[发明专利]一种三轴磁传感器的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS器件制造领域，尤其涉及一种三轴磁传感器的制造方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)是指微细加工技术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的微型器件或系统，其制造过程是以薄膜沉积、光刻、外延、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工过程，尺寸通常在微米或纳米级。其中，磁传感器是一种MEMS器件，它可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器件，磁传感器包括巨磁阻传感器(Giant Magneto Resistive Sensor，GMR)、各向异性磁阻传感器(Anisotropic Magneto Resistive Sensor，AMR)等。以各向异性磁阻传感器为例，镍铁合金层作为磁阻层。当外界磁场施加到磁阻层上时，磁阻层的磁畴旋转，使得磁阻层的电阻发生改变，磁阻层电阻的变化就反应在输出电压变化，实现检测外加磁场的目的。近几年，各向异性磁阻传感器技术的发展，已经历了单轴磁传感器、双轴磁传感器到三轴(3D)磁传感器。在现有技术中，三轴磁传感器以其可全面检测空间X、Y、Z三个方向上的磁信号，而得到普遍应用。

现有技术的AMR三轴磁传感器的制程中，X轴和Y轴的磁阻材料形成在平面上，而Z轴的磁阻材料需要和X轴及Y轴形成的平面垂直，因此，要形成一个与平面垂直的沟槽(Trench)，以便将Z轴的磁阻材料形成在沟槽的侧壁以及沟槽附近的表面上。具体过程通常包括以下步骤：请参考图1A，首先在衬底100上形成层间介质层101，随后在层间介质层101中形成沟槽(trench)，深度大约为3微米；此后在形成沟槽的层间介质层101上依次形成氮化硅等扩散阻挡层(起扩散阻挡作用，未图示)、镍铁合金层102(作为磁性材料层，厚度230埃米左右)和氮化钽层103(TaN，作为导电材料和掩膜材料，厚度900埃米左右)，从而在沟槽中也形成氮化硅层、镍铁合金层和氮化钽层的叠层；此后在氮化钽层103上形成氮化硅等硬掩膜层104，厚度为400埃米左右；之后填充光刻胶，使光刻胶完全填充深沟槽，并提供平坦表面，对光刻胶进行曝光及显影，形成图形化的光刻胶层105，图形化的光刻胶层105定义镍铁合金层用于形成Z轴磁阻层的位置，所述Z轴磁阻层包括：所述沟槽一个侧壁上的镍铁合金层、与该 侧壁接触的沟槽部分底部上的镍铁合金层、与该侧壁接触的部分层间介质层上的镍铁合金层。此后，请参考图1B，以图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀硬掩膜层104，将光刻胶图案转移到硬掩膜层104，然后以硬掩膜层104为掩膜，依次等离子体干法刻蚀氮化钽层103以及磁性材料层102，形成Z轴磁阻层；然后请参考图1C，通过灰化工艺去除光刻胶，并通过刻蚀后残留物去除液(例如EKC酸)等湿法腐蚀溶液湿法清洗(Solvent Clean)沟槽表面，以去除刻蚀残留物，位于磁阻层上的剩余氮化钽层103用于保护磁阻层，避免磁阻层直接暴露在空气中而遭到氧化腐蚀。

而上述的这种AMR三轴磁传感器的制造方法造成磁传感器性能不佳，主要原因如下：

一方面，由于沟槽深度很大，大约为3um，光刻胶填充在沟槽剩余空间内后，容易出现沟槽内的深紫外光刻胶未完全显影的情况，还可能出现期望留下光刻胶的沟槽侧壁上没有光刻胶的情况；

另一方面，参照图2，图2是现有AMR三轴磁传感器去除硬掩膜层后的SEM图谱，对应于图1C虚线圈的位置。由于沟槽深度很大，硬掩膜层、氮化钽层以及磁性材料层等在沟槽表面的沉积厚度大于沟槽侧壁的沉积厚度，再加上硬掩膜层相对氮化钽层较薄，所以在等离子体干法刻蚀氮化钽层以及磁性材料层形成Z轴磁阻层的过程中，沟槽侧壁的硬掩膜层无法阻挡等离子体对沟槽侧壁的氮化钽层表面的轰击损害，尤其是沟槽侧壁底部位置；而且刻蚀残留物通常为含钽聚合物，比较难去除，所以湿法清洗的清洗溶剂浓度较高，腐蚀力强，会穿透氮化硅并进一步腐蚀氮化钽层和磁阻层表面，最终造成表面缺陷，甚至会造成磁阻层断开，最终导致Z轴磁传感器敏感度降低、不稳定甚至失效。

因此需要一种新的三轴磁传感器的制造方法，能够比较容易的去除刻蚀残留物，获得较佳的氮化钽层以及磁阻层表面形貌，提高器件性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴磁传感器的制造方法，能够比较容易的去除刻蚀残留物，获得较佳的氮化钽层以及磁阻层表面形貌，提高器件性能。

为解决上述问题，本发明提出一种三轴磁传感器的制造方法，包括以下步骤：