CN103400935B - 3d磁传感器的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种3D磁传感器的形成方法，包括：提供衬底，在衬底上形成有绝缘层、位于绝缘层中的沟槽，沟槽的深度小于绝缘层的厚度；形成磁性材料层，磁性材料层覆盖绝缘层、沟槽的底部和侧壁，在磁性材料层上形成TaN层；在TaN层上形成填充材料层，填充材料层填充满沟槽；在填充材料层上形成图形化的光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩模，等离子体刻蚀填充材料层；干法刻蚀去除沉积在图形化的光刻胶层上表面和侧面的Ta基聚合物，Ta基聚合物是在刻蚀填充材料层过程形成；以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀TaN层；去除图形化的光刻胶层和剩余填充材料层；刻蚀磁性材料层形成磁阻层。去除Ta基聚合物，避免了TaN层表面电阻增大。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种3D磁传感器的形成方法。
背景技术
磁传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器件，磁传感器包括巨磁阻传感器（Giant Magneto Resistive Sensor，GMR）、各向异性磁阻传感器（Anisotropic Magneto Resistive Sensor，AMR）等。以各向异性磁阻传感器为例，镍铁合金层作为磁阻层。当外界磁场施加到磁阻层上时，磁阻层的磁畴旋转，使得磁阻层的电阻发生改变，磁阻层电阻的变化就反应在输出电压变化，实现检测外加磁场的目的。
近几年，各向异性磁阻传感器技术的发展，已经历了单轴磁传感器、双轴磁传感器到三轴（3D）磁传感器。在现有技术中，三轴磁传感器以其可全面检测空间X、Y、Z三个方向上的磁信号，而得到普遍应用。
现有技术中，将集成电路技术应用于磁传感器领域，也促进了磁传感器的规模化生产和发展。图1～图4为现有技术的3D磁传感器在制作过程中的剖面结构示意图。
参照图1，在衬底100上形成绝缘层101，在绝缘层101中形成沟槽102；沉积形成氮化硅层103，氮化硅层103覆盖绝缘层101、沟槽102的侧壁和底部，氮化硅层103起到扩散阻挡作用；接着，在氮化硅层103上形成镍铁合金层104，在镍铁合金层104上形成TaN层105，镍铁合金层104作为磁性材料层。
参照图2，形成填充材料层106，填充材料层106覆盖TaN层105并填充沟槽，填充材料层106为后续形成图形化的光刻胶层提供平坦表面；接着，在填充材料层106上形成图形化的光刻胶层107，图形化的光刻胶层107定义磁阻层的位置，所述磁阻层包括：所述沟槽一个侧壁上的磁性材料层、与该侧壁接触的沟槽部分底部上的磁性材料层、与该侧壁接触的部分绝缘层上的磁性材料层。
参照图3，以图形化的光刻胶层107为掩模刻蚀填充材料层106。
参照图4，以图形化的光刻胶层为掩模继续刻蚀TaN层105；接着去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层，之后以剩余的TaN层105为掩模刻蚀镍铁合金层，形成磁阻层108，位于磁阻层108上的TaN层105用于保护磁阻层108，避免磁阻层108直接暴露在空气中而遭到氧化腐蚀。
但是，现有技术形成的3D磁传感器性能不佳。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术形成的3D磁传感器性能不佳。
为解决上述问题，本发明提供一种3D磁传感器的形成方法，包括：
提供衬底，在所述衬底上形成有绝缘层、位于所述绝缘层中的沟槽，所述沟槽的深度小于所述绝缘层的厚度；
形成磁性材料层，所述磁性材料层覆盖绝缘层、沟槽的底部和侧壁，在所述磁性材料层上形成TaN层；
在所述TaN层上形成填充材料层，所述填充材料层填充满沟槽；
在所述填充材料层上形成图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层定义磁阻层的位置，以所述图形化的光刻胶层为掩模，等离子体刻蚀所述填充材料层至TaN层表面停止；
使用干法刻蚀去除沉积在图形化的光刻胶层上表面和侧面的Ta基聚合物，所述Ta基聚合物是在等离子体刻蚀所述填充材料层过程中产生；
去除所述Ta基聚合物后，以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀TaN层；
去除所述图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层；
在去除所述图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层之前或之后,刻蚀所述磁性材料层。
可选地，所述干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为氟基气体与氧气的混合气体。
可选地，在所述干法刻蚀过程中，刻蚀反应腔中的压强范围为6～8mtorr，向刻蚀反应腔中通入的刻蚀气体流量范围为50～100sccm，刻蚀时间范围为：20～40s。
可选地，所述氟基气体为CF4、C3F8、C4F8、CHF3、NF3、SiF4、SF6中的一种或多种。
可选地，在刻蚀所述TaN层时使用的刻蚀气体为氯气与氧气的混合气体。
可选地，所述磁性材料层为镍铁合金层。
可选地，在形成所述磁性材料层前，沉积扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖绝缘层、沟槽的底部和侧壁。
可选地，所述填充材料层为有机材料层。
可选地，去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层的方法包括：
使用灰化工艺去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层；
使用湿法刻蚀清除所述灰化工艺中产生的聚合物。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
在刻蚀TaN层之前，去除在图形化的光刻胶层上表面和侧面沉积的Ta基聚合物，避免因Ta基聚合物残留在磁阻层上的TaN层表面，而造成TaN层表面电阻增大，确保3D磁传感器的信号传递稳定、可靠，保证3D磁传感器具有较佳性能。
附图说明
图1～图4是现有技术的3D磁传感器在制作过程中的剖面结构示意图；
图5～图11是本发明具体实施例的3D磁传感器在制作过程中的剖面结构示意图。
具体实施方式
经研究分析，造成3D磁传感器性能不佳的原因为：参照图2，填充材料层106覆盖TaN层并填充沟槽，位于沟槽中的填充材料层的厚度D1明显大于沟槽周围的绝缘层上的填充材料层的厚度D2。结合参照图3，由于D1大于D2，在刻蚀填充材料层106时，沟槽周围的绝缘层上的填充材料层较快被去除，暴露沟槽周围的绝缘层上的TaN层。在去除沟槽周围的绝缘层上的填充材料层后，需要继续刻蚀去除沟槽中的填充材料层。在继续刻蚀去除沟槽中的填充材料层的过程中，刻蚀气体经等离子体化后形成的等离子体会轰击沟槽中的填充材料层，也会轰击沟槽周围的绝缘层上暴露的TaN层。在轰击过程中，TaN层表面的部分Ta脱离出来并与等离子体反应生成Ta基聚合物，该Ta基聚合物在图形化的光刻胶层上表面和侧面沉积。在去除图形化的光刻胶层时，该Ta基聚合物不会被去除，而会残留在TaN层表面，这会造成TaN层表面电阻增大，在后续TaN层表面与其他器件连接时，在TaN层表面的连接处的电阻增大，造成信号传递的可靠性降低，造成3D磁传感器的性能不佳。
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种去除沉积在图形化的光刻胶层上表面和侧面的Ta基聚合物的工艺。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图5，提供衬底300，在衬底300上形成有绝缘层301、位于绝缘层301中的沟槽302，沟槽302的深度小于绝缘层301的厚度，也就是沟槽302的底部不为衬底300的上表面。沟槽302为形成3D磁传感器的磁阻层提供侧壁，详见下文介绍。
具体地，形成绝缘层301和位于绝缘层301中的沟槽302的方法包括：
在衬底300上形成绝缘层301，绝缘层301的材料为氧化硅，形成绝缘层301的方法为热氧化生长或化学气相沉积工艺，绝缘层301起到磁性材料层与衬底之间的绝缘隔离作用；
图形化绝缘层301，在绝缘层301中形成沟槽302，图形化绝缘层301的方法为干法刻蚀，实现对绝缘层301的各向异性刻蚀。
另外，在具体实施例中，衬底300为硅衬底、锗衬底或者绝缘体上硅衬底等；或者还可以包括其它的材料，例如砷化镓等III-Ⅴ族化合物。
在形成沟槽302后，参照图6，在绝缘层301上形成扩散阻挡层303，扩散阻挡层303覆盖绝缘层301、沟槽302的底部和侧壁，在扩散阻挡层303上形成磁性材料层304，在磁性材料层304上形成TaN层305。
具体地，形成扩散阻挡层303、磁性材料层304和TaN层305的方法包括：
扩散阻挡层303的材料为氮化硅，形成扩散阻挡层303的方法为化学气相沉积，扩散阻挡层303用于阻挡后续磁性材料向绝缘层301中扩散，确保绝缘层301的绝缘隔离作用；
磁性材料层304的材料为镍铁合金或其他可行的磁性材料，形成磁性材料层304的方法为溅射工艺，在其他实施例中还可使用其他物理气相沉积工艺，在形成过程中，扩散阻挡层303阻挡磁性材料向绝缘层301中扩散，磁性材料层304用来形成磁阻层；
形成TaN层305的方法为溅射工艺或其他物理气相沉积工艺，在3D磁传感器中，TaN层作为磁阻层的保护层，避免磁阻层暴露在空气中而遭到氧化腐蚀。
参照图7，在TaN层305上形成填充材料层306，填充材料层306填充满沟槽。
具体地，填充材料层306为有机材料层，有机材料层填充满沟槽并覆盖沟槽周围的TaN层，填充材料层306为后续形成光刻胶提供平坦表面，便于后续光刻胶图案的形成，确保光刻胶的图案精细。
参照图8,在填充材料层306上形成图形化的光刻胶层307，图形化的光刻胶层307定义磁阻层的位置；以图形化的光刻胶层307为掩模，等离子体刻蚀填充材料层306。
在形成图形化的光刻胶层307的过程中，首先使用旋涂工艺在填充材料层306上均匀地涂上液相光刻胶材料。接着，通过曝光和显影等一系列工艺形成图形化的光刻胶层307。
在本实施例中，刻蚀填充材料层306的方法为等离子体干法刻蚀。由于沟槽中的填充材料层的厚度明显大于沟槽周围的绝缘层301上的填充材料层，这样，沟槽周围的绝缘层301上的填充材料层先遭到去除。之后，继续刻蚀沟槽中填充材料层，在该过程中，刻蚀气体经等离子体化后的等离子体也轰击沟槽302周围的绝缘层301上的TaN层，TaN层表面的Ta脱离并与等离子体反应生成Ta基聚合物，该Ta基聚合物在图形化的光刻胶层307上表面和侧面沉积。
在本实施例中，接着使用干法刻蚀去除沉积在图形化的光刻胶层上表面和侧面的Ta基聚合物。具体地，在干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为氟基气体与氧气的混合气体。其中，刻蚀反应腔中的压强范围为6～8mtorr，向刻蚀反应腔中通入的刻蚀气体流量范围为50～100sccm，刻蚀时间范围为：20～40s，这样可以确保TaN基聚合物可以得到彻底去除。在干法刻蚀过程中，氟基气体会与Ta基聚合物中的Ta反应生成挥发性物质，生成的挥发性物质被排出刻蚀反应腔，达到去除Ta基聚合物的目的。其中，氧气可以提升刻蚀速率。
在去除所述Ta基聚合物后，参照图9，以图形化的光刻胶层307为掩模，刻蚀TaN层305至磁性材料层304上表面停止。
在具体实施例中，刻蚀TaN层305的方法为干法刻蚀，使用的刻蚀气体为氯气与氧气的混合气体。
参照图10，去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层。填充材料层为有机材料层，图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层可以同时去除。
具体地，去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层的方法包括：
使用灰化工艺去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层，该过程处于高温氧气气氛中，光刻胶与氧气反应生成挥发性气体被排出；使用湿法刻蚀清除灰化过程中产生的聚合物。
在去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层后，参照图11，以剩余的TaN层305为掩模，刻蚀磁性材料层形成磁阻层308。磁阻层308包括位于沟槽一个侧壁上的磁性材料层、与该侧壁接触的沟槽302部分底部上的磁性材料层、与该侧壁接触的部分绝缘层上的磁性材料层。其中，在磁阻层308中，沟槽一侧壁上的磁性材料层、与该侧壁接触的沟槽部分底部上的磁性材料层、与该侧壁接触的部分绝缘层上的磁性材料层可以分别感应X、Y、Z三个方向的磁场信号。
在具体实施例中，刻蚀磁性材料层的方法为等离子体干法刻蚀。刻蚀气体等离子体化形成等离子体，在高速等离子体的轰击下，磁性材料层遭到去除，至扩散阻挡层303表面停止。位于磁阻层308上的TaN层305作为磁阻层308的保护层，防止磁阻层308直接暴露在空气中而遭到氧化腐蚀。
在其他实施例中，还可以是：在刻蚀TaN层后，接着以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀磁性材料层形成磁阻层；在刻蚀磁性材料层后，去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种3D磁传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上形成有绝缘层、位于所述绝缘层中的沟槽，所述沟槽的深度小于所述绝缘层的厚度；
形成磁性材料层，所述磁性材料层覆盖绝缘层、沟槽的底部和侧壁，在所述磁性材料层上形成TaN层；
在所述TaN层上形成填充材料层，所述填充材料层填充满沟槽；
在所述填充材料层上形成图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层定义磁阻层的位置，以所述图形化的光刻胶层为掩模，等离子体刻蚀所述填充材料层至TaN层表面停止；
使用干法刻蚀去除沉积在图形化的光刻胶层上表面和侧面的Ta基聚合物，所述Ta基聚合物是在等离子体刻蚀所述填充材料层过程中产生；
去除所述Ta基聚合物后，以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀TaN层；
去除所述图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层；
在去除所述图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层之前或之后,刻蚀所述磁性材料层形成磁阻层。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为氟基气体与氧气的混合气体。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，在所述干法刻蚀过程中，刻蚀反应腔中的压强范围为6～8mtorr，向刻蚀反应腔中通入的刻蚀气体流量范围为50～100sccm，刻蚀时间范围为：20～40s。
4.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述氟基气体为CF4、C3F8、C4F8、CHF3、NF3、SiF4、SF6中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在刻蚀所述TaN层时使用的刻蚀气体为氯气与氧气的混合气体。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述磁性材料层为镍铁合金层。
7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成所述磁性材料层前，沉积扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖绝缘层、沟槽的底部和侧壁。
8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述填充材料层为有机材料层。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层的方法包括：
使用灰化工艺去除图形化的光刻胶层和剩余的填充材料层；
使用湿法刻蚀清除所述灰化工艺中产生的聚合物。
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