CN104483637A - 提高第三轴感应能力的磁传感器及其制备工艺 - Google Patents

提高第三轴感应能力的磁传感器及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种提高第三轴感应能力的磁传感器及其制备工艺，制备工艺包括：在基底上形成沟槽阵列；沉积第一磁性材料；沉积第一介质材料；沉积第二介质材料；通过光刻工艺，形成磁传感单元图形；沉积第三介质材料，形成第三介质材料层，沟槽被部分填充；沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；通过刻蚀工艺回刻平面上的部分或全部第二磁性材料层,保留沟槽里面的第二磁性材料；沉积第四介质材料；制造通孔和电极。本发明提出的提高第三轴感应能力的磁传感器及其制备工艺，可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；又不会增加第一层磁性材料在第一、第二轴方向的磁性材料的厚度，因而不会影响第一、第二轴方向的灵敏度。

Description

提高第三轴感应能力的磁传感器及其制备工艺
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种磁传感器，尤其涉及一种提高第三轴感应能力的磁传感器；同时，本发明还涉及一种上述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。
为了提高竞争力，一种方案将X轴、Y轴、Z轴感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，提高了磁传感器的可制造性、磁感应能力，价格也相应降低。如中国专利CN201210563667.3揭示了一种磁传感装置及其磁感应方法，该第三方向(Z轴)磁传感部件包括：基底、导磁单元、感应单元、外围电路；基底的表面开有沟槽；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Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。
然而，由于导磁单元与感应单元通常同时制备，导磁单元采用沉积的方式设置在沟槽的侧壁，因此导磁单元的厚度较薄，导致第三轴方向的灵敏度不佳。而如果通过增加沉积厚度，使得导磁单元沉积到适合的厚度，会使得感应单元的厚度较厚，又降低第一轴、第二轴的灵敏度，还会削弱传感器的检测范围。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感器和制造工艺，以便克服现有磁传感器的上述缺陷，在不损失第一和第二方向磁传感器性能的前提下，提升第三方向的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种提高第三轴灵敏度的磁传感器的制备工艺，可提高第三轴的感应能力，又不会影响第一轴、第二轴方向的灵敏度。
此外，本发明还提供一种提高第三轴灵敏度的磁传感器，可提高第三轴的感应能力，又不会影响第一轴、第二轴方向的灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、在基底上形成沟槽阵列；
步骤S2、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S5、通过光刻工艺，形成磁传感器单元图形；
步骤S6、沉积第三介质材料，形成第三介质材料层，沟槽被部分填充；
步骤S7、沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；
步骤S8、通过刻蚀工艺回刻平面上的部分或全部第二磁性材料层,保留沟槽里面的第二磁性材料；
步骤S9、沉积第四介质材料，形成第四介质材料层；
步骤S10、制造通孔和电极。
作为本发明的一种优选方案，所述方法步骤S3、S5之间还包括步骤S4、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S5中，生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，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，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元；所述感应单元靠近沟槽设置，用以接收所述导磁单元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；
所述导磁单元包括第一导磁单元、第二导磁单元，第一导磁单元为沉积的第一磁性材料而后经步骤S5光刻形成；第二导磁单元为沉积第二磁性材料而后经步骤S8刻蚀形成。
作为本发明的一种优选方案，所述制备工艺还包括：
制备第一磁传感器、第二磁传感器的步骤，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。
作为本发明的一种优选方案，所述第一磁性材料与第二磁性材料相同，或者不同。
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料。
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为镍铁合金。
所述基底含有CMOS电路，或者不含CMOS电路。
作为本发明的一种优选方案，所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
一种提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括：
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；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；第二导磁单元设置于沟槽内；导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；
感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元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。
作为本发明的一种优选方案，所述磁传感器还包括第一磁传感器、第二磁传感器，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。
作为本发明的一种优选方案，所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
作为本发明的一种优选方案，所述第一磁性材料与第二磁性材料相同，或者不同。
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料。
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为镍铁合金。
所述基底含有CMOS电路，或者不含CMOS电路。
本发明的有益效果在于：本发明提出的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，可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；又不会增加第一层磁性材料在第一、第二轴方向的磁性材料的厚度，因而不会影响第一、第二轴方向的灵敏度。并且在侧壁上面第二导磁单元与第一导磁单元是被介质层隔开的，所以第二导磁单元起到帮助收集磁场的同时不会影响第三轴本身的作用。
附图说明
图1为本发明磁传感器制备工艺步骤S4后的示意图。
图2为本发明磁传感器制备工艺步骤S5沉积光刻胶的示意图。
图3为本发明磁传感器制备工艺步骤S5后的示意图。
图4为本发明磁传感器制备工艺步骤S6后的示意图。
图5为本发明磁传感器制备工艺步骤S7后的示意图。
图6为本发明磁传感器制备工艺步骤S8后的示意图。
图7为本发明磁传感器制备工艺步骤S9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1至图7，本发明揭示了一种提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：
【步骤S1】在基底1上形成沟槽11阵列。基底1可以通过沉积介质材料形成，在基底上形成若干沟槽11，形成沟槽阵列。基底含有CMOS电路，或者不含CMOS电路。
【步骤S2】沉积第一磁性材料，如Ni-Fe，形成第一磁性材料层2；
【步骤S3】沉积第一介质材料(如TaN)，形成第一介质材料层3；
【步骤S4】如图1所示，沉积第二介质材料(如S i N)，形成第二介质材料层4；
【步骤S5】通过光刻工艺，形成磁传感单元(以AMR为例)图形。如图2、图3所示，先设置光刻胶5，而后通过光刻工艺形成AMR图形。
本步骤中，生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，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，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元；所述感应单元靠近沟槽设置，用以接收所述导磁单元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。
所述导磁单元包括第一导磁单元、第二导磁单元，第一导磁单元为沉积的第一磁性材料而后经步骤S5光刻形成；第二导磁单元为沉积第二磁性材料而后经步骤S8刻蚀形成。
【步骤S6】如图4所示，沉积第三介质材料(如S i N)，形成第三介质材料层6，沟槽被部分填充；
【步骤S7】如图5所示，沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层7，第二磁性材料与第一磁性材料相同，或者不同；如材料是Ni-Fe，其组份与第一磁性材料完全相同，或者有差异，即Ni和Fe原子在材料中的占比不同；或者材料是不同于Ni-Fe的其他磁性材料，例如GMR或者TMR材料。
【步骤S8】如图6所示，通过刻蚀工艺回刻平面上的部分或全部第二磁性材料层,保留沟槽里面的第二磁性材料71；
【步骤S9】如图7所示，沉积第四介质材料，形成第四介质材料层8；
【步骤S10】制造通孔和电极，以及后续的层次，可包括用于自检测或者ST/RST的电流以及驱动。
所述制备工艺还可以包括：制备第一磁传感器、第二磁传感器的步骤，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
请结合图6，本发明还揭示一种提高第三轴感应能力的磁传感器，所述磁传感器包括基底1、导磁单元、感应单元；基底1的表面开有沟槽11。
导磁单元包括第一导磁单元22、第二导磁单元71；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1表面；第二导磁单元71设置于沟槽1内；导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出。第一导磁单元22、第二导磁单元71之间设有介质材料。第二导磁单元71的厚度大于第一导磁单元22，第二导磁单元71可以有效的帮助收集第三方向的磁场
感应单元21设置于所述基底1表面上，用以接收所述导磁单元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。感应单元21可以与第一导磁单元22连为一体，也可以分离设置。
所述磁传感器还可以包括第一磁传感器、第二磁传感器，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
综上所述，本发明提出的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，可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；又不会增加第一层磁性材料在第一、第二轴方向的磁性材料的厚度，因而不会影响第一、第二轴方向的灵敏度。
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 (16)

1.一种提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、在基底上形成沟槽阵列；
步骤S2、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S5、通过光刻工艺，形成磁传感单元图形；
步骤S6、沉积第三介质材料，形成第三介质材料层，沟槽被部分填充；
步骤S7、沉积第二磁性材料，形成第二磁性材料层；
步骤S8、通过刻蚀工艺回刻平面上的部分或全部第二磁性材料层,保留沟槽里面的第二磁性材料；
步骤S9、沉积第四介质材料，形成第四介质材料层；
步骤S10、制造通孔和电极。
2.根据权利要求1所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述方法步骤S3、S5之间还包括步骤S4、沉积第二介质材料，形成第二介质材料层。
3.根据权利要求1所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述步骤S5中，生成磁传感单元的图形，形成感应单元的磁材料层，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，用以收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元；所述感应单元靠近沟槽设置，用以接收所述导磁单元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；
所述导磁单元包括第一导磁单元、第二导磁单元，第一导磁单元为沉积的第一磁性材料而后经步骤S5光刻形成；第二导磁单元为沉积第二磁性材料而后经步骤S8刻蚀形成。
4.根据权利要求1所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述制备工艺还包括：
制备第一磁传感器、第二磁传感器的步骤，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。
5.根据权利要求4所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
6.根据权利要求1所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
第一磁性材料与第二磁性材料相同，或者不同。
7.根据权利要求1至6之一所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料。
8.根据权利要求1至6之一所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为镍铁合金。
9.根据权利要求1至6之一所述的提高第三轴感应能力的磁传感器的制备工艺，其特征在于：
基底含有CMOS电路，或者不含CMOS电路。
10.一种提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括：
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；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；第二导磁单元设置于沟槽内；导磁单元用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；
感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元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。
11.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：
所述磁传感器还包括第一磁传感器、第二磁传感器，第一磁传感器、第二磁传感器分别用以感应与基底表面平行的第一方向、第二方向，第一方向、第二方向相互垂直。
12.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：
所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三轴为Z轴方向。
13.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：第一导磁单元与第二导磁单元的磁性材料相同，或者不同。
14.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料。
15.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：
所述第一磁性材料或/和第二磁性材料为镍铁合金。
16.根据权利要求10所述的提高第三轴感应能力的磁传感器，其特征在于：
基底含有CMOS电路，或者不含CMOS电路。
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