CN110137345B

CN110137345B - 一种三轴磁传感器及其制备方法

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Publication number: CN110137345B
Application number: CN201910464493.7A
Authority: CN
Inventors: 王俊杰; 张振兴
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: CN110137345A

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，以图形化的所述光刻胶层为掩模，对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，暴露出所述第一凹槽的侧壁上的Z轴磁阻结构，再去除所述光刻胶层，以在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔时，通过对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，使得第一凹槽侧壁上的硬掩模层可以一次性被去除，从而减少了工艺步骤，降低了生产成本，还提高了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，提高了三轴磁传感器的性能。另外，本发明使用的各向同性刻蚀工艺和去除光刻胶层的工艺在同一个设备中进行，无需更换设备，缩短了工艺时间，降低了生产成本。

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，产品性能较差，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，提高产品性能，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：

步骤一：提供一包括COMS晶体管的半导体衬底，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，在所述半导体衬底上形成有介质层和Z轴磁阻结构，在所述介质层中形成有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，所述Z轴磁阻结构至少覆盖了所述第一凹槽的侧壁；

步骤二：在所述半导体衬底上形成硬掩模层，所述硬掩模层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，并在所述硬掩模层上形成图形化的光刻胶层；以及

步骤三：以图形化的所述光刻胶层为掩模，对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，暴露出所述第一凹槽的侧壁上的Z轴磁阻结构，再去除所述光刻胶层，以在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

可选的，对所述硬掩模层使用的各向同性刻蚀的工艺与去除所述光刻胶层的工艺在同一个设备中进行。

进一步的，所述硬掩模层包括氮化硅层。

进一步的，步骤一包括以下步骤：

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。

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。

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，通过对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，使得第一凹槽侧壁上的硬掩模层可以一次性被去除，从而减少了工艺步骤，降低了生产成本，还提高了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，提高了三轴磁传感器的性能。另外，本发明的使用的各向同性刻蚀工艺和去除光刻胶层的工艺在同一个设备中进行，无需更换设备，缩短了工艺时间，降低了生产成本。

附图说明

图1a-1c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-3e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-1c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-硬掩层；70-图形化的光刻胶层；80-互连通孔；

图3a-3e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-光刻胶层；800-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，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，在所述COMS器件晶圆10上依次形成第一阻挡层20、磁性材料层、Z轴磁阻层30、保护层40和第二阻挡层50，所述第一阻挡层20、磁性材料层、Z轴磁阻层30、保护层40和第二阻挡层50至少覆盖所述第一凹槽13a的侧壁，且至少暴露出部分的所述第二顶部金属层11b的表面，其中，所述保护膜层40的材料例如是氮化钽，所述Z轴磁阻层30包括两个相对设置的Z轴磁阻条31、32。

如图1b所示，接着执行步骤S12，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60，并在所述硬掩模层60上形成图形化的光刻胶70。

如图1c所示，接着执行步骤S13，以图形化的所述光刻胶70为掩模，对所述硬掩模层60和第二阻挡膜层50依次进行各向异性刻蚀，以去除所述第一凹槽13a侧壁上的部分所述硬掩模层60和第二阻挡膜层50，所述第一凹槽13a的侧壁上残留的第二阻挡膜层50(即残留物a)。

请继续参阅图1c，接着执行步骤S14，去除所述图形化的光刻胶层70，并进一步刻蚀所述半导体衬底，以部分去除残留物a，以及在所述第二凹槽13b形成COMS器件晶圆10与AMR的互连通孔80。

发明人研究发现，步骤S13通过各向异性刻蚀工艺刻蚀硬掩模层和第二阻挡膜层后，在第一凹槽的侧壁上存在残留物，使得必须增加专门的步骤S14中的进一步刻蚀工艺来去除残留物，而且该专门的去除残留物的效果也不是很好，其只能去除部分的残留物，使得第一凹槽侧壁上依然存在残留物，造成第一凹槽的开口效果较差，降低了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，影响了产品的性能。

发明人还发现，步骤S13的各向异性刻蚀工艺和步骤S14的去除光刻胶工艺需要在两个设备中进行，增加了工艺时间，提高了生产成本。

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，通过对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，使得第一凹槽侧壁上的硬掩模层可以一次性被去除，从而减少了工艺步骤，降低了生产成本，还提高了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，提高了三轴磁传感器的性能。另外，本发明的使用的各向同性刻蚀工艺和去除光刻胶层的工艺在同一个设备中进行，无需更换设备，缩短了工艺时间，降低了生产成本。

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：提供一包括COMS晶体管的半导体衬底，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，在所述半导体衬底上形成有介质层和Z轴磁阻结构，在所述介质层中形成有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，所述Z轴磁阻结构至少覆盖了所述第一凹槽的侧壁；

步骤S22：在所述半导体衬底上形成硬掩模层，所述硬掩模层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，并在所述硬掩模层上形成图形化的光刻胶层；以及

步骤S23：以图形化的所述光刻胶层为掩模，对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，暴露出所述第一凹槽的侧壁上的Z轴磁阻结构，再去除所述光刻胶层，以在所述第二凹槽中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔。

下面结合图3a-3e对本实施例的一种三轴磁传感器的制备方法进行详细说明。

首先执行步骤S21，提供一包括COMS晶体管的半导体衬底100，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，在所述半导体衬底100上形成有介质层120和Z轴磁阻结构，在所述介质层120中形成有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120b，所述Z轴磁阻结构至少覆盖了所述第一凹槽120a的侧壁。

本步骤具体包括以下步骤：

如图3a所示，首先，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。

请继续参阅图3a，接着，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，通过旋涂将初始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初始第一光刻胶层；在照射之后，对初始第一光刻胶显影，引起初始第一光刻胶层的已照射部分的去除，以形成图形化的初始第一光刻胶层；然后，以图形化的初始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初始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。

请继续参阅图3a，接着，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。

如图3b所示，接着，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形成图形化的初始第二光刻胶层，图形化的所述初始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；以图形化的初始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。

如图3c所示，接着，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。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

如图3d所示，接着执行步骤S22，在所述半导体衬底100上形成硬掩模层600，所述硬掩模层600覆盖了所述第一凹槽120a的槽底和侧壁和第二凹槽120b的槽底和侧壁，并在所述硬掩模层600上形成图形化的光刻胶层700。

其中，所述硬掩模层600例如是氮化硅层。

在本步骤中，图形化的所述光刻胶层700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。

如图3e所示，接着执行步骤S23，以图形化的所述光刻胶层700为掩模，对所述硬掩模层600进行各向同性刻蚀，暴露出所述第一凹槽120a的侧壁上的所述Z轴磁阻结构300’，再去除所述光刻胶层700，以在所述第二凹槽120b中形成COMS晶体管与AMR的互连通孔800。可知，在此处采用各向同性刻蚀使得第一凹槽120a侧壁上的硬掩模层600和第二阻挡层500’可以被完全蚀刻掉，而不会向各向异性蚀刻时在第一凹槽侧壁上出现硅残留，因此，本实施例无需专门增加步骤来去除第一凹槽侧壁上残留物，从而减少了工艺步骤，降低了生产成本，还提高了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，提高了三轴磁传感器的性能。

在本步骤中，各向同性刻蚀工艺和去除光刻胶层的工艺在同一个设备中进行，而无需更换设备，缩短了工艺时间，降低了生产成本。

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，通过对所述硬掩模层进行各向同性刻蚀，使得第一凹槽侧壁上的硬掩模层可以一次性被去除，从而减少了工艺步骤，降低了生产成本，还提高了三轴磁传感器中Z轴磁阻条的反应灵敏度，提高了三轴磁传感器的性能。另外，本发明使用的各向同性刻蚀工艺和去除光刻胶层的工艺在同一个设备中进行，无需更换设备，缩短了工艺时间，降低了生产成本。

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：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述硬掩模层使用的各向同性刻蚀工艺与去除所述光刻胶层的工艺在同一个设备中进行。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述硬掩模层包括氮化硅层。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤一包括以下步骤：

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。

5.如权利要求4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：

6.如权利要求5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。

7.如权利要求6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铝或铜。

8.如权利要求7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。

9.如权利要求8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。

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