CN104459574A - 一种磁传感装置的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置的制备工艺，包括如下步骤：在基底的表面设置沟槽；在基底表面沉积磁性材料，形成磁性材料层；磁性材料层包括设置于基底表面的第一部分及沟槽内的第二部分；回刻位于基底表面的磁性材料层的第一部分；沉积第一介质材料；沉积光刻胶，曝光，显影；刻蚀形成ARM图形；沉积第二介质材料；通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。本发明提出的磁传感装置的制备工艺，通过提高第三轴的磁性材料的物理厚度，从而增加第三轴的感应能力；同时不会增加感应单元的磁性材料在第一、第二轴方向的厚度。因此，本发明工艺可提高磁传感装置的感应能力及灵敏度。

Description

一种磁传感装置的制备工艺

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种磁传感器，尤其涉及一种磁传感装置的制备工艺。

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。

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。

然而，沟槽中的导磁单元由于是沉积在倾斜的沟槽侧壁上，因此其厚度远低于沉积于基底上的感应单元的厚度，而导磁单元的厚度越薄其性能越差；同时，如果感应单元（感应X轴、Y轴方向的磁场）的厚度较厚，也会损失X轴、Y轴方向的灵敏度。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置制备工艺，以便克服现有磁传感装置的上述缺陷。

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的制备工艺，可提高磁传感装置的感应能力。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、在基底的表面设置沟槽；

步骤S2、在包含有沟槽的基底表面沉积磁性材料，形成磁性材料层；磁性材料层包括设置于基底表面的第一部分及沟槽内的第二部分；磁性材料层的第一部分的厚度大于200A、小于5000A；

步骤S3、回刻位于基底表面的磁性材料层的第一部分，保留第一部分的厚度为0.3至2.5倍第二部分的厚度；

步骤S4、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S5、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S6、刻蚀形成ARM图形，去除部分磁性材料，去除光刻胶；在基底上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；导磁单元的主体部分形成于沟槽内，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；感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，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S7、沉积第二介质材料；

步骤S8、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S9、沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

一种磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、在基底的表面设置沟槽；

步骤S2、在包含有沟槽的基底表面沉积磁性材料，形成磁性材料层；磁性材料层包括设置于基底表面的第一部分及沟槽内的第二部分；

步骤S3、回刻位于基底表面的磁性材料层的第一部分；

步骤S4、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S5、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S6、刻蚀形成ARM图形，去除部分磁性材料，去除光刻胶；

步骤S7、沉积第二介质材料；

步骤S8、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S9、沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，磁性材料层的第一部分的厚度大于200A、小于1000A。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，保留第一部分的厚度是沟槽内第二部分的厚度的0.5至1.2倍。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S6中，在基底上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；

所述导磁单元的主体部分形成于沟槽内，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；所述感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，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。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置的制备工艺，通过提高第三轴（导磁单元）的磁性材料的物理厚度，从而增加第三轴的感应能力；同时不会增加感应单元的磁性材料在第一、第二轴方向的厚度（增加厚度会损失第一、第二轴的灵敏度）。因此，本发明工艺可提高磁传感装置的感应能力及灵敏度。

附图说明

图1为现有磁传感器的磁性材料的示意图。

图2为现有磁传感器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S2后的示意图。

图7为本发明制备方法步骤S3后的示意图。

图8为本发明制备方法步骤S4后的示意图。

图9为本发明制备方法步骤S5后的示意图。

图10为本发明制备方法步骤S6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装置的制备工艺，所述制备工艺包括制备Z轴磁传感器的方法，具体包括如下步骤：

【步骤S1】在基底10的表面设置沟槽11。当然，也可以在基底上沉积介质材料，在介质材料上设置沟槽，此时，可以将基底连同该介质材料当作新的基底。

【步骤S2】请参阅图6，在包含有沟槽11的基底10表面沉积磁性材料，形成磁性材料层20；磁性材料层20包括设置于基底表面的第一部分201及沟槽内的第二部分202；磁性材料层20的第一部分201的厚度大于200A、小于5000A；

【步骤S3】请参阅图7，回刻位于基底10表面的磁性材料层20的第一部分201，保留第一部分201的厚度为0.3至2.5倍第二部分202的厚度；

【步骤S4】请参阅图8，沉积第一介质材料，形成第一介质材料层30；

【步骤S5】请参阅图9，沉积光刻胶40，曝光，显影；

【步骤S6】请参阅图10，刻蚀形成ARM图形，去除部分磁性材料，去除光刻胶；在基底10上分别形成感应单元的磁性材料层21、导磁单元22；导磁单元22的主体部分形成于沟槽11内，并有部分露出沟槽至基底10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；感应单元的磁性材料层21形成于沟槽外，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。本实施例中，第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。

【步骤S7】沉积第二介质材料；

【步骤S8】通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

【步骤S9】沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

此外，本发明磁传感装置的制备工艺还包括制备X轴、Y轴磁传感器的步骤，方法可以使用现有工艺，这里不做赘述。

综上所述，本发明提出的磁传感装置的制备工艺，通过提高第三轴（导磁单元）的磁性材料的物理厚度，从而增加第三轴的感应能力；同时不会增加感应单元的磁性材料在第一、第二轴方向的厚度（增加厚度会损失第一、第二轴的灵敏度）。因此，本发明工艺可提高磁传感装置的感应能力及灵敏度。

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工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、在基底的表面设置沟槽；

步骤S2、在包含有沟槽的基底表面沉积磁性材料，形成磁性材料层；磁性材料层包括设置于基底表面的第一部分及沟槽内的第二部分；磁性材料层的第一部分的厚度大于200A、小于5000A；

步骤S3、回刻位于基底表面的磁性材料层的第一部分，保留第一部分的厚度为0.3至2.5倍第二部分的厚度；

步骤S4、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S5、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S6、刻蚀形成ARM图形，去除部分磁性材料，去除光刻胶；在基底上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；导磁单元的主体部分形成于沟槽内，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；感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，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S7、沉积第二介质材料；

步骤S8、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S9、沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

2.一种磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、在基底的表面设置沟槽；

步骤S2、在包含有沟槽的基底表面沉积磁性材料，形成磁性材料层；磁性材料层包括设置于基底表面的第一部分及沟槽内的第二部分；

步骤S3、回刻位于基底表面的磁性材料层的第一部分；

步骤S4、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S5、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S6、刻蚀形成ARM图形，去除部分磁性材料，去除光刻胶；

步骤S7、沉积第二介质材料；

步骤S8、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S9、沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

3.根据权利要求2所述的磁传感装置的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S2中，磁性材料层的第一部分的厚度大于200A、小于1000A。

4.根据权利要求2所述的磁传感装置的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S3中，保留第一部分的厚度是沟槽内第二部分的厚度的0.5至1.2倍。

5.根据权利要求2所述的磁传感装置的制备工艺，其特征在于：

所述步骤S6中，在基底上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；

所述导磁单元的主体部分形成于沟槽内，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；所述感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，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。