磁傳感器及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種磁傳感器及其制備工藝，所述制備工藝包括：在基底上沉積介質(zhì)材料，形成第一介質(zhì)層；在第一介質(zhì)層上形成溝槽陣列；溝槽開口處的寬度大于其深度；沉積磁材料，形成磁材料層；在磁場中進行退火；沉積絕緣材料，形成絕緣材料層，并且把溝槽填實，拋光使絕緣材料層表面平坦化，使得后續(xù)轉(zhuǎn)變成平面工藝；生成磁傳感器的圖形，形成感應(yīng)單元，同時通過溝槽的應(yīng)用形成導(dǎo)磁單元，即在單芯片上形成三軸傳感器；制造通孔和電極。本發(fā)明提出的三軸傳感器及其制備工藝，可優(yōu)化工藝的流程，并提升傳感器的性能。
【專利說明】
磁傳感器及其制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種傳感器，尤其涉及一種三軸磁傳感器；同時，本發(fā)明還涉及三軸磁傳感器的制備工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]磁傳感器按照其原理，可以分為以下幾類:霍爾元件，磁敏二極管，各項異性磁阻元件(AMR)，隧道結(jié)磁阻(TMR)元件及巨磁阻(GMR)元件、感應(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉磁強計坐寸ο
[0003]電子羅盤是磁傳感器的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著近年來消費電子的迅猛發(fā)展，除了導(dǎo)航系統(tǒng)之外，還有越來越多的智能手機和平板電腦也開始標(biāo)配電子羅盤，給用戶帶來很大的應(yīng)用便利，近年來，磁傳感器的需求也開始從兩軸向三軸發(fā)展。兩軸的磁傳感器，即平面磁傳感器，可以用來測量平面上的磁場強度和方向，可以用X和Y軸兩個方向來表示。
[0004]以下介紹現(xiàn)有磁傳感器的工作原理。磁傳感器采用各向異性磁致電阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料來檢測空間中磁感應(yīng)強度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
[0005]在制造、應(yīng)用過程中，將一個強磁場加在AMR單元上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖1所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45°角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線和AMR材料上流過，如圖2所示；由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45°的夾角。
[0006]當(dāng)存在外界磁場Ha時，AMR單元上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向，那么磁場方向M和電流I的夾角Θ也會發(fā)生變化，如圖3所示。對于AMR材料來說，Θ角的變化會弓I起AMR自身阻值的變化，如圖4所示。
[0007]通過對AMR單元電阻變化的測量，可以得到外界磁場。在實際的應(yīng)用中，為了提高器件的靈敏度等，磁傳感器可利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖5所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，當(dāng)檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加Λ R而R3/R4減少AR。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時，電橋的輸出為一個微小的電壓AV。
[0008]目前的三軸傳感器是將一個平面(X、Y兩軸)傳感部件與Z方向的磁傳感部件進行系統(tǒng)級封裝組合在一起，以實現(xiàn)三軸傳感的功能(可參考美國專利US5247278、US5952825、US6529114、US7126330、US7358722);也就是說需要將平面?zhèn)鞲胁考癦方向磁傳感部件分別設(shè)置于兩個圓晶或芯片上，最后通過封裝連接在一起。目前，在單圓晶/芯片上無法同時實現(xiàn)三軸傳感器的制造。
[0009]然而，現(xiàn)有的三軸傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝繁瑣。有鑒于此，如今迫切需要設(shè)計一種新的磁傳感器及其制備工藝，以克服現(xiàn)有器件及工藝的上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種磁傳感器，可提升傳感器的性能，優(yōu)化制備工藝的流程。
[0011]此外，本發(fā)明還提供一種磁傳感器的制備工藝，可優(yōu)化工藝的流程，并提升制得傳感器的性能。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0013]一種磁傳感器的制備工藝，所述制備工藝包括第三方向磁傳感裝置的制備工藝，具體包括如下步驟:
[0014]步驟S1、在基底上沉積介質(zhì)材料，形成第一介質(zhì)層；
[0015]步驟S2、在第一介質(zhì)層上形成溝槽陣列；溝槽開口處的寬度大于等于其深度；
[0016]步驟S4、沉積磁材料，形成磁材料層；
[0017]步驟S5、在磁場中進行退火，退火氣氛為氮氣，或為惰性氣體，或為真空；
[0018]步驟S6、沉積絕緣材料，形成絕緣材料層，并且把溝槽填實,使絕緣材料層表面形成平面，使得后續(xù)轉(zhuǎn)變成平面工藝；
[0019]步驟S7、生成磁傳感器的圖形，形成感應(yīng)單元的磁材料層，同時通過溝槽的應(yīng)用形成導(dǎo)磁單元，即在單芯片上形成三軸傳感器；所述導(dǎo)磁單元的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi)，用以感應(yīng)第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應(yīng)單元進行測量；感應(yīng)單元靠近溝槽設(shè)置，與導(dǎo)磁單兀之間有縫隙，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結(jié)合導(dǎo)磁單兀輸出的磁信號，能測量被導(dǎo)磁單元引導(dǎo)到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩相互垂直；
[0020]步驟S8、制造通孔和電極。
[0021]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述方法在步驟S2與步驟S4之間還包括步驟S3、在所述形成溝槽陣列的第一介質(zhì)層上沉積與所述第一介質(zhì)材料相同或者不同的第二介質(zhì)材料，形成第二介質(zhì)層。
[0022]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟S3中，所述第二介質(zhì)材料為氧化硅、TE0S、氮化硅、氧化鉭、氮化鉭、氮氧化硅中的一種或多種；第二介質(zhì)層的厚度少于100納米。
[0023]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟S7中，感應(yīng)單元的磁材料層與導(dǎo)磁單元之間設(shè)有縫隙，縫隙尺寸在I納米到5微米之間。
[0024]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟SI中，在基底上沉積的介質(zhì)材料為氧化硅或正硅酸乙酯TEOS ；
[0025]步驟S4中，沉積的磁材料為AMR材料或GMR材料或TMR材料。
[0026]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述制備工藝在步驟S8后還包括步驟S9:制造更多層的磁材料層介質(zhì)材料層和金屬層。
[0027]—種磁傳感器,所述磁傳感器包括第三方向磁傳感裝置，該第三方向磁傳感裝置包括:
[0028]基底；
[0029]第一介質(zhì)層，設(shè)置于基底表面，第一介質(zhì)層上設(shè)有溝槽陣列；溝槽開口處的寬度大于等于其深度；
[0030]導(dǎo)磁單元，其主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi)，用以感應(yīng)第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應(yīng)單元進行測量；
[0031]感應(yīng)單元，靠近溝槽設(shè)置，與導(dǎo)磁單元之間有縫隙，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結(jié)合導(dǎo)磁單兀輸出的磁信號，能測量被導(dǎo)磁單兀引導(dǎo)到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩相互垂直；
[0032]絕緣材料層，設(shè)置于感應(yīng)單元的磁材料層以及導(dǎo)磁單元上，并將溝槽填滿。
[0033]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第三方向磁傳感裝置還包括第二介質(zhì)層，設(shè)置于所述形成溝槽陣列的第一介質(zhì)層上；導(dǎo)磁單元、感應(yīng)單元設(shè)置于第二介質(zhì)層上。
[0034]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述感應(yīng)單元包括磁材料層及設(shè)置于磁材料層上的電極。
[0035]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述感應(yīng)單元的磁材料層與導(dǎo)磁單元之間設(shè)有縫隙，縫隙尺寸在I納米到5微米之間。
[0036]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述溝槽底部的寬度大于溝槽的深度的一半。
[0037]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述磁傳感器還包括第二磁傳感裝置，用以感應(yīng)第一方向、第二方向的磁信號；所述第一方向為X軸方向，第二方向為Y軸方向，第三方向為Z軸方向。
[0038]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的磁傳感器及其制備工藝，基底上沉積介質(zhì)材料，然后通過光刻和刻蝕工藝形成溝槽，然后再溝槽里面填充磁性材料，并且把溝槽填實，最終優(yōu)化工藝的流程和傳感器的性能。本發(fā)明的優(yōu)勢在于將溝槽填實之后實現(xiàn)了平面工藝，簡化了后續(xù)多道工藝流程。并且從物理意義上增厚了垂直方向的磁性材料的厚度，使得第三軸的靈敏度得到提升。此外，較寬的溝槽可以根據(jù)需要設(shè)置導(dǎo)磁單元的磁性材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為現(xiàn)有磁傳感裝置的磁性材料的示意圖。
[0040]圖2為現(xiàn)有磁傳感裝置的磁性材料及導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖3為磁場方向和電流方向的夾角示意圖。
[0042]圖4為磁性材料的Θ -R特性曲線示意圖。
[0043]圖5為惠斯通電橋的連接圖。
[0044]圖6為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S2后的示意圖。
[0045]圖7為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S6后的示意圖。
[0046]圖8為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S7刻蝕絕緣材料的示意圖。
[0047]圖9為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S7后的示意圖。
[0048]圖10為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S8沉積第二絕緣材料的示意圖。
[0049]圖11為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S8刻蝕絕緣材料的示意圖。
[0050]圖12為實施例一中本發(fā)明制造工藝步驟S8形成電極的示意圖。

【具體實施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0052]實施例一
[0053]本發(fā)明揭示了一種磁傳感器的制備工藝，所述制備工藝包括第三方向磁傳感裝置的制備工藝(XY軸磁傳感器的制備方法是現(xiàn)有技術(shù)，這里不做贅述)，具體包括如下步驟:
[0054]【步驟SI】在基底上沉積介質(zhì)材料,如氧化娃、TE0S、氮化娃,形成第一介質(zhì)層10；
[0055]【步驟S2】請參閱圖6，在第一介質(zhì)層10上形成溝槽11陣列，溝槽11的寬度大于等于其深度的一半。優(yōu)選地，所述溝槽11開口處的寬度大于深度；優(yōu)選地，溝槽11底部的寬度大于溝槽的深度。
[0056]【步驟S3】在上述的介質(zhì)材料(含溝槽)上沉積相同或者不同的第二介質(zhì)材料，如氧化硅、TE0S、氮化硅、氧化鉭、氮化鉭、或者氮氧化硅等，厚度少于100納米(以40納米為例)，形成第二介質(zhì)層。本步驟可以省略，即步驟S4中，直接在第一介質(zhì)層10上沉積磁材料。
[0057]【步驟S4】沉積磁材料，形成磁材料層30，磁材料為AMR，或為GMR，或為TMR材料。
[0058]【步驟S5】在磁場中進行退火，退火氣氛為氮氣，或為惰性氣體(如氬氣)，或為真空。
[0059]【步驟S6】請參閱圖7，沉積絕緣材料，并且把溝槽填實，形成絕緣材料層40，采用化學(xué)機械拋光使絕緣材料層40的表面形成平面，使得后續(xù)轉(zhuǎn)變成平面工藝，如圖8所示。沉積絕緣材料時，可以根據(jù)實際的需要采用沉積、回刻、再沉積的方式，避免在絕緣材料中間形成空隙。
[0060]【步驟S7】請參閱圖8、圖9，通過半導(dǎo)體或者與其類似的工藝，形成磁傳感器的圖形，除了在第一介質(zhì)層10表面形成感應(yīng)單元32(用以感應(yīng)X軸Y軸的磁場)的磁材料層321之外，通過溝槽的應(yīng)用，也形成導(dǎo)磁單元31 (Z軸傳感器)。所述感應(yīng)單元32除了包括磁材料層之外,還包括電極322。
[0061]所述導(dǎo)磁單元31的主體部分設(shè)置于溝槽11內(nèi)，用以感應(yīng)第三方向(如Z軸方向)的磁信號，并將該磁信號輸出到感應(yīng)單元32進行測量。所述感應(yīng)單元32靠近溝槽11設(shè)置(設(shè)置于所述第二介質(zhì)層20的表面)，與導(dǎo)磁單元31之間有縫隙，用以測量第一方向或/和第二方向(X軸Y軸)的磁場，結(jié)合導(dǎo)磁單兀輸出的磁信號，能測量被導(dǎo)磁單兀引導(dǎo)到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩相互垂直；第一方向、第二方向、第三方向可以分別為X軸、Y軸、Z軸。
[0062]感應(yīng)單元32與導(dǎo)磁單元31之間有縫隙(縫隙尺寸可以在I納米到5微米之間，如I納米、5納米、I微米、5微米等)，即兩者不連通，其優(yōu)點在于有較好的信噪比，同時因為縫隙的存在，在感應(yīng)單元32中的電流不會到達導(dǎo)磁單元31，對傳感器的靈敏度和OFF-SET有很大幫助。
[0063]【步驟S8】請參閱圖10，沉積第二絕緣材料，形成第二絕緣材料層50，覆蓋住所述絕緣材料層40，以及磁材料層321與導(dǎo)磁單元31之間的間隙。而后，如圖11、圖12所示，制造通孔和電極322。
[0064]【步驟S9】根據(jù)實際的需要制造更多層的MD和金屬層。
[0065]請再次參閱圖12，本發(fā)明制備工藝制得的磁傳感器包括Z軸磁傳感器、XY軸磁傳感器，Z軸磁傳感器包括基底、第一介質(zhì)層10、導(dǎo)磁單元31、感應(yīng)單元32、絕緣材料層41、42、第二絕緣材料層50。XY軸磁傳感器為現(xiàn)有技術(shù)，這里不做贅述。
[0066]第一介質(zhì)層10設(shè)置于基底表面，其上設(shè)有溝槽11陣列。本實施例中，溝槽11的寬度大于深度。所述溝槽11開口處的寬度大于深度；優(yōu)選地，溝槽11底部的寬度大于溝槽的深度。導(dǎo)磁單元31的主體部分設(shè)置于溝槽11內(nèi)，用以收集第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出給感應(yīng)單元32。
[0067]所述感應(yīng)單元31包括磁材料層321及設(shè)置于磁材料層上的電極322 ;感應(yīng)單元32(磁材料層321)靠近溝槽11設(shè)置，與導(dǎo)磁單元31之間有縫隙(縫隙尺寸可以在I納米到5微米之間，如100納米、250納米、I微米、2微米等，當(dāng)然也可以是其他距離)，用以接收所述導(dǎo)磁單兀31輸出的第三方向的磁信號，并根據(jù)該磁信號測量出第三方向?qū)?yīng)的磁場強度及磁場方向。
[0068]絕緣材料層41、42設(shè)置于感應(yīng)單元32的磁材料層321以及導(dǎo)磁單元31上，并將溝槽11填滿。第二絕緣材料層50則設(shè)置于絕緣材料層41、42之上。
[0069]綜上所述，本發(fā)明提出的三軸傳感器及其制備工藝，基底上沉積介質(zhì)材料，然后通過光刻和刻蝕工藝形成溝槽，然后再溝槽里面填充磁性材料，并且把溝槽填實，最終優(yōu)化工藝的流程和傳感器的性能。此外，較寬的溝槽可以根據(jù)需要設(shè)置導(dǎo)磁單元的磁性材料。
[0070]這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種磁傳感器的制備工藝，其特征在于，所述制備工藝包括第三方向磁傳感裝置的制備工藝，具體包括如下步驟: 步驟S1、在基底上沉積介質(zhì)材料，形成第一介質(zhì)層； 步驟S2、在第一介質(zhì)層上形成溝槽陣列；溝槽開口處的寬度大于等于其深度； 步驟S4、沉積磁材料,形成磁材料層； 步驟S5、在磁場中進行退火，退火氣氛為氮氣，或為惰性氣體，或為真空； 步驟S6、沉積絕緣材料，把溝槽填實，隨后進行平坦化工藝，使得后續(xù)轉(zhuǎn)變成平面工藝； 步驟S7、生成磁傳感器的圖形，形成感應(yīng)單元的磁材料層，同時通過溝槽的應(yīng)用形成導(dǎo)磁單元，即在單芯片上形成三軸傳感器；所述導(dǎo)磁單元的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi)，用以感應(yīng)第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應(yīng)單元進行測量；感應(yīng)單元靠近溝槽設(shè)置，與導(dǎo)磁單兀之間有縫隙，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結(jié)合導(dǎo)磁單兀輸出的磁信號，能測量被導(dǎo)磁單兀引導(dǎo)到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第二方向兩兩相互垂直； 步驟S8、制造通孔和電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器的制備工藝，其特征在于: 所述方法在步驟S2與步驟S4之間還包括步驟S3、在所述形成溝槽陣列的第一介質(zhì)層上沉積一層或者多層與所述第一介質(zhì)材料相同或者不同的第二介質(zhì)材料，形成第二介質(zhì)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁傳感器的制備工藝，其特征在于: 步驟S3中，所述第二介質(zhì)材料為氧化硅、TEOS、氮化硅、氧化鉭、氮化鉭、氮氧化硅中的一種或多種；第二介質(zhì)層的厚度少于100納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器的制備工藝，其特征在于: 所述步驟S7中，感應(yīng)單元的磁材料層與導(dǎo)磁單元之間設(shè)有縫隙，縫隙尺寸在I納米到5微米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器的制備工藝，其特征在于: 步驟SI中，在基底上沉積的介質(zhì)材料為氧化硅或正硅酸乙酯TEOS或氮化硅； 步驟S4中，沉積的磁材料為AMR材料或GMR材料或TMR材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器的制備工藝，其特征在于: 所述制備工藝在步驟S8后還包括步驟S9:制造更多層的磁材料層介質(zhì)材料層和金屬層。
7.—種磁傳感器,其特征在于，所述磁傳感器包括第三方向磁傳感裝置，該第三方向磁傳感裝置包括: 基底； 第一介質(zhì)層，設(shè)置于基底表面，第一介質(zhì)層上設(shè)有溝槽陣列；溝槽開口處的寬度大于等于其深度； 導(dǎo)磁單元，其主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi)，用以感應(yīng)第三方向的磁信號，并將該磁信號輸出到感應(yīng)單元進行測量； 感應(yīng)單元，靠近溝槽設(shè)置，與導(dǎo)磁單元之間有縫隙，用以測量第一方向或/和第二方向的磁場，結(jié)合導(dǎo)磁單兀輸出的磁信號，能測量被導(dǎo)磁單兀引導(dǎo)到第一方向或/和第二方向的第三方向磁場；第一方向、第二方向、第三方向兩兩相互垂直； 絕緣材料層，設(shè)置于感應(yīng)單元的磁材料層以及導(dǎo)磁單元上，并將溝槽填滿。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器，其特征在于: 所述第三方向磁傳感裝置還包括第二介質(zhì)層，設(shè)置于所述形成溝槽陣列的第一介質(zhì)層上；導(dǎo)磁單元、感應(yīng)單元設(shè)置于第二介質(zhì)層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器，其特征在于: 所述感應(yīng)單元包括磁材料層及設(shè)置于磁材料層上的電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器，其特征在于: 所述感應(yīng)單元的磁材料層與導(dǎo)磁單元之間設(shè)有縫隙，縫隙尺寸在I納米到5微米之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器，其特征在于: 所述溝槽底部的寬度大于溝槽的深度的一半。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器，其特征在于: 所述磁傳感器還包括第二磁傳感裝置，用以感應(yīng)第一方向、第二方向的磁信號；所述第一方向為X軸方向，第二方向為Y軸方向，第三方向為Z軸方向。
【文檔編號】G01R33/09GK104422905SQ201310385788
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】張挺 申請人:上海矽?？萍加邢薰?br>