ITMI20090972A1 - Dispositivo sensore magnetico triassiale integrato. - Google Patents

Description

Dispositivo sensore magnetico triassiale integrato

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo sensore magnetico triassiale particolarmente adatto per la rivelazione del campo magnetico terrestre e vantaggiosamente integrato su un unico substrato.

Tra le numerose applicazioni in cui vengono utilizzati sensori magnetici, rivestono particolare importanza le applicazioni che richiedono la misura contemporanea delle tre componenti del campo magnetico. I dispositivi sensori in grado di misurare le tre componenti assiali del vettore campo magnetico sono indicati generalmente come sensori triassiali o sensori tridimensionali e trovano applicazione in molti campi tecnologici. Se il dispositivo sensore è progettato per rilevare il campo magnetico terrestre in un determinato punto dello spazio, è normalmente richiesta una elevata sensibilità. I dispositivi per la rilevazione del campo magnetico terrestre trovano applicazione ad esempio in bussole elettroniche, oppure in strumenti per microscopia elettronica e in generale in sistemi sensibili al campo magnetico, nei quali è richiesta la cancellazione del campo magnetico terrestre che può influenzare le prestazioni dei sistemi stessi.

In molte applicazioni, è diventato inoltre un requisito importante ottenere un dispositivo di dimensioni ridotte in modo che esso possa essere facilmente integrabile in apparecchi elettronici portatili o in strumentazioni.

La domanda di brevetto US 2007/0035294 descrive un dispositivo sensore magnetico tridimensionale integrato che comprende una prima unità sensore magnetico e una seconda unità di sensore magnetico formata in un piano comune su un substrato singolo, e una terza unità sensore magnetico formata su una superficie inclinata rispetto al piano comune. Ciascuna unità sensore magnetico è disposta per rilevare una direzione del campo magnetico. Le tre direzioni del campo magnetico rilevate sono mutuamente ortogonali.

La domanda di brevetto US 2008/0217288 descrive un procedimento per fabbricare un dispositivo sensore di campo magnetico su un substrato che ha una pluralità di sezioni planari inclinate. Il procedimento include la deposizione di una struttura a strati posizionata su ognuna delle sezioni inclinate del substrato, dove le sezioni planari inclinate sono orientate in modo tale che una direzione del campo magnetico in almeno una delle tre direzioni definite relativamente al substrato è rilevabile sulla base delle variazioni indotte dal campo della resistenza delle strutture a strati magnetoresistivi.

I dispostivi sensori triassiali sono in generale progettati in modo che le unità sensori, formate ad esempio da film in lega metallica che presentano una magneto-resistenza anisotropa, siano il più possibile allineate alla componente assiale del campo magnetico da rilevare. Errori di allineamento possono risultare in errori di misurazione in quanto il dispositivo sensore esibisce una sensibilità, seppur minore, ai campi ortogonali alle componenti assiali da rilevare. Nel caso di sensori triassiali, i campi ortogonali alle componenti assiali da rilevare sono generalmente chiamati campi magnetici ad asse incrociato (cross-axis) e si parla di effetto cross-axis.

I sensori magnetici che sfruttano l’effetto Hall in un cristallo semiconduttore possono essere progettati in modo da esibire una sensibilità elevata nella determinazione dell’intensità e della direzione del campo magnetico. Com’è generalmente noto, il sensore Hall è un trasduttore che varia la sua tensione di uscita in risposta ad una variazione del campo magnetico. La tensione di uscita, VH, di un sensore Hall, indicata nel seguito come tensione di Hall, nel caso il sensore sia realizzato a partire da un materiale contenente un solo tipo di portatori di carica e immerso in un campo magnetico B omogeneo, risulta inversamente proporzionale alla densità bidimensionale (sheet density) di carica, n2D, se alimentato a corrente costante, I,

in cui Bzè la componente del campo magnetico lungo la direzione perpendicolare alla superficie sensibile al campo magnetico. Se il sensore è invece alimentato a tensione costante, la tensione di uscita o tensione di Hall, VH, è direttamente proporzionale alla mobilità dei portatori di carica µ,

in cui V è la tensione di alimentazione. Tra le figure di merito di un sensore Hall vanno menzionate la sensibilità e la risoluzione. La risoluzione, vale a dire il campo minimo rilevabile, è tanto migliore quanto più è alto il rapporto segnale/ rumore e quanto più è alta la sensibilità. In generale, per ottenere una buona sensibilità, è necessaria una bassa densità di portatori di carica ed un’elevata mobilità dei portatori. Una buona sensibilità può essere realizzata utilizzando delle eterostrutture a semiconduttore che comprendono degli strati superimposti di materiali semiconduttori con bande proibite di diversa larghezza e drogati selettivamente.

Sensori planari ad effetto Hall realizzati in semiconduttori III-V, quali AlGaAs/InGaAs/GaAs, hanno ricevuto particolare attenzione grazie alla loro elevata mobilità elettronica combinata con una moderata densità bidimensionale dei portatori e una bassa dipendenza della sensibilità dalla temperatura.

M. Morvic e J. Betko in “Planar effect in Hall sensors made from InP/InGaAs heterostructures”, pubblicato in Sensors and Actuators A 120 (2005), pagine 130-133, studia l’effetto Hall planare in un sensore Hall preparato da eterostrutture InP/InGaAs che contengono buche quantiche con gas elettronici bidimensionali (2DEG) e confronta i risultati con quelli ottenuti da un sensore Hall GaAs omogeneo (“bulk”). Gli autori affermano che il rapporto tra la tensione massima planare e la tensione massima trasversale di Hall risulta essere circa 50 volte più bassa nella eterostruttura rispetto al sensore Hall bulk, per lo stesso campo magnetico.

N. Haned e M. Missous in “Nano-tesla magnetic field magnetometry using an lnGaAs-AIGaAs-GaAs 2DEG Hall sensor”, pubblicato in Sensors and Actuators A 102 (2003), pagine 216-222, divulga un dispositivo sensore ad effetto Hall ottimizzato per la misura di campi magnetici deboli (100 nT-100 µT).

Una sonda di Hall triassiale che contiene elementi di Hall orizzontali e verticali, elettronica analogica è descritta da D.R. Popovic et al. in “Three-axis Teslameter With Integrated Hall Probe”, pubblicato in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 56, n° 4 (2007), pagine 1396-1402.

P. Kejik et al. in “First fully CMOS-integrated 3D Hall probe”, pubblicato nei “proceedings” della 13° Conferenza Internazionale Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (2005), vol.1, pagine 317-320, descrive una sonda di Hall 3D, in cui la parte di rilevazione è composta da due tipi di micro-sensori di Hall, l’elemento orizzontale, che misura la componente Z del campo magnetico, e gli elementi verticali, che misurano le componenti “in-plane” lungo le direzioni X e Y.

Negli ultimi decenni si sono sviluppate tecniche di microfabbricazione per dispositivi a semiconduttore che hanno trovato applicazione in una varietà di applicazioni. Recentemente, l’attenzione è stata rivolta a strutture “micromachined” a multistrato che includono strati sottili “strained” che possono essere staccati localmente dal substrato per mezzo di un attacco (etching) selettivo di strati sottostanti sacrificali. Le strutture vengono fabbricate utilizzando il disadattamento tra i reticoli degli strati epitassiali che si incurvano a causa dello strain interno.

V. Ya. Prinz in “A new concept in fabricating building blocks for nanoelectronic and nanomechanic devices”, pubblicato in Microelectronic Engineering 69 (2003), pagine 466-475, descrive la formazione di bistrati InAs/GaAs piegati e nanotubi arrotolotati a partire da questi strati e strutture “ingobbate” sfruttando lo strain compressivo del bi-film InAs/AlAs.

Gli inventori hanno notato che i dispositivi sensori triassiali le cui unità sensore per la rilevazione di una componente del campo magnetico sono realizzate su pareti inclinate di un substrato comune soffrono dell’effetto cross-axis e richiedono pertanto elaborazioni elettroniche relativamente complesse del segnale elettrico di uscita.

Gli inventori hanno inoltre osservato che i sensori magnetici triassiali basati su tecnologia CMOS, and in particolare su tecnologia basata su silicio, anche se realizzati su un singolo chip, possono presentare bassa sensibilità e una risoluzione insufficiente per il rilevamento del campo magnetico terrestre (dell’ordine di 50 µT) richiedendo pertanto particolari metodi di trattamento del segnale elettrico che a loro volta necessitano della presenza di circuiti elettronici relativamente complessi. Inoltre, dispositivi basati sul Si sono in generale maggiormente colpiti dalla deriva termica, a causa principalmente alle proprietà intrinseche del materiale, quali la conducibilità termica e il valore della banda proibita e pertanto può risultare indispensabile la compensazione della deriva termica dell’offset nonché della deriva termica della sensibilità magnetica.

Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo sensore magnetico triassiale integrato su un unico substrato, con la possibilità di poter essere integrato sia con altri dispositivi che con l’elettronica per il trattamento dei segnali.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo sensore magnetico triassiale che presenti valori di sensibilità e di risoluzione tali da poter accuratamente rivelare il campo magnetico terrestre.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo sensore magnetico triassiale che possa essere realizzato con un processo di fabbricazione che permetta una miniaturizzazione spinta, anche al fine di migliorare la risoluzione spaziale del sensore, dove per risoluzione spaziale si intende la minima distanza tra due punti dello spazio in cui si riesce a misurare in maniera distinta il campo magnetico.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo sensore magnetico triassiale con collegamenti elettrici da ciascuna unità sensore del dispositivo ai terminali esterni che siano affidabili e risproducibili.

Secondo un aspetto, la presente invenzione è diretta ad un dispositivo sensore magnetico secondo la rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla seguente descrizione dettagliata fatta in riferimento ad esempi di realizzazione dell’invenzione dati a titolo non limitativo e alle allegate figure, che sono rappresentazioni schematiche non in scala.

La figura 1 è una vista prospettica schematica di un dispositivo sensore magnetico, secondo una forma realizzativa della presente invenzione.

La figura 2a illustra schematicamente la sezione trasversale di una eterostruttura epitassiale a semiconduttore compresa nelle unità sensore 101, 102 e 103 di figura 1, secondo una realizzazione dell’invenzione.

La figura 2b illustra schematicamente la sezione trasversale di una eterostruttura epitassiale a semiconduttore compresa nelle unità sensore 101, 102 e 103 di figura 1, secondo una ulteriore realizzazione dell’invenzione.

Le figure da 3 a 11b illustrano in sequenza un procedimento per realizzare un dispositivo sensore magnetico triassiale, secondo una forma realizzativa della presente invenzione.

La figura 3 è una vista schematica parziale in sezione trasversale che illustra una prima fase del procedimento di fabbricazione di un dispositivo sensore magnetico.

La figura 4 è una vista schematica parziale in sezione trasversale che illustra una seconda fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 5a è una vista planare superiore che illustra una terza fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 5b è una vista in sezione trasversale lungo la linea A-A della figura 5a.

La figura 5c è la vista in sezione trasversale della figura 5b, nella quale sono illustrati gli strati che compongono l’eterostruttura 13, secondo una forma realizzativa dell’invenzione.

La figura 6a è una vista planare superiore che illustra una quarta fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 6b è una vista in sezione trasversale lungo la linea B-B della figura 6a.

La figura 7a è una vista planare superiore che illustra una quinta fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 7b è una vista in sezione trasversale lungo la linea C-C della figura 7a.

La figura 8a è una vista planare superiore che illustra una sesta fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 8b è una vista in sezione trasversale lungo la linea C-C della figura 8a.

La figura 9a è una vista planare superiore che illustra una settima fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 9b è una vista in sezione trasversale lungo la linea C-C della figura 9a.

La figura 10a è una vista planare superiore che illustra una ottava fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 10b è una vista in sezione trasversale lungo la linea C-C della figura 10a.

La figura 11a è una vista planare superiore che illustra una nona fase del procedimento di fabbricazione.

La figura 11b è una vista in sezione trasversale lungo la linea C-C della figura 11a.

La figura 12 è una vista prospettica schematica e parziale di un dispositivo sensore triassiale, nel quale le due unità sensore out-of-plane sono disposte a rispettivi angole α e β rispetto al piano (x,y) della terza unità sensore.

La figura 13 è un ingrandimento di una porzione della figura 7b indicata con la linea tratteggiata F, al fine di illustrare le pareti di raccordo del recesso inclinate rispetto alla superficie del recesso stesso, secondo una forma realizzativa preferita dell’invenzione.

La figura 1 mostra una vista prospettica del dispositivo sensore magnetico, secondo una forma realizzativa della presente invenzione. Il dispositivo sensore triassiale 100 è realizzato su un substrato 120, preferibilmente a semiconduttore. Sul substrato 120 è disposto uno strato o una struttura a strati 122 avente una superficie superiore 121 che definisce un piano (x,y) di riferimento. Il piano di riferimento della superficie superiore 121 è da intendersi essere sostanzialmente parallelo al piano della superficie superiore del substrato 120 e pertanto nel seguito si potrà fare riferimento al piano (x,y) di riferimento del substrato 120. I termini “superiore” e “inferiore” usati nella presente descrizione sono termini relativi che denotano la posizione relativa tra due oggetti e non la loro posizione assoluta.

Il dispositivo sensore comprende tre unità sensore 101, 102 e 103, ciascuna delle unità sensore essendo atta a rilevare una componente assiale del campo magnetico. In figura 1 sono indicati gli assi spaziali cartesiani (x,y,z) rispettivamente paralleli alle tre componenti assiali, Bx, By, Bz, del campo magnetico, B , tra loro ortogonali. Ciascuna unità sensore comprende uno strato magneto-sensibile.

La prima unità sensore 101 è disposta sul piano di riferimento della superficie superiore 121 ed è atta a rilevare la componente assiale di B perpendicolare a tale piano (Bz). Con disposizione di un’unità sensore su un piano si intende che la superficie principale dello strato magneto-sensibile è principalmente disposta in quel piano. E’ da intendere che lo strato magneto-sensibile può essere a sua volta formato da una pluralità di strati, ad esempio realizzati in materiali diversi e aventi diversi spessori, anche se negli esempi preferiti le unità sensore comprendono un singolo strato magneto-sensibile.

Come in seguito descritto, le forme realizzative preferite si riferiscono ad unità sensore Hall comprendenti strutture epitassiali a semiconduttore, nelle quali lo spessore dello strato magneto-sensibile è così piccolo da poter assumere che quest’ultimo sia confinato essenzialmente in un piano. In tal caso, la superficie principale dello strato magneto-sensibile è nel piano attraverso il quale viaggiano i portatori di carica liberi che originano la tensione di Hall, VH, che viene poi misurata.

La seconda e la terza unità sensore 102 e 103 sono disposte in un piano diverso dal piano (x,y) nel quale è disposta la prima unità sensore 101. In questo senso, la seconda e la terza unità sensore sono riferite come unità sensore “out-of-plane” (letterlamente, “fuori dal piano”) rispetto alla prima unità sensore 101. In particolare, la seconda unità sensore 102 è disposta lungo il piano (x,z), ortogonale al piano (x,y) del substrato ed è atta a rilevare la componente assiale di B perpendicolare a tale piano (By). La terza unità sensore 103 è disposta lungo il piano (y,z), ortogonale ai piani (x,y) e (x,z) ed è atta a rilevare la componente assiale di B perpendicolare a tale piano (Bx).

Nelle forme realizzative preferite, ciascuna unità sensore comprende una eterostruttura a semiconduttore comprendente uno strato magneto-sensibile. Preferibilmente, ciascuna unità sensore comprende una eterostruttura a semiconduttore nella quale, in prossimità di un’eterointerfaccia tra semiconduttori realizzati in materiali diversi, si forma un gas di elettroni bidimensionale (2DEG). Gli elettroni del 2DEG presentano una mobilità elettronica elevata, in quanto risultano fisicamente separati dalle impurezze ionizzate che li hanno generati e risultano confinati in una buca di potenziale. Preferibilmente, la eterostruttura è una struttura epitassiale realizzata in materiali semiconduttori del tipo III-V.

Le figure 2a e 2b illustrano schematicamente la sezione trasversale di due possibili eterostrutture epitassiali a semiconduttore III-V che formano la porzione attiva delle unità sensore 101, 102 e 103 di figura 1. Ad esempio, la sezione trasversale illustrata nelle figure 2a e 2b può essere la sezione nel piano (y,z) dell’unità sensore 101. Con l’espressione “porzione attiva” si deve intendere la porzione dell’unitá sensore in cui avviene la generazione e il trasporto dei portatori di carica, ed in generale la porzione che ha un’influenza sui portatori, che vengono poi raccolti dai contatti elettrici arrangiati sulla porzione attiva. In particolare, la porzione attiva comprende lo strato magneto-sensibile nel quale si manifesta in modo significativo l’effetto Hall. Le eterostrutture sono preferibilmente realizzate per mezzo di tecniche di epitassia, più preferibilmente per mezzo della tecnica di epitassia da fasci molecolari (MBE, Molecular Beam Epitaxy).

La eterostruttura 201 di figura 2a comprende, in successione lungo la direzione di crescita epitassiale, uno strato buffer 202 a band-gap stretto, e.g., GaAs non drogato, cresciuto su un substrato o uno strato sottostante uno strato sottile canale 203 che ha la funzione di canale per gli elettroni, ad esempio, realizzato in InxGa(1-x)As con 0<x≤0.25; uno strato spaziatore 204 fatto di un semicondutore con band gap ampio rispetto al band gap dello strato buffer, ad esempio di AlyGa(1-y)As, non intenzionalmente drogato con 0<y≤0.4; uno strato barriera 206 è di Al(z)Ga(1-z)As, drogato uniformemente con droganti di tipo n con 0<z ≤0.4; ed infine uno strato “cap” 207, ad esempio di GaAs, drogato con droganti di tipo n oppure non drogato, sul quale potranno essere formati i contatti elettrici dell’unità sensore. La buca quantica si forma all’interfaccia tra lo strato canale 203 e lo strato spaziatore 204, dalla parte dello strato canale. In pratica, all’interfaccia lo strato canale 203 e lo strato spaziatore 204 si crea uno strato molto sottile 208 (dell’ordine di circa un piano atomico) di elettroni ad alta mobilità orizzontale che forma un gas elettronico bidimensionale (2DEG), che costituisce così lo strato elettricamente attivo dell’unità sensore, vale a dire lo strato magneto-sensibile. Lo strato buffer 202 è cresciuto su un substrato dello stesso materiale, ad esempio GaAs semiisolante ed ha la funzione di offrire uno strato semiconduttore epitassiale per la crescita degli strati successivi che compongono la eterostruttura. Lo strato spaziatore 204 ha la funzione di aumentare la separazione fisica tra gli elettroni del 2DEG e le impurezze ionizzate che li hanno resi disponibili. Lo strato cap 207 ha la funzione di proteggere lo strato barriera 206 sottostante e, se opportunamente drogato, può favorire la formazione di contatti ohmici in seguito alla deposizione dei contatti metallici.

In una diversa forma realizzativa, lo strato barriera 206 non è intenzionalmente drogato e le impurezze droganti di tipo n sono confinate, durante la crescita, su un singolo piano atomico o su pochi piani atomici. In particolare, una porzione superiore di spessore ridotto dello strato spaziatore 204, nella direzione di crescita degli strati, in prossimità dell’interfaccia tra lo strato spaziatore 204 e lo strato barriera 206, è drogata in modo da formare un profilo a cassetta molto sottile, il cosiddetto “delta doping”, 205. Ad esempio, lo strato 205 con drogaggio delta è drogato fortemente con droganti di tipo n ed ha uno spessore dell’ordine di un piano atomico. In questo caso, gli elettroni che formano il 2DEG derivano dalle impurezze droganti dello strato delta doping 205.

Lo strato barriera, quando uniformemente drogato, o lo strato “delta doping” quando lo strato barriera non è intenzionalmente drogato, è drogato, ad esempio, con un elemento del gruppo IV della tavola periodica (e.g., Si o Ge).

Lo strato canale 203 è “pseudomorfico” rispetto allo strato buffer 202 su cui è cresciuto ed ha una costante di reticolo maggiore di quella dello strato buffer, in modo da permettere la costruzione di differenze di intervalli proibiti più grandi rispetto a quanto sarebbe possibile senza lo pseudomorfismo. Lo spessore dello strato canale 203 è tipicamente di 100-300 Å.

La figura 2b illustra una ulteriore possibile eterostruttura idonea allo scopo della presente invenzione. La maggiore differenza con la eterostruttura descritta con riferimento alla figura 2a è l’assenza di uno strato canale tra lo strato buffer e lo strato spaziatore. In particolare la eterostruttura 210 comprende, lungo la direzione di crescita (asse z): uno strato buffer 212 non intenzionalmente drogato (GaAs); uno strato spaziatore 214 non intenzionalmente drogato (AlyGa(1-y)As), uno strato barriera 216 comprendente uno strato 215 “delta doping” drogato n (AlzGa(1-z)As), ed uno strato cap 207 (GaAs) non drogato oppure drogato pesantemente con droganti di tipo n per favorire la formazione di contatti ohmici.

Lo strato 2DEG 213 si forma all’interfaccia tra lo strato spaziatore 214 e lo strato buffer 212, dalla parte dello strato buffer.

Si deve intendere che le eterostrutture di figure 2a e 2b possono essere basate su InP e su leghe ternarie basate su InP. Ad esempio, lo strato buffer 202 è realizzato in InP non drogato; lo strato canale 203 è di InhGa(1-h)As (e.g., h=0.53); lo strato spaziatore 204 è di InkAl(1-k)As (k=0.52) non drogato; lo strato barriera 206 è di InkAl(1-k)As drogato n uniformemente nel suo spessore o in uno strato “delta doping” 205; e lo strato cap è di InP.

Il numero dei portatori di carica nella buca quantica (2DEG) è dato dalla densità bidimensionale di carica, n2D. Pertanto, dalla equazione (1), è possibile selezionare parametri, quali gli spessori dei materiali che compongono l’eterostruttura, la loro composizione ed i livelli di drogaggio, in modo da ottimizzare la sensibilità dell’unità sensore alla componente assiale del campo magnetico rilevato. La mobilità elettronica, µ, nella struttura a buca quantica è tipicamente molto elevata, ad esempio pari a 7000÷7500 cm<2>/Vs. Quindi, con riferimento anche all’equazione (2), è possibile, scegliendo opportunamente i parametri della eterostruttura, realizzare un’unità sensore con sensibilità elevata.

Preferibilmente, la densità bidimensionale dei portatori integrata sullo spessore dello strato magneto-sensibile, n2D, varia da 5x10<11>a 1x10<12>cm<-2>. In generale, gli spessori e le composizioni degli strati dell’eterostruttura, nonché il livello di drogaggio soprattutto dello strato barriera (con o senza delta doping) controllano la quantità di carica intrappolata nel 2DEG.

Facoltativamente, nella struttura del tipo illustrato in figura 2a, lo strato buffer 202 comprende un super-reticolo all’interfaccia con il substrato o gli strati sottostanti che non fanno parte della eterostruttura, ad esempio di AlGaAs/GaAs (non mostrato).

Facoltativamente, nella struttura del tipo illustrata in figura 2b, lo strato buffer 212 comprende un super-reticolo all’interfaccia con gli strati sottostanti, ad esempio di AlGaAs/GaAs (non mostrato).

Poiché lo strato 2DEG 203 (213) dell’eterostruttura 201 (210) produce i portatori di carica ad alta mobilità che danno origine alla tensione di Hall, secondo la relazione (1), tale strato è lo strato elettricamente attivo che costituisce lo strato magneto-sensibile dell’unità sensore.

Le unità sensore comprendono nella loro porzione attiva eterostrutture quali quelle illustrate nelle figure 2a e 2b che sono indicate nella presente descrizione come strutture di tipo HEMT (“High Electron Mobility Transistor”) in quanto sono strutture atte a generare elettroni ad alta mobilità utilizzando una eterogiunzione. Nel caso sia prevista la presenza di uno strato canale (figura 2a) disposto sullo strato inferiore che forma l’eterogiunzione in uno stato di compressione o di tensione (pseudomorfico), ci si riferisce spesso ad una struttura di tipo pHEMT, i.e., HEMT pseudomorfico, che è un tipo particolare delle strutture di tipo HEMT.

Con riferimento nuovamente alla figura 1, preferibilmente, l’area della superficie principale di ciascuna unità sensore nel piano nel quale è disposto lo strato magneto-sensibile è a forma di croce, più preferibilmente a forma di croce greca a lati uguali. Nella forma realizzativa di figura 1, ciascuna unità sensore comprende una struttura a mesa che si erge con una struttura delineata rispetto agli strati sottostanti sui quale è disposta. In una forma realizzativa preferita, dettagliata ulteriormente nel seguito, la struttura a mesa può essere di tipo superficiale (“shallow”), se è formata dagli strati dell’eterostruttura disposti superiormente allo strato magneto-sensibile dell’unità sensore. In questa configurazione, è vantaggioso che la struttura a mesa comprenda lo strato spaziatore (204, 214) in quasi tutto il suo spessore. In particolare, uno spessore residuo dello strato spaziatore, preferibilmente selezionato all’interno dell’intervallo da circa 3 a 20 nm, lo strato magneto-sensibile sul quale lo strato spaziatore è disposto e gli strati della eterostruttura sottostanti lo strato magneto/sensibile non sono delineati (patterned) a mesa, come invece lo è la porzione verticale della eterostruttura sovrastante ad essi lungo la direzione di crescita degli strati.

Sulla eterostruttura a semiconduttore che compone la parte attiva di ciascuna unità sensore 101, 102, 103 sono formate due coppie di terminali elettrici, vale a dire una coppia di terminali di alimentazione 111a e 112a, opposti tra loro, ed una coppia di terminali di tensione di uscita di Hall, VH, 111b e 112b, indicati anche come terminali di Hall e opposti tra loro.

Ciascun terminale elettrico delle unità sensore è collegato elettricamente ad una piazzola (pad) metallica 108 per mezzo di una striscia di conduzione elettrica 109. Le piazzole 108 possono ad esempio venire utilizzate per la connessione elettrica esterna al dispositivo sensore, ad esempio per la connessione con un circuito integrato contenente l’elettronica oppure con un package che racchiude il dispositivo sensore. Nelle forma realizzativa illustrata, ciascuna unità sensore è collegata a quattro piazzole 108, una per ciascun terminale.

Si deve intendere che l’area della superficie principale delle unitá sensore può avere forme geometriche diverse da una forma a croce, tra le quali, ad esempio, la forma rettangolare, quadrata, oppure circolare. Forme geometriche diverse possono contemplare l’uso di un terminale di alimentazione e di un terminale di Hall, oppure di una pluralità di terminali di Hall. In alcune forme realizzative, una forma geometrica a croce è vantaggiosa per la riduzione degli effetti di corto circuito tra i terminali elettrici.

Preferibilmente, le tre unità sensore hanno la stessa struttura, ed in particolare comprendono una eterostruttura identica.

Le unità sensore 102 e 103 sono disposte su rispettive strutture a mensola (cantilever structures) 115 e 116 che sono situate ad un certo angolo di sollevamento, ϑ, rispetto al substrato 120, i.e., alla superficie principale 121 dell’unità sensore “in-plane”, o piano di riferimento (x,y). Le strutture a mensola sono sollevate rispetto al substrato 120 per mezzo di rispettive strutture cerniera (hinge structures) 113 e 114 che le sostengono nella posizione sollevata. Sulle superfici principali 125 e 126 delle rispettive strutture a mensola 115 e 116 sono formate le rispettive unità sensore 102 e 103.

Le strutture a mensola 115 e 116 sono parzialmente circondate, nel piano del substrato, da rispettivi recessi 110b e 110a scavati a partire dalla superficie principale 121 nel piano di riferimento. La profondità dei recessi rispetto al piano di riferimento è maggiore dello spessore delle strutture a mensola e preferibilmente scopre il substrato 120, rimuovendo lo strato o pluralità di strati 122.

Ciascuna delle due strutture cerniera ha una superficie superiore disposta dal lato della superficie principale della rispettiva struttura a mensola ed ha una superficie inferiore, opposta alla supeficie superiore, che affaccia almeno parzialmente il rispettivo recesso.

Le strutture cerniera 113 e 114 sono incurvate rispetto al substrato 120 e hanno uno spessore inferiore allo spessore delle rispettive strutture a mensola 115 e 116. La superficie principale superiore della struttura a mensola sulla quale viene formata l’unità sensore “outof-plane” si raccorda con la superficie superiore della rispettiva struttura cerniera per mezzo di una parete di raccordo. Si nota che, per creare il collegamento elettrico con un terminale esterno alla struttura a mensola e alla struttura cerniera che sostiene quest’ultima, le strisce di conduzione elettrica 109 si devono estendere dai terminali da un’unità sensore out-of-plane all’uno o più terminali esterni passando lungo la superficie principale della rispettiva struttura a mensola e lungo la parete di raccordo per poi proseguire lungo la superficie superiore della rispettiva struttura cerniera. Inoltre, poiché la struttura cerniera è disposta a recesso rispetto al piano di riferimento 121, è presente una ulteriore parete di raccordo (non visibile in figura 1) che le strisce di conduzione 109 devono attraversare per portarsi alla superficie principale 121 del dispositivo sensore dove tipicamente vengono posizionati i terminali esterni, ad esempio le piazzole 108. La parete di raccordo tra la superficie superiore delle strutture cerniera 113 e 114 e la superficie di riferimento 121 si estende lungo una rispettiva linea di connessione 117 e 118 definita sulla superficie principale di riferimento 121.

Gli inventori hanno osservato che è importante garantire una continuità del collegamento elettrico tra i terminali delle unità sensore e le regioni del dispositivo utilizzate per il collegamento elettrico esterno. Gli inventori hanno inoltre osservato che, specialmente nel caso di collegamenti elettrici realizzati con strisce metalliche di spessore ridotto, la realizzazione di collegamenti elettrici non uniformi in spessore o non continui lungo pareti verticali o quasi verticali può influenzare negativamente la conduzione elettrica, in particolare a causa della presenza di resistenze elettriche elevate o di circuiti aperti nelle zone di discontinuità delle strisce.

Nelle forme preferite, le due strutture a mensola 115 e 116 hanno lo stesso spessore, così come le due strutture cerniera 113 e 114 hanno lo stesso spessore. Ad esempio, lo spessore di ciascuna struttura cerniera è compreso tra circa 250 e 300 nm e quello di ciascuna struttura a mensola è compreso tra circa 0,8 e 1,2 μm.

Le strutture cerniera 113 e 114 comprendono ciascuna una struttura “strained” comprendente una pluralità di film epitassiali (non mostrati in figura) con diversa costante reticolare in modo tale da generare uno stato di tensione (strain) nella struttura durante la crescita dei film, dovuto all’allungamento e/o alla compressione di almeno un film della pluralità di film. Nelle forme realizzative preferite, le strutture cerniera 113 e 114 sono formate da una struttura strained composta da una coppia di film epitassiali con diversa costante reticolare, come descritto più in dettaglio nel seguito. Ciascuna delle strutture a mensola 115 e 116 comprende un’eterostruttura di tipo HEMT cresciuta su una struttura strained, dove la struttura strained della struttura a mensola è identica alla struttura strained che costituiscela rispettiva struttura cerniera. In questo modo, la superficie inferiore di ciascuna struttura a mensola, la superficie inferiore essendo opposta alla superficie principale sulla quale sono disposte le unità sensore, si raccorda con la superficie inferiore della rispettiva struttura cerniera in modo continuo.

Nella realizzazione di figura 1, la superficie principale delle strutture a mensola 115 e 116 sulle quali sono disposte le unità sensore 102 e 103, rispettivamente, è collocata perpendicolarmente al substrato 120. Il altre parole, l’angolo di sollevamento, ϑ, di entrambe le strutture a mensola è di circa 90°.

Le figure da 3 a 11b illustrano schematicamente le fasi di fabbricazione di un dispositivo sensore magnetico triassiale, secondo una forma realizzativa dell’invenzione.

La figura 3 è una vista schematica parziale in sezione trasversale che illustra una prima fase del procedimento di fabbricazione di un sensore magnetico, nel quale uno strato sacrificale 11 è depositato su un substrato 10. In una forma realizzativa preferita il substrato è un wafer standard di GaAs o di InP.

Con riferimento alla figura 4, sullo strato sacrificale 11 è formato una struttura “strained” 12 (elasticamente deformabile) comprendente una pluralità di film con diversa costante reticolare generando uno stato di tensione (strain) nella struttura, dovuto all’allungamento e/o alla compressione di almeno un film della pluralità di film. Preferibilmente, lo strato sacrificale 11 e la struttura 12 sono fatti di materiali semiconduttori cresciuti epitassialmente sul substrato 10, in particolare per mezzo della tecnica di epitassia da fasci molecolari (MBE, Molecular Beam Epitaxy). La struttura strained 12 comprende una successione di almeno due film alternati in compressione e allungamento. Il numero di film alternati in compressione e allungamento compresi nella struttura strained dipende dai materiali utilizzati e dagli spessori dei film.

In una forma realizzativa, illustrata in figura 4, la struttura strained 12 è costituita da due film epitassiali: un primo film 12b cresciuto sullo strato sacrificale 11 e avente una prima costante di reticolo ed un secondo film 12a disposto sul primo film 12b e avente una seconda costante di reticolo minore della prima costante di reticolo. A causa della differenza tra le costanti di reticolo dei due film che formano la struttura strained, il secondo film epitassiale 12a cresciuto sul primo film si deforma per adattarsi al reticolo cristallino del primo film, risultando così in tensione, mentre il primo film epitassiale 12b risulta in compressione.

Lo strato sacrificale 11 è realizzato con un materiale che può essere selettivamente attaccato rispetto allo strato strained, e preferibilmente, rispetto al substrato sottostante, per mezzo di tecniche note di attacco chimico bagnato, come in seguito descritto più in dettaglio.

In alcune forme realizzative, lo strato sacrificale 11 é fatto di AlAs oppure di una lega digitale AlGaAs/AlAs e la struttura strained 12 é composta da una coppia di film (bi-film) realizzata in InxGa(1-x)As/GaAs (0<x≤0.25), dove il film InxGa(1-x)As (strato 12b) é cresciuto direttamente sullo stato AlAs (strato 11).

In una fase successiva, illustrata nelle figure 5a e 5b, sullo strato elasticamente deformato 12, é formata una eterostruttura 13 che costituirà la porzione attiva delle unità sensore.

Nelle forme realizzative preferite, ciascuna delle tre unità sensore comprende una eterostruttura tipo HEMT, basata su leghe binarie e/o ternarie realizzate in materiali semiconduttori di tipo III-V, ad esempio una struttura del tipo illustrato nella figura 2a o nella figura 2b. In figura 5c, sono mostrati schematicamente gli strati a semiconduttore di cui é formata la eterostruttura 13 di figura 5b, secondo una forma realizzativa preferita. Gli strati che compongono la struttura 13 sono cresciuti epitassialmente, preferibilmente tramite MBE, e formano una struttura di tipo pHEMT. In particolare, uno strato buffer 14, ad esempio costituito da GaAs oppure da GaAs per una parte dello spessore e da un super-reticolo AlGaAs/GaAs per la parte restante, è cresciuto sulla struttura strained 12 con uno spessore sufficiente ad ottenere uno strato con buona cristallinità per la crescita degli strati successivi e libero da strain. In sequenza vengono poi cresciuti: uno strato canale 15 (InGaAs), uno strato spaziatore 16 (AlGaAs), uno strato barriera 18 (AlGaAs) drogato e uno strato “cap” 19 (GaAs). Facoltativamente, lo strato barriera 18 può essere non drogato e comprende uno strato di spessore molto ridotto (all’incirca uno strato atomico) in prossimità dell’interfaccia con lo strato spaziatore con un profilo di drogaggio a cassetta in modo da formare un profilo “delta doping”, 17 (AlGaAs:Si). In figura 5c è indicato lo strato magneto-sensibile 2DEG 15a, che si forma all’interfaccia tra lo strato canale 15 e lo strato spaziatore 16.

Nel caso il film 12a della struttura strained 12 sia realizzato in GaAs epitassiale, il film 12a e lo strato buffer 14 possono essere cresciuti come strato singolo sul film inferiore 12b della struttura strained.

A titolo d’esempio, lo spessore totale della eterostruttura epitassiale 13 è compreso da 1 µm a 1,5 µm.

Si deve intendere che modificando i diversi parametri dell’eterostruttura, quali gli spessori degli strati, il livello di drogaggio e la concentrazione delle leghe ternarie negli strati barriera e spaziatore e (se presente) nello strato canale, è possibile variare la combinazione dei valori di µ e di n2Din funzione della specifica applicazione, determinando le prestazioni del sensore, quali la sensibilità di rilevazione e/o il tempo di risposta del dispositivo, nonché il suo comportamento al variare della temperatura.

Preferibilmente, lo strato buffer 14 ha uno spessore compreso tra 700 nm e 950 nm, ad esempio di 900 nm, al fine da allontanare lo strato magneto-sensibile che contiene il 2DEG dalla buca quantica parassita che si potrebbe formare in corrispondenza della struttura strained 12. Inoltre, vantaggiosamente uno spessore dello strato buffer relativamente grande rende più rigida l’eterostruttura in modo da evitare l’incurvamento della struttura a mensola piuttosto che il posizionamento delle unità sensore ad un certo angolo di sollevamento ϑ rispetto al piano (x,y), come descritto in una fase successiva del procedimento.

Gli strati dei quali saranno costituite le porzioni attive delle unità sensore, possono essere depositati su tutto il substrato sottostante, o per lo meno su tutta l’area superficiale sulla quale é depositata la struttura strained 12. In questo modo, le eterostrutture che comporanno le unitá sensore possono essere cresciute contemporaneamente, con un unico processo.

Successivamente alla deposizione delle eterostrutture, vengono definite le unità sensore mediante tecniche litografiche che definiscono l’area superficiale delle unità, e quindi l’area della superficie di rilevazione del campo magnetico, e tecniche di attacco chimico o chimicofisico, di per sé note, per definire la struttura geometrica delle porzioni attive delle unità sensore ed isolarle tra loro nel dispositivo sensore magnetico.

In particolare, dopo aver definito con la litografia ottica tre aree a forma di croce, un attacco chimico bagnato, ad esempio costituito da una soluzione in H2O contenente acido citrico (C6H8O7) e acqua ossigenata (H2O2), (ad esempio, nelle proporzioni 16g C6H8O7,: 16gH2O DI ed 1ml H2O2), rimuove almeno una porzione verticale delle eterostrutture ovunque tranne che in corrispondenza di dette aree, formando così delle strutture in rilievo a “mesa” 21, 22 e 23, illustrate in vista planare in figura 6a e in sezione trasversale lungo la linea B-B in figura 6b. E’ da intendere che l’attacco chimico crea contemporaneamente tre strutture a rilievo relative alle tre unità sensore, che risultano avere porzioni attive isolate tra loro.

Gli inventori hanno realizzato che, sebbene la rimozione per attacco chimico può in principio proseguire fino allo strato 12, un attacco profondo può presentare degli svantaggi, quali la perdita di rigidità della struttura a mensola che comprende la struttura mesa con conseguente incurvamento o addirittura arrotolamento della struttura a mensola. Inoltre, un attacco profondo può risultare nella formazione di gradini troppo alti per la realizzazione ottimale dei successivi passi di fabbricazione, ed in particolare per la fabbricazione delle linee di conduzione elettrica che collegano i terminali delle unità sensore alle regioni del dispositivo sensore utilizzate per il collegamento elettrico esterno.

Gli inventori hanno notato che un attacco profondo può limitare la dimensione minima superficiale delle strutture mesa, al di sotto della quale ha luogo il completo svuotamento superficiale di carica, a causa dello svuotamento superficiale di carica in corrispondenza delle pareti verticali della mesa. In alcune forme realizzative preferite, la struttura mesa di ciascuna unità sensore comprende almeno parzialmente gli strati dell’eterostruttura sovrastanti lo strato magneto-sensibile. Nella forma realizzativa di figura 6b, la rimozione per incisione lungo l’asse z é arrestata ad una profondità situata lungo l’asse z in prossimità dell’interfaccia tra lo strato spaziatore 16 e il 2DEG. Preferibilmente, l’arresto dell’attacco avviene ad uno spessore nello strato spaziatore 16 selezionato in modo tale che il punto d’arresto dell’attacco sia sufficientemente vicino allo strato canale 15 da permettere lo svuotamento di carica dovuto agli stati superficiali e produrre l’isolamento delle strutture mesa. Ad esempio, l’arresto dell’attacco avviene nello strato spaziatore a circa 10 nm dall’interfaccia con lo strato canale 15. In questo caso, lo strato canale non viene scavato, ma a causa dello scavo per incisione, si forma uno strato magneto-sensibile 2DEG 15b presente solo in corrispondenza della regione non scavata. Una struttura di questo tipo è indicata nel presente contesto come mesa di tipo superficiale o “shallow” ed ha il vantaggio di migliorare ulteriormente la mobilità dei portatori di carica nel 2DEG in quanto non risente dello svuotamento superficiale di carica in corrispondenza delle pareti verticali delle strutture mesa. Vantaggiosamente, poiché una struttura mesa di tipo “shallow” preserva la carica sulle pareti verticali, questa soluzione permette una miniaturizzazione più spinta della struttura mesa e quindi del dispositivo sensore magnetico. Più in generale, la eterostruttura di ciascuna unità sensore comprende una pluralità di strati, un primo strato di detta pluralità essendo uno strato magneto-sensibile ed un secondo strato essendo uno strato superiore di contatto (e.g., strato cap) disposto sui rimanenti strati della pluralità, dove la eterostruttura include una struttura mesa che si estende verticalmente (i.e. rispetto alla sostanziale disposizione superficiale di ciascun strato della pluralità) per una prima porzione verticale della eterostruttura, nella quale detta prima porzione verticale si estende dallo strato di contatto fino ad una profondità prederminata situata in prossimità, nella direzione verticale, dello strato magneto-sensibile in modo da definire uno spessore residuo, r, definito tra l’interfaccia superiore dello strato magnetosensibile e la superficie di una seconda porzione verticale della eterostruttura sottostante alla prima porzione verticale, che corrisponde alla superficie principale sulla quale è formata l’unità sensore. Preferibilmente, lo spessore residuo, r, è compreso tra circa 3 e circa 20 nm.

Nelle regioni non scavate, altre rispetto alle strutture mesa, rimane esposto sull’area superficiale lo strato spaziatore 16 presente in uno spessore residuo, r, sullo strato magnetosensibile. La seconda porzione verticale, vale a dire lungo la direzione di crescita degli strati, dell’eterostruttura non scavata è indicata in figura 6b con il riferimento numerico 20 e la superficie di tale porzione epitassiale non scavata (la superficie principale) è indicata con il riferimento numerico 32.

In alcune forme realizzative, l’attacco chimico per la formazione delle strutture mesa è realizzato con un attacco in umido utilizzando una soluzione di H2O contenente H2O2, in combinazione con un acido (solforico, nitrico, cloridrico o citrico) o una base (idrossido di sodio).

Con riferimento alla figura 6a, preferibilmente, i centri delle strutture mesa 21 e 22 sono disposti lungo un asse 34 disposto a 90° rispetto all’asse 33 che passa attraverso i centri delle strutture mesa 22 e 23.

In una diversa forma realizzativa, la rimozione per incisione prosegue attraverso lo strato canale 15 lungo l’asse verticale (lungo la direzione di crescita) fino alla interfaccia tra lo strato canale 15 e lo strato buffer 14. Nel caso di strutture mesa che comprendono lo strato canale, ci si riferisce nel presente contesto a strutture mesa di tipo profondo.

In una ancora ulteriore forma realizzativa, la rimozione per incisione prosegue oltre a alla interfaccia tra lo strato canale 15 e lo strato buffer 14, all’interno dello strato buffer, ma arrestando la rimozione in prossimità dell’interfaccia (realizzazioni non mostrate nelle figure), preferibilmente entro 30 nm da essa, all’interno dello strato buffer, più preferibilmente entro 20 nm da essa. In alcune forme preferite lo strato buffer 14 ha uno spessore relativamente elevato, preferibilmente compreso da 700 nm a 950 nm e pertanto la rimozione di uno spessore molto piccolo dello strato buffer rispetto allo spessore totale vantaggiosamente previene l’incurvamento delle strutture a mensola che verranno realizzate nelle fasi successive del procedimento.

La figura 7a e la figura 7b, che rappresenta una porzione della sezione trasversale lungo la linea 34 della figura 7a (sezione C-C), rappresentano la fase successiva alla formazione delle strutture a mesa 21, 22 e 23, nella quale vengono definite le aree superficiali delle strutture cerniera, vale a dire delle regioni che fungeranno da cerniera per le strutture che comprendono le unitá sensore e che dovranno incurvarsi posizionando così le unità sensore ad un certo angolo di sollevamento ϑ rispetto al piano (x,y) del substrato. Le aree superficiali delle strutture cerniera sono definite formando, in prossimità delle strutture mesa 22 e 23, dei recessi che scoprono la struttura strained 12 ed in particolare una superficie dello strato 12a. Allo scopo di definire le aree superficiali delle strutture cerniera vengono definiti primi recessi 26 e 27, ad esempio tramite fotolitografia ed attacco.

In una forma realizzativa, l’attacco viene arrestato quando viene raggiunta la superficie della struttura strained 12. In pratica, poiché lo strato buffer dell’eterostruttura e lo strato superiore (12a) della struttura strained 12 possono essere cresciuti come unico strato epitassiale (e.g., di GaAs), detto strato viene eroso fino a lasciare uno spessore residuo che fungerà da strato12a. In una forma realizzativa, lo spessore dello strato 12a è compreso tra 40 nm e 300 nm. In una forma realizzativa, lo strato 12b è realizzato in InxGa(1-x)As con x variabile da 0,1 a 0,3 e ha spessore compreso tra 3 nm e 30 nm.

Preferibilmente, i recessi 26 e 27 hanno una geometria rettangolare lungo un piano parallelo al piano (x,y) e sono preferibilmente disposti con i due lati sostanzialmente paralleli ai bracci della croce delle strutture mesa. I recessi 26 e 27 sono posizionati adiacenti alle rispettive strutture mesa 22 e 23 ed hanno una larghezza L1 ed una lunghezza L2, la larghezza L1 essendo almeno uguale alla dimensione della struttura mesa lungo la direzione definita dalla stessa larghezza e preferibilmente maggiore in modo da poter disporre i collegamenti elettrici dalla rispettiva unità sensore sulla loro superficie. In una forma realizzativa, i recessi 26 e 27 sono definiti con area superficiale uguale.

Successivamente alla formazioni delle aree per la formazione delle regioni cerniera, vengono formati i terminali elettrici delle unitá sensore, in particolare una coppia di terminali di alimentazione 24a e 24b, opposti tra loro, ed una coppia di terminali di tensione di uscita di Hall, VH, 25a e 25b, opposti tra loro (figura 8a per la vista planare e figura 8b per la sezione trasversale C-C della figura 8a). I terminali elettrici possono essere realizzati in Au o in lega metallica, quale GeAu/Ni/Au, ad esempio mediante la cosidetta tecnica del “lift-off”, di per sé nota, nella quale ad un processo di litografia che lascia scoperte dal photoresist solo le regioni superficiali sulle quali si desidera il metallo, segue la deposizione del metallo stesso, ad esempio per evaporazione, e infine la rimozione del photoresist mediante l’utilizzo di un appropriato solvente, secondo tecniche note. Per ottenere dei contatti ohmici, è vantaggioso sottoporre i contatti metallici, una volta depositati, a cottura rapida (RTA, rapid thermal annealing) a temperature relativamente elevate, e.g., 400-460°C.

In una fase successiva, illustrata nelle figure 9a e 9b, vengono realizzate le strisce di conduzione 28 che collegano i terminali di ciascuna unità sensore a delle piazzole conduttive 29, ad esempio fatte di metallo o leghe metalliche. La deposizione delle strisce di conduzione e delle piazzole può essere realizzata mediante la tecnica di lift-off la cui deposizione dei metalli può avvenire per deposizione per sputtering. Le piazzole possono venire utilizzate ad esempio per la connessione con un circuito integrato contenente l’elettronica di controllo oppure con un package che racchiude il dispositivo sensore. Nelle forme realizzative illustrate nelle figure, ciascun terminale di un’unità sensore è collegato ad una rispettiva piazzola.

Come indicato nelle figure 9a e 9b, al fine di realizzare un collegamento elettrico tra i terminali delle unità sensori out-of-plane 22 e 23 e le regioni di contatto esterne alle regioni nelle quali sono formate le unità sensori, le strisce di conduzione elettrica 28 devono attraversare i rispettivi recessi 26 e 27 lungo la loro lunghezza L2 e quindi necessitano di essere depositate lungo sia la superficie superiore dei recessi che le pareti laterali che la delimitano e la raccordano con la superficie superiore 32. Gli inventori hanno realizzato che la fase di formazione delle strisce metalliche è particolarmente critica in quanto una deposizione non continua o non uniforme delle strisce provoca dei picchi di resistenza elevata in corrispondenza delle discontinuità. Gli inventori hanno inoltre sperimentalmente osservato che la realizzazione di strisce metalliche su recessi con pareti di raccordo verticali oppure semiverticali con angoli prossimi a 90° compromette il funzionamento delle unità sensore out-of-plane e quindi del dispositivo sensore triassiale, ed in particolare porta ad una difficoltà nell’applicare un segnale e di raccogliere una risposta dalle unità sensore. Il problema delle discontinuità delle strisce metalliche acquista una maggiore rilevanza nel caso di strisce metalliche relativamente sottili in spessore, ad esempio con spessori non superiori a 20 nm, limitando in questo modo la scalabilità del dispositivo sensore.

E’ stato trovato che vantaggiosamente pareti di raccordo inclinate ad un predeterminato angolo rispetto alla superficie del recesso e delimitanti i recessi che definiscono le strutture cerniera, per lo meno lungo la direzione trasversale al percorso delle strisce conduttive lungo il recesso, consentono di ottenere la formazione di linee di conduzione elettrica uniformi e continue, anche per spessori relativamente piccoli, ad esempio non superiori a circa 60 nm. L’utilizzo di recessi con pareti inclinate ha un ulteriore vantaggio nel caso di miniaturizzazione del dispositivo sensore quando la larghezza L2 della cerniera, che, come indicato nella relazione (3) riportata nel seguito, è legata al raggio di curvatura ρ della struttura strained, diventa confrontabile con l’altezza verticale della eterostruttura. In tal caso, pareti di raccordo verticali dei recessi potrebbero limitare l’angolo di sollevamento delle strutture a mensola in quanto tali pareti entrerebbero in contatto tra loro a seguito dell’incurvamento della cerniera. Per esempio, per una eterostruttura da 1 µm di spessore la struttura strained con ρ=1 µm può essere progettata in modo da garantire un angolo di sollevamento di 90° solo per lunghezze dei recessi L2≥1,5 µm. La figura 13 è un ingrandimento di una porzione della figura 7b, indicata con un cerchio F in linea tratteggiata, quindi rappresenta una fase del processo precedente alla formazione dei collegamenti elettrici. Il recesso 26 ha pareti laterali inclinate di un angolo γ rispetto alla sua superficie principale o, definito in modo equivalente, di un angolo (90°-γ) rispetto all’asse ortogonale 42 alla superficie principale del recesso. Il recesso 26 ha quindi forma tronco-piramidale con lunghezza L2 sul piano della superficie superiore 32 dalla quale il recesso viene scavato e lunghezza L2’<L2 sulla superficie principale del recesso. Preferibilmente l’angolo di inclinazione γ è compreso tra 10° e 70°. In una forma particolarmente preferita, l’angolo γ è di circa 45°. Gli inventori hanno notato che angoli del recesso inclinati di circa 45° permettono di ridurre la dimensione superficiale delle strutture a mensola fino a 4 µm x 4 µm, all’interno della quale la struttura a mesa avere dimensione superficiale di 500 nm x 500 nm, ottenendo così la miniaturizzazione delle unità sensore out-of-plane e di conseguenza di tutto il dispositivo sensore magnetico.

Vantaggiosamente, per la formazione dei recessi è utilizzato un attacco bagnato anisotropo degli strati epitassiali per produrre recessi con pareti laterali inclinate di una angolo γ rispetto alla superficie principale del recesso. Ad esempio, viene impiegata una soluzione H2SO4/H2O2/H2O nelle proporzioni 8:1:100 per produrre pareti inclinate di circa 15° attraverso gli strati epitassiali dell’eterostruttura AlGaAs/InGaAs/GaAs.

La variazione dell’angolo delle pareti inclinate del recesso è ottenibile per esempio variando la concentrazione della soluzione H2SO4/H2O2/H2O, come descritto ad esempio da S. Iida e K. Ito in “Selective Etching of Gallium Arsenide Crystals in H2SO4-H2O2-H2O System”, pubblicato in Journal of Electrochememical Society, volume 118-5 (1971), pagina 768.

Anche se la figura 13 mostra un dettaglio del recesso 26, è da intendere che entrambi i recessi 26 e 27 che scoprono la struttura strained 12 hanno preferibilmente pareti di raccordo inclinate. Con riferimento nuovamente alle figure 9a e 9b, nella realizzazione illustrata le strisce di conduzione 28 scendono lungo le pareti laterali dei rispettivi recessi 26 e 27 disposte nel piano principale definito dalla superficie 32 trasversalmente ed in particolare ortogonalmente alla direzione di percorrenza delle strisce conduttive. In pratica, le tecniche comuni di realizzazione dei recessi creano delle pareti inclinate lungo tutte le pareti laterali dei recessi.

Gli inventori hanno osservato che strisce di conduzione troppo spesse possono modificare significativamente lo strain della struttura strained 12 e quindi l’elasticità delle strutture cerniera formate nei recessi 26 e 27 e conseguentemente influire negativamente nel sollevamento delle mensole sulle quali sono disposti le unità sensore out-of-plane. Preferibilmente, le strisce di conduzione 28 hanno spessore non superiore a circa 60 nm, più preferibilmente non superiore a circa 40 nm. Al fine di ottenere un contatto ohmico, è preferibile che le strisce di conduzione abbiano uno spessore non inferiore a 20 nm. In una forma realizzativa preferita, lo spessore delle strisce metalliche è compreso tra 20 e 60 nm. La larghezza delle strisce di conduzione può essere compresa da 50 nm a 50 µm, in dipendenza anche delle dimensioni del dispositivo, ad esempio della dimensione della struttura cerniera. Si nota che in generale lo spessore delle strisce di conduzione influisce in modo dominante sull’elasticità della struttura cerniera rispetto alla larghezza delle stesse.

Anche se nella descrizione precedente si è fatto riferimento a due fasi di procedimento distinte per la deposizione dei terminali elettrici e per la deposizione dei collegamenti elettrici, la presente invenzione prevede alternativamente una fase di procedimento singola nella quale vengono realizzati contemporaneamente i terminali elettrici delle unità sensore e le metallizzazioni per i collegamenti elettrici, ad esempio mediante la tecnica del lift-off.

Inoltre, nel caso la fase di procedimento della formazione dei terminali elettrici sia distinta dalla fase di formazione dei collegamenti elettrici alle piazzole, la deposizione dei terminali elettrici delle unità sensore, può aver luogo successivamente o precedentemente alla fase di formazione dei recessi per definire le regioni cerniera.

Con la realizzazione dei collegamenti elettrici, la fabbricazione delle unità sensore si può considerare completata. Le fasi successive del processo servono a realizzare le strutture sospese che posizionano due delle tre unità sensore fuori dal piano (out-of-plane) del substrato.

Con riferimento alla figura 10a e alla figura 10b che è una sezione trasversale della figura 10a nel piano (y,z) lungo la linea C-C, vengono formati secondi recessi che delimitano le strutture a mensola 30 e 31 che parzialmente circondano le due unità sensore 22 e 23, rispettivamente. L’area superficiale in un piano parallelo al piano (x,y) (i.e., alla superficie superiore del substrato) dei secondi recessi 35 e 36 ha preferibilmente una forma ad U e definisce, rispettivamente, l’area delle strutture 30 e 31 che si posizioneranno ad un certo angolo di sollevamento, ϑ, rispetto al substrato. I secondi recessi 35 e 36 sono formati per fotolitografia ed attacco, ad esempio mediante attacco in plasma reattivo (RIE, Reactive Ion Etching), che viene arrestato ad una profondità lungo l’asse verticale che corrisponde ad almeno la superficie del substrato 10. In altre parole, l’attacco prosegue ad una profondità tale da rimuovere completamente lo strato sacrificale 11 e scoprire il substrato 10. Preferibilmente, i secondi recessi circondano parzialmente l’area dei primi recessi 26 e 27. Più preferibilmente, i secondi recessi 35 e 36 si estendono nella direzione della larghezza L1 fino ai bordi dei rispettivi primi recessi 26 e 27. In questo modo, si crea un accesso laterale allo strato sacrificale attorno alle strutture 30 e 31 e ai recessi 26 e 27.

In una fase successiva, lo strato sacrificale 11 sottostante la struttura strained 12 delle strutture 30 e 31 e dei recessi 26 e 27 è rimosso, ad esempio è dissolto per mezzo di un attacco bagnato. La rimozione dello strato sul quale la struttura strained 12 è stato cresciuto è accompagnata dal rilascio dello strain causato dalla differenza di costante di reticolo tra i film che costituiscono la struttura strained. Il rilascio dello strain causa l’incurvamento delle regioni cerniera corrispondenti ai recessi 26 e 27 e conseguentemente il sollevamento delle strutture a mensole 30 e 31 rispetto al substrato sottostante, come illustrato nelle figure 11a e 11b.

Nel caso la struttura strained 12 sia composta da un bi-film InxGa(1-x)As/GaAs e il susbtrato 10 sia composto da GaAs, la costante di reticolo del InxGa(1-x)As é maggiore della costante di reticolo del GaAs, la differenza tra le spaziature atomiche dei due reticoli dipende da x ed è massima per x=1 (∆a/a=7.2% tra InAs e GaAs). Pertanto, durante la crescita, lo strato 12b di InxGa(1-x)As si deforma elasticamente per compressione per adattare il suo reticolo a quello del substrato, mentre lo strato superiore 12a di GaAs cresciuto su di esso risulta soggetto ad uno stress tensile. Le forze interatomiche che agiscono rispettivamente nel film compresso e nel film teso lungo opposte direzioni producono un momento di forza che agisce incurvando la struttura strained 12 nell’area superficiale liberata dallo strato sottostante. Poiché anche le strutture 30 e 31 sono disposte superiormente ad un’area liberata dal substrato sottostante e sono agganciate alla regione della struttura strained 12 libera dagli strati sottostanti, l’incurvamento del bi-film nelle regioni corrispondenti ai recessi 26 e 27, i.e. delle strutture a cerniera formate dalla struttura strained, porta quindi al rilascio delle strutture 30 e 31, che diventano delle strutture “a mensola” (cantilever). A titolo d’esempio, per la rimozione dello strato sacrificale di AlAs, la struttura viene immersa in un bagno di HF:H2O 1:5 che dissolve l’AlAs senza significativamente attaccare il bi-film InxGa(1-x)As/GaAs o l’eterostruttura di GaAs e leghe ternarie basate sul GaAs. Ad esempio, lo strato di AlAs ha spessore di almeno 50 nm ed è compreso tra 50 e 100 nm in modo da garantire una penetrazione uniforme della soluzione d’attacco dalle pareti verticali lungo lo strato, i.e. lungo il piano (x,y).

La struttura rilasciata si dispone ad un angolo di sollevamento θ, che dipende dalla lunghezza L2 della regione cerniera, indicata nella figura 7a, e dal raggio di curvatura della struttura strained, ρ, secondo la relazione

Il raggio di curvatura ρ dipende dai parametri della struttura strained 12, quali gli spessori e la composizione dei film epitassiali che formano la struttura strained. In alcune forme realizzative preferite, i parametri della struttura strained sono opportunamente progettati in modo da ottenere un angolo di sollevamento di 90°. Ad esempio, per ottenere la verticalità dei piani sui quali si trovano le unità sensori out-of-plane sono selezionati i seguenti parametri: 10nm di In0,2Ga0,8As (film 12b) e 265nm di GaAs (film 12a), ed L2=155 μm.

Sebbene la forma realizzativa nella quale le due unità sensore out-of-plane sono disposte in piani sostanzialmente ortogonali al piano della terza unità sensore sia preferita perché permette la rilevazione delle tre componenti assiali del campo magnetico in maniera indipendente, la presente invenzione contempla anche un dispositivo sensore triassiale nel quale le due unità sensore out-of-plane siano disposte ad angoli diversi da 90° e/o diversi tra loro.

La figura 12 illustra schematicamente e parzialmente un dispositivo sensore triassiale, nel quale le due unità sensore out-of-plane 302 e 303 sono disposte a rispettivi angoli α e β rispetto al piano (x,y) della terza unità sensore 301. In particolare, il piano sul quale è disposta l’unità sensore 302 è parallelo all’asse x ed inclinato rispetto all’asse y dell’angolo α ed il piano sul quale è disposta l’unità sensore 303 è parallelo all’asse y ed inclinato rispetto all’asse x dell’angolo β. Pertanto, i versori ortogonali ai tre piani risultano:

dove nIè il versore ortogonale al piano dell’unità sensore 301, nIIè il versore ortogonale al piano dell’unità sensore 302, e nIIIè il versore ortogonale al piano dell’unità sensore 303.

Assumendo che il dispositivo sensore sia immerso in un campo magnetico omogeneo r

genericamente orientato, B =(Bx, By, Bz), e che ciascuna unità sensore 301, 302 e 303 sia sensibile unicamente alla componente del campo magnetico ortogonale al proprio piano, indicata con Bi, per i=I,II,III. Valgono le seguenti relazioni:

nelle quali si nota che l’unità sensore 301 rileva direttamente la componente Bz. Dalla lettura delle altre due unità sensore e noti gli angoli α e β, è possibile ricavare le altre due componenti Bxe By.

Vantaggiosamente, il dispositivo realizzato con il processo sopra descritto non richiede alcun assemblaggio di parti e grazie alla ingegnerizzazione sia della eterostrutture che dei processi di fabbricazione utilizzando tecniche litografiche, di deposizione di film sottili e di attacco chimico può essere fabbricato con dimensioni ridotte, ottenendo una risoluzione spaziale elevata. In altre parole, la dimensione minima del dispositivo sensore dipende principalmente dalla risoluzione delle tecniche di micro- e nano-tecnologia fabbricativa.

Claims (21)

1. Rivendicazioni 1. Un dispositivo sensore magnetico integrato triassiale (100) atto a rilevare un campo magnetico che comprende un substrato (120) avente una superficie che definisce un piano di riferimento; una prima unità sensore (101) disposta sul substrato su una prima superficie principale (121) in un primo piano sostanzialmente parallelo al piano di riferimento; una seconda unità sensore (102) disposta su un secondo piano, e una terza unità sensore (103) disposta su un terzo piano, il secondo e terzo piano essendo non paralleli al piano di riferimento, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: una prima struttura a mensola (115) sollevata rispetto al piano di riferimento di un primo angolo di sollevamento (ϑ;α) e avente una seconda superficie principale (125) disposta lungo il secondo piano, la prima struttura a mensola comprendendo la seconda unità sensore, e una seconda struttura a mensola (116) sollevata rispetto al piano di riferimento di un secondo angolo di sollevamento (ϑ;β) e avente una terza superficie principale (126) disposta lungo il terzo piano, la seconda struttura a mensola comprendendo la terza unità sensore, nel quale la prima e la seconda struttura a mensola sono collegate strutturalmente al substrato (120) per mezzo di una rispettiva prima e seconda struttura cerniera (113, 114) incurvate rispetto al piano di riferimento e che sostengono la rispettiva struttura a mensola mantenendola sollevata rispetto al piano di riferimento.
2. 2. Il dispositivo della rivendicazione 1, nel quale il primo e il secondo angolo di sollevamento sono di circa 90°.
3. 3. Il dispositivo delle rivendicazioni 1 o 2, nel quale: la prima struttura cerniera ha una prima superficie superiore e la seconda struttura cerniera ha una seconda superficie superiore, la prima e la seconda struttura cerniera avendo un primo spessore, la prima struttura a mensola e la seconda struttura a mensola hanno un secondo spessore maggiore del primo spessore in modo da definire una rispettiva prima parete di raccordo tra la prima superficie superiore e la seconda superficie principale della prima struttura a mensola e una seconda parete di raccordo tra la seconda superficie superiore e la terza superficie principale della seconda struttura a mensola.
4. 4. Il dispositivo della rivendicazione 3, nel quale la prima e la seconda parete di raccordo sono inclinate rispetto alle rispettive prima e seconda superficie superiore di un predeterminato primo angolo di inclinazione (γ).
5. 5. Il dispositivo della rivendicazione 4, nel quale il primo angolo di inclinazione (γ) è compreso tra 10° e 70°.
6. 6. Il dispositivo della rivendicazione 4, nel il primo angolo di inclinazione (γ) è di circa 45°.
7. 7. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, nel quale: la prima struttura cerniera (113) è connessa al substrato (120) lungo una prima linea di connessione (117) definita sulla prima superficie principale (121) ed è disposta a recesso rispetto a detta prima superficie principale, la prima superficie superiore della prima struttura cerniera essendo raccordata alla prima superficie principale da una terza parete di raccordo, e la seconda struttura cerniera (114) è connessa al substrato lungo una seconda linea di connessione (118) definita sulla prima superficie principale ed è disposta a recesso rispetto a detta prima superficie principale, la seconda superficie superiore della seconda struttura cerniera essendo raccordata alla superficie principale da una quarta parete di raccordo.
8. 8. Il dispositivo della rivendicazione 7, nel quale la terza e la quarta parete di raccordo sono inclinate rispetto alle rispettive prima e seconda superficie superiore di un predeterminato secondo angolo di inclinazione (γ).
9. 9. Il dispositivo della rivendicazione 8, quando dipendente dalla rivendicazione 4, nel quale il primo e il secondo angolo di inclinazione sono uguali.
10. 10. Il dispositivo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, nel quale la prima e la seconda struttura cerniera (113, 114) comprende una struttura strained che comprende una pluralità di strati a semiconduttore aventi rispettivamente diverse costanti di reticolo, nelle quali la curvatura di ciascuna struttura cerniera è dovuta al rilascio dello strain causato dalla diversità nelle costanti di reticolo.
11. 11. Il dispositivo della rivendicazione 10, nel quale la prima e la seconda struttura cerniera comprende ciascuna un primo strato a semiconduttore avente una prima costante di reticolo e un secondo strato a semiconduttore avente una seconda costante di reticolo, il primo strato a semiconduttore essendo disposto sul secondo strato a semiconduttore e la prima costante di reticolo essendo minore della seconda costante di reticolo.
12. 12. Il dispositivo delle rivendicazioni 10 o 11, nel quale la prima e seconda struttura cerniera ha una superficie inferiore opposta alla rispettiva superficie superiore e la prima e seconda struttura a mensola comprende una superficie inferiore opposta alla superficie principale sulla quale sono disposte le rispettive seconda e terza unità sensore, e nel quale la prima e seconda struttura a mensola comprende ciascuna una eterostruttura disposta su una struttura strained, la struttura strained compresa nella struttura a mensola essendo identica alla struttura strained della rispettiva struttura cerniera e la superficie inferiore della prima e seconda struttura a mensola raccordandosi in modo continuo con la superficie inferiore della rispettiva struttura cerniera.
13. 13. Il dispositivo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, nel quale la prima, la seconda e la terza unità sensore è un sensore Hall che comprende una rispettiva prima, seconda e terza eterostruttura, ciascuna composta da una pluralità di strati a semiconduttore disposti sequenzialmente lungo la direzione verticale rispetto al rispettivo primo, secondo e terzo piano, almeno uno della pluralità di strati a semiconduttore essendo uno strato magnetosensibile.
14. 14. Il dispositivo della rivendicazione 13, nel quale ciascuna eterostruttura è una struttura di tipo HEMT e lo strato magneto-sensibile include la formazione di un gas bidimensionale di elettroni (2DEG).
15. 15. Il dispositivo delle rivendicazioni 13 o 14, nel quale ciascuna eterostruttura comprende una struttura in rilievo a mesa atta a definire l’area di rilevazione del campo magnetico della rispettiva unità sensore, la struttura a mesa estendendosi verticalmente per almeno una prima porzione verticale della eterostruttura.
16. 16. Il dispositivo della rivendicazione 15, nel quale la struttura a mesa di ciascuna eterostruttura si estende per la prima porzione verticale, la prima porzione verticale essendo disposta su una seconda porzione verticale della eterostruttura avente come superficie superiore sulla quale la struttura a mesa è delineata la rispettiva superficie principale, e nel quale la prima porzione verticale si estende fino ad una profondità predeterminata situata in prossimità, nella direzione verticale, dello strato magneto-sensibile in modo da definire uno spessore residuo (r) tra l’interfaccia superiore dello strato magneto-sensibile e la rispettiva superficie superiore della seconda porzione verticale.
17. 17. Il dispositivo delle rivendicazioni 15 o 16, nel quale ciascuna eterostruttura comprende uno strato buffer, uno strato spaziatore disposto sullo strato buffer, uno strato canale disposto sullo strato spaziatore e formante un’interfaccia con esso e uno strato barriera disposto sullo strato canale, lo strato magneto-sensibile formandosi nello strato canale in prossimità dell’interfaccia con lo strato spaziatore, e nel quale la prima porzione verticale della struttura a mesa di ciascuna eterostruttura si estende verticalmente dalla rispettiva superficie principale fino allo strato spaziatore e includendo almeno una porzione verticale di esso.
18. 18. Il dispositivo della rivendicazione 16, nel quale lo spessore residuo è compreso tra 3 nm e 20 nm.
19. 19. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, nel quale la prima, la seconda e la terza unità sensore comprende almeno una coppia di terminali elettrici di unità sensore (111a,112a,111b,112b), ciascun terminale elettrico di unità sensore essendo collegato elettricamente con un contatto elettrico esterno (108) per mezzo di una striscia elettricamente conduttiva (109).
20. 20. Il dispositivo della rivendicazione 19, nel quale il contatto elettrico esterno (108) si trova sulla prima superficie principale (121).
21. 21. Il dispositivo di rivendicazione 20, nel quale la striscia elettricamente conduttiva della seconda unità sensore (102) attraversa dal rispettivo terminale elettrico (109) della seconda unità sensore almeno una porzione della seconda superficie principale (125) della prima struttura a mensola (115), la prima struttura cerniera (113) e almeno una porzione della prima superficie principale (121) e nel quale la striscia conduttiva della terza unità sensore (103) attraversa dal rispettivo terminale elettrico (109) della terza unità sensore almeno una porzione della terza superficie principale (126) della seconda struttura a mensola (116), la seconda struttura cerniera (114) e almeno una porzione della prima superficie principale (121).