CN102830373A

CN102830373A - 一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN102830373A
Application number: CN2012103260213A
Authority: CN
Inventors: 吴俊�; 张卫; 王鹏飞; 孙清清; 周鹏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器及其制造方法。本发明将用于测量不同纬度磁场的四个各向异性磁阻传感器置于一个使用45度角的凹槽或者凸台结构的侧壁之上形成三维各向异性磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的各向异性磁阻传感器更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。

Description

一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种三维各向异性磁场传感器及其制备方法。

背景技术

各向异性磁阻（Anisotropy of magnetoresistance，AMR）效应是由W.Thomson于1857年在铁磁金属Fe、Ni中发现的。当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场而变化，而当外加磁场方向偏离磁化方向时，电阻减小，这就是各向异性磁阻效应，即电阻率与铁磁材料内部磁化强度方向与电流方向的夹角有关。目前各向异性磁阻材料通常选取坡莫合金，在4.2k温度下，各向异性磁阻相对变化率能达到5%左右，而在室温下，也能达到2%左右。采用改进的反馈读取技术，各向异性磁阻检测磁场强度下限可达10^-6Gauss。另外，其小饱和场（约为7.96×10²A·m^-1）和高的磁场灵敏度，使其特别适合用于制备检测弱磁场的传感器。

目前，主要的三维磁场传感器通常是由一个一维磁场传感器和一个二维磁场传感器拼接而成，这种方法不仅成本高、稳定性和一致性差，而且会导致三维磁场传感器的体积比较大、所测到的不同纬度的磁场不能局限于较小的范围内，不利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于各向异性磁阻效应的三维磁场传感器结构，可以减小三维磁场传感器的体积，以利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。

本发明提供的一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其包括：

在半导体衬底内形成的凹槽或者凸台结构，其包含四个侧壁且与所述半导体衬底表面呈45度斜角。

在所述的凹槽或者凸台的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁上分别形成有第一各向异性磁阻传感器、第二各向异性磁阻传感器、第三各向异性磁阻传感器和第四各向异性磁阻传感器；

所述每个各向异性磁阻传感器所测磁场方向均平行于各自所在的侧壁表面且垂直于该侧壁与所述半导体衬底表面的交线。

所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。

所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线；即一组相对两个侧壁为梯形,另一组相对两个侧壁为三角形；

所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面与与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形；即四个侧壁为梯形。

本发明还提出了所述使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，其具体步骤包括：

采用湿法刻蚀的方法刻蚀半导体衬底形成包含有四个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁的凹槽或者凸台结构；

在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁上形成第一各向异性磁阻传感器；

在所形成的凹槽或者凸台的第二个侧壁上形成第二各向异性磁阻传感器；

在所形成的凹槽或者凸台的第三个侧壁上形成第三各向异性磁阻传感器；

在所形成的凹槽或者凸台的第四个侧壁上形成第四各向异性磁阻传感器。

如上所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。

所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线，即一组相对两个侧壁为梯形,另一组相对两个侧壁为三角形的立方体。

如上所述的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面分别与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。

本发明将用于测量不同纬度磁场的四个各向异性磁阻传感器置于一个使用45度斜角的凹槽或者凸台结构的侧壁之上形成三维各向异性磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的各向异性磁阻传感器更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。

附图说明

图1a为称为“理发师的招牌”模式结构的各向异性磁阻探测器件。

图1b为称为“人字形”模式结构的各向异性磁阻探测器件。

图1c为包含放大信号的电桥结构的完整的各向异性磁阻传感器结构的示意图。

图2a、3a、4a、5a为本发明所提供的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的四个实施例的俯视图。

图2b、3b、4b、5b分别为图2a、3a、4a、5a所示的结构沿a-a方向的截面图,图中x-y-z坐标系为标准坐标系。

图2c、3c、4c、5c分别为图2a、3a、4a、5a所示的结构沿b-b方向的截面图。

图6至图15为本发明所公开的制备如图2a、3a、4a、5a所示的三维各向异性磁场传感器的实施例的工艺流程图。

具体实施方式

各向异性磁阻器件的电阻大小依赖于铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角θ，电阻的变化大致是正比于夹角θ的余弦值的平方值，设置初态时的铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角为45度，然后垂直于铁磁材料的磁化方向加外磁场，那么铁磁材料的磁化方向就会发生变化，其与通过材料的电流方向的夹角也会发生变化。我们设铁磁材料磁化方向偏离45度角的角度为φ，材料的电阻变化与偏离角度φ是成比较好的线性关系，在外磁场较小的情况下，偏离角度φ又是外磁场与铁磁材料原有磁化强度的比值，所以外磁场的大小与电阻变化成线性关系了。

为了使各向异性磁阻器件能够探测空间中较小的磁场,我们需要将整个器件制作成磁化方向在初态时与电流方向的夹角为固定的45度，这就要用到特殊的结构，一种结构是称为“理发师的招牌”模式（Barber pole）的结构,如图1a所示：我们将一条条分隔且相互平行的金属条302（示例性标出）淀积在由金属导线303连接的铁磁材料301（示例性标出）上面，并且使得每条金属条302与铁磁材料301的边沿成45度角，由于电流会沿着最短的距离传输，所以电流会在每对金属条中以垂直于金属条边沿的方向从一端到另一端，而这样就保证了电流的方向是与铁磁材料的磁化方向成45度角了。同时，我们还需要在整个器件的下面放置金属线圈300，金属线圈300是用来通电流产生磁场来保持铁磁材料的磁化方向的。

另外一种结构是称为“人字形”模式（Herringbone）的结构，如图1b所示：整个器件是由相互平行的多条铁磁薄膜条401（示例性标出）拼装而成的，而铁磁薄膜条401是由金属条402（示例性标出）来连接的，铁磁薄膜条401与金属条302之间所成的夹角为45度角。在这种模式中，我们需要加入外置的磁场发生器，使得它们能够在测量外部磁场之前通过一个电流脉冲产生平行于金属条的磁场，从而使得整个器件的铁磁薄膜条的磁化方向都沿着金属条的方向，然后再在铁磁薄膜的两端施加电压使得电流沿着铁磁材料的蛇形结构流动，这样就可以使得电流的方向与磁化方向成45度角了。

当然一个完整的各向异性磁阻传感器是需要用电桥结构来放大信号的，从而使器件输出的信号足够高从而能与集成电路更好地结合在一起。如图1c是各向异性磁阻传感器的电桥结构的简化图，一共由四个并非完全一样的各向异性磁阻组成。各向异性磁阻501和各向异性磁阻504在施加了某一方向的外磁场后的电阻变化为ΔR，而各向异性磁阻502和各向异性磁阻503在施加了相同方向的外磁场后的电阻变化为−ΔR。如图1c：我们设四个各向异性磁阻在未受外磁场影响下的电阻皆为R，然后由图我们可以得到上支路中的各向异性磁阻501的电压降为U*(R+ΔR)/2R，而下支路中的各向异性磁阻502的电压降为U*(R−ΔR)/2R，那么输出电压信号V是上下两个磁阻的电压降的差值，因而可以得到V=U*ΔR/R，而我们知道电阻的变化是与外加磁场成线性关系的，所以输出的信号电压是与空间的外磁场的大小成线性关系的，这样我们就可以将包含各向异性磁阻的电桥模块与集成电路结合起来，通过处理我们就可以得到外磁场的大小。所以整个各向异性磁阻磁场探测模块是对垂直于铁磁材料磁化方向的外磁场敏感，所以其测得是垂直于铁磁材料磁化方向的外磁场。

图2a、3a、4a、5a为本发明所提供的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器结构的四个实施例的俯视图，图2b、3b、4b、5b分别为图2a、3a、4a、5a所示的三维各向异性磁场传感器结构沿a-a方向的截面图, 图2c、3c、4c、5c分别为图2a、3a、4a、5a所示的三维各向异性磁场传感器结构沿b-b方向的截面图。

图2a为本发明所提供的在半导体衬底10内形成的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的第一个实施例的俯视图。图2b所示的凹槽结构为图2a所示结构沿a-a方向的截面图，图2b所示的凹槽结构包括第一侧壁、第三侧壁以及连接两个侧壁的底壁，两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为α和β，且α=β=45°。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3分别形成在所示凹槽的第一侧壁、第三侧壁上，第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。图2c所示的凹槽结构为图2a所示结构沿b-b方向的截面图，图2c所示的凹槽结构包括第二侧壁、第四侧壁以及连接两个侧壁的底壁，这两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为γ和θ，且γ=θ=45°。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4分别形成在所示凹槽的第二侧壁、第四侧壁上。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。

图3a为本发明所提供的在半导体衬底10内形成的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的第二个实施例的俯视图。图3b所示的凹槽结构为图3a所示结构沿a-a方向的截面图，图3b所示的凹槽结构包括两个直接相连的第一侧壁、第三侧壁，所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为α和β，且α=β=45°。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3分别形成在所示凹槽的第一侧壁、第三侧壁上，第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。图3c所示的凹槽结构为图3a所示结构沿b-b方向的截面图，图3c所示的凹槽结构包括第二侧壁、第四侧壁以及连接两个侧壁的底壁线（此底壁缩小为一条线段），所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为γ和θ，且γ=θ=45°，第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4分别形成在所示凹槽的第二侧壁、第四侧壁上。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。

图4a为本发明所提供的在半导体衬底10内形成的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的第三个实施例的俯视图。图4b所示的凸台结构为图4a所示结构沿a-a方向的截面图，图4b所示的凸台结构包括第一侧壁、第三侧壁以及连接两个侧壁的顶壁，所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为α和β，且α=β=45°。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3分别形成在所示凸台的第一侧壁、第三侧壁上。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。图4c所示的凸台结构为图4a所示结构沿b-b方向的截面图，图4c所示的凸台结构包括第二侧壁、第四侧壁以及连接两个侧壁的顶壁，所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为γ和θ，且γ=θ=45°。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4分别形成在所示凸台的第二侧壁、第四侧壁侧壁上。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。

图5a为本发明所提供的在半导体衬底10内形成的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器的第四个实施例的俯视图。图5b所示的凸台结构为图5a所示结构沿a-a方向的截面图，图5b所示的凸台结构包括两个直接相连的第一侧壁、第三侧壁，所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为α和β，且α=β=45°。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3分别形成在所示凸台的第一侧壁、第三侧壁上。第一各向异性磁阻传感器1、第三各向异性磁阻传感器3所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。图5c所示的凸台结构为图5a所示结构沿b-b方向的截面图，图5c所示的凸台结构包括第二侧壁、第四侧壁以及连接两个侧壁的顶壁线（此顶壁缩小为一条线段），所述两个侧壁与半导体衬底表面所成的夹角分别为γ和θ，且γ=θ=45°。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4分别形成在所示凸台的第二侧壁、第四侧壁上。第二各向异性磁阻传感器2、第四各向异性磁阻传感器4所测磁场的方向均平行于各自所在的侧壁表面且均平行于纸面。

设定第一各向异性磁阻传感器1、第二各向异性磁阻传感器2、第三各向异性磁阻传感器3和第四各向异性磁阻传感器4所测到的磁场值分别为X1、X2、X3和X4。根据需要，再设定标准坐标系（分别在图2b、3b、4b、5b的右上角标识）的x轴、y轴和z轴，其中x轴和y轴平行于原有的半导体衬底的表面，且y轴垂直于纸面，z轴垂直于原有的半导体衬底的表面，然后设定x轴、y轴和z轴方向的磁场值分别为x、y和z，由此可以得到如下公式：

x =X3*cosβ-X1*cosα；

y =X4*cosθ-X2*cosγ；

z = X3*sinβ+X1*sinα = X4*sinθ+X2*sinγ。

因为α = β =γ=θ =45°，所以有：

x =(X3-X1)*cos(45)；

y =(X4-x2) *cos(45)；

z = (X3+X1) *sin(45) = (X4+X2) *sin(45) 。

本发明所提出的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器能够将所测到的不同纬度的磁场局限于较小的范围内。

本发明所提出的使用45度斜角的三维各向异性磁场传感器可以通过很多方法制造，以下所叙述的是本发明所公开的如图2a、3a、4a、5a所示的三维各向异性磁场传感器结构的制造方法的实施例，图6-11描述了制备如图2a、3a、4a、5a所示结构沿a-a方向的截面结构的一部分工序，图12-15描述了制备如图2a、3a、4a、5a所示结构沿b-b方向的截面结构的一部分工序。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

以硅衬底为例。

如图6，在提供的硅衬底200的表面氧化生长一层氧化硅薄膜201，然后在氧化硅薄膜201之上淀积一层光刻胶301。

接下来，掩膜、曝光、显影形成图形，并刻蚀掉没有被光刻胶保护的氧化硅薄膜201露出硅衬底200的表面，然后利用湿法刻蚀的方法刻蚀暴露出的硅衬底201形成所需要的凹槽或者凸台结构，之后剥除光刻胶301并刻蚀掉剩余的氧化硅薄膜201。

通过对光刻胶图形的选择、以及对硅刻蚀条件的控制可以得到不同的结构：

图7a为在硅衬底内形成的用于形成如图1a所示的三维各向异性磁场传感器所需的凹槽结构。

图7b为在硅衬底内形成的用于形成如图2a所示的三维各向异性磁场传感器所需的凹槽结构。

图7c为在硅衬底内形成的用于形成如图3a所示的三维各向异性磁场传感器所需的凸台结构。

图7d为在硅衬底内形成的用于形成如图4a所示的三维各向异性磁场传感器所需的凸台结构。

图7a、7b、7c、7d所示的凹槽或者凸台结构的侧壁均为45度斜角的结构。

接下来，在图7a、7b、7c、7d所示的结构之上淀积一层光刻胶302，并掩膜、曝光、显影定义出第一各向异性磁阻传感器的位置，如图8a、8b、8c、8d所示。然后在第一各向异性磁阻传感器的位置处形成第一各向异性磁阻传感器（以标号202示出），剥除光刻胶302后如图9a、9b、9c、9d所示。

接下来，在图9a、9b、9c、9d所示的结构之上淀积一层光刻胶303，并掩膜、曝光、显影定义出第三各向异性磁阻传感器的位置，如图10a、10b、10c、10d所示。然后在第三各向异性磁阻传感器的位置处形成第三各向异性磁阻传感器（以标号203示出），剥除光刻胶303后如图11a、11b、11c、11d所示。

接下来，在图11a、11b、11c、11d所示的结构之上淀积一层光刻胶304，并掩膜、曝光、显影定义出第二各向异性磁阻传感器的位置，如图12a、12b、12c、12d所示。

然后在第二各向异性磁阻传感器的位置处形成第二各向异性磁阻传感器（以标号204示出），剥除光刻胶304后如图13a、13b、13c、13d所示。

接下来，在图13a、13b、13c、13d所示的结构之上淀积一层光刻胶305，并掩膜、曝光、显影定义出第四各向异性磁阻传感器的位置，如图14a、14b、14c、14d所示。

最后，在第四各向异性磁阻传感器的位置处形成第四各向异性磁阻传感器（以标号205示出），剥除光刻胶305后如图15a、15b、15c、15d所示。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims

1. 一种使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其特征在于，包括：

在半导体衬底内形成的凹槽或者凸台结构，其包含四个侧壁且与所述半导体衬底表面呈45度斜角；

2. 如权利要求1所述的使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其特征在于，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。

3. 如权利要求1所述的使用45度角的三维各向异性磁场传感器，其特征在于，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面与与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形；或者，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线。

4. 一种如权利要求1所述的使用45度角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，包括：

5. 如权利要求4所述的使用45度角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，其特征在于，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁分别与所述半导体衬底表面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形。

6. 如权利要求4所述的使用45度角的三维各向异性磁场传感器的制造方法，其特征在于，所形成的凹槽或者凸台的四个侧壁所在的平面分别与与所述半导体衬底表面平行的一个平面相交形成四条交线，所述四条交线相交构成一个矩形或者正方形；或者，所述的凹槽或者凸台的四个侧壁相交形成一条交线。