WO2024099698A1 - Verfahren zum herstellen eines magnetsensors - Google Patents

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WO2024099698A1
WO2024099698A1 PCT/EP2023/078669 EP2023078669W WO2024099698A1 WO 2024099698 A1 WO2024099698 A1 WO 2024099698A1 EP 2023078669 W EP2023078669 W EP 2023078669W WO 2024099698 A1 WO2024099698 A1 WO 2024099698A1
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layer
etching
inclined surface
etched
etch
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PCT/EP2023/078669
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Heribert Weber
Corinna Koepernik
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/0206—Three-component magnetometers
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a magnetic sensor and a magnetic sensor.
  • a common method for sensing Z magnetic fields is the use of flux diverters. These are arranged in such a way that a magnetic field from the Z direction is diverted so that a portion of this field lands as a field on a planar sensitive sensing element. These flux diverters usually consist of structures made of soft magnetic material. The production of such flux diverters is quite complex and only partially compatible with semiconductor processes. Another disadvantage is that strong external magnetic fields can change the magnetization of the flux diverters in such a way that the sensitivity of the overall system is affected and an offset is created. Another disadvantage is the contribution of the flux diverter to the signal noise and thus a reduction in the defectivity of the sensor.
  • the object underlying the invention is to provide a concept which overcomes the above disadvantages.
  • a method for manufacturing a magnetic sensor comprising the following steps:
  • a magnetic sensor comprising: a substrate on which a first layer of a first material is formed, the first material having a first etching rate, a second layer of a second material being partially formed on the first layer, the second material having a second etching rate, the first etching rate being smaller than the second etching rate, the first layer being at least partially etched in a direction different from the second
  • Layer uncovered region has at least one inclined surface on which a magnetic sensing element is formed.
  • the invention is based on and includes the knowledge that the above object is achieved by using two materials which have different etching rates in an etching medium.
  • the isotropic In the etching process the second layer is first etched, with the third layer being under-etched from the structure edges.
  • the first layer is etched more slowly than the second layer, with the second layer acting as a laterally changing etch mask for the first layer.
  • the etching of the second layer gradually exposes more and more of the surface of the first layer laterally, which has a slower etch rate laterally and vertically than the changing etch mask formed from the etching of the second layer.
  • the magnetic sensing element is formed on the at least one inclined surface so that it can measure or detect a Z component of a magnetic field corresponding to the angle without the need for a flux diverter.
  • the magnetic sensing element consists of a stack of thin layers and is in particular an in-plane magnetic sensing element, i.e. it is particularly sensitive to magnetic fields parallel to its surface, i.e. parallel to the (thin) layers (denoted as X or Y).
  • the magnetic sensor is therefore intrinsically sensitive to magnetic fields in the Z direction.
  • the Z-direction or Z-axis is orthogonal to the main surface of the substrate.
  • the substrate is, for example, a wafer, for example a Si wafer, i.e. a silicon wafer.
  • the first material and/or the second material are each a dielectric.
  • the first material is arranged on the substrate such that the first layer has a first layer thickness
  • the second material is arranged on the first layer such that the second layer has a second layer thickness, wherein the second layer thickness can be smaller than the first layer thickness
  • the first layer can be 10-30 times as thick as the second layer, for example, which means that the first layer thickness can be 10-30 times greater than the second layer thickness.
  • the first layer thickness can be in the range of one or several pm.
  • the first layer and the second layer consist of the same material, wherein the material of the first layer and the material of the second layer can each have different stoichiometric compositions and/or etching rates.
  • the etching process can be controlled or so that the angle specified above can be efficiently adjusted or influenced.
  • the first material and/or the second material can each comprise one or more of the following (group) elements selected from the following group of materials: SixOy, in particular SiO2, SixNy, in particular Si3N4, Si, in particular polycrystalline Si.
  • the ratio of silicon to oxygen in the non-stoichiometric SixOy can be adjusted within a certain range. This also allows the selectivity and thus the angle to be precisely adjusted.
  • the third layer is removed.
  • the third material is a photolithographic material, so that a photolithographic layer is formed as the third layer, wherein the structuring of the third layer is carried out by means of a photolithographic process.
  • the third material consists of an (in particular different) etch-resistant material, a so-called hard mask. This has a lower etching rate than the first and second layers and can itself have been structured using a photolithographic process. This provides the technical advantage, for example, that the third layer can be structured efficiently.
  • the hard mask itself is structured using a photolithographic process, but can be more etch-resistant than a photoresist mask, especially with long etching times and/or aggressive etching media.
  • the photolithographic material comprises, for example, a photoresist, in particular a negative resist or a positive resist.
  • resist can also be used for the term “photoresist”.
  • the magnetic sensor according to the second aspect is or was manufactured, for example, by means of the method according to the first aspect.
  • the third material has a third etch rate that is lower than the second etch rate.
  • the third material has no etch rate.
  • the third material is, for example, etch-resistant for the etching medium used in the first and second layers.
  • An etching rate within the meaning of the description refers in particular to a specific etching medium used for etching.
  • the magnetic sensing element is based, for example, on the AMR effect ("anisotropic magnetoresistive effect”) and/or on the GMR effect ("giant magnetoresistance” effect) and/or on the TMR effect ("tunnel magnetoresistance” effect or “magnetic tunnel resistance effect”).
  • the singular is used for the magnetic sensing element, the plural should always be read as well and vice versa.
  • one or more inclined surfaces in particular two or more inclined surfaces, can be formed in the first layer.
  • one or more magnetic sensing elements can be formed on the one or more inclined surfaces.
  • one or more magnetic sensing elements can be formed on one or more inclined surfaces.
  • An inclined surface in the sense of the description is, for example, a planar surface.
  • An inclined surface in the sense of the description has, for example, a planar section.
  • the magnetic sensing element is formed on the planar surface or on the planar section, for example.
  • etching the first layer creates a depression in the first layer.
  • This depression has, for example, at least one inclined side wall and/or a first inclined surface.
  • Etching within the meaning of the description is or includes, for example, wet etching.
  • an isotropic dry etching process can be used.
  • the fact that the first layer of the magnetic sensor has, at least in part, an inclined surface in an area uncovered by the second layer, on which a magnetic sensing element is formed means that the first layer has, at least in part, an inclined surface in an area uncovered by the second layer, on which a magnetic sensing element is formed.
  • the third material is another material which is etch-resistant to an etching medium used, so that an etch-resistant layer is formed as the third layer, wherein the structuring of the third layer is carried out by means of a photolithographic process.
  • the first material and the second material are formed from the same chemical elements. This means that the first material and the second material do not have a different chemical element.
  • the first material and the second material each have identical stoichiometric compositions, wherein the first material and the second material have at least one different chemical element.
  • Fig. 1 is a flow chart of a method for manufacturing a magnetic sensor
  • Fig. 9 a magnetic sensor.
  • Fig. 1 shows a flow chart of a method for manufacturing a magnetic sensor, comprising the following steps:
  • Arranging 101 a first material having a first etch rate on a substrate to form a first layer on the substrate, Arranging 103 a second material having a second etch rate on the first layer to form a second layer on the first layer, wherein the first etch rate is less than the second etch rate (for a particular etch medium),
  • At least one magnetic sensing element is created on the at least one inclined surface of the first layer.
  • Fig. 2 shows a wafer 201 as an example of a substrate in the sense of the description.
  • the wafer 201 comprises a structural layer 203, which can contain several structures, for example conductor tracks, electrical contacts and/or other electrical and/or mechanical functional elements.
  • a first layer 205 made of a first material is formed on the wafer 201.
  • a second layer 207 made of a second material is formed on the first layer 205.
  • the first material has a first etch rate.
  • the second material has a second etch rate.
  • the first etch rate is less than the second etch rate.
  • a photolithographic layer 209 made of a photolithographic material is formed on the second layer 207.
  • the photolithographic layer 209 is an example of a third layer in the sense of the description.
  • the first layer 205 has a first layer thickness which is greater than a second layer thickness of the second layer 207.
  • the photolithographic layer 209 for example, is a resist.
  • Fig. 3 shows the arrangement of layers shown in Fig. 2 after structuring the photolithographic layer 209 by means of a photolithographic process.
  • the material of the photolithographic layer 209 is completely removed in a region of the photolithographic layer 209 and an open window 301 is formed in the photolithographic layer 209.
  • An etching process is carried out through this window 301.
  • the second layer 207 is etched through the window 301, whereby the photolithographic layer 209 is under-etched, wherein after the second layer 207 has been etched through, the first layer 205 is etched in order to produce two inclined surfaces in the etched first layer: a first inclined surface 303 and a second inclined surface 305.
  • further inclined surfaces can be produced in the first layer 205 in the etching process. It is noted that in an embodiment not shown, it may be provided that only one inclined surface, the first or the second surface 303, 305, is generated. In an embodiment not shown, more than two inclined surfaces may be generated.
  • This recess has, for example, two inclined side walls: the first inclined surface 303 and the second inclined surface 305.
  • Fig. 4 shows the arrangement of layers shown in Fig. 3 at the end of the etching process.
  • the etching can, for example, stop on material with a very low or no etching rate. In the present case, the etching process stops on the wafer 201, more precisely on the structural layer 203.
  • Fig. 5 shows the arrangement of layers shown in Fig. 4 after removal of the photolithographic layer 209.
  • Fig. 6 shows the arrangement of layers shown in Fig. 5 after removal of the second layer 207.
  • the removal comprises, for example, a chemical-mechanical polishing or a selective etching process
  • Fig. 7 shows a point in time at the end of an etching process analogous to Fig. 4, the difference being that the second layer thickness of the second layer 207 according to Fig. 7 is greater than the second layer thickness of the second layer 207 shown in Fig. 4. If such a higher layer thickness is used, a step with a steeper edge can also be created after the photolithographic layer 209 has been removed, which is indicated in Fig. 8 by an oval with the reference number 801. Remnants of the second layer 207 remain on the first layer 205.
  • One advantage of the method is that the resulting angle is independent of the layer thickness of the second layer 207 (as long as it is significantly thinner than the first layer 205). This advantageously increases process control.
  • Fig. 9 shows a magnetic sensor which was produced using the layer arrangement shown in Fig. 8.
  • a first magnetic sensing element 903 was formed on the first inclined surface 301.
  • a second magnetic sensing element 905 was formed on the second inclined surface 305.
  • the two magnetic sensing elements 903, 905 are electrically contacted by a common electrically conductive contact layer 907, a so-called bottom electrode.
  • the bottom electrode does not have to be continuous.
  • the two magnetic sensing elements 903, 905 each have their own electrically conductive contact layer 909, 911, a so-called top electrode for electrically contacting the corresponding magnetic sensing element 903, 905.
  • the top electrodes can also pass through and the bottom electrodes can be led outwards.
  • the individual magnetic sensing elements 903, 905 can be contacted differently. For example, they can be suitably connected in series, in parallel or in a combination of both.
  • Fig. 9 shows two arrows with the reference numerals 913, 915, which show an orientation of a magnetic field to be detected.
  • the concept described here can be used to efficiently produce an inclined structure, the inclined surface.
  • the method is based in particular on the fact that one or more inclined surfaces are produced using a wet-chemical method that uses the different etching rates of silicon oxides with different silicon contents.
  • a thick SixOy layer with a low etching rate i.e. silicon-rich
  • a subsequent wet-chemical etching process then first etches the thin stoichiometric SiO2 layer in the at least one open window structure, for example isotropically, whereby the resist is undercut from the structure edges, and after the thin stoichiometric SiO2 layer has been etched through, the thick Si-rich SixOy layer is etched at a smaller/lower etching rate than the etching rate of the stoichiometric layer, whereby the thin stoichiometric SiO2 layer can be viewed as a laterally changing etching mask.
  • the etching of the thin layer gradually exposes more and more of the surface of the thick SixOy layer laterally, which isotropically has a slower etching rate/etching speed than the changing etching mask consisting of from the second layer 207 made of stoichiometric SiO2.
  • Thiick and “thin” here mean that the first layer has a greater layer thickness than the second layer.
  • the first layer therefore has a first layer thickness and the second layer therefore has a second layer thickness, the first layer thickness advantageously being greater than the second layer thickness.
  • the inclined surfaces formed in this way are used as an inclined base for one or more magnetic sensing elements.
  • the concept described here therefore uses, for example, two dielectric layers that etch at different speeds.
  • the angle of the inclined surface for example in relation to a main surface/surface of the wafer or in relation to a solder in relation to the main surface/surface of the wafer, can therefore be very well controlled, i.e. adjusted.
  • This is particularly advantageous for use as a base for a magnetic sensing element, which is intended to measure or sense a Z component of a magnetic field to be detected.
  • the angle has a direct influence on the sensitivity of such a measurement.
  • the angle is crucial for further processing, for example the deposition of the magnetic materials or lithography on the inclined surface.
  • the creation of the inclined surface can be extremely well controlled, since the angle is almost exclusively determined by the etching rate ratio of the two dielectric layers used.
  • the selectivity is the quotient of the second etching rate and the first etching rate.
  • All types of reflow processes for example for producing flat photoresist edges and/or isotropic etching processes, usually produce a curved edge and therefore not a flat/plane surface with a constant angle.
  • the process described here shows a constant angle to the wafer surface, i.e. the main wafer surface. This means that a larger part of the flank can be used for the sensing element and the subsequent processes are significantly simplified.
  • the transition from the flank (sloping surface) to the flat bottom surface can, for example, have a gentle rounding depending on the etching rates and/or the materials used, which is also advantageous for further processing.
  • Some reflow processes must be performed at high temperatures, which limits the use of an ASIC ("Application-Specific Integrated Circuit") circuit on the silicon substrate/silicon wafer.
  • the process described here can advantageously be performed at low temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors, umfassend die folgenden Schritte: Anordnen eines ersten Materials aufweisend eine erste Ätzrate auf einem Substrat, um eine erste Schicht auf dem Substrat zu bilden, Anordnen eines zweiten Materials aufweisend eine zweite Ätzrate auf der ersten Schicht, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht zu bilden, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate, Anordnen eines dritten Materials auf der zweiten Schicht, um eine dritte Schicht auf der zweiten Schicht zu bilden, Strukturieren der dritten Schicht, um eine zumindest ein offenes Fenster aufweisende Struktur in der dritten Schicht zu erzeugen, Ätzen, insbesondere isotropes Ätzen, der zweiten Schicht durch das zumindest eine offene Fenster, wodurch die dritte Schicht unterätzt wird, wobei nach dem Durchätzen der zweiten Schicht die erste Schicht geätzt wird, um in der geätzten ersten Schicht zumindest eine schräge Oberfläche zu erzeugen, Bilden eines Magnetsensierelements auf der zumindest einen schrägen Oberfläche der ersten Schicht. Die Erfindung betrifft weiter einen Magnetsensor.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors und einen Magnetsensor.
Stand der Technik
Eine gängige Methode für die Sensierung von Z-Magnetfeldern ist die Nutzung von Flussumlenkern. Diese werden so angeordnet, dass ein Magnetfeld aus der Z-Richtung so umgelenkt wird, dass ein Anteil dieses Feldes als Feld auf einem planar empfindlichen Sensierelement landet. Diese Flussumlenker bestehen in der Regel aus Strukturen aus weichmagnetischem Material. Die Herstellung solcher Flussumlenker ist recht komplex und nur bedingt kompatibel mit Halbleiterprozessen. Des Weiteren besteht der Nachteil, dass starke äußere magnetische Felder die Magnetisierung der Flussumlenker in einer Weise verändern können, dass die Empfindlichkeit des Gesamtsystems beeinflusst wird und damit ein Offset entsteht. Ein weiterer Nachteil ist der Beitrag des Flussumlenkers zum Signalrauschen und damit eine Verringerung der Defektivität des Sensors.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein Konzept bereitzustellen, welches die vorstehenden Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen. Nach einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:
Anordnen eines ersten Materials aufweisend eine erste Ätzrate auf einem
Substrat, um eine erste Schicht auf dem Substrat zu bilden,
Anordnen eines zweiten Materials aufweisend eine zweite Ätzrate auf der ersten
Schicht, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht zu bilden, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate,
Anordnen eines dritten Materials auf der zweiten Schicht, um eine dritte Schicht auf der zweiten Schicht zu bilden, wobei die dritte Ätzrate insbesondere kleiner ist als die erste und zweite Ätzrate, insbesondere ätzresistent gegen ein verwendetes Ätzmedium,
Strukturieren der dritten Schicht, um eine zumindest ein offenes Fenster aufweisende Struktur in der dritten Schicht zu erzeugen,
Ätzen, insbesondere isotropes Ätzen, der zweiten Schicht durch das zumindest eine offene Fenster, wodurch die dritte Schicht unterätzt wird, wobei nach dem Durchätzen der zweiten Schicht die erste Schicht geätzt wird, um in der geätzten ersten Schicht zumindest eine schräge Oberfläche zu erzeugen,
Bilden eines Magnetsensierelements auf der zumindest einen schrägen Oberfläche der ersten Schicht.
Nach einem zweiten Aspekt wird ein Magnetsensor bereitgestellt, umfassend: ein Substrat, auf welchem eine erste Schicht aus einem ersten Material gebildet ist, wobei das erste Material eine erste Ätzrate aufweist, wobei auf der ersten Schicht teilweise eine zweite Schicht aus einem zweiten Material gebildet ist, wobei das zweite Material eine zweite Ätzrate aufweist, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate, wobei die erste Schicht zumindest bereichsweise in einem von der zweiten
Schicht unbedeckten Bereich zumindest eine schräge Oberfläche aufweist, auf welcher ein Magnetsensierelement gebildet ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst wird, dass zwei Materialien verwendet werden, welche in einem Ätzmedium unterschiedliche Ätzraten besitzen. Durch das zumindest eine offene Fenster in der dritten Schicht wird durch den isotropen Ätzprozess zunächst die zweite Schicht geätzt, wobei die dritte Schicht von den Strukturkanten aus unterätzt wird. Nach dem Durchätzen der zweiten Schicht wird die erste Schicht langsamer verglichen mit der zweiten Schicht geätzt, wobei die zweite Schicht als eine sich lateral verändernde Ätzmaske für die erste Schicht wirkt. Die Ätzung der zweiten Schicht legt nach und nach lateral immer mehr Oberfläche der ersten Schicht frei, welche lateral und vertikal eine langsamere Ätzrate aufweist als die sich verändernde Ätzmaske, gebildet aus der Ätzung der zweiten Schicht. Dadurch entstehen eine oder mehrere schräge Oberflächen in der geätzten ersten Schicht, deren Neigung oder Winkel bezogen auf Lot senkrecht oder orthogonal zu der Substratoberfläche über das gewählte Ätzratenverhältnis zwischen erster Ätzrate und zweiter Ätzrate eingestellt werden kann und/oder beeinflusst werden kann.
Dadurch wird in effizienter Weise der technische Vorteil bewirkt, dass zumindest eine schräge Oberfläche in der ersten Schicht effizient erzeugt oder gebildet werden kann. Auf der zumindest einen schrägen Oberfläche wird das Magnetsensierelement gebildet, sodass dieses einen dem Winkel entsprechenden Z-Anteil eines Magnetfeldes messen oder erfassen kann, ohne dass ein Flussumlenker notwendig ist.
Das Magnetsensierelement besteht aus einem Stapel dünner Schichten und ist insbesondere ein in-plane Magnetsensierelement, d.h. es ist insbesondere empfindlich für Magnetfelder parallel zu seiner Oberfläche, also parallel zu den (dünnen) Schichten (bezeichnet als X oder Y).
Somit können in effizienter Weise die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden oder vermieden werden.
Somit können in effizienter Weise Z-Magnetfelder sensiert werden, ohne dass hierfür Flussumlenker notwendig sind.
Der Magnetsensor weist somit intrinsisch eine Empfindlichkeit für magnetische Felder in Z-Richtung auf. Die Z-Richtung oder die Z-Achse verläuft orthogonal zur Hauptfläche/Substratoberfläche des Substrats.
Das Substrat ist zum Beispiel ein Wafer, beispielsweise ein Si-Wafer, also ein Silizium-Wafer.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Material und/oder das zweite Material jeweils ein Dielektrikum sind.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass besonders geeignete Materialien in Bezug auf deren Ätzratenverhältnis verwendet werden. Somit kann der Ätzprozess effizient durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Material derart auf dem Substrat angeordnet wird, dass die erste Schicht eine erste Schichtdicke aufweist, und wobei das zweite Material derart auf der ersten Schicht angeordnet wird, dass die zweite Schicht eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke kleiner ausgeführt sein kann als die erste Schichtdicke.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass der Ätzprozess effizient durchgeführt werden kann. Die erste Schicht kann beispielsweise 10- 30mal so dick sein wie die zweite Schicht, das heißt, dass die erste Schichtdicke zum Beispiel 10-30mal größer sein kann als die zweite Schichtdicke. Z.B. kann die erste Schichtdicke im Bereich vom einem oder einigen pm liegen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Schicht und die zweite Schicht aus einem gleichen Material bestehen, wobei das Material der ersten Schicht und das Material der zweiten Schicht jeweils unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzungen und/oder Ätzraten aufweisen können.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass besonders geeignete Materialien verwendet werden. Insbesondere kann dadurch in vorteilhafter Weise und in effizienter Weise der Ätzprozess gesteuert oder beeinflusst werden, sodass hierüber der vorstehend bezeichnete Winkel effizient eingestellt oder beeinflusst werden kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Material und/oder das zweite Material jeweils ein oder mehrere der folgenden (Gruppen- )Elemente ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen können: SixOy, insbesondere SiO2, SixNy, insbesondere Si3N4, Si, insbesondere polykristallines Si.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass besonders geeignete Materialien verwendet werden können.
Das Verhältnis von Silizium zu Sauerstoff im nicht stöchiometrischen SixOy kann in einem gewissen Bereich beliebig eingestellt werden. Damit kann auch die Selektivität und damit kann der Winkel genau justiert werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Erzeugen der schrägen Oberfläche und vor dem Bilden des Magnetsensierelements auf der schrägen Oberfläche der ersten Schicht die dritte Schicht entfernt wird.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass das Magnetsensierelement effizient auf der schrägen Oberfläche gebildet werden kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Material ein fotolithografisches Material ist, sodass als dritte Schicht eine fotolithografische Schicht gebildet wird, wobei das Strukturieren der dritten Schicht mittels eines fotolithografischen Prozesses durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens besteht das dritte Material aus einem(, insbesondere anderen,) ätzresistenten Material, einer sogenannten Hardmask. Diese weist eine gegenüber der ersten und zweiten Schicht geringere Ätzrate auf und kann selbst mit Hilfe eines fotolithografischen Prozesses strukturiert worden sein. Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die dritte Schicht effizient strukturiert werden kann.
Die Hardmask selbst wird mittels eines fotolithografischen Prozesses strukturiert, kann aber ätzresistenter sein als eine Fotolackmaske, speziell bei langen Ätzzeiten und/oder aggressiven Ätzmedien.
Das fotolithografische Material umfasst zum Beispiel einen Fotolack, insbesondere einen Negativlack oder einen Positivlack.
Für den Begriff "Fotolack" kann auch der Begriff "Resist" verwendet werden.
Ausführungen, die im Zusammenhang mit dem Verfahren gemacht sind, gelten analog für den Magnetsensor und umgekehrt. Dies bedeutet, dass sich technische Funktionalitäten und technische Merkmale des Magnetsensors nach dem zweiten Aspekt analog aus entsprechenden technischen Funktionalitäten und technischen Merkmalen des Verfahrens nach dem ersten Aspekt und umgekehrt ergeben.
Der Magnetsensor nach dem zweiten Aspekt ist oder wurde zum Beispiel mittels des Verfahrens nach dem ersten Aspekt hergestellt.
Zum Beispiel weist das dritte Material eine dritte Ätzrate auf, welche kleiner ist als die zweite Ätzrate. Zum Beispiel weist das dritte Material keine Ätzrate auf. Das dritte Material ist zum Beispiel ätzresistent für das verwendete Ätzmedium der ersten und zweiten Schicht.
Eine Ätzrate im Sinne der Beschreibung bezieht sich insbesondere auf ein bestimmtes Ätzmedium, das für das Ätzen verwendet wird.
Das Magnetsensierelement basiert zum Beispiel auf dem AMR-Effekt ("anisotroper magnetoresistiver Effekt") und/oder auf dem GMR-Effekt ("giant magnetoresistance"-Effekt oder "Riesenmagnetowiderstand-Effekt") und/oder auf dem TMR-Effekt ("tunnel magnetoresistance'-Effekt oder "magnetischer T unnelwiderstand-Effekt).
Die Formulierung "zumindest ein(e)" bedeutet "ein(e) oder mehrere".
Wenn für das Magnetsensierelement der Singular verwendet wird, soll stets der Plural und umgekehrt mitgelesen werden. Gleiches gilt für die schräge Oberfläche. Dies bedeutet zum Beispiel, dass ein oder mehrere schräge Oberflächen, insbesondere zwei oder mehr schräge Oberflächen, in der ersten Schicht gebildet werden können. Dies bedeutet zum Beispiel, dass ein oder mehrere Magnetsensierelemente auf der einen oder den mehreren schrägen Oberflächen gebildet werden können. Dies bedeutet zum Beispiel, dass jeweils auf einer oder mehreren schrägen Oberflächen ein oder mehrere Magnetsensierelemente gebildet werden können.
Eine schräge Oberfläche im Sinne der Beschreibung ist zum Beispiel eine planare Oberfläche. Eine schräge Oberfläche im Sinne der Beschreibung weist zum Beispiel einen planaren Abschnitt auf. Auf der planaren Oberfläche oder auf dem planaren Abschnitt wird zum Beispiel das Magnetsensierelement gebildet.
Durch das Ätzen der ersten Schicht entsteht zum Beispiel eine Vertiefung in der ersten Schicht. Diese Vertiefung weist zum Beispiel zumindest eine schräge Seitenwand und/oder eine erste schräge Oberfläche auf.
Ein Ätzen im Sinne der Beschreibung ist oder umfasst zum Beispiel ein Nassätzen. Es kann beispielsweise ein isotropes Trockenätzverfahren verwendet werden.
Dass die erste Schicht des Magnetsensors zumindest bereichsweise in einem von der zweiten Schicht unbedeckten Bereich eine schräge Oberfläche aufweist, auf welcher ein Magnetsensierelement gebildet ist, bedeutet mit anderen Worten, dass die erste Schicht zumindest partiell in einem von der zweiten Schicht unbedeckten Bereich eine schräge Oberfläche aufweist, auf welcher ein Magnetsensierelement gebildet ist. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das dritte Material ein anderes Material ist, welches gegen ein verwendetes Ätzmedium ätzresistent ist, sodass als dritte Schicht eine ätzresistente Schicht gebildet wird, wobei das Strukturieren der dritten Schicht mittels eines fotolithografischen Prozesses durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material aus den gleichen chemischen Elementen gebildet sind. Diese bedeutet, dass das erste Material und das zweite Material kein unterschiedliches chemisches Element aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material jeweils identische stöchiometrische Zusammensetzungen aufweisen, wobei das erste Material und das zweite Material zumindest ein unterschiedliches chemisches Element aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetsensors,
Fig. 2 bis 8 verschiedene Zeitpunkte in einem Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors und
Fig. 9 einen Magnetsensor.
Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetsensors, umfassend die folgenden Schritte:
Anordnen 101 eines ersten Materials aufweisend eine erste Ätzrate auf einem Substrat, um eine erste Schicht auf dem Substrat zu bilden, Anordnen 103 eines zweiten Materials aufweisend eine zweite Ätzrate auf der ersten Schicht, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht zu bilden, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate (für ein bestimmtes Ätzmedium),
Anordnen 105 eines dritten Materials auf der zweiten Schicht, um eine dritte Schicht auf der zweiten Schicht zu bilden,
Strukturieren 107 der dritten Schicht, um eine zumindest ein offenes Fenster aufweisende Struktur in der dritten Schicht zu erzeugen, in der das Material der dritten Schicht vollständig entfernt wurde,
Ätzen 109, insbesondere isotropes Ätzen, der zweiten Schicht durch das zumindest eine offene Fenster (unter Verwendung des bestimmten Ätzmediums), wodurch die dritte Schicht unterätzt 111 wird, wobei nach dem Durchätzen der zweiten Schicht die erste Schicht geätzt 113 wird, um in der geätzten ersten Schicht zumindest bereichsweise, also partiell, zumindest eine schräge Oberfläche zu erzeugen,
Bilden 115 eines Magnetsensierelements auf der zumindest einen schrägen Oberfläche der ersten Schicht.
Es wird zum Beispiel zumindest ein Magnetsensierelement auf der zumindest einen schrägen Oberfläche der ersten Schicht erzeugt.
Fig. 2 zeigt einen Wafer 201 als Beispiel für ein Substrat im Sinne der Beschreibung. Der Wafer 201 umfasst eine Strukturschicht 203, welche mehrere Strukturen enthalten kann, beispielsweise Leiterbahnen, elektrische Kontaktierungen und/oder weitere elektrische und/oder mechanische Funktionselemente.
Auf dem Wafer 201 ist eine erste Schicht 205 aus einem ersten Material gebildet. Auf der ersten Schicht 205 ist eine zweite Schicht 207 aus einem zweiten Material gebildet. Das erste Material weist eine erste Ätzrate auf. Das zweite Material weist eine zweite Ätzrate auf. Die erste Ätzrate ist kleiner als die zweite Ätzrate. Auf der zweiten Schicht 207 ist eine fotolithografische Schicht 209 aus einem fotolithografischen Material gebildet. Die fotolithografische Schicht 209 ist ein Beispiel für eine dritte Schicht im Sinne der Beschreibung.
Die erste Schicht 205 weist eine erste Schichtdicke auf, welche größer ist als eine zweite Schichtdicke der zweiten Schicht 207.
Die fotolithografische Schicht 209 ist zum Beispiel ein Resist, also ein Fotolack.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 gezeigte Anordnung aus Schichten nach einem Strukturieren der fotolithografischen Schicht 209 mittels eines fotolithografischen Prozesses. Durch das Strukturieren wird in einem Bereich der fotolithografischen Schicht 209 vollständig das Material der fotolithografischen Schicht 209 entfernt und es wird ein offenes Fenster 301 in der fotolithografischen Schicht 209 gebildet. Durch dieses Fenster 301 wird ein Ätzprozess durchgeführt. Im Einzelnen wird durch das Fenster 301 die zweite Schicht 207 geätzt, wodurch die fotolithografische Schicht 209 unterätzt wird, wobei nach dem Durchätzen der zweiten Schicht 207 die erste Schicht 205 geätzt wird, um in der geätzten ersten Schicht zwei schräge Oberflächen zu erzeugen: Eine erste schräge Oberfläche 303 und eine zweite schräge Oberfläche 305. Ausgehend von der Form des offenen Fensters 301 können in dem Ätzprozess beispielsweise noch weitere schräge Oberflächen in der ersten Schicht 205 erzeugt werden. Es wird angemerkt, dass in einer nicht gezeigten Ausführungsform vorgesehen sein kann, dass nur eine schräge Oberfläche, die erste oder die zweite Oberfläche 303, 305, erzeugt wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können mehr als zwei schräge Oberflächen erzeugt werden.
Über das Vorsehen einer bestimmten Ätzzeit kann Einfluss genommen werden auf eine Tiefe der durch das Ätzen entstehenden Vertiefung in der ersten Schicht 205.
Diese Vertiefung weist beispielhaft zwei schräge Seitenwände auf: Die erste schräge Oberfläche 303 und die zweite schräge Oberfläche 305. Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 gezeigte Anordnung aus Schichten am Ende des Ätzprozesses. Die Ätzung kann zum Beispiel auf Material mit sehr geringer oder keiner Ätzrate stoppen. Vorliegend stoppt der Ätzprozess am Wafer 201, genauer an der Strukturschicht 203.
Fig. 5 zeigt die in Fig. 4 gezeigte Anordnung aus Schichten nach einem Entfernen der fotolithografischen Schicht 209.
Fig. 6 zeigt die in Fig. 5 gezeigte Anordnung aus Schichten nach einem Entfernen der zweiten Schicht 207. Das Entfernen umfasst zum Beispiel ein chemisch-mechanisches Polieren oder einen selektiven Ätzprozess
Fig. 7 zeigt einen Zeitpunkt am Ende eines Ätzprozesses analog zu Fig. 4, wobei als Unterschied die zweite Schichtdicke der zweiten Schicht 207 gemäß Fig. 7 größer ist als die in Fig. 4 gezeigte zweite Schichtdicke der zweiten Schicht 207. Wenn eine solch höhere Schichtdicke verwendet wird, kann nach dem Entfernen der fotolithografischen Schicht 209 zusätzlich eine Stufe mit steilerer Kante entstehen, was in Fig. 8 durch ein Oval mit dem Bezugszeichen 801 gekennzeichnet ist. Es verbleiben Reste der zweiten Schicht 207 auf der ersten Schicht 205.
Ein Vorteil des Verfahrens besteht insbesondere darin, dass der sich einstellende Winkel unabhängig von der Schichtdicke der zweiten Schicht 207 ist (.solange diese deutlich dünner als die erste Schicht 205 ist). Das erhöht in vorteilhafter Weise die Prozesskontrolle.
Fig. 9 zeigt einen Magnetsensor, welcher unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Schichtanordnung hergestellt wurde. Auf der ersten schrägen Oberfläche 301 wurde ein erstes Magnetsensierelement 903 gebildet. Auf der zweiten schrägen Oberfläche 305 wurde ein zweites Magnetsensierelement 905 gebildet. Von unten werden die beiden Magnetsensierelemente 903, 905 durch eine gemeinsame elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht 907, eine sogenannte Bodenelektrode, elektrisch kontaktiert. Die Bodenelektrode muss nicht durchgängig sein. Von oben weisen die beiden Magnetsensierelemente 903, 905 jeweils eine eigene elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht 909, 911 , eine sogenannte Topelektrode, für eine elektrische Kontaktierung des entsprechenden Magnetsensierelements 903, 905 auf. Genauso können auch die Topelektroden durchgehen und die Bodenelektroden nach außen geführt werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können die einzelnen Magnetsensierelemente 903, 905 unterschiedlich kontaktiert sein. Beispielsweise können sie in geeigneter Weise in Reihenschaltung, Parallelschaltung oder einer Kombination aus beiden verschaltet sein.
Weiter sind in Fig. 9 zwei Pfeile mit den Bezugszeichen 913, 915 dargestellt, welche eine Ausrichtung eines zu detektierenden Magnetfeldes zeigen.
Zusammenfassend kann durch das hier beschriebene Konzept in effizienter Weise eine schräggestellte Struktur, die schräge Oberfläche, erzeugt werden. Das Verfahren basiert insbesondere darauf, dass mit einer nasschemischen Methode, welche die unterschiedlichen Ätzraten von Siliziumoxiden mit verschiedenen Silizium-Anteilen nutzt, eine oder mehrere schräge Oberflächen erzeugt werden. Auf einem Silizium-Substrat, also beispielsweise auf einem Silizium-Wafer, welcher optional beispielsweise andere Strukturen enthalten kann, kann eine dicke SixOy-Schicht mit niedriger Ätzrate, also beispielsweise Silizium-reich, abgeschieden werden (erste Schicht), gefolgt von einer optional dünn ausgeführten SiO2-Schicht (zweite Schicht) mit anderer, zum Beispiel stöchiometrischer Materialzusammensetzung, mit hoher Ätzrate. Darauf wird zum Beispiel ein Resist (dritte Schicht) abgeschieden und in einem nachfolgenden Lithografieprozess werden zum Beispiel die gewünschten Strukturen (zumindest ein offenes Fenster) erzeugt. Ein nachfolgender nasschemischer Ätzprozess ätzt anschließend in der zumindest einen offenen Fensterstruktur beispielsweise isotrop zuerst die dünne stöchiometrische SiO2- Schicht, wodurch der Resist von Strukturkanten aus unterätzt wird, und nach dem Durchätzen der dünnen stöchiometrischen SiO2-Schicht wird die dicke Si- reiche SixOy-Schicht mit einer gegenüber der Ätzrate der stöchiometrischen Schicht kleineren/geringeren Ätzrate geätzt, wobei die dünne stöchiometrische SiO2-Schicht als eine sich lateral verändernde Ätzmaske angesehen werden kann. Die Ätzung der dünnen Schicht legt nach und nach lateral immer mehr Oberfläche der dicken SixOy-Schicht frei, welche isotrop eine langsamere Ätzrate/Ätzgeschwindigkeit besitzt als die sich verändernde Ätzmaske bestehend aus der zweiten Schicht 207 aus stöchiometrischem SiO2. Dabei entsteht ein gleichmäßiger geätzter Winkel im dicken SixOy- Mate rial der ersten Schicht 205, dessen Neigung über das gewählte Ätzratenverhältnis zwischen schnell ätzender SiO2-Schicht und langsamer ätzender SixOy-Schicht einstellbar/beeinflussbar ist. Mit "dick" und "dünn" ist hier gemeint, dass die erste Schicht eine größere Schichtdicke aufweist als die zweite Schicht. Die erste Schicht weist also eine erste Schichtdicke auf und die zweite Schicht weist also eine zweite Schichtdicke auf, wobei die erste Schichtdicke vorteilhafterweise größer ist als die zweite Schichtdicke
Die so gebildeten schrägen Oberflächen werden als schräggestellte Unterlage für ein oder mehrere Magnetsensierelemente verwendet. Das hier beschriebene Konzept nutzt also beispielsweise zwei unterschiedlich schnell ätzende dielektrische Schichten.
Der Winkel der schrägen Oberfläche bezogen zum Beispiel auf eine Hauptfläche/Oberfläche des Wafers oder bezogen auf ein Lot bezogen auf die Hauptfläche/Oberfläche des Wafers kann somit sehr gut kontrolliert, also eingestellt, werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Anwendung als Unterlage für ein Magnetsensierelement, welches eine Z-Komponente eines zu erfassenden Magnetfeldes messen oder sensieren soll. Der Winkel hat einen direkten Einfluss auf die Empfindlichkeit einer solchen Messung. Des Weiteren ist der Winkel ausschlaggebend für die weitere Bearbeitung, beispielsweise die Abscheidung der Magnetmaterialien oder die Lithografie auf der schrägen Oberfläche. Das Erzeugen der schrägen Oberfläche kann ausgesprochen gut kontrolliert werden, da fast ausschließlich das Ätzratenverhältnis der beiden verwendeten dielektrischen Schichten den Winkel bestimmt.
Die Selektivität ist der Quotient aus der zweiten Ätzrate und der ersten Ätzrate.
Alle Arten von Reflow-Prozessen beispielsweise zum Herstellen von flachen Fotolackkanten und/oder isotrope Ätzprozesse erzeugen in der Regel eine gebogene Kante und damit keine ebene/plane Fläche mit einem konstantem Winkel. Das hier beschriebene Verfahren hingegen zeigt auf einem großen Teil der Flanke (Seitenwand der Vertiefung) einen konstanten Winkel zur Waferoberfläche, also zur Waferhauptfläche auf. Damit ist ein größerer Teil der Flanke für das Sensierelement nutzbar und die Folgeprozesse sind deutlich vereinfacht.
Gleichzeitig kann der Übergang von der Flanke (schräge Oberfläche) auf die ebene Bodenfläche beispielsweise eine sanfte Rundung abhängig von den Ätzraten und/oder den verwendeten Materialien aufweisen, was ebenfalls von Vorteil für die Weiterprozessierung ist.
Manche Reflow-Prozesse müssen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, was die Verwendung einer ASIC ("Application-Specific Integrated Circuit", also eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung)-Schaltung auf dem Siliziumsubstrat/Siliziumwafer einschränkt. Das hier beschriebene Verfahren kann in vorteilhafter weise bei niedriger Temperatur durchgeführt werden.
Bei der Verwendung eines lonenstrahlätzprozesses für die Erzeugung einer Flanke, also einer schrägen Oberfläche, besteht zum einen das Problem einer erhöhten Rauheit der geätzten Fläche. Der hier beispielhaft vorgeschlagene Nassätzprozess hat naturgemäß eine sehr niedrige Oberflächenrauheit. Das ist besonders wichtig und vorteilhaft als Grundfläche für TMR-Sensierelemente, da eine Rauheit in der Größenordnung der Dicke der Tunnelbarriere (< «2 nm) bereits ein erhöhtes Sensorrauschen zur Folge haben kann.
Ein anderes Problem bei der Verwendung eines lonenstrahlätzprozesses sind Abschattungseffekte und der damit einhergehende benötigte Abstand zwischen den einzelnen Elementen. Die Integrationsdichte kann mithilfe des vorgestellten Verfahrens deutlich erhöht werden, was zu einer Kostenreduktion führt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Magnetsensors (901), umfassend die folgenden Schritte:
Anordnen (101) eines ersten Materials aufweisend eine erste Ätzrate auf einem Substrat (201), um eine erste Schicht (205) auf dem Substrat (201) zu bilden, Anordnen (103) eines zweiten Materials aufweisend eine zweite Ätzrate auf der ersten Schicht (205), um eine zweite Schicht (207) auf der ersten Schicht (205) zu bilden, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate,
Anordnen (105) eines dritten Materials auf der zweiten Schicht (207), um eine dritte Schicht (209) auf der zweiten Schicht (207) zu bilden,
Strukturieren (107) der dritten Schicht (209), um eine zumindest ein offenes Fenster (301) aufweisende Struktur in der dritten Schicht (209) zu erzeugen, Ätzen (109), insbesondere isotropes Ätzen, der zweiten Schicht (207) durch das zumindest eine offene Fenster (301), wodurch die dritte Schicht (209) unterätzt (111) wird, wobei nach dem Durchätzen der zweiten Schicht (207) die erste Schicht (205) geätzt (113) wird, um in der geätzten ersten Schicht (205) zumindest eine schräge Oberfläche (303, 305) zu erzeugen,
Bilden (115) eines Magnetsensierelements (903, 905) auf der zumindest einen schrägen Oberfläche (303, 305) der ersten Schicht (205).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material und/oder das zweite Material jeweils ein Dielektrikum sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material derart auf dem Substrat (201) angeordnet wird, dass die erste Schicht (205) eine erste Schichtdicke aufweist, und wobei das zweite Material derart auf der ersten Schicht (205) angeordnet wird, dass die zweite Schicht (207) eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke kleiner ist als die erste Schichtdicke.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Material und das zweite Material jeweils unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzungen aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Material und das zweite Material aus den gleichen chemischen Elementen gebildet sind.
6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Material und das zweite Material jeweils identische stöchiometrische Zusammensetzungen aufweisen, wobei das erste Material und das zweite Material zumindest ein unterschiedliches chemisches Element aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Material und/oder das zweite Material jeweils ein oder mehrere der folgenden Elemente ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen: SixOy, insbesondere SiO2, SixNy, insbesondere Si3N4, Si, insbesondere polykristallines Si.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach dem Erzeugen der schrägen Oberfläche (303, 305) und vor dem Bilden des Magnetsensierelements (903, 905) auf der schrägen Oberfläche (303, 305) der ersten Schicht (205) die dritte Schicht (209) entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dritte Material ein anderes Material ist, welches gegen ein verwendetes Ätzmedium ätzresistent ist, sodass als dritte Schicht (209) eine ätzresistente Schicht (209) gebildet wird, wobei das Strukturieren der dritten Schicht (209) mittels eines fotolithografischen Prozesses durchgeführt wird.
10. Magnetsensor (901), umfassend: ein Substrat (201), auf welchem eine erste Schicht (205) aus einem ersten Material gebildet ist, wobei das erste Material eine erste Ätzrate aufweist, wobei auf der ersten Schicht (205) teilweise eine zweite Schicht (207) aus einem zweiten Material gebildet ist, wobei das zweite Material eine zweite Ätzrate aufweist, wobei die erste Ätzrate kleiner ist als die zweite Ätzrate, wobei die erste Schicht (205) zumindest bereichsweise in einem von der zweiten Schicht (207) unbedeckten Bereich zumindest eine schräge Oberfläche (303, 305) aufweist, auf welcher ein Magnetsensierelement (903, 905) gebildet ist.
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