CN109888088A - 一种磁阻传感器结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种磁阻传感器结构及其制造方法，包括基底、缓冲层、相变结构、绝缘层和导电材料电极；缓冲层设置在基底的上表面，缓冲层上设置有相变结构和绝缘层，绝缘层设置在相变结构的两侧，且绝缘层高于相变结构；两个绝缘层顶部之间设置有导电材料电极；相变结构包括铁磁层、相变材料和非磁层。本发明将使用相变材料作为非磁性隔离层，由于室温下绝缘的相变材料在电流作用下可转变为导电材料，使磁阻传感器可在GMR与TMR两种效应间可控翻转，实现对磁阻传感器线性测量范围的动态调控。

Description

一种磁阻传感器结构及其制造方法

技术领域

本发明属于磁阻传感器技术领域，特别涉及一种磁阻传感器结构及其制造方法。

背景技术

磁阻传感器包括AMR(Anisotropy Magnetoresistance，各向异性磁阻)传感器、GMR (Giant Magnetoresistance，巨磁电阻)传感器以及TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧道 磁电阻)传感器，具有集成度高、偏移低、灵敏度高、温度性能好等优点，在汽车电子、精密计量等领域得到了广泛应用。磁阻传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，因而被用于探测磁场，其灵敏度优于霍尔传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗。此外，磁阻传感器的加工工艺可以很方便地与现有半导体工艺结合，有利于降低制造成本和提高集成度。GMR和TMR传感器的结构类似，其核心结构都具有两层 磁性层和一层非磁性的隔离层，其中隔离层位于两层磁性层之间。当两层磁性层的磁化方 向相同时,传感器的磁电阻是最小的；当它们彼此相反时，磁阻是最大的。磁阻效应的大 小决定了传感器的灵敏度。

GMR传感器使用导电材料作为隔离层，其电子在其中一个非磁性金属层(如一个铜层)和两个铁磁物质层之间运动，是由金属导电现象引起的。由于结构限制，GMR传感器 的磁阻变化和灵敏度较小。而TMR传感器采用绝缘材料如Al2O3和MgO作为隔离层， 其电子运动由隧道效应所控制，当钉扎层和自由层的磁化方向为反平行时几乎可以阻止电 子穿过阻挡层。因此，TMR传感器的磁阻比率非常高，相对于GMR传感器具有更好的 温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗、更宽的线性范围。但是TMR传感器的制造工 艺复杂、难度大、成本高，极大地限制了其应用。因此，GMR和TMR传感器由于设计 和使用材料的影响，其应用领域都受到较大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁阻传感器结构及其制造方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁阻传感器结构，包括基底、缓冲层、相变结构、绝缘层和导电材料电极；缓冲层设置在基底的上表面，缓冲层上设置有相变结构和绝缘层，绝缘层设置在相变结构的两侧，且绝缘层高于相变结构；两个绝缘层顶部之间设置有导电材料电极；相变结构包括铁磁层、相变材料和非磁层。

一种磁阻传感器结构的制造方法，基于上述所述的一种磁阻传感器结构，包括以下步 骤：

步骤1，提供Si基底，并对Si基底进行预处理；

步骤2，利用光刻技术在基底上形成第一预定义图形；

步骤3，采取磁控溅射薄膜生长技术在基底上生长磁性结构长条，此磁性长条由多层 薄膜结构叠加溅射形成，由基底开始分别为：底层导电材料电极/缓冲层/非磁层/铁磁层/ 相变材料/铁磁层/缓冲层，其中非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层为相变结构；

步骤4，通过先光刻，后刻蚀然后去胶的步骤微加工工艺，在基底上形成第二预定义 图形，其部分被光刻胶保护的部分并未受到刻蚀的影响，结构不变，该图形周围的部分仅 剩底层电极/缓冲层/铁磁层三部分，而组成隧道相变结构的铁磁/相变/铁磁结构层被刻蚀 清除，仅余导电材料与磁性材料构成导电的磁阻层利用光刻、刻蚀技术在基底上形成第二 预定义图形；

步骤5，利用光刻技术在基底形成第三预定义图形；

步骤6，在磁阻层上沉积绝缘材料形成绝缘层：利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理 好的基底上生长绝缘层SiO2材料；

步骤7，丙酮清洗后去除多余薄膜，利用光刻使绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图 形；

步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极；

步骤9，丙酮清洗，去除多余薄膜，形成磁阻传感器结构。

进一步的，步骤1所述的对Si基底进行预处理包括：利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

进一步的，步骤2中包括以下步骤：

1)在Si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，在Si基底上留下第一预定义图形。

进一步的，光刻胶的型号为APR-3510P。

进一步的，步骤3中利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，去 除第一层光刻胶，得到磁性长条材料。

进一步的，步骤4中包括：

1)在生长有磁性材料的样品晶圆上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转 10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜，在Si基底上留下第二预定义图形。

进一步的，步骤5中利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，重复第一预定义图形的形成过程，得到第三预定义图形。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

制造流程方面相比过去仅靠光刻剥离的方式，本发明采用了光刻与刻蚀结合的方式， 从根本上避免了光刻过程中去胶残留金属薄膜的问题，这对中间隔离层的绝缘功能的保护 起到了很好的作用，此改动可以极大的提高传感器的成品率。

结构方面，被刻蚀的部分利用绝缘层材料填充，使其高度与未被刻蚀的部分相同，这样即避免了生长上电极时，接触不良的问题，且隔离了上电极与隧道结构，避免两者接触而造成短路，提高了其稳定性与成品率。

采用相变材料作为非磁性隔离层，而相变材料可以随着外界温度和电压的变化而发 生金属与绝缘体之间的相互转变，从而使隔离层在绝缘与导通之间相互转换，在同一个器 件上实现巨磁阻GMR与隧穿磁阻TMR这两种效应的可控翻转。这使得器件实现了对磁 阻传感器线性测量范围的动态调控，是现有技术所不能达到的。

附图说明

图1为本发明磁阻传感器结构示意图；

图2为制作流程图。

其中：1为导电材料电极，2为绝缘层，3为相变结构，4为缓冲层，5为基底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1和图2，一种磁阻传感器结构，包括基底5、缓冲层4、相变结构3、绝缘 层2和导电材料电极1；缓冲层4设置在基底5的上表面，缓冲层4上设置有相变结构3 和绝缘层2，绝缘层2设置在相变结构3的两侧，且绝缘层高于相变结构3；两个绝缘层 2顶部之间设置有导电材料电极1；相变结构3包括铁磁层、相变材料和非磁层。

基于权利要求1所述的一种磁阻传感器结构，包括以下步骤：

步骤1，提供Si基底，并对Si基底进行预处理；

步骤2，利用光刻技术在基底上形成第一预定义图形；

步骤3，采取磁控溅射薄膜生长技术在基底上生长磁性结构长条，此磁性长条由多层 薄膜结构叠加溅射形成，由基底开始分别为：底层导电材料电极/缓冲层/非磁层/铁磁层/ 相变材料/铁磁层/缓冲层，其中非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层为相变结构，是器件的关 键结构；

步骤4，通过先光刻，后刻蚀然后去胶的步骤微加工工艺，在基底上形成第二预定义 图形，其部分被光刻胶保护的部分并未受到刻蚀的影响，结构不变，而四周经过特定精确 控制刻蚀时间刻蚀后，该图形周围的部分仅剩底层电极/缓冲层/铁磁层三部分，而组成隧 道相变结构的铁磁/相变/铁磁结构层被刻蚀清除，仅余导电材料与磁性材料构成导电的磁 阻层利用光刻、刻蚀技术在基底上形成第二预定义图形；

步骤5，利用光刻技术在基底形成第三预定义图形；

步骤6，在磁阻层沉积绝缘材料形成绝缘层：利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好 的基底上生长绝缘层SiO2材料；

步骤7，丙酮清洗后去除多余薄膜，利用光刻使绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图 形；

步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极；

步骤9，丙酮清洗，去除多余薄膜，形成磁阻传感器结构。

步骤1所述的对Si基底进行预处理包括：利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

步骤2中包括以下步骤：

1)在Si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，在Si基底上留下第一预定义图形。

5、根据权利要求4所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，光刻胶的型号为APR-3510P。

步骤3中利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，去除第一层光 刻胶，得到磁性长条材料。

步骤4中包括：

1)在生长有材料的样品晶圆上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜，在Si基底上留下第二预定义图形。

步骤5中利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，重复第一预定义图形的形成过程，得到第三预定义图形。

实施例1：

步骤1，提供一个Si基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

步骤2，本发明采用光刻胶的型号为APR-3510P，在Si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光 刻胶厚度均匀。

步骤3，将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化。

步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光。

步骤5，显影，去除多余的光刻胶，在Si基底上留下第一预定义图形。

步骤6，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，其数量与尺寸可以改变。

步骤7，去除第一层光刻胶，得到如图2a所示的磁性长条材料。

步骤8，在生长有磁阻层的Si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。

步骤9，将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化，如图2b所示。

步骤10，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光。

步骤11，显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜；在Si 基底上留下第二预定义图形，如图2c所示。

步骤12，利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，得到如图2d所示结构。

步骤13，重复步骤2-5，如图2f，2g所示，得到第三预定义图形。

步骤14，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长绝缘层SiO2材料。

步骤15，去除光刻胶，得到如图2h所示结构。丙酮清洗后去除多余薄膜；

步骤16，重复步骤2-5，如图2i，2j所示，得到第四预定义图形。光刻使所述绝缘 层与磁阻层上形成第四预定义图形；

步骤17，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极。沉积导电层。

步骤18，去除光刻胶，得到如图2j所示结构。丙酮清洗，去除多余薄膜。

Claims (8)

1.一种磁阻传感器结构，其特征在于，包括基底(5)、缓冲层(4)、相变结构(3)、绝缘层(2)和导电材料电极(1)；缓冲层(4)设置在基底(5)的上表面，缓冲层(4)上设置有相变结构(3)和绝缘层(2)，绝缘层(2)设置在相变结构(3)的两侧，且绝缘层高于相变结构(3)；两个绝缘层(2)顶部之间设置有导电材料电极(1)；相变结构(3)包括铁磁层、相变材料和非磁层。

2.一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种磁阻传感器结构，包括以下步骤：

步骤1，提供Si基底，并对Si基底进行预处理；

步骤2，利用光刻技术在基底上形成第一预定义图形；

步骤3，采取磁控溅射薄膜生长技术在基底上生长磁性结构长条，此磁性长条由多层薄膜结构叠加溅射形成，由基底开始依次为：底层导电材料电极/缓冲层/非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层/缓冲层，其中非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层为相变结构；

步骤4，通过先光刻，后刻蚀然后去胶的微加工工艺，在基底上形成第二预定义图形，其被光刻胶保护的部分未受到刻蚀的影响，该图形周围的部分仅剩底层电极/缓冲层/铁磁层三部分，而组成相变结构的铁磁/相变/铁磁结构层被刻蚀清除，仅余导电材料与磁性材料构成导电的磁阻层；

步骤5，利用光刻技术在基底形成第三预定义图形；

步骤6，在磁阻层上沉积绝缘材料形成绝缘层：即利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长绝缘层SiO2材料；

步骤7，丙酮清洗后去除多余薄膜，利用光刻使绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图形；

步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极；

步骤9，丙酮清洗，去除多余薄膜，形成磁阻传感器结构。

3.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤1所述的对Si基底进行预处理包括：利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

4.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤2中包括以下步骤：

1)在Si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，在Si基底上留下第一预定义图形。

5.根据权利要求4所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，光刻胶的型号为APR-3510P。

6.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤3中利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，去除第一层光刻胶，得到磁性长条材料。

7.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤4中包括：

1)在生长有磁性材料的样品晶圆上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜，在Si基底上留下第二预定义图形。

8.根据权利要求2所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤4中利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，重复第一预定义图形的形成过程，得到第三预定义图形。