CN104218147B - 磁传感器的制备方法以及磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁传感器的制备方法以及磁传感器。所述方法包括如下步骤：提供衬底，所述衬底表面具有至少一个沟槽；在沟槽和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括磁化本体以及引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦填充入所述沟槽内；图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在沟槽内的磁化本体表面形成自检测电极。本发明的优点在于，通过在自检测电极上施加电流产生Z轴磁场，使磁感应单元的电阻发生变化，从而测出磁化本体对Z轴磁场的敏感度，达到自我检测的目的。
Description
技术领域
本发明属于电子通讯技术领域，涉及一种磁传感器，尤其涉及一种磁传感器的制备方法以及磁传感器。
背景技术
磁传感器按照其原理，可以分为以下几类：霍尔元件，磁敏二极管，各向异性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance，简称AMR)元件，隧道结磁阻(TMR)元件及巨磁阻(GMR)元件、感应线圈、超导量子干涉磁强计等。
电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一，随着近年来消费电子的迅猛发展，除了导航系统之外，还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标配电子罗盘，给用户带来很大的应用便利，近年来，磁传感器的需求也开始从两轴向三轴发展。两轴的磁传感器，即平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。三轴传感器同时还应当能够测量与X-Y轴所在平面垂直方向，即Z轴方向上的磁场。
附图1A所示是现有技术中一种三轴磁传感器的结构的示意图，附图1B是附图1A沿着AA方向的剖面图。参考附图1A与附图1B，所述传感器包括：衬底10，衬底10表面的沟槽11、覆盖在衬底10和沟槽11表面的绝缘层15、Z轴磁感应单元12、感测单元13以及工作电极14。其中Z轴磁感应单元12和感测单元13均包含有磁性材料，例如可以是各向异性磁阻材料，或为巨磁阻(GMR)材料，或为隧道磁阻(TMR)材料。Z轴磁感应单元12设置在沟槽11的侧壁上，包括一与沟槽11侧壁贴合的磁化本体12a以及一露出在衬底10表面的引出端12b。在Z轴具有磁场的情况下，磁化本体12a的磁化方向发生改变，并且使引出端12b的磁化方向发生改变。感测单元13与引出端12a之间间隔一距离，在引出端12b的磁化方向发生改变的情况下，感测单元13被感应也导致磁化方向发生改变。工作电极14设置在感测单元13的表面，设置方向与感测单元13的磁化方向的夹角为10°～80°，优选为45°，由于感测单元13的磁化方向发生改变，导致流过工作电极14的电流发生变化，从而检测出Z轴磁场的变化。
继续参考图1A，为了使测量结果更加准确，通常会在衬底10的表面设置多个由沟槽11、Z轴磁感应单元12、感测单元13以及工作电极14构成的传感单元，而随着传感单元数目的增多，如何准确地对每个传感单元进行测试成为了本领域亟待解决的技术问题，尤其是如何对沟槽11内壁上的磁化本体12a进行测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁传感器，能够对反映Z轴磁场变化的磁化本体进行测试，并进一步提供其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种磁传感器的制备方法，包括如下步骤：提供衬底，所述衬底表面具有至少一个沟槽；在沟槽和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与沟槽侧壁贴合的磁化本体以及一露出在衬底表面的引出端，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦填充入所述沟槽内；图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在沟槽内的磁化本体表面形成自检测电极。
可选的，所述衬底表面进一步包括多个沟槽，所述图形化所述电极层的步骤中，进一步在衬底表面形成连接不同沟槽中各自检测电极的电连接部分。
可选的，在形成Z轴磁感应单元和感测单元的步骤之前，进一步包括在所述衬底和沟槽的表面生成绝缘层的步骤。
可选的，所述磁性材料选自于各向异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
可选的，在形成磁性材料时，在衬底上同时施加一磁场，用以诱导磁性材料的磁化方向。
可选的，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
可选的，在形成连续的电极层步骤之前，进一步包括如下步骤：在所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面形成介质层；在感测单元表面的介质层中形成通孔，使感测单元与后续形成的工作电极接触。
可选的，在形成Z轴磁感应单元和感测单元后，在衬底上施加一磁场进行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
可选的，所述感测单元与引出端之间间隔的距离为小于5微米。
本发明进一步提供了一种采用上述方法制作的磁传感器，包括：衬底；衬底表面的至少一个沟槽；在沟槽和衬底表面的Z轴磁感应单元、以及在衬底的表面的感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与沟槽侧壁贴合的磁化本体以及一露出在衬底表面的引出端，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；感测单元表面具有工作电极，在沟槽内的磁化本体表面进一步具有自检测电极。
可选的，所述衬底表面进一步包括多个沟槽，在衬底表面进一步包括连接不同沟槽中各自检测电极的电连接部分。
可选的，在所述衬底和沟槽的表面包括一绝缘层，所述Z轴磁感应单元和感测单元进一步是设置于所述绝缘层的表面。
可选的，所述磁性材料选自于各向异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
可选的，所述磁性材料具有一预设的诱导磁化方向。
可选的，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
可选的，所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面具有介质层，在感测单元上方开有通孔以与工作电极接触。
可选的，所述感测单元与引出端之间间隔的距离为小于5微米。
本发明的优点在于，在磁化本体的表面设置了自检测电极，可以用于直接测试磁化本体对Z轴磁场是否敏感。自检测电极中通过垂直于图面方向的电流时，电极即会在沟槽的两个侧壁形成与侧壁平行的磁场信号(即是一个模拟的Z轴磁场信号)，该磁场信号会被磁化本体输出至感测单元，从而读出因为该磁场产生的电阻变化，此变化对应着磁场的感应。因为自检测电极所产生的磁场与施加电流的强度和方向对应，因此就能够通过该自检测电极实现Z轴传感器的自检测和矫正。在磁传感器的应用中，对应平面(X和Y轴)方向磁传感器的自检测相对容易，对应Z轴的自检测比较困难。本发明提供一种对Z轴磁传感器自检测的功能，并且不额外增加工艺步骤，具有明显竞争力。。并且该自检测电极与工作电极在同一步骤中同时形成，因此并未增加制作工艺的复杂程度，该自检测电极也仅是设置在磁化本体表面，并未改变磁化本体的形状和位置，因此也不会影响到磁传感器固有的各种特性。
附图说明
附图1A所示是现有技术中一种三轴磁传感器的结构的示意图。
附图1B是附图1A沿着AA方向的剖面图。
附图2所示是本发明所述方法具体实施方式的实施步骤示意图。
附图3A至附图8所示是本发明所述方法具体实施方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的磁传感器的制备方法以及磁传感器的具体实施方式做详细说明。
附图2所示是本发明所述方法具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S20，提供衬底，所述衬底表面具有至少一个沟槽；步骤S21，在所述衬底和沟槽的表面生成绝缘层；步骤S22，在沟槽和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与沟槽侧壁贴合的磁化本体以及一露出在衬底表面的引出端，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；步骤S23，在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦填充入所述沟槽内；步骤S24，图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在沟槽内的磁化本体表面形成自检测电极。
附图3A和3B所示，参考步骤S20，提供衬底30，所述衬底30表面具有至少一个沟槽31。附图3A是衬底30的主视图，而附图3B是附图3A沿着AA方向的剖面图。关于沟槽31的数目，本具体实施方式以三个沟槽表示，在其它的具体实施方式，当然还可以包括更多或者更少的沟槽，其排布方式也可以根据需要进行调整。
附图4所示，参考步骤S21，在所述衬底30和沟槽31的表面生成绝缘层42。此步骤为可选步骤，对于衬底30和沟槽31的材料为导电材料，例如N型或者P型的单晶硅，应当实施此步骤以实现电学隔离；若衬底30和沟槽31本身已经是绝缘材料，此步骤可省略。
附图5所示，参考步骤S22，在沟槽31和衬底30的表面形成Z轴磁感应单元53，并在衬底的表面形成感测单元54，所述Z轴磁感应单元53包括一与沟槽31侧壁贴合的磁化本体53a以及一露出在衬底30表面的引出端53b，感测单元54与引出端53b之间间隔一距离，该距离可以根据实际的工艺情况作出调整，通常来说，为了获得较好的感测效果，所述感测单元54与引出端53b之间间隔的距离为小于5微米。所述Z轴磁感应单元53和感测单元54包含有磁性材料，并进一步包含磁性材料的保护层。在同一沟槽31中可以形成一个或者多个Z轴磁感应单元53，本具体实施方式仅以一个举例说明。在其它的具体实施方式中，Z轴磁感应单元53的数目也可以是多个，并且多个Z轴磁感应单元53设置在沟槽31的同侧侧壁上。本步骤进一步可以采用半导体工艺实现，即首先在衬底30和沟槽31的表面形成连续的包含磁性材料和保护层的连续覆盖层，再采用光刻和刻蚀等工艺将连续的覆盖层图形化，形成Z轴磁感应单元53和感测单元54。上述步骤中，在形成磁性材料薄膜时，在衬底30上可以进一步同时施加一磁场，用以诱导磁性材料使其具有一预设的磁化方向，并使磁性材料具有较好的性能。
所谓Z轴的方向是指与衬底30所在平面垂直方向，在Z轴具有磁场的情况下，磁化本体53a的磁化方向发生改变，并且使引出端53b的磁化方向发生改变。感测单元54与引出端53b之间间隔一距离，在引出端53b的磁化方向发生改变的情况下，感测单元54被感应也导致磁化方向发生改变，这样可以将Z轴的磁场引导到衬底30所在的平面进行测量。测单元54与引出端53b之间的间隔距离以感测单元54能够感应到引出端53b的磁场变化为标准。从上述测试原理可知，磁化本体53a与衬底30表面垂直最有利于收集Z轴方向的磁场，但这意味着沟槽31的侧壁也是垂直的，而垂直的侧壁不容易在其表面形成覆盖层。故沟槽31的侧壁可以略有倾角以利于形成覆盖层，所述磁化本体53a与衬底30表面的夹角范围以45°至90°之间为宜。
进一步地，当将Z轴的磁场引导到衬底30所在的平面进行测量时，感测单元54同时也检测水平面内垂直于感测单元方向的磁场。对于检测Z轴方向时，该水平方向的磁场就是干扰。一种优选的方式是通过在X-Y平面内形成四个本具体实施方式所示的磁传感器结构并组成对称电桥的方法来抵消，所谓对称电桥是指同侧的两个桥臂随着X-Y平面内的磁场变化而呈现相同趋势变化，从而抵消掉输出端的电压对X-Y平面内的磁场的敏感性，从而使Z轴检测单元检测到的是纯粹的Z轴信号。
所述磁性材料选自于各向异性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance，简称AMR)材料、巨磁阻(GMR)材料以及隧道磁阻(TMR)材料中的任意一种，例如可以是NiFe材料等。
保护层材料可以是Ta，TaN或者TiN材料，其目的是保护磁材料层，使其在工艺和应用的过程中不会发生磁性能的变化，同时也起到连接磁材料层和后续电极层的目的。
在沉积电极层65之前，可以在Z轴磁感应单元53和感测单元54的表面沉积介质层(未图示)，用以更好地保护磁传感部件，避免其在工艺的过程中被损坏、氧化、影响。沉积介质层后，还需要在感测单元54上方开相应的通孔，从而实现测试单元与电极的电学连通。
在上述步骤实施完毕后，为了提升磁性材料的磁性能，还可以选择性地施加一磁场进行退火的步骤。
附图6所示，参考步骤S23，在所述衬底表面形成连续的电极层65，所述电极层65亦填充入所述沟槽31内。形成电极层65的工艺例如可以是沉积工艺等，电极层65的材料为单层或者多层材料，例如可以是Al、AlCu、AlSi等，或为Ti/TiN/AlCu/TiN/Ti、AlCu/TiN等多层结构。
附图7所示，参考步骤S24，图形化所述电极层65，以在感测单元54表面形成工作电极76，并同时在沟槽31内的磁化本体53a的表面形成自检测电极77。本步骤进一步可以采用半导体平面工艺实现，即采用光刻和刻蚀等工艺将电极层65图形化，形成工作电极76和自检测电极77。工作电极76用于同感测单元54配合，实现Z轴磁场导入衬底30所在平面后的探测，而自检测电极77可以用于为磁化本体53a施加Z轴方向上的磁场，以测试其对Z轴磁场是否敏感，以完成对Z轴传感器的矫正。
自检测电极77平铺于沟槽31中，紧贴在磁化本体53b或者介质层上，自检测电极77中通过垂直于附图7图面方向的电流时，电极77即会在沟槽31的两个侧壁形成与侧壁平行的磁场信号(即是一个模拟的Z轴磁场信号)，该磁场信号会被磁化本体53b输出至感测单元54，从而读出因为该磁场产生的电阻变化，此变化对应着磁场的感应。因为自检测电极77所产生的磁场与施加电流的强度和方向对应，因此就能够通过该自检测电极实现Z轴传感器的自检测和矫正。在磁传感器的应用中，对应平面(X和Y轴)方向磁传感器的自检测相对容易，对应Z轴的自检测比较困难。本发明提供一种对Z轴磁传感器自检测的功能，并且不额外增加工艺步骤，具有明显竞争力。
附图8所示是上述步骤实施完毕后的衬底30的主视图。本具体实施方式以三个沟槽31为例，且不同沟槽之间共享同一个的自检测电极77，即在实施上述步骤S24时，进一步在衬底30的表面形成工作电极76和自检测电极77的同时，保留不同沟槽31中各自检测电极77之间的连接部分。在其它的具体实施方式中，若测试过程是需要单独测试每一个磁化本体53a，而不希望彼此之间有电连接，则也可以各自检测电极77之间的连接部分。
继续参考附图8，采用上述方法所获得的磁传感器，包括衬底30、衬底30表面的沟槽31、在沟槽31和衬底30表面的Z轴磁感应单元53、在衬底30的表面的感测单元54、感测单元54表面的工作电极76、以及Z轴磁感应单元53表面的自检测电极77。所述Z轴磁感应单元53包括一与沟槽31侧壁贴合的磁化本体53a以及一露出在衬底30表面的引出端53b。在本具体实施方式中，Z轴磁感应单元53沿着沟槽31边沿方向的宽度小于沟槽31自身的宽度，在其它的具体实施方式中，两者的宽度亦可以相同。感测单元54与引出端53b之间间隔一距离，该距离可以根据实际的工艺情况作出调整，通常来说，为了获得较好的感测效果，所述感测单元54与引出端53b之间间隔的距离为小于5微米。所述Z轴磁感应单元53和感测单元54包含有磁性材料。在衬底30的进一步具有连接不同沟槽31中各自检测电极77的电连接部分。工作电极76用于同感测单元54配合，实现Z轴磁场导入衬底30所在平面后的探测，而自检测电极77可以用于产生一Z轴磁场，用以直接测试磁化本体53a对Z轴磁场是否敏感。在自检测电极77中通入垂直图面方向的电流可以在Z轴方向产生一磁场，该磁场可以引起磁化本体53a的磁化方向发生改变，从而定性地测出磁化本体53a是否对Z轴磁场敏感。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种磁传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底，所述衬底表面具有至少一个沟槽；
在沟槽和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与沟槽侧壁贴合的磁化本体以及一露出在衬底表面的引出端，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；
在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦填充入所述沟槽内；
图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在沟槽内的磁化本体表面形成自检测电极。
2.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底表面进一步包括多个沟槽，所述图形化所述电极层的步骤中，进一步在衬底表面形成连接不同沟槽中各自检测电极的电连接部分。
3.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成Z轴磁感应单元和感测单元的步骤之前，进一步包括在所述衬底和沟槽的表面生成绝缘层的步骤。
4.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁性材料选自于各向异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成磁性材料时，在衬底上同时施加一磁场，用以诱导磁性材料的磁化方向。
6.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
7.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成连续的电极层步骤之前，进一步包括如下步骤：
在所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面形成介质层；
在感测单元表面的介质层中形成通孔，使感测单元与后续形成的工作电极接触。
8.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成Z轴磁感应单元和感测单元后，在衬底上施加一磁场进行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
9.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述感测单元与引出端之间间隔的距离为小于5微米。
10.一种采用权利要求1所述方法制作的磁传感器，包括：
衬底；
衬底表面的至少一个沟槽；
在沟槽和衬底表面的Z轴磁感应单元、以及在衬底的表面的感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与沟槽侧壁贴合的磁化本体以及一露出在衬底表面的引出端，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；
感测单元表面具有工作电极，其特征在于，
在沟槽内的磁化本体表面进一步具有自检测电极。
11.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述衬底表面进一步包括多个沟槽，在衬底表面进一步包括连接不同沟槽中各自检测电极的电连接部分。
12.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，在所述衬底和沟槽的表面包括一绝缘层，所述Z轴磁感应单元和感测单元进一步是设置于所述绝缘层的表面。
13.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述磁性材料选自于各向异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
14.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述磁性材料具有一预设的诱导磁化方向。
15.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
16.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面具有介质层，在感测单元上方开有通孔以与工作电极接触。
17.根据权利要求10所述的磁传感器，其特征在于，所述感测单元与引出端之间间隔的距离为小于5微米。
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