CN104459575B - 一种磁传感装置及该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及该磁传感装置的制备工艺，所述装置包括第三方向磁传感部件，第三方向磁传感部件包括基底、导磁单元、感应单元。导磁单元包括第一导磁单元、第二导磁单元，第一导磁单元的主体部分设置于基底表面开设的沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第二导磁单元的主要部分设置于沟槽内，第二导磁单元与第一导磁单元之间设有第一介质材料；导磁单元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；感应单元设置于所述基底表面上，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/和第二方向的第三方向磁场。本发明可提高磁传感装置的感应能力及灵敏度。

Description

一种磁传感装置及该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(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。

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，可提高磁传感装置的感应能力及灵敏度。

此外，本发明还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及灵敏度。

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，所述装置包括第三方向磁传感部件，所述第三方向磁传感部件包括：

基底，其表面开有沟槽；

导磁单元，包括第一导磁单元、第二导磁单元，所述第一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；所述第二导磁单元的主要部分设置于沟槽内，第二导磁单元与第一导磁单元之间设有第一介质材料；所述导磁单元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，设置于所述基底表面上，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，所述第二导磁单元与第一导磁单元之间设有的第一介质材料层，第一介质材料层设置于第一导磁单元上；第一介质材料层的主要部分位于沟槽内。

作为本发明的一种优选方案，所述第二导磁单元设置于所述第一介质材料层的侧壁，第二导磁单元主体部分与基底平面的夹角为45°～90°；第二导磁单元用以帮助第一导磁单元吸引周边的磁场，最终通过第一导磁单元将磁信号发给感应单元。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元还包括第二介质材料层；

所述第二介质材料层将第二导磁单元固定在所述第一介质材料层与第二介质材料层之间。

作为本发明的一种优选方案，所述感应单元包括磁性材料层、电极层；所述电极层设置于磁性材料层上。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感装置还包括第一方向磁传感部件、第二方向磁传感部件，分别用来感应第一方向、第二方向的磁场。

作为本发明的一种优选方案，所述第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元包括若干导磁子单元，所述第一导磁单元、第二导磁单元作为其中两个导磁子单元；各导磁子单元的主体部分设置于沟槽内，导磁子单元的主体部分与基底平面的夹角为45°～90°；各导磁子单元之间通过介质材料隔开。

一种磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括制备第三方向磁传感部件的步骤，具体包括如下步骤：

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第一磁性材料，形成第一磁性材料层；

步骤S3、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S4、沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；

步骤S5、回刻第二磁性材料层，刻蚀至第一介质材料层上、位于沟槽内第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；

步骤S6、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层，用以保护位于第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；

步骤S7、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S8、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，导磁单元包括位于沟槽侧壁的部分以及第一介质材料层侧壁的部分，导磁单元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S9、沉积第三介质材料；

步骤S10、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S11、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S5中，回刻第二磁性材料层，仅保留第一介质材料层上、位于沟槽内第一介质材料层侧壁的第二磁性材料。

作为本发明的一种优选方案，所述制备工艺包括制备X轴、Y轴磁传感部件的步骤。

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)，且不会损伤感应单元的磁性材料。因此，本发明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为本发明制备方法步骤S7后的示意图。

图9为本发明制备方法步骤S8后的示意图。

图10为本发明制备方法步骤S9后的示意图。

图11为本发明制备方法步骤S11沉积金属层的示意图。

图12为本发明制备方法步骤S11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

请参阅图6至图12，本发明揭示一种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件(Z轴传感器)，所述第三方向磁传感部件包括：基底10、导磁单元、感应单元。基底10的表面开有沟槽11，导磁单元的主要部分设置于该沟槽11内。

具体地，导磁单元包括第一导磁单元22、第二导磁单元41，所述第一导磁单元22的主体部分设置于沟槽11内，并有部分露出沟槽11至基底10表面；所述第二导磁单元41的主要部分设置于沟槽11内，第二导磁单元41与第一导磁单元22之间设有第一介质材料。所述导磁单元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。

所述第二导磁单元41与第一导磁单元22之间设有的第一介质材料层32，第一介质材料层32设置于第一导磁单元22上；第一介质材料层22的主要部分位于沟槽11内。所述第二导磁单元41设置于所述第一介质材料层32的侧壁，第二导磁单元41主体部分与基底平面的夹角为45°～90°，如上述夹角可以为45°、75°、85°、90°等。所述导磁单元还包括第二介质材料层52；所述第二介质材料层52将第二导磁单元41固定在所述第一介质材料层32与第二介质材料层52之间。通过上述方式将第二导磁单元41与第一导磁单元22叠加设置，可以提高整个导磁单元厚度，从而提高第三方向磁传感部件的灵敏度。第二导磁单元的主要作用在于帮助第一导磁单元吸引周边的磁场，最终通过第一导磁单元将磁信号发给感应单元。

感应单元设置于所述基底10表面上，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，所述第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。所述感应单元包括磁性材料层21、电极层81；所述电极层81设置于磁性材料层21上。磁性材料层21与第一导磁单元22可以设有缝隙。

所述磁传感装置还包括第一方向磁传感部件、第二方向磁传感部件，分别用来感应第一方向、第二方向的磁场。

本发明揭示一种磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括制备第三方向磁传感部件(Z轴传感器)的步骤，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表面沉积第一磁性材料，形成第一磁性材料层20；

【步骤S3】请继续参阅图6，在第一磁性材料层20上沉积第一介质材料，形成第一介质材料层30；

【步骤S4】如图6所示，在第一介质材料层30上沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；

【步骤S5】请参阅图7，回刻第二磁性材料层，刻蚀至第一介质材料层30上、位于沟槽11内第一介质材料层30侧壁的第二磁性材料41。

【步骤S6】请继续参阅图7，沉积第二介质材料，形成第二介质材料层50，第二介质材料层50与第一介质材料层30将第二磁性材料包围，用以保护位于第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；

【步骤S7】请参阅图8，沉积光刻胶60，曝光，显影；

【步骤S8】请参阅图9，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，导磁单元包括位于沟槽侧壁的部分(第一导磁单元22)以及第一介质材料层侧壁的部分(第二导磁单元41)，导磁单元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S9】请参阅图10，沉积第三介质材料70；

【步骤S10】通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

【步骤S11】请参阅图11，沉积金属层80，并刻蚀，形成感应单元的电极层81(如图12所示)。

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。

实施例二

本实施例中，所述导磁单元包括若干导磁子单元(如3个以上)，所述第一导磁单元、第二导磁单元作为其中两个导磁子单元。各导磁子单元的主体部分设置于沟槽内，导磁子单元的主体部分与基底平面的夹角为45°～90°；各导磁子单元之间通过介质材料隔开。

综上所述，本发明提出的磁传感装置及其制备工艺，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)，且不会损伤感应单元的磁性材料。因此，本发明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 (6)

1.一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括第三方向磁传感部件，所述第三方向磁传感部件包括：

基底，其表面开有沟槽；

导磁单元，包括第一导磁单元、第二导磁单元，所述第一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；所述第二导磁单元的主要部分设置于沟槽内，第二导磁单元与第一导磁单元之间设有第一介质材料；所述导磁单元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，设置于所述基底表面上，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；

所述第二导磁单元与第一导磁单元之间设有的第一介质材料层，第一介质材料层设置于第一导磁单元上；第一介质材料层的主要部分位于沟槽内；

所述第二导磁单元设置于所述第一介质材料层的侧壁，第二导磁单元主体部分与基底平面的夹角为45°～90°；第二导磁单元用以帮助第一导磁单元吸引周边的磁场，最终通过第一导磁单元将磁信号发给感应单元；

所述导磁单元还包括第二介质材料层；所述第二介质材料层将第二导磁单元固定在所述第一介质材料层与第二介质材料层之间。

2.根据权利要求1所述的磁传感装置，其特征在于：

所述感应单元包括磁性材料层、电极层；所述电极层设置于磁性材料层上。

3.根据权利要求1所述的磁传感装置，其特征在于：

所述磁传感装置还包括第一方向磁传感部件、第二方向磁传感部件，分别用来感应第一方向、第二方向的磁场；所述第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。

4.根据权利要求1至3之一所述的磁传感装置，其特征在于：

所述导磁单元包括若干导磁子单元，所述第一导磁单元、第二导磁单元作为其中两个导磁子单元；

各导磁子单元的主体部分设置于沟槽内，导磁子单元的主体部分与基底平面的夹角为45°～90°；各导磁子单元之间通过介质材料隔开。

5.一种磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括制备第三方向磁传感部件的步骤，具体包括如下步骤：

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第一磁性材料，形成第一磁性材料层；

步骤S3、沉积第一介质材料，形成第一介质材料层；

步骤S4、沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；

步骤S5、回刻第二磁性材料层，刻蚀至第一介质材料层上、位于沟槽内第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；回刻第二磁性材料层，仅保留第一介质材料层上、位于沟槽内第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；

步骤S6、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层，用以保护位于第一介质材料层侧壁的第二磁性材料；

步骤S7、沉积光刻胶，曝光，显影；

步骤S8、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，导磁单元包括位于沟槽侧壁的部分以及第一介质材料层侧壁的部分，导磁单元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S9、沉积第三介质材料；

步骤S10、通过光刻工艺和刻蚀工艺形成接触窗口；

步骤S11、沉积金属层，并刻蚀，形成感应单元的电极层。

6.根据权利要求5所述的磁传感装置的制备工艺，其特征在于：

所述制备工艺包括制备X轴、Y轴磁传感部件的步骤。