CN1571582B - 基于磁电阻效应的微声学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于半导体器件领域的一种基于磁电阻效应的微声学器件。该器件由沉积有硬磁薄膜的可动振膜结构和沉积有磁电阻多层膜的固定结构构成。其可动振膜结构，由底层向上依次由硅衬底、二氧化硅、氮化硅层、永磁材料层和二氧化硅层复合而成，固定部分的结构与可动振膜部分相同，只是将永磁材料层换成GMR磁电阻多层膜。本发明利用可动振膜和磁电阻多层膜实现电声信号之间的转换，从而得到极高灵敏度、低噪声、响应范围宽的微声学器件，且后续的处理电路非常简单，由于工艺步骤简单，其产品的性能可靠、成品率高且适应大批量生产的要求。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别涉及一种基于磁电阻效应的微声学器件。
背景技术
磁电阻MR(magnetoresistance)效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现象。早在1857年铁磁多晶体的各向异性磁电阻(AMR)效应即被发现，由于灵敏度不高，而限制了其在传感器领域的应用。1988年以后金属多层膜中的巨磁电阻效应(GMR)、隧道磁电阻效应(TMR)和庞磁电阻效应(CMR)的发现，激活了这一领域。磁电阻材料可以做成各种高灵敏度的磁传感器，对微弱磁场信号进行探测。比起各种传统的传感器，MR传感器的优越性非常突出：体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、制作成本低、响应范围宽、电阻温度系数小，而且可实现非接触式的探测。由于MR传感器主要探测两磁性层的磁化方向的角度，所以对所探测磁场的强度要求不高，在传感器本身的制作精度上面也可以容许相对较大的误差。现在，GMR传感技术在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术等领域有广阔的应用前景。
另一方面，近年来MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术得到飞速发展，并取得了巨大成功。使用MEMS工艺制作的微传感器不仅体积小、成本低、机械特性好，并且能够与CMOS电路集成，形成复杂的微系统，硅基微传声器就是近年来微传感器领域研究的一个热点。以微麦克风为例，它可以应用于蜂窝电话、无绳电话、助听器、各种数字多媒体设备、声学监测系统等等。与传统的声学器件相比，MEMS微声学器件具有体积小、成本低、可靠性高、并且可与信号处理电路相集成的特点，因而具有广阔的应用领域和极好的应用前景。
目前的硅基微声学器件，主要以电容、压电、压阻、调制场效应晶体管、光学波导原理为基础，其中压电式和电容式是最主要的两种。压电式硅微麦克风的优点是没有气隙阻尼，无需偏置电压，但是其灵敏度一般较低，而噪音相对较高。而电容式麦克风在灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面有优势。中国发明专利(申请号：01140441.8)提出了一种纹膜电容式硅基麦克风的设计及其制作工艺，利用纹膜结构减小薄膜内残余应力对麦克风性能的影响，有望获得比较好的器件性能，但是其制备过程非常复杂，需要体硅工艺和牺牲层工艺相结合，可靠性和成品率都受到很大限制。
发明内容
本发明的目的是提出将磁电阻效应与MEMS技术相结合一种基于磁电阻效应的微声学器件。
本发明的目的是通过如下技术方案实现：基于磁电阻效应的微声学器件由沉积有硬磁薄膜的可动振膜部分和沉积有磁电阻多层膜的固定部分构成.其特征在于：所述的可动振膜结构为由底层向上依次是硅衬底8、热氧化二氧化硅7、氮化硅层6、热氧化二氧化硅7、低温生长二氧化硅9、永磁材料层11和增强二氧化硅层12组成复合膜从硅衬底8上伸出来形成悬臂振膜结构；所述固定部分的结构与可动振膜部分相同，只是将永磁材料层11换成GMR磁电阻多层膜10；在悬臂振膜与固定部分之间腐蚀出一条断槽13；在两部分的硅衬底8背面依次沉积热氧化的二氧化硅7和氮化硅层6，两部分的背面还有背腔14.
所述GMR磁电阻多层膜自下而上依次为钽层1、镍铁层2、钴铁层3、铜层3、钴铁层3、铱锰层5和钽层1。
所述永磁材料层为磁控溅射沉积的钴铬钽硬磁层。
与现有压电式、电容式等微声学器件相比，本发明的有益效果是本发明与MEMS加工技术结合起来将磁电阻效应应用于微声学器件，实现了声电信号转换。由于采用的MR元件的优越特性，可实现声学振动的有效探测，从而得到极高灵敏度、低噪声、响应范围宽的微声学器件，在移动电话、助听器以及其它通讯系统音频应用上都具有广阔的市场前景。同时，由于得到的是电阻变化信号，不需电容式或者压电式的微声学器件中的电荷探测器，后续电路处理简单，同时不易受温度、湿度等影响，利于大批量生产。
附图说明
图1为磁电阻多层膜的结构示意图
图2为悬臂式振膜结构的声学器件的结构示意图。
图3为图2的顶视图。
具体实施方式
本发明提出了将磁电阻效应与MEMS技术相结合的一种基于磁电阻效应的微声学器件。由沉积有硬磁薄膜的可动振膜部分和沉积有磁电阻多层膜的固定部分构成。在图2、图3所示结构中，左边可动振膜部分的结构为由底层向上依次是硅衬底8、热氧化二氧化硅7、氮化硅层6、热氧化二氧化硅7、低温生长二氧化硅9、永磁材料层11和增强二氧化硅层12组成复合膜从硅衬底8上伸出来形成悬臂振膜结构；右边固定部分的结构与可动振膜部分相同，只是将永磁材料层11换成GMR磁电阻多层膜10；在悬臂振膜与固定部分之间腐蚀出一条断槽13；在两部分的硅衬底8背面依次沉积热氧化的二氧化硅7和氮化硅层6，两部分的背面还有背腔14。
其中GMR磁电阻多层膜10(如图1所示)自下而上依次为钽层1、镍铁层2、钴铁层3、铜层4、钴铁层3、铱锰层5和钽层1。其中永磁材料层11为磁控溅射沉积的钴铬钽硬磁层。
本发明依据的原理是：外界声压引起可动振膜发生振动，造成可动振膜上沉积的硬磁薄膜产生磁场的变化，此变化经固定结构上沉积的磁电阻多层膜探测，引起的多层膜电阻的变化可由外电路读出，从而实现声电的信号转换。
最终各层厚度的优化结果为：所述的可动振膜结构中，硅层厚度范围是2～20微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围是800～1000纳米，低压化学气相沉积的氮化硅层的厚度范围是150～200纳米，磁控溅射沉积的永磁薄膜的厚度范围是200～300纳米，等离子增强化学气相沉积的二氧化硅层的厚度范围是200～300纳米。其中所述的固定部分的磁电阻多层膜的典型结构自下而上各层厚度范围为：钽层30～50埃，镍铁层30～50埃，钴铁层8～15埃，铜层12～25埃，钴铁层25～40埃，铱锰层60～100埃，钽层30～50埃。
下面介绍本发明的制备过程：在硅衬底上制备复合膜SiO2/CoPtTa/SiO2/Si3N4/SiO2/Si，各层厚度分别为300/500/100/200/1000/2000纳米，形成可动振膜，尺寸为1000微米×1000微米。在硅衬底的固定部分上制备复合膜Ta/IrMn/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/Ta，各层厚度为40/80/30/16/10/40/40埃，图形尺寸为200微米×200微米。
(1)以直径为3英寸，厚度为400±10微米、双面抛光的P型硅片作为衬底(衬底电阻率为1-10Ω·cm)，用浓硫酸和双氧水的混合液煮沸10分钟，然后去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在950±1℃下，在硅片两面热生长1000纳米的二氧化硅层；
(2)采用低压化学气相沉积方法，在硅片两面形成厚度为200纳米的氮化硅层，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(3)在33％的KOH溶液中进行体硅腐蚀，水浴温度为80℃，制作背腔，反应后的残留硅层的厚度约为50微米；
(4)在正面氮化硅层上低温沉积100纳米的二氧化硅层；
(5)在正面溅射500纳米的钴铬钽层，正胶剥离形成硬磁薄膜图形；
(6)采用等离子增强化学气相沉积法在正面形成300纳米二氧化硅，正胶剥离形成图形；
(7)在正面依次溅射40埃的钽层，40埃的镍铁层，10埃的钴铁层，16埃的铜层，30埃的钴铁层，80埃的铱锰层，40埃的钽层，正胶剥离形成磁电阻多层膜的图形。
(8)采用等离子增强化学气相沉积法在正面形成300纳米二氧化硅；
(9)在正面溅射800纳米的金属铝，用磷酸腐蚀形成铝引线；
(10)从正面的M点往下刻蚀各层薄膜，去除其中一侧，保留的另一侧形成悬臂振膜结构，悬臂结构的长宽为1000微米。
(11)采用感应耦合离子刻蚀的方法减薄背腔内硅层厚度至约2微米。
本发明所述的基于磁电阻效应的微声学器件的一种典型结构，其特征在于：所述的振膜结构中，硅层厚度范围是2～20微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围是800～1000纳米，低压化学气相沉积的氮化硅层的厚度范围是150～200纳米，磁控溅射沉积的永磁薄膜的厚度范围是200～300纳米，等离子增强化学气相沉积的二氧化硅层的厚度范围是200～300纳米。其中所述的固定部分的磁电阻多层膜的典型结构自下而上各层厚度范围为：钽层30～50埃，镍铁层30～50埃，钴铁层8～15埃，铜层12～25埃，钴铁层25～40埃，铱锰层60～100埃，钽层30～50埃。
Claims (2)
1.一种基于磁电阻效应的微声学器件，由沉积有硬磁薄膜的可动振膜部分和沉积有磁电阻多层膜的固定部分构成；其特征在于，左边的可动振膜部分结构为由底层向上依次是硅衬底(8)、热氧化二氧化硅(7)、氮化硅层(6)、热氧化二氧化硅(7)、低温生长二氧化硅(9)、永磁材料层(11)和增强二氧化硅层(12)组成复合膜从硅衬底(8)伸出来形成悬臂振膜结构；右边的固定部分的结构为由底层向上依次是硅衬底(8)、热氧化二氧化硅(7)、氮化硅层(6)、热氧化二氧化硅(7)、低温生长二氧化硅(9)、巨磁电阻效应的磁电阻多层膜(10)和增强二氧化硅层(12)；在可动振膜部分与固定部分之间腐蚀出一条断槽(13)，在两部分的硅衬底(8)背面依次沉积热氧化的二氧化硅(7)和氮化硅层(6)，两部分的背面还有背腔(14)；其中永磁材料层为磁控溅射沉积的钴铬钽硬磁层。
2.根据权利要求1所述基于磁电阻效应的微声学器件，其特征在于，所述巨磁电阻效应的磁电阻多层膜自下而上依次为钽层(1)、镍铁层(2)、钴铁层(3)、铜层(4)、铱锰层(5)和钽层(1)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111885472A (zh) * | 2020-06-24 | 2020-11-03 | 歌尔微电子有限公司 | 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN1571582A (zh) | 2005-01-26 |
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