CN203932117U

CN203932117U - 单芯片三轴各向异性磁阻传感器

Info

Publication number: CN203932117U
Application number: CN201420356614.9U
Authority: CN
Inventors: 闻永祥; 范伟宏; 王平; 刘琛; 季锋; 邹光祎
Original assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2024-06-30

Abstract

本实用新型提供了一种单芯片三轴各向异性磁阻传感器，该传感器包括：基底，其表面位于X方向和Y方向确定的平面内，基底的表面具有内凹的沟槽；磁通量集中器，位于沟槽的侧壁上；第一介质层，填充沟槽并覆盖磁通量集中器以及基底的表面；位于第一介质层上的第一磁传感器，检测方向为该X方向；位于第一介质层上的第二磁传感器，检测方向为该Y方向；位于第一介质层上的第三磁传感器，检测方向落入X方向和Y方向确定的平面内；其中，第三磁传感器和磁通量集中器共同形成了检测方向为Z方向的Z方向磁传感器。本实用新型的传感器结构简单，无需垂直封装，并且其制造方法和传统微电子工艺的匹配性好，适合大批量工业化生产。

Description

单芯片三轴各向异性磁阻传感器

技术领域

本实用新型涉及磁性传感器技术，尤其涉及一种单芯片三轴各向异性磁阻传感器。

背景技术

各向异性磁阻(AMR)传感器是现代产业中的新型磁电阻效应传感器，AMR传感器正变得日益重要，尤其是在最新的智能手机，以及汽车产业中的停车传感器、角度传感器、自动制动系统(ABS)传感器以及胎压传感器中得到广泛应用。

除各向异性磁阻(AMR)传感器外，磁性传感器目前的主要技术分支还有霍尔传感器、巨磁传感器(GMR)、隧道结磁传感器(TMR)等，但由于AMR传感器具有比霍尔效应传感器高得多的灵敏度，且技术实现上比GMR和TMR更加成熟，因此各向异性磁阻(AMR)传感器的应用比其他磁传感器的应用更加广泛。

现有技术中，AMR传感器需要较多的制作步骤，并且它们较难用传统微电子的方法被单片集成，使得AMR传感器系统加工成本比较昂贵。虽有许多研究机构对AMR传感器的磁性材料层在进行研究，但还没有一种系统的器件结构和制造方法来得到单一芯片上同时具有X方向、Y方向、Z方向三轴的AMR传感器器件。

现有技术中的常规方式是将X方向和Y方向的AMR传感器器件制作在一个芯片上，而把Z方向的AMR传感器器件制作在另一个芯片上；然后在封装过程中，将Z方向的AMR传感器器件通过垂直封装的方法，安装在具有X方向和Y方向的AMR传感器器件的基板上。但是，垂直封装给芯片制造工艺和封装工艺都带来了很多技术难题，难以稳定工艺和大批量生产，可靠性也不高。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种单芯片三轴各向异性磁阻传感器，结构简单，无需垂直封装，并且和传统微电子工艺的匹配性好，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性,具有广泛的工业应用性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种单芯片三轴各向异性磁阻传感器，包括：

基底，所述基底的表面位于X方向和Y方向确定的平面内，该X方向和Y方向相互垂直，所述基底的表面具有内凹的沟槽；

磁通量集中器，位于所述沟槽的侧壁上；

第一介质层，填充所述沟槽并覆盖所述磁通量集中器以及所述基底的表面；

位于所述第一介质层上的第一磁传感器，其检测方向为该X方向；

位于所述第一介质层上的第二磁传感器，其检测方向为该Y方向；

位于所述第一介质层上的第三磁传感器，其检测方向落入所述X方向和Y方向确定的平面内；

其中，所述第三磁传感器和磁通量集中器共同形成了检测方向为Z方向的Z方向磁传感器，该Z方向与所述X方向和Y方向相互垂直。

根据本实用新型的一个实施例，所述第三磁传感器位于所述第一介质层上靠近所述磁通量集中器的一侧。

根据本实用新型的一个实施例，所述第三磁传感器与所述磁通量集中器之间的距离小于等于预设距离。

根据本实用新型的一个实施例，该预设距离为0.3μm～1.0μm。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一介质层用于承载所述第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器的表面为平坦表面。

根据本实用新型的一个实施例，所述沟槽的侧壁角度为85度至90度，宽度为2μm～3μm，深度为2μm～3μm。

根据本实用新型的一个实施例，所述磁通量集中器包括位于所述沟槽侧壁上的坡莫合金层，该坡莫合金层的厚度为500埃～1500埃。

根据本实用新型的一个实施例，所述基底包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的第二介质层，所述沟槽位于所述第二介质层内。

根据本实用新型的一个实施例，所述基底包括半导体衬底，所述沟槽位于所述半导体衬底内。

根据本实用新型的一个实施例，所述沟槽的侧壁上覆盖有第三介质层，所述磁通量集中器位于该第三介质层上。

根据本实用新型的一个实施例，所述半导体衬底为晶向<100>的硅衬底，该硅衬底为本征、N型掺杂或P型掺杂的。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器中，当出现Z方向的外部磁场时，磁通量集中器会集中外部磁场使之发生扭曲，即改变了磁通量集中器周围的磁场方向而产生完全的磁场通量，从而产生水平方向(即X方向和Y方向确定的平面内)的磁场分量，而邻近磁通量集中器的第三磁传感器能够检测到该水平方向的磁场分量，因此第三磁传感器与磁通量集中器共同形成了Z方向的磁传感器。而X方向的第一磁传感器、Y方向的第二磁传感器与该Z方向的磁传感器处于同一基底上，从而无需垂直封装等复杂工艺即可实现三轴磁阻传感器。

进一步而言，本实用新型实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法与传统微电子工艺的匹配性很好，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性，具有广泛的工业应用性。

另外，本实用新型实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器及其制造方法中，基底中的半导体衬底无论是本征的、N型掺杂的还是P型掺杂的都可以适用，对衬底的材料限制很小，例如可以采用<100>晶向的硅衬底。此外，本实用新型实施例的技术方案可以在同一基底上集成三个方向的磁传感器，大大节约了版图面积和工艺制造成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的剖面结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法的流程示意图；

图3至图7示出了本实用新型第一实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图；

图8是本实用新型实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器中的磁通量集中器对磁场的扭曲作用的示意图；

图9至图10示出了本实用新型第二实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图；

图11至图12示出了本实用新型第三实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

参考图1，本实施例的单芯片三轴各向异性磁阻传感器包括：基底、磁通量集中器2031、第一介质层、第一磁传感器201、第二磁传感器202、第三磁传感器2032。

进一步而言，基底的表面位于X方向和Y方向确定的平面内，该X方向和Y方向相互垂直，基底的表面具有内凹的沟槽。作为一个非限制性的例子，该基底包括半导体衬底100以及位于半导体衬底100上的第二介质层101，该沟槽形成于第二介质层101内。其中，半导体衬底100可以是常规半导体加工工艺中任何适当的衬底类型，第二介质层101可以是常规半导体加工工艺中任何适当的介质材料。

例如，以图1所示的实例为例，该半导体衬底100可以是晶向<100>的硅衬底，其掺杂类型不限，可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的；第二介质层101的材料为氧化硅。第二介质层101的厚度可以是

沟槽的延伸方向垂直于X方向和Y方向确定的平面，其侧壁与X方向和Y方向确定的平面垂直或成预设的角度。优选地，该沟槽的侧壁角度为85度至90度，沟槽的宽度为2μm～3μm，深度为2μm～3μm。

另外，在其他具体实施例中，该基底也可以仅包含半导体衬底100，沟槽直接形成在半导体衬底100内。

磁通量集中器2031位于沟槽的侧壁上。该磁通量集中器2031可以坡莫合金层，该坡莫合金层至少覆盖在沟槽的侧壁上，另外还可以延伸至沟槽的底部以及第二介质层101的表面上。在一个优选的实例中，该坡莫合金层的材料具体为 Ni_0.80Fe_0.20，其厚度为500埃～1500埃。

第一介质层填充沟槽，覆盖磁通量集中器2031并覆盖第二介质层101的表面。进一步而言，本实施例中的第一介质层包括氧化硅层103、氮化硅层104以及氧化硅层105，其中，氧化硅层103覆盖磁通量集中器2031并覆盖第二介质层101的表面；氮化硅层104覆盖氧化硅层103；氧化硅层105填充该沟槽并覆盖氧化硅层103。

优选地，该氧化硅层105具有平坦的表面，例如可以采用化学机械抛光(CMP)或者回刻工艺进行平坦化。其中，氧化硅层104可以作为化学机械抛光或者回刻的终点检测层。

当然，在其他具体实施例中，第一介质层也可以仅包括单一的介质材料。例如仅采用氧化硅层来填充沟槽、覆盖磁通量集中器2031以及第二介质层101的表面。

第一磁传感器201、第二磁传感器202和第三磁传感器2032位于第一介质层上，以图1为例，具体而言，位于氧化硅层105上。该第一磁传感器201、第二磁传感器202和第三磁传感器2032可以是常规的各向异性磁阻传感器。其中，第一磁传感器201的检测方向为X方向，第二磁传感器202的检测方向为Y方向，第三磁传感器2032的检测方向落入X方向和Y方向确定的平面内，也就是位于氧化硅层105的表面内。

第三磁传感器2032邻近磁通量集中器2031，例如，第三磁传感器2032在氧化硅层105上位于靠近磁通量集中器2031的一侧。第三磁传感器2032与磁通量集中器2031之间的距离D小于预设距离，该距离D指的是水平方向的距离，也就是X方向和Y方向确定的平面内的距离。

该预设距离为第三磁传感器2032检测到磁通量集中器2031产生的水平(也即X方向和Y方向确定的平面)磁场分量的最大距离。优选地，该距离D为0.3μm～1.0μm，更加优选地，该距离D为0.3μm～0.8μm。

进一步而言，磁通量集中器2031和第三磁传感器2032共同形成了检测方向为Z方向的Z方向传感器203。

结合图1和图8，当出现Z方向的外部磁场时，磁通量集中器2031会集中外部磁场使之发生扭曲，即改变了磁通量集中器2031周围的磁场方向，产生水平方向(也即X方向和Y方向确定的平面内)的磁场分量。第三磁传感器2032邻近该磁通量集中器2031，且在适当的距离范围内，因此能够检测到该水平方向的磁场分量。由此，磁通量集中器2031和第三磁传感器2032配合，实现了Z方向的磁场检测。

本实用新型还提供了单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法，下面结合不同的实施例进行详细说明。

第一实施例

参考图1，该单芯片三轴各向异性磁阻传感器的制造方法包括：

步骤S11，提供基底，所述基底的表面位于X方向和Y方向确定的平面内，该X方向和Y方向相互垂直；

步骤S12，对所述基底的表面进行刻蚀，以在所述基底中形成沟槽；

步骤S13，在所述沟槽的侧壁上形成磁通量集中器；

步骤S14，形成第一介质层，该第一介质层填充所述沟槽并覆盖所述磁通量集中器以及所述基底的表面；

步骤S15，在所述第一介质层上形成第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器，该第一磁传感器的检测方向为该X方向，该第二磁传感器的检测方向为该Y方向，该第三磁传感器的检测方向落入所述X方向和Y方向确定的平面内，其中，所述第三磁传感器和磁通量集中器共同形成了检测方向为Z方向的Z方向磁传感器，该Z方向与所述X方向和Y方向相互垂直。

下面结合附图对各个步骤进行详细说明。

参考图3，提供基底，该基底的表面位于X方向和Y方向确定的平面内，该X方向和Y方向相互垂直。在第一实施例中，该基底包括半导体衬底100和位于半导体衬底100上的第二介质层101。

其中，半导体衬底100可以是常规半导体加工工艺中任何适当的衬底类型，第二介质层101可以是常规半导体加工工艺中任何适当的介质材料。例如，该半导体衬底100可以是晶向<100>的硅衬底，其掺杂类型不限，可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的；第二介质层101的材料为氧化硅。第二介质层101的厚度可以是第二介质层101的形成方法可以是热氧化或者化学气相沉积(CVD)等。

参考图4，对第二介质层101进行刻蚀，在其中形成沟槽102。例如，可以通过微电子加工工艺中常规的光刻和刻蚀工艺来形成沟槽102，刻蚀工艺例如可以是等离子刻蚀或反应离子刻蚀。沟槽102的延伸方向垂直于X方向和Y方向确定的平面。该沟槽102的侧壁角度优选为85度至90度，沟槽102的宽度为2μm～3μm，沟槽102的深度为2μm～3μm。

参考图5，在沟槽102的侧壁形成磁通量集中器2031。进一步而言，可以采用磁控溅射工艺沉积磁通量集中器2031的金属层，该金属层例如为坡莫合金层，其材料优选为Ni_0.80Fe_0.20，其厚度优选为500埃～1500埃，溅射温度优选为低于350℃；然后用常规微电子集成电路加工工艺中的光刻和刻蚀工艺对形成的金属层进行图案化，该刻蚀工艺可以是等离子刻蚀，也可以是离子铣，从而在沟槽102内形成磁通量集中器2031。该磁通量集中器2031至少覆盖沟槽102的单侧侧壁，其延伸方向大体上是沿垂直方向或者说X方向的。另外，该磁通量集中器2031还可以延伸至沟槽102的底部以及第二介质层101的表面上。

参考图6，沉积氧化硅层103，其形成方法例如可以是等离子化学气相沉积，该氧化硅层103覆盖磁通量集中器2031以及第二介质层101的表面，该氧化硅层103的厚度例如为1000埃～2000埃；之后再沉积氮化硅层104，其形成方法例如可以是等离子化学气相沉积，该氮化硅层104覆盖氧化硅层103，该氮化硅层104的厚度可以为1000埃～2000埃。

参考图7，沉积氧化硅层105，其形成方法例如可以是等离子化学气相沉积，该氧化硅层105填充该沟槽，并覆盖氮化硅层104，该氧化硅层105的厚度例如为10000埃～15000埃；之后，可以对氧化硅层105的表面进行平坦化，平坦化工艺例如可以是化学机械抛光(CMP)或微电子加工工艺中常规的回刻工艺。该氮化硅层104可以作为化学机械抛光或者回刻的终点检测层。

第一实施例中，氧化硅层103、氮化硅层104以及氧化硅层105共同构成了第一介质层。但本领域技术人员应当理解，也可以直接采用氧化硅层105填充沟槽以及覆盖磁通量集中器2031和第二介质层101的表面，也即，该第一介质层可以仅包含氧化硅层105。

之后参考图1，在氧化硅层105上形成第一磁传感器201、第二磁传感器202和第三磁传感器2032。其中，第一磁传感器201的检测方向为X方向，第二磁传感器202的检测方向为Y方向，第三磁传感器2032的检测方向落在X方向和Y方向确定的平面内，也就是可以是任意的水平方向。第三磁传感器2032和磁通量集中器2031共同形成了Z方向磁传感器203，该Z方向磁传感器203的检测方向沿Z方向，该Z方向垂直于X方向和Y方向。

其中，第一磁传感器201、第二磁传感器202和第三磁传感器2032可以是各向异性磁阻传感器，其形成方法可以是常规的AMR传感器的制造工艺。

进一步而言，第三磁传感器3032邻近磁通量集中器2031，例如在氧化硅层105上，可以位于靠近磁通量集中器2031的一侧。第三磁传感器2032与磁通量集中器2031之间的距离D小于预设距离，该距离D指的是水平方向的距离，也就是X方向和Y方向确定的平面内的距离。该预设距离为第三磁传感器2032检测到磁通量集中器2031产生的水平(也即X方向和Y方向确定的平面)磁场分量的最大距离。优选地，该距离D为0.3μm～1.0μm，更加优选地，该距离D为0.3μm～0.8μm。如果该距离D大于1.0μm，磁通量集中器2031产生的水平方向的磁场分量在第三磁传感器2032处将非常弱，难以检测到该分量，影响整个三轴传感器器件的灵敏度。

第二实施例

参考图9，提供基底，该基底仅包含半导体衬底300。该半导体衬底300可以是各种常规的半导体衬底，例如可以是晶向<100>的硅衬底，其掺杂类型不限，可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的。

在半导体衬底300上形成氧化硅层301，该氧化硅层301的形成方法可以是热氧化或化学气相沉积(CVD)，其厚度可以为之间。

之后，可以通过微电子加工工艺中常规的光刻和刻蚀方法，对氧化硅层301和半导体衬底300进行深槽刻蚀，刻蚀工艺例如可以是等离子刻蚀或反应离子刻蚀，产生延伸方向垂直于半导体衬底300表面的沟槽，该沟槽的宽度可以在2μm～3μm之间，深度可以在2μm～3μm之间。用此方法，产生的沟槽的侧壁基本上垂直于半导体衬底300的表面，也就是大体上是沿Z方向的。

刻蚀形成沟槽之后，可以将氧化硅层301去除。

参考图10，形成第三介质层302，该第三介质层302覆盖沟槽的侧壁、底部，并覆盖半导体衬底300的表面。该第三介质层302例如可以是氧化硅层，其形成方法例如可以是热氧化或等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)。该第三介质层302的厚度可以是2000埃～3000埃。

之后，可以在沟槽的侧壁上形成磁通量集中器，该磁通量集中器可以位于沟槽的单侧侧壁上。形成磁通量集中器的方法以及后续的制造过程与第一实施例类似，请参考图5至图7以及图1，及其相关描述。

第三实施例

参考图11，提供基底，该基底仅包含半导体衬底400。该半导体衬底400可以是各种常规的半导体衬底，例如可以是晶向<100>的硅衬底，其掺杂类型不限，可以是本征的、N型掺杂的或P型掺杂的。

在半导体衬底340上形成氧化硅层401，该氧化硅层401的形成方法可以是热氧化或化学气相沉积(CVD)，其厚度可以为之间。

之后，可以通过微电子加工工艺中常规的光刻和刻蚀方法，对氧化硅层401进行图形化，形成沟槽的图形；之后，可以采用图形化后的氧化硅层401作为掩膜，对半导体衬底400进行湿法刻蚀，例如，可以利用5～20％的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液对硅衬底进行腐蚀，得到具有适当角度的沟槽。

之后，可以将氧化硅层401去除。

参考图12，形成第三介质层402，该第三介质层402覆盖沟槽的侧壁、底部，并覆盖半导体衬底400的表面。该第三介质层402例如可以是氧化硅层，其形成方法例如可以是热氧化或等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)。该第三介质层402的厚度可以是2000埃～3000埃。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，只是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，包括：

磁通量集中器，位于所述沟槽的侧壁上；

2.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述第三磁传感器位于所述第一介质层上靠近所述磁通量集中器的一侧。

3.根据权利要求1或2所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述第三磁传感器与所述磁通量集中器之间的距离小于等于预设距离。

4.根据权利要求3所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，该预设距离为0.3μm～1.0μm。

5.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述第一介质层用于承载所述第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器的表面为平坦表面。

6.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述沟槽的侧壁角度为85度至90度，宽度为2μm～3μm，深度为2μm～3μm。

7.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述磁通量集中器包括位于所述沟槽侧壁上的坡莫合金层，该坡莫合金层的厚度为500埃～1500埃。

8.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述基底包括：

半导体衬底；

9.根据权利要求1所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述基底包括半导体衬底，所述沟槽位于所述半导体衬底内。

10.根据权利要求9所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述沟槽的侧壁上覆盖有第三介质层，所述磁通量集中器位于该第三介质层上。

11.根据权利要求8或9所述的单芯片三轴各向异性磁阻传感器，其特征在于，所述半导体衬底为晶向<100>的硅衬底，该硅衬底为本征、N型掺杂或P型掺杂的。