專利名稱：基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件。
背景技術(shù)：
磁電阻MR(magnetoresistance)效應(yīng)是指物質(zhì)在磁場作用下電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。早在1857年鐵磁多晶體的各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)即被發(fā)現(xiàn)，由于靈敏度不高，而限制了其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。1988年以后金屬多層膜中的巨磁電阻效應(yīng)(GMR)、隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)和龐磁電阻效應(yīng)(CMR)的發(fā)現(xiàn)，激活了這一領(lǐng)域。磁電阻材料可以做成各種高靈敏度的磁傳感器，對微弱磁場信號進行探測。比起各種傳統(tǒng)的傳感器，MR傳感器的優(yōu)越性非常突出體積小、靈敏度高、阻抗低、抗惡劣環(huán)境、制作成本低、響應(yīng)范圍寬、電阻溫度系數(shù)小，而且可實現(xiàn)非接觸式的探測。由于MR傳感器主要探測兩磁性層的磁化方向的角度，所以對所探測磁場的強度要求不高，在傳感器本身的制作精度上面也可以容許相對較大的誤差?，F(xiàn)在，GMR傳感技術(shù)在自動化技術(shù)、家用電器、商標識別、衛(wèi)星定位、導航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
另一方面，近年來MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)得到飛速發(fā)展，并取得了巨大成功。使用MEMS工藝制作的微傳感器不僅體積小、成本低、機械特性好，并且能夠與CMOS電路集成，形成復雜的微系統(tǒng)，硅基微傳聲器就是近年來微傳感器領(lǐng)域研究的一個熱點。以微麥克風為例，它可以應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、助聽器、各種數(shù)字多媒體設(shè)備、聲學監(jiān)測系統(tǒng)等等。與傳統(tǒng)的聲學器件相比，MEMS微聲學器件具有體積小、成本低、可靠性高、并且可與信號處理電路相集成的特點，因而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和極好的應(yīng)用前景。
目前的硅基微聲學器件，主要以電容、壓電、壓阻、調(diào)制場效應(yīng)晶體管、光學波導原理為基礎(chǔ)，其中壓電式和電容式是最主要的兩種。壓電式硅微麥克風的優(yōu)點是沒有氣隙阻尼，無需偏置電壓，但是其靈敏度一般較低，而噪音相對較高。而電容式麥克風在靈敏度、頻率響應(yīng)、溫度穩(wěn)定性等方面有優(yōu)勢。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?1140441.8)提出了一種紋膜電容式硅基麥克風的設(shè)計及其制作工藝，利用紋膜結(jié)構(gòu)減小薄膜內(nèi)殘余應(yīng)力對麥克風性能的影響，有望獲得比較好的器件性能，但是其制備過程非常復雜，需要體硅工藝和犧牲層工藝相結(jié)合，可靠性和成品率都受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出將磁電阻效應(yīng)與MEMS技術(shù)相結(jié)合一種基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件由沉積有硬磁薄膜的可動振膜部分和沉積有磁電阻多層膜的固定部分構(gòu)成。其特征在于所述的可動振膜結(jié)構(gòu)為由底層向上依次是硅襯底8、熱氧化二氧化硅7、氮化硅層6、熱氧化二氧化硅7、低溫生長二氧化硅9、永磁材料層11和增強二氧化硅層12組成復合膜從硅襯底8上伸出來形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)；所述固定部分的結(jié)構(gòu)與可動振膜部分相同，只是將永磁材料層11換成GMR磁電阻多層膜10；在懸臂振膜與固定部分之間腐蝕出一條斷槽13；在兩部分的硅襯底8背面依次沉積熱氧化的二氧化硅7和氮化硅層6，兩部分的背面還有背腔14。
所述GMR磁電阻多層膜自下而上依次為鉭層1、鎳鐵層2、鈷鐵層3、銅層3、鈷鐵層3、銥錳層5和鉭層1。
所述永磁材料層為磁控濺射沉積的鈷鉻鉭硬磁層。
與現(xiàn)有壓電式、電容式等微聲學器件相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明與MEMS加工技術(shù)結(jié)合起來將磁電阻效應(yīng)應(yīng)用于微聲學器件，實現(xiàn)了聲電信號轉(zhuǎn)換。由于采用的MR元件的優(yōu)越特性，可實現(xiàn)聲學振動的有效探測，從而得到極高靈敏度、低噪聲、響應(yīng)范圍寬的微聲學器件，在移動電話、助聽器以及其它通訊系統(tǒng)音頻應(yīng)用上都具有廣闊的市場前景。同時，由于得到的是電阻變化信號，不需電容式或者壓電式的微聲學器件中的電荷探測器，后續(xù)電路處理簡單，同時不易受溫度、濕度等影響，利于大批量生產(chǎn)。


圖1為磁電阻多層膜的結(jié)構(gòu)示意2為懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的聲學器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的頂視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了將磁電阻效應(yīng)與MEMS技術(shù)相結(jié)合的一種基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件。由沉積有硬磁薄膜的可動振膜部分和沉積有磁電阻多層膜的固定部分構(gòu)成。在圖2、圖3所示結(jié)構(gòu)中，左邊可動振膜部分的結(jié)構(gòu)為由底層向上依次是硅襯底8、熱氧化二氧化硅7、氮化硅層6、熱氧化二氧化硅7、低溫生長二氧化硅9、永磁材料層11和增強二氧化硅層12組成復合膜從硅襯底8上伸出來形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)；右邊固定部分的結(jié)構(gòu)與可動振膜部分相同，只是將永磁材料層11換成GMR磁電阻多層膜10；在懸臂振膜與固定部分之間腐蝕出一條斷槽13；在兩部分的硅襯底8背面依次沉積熱氧化的二氧化硅7和氮化硅層6，兩部分的背面還有背腔14。
其中GMR磁電阻多層膜10(如圖1所示)自下而上依次為鉭層1、鎳鐵層2、鈷鐵層3、銅層4、鈷鐵層3、銥錳層5和鉭層1。其中永磁材料層11為磁控濺射沉積的鈷鉻鉭硬磁層。
本發(fā)明依據(jù)的原理是外界聲壓引起可動振膜發(fā)生振動，造成可動振膜上沉積的硬磁薄膜產(chǎn)生磁場的變化，此變化經(jīng)固定結(jié)構(gòu)上沉積的磁電阻多層膜探測，引起的多層膜電阻的變化可由外電路讀出，從而實現(xiàn)聲電的信號轉(zhuǎn)換。
最終各層厚度的優(yōu)化結(jié)果為所述的可動振膜結(jié)構(gòu)中，硅層厚度范圍是2～20微米，熱氧化的二氧化硅層的厚度范圍是800～1000納米，低壓化學氣相沉積的氮化硅層的厚度范圍是150～200納米，磁控濺射沉積的永磁薄膜的厚度范圍是200～300納米，等離子增強化學氣相沉積的二氧化硅層的厚度范圍是200～300納米。其中所述的固定部分的磁電阻多層膜的典型結(jié)構(gòu)自下而上各層厚度范圍為鉭層30～50埃，鎳鐵層30～50埃，鈷鐵層8～15埃，銅層12～25埃，鈷鐵層25～40埃，銥錳層60～100埃，鉭層30～50埃。
下面介紹本發(fā)明的制備過程在硅襯底上制備復合膜SiO2/CoPtTa/SiO2/Si3N4/SiO2/Si，各層厚度分別為300/500/100/200/1000/2000納米，形成可動振膜，尺寸為1000微米×1000微米。在硅襯底的固定部分上制備復合膜Ta/IrMn/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/Ta，各層厚度為40/80/30/16/10/40/40埃，圖形尺寸為200微米×200微米。
(1)以直徑為3英寸，厚度為400±10微米、雙面拋光的P型硅片作為襯底(襯底電阻率為1-10Ω·cm)，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸10分鐘，然后去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在950±1℃下，在硅片兩面熱生長1000納米的二氧化硅層；(2)采用低壓化學氣相沉積方法，在硅片兩面形成厚度為200納米的氮化硅層，采用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(3)在33％的KOH溶液中進行體硅腐蝕，水浴溫度為80℃，制作背腔，反應(yīng)后的殘留硅層的厚度約為50微米；(4)在正面氮化硅層上低溫沉積100納米的二氧化硅層；(5)在正面濺射500納米的鈷鉻鉭層，正膠剝離形成硬磁薄膜圖形；(6)采用等離子增強化學氣相沉積法在正面形成300納米二氧化硅，正膠剝離形成圖形；(7)在正面依次濺射40埃的鉭層，40埃的鎳鐵層，10埃的鈷鐵層，16埃的銅層，30埃的鈷鐵層，80埃的銥錳層，40埃的鉭層，正膠剝離形成磁電阻多層膜的圖形。
(8)采用等離子增強化學氣相沉積法在正面形成300納米二氧化硅；(9)在正面濺射800納米的金屬鋁，用磷酸腐蝕形成鋁引線；(10)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的長寬為1000微米。
(11)采用感應(yīng)耦合離子刻蝕的方法減薄背腔內(nèi)硅層厚度至約2微米。
本發(fā)明所述的基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件的一種典型結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的振膜結(jié)構(gòu)中，硅層厚度范圍是2～20微米，熱氧化的二氧化硅層的厚度范圍是800～1000納米，低壓化學氣相沉積的氮化硅層的厚度范圍是150～200納米，磁控濺射沉積的永磁薄膜的厚度范圍是200～300納米，等離子增強化學氣相沉積的二氧化硅層的厚度范圍是200～300納米。其中所述的固定部分的磁電阻多層膜的典型結(jié)構(gòu)自下而上各層厚度范圍為鉭層30～50埃，鎳鐵層30～50埃，鈷鐵層8～15埃，銅層12～25埃，鈷鐵層25～40埃，銥錳層60～100埃，鉭層30～50埃。
權(quán)利要求
1.一種基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件，由基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件由沉積有硬磁薄膜的可動振膜部分和沉積有磁電阻多層膜的固定部分構(gòu)成；其特征在于所述的可動振膜結(jié)構(gòu)為由底層向上依次是硅襯底(8)、熱氧化二氧化硅(7)、氮化硅層(6)、熱氧化二氧化硅(7)、低溫生長二氧化硅(9)、永磁材料層(11)和增強二氧化硅層(12)組成復合膜從硅襯底(8)上伸出來形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)；所述固定部分的結(jié)構(gòu)與可動振膜部分相同，只是將永磁材料層(11)換成GMR磁電阻多層膜(10)；在懸臂振膜與固定部分之間腐蝕出一條斷槽(13)；在兩部分的硅襯底(8)背面依次沉積熱氧化的二氧化硅(7)和氮化硅層(6)，兩部分的背面還有背腔(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件，其特征在于所述GMR磁電阻多層膜自下而上依次為鉭層(1)、鎳鐵層(2)、鈷鐵層(3)、銅層(4)、鈷鐵層(3)、銥錳層(5)和鉭層(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件，其特征在于所述永磁材料層為磁控濺射沉積的鈷鉻鉭硬磁層。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導體器件領(lǐng)域的一種基于磁電阻效應(yīng)的微聲學器件。該器件由沉積有硬磁薄膜的可動振膜結(jié)構(gòu)和沉積有磁電阻多層膜的固定結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其可動振膜結(jié)構(gòu)，由底層向上依次由硅襯底、二氧化硅、氮化硅層、永磁材料層和二氧化硅層復合而成，固定部分的結(jié)構(gòu)與可動振膜部分相同，只是將永磁材料層換成GMR磁電阻多層膜。本發(fā)明利用可動振膜和磁電阻多層膜實現(xiàn)電聲信號之間的轉(zhuǎn)換，從而得到極高靈敏度、低噪聲、響應(yīng)范圍寬的微聲學器件，且后續(xù)的處理電路非常簡單，由于工藝步驟簡單，其產(chǎn)品的性能可靠、成品率高且適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。
文檔編號H04R7/02GK1571582SQ20041003414
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 歐陽可青, 朱一平 申請人:清華大學