CN104793150A - 一种磁传感器及该磁传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感器及该磁传感器的制备方法，所述磁传感器包括依次设置的第一绝缘介质层、磁性材料层、缓冲层、保护层。所述缓冲层使磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的保护层，不会影响表面材料的性质。所述缓冲层为晶粒小于保护层的薄膜，为金属或非金属。本发明提出的磁传感器及该磁传感器的制备方法，通过在磁性材料层与保护层中间加入一层相对较薄的缓冲层可以很好的提升磁性材料的磁特性，dR/R提升20%，并使得最终的磁传感器的灵敏度有了大幅度的提升。

Description

一种磁传感器及该磁传感器的制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件及工艺技术领域，涉及一种传感器，尤其涉及一种磁传感器；同时，本发明还涉及一种磁传感器的制备方法。

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。

现有磁传感器的制备工艺通常包括如下步骤：步骤1、晶圆片上沉积相对较薄的第一层介质层；步骤2、沉积磁性材料；步骤3、沉积第二层介质层。

请参阅图6，现有制备工艺制得的磁传感器，包括基底（晶圆片）1、第一绝缘介质层2、磁性材料层3、第二介质层4；磁性材料层3直接接触到晶粒相对大的第二介质层4，从而影响表面材料的性质。反应在磁特性上面的表现是dR/R仅有2.5%左右，使得磁传感器的灵敏度不高。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感器的制备方法，以便克服现有制备方法的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁传感器，可大幅度提升磁传感器的灵敏度。

此外，本发明还提供一种磁传感器的制备方法，可大幅度提升磁传感器的灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括依次设置的第一绝缘介质层、磁性材料层、缓冲层、保护层。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同或者不同。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同时，各元素的含量相同，或者不同。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层的厚度在之间。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层为一层或者多层。

作为本发明的一种优选方案，所述磁性材料为AMR，或为TMR，或为GMR材料。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层使磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的保护层，不会影响表面材料的性质。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层的材料为晶粒小于保护层材料的薄膜，为金属或非金属。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层为含Ta材料，或为含Ti材料。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层为TaN材料。

作为本发明的一种优选方案，保护层为TaN材料，缓冲层为TaN材料，缓冲层的含氮量高于保护层，且缓冲层的电阻值大于保护层。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感器为二轴磁传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感器为三轴磁传感器，三轴磁传感器包括导磁单元、感应单元；所述感应单元包括第一磁性材料单元、电极层；

所述第一磁性材料单元、导磁单元形成所述磁性材料层，所述磁性材料层的上方沉积有缓冲层；

所述第一绝缘介质层表面开有沟槽；导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至第一绝缘介质层表面，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。

一种磁传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S1、在晶圆片上沉积第一绝缘介质层；

步骤S2、在第一绝缘介质层上沉积磁性材料，形成磁性材料层；

步骤S3、在磁性材料层上沉积一层或多层缓冲层；

步骤S4、在缓冲层上沉积保护层；

步骤S5、在保护层上沉积第三介质层；

步骤S6、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器单元图形；

步骤S7、沉积第四层介质层；

步骤S8、通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，保护层为TaN材料。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感器为三轴磁传感器，三轴磁传感装置包括Z轴磁传感器，所述制备方法包括制备Z轴磁传感器的方法；Z轴磁传感器的制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、在基底上沉积第一介质材料，形成第一绝缘介质层，在第一绝缘介质层表面上形成沟槽；

步骤2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁性材料，形成磁性材料层，磁性材料层的一部分位于第一绝缘介质层表面，另一部分位于沟槽内；或者在沉积磁性材料层之前先沉积第二绝缘介质层材料，再沉积磁性材料；

步骤3、在所述磁性材料层上沉积一层或多层缓冲层；

步骤4、在缓冲层上沉积保护材料，形成保护材料层；

步骤5、在保护材料层上沉积第三层介质层；

步骤6、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁材料单元图形；

步骤7、沉积第四层介质层；

步骤8、通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中，保护层为TaN材料；

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感器及该磁传感器的制备方法，通过在磁性材料层与保护层中间加入一层相对较薄的缓冲层可以很好的提升磁性材料的磁特性，dR/R提升20%以上，并使得最终的磁传感器的灵敏度有了大幅度的提升。

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为现有制备方法制备磁传感器的示意图。

图7为本发明制备方法制备磁传感器的示意图。

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7，本发明揭示了一种磁传感器，所述磁传感器包括依次设置的基底1、第一绝缘介质层2、磁性材料层3、缓冲层5、保护材料层4。所述缓冲层5使磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的保护层4，不会影响表面材料的性质。本实施例中，所述磁传感器为二轴磁传感器。

所述第一绝缘介质层2为SiN材料，磁性材料为NiFe（也可以是其他AMR或者GMR或者TMR材料），保护层4的材料为TaN材料。对缓冲层5的需求是晶粒比较小的薄膜，可以是金属，也可以是非金属；如可以使用的是阻值相对比较高的TaN；缓冲层材料的含氮量比保护层材料高，缓冲层的电阻值远大于保护层。缓冲层与保护层不同，缓冲层的含氮量要比保护层高，是一层阻值更高的TaN，现有工艺要求是需要可以导通的，所以可以选择金属层，如果只是考虑磁特性的话，可以选择非金属层，比如SiN的表现会更好。

以上介绍了本发明磁传感器的结构，本发明在揭示上述结构的同时，还揭示上述磁传感器的制备方法包括如下步骤：

【步骤S1】在晶圆片1上沉积第一绝缘介质层2；第一绝缘介质层2可以为SiN材料，也可以是一层或者多层的绝缘介质层；

【步骤S2】在第一绝缘介质层2上沉积磁性材料，形成磁性材料层3；磁性材料可以为NiFe等磁性材料；

【步骤S3】在磁性材料层3上沉积一层或者多层缓冲层5；所述缓冲层的材料为晶粒小于保护层材料的薄膜，为金属或非金属。所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同或者不同。所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同时，各元素的含量相同，或者不同。本实施例中，所述缓冲层的厚度在之间；所述磁性材料为AMR，或为TMR，或为GMR材料。

【步骤S4】在缓冲层5上沉积保护层4，保护层可以为TaN材料；

【步骤S5】在保护层4上沉积第三层介质层，第三层介质层可以为SiN材料；

【步骤S6】通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器单元图形；

【步骤S7】沉积第四层介质层，第四层介质层可以为SiN材料。

【步骤S8】通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层，制造通孔和电极。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述磁传感器为三轴磁传感器，三轴磁传感装置包括Z轴磁传感器，Z轴磁传感器包括导磁单元、感应单元；所述感应单元包括第一磁性材料单元、电极层。所述第一磁性材料单元、导磁单元形成所述磁性材料层，所述磁性材料层的上方沉积有缓冲层。如果缓冲层选用非金属，刻蚀的过程中必须把缓冲层也一并打开，使得电极层直接接触到磁性材料。

所述第一绝缘介质层表面开有沟槽；导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至第一绝缘介质层表面，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。

本实施例中，所述制备方法包括制备Z轴磁传感器的流程，所述Z轴磁传感器的制备方法具体包括如下步骤：

【步骤1】在基底上沉积第一介质材料，形成第一绝缘介质层，在第一绝缘介质层表面上形成沟槽；第一绝缘介质层可以为SiN材料；

【步骤2】在所述设有沟槽的基底上沉积磁性材料，形成磁性材料层，磁性材料层的一部分位于第一绝缘介质层表面，另一部分位于沟槽内；磁性材料可以为NiFe材料；

【步骤3】在所述磁性材料层上沉积一层或多层缓冲层；所述缓冲层的材料为晶粒小于保护层材料的薄膜，为金属或非金属。所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同或者不同。所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同时，各元素的含量相同，或者不同。本实施例中，所述缓冲层的厚度在之间；所述磁性材料为AMR，或为TMR，或为GMR材料。

【步骤4】在缓冲层上沉积第二介质材料，形成第二介质材料层；保护层可以为TaN材料；

【步骤5】在保护层上沉积第三层介质层；第三层介质层可以为SiN材料；

【步骤6】通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器单元图形；

【步骤7】沉积第四层介质层，第四层介质层可以为SiN材料；

【步骤8】通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层，制造通孔和电极。

综上所述，本发明提出的磁传感器及该磁传感器的制备方法，通过在磁性材料层与保护层中间加入一层相对较薄的缓冲层可以很好的提升磁性材料的磁特性，dR/R提升20%，并使得最终的磁传感器的灵敏度有了大幅度的提升。

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 (17)

1.一种磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括依次设置的第一绝缘介质层、磁性材料层、缓冲层、保护层。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同或者不同。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层与保护层材料含有的元素相同时，各元素的含量相同，或者不同。

4.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层的厚度在之间。

5.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层为一层或者多层。

6.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述磁性材料为AMR，或为TMR，或为GMR材料。

7.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层使磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的保护层，不会影响表面材料的性质。

8.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层的材料为晶粒小于保护层材料的薄膜，为金属或非金属。

9.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层为含Ta材料，或为含Ti材料。

10.利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述缓冲层为TaN材料。

11.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

保护层为TaN材料，缓冲层为TaN材料，缓冲层的含氮量高于保护层，且缓冲层的电阻值大于保护层。

12.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述磁传感器为二轴磁传感器。

13.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述磁传感器为三轴磁传感器，三轴磁传感器包括导磁单元、感应单元；所述感应单元包括第一磁性材料单元、电极层；

所述第一磁性材料单元、导磁单元形成所述磁性材料层，所述磁性材料层的上方沉积有缓冲层和保护层；

所述第一绝缘介质层表面开有沟槽；导磁单元的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至第一绝缘介质层表面，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。

14.一种磁传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S1、在晶圆片上沉积第一绝缘介质层；

步骤S2、在第一绝缘介质层上沉积磁性材料，形成磁性材料层；

步骤S3、在磁性材料层上沉积一层或多层缓冲层；

步骤S4、在缓冲层上沉积保护层；

步骤S5、在保护层上沉积第三介质层；

步骤S6、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器单元图形；

步骤S7、沉积第四层介质层；

步骤S8、通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：

所述步骤S4中，保护层为TaN材料。

16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：

所述磁传感器为三轴磁传感器，三轴磁传感装置包括Z轴磁传感器，所述制备方法包括制备Z轴磁传感器的方法；Z轴磁传感器的制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、在基底上沉积第一介质材料，形成第一绝缘介质层，在第一绝缘介质层表面上形成沟槽；

步骤2、在所述设有沟槽的基底上沉积磁性材料，形成磁性材料层，磁性材料层的一部分位于第一绝缘介质层表面，另一部分位于沟槽内；或者在沉积磁性材料层之前先沉积第二绝缘介质层材料，再沉积磁性材料；

步骤3、在所述磁性材料层上沉积一层或多层缓冲层；

步骤4、在缓冲层上沉积保护材料，形成保护材料层；

步骤5、在保护材料层上沉积第三层介质层；

步骤6、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁材料单元图形；

步骤7、沉积第四层介质层；

步骤8、通过光刻与刻蚀工艺，将所需要的与电极层连接的部分打开，刻蚀停在缓冲层上，然后沉积金属层。

17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于：

所述步骤4中，保护层为TaN材料。