磁傳感器的製備方法以及磁傳感器的製造方法

2023-06-27 01:22:06

磁傳感器的製備方法以及磁傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種磁傳感器的製備方法以及磁傳感器。所述方法包括如下步驟：提供襯底，所述襯底表面具有至少一個凸臺；在凸臺和襯底的表面形成Z軸磁感應單元，並在襯底的表面形成感測單元，所述z軸磁感應單元包括磁化本體以及引出端，所述1軸磁感應單元和感測單元包含有磁性材料；在所述襯底表面形成連續的電極層，所述電極層亦覆蓋所述凸臺；圖形化所述電極層，以在感測單元表面形成工作電極，並同時在凸臺側壁上的磁化本體表面形成自檢測電極。本發明的優點在於，在磁化本體的表面設置了自檢測電極，可以用於直接測試磁化本體對Z軸磁場是否敏感。
【專利說明】磁傳感器的製備方法以及磁傳感器

【技術領域】
[0001] 本發明屬於電子通訊【技術領域】，涉及一種磁傳感器，尤其涉及一種磁傳感器的制 備方法以及磁傳感器。

【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，磁敏二極體，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、超導量子幹涉磁強計 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展，除 了導航系統之外，還有越來越多的智慧型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。現有技術中的磁傳感器通常是平面磁傳感器，可以用來測量平面上的磁 場強度和方向。
[0004] 近年來，磁傳感器的需求開始從兩軸向三軸發展。平面上的磁場強度和方向例如 可以用X和Y軸兩個方向來表示，則三軸傳感器同時還應當能夠測量與X-Y軸所在平面垂 直方向，即z軸方向上的磁場強度和方向。對同時能夠測量三個軸的磁傳感器，即稱為三軸 磁傳感器。
[0005] 在三軸磁傳感器領域，如何準確地對每個傳感單元進行測試，尤其是對Z軸靈敏 程度的測試，成為了本領域亟待解決的技術問題。


【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種磁傳感器，能夠對反映 Z軸磁場變化的 磁化本體進行測試，並進一步提供其製備方法。
[0007] 為了解決上述問題，本發明提供了一種磁傳感器的製備方法，包括如下步驟：提供 襯底，所述襯底表面具有至少一個凸臺；在凸臺的側壁和襯底的表面形成Z軸磁感應單元， 並在襯底的表面形成感測單元，所述Z軸磁感應單元包括一與凸臺側壁貼合的磁化本體以 及一延伸至襯底表面的引出端，所述Z軸磁感應單元和感測單元包含有磁性材料；在所述 襯底表面形成連續的電極層，所述電極層亦覆蓋所述凸臺；圖形化所述電極層，以在感測單 元表面形成工作電極，並同時在凸臺側壁上的磁化本體表面形成自檢測電極。
[0008] 可選的，所述襯底表面進一步包括多個凸臺，所述圖形化所述電極層的步驟中，進 一步在襯底表面形成連接不同凸臺表面各自檢測電極的電連接部分。
[0009] 可選的，在形成Z軸磁感應單元和感測單元的步驟之前，進一步包括在所述襯底 和凸臺的表面生成絕緣層的步驟。
[0010] 可選的，所述磁性材料選自於各項異性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料 中的任意一種。
[0011] 可選的，在形成磁性材料時，在襯底上同時施加一磁場，用以誘導磁性材料的磁化 方向。
[0012] 可選的，所述磁化本體與襯底表面的夾角為45°至90°之間。
[0013] 可選的，在形成連續的電極層步驟之前，進一步包括如下步驟：在所述Z軸磁感應 單元和感測單元的表面形成介質層；在感測單元表面的介質層中形成通孔，使感測單元與 後續形成的工作電極接觸。
[0014] 可選的，在形成Z軸磁感應單元和感測單元磁性材料後，在襯底上施加一磁場進 行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
[0015] 可選的，感測單元與引出端之間間隔一距離，所述距離小於5微米。
[0016] 可選的，感測單元與引出端之間相互貼合。
[0017] 本發明進一步提供了一種採用上述方法製作的磁傳感器，包括：襯底；襯底表面 的至少一個凸臺；在凸臺側壁和襯底表面的Z軸磁感應單元、以及在襯底的表面的感測單 元，所述Z軸磁感應單元包括一與凸臺側壁貼合的磁化本體以及一延伸至襯底表面的引出 端，所述Z軸磁感應單元和感測單元包含有磁性材料；感測單元表面具有工作電極，在溝槽 內的磁化本體表面進一步具有自檢測電極。
[0018] 可選的，所述襯底表面進一步包括多個凸臺，在凸臺表面進一步包括連接不同凸 臺表面各自檢測電極的電連接部分。
[0019] 可選的，在所述襯底和凸臺的表面包括一絕緣層，所述Z軸磁感應單元和感測單 元進一步是設置於所述絕緣層的表面。
[0020] 可選的，所述磁性材料選自於各項異性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料 中的任意一種。
[0021] 可選的，所述磁性材料具有一預設的誘導磁化方向。
[0022] 可選的，所述磁化本體與襯底表面的夾角為45°至90°之間。
[0023] 可選的，所述Z軸磁感應單元和感測單元的表面具有介質層，在感測單元上方開 有通孔以與工作電極接觸。
[0024] 可選的，感測單元與引出端之間間隔一距離，所述距離小於5微米。
[0025] 可選的，感測單元與引出端之間相互貼合。
[0026] 本發明的優點在於，在磁化本體的表面設置了自檢測電極，可以用於直接測試磁 化本體對Z軸磁場是否敏感。自檢測電極中通過垂直於圖面方向的電流時，電極即會在凸 臺的側壁處形成與側壁平行的磁場信號（即是一個模擬的Z軸磁場信號)，該磁場信號會被 磁化本體輸出至感測單元，從而讀出因為該磁場產生的電阻變化，此變化對應著磁場的感 應。因為自檢測電極所產生的磁場與施加電流的強度和方向對應，因此就能夠通過該自檢 測電極實現Z軸傳感器的自檢測和矯正。在磁傳感器的應用中，對應平面（X和Y軸）方向 磁傳感器的自檢測相對容易，對應Z軸的自檢測比較困難。本發明提供一種對Z軸磁傳感 器自檢測的功能，並且不額外增加工藝步驟，具有明顯競爭力。並且該自檢測電極與工作電 極在同一步驟中同時形成，因此並未增加製作工藝的複雜程度，該自檢測電極也僅是設置 在磁化本體表面，並未改變磁化本體的形狀和位置，因此也不會影響到磁傳感器固有的各 種特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 附圖1所示是本發明所述方法【具體實施方式】的實施步驟示意圖。
[0028] 附圖2A至附圖7所示是本發明所述方法【具體實施方式】的工藝示意圖。

【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖對本發明提供的磁傳感器的製備方法以及磁傳感器的具體實施方 式做詳細說明。
[0030] 附圖1所示是本發明所述方法【具體實施方式】的實施步驟示意圖，包括：步驟S10， 提供襯底，所述襯底表面具有至少一個凸臺；步驟S11，在所述襯底和凸臺的表面生成絕緣 層；步驟S12,在凸臺側壁和襯底的表面形成Z軸磁感應單元，並在襯底的表面形成感測單 元，所述Z軸磁感應單元包括一與凸臺側壁貼合的磁化本體以及一延伸至襯底表面的引出 端，所述Z軸磁感應單元和感測單元包含有磁性材料；步驟S13,在所述襯底表面形成連續 的電極層，所述電極層亦覆蓋所述凸臺；步驟S14,圖形化所述電極層，以在感測單元表面 形成工作電極，並同時在凸臺側壁上的磁化本體表面形成自檢測電極。
[0031] 附圖2A和2B所示，參考步驟S10,提供襯底20,所述襯底20表面具有至少一個凸 臺21。附圖2A是襯底20的主視圖，而附圖2B是附圖2A沿著AA方向的剖面圖。關於凸臺 21的數目，本【具體實施方式】以三個凸臺表示，在其它的【具體實施方式】，當然還可以包括更多 或者更少的凸臺，其排布方式也可以根據需要進行調整。所述凸臺21的截面形狀可以是矩 形或者梯形。
[0032] 附圖3所示，參考步驟S11，在所述襯底20和凸臺21的表面生成絕緣層32。此步 驟為可選步驟，對於襯底20和凸臺21的材料為導電材料，例如N型或者P型的單晶矽，應 當實施此步驟以實現電學隔離；若襯底20和凸臺21本身已經是絕緣材料，此步驟可省略。 絕緣層32還具有籽晶層的作用，有利於提升後續沉積磁材料的性能。
[0033] 附圖4所示，參考步驟S12,在凸臺21側壁和襯底20的表面形成Z軸磁感應單元 43,並在襯底的表面形成感測單元44,所述Z軸磁感應單元43包括一與凸臺31側壁貼合的 磁化本體43a以及一延伸至襯底20表面的引出端43b，所述Z軸磁感應單元43和感測單元 44包含有磁性材料，並可以進一步包含磁性材料的保護層以在後續工藝中對磁性材料進行 保護。感測單元44與引出端43b之間間隔一距離，感測單元44與引出端43b之間間隔的 距離小於5微米，感測單元44與引出端43b可以貼合在一起。在同一凸臺21的表面可以 形成一個或者多個Z軸磁感應單元43,本【具體實施方式】僅以一個舉例說明。在其它的具體 實施方式中，Z軸磁感應單元43的數目也可以是多個，並且多個Z軸磁感應單元43設置在 凸臺21的同側的側壁表面。本步驟進一步可以採用半導體工藝實現，即首先在襯底20和 凸臺21的表面形成連續的包含磁性材料和保護層的連續覆蓋層，再採用光刻和刻蝕等工 藝將連續的覆蓋層圖形化，形成Z軸磁感應單元43和感測單元44。上述步驟中，在形成磁 性材料薄膜時，在襯底20上可以進一步同時施加一磁場，用以誘導磁性材料使其具有一預 設的磁化方向，並使磁性材料具有較好的性能。上述的步驟實施完畢後還可以包括退火的 過程：在襯底20上施加一固定方向的磁場進行退火，提高磁性材料的性能。
[0034] 所謂Z軸的方向是指與襯底20所在平面垂直方向，在Z軸具有磁場的情況下，磁 化本體43a的磁化方向發生改變，並且使引出端43b的磁化方向發生改變。感測單元44與 引出端43b之間間隔一距離，在引出端43b的磁化方向發生改變的情況下，感測單元44被 感應也導致磁化方向發生改變，這樣可以將Z軸的磁場引導到襯底20所在的平面進行測 量。感測單元44與引出端43b之間的間隔距離以感測單元44能夠感應到引出端43b的磁 場變化為標準。從上述測試原理可知，磁化本體43a與襯底20表面垂直最有利於收集Z軸 方向的磁場，但這意味著凸臺21的側壁也是垂直的，而垂直的側壁不容易在其表面形成覆 蓋層。故凸臺21的側壁可以略有傾角以利於形成覆蓋層，所述磁化本體43a與襯底30表 面的夾角範圍以45°至90°之間為宜。
[0035] 進一步地，當將Z軸的磁場引導到襯底20所在的平面進行測量時，若在-Y平面內 同時也有磁場，則感測單元44同時也有可能檢測水平面內垂直於感測單元方向的磁場，對 於檢測Z軸方向時，該水平方向的磁場就是幹擾。一種優選的方式是通過在X-Y平面內形 成四個本【具體實施方式】所示的磁傳感器結構並組成對稱電橋的方法來抵消，所謂對稱電橋 是指同側的兩個橋臂隨著X-Y平面內的磁場變化而呈現相同趨勢變化，從而抵消掉輸出端 的電壓對X-Y平面內的磁場的敏感性，從而使Z軸檢測單元檢測到的是純粹的Z軸信號。
[0036] 所述磁性材料選自於各項異性磁阻（AMR)材料、巨磁阻（GMR)材料以及隧道磁阻 (TMR)材料中的任意一種，例如可以是NiFe材料等。
[0037] 保護層材料可以是Ta，TaN或者TiN材料，其目的是保護磁材料層，使其在工藝和 應用的過程中不會發生磁性能的變化，同時也起到連接磁材料層和後續電極層的目的。
[0038] 附圖5所示，參考步驟S13,在所述襯底表面形成連續的電極層55,所述電極層55 亦覆蓋入所述凸臺21的表面。形成電極層55的工藝例如可以是沉積工藝等，電極層55的 材料為單層或者多層材料，例如可以是Al、AlCu、AlSi等，或為Ti/TiN/AlCu/TiN/Ti、AlCu/ TiN等多層結構。
[0039] 在沉積電極層55之前，可以在Z軸磁感應單元43和感測單元44的表面沉積介 質層(未圖示)，用以更好地保護磁傳感部件，避免其在工藝的過程中被損壞、氧化、影響。沉 積介質層後，還需要在感測單元44上方開相應的通孔，從而實現測試單元與電極的電學連 通。
[0040] 附圖6所示，參考步驟S14,圖形化所述電極層55,以在感測單元44表面形成工作 電極66，並同時在凸臺側壁上的磁化本體表面形成自檢測電極67。本步驟進一步可以採用 半導體平面工藝實現，即採用光刻和刻蝕等工藝將電極層55圖形化，形成工作電極66。工 作電極66用於同感測單元44配合，實現Z軸磁場導入襯底20所在平面後的探測，而自檢測 電極67可以用於為磁化本體43a施加 Z軸方向上的磁場，以測試其對Z軸磁場是否敏感， 以完成對Z軸傳感器的矯正。
[0041] 自檢測電極67平鋪於凸臺21的側面，緊貼在磁化本體43a或者介質層上，自檢測 電極67中通過垂直於附圖6圖面方向的電流時，自檢測電極67即會在凸臺21的側壁表 面形成與側壁平行的磁場信號（即是一個模擬的Z軸磁場信號)，該磁場信號會被磁化本體 43a輸出至感測單元44,從而讀出因為該磁場產生的電阻變化，此變化對應著磁場的感應。 因為自檢測電極67所產生的磁場與施加電流的強度和方向對應，因此就能夠通過該自檢 測電極實現Z軸傳感器的自檢測和矯正。在磁傳感器的應用中，對應平面（X和Y軸）方向 磁傳感器的自檢測相對容易，對應Z軸的自檢測比較困難。本發明提供一種對Z軸磁傳感 器自檢測的功能，並且不額外增加工藝步驟，具有明顯競爭力。
[0042] 附圖7所示是上述步驟實施完畢後的襯底20的主視圖。本【具體實施方式】以三個 凸臺21為例，採用上述方法所獲得的磁傳感器，包括襯底20、襯底20表面的凸臺21、在凸 臺21側壁和襯底20表面的Z軸磁感應單元43、在襯底20的表面的感測單元44、感測單元 44表面的工作電極66、以及Z軸磁感應單元43表面的自檢測電極67。所述Z軸磁感應單 元43包括一與凸臺21側壁貼合的磁化本體43a以及一露出在襯底20表面的引出端43b， 所述Z軸磁感應單元43和感測單元44包含有磁性材料。感測單元44與引出端43b之間 間隔一距離，感測單元44與引出端43b之間間隔的距離小於5微米，感測單元44與引出端 43b可以貼合在一起。在同一凸臺21的表面可以形成一個或者多個Z軸磁感應單元43,本

【具體實施方式】僅以一個舉例說明。在其它的【具體實施方式】中，Z軸磁感應單元43的數目也 可以是多個，並且多個Z軸磁感應單元43設置在凸臺21的同側的側壁表面。在襯底20的 進一步具有連接不同凸臺21表面各自檢測電極67的電連接部分。工作電極66用於同感 測單元44配合，實現Z軸磁場導入襯底20所在平面後的探測，而自檢測電極67可以用於 產生一 Z軸磁場，用以直接測試磁化本體43a對Z軸磁場是否敏感。在自檢測電極67中通 入垂直圖面方向的電流可以在Z軸方向產生一磁場，該磁場可以引起磁化本體43a的磁化 方向發生改變，從而定性地測出磁化本體43a是否對Z軸磁場敏感。
[0043] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人 員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種磁傳感器的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟： 提供襯底，所述襯底表面具有至少一個凸臺； 在凸臺的側壁和襯底的表面形成Z軸磁感應單元，並在襯底的表面形成感測單元，所 述Z軸磁感應單元包括一與凸臺側壁貼合的磁化本體以及一延伸至襯底表面的引出端，所 述Z軸磁感應單元和感測單元包含有磁性材料； 在所述襯底表面形成連續的電極層，所述電極層亦覆蓋所述凸臺； 圖形化所述電極層，以在感測單元表面形成工作電極，並同時在凸臺側壁上的磁化本 體表面形成自檢測電極。
2. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，所述襯底表面進一步包 括多個凸臺，所述圖形化所述電極層的步驟中，進一步在襯底表面形成連接不同凸臺表面 各自檢測電極的電連接部分。
3. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，在形成Z軸磁感應單元和 感測單元的步驟之前，進一步包括在所述襯底和凸臺的表面生成絕緣層的步驟。
4. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，所述磁性材料選自於各 項異性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一種。
5. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，在形成磁性材料時，在襯 底上同時施加一磁場，用以誘導磁性材料的磁化方向。
6. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，在形成Z軸磁感應單元和 感測單元後，在襯底上施加一磁場進行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
7. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，所述磁化本體與襯底表 面的夾角為45°至90°之間。
8. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，感測單元與引出端之間 間隔一距離，所述距離小於5微米。
9. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，感測單元與引出端之間 相互貼合。
10. 根據權利要求1所述的磁傳感器的製備方法，其特徵在於，在形成連續的電極層步 驟之前，進一步包括如下步驟： 在所述Z軸磁感應單元和感測單元的表面形成介質層； 在感測單元表面的介質層中形成通孔，使感測單元與後續形成的工作電極接觸。
11. 一種採用權利要求1所述方法製作的磁傳感器，包括： 襯底； 襯底表面的至少一個凸臺； 在凸臺側壁和襯底表面的Z軸磁感應單元、以及在襯底的表面的感測單元，所述Z軸磁 感應單元包括一與凸臺側壁貼合的磁化本體以及一延伸至襯底表面的引出端，所述Z軸磁 感應單元和感測單元包含有磁性材料； 感測單元表面具有工作電極，其特徵在於， 在溝槽內的磁化本體表面進一步具有自檢測電極。
12. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，所述襯底表面進一步包括多個凸 臺，在凸臺表面進一步包括連接不同凸臺表面各自檢測電極的電連接部分。
13. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，在所述襯底和凸臺的表面包括一 絕緣層，所述Z軸磁感應單元和感測單元進一步是設置於所述絕緣層的表面。
14. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，所述磁性材料選自於各項異性磁 阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一種。
15. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，所述磁性材料具有一預設的誘導 磁化方向。
16. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，所述磁化本體與襯底表面的夾角 為45°至90°之間。
17. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，所述Z軸磁感應單元和感測單元的 表面具有介質層，在感測單元上方開有通孔以與工作電極接觸。
18. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，感測單元與引出端之間間隔一距 離，所述距離小於5微米。
19. 根據權利要求11所述的磁傳感器，其特徵在於，感測單元與引出端之間相互貼合。
【文檔編號】G01R33/09GK104218149SQ201310214969
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2013年5月31日
【發明者】張挺, 楊鶴俊, 萬旭東 申請人:上海矽睿科技有限公司