MEMS三轴AMR磁力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别是涉及一种MEMS三轴各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto Resistance，AMR)磁力传感器的制造方法。

背景技术

磁电阻(Magneto Resistance，MR)效应是指物质的电阻会随外加磁场的改变而变化的现象。按照磁电阻的大小和机理不同可分为，正常磁电阻效应(OMR)、AMR效应、巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)和超巨磁电阻效应(Colossal MagnetoResistance，CMR)等。

对于AMR效应，在居里温度以下，铁磁金属的电阻率会随电流I和磁化强度M的相对取向而异，呈现出各向异性的现象。利用AMR效应能够测量磁场大小和方向的传感器，AMR磁力传感器具有体积小，功耗低，灵敏度高，抗干扰能力强，可靠性高等优点。AMR磁力传感器能够应用于地磁导航、数字智能罗盘、位置测量和伪钞鉴别等方面，应用前景广阔。

AMR磁力传感器也能应用于微机电系统(MEMS)中，在采用3轴(3D)AMR磁力传感器的MEMS中，现有3D AMR磁力传感器的各向异性磁阻材料层一般采用坡莫合金即铁镍(NiFe)合金形成。现有三轴AMR磁力传感器包括X轴AMR磁力传感器、Y轴AMR磁力传感器和Z轴AMR磁力传感器。X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器都为水平方向AMR磁力传感器，Z轴AMR磁力传感器则会实现垂直方向AMR磁力传感器。X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器形成于衬底表面即可，而Z轴AMR磁力传感器则需要形成于沟槽的侧壁表面。

如图1所示，是现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器102处的版图示意图；如图2所示，是现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的剖面结构图；现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器102的形成区域由沟槽101定义。

所述沟槽101形成于第一介质层104中，所述Z轴AMR磁力传感器102形成在所述沟槽101的侧面上，所述Z轴AMR磁力传感器102的第一侧长度边缘位于所述沟槽101的顶部并延伸到所述沟槽101外的所述第一介质层104的表面，所述Z轴AMR磁力传感器102的第二侧长度边缘位于所述沟槽101的底部表面上。

Z轴电极103形成在所述Z轴AMR磁力传感器102的选定区域的表面上，所述Z轴电极103的第一侧宽度边缘位于所述沟槽101的顶部并延伸到所述Z轴AMR磁力传感器102的第一侧长度边缘外的所述第一介质层104的表面，所述Z轴电极103的第二侧宽度边缘位于所述沟槽101的底部的所述Z轴AMR磁力传感器102上且位于所述Z轴AMR磁力传感器102的第二侧长度边缘的外侧。

另外，所述三轴AMR磁力传感器的X轴AMR磁力传感器(未显示)和Y轴AMR磁力传感器(未显示)形成于所述沟槽101外的所述第一介质层104表面。

所述Z轴AMR磁力传感器102包括各向异性磁阻材料层，在所述各向异性磁阻材料层的表面还形成有第二保护层和第三SiN层。较佳为，各向异性磁阻材料层包括坡莫合金即FeNi。

X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器的组成结构和所述Z轴AMR磁力传感器102的组成结构相同。

所述沟槽101的第一侧面和第二侧面上都形成有所述Z轴AMR磁力传感器102，所述沟槽101的第一侧面和第二侧面为沿所述沟槽101的长度方向上的两个侧面。

在延伸所述沟槽101的长度方向上，所述Z轴AMR磁力传感器102上形成有多个所述Z轴电极103，各所述Z轴电极103互相平行。

所述Z轴电极103为Barber电极，所述Z轴电极103的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器102的长度边呈45度的的夹角。

MEMS三轴AMR磁力传感器和CMOS器件集成在同一半导体衬底上。

所述第一介质层采用第一层间膜。

所述Z轴电极103的第二侧宽度边缘和所述Z轴AMR磁力传感器102的第二侧长度边缘的间距d101大于等于0.2微米。

所述Z轴电极103由第一层金属层(M1)图形化形成。由于所述Z轴电极103的第二侧宽度边缘位于所述Z轴AMR磁力传感器102的第二侧长度边缘的外侧，故在第一层金属层图形化对应的刻蚀工艺中，过刻蚀会在所述Z轴电极103的第二侧宽度边缘的所述沟槽中形成微沟槽105，微沟槽105的照片请参考图3A和图3B所示。微沟槽105容易产生弱点(weakpoint)区域，从而导致器件失效，影响良率。

通过对第一层金属层的刻蚀条件条件优化后，能使微沟槽105基本消失，但是存在麻点(pitting)缺陷；由于过刻蚀减少，平面2D区，SiN损失(loss)小于

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS三轴AMR磁力传感器，能防止Z轴电极的刻蚀工艺在沟槽的底部形成微沟槽并同时能提高工艺窗口，能防止形成弱点区域并防止由于弱点区域而使器件失效；为此，本发明还提供一种MEMS三轴AMR磁力传感器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器的形成区域由沟槽定义。

所述沟槽形成于第一介质层中，所述Z轴AMR磁力传感器形成在所述沟槽的侧面上，所述Z轴AMR磁力传感器的第一侧长度边缘位于所述沟槽的顶部并延伸到所述沟槽外的所述第一介质层的表面，所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘位于所述沟槽的底部表面上。

Z轴电极形成在所述Z轴AMR磁力传感器的选定区域的表面上，所述Z轴电极的第一侧宽度边缘位于所述沟槽的顶部并延伸到所述Z轴AMR磁力传感器的第一侧长度边缘外的所述第一介质层的表面，所述Z轴电极的第二侧宽度边缘位于所述沟槽的底部的所述Z轴AMR磁力传感器上且位于所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘的内侧。

进一步的改进是，所述三轴AMR磁力传感器的X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器形成于所述沟槽外的所述第一介质层表面。

进一步的改进是，所述Z轴AMR磁力传感器包括各向异性磁阻材料层，在所述各向异性磁阻材料层的表面还形成有第二保护层和第三SiN层。

X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器的组成结构和所述Z轴AMR磁力传感器的组成结构相同。

进一步的改进是，所述沟槽的第一侧面和第二侧面上都形成有所述Z轴AMR磁力传感器，所述沟槽的第一侧面和第二侧面为沿所述沟槽的长度方向上的两个侧面。

进一步的改进是，在延伸所述沟槽的长度方向上，所述Z轴AMR磁力传感器上形成有多个所述Z轴电极，各所述Z轴电极互相平行。

进一步的改进是，所述Z轴电极为Barber电极，所述Z轴电极的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器的长度边呈小于90度的倾角。

进一步的改进是，MEMS三轴AMR磁力传感器和CMOS器件集成在同一半导体衬底上；

所述Z轴电极由第一层金属层图形化形成。

进一步的改进是，所述Z轴电极的第二侧宽度边缘和所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘的间距大于等于0.2微米。

为解决上述技术问题，本发明提供的MEMS三轴AMR磁力传感器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、在第一介质层中形成用于定义三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器的形成区域的沟槽。

步骤二、在所述沟槽的侧面上形成所述Z轴AMR磁力传感器，所述Z轴AMR磁力传感器的第一侧长度边缘位于所述沟槽的顶部并延伸到所述沟槽外的所述第一介质层的表面，所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘位于所述沟槽的底部表面上。

步骤三、形成Z轴电极，包括如下分步骤：

形成Z轴电极金属层。

定义出所述Z轴电极的形成区域。

对所述Z轴电极金属层进行刻蚀形成所述Z轴电极。

所述Z轴电极的第一侧宽度边缘位于所述沟槽的顶部并延伸到所述Z轴AMR磁力传感器的第一侧长度边缘外的所述第一介质层的表面，所述Z轴电极的第二侧宽度边缘位于所述沟槽的底部的所述Z轴AMR磁力传感器上且位于所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘的内侧。

进一步的改进是，步骤二还同时在所述沟槽外的所述第一介质层表面形成所述三轴AMR磁力传感器的X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器。

进一步的改进是，步骤二包括如下分步骤：

依次形成磁性材料层、第二保护层和第三SiN层。

定义出所述X轴AMR磁力传感器、所述Y轴AMR磁力传感器和所述Z轴AMR磁力传感器的形成区域。

依次对所述第三SiN、所述第二保护层和所述磁性材料层进行刻蚀形成所述X轴AMR磁力传感器、所述Y轴AMR磁力传感器和所述Z轴AMR磁力传感器。

进一步的改进是，所述沟槽的第一侧面和第二侧面上都形成有所述Z轴AMR磁力传感器，所述沟槽的第一侧面和第二侧面为沿所述沟槽的长度方向上的两个侧面。

进一步的改进是，在延伸所述沟槽的长度方向上，所述Z轴AMR磁力传感器上形成有多个所述Z轴电极，各所述Z轴电极互相平行。

进一步的改进是，所述Z轴电极为Barber电极，所述Z轴电极的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器的长度边呈小于90度的倾角。

进一步的改进是，MEMS三轴AMR磁力传感器和CMOS器件集成在同一半导体衬底上。

进一步的改进是，所述Z轴电极金属层为第一层金属层。

进一步的改进是，所述Z轴电极的第二侧宽度边缘和所述Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘的间距大于等于0.2微米。

本发明对Z轴电极的第二侧宽度边缘和Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘的位置关系做了特别的设置，和现有技术中将Z轴电极的第二侧宽度边缘设置在Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘外侧不同，本发明将Z轴电极的第二侧宽度边缘设置在Z轴AMR磁力传感器的第二侧长度边缘内侧，这样能防止在Z轴电极形成工艺的刻蚀过程中对沟槽底部的第一介质层进行过刻蚀而产生微沟槽以及能防止为避免产生微沟槽而减少过刻蚀时形成金属桥接缺陷，所以本发明能防止Z轴电极的刻蚀工艺在沟槽的底部形成微沟槽的同时依然能进行较多的过刻蚀从而能同时提高工艺窗口，能防止形成弱点区域并防止由于弱点区域而使器件失效，最后能提高产品良率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的版图示意图；

图2是现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的剖面结构图；

图3A是现有MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的电子照片；

图3B是图3A中微沟槽处的放大照片；

图4是本发明实施例MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的版图示意图；

图5是本发明实施例MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的剖面结构图。

具体实施方式

如图4所示，是本发明实施例MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的版图示意图；如图5所示，是本发明实施例MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器处的剖面结构图；本发明实施例MEMS三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器202的形成区域由沟槽201定义。

所述沟槽201形成于第一介质层204中，所述Z轴AMR磁力传感器202形成在所述沟槽201的侧面上，所述Z轴AMR磁力传感器202的第一侧长度边缘位于所述沟槽201的顶部并延伸到所述沟槽201外的所述第一介质层204的表面，所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘位于所述沟槽201的底部表面上。

Z轴电极203形成在所述Z轴AMR磁力传感器202的选定区域的表面上，所述Z轴电极203的第一侧宽度边缘位于所述沟槽201的顶部并延伸到所述Z轴AMR磁力传感器202的第一侧长度边缘外的所述第一介质层204的表面，所述Z轴电极203的第二侧宽度边缘位于所述沟槽201的底部的所述Z轴AMR磁力传感器202上且位于所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘的内侧。

本发明实施例中，所述三轴AMR磁力传感器的X轴AMR磁力传感器(未显示)和Y轴AMR磁力传感器(未显示)形成于所述沟槽201外的所述第一介质层204表面。

所述Z轴AMR磁力传感器202包括各向异性磁阻材料层，在所述各向异性磁阻材料层的表面还形成有第二保护层和第三SiN层。较佳为，各向异性磁阻材料层包括坡莫合金。

X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器的组成结构和所述Z轴AMR磁力传感器202的组成结构相同。

所述沟槽201的第一侧面和第二侧面上都形成有所述Z轴AMR磁力传感器202，所述沟槽201的第一侧面和第二侧面为沿所述沟槽201的长度方向上的两个侧面。

在延伸所述沟槽201的长度方向上，所述Z轴AMR磁力传感器202上形成有多个所述Z轴电极203，各所述Z轴电极203互相平行。

所述Z轴电极203为Barber电极，所述Z轴电极203的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器202的长度边呈小于90度的倾角。较佳为，所述Z轴电极203的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器202的长度边具有45度的夹角。

MEMS三轴AMR磁力传感器和CMOS器件集成在同一半导体衬底上。

所述Z轴电极203由第一层金属层图形化形成。

所述第一介质层采用第一层间膜。

所述Z轴电极203的第二侧宽度边缘和所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘的间距d1大于等于0.2微米。

本发明实施例对Z轴电极203的第二侧宽度边缘和Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘的位置关系做了特别的设置，和现有技术中将Z轴电极203的第二侧宽度边缘设置在Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘外侧不同，本发明将Z轴电极203的第二侧宽度边缘设置在Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘内侧，这样能防止在Z轴电极203形成工艺的刻蚀过程中对沟槽201底部的第一介质层204进行过刻蚀而产生微沟槽201以及能防止为避免产生微沟槽201而减少过刻蚀时形成金属桥接缺陷，所以本发明实施例能防止Z轴电极203的刻蚀工艺在沟槽201的底部形成微沟槽201的同时依然能进行较多的过刻蚀从而能同时提高工艺窗口，能防止形成弱点区域并防止由于弱点区域而使器件失效，最后能提高产品良率。

本发明提供的MEMS三轴AMR磁力传感器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、在第一介质层204中形成用于定义三轴AMR磁力传感器的Z轴AMR磁力传感器202的形成区域的沟槽201。

步骤二、在所述沟槽201的侧面上形成所述Z轴AMR磁力传感器202，所述Z轴AMR磁力传感器202的第一侧长度边缘位于所述沟槽201的顶部并延伸到所述沟槽201外的所述第一介质层204的表面，所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘位于所述沟槽201的底部表面上。

本发明实施例方法中，步骤二还同时在所述沟槽201外的所述第一介质层204表面形成所述三轴AMR磁力传感器的X轴AMR磁力传感器和Y轴AMR磁力传感器。

步骤二包括如下分步骤：

依次形成磁性材料层、第二保护层和第三SiN层。较佳为，各向异性磁阻材料层包括坡莫合金。

定义出所述X轴AMR磁力传感器、所述Y轴AMR磁力传感器和所述Z轴AMR磁力传感器202的形成区域。

依次对所述第三SiN、所述第二保护层和所述磁性材料层进行刻蚀形成所述X轴AMR磁力传感器、所述Y轴AMR磁力传感器和所述Z轴AMR磁力传感器202。

所述沟槽201的第一侧面和第二侧面上都形成有所述Z轴AMR磁力传感器202，所述沟槽201的第一侧面和第二侧面为沿所述沟槽201的长度方向上的两个侧面。

步骤三、形成Z轴电极203，包括如下分步骤：

形成Z轴电极203金属层。

定义出所述Z轴电极203的形成区域。

对所述Z轴电极203金属层进行刻蚀形成所述Z轴电极203。

所述Z轴电极203的第一侧宽度边缘位于所述沟槽201的顶部并延伸到所述Z轴AMR磁力传感器202的第一侧长度边缘外的所述第一介质层204的表面，所述Z轴电极203的第二侧宽度边缘位于所述沟槽201的底部的所述Z轴AMR磁力传感器202上且位于所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘的内侧。较佳为，所述Z轴电极203的第二侧宽度边缘和所述Z轴AMR磁力传感器202的第二侧长度边缘的间距d1大于等于0.2微米。

本发明实施例方法中，在延伸所述沟槽201的长度方向上，所述Z轴AMR磁力传感器202上形成有多个所述Z轴电极203，各所述Z轴电极203互相平行。

所述Z轴电极203为Barber电极，所述Z轴电极203的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器202的长度边呈小于90度的倾角。较佳为，所述Z轴电极203的长度边和所述Z轴AMR磁力传感器202的长度边呈45度的倾角。

MEMS三轴AMR磁力传感器和CMOS器件集成在同一半导体衬底上。所述Z轴电极203金属层为第一层金属层。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。