CN104218149B - 磁传感器的制备方法以及磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁传感器的制备方法以及磁传感器。所述方法包括如下步骤：提供衬底，所述衬底表面具有至少一个凸台；在凸台和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括磁化本体以及引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦覆盖所述凸台；图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在凸台侧壁上的磁化本体表面形成自检测电极。本发明的优点在于，在磁化本体的表面设置了自检测电极，可以用于直接测试磁化本体对Z轴磁场是否敏感。
Description
技术领域
本发明属于电子通讯技术领域，涉及一种磁传感器，尤其涉及一种磁传感器的制备方法以及磁传感器。
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***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。现有技术中的磁传感器通常是平面磁传感器，可以用来测量平面上的磁场强度和方向。
近年来，磁传感器的需求开始从两轴向三轴发展。平面上的磁场强度和方向例如可以用X和Y轴两个方向来表示，则三轴传感器同时还应当能够测量与X-Y轴所在平面垂直方向，即Z轴方向上的磁场强度和方向。对同时能够测量三个轴的磁传感器，即称为三轴磁传感器。
在三轴磁传感器领域，如何准确地对每个传感单元进行测试，尤其是对Z轴灵敏程度的测试，成为了本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁传感器，能够对反映Z轴磁场变化的磁化本体进行测试，并进一步提供其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种磁传感器的制备方法，包括如下步骤：提供衬底，所述衬底表面具有至少一个凸台；在凸台的侧壁和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与凸台侧壁贴合的磁化本体以及一延伸至衬底表面的引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦覆盖所述凸台；图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在凸台侧壁上的磁化本体表面形成自检测电极。
可选的，所述衬底表面进一步包括多个凸台，所述图形化所述电极层的步骤中，进一步在衬底表面形成连接不同凸台表面各自检测电极的电连接部分。
可选的，在形成Z轴磁感应单元和感测单元的步骤之前，进一步包括在所述衬底和凸台的表面生成绝缘层的步骤。
可选的，所述磁性材料选自于各项异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
可选的，在形成磁性材料时，在衬底上同时施加一磁场，用以诱导磁性材料的磁化方向。
可选的，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
可选的，在形成连续的电极层步骤之前，进一步包括如下步骤：在所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面形成介质层；在感测单元表面的介质层中形成通孔，使感测单元与后续形成的工作电极接触。
可选的，在形成Z轴磁感应单元和感测单元磁性材料后，在衬底上施加一磁场进行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
可选的，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述距离小于5微米。
可选的，感测单元与引出端之间相互贴合。
本发明进一步提供了一种采用上述方法制作的磁传感器，包括：衬底；衬底表面的至少一个凸台；在凸台侧壁和衬底表面的Z轴磁感应单元、以及在衬底的表面的感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与凸台侧壁贴合的磁化本体以及一延伸至衬底表面的引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；感测单元表面具有工作电极，在沟槽内的磁化本体表面进一步具有自检测电极。
可选的，所述衬底表面进一步包括多个凸台，在凸台表面进一步包括连接不同凸台表面各自检测电极的电连接部分。
可选的，在所述衬底和凸台的表面包括一绝缘层，所述Z轴磁感应单元和感测单元进一步是设置于所述绝缘层的表面。
可选的，所述磁性材料选自于各项异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
可选的，所述磁性材料具有一预设的诱导磁化方向。
可选的，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
可选的，所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面具有介质层，在感测单元上方开有通孔以与工作电极接触。
可选的，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述距离小于5微米。
可选的，感测单元与引出端之间相互贴合。
本发明的优点在于，在磁化本体的表面设置了自检测电极，可以用于直接测试磁化本体对Z轴磁场是否敏感。自检测电极中通过垂直于图面方向的电流时，电极即会在凸台的侧壁处形成与侧壁平行的磁场信号（即是一个模拟的Z轴磁场信号），该磁场信号会被磁化本体输出至感测单元，从而读出因为该磁场产生的电阻变化，此变化对应着磁场的感应。因为自检测电极所产生的磁场与施加电流的强度和方向对应，因此就能够通过该自检测电极实现Z轴传感器的自检测和矫正。在磁传感器的应用中，对应平面（X和Y轴）方向磁传感器的自检测相对容易，对应Z轴的自检测比较困难。本发明提供一种对Z轴磁传感器自检测的功能，并且不额外增加工艺步骤，具有明显竞争力。并且该自检测电极与工作电极在同一步骤中同时形成，因此并未增加制作工艺的复杂程度，该自检测电极也仅是设置在磁化本体表面，并未改变磁化本体的形状和位置，因此也不会影响到磁传感器固有的各种特性。
附图说明
附图1所示是本发明所述方法具体实施方式的实施步骤示意图。
附图2A至附图7所示是本发明所述方法具体实施方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的磁传感器的制备方法以及磁传感器的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明所述方法具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供衬底，所述衬底表面具有至少一个凸台；步骤S11，在所述衬底和凸台的表面生成绝缘层；步骤S12，在凸台侧壁和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与凸台侧壁贴合的磁化本体以及一延伸至衬底表面的引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；步骤S13，在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦覆盖所述凸台；步骤S14，图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在凸台侧壁上的磁化本体表面形成自检测电极。
附图2A和2B所示，参考步骤S10，提供衬底20，所述衬底20表面具有至少一个凸台21。附图2A是衬底20的主视图，而附图2B是附图2A沿着AA方向的剖面图。关于凸台21的数目，本具体实施方式以三个凸台表示，在其它的具体实施方式，当然还可以包括更多或者更少的凸台，其排布方式也可以根据需要进行调整。所述凸台21的截面形状可以是矩形或者梯形。
附图3所示，参考步骤S11，在所述衬底20和凸台21的表面生成绝缘层32。此步骤为可选步骤，对于衬底20和凸台21的材料为导电材料，例如N型或者P型的单晶硅，应当实施此步骤以实现电学隔离；若衬底20和凸台21本身已经是绝缘材料，此步骤可省略。绝缘层32还具有籽晶层的作用，有利于提升后续沉积磁材料的性能。
附图4所示，参考步骤S12，在凸台21侧壁和衬底20的表面形成Z轴磁感应单元43，并在衬底的表面形成感测单元44，所述Z轴磁感应单元43包括一与凸台31侧壁贴合的磁化本体43a以及一延伸至衬底20表面的引出端43b，所述Z轴磁感应单元43和感测单元44包含有磁性材料，并可以进一步包含磁性材料的保护层以在后续工艺中对磁性材料进行保护。感测单元44与引出端43b之间间隔一距离，感测单元44与引出端43b之间间隔的距离小于5微米，感测单元44与引出端43b可以贴合在一起。在同一凸台21的表面可以形成一个或者多个Z轴磁感应单元43，本具体实施方式仅以一个举例说明。在其它的具体实施方式中，Z轴磁感应单元43的数目也可以是多个，并且多个Z轴磁感应单元43设置在凸台21的同侧的侧壁表面。本步骤进一步可以采用半导体工艺实现，即首先在衬底20和凸台21的表面形成连续的包含磁性材料和保护层的连续覆盖层，再采用光刻和刻蚀等工艺将连续的覆盖层图形化，形成Z轴磁感应单元43和感测单元44。上述步骤中，在形成磁性材料薄膜时，在衬底20上可以进一步同时施加一磁场，用以诱导磁性材料使其具有一预设的磁化方向，并使磁性材料具有较好的性能。上述的步骤实施完毕后还可以包括退火的过程：在衬底20上施加一固定方向的磁场进行退火，提高磁性材料的性能。
所谓Z轴的方向是指与衬底20所在平面垂直方向，在Z轴具有磁场的情况下，磁化本体43a的磁化方向发生改变，并且使引出端43b的磁化方向发生改变。感测单元44与引出端43b之间间隔一距离，在引出端43b的磁化方向发生改变的情况下，感测单元44被感应也导致磁化方向发生改变，这样可以将Z轴的磁场引导到衬底20所在的平面进行测量。感测单元44与引出端43b之间的间隔距离以感测单元44能够感应到引出端43b的磁场变化为标准。从上述测试原理可知，磁化本体43a与衬底20表面垂直最有利于收集Z轴方向的磁场，但这意味着凸台21的侧壁也是垂直的，而垂直的侧壁不容易在其表面形成覆盖层。故凸台21的侧壁可以略有倾角以利于形成覆盖层，所述磁化本体43a与衬底30表面的夹角范围以45°至90°之间为宜。
进一步地，当将Z轴的磁场引导到衬底20所在的平面进行测量时，若在-Y平面内同时也有磁场，则感测单元44同时也有可能检测水平面内垂直于感测单元方向的磁场，对于检测Z轴方向时，该水平方向的磁场就是干扰。一种优选的方式是通过在X-Y平面内形成四个本具体实施方式所示的磁传感器结构并组成对称电桥的方法来抵消，所谓对称电桥是指同侧的两个桥臂随着X-Y平面内的磁场变化而呈现相同趋势变化，从而抵消掉输出端的电压对X-Y平面内的磁场的敏感性，从而使Z轴检测单元检测到的是纯粹的Z轴信号。
所述磁性材料选自于各项异性磁阻（AMR）材料、巨磁阻（GMR）材料以及隧道磁阻（TMR）材料中的任意一种，例如可以是NiFe材料等。
保护层材料可以是Ta，TaN或者TiN材料，其目的是保护磁材料层，使其在工艺和应用的过程中不会发生磁性能的变化，同时也起到连接磁材料层和后续电极层的目的。
附图5所示，参考步骤S13，在所述衬底表面形成连续的电极层55，所述电极层55亦覆盖入所述凸台21的表面。形成电极层55的工艺例如可以是沉积工艺等，电极层55的材料为单层或者多层材料，例如可以是Al、AlCu、AlSi等，或为Ti/TiN/AlCu/TiN/Ti、AlCu/TiN等多层结构。
在沉积电极层55之前，可以在Z轴磁感应单元43和感测单元44的表面沉积介质层（未图示），用以更好地保护磁传感部件，避免其在工艺的过程中被损坏、氧化、影响。沉积介质层后，还需要在感测单元44上方开相应的通孔，从而实现测试单元与电极的电学连通。
附图6所示，参考步骤S14，图形化所述电极层55，以在感测单元44表面形成工作电极66，并同时在凸台侧壁上的磁化本体表面形成自检测电极67。本步骤进一步可以采用半导体平面工艺实现，即采用光刻和刻蚀等工艺将电极层55图形化，形成工作电极66。工作电极66用于同感测单元44配合，实现Z轴磁场导入衬底20所在平面后的探测，而自检测电极67可以用于为磁化本体43a施加Z轴方向上的磁场，以测试其对Z轴磁场是否敏感，以完成对Z轴传感器的矫正。
自检测电极67平铺于凸台21的侧面，紧贴在磁化本体43a或者介质层上，自检测电极67中通过垂直于附图6图面方向的电流时，自检测电极67即会在凸台21的侧壁表面形成与侧壁平行的磁场信号（即是一个模拟的Z轴磁场信号），该磁场信号会被磁化本体43a输出至感测单元44，从而读出因为该磁场产生的电阻变化，此变化对应着磁场的感应。因为自检测电极67所产生的磁场与施加电流的强度和方向对应，因此就能够通过该自检测电极实现Z轴传感器的自检测和矫正。在磁传感器的应用中，对应平面（X和Y轴）方向磁传感器的自检测相对容易，对应Z轴的自检测比较困难。本发明提供一种对Z轴磁传感器自检测的功能，并且不额外增加工艺步骤，具有明显竞争力。
附图7所示是上述步骤实施完毕后的衬底20的主视图。本具体实施方式以三个凸台21为例，采用上述方法所获得的磁传感器，包括衬底20、衬底20表面的凸台21、在凸台21侧壁和衬底20表面的Z轴磁感应单元43、在衬底20的表面的感测单元44、感测单元44表面的工作电极66、以及Z轴磁感应单元43表面的自检测电极67。所述Z轴磁感应单元43包括一与凸台21侧壁贴合的磁化本体43a以及一露出在衬底20表面的引出端43b，所述Z轴磁感应单元43和感测单元44包含有磁性材料。感测单元44与引出端43b之间间隔一距离，感测单元44与引出端43b之间间隔的距离小于5微米，感测单元44与引出端43b可以贴合在一起。在同一凸台21的表面可以形成一个或者多个Z轴磁感应单元43，本具体实施方式仅以一个举例说明。在其它的具体实施方式中，Z轴磁感应单元43的数目也可以是多个，并且多个Z轴磁感应单元43设置在凸台21的同侧的侧壁表面。在衬底20的进一步具有连接不同凸台21表面各自检测电极67的电连接部分。工作电极66用于同感测单元44配合，实现Z轴磁场导入衬底20所在平面后的探测，而自检测电极67可以用于产生一Z轴磁场，用以直接测试磁化本体43a对Z轴磁场是否敏感。在自检测电极67中通入垂直图面方向的电流可以在Z轴方向产生一磁场，该磁场可以引起磁化本体43a的磁化方向发生改变，从而定性地测出磁化本体43a是否对Z轴磁场敏感。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (19)
1. 一种磁传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底，所述衬底表面具有至少一个凸台；
在凸台的侧壁和衬底的表面形成Z轴磁感应单元，并在衬底的表面形成感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与凸台侧壁贴合的磁化本体以及一延伸至衬底表面的引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；
在所述衬底表面形成连续的电极层，所述电极层亦覆盖所述凸台；
图形化所述电极层，以在感测单元表面形成工作电极，并同时在凸台侧壁上的磁化本体表面形成自检测电极。
2. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底表面进一步包括多个凸台，所述图形化所述电极层的步骤中，进一步在衬底表面形成连接不同凸台表面各自检测电极的电连接部分。
3. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成Z轴磁感应单元和感测单元的步骤之前，进一步包括在所述衬底和凸台的表面生成绝缘层的步骤。
4. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁性材料选自于各项异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
5. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成磁性材料时，在衬底上同时施加一磁场，用以诱导磁性材料的磁化方向。
6. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成Z轴磁感应单元和感测单元后，在衬底上施加一磁场进行退火，用以提升磁性材料的磁性能。
7. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
8. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述距离小于5微米。
9. 根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，感测单元与引出端之间相互贴合。
10.根据权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在形成连续的电极层步骤之前，进一步包括如下步骤：
在所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面形成介质层；
在感测单元表面的介质层中形成通孔，使感测单元与后续形成的工作电极接触。
11.一种采用权利要求1所述方法制作的磁传感器，包括：
衬底；
衬底表面的至少一个凸台；
在凸台侧壁和衬底表面的Z轴磁感应单元、以及在衬底的表面的感测单元，所述Z轴磁感应单元包括一与凸台侧壁贴合的磁化本体以及一延伸至衬底表面的引出端，所述Z轴磁感应单元和感测单元包含有磁性材料；
感测单元表面具有工作电极，其特征在于，
在沟槽内的磁化本体表面进一步具有自检测电极。
12.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，所述衬底表面进一步包括多个凸台，在凸台表面进一步包括连接不同凸台表面各自检测电极的电连接部分。
13.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，在所述衬底和凸台的表面包括一绝缘层，所述Z轴磁感应单元和感测单元进一步是设置于所述绝缘层的表面。
14.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，所述磁性材料选自于各项异性磁阻材料、巨磁阻材料以及隧道磁阻材料中的任意一种。
15.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，所述磁性材料具有一预设的诱导磁化方向。
16.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，所述磁化本体与衬底表面的夹角为45°至90°之间。
17.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，所述Z轴磁感应单元和感测单元的表面具有介质层，在感测单元上方开有通孔以与工作电极接触。
18.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，感测单元与引出端之间间隔一距离，所述距离小于5微米。
19.根据权利要求11所述的磁传感器，其特征在于，感测单元与引出端之间相互贴合。
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