CN110040679B

CN110040679B - 一种三轴磁传感器及其制备方法

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Publication number: CN110040679B
Application number: CN201910318927.2A
Authority: CN
Inventors: 王俊杰; 徐爱斌
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: CN110040679A

Abstract

本发明提供了一种三轴磁传感器及其制备方法，所述三轴磁传感器的制备方法中，在形成Z轴磁阻结构之后，以所述Z轴磁阻结构为掩模刻蚀所述第一凹槽的槽底和第二凹槽的槽底，以暴露出所述第二凹槽的槽底，以此步骤替代原有的在形成Z轴磁阻结构后的光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺，其节省了图形化的光刻胶所需的掩模板，降低了生产成本，简化形成三轴磁传感器的工艺步骤，还解决了第一凹槽底部保护层搭桥的问题，提高了良率。

Description

一种三轴磁传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种三轴磁传感器及其制备方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)，是将微电子技术与机械工程融合在一起的一种新技术。MEMS器件，相对于传统的半导体器件，具有多种优势，例如体积小，成本低，集成化程度高，近年来，逐渐使用在例如各种传感器中。

各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto Resistive，AMR)效应是指铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而变化的现象。基于AMR制造的MEMS器件具有灵敏度高、热稳定性好、材料成本低、制作工艺简单的特点，已成为未来发展的方向。

目前，基于AMR制造的MEMS器件与CMOS集成电路的工艺一体化制备的器件具有集成度高，功耗性能好的特点，使得该工艺是理想的制备消费电子用三轴磁传感器的工艺。但是，该工艺较为复杂，良率较低，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴磁传感器及其制备方法，以简化形成三轴磁传感器的工艺步骤，提高良率，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三轴磁传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有COMS晶体管和介质层，所述COMS晶体管至少包括第一顶部金属层和第二顶部金属层，所述介质层覆盖所述第一顶部金属层和第二顶部金属层；

在所述介质层中形成间隔设置的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽的槽底暴露出所述第一顶部金属层，所述第二凹槽的槽底暴露出所述第二顶部金属层；

在所述介质层上形成磁性材料结构，所述磁性材料结构还覆盖了所述第一凹槽的槽底和侧壁，以及第二凹槽的槽底和侧壁；

对所述磁性材料结构进行刻蚀，以形成Z轴磁阻结构，所述Z轴磁结构至少形成于所述第一凹槽的侧壁；

以所述Z轴磁阻结构为掩模，对所述第一凹槽和第二凹槽的槽底进行再刻蚀，以暴露出所述第二顶部金属层；以及

在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

可选的，通过干法刻蚀工艺对所述第一凹槽和第二凹槽的槽底进行再刻蚀。

进一步的，再刻蚀后的所述第二阻挡层的厚度小于

进一步的，所述Z轴磁阻结构包括第一阻挡膜层、磁性材料膜层、保护膜层和第二阻挡膜层；

在所述介质层上形成磁性材料结构包括：

在所述介质层上依次形成第一阻挡膜层、磁性材料膜层、保护膜层和第二阻挡膜层；

对所述磁性材料结构进行刻蚀：

依次对所述第二阻挡膜层、保护膜层、磁性材料膜层和第一阻挡膜层进行干法刻蚀。

进一步的，所述Z轴子磁结构包括所述第一凹槽的侧壁处的磁性材料层，还包括与所述第一凹槽的侧壁接触的部分所述第一凹槽底部上的磁性材料层，以及与所述第一凹槽的侧壁接触的周围部分第一凹槽顶部上的磁性材料层。

进一步的，所述第一顶部金属层和第二顶部金属层的材料包括金属铝或铜。

进一步的，所述第一凹槽和第二凹槽的槽底与侧壁之间的夹角均大于90度。

进一步的，所述第一阻挡膜层包括氮化硅膜层；所述磁性材料膜层包括镍铁合金膜层、镍铁铬合金膜层、镍铁铷合金膜层或铁镍钴合金膜层；所述保护膜层包括氮化钽膜层；所述第二阻挡膜层包括氮化硅膜层或氮氧化硅膜层。

进一步的，所述保护膜层的厚度小于等于

本发明还提供了一种三轴磁传感器，由上述所述的方法制备而成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的一种三轴磁传感器及其制备方法，所述三轴磁传感器的制备方法中，在形成Z轴磁阻结构之后，以所述Z轴磁阻结构为掩模刻蚀所述第一凹槽的槽底和第二凹槽的槽底，以暴露出所述第二凹槽的槽底，以此步骤替代原有的在形成Z轴磁阻结构后的光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺，其节省了图形化的光刻胶所需的掩模板，降低了生产成本，简化形成三轴磁传感器的工艺步骤，还解决了第一凹槽底部保护层搭桥的问题，提高了良率。

附图说明

图1a-1h为一种三轴磁传感器结构形成过程中各步骤的结构示意图；

图2为本发明一实施例的一种三轴磁传感器的制备方法的流程示意图；

图3a-3f为本发明一实施例的一种三轴磁传感器结构形成过程中各步骤的结构示意图；

附图标记说明：

图1a-1h中：

a-残留物；

10-COMS器件晶圆；11a-第一顶部金属层；11b-第二顶部金属层；12-介质层；13a-第一凹槽；13b-第二凹槽；

20-第一阻挡膜层；30-磁性材料膜层；40-保护膜层；50-第二阻挡膜层；20’-第一阻挡层；30’-Z轴磁阻层；31’、32’-Z轴磁阻条；40’-保护层；50’-第二阻挡层；60-图形化的光刻胶层；60a-开口；70-硬掩模层；80-互连通孔；

图3a-3f中：

100-半导体衬底；110a-第一顶部金属层；110b-第二顶部金属层；120-介质层；120a-第一凹槽；120b-第二凹槽；

200-第一阻挡膜层；200’-第一阻挡层；

300-磁性材料膜层；300’-Z轴磁阻层；310’、320’-Z轴磁阻条；

400-保护膜层；400’-保护层；

500-第二阻挡膜层；500’-第二阻挡层；

600-硬掩模层；700-互连通孔。

具体实施方式

一种传统的三轴磁传感器的制备方法包括以下步骤：

如图1a所示，首先执行步骤S11，提供一COMS器件晶圆10，在所述COMS器件晶圆10上形成有介质层12，所述COMS器件晶圆10包括第一顶部金属层11a和第二顶部金属层11b。

如图1b所示，接着执行步骤S12，在所述介质层12中形成第一凹槽13a和第二凹槽13b，所述第一凹槽13a的槽底暴露出所述第一顶部金属层11a，所述第二凹槽13b的槽底暴露出所述第二顶部金属层11b。

如图1c所示，接着执行步骤S13，依次形成第一阻挡膜层20、磁性材料膜层30、保护膜层40和第二阻挡膜层50，所述第一阻挡膜层20覆盖了所述COMS器件晶圆10、所述第一凹槽13a和第二凹槽13b的槽底和侧壁，所述保护膜层40的材料例如是氮化钽。

如图1d所示，接着执行步骤S14，依次刻蚀所述第二阻挡膜层50、保护膜层40、磁性材料膜层30和第一阻挡膜层20，以形成第一阻挡层20’、Z轴磁阻层30’、保护层40’和第二阻挡层50’，所述Z轴磁阻层30’包括两个相对设置的Z轴磁阻条31’、32’，所述Z轴磁阻条31’、32’覆盖所述COMS器件晶圆10部分表面上以及所述第一凹槽13a两侧的侧壁和部分所述第一凹槽13a的槽底，在本步骤中，由于刻蚀不完全，在所述第一顶部金属层11a和第二顶部金属层11b并未被暴露出来。

如图1e所示，接着执行步骤S15，在所述COMS器件晶圆10上形成图形化所述光刻胶层60，图形化的所述光刻胶层60在所述第二凹槽13b的槽底上方形成有一开口60a。

如图1f所示，接着执行步骤S16，在所述开口60a处对所述第二凹槽13b的槽底进行刻蚀，并暴露出所述第二顶部金属层11b。

如图1g所示，接着执行步骤S17，去除所述图形化的光刻胶层60。

如图1h所示，接着执行步骤S18，在所述COMS器件晶圆10及所述第二阻挡层50’上形成硬掩模层70，刻蚀所述硬掩模层70以在所述第二凹槽13b形成COMS器件晶圆10与AMR的互连通孔80。

发明人研究发现，上述方法中在形成Z轴磁阻层时，由于在第一凹槽的槽底存在刻蚀残留物a，使得第一顶部金属层并未被暴露出来，而该残留物a包括部分第一阻挡层，甚至存在保护层氮化钽残留，而保护层的残留在第一凹槽的槽底引起了保护层搭桥现象，即，保护层在所述第一凹槽的槽底将两个Z轴磁阻条连接，造成了产品的不良。

发明人还发现，上述方法中在形成Z轴磁阻层时，由于在第二凹槽的槽底也存在刻蚀残留物a，使得位于第二凹槽的第二顶部金属层被残留物覆盖，而第二凹槽中用于形成互连通孔时必须将第二顶部金属层暴露出来，使得不得不再进行一次光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺来去除第二凹槽的槽底的残留物，该过程较为繁琐，还需要专门的掩模板来进行图形化所述光刻胶，其造成了产品的生产成本较高，同时增加了工艺的复杂程度。

基于上述研究，本发明提供一种三轴磁传感器及其制备方法，所述三轴磁传感器的制备方法中，在形成Z轴磁阻结构之后，以所述第二阻挡层为掩模刻蚀所述第一凹槽的槽底和第二凹槽的槽底，以暴露出所述第二凹槽的槽底，以此步骤替代原有的在形成Z轴磁阻结构后的光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺，其节省了图形化的光刻胶所需的掩模板，降低了生产成本，简化形成三轴磁传感器的工艺步骤，还解决了第一凹槽底部保护层搭桥的问题，提高了良率。

下面将结合流程图和示意图对本发明的一种三轴磁传感器及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本实施例的一种三轴磁传感器的制备方法的流程示意图。如图2所示，本实施例提供了一种三轴磁传感器的制备方法，所述方法包括：

步骤S21：提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有COMS晶体管和介质层，所述COMS晶体管至少包括第一顶部金属层和第二顶部金属层，所述介质层覆盖所述第一顶部金属层和第二顶部金属层；

步骤S22：在所述介质层中形成间隔设置的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽的槽底暴露出所述第一顶部金属层，所述第二凹槽的槽底暴露出所述第二顶部金属层；

步骤S23：在所述介质层上形成磁性材料结构，所述磁性材料结构还覆盖了所述第一凹槽的槽底和侧壁，以及第二凹槽的槽底和侧壁；

步骤S24：对所述磁性材料结构进行刻蚀，以形成Z轴磁阻结构，所述Z轴磁结构至少形成于所述第一凹槽的侧壁；

步骤S25：以所述Z轴磁阻结构为掩模，对所述第一凹槽和第二凹槽的槽底进行再刻蚀，以暴露出所述第二顶部金属层；以及

步骤S26：在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

图3a为本实施例提供的半导体衬底的结构示意图。如图3a所示，首先执行步骤S21，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有COMS晶体管和介质层120，所述COMS晶体管至少包括第一顶部金属层110a和第二顶部金属层110b，所述介质层120覆盖所述第一顶部金属层110a和第二顶部金属层110b。

在具体实施过程中，所述半导体衬底100上形成的COMS晶体管具有若干个，每个COMS晶体管具有若干个顶部金属层，图3a中示意出两个，即，第一顶部金属层110a和第二顶部金属层110b。所述介质层120的材料为绝缘性材料，用以后续隔离作用，优选的，所述介质层120的材料例如是二氧化硅，二氧化硅的形成方法参照现有技术中的形成方法，之后采用化学机械研磨平坦化处理所述介质层120的上表面。所述第一顶部金属层110a和第二顶部金属层110b的材料包括但不限于金属铝或铜。

图3b为本实施例提供的形成第一凹槽和第二凹槽后的结构示意图。如图3b所示，接着执行步骤S22，在所述介质层120中形成间隔设置的第一凹槽120a和第二凹槽120b，所述第一凹槽120a的槽底暴露出所述第一顶部金属层110a，所述第二凹槽120b的槽底暴露出所述第二顶部金属层110b。

其中，所述第一顶部金属层110a用于后续形成Z轴磁阻结构的刻蚀停止层，所述第二顶部金属层110b用于后续形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底与侧壁之间的夹角例如是均大于90度，例如是90°～140°，如95°、100°105°、115°、125°或135°等。所述第一凹槽120a和第二凹槽120b可以通过本领域普通技术人员公知的光刻和刻蚀工艺来实现。例如，光刻和刻蚀工艺包括以下步骤：首先，通过旋涂将第一光刻胶层涂覆在所述介质层120上；接着，通过UV光经过施加的掩模板照射所述第一光刻胶层；在照射之后，对光刻胶显影，引起第一光刻胶层的已照射部分的去除，以形成图形化的第一光刻胶层；然后，以图形化的第一光刻胶层为掩模对所述介质层120进行刻蚀，之后典型的通过使用有机溶剂去除第一光刻胶层的剩余部分。

需要说明的是，在本步骤中可能还形成了第三凹槽、第四凹槽等，但是因为本方案仅对第一凹槽和第二凹槽进行详细介绍，因此，对是否还形成了第三凹槽、第四凹槽等不做介绍。

图3c为本实施例提供的形成第二阻挡膜层后的结构示意图。如图3c所示，接着步骤S23，在所述介质层120上形成磁性材料结构，所述磁性材料结构还覆盖了所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底和侧壁。所述磁性材料结构包括第一阻挡膜层200、磁性材料膜层300、保护膜层400和第二阻挡膜层500，具体的，在所述介质层120上依次形成第一阻挡膜层200、磁性材料膜层300、保护膜层400和第二阻挡膜层500，所述第一阻挡膜层200覆盖了所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底和侧壁。

所述第一阻挡膜层200例如是氮化硅膜层，其用于阻挡磁性材料膜层300向所述介质层120中扩散；所述磁性材料膜层300例如是包括镍铁合金膜层、镍铁铬合金膜层、镍铁铷合金膜层或铁镍钴合金膜层等，所述磁性材料膜层300用于后续形成Z轴磁阻层；所述保护膜层400例如是氮化钽膜层，所述氮化钽膜层作为Z轴磁阻层(即所述磁性材料膜层后续形成的)的保护膜层400，避免所述Z轴磁阻层暴露在空气中而遭到氧化腐蚀，其中，所述保护膜层400的厚度例如是小于等于

所述第二阻挡膜层500例如是氮化膜硅或氮氧化膜硅，能够起到阻挡的作用，并且不会与磁性材料膜层300发生反应，能够确保后续形成的各向异性磁阻的性能。

图3d为本实施例提供的形成Z轴磁阻结构后的结构示意图。如图3d所示，接着步骤S24，对所述磁性材料结构进行刻蚀，以形成Z轴磁阻结构，所述Z轴磁结构至少形成于所述第一凹槽120a的侧壁。也可以说，依次对所述第二阻挡膜层500、保护膜层400、磁性材料膜层300和第一阻挡膜层200进行刻蚀，以形成第一阻挡层200’、Z轴磁阻层300’、保护层400’和第二阻挡层500’，其中，所述Z轴磁结构包括两个间隔设置的两个Z轴磁子结构，因此，所述Z轴磁阻层300’包括间隔设置的两个Z轴磁阻条310’、320’，优选的，所述Z轴磁阻层300’包括相对设置的两个Z轴磁阻条310’、320’，所述Z轴磁阻条310’、320’至少形成于所述第一凹槽120a的侧壁。

具体的，先在所述第二阻挡膜层500形成图形化的第二光刻胶层，图形化的所述第二光刻胶层覆盖所述第二阻挡膜层500除待形成Z轴磁阻结构以外的区域；以图形化的第二光刻胶层为掩模，依次刻蚀所述第二阻挡膜层500、保护膜层400、磁性材料膜层300和第一阻挡膜层200，以形成第一阻挡层200’、Z轴磁阻层300’、保护层400’和第二阻挡层500’。此时，所述第一凹槽120a的槽底，以及第二凹槽120b的槽底和侧壁上有可能还存在残留物a，所述残留物a的材料包括未刻蚀完的氮化硅和/或氮化钽。

在本实施例中，所述Z轴磁阻条不仅包括所述第一凹槽120a的侧壁处的磁性材料膜层300，还包括与所述第一凹槽120a的侧壁接触的部分所述第一凹槽120a的槽底上的磁性材料膜层300，以及与所述第一凹槽120a的侧壁接触的周围部分第一凹槽120a的顶部上的磁性材料膜层300。

图3e为本实施例提供的再刻蚀后的结构示意图。如图3e所示，接着步骤S25，以所述Z轴磁阻结构为掩模，对所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底进行再刻蚀，以暴露出所述第二顶部金属层110b，换言之，以所述第二阻挡层500’为掩模，对所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底进行再刻蚀，以暴露出所述第二顶部金属层110b。例如是通过干法刻蚀工艺对所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底进行再刻蚀。

在本步骤中，以所述第二阻挡层500’作为硬掩模，对所述第一凹槽120a和第二凹槽120b的槽底进行再刻蚀，其暴露出了所述第二顶部金属层110b，同样的也消耗了第一凹槽120a的残留物，暴露出了所述第一顶部金属层110a，该步骤避免了第一凹槽120a的槽底产生的保护层搭桥，提高了良率，同时本步骤替代原有的在形成Z轴磁阻结构后的光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽120b的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺，其节省了图形化的光刻胶所需的掩模板，降低了生产成本，简化形成三轴磁传感器的工艺步骤。

本步骤的整个过程中消耗了部分厚度的第二阻挡层500’，使得再刻蚀后的所述第二阻挡层500’的厚度例如是小于

图3f为本实施例提供的形成互连通孔后的结构示意图。如图3f所示，接着步骤S26，在所述第二凹槽120b中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔700。

具体的，首先，在所述第二凹槽120b的侧壁和槽底，以及所述第二阻挡层500’上形成硬掩模层600，所述硬掩模层600例如是氮化硅层；接着，在所述硬掩模层600上形成图形化的第三光刻胶层，图形化的所述第三光刻胶层在所述Z轴磁阻结构上方，以及所述第二凹槽120b的槽底上方均具有开口，以图形化的所述第三光刻胶层为掩模，在所述开口处对所述硬掩模层600进行刻蚀，暴露出第二凹槽120b的槽底的顶部金属层110b，以及所述Z轴磁阻结构上方的第二阻挡层500’，以在所述第二凹槽120b中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔700。

本实施例还提供了一种三轴磁传感器，采用上述方法制备而成。

综上所述，本发明提供一种三轴磁传感器及其制备方法，所述三轴磁传感器的制备方法中，在形成Z轴磁阻结构之后，以所述第二阻挡层为掩模刻蚀所述第一凹槽的槽底和第二凹槽的槽底，以暴露出所述第二凹槽的槽底，以此步骤替代原有的在形成Z轴磁阻结构后的光刻胶的形成，图形化该光刻胶、以图形化的光刻胶为掩模对第二凹槽的槽底进行刻蚀，光刻胶的去除等一系列的工艺，其节省了图形化的光刻胶所需的掩模板，降低了生产成本，简化形成三轴磁传感器的工艺步骤，还解决了第一凹槽底部保护层搭桥的问题，提高了良率。

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”、的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。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种三轴磁传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对所述磁性材料结构进行刻蚀，以形成Z轴磁阻结构，所述Z轴磁阻结构至少形成于所述第一凹槽的侧壁；

在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过干法刻蚀工艺对所述第一凹槽和第二凹槽的槽底进行再刻蚀。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Z轴磁阻结构包括第一阻挡膜层、磁性材料膜层、保护膜层和第二阻挡膜层；

在所述介质层上形成磁性材料结构包括：

对所述磁性材料结构进行刻蚀：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Z轴磁阻结构包括所述第一凹槽的侧壁处的磁性材料膜层，还包括与所述第一凹槽的侧壁接触的部分所述第一凹槽底部上的磁性材料膜层，以及与所述第一凹槽的侧壁接触的周围部分第一凹槽顶部上的磁性材料膜层。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一顶部金属层和第二顶部金属层的材料包括金属铝或铜。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的槽底与侧壁之间的夹角均大于90度。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一阻挡膜层包括氮化硅膜层；所述磁性材料膜层包括镍铁合金膜层、镍铁铬合金膜层、镍铁铷合金膜层或铁镍钴合金膜层；所述保护膜层包括氮化钽膜层；所述第二阻挡膜层包括氮化硅膜层或氮氧化硅膜层。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述保护膜层的厚度小于等于

9.一种三轴磁传感器，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备而成。