CN108931745A - 各向异性磁电阻传感器及其置位/复位电路和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种各向异性磁电阻传感器及其置位/复位电路和制造方法，该置位/复位电路，包括由第一金属层、金属连接柱和第二金属层形成一闭合的多匝螺旋金属线圈，所述各向异性磁电阻传感器的磁阻层贯穿于所述螺旋金属线圈。本发明提供具有修复能力强、快速修复和修复效果均衡的优点。

Description

各向异性磁电阻传感器及其置位/复位电路和制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种各向异性磁电阻传感器及其置位/复位电路和制造方法。
背景技术
磁电阻(Magneto Resistance，MR)效应是指物质的电阻会随外加磁场的改变而变化的现象。按照磁电阻的大小和机理不同可分为：正常磁电阻(Ordinary MagnetoResistance，OMR)效应、各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto Resistance，AMR)效应、巨磁电阻(Giant Magneto Resistance，GMR)效应和超巨磁电阻(Colossal MagnetoResistance，CMR)效应等。对于各向异性磁电阻效应而言，在居里温度以下，铁磁金属的电阻率会随电流和磁化强度的相对取向而异，呈现出各向异性的现象。利用各向异性磁电阻效应能够测量磁场大小和方向的传感器，各向异性磁电阻传感器具有体积小，功耗低，灵敏度高，抗干扰能力强，可靠性高等优点，其广泛应用于地磁导航、数字智能罗盘、位置测量和伪钞鉴别等领域。在各向异性磁电阻传感器的器件使用中，由于各向异性磁电阻容易受到外界磁场以及温度影响，而使各向异性磁电阻的阻值易受到外界干扰，导致各向异性磁电阻传感器非永久性退化或失效。因此，需要外加置位(SET)/复位(RESET)电路，以对各向异性磁电阻传感器进行修复。请参考图1，传统的各向异性磁电阻传感器，包括衬底101、绝缘层102、磁阻层103、置位/复位电路104和保护层105。即现有技术中是在磁阻层103之后，在垂直于磁阻层103之上的顶层设置金属导线层104，当金属导线层104通电时，金属导线层104四周形成磁场，这个磁场对金属导线层104底部的磁阻层103进行置位/复位操作，从而对各向异性磁电阻传感器进行修复。此种设计的缺点在于磁阻层103位于金属导线层104的底部，金属导线层104产生的磁场发散，对磁阻层103上表面向下延伸的修复效果较好，但是对磁阻层下表面和侧面及其延伸修复效果较差。而在磁阻层有缺陷的情况下，需要更大的磁场才能够进行有效的修复，即置位/复位，从而导致制造的各向异性磁电阻传感器的器件的体积变大。也就是说，传统的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其修复作用有限，修复效果不均衡。
各向异性磁电阻传感器也能应用于微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)中，现有的3轴各向异性磁电阻传感器其分别包括X轴、Y轴和Z轴的各向异性磁电阻传感器。其中，X轴各向异性磁电阻传感器和Y轴各向异性磁电阻传感器都为水平方向形成于衬底表面，Z轴各向异性磁电阻传感器则需要形成于沟槽的侧壁表面。在2轴的轴各向异性磁电阻传感器仅包括X轴和Y轴的各向异性磁电阻传感器。上述的2轴或3轴等多轴各向异性磁电阻传感器的磁阻层一般为铁镍合金等磁性材料。但制造的MEMS器件由于采用传统的置位/复位电路，因此，具有上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供了一种具有修复能力强、快速修复和修复效果均衡的各向异性磁电阻传感器及其制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，包括由第一金属层、金属连接柱和第二金属层形成一闭合的多匝螺旋金属线圈，所述各向异性磁电阻传感器的磁阻层贯穿于所述螺旋金属线圈。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，所述第一金属层包括平均分布的若干根第一金属条，所述第二金属层包括平均分布的若干根第二金属条，相邻的所述第一金属条与所述第二金属条之间通过金属连接柱相接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，位于所述第一金属条两端的金属连接柱的高度相同。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，每根所述第一金属条的尺寸规格相同，每根所述第二金属条的尺寸规格相同。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，所述第一金属条与所述第二金属条相对于水平面的投影成角度设置。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，所述磁阻层包括若干条平均分布的磁阻线，位于相同端面中的一个相同端面的两个相邻的所述磁阻线通过连接线相接，以使若干条所述磁阻线形成于一条。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种各向异性磁电阻传感器，包括衬底、绝缘层、磁阻层和保护层，还包括形成于绝缘层与保护层之间的上述各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，所述第一金属层和第二金属层均与所述磁阻层之间形成有绝缘层。
进一步的，本发明提供的各向异性磁电阻传感器，包括形成在所述绝缘层中的沟槽，所述沟槽中形成有所述置位/复位电路。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种各向异性磁电阻传感器的制造方法，包括
提供衬底；
在所述衬底之上形成第一绝缘层；
在所述绝缘层之上形成第一金属层；
在所述第一金属层之上形成第二绝缘层；
在所述第二绝缘层之上形成磁阻层；
在所述磁阻层之上形成第三绝缘层；
在所述第三绝缘层之上形成第二金属层；
在所述第二金属层之上形成保护层；
在形成所述第二金属层之前，还包括贯穿所述第一金属层、第二绝缘层、第三绝缘层和第二金属层形成过孔及在所述过孔内填充金属，形成金属连接柱，使所述第一金属层通过所述金属连接柱与所述第二金属层连接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种MEMS器件，包括上述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路。
与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案，置位/复位电路包括由第一金属层、金属连接柱和第二金属层形成一闭合的多匝螺旋金属线圈，当螺旋金属线圈通电时，螺旋金属线圈产生磁场，由于各向异性磁电阻传感器的磁阻层贯穿于所述螺旋金属线圈，因此，该磁场的磁力线能够包绕磁阻层的整体，即该磁场产生的磁力线能够包绕磁阻层的上表面、下表面和侧面，从而对磁阻层的磁电阻进行修复，避免磁电阻效应带来的负面影响，具有修复效果均衡的优点。由于本发明的置位/复位电路为多匝螺旋金属线圈，因此，其产生的磁场的强度大于单纯的垂直设置于磁阻层之上的磁场强度，因此，具有修复能力强和快速修复的优点。
附图说明
图1是传统的各向异性磁电阻传感器的简化结构示意图；
图2是本发明一实施例的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路的结构示意图；
图3是本发明一实施例的各向异性磁电阻传感器的简化结构示意图；
图4是本发明一实施例的各向异性磁电阻传感器的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
实施例一
请参考图2，本实施例一提供一种各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路1，包括由第一金属层203、金属连接柱209和第二金属层207形成一闭合的多匝螺旋金属线圈10，所述各向异性磁电阻传感器的磁阻层205贯穿于所述螺旋金属线圈10。
本实施例一中，当螺旋金属线圈10通电时，螺旋金属线圈10产生磁场，由于各向异性磁电阻传感器的磁阻层205贯穿于所述螺旋金属线圈10，因此，该磁场的磁力线能够包绕磁阻层205的整体，即该磁场产生的磁力线能够包绕磁阻层205的上表面、下表面和侧面，从而对整个磁阻层205的磁电阻进行修复，即通过该磁场对磁阻层205的磁畴进行校准，避免磁电阻效应造成的磁电阻值变化，具有修复效果均衡的优点。由于本发明的置位/复位电路为多匝螺旋金属线圈10，因此，其产生的磁场的强度大于单纯的垂直设置于磁阻层205之上的磁场强度，因此，具有修复能力强和快速修复的优点。
请参考图2，本实施例一提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路1，所述第一金属层203包括平均分布的若干根第一金属条2031，所述第二金属层207包括平均分布的若干根第二金属条2071，相邻的所述第一金属条2031与所述第二金属条2071之间通过金属连接柱209相接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈10。位于所述第一金属条2031两端的金属连接柱209的高度相同。本实施例一的第一金属条2031的尺寸规格相同，即每一根第一金属条2031的长度、宽度和高度均相同。同样地，第二金属条2071的尺寸规格也相同。平均分布是指分布方向、分布间隔和分布角度均一致。平均分布的若干根第一金属条2031与第二金属条2071，以及高度相同的金属连接柱209能够使螺旋金属线圈10的每一匝的规格相同，能够使形成的螺旋金属线圈10的每匝均为矩形线圈。其中，一根第一金属条2031、一根第二金属条2071和两根金属连接柱209形成的矩形环状结构构成一匝。另外，闭合的多匝螺旋金属线圈10中的闭合是指每匝金属线圈能够形成一环路，即一根第一金属条2031、一根第二金属条2071和两根金属连接柱209为一环路。作为较佳的实施例每根第一金属条2031与每根第二金属条2071的尺寸规格相同，以使螺旋金属线圈10呈现规则的多匝矩形线圈，使其产生的磁场更加可靠且稳定。
请参考图2，本实施例一中，所述第一金属条2031与所述第二金属条2071相对于水平面的投影成角度设置。其作用是为了使第一金属条2031与第二金属条2071通过金属连接柱209连接后形成矩形环状结构的螺旋金属线圈10。该角度为锐角，优选为0-15度之间，以使螺旋金属线圈10中相邻的匝线圈之间密度紧凑，从而提高通电后产生的磁场强度。当然，位于第一金属条2031两端的金属连接柱209的高度不相同时，也能够实现上述方案。第一金属条2031和第二金属条2071中的任意一根不平均分布，也能够实现上述方案。
请参考图2，为了使磁阻层的占用面积较小，本实施例一提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路1，所述磁阻层205包括若干条平均分布的磁阻线2051，位于相同端面中的一个相同端面的两个相邻的所述磁阻线2051通过连接线2052相接，以使若干条所述磁阻线2051形成于一条。
实施例二
请参考图3，本实施例二提供一种各向异性磁电阻传感器，包括衬底201、第一绝缘层202、第一金属层203、第二绝缘层204、磁阻层205、第三绝缘层206、第二金属层207和保护层208，以及贯穿于第一金属层203、第二绝缘层204、第三绝缘层206、第二金属层207的金属连接柱209。其中，第一金属层203、第二绝缘层204、第三绝缘层206和第二金属层207，以及其与磁阻层205的相对关系采用如上述的实施例一的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路1的结构。
本实施例二，可形成多轴各向异性磁电阻传感器，例如2轴各向异性磁电阻传感器。其包括X轴各向异性磁电阻传感器和Y轴各向异性磁电阻传感器。X轴和Y轴各向异性磁电阻传感器均采用上述的置位/复位电路1。
为了形成3轴各向异性磁电阻传感器，除了X轴和Y轴各向异性磁电阻传感器之外，还可以包括形成在所述绝缘层202中的沟槽，所述沟槽中也形成有Z轴各向异性磁电阻传感器，其中X轴、Y轴和Z轴各向异性磁电阻传感器均包括上述置位/复位电路1，同样地，在沟槽中的置位/复位电路1中的第一金属层203和第二金属层207均与所述磁阻层205之间也形成有绝缘层202。
实施例三
请参考图2至图4，本实施例三提供一种上述实施例二的各向异性磁电阻传感器的制造方法，包括以及步骤：
301，提供衬底201。
302，在所述衬底201之上形成有第一绝缘层202。
303，在所述绝缘层202之上形成第一金属层203。
304，在所述第一金属层203之上形成氧化层，该氧化层为第二绝缘层204。该氧化层可以采用高密度等离子体化学气相沉积方法制作，例如沉积二氧化硅材料形成二氧化硅层，该高密度等离子体化学气相沉积方法可以保证金属层之间填满氧化物，不留空隙。
305，在所述氧化层之上形成磁阻层205。该磁阻层205可以为铁镍合金材料制作。
306，在所述磁阻层205之上形成氮化硅层，该氮化硅层为第三绝缘层206中的一种。该氮化硅层也可以采用高密度等离子体化学气相沉积方法的制作，也可以采用氧化工艺制作。氮化硅层还能够防止铁镍合金材料与第三绝缘层206发生化学反应，因此，该第三绝缘层206不能为氧化硅形成的氧化层。
307，在所述氮化硅层之上形成第二金属层207。
308，在所述第二金属层207之上形成保护层208。保护层208的材料为氮化钽。
309，在形成所述第二金属层207之前，还包括贯穿所述第一金属层203、氧化层、氮化硅层和第二金属层207形成过孔及在所述过孔内填充金属，形成金属连接柱209，使所述第一金属层203通过所述金属连接柱209与所述第二金属层207连接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈10。
实施例四
本实施例四提供一种MEMS器件，包括如上述实施例提供的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路1。
本实施例二至四，具有与实施例一相同的技术效果，为了避免重复，此处不再阐述。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
本发明不限于上述具体实施方式，凡在本发明的保护范围之内所作出的各种变化和润饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，包括由第一金属层、金属连接柱和第二金属层形成一闭合的多匝螺旋金属线圈，所述各向异性磁电阻传感器的磁阻层贯穿于所述螺旋金属线圈。
2.如权利要求1所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，所述第一金属层包括平均分布的若干根第一金属条，所述第二金属层包括平均分布的若干根第二金属条，相邻的所述第一金属条与所述第二金属条之间通过金属连接柱相接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈。
3.如权利要求2所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，位于所述第一金属条两端的金属连接柱的高度相同。
4.如权利要求2所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，每根所述第一金属条的尺寸规格相同，每根所述第二金属条的尺寸规格相同。
5.如权利要求2所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，所述第一金属条与所述第二金属条相对于水平面的投影成角度设置。
6.如权利要求1所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，其特征在于，所述磁阻层包括若干条平均分布的磁阻线，位于相同端面中的一个相同端面的两个相邻的所述磁阻线通过连接线相接，以使若干条所述磁阻线形成于一条。
7.一种各向异性磁电阻传感器，包括衬底、绝缘层、磁阻层和保护层，其特征在于，还包括形成于绝缘层与保护层之间的如权利要求1-6中任一项所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路，所述第一金属层和第二金属层均与所述磁阻层之间形成有绝缘层。
8.如权利要求7所述的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，包括形成在所述绝缘层中的沟槽，所述沟槽中形成有所述置位/复位电路。
9.一种各向异性磁电阻传感器的制造方法，其特征在于，包括
提供衬底；
在所述衬底之上形成第一绝缘层；
在所述绝缘层之上形成第一金属层；
在所述第一金属层之上形成第二绝缘层；
在所述第二绝缘层之上形成磁阻层；
在所述磁阻层之上形成第三绝缘层；
在所述第三绝缘层之上形成第二金属层；
在所述第二金属层之上形成保护层；
在形成所述第二金属层之前，还包括贯穿所述第一金属层、第二绝缘层、第三绝缘层和第二金属层形成过孔及在所述过孔内填充金属，形成金属连接柱，使所述第一金属层通过所述金属连接柱与所述第二金属层连接形成一闭合的多匝螺旋金属线圈。
10.一种MEMS器件，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的各向异性磁电阻传感器的置位/复位电路。
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