CN104422907B - 一种磁传感装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置及其制备方法，所述制备方法包括：在基底表面上形成沟槽；在基底上沉积磁材料，形成磁材料层；在磁材料层上沉积第一介质材料层，第一介质材料把沟槽填实；在第一介质材料层上沉积金属，形成金属层；刻蚀金属层和磁材料层，形成AMR图形；沉积第二介质材料层；直接刻蚀第二介质材料层，保留磁材料层、金属层两侧的第二介质层材料，形成磁材料层、金属层的侧壁保护层；通过光刻工艺刻蚀金属层，形成第一层金属层的图形；此时，金属层以及磁材料层的一部分区域形成感应单元，磁材料层的另外一部分区域形成导磁单元；制造通孔和电极。本发明节省了一道光刻工艺、一道刻蚀工艺，同时使得第一层金属层与磁材料层之间的接触电阻能被更好的控制。

Description

一种磁传感装置及其制备方法

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，尤其涉及一种磁传感装置；同时，本发明还涉及上述磁传感装置的制备方法。

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(Anisotropic Magneto-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。

为了使三轴磁传感器可以设置于一个圆晶或芯片上，本申请人于2012年12月24日申请了一件发明专利，名称为《一种磁传感装置的制备工艺》，专利号为201210563952.5；该工艺中，将导磁单元设置于沟槽中，导磁单元用于感应Z轴方向的磁场；感应单元靠近沟槽设置，能接收导磁单元的信号，并根据该信号测量出Z轴方向的磁场。而感应单元、导磁单元之间设有间隙，在该磁传感器的制备工艺中，感应单元、导磁单元的磁材料层同时沉积，而后需要光刻磁材料层上的介质材料、刻蚀磁材料，步骤较为复杂；同时，金属层与磁材料层之间的接触电阻较难控制。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感器以及该磁传感器的制备方法，以便改进现有工艺的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁传感装置，可简化制备工艺，同时金属层与磁材料层之间的接触电阻能被更好的控制。

此外，本发明还提供上述磁传感装置的制备方法，可简化制备工艺，同时金属层与磁材料层之间的接触电阻能被更好的控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感装置，所述装置包括：

基底，其表面开有沟槽；

导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，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；所述导磁单元包括第二磁材料层；

感应单元，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/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；所述感应单元包括第一磁材料层、金属层，所述第二磁材料层、第一磁材料层连接在一起。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元的第二磁材料层、感应单元的第一磁材料层同时沉积，连为一体。

作为本发明的一种优选方案，所述第二磁材料层、第一磁材料层形成磁材料层，磁材料层与金属层之间设有第一介质材料层，第一介质材料层将沟槽填实；所述沟槽的宽度小于深度的一半；所述导磁单元、感应单元的两侧还分别设有侧壁保护层，包围着导磁单元、感应单元的两侧。

作为本发明的一种优选方案，所述第一介质材料层为导电材料；所述金属层包括三层，分别为TiN层、Al层、TiN层；所述侧壁保护层为绝缘材料。

一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S1、在基底表面上形成沟槽；

步骤S2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁材料，形成磁材料层，磁材料层的一部分位于基底上表面，另一部分位于沟槽内；

步骤S3、在所述磁材料层上沉积第一介质材料，形成第一介质材料层，所述第一介质材料把沟槽填实；

步骤S4、在第一介质材料层上沉积金属，形成金属层；

步骤S5、刻蚀金属层和磁材料层，形成AMR图形；

步骤S6、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层；

步骤S7、直接刻蚀第二介质材料层，保留磁材料层、金属层两侧的第二介质材料层，形成磁材料层、金属层的侧壁保护层；

步骤S8、通过光刻工艺刻蚀金属层，形成第一层金属层的图形；此时，金属层以及磁材料层的一部分区域形成感应单元，磁材料层的另外一部分区域形成导磁单元；

导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，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；感应单元设置于基底上，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/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S9、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S3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三介质材料，形成第三介质层；

所述步骤S4则为在第三介质材料层上沉积金属，形成金属层。

作为本发明的一种优选方案，所述第一介质材料层为导电材料；所述金属层包括三层，分别为TiN层、Al层、TiN层；所述第二介质材料层为绝缘材料。

作为本发明的一种优选方案，所述基底为介质材料。

作为本发明的一种优选方案，步骤S1中，沟槽的宽度为100～1000纳米。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其制备方法，节省了一道光刻工艺、一道刻蚀工艺，同时使得第一层金属层与磁材料层之间的接触电阻能被更好的控制。

原先的工艺是在第一介质层上面沉积SiN材料，然后通过光刻刻蚀工打开窗口，这样难免会在刻蚀工艺的过程中会产生副产物在接触面的表面上，特别是刻蚀氮化钽时会有比较重的副产物；本发明是在第一介质层上面直接沉积金属层，就不存在这样的问题，因此接触电阻能被更好地控制。

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为本发明制备方法步骤S4后的示意图。

图7为本发明制备方法步骤S6后的示意图。

图8为图7的俯视图。

图9为本发明制备方法步骤S7后的示意图。

图10为本发明制备方法步骤S8后的示意图。

图11为图10的俯视图。

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

请参阅图10、图11，本发明揭示了一种磁传感装置，所述磁传感装置包括Z轴磁传感器(当然也可以是其他方向)，该Z轴磁传感器主要包括：基底10、磁材料层20、第一介质材料层30、金属层40。

基底10的表面开有沟槽，所述沟槽的宽度可以较窄，如宽度小于深度的一半；具体可以为100～1000纳米，当然也可以是其他宽度。磁材料层20设置于设有沟槽的基底10上；第一介质材料层30设置于磁材料层20的上方，第一介质材料层将沟槽填实。磁材料层20、第一介质材料层30、金属层40的两侧还分别设有侧壁保护层51、52，包围着磁材料层20、第一介质材料层30、金属层40的两侧。所述第一介质材料层30可以为氮化钽；所述金属层40可以包括三层，分别为TiN层、Al层、TiN层；所述侧壁保护层51、52的材料可以为SiN。

本发明Z轴磁传感器的磁材料层20被分为两部分，分别为第一磁材料层21、第二磁材料层22；第一磁材料层21以及金属层40作为Z轴磁传感器的感应单元，第二磁材料层22作为Z轴磁传感器的导磁单元。第一磁材料层21主要包括基底10表面的部分，第二磁材料层22则主要包括沟槽内的部分，还包括在沟槽外、与沟槽内部分相连接的、位于基底10表面的一部分。由此可见，第二磁材料层22、第一磁材料层21连接在一起；第二磁材料层22、第一磁材料层21可以同时沉积，连为一体。

具体地，所述导磁单元主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，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。导磁单元是沟槽里面的部分加上引申到基底平面来的一部分，位于基底平面的那部分的作用是把Z轴的信号传递给感应单元。

感应单元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/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。

本发明磁传感装置还可以包括第二磁传感器、第三磁传感器，分别用来感应X轴、Y轴方向的磁场。

以上介绍了本发明磁传感装置的组成，本发明在揭示上述磁传感装置的同时，还揭示一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

【步骤S1】在基底10表面上形成沟槽。

所述基底可以为介质材料，还可以在基底上再沉积介质材料，此时，该介质材料可以认为是基底的一部分。

沟槽的宽度可以为100～1000纳米。本实施例中，所述沟槽的宽度可以较窄，如宽度小于深度的一半。

【步骤S2】在所述设有沟槽的基底10上沉积磁材料，形成磁材料层20，磁材料层20的一部分位于基底10上表面，另一部分位于沟槽内。

【步骤S3】在所述磁材料层20上沉积第一介质材料，形成第一介质材料层30，所述第一介质材料把沟槽填实。所述第一介质材料层可以是氮化钽等导电材料。

【步骤S4】在第一介质材料层30上沉积金属，形成金属层40。本实施例中，所述金属层包括三层，分别为TiN层41、Al层42、TiN层43。

【步骤S5】刻蚀金属层40和磁材料层20，形成AMR图形。

【步骤S6】沉积第二介质材料，形成第二介质材料层50。所述第二介质材料层50的材料可以是SiN等绝缘材料。

【步骤S7】直接刻蚀第二介质材料层50，保留磁材料层20、金属层40两侧的部分，形成磁材料层20、金属层40的侧壁保护层51、52。

【步骤S8】刻蚀金属层40，形成第一层金属层的图形44；此时，金属层以及磁材料层的一部分区域形成感应单元，磁材料层的另外一部分区域形成导磁单元；

导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，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；感应单元设置于基底上，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/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

【步骤S9】制造通孔和电极。

【步骤S10】根据实际的需要制造更多层的IMD和金属层。

此外，所述方法在步骤S3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三介质材料，形成第三介质层；所述步骤S4则为在第三介质材料层上沉积金属，形成金属层。

综上所述，本发明提出的磁传感装置及其制备方法，节省了一道光刻工艺、一道刻蚀工艺，同时使得第一层金属层与磁材料层之间的接触电阻能被更好的控制。

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 (5)

1.一种磁传感装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S1、在基底表面上形成沟槽；

步骤S2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁材料，形成磁材料层，磁材料层的一部分位于基底上表面，另一部分位于沟槽内；

步骤S3、在所述磁材料层上沉积第一介质材料，形成第一介质材料层，所述第一介质材料把沟槽填实；

步骤S4、在第一介质材料层上沉积金属，形成金属层；

步骤S5、刻蚀金属层和磁材料层，形成AMR图形；

步骤S6、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层；

步骤S7、直接刻蚀第二介质材料层，保留磁材料层、金属层两侧的第二介质层材料，形成磁材料层、金属层的侧壁保护层；

步骤S8、通过光刻工艺刻蚀金属层，形成第一层金属层的图形；此时，金属层以及磁材料层的一部分区域形成感应单元，磁材料层的另外一部分区域形成导磁单元；

导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，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；感应单元设置于基底上，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/和第二方向测量的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S9、制造通孔和电极。

2.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述方法在步骤S3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三介质材料，形成第三介质层；

所述步骤S4则为在第三介质材料层上沉积金属，形成金属层。

3.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述第一介质材料层是导电材料；所述金属层包括三层，分别为TiN层、Al层、TiN层；所述第二介质材料层是绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述基底为介质材料。

5.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

步骤S2中，沟槽的宽度为100～1000纳米。