CN103824936B - 磁感应器的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种磁感应器的形成方法，包括：提供衬底，在所述衬底上形成磁性材料层；在所述磁性材料层上形成高阻阻挡层；形成图案化的磁性材料层和图案化的高阻阻挡层。采用本发明的方法形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率高。

Description

磁感应器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及磁感应器的形成方法。

背景技术

磁感应器可以用来感应外部磁场（例如地磁）的分量，已经广泛的应用于汽车、自动化、医疗与电子罗盘等领域，例如，目前几乎每一只智能手机都有电子罗盘。当磁感应器感应地磁时需要很高的各向异性磁电阻相对变化率（dR/R），因为地磁很微弱，大小只有是20～60μT。

参考图1和图2，现有技术中，磁感应器的形成方法如下：

参考图1，提供衬底10，在所述衬底10上由下至上依次形成氧化硅层11、氮化硅层12，镍铁层13和氮化钽层14。接着，对镍铁层13进行退火处理。所述退火处理后，在氮化钽层14的顶部形成图案化掩膜层（图未示），以所述图案化的掩膜层为掩膜刻蚀氮化钽层14和镍铁层13，形成图案化的镍铁层13和图案化的氮化钽层14。

采用现有技术的方法形成的各向异性磁电阻相对变化率低。

发明内容

本发明解决的问题是采用现有技术的方法形成的各向异性磁电阻相对变化率低。

为解决上述问题，本发明提供了一种磁感应器形成方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成磁性材料层；

在所述磁性材料层上形成高阻阻挡层；

形成图案化的磁性材料层和图案化的高阻阻挡层。

可选的，在所述高阻阻挡层上还形成有低阻阻挡层。

可选的，所述高阻阻挡层的厚度为10～300埃，所述低阻阻挡层的厚度为500～1000埃。

可选的，所述高阻阻挡层的含氮量高于所述低阻阻挡层的含氮量。

可选的，所述高阻阻挡层的厚度为500～1300埃。

可选的，所述磁性材料层为镍铁，所述高阻阻挡层的材料为高阻氮化钽。

可选的，所述高阻阻挡层的形成方法为沉积，所述沉积的工艺条件为：沉积气体包括氩气和氮气，所述氩气和所述氮气的比例为1:（1.5～3），直流电源功率为500～5000W。

可选的，在所述衬底上形成磁性材料层的步骤之前还包括在所述衬底上形成第一刻蚀停止层的步骤。

可选的，在所述衬底上形成第一刻蚀停止层的步骤之后，形成磁性材料层的步骤之前，还包括在所述第一刻蚀停止层上形成第二刻蚀停止层的步骤，所述第二刻蚀停止层的厚度远小于第一刻蚀停止层的厚度。

可选的，在所述衬底上形成第一刻蚀停止层的步骤之前，还包括下列步骤：

在所述衬底上形成层间介质层；

在所述层间介质层上形成凹槽，所述磁性材料层和高阻阻挡层覆盖所述凹槽的底部和侧壁。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

如果对采用本发明的技术方案形成的磁感应器施加电压时，与磁性材料层接触的高阻阻挡层的阻值较高，可以防止感应电流从高阻阻挡层中流过。这样通过磁性材料层的感应信号就不会被磁性材料层上的高阻阻挡层分散。因此，后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率会增加。

附图说明

图1～图2是现有技术中的磁感应器的形成方法的剖面结构示意图；

图3～图5是本发明一实施例中的磁感应器的形成方法的剖面结构示意图；

图6是本发明另一实施例中的磁感应器的形成方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

经过研究和发现，采用现有技术的方法形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率低的原因如下：

如果对后续形成的磁感应器施加电压，理想情况下，感应电流应全部通过镍铁层。这样，与镍铁层接触的氮化钽层不会出现部分感应电流，通过镍铁层的感应信号也不会被分流，因此，后续形成的磁感应器会有较高的各向异性磁电阻相对变化率。然而现有技术中，参照图2，如果对后续形成的磁感应器施加电压，与镍铁层13接触的氮化钽层14中会有部分感应电流流过，这样通过镍铁层13的感应信号会被镍铁层13上的氮化钽层14分散，因此，采用现有技术的方法形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率低。

另外，镍铁层13为磁性材料，与镍铁层13接触的氮化硅层12为刻蚀停止层。现有技术中，为了防止氮化硅层12被刻穿，氮化硅层12的厚度比较大，则氮化硅层12顶面的粗糙度也会相应比较大，粗糙度大的顶面在后续形成镍铁层13的步骤中，不利于镍铁层13的晶粒的整齐排布，这样会降低后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率。

因此，本发明提供了一种磁感应器的形成方法，采用本发明的磁感应的形成方法可以提高后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率。

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。

参考图3，执行步骤S1，提供衬底20，在所述衬底20上形成层间介质层21。

所述衬底20的材料可以是单晶硅（monocrystalline）衬底，也可以是绝缘体上硅（silicon on insulator）衬底。当然，它也可以是本领域技术人员所熟知的其它衬底材料。

本实施例中，层间介质层21为单层结构，材料为二氧化硅。形成层间介质层21的方法为本领域技术人员熟知技术，在此不再赘述。

其他实施例中，层间介质层21可以为其他材料层，例如，可以为SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON中的任意一种材料层。其他实施例中，层间介质层21也可以为叠层结构，所述层间介质层21为SiO2、SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON层任意组合的叠层结构。

接着，继续参考图3，执行步骤S12，在所述层间介质层21内形成凹槽22。

形成凹槽22的方法为刻蚀，具体为本领域技术人员的熟知技术，在此不在赘述。

接着，参考图4，执行步骤S13，在所述层间介质层21上形成第一刻蚀停止层23，所述第一刻蚀停止层23覆盖所述凹槽22的底部和侧壁。

第一刻蚀停止层23的材料为氮化硅，形成方法为沉积。第一刻蚀停止层23的厚度为1000～3000埃。之所以是上述厚度，当刻蚀位于第一刻蚀停止层23上的各层时，防止第一刻蚀停止层23被刻穿。

在凹槽22内，第一刻蚀停止层23覆盖所述凹槽22的底部和侧壁，因此，在凹槽内的第一刻蚀停止层23也呈凹槽形状。

接着，继续参考图4，执行步骤S14，在第一刻蚀停止层23上形成第二刻蚀停止层24，所述第二刻蚀停止层24的厚度远小于第一刻蚀停止层23。

本实施例中，第二刻蚀停止层24的材料也为氮化硅，形成第二刻蚀停止层24的方法为等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositio，PECVD）。具体工艺为：沉积压力为2.5～2.6Torr，沉积温度为350～380℃，高频射频电压（Highfrequence RF power）为486～594W，低频射频电压（Low frequence RF power）为162～198W，沉积时间为5～15s。

第二刻蚀停止层24的厚度为100～600埃，远小于第一刻蚀停止层23的厚度。第二刻蚀停止层24覆盖第一刻蚀停止层23形成的凹槽底部和侧壁，第二刻蚀停止层24在具有凹槽形状的第一刻蚀停止层23内也呈凹槽状。

接着，继续参考图4，执行步骤S15，在所述第二刻蚀停止层24上形成磁性材料层25。

本实施例中，磁性材料层25的材料为镍铁。其他实施例中，也可以为NiFeCo，NiCo，FeCo或PtCo。形成磁性材料层25的方法为沉积，厚度为120～300A，磁性材料层25覆盖呈凹槽状的第二刻蚀停止层24的底部和侧壁，也呈凹槽状。镍铁层的厚度如果太厚，会使后续形成的磁感应器的灵敏度变差，同时还会使后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率增加，但是，各向异性磁电阻相对变化率增加对该磁感应器性能的影响不如灵敏度变差对该磁感应器性能的影响大。因此，镍铁层的厚度如果太厚，会降低后续形成的磁感应器的灵敏度；镍铁的厚度如果太薄，一方面，镍铁层的阻值会升高，通过该镍铁层的感应电流会减少很多，从而使后续形成的磁感应器的阻值增加，同样会影响后续形成的磁感应器的性能；另一方面，工艺不好控制。

具体的形成镍铁的沉积工艺为本领域技术人员的熟知技术，在此不再赘述。

需要说明的是，本实施例中，第一刻蚀停止层的厚度为1000～3000埃，较厚，则第一刻蚀停止层23的顶面具有较大的粗糙度，例如，第一刻蚀停止层23的顶面的均方根粗糙度Rq为0.8nm。如果在后续形成磁性材料的步骤中，直接在第一刻蚀停止层23的具有较大粗糙度的顶面形成磁性材料层，第一刻蚀停止层23的顶面不够平整，不利于磁性材料层晶粒的整齐排布，会减小后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率。因此，本发明中，在第一刻蚀停止层23的上面形成第二刻蚀停止层24，第二刻蚀停止层24会覆盖粗糙的第一刻蚀停止层23的顶面。而第二刻蚀停止层24的厚度远小于第一刻蚀停止层23，则，第二刻蚀停止层24的顶面会平坦，因此第二刻蚀停止层24顶面的粗糙度会大大降低，第二刻蚀停止层24顶面的均方根粗糙度Rq为0.6nm。如果在平坦的，粗糙度小的第二刻蚀停止层24的顶面形成磁性材料层，则形成的磁性材料层的晶粒会整齐排布，则后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率会有所提高。

另外，第二刻蚀停止层24与第一刻蚀停止层23叠加在一起的厚度，仍然起着刻蚀停止层的作用。

因此，本实施例中，第二刻蚀停止层24的厚度如果太厚，第二刻蚀停止层24顶面的粗糙度反而会增加，不利于磁性材料层中的晶粒整齐排布；第二刻蚀停止层24的厚度如果太薄，一方面受工艺的影响无法制作出来，另一方面，无法很好的覆盖第一刻蚀停止层23的粗糙的顶面。

需要继续说明的是，正因为采用本实施例中的第二刻蚀停止层的形成方法，不需要对第一刻蚀阻挡层进行化学机械研磨操作，而是直接在第一刻蚀阻挡层上形成一定厚度的第二刻蚀停止层的方法就可以将第二刻蚀停止层的顶面的粗糙度减小。

接着，继续参考图4，执行步骤S16，在所述磁性材料层25上形成高阻阻挡层26。

本实施例中，高阻阻挡层26的材料为高阻氮化钽，高阻阻挡层26的厚度为10～300埃，在所述高阻阻挡层26上还形成有低阻阻挡层27，所述低阻阻挡层27的厚度为500～1000埃。所述低阻阻挡层27的材料为低阻氮化钽。现有技术中的氮化钽为低阻氮化钽。其中，高阻氮化钽的形成方法为沉积，沉积的工艺条件为：沉积时间为3～50s，沉积气体包括氩气和氮气，所述氩气和所述氮气的比例为1:（1.5～3），直流电源功率为500～5000W。上述具体的工艺参数必须严格执行，否则无法形成高阻氮化钽层或形成的高阻氮化钽层的性能不好而无法应用。

本实施例中，高阻氮化钽层和低阻氮化钽层依次覆盖呈凹槽状的镍铁层的底部和侧壁，高阻氮化钽层和低阻氮化钽层在呈凹槽状的镍铁层中也呈凹槽状。

高阻氮化钽层与低阻氮化钽层都会隔绝氧气以防止镍铁层发生氧化。高阻氮化钽层的含氮量高于低阻氮化钽层。含氮量高会使高阻氮化钽层隔绝氧气的效果比低阻氮化钽层更加好，另一方面，高阻氮化钽层的阻值比低阻氮化钽层高。本实施例中，高阻氮化钽层的阻值大于等于20000μohmm·cm，低阻氮化钽层的阻值为2000～4000μohmm·cm。另外，本实施例中，当磁性材料层为镍铁时，高阻氮化钽层与镍铁层接触时，互相具有较小的矫顽力，有利于提高后续形成的磁感应器件的各向异性磁电阻相对变化率。

本实施例中，如果对后续形成的磁感应器施加电压，与镍铁层接触的高阻氮化钽层的阻值较高，可以防止感应电流从高阻氮化钽层中流过，同样防止了感应电流从位于高阻氮化钽层之上的低阻氮化钽层中流过。这样通过镍铁层的感应信号就不会被镍铁层上的高阻氮化钽层和低阻氮化钽层分散。因此，后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率会进一步增加。

需要说明的是，本实施例中，高阻氮化钽层与低阻氮化钽层是在同一个腔室中生成的。也就是说，形成高阻氮化钽层之后，不会将形成高阻氮化钽层的衬底从腔室中取出，然后在其他腔室中形成低阻氮化钽层。本实施例中，形成高阻氮化钽层之后，在相同的腔室中形成继续形成低阻氮化钽层。之所以在同一个腔室中生成，可以简化工艺，提高效率，并且更好的保证生成高阻氮化钽层或低阻氮化钽层的质量，以更好的对镍铁层进行隔绝。

其他实施例中，所述高阻氮化钽层的厚度为500～1300埃，也属于本发明的保护范围。较厚的高阻氮化钽层也能够更好的隔绝空气，并且，较厚的高阻氮化钽层的阻值高，同样能够防止感应电流从较厚的高阻氮化层中流过，这样通过镍铁层的感应信号就不会被镍铁层上的较厚的高阻氮化钽层分散。后续形成的磁感应器的各向异性磁电阻相对变化率会增加。

需要继续说明的是，本实施例中，相对于在镍铁层上形成一层厚度为500～1300埃的高阻氮化钽层的工艺，在低阻氮化钽层与镍铁层之间形成了厚度为10～300埃的高阻氮化钽层的工艺，对现有技术的工艺改动并不大，从而不会因为增加厚度为10～300埃的高阻氮化钽层这一个操作步骤而付出太多的生产成本。而在镍铁层上形成一层厚度为500～1300埃的高阻氮化钽层，对于其他工艺步骤的改进会多些，工艺成本相对大些。

接着，对磁性材料层25进行退火处理。

退火处理为磁化氮气退火。具体为：永磁体磁场的强度为0.9～1.1特斯拉，退火温度为300～400℃。

磁性材料层25经过退火后，磁性材料层25与第二刻蚀停止层24、高阻氮化钽层之间应力得到释放，磁性材料层的晶粒重新排布，晶粒的排布变得更为规律，使得所述磁性材料层的各向异性磁电阻相对变化率得到进一步提升。

退火温度如果太高，无法提高磁性材料层的各向异性磁电阻率；退火温度如果太低，影响磁性材料层的物理性质以及磁性材料层与其他各层之间的应力。

接着，继续参考图5，刻蚀形成图案化的高阻阻挡层26和图案化的磁性材料层25。

本实施例中，具体过程如下：在低阻氮化钽层的表面形成图案化的掩膜层，以所述图案化的掩膜层为掩膜，对高阻氮化钽层、低阻氮化钽层和磁性材料层25进行刻蚀，形成图案化的高阻氮化钽层、图案化的低阻氮化钽层和图案化的磁性材料层25。

参考图5，本实施例中，在X轴和Y轴方向组成的水平面上具有图案化的阻挡层和图案化的磁性材料层对水平的X轴和Y轴（In-Plant）的磁场分量较为敏感。例如，在不是凹槽位置的第二刻蚀停止层24表面的图案化的阻挡层和图案化的磁性材料层对水平的X轴和Y轴的磁场分量较为敏感。后续使用磁感应器时，只能水平移动来感应磁场。本实施例中，在Z轴方向也具有图案化的阻挡层和图案化的磁性材料层，在Z轴方向的图案化的阻挡层和图案化的磁性材料层对垂直（Z轴）磁场也较为敏感。例如，在覆盖呈凹槽状的第二刻蚀停止层24的凹槽侧壁的位置的图案化的阻挡层和图案化的磁性材料层对垂直磁场敏感。因此，本实施例中的磁感应器可以从各个方向对地磁场进行感应与检测，提高了后续磁感应器的功能。

当然，参考图5和图6，其他实施例中，层间介质层31内不形成凹槽结构的磁感应器也属于本发明的保护范围。这样就直接在第二刻蚀停止层33上形成图案化的磁性材料层34、图案化的高阻氮化钽层35和低阻氮化钽层36，也属于本发明的保护范围。图案化的高阻氮化钽层35和低阻氮化钽层36对水平的X轴和Y轴（In-Plant）的磁场分量较为敏感。后续形成的磁感应器只能从水平方向对地磁场进行感应与检测。

需要说明的是本实施例中，通过对第一刻蚀停止层厚度、第二刻蚀停止层厚度、镍铁层厚度、高阻氮化钽层厚度和低阻氮化钽层厚度的合理控制，使得磁电阻相对变化率由现有技术中的2.5%上升至2.7%。

再者，本实施例中，在镍铁层与低阻氮化钽层（现有技术中的氮化钽层）之间形成一定厚度的高阻氮化钽层，同样可以使磁电阻相对变化率由2.7%上升至2.9%。

因此，采用本发明的方法形成的磁感应器的磁电阻相对变化率由现有技术中的2.5%上升至2.9%，增加了0.4%。

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 (8)

1.一种磁感应器的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成第一刻蚀停止层；

在所述第一刻蚀停止层上形成第二刻蚀停止层的步骤，所述第二刻蚀停止层的厚度远小于第一刻蚀停止层的厚度，第一刻蚀停止层的厚度为1000～3000埃，第二刻蚀停止层的厚度为100～600埃；

在第二刻蚀停止层上形成磁性材料层；

在所述磁性材料层上形成高阻阻挡层，所述高阻阻挡层的阻值大于等于20000μohmm·cm；

形成图案化的磁性材料层和图案化的高阻阻挡层。

2.如权利要求1所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，在所述高阻阻挡层上还形成有低阻阻挡层。

3.如权利要求2所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，所述高阻阻挡层的厚度为10～300埃，所述低阻阻挡层的厚度为500～1000埃。

4.如权利要求2或3所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，所述高阻阻挡层的含氮量高于所述低阻阻挡层的含氮量。

5.如权利要求1所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，所述高阻阻挡层的厚度为500～1300埃。

6.如权利要求1所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，所述磁性材料层为镍铁，所述高阻阻挡层的材料为高阻氮化钽。

7.如权利要求6所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，所述高阻阻挡层的形成方法为沉积，所述沉积的工艺条件为：沉积气体包括氩气和氮气，所述氩气和所述氮气的比例为1:(1.5～3)，直流电源功率为500～5000W。

8.如权利要求1所述的磁感应器的形成方法，其特征在于，在所述衬底上形成第一刻蚀停止层的步骤之前，还包括下列步骤：

在所述衬底上形成层间介质层；

在所述层间介质层上形成凹槽，所述磁性材料层和高阻阻挡层覆盖所述凹槽的底部和侧壁。