CN104122514B - 磁传感装置的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置及其磁感应方法、制备工艺，所述装置包括第三方向（Z轴）磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括基底、导磁单元、感应单元。基底的表面开有沟槽；导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内；第一导磁部分或第二导磁部分用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；感应单元用以接收导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。本发明可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力；并可提高制备效率，改善基底表面的状况。

Description

磁传感装置的制备工艺

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种磁传感装置，尤其涉及一种单芯片三轴磁传感装置，本发明还涉及上述磁传感装置的磁传感方法；同时，本发明进一步涉及上述磁传感装置的制备工艺。

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。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置及其制备方法，以使实现在单圆晶/芯片上进行三轴传感器的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁传感装置，可将X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上，具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力；并可降低工艺难度，提高制备效率，改善基底表面的状况，有利于提高良率和器件性能。

本发明还提供上述磁传感装置的磁感应方法，可根据同一个圆晶或芯片上设置的感应器件感应X轴、Y轴、Z轴的磁场数据；并可降低工艺难度，提高制备效率，改善基底表面的状况，有利于提高良率和器件性能。

此外，本发明进一步提供上述磁传感装置的制备工艺，可制得X轴、Y轴、Z轴的感应器件设置在同一个圆晶或芯片上的磁传感装置，并有利于简化磁传感装置的制备工艺；并可降低工艺难度，提高制备效率，改善基底表面的状况，有利于提高良率和器件性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感装置，其特征在于，所述装置包括垂直方向磁传感部件，该垂直方向磁传感部件包括：

-基底，其表面开有沟槽；

-导磁单元，含有磁材料层，导磁单元包括分别设置于沟槽两侧任意位置的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第一导磁部分或第二导磁部分用以收集垂直方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

-感应单元，所述感应单元是感应与基底表面平行方向的磁传感器，设置于所述基底表面上，含有磁材料层，用以接收所述导磁单元输出的垂直方向的磁信号，并根据该磁信号测量出垂直方向对应的磁场强度及磁场方向；所述垂直方向为基底表面的垂直方向；

所述磁传感装置还包括第一磁传感器、第二磁传感器，分别用以感应与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。

一种磁传感装置，所述装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括：

基底，其表面开有沟槽；

导磁单元，导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第一导磁部分或第二导磁部分用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案，所述第三方向磁传感部件包括外围电路，用于计算磁场强度及磁场方向，并进行输出。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元的主体部分与基底表面的夹角为45°～90°；所述感应单元贴紧基底表面设置，与基底表面平行。

作为本发明的一种优选方案，所述感应单元是与基底表面平行的磁传感器，和基底表面平行的第一方向、第二方向对应的磁传感器一起，组成三维磁传感器的一部分。

作为本发明的一种优选方案，所述第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。

作为本发明的一种优选方案，所述装置进一步包括第二磁传感部件，用以感应第一方向或/和第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向或/和第二方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案，所述第二磁传感部件包括至少一个感应子单元；

上述各感应子单元包括磁材料层，磁材料层为磁阻材料，该磁材料的电阻随着磁场强度或方向变化。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元及感应单元均含有磁材料层；

所述磁材料层的磁材料为各项异性磁阻AMR材料，或为巨磁阻GMR材料，或为隧道磁阻TMR材料；

所述磁传感器装置的原理是各项异性磁阻AMR，或为巨磁阻GMR，或为隧道磁阻TMR。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第三导磁子单元、第五导磁子单元、第七导磁子单元；

所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第三感应子单元、第五感应子单元、第七感应子单元；

所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第一感应模块；

所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第二感应模块；

所述第五导磁子单元与第五感应子单元配合，作为第三方向磁传感部件的第三感应模块；

所述第七导磁子单元与第七感应子单元配合；作为第三方向磁传感部件的第四感应模块；

上述各感应子单元包括磁材料层，该磁材料的电阻随着磁场强度或方向变化；

所述基底设有一列或若干列沟槽，一列沟槽由一个长沟槽构成，或者一列沟槽包括若干子沟槽；

各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽内，并有部分露出于沟槽外；露出部分靠近对应感应子单元的磁材料层装置。

作为本发明的一种优选方案，各磁性构件有部分露出于沟槽外，露出部分与对应感应子单元的磁材料层的距离为0-20微米。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用同一磁性材料，层数一致，为同一次沉积得到。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁单元及感应单元的磁材料层使用不同磁性材料，通过多次沉积得到。

一种上述磁传感装置的磁感应方法，所述方法包括第三方向磁场感应步骤，具体包括：

导磁单元的第一导磁部分或第二导磁部分收集第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；

感应单元接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向。

作为本发明的一种优选方案，所述方法还包括第一方向、第二方向磁场感应步骤，感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度及磁场方向。

一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1、设置基底；

步骤S2、在基底的表面设置沟槽；

步骤S3、在基底表面沉积感应单元的同时沉积、制备导磁单元，使得导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到；导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分沉积于沟槽内，并有部分露 出沟槽至基底表面；

步骤S4、在感应单元上设置电极层。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，在基底表面沉积感应单元、导磁单元的同时，沉积第二，三磁传感部件所需的磁材料层，第二，三磁传感部件用以感应第一方向、第二方向的磁信号，并以此测量出第一方向、第二方向对应的磁场强度及磁场方向；即第二，三磁传感部件所需的磁材料层与第三方向磁传感部件所需的感应单元、导磁单元同时制备得到。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，基底包含CMOS电路；

所述步骤S2中，在基底的表面具有介质层，隔离传感装置与基底，在介质层上采用制造工艺设置沟槽；

所述步骤S3中，在基底表面沉积磁性材料和阻挡材料，磁性材料和阻挡材料分别为单层或者是多层材料，随后通过制造工艺同时形成感应单元和导磁单元，因此，导磁单元及感应单元使用同一磁性材料，为同一次沉积得到；导磁单元的主体部分沉积于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；或者不同磁性材料，多次沉积得到。

一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1：在基底上沉积介质材料，形成介质材料层；

步骤S2：在介质材料层上开沟槽；

步骤S3：在介质材料层上沉积第二介质材料层；

步骤S4：在第二介质材料层上依次沉积磁性材料和电极材料，分别形成磁性材料层和电极材料层，随后进行退火；电极材料层同时作为磁性材料层的保护层；

步骤S5：沉积光刻胶，曝光，显影；通过光刻，在基底上用光刻胶保护需要阻挡的区域，采用以下方法中的一种进行刻蚀：（1）利用图形化之后的光刻胶作为阻挡，对磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀或是反应离子刻蚀；（2）先采用反应离子刻蚀，将电极材料层刻蚀出图形，而后去除光刻胶；随后以电极材料层作为后续刻蚀的硬掩模，对下方的磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀或反应离子刻蚀；

步骤S6：在第二介质材料层上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分形成于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，第一导磁部分或第二导磁部分用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，用以接收所述第一导磁部分或第二导磁部分输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；感应单元的磁性材料层测量第一方向 或/和第二方向的磁场，将测量第三方向的磁场引导到测量第一方向或/和第二方向对应的磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S7：沉积第二电极材料并光刻，形成第二电极层；

步骤S8：填充第二介质材料，配合化学机械抛光进行平坦化，并且通过半导体工艺，通过第三电极的沉积和图形化引出第二电极。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S5中，采用等离子体刻蚀得到磁性材料层，具体包括：

步骤S51：将基底与等离子体呈现一定的角度，等离子体方向与基底所在平面之间的夹角范围为0度到90度；

步骤S52：使等离子束正对着沟槽的一个需要被刻蚀的面，记为第一面，并对沟槽第一面进行刻蚀，沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；沟槽的第二面、第四面与第一面垂直，第三面与第一面平行；

步骤S53：将基底旋转180度，使等离子体束面朝第三面进行刻蚀，使而沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；

步骤S54：结束步骤S5，或者重复步骤S52和步骤S53，直至刻蚀结束。

作为本发明的一种优选方案，所述工艺还包括步骤S9：根据需要继续制造后续所需的介质材料层和电极层。

作为本发明的一种优选方案，在第二电极材料沉积前，沉积第三介质材料，并进行开孔。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法，在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，单芯片上可选择性集成ASIC外围电路，其制造工艺与标准的CMOS工艺完全兼容；具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。

此外，本发明制备工艺中，中沟槽的两侧分别设置导磁部分，虽然对面的导磁材料派不上实际的用处，但是却能够将这步工艺的刻蚀次数降到两次，不仅制备效率大大提高，并对于改善基底表面的状况很有帮助，否则必须要增加磁性材料层下方介质材料的厚度，并且对于介质材料过度的刻蚀将产生严重的再沉积现象，这些介质材料沉积在导体层的上方，将影响电极与其接触，造成器件的失效。

附图说明

图1为现有磁传感装置的磁性材料的示意图。

图2为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。

图3为磁场方向和电流方向的夹角示意图。

图4为磁性材料的θ-R特性曲线示意图。

图5为惠斯通电桥的连接图。

图6为本发明磁传感装置一部分的俯视图。

图7为图6的AA向剖视图。

图8为本发明磁传感装置的组成示意图。

图9为实施例二中磁传感装置一部分的俯视图。

图10为实施例二中本发明磁传感装置的组成示意图。

图11为实施例一中步骤S1（及实施例三步骤1）沉积介质材料的示意图。

图12为实施例一中步骤S2（及实施例三步骤2）开沟槽的示意图。

图13a为同一列有多个沟槽的示意图。

图13b为同一列只有一个沟槽的示意图。

图14为实施例一中步骤S3（及实施例三步骤3）沉积第二介质材料层的示意图。

图15为实施例一中步骤S4（及实施例三步骤4）沉积磁性材料及电极材料的示意图。

图16为实施例一中步骤S5（及实施例三步骤5）沉积光刻胶的示意图。

图17为实施例一中步骤S5（及实施例三步骤5）曝光显影的示意图。

图18为实施例一中步骤S6（及实施例三步骤6）刻蚀的示意图。

图19为实施例一中步骤S7（及实施例三步骤7）去除光刻胶的示意图。

图20为实施例一中步骤S7（及实施例三步骤7）去除光刻胶的俯视图。

图21为实施例一中步骤S8光刻后的示意图。

图22为实施例一中步骤S8光刻后的截面图。

图23为实施例一中步骤S9后的示意图。

图24为实施例三中步骤8沉积介质材料的示意图。

图25为实施例三中步骤9的截面图。

图26为实施例三中图25沿A-A方向的投影。

图27为实施例三中步骤10光刻后的示意图。

图28为实施例三中图27的截面图。

图29为实施例三中步骤11的示意图。

图30为刻蚀步骤中刻蚀沟槽一侧的示意图。

图31为刻蚀沟槽一侧后的结构示意图。

图32为刻蚀步骤中刻蚀沟槽另一侧的示意图。

图33为刻蚀步骤中刻蚀沟槽第一面的示意图。

图34为刻蚀步骤中刻蚀沟槽第三面的一种实时方式示意图。

图35为刻蚀步骤中刻蚀沟槽第三面的另一种实时方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图6、图7，其中，图7是图6中沿B-B方向的投影；本发明揭示了一种磁传感装置，所述装置包括Z轴磁传感部件，该Z轴磁传感部件包括：基底10、至少一对相配合的磁传感模块；磁传感模块包括导磁单元20、感应单元。基底10可以包括CMOS外围电路和介质材料层。每对相配合的两个磁传感模块设置完成后，能够直接抵消每对磁传感模块在X轴方向或/和Y轴方向上的磁场干扰，获得的是纯粹的Z轴信号，因此不需要采用外围电路等进行信号处理，测量准确，精度高。

基底10的表面具有介质层，并且在介质层里开有沟槽11。所述基底设有一列或若干列沟槽，本实施例中，一列沟槽包括若干子沟槽11。

导磁单元20包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽11内，并有部分露出沟槽11至基底表面，第一导磁部分或第二导磁部分用以感应Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出给感应单元，供感应单元进行测量。

感应单元设置于所述基底10表面上，用以接收所述导磁单元20（即第一导磁部分或第二导磁部分）输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。感应单元包括磁性材料层30，以及该磁性材料层30上设置的若干平行设置的电极40。同时，所述感应单元还可以用以感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。通过导磁单元20的设置，感应单元将Z轴方向的磁场引导到水平方向（X轴方向或/和Y轴方向）进行测量。

所述导磁单元20及感应单元的磁性材料层30使用同一磁性材料，层数一致，且同一次 沉积得到；如导磁单元20及感应单元的磁性材料层30可以是各向异性磁传感器AMR、也可以是TMR和GMR。当然，所述导磁单元20及感应单元的磁性材料层30也可以使用不同的磁性材料，或者采用不同的层数，即可以通过多次沉积和光刻得到。

如图7所示，所述导磁单元20的主体部分与基底表面所在平面的夹角为45°～90°（如夹角可以为85°，即图7中所示的Theta值为5°）；所述感应单元的磁性材料层30贴紧基底表面设置，与基底表面平行。

请参阅图8，所述导磁单元20包括四个导磁子单元，分别为第一导磁子单元、第三导磁子单元、第五导磁子单元、第七导磁子单元。各导磁子单元包括若干磁性构件，各磁性构件的主体部分设置于对应的沟槽11内，并有部分露出于沟槽11外；露出部分靠近对应感应子单元的磁性材料层设置，距离c优选为0-20um，典型值为0um，0.1um，0.3um，0.5um，0.8um，1um，5um。此外，如图7所示，a的范围为0-20um（如0.5um,1um,2um,3um，5um,20um）；b的范围为0-1um（如0um,0.1um,0.2um）；d的范围为0.5-10um（如3um,2um）；Theta的角度范围为0-15°（如5°）。

所述感应单元包括四个感应子单元，分别为第一感应子单元、第三感应子单元、第五感应子单元、第七感应子单元。上述各感应子单元包括磁性材料层30，该磁性材料层上设有若干平行设置的电极40；电极40的设置方向与磁性材料层30的磁化方向的夹角为10°～80°，优选为45°。

所述第一导磁子单元与第一感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第一磁传感模块；所述第三导磁子单元与第三感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第二磁传感模块；所述第五导磁子单元与第五感应子单元配合，作为Z轴磁传感部件的第三磁传感模块；所述第七导磁子单元与第七感应子单元配合；作为Z轴磁传感部件的第四磁传感模块。

图8所示的磁传感装置采用惠斯通电桥结构，可以更加灵敏地测量外界磁场。在实际的应用中，也可以采用一个导磁子单元和一个感应子单元，即可以测量磁场，在此不再赘述。或者采用半桥或四分之一电桥结构。

需要指出的是，为了能够直接抵消每对磁传感模块在X轴方向或/和Y轴方向上的磁场干扰，需要将两个磁传感模块的三个要素做设定设置。

每对相配合的两个磁传感模块的三个要素包括如下：

（1）沟槽与感应单元的相对位置；与感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的一侧，或者另一侧；两个磁传感模块将该相对位置设置成相同或相反；相对位置设置成相同时，两个磁传感模块的沟槽设置在感应单元对应配合部分的同一侧；相对位置设 置成相反时，两个磁传感模块的沟槽设置在感应单元对应配合部分的不同侧；

（2）感应单元在外围RESET/SET磁场设置下获得的磁化方向；两个磁传感模块将该磁化方向设置成相同或相反；

（3）电极设置在磁性材料层上的电极方向；两个磁传感模块将该电极方向设置成相同或相反；电极方向设置成相同时，两个磁传感模块的电极方向平行；电极方向设置成相反时，两个磁传感模块的电极方向相垂直。电极方向的调整能够改变电流流向与磁化方向夹角。

每对相配合的两个磁传感模块的三要素中，有一个要素设置为相反，同时两个要素设置为相同；或者三个要素均设置为相反。当然，本发明有很多种变形，本实施例及后续实施例仅揭示其中几个典型的方案。

优选地，每对相配合的两个磁传感模块均相互平行设置，即两个相配合的磁传感模块中感应单元的磁性材料层的磁化方向相同或相反，且两个磁传感模块沟槽的走向平行或重合。若两个磁传感模块并非平行设置，则在比对前，先将两个磁传感模块旋转至平行，而后再进行比对。

进一步地，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块的三要素中，有一个要素设置为相反，同时两个要素设置为相同；或者三个要素均设置为相反。

在本发明的一个实施例中，所述装置进一步包括X轴Y轴磁传感部件，用以感应X轴、Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。X轴Y轴磁传感部件并非Z轴磁传感部件的感应单元；Z轴磁传感部件的感应单元是为了感应Z轴的方向，而X轴Y轴磁传感部件的感应单元是为了感应X轴或/和Y轴的方向。

所述X轴Y轴磁传感部件包括四个感应子单元，分别为第五感应子单元、第六感应子单元、第七感应子单元、第八感应子单元；上述各感应子单元包括磁性材料层，该磁性材料层上设有若干平行设置的电极；电极的设置方向与磁性材料层的磁化方向的夹角为10°～80°，优选为45°。同理，所述X轴Y轴磁传感部件可以只包括一个感应单元，即可以不采用惠斯通电桥方式。

以上介绍了本发明磁传感装置的结构，本发明在揭示上述磁传感装置的同时，还揭示上述磁传感装置的磁感应方法。所述方法包括Z轴方向磁场感应步骤，具体包括：导磁单元感应Z轴方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元接收所述导磁单元输出的Z轴方向的磁信号，并根据该磁信号测量出Z轴方向对应的磁场强度及磁场方向。所述磁传感装置的每对磁传感模块设置完成后，每对磁传感模块能够直接抵消每对磁传感模块在第一方向或/和第二方向上的磁场干扰。此外，所述方法还包括X轴、Y轴方向磁场感应步骤，包括：感应X轴、 Y轴方向的磁信号，并以此测量出X轴、Y轴方向对应的磁场强度及磁场方向。

本发明还揭示一种上述磁传感装置的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

【步骤S1】如图11所示，在基底101上沉积介质材料，形成介质材料层102，介质材料层102可以是单层，也可以是多层。例如，在介质材料层102靠近基底101基底的一侧沉积有至少一层材料作为刻蚀阻挡层，方便后续沟槽的形成，避免在沟槽底部形成不平整的结构。

【步骤S2】在介质材料层102上开沟槽103。如图12所示，得到的基底的俯视图如图13a和图13b所示。其中，图13a显示的是同一列有多个沟槽，而图13b显示，同一列只有一个沟槽。同一基底上各个沟槽可以具有不同的宽度和长度。

【步骤S3】沉积第二介质材料层104，如图14所示，可以是单层，也可以是多层。

【步骤S4】沉积磁性材料和电极材料，形成磁性材料层105和电极材料层106，随后进行退火；电极材料层106同时作为磁性材料层105的保护层。磁性材料层105的综合电阻率小于电极材料层106的综合电阻率。在沉积磁性材料层105之前可以采用等离子体对基底进行清洗。如图15所示，其中磁性材料层105可以是单层，也可以是多层的，材料例如可以采用NiFe合金,或为其他各种各项异性磁阻（AMR）材料，或为巨磁阻（GMR）材料，或为隧道磁阻TMR材料等。电极材料层106可以是多层的，也可以是单层的，如TaN、TiN等。

在沉积磁性材料层时，在基底上采用一个磁场，诱导磁性材料的磁化方向。在沉积磁性材料层后的退火，在磁场中进行退火，磁场的方向与磁性材料的本身极化方向一致。在沉积磁性材料层后的退火，是在真空或者惰性气体保护或者氮气保护气氛中进行。

【步骤S5】曝光。沉积光刻胶107，如图16所示；曝光，显影，如图17所示。

如果沟槽的深度较深，曝光效果可能较差。可以首先在沟槽里沉积填充材料107a，随后沉积光刻胶107b，通过曝光、显影，得到图形化的107b，然后通过刻蚀转移到107a的填充材料上，最后得到的效果如图17所示。

【步骤S6】刻蚀，去除部分磁性材料和电极材料，如图18所示，方法为反应离子刻蚀，或者是等离子刻蚀，或是上述方法的混合。可以首先采用一种刻蚀去除电极材料，然后以剩余的电极材料作为硬掩膜刻蚀去除磁性材料。

通过光刻，在基底上用光刻胶保护需要阻挡的区域，可采用以下方法中的一种进行刻蚀:(1)利用图形化之后的光刻胶作为阻挡，对磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀，或是反应离子刻蚀。（2）先采用反应离子刻蚀，将导体层刻蚀出图形，随后去胶；随后以导体层作为后续刻蚀的硬掩模，对下方的磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀，或是反应离子刻蚀。

本实施例中，所述步骤S6中，采用等离子体刻蚀得到磁性材料层，具体包括：

步骤S61：将基底与等离子体呈现一定的角度，等离子体方向与基底所在平面之间的夹角范围为0度到90度；

步骤S62：如图33所示，使等离子束正对着沟槽的一个需要被刻蚀的面，记为第一面，并对沟槽第一面进行刻蚀，沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；沟槽的第二面、第四面与第一面垂直，第三面与第一面平行；

步骤S63：将基底旋转180度，如图34所示，使等离子体束面朝第三面进行刻蚀，使而沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀。当然，刻蚀第三面时也可以按照图35的方式移动基底，进而刻蚀。

步骤S64：结束步骤S6，或者重复步骤S62和步骤S63，直至刻蚀结束。

在实际的工艺中，导磁部件20的形成是采用等离子体刻蚀得到，不同于反应离子刻蚀，等离子体刻蚀是具有方向性的，如图30所示，要去除表面以及沟槽左边的材料时，就需要有一个朝左下方的等离子束流，在一定条件和时间工艺之后得到如图31所示的结构，因为等离子体方向性的原因，在沟槽的右边的材料会保留下来，如果需要去除，显然需要图32所示另外一个方向的等离子轰击工艺。

因此如果要去除沟槽内四面的材料，至少需要四个方向的等离子刻蚀工艺，而对于基底的表面来说，同一表面的位置将会被刻蚀四次，将导致表面被过刻蚀，对于器件的性能不利。在惯用的方式中（即沟槽内只设置一侧的Z轴磁性感应单元），这样的结构至少也需要四次/方向的等离子刻蚀。

本发明在沟槽的两侧分别设置Z轴磁性感应单元，虽然一侧的导磁材料未被使用，但是却能够将这步工艺的刻蚀次数降到两次，对于改善基底表面的状况很有帮助，否则必须要增加磁性材料层下方介质材料的厚度，并且对于介质材料过度的刻蚀将产生严重的再沉积现象，这些介质材料沉积在导体层的上方，将影响电极与其接触，造成器件的失效。

【步骤S7】去除光刻胶，如图19所示，俯视图如图20所示。其中108为检测单元，109为Z轴磁性感应单元，Z轴磁性感应单元109的目的是将Z轴的磁性收集后引入水平方向通过检测单元108进行测试。从俯视图中可以看到，同一检测单元108可以对应多个Z轴磁性感应单元，显然，也可以对应一个Z轴磁性感应单元。Z轴磁性感应单元和对应的沟槽相互独立。

【步骤S8】沉积第二电极材料，光刻后，得到的俯视图如图21所示。可以看到第二电极110覆盖在检测单元108上方，第二电极的宽度可以超过检测单元108的宽度，第二电极的走 向与检测单元呈现一定的角度（范围可以在10°～80°之间），例如45度。截面图如图22。第二电极层110的电阻率小于磁性材料层105以及电极材料层106的电阻率，另，磁性材料层105的电阻率也小于电极材料层106的电阻率。

【步骤S9】填充介质材料111，可选择地配合化学机械抛光进行平坦化，并且通过半导体工艺，引出第二电极110；根据实际的需要继续制备第二金属层112,和第二介质层113，以及第三金属层114和钝化层等。这些金属层可以作为引线，也可以作为磁传感器设定金属层等，如图23所示。根据实际的需要可以制造更多的金属层和介质层。

所述方法还可以根据需要选择包括步骤S10：根据需要继续制造后续所需的介质材料层和电极层。

实施例二

请参阅图10，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第三方向磁传感部件包括第一磁传感模块101、第二磁传感模块102、第三磁传感模块103、第四磁传感模块104。各磁传感模块平行设置，或中心在同一直线上；即各磁传感模块中感应单元的磁性材料层的磁化方向相同或相反，且各磁传感模块沟槽的走向平行或重合。

所述第一磁传感模块101的第一端、第二磁传感模块102的第一端接地，第一磁传感模块101的第二端连接第四磁传感模块104的第一端，第二磁传感模块102的第二端连接第三磁传感模块103的第一端，第三磁传感模块103的第二端、第四磁传感模块104的第二端连接电源；第一磁传感模块101的第二端、第二磁传感模块102的第二端之间连接有电压表（即是电信号输出）。电源、电压表及接地的位置可以为其他（如接地与电源的位置可互换，电源与电压表的位置可互换等等），这里仅做举例。

所述第一磁传感模块101中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁性材料层磁化方向为第A方向；电极方向为第B方向；

所述第二磁传感模块102中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第二侧；感应单元的磁性材料层磁化方向为与第A方向相反的方向；电极方向为与第B方向垂直的方向；

所述第三磁传感模块103中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部分的第一侧；感应单元的磁性材料层磁化方向为与第A方向相同的方向；电极方向为与第B方向平行的方向；

所述第四磁传感模块104中，感应单元的各个部分配合的沟槽设置在感应单元该配合部 分的第二侧；感应单元的磁性材料层磁化方向为与第A方向相反的方向；电极方向为与第B方向垂直的方向。

从图10中可以看到，各磁传感模块均相互平行设置，相连接的两个磁传感模块（如磁传感模块101与磁传感模块102之间，磁传感模块101与磁传感模块104之间）的三要素中，有一个要素设置为相反，同时两个要素设置为相同；或者三个要素均设置为相反。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，本发明磁传感装置的制备工艺包括如下步骤：

【步骤1】在如图11所示的基底101上沉积介质材料，形成介质材料层102，介质材料层102可以是单层，也可以是多层。例如，在介质材料层102靠近基底101的一侧沉积有至少一层材料作为阻挡层，方便后续沟槽的形成。

【步骤2】在介质材料层102上开沟槽，如图12所示，得到的基底的俯视图如图13a和图13b所示。其中，图13a显示的是同一列有多个沟槽，而图13b则显示同一列只有一个沟槽；此外，同一基底上各个沟槽可以具有不同的宽度和长度（本实施例中，各个沟槽的宽度和长度相同）。

【步骤3】沉积第二介质材料层104，如图14所示。

【步骤4】沉积磁性材料105和电极材料106，如图15所示，其中磁性材料105可以是单层，也可以是多层的，材料可以采用NiFe合金；电极材料106可以是多层的，也可以是单层的，材料可以采用TaN。

【步骤5】曝光步骤。沉积光刻胶107，如图16所示；曝光，显影，如图17所示。

【步骤6】刻蚀步骤，去除部分磁性材料105和电极材料106，如图18所示。

通过光刻，在基底上用光刻胶保护需要阻挡的区域，可采用以下方法中的一种进行刻蚀:(1)利用图形化之后的光刻胶作为阻挡，对磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀，或是反应离子刻蚀。（2）先采用反应离子刻蚀，将导体层刻蚀出图形，随后去胶；随后以导体层作为后续刻蚀的硬掩模，对下方的磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀，或是反应离子刻蚀。

本实施例中，所述步骤S6中，采用等离子体刻蚀得到磁性材料层，具体包括：

步骤S61：将基底与等离子体呈现一定的角度，等离子体方向与基底所在平面之间的夹角范围为0度到90度（如可以为45°）；

步骤S62：如图33所示，使等离子束正对着沟槽的一个需要被刻蚀的面，记为第一面，并对沟槽第一面进行刻蚀，沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；沟槽的第二面、第四面与第一面垂直，第三面与第一面平行；

步骤S63：如图34所示，将基底以沟槽的中心为中心旋转180度，使等离子体束面朝第三面进行刻蚀，使而沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀。当然，刻蚀第三面时也可以按照图35的方式旋转基底（旋转90°）并移动，将第三面移动至等离子束刻蚀的位置，进而刻蚀。

步骤S64：结束步骤S6，或者重复步骤S62和步骤S63，直至刻蚀结束。

在实际的工艺中，导磁部件20的形成是采用等离子体刻蚀得到，不同于反应离子刻蚀，等离子体刻蚀是具有方向性的，如图30所示，要去除表面以及沟槽左边的材料时，就需要有一个朝左下方的等离子束流，在一定条件和时间工艺之后得到如图31所示的结构，因为等离子体方向性的原因，在沟槽的右边的材料会保留下来，如果需要去除，显然需要图32所示另外一个方向的等离子轰击工艺。

因此如果要去除沟槽内四面的材料，至少需要四个方向的等离子刻蚀工艺，而对于基底的表面来说，同一表面的位置将会被刻蚀四次，将导致表面被过刻蚀，对于器件的性能不利。在惯用的方式中（即沟槽内只设置一侧的Z轴磁性感应单元），这样的结构至少也需要四次/方向的等离子刻蚀。

本发明在沟槽的两侧分别设置Z轴磁性感应单元，虽然一侧的导磁材料未被使用，但是却能够将这步工艺的刻蚀次数降到两次，对于改善基底表面的状况很有帮助，否则必须要增加磁性材料层下方介质材料的厚度，并且对于介质材料国度的刻蚀将产生严重的再沉积现象，这些介质材料沉积在导体层的上方，将影响电极与其接触，造成器件的失效。

【步骤7】去除光刻胶步骤，如图19所示，俯视图如图20所示。其中108为检测单元，109为Z轴磁性感应单元，目的是将Z轴的磁性收集后引入水平方向进行测试。从俯视图中可以看到，同一检测单元108可以对应多个Z轴磁性感应单元，显然，也可以对应一个Z轴磁性感应单元。Z轴磁性感应单元和对应的沟槽相互独立。

【步骤8】沉积介质材料110，如图24所示；在沉积介质材料110之前，可以通过等离子体进行清洗。

【步骤9】通过刻蚀，去除部分介质材料110，在介质材料110上开窗口111,如图25所示,图中沿A-A方向的投影如图26所示。

【步骤10】沉积电极材料，光刻后，得到的俯视图如图27所示。可以看到电极110覆盖 在检测单元108上方，电极的宽度可以超过检测单元108的宽度，电极与检测单元呈现一定的角度，例如45度。截面图如图28所示。

【步骤11】填充介质材料113，配合化学机械抛光进行平坦化，并且通过半导体工艺，引出电极112；根据实际的需要继续制备第二金属层114,和第二介质层115，以及第三金属层116和钝化层等。这些金属层可以作为引线，也可以作为磁传感器设定金属层等，如图29所示。

综上所述，本发明提出的磁传感装置及其磁感应方法，在单一的圆晶/芯片上同时具有Ｘ、Ｙ和Ｚ三轴方向的传感单元，单芯片上可选择性集成ASIC外围电路，其制造工艺与标准的CMOS工艺完全兼容；具有良好的可制造性、优异的性能和明显的价格竞争力。

此外，本发明制备工艺中，中沟槽的两侧分别设置导磁部分，虽然对面的导磁材料派不上实际的用处，但是却能够将这步工艺的刻蚀次数降到两次，对于改善基底表面的状况很有帮助，否则必须要增加磁性材料层下方介质材料的厚度，并且对于介质材料国度的刻蚀将产生严重的再沉积现象，这些介质材料沉积在导体层的上方，将影响电极与其接触，造成器件的失效。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (3)

1.一种磁传感装置的制备工艺，其特征在于，所述磁传感装置包括第三方向磁传感部件，该第三方向磁传感部件包括：

基底，其表面开有沟槽；

导磁单元，导磁单元包括分别设置于沟槽的两侧的第一导磁部分、第二导磁部分；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分设置于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面；第一导磁部分或第二导磁部分用以收集第三方向的磁场信号，并将该磁场信号输出；

感应单元，设置于所述基底表面上，用以接收所述导磁单元输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；

所述制备工艺包括如下步骤：

步骤S1：在基底上沉积介质材料，形成介质材料层；

步骤S2：在介质材料层上开沟槽；

步骤S3：在介质材料层上沉积第二介质材料层；

步骤S4：在第二介质材料层上依次沉积磁性材料和电极材料，分别形成磁性材料层和电极材料层，随后进行退火；电极材料层同时作为磁性材料层的保护层；

步骤S5：沉积光刻胶，曝光，显影；通过光刻，在基底上用光刻胶保护需要阻挡的区域，采用以下方法中的一种进行刻蚀：(1)利用图形化之后的光刻胶作为阻挡，对磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀或是反应离子刻蚀；(2)先采用反应离子刻蚀，将电极材料层刻蚀出图形，而后去除光刻胶；随后以电极材料层作为后续刻蚀的硬掩模，对下方的磁性材料层进行刻蚀，采用的方法为等离子体刻蚀或反应离子刻蚀；

步骤S6：在第二介质材料层上分别形成感应单元的磁性材料层、导磁单元；第一导磁部分、第二导磁部分的主体部分形成于沟槽内，并有部分露出沟槽至基底表面，第一导磁部分或第二导磁部分用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出；感应单元的磁性材料层形成于沟槽外，用以接收所述第一导磁部分或第二导磁部分输出的第三方向的磁信号，并根据该磁信号测量出第三方向对应的磁场强度及磁场方向；感应单元的磁性材料层测量第一方向或/和第二方向的磁场，将测量第三方向的磁场引导到测量第一方向或/和第二方向对应的磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直；

步骤S7：沉积第二电极材料并光刻，形成第二电极层；

步骤S8：填充第四介质材料，配合化学机械抛光进行平坦化，并且通过半导体工艺，通过第三电极的沉积和图形化引出第二电极；

所述步骤S5中，采用等离子体刻蚀得到磁性材料层，具体包括：

步骤S51：将基底与等离子体呈现一定的角度，等离子体方向与基底所在平面之间的夹角范围为0度到90度；

步骤S52：使等离子束正对着沟槽的一个需要被刻蚀的面，记为第一面，并对沟槽第一面进行刻蚀，沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；沟槽的第二面、第四面与第一面垂直，第三面与第一面平行；

步骤S53：将基底旋转，使等离子体束面朝第三面进行刻蚀，使沟槽其余三面将基本不被刻蚀，与此同时，基底表面也会被刻蚀；

步骤S54：结束步骤S5，或者重复步骤S52和步骤S53，直至刻蚀结束。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：

所述工艺还包括步骤S9：继续制造后续所需的介质材料层和电极层。

3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：

在第二电极材料沉积前，沉积第三介质材料，并进行开孔。