CN103647022A

CN103647022A - 各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法

Info

Publication number: CN103647022A
Application number: CN201310728928.7A
Authority: CN
Inventors: 闻永祥; 季锋; 刘琛; 饶晓俊
Original assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN103647022B

Abstract

本发明提供的一种各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法，该结构包括：半导体衬底；第一绝缘层，覆盖该半导体衬底；磁性电阻金属条，位于该第一绝缘层上；接触金属层，位于该磁性电阻金属条上；磁阻金属短路条，位于该接触金属层上；第二绝缘层，覆盖该磁阻金属短路条、磁性电阻金属条以及第一绝缘层，并且该第二绝缘层在该磁阻金属短路条的上方具有通孔；置位复位金属布线层，位于第二绝缘层上并通过该通孔与该磁阻金属短路条接触；第三绝缘层，覆盖该置位复位金属布线层和第二绝缘层。本发明的各向异性磁阻传感器结构简单，并且其形成方法和微电子工艺的匹配性很好，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性，具有广泛的应用性。

Description

各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁性传感器技术领域，尤其涉及一种各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法。

背景技术

各向异性磁阻（AMR）传感器是现代产业中的新型磁电阻效应传感器，正变得日益重要，尤其是在新型的智能手机以及汽车产业传感器中的停车传感器、角度传感器、自动制动系统(ABS)传感器以及胎压传感器得到广泛应用。

除各向异性磁阻（AMR）传感器外，现有技术中的磁性传感器还包括霍尔传感器、巨磁传感器（GMR）、隧道结磁传感器(TMR)等，但由于AMR传感器具有比霍尔效应传感器高得多的灵敏度，且技术实现上比GMR传感器和TMR传感器更加成熟，因此各向异性磁阻（AMR）传感器的应用比其他磁传感器的应用更加广泛。

现有技术中的AMR传感器的形成工艺需要较多的制作步骤，并且较难用微电子加工工艺被单片集成，使得AMR传感器系统的加工成本比较昂贵。目前虽有许多研究所和学校对AMR传感器的磁性材料层在进行研究，但还没有一种系统的器件结构和制造方法。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法，该各向异性磁阻传感器结构简单，并且其形成方法和微电子工艺的匹配性很好，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种各向异性磁阻传感器垂直结构，包括：

半导体衬底；

第一绝缘层，覆盖所述半导体衬底；

一个或多个磁性电阻金属条，位于所述第一绝缘层上；

接触金属层，位于所述磁性电阻金属条上；

磁阻金属短路条，位于所述接触金属层上；

第二绝缘层，覆盖所述磁阻金属短路条、磁性电阻金属条以及第一绝缘层，并且所述第二绝缘层在所述磁阻金属短路条的上方具有通孔；

置位复位金属布线层，位于所述第二绝缘层上并通过所述通孔与所述磁阻金属短路条接触；

第三绝缘层，覆盖所述置位复位金属布线层和第二绝缘层。

根据本发明的一个实施例，所述磁性电阻金属条为叠层结构，包括第一钽层、位于所述第一钽层上的坡莫合金层以及位于所述坡莫合金层上的第二钽层。

根据本发明的一个实施例，所述第一钽层的厚度为50埃～200埃，所述坡莫合金层的厚度为50埃～500埃，所述第二钽层的厚度为50埃～200埃。

根据本发明的一个实施例，所述接触金属层的材料为抗氧化的金属化合物材料。

根据本发明的一个实施例，所述接触金属层的材料为氮化钛，所述接触金属层的厚度为50埃～100埃。

根据本发明的一个实施例，述磁阻金属短路条为叠层结构，包括钛层以及位于该钛层上的第一金属层，该第一金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。

根据本发明的一个实施例，所述钛层的厚度为100埃～200埃，所述第一金属层的厚度为1000埃～5000埃。

根据本发明的一个实施例，所述置位复位金属布线层为叠层结构，包括第二金属层以及位于该第二金属层上的氮化钛层，该第二金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。

根据本发明的一个实施例，所述第二金属层的厚度为1μm～3μm，所述氮化钛层的厚度为200埃～500埃。

根据本发明的一个实施例，所述第一绝缘层的材料为氧化硅，所述第二绝缘层和第三绝缘层的材料为氧化硅或氧化铝。

根据本发明的一个实施例，所述第一绝缘层的厚度为2000埃～10000埃，所述第二绝缘层的厚度为5000埃～10000埃，所述第三绝缘层的厚度为5000埃～10000埃。

根据本发明的一个实施例，所述半导体衬底为本征的、N型掺杂的或P型掺杂的，其晶向为<100>或<111>。

根据本发明的一个实施例，所述第三绝缘层在所述置位复位金属布线层的上方具有压焊点窗口。

本发明还提供了一种各向异性磁阻传感器垂直结构的制造方法，包括：

提供半导体衬底；

形成第一绝缘层，该第一绝缘层覆盖所述半导体衬底；

在所述第一绝缘层上形成一个或多个磁性电阻金属条；

在所述磁性电阻金属条上形成接触金属层；

在所述接触金属层上形成磁阻金属短路条；

形成第二绝缘层，该第二绝缘层覆盖所述磁阻金属短路条、磁性电阻金属条以及第一绝缘层，并且在所述磁阻金属短路条上方的第二绝缘层中形成通孔；

在所述第二绝缘层上形成置位复位金属布线层，该置位复位金属布线层通过所述通孔与所述磁阻金属短路条接触；

形成第三绝缘层，该第三绝缘层覆盖所述置位复位金属布线层和第二绝缘层。

根据本发明的一个实施例，所述磁性电阻金属条的形成方法包括：

采用溅射工艺形成第一组金属层，该第一组金属层为叠层结构，包括第一钽层、位于所述第一钽层上的坡莫合金层以及位于所述坡莫合金层上的第二钽层；

对所述第一组金属层进行图案化，以形成所述磁性电阻金属条。

根据本发明的一个实施例，所述金属接触层的形成方法包括：

利用光刻胶在所述磁性电阻金属条上形成磁阻金属短路条窗口；

采用溅射工艺形成所述接触金属层，所述金属接触层覆盖所述光刻胶的表面以及所述磁阻金属短路条窗口底部的磁性电阻金属条，所述接触金属层的材料为抗氧化的金属化合物材料。

根据本发明的一个实施例，所述磁阻金属短路条的形成方法包括：

采用蒸发工艺形成第二组金属层，该第二组金属层覆盖所述接触金属层，所述第二组金属层为叠层结构，包括钛层以及位于该钛层上的第一金属层，该第一金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜；

剥离所述光刻胶以及附着在所述光刻胶上的接触金属层和第二组金属层，保留在所述磁阻金属短路条窗口中的第二组金属层成为所述磁阻金属短路条。

根据本发明的一个实施例，所述复位金属布线层的形成方法包括：

采用溅射或蒸发工艺形成第三组金属层，该第三组金属层为叠层结构，包括第二金属层以及位于该第二金属层上的氮化钛层，该第二金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜；

对所述第三组金属层进行图案化，以形成所述复位金属布线层。

根据本发明的一个实施例，所述第一绝缘层的材料为氧化硅，所述第一绝缘层的形成方法为热氧化法、低压化学气相沉积或者等离子化学气相沉积；所述第二绝缘层和第三绝缘层的材料为氧化硅或氧化铝，所述第二绝缘层和第三绝缘层的形成方法为低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积或者溅射。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括：在所述置位复位金属布线层上方的第三绝缘层中形成压焊点窗口。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构包括半导体衬底、第一绝缘层、磁性电阻金属条、接触金属层、磁阻金属短路条、第二绝缘层、置位复位金属布线层以及第三绝缘层，其结构简单，而且其制造方法与微电子工艺的匹配性很好，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性，具有广泛的应用性。

附图说明

图1是本发明实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构的制造方法的流程示意图；

图3至图9是本发明实施例的制造方法中各个步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，本实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构包括：半导体衬底100；第一绝缘层101，覆盖半导体衬底100；一个或多个磁性电阻金属条120，位于第一绝缘层101上；接触金属层105，位于磁性电阻金属条120上；磁阻金属短路条130，位于接触金属层105上；第二绝缘层108，覆盖磁阻金属短路条130、磁性电阻金属条120以及第一绝缘层101，并且第二绝缘层108在磁阻金属短路条130的上方具有通孔；置位复位金属布线层140，位于第二绝缘层108上并通过该通孔与磁阻金属短路条130接触；第三绝缘层111，覆盖置位复位金属布线层140和第二绝缘层108。

其中，半导体衬底100可以是各种常规的半导体衬底，例如硅衬底，其掺杂类型可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的，其晶向可以是<100>或<111>。

第一绝缘层101的材料例如可以是氧化硅该第一绝缘层101的厚度可以是2000埃～10000埃。

作为一个优选的实施例，磁性电阻金属条120为叠层结构，包括第一钽（Ta）层102、位于第一钽层102上的坡莫合金（Ni_0.80Fe_0.20）层103以及位于坡莫合金层103上的第二钽（Ta）层104。其中，第一钽层102的厚度可以为50埃～200埃，坡莫合金层103的厚度可以为50埃～500埃，第二钽层104的厚度可以为50埃～200埃。

接触金属层105的材料优选为抗氧化的金属化合物材料，更加优选地，其材料可以是氮化钛（TiN），厚度可以是50埃～100埃。接触金属层105与磁性电阻金属条120的顶部接触，其材料优选为抗氧化的金属化合物材料，可以避免氧化从而有利于降低接触电阻。

磁阻金属短路条130优选为叠层结构，包括钛（Ti）层106以及位于该钛层106上的第一金属层107，该第一金属层107的材料可以为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。其中，钛层106的厚度可以是100埃～200埃，第一金属层107的厚度为1000埃～5000埃。

第二绝缘层108的材料可以是氧化硅（Si₂O）或氧化铝（Al₂O₃），其厚度可以是5000埃～10000埃。

置位复位（SET-RESET）金属布线层140优选为叠层结构，包括第二金属层109以及位于该第二金属层109上的氮化钛（TiN）层110，该第二金属层110的材料可以为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。其中，第二金属层109的厚度可以为1μm～3μm，氮化钛层110的厚度可以为200埃～500埃。

第三绝缘层111的材料可以是氧化硅或氧化铝，其厚度可以是5000埃～10000埃。置位复位金属布线层140上方的第三绝缘层111中可以具有压焊点窗口，该压焊点窗口的底部暴露出置位复位金属布线层140。在后续工艺中，可以在该压焊点窗口中形成封装工艺所需要的金属压焊点。

参考图2，本实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构的制造方法包括如下步骤：

步骤S11，提供半导体衬底；

步骤S12，形成第一绝缘层，该第一绝缘层覆盖所述半导体衬底；

步骤S13，在所述第一绝缘层上形成一个或多个磁性电阻金属条；

步骤S14，在所述磁性电阻金属条上形成接触金属层；

步骤S15，在所述接触金属层上形成磁阻金属短路条；

步骤S16，形成第二绝缘层，该第二绝缘层覆盖所述磁阻金属短路条、磁性电阻金属条以及第一绝缘层，并且在所述磁阻金属短路条上方的第二绝缘层中形成通孔；

步骤S17，在所述第二绝缘层上形成置位复位金属布线层，该置位复位金属布线层通过所述通孔与所述磁阻金属短路条接触；

步骤S18，形成第三绝缘层，该第三绝缘层覆盖所述置位复位金属布线层和第二绝缘层。

下面结合图3至图9进行详细说明。

首先参考图3，提供半导体衬底100，在该半导体衬底100上形成覆盖半导体衬底100表面的第一绝缘层101。其中，半导体衬底100例如可以是硅衬底，其掺杂类型可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的，其晶向可以是<100>或<111>。第一绝缘层101的材料可以是氧化硅，其形成方法可以是热氧化法、低压化学气相沉积（LPCVD）或者等离子化学气相沉积（PECVD）。第一绝缘层101的厚度可以是2000埃～10000埃。

参考图4，在第一绝缘层101上形成第一组金属层，其形成方法优选为溅射工艺，例如磁控溅射工艺，溅射的温度优选为低于180℃。第一组金属层可以是叠层结构，包括第一钽层102、位于第一钽层102上的坡莫合金层103以及位于坡莫合金层103上的第二钽层104。其中，第一钽层102的厚度可以为50埃～200埃，坡莫合金层103的厚度可以为50埃～500埃，第二钽层104的厚度可以为50埃～200埃。

之后，对第一组金属层进行图案化。例如，可以在第一组金属层上形成常规微电子集成电路工艺用的光刻胶，光刻胶的厚度可以是1.0～2.0μm；之后通过光刻和刻蚀工艺对第一组金属层（包括第一钽层102、坡莫合金层103以及第二钽层104）进行图案化，刻蚀工艺可以是等离子刻蚀、离子铣等；然后移除光刻胶，从而形成多个磁性电阻金属条，如图5所示。

参考图6，利用光刻胶1051在磁性电阻金属条上形成磁阻金属短路条窗口1052。更加具体而言，形成光刻胶1051，其厚度例如可以是1.0～3.0μm；之后通过光刻工艺在磁性电阻金属条上方形成磁阻金属短路条窗口1052，该磁阻金属短路条窗口1052的底部暴露出磁性电阻金属条的上表面。

之后，可以采用反溅工艺清洁磁阻金属短路条窗口1052底部暴露出的磁性电阻金属条的表面，然后形成接触金属层105。该接触金属层105覆盖光刻胶1051的表面以及磁阻金属短路条窗口1052底部的磁性电阻金属条。接触金属层的形成方法可以是溅射法。接触金属层105的材料优选为抗氧化的金属化合物材料，例如氮化钛，其厚度为50埃～100埃。

参考图6和图7，形成第二组金属层，该第二组金属层覆盖接触金属层105。该第二组金属层优选为叠层结构，包括钛（Ti）层106以及位于该钛层106上的第一金属层107，该第一金属层107的材料可以为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。第二组金属层的形成方法可以是蒸发工艺，更进一步而言，可以在蒸发设备上采用蒸发工艺形成钛层106和第一金属层107，蒸发温度优选为低于100℃。其中，钛层106的厚度可以为100埃～200埃，第一金属层107的厚度可以为1000埃～5000埃。

之后，可以采用光刻胶剥离工艺，剥离掉光刻胶1051。在剥离光刻胶1051的同时，附着在光刻胶1051上的接触金属层105以及第二组金属层被一并移除，而磁阻金属短路条窗口中的接触金属层105和第二组金属层得以保留，保留下来的第二组金属层成为磁阻金属短路条。

参考图8，形成第二绝缘层108，其材料可以是氧化硅或氧化铝，其形成方法可以是低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积或者溅射。第二绝缘层108用作金属层间膜的绝缘层，其厚度可以是5000埃～10000埃。

之后，可以采用微电子集成电路工艺中的光刻和刻蚀工艺对第二绝缘层108进行图案化，形成金属接触的通孔1081，该通孔1081的底部暴露出磁阻金属短路条。

参考图9，采用溅射或蒸发工艺形成第三组金属层，该第三金属层通过第二绝缘层108中的通孔与磁阻金属短路条相连。该第三组金属层优选为叠层结构，包括第二金属层109以及位于该第二金属层109上的氮化钛层110，该第二金属层109的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。其中，第二金属层109的厚度可以为1μm～3μm，氮化钛层110的厚度可以为200埃～500埃。

之后，可以用微电子集成电路工艺的光刻和刻蚀工艺对第三组金属层进行图案化，形成磁阻传感器的置位复位金属布线层。

之后参考图1，形成第三绝缘层111，该第三绝缘层111覆盖置位复位金属布线层和第二绝缘层108，该第三绝缘层111可以用作整个磁阻传感器的保护层。第三绝缘层111的材料例如可以是氧化硅或氧化铝，其形成方法可以是低压化学气相沉积或者等离子化学气相沉积，也可以是溅射，其厚度可以是5000埃～10000埃。

之后，可以通过微电子集成电路工艺中的光刻和刻蚀工艺，在置位复位金属布线层上方的第三绝缘层111中形成压焊点窗口。后续可以在该压焊点窗口中形成金属压焊。

由上，本实施例的技术方案至少具有如下有益效果：

本实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构的结构简单，并且其形成方法和常规的微电子工艺匹配性很好，适合大批量工业化生产，具有广泛的应用性。

另外，本实施例的各向异性磁阻传感器垂直结构中，无论是本征的、N型掺杂的还是P型掺杂的半导体衬底都可以使用，无论是<100>晶向还是<111>晶向的半导体衬底都可以使用，对衬底材料的限制很小，有利于节约制造成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，包括：

半导体衬底；

第一绝缘层，覆盖所述半导体衬底；

一个或多个磁性电阻金属条，位于所述第一绝缘层上；

接触金属层，位于所述磁性电阻金属条上；

磁阻金属短路条，位于所述接触金属层上；

第三绝缘层，覆盖所述置位复位金属布线层和第二绝缘层。

2.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述磁性电阻金属条为叠层结构，包括第一钽层、位于所述第一钽层上的坡莫合金层以及位于所述坡莫合金层上的第二钽层。

3.根据权利要求2所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述第一钽层的厚度为50埃～200埃，所述坡莫合金层的厚度为50埃～500埃，所述第二钽层的厚度为50埃～200埃。

4.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述接触金属层的材料为抗氧化的金属化合物材料。

5.根据权利要求4所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述接触金属层的材料为氮化钛，所述接触金属层的厚度为50埃～100埃。

6.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述磁阻金属短路条为叠层结构，包括钛层以及位于该钛层上的第一金属层，该第一金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。

7.根据权利要求6所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述钛层的厚度为100埃～200埃，所述第一金属层的厚度为1000埃～5000埃。

8.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述置位复位金属布线层为叠层结构，包括第二金属层以及位于该第二金属层上的氮化钛层，该第二金属层的材料为铝、硅铝合金、铝硅铜合金或铜。

9.根据权利要求8所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述第二金属层的厚度为1μm～3μm，所述氮化钛层的厚度为200埃～500埃。

10.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述第一绝缘层的材料为氧化硅，所述第二绝缘层和第三绝缘层的材料为氧化硅或氧化铝。

11.根据权利要求10所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度为2000埃～10000埃，所述第二绝缘层的厚度为5000埃～10000埃，所述第三绝缘层的厚度为5000埃～10000埃。

12.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述半导体衬底为本征的、N型掺杂的或P型掺杂的，其晶向为<100>或<111>。

13.根据权利要求1所述的各向异性磁阻传感器垂直结构，其特征在于，所述第三绝缘层在所述置位复位金属布线层的上方具有压焊点窗口。

14.一种各向异性磁阻传感器垂直结构的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

形成第一绝缘层，该第一绝缘层覆盖所述半导体衬底；

在所述第一绝缘层上形成一个或多个磁性电阻金属条；

在所述磁性电阻金属条上形成接触金属层；

在所述接触金属层上形成磁阻金属短路条；

15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述磁性电阻金属条的形成方法包括：

16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述第一钽层的厚度为50埃～200埃，所述坡莫合金层的厚度为50埃～500埃，所述第二钽层的厚度为50埃～200埃。

17.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述金属接触层的形成方法包括：

18.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，所述接触金属层的材料为氮化钛，所述接触金属层的厚度为50埃～100埃。

19.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，所述磁阻金属短路条的形成方法包括：

20.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述钛层的厚度为100埃～200埃，所述第一金属层的厚度为1000埃～5000埃。

21.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述复位金属布线层的形成方法包括：

22.根据权利要求21所述的制造方法，其特征在于，所述第二金属层的厚度为1μm～3μm，所述氮化钛层的厚度为200埃～500埃。

23.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述第一绝缘层的材料为氧化硅，所述第一绝缘层的形成方法为热氧化法、低压化学气相沉积或者等离子化学气相沉积；所述第二绝缘层和第三绝缘层的材料为氧化硅或氧化铝，所述第二绝缘层和第三绝缘层的形成方法为低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积或者溅射。

24.根据权利要求23所述的制造方法，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度为2000埃～10000埃，所述第二绝缘层的厚度为5000埃～10000埃，所述第三绝缘层的厚度为5000埃～10000埃。

25.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为本征的、N型掺杂的或P型掺杂的，其晶向为<100>或<111>。

26.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，还包括：在所述置位复位金属布线层上方的第三绝缘层中形成压焊点窗口。