CN105140389A - 一种三轴磁传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三轴磁传感器的制造方法，采用各向同性刻蚀工艺快速去除光刻胶层暴露出的硬掩膜层和氮化钽层，之后采用灰化工艺去除了图案化的光刻胶，提供了良好的磁性材料层刻蚀工艺窗口，避免了磁阻层形成过程中阴影效应，然后采用离子束物理刻蚀工艺(IBE)先刻蚀去除磁阻层两侧的沟槽侧壁上的多余磁性材料层，然后在去除底部上的多余磁性材料层，最大程度化地避免对待形成磁阻层的沟槽侧壁上氮化钽层和磁性材料层的侧向刻蚀以及残留聚合物累积，并保证获得垂直度较高的沟槽侧面效果以及更加精细的磁阻层，提高了制造的三轴磁传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS器件制造领域，尤其涉及一种三轴磁传感器的制造方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS)是指微细加工技术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的微型器件或系统，其制造过程是以薄膜沉积、光刻、外延、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工过程，尺寸通常在微米或纳米级。其中，磁传感器是一种MEMS器件，它可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器件，磁传感器包括巨磁阻传感器(GiantMagnetoResistiveSensor，GMR)、各向异性磁阻传感器(AnisotropicMagnetoResistiveSensor，AMR)等。以各向异性磁阻传感器为例，镍铁合金层作为磁阻层。当外界磁场施加到磁阻层上时，磁阻层的磁畴旋转，使得磁阻层的电阻发生改变，磁阻层电阻的变化就反应在输出电压变化，实现检测外加磁场的目的。近几年，各向异性磁阻传感器技术的发展，已经历了单轴磁传感器、双轴磁传感器到三轴(3D)磁传感器。在现有技术中，三轴磁传感器以其可全面检测空间X、Y、Z三个方向上的磁信号，而得到普遍应用。
现有技术的AMR三轴磁传感器的制程中，X轴和Y轴的磁阻材料形成在平面上，而Z轴的磁阻材料需要和X轴及Y轴形成的平面垂直，因此，请参考图1，图1是现有AMR三轴磁传感器Z轴磁阻层形成后的SEM图谱，要形成轴磁阻层，要先形成一个与平面垂直的沟槽(Trench，由侧壁a、b、c、d以及底面e围合而成)，以便将Z轴磁阻材料形成在沟槽的侧壁a以及沟槽侧壁a附近的顶部表面上。具体过程通常包括以下步骤：请参考图2A，首先在基底100上形成层间介质层101，随后在层间介质层101中形成沟槽(trench)，深度大约为3～4微米；此后在形成有沟槽的层间介质层101上依次形成氮化硅等扩散阻挡层(起扩散阻挡作用，未图示)、镍铁合金层102(作为磁性材料层，厚度230埃米左右)和氮化钽层103(TaN，作为导电材料和掩膜材料，厚度900埃米左右)，从而在沟槽中也形成氮化硅层、镍铁合金层和氮化钽层的叠层；此后在氮化钽层103上形成氮化硅等硬掩膜层104，厚度为600埃米左右；之后填充光刻胶，使光刻胶完全填充深沟槽，并提供平坦表面，对光刻胶进行曝光及显影，形成图形化的光刻胶层105，图形化的光刻胶层105定义镍铁合金层102用于形成Z轴磁阻层的位置，结合图1，所述Z轴磁阻层包括：所述沟槽侧壁a上的镍铁合金层、与该侧壁a接触的沟槽部分底面e上的镍铁合金层、与该侧壁接触的沟槽周围部分顶部上的镍铁合金层。此后，以图形化的光刻胶层105为掩模，依次各向异性刻蚀硬掩膜层104、氮化钽层103以及磁性材料层102，形成Z轴磁阻层；然后请参考图2B，通过灰化工艺去除光刻胶，并通过氢氟酸等湿法腐蚀溶液湿法清洗(SolventClean)沟槽表面，以去除刻蚀残留物，位于磁阻层上的剩余氮化钽层103用于保护磁阻层，避免磁阻层直接暴露在空气中而遭到氧化腐蚀。
而上述的这种AMR三轴磁传感器的制造方法造成磁传感器性能不佳，主要原因如下：
一方面，由于沟槽深度很大，光刻胶填充在沟槽内部剩余空间内以及沟槽周围表面，经过曝光、显影等一系列光刻工艺后形成的图案化光刻胶层105，其在沟槽周围顶部表面部分的厚度H1小于在沟槽侧壁上的高度H2(H2一般为H1的3～4倍)，容易出现沟槽内的深紫外光刻胶未完全显影的情况，还可能出现期望留下光刻胶的沟槽侧壁上没有光刻胶的情况，同时还会形成阴影效应，从而影响后续磁阻层的刻蚀精度，使得最终形成的磁阻层的尺寸与目标尺寸差距较大。
另一方面，由于沟槽深宽比很大，硬掩膜层、氮化钽层以及磁性材料层等同样在沟槽周围顶部表面的沉积厚度大于沟槽侧壁的沉积厚度，而在等离子体干法刻蚀磁性材料层形成Z轴磁阻层的过程中，沟槽侧壁与其他表面上多余的磁性材料层同时去除，所以容易造成沟槽侧壁过刻蚀而沟槽底面欠刻蚀的情况，使得刻蚀后保留的Z轴磁阻层的尺寸一致性欠佳，最终造成表面缺陷，甚至会造成磁阻层断开，最终导致Z轴磁传感器敏感度降低、不稳定甚至失效；而且由于硬掩膜层的厚度较薄，沟槽侧壁的硬掩膜层无法阻挡等离子体对沟槽侧壁的氮化钽层、磁阻层表面的轰击损害，可能会造成Z轴磁阻与沟槽侧壁剥离，造成器件不良。
因此需要一种新的三轴磁传感器的制造方法，能够避免沟槽高深宽比对磁阻层刻蚀带来的不利影响，获得较好的磁阻层表面形貌，提高器件性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三轴磁传感器的制造方法，能够避免沟槽高深宽比对磁阻层刻蚀带来的不利影响，获得较好的磁阻层表面形貌，提高器件性能。
为解决上述问题，本发明提出一种三轴磁传感器的制造方法，包括以下步骤：
提供一形成有沟槽的半导体衬底，所述沟槽的深度方向与半导体衬底厚度方向一致；
在包括沟槽表面在内的半导体衬底表面上依次形成磁性材料层、氮化钽层、硬掩膜层以及图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层定义待形成的磁阻层的位置；
以所述图案化的光刻胶层为掩膜，依次各向同性刻蚀所述硬掩膜层和氮化钽层，保留所述图案化的光刻胶层下方的硬掩膜层和氮化钽层；
采用灰化处理工艺去除所述图案化的光刻胶层；
以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈钝角的离子束物理刻蚀工艺分别去除与待形成的磁阻层所在沟槽侧壁相接触的两个沟槽侧壁上的磁性材料层；
继续以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈直角的离子束物理刻蚀工艺去除所述沟槽底面上的部分磁性材料层，以形成磁阻层，所述磁阻层包括一个沟槽侧壁表面上的磁性材料层、与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽底面上的的磁性材料层以及与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽周围顶部表面上的的磁性材料层。
进一步的，所述各向同性刻蚀的工艺参数包括：氟基气体流量为60sccm～100sccm，源射频功率为1000W～1400W，偏置射频功率为10W～30W，工作压强为15Mtorr～25Mtorr。
进一步的，所述沟槽的两个相对的侧壁处均形成所述磁阻层。
进一步的，所述沟槽仅有一个侧壁处形成有所述磁阻层，所述方法还包括：采用离子束入射角为钝角的离子束物理刻蚀工艺去除与所述磁阻层相对的沟槽侧壁上的磁性材料层。
进一步的，所述钝角为130度。
进一步的，所述离子束物理刻蚀工艺的工艺参数包括：工艺气体为Ar，气体流量为5sccm～25sccm。
进一步的，所述磁性材料层为所述氮化钽层为所述硬掩膜层为
进一步的，所述磁性材料层为Ni-Fe合金、Ni-Fe-Cr合金、Ni-Fe-Nd合金、Ni-Fe-Cr合金或Fe-Ni-Co合金。
进一步的，所述硬掩膜层为氮化硅或氮氧化硅。
进一步的，在所述硬掩膜层上形成图案化的光刻胶层之间，采用有机材料填满沟槽并覆盖沟槽周围的硬掩膜层上表面，为所述光刻胶提供平坦工艺表面。
进一步的，采用高于200℃的高温灰化工艺去除包括所述图案化的光刻胶在内的有机材料。
进一步的，在去除图案化的光刻胶之前，采用氟基气体与氧气的混合气体进行温度低于200℃的低温灰化工艺，去除刻蚀过程中反应产生的聚合物残留。
进一步的，提供一半导体衬底的步骤包括：
提供一基底，在所述基底上形成层间介质层；
刻蚀所述层间介质层以在层间介质层中形成沟槽。
与现有技术相比，本发明提供的三轴磁传感器的制造方法，具有以下有益效果：
1、采用一道各向同性刻蚀工艺快速去除光刻胶层暴露出的硬掩膜层和氮化钽层，由此能够快速去除沟槽中硬掩膜层和氮化钽层，打开沟槽中的磁性材料层刻蚀窗口，保证刻蚀表面效果的同时，减少工艺时间。
2、在刻蚀磁性材料层之前，先采用灰化工艺去除了图案化的光刻胶，避免了磁阻层形成过程中由沟槽的高深宽比造成的光刻胶阴影效应，同时除去了硬掩膜层和氮化钽层刻蚀过程中产生的含钽聚合物，保证了刻蚀磁性材料层的工艺窗口尺寸精度。
3、采用离子束物理刻蚀工艺(IBE)先刻蚀去除磁阻层两侧的沟槽侧壁上的多余磁性材料层，然后在去除底部上的多余磁性材料层，可以最大程度化地避免对待形成磁阻层的沟槽侧壁上氮化钽层和磁性材料层的侧向刻蚀以及残留物累积，并保证获得垂直度较高的沟槽侧面效果以及更加精细的磁阻层，同时进一步去除之前残留的含钽聚合物，仅仅残留离子束物理刻蚀后的颗粒，这些颗粒容易被清洗，从而简化了刻蚀后的清洗工艺，改善了磁阻层以及沟槽表面的形貌，提高了器件性能。
附图说明
图1是现有的AMR三轴磁传感器磁阻层形成后的SEM图谱；
图2A和2B是现有的AMR三轴磁传感器制造过程中的器件剖面结构示意图；
图3是本发明具体实施例的三轴磁传感器的制造方法流程图；
图4A至图4C是图3所示的制造过程中的器件结构剖面图；
图5A和5B是本发明具体实施例的三轴磁传感器沟槽侧壁和底部被IBE刻蚀后的SEM图谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。
请参考图3所示，本发明提出一种三轴磁传感器的制造方法，包括以下步骤：
S1，提供一形成有沟槽的半导体衬底，所述沟槽的深度方向与半导体衬底厚度方向一致；
S2，在包括沟槽表面在内的半导体衬底表面上依次形成磁性材料层、氮化钽层、硬掩膜层以及图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层定义待形成的磁阻层的位置；
S3，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，依次各向同性刻蚀所述硬掩膜层和氮化钽层，保留所述图案化的光刻胶层下方的硬掩膜层和氮化钽层；
S4，采用灰化处理工艺去除所述图案化的光刻胶层；
S5，以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈钝角的离子束物理刻蚀工艺分别去除与待形成的磁阻层所在沟槽侧壁相接触的两个沟槽侧壁上的磁性材料层；
S6，继续以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈直角的离子束物理刻蚀工艺去除所述沟槽底面上的部分磁性材料层，以形成磁阻层，所述磁阻层包括一个沟槽侧壁表面上的磁性材料层、与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽底面上的的磁性材料层以及与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽周围顶部表面上的的磁性材料层。
请参考图4A，在步骤S1中，提供形成有沟槽的半导体衬底的步骤包括：
首先，提供一基底400，在具体实施例中，基底400可以为硅衬底、锗衬底或者绝缘体上硅衬底等，或者还可以包括其它的材料，例如砷化镓等III-Ⅴ族化合物，然后在所述基底400上形成层间介质层401，层间介质层401的材料可以为氧化硅、氮氧化硅、TEOS或低K介质，形成方法为热氧化生长或化学气相沉积工艺，层间介质层401起到后续形成的磁性材料层与基底400之间的绝缘隔离作用；
接着，各向异性刻蚀所述层间介质层401以在层间介质层401中形成沟槽，具体地，先生长一层氮化硅等硬掩膜，然后在硬掩膜上涂布一层光刻胶，并图形化光刻胶以形成深沟槽光刻窗口，然后，以图形化光刻胶为掩膜，刻蚀硬掩膜层以及层间介质层401形成具有一定倾斜角度的深沟槽，深沟槽的角度需要与后续的有机填充材料的厚度和淀积的角度做综合考量并匹配，典型值是85度至90度，宽度为3μm以上，深度为2μm～4μm，然后通过湿法刻蚀去除硬掩膜，湿法刻蚀液是氢氟酸和硫酸的混合物，沟槽的深度一般小于层间介质层401的厚度，也就是沟槽的底部不为基底400的上表面；
最后，在形成所述沟槽的层间介质层401表面依次形成扩散阻挡层(未图示)。扩散阻挡层的材料可以为氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅，形成扩散阻挡层的方法可以为化学气相沉积，扩散阻挡层覆盖层间介质层401、沟槽的底部和侧壁，用于阻挡后续磁性材料向层间介质层401中扩散而引起短路或击穿，确保层间介质层401的绝缘隔离作用。本发明的磁传感器为3D磁传感器，最终形成的磁阻层只形成在位于沟槽的一侧侧壁的扩散阻挡层表面、与对应侧壁相连的沟槽底部的扩散阻挡层部分表面、和位于沟槽外且与对应侧壁相连的扩散阻挡层顶部部分表面，从而可以分别感应X、Y、Z三个方向的磁场信号。
请继续参考图4A，在步骤S2中，首选，通过溅射镀膜工艺或其他物理气相沉积工艺在形成沟槽的器件表面依次形成磁性材料层402以及氮化钽TaN层403，并进行退火处理，从而形成各向异性磁电阻薄膜。在3D磁传感器中，所述磁性材料层为Ni-Fe合金、Ni-Fe-Cr合金、Ni-Fe-Nd合金、Ni-Fe-Cr合金或Fe-Ni-Co合金，所述磁性材料层402后续形成磁传感器的磁阻层，当外界磁场施加到磁阻层上时，磁阻层的磁畴旋转，使得磁阻层的电阻发生改变，磁阻层电阻的变化就反应在输出电压变化，实现检测外加磁场的目的。TaN层403作为磁阻层(即刻蚀磁性材料层402形成的)的保护层，避免磁阻层暴露在空气中而遭到氧化腐蚀，扩散阻挡层阻挡磁性材料向层间介质层401中扩散，磁性材料层402用来形成磁阻层；然后通过化学气相沉积工艺在TaN层403的表面形成硬掩膜层404，其中，所述硬掩膜层404的材质为氮化硅或氮氧化硅，能够起到刻蚀阻挡的作用，并且不会与磁性材料发生反应，能够确保后续形成的各向异性磁阻的性能。本实施例中，所述磁性材料层为所述氮化钽层为 所述硬掩膜层为然后，在硬掩膜层404上形成图案化的光刻胶层405，用于定义磁阻层的位置，该位置可以只有一个，也可以有两个，即一个沟槽中可以仅形成在一个沟槽侧壁处形成磁阻层，也可以在两个相对的沟槽侧壁处分别形成一个磁阻层，本实施例中以沟槽中只有一个磁阻层位置的情况来说明本发明的技术方案。由于沟槽深度较大，在形成硬掩膜层404后，沟槽一般没有填平，此时可以先经过多次旋转涂覆、静止、烘烤过程，形成平坦表面的光刻胶层，然后经过曝光、显影等工艺形成图案化的光刻胶层405。
在本发明的其他实施例中，在步骤S2中，为了避免后续出现沟槽内的光刻胶未完全显影的情况以及期望留下光刻胶的沟槽侧壁上没有光刻胶的情况，也可以先在硬掩膜层404上形成具有平坦表面的有机材料层(未图示)，有机材料层填充满沟槽，并覆盖沟槽周围的硬掩膜层404上表面，为后续形成光刻胶提供平坦表面，便于后续光刻胶图案的形成，确保光刻胶的图案精细，然后在有机材料层上形成图案化的光刻胶层405，之后先等离子体刻蚀有机材料层，由于沟槽内部的填充材料层的厚度明显大于沟槽周围表面上的有机材料层，这样，沟槽周围表面上的有机材料层先遭到去除，继续刻蚀沟槽中有机材料层，在该过程中，等离子体化的刻蚀气体也轰击硬掩膜层404，硬掩膜层404阻挡了刻蚀气体对氮化钽层403的轰击，在图案化的光刻胶层405的上表面和侧面不会沉积含Ta聚合物，最终将图案化的光刻胶层405的图案转移到有机材料层上，然后才能继续刻蚀硬掩膜层404。
请参考图4B，在步骤S3中，以图案化的光刻胶层405为掩模，等采用各向同性干法刻蚀工艺依次刻蚀硬掩膜层404和氮化钽层403，将图案化的光刻胶层405的图案最终转移到氮化钽层403上，刻蚀后剩余的硬掩膜层404覆盖于剩余的氮化钽层403表面起到隔离的作用，以避免光刻胶与氮化钽发生反应产生聚合物。其中，各向同性干法刻蚀，既能有效地去除位于沟槽侧壁且未被光刻胶层405覆盖的部分，同时也不会因为阴影效应而使得最终磁传感器的尺寸不容易控制。本实施例中，对硬掩膜层404和氮化钽层403采用相同的各向同性刻蚀的工艺参数，来实现一步到位的刻蚀效果，，既能有效的去除位于沟槽侧壁且未被光刻胶层覆盖的部分，同时消除阴影效应，保证沟槽内部及沟槽周围表面上剩余硬掩膜层404和氮化钽层403的刻蚀尺寸，并大大节约工艺时间，具体工艺参数包括：氟基气体流量为60sccm～100sccm，源射频功率(SourcePower)为1000W～1400W，偏置射频功率(BiasPower)为10W～30W，工作压强为15Mtorr～25Mtorr，所述源射频功率源产生的源射频功用于将刻蚀气体等离子体化，可以控制形成的等离子体的能量，所述偏置射频功率用于控制等离子体轰击待刻蚀材料的速率，调节偏置射频功率和源射频功率的大小，可以调解整体刻蚀速率，同时调节氧气的流量，可以调节沟槽侧壁和沟槽底部的刻蚀速率，使得沟槽侧壁的刻蚀速率与沟槽底部的刻蚀速率相当，实现各向同性的刻蚀。同时，虽然利用所述各向同性干法刻蚀工艺可能会刻蚀位于图案化的光刻胶层405边缘的部分宽度的硬掩膜层404和氮化钽层403，使得硬掩膜层404和氮化钽层403整体向内凹陷，硬掩膜层404和氮化钽层403的尺寸小于图案化的光刻胶层405的尺寸，但由于所述被各向同性的刻蚀工艺去除的硬掩膜层404和氮化钽层403的宽度可以通过刻蚀时间控制，通过OPC修正技术来适当扩大光刻胶层405的尺寸，即可获得特定大小的硬掩膜层404和氮化钽层403，从而可以有效的控制磁传感器的尺寸。所述硬掩膜层404和氮化钽层403位于沟槽的一侧侧壁的磁性材料层402表面、与该侧壁相连的沟槽底部的磁性材料层402部分表面、和位于沟槽外且与该侧壁相连的磁性材料层402顶部部分表面，使得后续以所述硬掩膜层404和氮化钽层403为掩膜形成的磁阻层也位于沟槽的一侧侧壁的扩散阻挡层表面、与对应侧壁相连的沟槽底部的扩散阻挡层部分表面、和位于沟槽外且与对应侧壁相连的扩散阻挡层顶部部分表面，从而可以分别感应X、Y、Z三个方向的磁场信号，形成3D磁传感器。在步骤S3中有少量脱离出来的Ta离子与光刻胶等有机填充材料反应，生成了少量的含Ta聚合物。
请继续参考图4B，由于沟槽的高深宽比，光刻胶的存在会给后续沟槽中磁性材料层的离子束物理刻蚀产生阴影，影响磁性材料层的刻蚀尺寸。本实施例为了消除阴影效应，在步骤S4中，先去除了图案化的光刻胶层405。具体地，可以先采用氟基气体与高流量氧气的混合气体对器件表面进行低温灰化工艺处理，以去除之前的刻蚀过程中在图案化的光刻胶层405等有机填充材料暴露表面上产生的难以去除的含钽聚合物405a，同时避免后续光刻胶去除过程对氮化钽层403的破坏，防止填充的图案化的光刻胶层405及其他有机填充材料的硬化，有利于后续图案化的光刻胶层405等有机填充材料的去除，该低温灰化工艺的工艺温度低于200℃，例如85℃或者80℃～150℃中的任意温度，氧气流量范围可以为100sccm～500sccm。经验证，85℃下低温灰化工艺后聚合物残留的去除较为彻底，且氮化钽层403的表面性能以及图案化的光刻胶层405等有机填充材料的硬度最佳；接着，通过高温灰化工艺去除图案化的光刻胶层等有机填充材料，该过程的工艺温度高于200℃、氧气流量为1000sccm～3000sccm、CF4、C2F6、C4F8或CHF3等含氟气体的流量为10sccm～100sccm，光刻胶等有机填充材料均与氧气、含氟气体反应生成挥发性气体被排出，同时提供一个清洁、光滑的磁性材料层刻蚀窗口，为磁性材料层的更高刻蚀精度和刻蚀后更佳的表面形貌奠定了基础，进而提高了所制造的三轴磁传感器的性能。
请参考图4C和5A、5B，磁阻层仅形成在侧壁a上，因此，在步骤S5中，需要采用离子束物理刻蚀工艺(IBE刻蚀)刻蚀去除沟槽其余侧壁和底面上多余的磁性材料层。具体地，可以将去除光刻胶的器件托盘倾斜一个钝角，以带动器件表面倾斜一个钝角(例如为130°)，使流量为5sccm～25sccm的Ar离子束入射到侧壁c(此时离子束与器件表面的夹角为器件表面倾斜的钝角)进行轰击，去除侧壁c上的磁性材料层，轰击过程中，侧壁a的硬掩膜层404和氮化钽层403可以保护其覆盖的磁性材料层；待侧壁c上的磁性材料层去除完成后，将去除光刻胶的器件托盘顺时针旋转90度以带动器件表面旋转90°静止，使得流量为5sccm～25sccm的Ar离子束入射到侧壁b(此时离子束与器件表面的夹角为为器件表面倾斜的钝角)进行轰击，去除侧壁b上的磁性材料层，轰击过程中，侧壁a的硬掩膜层404和氮化钽层403可以保护其覆盖的磁性材料层，请参考图5A；待侧壁b上的磁性材料层去除完成后，将去除光刻胶的器件托盘继续顺时针旋转180度以带动器件表面继续旋转180°静止，使得流量为5sccm～25sccm的Ar离子束入射到侧壁d(此时离子束与器件表面的夹角为为器件表面倾斜的钝角)进行轰击，去除侧壁d上的磁性材料层，轰击过程中，侧壁a的硬掩膜层404和氮化钽层403可以保护其覆盖的磁性材料层。
请继续参考图4C和5A、5B，在步骤S6中，待侧壁d上的磁性材料层去除完成后，将去除光刻胶的器件托盘倾斜至直角以带动器件表面倾斜至直角，即量为5sccm～25sccm的Ar离子束垂直入射到沟槽底面e上进行轰击，去除底面e上的磁性材料层，轰击过程中，侧壁a的硬掩膜层404和氮化钽层403可以保护其覆盖的磁性材料层，器件托盘不断旋转以带动底面在于离子束垂直的平面内不断旋转，直至将底面e上的硬掩膜层404和氮化钽层403未覆盖的磁性材料全部去除，形成磁阻层，同时使得沟槽底角处的刻蚀面具有更好的圆度，提高沟槽侧壁的平滑垂直性，改善器件性能。
在本发明的其他实施例中，若需要在侧壁c上也形成磁阻层，则上述离子束物理刻蚀工艺直接跳过侧壁c的离子束轰击，直接从侧壁b的离子束轰击开始。
由于采用离子束物理轰击刻蚀工艺，所以当以硬掩膜层404和氮化钽层403为掩膜，对所述磁性材料层402进行刻蚀时，不仅能够很好地控制刻蚀速度和刻蚀深度，在对磁性材料层402进行物理刻蚀时，刻蚀能够停止于所述磁性材料层402的底部表面，同时将灰化工艺后的残留物一并除去，提高了沟槽侧壁的平滑垂直性，进而提高了器件的可靠性；而且刻蚀用离子束不会同氮化钽层403发生化学反应，从而避免再次产生大量难以去除的含钽聚合物。此外，物理轰击刻蚀过程中，沟槽侧壁受到的侧向刻蚀较少，边缘平整，硬掩膜层保护了其覆盖部分的氮化钽层和磁阻层，还不会形成阴影效应，使得最终形成的磁阻层的尺寸与硬掩膜层的尺寸相当。该步骤后，器件表面可能仅残留有磁性材料颗粒物，可以通过去离子水冲洗器件表面来去除，以避免现有技术中的湿法清洗时高浓度清洗剂对暴露表面造成的腐蚀，保证了沟槽内壁以及沟槽周围的器件表面形貌，提高了器件性能。
综上所述，本发明提供的三轴磁传感器的制造方法，采用一道各向同性刻蚀工艺快速去除光刻胶层暴露出的硬掩膜层和氮化钽层，由此能够快速去除沟槽中硬掩膜层和氮化钽层，打开沟槽中的磁性材料层刻蚀窗口，保证刻蚀表面效果的同时，减少工艺时间；在刻蚀磁性材料层之前，先采用灰化工艺去除了图案化的光刻胶，避免了磁阻层形成过程中由沟槽的高深宽比造成的光刻胶阴影效应，同时除去了硬掩膜层和氮化钽层刻蚀过程中产生的含钽聚合物，保证了刻蚀磁性材料层的工艺窗口尺寸精度；采用离子束物理刻蚀工艺(IBE)先刻蚀去除磁阻层两侧的沟槽侧壁上的多余磁性材料层，然后在去除底部上的多余磁性材料层，可以最大程度化地避免对待形成磁阻层的沟槽侧壁上氮化钽层和磁性材料层的侧向刻蚀以及残留物累积，并保证获得垂直度较高的沟槽侧面效果以及更加精细的磁阻层，改善了磁阻层以及沟槽表面的形貌，提高了制造的三轴磁传感器的性能。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一形成有沟槽的半导体衬底，所述沟槽的深度方向与半导体衬底厚度方向一致；
在包括沟槽表面在内的半导体衬底表面上依次形成磁性材料层、氮化钽层、硬掩膜层以及图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层定义待形成的磁阻层的位置；
以所述图案化的光刻胶层为掩膜，依次各向同性刻蚀所述硬掩膜层和氮化钽层，保留所述图案化的光刻胶层下方的硬掩膜层和氮化钽层；
采用灰化处理工艺去除所述图案化的光刻胶层；
以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈钝角的离子束物理刻蚀工艺分别去除与待形成的磁阻层所在沟槽侧壁相接触的两个沟槽侧壁上的磁性材料层；
继续以剩余的硬掩膜层和和氮化钽层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈直角的离子束物理刻蚀工艺去除所述沟槽底面上的部分磁性材料层，以形成磁阻层，所述磁阻层包括一个沟槽侧壁表面上的磁性材料层、与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽底面上的的磁性材料层以及与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽周围顶部表面上的的磁性材料层。
2.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述各向同性刻蚀的工艺参数包括：氟基气体流量为60sccm～100sccm，源射频功率为1000W～1400W，偏置射频功率为10W～30W，工作压强为15Mtorr～25Mtorr。
3.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述沟槽的两个相对的侧壁处均形成所述磁阻层。
4.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述沟槽仅有一个侧壁处形成有所述磁阻层，所述方法还包括：采用离子束与刻蚀表面呈钝角的离子束物理刻蚀工艺去除与所述磁阻层相对的沟槽侧壁上的磁性材料层。
5.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述钝角为130度。
6.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述离子束物理刻蚀工艺的工艺参数包括：工艺气体为Ar，气体流量为5sccm～25sccm。
7.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述磁性材料层为所述氮化钽层为所述硬掩膜层为
8.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述磁性材料层为Ni-Fe合金、Ni-Fe-Cr合金、Ni-Fe-Nd合金、Ni-Fe-Cr合金或Fe-Ni-Co合金；所述硬掩膜层为氮化硅或氮氧化硅。
9.如权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，采用高于200℃的高温灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层，且在去除图案化的光刻胶层之前，采用氟基气体与氧气的混合气体进行温度低于200℃的低温灰化工艺，去除刻蚀过程中反应产生的聚合物残留。
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