[发明专利]一种磁传感器及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种传感器，尤其涉及一种三轴磁传感器；同时，本发明还涉及三轴磁传感器的制备工艺。

背景技术

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等。

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角的变化会引起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ΔR而R3/R4减少ΔR。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ΔV。

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。本发明提出一种制造方法，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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明采用如下技术方案：

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；