一种磁传感器及其制备工艺制造技术

本发明专利技术揭示了一种磁传感器及其制备工艺，所述制备工艺包括：在基底上沉积介质材料，形成第一介质层；在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于深度；沉积磁材料，形成磁材料层；在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空；制备填充材料，形成填充材料层，并且把沟槽填平，随后进行光刻工艺；生成磁传感器的图形，形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；制造通孔和电极。本发明专利技术提出的三轴传感器及其制备工艺，可优化工艺的流程，并提升传感器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磁传感器及其制备工艺
本专利技术属于半导体工艺
，涉及一种传感器，尤其涉及一种三轴磁传感器；同时，本专利技术还涉及三轴磁传感器的制备工艺。
技术介绍
磁传感器按照其原理，可以分为以下几类:霍尔元件，磁敏二极管，各项异性磁阻元件(AMR)，隧道结磁阻(TMR)元件及巨磁阻(GMR)元件、感应线圈、超导量子干涉磁强计坐寸ο 电子罗盘是磁传感器的重要应用领域之一，随着近年来消费电子的迅猛发展，除了导航系统之外，还有越来越多的智能手机和平板电脑也开始标配电子罗盘，给用户带来很大的应用便利，近年来，磁传感器的需求也开始从两轴向三轴发展。两轴的磁传感器，即平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向，可以用X和Y轴两个方向来表示。 以下介绍现有磁传感器的工作原理。磁传感器采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。 在制造、应用过程中，将一个强磁场加在AMR单元上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图1所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从这些导线和AMR材料上流过，如图2所示；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45°的夹角。 当存在外界磁场Ha时，AMR单元上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向，那么磁场方向M和电流I的夹角Θ也会发生变化，如图3所示。对于AMR材料来说，Θ角的变化会弓I起AMR自身阻值的变化，如图4所示。 通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场。在实际的应用中，为了提高器件的灵敏度等，磁传感器可利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图5所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加Λ R而R3/R4减少AR。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时，电桥的输出为一个微小的电压AV。 目前的三轴传感器是将一个平面(X、Y两轴)传感部件与Z方向的磁传感部件进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能(可参考美国专利US5247278、US5952825、US6529114、US7126330、US7358722);也就是说需要将平面传感部件及Z方向磁传感部件分别设置于两个圆晶或芯片上，最后通过封装连接在一起。目前，在单圆晶/芯片上无法同时实现三轴传感器的制造。 然而，现有的三轴传感器结构复杂，制造工艺繁琐。有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感器及其制备工艺，以克服现有器件及工艺的上述缺陷。 在制造Z轴传感器的工艺中，需要首先在基底上形成沟槽，在沟槽侧壁形成导磁的单元，通过导磁单元将Z方向的信号引导到水平方向进行测量。然而，沟槽的存在对于现有的光刻工艺有很大的挑战:甩胶后在沟槽的区域凹凸不平，旋涂光刻胶后在沟槽的区域将出现凹槽，严重影响光刻，即无法制造导磁单元与感应单元之间的狭缝，也不能够将沟槽底部的光刻胶曝开。本专利技术提出一种制造方法，采用填充材料将沟槽填平后进行常规的光刻工艺，能够消除沟槽带来的负面影响，且采用的填充材料特性与光刻胶类似，与半导体工艺兼容，并且容易去除，最终形成的狭缝较小，对于提高Z方向磁传感器的灵敏度至关重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:提供一种磁传感器，可提升传感器的性能，优化制备工艺的流程。 此外，本专利技术还提供一种磁传感器的制备工艺，可优化工艺的流程，并提升制得传感器的性能。 为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案: 一种磁传感器的制备工艺，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤: 步骤S1、在基底上沉积介质材料，形成第一介质层； 步骤S2、在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度的一半; 步骤S4、沉积磁材料和保护层材料，形成磁材料层； 步骤S5、在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空； 步骤S6、制备填充材料，把沟槽填平，使得后续转变成平面工艺； 步骤S7、在填充材料层上涂光刻胶进行光刻；曝光显影后，刻蚀需要去除的填充材料，保留沟槽里的填充材料； 以光刻胶和填充材料作为阻挡，刻蚀磁材料上方的保护材料，刻蚀完保护材料后去除光刻胶和填充材料，利用保护材料作为硬掩膜刻蚀去除磁材料； 沉积金属层，光刻后形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直； 步骤S8、制造通孔和电极。 作为本专利技术的一种优选方案，所述方法在步骤S2与步骤S4之间还包括步骤S3、在所述形成沟槽阵列的第一介质层上沉积与所述第一介质材料相同或者不同的第二介质材料，形成第二介质层； 步骤S3中，所述第二介质材料为氧化硅、TE0S、氮化硅、氧化钽、氮化钽、氮氧化硅中的一种或多种；第二介质材料层为一层或者多层；最后一层第二介质层的厚度少于100纳米。 作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤S6的填充材料为光刻胶或其他胶材料或有机物。 作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤S7中，感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在I纳米到5微米之间。 作为本专利技术的一种优选方案，步骤SI中，在基底上沉积的介质材料为氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或正硅酸乙酯TEOS ;步骤S4中，沉积的磁材料为AMR材料或GMR材料或TMR材料；保护层材料为TiN或TaN或两者的多层材料。 作为本专利技术的一种优选方案，所述制备工艺在步骤S8后还包括步骤S9:制造更多层的介质材料层和金属层。 —种磁传感器,所述磁传感器包括第三方向磁传感装置，该第三方向磁传感装置包括: 基底； 第一介质层，设置于基底表面，第一介质层上设有沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度； 导磁单元，其主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量； 感应单元，靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。 作为本专利技术的一种优选方案，所述第三方向磁传感装置还包括第二介质层，设置于所述形成沟槽阵列的第一介质层上；导磁单元、感应单元设置于第二介质层上。 作为本专利技术的一种优选方案，所述感应单元包括磁材料层及设置于磁材料层上的电极； 所述感应单元的磁材料层与导磁单元之间设有缝隙，缝隙尺寸在I纳米到5微米之间。 作为本专利技术的一种优选方案，所述磁传感器还包括第二磁传感装置，用以感应第一方向、第二方向的磁信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁传感器的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤：步骤S1、在基底上沉积介质材料，形成第一介质层；步骤S2、在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度的一半；步骤S4、沉积磁材料和保护层材料，形成磁材料层；步骤S5、在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空；步骤S6、制备填充材料，把沟槽填平，使得后续转变成平面工艺；步骤S7、在填充材料层上涂光刻胶进行光刻；曝光显影后，刻蚀需要去除的填充材料，保留沟槽里的填充材料；以光刻胶和填充材料作为阻挡，刻蚀磁材料上方的保护材料，刻蚀完保护材料后去除光刻胶和填充材料，利用保护材料作为硬掩膜刻蚀去除磁材料；沉积金属层，光刻后形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；步骤S8、制造通孔和电极。...

【技术特征摘要】
1.一种磁传感器的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括第三方向磁传感装置的制备工艺，具体包括如下步骤: 步骤S1、在基底上沉积介质材料，形成第一介质层； 步骤S2、在第一介质层上形成沟槽阵列；沟槽开口处的宽度大于等于其深度的一半； 步骤S4、沉积磁材料和保护层材料，形成磁材料层； 步骤S5、在磁场中进行退火，退火气氛为氮气，或为惰性气体，或为真空； 步骤S6、制备填充材料，把沟槽填平，使得后续转变成平面工艺； 步骤S7、在填充材料层上涂光刻胶进行光刻；曝光显影后，刻蚀需要去除的填充材料，保留沟槽里的填充材料； 以光刻胶和填充材料作为阻挡，刻蚀磁材料上方的保护材料，刻蚀完保护材料后去除光刻胶和填充材料，利用保护材料作为硬掩膜刻蚀去除磁材料； 沉积金属层，光刻后形成感应单元，同时通过沟槽的应用形成导磁单元，即在单芯片上形成三轴传感器；所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间有缝隙，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单兀输出的磁信号，能测量被导磁单兀引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直； 步骤S8、制造通孔和电极。2.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于: 所述方法在步骤S2与步骤S4之间还包括步骤S3、在所述形成沟槽阵列的第一介质层上沉积与所述第一介质材料相同或者不同的第二介质材料，形成第二介质层； 步骤S3中，所述第二介质材料为氧化硅、TEOS、氮化硅、氧化钽、氮化钽、氮氧化硅中的一种或多种；第二介质材料层为一层或者多层；最后一层第二介质层的厚度少于100纳米。3.根据权利要求1所述的磁传感器的制备工艺，其特征在于: 所述步骤S6的填充材料为胶材料。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张挺，杨鹤俊，
申请(专利权)人：上海矽睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31