高密度磁傳感裝置及其磁感應(yīng)方法、制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種高密度磁傳感裝置及其磁感應(yīng)方法、制備工藝,所述裝置包括第三方向(Z軸)磁傳感部件,該第三方向磁傳感部件包括基底、導(dǎo)磁單元、感應(yīng)單元、外圍電路;基底的表面開有溝槽;導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分;感應(yīng)單元設(shè)置于所述基底表面上、所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互配合;感應(yīng)單元用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。本發(fā)明可將X軸、Y軸、Z軸的感應(yīng)器件設(shè)置在同一個(gè)圓晶或芯片上,具有良好的可制造性、優(yōu)異的性能和明顯的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力;并可降低元件單位面積,提示芯片面積的利用率。
【專利說明】高密度磁傳感裝置及其磁感應(yīng)方法、制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種磁傳感裝置,尤其涉及一種單芯片三軸磁 傳感裝置,本發(fā)明還涉及上述高密度磁傳感裝置的磁傳感設(shè)計(jì)方法;同時(shí),本發(fā)明進(jìn)一步涉 及上述高密度磁傳感裝置的制備工藝。
【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(xiàng)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(qiáng)計(jì) 等。
[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(lái)消費(fèi)電子的迅猛發(fā)展,除 了導(dǎo)航系統(tǒng)之外,還有越來(lái)越多的智能手機(jī)和平板電腦也開始標(biāo)配電子羅盤,給用戶帶來(lái) 很大的應(yīng)用便利,近年來(lái),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(lái)測(cè)量平面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向,可以用X和Y軸兩個(gè)方向來(lái)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(lái)檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體 結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感,磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)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(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在AMR單元上使其在某一方向上磁化,建立 起一個(gè)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(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)在AMR材料上建立起來(lái)的主磁域和電流的方向有45° 的夾角。
[0006] 當(dāng)存在外界磁場(chǎng)Ha時(shí),AMR單元上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方 向,那么磁場(chǎng)方向Μ和電流I的夾角Θ也會(huì)發(fā)生變化,如圖3所示。對(duì)于AMR材料來(lái)說,Θ 角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化,如圖4所示。
[0007] 通過對(duì)AMR單元電阻變化的測(cè)量,可以得到外界磁場(chǎng)。在實(shí)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(cè)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(cè)到外界磁場(chǎng)的時(shí)候,R1/R2阻值增加 Λ R而R3/R4減 少Λ R。這樣在沒有外界磁場(chǎng)的情況下,電橋的輸出為零;而在有外界磁場(chǎng)時(shí),電橋的輸出 為一個(gè)微小的電壓Λ V。
[0008] 目前的三軸傳感器是將一個(gè)平面(X、Υ兩軸)傳感部件與Ζ方向的磁傳感部 件進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝組合在一起,以實(shí)現(xiàn)三軸傳感的功能(可參考美國(guó)專利US5247278、 舊5952825、舊6529114、舊7126330州37358722) ;也就是說需要將平面?zhèn)鞲胁考?方向磁 傳感部件分別設(shè)置于兩個(gè)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(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)三軸傳感器的制造。
[0009] 有鑒于此,如今迫切需要設(shè)計(jì)一種新的磁傳感裝置及其制備方法,以使實(shí)現(xiàn)在單 圓晶/芯片上進(jìn)行三軸傳感器的制造。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種磁傳感裝置,可將X軸、Y軸、Z軸的感應(yīng) 器件設(shè)置在同一個(gè)圓晶或芯片上,具有良好的可制造性、優(yōu)異的性能和明顯的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力; 并可提高芯片單位密度的磁傳感元件密度,減小了元件體積。
[0011] 本發(fā)明還提供上述磁傳感裝置的磁感應(yīng)方法,可根據(jù)同一個(gè)圓晶或芯片上設(shè)置的 感應(yīng)器件感應(yīng)X軸、Y軸、Z軸的磁場(chǎng)數(shù)據(jù);并可提高芯片單位密度的磁傳感元件密度,減小 元件體積。
[0012] 此外,本發(fā)明進(jìn)一步提供上述磁傳感裝置的制備方法,可制得X軸、Y軸、Z軸的感 應(yīng)器件設(shè)置在同一個(gè)圓晶或芯片上的磁傳感裝置,并有利于簡(jiǎn)化磁傳感裝置的制備工藝。
[0013] 為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0014] -種高密度磁傳感裝置,所述裝置包括垂直方向磁傳感部件,該垂直方向磁傳感 部件包括:
[0015] -基底,其表面開有溝槽;
[0016] -導(dǎo)磁單元,含有磁材料層,導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部 分、第二導(dǎo)磁部分;第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有部分露出 溝槽至基底表面;第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分用以收集垂直方向的磁場(chǎng)信號(hào),并將該磁 場(chǎng)信號(hào)輸出;
[0017] -感應(yīng)單元,設(shè)置于溝槽的兩側(cè)、所述基底表面上,與所述溝槽中的第一導(dǎo)磁部分 及第二導(dǎo)磁部分相互配合;所述感應(yīng)單元是感應(yīng)與基底表面平行方向的磁傳感器,含有磁 材料層,用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的垂直方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出垂直方 向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;所述垂直方向?yàn)榛妆砻娴拇怪狈较颍?br>
[0018] 所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感器,分別用以感應(yīng)與基底表面 平行的第一方向、第二方向,第一方向、第二方向相互垂直。
[0019] -種高密度磁傳感裝置,所述裝置包括第三方向磁傳感部件,該第三方向磁傳感 部件包括:
[0020] 基底,其表面開有溝槽;
[0021] 導(dǎo)磁單元,導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分; 第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有部分露出溝槽至基底表面;第 一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分用以收集第三方向的磁場(chǎng)信號(hào),并將該磁場(chǎng)信號(hào)輸出;
[0022] 感應(yīng)單元,設(shè)置于所述基底表面上、所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一導(dǎo) 磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互配合;用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根 據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
[0023] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述第三方向磁傳感部件包括至少一對(duì)相配合的磁 傳感模塊,磁傳感模塊包括所述導(dǎo)磁單元、感應(yīng)單元;
[0024] 每對(duì)相配合的兩個(gè)磁傳感模塊設(shè)置完成后,能夠直接抵消每對(duì)磁傳感模塊在第一 方向或/和第二方向上的磁場(chǎng)信號(hào)輸出。
[0025] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主 體部分設(shè)置于一列溝槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置 的子溝槽;
[0026] 所述感應(yīng)單元包括第一感應(yīng)部分、第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第 一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè)。
[0027] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主 體部分設(shè)置于若干列平行排列的溝槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括 若干間隔設(shè)置的子溝槽;
[0028] 所述感應(yīng)單元包括多個(gè)第一感應(yīng)部分、多個(gè)第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于 溝槽的第一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè);
[0029] 所述溝槽第一側(cè)的第一感應(yīng)部分與該溝槽第二側(cè)的第二感應(yīng)部分相連,第一感應(yīng) 部分與第二感應(yīng)部分的電極方向相反。
[0030] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主 體部分設(shè)置于若干列平行排列的溝槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括 若干間隔設(shè)置的子溝槽;
[0031] 所述感應(yīng)單元包括多個(gè)第一感應(yīng)部分、多個(gè)第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于 溝槽的第一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè);
[0032] 同一個(gè)感應(yīng)單兀的多個(gè)第一感應(yīng)部分串聯(lián)在一起,且電極方向相同;同一個(gè)感應(yīng) 單元的多個(gè)第二感應(yīng)部分串聯(lián)在一起,且電極方向相同;而各第一感應(yīng)部分、第二感應(yīng)部分 的電極相反或者相同。
[0033] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述第三方向磁傳感部件包括外圍電路,用于計(jì)算 磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向,并進(jìn)行輸出。
[0034] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元的主體部分與基底表面的夾角為 45°?90° ;所述感應(yīng)單元貼緊基底表面設(shè)置,與基底表面平行。
[0035] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述感應(yīng)單元是與基底表面平行的磁傳感器,和基 底表面平行的第一方向、第二方向?qū)?yīng)的磁傳感器一起,組成三維磁傳感器的一部分。
[0036] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述第一方向?yàn)閄軸方向,第二方向?yàn)閅軸方向,第 三方向?yàn)閆軸方向。
[0037] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述裝置進(jìn)一步包括第二磁傳感部件,用以感應(yīng)第 一方向或/和第二方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量出第一方向或/和第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 及磁場(chǎng)方向。
[0038] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述第二磁傳感部件包括至少一個(gè)感應(yīng)子單元;
[0039] 上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層,磁材料層為磁阻材料,該磁材料的電阻隨著磁 場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)的方向變化。
[0040] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元均含有磁材料層;
[0041] 所述磁材料層的磁材料為各項(xiàng)異性磁阻AMR材料,或?yàn)榫薮抛鐶MR材料,或?yàn)樗淼?磁阻TMR材料;
[0042] 所述磁傳感器裝置的原理是各項(xiàng)異性磁阻AMR,或?yàn)榫薮抛鐶MR,或?yàn)樗淼来抛?TMR。
[0043] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元包括四個(gè)導(dǎo)磁子單元,分別為第一導(dǎo) 磁子單元、第二導(dǎo)磁子單元、第三導(dǎo)磁子單元、第四導(dǎo)磁子單元;
[0044] 所述感應(yīng)單元包括四個(gè)感應(yīng)子單元,分別為第一感應(yīng)子單元、第二感應(yīng)子單元、第 三感應(yīng)子單元、第四感應(yīng)子單元;
[0045] 所述第一導(dǎo)磁子單元與第一感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第一感 應(yīng)模塊;
[0046] 所述第二導(dǎo)磁子單元與第二感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第二感 應(yīng)豐吳塊;
[0047] 所述第三導(dǎo)磁子單元與第三感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第三感 應(yīng)豐吳塊;
[0048] 所述第四導(dǎo)磁子單元與第四感應(yīng)子單元配合;作為第三方向磁傳感部件的第四感 應(yīng)豐吳塊;
[0049] 上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層,該磁材料的電阻隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向變化;
[0050] 所述基底設(shè)有一列或若干列溝槽,一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包 括若干子溝槽;
[0051] 各導(dǎo)磁子單元包括若干磁性構(gòu)件,各磁性構(gòu)件的主體部分設(shè)置于對(duì)應(yīng)的溝槽內(nèi), 并有部分露出于溝槽外;露出部分靠近對(duì)應(yīng)感應(yīng)子單元的磁材料層裝置。
[0052] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,各磁性構(gòu)件有部分露出于溝槽外,露出部分與對(duì)應(yīng) 感應(yīng)子單元的磁材料層的距離為0-20微米。
[0053] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元的磁材料層使用同一磁性 材料,層數(shù)一致,為同一次沉積得到。
[0054] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元的磁材料層使用不同磁性 材料,通過多次沉積得到。
[0055] -種上述高密度磁傳感裝置的磁感應(yīng)方法,所述方法包括第三方向磁場(chǎng)感應(yīng)步 驟,具體包括:
[0056] 導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分收集第三方向的磁信號(hào),并將該磁信號(hào) 輸出;
[0057] 設(shè)置于溝槽兩側(cè)的感應(yīng)單元分別與溝槽中的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互 配合,接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三方向?qū)?yīng) 的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
[0058] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述方法還包括第一方向、第二方向磁場(chǎng)感應(yīng)步驟, 感應(yīng)第一方向、第二方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量出第一方向、第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁 場(chǎng)方向。
[0059] -種上述高密度磁傳感裝置的制備工藝,所述制備工藝包括如下步驟:
[0060] 步驟1、設(shè)直基底;
[0061] 步驟2、在基底的表面設(shè)置溝槽;
[0062] 步驟3、在基底表面沉積感應(yīng)單元的同時(shí)沉積、制備導(dǎo)磁單元,使得導(dǎo)磁單元及感 應(yīng)單元使用同一磁性材料,為同一次沉積得到;導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第 一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分;第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有 部分露出溝槽至基底表面;感應(yīng)單元沉積于所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一導(dǎo) 磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互配合;
[0063] 步驟4、在感應(yīng)單元上設(shè)置電極層。
[0064] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述步驟3中,在基底表面沉積感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元 的同時(shí),沉積第二、三磁傳感部件所需的磁材料層,第二、三磁傳感部件用以感應(yīng)第一方向、 第二方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量出第一方向、第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;即第 二,三磁傳感部件所需的磁材料層與第三方向磁傳感部件所需的感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元同時(shí) 制備得到。
[0065] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述步驟1中,基底包含CMOS電路;
[0066] 所述步驟2中,在基底的表面具有介質(zhì)層,隔離傳感裝置與基底,在介質(zhì)層上采用 制造工藝設(shè)置溝槽;
[0067] 所述步驟3中,在基底表面沉積磁性材料和阻擋材料,磁性材料和阻擋材料分別 為單層或者是多層材料,隨后通過制造工藝同時(shí)形成感應(yīng)單元和導(dǎo)磁單元,因此,導(dǎo)磁單元 及感應(yīng)單元使用同一磁性材料,為同一次沉積得到;導(dǎo)磁單元的主體部分沉積于溝槽內(nèi),并 有部分露出溝槽至基底表面;或者不同磁性材料,多次沉積得到。
[0068] 一種高密度磁傳感裝置的制備工藝,所述制備工藝包括如下步驟:
[0069] 步驟S1 :在基底上沉積介質(zhì)材料,形成介質(zhì)材料層;
[0070] 步驟S2 :在介質(zhì)材料層上開溝槽;
[0071] 步驟S3 :在介質(zhì)材料層上沉積第二介質(zhì)材料層;
[0072] 步驟S4 :在第二介質(zhì)材料層上依次沉積磁性材料和電極材料,分別形成磁性材料 層和電極材料層,隨后進(jìn)行退火;電極材料層同時(shí)作為磁性材料層的保護(hù)層;
[0073] 步驟S5 :沉積光刻膠,曝光,顯影;
[0074] 步驟S6 :刻蝕,去除部分磁性材料和電極材料,去除光刻膠;
[0075] 步驟S7 :在第二介質(zhì)材料層上分別形成感應(yīng)單元的磁性材料層、導(dǎo)磁單元,在同 一溝槽的兩側(cè)形成一對(duì)導(dǎo)磁單元;導(dǎo)磁單元的主體部分形成于溝槽內(nèi),并有部分露出溝槽 至基底表面,用以感應(yīng)第三方向的磁信號(hào),并將該磁信號(hào)輸出;感應(yīng)單元的磁性材料層形成 于溝槽外,用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三 方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;感應(yīng)單元的磁性材料層測(cè)量第一方向或/和第二方向的 磁場(chǎng),將測(cè)量第三方向的磁場(chǎng)引導(dǎo)到測(cè)量第一方向或/和第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng);第一方向、 第二方向、第三方向兩兩相互垂直;
[0076] 步驟S8 :沉積第三介質(zhì)層,并通過半導(dǎo)體工藝開孔,隨后沉積第二電極材料并進(jìn) 行光刻,形成第二電極層;
[0077] 步驟S9 :填充第四介質(zhì)材料,配合化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化,并且通過半導(dǎo)體工 藝在第四介質(zhì)材料上打開通孔,通過第三電極的沉積和圖形化引出第二電極。
[0078] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述工藝還包括步驟S10:根據(jù)需要繼續(xù)制造后續(xù) 所需的介質(zhì)材料層和電極層。
[0079] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,步驟S2中,同一列有多個(gè)溝槽,或者,同一列只有一 個(gè)溝槽;同一基底上各個(gè)溝槽的寬度相同或不同,長(zhǎng)度相同或不同。
[0080] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,步驟S5中,光刻步驟包括:沉積第一填充材料,隨 后沉積光刻膠,再者進(jìn)行光刻顯影,接著對(duì)第一填充材料進(jìn)行刻蝕,去除多余的第一填充材 料;即第一填充材料單獨(dú)或者與光刻膠一起作為步驟S6的阻擋材料。
[0081] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,步驟S9還包括:繼續(xù)制備第三金屬層、第五介質(zhì)層, 以及第四金屬層和鈍化層;第三金屬層、第四金屬層作為引線,或者作為磁傳感器設(shè)定金屬 層。
[0082] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的高密度磁傳感裝置及其磁感應(yīng)方法,在單 一的圓晶/芯片上同時(shí)具有X、Y和Z三軸方向的傳感單元,單芯片上可選擇性集成ASIC 外圍電路,其制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完全兼容;具有良好的可制造性、優(yōu)異的性能和 明顯的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
[0083] 此外,本發(fā)明中,在單一溝槽的兩側(cè)分別設(shè)置導(dǎo)磁部分,并有相應(yīng)的感應(yīng)單元與其 配合,即在同一溝槽之內(nèi)就可以形成兩組傳感器,提高了芯片單位面積上的傳感器器件的 數(shù)量,減小了元件的單位面積,提升了器件的密度,有助于大幅減少磁傳感器的尺寸。與此 同時(shí),相比原有的制造工藝,并不增加任何的工藝步驟和成本,卻大幅度提高了器件的密 度,降低了單位磁傳感器的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0084] 圖1為現(xiàn)有磁傳感裝置的磁性材料的示意圖。
[0085] 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。
[0086] 圖3為磁場(chǎng)方向和電流方向的夾角示意圖。
[0087] 圖4為磁性材料的Θ -R特性曲線示意圖。
[0088] 圖5為惠斯通電橋的連接圖。
[0089] 圖6為本發(fā)明磁傳感裝置一部分的俯視圖。
[0090] 圖7為圖6的AA向剖視圖。
[0091] 圖8為本發(fā)明磁傳感裝置的組成示意圖。
[0092] 圖9為實(shí)施例二中磁傳感裝置一部分的俯視圖。
[0093] 圖10為實(shí)施例八中步驟S1 (及實(shí)施例三步驟1)沉積介質(zhì)材料的示意圖。
[0094] 圖11為實(shí)施例八中步驟S2 (及實(shí)施例三步驟2)開溝槽的示意圖。
[0095] 圖12為同一列有多個(gè)溝槽的示意圖。
[0096] 圖13為同一列只有一個(gè)溝槽的不意圖。
[0097] 圖14為實(shí)施例八中步驟S3 (及實(shí)施例三步驟3)沉積第二介質(zhì)材料層的示意圖。
[0098] 圖15為實(shí)施例八中步驟S4 (及實(shí)施例三步驟4)沉積磁性材料及電極材料的示意 圖。
[0099] 圖16為實(shí)施例八中步驟S5 (及實(shí)施例三步驟5)沉積光刻膠的示意圖。
[0100] 圖17為實(shí)施例八中步驟S5 (及實(shí)施例三步驟5)曝光顯影的示意圖。
[0101] 圖18為實(shí)施例八中步驟S6 (及實(shí)施例三步驟6)刻蝕的示意圖。
[0102] 圖19為實(shí)施例八中步驟S7 (及實(shí)施例三步驟7)去除光刻膠的示意圖。
[0103] 圖20為實(shí)施例八中步驟S7 (及實(shí)施例三步驟7)去除光刻膠的俯視圖。
[0104] 圖21為實(shí)施例八中步驟S8光刻后的示意圖。
[0105] 圖22為實(shí)施例八中步驟S8光刻后的截面圖。
[0106] 圖23為實(shí)施例九中步驟8沉積介質(zhì)材料的示意圖。
[0107] 圖24為實(shí)施例九中步驟9的截面圖。
[0108] 圖25為實(shí)施例九中圖24沿A-A方向的投影。
[0109] 圖26為實(shí)施例九中步驟10光刻后的示意圖。
[0110] 圖27為實(shí)施例九中圖26的截面圖。
[0111] 圖28為第一感應(yīng)部分與第二感應(yīng)部分的連接示意圖。
[0112] 圖29為第一感應(yīng)部分與第二感應(yīng)部分的另一種連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0113] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0114] 實(shí)施例一
[0115] 請(qǐng)參閱圖6、圖7,其中,圖7是圖6中沿A-A方向的投影;本發(fā)明揭示了一種高密 度磁傳感裝置,所述裝置包括Z軸磁傳感部件,該Z軸磁傳感部件包括:基底10、導(dǎo)磁單元 20、感應(yīng)單元;基底10可以包括CMOS外圍電路。
[0116] 基底10的表面具有介質(zhì)層,并且在介質(zhì)層里開有溝槽11。所述基底設(shè)有一列或若 干列溝槽,本實(shí)施例中,一列溝槽包括若干子溝槽11。
[0117] 導(dǎo)磁單元20含有磁材料層,如圖6所示,導(dǎo)磁單元20包括分別設(shè)置于溝槽11的 兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部分21、第二導(dǎo)磁部分22 ;第一導(dǎo)磁部分21、第二導(dǎo)磁部分22的主體部分 設(shè)置于溝槽11內(nèi),并有部分露出溝槽11至基底10表面;第一導(dǎo)磁部分21及第二導(dǎo)磁部分 22用以收集垂直方向的磁場(chǎng)信號(hào),并將該磁場(chǎng)信號(hào)輸出給感應(yīng)單元;
[0118] 感應(yīng)單元設(shè)置于溝槽11的兩側(cè)、所述基底10表面上,與所述溝槽11中的第一導(dǎo) 磁部分21及第二導(dǎo)磁部分22相互配合;用以接收所述導(dǎo)磁單元20的第一導(dǎo)磁部分21及 第二導(dǎo)磁部分22輸出的Z軸方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出Z軸方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng) 度及磁場(chǎng)方向。感應(yīng)單元包括磁材料層30,以及該磁材料層30上設(shè)置的若干平行設(shè)置的電 極40。磁材料層30包括第一磁材料層31、第二磁材料層32,第一磁材料層31、第二磁材料 層32分別與第一導(dǎo)磁部分21及第二導(dǎo)磁部分22配合。
[0119] 同時(shí),所述感應(yīng)單元還用以感應(yīng)X軸、Y軸方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量出X軸、Y軸 方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。通過導(dǎo)磁單元20的設(shè)置,感應(yīng)單元將Z軸方向的磁場(chǎng)引 導(dǎo)到水平方向進(jìn)行測(cè)量。所述導(dǎo)磁單元20及感應(yīng)單元的磁材料層30使用同一磁性材料, 層數(shù)一致,且同一次沉積得到;如導(dǎo)磁單元20及感應(yīng)單元的磁材料層30可以是各向異性磁 傳感器AMR、也可以是TMR和GMR,以下不再贅述。當(dāng)然,所述導(dǎo)磁單元20及感應(yīng)單元的磁 材料層30也可以使用不同的磁性材料,或者采用不同的層數(shù),即可以通過多次沉積和光刻 得到。
[0120] 如圖7所示,所述導(dǎo)磁單元20的主體部分與基底表面所在平面的夾角可在45°? 90°之間,越大越好。所述感應(yīng)單元的磁材料層30貼緊基底表面設(shè)置,與基底表面平行。
[0121] 請(qǐng)參閱圖8,所述導(dǎo)磁單元20包括四個(gè)導(dǎo)磁子單元,分別為第一導(dǎo)磁子單元、第 二導(dǎo)磁子單元、第三導(dǎo)磁子單元、第四導(dǎo)磁子單元。各導(dǎo)磁子單元包括若干磁性構(gòu)件,各磁 性構(gòu)件的主體部分設(shè)置于對(duì)應(yīng)的溝槽11內(nèi),并有部分露出于溝槽11外;露出部分靠近對(duì) 應(yīng)感應(yīng)子單元的磁材料層設(shè)置,距離C優(yōu)選為0-20um,典型值為Oum,0· lum,0· 3um,0· 5um, 0· 8um,lum, 5um。此夕卜,如圖 7 所不,a 的范圍為 0_20um(如 0· 5um, lum, 2um, 5um, 10um, 20um); b 的范圍為 0-lum (如 Oum, 0· lum, 0· 2um) ;d 的范圍為 0· 5-10um (如 3um, 2um) ;Theta 的角 度范圍為0-45° (如5° )。
[0122] 所述感應(yīng)單元包括四個(gè)感應(yīng)子單元,分別為第一感應(yīng)子單元、第二感應(yīng)子單元、第 三感應(yīng)子單元、第四感應(yīng)子單元。上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層30,該磁材料層上設(shè)有 若干平行設(shè)置的電極40 ;電極40的設(shè)置方向與磁材料層30的磁化方向的夾角為10°? 80°,優(yōu)選為45°。
[0123] 所述第一導(dǎo)磁子單元與第一感應(yīng)子單元配合,作為Z軸磁傳感部件的第一感應(yīng)模 塊;所述第二導(dǎo)磁子單元與第二感應(yīng)子單元配合,作為Z軸磁傳感部件的第二感應(yīng)模塊;所 述第三導(dǎo)磁子單元與第三感應(yīng)子單元配合,作為Z軸磁傳感部件的第三感應(yīng)模塊;所述第 四導(dǎo)磁子單元與第四感應(yīng)子單元配合;作為Z軸磁傳感部件的第四感應(yīng)模塊。
[0124] 圖8所示的磁傳感裝置采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu),可以更加靈敏地測(cè)量外界磁場(chǎng)。在 實(shí)際的應(yīng)用中,也可以采用一個(gè)導(dǎo)磁子單元和一個(gè)感應(yīng)子單元,即可以測(cè)量磁場(chǎng),在此不再 贅述。
[0125] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,所述裝置進(jìn)一步包括X軸Y軸磁傳感部件,用以感應(yīng)X 軸或/和Y軸方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量出X軸或/和Y軸方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方 向。X軸Y軸磁傳感部件并非Z軸磁傳感部件的感應(yīng)單元;Z軸磁傳感部件的感應(yīng)單元是為 了感應(yīng)Z軸的方向,而X軸Y軸磁傳感部件的感應(yīng)單元是為了感應(yīng)X軸或/和Y軸的方向。
[0126] 所述X軸或Y軸磁傳感部件包括四個(gè)感應(yīng)子單元,分別為第五感應(yīng)子單元、第六感 應(yīng)子單元、第七感應(yīng)子單元、第八感應(yīng)子單元;上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層,該磁材料 層上設(shè)有若干平行設(shè)置的電極;電極的設(shè)置方向與磁材料層的磁化方向的夾角為10°? 80°,優(yōu)選為45°。同理,所述X軸Y軸磁傳感部件可以只包括一個(gè)感應(yīng)單元,即可以不采 用惠斯通電橋方式。
[0127] 以上介紹了本發(fā)明高密度磁傳感裝置的結(jié)構(gòu),本發(fā)明在揭示上述高密度磁傳感裝 置的同時(shí),還揭示上述高密度磁傳感裝置的磁感應(yīng)方法。所述方法包括Z軸方向磁場(chǎng)感應(yīng) 步驟,具體包括:導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分收集Z軸方向的磁信號(hào),并將該 磁信號(hào)輸出;設(shè)置于溝槽兩側(cè)的感應(yīng)單元分別與溝槽中的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分相 互配合,接收所述導(dǎo)磁單兀輸出的Z軸方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出Z軸方向?qū)?yīng) 的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
[0128] 此外,所述方法還包括X軸、Y軸方向磁場(chǎng)感應(yīng)步驟,包括:感應(yīng)X軸、Y軸方向的 磁信號(hào),并以此測(cè)量出X軸、Y軸方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
[0129] 與此同時(shí),本發(fā)明還揭示一種上述高密度磁傳感裝置的制備工藝,所述制備工藝 包括如下步驟:
[0130] 【步驟S1】設(shè)置基底,基底可以包含CMOS外圍電路。
[0131] 【步驟S2】在基底的表面具有介質(zhì)層,隔離傳感裝置與基底,在介質(zhì)層上采用制造 工藝設(shè)置溝槽。
[0132] 【步驟S3】在基底表面沉積磁性材料和保護(hù)層材料,磁性材料和保護(hù)層材料分別為 單層或者是多層材料,隨后通過制造工藝同時(shí)形成感應(yīng)單元和導(dǎo)磁單元,因此,導(dǎo)磁單元及 感應(yīng)單元使用同一磁性材料,為同一次沉積得到。導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的 第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分;第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并 有部分露出溝槽至基底表面;感應(yīng)單元沉積于所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一 導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互配合。
[0133] 優(yōu)選地,本發(fā)明磁傳感裝置還包括X軸Y軸感應(yīng)部件;步驟S3中,在基底表面沉積 感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元的同時(shí),沉積X軸Y軸磁傳感部件所需的磁材料層;即X軸、Y軸所需的 磁材料層與z軸所需的感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元同時(shí)制備得到。
[0134] 可選擇地,在本步驟中,可以通過多次的材料沉積和制造工藝,分別形成感應(yīng)單元 與導(dǎo)磁單元,即兩者采用不同的材料層。
[0135] 【步驟S4】在感應(yīng)單元及X軸Y軸感應(yīng)部件的磁材料層上分別設(shè)置電極層,隨后通 過介質(zhì)填充和引線等工藝實(shí)現(xiàn)完整傳感裝置的制造。
[0136] 實(shí)施例二
[0137] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,多個(gè)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以共享同一溝槽; 請(qǐng)參閱圖9,基底10上的溝槽11可以設(shè)置一列或多列,一列溝槽11可以設(shè)置一個(gè)狹長(zhǎng)的溝 槽,供多個(gè)磁性構(gòu)件共享使用。
[0138] 實(shí)施例三
[0139] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,所述Z軸磁傳感部件可以概括為 所述第三方向磁傳感部件;所述第三方向磁傳感部件包括至少一對(duì)相配合的磁傳感模塊, 磁傳感模塊包括所述導(dǎo)磁單元、感應(yīng)單元;所述第三方向可以為Z軸方向(垂直方向)。每對(duì) 相配合的兩個(gè)磁傳感模塊設(shè)置完成后,能夠直接抵消每對(duì)磁傳感模塊在第一方向(如X軸 方向)或/和第二方向(如Y軸方向)上的磁場(chǎng)信號(hào)輸出。
[0140] 所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于一列溝槽內(nèi);一 列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置的子溝槽;所述感應(yīng)單元包括 第一感應(yīng)部分、第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝 槽的第二側(cè)。
[0141] 或者,所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于若干列平 行排列的溝槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置的子溝槽; 所述感應(yīng)單元包括多個(gè)第一感應(yīng)部分、多個(gè)第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第 一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè);如圖28所示,同一個(gè)感應(yīng)單元的多個(gè)第一感應(yīng) 部分串聯(lián)在一起,且電極方向相同;同一個(gè)感應(yīng)單元的多個(gè)第二感應(yīng)部分串聯(lián)在一起,且電 極方向相同;而各第一感應(yīng)部分、第二感應(yīng)部分的電極相同。電極方向設(shè)置成相同時(shí),兩個(gè) 磁傳感模塊的電極方向平行。
[0142] 當(dāng)然,設(shè)置于溝槽第一側(cè)的第一感應(yīng)部分也可以與設(shè)置于該溝槽第二側(cè)的第二感 應(yīng)部分相連;而后,上述第二感應(yīng)部分再與其他某溝槽的第一感應(yīng)部分相連,該第一感應(yīng)部 分再于對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)部分相連;以此類推。此時(shí),第一感應(yīng)部分與第二感應(yīng)部分的電極方 向相反。如圖29所示。
[0143] 實(shí)施例四
[0144] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,磁傳感裝置的導(dǎo)磁單元、傳感單 元、X軸Y軸磁傳感部件所需的磁材料層為磁阻材料,如NiFe合金材料。其中,磁阻材料層 可以是多層材料,如GMR和TMR材料,即磁阻材料包括各向異性磁阻材料,巨磁阻材料,隧道 結(jié)磁阻;可以是多層,或者是單層;多層材料的厚度和層數(shù)根據(jù)實(shí)際需要可調(diào)。
[0145] 此外,一組導(dǎo)磁單元可配合多個(gè)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu),使測(cè)量更加靈敏。
[0146] 實(shí)施例五
[0147] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,磁傳感裝置可以感應(yīng)的三維方向 可以為并非X軸、Y軸、Z軸的第一方向、第二方向、垂直方向,只需要使第一方向、第二方向、 垂直方向兩兩相互垂直即可。磁傳感器裝置的原理是巨磁阻(GMR)原理,磁材料采用GMR 材料。
[0148] 實(shí)施例六
[0149] 在前面的實(shí)施例中,磁傳感器利用惠斯通全電橋?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)和輸出,惠斯通 全電橋包括四個(gè)可變橋臂,即包括四個(gè)導(dǎo)磁子單元和四個(gè)感應(yīng)子單元,輸出的信號(hào)較大,較 為有效。
[0150] 本發(fā)明顯然也可以采用半電橋甚至四分之一橋檢測(cè)TMR阻值(或者GMR和AMR阻 值)的變化:如果采用半電橋進(jìn)行檢測(cè),那么只需要包括兩組導(dǎo)磁子單元和感應(yīng)子單元。如 果采用四分之一電橋,那么只需要包括一組磁子單元和感應(yīng)子單元。在此需要特別指出,本 發(fā)明的應(yīng)用可以只包括一組或者兩組導(dǎo)磁子單元和感應(yīng)子單元的配合即可完成磁場(chǎng)的檢 測(cè),在此不再贅述。
[0151] 甚至也可以不采用電橋的方法,直接采用單組磁子單元和感應(yīng)子單元,測(cè)量磁單 元兩端電阻變化,從而計(jì)算出磁場(chǎng)的變化。
[0152] 實(shí)施例七
[0153] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,本發(fā)明磁傳感裝置還包括CMOS芯 片,實(shí)施例一中所述的基底設(shè)置于CMOS芯片上。即磁傳感裝置具有現(xiàn)有CMOS芯片的功能。 即在單一的芯片上同時(shí)具有CMOS芯片和傳感裝置,具有高度的集成度。
[0154] 實(shí)施例八
[0155] 本發(fā)明還揭示一種上述磁傳感裝置的制備工藝,所述制備工藝包括如下步驟:
[0156] 【步驟S1】如圖10所示,在基底101上沉積介質(zhì)材料,形成介質(zhì)材料層102,介質(zhì)材 料層102可以是單層,也可以是多層。例如,在介質(zhì)材料層102靠近基底101基底的一側(cè)沉 積有至少一層材料作為刻蝕阻擋層,方便后續(xù)溝槽的形成,避免在溝槽底部形成不平整的 結(jié)構(gòu)。
[0157] 【步驟S2】在介質(zhì)材料層102上開溝槽103。如圖11所示,得到的基底的俯視圖如 圖12和圖13所不。其中,圖12顯不的是同一列有多個(gè)溝槽,而圖13顯不,同一列只有一 個(gè)溝槽。同一基底上各個(gè)溝槽可以具有不同的寬度和長(zhǎng)度。
[0158] 【步驟S3】沉積第二介質(zhì)材料層104,如圖14所示,可以是單層,也可以是多層。
[0159] 【步驟S4】沉積磁性材料和電極材料,形成磁性材料層105和電極材料層106,隨后 進(jìn)行退火;電極材料層106同時(shí)作為磁性材料層105的保護(hù)層。磁性材料層105的綜合電 阻率小于電極材料層106的綜合電阻率。在沉積磁性材料層105之前可以采用等離子體對(duì) 基底進(jìn)行清洗。如圖15所示,其中磁性材料層105可以是單層,也可以是多層的,材料例如 可以采用NiFe合金,或?yàn)槠渌鞣N各項(xiàng)異性磁阻(AMR)材料,或?yàn)榫薮抛瑁℅MR)材料,或 為隧道磁阻TMR材料等。電極材料層106可以是多層的,也可以是單層的,如Ta、TaN、TiN 等。
[0160] 在沉積磁性材料層時(shí),在基底上采用一個(gè)磁場(chǎng),誘導(dǎo)磁性材料的磁化方向。在沉積 磁性材料層后的退火,在磁場(chǎng)中進(jìn)行退火,磁場(chǎng)的方向與磁性材料的本身極化方向一致。在 沉積磁性材料層后的退火,是在真空或者惰性氣體保護(hù)或者氮?dú)獗Wo(hù)氣氛中進(jìn)行。
[0161] 【步驟S5】曝光。沉積光刻膠107,如圖16所示;曝光,顯影,如圖17所示。
[0162] 如果溝槽的深度較深,曝光效果可能較差。可以首先在溝槽里沉積填充材料107a, 隨后沉積光刻膠107b,通過曝光、顯影,得到圖形化的107b,然后通過刻蝕轉(zhuǎn)移到107a的填 充材料上,最后得到的效果如圖17所示。
[0163] 【步驟S6】刻蝕,去除部分磁性材料和電極材料,如圖18所示,方法為反應(yīng)離子刻 蝕,或者是等離子刻蝕,或是上述方法的混合??梢允紫炔捎靡环N刻蝕去除電極材料,然后 以剩余的電極材料作為硬掩膜刻蝕去除磁性材料。
[0164] 【步驟S7】去除光刻膠,如圖19所示,俯視圖如圖20所示。其中108為檢測(cè)單元, 109為Z軸磁性感應(yīng)單元,Z軸磁性感應(yīng)單元109的目的是將Z軸的磁性收集后引入水平方 向通過檢測(cè)單元108進(jìn)行測(cè)試。從俯視圖中可以看到,在同一溝槽103的兩側(cè)形成一對(duì)Z 軸磁性感應(yīng)單元109,分別與溝槽103兩側(cè)的檢測(cè)單元108配合;同一檢測(cè)單元108可以對(duì) 應(yīng)多個(gè)Z軸磁性感應(yīng)單元,顯然,也可以對(duì)應(yīng)一個(gè)Z軸磁性感應(yīng)單元。Z軸磁性感應(yīng)單元和 對(duì)應(yīng)的溝槽相互獨(dú)立。
[0165] 【步驟S8】沉積第二電極材料,光刻后,得到的俯視圖如圖21所示??梢钥吹降诙?電極110覆蓋在檢測(cè)單元108上方,第二電極的寬度可以超過檢測(cè)單元108的寬度,第二電 極的走向與檢測(cè)單元呈現(xiàn)一定的角度(范圍可以在10°?80°之間),例如45度。截面圖 如圖22。第二電極層110的電阻率小于磁性材料層105以及電極材料層106的電阻率,另, 磁性材料層105的電阻率也小于電極材料層106的電阻率。
[0166] 【步驟S9】填充介質(zhì)材料111,可選擇地配合化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化,并且通過半 導(dǎo)體工藝,引出第二電極110 ;根據(jù)實(shí)際的需要繼續(xù)制備第二金屬層112和第二介質(zhì)層113, 以及第三金屬層114和鈍化層等。這些金屬層可以作為引線,也可以作為磁傳感器設(shè)定金 屬層等。根據(jù)實(shí)際的需要可以制造更多的金屬層和介質(zhì)層。
[0167] 【步驟S10】根據(jù)需要繼續(xù)制造后續(xù)所需的介質(zhì)材料層和電極層。
[0168] 實(shí)施例九
[0169] 本實(shí)施例與實(shí)施例八的區(qū)別在于,本實(shí)施例中,本發(fā)明磁傳感裝置的制備工藝包 括如下步驟:
[0170] 【步驟1】在如圖10所示的基底101上沉積介質(zhì)材料,形成介質(zhì)材料層102,介質(zhì)材 料層102可以是單層,也可以是多層。例如,在介質(zhì)材料層102靠近基底101的一側(cè)沉積有 至少一層材料作為阻擋層,方便后續(xù)溝槽的形成。
[0171] 【步驟2】在介質(zhì)材料層102上開溝槽,如圖11所示,得到的基底的俯視圖如圖12 和圖13所示。其中,圖12顯示的是同一列有多個(gè)溝槽,而圖13則顯示同一列只有一個(gè)溝 槽;此外,同一基底上各個(gè)溝槽可以具有不同的寬度和長(zhǎng)度(本實(shí)施例中,各個(gè)溝槽的寬度 和長(zhǎng)度相同)。
[0172] 【步驟3】沉積第二介質(zhì)材料層104,如圖14所示。
[0173] 【步驟4】沉積磁性材料105和電極材料106,如圖15所示,其中磁性材料105可以 是單層,也可以是多層的,材料可以采用NiFe合金;電極材料106可以是多層的,也可以是 單層的,材料可以采用TaN。
[0174] 【步驟5】曝光步驟。沉積光刻膠107,如圖16所示;曝光,顯影,如圖17所示。
[0175] 【步驟6】刻蝕步驟,去除部分磁性材料105和電極材料106,如圖18所示。
[0176] 【步驟7】去除光刻膠步驟,如圖19所示,俯視圖如圖20所示。其中108為檢測(cè)單 元,109為Z軸磁性感應(yīng)單元,目的是將Z軸的磁性收集后引入水平方向進(jìn)行測(cè)試。從俯視 圖中可以看到,在同一溝槽103的兩側(cè)形成一對(duì)Z軸磁性感應(yīng)單元109,分別與溝槽103兩 側(cè)的檢測(cè)單元108配合;同一檢測(cè)單元108可以對(duì)應(yīng)多個(gè)Z軸磁性感應(yīng)單元,顯然,也可以 對(duì)應(yīng)一個(gè)Z軸磁性感應(yīng)單元。Z軸磁性感應(yīng)單元和對(duì)應(yīng)的溝槽相互獨(dú)立。
[0177] 【步驟8】沉積介質(zhì)材料110,如圖23所示;在沉積介質(zhì)材料110之前,可以通過等 離子體進(jìn)行清洗。
[0178] 【步驟9】通過刻蝕,去除部分介質(zhì)材料110,在介質(zhì)材料110上開窗口 111,如圖24 所示,圖中沿A-A方向的投影如圖25所示。
[0179] 【步驟10】沉積電極材料,光刻后,得到的俯視圖如圖26所示??梢钥吹诫姌O110 覆蓋在檢測(cè)單元108上方,電極的寬度可以超過檢測(cè)單元108的寬度,電極與檢測(cè)單元呈現(xiàn) 一定的角度,例如45度。截面圖如圖27所示。
[0180] 【步驟11】填充介質(zhì)材料113,配合化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化,并且通過半導(dǎo)體工 藝,引出電極112 ;根據(jù)實(shí)際的需要繼續(xù)制備第二金屬層114,和第二介質(zhì)層115,以及第三 金屬層116和鈍化層等。這些金屬層可以作為引線,也可以作為磁傳感器設(shè)定金屬層等。
[0181] 綜上所述,本發(fā)明提出的磁傳感裝置及其磁感應(yīng)方法,在單一的圓晶/芯片上同 時(shí)具有X、Y和Z三軸方向的傳感單元,單芯片上可選擇性集成ASIC外圍電路,其制造工 藝與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完全兼容;具有良好的可制造性、優(yōu)異的性能和明顯的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
[0182] 此外,本發(fā)明中,在單一溝槽的兩側(cè)分別設(shè)置導(dǎo)磁部分,并有相應(yīng)的感應(yīng)單元與其 配合,即在同一溝槽之內(nèi)就可以形成兩組傳感器,提高了單位面積的傳感器器件的數(shù)量,減 小了元件的單位面積,提升了器件的密度,有助于大幅減少磁傳感器的尺寸。與此同時(shí),相 比原有的制造工藝,并不增加任何的工藝步驟和成本,卻大幅度提高了器件的密度,降低了 單位磁傳感器的制造成本。
[0183] 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(shí)施例 中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的,對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說實(shí) 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(lái)實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下,可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn) 行其它變形和改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種高密度磁傳感裝置,其特征在于,所述裝置包括垂直方向磁傳感部件,該垂直方 向磁傳感部件包括: -基底,其表面開有溝槽; -導(dǎo)磁單元,含有磁材料層,導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部分、第 二導(dǎo)磁部分;第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有部分露出溝槽至 基底表面;第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分用以收集垂直方向的磁場(chǎng)信號(hào),并將該磁場(chǎng)信號(hào) 輸出至感應(yīng)單元; -感應(yīng)單元,設(shè)置于溝槽的兩側(cè)、所述基底表面上,與所述溝槽中的第一導(dǎo)磁部分及第 二導(dǎo)磁部分相互配合;所述感應(yīng)單元是感應(yīng)與基底表面平行方向的磁傳感器,含有磁材料 層,用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的來(lái)自垂直方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出垂直方 向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;所述垂直方向?yàn)榛妆砻娴拇怪狈较颍? 所述磁傳感裝置還包括第一磁傳感器、第二磁傳感器,分別用以感應(yīng)與基底表面平行 的第一方向、第二方向,第一方向、第二方向相互垂直。
2. -種高密度磁傳感裝置,其特征在于,所述裝置包括第三方向磁傳感部件,該第三方 向磁傳感部件包括: 基底,其表面開有溝槽; 導(dǎo)磁單元,導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分;第一 導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有部分露出溝槽至基底表面;第一導(dǎo) 磁部分及第二導(dǎo)磁部分用以收集第三方向的磁場(chǎng)信號(hào),并將該磁場(chǎng)信號(hào)輸出; 感應(yīng)單元,設(shè)置于所述基底表面上、所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一導(dǎo)磁部 分及第二導(dǎo)磁部分相互配合;用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該 磁信號(hào)測(cè)量出第三方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述第三方向磁傳感部件包括至少一對(duì)相配合的磁傳感模塊,磁傳感模塊包括所述導(dǎo) 磁單元、感應(yīng)單元; 每對(duì)相配合的兩個(gè)磁傳感模塊設(shè)置完成后,能夠直接抵消每對(duì)磁傳感模塊在第一方向 或/和第二方向上的磁場(chǎng)信號(hào)輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于一列溝槽內(nèi);一列溝 槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置的子溝槽; 所述感應(yīng)單元包括第一感應(yīng)部分、第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第一側(cè), 第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于若干列平行排列的溝 槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置的子溝槽; 所述感應(yīng)單元包括多個(gè)第一感應(yīng)部分、多個(gè)第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽 的第一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè); 所述溝槽第一側(cè)的第一感應(yīng)部分與該溝槽第二側(cè)的第二感應(yīng)部分相連,第一感應(yīng)部分 與第二感應(yīng)部分的電極方向相反。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于若干列平行排列的溝 槽內(nèi);一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若干間隔設(shè)置的子溝槽; 所述感應(yīng)單元包括多個(gè)第一感應(yīng)部分、多個(gè)第二感應(yīng)部分,第一感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽 的第一側(cè),第二感應(yīng)部分設(shè)置于溝槽的第二側(cè); 同一個(gè)感應(yīng)單兀的多個(gè)第一感應(yīng)部分串聯(lián)在一起,且電極方向相同;同一個(gè)感應(yīng)單兀 的多個(gè)第二感應(yīng)部分串聯(lián)在一起,且電極方向相同。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述第三方向磁傳感部件包括外圍電路,用于計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向,并進(jìn)行輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元的主體部分與基底表面的夾角為45°?90° ;所述感應(yīng)單元貼緊基底表 面設(shè)置,與基底表面平行。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述感應(yīng)單元是與基底表面平行的磁傳感器,和基底表面平行的第一方向、第二方向 對(duì)應(yīng)的磁傳感器一起,組成三維磁傳感器的一部分。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述第一方向?yàn)閄軸方向,第二方向?yàn)閅軸方向,第三方向?yàn)閆軸方向。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述裝置進(jìn)一步包括第二磁傳感部件,用以感應(yīng)第一方向或/和第二方向的磁信號(hào), 并以此測(cè)量出第一方向或/和第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述第二磁傳感部件包括至少一個(gè)感應(yīng)子單元; 上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層,磁材料層為磁阻材料,該磁材料的電阻隨著磁場(chǎng)強(qiáng) 度和磁場(chǎng)的方向變化。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2至12之一所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元均含有磁材料層; 所述磁材料層的磁材料為各項(xiàng)異性磁阻AMR材料,或?yàn)榫薮抛鐶MR材料,或?yàn)樗淼来抛?TMR材料; 所述磁傳感器裝置的原理是各項(xiàng)異性磁阻AMR,或?yàn)榫薮抛鐶MR,或?yàn)樗淼来抛鑄MR。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元包括四個(gè)導(dǎo)磁子單元,分別為第一導(dǎo)磁子單元、第二導(dǎo)磁子單元、第三導(dǎo) 磁子單元、第四導(dǎo)磁子單元; 所述感應(yīng)單元包括四個(gè)感應(yīng)子單元,分別為第一感應(yīng)子單元、第二感應(yīng)子單元、第三感 應(yīng)子單元、第四感應(yīng)子單元; 所述第一導(dǎo)磁子單元與第一感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第一感應(yīng)模 塊; 所述第二導(dǎo)磁子單元與第二感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第二感應(yīng)模 塊; 所述第三導(dǎo)磁子單元與第三感應(yīng)子單元配合,作為第三方向磁傳感部件的第三感應(yīng)模 塊; 所述第四導(dǎo)磁子單元與第四感應(yīng)子單元配合;作為第三方向磁傳感部件的第四感應(yīng)模 塊; 上述各感應(yīng)子單元包括磁材料層,該磁材料的電阻隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向變化; 所述基底設(shè)有一列或若干列溝槽,一列溝槽由一個(gè)長(zhǎng)溝槽構(gòu)成,或者一列溝槽包括若 干子溝槽; 各導(dǎo)磁子單元包括若干磁性構(gòu)件,各磁性構(gòu)件的主體部分設(shè)置于對(duì)應(yīng)的溝槽內(nèi),并有 部分露出于溝槽外;露出部分靠近對(duì)應(yīng)感應(yīng)子單元的磁材料層裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 各磁性構(gòu)件有部分露出于溝槽外,露出部分與對(duì)應(yīng)感應(yīng)子單元的磁材料層的距離為 0-20微米。
16. 根據(jù)權(quán)利要求2至15之一所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元的磁材料層使用同一磁性材料,層數(shù)一致,為同一次沉積得 到。
17. 根據(jù)權(quán)利要求2至15之一所述的高密度磁傳感裝置,其特征在于: 所述導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單元的磁材料層使用不同磁性材料,通過多次沉積得到。
18. -種權(quán)利要求1至17之一所述高密度磁傳感裝置的磁感應(yīng)方法,其特征在于,所述 方法包括第三方向磁場(chǎng)感應(yīng)步驟,具體包括: 導(dǎo)磁單元的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分收集第三方向的磁信號(hào),并將該磁信號(hào)輸 出; 設(shè)置于溝槽兩側(cè)的感應(yīng)單元分別與溝槽中的第一導(dǎo)磁部分及第二導(dǎo)磁部分相互配合, 接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的磁感應(yīng)方法,其特征在于: 所述方法還包括第一方向、第二方向磁場(chǎng)感應(yīng)步驟,感應(yīng)第一方向、第二方向的磁信 號(hào),并以此測(cè)量出第一方向、第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。
20. -種權(quán)利要求1至17之一所述高密度磁傳感裝置的制備工藝,其特征在于,所述制 備工藝包括如下步驟: 步驟1、設(shè)置基底; 步驟2、在基底的表面設(shè)置溝槽; 步驟3、在基底表面沉積感應(yīng)單元的同時(shí)沉積、制備導(dǎo)磁單元,使得導(dǎo)磁單元及感應(yīng)單 元使用同一磁性材料,為同一次沉積得到;導(dǎo)磁單元包括分別設(shè)置于溝槽的兩側(cè)的第一導(dǎo) 磁部分、第二導(dǎo)磁部分;第一導(dǎo)磁部分、第二導(dǎo)磁部分的主體部分設(shè)置于溝槽內(nèi),并有部分 露出溝槽至基底表面;感應(yīng)單元沉積于所述溝槽的兩側(cè),分別與所述溝槽中的第一導(dǎo)磁部 分及第二導(dǎo)磁部分相互配合; 步驟4、在感應(yīng)單元上設(shè)置電極層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的制備工藝,其特征在于: 所述步驟3中,在基底表面沉積感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元的同時(shí),沉積第二、三磁傳感部件 所需的磁材料層,第二、三磁傳感部件用以感應(yīng)第一方向、第二方向的磁信號(hào),并以此測(cè)量 出第一方向、第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;即第二、三磁傳感部件所需的磁材料層 與第三方向磁傳感部件所需的感應(yīng)單元、導(dǎo)磁單元同時(shí)制備得到。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的制備工藝,其特征在于: 所述步驟1中,基底包含CMOS電路; 所述步驟2中,在基底的表面具有介質(zhì)層,隔離傳感裝置與基底,在介質(zhì)層上采用制造 工藝設(shè)置溝槽; 所述步驟3中,在基底表面沉積磁性材料和阻擋材料,磁性材料和阻擋材料分別為單 層或者是多層材料,隨后通過制造工藝同時(shí)形成感應(yīng)單元和導(dǎo)磁單元,因此,導(dǎo)磁單元及感 應(yīng)單元使用同一磁性材料,為同一次沉積得到;導(dǎo)磁單元的主體部分沉積于溝槽內(nèi),并有部 分露出溝槽至基底表面;或者不同磁性材料,多次沉積得到。
23. -種高密度磁傳感裝置的制備工藝,其特征在于,所述制備工藝包括如下步驟: 步驟S1 :在基底上沉積介質(zhì)材料,形成介質(zhì)材料層; 步驟S2 :在介質(zhì)材料層上開溝槽; 步驟S3 :在介質(zhì)材料層上沉積第二介質(zhì)材料層; 步驟S4 :在第二介質(zhì)材料層上依次沉積磁性材料和電極材料,分別形成磁性材料層和 電極材料層,隨后進(jìn)行退火;電極材料層同時(shí)作為磁性材料層的保護(hù)層; 步驟S5 :沉積光刻膠,曝光,顯影; 步驟S6 :刻蝕,去除部分磁性材料和電極材料,去除光刻膠; 步驟S7:在第二介質(zhì)材料層上分別形成感應(yīng)單元的磁性材料層、導(dǎo)磁單元,在同一溝 槽的兩側(cè)形成一對(duì)導(dǎo)磁單元;導(dǎo)磁單元的主體部分形成于溝槽內(nèi),并有部分露出溝槽至基 底表面,用以感應(yīng)第三方向的磁信號(hào),并將該磁信號(hào)輸出;感應(yīng)單元的磁性材料層形成于溝 槽外,用以接收所述導(dǎo)磁單元輸出的第三方向的磁信號(hào),并根據(jù)該磁信號(hào)測(cè)量出第三方向 對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向;感應(yīng)單元的磁性材料層測(cè)量第一方向或/和第二方向的磁 場(chǎng),將測(cè)量第三方向的磁場(chǎng)引導(dǎo)到測(cè)量第一方向或/和第二方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng);第一方向、第 二方向、第三方向兩兩相互垂直; 步驟S8 :沉積第三介質(zhì)層,通過曝光和刻蝕打開通孔,隨后沉積第二電極材料并光刻, 形成第二電極層; 步驟S9 :填充第四介質(zhì)材料,配合化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化,并且通過半導(dǎo)體工藝,打 開通孔,通過第三電極的沉積和圖形化引出第二電極。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的制備工藝,其特征在于: 所述工藝還包括步驟S10 :根據(jù)需要繼續(xù)制造后續(xù)所需的介質(zhì)材料層和電極層。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的制備工藝,其特征在于: 步驟S2中,同一列有多個(gè)溝槽,或者,同一列只有一個(gè)溝槽;同一基底上各個(gè)溝槽的寬 度相同或不同,長(zhǎng)度相同或不同。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的制備工藝,其特征在于: 步驟S5中,光刻步驟包括:沉積第一填充材料,隨后沉積光刻膠,再者進(jìn)行光刻顯影, 接著對(duì)第一填充材料進(jìn)行刻蝕,去除多余的第一填充材料; 即第一填充材料單獨(dú)或者與光刻膠一起作為步驟S6的阻擋材料。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的制備工藝,其特征在于: 步驟S9還包括:繼續(xù)制備第三金屬層、第五介質(zhì)層,以及第四金屬層和鈍化層;第三金 屬層、第四金屬層作為引線,或者作為磁傳感器設(shè)定SET/重設(shè)RESET的金屬層。
【文檔編號(hào)】G01R33/02GK104122513SQ201310145505
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】張挺, 萬(wàn)虹 申請(qǐng)人:上海矽??萍加邢薰?br>