CN108604634A - 集成各向异性磁阻器件 - Google Patents

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CN108604634A CN201780010775.9A CN201780010775A CN108604634A CN 108604634 A CN108604634 A CN 108604634A CN 201780010775 A CN201780010775 A CN 201780010775A CN 108604634 A CN108604634 A CN 108604634A
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W·D·弗兰茨
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Abstract

在所描述的示例中，集成器件(200)包括衬底(108)，所述衬底(108)具有包括功能电路(180)的半导体表面层(109)、半导体表面层(109)上的下金属叠层(130)、下金属叠层(130)上的层间电介质(ILD)层(140)、在ILD层(140)中提供AMR接触焊盘(150a、150b)以及耦合到AMR接触焊盘(150a、150b)的接合焊盘(181、182)的顶部金属层(150)。AMR器件(160)在功能电路(180)侧面的下金属叠层(130)上方，所述AMR器件(160)包括图案化的AMR叠层，所述图案化的AMR叠层包括种晶层(161)、AMR材料层(162)和覆盖层(163)，其中种晶层(161)通过耦合结构耦合到AMR接触焊盘(150a、150b)。保护性外套层(PO层)(190)在AMR叠层上方。PO层(190)中的开口暴露接合焊盘(181、182)。

Description

集成各向异性磁阻器件
技术领域
本公开涉及集成各向异性磁阻器件。
背景技术
磁阻器件在存在磁场的情况下改变其电阻。各向异性磁阻(AMR)传感器包括其中其电阻取决于电流方向和所观察到的磁化方向之间的角度的材料。AMR传感器提供如传感器所见的磁场改变的鲁棒的非接触式测量，其中AMR传感器可检测磁场的存在、强度和/或方向。磁场强度可由幅度和极性(正或负)表示。磁场方向也可通过其相对于AMR传感器的角位置来描述。
在AMR传感器的典型应用中，诸如具有顶部电连接件的镍铁(NiFe)的磁阻材料用于检测位于MR材料平面中的磁场分量。在某些应用中，MR材料以蛇形阵列设置在衬底(诸如硅)的表面上。MR材料的蛇形图案可以惠斯通电桥布置(4个电阻器)电连接或以一对惠斯通电桥电连接，以便响应于MR元件的平面中磁场分量强度的变化，来感应MR材料的电阻变化。为了监控MR材料的电阻变化，诸如放大器的关联部件通常连接在一起以形成电路，所述电路提供表示MR传感元件的平面中的磁场强度的输出信号。
发明内容
在所描述的示例中，集成器件包括各向异性磁阻(AMR)器件，所述各向异性磁阻(AMR)器件包括图案化的AMR叠层以及在衬底上形成的功能电路，所述衬底具有半导体表面层，其中半导体表面层上具有下金属叠层。层间电介质(ILD)层位于下金属叠层上，然后是顶部金属层，所述顶部金属层提供AMR接触焊盘以及耦合到AMR接触焊盘的接合焊盘。
AMR器件在功能电路侧面的下金属叠层的上方。图案化的AMR叠层包括种晶层、AMR材料层和覆盖层，其中种晶层通过耦合结构耦合到AMR接触焊盘。因此，所描述的集成器件的特征为到AMR叠层底部的电连接，其允许使用电介质覆盖层(例如，AlN)，因此消除了当使用常规金属覆盖层时发生的通过覆盖层的电流分流。保护性外套层(PO层)在AMR叠层上方，并且PO层中的开口暴露接合焊盘以允许导线接合到其上。
附图说明
图1为示出根据示例实施例的用于形成包括AMR器件的集成器件的示例方法中的步骤的流程图。
图2为根据示例实施例的包括AMR器件的示例集成器件的横截面图，所述AMR器件具有将种晶层耦合到AMR接触焊盘的金属填充通孔。
图3为根据示例实施例的包括AMR器件的另一示例集成器件的横截面图，所述AMR器件具有直接在AMR接触焊盘上的难熔金属焊盘上的种晶层。
具体实施方式
附图不一定按比例绘制。在附图中，相同的附图标记用于代表相似或的等效元件。行为或事件的所说明次序不是限制性的，因为某些行为或事件可以不同的次序发生和/或与其他行为或事件同时发生。进一步地，某些所示的动作或事件可为可选的，以实现根据示例实施例的方法。
在此说明书中，术语“耦合到”或“与…耦合”(如本文所使用的而没有进一步限定)描述间接或直接电连接。因此，如果第一器件“耦合”到第二器件，则连接可以通过其中仅寄生现象存在于路径中的直接电连接，或者通过经由包括其他器件和连接的中间项的间接电连接。对于间接耦合，中间项通常不修改信号的信息，但可调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。
图1为示出根据示例实施例的用于形成包括AMR器件的集成器件的示例方法100中的步骤的流程图。方法100为用于形成AMR器件的类似于薄膜电阻器(TFR)的工艺，因此在现有半导体工艺流程中仅进行最小的改变以形成集成电路，其通常是互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。步骤101包括提供衬底108(对于针对方法100所示的附图标号，参见下文描述的图2)，所述衬底108具有包括功能电路180的半导体表面层109、在半导体表面层109上的下金属叠层130、以及在下金属叠层130上的ILD层140。衬底108和/或半导体表面109可包含硅、硅-锗或其他半导体材料。一种特定布置是硅衬底108上的硅/锗(SiGe)半导体表面109。
ILD层140中的顶部金属层150提供AMR接触焊盘150a和150b，以及耦合到AMR接触焊盘150a和150b的接合焊盘181、182，所述AMR接触焊盘150a和150b与接合焊盘181、182在图2中被示出为通过顶部金属层耦合迹线158耦合在一起。虽然在图2中被示出为与顶部金属层150不同，但是顶部金属层耦合迹线158包括顶部金属层150，并且因此与接合焊盘181、182以及AMR接触焊盘150a和150b具有相同的厚度。顶部金属层耦合迹线158(其将一些互连电阻添加到其相应的AMR电阻器)应该是匹配的，以提供基本上相同的互连电阻，以保持惠斯通电桥内部的AMR电阻器的电阻器平衡。
顶部ILD层145可可选地在顶部金属层150上(参见下文描述的图3)。顶部金属层150可包含铝或铜。通常，存在三层金属互连，但是两层金属互连或多于三层的金属互连也是可能的。接合焊盘181、182可以是包含Al或Cu的传统接合焊盘，从而实现导线接合。
在顶部金属层150包含高反射性的铝的情况下，方法100可进一步包括形成包括焊盘(难熔金属焊盘)152的难熔金属，诸如顶部金属层150上的氮化钛(TiN)焊盘，其用作抗反射涂料(ARC)层以促进光刻。然而，可移除难熔金属焊盘152，诸如在PO层蚀刻期间，以打开接合焊盘181和182(参见下文描述的步骤105)。
功能电路180包括至少CMOS电路，以及可选的双极结型晶体管(BJTs)和/或功率器件。集成器件还可包括精密模拟元件诸如薄膜电阻器(TFRs)和电容器，所述精密模拟元件可被放置在金属层诸如M1层至M3层中。在下文描述的步骤102中形成的AMR电阻器一般为双惠斯通电桥布置，其中一个AMR电桥相对于另一个AMR电桥以45度旋转。功能电路可将电压施加到惠斯通电桥上或用作电流源。惠斯通电桥的输出测量电压，并且输出电路可包括具有低噪声属性的低噪声放大器，以放大通常约为20μV或更低的传感器输出信号。此外，两个惠斯通电桥可具有一些电压偏移，因为AMR电阻通常不完全匹配。两个输出放大器(每个电桥使用一个)可感应此偏移并将偏移校正到高精度。
步骤102包括在功能电路180侧面的下金属叠层130上方形成AMR器件160。从种晶层161开始沉积AMR叠层，然后是AMR材料层162，然后是覆盖层163。层161至层163可在不破坏真空的情况下在一个沉积系统中沉积。在另一个实施例中，种晶层161可在第一沉积工具中沉积，并且然后被移动到第二沉积工具用于沉积AMR材料层162和覆盖层163。在此其他实施例中，在沉积AMR材料层162之前，可使用预溅射蚀刻来蚀刻种晶层161的表面，以移除可能已经形成的任何氧化物层。
种晶层161为AMR材料层162(诸如NiFe)提供种晶，以形成产生最大磁阻的<111>晶体纹理。种晶层161耦合到AMR接触焊盘150a和150b。下文描述的图2示出包括金属填充的AMR通孔153的耦合结构，该耦合结构将种晶层161耦合到AMR接触焊盘150a、150b，而下文描述的图3示出了在顶部金属层150包含用于将种晶层161耦合到AMR接触焊盘150a、150b的铝的情况下的作为ARC的难熔金属焊盘152(例如，TiN)的耦合结构。此外，可不存在耦合结构(种晶层161直接在AMR接触焊盘150a、150b上)。覆盖层163可包含电介质材料诸如AlN。覆盖层163还可包含导电材料诸如Ta或TaN。
用于种晶层161的材料通常应该具有尽可能高的电阻率，但是可存在物理限制，并且种晶层161将总是传导一定量的电流。在一个实施例中，种晶层161包含氮化钽(TaN)层。种晶层161还可包含Ta、IrMn或Ti。如上文描述，种晶层161的第二个目的是成为用于NiFe的<111>纹理生长的种晶，所述NiFe作为提供最大磁阻效应的AMR材料层162。因此，种晶层161存在折衷，其足够厚以形成AMR材料层162，诸如<111>NiFe，但足够薄而不传导大电流。就TaN而言，更多的N增加了种晶层161的电阻，但是如果含N太高，则TaN层可变得不稳定并且因此可分层或剥离。种晶层161的厚度可为50A至300A，诸如100A的溅射TaN，所述TaN如本文上面描述可在将AMR材料层162沉积到约60A的较低厚度值之前开始溅射蚀刻。
AMR叠层可直接沉积在顶部金属层150的一部分上或者在顶部金属层150上的难熔金属焊盘152上。在一个特定实施例中，种晶层161包含TaN，AMR材料层162包含NiFe，并且覆盖层163包含AlN。
步骤103包括图案化AMR叠层。一个实施例是对叠层的所有层进行单步图案化和蚀刻。在另一个实施例中，首先使用掩模来干法(或湿法)蚀刻种晶层161。此种晶层掩模可比AMR材料层162掩模(其也蚀刻覆盖层163)稍大(例如，≥0.1μm)，以提供从AMR材料层162出来的种晶层161的小的(例如，0.2μm)延伸(参见下文描述的图3)。然后可将AMR材料层162和覆盖层163一起湿法蚀刻，或者一起干法蚀刻。此特征允许了益处，诸如确保金属填充AMR通孔(例如，钨(W)插塞)不暴露于AMR材料层162湿法蚀刻化学物质。AMR叠层可以蛇形图案形成，所述蛇形图案以惠斯通电桥布置电连接。存在制造蛇形电阻器的各种方法。
步骤104包括在AMR叠层上方沉积PO层190。PO层包含电介质层诸如氧化硅、氮化硅或SiON。因此，在形成图案化的AMR叠层之后沉积PO层190，并且PO层190直接在覆盖层163上和顶部金属层150的顶表面上。步骤105包括蚀刻PO层中的开口190a以显露接合焊盘181、182。这允许组件引线接合到AMR器件160。
在一个实施例中(参见下文描述的图2)，所述提供步骤进一步包括在顶部金属层150上提供顶部ILD层145，并且方法进一步包括在AMR接触焊盘150a和150b上方的顶部ILD层145中蚀刻AMR通孔，以及用金属填充材料(例如，W)填充AMR通孔并且平坦化(例如，CMP)，以形成接触AMR接触焊盘150a和150b的金属填充AMR通孔153。在此实施例中，种晶层161在金属填充通孔153上方形成。
图2为根据示例实施例的示例集成器件200的横截面图，所述集成器件200具有将种晶层耦合到AMR接触焊盘150a和150b的金属填充通孔153。这里，AMR叠层(例如，AlN/NiFe/TaN)落在金属填充通孔153上，该金属填充通孔153可包括小的W填充通孔。示例标准通孔工艺包括沉积氧化硅电介质、蚀刻电介质中的通孔、溅射钨(W)以填充通孔，以及将W以化学机械抛光(CMP)回抛光(back)以形成平面氧化物表面。实现集成器件200的方法通常仅涉及添加的两个掩模(AMR通孔和AMR叠层图案)。虽然未示出，但是AMR叠层的虚拟图案是可选的，以改善电阻匹配。
AMR通孔可以以各种方式设计。在一种布置中，AMR通孔可以是标准通孔(例如，正方形)，其在最终器件中可形成完全包含在AMR材料层162内的此类通孔的2D阵列。AMR通孔也可以是矩形通孔，其宽度可与工艺中的标准孔的宽度相同(例如，0.28μm)，并且AMR通孔可以是细长的且延伸AMR材料层162的整个宽度，诸如大约10μm长。矩形AMR通孔可以是单个细长的AMR通孔或者可以是多个细长的AMR通孔。矩形AMR通孔可完全包含在AMR材料层162内，或者可在宽度方向上延伸出穿过AMR层的边缘。
图3为根据示例实施例的另一个示例集成器件300的横截面图，所述集成器件300具有直接在AMR接触焊盘150a和150b上的难熔金属焊盘152上的种晶层。如本文所述，种晶层161被示出为从AMR材料层162延伸出。在此实施例中，AMR叠层(例如，AlN/NiFe/TaN)直接落在AMR接触焊盘150a和150b上(诸如在Cu顶部金属层150的情况下)或如所示出的在难熔金属焊盘152上，所述难熔金属焊盘152在AMR接触焊盘150a和150b上示出(诸如在Al顶部金属层150的情况下)。实现集成器件300的方法通常仅涉及添加的一个掩模(AMR叠层图案)。
示例实施例的优点包括：
1.AMR传感器的性能涉及电流在AMR材料层162(例如，NiFe层)中流动。与在AMR材料中流动的电流平行的在种晶层161(例如，TaN)或其他金属层中流动的任何电流将降低AMR器件性能。在本文所描述的架构中，单个导电层(种晶层161)可存在于AMR材料层162下面，所述AMR材料层可以是薄的，并且电介质AlN(覆盖层163)可存在于AMR材料层162诸如NiFe上方。覆盖层163仅需要用作阻挡层以防止AMR材料层162氧化。
2.在沉积AMR材料层162之后，其他布线层(例如，Al)不需要处理。这降低了工艺流程的复杂性。
3.如上文描述，种晶层161可选地可延伸超过AMR材料层162的外边缘。这可有助于防止AMR叠层的底切。
4.现有的CMOS叠层及其互连可保持不变，使得从AMR接触焊盘150a和150b到功能电路180(例如，CMOS电路)的电流流动可绕过AMR材料层162。常规地，所有金属焊盘在其中都具有附加层，诸如Al-TiW-TaN-NiFe-TaN-Al，以使电流从一个金属层流动到另一个金属层。
5.通过减少金属-金属界面的数量，噪声源(包括约翰逊噪声和1/f噪声)也因此应该减少。
所描述的实施例可用于形成具有AMR器件的集成器件管芯，所述AMR器件可集成到各种组装流程中以形成各种不同的器件和相关产品。半导体管芯可在其中包括各种元件以及/或者在其上包括各种层，所述各种元件和/或层包括阻挡层、电介质层、器件结构、有源元件和无源元件(包括源极区、漏极区、位线、基极、发射极、集电极、导电线、导电通孔)等。此外，半导体管芯可由多种工艺形成，包括双极、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、CMOS、BiCMOS和MEMS。
在权利要求的范围内，所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种形成集成器件的方法，所述方法包括：
提供衬底，所述衬底具有包括功能电路的半导体表面层、所述半导体表面层上的下金属叠层、所述下金属叠层上的层间电介质层即ILD层、在所述ILD层中提供AMR接触焊盘以及耦合到所述AMR接触焊盘的接合焊盘的顶部金属层(150)；
在所述功能电路侧面的所述下金属叠层上方形成各向异性磁阻器件即AMR器件，所述形成AMR器件包括沉积AMR叠层，所述AMR叠层包括种晶层、AMR材料层，然后是覆盖层，其中所述种晶层耦合到所述AMR接触焊盘；
图案化所述AMR叠层；
在所述AMR叠层上方沉积保护性外套层即PO层，以及
蚀刻所述PO层中的开口以显露所述接合焊盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述覆盖层包含电介质材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述覆盖层包含AlN。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述PO层包含氧化硅、氮化硅或SiON。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供进一步包括在所述顶部金属层上提供顶部ILD层，进一步包括在所述AMR接触焊盘上方的所述顶部ILD层中蚀刻AMR通孔，用金属填充材料填充所述AMR通孔并且平坦化以形成接触所述AMR接触焊盘的金属填充AMR通孔，其中所述种晶层在所述金属填充AMR通孔上方形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述金属填充材料包含钨即W。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部金属层包含铝，进一步包括在所述顶部金属层上形成包括焊盘(难熔金属焊盘)的难熔金属。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述沉积所述AMR叠层包括将所述AMR叠层直接沉积在所述难熔金属焊盘的一部分上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包含硅，并且所述种晶层包含TaN，所述AMR材料层包含NiFe，并且所述覆盖层包含AlN。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化所述AMR叠层包括使用掩模以干法蚀刻所述种晶层，使所述种晶层尺寸大于所述AMR材料层的尺寸，以提供从所述AMR材料层出来的所述种晶层的延伸。
11.一种集成器件，所述集成器件包括：
衬底，其具有包括功能电路的半导体表面层、所述半导体表面层上的下金属叠层、所述下金属叠层上的层间电介质层即ILD层、在所述ILD层中提供AMR接触焊盘以及耦合到所述AMR接触焊盘的接合焊盘的顶部金属层；
各向异性磁阻器件即AMR器件，其在所述功能电路侧面的所述下金属叠层上方，所述AMR器件包括图案化的AMR叠层，所述AMR叠层包括种晶层、AMR材料层和覆盖层，其中所述种晶层耦合到所述AMR接触焊盘；
保护性外套层即PO层，其在所述AMR叠层上，以及
在所述PO层中的开口，其显露所述接合焊盘。
12.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述覆盖层包含电介质材料。
13.根据权利要求12所述的集成器件，其中所述覆盖层包含AlN。
14.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述PO层包含氧化硅、氮化硅或SiON。
15.根据权利要求11所述的集成器件，进一步包括在所述顶部金属层上的顶部ILD层以及接触所述AMR接触焊盘的金属填充AMR通孔，其中所述种晶层在所述金属填充AMR通孔上方形成。
16.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述金属填充AMR通孔的金属填充材料包含钨即W。
17.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述顶部金属层包含铝，进一步包括在所述顶部金属层上形成包括焊盘(难熔金属焊盘)的难熔金属。
18.根据权利要求17所述的集成器件，其中所述AMR叠层直接在所述难熔金属焊盘的一部分上。
19.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述衬底包含硅，所述种晶层包含TaN，所述AMR材料层包含NiFe，并且所述覆盖层包含AlN。
20.根据权利要求11所述的集成器件，其中所述种晶层延伸超过所述AMR材料层至少0.1μm。
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