CN114371431A - 磁场传感器、制作工艺及其磁场检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种磁场传感器、制作工艺及其磁场检测方法，所述磁场检测方法包括以下步骤：制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构；标定所述样本磁场传感器的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线；将磁性单元与所述样本磁场传感器集成得到标准磁场传感器；检测所述标准磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度。本申请解决了现有技术对微型磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题，大大提高了对芯片内的微型磁性单元进行三维磁场探测的准确性和精确度。
Description
技术领域
本申请涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁场传感器、制作工艺及其磁场检测方法。
背景技术
高精度磁场检测技术在很多应用领域都有着重要作用，例如导航系统、自动化设备、生物医学等，由此发展起来的磁场传感器种类也越来越丰富，精度越来越高，如超导量子干涉仪、霍尔传感器、磁阻传感器(例如AMR(Anisotropic Magneto resistance，各向异性磁电阻)元件、GMR(Giant Magneto resistance，巨磁电阻)元件和TMR(Tunnel MagnetoResistance，隧道磁电阻)元件等)等，大大满足了不同工作环境中的磁场检测需求，即便目前的磁场传感器种类繁多，但都比较局限于磁场空间范围较大的检测，随着自旋电子学的不断发展，自旋电子器件也应运而生，例如MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)、自旋芯片等，而在后摩尔时代的今天，对于一些集成于芯片内部有着较小磁场空间范围的自旋电子器件而言(如自旋芯片)，利用传统的外部磁场传感器进行探测的手段存在探测点不准确、探测精度较低等问题，尤其是针对晶圆级通过微纳工艺制作出成千上万个具有磁场分布的小尺寸硬磁结构(如永磁体)来说，对单个磁性单元进行高精度三维磁场探测误差较大。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种磁场传感器、制作工艺及其磁场检测方法，旨在解决现有技术对单个磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题。
为实现上述目的，本申请提供一种磁场检测方法，所述磁场检测方法包括以下步骤：
制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构；
对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线；
将磁性单元与所述磁感应器件集成得到磁场传感器；
检测所述磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询对应的所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度。
优选地，所述分量磁场强度包括x方向的Hx、y方向的Hy和z方向的Hz，所述霍尔电阻包括所述y方向的Rxy和所述x方向的Ryx，所述标准变化曲线包括Rxy-Hx曲线和Ryx-Hy曲线，以及Rxy-Hz曲线和/或Ryx-Hz曲线，其中，所述x方向和所述y方向与所述磁感应器件共面，所述x方向、所述y方向和所述z方向互相垂直，所述对所述样本磁场传感器施加不同方向的扫描磁场，分别标定所述样本磁场传感器的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线的步骤包括：
对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线和所述Ryx-Hy曲线，以及所述Rxy-Hz曲线和/或所述Ryx-Hz曲线。
优选地，所述预设方向包括x方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述x方向施加第一扫描磁场，检测得到所述第一扫描磁场的各Hx对应的第一Rxy，得到Rxy-Hx曲线。
优选地，所述预设方向包括y方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hy曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述y方向施加第二扫描磁场，检测得到所述第二扫描磁场的各Hy对应的第一Ryx，得到Ryx-Hy曲线。
优选地，所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第三扫描磁场，检测得到所述第三扫描磁场的各Hz对应的第二Rxy，得到Rxy-Hz曲线。
优选地，所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第四扫描磁场，检测得到所述第四扫描磁场的各Hz对应的第二Ryx，得到Ryx-Hz曲线。
优选地，所述检测所述标准磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度的步骤包括：
沿所述x正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy1，沿所述x负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy2，根据所述Rxy1和所述Rxy2确定所述x方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hx)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hz)；
沿所述y正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx3，沿所述y负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx4，根据所述Ryx3和所述Ryx4确定所述y方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hy)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hz)；
分别根据所述Rxy(Hx)和Ryx(Hy)，以及Rxy(Hz)和/或Ryx(Hz)查询对应的所述Rxy-Hx曲线、所述Ryx-Hy曲线、所述Rxy-Hz曲线或所述Ryx-Hz曲线，得到所述磁性单元的x方向实测分量磁场强度、y方向实测分量磁场强度和z方向实测分量磁场强度。
本申请还提供一种磁场传感器，所述磁场传感器包括：基底层、磁性单元和磁感应器件；其中，所述磁性单元沉积于所述基底层表面，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述磁感应器件沉积于所述基底层表面。
本申请还提供一种磁场传感器制作工艺，所述磁场传感器制作工艺包括以下步骤：
在基底层上沉积第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积磁性薄膜层，并将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元；
在所述磁性单元上沉积第二钝化层；
在所述第二钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，得到磁场传感器。
优选地，所述磁感应薄膜层为Ta/CoFeB/MgO/Ta的多层异质结构。
本申请提供了一种磁场传感器、制作工艺及其磁场检测方法，通过制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构，对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线，实现了根据自主施加不同预设方向的扫描磁场，建立预设方向的磁场强度随霍尔电阻变化的标准变化曲线，通过将磁性单元与所述磁感应器件集成得到磁场传感器，通过检测所述磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度，实现了通过与所述磁性单元共同集成于芯片内的磁感应器件对单个磁性单元的高精度三维磁场探测，即通过采用基于自旋轨道矩效应的集三轴磁场探测于一体的磁感应器件作为磁场感应单元，通过电学测试的方法简单且精准地对芯片内的单个磁性单元进行高精度三维磁场探测，克服了现有技术对单个磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题，大大提高了对芯片内的单个磁性单元进行三维磁场探测的准确性和精确度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请磁场检测方法的一实施例的流程示意图；
图2为本申请磁场传感器制作工艺的一实施例的流程示意图。
本申请目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
高精度磁场检测技术在很多应用领域都有着重要作用，例如导航系统、自动化设备、生物医学等，由此发展起来的磁场传感器种类也越来越丰富，精度越来越高，如超导量子干涉仪、霍尔传感器、磁阻传感器(例如AMR(Anisotropic Magneto resistance，各向异性磁电阻)元件、GMR(Giant Magneto resistance，巨磁电阻)元件和TMR(Tunnel MagnetoResistance，隧道磁电阻)元件等)等，大大满足了不同工作环境中的磁场检测需求，即便目前的磁场传感器种类繁多，但都比较局限于磁场空间范围较大的检测，随着自旋电子学的不断发展，自旋电子器件也应运而生，例如MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器)、自旋芯片等，而在后摩尔时代的今天，对于一些集成于芯片内部有着较小磁场空间范围的自旋电子器件而言(如自旋芯片)，利用传统的外部磁场传感器进行探测的手段存在探测点不准确、探测精度较低等问题，目前，虽然已经实现了芯片内集成式磁场探测，大大提高了探测精度，但对于不采用磁通聚集器，仅用GMR bar(巨磁电阻棒)作为磁场感应单元检测磁场的话，只能检测xy平面内的磁场强度，无法实现三维空间中的x、y、z方向分量磁场探测，而若采用磁通聚集器(如：镍铁合金材料)，将x、y、z方向分量磁场导入x和y方向，从而实现三维磁场的单轴探测，需要三个不同导向的磁通聚集器单元，由于1个磁通聚集器与1个GMR bar组成一个单轴磁场探测器，要探测x、y、z三轴磁场就需要3个这样的单轴磁场探测器分布在目标探测点附近，因此不仅存在分布点不一致导致磁场误差较大的问题，还存在工艺制作复杂、磁场感应单元尺寸较大等问题。
本申请实施例提供一种磁场检测方法，在本申请磁场检测方法的一实施例中，参照图1，所述磁场检测方法包括：
步骤S10，制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构；
在本实施例中，需要说明的是，磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置，标准磁场传感器至少包括基底层、磁性单元和磁感应器件，所述样本磁场传感器至少包括基底层和磁感应器件，没有磁性单元，所述样本磁场传感器用于确定在没有磁性单元产生的待测磁场作用时，所述磁感应器件在已知磁场强度的扫描磁场的作用下，产生的标准霍尔电阻，进而确定所述磁感应器件的霍尔电阻随各分量磁场强度变化的变化曲线，其中，所述基底层可以为SOI硅片或POI硅片等，所述磁性单元沉积于所述基底层表面，所述磁性单元包括永磁体等，所述磁感应器件为基于自旋轨道矩效应的多层异质结构，在一种可实施的方式中，所述多层异质结构为Ta/CoFeB/MgO/Ta，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述霍尔棒结构由至少两个互相垂直的霍尔棒组成，所述磁感应器件用于对芯片内的三维磁场进行探测，所述磁感应器件沉积于所述基底层表面。
具体地，在基底层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件，其中，所述基底层可以为SOI硅片或POI硅片等，所述沉积磁感应薄膜层的方法包括磁控溅射或蒸发沉积等，所述磁感应薄膜层图形化的方法包括光刻和刻蚀等工艺，具体地，所述图形化工艺还可以包括旋转涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀和/或检测等工序。
在一种可实施的方式中，所述制作样本磁场传感器的步骤包括：
在基底层上沉积钝化层；
在所述钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
将所述钝化层图形化，得到样本磁场传感器。
在本实施例中，具体地，在POI硅片或SOI硅片上通过PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)设备或ICPCVD(InductivelyCoupled Plasma Chemical Vapor Deposition，电感耦合等离子体化学气相沉积)设备等沉积钝化层，在沉积有钝化层的基底上通过磁控溅射或蒸发沉积等方法沉积磁感应薄膜，将所述磁感应薄膜图形化得到霍尔棒结构的磁感应器件，其中，所述钝化层包括氮化硅和/或氧化硅等，所述图形化工艺包括旋转涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀和/或检测等工序，其中，所述刻蚀包括IBE(Ion Beam Etching，离子束刻蚀)或ICP(InductivelyCoupled Plasma)刻蚀等。
步骤S20，对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线；
在本实施例中，需要说明的是，当且仅当通入电流的方向与面内磁场方向共线时，由于自旋轨道矩效应产生垂直于所述磁感应器件表面的自旋轨道矩等效场从而驱动磁畴壁发生移动，磁矩翻转，进而直接贡献于霍尔电阻；当通入的电流方向与面内磁场方向正交时，磁畴壁不会发生位移，即不会贡献霍尔电阻；当通入电流，无面内磁场，但存在垂直于平面的面外磁场时，磁畴壁也会发生位移，从而贡献于霍尔电阻，其中，所述霍尔电阻为霍尔电压与通入电流的比值，因此可以通过检测霍尔电压，计算得到对应的霍尔电阻，进而在无磁性单元的样本磁场传感器中，通过施加预设方向的扫描磁场，检测不同大小磁场强度的扫描磁场对应产生的霍尔电阻，即可得到所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线。
其中，所述扫描磁场为一系列不同磁场强度大小的磁场，所述标准变化曲线是所述磁感应器件在不同磁场强度的磁场作用下产生的霍尔电阻随所述磁场强度的变化而变化的曲线，所述分量磁场强度为任意方向的磁场在预设方向上产生的磁场强度，容易理解的是，若所述目标磁场的方向与分量磁场方向相同，则所述分量磁场强度等于所述目标磁场的磁场强度。
具体地，对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，当在每一个预设方向施加一个预设磁场强度的磁场时，向所述磁感应器件的预设电流方向通入电流，进而通过检测所述磁感应器件对应产生的电压，根据所述电流和所述电压计算得到对应的霍尔电阻，记录所述霍尔电阻和对应的预设磁场强度，将同一预设方向不同磁场强度的磁场作用产生的霍尔电阻和每一霍尔电阻对应的不同大小的磁场强度进行统计和曲线拟合，即可得到所述磁感应器件的霍尔电阻随预设方向的分量磁场强度变化的标准变化曲线，其中，所述预设方向包括所述磁感应器件所在平面内相互垂直的两个方向，以及垂直于所述磁感应器件所在平面的方向，为了方便说明，在后续说明过程中，以x方向和y方向表示所述磁感应器件所在平面内相互垂直的两个方向，以z方向表示垂直于所述磁感应器件所在平面的方向，例如，沿x方向通入电流Ix，面内沿x方向施加扫描磁场，对每一个磁场强度的磁场对所述磁感应器件产生的y方向的电压Vy进行记录，并根据所述Ix和Vy计算得到y方向的霍尔电阻Rxy，将所述Hx作为横坐标，Rxy作为纵坐标，即可得到所述Rxy随Hx变化的标准变化曲线。
优选地，所述分量磁场强度包括x方向的Hx、y方向的Hy和z方向的Hz，所述霍尔电阻包括所述y方向的Rxy和所述x方向的Ryx，所述标准变化曲线包括Rxy-Hx曲线和Ryx-Hy曲线，以及Rxy-Hz曲线和/或Ryx-Hz曲线，其中，所述x方向和所述y方向与所述磁感应器件共面，所述x方向、所述y方向和所述z方向互相垂直，所述对所述样本磁场传感器施加不同方向的扫描磁场，分别标定所述样本磁场传感器的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线的步骤包括：
对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线和所述Ryx-Hy曲线，以及所述Rxy-Hz曲线和/或所述Ryx-Hz曲线。
在本实施例中，具体地，对所述样本磁场传感器施加x方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线，对所述样本磁场传感器施加y方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hy曲线，对所述样本磁场传感器施加z方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hz曲线和/或所述Ryx-Hz曲线。
容易理解的是，若要对磁性单元进行x方向、y方向或z方向中任意一个或多个方向的分量磁场强度进行高精度探测，则要标定出对应方向的分量磁场强度与所述磁感应器件的霍尔电阻的标准变化曲线，若要实现对磁性单元的三维探测，则要得到至少一个所述磁感应器件的霍尔电阻与x方向的分量磁场强度的标准变化曲线、至少一个所述磁感应器件的霍尔电阻与y方向的分量磁场强度的标准变化曲线和至少一个所述磁感应器件的霍尔电阻与z方向的分量磁场强度的标准变化曲线，例如，若要对所述磁性单元的y方向的分量磁场强度进行探测，则需要标定出所述Ryx-Hy曲线，若要对所述磁性单元进行平面内的磁场强度探测，则需要标定出所述Ryx-Hy曲线和所述Rxy-Hx曲线，若要对所述磁性单元进行三维磁场强度探测，则需要标定出所述Ryx-Hy曲线和所述Rxy-Hx曲线，以及所述Rxy-Hz曲线和/或所述Ryx-Hz曲线。
优选地，所述预设方向包括x方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述x方向施加第一扫描磁场，检测得到所述第一扫描磁场的各Hx对应的第一Rxy，得到Rxy-Hx曲线。
在本实施例中，具体地，在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述x方向施加第一扫描磁场，检测得到所述磁感应器件在所述第一扫描磁场的每一个Hx的磁场作用下在y方向产生的电压Vy，根据所述预设电流和检测到的所述Vy即可计算得到所述磁感应器件在所述第一扫描磁场的每一个Hx的磁场作用下产生的第一Rxy，分别以所述第一Rxy和所述Hx作为横纵坐标，通过曲线拟合的方法得到所述磁感应器件的Rxy随所述x方向的分量磁场强度Hx变化的Rxy-Hx曲线。
优选地，所述预设方向包括y方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hy曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述y方向施加第二扫描磁场，检测得到所述第二扫描磁场的各Hy对应的第一Ryx，得到Ryx-Hy曲线。
在本实施例中，具体地，在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述y方向施加第二扫描磁场，检测得到所述磁感应器件在所述第一扫描磁场的每一个Hy的磁场作用下在x方向产生的电压Vx，根据所述预设电流和检测到的所述Vx即可计算得到所述磁感应器件在所述第二扫描磁场的每一个Hy的磁场作用下产生的第一Ryx，分别以所述第一Ryx和所述Hy作为横纵坐标，通过曲线拟合的方法得到所述磁感应器件的Ryx随所述y方向的分量磁场强度Hy变化的Ryx-Hy曲线。
优选地，所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第三扫描磁场，检测得到所述第三扫描磁场的各Hz对应的第二Rxy，得到Rxy-Hz曲线。
在本实施例中，具体地，在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第三扫描磁场，检测得到所述磁感应器件在所述第一扫描磁场的每一个Hz的磁场作用下在y方向产生的电压Vy，根据所述预设电流和检测到的所述Vy即可计算得到所述磁感应器件在所述第三扫描磁场的每一个Hz的磁场作用下产生的第二Rxy，分别以所述第二Rxy和所述Hz作为横纵坐标，通过曲线拟合的方法得到所述磁感应器件的Rxy随所述z方向的分量磁场强度Hz变化的Rxy-Hz曲线。
所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第四扫描磁场，检测得到所述第四扫描磁场的各Hz对应的第二Ryx，得到Ryx-Hz曲线。
在本实施例中，具体地，在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第四扫描磁场，检测得到所述磁感应器件在所述第一扫描磁场的每一个Hz的磁场作用下在x方向产生的电压Vx，根据所述预设电流和检测到的所述Vx即可计算得到所述磁感应器件在所述第四扫描磁场的每一个Hz的磁场作用下产生的第二Ryx，分别以所述第二Ryx和所述Hz作为横纵坐标，通过曲线拟合的方法得到所述磁感应器件的Ryx随所述z方向的分量磁场强度Hz变化的Ryx-Hz曲线。
步骤S30，将磁性单元与所述样本磁场传感器集成得到标准磁场传感器；
在本实施例中，具体地，在基底层上沉积磁性薄膜层，将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元，在所述磁性单元的预设距离处的基底层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件，其中，所述基底层可以为SOI硅片或POI硅片等，所述磁性薄膜层包括稀土永磁材料或铁氧体永磁材料等，所述沉积磁性薄膜层的方法包括磁控溅射或蒸发沉积等，所述磁性薄膜层图形化的方法包括光刻和刻蚀等工艺，所述磁感应薄膜层为基于自旋轨道矩效应的多层异质结构，在一种可实施的方式中，所述多层异质结构为Ta/CoFeB/MgO/Ta，所述沉积磁感应薄膜层的方法包括磁控溅射或蒸发沉积等，所述磁感应薄膜层图形化的方法包括光刻和刻蚀等工艺，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述霍尔棒结构由至少两个互相垂直的霍尔棒组成，所述磁性单元与所述磁感应器件的距离可以根据实际应用时的磁场大小和芯片大小等进行调整和缺点，对此，本实施例不加以限制，在一种可实施的方式中，在对所述磁性薄膜和所述磁感应薄膜进行的沉积和图形化的过程中，还可以通过沉积钝化层的方式对所述基底层、所述磁性单元和所述磁感应器件进行隔离和保护。
在一种可实施的方式中，所述将磁性单元与所述样本磁场传感器集成得到标准磁场传感器的步骤包括：
在基底层上沉积第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积磁性薄膜层，并将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元；
在所述磁性单元上沉积第二钝化层；
在所述第二钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，得到标准磁场传感器。
在本实施例中，具体地，在POI硅片或SOI硅片上通过PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)设备或ICPCVD(InductivelyCoupled Plasma Chemical Vapor Deposition，电感耦合等离子体化学气相沉积)设备等沉积第一钝化层，以确保磁性单元与基底层在高温快速退火过程中不发生相互扩散，在沉积有钝化层的基底上通过磁控溅射沉积磁性薄膜，然后通过RTP(rapid thermalprocessing，快速热处理)等高温快速退火工艺，使磁性薄膜中的磁矩有序化，将所述磁性薄膜层图形化得到磁性单元，在所述磁性单元上沉积第二钝化层，以将所述磁性单元与后续沉积的磁感应薄膜层分隔，避免出现界面耦合效应影响所述磁性单元的性能，在沉积有所述第二钝化层的基地上通过磁控溅射或蒸发沉积等方法沉积磁感应薄膜，进而通过图形化工艺得到霍尔棒结构的磁感应器件，将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，以减小薄膜应力，避免应力过大使后续制作的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构发生翘曲形变，得到可进行芯片内三轴探测的标准磁场传感器，其中，所述钝化层包括氮化硅和/或氧化硅等，所述图形化工艺包括旋转涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀和/或检测等工序，其中，所述磁性薄膜包括永磁薄膜，所述刻蚀包括IBE(Ion BeamEtching，离子束刻蚀)或ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀等，所述磁感应薄膜层为基于自旋轨道矩效应的多层异质结构，在一种可实施的方式中，所述多层异质结构为Ta/CoFeB/MgO/Ta。
步骤S40，检测所述标准磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询对应的所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度。
本实施例中，需要说明的是，为了方便说明，以x方向和y方向表示所述磁感应器件所在平面内相互垂直的两个方向，以z方向表示垂直于所述磁感应器件所在平面的方向，假设感应器件在三维矢量磁场H(令x方向、y方向和z方向的分量磁场强度分别为Hx、Hy、Hz)作用下，沿x+方向通入电流，那么沿y方向测得霍尔电阻Rxy是由Hx和Hz共同决定，如果将电流通入方向改变为沿x-，方向相反的电流与同一Hx的共同作用下对Rxy的贡献相反，但与Hz的共同作用下对Rxy贡献不变，因此若将两者相加，则Hx贡献抵消，只有Hz贡献，从而探测分离出Hz对Rxy的贡献，即Rxy(Hz)＝(Rxy1+Rxy2)/2，若将两者相减，则Hz贡献抵消，只有Hx贡献，从而探测分离出Hx对Rxy的贡献，即Rxy(Hx)＝(Rxy1-Rxy2)/2，同理在沿y+方向和y-方向通入电流时，可探测分离出Hz对沿x方向测得的霍尔电阻Ryx的贡献以及Hy对Ryx的贡献，即Ryx(Hz)＝(Ryx1+Ryx2)/2，Ryx(Hy)＝(Ryx1-Ryx2)/2。
具体地，在所述磁性单元产生的磁场作用下，向预设电流正方向通入第一电流，通过检测所述磁感应器件对应产生的第一电压，根据所述第一电流和所述第一电压计算得到对应的第一霍尔电阻，向预设电流的负方向通入第二电流，通过检测所述磁感应器件对应产生的第二电压，根据所述第二电流和所述第二电压计算得到对应的第二霍尔电阻，根据所述第一霍尔电阻和所述第二霍尔电阻计算得到目标电阻方向的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询对应的标准变化曲线，即可得到所述磁性单元的在所述目标电阻方向对应的目标磁场方向的实测分量磁场强度，例如，沿磁场感应单元x+方向通入电流+Ix，测得Vy1，根据所述+Ix和所述Vy1计算得到Rxy1，然后沿x-方向通入电流-Ix，测得Vy2，根据所述-Ix和所述Vy2计算得到Rxy2，计算Rxy(Hx)＝(Rxy1-Rxy2)/2，根据所述Rxy(Hx)查询已标定的Rxy随Hx变化的标准变化曲线，读出Hx值，即为永磁体x方向分量磁场分量，计算Rxy(Hz)＝(Rxy1+Rxy2)/2，根据所述Rxy(Hz)查询已标定的Rxy-Hz曲线，读出Hz值，即为永磁体z方向分量磁场分量。
优选地，所述检测所述标准磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度的步骤包括：
步骤A10，沿所述x正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy1，沿所述x负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy2，根据所述Rxy1和所述Rxy2确定所述x方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hx)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hz)；
在本实施例中，具体地，沿所述x正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流在y方向产生的电压Vy1，根据所述预设电流和所述Vy1计算得到所述磁感应器件在所述磁性单元的磁场作用下产生的霍尔电阻Rxy1，沿所述x负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流在y方向产生的电压Vy2，根据所述预设电流和所述Vy2计算得到所述磁感应器件在所述磁性单元的磁场作用下产生的霍尔电阻Rxy2，进而根据Rxy(Hx)＝(Rxy1-Rxy2)/2计算可得Rxy(Hx)，根据Rxy(Hz)＝(Rxy1+Rxy2)/2计算可得Rxy(Hz)。
步骤A20，沿所述y正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx3，沿所述y负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx4，根据所述Ryx3和所述Ryx4确定所述y方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hy)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hz)；
在本实施例中，具体地，沿所述y正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流在x方向产生的电压Vx1，根据所述预设电流和所述Vx1计算得到所述磁感应器件在所述磁性单元的磁场作用下产生的霍尔电阻Ryx1，沿所述y负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流在x方向产生的电压Vx2，根据所述预设电流和所述Vx2计算得到所述磁感应器件在所述磁性单元的磁场作用下产生的霍尔电阻Ryx2，进而根据Ryx(Hz)＝(Ryx1+Ryx2)/2计算可得Ryx(Hz)，根据Ryx(Hy)＝(Ryx1-Ryx2)/2计算可得Ryx(Hy)。
步骤A30，分别根据所述Rxy(Hx)和Ryx(Hy)，以及Rxy(Hz)和/或Ryx(Hz)查询对应的所述Rxy-Hx曲线、所述Ryx-Hy曲线、所述Rxy-Hz曲线或所述Ryx-Hz曲线，得到所述磁性单元的x方向实测分量磁场强度、y方向实测分量磁场强度和z方向实测分量磁场强度。
在本实施例中，具体地，根据所述Rxy(Hx)查询对应的所述Rxy-Hx曲线，得到所述磁性单元的x方向实测分量磁场强度，根据所述Ryx(Hy)查询对应的所述Ryx-Hy曲线，得到所述磁性单元的y方向实测分量磁场强度，根据所述Rxy(Hz)查询对应的所述Rxy-Hz曲线，得到所述磁性单元的z方向实测分量磁场强度，根据所述Ryx(Hz)查询对应的所述Ryx-Hz曲线，得到所述磁性单元的z方向实测分量磁场强度，容易理解的是，所述z方向实测分量磁场强度可以通过检测Rxy(Hz)和/或Ryx(Hz)进而查询对应的标准变化曲线得到，可以根据实际需求和预设进行选择，对此，本实施例不加以限制。
在本实施例中，通过制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构，对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线，实现了根据自主施加不同预设方向的扫描磁场，建立预设方向的磁场强度随霍尔电阻变化的标准变化曲线，通过将磁性单元与所述磁感应器件集成得到磁场传感器，通过检测所述磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度，实现了通过与所述磁性单元共同集成于芯片内的磁感应器件对单个磁性单元的高精度三维磁场探测，即通过采用基于自旋轨道矩效应的集三轴磁场探测于一体的磁感应器件作为磁场感应单元，通过电学测试的方法简单且精准地对芯片内的单个磁性单元进行高精度三维磁场探测，克服了现有技术对单个磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题，大大提高了对芯片内的单个磁性单元进行三维磁场探测的准确性和精确度。
进一步地，本发明还提供了一种磁场传感器，所述磁场传感器包括：基底层、磁性单元和磁感应器件；其中，所述磁性单元沉积于所述基底层表面，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述磁感应器件沉积于所述基底层表面。
在本实施例中，需要说明的是，所述基底层可以为SOI硅片或POI硅片等，所述磁性单元沉积于所述基底层表面，所述磁性单元包括永磁体等，所述磁感应器件为基于自旋轨道矩效应的多层异质结构，在一种可实施的方式中，所述多层异质结构为Ta/CoFeB/MgO/Ta，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述霍尔棒结构由至少两个互相垂直的霍尔棒组成，所述磁感应器件用于对芯片内的三维磁场进行探测，所述磁感应器件沉积于所述基底层表面。
具体地，所述磁场传感器制作工艺包括以下步骤：
在基底层上沉积第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积磁性薄膜层，并将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元；
在所述磁性单元上沉积第二钝化层；
在所述第二钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，得到磁场传感器。
优选地，所述磁感应薄膜层为Ta/CoFeB/MgO/Ta的多层异质结构。
在本实施例中，通过将具有自旋轨道矩效应的磁感应器件与所述磁性单元集成，解决了现有技术对微型磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题。与现有技术相比，本发明实施例提供的磁场传感器的有益效果与上述实施例的磁场检测方法的有益效果相同，在此不做赘述。
进一步地，参照图2，本发明还提供了一种磁场传感器制作工艺，所述磁场传感器制作工艺包括以下步骤：
步骤B10，在基底层上沉积第一钝化层；
步骤B20，在所述第一钝化层上沉积磁性薄膜层，并将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元；
步骤B30，在所述磁性单元上沉积第二钝化层；
步骤B40，在所述第二钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
步骤B50，将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，得到磁场传感器。
在本实施例中，具体地，在POI硅片或SOI硅片上通过PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)设备或ICPCVD(InductivelyCoupled Plasma Chemical Vapor Deposition，电感耦合等离子体化学气相沉积)设备等沉积第一钝化层，以确保磁性单元与基底层在高温快速退火过程中不发生相互扩散，在沉积有钝化层的基底上通过磁控溅射沉积磁性薄膜，然后通过RTP(rapid thermalprocessing，快速热处理)等高温快速退火工艺，使磁性薄膜中的磁矩有序化，将所述磁性薄膜层图形化得到磁性单元，在所述磁性单元上沉积第二钝化层，以将所述磁性单元与后续沉积的磁感应薄膜层分隔，避免出现界面耦合效应影响所述磁性单元的性能，在沉积有所述第二钝化层的基地上通过磁控溅射或蒸发沉积等方法沉积磁感应薄膜，进而通过图形化工艺得到霍尔棒结构的磁感应器件，将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，以减小薄膜应力，避免应力过大使后续制作的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构发生翘曲形变，得到可进行芯片内三轴探测的标准磁场传感器，其中，所述钝化层包括氮化硅和/或氧化硅等，所述图形化工艺包括旋转涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀和/或检测等工序，其中，所述磁性薄膜包括永磁薄膜，所述刻蚀包括IBE(Ion BeamEtching，离子束刻蚀)或ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀等，所述磁感应薄膜层为基于自旋轨道矩效应的多层异质结构，优选地，所述磁感应薄膜层为Ta/CoFeB/MgO/Ta。
在本实施例中，通过将具有自旋轨道矩效应的磁感应器件与所述磁性单元集成，解决了解决了现有技术对微型磁性单元进行高精度三维磁场探测效果差的技术问题。与现有技术相比，本发明实施例提供的磁场传感器的有益效果与上述实施例的磁场检测方法的有益效果相同，在此不做赘述。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利处理范围内。
Claims (10)
1.一种磁场检测方法，其特征在于，所述磁场检测方法包括以下步骤：
制作样本磁场传感器，其中所述样本磁场传感器中的磁感应器件为霍尔棒结构；
对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线；
将磁性单元与所述磁感应器件集成得到磁场传感器；
检测所述磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询对应的所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度。
2.如权利要求1所述的磁场检测方法，其特征在于，所述分量磁场强度包括x方向的Hx、y方向的Hy和z方向的Hz，所述霍尔电阻包括所述y方向的Rxy和所述x方向的Ryx，所述标准变化曲线包括Rxy-Hx曲线和Ryx-Hy曲线，以及Rxy-Hz曲线和/或Ryx-Hz曲线，其中，所述x方向和所述y方向与所述磁感应器件共面，所述x方向、所述y方向和所述z方向互相垂直，所述对所述样本磁场传感器施加不同方向的扫描磁场，分别标定所述样本磁场传感器的霍尔电阻与各分量磁场强度的标准变化曲线的步骤包括：
对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，分别标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线和所述Ryx-Hy曲线，以及所述Rxy-Hz曲线和/或所述Ryx-Hz曲线。
3.如权利要求2所述的磁场检测方法，其特征在于，所述预设方向包括x方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hx曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述x方向施加第一扫描磁场，检测得到所述第一扫描磁场的各Hx对应的第一Rxy，得到Rxy-Hx曲线。
4.如权利要求2所述的磁场检测方法，其特征在于，所述预设方向包括y方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hy曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述y方向施加第二扫描磁场，检测得到所述第二扫描磁场的各Hy对应的第一Ryx，得到Ryx-Hy曲线。
5.如权利要求2所述的磁场检测方法，其特征在于，所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Rxy-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述x方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第三扫描磁场，检测得到所述第三扫描磁场的各Hz对应的第二Rxy，得到Rxy-Hz曲线。
6.如权利要求2所述的磁场检测方法，其特征在于，所述预设方向包括z方向，所述对所述样本磁场传感器施加预设方向的扫描磁场，标定所述磁感应器件的所述Ryx-Hz曲线的步骤包括：
在所述磁感应器件中沿所述y方向通入预设电流，并沿所述z方向施加第四扫描磁场，检测得到所述第四扫描磁场的各Hz对应的第二Ryx，得到Ryx-Hz曲线。
7.如权利要求2至6任一项所述的磁场检测方法，其特征在于，所述检测所述标准磁场传感器的实测霍尔电阻，根据所述实测霍尔电阻查询所述标准变化曲线，确定所述磁性单元的各实测分量磁场强度的步骤包括：
沿所述x正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy1，沿所述x负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Rxy2，根据所述Rxy1和所述Rxy2确定所述x方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hx)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Rxy(Hz)；
沿所述y正方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx3，沿所述y负方向通入所述预设电流，测得所述预设电流产生的Ryx4，根据所述Ryx3和所述Ryx4确定所述y方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hy)和/或所述z方向分量磁场对所述磁感应器件产生的Ryx(Hz)；
分别根据所述Rxy(Hx)和Ryx(Hy)，以及Rxy(Hz)和/或Ryx(Hz)查询对应的所述Rxy-Hx曲线、所述Ryx-Hy曲线、所述Rxy-Hz曲线或所述Ryx-Hz曲线，得到所述磁性单元的x方向实测分量磁场强度、y方向实测分量磁场强度和z方向实测分量磁场强度。
8.一种磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器包括：基底层、磁性单元和磁感应器件；其中，所述磁性单元沉积于所述基底层表面，所述磁感应器件为霍尔棒结构，所述磁感应器件沉积于所述基底层表面。
9.一种磁场传感器制作工艺，其特征在于，所述磁场传感器制作工艺包括以下步骤：
在基底层上沉积第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积磁性薄膜层，并将所述磁性薄膜层图形化，得到磁性单元；
在所述磁性单元上沉积第二钝化层；
在所述第二钝化层上沉积磁感应薄膜层，将所述磁感应薄膜层图形化，得到霍尔棒结构的磁感应器件；
将所述第一钝化层和所述第二钝化层图形化，得到磁场传感器。
10.如权利要求9磁场传感器制作工艺，其特征在于，所述磁感应薄膜层为Ta/CoFeB/MgO/Ta的多层异质结构。
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2021
- 2021-12-31 CN CN202111671062.1A patent/CN114371431A/zh active Pending
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