위에 놓이는 한편, 도 3에서 전극들(36, 38)은, 전극들(36, 38)의 평면 내에 놓인 회전축들의 방위각적(azimuthal) 방위가 더욱 쉽게 보여질 수 있도록 이러한 정렬로부터 바꾸어 놓인다. 예를 들면, 도 3의 MTJ(32-6)에서, 회전축들(42-6, 40-6)은 도 2의 MTJ(32-1)의 회전축들(42-1, 40-1)과 동일한 방위를 가지며, 도 3의 MTJ(32-7)에서, 회전축들(42-7, 40-7)은 도 2의 MTJ(32-3)의 회전축들(42-3, 40-3)과 동일한 방위를 갖는다. 그러나, 도 3의 MTJ(32-8)는 다른 가능성을 예시하는데, 즉, 회전축들(42-8)은 회전축들(42-8)에 대해 평행하지도 않고 직각도 아니지만, 회전축들(40-8)에 대해 중간 방위 각도로 놓인 방위각적 방위를 갖는다. 전술한 것에서, 전극들(36, 38)은 회전축들(40, 42)이 항상 전극들(36, 38)의 평면들 내에 놓이도록 충분히 얇지만, 전극들(36, 38)의 평면들 내에서 상이한 상대 방위 각도들로 지향될 수 있다고 가정된다.
전극들(36, 38) 내의 회전축들의 상대 방위는 MTJ(32)의 전기적 특성들에 영향을 준다. 이것은, 회전 방위가 대부분이 터널링이 발생하는 페르미 레벨 근처의 전자 상태들의 밀도에 영향을 주고, 이에 따라 일정한 장벽 두께에서 동일하게 인가된 전계 또는 인가된 전압에 대한 터널링 확률에 영향을 주기 때문이다. 도 4는 자기 회전축들(40, 42)의 두 상이한 방위들에 대한 자기 터널 접합(32)의 대표적인 전류대 전압 플롯(50)을 도시한다. 선(51)은 회전축들(40, 42)이 평행인 경우에 대응하고, 선(52)은 회전축들(40, 42)이 평행이지 않은 경우에 대응한다. MTJ(32)에 걸리는 임의의 전압(Vt = Vt(1))에 대해, MTJ(32)는 It 대 Vt 특성이 선(51)에 대응될 때에는 컨덕턴스(Ct(1))를 가지며, It 대 Vt 특성이 선(52)에 대응될 때에는 상이한 컨덕턴스(Ct(2))를 갖는다. 다른 방식으로 표현하면, MTJ(32)가 선(52)에 의해 특징되는 상태에 있을 때에는, Vt = Vt(1)에 대해, It = It(1)이 되고, MTJ(32)가 선(52)에 의해 특징되는 상태에 있을 때에는, 동일한 전압 Vt = Vt(1)에 대해, It = It(2) < It(1)이 된다. 컨턱턴스(Ct) 또는 레지스턴스(Rt) 또는 일정 전압에서의 전류(It)는 전극들(36, 38) 내의 회전축들(40, 42)의 상대 방위들에서의 변화들을 검출하는데 사용될 수 있다. 전극(38) 내의 회전측들 방위는 인가된 자기장(H)(예로, 도 1 참조)에 의존하기 때문에, 컨덕턴스 또는 레지스턴스에서의 변화나 일정 전압의 전류에서의 변화는, H에서의 변화들이나, H에서의 변화를 야기할 수 있는 임의의 물리적인 파라미터에서의 변화들을 검출하는데 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, MTJ(32)에 대한 MFS(34)의 위치나 방위에서의 변화(예로, 화살표들(44-1, 44-2)로 도시됨)는 MTJ(32)에서 H가 변하도록 하고, 이에 따라 MTJ(32)의 전기적 특성들이 예측가능한 방식으로 변하도록 할 수 있다. 도 4에 나타난 바와 같이, 두 경우들에 대한 터널링 레지스턴스(Rt)는 Rt(2) = Vt(1)/It(2) 및 Rt(1) = Vt(1)/It(1)으로부터 계산될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 인가된 자기장(H)의 함수로서의 MTJ(32)의 터널링 레지스턴스(Rt)의 간략화된 플롯들(60, 62, 64)이다. 도 5의 플롯(60)은 전극(38)이 단일 자기 도메인처럼 스위칭하는 경우, 즉, 임계 필드(Hc 또는 -Hc)에 도달할 때까지 회전축(42)이 실질적으로 변하지 않고 있다가, 그 이후에 새로운 방위로 꺾이거나(snap) 플립하는 경우를 도시한다. 예를 들면, MTJ(32)가 Vt = Vt(1)에서 Rt = Rt(1)로 특징되는 상태에 있다면, 이것은 H = Hc가 될 때까지 이 상태에 남아있다가 Rt = Rt(2)로 특징되는 상태로 플립한다. 이것이 다시 플립하면 H = -Hc가 될 때까지 이 상태를 유지한다. 이러한 타입의 자기 이력 현상(hysteresis behavior)은, 센서(30)가 가속도, 힘, 온도, 위치, 압력 또는, 예를 들면, MFS(34)가 MTJ(32)에 대해 이동하도록 야기함으로써, H가 변하도록 하는 그 밖의 모든 물리적인 파라미터에서의 변화들에 응답하여 2진 출력을 가지도록 요구될 때에 매우 유용하다. 다시 플립하는데 필요한 자기장(-Hc)은 도 1에 도시된 전류 리드(34A)에 의해 편리하게 제공될 수 있다.
도 6의 플롯(62)은 약간 상이한 자기장들 Hc' ≤ H ≤ Hc" 에서 전극(38)이 독립적으로 플립할 수 있는 다수의 자기 도메인들에 이르는 것을 나타내는 경우를 도시한다. 설명을 위해, MTJ(32)는 Rt = Rt(1)로 특징되는 상태에 있다고 가정하면, H가 증가됨에 따라 Rt는 H = Hc'가 될 때까지 변하지 않고 유지되다가, 그 후에 H = Hc"가 될 때까지 일정한 전압에서 Rt가 점차적으로 증가하기 시작하고, 이후에 Rt는 Rt = Rt(2)에서 고정된다. 자기 이력 루프(62)는 경사진 평행 6면체(slanted parallelepiped) 형태를 갖는다. 도 7은 전극(38)의 재료와 방위가 H에서의 증가 또는 감소에 응답하여 자화(magnetization)가 계속 교대할 수 있도록 되는(예로, 서로에 대해 직각) 상황을 도시한다. 이후에, 자기 이력 루프는 본질적으로 Rt = Rt(1)과 Rt = Rt(2)에서 두 극단들을 갖는 Rt대 H 플롯(64)으로 도시된 것과 같이 거의 직선으로 붕괴된다. 이러한 상황은, 예를 들어 도 3의 MTJ(32-8)에서 도시된 바와 같이, 회전축들(42)이 회전축들(40)에 대해 연속적으로 교대될 수 있을 때에 발생한다. 도 1에 도시된 전류 라인(34A)은, 회전축들(42)이 리셋될 수 있도록, 즉, 자기장(35)에 의해 교란되기 전의 그 초기 방위로 다시 플립되도록, 자기장(-Hc)을 제공하기 위해, 플롯들(60, 62)로 도시된 배열들과 관련하여 알맞게 사용된다.
도 8은 그 위치가 센서(70)의 입력에 의존하는, 자기장 소스(86)를 가진 편향가능한(deflectable) 외팔보 빔(cantilever beam)(84)을 적용한 본 발명의 예시 적인 실시예들에 따른 자기 터널 접합 센서(70)의 간략화된 개략적 측면도이다. MTJ 센서(MTJS)(70)는 기판(72)을 포함하며, 편리하게는, 그 위에 MTJ 디바이스(32)와 자기장 소스(86)를 가진 외팔보 빔(84)이 형성되는 반도체 기판을 포함한다. 기판(72)은 바람직하게 부분(74)을 갖는데, 여기서, MTJ(32)의 전기적 특성들에서의 변화를 측정하기 위한 전자 회로(73)가 제공되지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 능동 자기장 소스가 사용될 때(예로, 도 9 참조), 회로(73)는 또한 자기장 소스(MFS) 부분(86)을 위한 전류 드라이버들을 포함할 수 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 컨덕터(76)는 편리하게 MTJ 전극(36)과의 전기적 접촉을 제공하고, 컨덕터(78)는 MTJ 전극(38)과의 전기적 접촉을 제공한다. 컨덕터들(76, 78)은 편리하게 Ta/TaN으로 이루어지지만, 이것으로 제한되도록 의도되는 것은 아니며, 어떠한 알맞은 도전 재료들이라도 사용될 수 있다. 절연층(도시되지 않음)이 컨덕터(76)와 부분(74) 사이에 제공될 수 있다. 도 8 내지 도 10을 과도하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 도시되지는 않았지만, 도 1의 전류 라인(34A)이 역시 MTJ(32)의 아래, 즉, 컨덕터(76)와 기판(74)의 부분(74) 사이에 제공될 수 있지만, 이것은 필수적인 것은 아니다. 유전체 영역(75)이 전극(78)을 지지하도록 제공된다. MgO와 같이, 매우 얇고, 실질적으로 균일하며, 핀-홀 프리 층들에서 제조될 수 있는 다른 고도의 절연 재료들이 사용될 수도 있지만, 터널링 유전체(37)는 편리하게 알루미늄 옥사이드로 이루어진다. 유전체 평탄화 층(77)이 컨덕터들(76, 78) 위에 제공된다. 외팔보 빔(84)의 영역(82)은 층(77)의 영역(92)에 의해 지지된다. 외팔보 빔(84)의 부분들(85, 86)은 자유로우며, 즉, 이들은 화살표들(88)로 표시된 것과 같이 이동할 수 있다. 빔(84)의 자기장 소스(MFS) 부분(86)은 MTJ(32) 위에 놓인다. 외팔보 빔(84)의 부분(85)과 MFS 부분(86)이, 예를 들면, 화살표들(88)로 표시된 것과 같이, MTJ(32)를 향하거나 이로부터 멀리 편향되도록 하기 위해, 홈(recess) 또는 개구(80)가 층(77) 내에 제공된다. 도 9 및 도 10과 관련하여 설명된 바와 같이, MFS(86)는 능동적(acive), 즉, 전류 운반 요소(예로, 도 8 및 도 9 참조)일 수 있거나, 또는 수동적(passive), 즉 영구 자석(87)(예로, 도 8 및 도 10 참조)을 포함할 수 있다. 어떤 물리적 파라미터가 센서(70)에 의해 측정되도록 요구되더라도, 그러한 물리적 파라미터는 외팔보 빔(84)에 결합되어, 이러한 물리적 파라미터에서의 변화에 응답하여 화살표들(88)로 도시된 것과 같이 이것을 편향시킬 수 있도록 한다.
도 9는 도 8의 예시적인 실시예에 대응하는 자기 터널 접합 센서(70-1)의 간략화된 평면도(90-1)인데, 여기서, 외팔보 빔(84)은 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 U자 형태를 갖는다. 전류 운반 편향가능 외팔보 빔(84-1)은 자기 터널 접합(MTJ)(32)으로 가변 자기장을 제공하는 MFS 부분(86-1)을 갖는다. MTJ(32)는 평면도(90-1)에서 보는 사람의 가장 가까이에 전극(38)을 구비하도록 보여진다. U자형 외팔보 빔(84-1)은 층(77)의 영역(92-1) 상에 고정되는 종단 영역들(82-1)과, 층(77) 내의 홈 부분 또는 개구(80-1) 위로 확장되는 부분들(85-1, 86-1)을 갖는다. MFS 부분(86-1)은 "U"자의 하부를 형성하고, MTJ(32) 위에 놓인다. 전류(96)는 MFS 부분(86-1)을 포함한 U자형 외팔보 빔(84-1)을 통해 흐르고, 도 1의 센서(30)의 자기장(35)과 유사한 자기장을 MTJ(32) 주변에 생성한다. 이러한 배열은 능동 MFS를 갖는 것으로 언급되며, 즉, 자기장이 영구 자석이 아닌 전류에 의해 생성된다. 외팔보 빔(84-1)이 "U"자 형태의 곧고 일정한 폭의 다리 부분들을 갖는 것처럼 도시되지만, 이러한 곧고 일정한 폭의 다리 부분들은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 이것으로 제한되도록 의도되지는 않고, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 여기의 설명에 기반하여, 요구된 전류를 수용하고, 화살표들(88)의 방향으로 요구된 편향 특성들을 제공하는데 적합한 임의의 U자 형태가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 10은 도 8의 센서(70)의 다른 예시적인 실시예에 대응하는 자기 터널 접합 센서(70-2)의 간략화된 평면도(90-2)이며, 여기서, 그 위에 영구 자석(87)을 갖는 MFS 부분(86-2)을 가지는 외팔보 빔(84-2)이 센서(70-2)로의 입력에서의 변화들에 응답하여 자기 터널 접합(32)으로 가변 자기장을 제공한다. 이러한 배열은 수동 자기장 소스를 갖는 것으로 언급되며, 즉, 자기장이 전류 운반 와이어 또는 코일이 아닌 영구 자석에 의해 생성된다. MTJ(32)는 평면도(90-2)에서 보는 사람의 가장 가까이에 전극(38)을 구비하도록 보여진다. 외팔보 빔(84-2)은 층(77)의 영역(92-2) 상에 고정되는 종단 영역(82-2)과, 층(77) 내의 홈 또는 개구(80-2) 위로 확장되는 부분들(85-2, 86-2)을 갖는다. 영구 자석(87)이 제공되는데, MTJ(32) 위의 MFS 부분(86-2)에 임의의 편리한 수단에 의해 부착된다. 자석(87)은 편리하게 부분(82-6) 아래의 빔(84-2)의 하부측 상에 실장되지만 필수적인 것은 아니며, 부분(86-2) 상의 위나 다른 어느 곳에라도 실장될 수도 있다. 자석(87)은 도 1의 센서(30)의 자기장(35)과 유사한 자기장을 MTJ(32)의 주변에 생성한다. 외팔보 빔(84-2)이 앵커 영역(82-2)과 MFS 부분(86-2) 사이에 점차 가늘어지는 폭(93)을 갖는 것처럼 도 10에 도시되지만, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 화살표들(88)의 방향으로 외팔보 빔(84-2)에 대해 요구된 편향 특성들을 제공하기 위해 임의의 형태가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 11 내지 도 16은 다양한 물리적 파라미터들을 검출할 수 있는 센서들을 제공하기 위해 MTJ(32)가 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 도 11 내지 도 16은 제한적이지 않은 예들로 의도된 것이며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 여기의 설명에 기반하여, 여기서 개시한 예들과 그 밖의 예들이 가르치는 기본 원리들을 따르는 많은 다른 구현예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 설명의 편의를 위해, 도 11 내지 도 16의 센서들은 센싱 및/또는 구동 회로를 포함하는 집적 회로의 일부가 아니라 별개로 독립되는 형태로 있는 것으로 도시되었지만, 이것은 배타적인 것은 아니다. 도 11 내지 도 16 및 이와 연관된 논의는 단지 설명을 용이하게 하도록 의도된 것이며, 제한적으로 의도되지는 않는다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 여기의 설명에 기반하여 이러한 여러 가지 예들에서 가르친 원리들이 개별 형태나 통합된 형태로 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자기 터널 접합 센서(100)의 간략화된 개략적 단면도이다. 도 12는 도 11의 센서(100)에 대한 간략화되고 부분적으로 잘라낸 평면도이다. 이들이 도 12에서 쉽게 보일 수 있고 제한적인 것 으로 의도되지 않도록 하기 위해, MTJ(32)는 평면도에서 실질적으로 정사각형인 것으로 가정되고, 자기장 소스(104)는 평면도에서 원형인 것으로 가정되지만, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다. 센서(100)는 바디(101) 내에 실장되는 리드들 또는 컨덕터들(76, 78)을 갖는 MTJ(32)를 포함한다. 도 11을 다시 참조하면, 자기장 소스(104)를 갖는 격막(diaphragm)(102)이 MTJ(32) 위에 위치하는데, 여기서, MFS(104)는 도 8 및 도 10의 소스(87) 및 도 1의 소스(34)와 유사하다. 자기장 소스(104)를 갖는 격막(102)은 다양한 외부 자극에 응답하여 화살표들(106)로 도시된 것처럼 이동한다. 이것은 MTJ(32)에서의 자기장(H)을 변경하는 효과를 가지며, 이로써, 도 1 내지 도 7과 관련하여 설명된 것과 같이, 그 전기적 특성들이 변하도록 한다. 따라서, 센서(100)는 MFS(104)와 MTJ(32)의 상대 위치를 변경할 수 있는 임의의 물리적 파라미터 또는 함수 내의 변화들을 검출할 수 있다. 이러한 물리적 현상들의 제한적이지 않은 예들은 이동, 가속도, 힘, 압력, 온도 등이 있다.
도 13은 도 11의 센서(100)의 단면도와 유사하지만 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 센서(111)의 간략화된 개략적 단면도이다. 센서(111)는 접착 홀(107)을 갖는 접착 돌기(lug)(105)를 포함한다는 점에서 센서(100)와는 상이하며, 이것은 MFS(104)를 갖는 격막(102)을 원격 입력, 예를 들면, 다음의 것으로 제한되지는 않지만, 그 위치나 가속도가 감시되거나 검출되도록 하는 대상에 결합시키는 것을 용이하게 하거나, 또는 그 크기나 거리가 온도, 압력, 또는 그 밖의 물리적 파라미터에 의해 변하는 디바이스에 결합시키기 위한 것이다.
도 14는 대체로 도 11과 유사하지만, 도 8 및 도 9의 자기장 소스 외팔보 빔(84, 86) 및 도 1의 소스(34)와 유사한 능동 자기장 소스 외팔보 빔(108)을 채용한 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 센서(112)의 간략화된 개략적 단면도이다. 도 15는 더욱 상세한 세목들을 도시한 도 14의 센서(112)의 간략화되고 부분적으로 잘라낸 평면도이다. 도 8 및 도 9의 외팔보 빔(84)과 유사한 외팔보 빔(108)이 격막(102)과 MTJ(32) 사이에 실장되고, 이것은 MTJ(32) 위에 위치한 자기장 소스(86)와 유사한 종단(110)을 갖는다. 돌기(boss) 또는 결합 수단(109)이 격막(102)의 하부 면, 즉, 외팔보 빔(108) 측으로 향하는 면 상에 편리하게 제공되어, 외팔보 빔(108)으로의 격막(102)의 결합 동작(106)을 용이하게 한다. 외팔보 빔(108)의 제1 단은 영역(101-1) 내의 바디(101)에 고정되고, 말단(110)은 MTJ(32)로 향하거나 이로부터 멀어지는 도 14에서의 수직 방향으로 이동하도록 자유롭다. 도 15에서 보다 쉽게 볼 수 있는 바와 같이, 외팔보 빔(108)은 바람직하게는 도 8 및 도 9의 MFS(86)과 유사하게, MTJ(32) 위에 위치한 "U"자의 "하부"를 형성하는 말단(110)을 갖는 U자 형태를 갖는다. 외팔보 빔(108)은 도 1의 자기장(35)과 유사한 자기장(H)을 MTJ(32)의 주변에서 생성하는 도 9의 전류(96)와 유사한 전류(114)를 운반하도록 구성된다. 돌기 또는 결합 수단(109)을 통해 외팔보 빔(108)에 결합되는 격막(102)의 위치에서의 변화들은 MTJ(32)에서의 자기장(H)을 변화시키고, 이로써, 도 1 내지 도 7과 관련하여 설명한 바와 같이, 그 전기적 특성들이 변하게 된다. 따라서, 도 14 및 도 15의 배열은, 구동 전류(114)를 변화시킴으로써, 센서(112)가 2진 출력(예로, 도 5 참조) 또는 아날로그 출력(예로, 도 7 참조) 또는 이들의 조합(예로, 도 6 참조) 중 어느 것이 요구되는지에 따라 가장 유리한 범위에서 동작하도록, MTJ(32)에서의 주변 자기장(H)이 조절되는 또 다른 이점을 가진, 이미 전술한 물리적 파라미터들 중 임의의 것에 대한 센서로서 역할할 수 있다. 이것은 상당한 이점이다.
도 16은 도 14의 센서(112)와 유사하지만 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 센서(116)의 간략화된 개략적 단면도이다. 센서(116)는 특히 압력 및/또는 온도를 측정하도록 구성된다. 센서(116)는 격막(102) 위에 내부 챔버(120)를 갖는 하우징(118)을 포함한다는 점에서 센서(114)와 상이하다. 센서(116)가 주로 압력 센서로서 기능하도록 요구될 때, 선택적 I/O 포트(119)가 하우징(118) 내에 제공되어, 챔버 또는 그 압력이 결정되어야 하는 라인 또는 영역에 결합된다. 챔버(120) 내의 압력에서의 증가는 격막(102)과 외팔보 빔(108)의 말단(110)이 MTJ(32) 측으로 이동하도록 하여, MTJ(32)에서의 자기장(H)을 증가시킨다. 챔버(120) 내의 압력이 떨어지면, 반대의 동작이 발생하여 MTJ(32)에서의 자기장(H)이 감소한다. 자기장(H)에서의 변화들에 응답하는 전기적 특성들에서 대응 변화들은 압력 변화들을 반영하는 전기적 출력을 제공한다. 전술한 바와 같이, 이 출력은 2진 출력, 아날로그 출력 또는 이 2개의 혼합이 될 수 있다.
센서(116)가 온도 센서로서 기능하도록 요구될 때, 선택적 I/O 포트(119)는 생략되거나 봉합되어, 챔버(120) 안에 주지된 양의 가스를 가두게 된다. 챔버(120) 안의 가스의 온도가 하우징(118)의 온도에서의 변화들에 응답하여 올라가거나 내려감에 따라, 격막(102)이 MTJ(32)를 향하거나 이로부터 멀리 이동하고, 압 력 센서의 경우에 대해 전술한 것과 동일한 방식으로, MTJ(32)의 전기적 특성들이 변한다. 기준 온도에서의 초기 가스 압력을 조정함으로써, MTJ(32)로부터의 기준 온도 출력이 요구된 값으로 설정될 수 있다. 마찬가지로, 외팔보 빔(108) 및 격막(102)의 탄성 상수들을 선택함으로써, 센서(116)의 동적 범위가 변할 수 있다. 격막(102) 및/또는 외팔보 빔(108)의 적절한 설계를 이용하여, 센서(116)의 응답은 요구된 애플리케이션에 따라 선형이거나 비선형으로 이루어질 수 있다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 선형 또는 비선형 응답을 갖는 외팔보 스프링들 또는 격막들을 만드는 방법을 이해한다. 이것들은 본 발명의 또 다른 이점들이다. 도 16의 압력 및 온도 센서(116)는 U자 형태를 사용하도록 도시되었지만, 다음의 것으로 제한되도록 의도되지는 않지만, 능동 자기장 소스, 수동 자기장 소스 및 단일 암(arm) 외팔보 빔이 역시 사용될 수도 있다. MTJ(32) 자체 특성들에서의 온도 변화들이 MFS(104 또는 110)의 움직임에 의해 유도되는 변화들에 비해 현저하지 않도록 MTJ(32)에 대한 온도 안정화를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
도 17은 발명된 센서의 제조 방법(122)의 간략화된 흐름도이다. 방법(122)은 시작 단계(123)와 초기 MTJ 형성 단계(124)로 시작하는데, 여기서, 예를 들면 도 1 및 도 8 내지 도 18의 MTJ(32)와 유사한 자기 터널 접합(MTJ)이 도 1의 컨덕터(34A)를 구비하거나 구비하지 않고 준비된다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 MTJ(32)의 구조와 배열은 단지 예시일 뿐이며 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 다른 MTJ 구성들도 역시 사용될 수 있다. 후속 단계(125)에서, 예를 들면, 도 1 및 도 8 내지 도 16에 도시된 MFS(34, 86, 87, 104, 110)와 같은 이동가능한 자기장 소스(MFS)가 MTJ(32)에 이동가능하게 결합되어, MTJ(32)에서의 자기장이 대응하는 MFS의 이동에 의해 변한다. 임의의 타입의 자기장 소스가 사용될 수 있다. 도 11 내지 도 16에서 도시된 구성의 센서들의 경우에, MFS(104)를 포함한 격막(102)이 MTJ(32) 위에 부착된다. 그리고 나서, 방법(122)은 일반적으로 종료 단계(126)에서 종료된다.
도 18은 도 17의 방법(122)과 유사하지만 세부사항들을 도시한 방법(122')의 간략화된 흐름도이다. 시작 단계(123') 및 MTJ 형성 단계(124)는 방법(122)에서와 동일하다. 도 18에서, 단계(125)는 MTJ 상에 평탄화 스페이서를 추가하는 단계(127), 그 다음에 평탄화 스페이서 상에 MFS를 형성하는 단계(128), 및 이후의 단계(129)로 나누어 지는데, 단계(129)에서는, 단계(128)에서 제공된 평탄화 스페이서의 일부분이 공동(cavity) 또는 개구(80)를 형성하도록 제거되어, MFS(예로, MFS(34, 86, 87, 104, 110))가 감지되거나 측정되도록 요구되는 물리적 파라미터의 변화에 응답하여 MTJ(예로, MTJ(32))에 대해 이동할 수 있도록 하여, 이 이동이 MTJ(예로, MTJ(32))에서의 자기장을 변하게 한다. 방법(122')은 센서(30, 70)가 집적 회로 기술을 이용하여 제조되는 경우에 적합하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 그리고 나서, 방법(122')은 종료 단계(126')로 진행된다.
도 19는 도 17 및 도 18의 방법의 실시예에 대해 보다 세부적인 단계들(132 내지 148)을 이용하여 도시한 단면도들의 간략화된 개략적 세트(이후부터 방법(130))이다. 방법(130)은 도 17 및 도 18의 단계(124)에 대응하는 단계들(132 내지 138)과, 도 17 및 도 18의 단계들(125)과 유사한 단계들(140 내지 148, 집합 적으로 125-1)로 나누어질 수 있다. 방법(130)은 편리하게 MTJ 센서(32)가 집적회로의 일부로 제조되는 경우에 대해 설명되지만, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 독립적인 소자로서 센서를 제조하는 방법을 이해할 것이다. 초기 단계(132)에서, 기판(150)이 제공되는데, 이것은 바람직하게는 집적 회로의 준비에 적합한 반도체 기판(예로, Si, GaAs 등)일 수 있다. 단계(134)에서, 트랜지스터들 및/또는 기타 소자들이 주지된 반도체 집적 회로 처리 기술들을 이용하여 형성되어, 기판(150) 내 및/또는 상에 MTJ 센서 및 필요한 경우 전류 리드(34A)에 대한 측정 및/또는 구동 회로(152)를 제공한다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 이것을 행하는 방법을 이해할 것이다. 이것은 본 발명을 위해 필수적인 것은 아니다. 단계(136)에서, 예를 들면, 실리콘 옥사이드 및/또는 실리콘 나이트라이드 또는 그 밖의 절연 재료로 이루어지는 유전층(154)이 성장 또는 증착되고, 예를 들면, 알루미늄, 구리, 탄탈륨, 탄탈륨 나이트라이드, 티타늄, 티타늄 나이트 라이드 또는 이와 유사한 것들로 이루어지는 제1 컨덕터(76)가 그 위에 증착 또는 형성되고, 선택적으로, 회로(152)의 적합한 소자들과 영역(157) 내에서 접촉을 제공하도록 패터닝된다. 이리듐 망간, 플래티늄 망간, 코발트 철, 코발트 철 붕소, 루테늄, 및 이와 유사한 것들과 이들의 조합들로 이루어지는 제1 전극(36)이 컨덕터(76) 내의 전기 접촉의 위와 안에 증착되고, MTJ(32)(도 8 참조)의 제1 전극(36)을 형성하도록 패터닝된다. 선택된 재료들의 조합은 비교적 높은 보자력을 가져야 한다. 기판(150) 뿐만 아니라 지금까지 제공된 다양한 반도체, 유전체 및 컨덕터 영역들 또는 층들은, 소정의 방위로 전극(36) 내의 회전축들(40)을 고정하는데 사 용될 수 있는 어닐링 온도들(예로, 200 내지 350 ℃)을 견디도록 충분히 내화성이 있는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다. 그러나, 회전축들(40)을 고정하기 위한 다른 수단들이 사용될 수도 있다. 단계(138)에서, 예를 들면, 알루미늄 옥사이드 또는 마그네슘 옥사이드로 이루어진 터널링 유전체(37)가 전극(36) 상에 성장 또는 증착되고, 예를 들면, 니켈 철, 코발트 철, 코발트 철 붕소, 루테늄, 및/또는 이와 유사한 것들로 이루어지고 잠재적으로 탄탈륨, 탄탈륨 나이트라이드, 티타늄, 티타늄 나이트라이드, 및 이와 유사한 것들과 같은 도전 재료로 덮여지는 도전 전극(38)이 터널링 유전체(37) 상에 성장 또는 증착된다. 전극(38)에 사용되는 재료들의 조합은 전극(36)을 이루는 재료들보다 더 낮은 보자력을 가져야 한다. 전극(36), 유전체(37) 및 전극(38)이 도 1 및 도 8에 도시된 MTJ(32)를 형성한다. 컨덕터들(76, 78)은 편리하게 각각 전극들(36, 38)과의 접촉을 만들도록 제공된다. 컨덕터들(76, 78)이 회로(152)의 적절한 요소들과 위치들(157, 169)에서 접촉하는 것으로 도시되지만, 이것은 필수적인 것은 아니며, 이들은 임의의 편리한 방식으로 구동 전자 장치들에 결합될 수 있다.
예를 들면, 실리콘 다이옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 인-도핑 실리콘 다이옥사이드, 및 이와 유사한 것들로 이루어지는 제1 평탄화 층(166)이 증착 또는 성장되거나, 그렇지 않으면, 전극(38)의 상부 표면이 노출되도록 현재 구조의 위에 형성된다. 대안적으로, 제1 평탄화 층(166)은 증착되고 나서, 예를 들면, 화학 기계적 연마(CMP) 프로세서 또는 일련의 포토리소그래피 및 에칭에 의해, 전극(38)의 상부 표면의 전부 또는 일부로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 그 다음에, 전 극(38) 및 선택적으로 회로(152)의 적절한 요소들과 위치(169)에서 전기적 접촉을 제공하기 위해, 예를 들면, 알루미늄, 구리, 탄탈륨, 탄탈륨 나이트라이드, 티타늄, 티타늄 나이트라이드, 및 이와 유사한 것 또는 이러한 타입들의 재료들의 조합으로 이루어지는 컨덕터(76)가 그 다음에 증착 또는 성장되거나 그렇지 않으면 그 위에 형성된다. 컨덕터(78)의 형성 전 또는 후에, 컨덕터(78)로부터 위치(169)로 확장되는 싱커(sinker)(163)가 컨덕터(78)의 일부로서 동시에 형성되거나 분리되어 형성될 수 있다. 그러나, 싱커(163)(및 단계(136)의 싱커(155))는 필수적인 것은 아니며, 컨덕터(78)(및 컨덕터(76))가 매설된 회로(152) 이외의 다른 곳으로 라우팅될 수 있다. 단계(140)에서, 예를 들면, 실리콘 다이옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 인 도핑된 실리콘 다이옥사이드, 및 이와 유사한 것으로 이루어지고 상부 표면(171)을 갖는 제2 평탄화 층(170)이 제1 평탄화 층(166) 및 컨덕터(78) 위에 증착 또는 성장되거나 그렇지 않으면 형성된다. 제2 평탄화 층(170)의 두께(173)는 외팔보 빔(84) 및 MTJ(32)의 주변 거리를 부분적으로 결정할 것이다. 두께(173)는 유용하게는 0.1 내지 1.0 미크론 범위 내, 편리하게는 0.1 내지 0.5 미크론 범위 내, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 미크론 범위 내에 있다. 영구 자석(87)이 MTJ(32)를 향하는 외팔보 빔(84)의 하부면 상에 실장되어야 하면, 그 두께가 고려될 필요가 있다.
그리고 나서, 빔(84)에 요구되는 재료가 적절한 위치 내의 표면(171) 상에 성장 또는 증착되거나 그렇지 않으면 형성되어, MFS 영역(86, 110)(도 8 내지 도 12 참조)이 요구된 빔 길이만큼 떨어져서 층(170) 상에 위치한 앵커 영역(도 8 내 지 도 12 참조) 및 MTJ(32) 위에 위치할 것이다. 순수물질 또는 합금들 또는 화합물들 또는 계층된 구조들 중 어느 것이든 될 수 있는 광범위한 여러 재료들이 빔(84)의 재료로 사용될 수 있다. Cu, Al, Au, Ti, W, poly-Si 및 여러 혼합물들 및 이들의 합금들이 적합한 재료들의 제한되지 않은 예들이지만, 그 밖의 재료들도 사용될 수 있다. 이러한 재료들이 스퍼터링(sputtering), 동시 스퍼터링(co-sputtering), 증발(evaporation), 전기 도금(electroplating), 무전극 도금(electrode-less plating) 또는 화학적 증기 증착 또는 이들의 조합들에 의해 편리하게 형성 또는 증착될 수 있지만 필수적인 것은 아니다. 가능하다면 전기도금과 함께 스퍼터링 및 동시 스퍼터링이 바람직하지만, 그 밖의 재료들과 공정들도 사용될 수 있다. 중요한 것은 빔(84)이 요구된 애플리케이션에 적합한 크기와 강성(stiffness)을 갖는다는 것이다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 여기의 설명에 기반하여 그들의 애플리케이션들에 요구되는 특성들의 외팔보 빔들을 설계 및 제조하는 방법을 이해할 것이다. 도 9에 도시된 타입의 예시적인 빔 구조체들은 약 0.3 내지 1.0 미크론 범위에 있는 빔 두께와 약 100 미크론의 U자형 암 폭들과, 약 5 미크론의 MFS 영역(86)(도 8 내지 도 10 참조)을 가진 Cu를 이용하여 제조되었다.
단계(144)에서, 예를 들면, 실리콘 다이옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 이루어지는 추가의 마스킹 층(174)이 편리하게 성장 또는 증착되거나 그렇지 않으면 제2 평탄화 층(170)과 여전히 지지된 빔(84) 위에 형성된다. 예를 들면, 일련의 포토리소그래피 및 에칭을 이용하는 것과 같이, 이 기술분야에서 잘 알려진 수단을 이용하여 홀 또는 개구(175)가 그 안에 제공된다. 외팔보 빔(84)(도 8 내지 도 12 참조)의 부분(82)이 될 것이 마스킹 층(174)에 의해 좌측에 덮여진다. 그렇지 않으면, 홀 또는 개구(175)가 빔(84)의 나머지의 주변부를 지나 약간 연장되어, 방법 단계(146)에서, 개구(175) 아래에 놓인 평탄화 층(170)의 부분(178)이, 예를 들면, 습식 에칭 공정에 의해 제거될 수 있고, 이로써, 그 장소에 공동 또는 홈(80)가 생성된다. 에칭 정지층(도시되지 않음)이 공동(80)의 바닥뿐만 아니라 공동(80)의 내부 벽들을 따라 이것의 형성 이전에 수직으로 양쪽에 제공된다면, 이 공정의 보다 양호한 제어가 달성될 수 있다는 것이 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인정될 것이다. 빔(84)은 이제 평탄화 층(170)(예로, 도 8의 영역(77))의 부분(예로, 도 8의 부분(92))에 고정된 부분(예로, 도 8의 부분(82))을 제외하고는 자유롭다. 방법 단계(148)에서, 마스킹 층(174)의 나머지가 제거되고(바람직하지만 필수적인 것은 아님), 선택적으로 전류(96)(도 8 및 도 9 참조)를 공급하기 위한 리드(들)(179)이 접착되거나 그렇지 않으면 빔(84)의 부분들(82)에 결합된다. 도 11의 구성이 수동 MFS(87)로 사용되면, 리드(들)(179)는 필요하지 않다.
도 20은 도 19의 방법(130)의 단계들(132 내지 148)과 유사하지만 본 발명의 방법의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 단면도들(132 내지 138, 140' 내지 148', 집합적으로 방법 130')의 간략화된 개략적 세트이다. 방법(130')은 도 17 및 도 18의 단계(124)에 대응하는 단계들(132 내지 138)과, 도 17 및 도 18의 단계들(125)과 유사한 단계들(140' 내지 148', 집합적으로 125-2)로 나누어질 수 있다. 도 19 및 도 20에서, 동일한 영역들 또는 층들을 식별하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용되고, 영역들 또는 층들이 반드시 동일하지는 않지만 유사한 경우는 프라임(')이 덧붙여진 동일한 참조 번호를 이용하여 식별된다. 예를 들면, 도 20의 단계(140')는 도 19에서의 단계(140)와 유사하고, 도 20의 표면(171')은 도 19에서의 표면(171)과 유사한 것 등과 같다. 방법(130)과 방법(130') 사이의 상당한 공통점 때문에, 방법(130)의 논의는 여기서 참조로서 포함되고, 현저하게 다른 부분들만 여기서 설명된다. 방법(130')의 단계들(132 내지 138)은 실질적으로 방법(130)에서와 동일하고, 여기서 더 설명되지는 않는다. 단계들(140' 내지 148')은 일부 사항들에서 상이하다. 단계(140')에서, 예를 들면, 인 도핑된 실리콘 다이옥사이드로 이루어지는 희생 영역(172)이, 외팔보 빔(84) 아래에 제공될 공동(80)(도 8 참조)에 요구되는 것과 실질적으로 동일한 형태, 위치 및 두께(173')를 가지도록 증착되고 패터닝된다. 영역(172)과 제2 평탄화 층(170')은 상이하게 에칭될 수 있거나 용해될 수 있다는 것, 즉, 영역(172)이 제2 평탄화 층(170')이나 아래에 놓인 임의의 층들 또는 영역들에 상당한 영향을 주지 않고 용해될 수 있다는 것이 중요하다. 단계(142')에서, 예를 들면, 실리콘 다이옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 이루어지는 제2 평탄화 층(170')이 희생 영역(172)의 상부 표면(171")과 실질적으로 같은 레벨인 상부 표면(171')을 가지도록 형성된다. 이것은, 예를 들면, CMP 단계 또는 그 밖의 평탄화 공정이 뒤따르는 일련의 제2 평탄화 층(170') 증착에 의해 달성될 수 있다. 그리고 나서, 단계(144')에서 외팔보 빔(84)이 방법(130)에서 전술된 것과 실질적으로 동일한 방식과 실질적으로 동일한 재료들 및 형태 및 크기로 형성된다. 단계(146')에서, 희생 영역(172)이 도 8의 공동 또는 홈에 대응하는 외팔보 빔(84) 아래의 공동 또는 홈(80)를 남겨 두고 에칭된다. 단계(148')에서, 방법(130)의 단계(148)와 관련하여 전술한 바와 같이 리드들(179)이 선택적으로 빔(84)에 부착된다. 방법(130')의 최종 결과는 방법(130)에 의해 획득되는 결과와 유사하다. 방법(130')이 바람직하다.
도 21은 도 19 및 도 20과 유시하지만 본 발명의 방법의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 단면도들(132 내지 138, 140', 202 내지 206)의 개략적 세트이다. 방법(200)은 도 17 및 도 18의 단계(124)에 대응하는 단계들(132 내지 138)과, 도 17 및 도 18의 단계들(125)과 유사한 단계들(140', 202 내지 206, 집합적으로 125-3)로 나누어질 수 있다. 도 19 내지 도 21에서, 동일한 영역들 또는 층들을 식별하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용되고, 영역들 또는 층들이 반드시 동일하지는 않지만 유사한 경우는, 프라임(')이 덧붙여진 동일한 참조 번호를 이용하여 그들을 식별한 방법(130')과 관련하여 사용된 것과 동일한 규정을 따른다. 방법(200)의 단계들(132 내지 138)은 실질적으로 방법(130, 130')에서와 동일하고, 여기서 더 설명되지는 않는다. 단계들(140', 202 내지 206)은 일부 사항들에서 상이하다. 단계(140')에서, 방법(130')에서 이미 전술한 것과 동일한 방식으로, 희생 영역(172)이 외팔보 빔(84') 아래에 제공될 공동(80)(도 8 참조)에 요구되는 것과 실질적으로 동일한 형태, 위치 및 두께(173')를 가지도록 형성되고 패터닝된다. 영역(172)과 제1 평탄화 층(166)은 상이하게 에칭될 수 있거나 용해될 수 있다는 것, 즉, 영역(172)이 제1 평탄화 층(166)이나 전극(78)에 상당한 영향을 주지 않고 용 해될 수 있다는 것이 중요하다. 그리고 나서, 단계(202)에서, 외팔보 빔(84')이 방법(130, 130')에서 전술된 것과 실질적으로 동일한 방식과 실질적으로 동일한 재료들로 형성된다. 단계(202)에서, 빔(84')은 편리하게 평탄화 층(166) 상에 고정되지만, 이것이 필수적인 것은 아니며, 방법(130')에 사용된 것과 유사한 제2 평탄화 층을 사용하는 구조가 사용될 수도 있다. 단계(204)에서, 희생 영역(172)이 외팔보 빔(84') 아래의 공동 또는 홈(80')를 남겨 두고 용해되거나 에칭된다. 단계(206)에서, 방법(130)의 단계(148)와 관련하여 전술한 바와 같이 리드들(179)이 선택적으로 빔(84)에 부착된다. 방법(200)의 최종 결과는 방법(130')에 의해 획득되는 결과와 유사하다.
도 22는 전극들 중 적어도 하나가 정사각형인 본 발명의 실시예에 따른 MTJ(32)의 전극들(36, 38)의 분해 평면도(300)를 도시한다. 전극들(36, 38)은 그들의 상대적인 형태 및 크기가 보다 쉽게 보일 수 있도록 도 23에서 측면으로 배치된다. MTJ(32)를 형성하도록 조립될 때, 전극들은 하나 위에 다른 것이 놓인다. 즉, 전극(36) 위에 전극(38)이 놓인다. 전극(38)은 MFS(34, 86)에 가장 가까이 있다. 전극들(36-1. 38-1)은 실질적으로 정사각형, 즉, Y36 -1 = X36 -1 = Y38-1 = X38 - 1 인 X, Y 치수들을 갖는 것으로 도시된다. 설명의 편의를 위해, 이것은 지금까지 대부분에 사용된 표현이지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 전극들(36-2, 38-2)은 Y36 -2 > X36 -2 및 Y38 -2 = X38 -2를 갖는 직사각형인 전극(36-2)과 상이하다. 역시, 이것은 단지 여러 가능한 전극들의 형태들에 대한 예시적인 것으로 의도되며, 배타적이 거나 제한적인 것으로 의도되는 것은 아니다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들(36, 38)의 평면도(310)를 도시하며, 여기서, 전극들 중 하나 또는 양쪽 모두는 다양한 예시적인 정사각형이 아닌 형태들을 갖는다. 예를 들면, 310-1에서, 전극들(36, 38) 중 하나 또는 양쪽 모두가 직사각형이고, Y보다 상당히 더 큰 X 치수를 갖는 긴 형태이고, 310-2에서는, 전극들(36, 38) 중 하나 또는 양쪽 모두가 X >> Y 인 긴 형태이고, 삼각형 단부들을 가지며, 310-3에서는, 전극들(36, 38) 중 하나 또는 양쪽 모두가 X >> Y 인 긴 형태이고, 둥근 단부들을 갖는다. 전극들이 하나 위에 다른 하나가 놓여 MTJ(32)를 형성할 때, 그들의 보다 긴 치수들(longer dimensions)은, 도 24에 개략적으로 도시된 것과 같이, 서로에 대해 다양한 각도들을 이룰 수 있다. 임의의 환경하에서, 얇은 전극들 내의 평면도 비대칭이 전자 회전축들이 회전할 때의 용이성이나 곤란성에 영향을 줄 수 있기 때문에 매우 비대칭인 전극 형태들을 사용하는 것이 유용하다. 예를 들면, 자기장에 대한 열 처리에 의해 제1 전극 내에 전자 회전축들을 고정하는 것이 이 기술분야에서 알려져 있지만, 다른 접근 방법은, 예를 들면, 평면도에서 길고 좁은, 매우 비대칭인 전극 형태를 만드는 것이다. 왜냐하면, 이러한 비대칭적 형태의 장 방향으로부터 전자 회전축들을 회전시키는 것은 매우 어렵기 때문이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 MTJ의 전극들의 평면도(320)를 도시하는데, 여기서, 전극들(36, 38) 중 적어도 하나는 다른 전극에 대해 여러 각을 이룬 배열들을 갖는다. 설명의 편의를 위해, 제1 전극(36-4)은 상이한 각도들로 이를 가로지르는 여러 개의 분할된 제2 전극들(38-4-1,...38-4-4)을 가진 하나의 연속적인 전극으로 도시된다. 그러나, 이것은 제한적인 것으로 의도되지 않고, 전극(36-4)은 분리된 세그먼트들로 구성될 수 있고, 각각은 아래에 놓인 제2 전극들(38-4-1,...38-4-4) 중 하나이다. 제2 전극(38-4-1)은 그 긴 치수가, 예를 들면, 제1 전극(36-4)의 긴 치수에 대해 실질적으로 직각인, 전극(36-4)에 대해 각도(α3)로 지향된다. 제2 전극(38-4-2)은 그 긴 치수가 제1 전극(36-4)의 긴 치수에 대해 실질적으로 평행(또는 반평행)이 되도록 지향된다. 제2 전극(38-4-3)은 그 긴 치수가 각도(α1)로 지향되고, 제2 전극(38-4-4)은 그 긴 치수가 제1 전극(36-4)의 긴 치수에 대해 각도(α2)로 지향되는데, 여기서, 0 ≤ α ≤ 90도이다.
도 25는 복수의 MTJ들(32A, 32B, 32C)의 부근에 위치한 자기장 소스들(86A, 86B, 86C)을 지지하는데 사용되는 상이한 길이들(333, 335, 337)의 복수의 외팔보 빔들(332, 334, 336)의 간략화된 평면도(330)를 도시한다. 동일한 단면을 가지지만 상이한 길이들(또는 상이한 단면도들과 유사한 길이들 또는 그 밖의 크기 및 형태 변이들)로 이루어진 외팔보 빔들을 이용함으로써, 상이한 빔들을 편향시키는데 필요한 힘 또는 가속도가 상이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 각각의 빔은 상이한 범위의 힘 또는 가속도 또는 압력 또는 온도 또는 그 밖의 물리적 파라미터에 걸쳐 응답하도록 제작될 수 있다. 이들을 단일 센서 내에 결합시킴으로써, 센서의 전체 동적 범위는 마음대로 확장될 수 있다. 도 25의 예에서, 센서들(332, 334, 336) 간의 차이점들은 오직 빔 길이들(333, 335, 337) 뿐이다. 이러한 복수의 센서들은 실질적으로 동시에 동일한 기판 상에 동일한 공정에 의해 제조될 수 있고, 개별 센서들의 상이한 구조는 공정 변형들이라기 보다는 마스크 변형들로 제공된다. 이것은 본 발명의 상당한 이점이다.
도 26은 간략화된 개략적 전기 회로도(340)인데, 여기서, 도 25의 복수의 MTJ들(32A, 32B, 32C)이 단말들(342, 345)에 각각 이르는 리드들(342, 344)에 의해 병렬로 전기적으로 결합되는 것으로 도시된다. 도 27은 MTJ들(32A, 32B, 32C)의 병렬 배치에 대한 RT 대 F의 간략화된 플롯(350)이며, 여기서, RT는 개별 MTJ들(32A, 32B, 32C)의 레지스턴스(RT)의 병렬 조합이고, F는 복수의 센서들(332, 334, 336)의 외팔보 빔들(84A, 84B, 84C)에 동시에 인가되는 힘 또는 가속도이다. 설명의 편의를 위해, MTJ들(32A, 32B, 32C)은 실질적으로 동일한 Rt 대 H 특성을 갖지만, 외팔보 빔들(84A, 84B, 84C)은, 센서(336)에 대해서는 F = 1에서 H = Hc가 발생하고, 센서(334)에 대해서는 F = 2에서 H = Hc가 발생하고, 센서(332)에 대해서는 F = 3 에서 H = Hc가 발생하도록 상이한 강성을 갖는다고 가정된다. 다시 말해서, F = 1에서, 빔(84C)은 (그 정지층에 반하거나 또는 MTJ(32C)에 접한 영역(86-3)을 따라) 완전히 편향되고, F = 2에서, 빔(84B)은 (그 정지층에 반하거나 또는 MTJ(32B)에 접한 영역(86-2)을 따라) 완전히 편향되고, F = 3에서, 빔(84A)은 (그 정지층에 반하거나 또는 MTJ(32A)에 접한 영역(86-1)을 따라) 완전히 편향되고, 각각의 경우에서 제한 위치는 연관된 MTJ에서 Hc를 생성한다. 그리고 나서, 도 5에 도시된 것과 유사한 개별적인 Rt 대 H 특성에 대해, 이 3개의 빔 배열은 플롯 들(352, 354, 356)에 대해 도 27에 개략적으로 도시된 RT 대 F 응답을 제공한다. 플롯(352)의 선(358)은 F = 1인 힘이 센서들(330)에 인가되고, 가장 쉽게 편향되는 센서(예로, 센서(336))가 MTJ(32C)에 대해 Hc를 제공하는 상황에 대응된다. 플롯(354)의 선(360)은 F = 2인 힘이 센서들(330)에 인가되고, 그 다음으로 가장 쉽게 편향되는 센서(예로, 센서(334))가 MTJ(32B)에 대해 Hc를 제공하는 상황에 대응된다. 플롯(356)의 선(362)은 F = 3인 힘이 센서들(330)에 인가되고, 가장 쉽지 않게 편향되는 센서(예로, 센서(332))가 MTJ(32A)에 대해 Hc를 제공하는 상황에 대응된다. 이 예에서, 모든 MTJ들이 초기에 그들의 낮은 레지스턴스 상태에 있다고 가정하면, 회로(340) 내에서 측정된 전체 레지스턴스(RT)는 센서들(330)이 노출되는 힘 또는 가속도가 증가함에 따라 단계적인 형식으로 증가한다. 도 1의 컨덕터(34A)와 유사한 전류 리드(여기에 도시되지 않음)가 편리하게 각 센서에 포함되어, F가 제거됨에 따라 전극(38) 내의 회전축들을 그 초기 상태로 다시 플립하도록 -Hc를 제공한다. 따라서, 상이한 탄성 상수들 및 편향 범위들을 갖는 복수의 센서들을 사용함으로써, 보다 넓은 전체 동적 범위가 도 27에 도시된 것처럼 양자화되거나 그 응답이 도 6 또는 도 7의 응답과 닮은 MTJ들을 이용하여 아날로그 형식으로 달성될 수 있다. 도 26에 도시된 병렬 결합된 전기적 배열이 유용하지만, 직렬 배열도 사용될 수 있다. 둘 중 어느 것이라도 가능하다. 동일한 기판 상에 동일한 제조 공정을 이용하여, 개별 센서들의 구조를 바꾸는데 단지 마스크 차이만을 가지고, 상이한 응답성을 갖는 센서들을 쉽게 만들 수 있는 것은 본 발명의 상당한 이점이다. 동적 범위를 연장하기 위해 복수의 센서들의 사용이 외팔보형 빔의 관점에서 설명되었지만, 이것은 단지 예시적인 목적일 뿐이며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 여기의 설명에 기반하여, 도 11 내지 도 16에 도시된 것과 같은 격막 타입 센서들과, 센서 입력에 응답하여 그들의 상대적인 위치들이 변하는 복수의 MTJ들과 복수의 MFS들을 조합한 그 밖의 물리적 배열들도 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
제1 예시적인 실시예에서는, 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction: MTJ)과, 상기 MTJ에 이동가능하게 결합되고, 상기 센서의 입력에 응답하여 변하는 자기장을 상기 MTJ에서 제공하는 자기장 소스(magnetic field source: MFS)를 포함하는 센서가 제공된다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MTJ는 고정된 전자 회전축들을 갖는 제1 전극과, 상기 제1 전극보다 더 상기 MFS에 가까이에 위치하고, 자유로운 전자 회전축들을 갖는 제2 전극을 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MTJ는 상기 제1 전극과 제2 전극을 분리시키고, 그들 사이에 상당한 터널링 전도를 가능하게 하도록 구성되는 유전체를 더 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 제1 전극은 제1 보자력(coercive force)을 갖는 제1 자기 재료로 이루어지고, 상기 제2 전극은 상기 제1 보자력보다 작은 제2 보자력을 갖는 제2 자기 재료로 이루어진다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 실질적으로 직각이며, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 실질적으로 직각이 아니다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 제1 상대 방위(orientation)를 가지며, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 상기 제1 상대 방위와는 상이한 제2 상대 방위를 갖는다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MFS는 전류를 운반하도록 구성되고 상기 MTJ 위를 통과하는 제1 방위를 갖는 제1 컨덕터를 포함하며, 상기 센서는, 상기 MTJ 아래에 놓이고, 전류를 운반하도록 구성되며, 상기 제1 방위에 대해 실질적으로 직각인 제2 방위를 갖는 제2 컨덕터를 더 포함한다.
제2 예시적인 실시예에서는, 제1 자기 전극과, 제2 자기 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리시키고, 그들 사이에 터널링 전도를 제공하도록 구성되는 유전체를 포함하는 자기 터널 접합(MTJ)을 포함하는 센서가 제공되는데, 여기서, 상기 센서는 자기장을 제공하기 위한 자기장 소스(MFS)를 더 포함하고, 상기 MFS는 상기 제2 자기 전극의 근처에 이동가능하게 매달려서, 상기 센서의 입력에 응답하여 상기 MTJ와 상기 MFS 사이의 거리의 변화가 상기 MTJ에서의 상기 MFS의 자기장을 변하도록 야기함으로써, 상기 MTJ의 전기적 특성을 변경한다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MFS는 전류 운반 컨덕터이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 전류 운반 컨덕터는 U자 형태이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MFS는 영구 자석이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 센서는 상기 MFS가 매달리는 외팔보형 빔(cantilevered beam)을 더 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 센서는 상기 제1 자기 전극 아래에 놓이고, 상기 제1 자기 전극을 지지 하는 기판을 더 포함하며, 여기서, 상기 MFS는 상기 제2 자기 전극으로부터 이격된 상기 외팔보형 빔의 제1 단에서 합체되고, 상기 외팔보형 빔의 제2 말단은 상기 기판에 결합된다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 제1 자기 전극은 제1 방향으로 지향된 전자 회전축들을 갖고, 상기 제2 자기 전극은 제2 방향으로 지향된 전자 회전축들을 가지며, 상기 MFS와 상기 MTJ의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 제1 각도만큼 상이하고, 상기 MFS와 상기 MTJ의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 제1 각도와는 다른 제2 각도만큼 상이하다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MFS와 상기 MTJ의 상기 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 평행하고, 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 반평행(anti-parallel)하다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 자기 전극들은 각각이 긴 치수(longer dimension)를 갖는 긴 형태이고, 상기 제1 전극의 상기 긴 치수는 상기 제2 전극의 상기 긴 치수에 대해 α 각도를 이루며, 여기서 0 ≤α≤ 90도이다.
제3 예시적인 실시예에서는, 복수의 자기 터널 접합들(MTJ)과 복수의 자기장 소스들(MFS)을 포함하는 다중범위(multi-range) 센서가 제공되는데, 상기 각각의 MFS는 하나의 MTJ에 연관되고, 상기 연관된 MTJ에 겹쳐지는 자기장을 제공하며, 상기 각각의 MFS는 상기 다중범위 센서의 입력을 수신하고, 상기 연관된 MTJ에 대한 그 근처는 상기 복수의 MFS들에 대해 공통인 상기 다 범위 센서의 상기 입력에 응답하여 상이한 방식으로 변화된다. 다른 예시적인 실시예에서, 복수의 외팔보형 빔들(cantilevered beams)이 제공되는데, 상기 각각의 빔은 상기 연관된 MTJ의 근 처의 상기 복수의 MFS들 중 하나를 지지한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 MFS들을 지지하는 상기 복수의 외팔보형 빔들은 상기 다중범위 센서에 대한 상기 공통 입력에 응답하여 상이한 편향(deflection) 특성들을 갖는다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 복수의 MTJ들은 직렬, 병렬 또는 그 조합으로 전기적 결합된다.
적어도 하나의 예시적인 실시예가 앞의 상세한 설명에 제시되었지만, 많은 수의 변형예들이 존재한다는 것이 이해되어야 한다. 또한 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 단지 예들이며, 그 범위, 적용성, 또는 본 발명의 구성을 어떠한 방식으로든 제한하려고 의도된 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들을 구현하기 위한 편리한 길잡이를 제공할 것이다. 첨부된 특허청구범위에 제시된 본 발명의 범위와 이것의 합법적인 등가물로부터 벗어나지 않는 한, 구성요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 센서로서,
    자기 터널 접합(magnetic tunnel junction: MTJ); 및
    상기 MTJ에 이동가능하게 결합되고, 상기 센서의 입력에 응답하여 변하는 자기장을 상기 MTJ에서 제공하는 자기장 소스(magnetic field source: MFS)
    를 포함하는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MTJ는,
    고정된(pinned) 전자 회전축들(spin-axes)을 갖는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극보다 더 상기 MFS에 가까이에 위치하고, 자유로운 전자 회전축들을 갖는 제2 전극을 포함하는 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MTJ는,
    상기 제1 전극과 제2 전극을 분리시키고, 그들 사이에 상당한 터널링 전도를 가능하게 하는 유전체를 더 포함하는 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 보자력(coercive force)을 갖는 제1 자기 재료로 이루어지고, 상기 제2 전극은 상기 제1 보자력보다 작은 제2 보자력을 갖는 제2 자기 재료로 이루어지는 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 MTJ와 상기 MFS의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 실질적으로 직각이며, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 실질적으로 직각이 아닌 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 MTJ와 상기 MFS의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 제1 상대 방위(orientation)를 가지며, 상기 MTJ와 상기 MFS의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 및 제2 전극들 내의 상기 회전축들은 상기 제1 상대 방위와는 상이한 제2 상대 방위를 갖는 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 MFS는, 전류를 운반하고, 상기 MTJ 위를 통과하는 제1 방위를 갖는 제1 컨덕터를 포함하며,
    상기 센서는, 상기 MTJ 아래에 놓이고 전류를 운반하며, 상기 제1 방위에 대해 실질적으로 직각인 제2 방위를 갖는 제2 컨덕터를 더 포함하는 센서.
  8. 센서로서,
    제1 자기 전극과,
    제2 자기 전극과,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리시키고, 그들 사이에 터널링 전도를 제공하는 유전체를 포함하는 자기 터널 접합(MTJ); 및
    자기장을 제공하기 위한 자기장 소스(MFS)
    를 포함하고,
    상기 MFS는 상기 제2 자기 전극의 근처에 이동가능하게 매달려서, 상기 센서의 입력에 응답하여 상기 MTJ와 상기 MFS 사이의 거리의 변화가 상기 MTJ에서의 상기 MFS의 자기장을 변하도록 야기함으로써, 상기 MTJ의 전기적 특성을 바꾸도록 하는 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 MFS는 전류 운반 컨덕터인 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 운반 컨덕터는 U자형인 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 MFS는 영구 자석인 센서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 MFS가 매달리는 외팔보형 빔(cantilevered beam)을 더 포함하는 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 자기 전극 아래에 놓이고, 상기 제1 자기 전극을 지지하는 기판을 더 포함하며,
    상기 MFS는 상기 제2 자기 전극으로부터 이격된 상기 외팔보형 빔의 제1 단에서 합체되고, 상기 외팔보형 빔의 제2 말단은 상기 기판에 결합되는 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 자기 전극은 제1 방향으로 지향된 전자 회전축들을 갖고, 상기 제2 자기 전극은 제2 방향으로 지향된 전자 회전축들을 가지며, 상기 MFS와 상기 MTJ의 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 제1 각도만큼 상이하고, 상기 MFS와 상기 MTJ의 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 제1 각도와는 다른 제2 각도만큼 상이한 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 MFS와 상기 MTJ의 상기 제1 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 평행하고, 제2 상대 위치에 대해, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 반평행한(anti-parallel) 센서.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자기 전극들은 각각이 긴 치수(longer dimension)를 갖고 연장되며, 상기 제1 전극의 상기 긴 치수는 상기 제2 전극의 상기 긴 치수에 대해 α 각도를 이루며, 여기서 0 ≤α≤ 90도인 센서.
  17. 다중범위(multi-range) 센서로서,
    복수의 자기 터널 접합들(MTJ); 및
    복수의 자기장 소스들(MFS)
    을 포함하고,
    상기 각각의 MFS는 하나의 MTJ에 연관되고, 상기 연관된 MTJ에 겹쳐지는 자기장을 제공하며, 상기 각각의 MFS는 상기 다중범위 센서의 입력을 수신하고, 상기 연관된 MTJ의 근처에서 상기 복수의 MFS들에 대해 공통인 상기 다중범위 센서의 상기 입력에 응답하여 상이한 방식으로 변화하는 다중범위 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    각각이 상기 연관된 MTJ의 근처의 상기 복수의 MFS들 중 하나를 지지하는 복수의 외팔보형 빔들(cantilevered beams)을 더 포함하는 다중범위 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 MFS들을 지지하는 상기 복수의 외팔보형 빔들은 상기 다중범위 센서로의 상기 공통 입력에 응답하여 상이한 편향(deflection) 특성들을 갖는 다중범위 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 MTJ들은 직렬, 병렬 또는 그 조합으로 전기적 결합되는 다중범위 센서.
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