CN104793156B - 磁传感装置的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置的制备方法，包括：步骤S1、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缓冲层；步骤S4、沉积第二绝缘介质层，材料为非导电材料，使得缓冲层位于磁性材料层与第二绝缘介质层中间；步骤S5、通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层打开，并且停在缓冲层上，或者停在磁性材料层上；步骤S6、接着去除光刻胶；步骤S7、通过刻蚀工艺将磁性材料层打开。本发明提出的磁传感装置的制备方法，在磁性材料之后沉积的第二绝缘介质层为非导电材料，使得这样的材料在稍后的刻蚀工艺当中不会产生过多的副产物，从而提高制得的磁传感装置的精度及灵敏度。

Description

磁传感装置的制备方法

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种传感器的制备方法，尤其涉及一种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。

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介质层；步骤2、沉积磁性材料；步骤3、沉积第二介质层。

现有制备工艺制得的磁传感器，磁性材料直接接触到晶粒相对大的第二介质层，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较低，仅有2.5%左右，使得磁传感器的灵敏度不高。

此外，现有在磁性材料之后沉积的第二介质层是导电材料，刻蚀时容易产生副产物，比较难去除。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种磁传感装置的制备方法，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：提供一种磁传感装置的制备方法，减少刻蚀工艺当产生的副产物。

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方法，所述制备方法包括：

步骤S1、在基底上沉积第一绝缘介质层，第一绝缘介质层材料为一层或者多层；

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者多层缓冲层；

步骤S4、沉积第二绝缘介质层，第二绝缘介质层为单层或者多层；

步骤S5、通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层打开，并且停在缓冲层上，或者停在磁性材料层上；

步骤S6、接着去除光刻胶；

步骤S7、通过刻蚀工艺将磁性材料层打开。

作为本发明的一种优选方案，所述方法进一步包括：

步骤S8、在第二绝缘介质层上沉积第三层介质层；

步骤S9、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器图形；

步骤S10、沉积第四层介质层；

步骤S11、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S1中，第一绝缘介质层为SiN材料；步骤S2中，磁性材料层为NiFe材料；步骤S4中，第二绝缘介质层为SiN材料。

作为本发明的一种优选方案，所述磁传感装置为三轴磁传感装置，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轴磁传感器的步骤，具体包括：

步骤1、在基底上沉积第一介质材料，形成第一绝缘介质层，第一绝缘介质层为一层或者多层；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；

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、在缓冲层上沉积第二绝缘介质层；

步骤5、通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层打开，并且停在缓冲层上，或者停在磁性材料层上；

步骤6、接着去除光刻胶；

步骤7、通过刻蚀工艺将磁性材料层打开。

作为本发明的一种优选方案，所述制备Z轴磁传感器的步骤还包括：

步骤8、在第二绝缘介质层上沉积第三层介质层；

步骤9、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器图形；

步骤10、沉积第四层介质层；

步骤11、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，所述缓冲层的材料为晶粒比第二绝缘介质层材料小的薄膜，为金属或非金属。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层的材料为TaN。

作为本发明的一种优选方案，所述Z轴磁传感器包括感应单元、导磁单元；

所述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；

所述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。

作为本发明的一种优选方案，所述磁性材料为AMR或TMR或GMR。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲层的厚度在之间。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置的制备方法，在磁性材料之后沉积的第二绝缘介质层为非导电材料，使得这样的材料在稍后的刻蚀工艺当中不会产生过多的副产物，从而提高制得的磁传感装置的精度及灵敏度。

此外，本发明通过在磁性材料层与第二绝缘介质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。原因在于，磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的第二绝缘介质层，从而影响表面材料的性质。具体反应在磁特性上面的表现是dR/R从原先的2.5%提升至2.9%以上，，如此的磁特性的改善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S8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、图7，本发明揭示了一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括：

【步骤S1】在晶圆片（基底）1上沉积第一绝缘介质层2，第一绝缘介质层2可以为一层或者多层；第一绝缘介质层可以为SiN材料；

【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；磁性材料层3可以为NiFe材料；所述磁性材料为AMR或TMR或GMR。

【步骤S3】在磁性材料层3上沉积一层或多层缓冲层4（如可以为一层、两层或更多层的结构）；缓冲层4需要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或者SiN。本实施例中，所述缓冲层的厚度在之间。

【步骤S4】沉积第二绝缘介质层5；第二绝缘介质层5可以为SiN材料；

【步骤S5】通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层5打开，并且停在缓冲层4上，或者停在磁性材料层3上；

【步骤S6】接着去除光刻胶；

【步骤S7】通过刻蚀工艺将磁性材料层3打开。后续步骤可以为正常的AMR工艺。

【步骤S8】在第二绝缘介质层5上沉积第三层介质层6；

【步骤S9】通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器图形；

【步骤S10】沉积第四层介质层；

【步骤S11】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，所述磁传感装置为三轴磁传感装置，三轴磁传感装置包括Z轴磁传感器。

所述Z轴磁传感器包括感应单元、导磁单元；所述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；所述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。

所述制备方法包括制备Z轴磁传感器的步骤，具体包括：

【步骤1】在晶圆片（基底）1上沉积第一介质材料，形成第一绝缘介质层，第一绝缘介质层为一层或多层结构，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；缓冲层需要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。本实施例中，所述缓冲层的厚度在之间。

【步骤4】在缓冲层上沉积第二绝缘介质层；第二绝缘介质层可以为SiN材料；

【步骤5】通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层打开，并且停在缓冲层上，或者停在磁性材料层上；

【步骤6】接着去除光刻胶；

【步骤7】通过刻蚀工艺将磁性材料层打开。后续步骤可以为正常的AMR工艺。

【步骤8】在第二绝缘介质层上沉积第三层介质层；

【步骤9】通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器图形；

【步骤10】沉积第四层介质层；

【步骤11】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装置的制备方法，在磁性材料之后沉积的第二绝缘介质层为非导电材料，使得这样的材料在稍后的刻蚀工艺当中不会产生过多的副产物，从而提高制得的磁传感装置的精度及灵敏度。

此外，本发明通过在磁性材料层与第二绝缘介质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。原因在于，磁性材料不会直接接触到晶粒相对大的第二绝缘介质层，从而影响表面材料的性质。具体反应在磁特性上面的表现是dR/R提升了接近20%以上。如此的磁特性的改善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 (3)

1.一种磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述磁传感装置为三轴磁传感装置，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轴磁传感器的步骤，具体包括：

步骤1、在基底上沉积第一绝缘介质材料，形成第一绝缘介质层，第一绝缘介质层为一层或者多层；在第一绝缘介质层表面上形成沟槽；

步骤2、在形成沟槽的第一绝缘介质层上沉积磁性材料，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；

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比第二绝缘介质层材料小的薄膜，为金属或非金属；所述缓冲层的材料为TaN；

步骤4、在缓冲层上沉积第二绝缘介质层；第二绝缘介质层为单层或者多层；

步骤5、通过光刻与刻蚀工艺将第二绝缘介质层打开，并且停在缓冲层上，或者停在磁性材料层上；

步骤6、接着去除光刻胶；

步骤7、通过刻蚀工艺将磁性材料层打开；

步骤8、在第二绝缘介质层上沉积第三层介质层；

步骤9、通过光刻与刻蚀工艺，形成磁传感器图形；

步骤10、沉积第四层介质层；

步骤11、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；

所述Z轴磁传感器包括感应单元、导磁单元；

所述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；

所述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。

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：

所述步骤1中，第一绝缘介质层为SiN材料；步骤2中，磁性材料层为NiFe材料；步骤4中，第二绝缘介质层为SiN材料。

3.根据权利要求1或2所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述缓冲层的厚度在之间。