CN108346738A - 一种磁阻传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，针对现有磁阻传感器最高分辨率难以提高的问题，而提供一种磁阻传感器及其制造方法。其中磁阻传感器包括半导体衬底；绝缘层，位于半导体衬底上；第一氮化钽层，位于绝缘层上；坡莫合金层，位于所述第一氮化钽层上；第二氮化钽层，位于所述坡莫合金层上；其特殊之处在于：还包括位于所述第一氮化钽层和坡莫合金层之间的第一反铁磁性物质层，以及，位于所述坡莫合金层和第二氮化钽层之间的第二反铁磁性物质层。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种磁阻传感器及其制造方法。
背景技术
磁阻(anisotropic magnetoresistance)传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的传感器，具有灵敏度高、功耗低等特点，广泛应用于汽车、军事、工业和消费类电子产品等领域。传统的磁阻传感器如霍尼韦尔HMC1001，其最高分辨率为2.5nT，能够满足一般条件下的使用要求。
但在金融磁头传感器，国防应用以及航天传感器等领域，需要达到1nT或更高的磁分辨率的磁阻传感器，而现有传统的磁阻传感器难以满足要求。
美国专利(US 5005064)公开了一种典型传统磁阻传感器的结构，该传感器在硅片上生成SiO2，在其上生长坡莫合金薄膜，之后再生长牺牲层TiW和接触铝层，之后通过湿法腐蚀去掉牺牲层TiW和接触铝层，露出坡莫合金薄膜，之后再实施SiN保护，其中的硅化金属形成接触。该方法接触电阻过大，且导致所形成的坡莫合金薄膜电阻一致性较差，无法获得高精度的磁阻传感器。
美国专利(US 5667879)公开了另一种磁阻传感器的结构，解决了接触电阻过大和电阻稳定性不好的问题，它在溅射坡莫合金薄膜之前和之后分别溅射有30nm的氮化钽材料。这样既能够确保硅材料与坡莫合金薄膜间具有缓冲材料，保护坡莫合金薄膜，防止后续处理时遭到腐蚀损坏；又能使坡莫合金薄膜分布更加均匀。该方法解决了接触电阻过大和坡莫合金薄膜不均匀性的问题，但是，此方法还是无法解决高分辨率的问题。利用该方法生产的Honeyell HMC1001，其最高磁分辨率仅为2.5nT。
通过在一定范围内增加坡莫合金薄膜的厚度，可以提高磁阻传感器的分辨率，但是如果超出一定范围磁阻传感器的分辨率反而会下降。例如坡莫合金薄膜的厚度从20nm增加到40nm，其磁分辨率可以从4nT提高到2.5nT左右，进一步增加厚度到60nm厚度，磁分辨率反而变为3nT，这是由于太厚的坡莫合金薄膜在退火时会发生退磁效应，从而减小了传感器的分辨率。
综上所述，如何既解决接触电阻和不均匀性的问题，又同时解决磁阻传感器高分辨率的问题成了一大技术难点。
发明内容
本发明的目的是克服现有磁阻传感器最高分辨率难以提高的不足，而提供一种磁阻传感器及其制造方法。
为实现上述目的，本发明提供的磁阻传感器包括半导体衬底；绝缘层，位于半导体衬底上；第一氮化钽层，位于绝缘层上；坡莫合金层，位于所述第一氮化钽层上；第二氮化钽层，位于所述坡莫合金层上；其特殊之处在于：还包括位于所述第一氮化钽层和坡莫合金层之间的第一反铁磁性物质层，以及，位于所述坡莫合金层和第二氮化钽层之间的第二反铁磁性物质层。
进一步地，上述第一反铁磁性物质层与第二反铁磁性物质层材料相同，第一反铁磁性物质层和第二反铁磁性物质层的厚度相同，为20nm～40nm。
进一步地，上述第一反铁磁性物质层为NiO或FeMn。
进一步地，上述第一氮化钽层、第一反铁磁性物质层、坡莫合金层、第二反铁磁性物质层和第二氮化钽层作为整体形成一个叠层结构，所述叠层结构有多个。
进一步地，多个上述叠层结构为2至10个。
进一步地，上述坡莫合金层的厚度为10nm～60nm；所述氮化钽层的厚度50nm～200nm。
此外，本发明还提供一种磁阻传感器的制造方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、提供半导体衬底；
步骤2、形成绝缘层；
步骤3、在所述绝缘层上形成一个或多个包含氮化钽层、坡莫合金层和反铁磁性物质层的叠层结构；
步骤4、在叠层结构上依次形成牺牲层和接触铝层；
步骤5、去除牺牲层和接触铝层，露出叠层结构；
步骤6、实施SiN保护。
进一步地，上述叠层结构的形成方法包括以下步骤：
1)在所述绝缘层上形成第一氮化钽层；
2)在所述第一氮化钽层上形成第一反铁磁性物质层；
3)在所述第一反铁磁性物质层上形成坡莫合金层；
4)在所述坡莫合金层上形成第二反铁磁性物质层；
5)在所述第二反铁磁性物质层上形成第二氮化钽层。
进一步地，上述第一反铁磁性物质层与第二反铁磁性物质层材料相同，为NiO或FeMn，第一反铁磁性物质层和第二反铁磁性物质层的厚度相同，为20nm～40nm。
进一步地，上述步骤5中，通过湿法腐蚀或者干法腐蚀去除牺牲层和接触铝层，露出第二氮化钽层。
本发明的优点是：
1、本发明在铁磁性坡莫合金薄膜材料之下和之上分别生长反铁磁性物质，在一定温度范围内(奈尔neel温度，可达250℃左右)，发生交换偏置互动，强迫铁磁性坡莫合金薄膜层磁化，从而提高传感器的分辨率。
2、本发明提供的磁阻传感器可采用多个叠层结构，多个叠层结构传感器的可等效厚度是单个叠层结构传感器的倍数，其分辨率显著提高。例如5个叠层结构在一起，可等效厚度是单个的5倍，输入阻抗是原来的1/5，分辨率可达到0.2nT或更高。同样的，10个叠层，可获得0.1nT或更高的分辨率。
附图说明
图1是本发明磁阻传感器中一个叠层结构的结构示意图；
图2是本发明磁阻传感器中n个叠层结构的结构示意图。
图中各标号的说明如下：
1—第一氮化钽层、2—第一反铁磁性物质层，3—坡莫合金层、4—第二反铁磁性物质层，5—第二氮化钽层。
具体实施方式
本实施例提供一种磁阻传感器，包括半导体衬底；SiO2绝缘层，位于半导体衬底上；第一氮化钽层1，位于绝缘层上；坡莫合金层3，位于第一氮化钽层1上，其厚度为10nm～60nm；第二氮化钽层5，位于坡莫合金层3上；还包括位于第一氮化钽层1和坡莫合金层3之间的第一反铁磁性物质层2，以及，位于坡莫合金层3和第二氮化钽层5之间的第二反铁磁性物质层4。第一氮化钽层1和第二的氮化钽层的厚度50nm～200nm。第一反铁磁性物质层2与第二反铁磁性物质层4材料相同，为NiO；且厚度也相同，为20nm～40nm。
如图1、图2所示，第一氮化钽层1、第一反铁磁性物质层2、坡莫合金层3、第二反铁磁性物质层4和第二氮化钽层5作为整体形成一个叠层结构，叠层结构可以有多个。原则上，叠层结构个数越多，可以获得更高的灵敏度。但是，层数太多，会导致传感器中心处热量散不出去，引起传感器灵敏度在一定叠成后随着叠层数的增加而保持基本恒定。到一定限度后，传感器灵敏度随着叠层数的进一步增加而变得恶化。根据实际测量结果，当各层选取较薄时，优化得到叠层结构的个数更趋向于10个，获得最高的灵敏度。反之，当各层选取较厚时，优化得到叠层结构的个数更趋向于5个，获得最高的灵敏度。各层较薄或较厚的选择，取决于实际所采用磁控溅射机的特性。
本实施例还提供上述磁阻传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1、提供半导体衬底；
步骤2、形成绝缘层；
步骤3、在绝缘层上形成5个叠层结构；
叠层结构的形成方法包括以下步骤：
1)在在SiO2绝缘层上溅射第一氮化钽层1；
2)在第一氮化钽层1上形成第一反铁磁性物质层2，其材料为NiO，厚度为20nm～40nm；
3)在第一反铁磁性物质层2上形成坡莫合金层3；
4)在坡莫合金层3上形成第二反铁磁性物质层4，其材料、厚度与第一反铁磁性物质层2相同；
5)在第二反铁磁性物质层4上形成第二氮化钽层5。
步骤4、在叠层结构上依次形成牺牲层TiW和接触铝层；
步骤5、通过湿法腐蚀去除牺牲层TiW和接触铝层，露出第二氮化钽层5，只在磁阻传感器的两头留下牺牲层TiW以及接触铝。
步骤6、实施SiN保护，只在芯片的连线部分露出牺牲层TiW和接触铝，用于芯片与外界框架或者其它芯片连线。
Claims (10)
1.一种磁阻传感器，
包括半导体衬底；
绝缘层，位于半导体衬底上；
第一氮化钽层，位于绝缘层上；
坡莫合金层，位于所述第一氮化钽层上；
第二氮化钽层，位于所述坡莫合金层上；
其特征在于：还包括位于所述第一氮化钽层和坡莫合金层之间的第一反铁磁性物质层，
以及，位于所述坡莫合金层和第二氮化钽层之间的第二反铁磁性物质层。
2.根据权利要求1所述的一种磁阻传感器，其特征在于：所述第一反铁磁性物质层与第二反铁磁性物质层材料相同，所述第一反铁磁性物质层和第二反铁磁性物质层的厚度相同，为20nm～40nm。
3.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器，其特征在于：所述第一反铁磁性物质层为NiO或FeMn。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种磁阻传感器，其特征在于：所述第一氮化钽层、第一反铁磁性物质层、坡莫合金层、第二反铁磁性物质层和第二氮化钽层作为整体形成一个叠层结构，所述叠层结构有多个。
5.根据权利要求4所述的一种磁阻传感器，其特征在于：多个叠层结构为2至10个。
6.根据权利要求5所述的一种磁阻传感器，其特征在于：所述坡莫合金层的厚度为10nm～60nm；所述第一氮化钽层和第二的氮化钽层的厚度50nm～200nm。
7.一种磁阻传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提供半导体衬底；
步骤2、形成绝缘层；
步骤3、在所述绝缘层上形成一个或多个包含氮化钽层、坡莫合金层和反铁磁性物质层的叠层结构；
步骤4、在叠层结构上依次形成牺牲层和接触铝层；
步骤5、去除牺牲层和接触铝层，露出叠层结构；
步骤6、实施SiN保护。
8.根据权利要求7所述磁阻传感器的制造方法，其特征在于：
所述叠层结构的形成方法包括以下步骤：
1)在所述绝缘层上形成第一氮化钽层；
2)在所述第一氮化钽层上形成第一反铁磁性物质层；
3)在所述第一反铁磁性物质层上形成坡莫合金层；
4)在所述坡莫合金层上形成第二反铁磁性物质层；
5)在所述第二反铁磁性物质层上形成第二氮化钽层。
9.根据权利要求8所述磁阻传感器的制造方法，其特征在于：
所述第一反铁磁性物质层与第二反铁磁性物质层材料相同，为NiO或FeMn，所述第一反铁磁性物质层和第二反铁磁性物质层的厚度相同，为20nm～40nm。
10.根据权利要求9所述磁阻传感器的制造方法，其特征在于：
步骤5中，通过湿法腐蚀或者干法腐蚀去除牺牲层和接触铝层，露出第二氮化钽层。
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-
2018
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