高靈敏度磁傳感裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體工藝技術領域，涉及一種磁傳感裝置，尤其涉及一種高靈敏度 磁傳感裝置；此外，本發(fā)明還涉及一種高靈敏度磁傳感裝置的制備方法。
【背景技術】
[0002] 磁傳感器按照其原理，可以分為以下幾類：霍爾元件，磁敏二極管，各項異性磁阻 元件（AMR)，隧道結磁阻（TMR)元件及巨磁阻（GMR)元件、感應線圈、超導量子干涉磁強計 等。
[0003] 電子羅盤是磁傳感器的重要應用領域之一，隨著近年來消費電子的迅猛發(fā)展，除 了導航系統(tǒng)之外，還有越來越多的智能手機和平板電腦也開始標配電子羅盤，給用戶帶來 很大的應用便利，近年來，磁傳感器的需求也開始從兩軸向三軸發(fā)展。兩軸的磁傳感器，即 平面磁傳感器，可以用來測量平面上的磁場強度和方向，可以用X和Y軸兩個方向來表示。
[0004] 以下介紹現有磁傳感器的工作原理。磁傳感器采用各向異性磁致電阻 (AnisotropicMagneto-Resistance)材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體 結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
[0005] 在制造、應用過程中，將一個強磁場加在AMR單元上使其在某一方向上磁化，建立 起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖1所示。為了使測量結果以 線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈459角傾斜排列，電流從這些導線和AMR材料上 流過，如圖2所示；由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有459的 夾角。
[0006] 當存在外界磁場Ha時，AMR單元上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方 向，那么磁場方向M和電流I的夾角0也會發(fā)生變化，如圖3所示。對于AMR材料來說，0 角的變化會引起AMR自身阻值的變化，如圖4所示。
[0007] 通過對AMR單元電阻變化的測量，可以得到外界磁場。在實際的應用中，為了提 高器件的靈敏度等，磁傳感器可利用惠斯通電橋或半電橋檢測AMR阻值的變化，如圖5所 示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加 AR而R3/R4減少AR。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場 時，電橋的輸出為一個微小的電壓AV。
[0008] 目前的三軸傳感器是將一個平面（X、Y兩軸）傳感部件與Z方向的磁傳感部件進 行系統(tǒng)級封裝組合在一起，以實現三軸傳感的功能；也就是說需要將平面?zhèn)鞲胁考癦方 向磁傳感部件分別設置于兩個圓晶或芯片上，最后通過封裝連接在一起。目前，在單圓晶/ 芯片上無法同時實現三軸傳感器的制造。
[0009] 請參閱圖7,現有磁傳感裝置的制備工藝主要包括如下步驟：步驟1、晶圓片上沉 積相對較薄的第一層介質層；步驟2、沉積磁性材料；步驟3、沉積第二層介質層。
[0010] 然而，利用現有工藝制備的磁傳感裝置的靈敏度不夠強，影響用戶使用。
[0011] 有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的磁傳感裝置，以便克服現有結構的上述缺 陷。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種高靈敏度磁傳感裝置，可提高磁傳感裝 置的磁靈敏度。
[0013] 此外，本發(fā)明還提供一種高靈敏度磁傳感裝置的制備方法，可提高磁傳感裝置的 磁靈敏度。
[0014] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0015] -種高靈敏度磁傳感裝置的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：
[0016] 步驟S1、在晶圓上沉積第一介質材料，形成第一介質層；第一介質材料為SiN;
[0017] 步驟S2、沉積第二介質材料，形成第二介質層，第二介質層的厚度小于10nm;第二 介質材料為含Ti材料或含Ta材料；
[0018] 步驟S3、沉積磁性材料，形成磁性材料層；
[0019] 步驟S4、在磁性材料層上沉積一層或多層緩沖層；
[0020] 步驟S5、在緩沖層上沉積保護層；
[0021] 步驟S6、通過光刻與刻蝕工藝，形成磁傳感器單元圖形；
[0022] 步驟S7、沉積第三層介質層；
[0023] 步驟S8、通過光刻與刻蝕工藝，將所需要的與電極層連接的部分打開，刻蝕停在緩 沖層上，然后沉積金屬層。
[0024] -種高靈敏度磁傳感裝置的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：
[0025] 步驟S1、在晶圓片上沉積第一介質材料，形成第一介質層；
[0026] 步驟S2、沉積第二介質材料，形成第二介質層；
[0027] 步驟S3、沉積磁性材料，形成磁性材料層；
[0028] 步驟S4、沉積第三介質材料，形成第三介質層。
[0029] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟S1中，第一介質材料為SiN;步驟S2中，第二 介質層的厚度小于l〇nm;第二介質材料為含Ti材料或含Ta材料；步驟S3中，磁性材料為 NiFe;步驟S4中，第三介質材料為TaN。
[0030] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述制備方法還包括：
[0031] 步驟S5、通過光刻與刻蝕工藝，形成磁傳感器單元圖形；
[0032] 步驟S6、沉積第四層介質層；
[0033] 步驟S7、通過光刻與刻蝕工藝，將所需要的與電極層連接的部分打開，刻蝕停在緩 沖層上，然后沉積金屬層。
[0034] 一種高靈敏度磁傳感裝置，其特征在于，所述磁傳感裝置包括依次設置的：第一介 質層、第二介質層、磁性材料層、第三介質層；
[0035] 所述第一介質層設置于晶圓片上，第一介質層的介質材料為SiN;所述第二介質 層的厚度小于l〇nm，第一介質層的介質材料為含Ti或含Ta材料；所述磁性材料層的磁性 材料為NiFe合金；第三介質層的介質材料為TaN;
[0036] 所述磁傳感裝置還包括：電極層、導磁單元；所述磁性材料層包括若干磁性材料 單元，電極層包括若干列電極組，每組電極組包括若干第一電極，磁性材料單元上排列對應 的電極組；
[0037] 所述第一電極靠近導磁單元設置，所述第一電極的寬度小于與該電極對應的磁性 材料單元寬度的70%，減少磁性材料單元遠離導磁單元一側的電流密度，將遠離導磁單元 一側的無效電流收集到靠近導磁單元一側，使得靠近導磁單元的有效區(qū)域內的電流密度得 到提高，從而增強Z軸傳感器的靈敏度；
[0038] 所述磁性材料單元上兩個相鄰的第一電極之間設有第三電極；所述第一電極、第 三電極均靠近磁性材料單元的第一側設置，即靠近導磁單元的一側設置；所述第三電極用 以在靠近導磁單元一側將更多電流偏轉到設定偏轉角度，增加對感應Z軸信號的有效電 流；
[0039] 所述磁性材料單元上還設有若干第二電極；第二電極設置于第一電極的一側，靠 近磁性材料單元的第二側設置，即設置于遠離導磁單元的一側；所述第二電極用以收集第 一電極靠近磁性材料單元的第二側處的無效電流，而后將收集到的電流輸送至對應的兩個 第一電極之間；
[0040] 所述磁性材料單元上設有若干第三電極；所述第三電極設置于兩個相鄰的第一電 極之間；兩個相鄰的第一電極之間設有一個及以上的第三電極；所述第一電極、第三電極 均靠近磁性材料單元的第一側設置，即靠近導磁單元的一側設置；所述第三電極用以收集 第二電極輸送的電流，而后將電流輸送至對應的第一電極之間；所述第三電極還用以收集 其一側的第一電極輸送的電流，將收集到的電流輸送至其另一側的第一電極；
[0041] 所述磁傳感裝置包括第三方向磁傳感部件，該第三方向磁傳感部件包括：
[0042]-基底，其表面開有溝槽；
[0043]-導磁單元，其主體部分設置于溝槽內，并有部分露出溝槽至基底表面，用以收集 第三方向的磁場信號，并將該磁場信號輸出；
[0044]-感應單元，設置于所述基底表面上，用以接收所述導磁單元輸出的第三方向的磁 信號，并根據該磁信號測量出第三方向對應的磁場強度及磁場方向；
[0045] 所述導磁單元的主體部分與基底表面的夾角為45°到90° ;所述感應單元貼緊基 底表面設置，與基底表面平行；所述感應單元是與基底表面平行的磁傳感器，和基底表面平 行的第一方向、第二方向對應的磁傳感器一起，組成三維磁傳感器的一部分；所述導磁單元 及感應單元均含有磁材料層；所述磁材料層的磁材料為各項異性磁阻AMR材料，或為巨磁 阻GMR材料，或為隧道磁阻TMR材料。
[0046] 一種高靈敏度磁傳感裝置，所述磁傳感裝置包括依次設置的第一介質層、第二介 質層、磁性材料層、第三介質層；第一介質層為絕緣層，第二介質層為金屬層。
[0047] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述磁傳感裝置還包括：電極層、導磁單元；
[0048] 所述磁性材料層包括若干磁性材料單元，電極層包括若干列電極組，每組電極組 包括若干第一電極，磁性材料單元上排列對應的電極組；
[0049] 所述第一電極靠近導磁單元設置，所述第一電極的寬度小于與該電極對應的磁性 材料單元寬度的70 %，減少磁性材料單元遠離導磁單元一側的電流密度，將遠離導磁單元 一側的無效電流收集到靠近導磁單元一側，使得靠近導磁單元的有效區(qū)域內的電流密度得 到提高，從而增強Z軸傳感器的靈敏度。
[0050] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方