CN104422906A - 一种磁传感器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感器及其制备工艺，所述制备工艺包括：在基底上沉积介质材料，形成第一介质层；在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于深度；沉积磁材料，形成磁材料层；在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空；制备填充材料，形成填充材料层，并且把沟槽填平，随后进行光刻工艺；生成磁传感器的图形，形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；制造通孔和电极。本发明提出的三轴传感器及其制备工艺，可优化工艺的流程，并提升传感器的性能。

Description

一种磁传感器及其制备工艺

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种传感器，尤其涉及一种三轴磁传感器；同时，本发明还涉及三轴磁传感器的制备工艺。

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，各项异性磁阻元件（AMR），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。

以下介绍现有磁传感器的工作原理。磁传感器采用各向异性磁致电阻（AnisotropicMagneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

在制造、应用过程中，将一个强磁场加在AMR单元上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图1所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从这些导线和AMR材料上流过，如图2所示；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45°的夹角。

当存在外界磁场Ha时，AMR单元上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向，那么磁场方向M和电流I的夹角θ也会发生变化，如图3所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，如图4所示。

通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场。在实际的应用中，为了提高器件的灵敏度等，磁传感器可利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图5所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加ΔR而R3/R4减少ΔR。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时，电桥的输出为一个微小的电压ΔV。

目前的三轴传感器是将一个平面（Ｘ、Ｙ两轴）传感部件与Ｚ方向的磁传感部件进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能（可参考美国专利US5247278、US5952825、US6529114、US7126330、US7358722）；也就是说需要将平面传感部件及Ｚ方向磁传感部件分别设置于两个圆晶或芯片上，最后通过封装连接在一起。目前，在单圆晶/芯片上无法同时实现三轴传感器的制造。

然而，现有的三轴传感器结构复杂，制造工艺繁琐。有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感器及其制备工艺，以克服现有器件及工艺的上述缺陷。

在制造Z轴传感器的工艺中，需要首先在基底上形成沟槽，在沟槽侧壁形成导磁的单元，通过导磁单元将Z方向的信号引导到水平方向进行测量。然而，沟槽的存在对于现有的光刻工艺有很大的挑战：甩胶后在沟槽的区域凹凸不平，旋涂光刻胶后在沟槽的区域将出现凹槽，严重影响光刻，即无法制造导磁单元与感应单元之间的狭缝，也不能够将沟槽底部的光刻胶曝开。本发明提出一种制造方法，采用填充材料将沟槽填平后进行常规的光刻工艺，能够消除沟槽带来的负面影响，且采用的填充材料特性与光刻胶类似，与半导体工艺兼容，并且容易去除，最终形成的狭缝较小，对于提高Z方向磁传感器的灵敏度至关重要。

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，可提升传感器的性能，优化制备工艺的流程。

此外，本发明还提供一种磁传感器的制备工艺，可优化工艺的流程，并提升制得传感器的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感器的制备工艺，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤：

步骤S1、在基底上沉积介质材料，形成第一介质层；

步骤S2、在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度的一半；

步骤S4、沉积磁材料和保护层材料，形成磁材料层；

步骤S5、在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空；

步骤S6、制备填充材料，把沟槽填平，使得后续转变成平面工艺；

步骤S7、在填充材料层上涂光刻胶进行光刻；曝光显影后，刻蚀需要去除的填充材料，保留沟槽里的填充材料；

以光刻胶和填充材料作为阻挡，刻蚀磁材料上方的保护材料，刻蚀完保护材料后去除光刻胶和填充材料，利用保护材料作为硬掩膜刻蚀去除磁材料；

沉积金属层，光刻后形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S8、制造通孔和电极。

作为本发明的一种优选方案，所述方法在步骤S2与步骤S4之间还包括步骤S3、在所述形成沟槽阵列的第一介质层上沉积与所述第一介质材料相同或者不同的第二介质材料，形成第二介质层；

步骤S3中，所述第二介质材料为氧化硅、TEOS、氮化硅、氧化钽、氮化钽、氮氧化硅中的一种或多种；第二介质材料层为一层或者多层；最后一层第二介质层的厚度少于100纳米。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S6的填充材料为光刻胶或其他胶材料或有机物。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S7中，感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

作为本发明的一种优选方案，步骤S1中，在基底上沉积的介质材料为氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或正硅酸乙酯TEOS；步骤S4中，沉积的磁材料为AMR材料或GMR材料或TMR材料；保护层材料为TiN或TaN或两者的多层材料。

作为本发明的一种优选方案，所述制备工艺在步骤S8后还包括步骤S9：制造更多层的介质材料层和金属层。

一种磁传感器，所述磁传感器包括第三方向磁传感装置，该第三方向磁传感装置包括：

基底；

第一介质层，设置于基底表面，第一介质层上设有沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度；

导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。

作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感装置还包括第二介质层，设置于所述形成沟槽阵列的第一介质层上；导磁单元、感应单元设置于第二介质层上。

作为本发明的一种优选方案，所述感应单元包括磁材料层及设置于磁材料层上的电极；

所述感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感器还包括第二磁传感装置，用以感应第一方向、第二方向的磁信号；所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感器及其制备工艺，基底上沉积介质材料，然后通过光刻和刻蚀工艺形成沟槽，然后再沟槽里面填充磁性材料，并且把沟槽填实，最终优化工艺的流程和传感器的性能。本发明的优势在于将沟槽填实之后实现了平面工艺，简化了后续多道工艺流程。并且从物理意义上增厚了垂直方向的磁性材料的厚度，使得第三轴的灵敏度得到提升。此外，较宽的沟槽可以根据需要设置导磁单元的磁性材料。

附图说明

图1为现有磁传感装置的磁性材料的示意图。

图2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。

图3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。

图4为磁性材料的θ-R特性曲线示意图。

图5为惠斯通电桥的连接图。

图6为实施例一中本发明制造工艺步骤S2后的示意图。

图7为实施例一中本发明制造工艺步骤S6后的示意图。

图8为实施例一中本发明制造工艺步骤S7光刻显影后的示意图。

图9为实施例一中本发明制造工艺步骤S7刻蚀填充材料后的示意图。

图10为实施例一中本发明制造工艺步骤S7刻蚀去除保护层后的示意图。

图11为实施例一中本发明制造工艺中步骤S7去除磁性材料、光刻胶和填充材料后的示意图。

图12为实施例一中本发明制造工艺中步骤S7填充介质材料层后的示意图。

图13为实施例一中本发明制造工艺中步骤S7后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种磁传感器的制备工艺，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤：

【步骤S1】在基底上沉积介质材料，如氧化硅、TEOS、氮化硅、氮氧化硅等，形成第一介质层10；

【步骤S2】请参阅图6，在第一介质层10上形成沟槽11阵列。本实施例中，沟槽11的宽度大于深度的一半。所述沟槽11开口处的宽度大于深度的一半；优选地，沟槽11底部的宽度大于沟槽的深度的一半。

【步骤S3】在上述的介质材料（含沟槽）上沉积相同或者不同的第二介质材料，如氧化硅、TEOS、氮化硅、氧化钽、氮化钽、或者氮氧化硅等，沉积单层或者多层的第二介质材料，顶层第二介质材料厚度少于100纳米（以40纳米为例），形成第二介质层。本步骤可以省略，即步骤S4中，直接在第一介质层10上沉积磁材料。

【步骤S4】沉积磁材料，形成磁材料层30，磁材料为AMR，或为GMR，或为TMR材料。磁材料层根据需要可含保护层，如TaN或TiN，甚至是两者的多层材料。

【步骤S5】在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体（如氩气），或为真空。退火时施加的磁场有助于改善磁材料的性能。

【步骤S6】请参阅图7，制备填充材料，并且把沟槽填实，形成填充材料层40，使填充材料层40的表面形成平面，使得后续转变成平面工艺。实际应用中，填充填充材料后，在沟槽区域的填充材料或许不是严格的平面，即允许凹坑的存在，但是凹坑的深度小于1微米，优选小于500nm。采用的填充材料通常是胶材料。

【步骤S7】随后采用常规的光刻工艺，即进行甩胶、曝光、显影公益，得到如图8所示的结构，形成了图形化的光刻胶；

刻蚀填充材料，将基底（第一介质层10）表面的填充材料刻蚀完，沟槽内的填充材料根据实际的需要选择保留或者去除皆可，如图9所示；

刻蚀，去除保护层和磁性材料层，如图10所示；也可以采用如下的步骤：先刻蚀磁材料上方的保护层材料，随后去除光刻胶和填充材料，最后以保护层材料作为阻挡层，去除磁性材料层；

去除光刻胶和填充材料，如图11所示。

填充介质材料层，如图12所示。

在介质材料层上开窗，沉积金属层，并进行光刻，制造形成感应单元以及X、Y的磁传感器，如图13所示。

【步骤S8】根据实际的需要制造更多层的IMD和金属层。

请再次参阅图13，本发明制备工艺制得的磁传感器包括Z轴磁传感器、XY轴磁传感器，Z轴磁传感器包括：基底、第一介质层10、导磁单元31、感应单元32、第二介质层60。

第一介质层10设置于基底表面，其上设有沟槽11阵列。本实施例中，沟槽11的宽度大于等于其深度。所述沟槽11开口处的宽度大于等于其深度；优选地，沟槽11底部的宽度大于等于沟槽的深度。导磁单元31的主体部分设置于沟槽11内，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元32。

所述感应单元31包括磁材料层321及设置于磁材料层上的电极322；感应单元32（磁材料层321）靠近沟槽11设置，与导磁单元31之间有缝隙（缝隙尺寸可以在1纳米到5微米之间，如10纳米、150纳米、250纳米、1微米、5微米等，当然也可以是其他距离），用以接收所述导磁单元31输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。第二介质层60铺设在感应单元32的磁材料层321、导磁单元31、第一介质层10（磁材料层321与导磁单元31之间的缝隙部分）上。

在制备的过程中，填充材料层40设置于感应单元32的磁材料层321以及导磁单元31上，并将沟槽11填满。光刻胶层50则设置于填充材料层40之上。

综上所述，本发明提出的三轴传感器及其制备工艺，基底上沉积介质材料，然后通过光刻和刻蚀工艺形成沟槽，然后再沟槽里面填充磁性材料，并且把沟槽填实，最终优化工艺的流程和传感器的性能。此外，较宽的沟槽可以根据需要设置导磁单元的磁性材料。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种磁传感器的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤：

步骤S1、在基底上沉积介质材料，形成第一介质层；

步骤S2、在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度的一半；

步骤S4、沉积磁材料和保护层材料，形成磁材料层；

步骤S5、在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空；

步骤S6、制备填充材料，把沟槽填平，使得后续转变成平面工艺；

步骤S7、在填充材料层上涂光刻胶进行光刻；曝光显影后，刻蚀需要去除的填充材料，保留沟槽里的填充材料；

以光刻胶和填充材料作为阻挡，刻蚀磁材料上方的保护材料，刻蚀完保护材料后去除光刻胶和填充材料，利用保护材料作为硬掩膜刻蚀去除磁材料；

沉积金属层，光刻后形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S8、制造通孔和电极。

2.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于：

所述方法在步骤S2与步骤S4之间还包括步骤S3、在所述形成沟槽阵列的第一介质层上沉积与所述第一介质材料相同或者不同的第二介质材料，形成第二介质层；

步骤S3中，所述第二介质材料为氧化硅、TEOS、氮化硅、氧化钽、氮化钽、氮氧化硅中的一种或多种；第二介质材料层为一层或者多层；最后一层第二介质层的厚度少于100纳米。

3.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S6的填充材料为胶材料。

4.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S7中，感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

5.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于：

步骤S1中，在基底上沉积的介质材料为氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或正硅酸乙酯TEOS；

步骤S4中，沉积的磁材料为AMR材料或GMR材料或TMR材料；保护材料为TaN或为TiN或为两者的多层材料。

6.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于：

所述制备工艺在步骤S8后还包括步骤S9：制造更多层的介质材料层和金属层。

7.一种磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括第三方向磁传感装置，该第三方向磁传感装置包括：

基底；

第一介质层，设置于基底表面，第一介质层上设有沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度；

导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元，靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。

8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于：

所述第三方向磁传感装置还包括第二介质层，设置于所述形成沟槽阵列的第一介质层上；导磁单元、感应单元设置于第二介质层上。

9.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于：

所述感应单元包括磁材料层及设置于磁材料层上的电极；

所述感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在1纳米到5微米之间。

10.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于：

所述磁传感器还包括第二磁传感装置，用以感应第一方向、第二方向的磁信号；所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。