CN104793153B - 磁传感装置的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种磁传感装置的制备方法，包括：含有CMOS的基底上设有第一金属层；在第一金属层上沉积绝缘自停止层，而后沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料，图形化，光刻，形成第二金属层；沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～5000A厚度的第二介质材料；打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；形成沟槽，刻蚀时自停止在绝缘自停止层上方；沉积第三介质材料；沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；打开窗口，将磁材料AMR上的电极引出，将其他电极引出。本发明便于引出金属，可提高制备效率及正品率。

Description

磁传感装置的制备方法

技术领域

本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种器件的制备方法，尤其涉及一种磁传感装置的制备方法。

背景技术

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。

AMR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。

为了使测量结果以线性的方式变化，AMR阵列上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从AMR材料上流过经金属导线后电流的流向与AMR线的角度旋转45°，如图1所示即在没有外加磁场的情况下AMR线自极化方向与电流呈现45°的夹角。

当存在外界磁场Ha时，AMR单元上的极化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2所示,从而引起AMR自身阻值的变化。

通过对AMR单元电阻变化的测量，可以得到外界磁场的强度和方向。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或半电桥检测AMR阻值的变化，如图3所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻R0，当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加ΔR而R3/R4减少ΔR(或相反)。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（将X/Y方向竖在基板上）进行系统级封装组合在一起，以实现三轴传感的功能；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，最后通过封装与外围电路连接在一起，一个传感器器件里面可能包含三个分立的芯片。这样的方法的优点是具有较好Z轴性能（与X、Y轴的性能基本一样），技术门槛较低，但是对封装要求很高，引入较高封装成本（封装的成本占据整个芯片成本的很大部分），另一方面，这种方法得到的器件的可靠性较差，器件的尺寸也难以进一步缩小。

如今，磁传感器的应用中通常需要ASIC外围电路进行驱动，当前主要采用ASIC芯片和磁传感芯片进行SIP封装。而SOC的单芯片模式是发展方向，其特点是具有更高的集成度，更好的综合性能和较低的成本。SOC模式是在ASIC芯片的顶层金属上方继续制造磁传感器，最终使磁传感器与ASIC有机结合，避免了采用引线方法进行连接。

在制造ASIC芯片的时候，通常会采用4-6层金属层；在ASIC芯片与磁传感器结合时，通常是在ASIC芯片的顶层金属top metal做完之后再沉积3um的介质层IMd，然而3um的IMD的引线存在很大困难，很难连出来。导致现有的制备方法流程比较复杂，制备时间较长，而制备成本较高。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁传感装置制备方法，以克服现有磁传感装置的上述缺陷。

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的制备方法，可将ASIC芯片与磁传感器进行有机结合，便于引出金属，可提高制备效率及正品率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S101、含有外围电路的基底上设有第一金属层或MIM电容；

步骤S102、在第一金属层上沉积绝缘自停止层，而后沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料引出第一金属层，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层；

步骤S103、沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料；

步骤S104、打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；

步骤S105、在绝缘自停止层上方、第二金属层的一侧形成沟槽，刻蚀沟槽时自停止在绝缘自停止层上方；

步骤S106、沉积第三介质材料；

步骤S107、沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；磁材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料；

步骤S108、沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；

步骤S109、打开窗口，将磁材料层上的电极引出，并将其他电极引出。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S107中，所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间连接或断开，或者部分连接、部分断开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。

作为本发明的一种优选方案，所述制备方法还包括步骤S110，多次沉积介质层和金属层，进行图形化。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S110中，沉积的金属层作为自检测金属层或者SET/RESET作用。

作为本发明的一种优选方案，所述制备方法还包括步骤S111，继续制造介质材料层和金属层。

作为本发明的一种优选方案，步骤S101中，所述第一金属层为含Al或者Ti的材料；

步骤S106中，第三介质材料为多层或单层，第三介质材料包括SiOx或/和SiN或者/和SiOx/SiN材料。

作为本发明的一种优选方案，步骤S107中，磁材料上还设有一层或多层保护材料层。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S104中，在通孔内利用化学气相沉积法沉积金属钨，化学机械抛光平坦化，去除基底表面的金属钨，只保留孔内的金属钨。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S104中，还包括在金属钨上方沉积金属，光刻图形化后形成金属图形，沉积的金属材料能阻挡后续开通孔时候的过刻蚀；步骤S104中，在通孔内直接沉积第三金属层，并进行光刻。

一种磁传感装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S101、含有外围电路的基底上设有第一金属层或MIM电容；

步骤S102、在第一金属层上沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层；

步骤S103、沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料；

步骤S104、打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；

步骤S105、在第一金属层上方、第二金属层的一侧形成沟槽，刻蚀沟槽时自停止在第一金属层上方；或者，刻蚀的沟槽位于第一金属层上方，与第一金属层并不接触；

步骤S106、沉积第三介质材料；

步骤S107、沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；

步骤S108、沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；

步骤S109、打开窗口，将磁材料层上的电极引出，并将其他电极引出。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁传感装置的制备方法，可将ASIC芯片与磁传感器进行有机结合，将三轴传感器中Z轴必须的沟槽设置在ASIC芯片内部，降低了ASIC与传感器芯片设置的介质层的厚度，采用本发明后，用常规CMOS工艺就能够将ASIC的信号引出到AMR和顶层金属，解决了集成工艺的难题，否则必须要通过两三次的开窗和引线工艺将ASIC信号引出，成本巨大；并且，通过多种自停止层的解决方案，在制造沟槽的过程中能够有较大窗口，获得平坦的沟槽，避免了microtrench的形成；本发明不仅可提高制备效率、降低制造成本，并且提升了Z轴传感器的性能，提高了产品良率。

附图说明

图1为现有磁传感装置的磁性材料及导线的结构示意图。

图2为有无外场情况下磁场方向和电流方向的夹角示意图。

图3为惠斯通电桥的连接图。

图4为本发明步骤S101后的示意图。

图5为本发明步骤S102沉积第一介质材料后的示意图。

图6为本发明步骤S102形成第二金属材料后的示意图。

图7为本发明步骤S103后的示意图。

图8为本发明步骤S104后的示意图。

图9为本发明步骤S105后的示意图。

图10为本发明步骤S106后的示意图。

图11为本发明步骤S107后的示意图。

图12为本发明步骤S108后的示意图。

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

本发明揭示了一种磁传感装置的制备方法，第一金属层上还沉积有绝缘自停止层。请参阅图4至图12，本实施例的制备工艺具体包括如下步骤：

【步骤S101】请参阅图4，含有外围电路（如CMOS）的基底301上设有第一金属层302；或者，在含有外围电路的基底301上制备第一金属层302；

【步骤S102】请参阅图5，在第一金属层302上沉积绝缘自停止层303，而后沉积第一介质材料304，形成通孔；而后，如图6所示，沉积金属材料，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层305；

【步骤S103】请参阅图7，沉积第二介质材料306，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层305上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料306。第二介质材料为多层或单层，第二介质材料包括SiN或/和SiOx/SiN或/和SiOx材料。

【步骤S104】请参阅图8，打开通孔，沉积金属，进行光刻，形成通孔307和金属PAD308，引出第二金属层。

【步骤S105】请参阅图9，在第一金属层302上方、第二金属层305的一侧形成沟槽309，刻蚀时自停止在绝缘自停止层303上方，即沟槽309的底部在绝缘自停止层303上。所述第一金属层可以为含Al或者Ti的导电材料。

【步骤S106】请参阅图10，沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层310，并通过沟槽的应用形成导磁单元311。当然，磁材料上还可以设有一层或多层保护材料层。或者在沉积磁材料之前沉积一层或者多层绝缘层。

所述导磁单元311的主体部分设置于沟槽309内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；感应单元靠近沟槽309设置，与导磁单元311之间连接或断开，或者部分连接、部分断开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元311输出的磁信号，能测量被导磁单元311引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向两两相互垂直。第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴方向、Y轴方向、Z轴方向。

【步骤S107】请参阅图11，沉积第四介质材料，形成第四介质材料层312；

【步骤S108】请参阅图12，打开窗口，通过金属引线313将磁材料层（比如AMR或者GMR或者TMR材料）上的电极引出，通过金属引线314将其他电极引出。

需要说明的是，本实施例中，如图10至图13所示，沟槽中含有未刻蚀完的金属；这主要局限于实际的刻蚀工艺，可能未将沟槽中的金属完全刻蚀。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，可以在通孔内利用化学气相沉积法沉积金属钨，化学机械抛光平坦化，去除基底表面的金属钨，只保留孔内的金属钨。

本步骤还可以包括在金属钨上方沉积金属，光刻图形化后形成金属图形，沉积的金属材料能阻挡后续开通孔时候的过刻蚀。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，第一金属层上方不设置绝缘自停止层；所述制备方法包括如下步骤：

步骤S101、在含有CMOS的基底上制备第一金属层或MIM电容；

步骤S102、在第一金属层上沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层；

步骤S103、沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料；

步骤S104、打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；

步骤S105、在第一金属层上方、第二金属层的一侧形成沟槽，刻蚀沟槽时自停止在第一金属层上方；或者，刻蚀的沟槽位于第一金属层上方，与第一金属层并不接触；

步骤S106、沉积第三介质材料；

步骤S107、沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；

步骤S108、沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；

步骤S109、打开窗口，将磁材料AMR上的电极引出，将其他电极引出。

综上所述，本发明提出的磁传感装置的制备方法，可将ASIC芯片与磁传感器进行有机结合，将三轴传感器中Z轴必须的沟槽设置在ASIC芯片内部，降低了ASIC与传感器芯片设置的介质层的厚度，采用本发明后，用常规CMOS工艺就能够将ASIC的信号引出到AMR和顶层金属，解决了集成工艺的难题，否则必须要通过两三次的开窗和引线工艺将ASIC信号引出，成本巨大；并且，通过多种自停止层的解决方案，在制造沟槽的过程中能够有较大窗口，获得平坦的沟槽，避免了microtrench的形成；本发明不仅可提高制备效率、降低制造成本，并且提升了Z轴传感器的性能，提高了产品良率。

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 (8)

1.一种磁传感装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S101、含有外围电路的基底上设有第一金属层或MIM电容；

步骤S102、在第一金属层上沉积绝缘自停止层，而后沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料引出第一金属层，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层；

步骤S103、沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料；

步骤S104、在第二介质材料层形成通孔，并打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；

步骤S105、在绝缘自停止层上方、第二金属层的一侧形成沟槽，刻蚀沟槽时自停止在绝缘自停止层上方；

步骤S106、在步骤S105形成的物件上沉积第三介质材料；

步骤S107、沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；

步骤S108、沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；

步骤S109、打开窗口，将磁材料层上的电极引出，并将其他电极引出。

2.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述步骤S107中，所述导磁单元的主体部分设置于沟槽内，用以感应第三方向的磁信号，并将该磁信号输出到感应单元进行测量；

感应单元靠近沟槽设置，与导磁单元之间连接或断开，或者部分连接、部分断开，用以测量第一方向或/和第二方向的磁场，结合导磁单元输出的磁信号，能测量被导磁单元引导到第一方向或/和第二方向的第三方向磁场；第一方向、第二方向、第三方向分别为X轴、Y轴、Z轴。

3.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述磁材料为AMR材料，或为GMR材料，或为TMR材料。

4.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

步骤S101中，所述第一金属层为含Al或者Ti的材料；

步骤S106中，第三介质材料为多层或单层，第三介质材料包括SiOx或/和SiN或者/和SiOx/SiN材料。

5.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

步骤S107中，磁材料上还设有一层或多层保护材料层。

6.根据权利要求1所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述步骤S104中，在通孔内利用化学气相沉积法沉积金属钨，化学机械抛光平坦化，去除所述基底表面的金属钨，只保留孔内的金属钨。

7.根据权利要求6所述的磁传感装置的制备方法，其特征在于：

所述步骤S104中，还包括在金属钨上方沉积金属，光刻图形化后形成金属图形，沉积的金属材料能阻挡后续开通孔时候的过刻蚀；步骤S104中，在通孔内直接沉积第三金属层，并进行光刻。

8.一种磁传感装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S101、含有外围电路的基底上设有第一金属层或MIM电容；

步骤S102、在第一金属层上沉积第一介质材料，形成通孔，沉积金属材料，图形化，光刻，形成金属图形，作为第二金属层；

步骤S103、沉积第二介质材料，采用化学机械抛光平坦化停在第二金属层上，同时，保留1000～15000A厚度的第二介质材料；

步骤S104、在第二介质材料层形成通孔，并打开通孔，沉积金属，进行光刻，引出第二金属层；

步骤S105、在第一金属层上方、第二金属层的一侧形成沟槽，刻蚀沟槽时自停止在第一金属层上方；或者，刻蚀的沟槽位于第一金属层上方，与第一金属层并不接触；

步骤S107、沉积磁材料，图形化；生成磁传感器的图形，形成感应单元的磁材料层，并通过沟槽的应用形成导磁单元；

步骤S108、沉积绝缘材料，形成绝缘材料层；

步骤S109、打开窗口，将磁材料层上的电极引出，并将其他电极引出。