專利名稱：具有高形狀各向異性的xmr傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及集成電路(IC)傳感器，并且更尤其涉及具有非常高的形狀各向異性(shape anisotropy)的磁阻IC電流傳感器。
背景技術(shù)：
磁阻傳感器可以包括巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)、各向異性磁阻(AMR)和其它技術(shù)(統(tǒng)稱為xMR技術(shù))。對于這些xMR傳感器的一些應(yīng)用而言，需要xMR條帶的非常高的形狀各向異性，即xMR條帶的長度遠(yuǎn)大于寬度，或者反之亦然。例如，用于感測旋轉(zhuǎn)磁場的多個圈(turn)的多圈傳感器需要非常窄的xMR條帶寬度，諸如約為200納米(nm)或更低。 而且該寬度在晶片上以及逐個晶片都必須非常精確且一致以實(shí)現(xiàn)高制造產(chǎn)量。此外，在處理之后蝕刻側(cè)壁不能出現(xiàn)明顯的化學(xué)改性，因?yàn)檫@樣的侵蝕會導(dǎo)致性能漂移。換句話說，制造需要非常高的形狀各向異性的xMR傳感器面臨著許多挑戰(zhàn)。適用于批量生產(chǎn)xMR堆疊(stack)的傳統(tǒng)蝕刻過程非常難以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。例如，在傳統(tǒng)的制造過程中經(jīng)常使用離子束銑過程。然而，其中所使用的化學(xué)蝕刻或抗蝕劑(resist)去除過程會損壞側(cè)壁，由此使得磁性能有所衰退，并且會在晶片上提供非一致的特性，這二者都是明顯的缺陷。離子束銑過程也是緩慢的并且通常不適用于批量生產(chǎn)。因此，仍然需要改進(jìn)的xMR傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
在實(shí)施例中，一種磁阻傳感器元件包括第一磁阻堆疊部分，其包括自由層并且具有第一、第二、第三和第四側(cè)邊；和第二磁阻堆疊部分，其耦合到所述第一磁阻堆疊部分并且具有與所述第一、第二、第三和第四側(cè)邊均不齊平的第五、第六、第七和第八側(cè)邊。在另一個實(shí)施例中，一種制造磁阻傳感器元件的方法包括提供襯底；將電介質(zhì)層施加于所述襯底并且對所述電介質(zhì)層進(jìn)行構(gòu)造(structure)；施加自由層系統(tǒng)并對所述自由層系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造；將附加堆疊層施加于所述自由層系統(tǒng)上；并且對所述附加堆疊層進(jìn)行構(gòu)造以使得所述附加堆疊層的橫向尺寸大于所述自由層系統(tǒng)的橫向尺寸，并且所述附加堆疊層的側(cè)邊與所述自由層系統(tǒng)的側(cè)邊不齊平。在另一個實(shí)施例中，一種制造磁阻傳感器元件的方法包括提供襯底；將第一電介質(zhì)層施加于所述襯底；在所述第一電介質(zhì)層中形成溝槽；將xMR堆疊施加于所述第一電介質(zhì)層上，所述溝槽的高度大于所述xMR堆疊的高度；將第二電介質(zhì)層施加于所述xMR堆疊上；并且從所述第一電介質(zhì)層去除所述xMR堆疊和第二電介質(zhì)層的部分。在另一個實(shí)施例中，一種制造磁阻傳感器元件的方法包括提供襯底；在所述襯底上提供抗蝕層(resist layer)；對所述抗蝕層進(jìn)行構(gòu)造以形成具有負(fù)傾斜的側(cè)壁的溝槽；將自由層系統(tǒng)施加于所述抗蝕層上和所述溝槽之中，所述溝槽中的自由層系統(tǒng)與側(cè)壁間隔開；去除所述襯底上的部分抗蝕層和所述抗蝕層上的部分自由層系統(tǒng)；并且將剩余堆疊施加于所述襯底上的自由層系統(tǒng)上并對其進(jìn)行構(gòu)造。


通過考慮以下結(jié)合附圖對本發(fā)明各個實(shí)施例所進(jìn)行的詳細(xì)描述，可以更全面地理解本發(fā)明，其中
圖1描繪了根據(jù)實(shí)施例的XMR堆疊。圖2描繪了根據(jù)實(shí)施例的流程圖。圖3描繪了根據(jù)實(shí)施例的過程。圖4描繪了根據(jù)實(shí)施例的過程。圖5描繪了根據(jù)實(shí)施例的過程。雖然本發(fā)明可以有各種修改和替換形式，但是其細(xì)節(jié)已經(jīng)在圖中通過示例所示出并且將進(jìn)行詳細(xì)描述。然而應(yīng)當(dāng)理解的是，意圖并非把本發(fā)明局限于所描述的特定實(shí)施例。 相反，本發(fā)明要覆蓋落入所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同和替換形式。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例涉及具有非常高的形狀各向異性的xMR傳感器。實(shí)施例還涉及xMR堆疊的新穎構(gòu)造過程，其用于實(shí)現(xiàn)非常高的形狀各向異性而不對性能相關(guān)的磁場敏感層系統(tǒng)造成化學(xué)影響，同時還在晶片上提供相當(dāng)一致的結(jié)構(gòu)寬度，所述寬度在實(shí)施例中低至約100 nm。 實(shí)施例還可以提供xMR堆疊，其具有所定義橫向幾何形狀和/或平滑的性能相關(guān)自由層系統(tǒng)的側(cè)壁，這對于在晶片上實(shí)現(xiàn)均勻的磁特性是重要的。在實(shí)施例中，xMR堆疊的局部磁滯回路(minor loop)確定部件在不用直接的化學(xué)蝕刻過程的情況下進(jìn)行構(gòu)造并且實(shí)現(xiàn)了非常窄的寬度。所述xMR堆疊的構(gòu)造可以劃分為兩個過程第一過程，其中諸如通過鑲嵌(damascene)或剝離(lift-off)過程來構(gòu)造性能相關(guān)的自由層系統(tǒng)而不進(jìn)行直接蝕刻；以及第二過程，其中剩余堆疊通過傳統(tǒng)的蝕刻過程被耦合到傳感器層并且以寬松的(relaxed)橫向尺寸進(jìn)行構(gòu)造，即大于所述自由層系統(tǒng)。在實(shí)施例中，整個xMR堆疊都通過鑲嵌過程進(jìn)行構(gòu)造，這可以提供非常窄的xMR結(jié)構(gòu)而無需直接的化學(xué)蝕刻。圖1描繪了根據(jù)實(shí)施例的基于上自旋閥(TSV)原理的xMR堆疊100。在實(shí)施例中， 堆疊100包括種子層102，例如Ta、TaN、NiCr或一些其它適當(dāng)材料；自由層104，其為傳感器層并且例如可以是作為單層或多層組合的NiFe、C#e、CoFeB或一些其它適當(dāng)材料；第一非磁性層106，諸如TMR設(shè)備中的Cu、A1203/Mg0或一些其它適當(dāng)材料；基準(zhǔn)(reference)層 108或鐵磁層，諸如( 或一些其它適當(dāng)材料；第二非磁性層110，諸如Ru或一些其它適當(dāng)材料；壓制層(pinned layer) 112或另外的鐵磁層，諸如( 或一些其它適當(dāng)材料；自然反鐵磁體114，諸如IrMruPtMn或一些其它適當(dāng)材料；以及覆蓋層116，諸如Τει，TaN或一些其它適當(dāng)材料。種子層102和自由層104在這里將被稱作自由層系統(tǒng)103，堆疊100的其余部分被稱作剩余堆疊111。圖1所描繪的各種尺寸和厚度并非是依比例的。如之前所提到的，自由層系統(tǒng)103是堆疊100中的最為性能相關(guān)的部分。因此，在實(shí)施例中，堆疊100的構(gòu)造可以如圖2所示的那樣被劃分為兩個過程第一過程，其中諸如通過鑲嵌或剝離過程來構(gòu)造性能相關(guān)的自由層系統(tǒng)103而不進(jìn)行直接蝕刻；以及第二過程，其中剩余堆疊111通過傳統(tǒng)的蝕刻過程被耦合到傳感器層并且以寬松的橫向尺寸進(jìn)行構(gòu)造。參見圖3，描繪了根據(jù)實(shí)施例的自由層系統(tǒng)103的鑲嵌構(gòu)造過程。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，實(shí)施例可以包括比特別圖示的更多或更少的步驟；光刻過程例如可以在(a)和 (b)之間進(jìn)行但是并未予以描繪。在(a)，薄的電介質(zhì)120被施加于襯底118。在實(shí)施例中，襯底118具有其上施加以電介質(zhì)120的拋光表面，并且包括用于隨后提供到下方連線金屬的連接的兩個通孔122。 在實(shí)施例中，電介質(zhì)120包括氮化硅或氧化硅，并且以約等于自由層系統(tǒng)103所需厚度的厚度進(jìn)行施加?？梢栽谄渌鼘?shí)施例中使用其它適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)材料。如所描繪的，通孔122在處理期間被填塞以鎢。在(b)，利用針對襯底118的下方氧化物的高選擇性，向電介質(zhì)120中蝕刻具有自由層系統(tǒng)103的所需幾何形狀的溝槽124。在實(shí)施例中，溝槽124的寬度處于大約100 nm 至300 nm的范圍內(nèi)，在一個實(shí)施例中諸如為大約200 nm。在(c)，沉積自由層系統(tǒng)103。所沉積的自由層系統(tǒng)103在實(shí)施例中可以包括種子層102、自由層104以及任選的附加功能層。在(d)，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程去除電介質(zhì)120上的部分自由層系統(tǒng)103。自由層系統(tǒng)103保留在之前的溝槽124中。在(e)，沉積剩余堆疊111。在實(shí)施例中，剩余堆疊111已經(jīng)通過諸如化學(xué)、等離子或?yàn)R射蝕刻過程之類的標(biāo)準(zhǔn)蝕刻過程進(jìn)行了構(gòu)造，剩余堆疊111的尺寸相對于自由層系統(tǒng) 103的尺寸有所寬松，并且在對拋光的自由層103執(zhí)行調(diào)節(jié)過程之后進(jìn)行沉積。在實(shí)施例中，堆疊100因此包括第一部分(自由層系統(tǒng)103)和第二部分(剩余堆疊 111)。在一個實(shí)施例中，剩余堆疊111的橫向尺寸通常大于自由層系統(tǒng)103的橫向尺寸。例如，并且參見如圖3中在頁面上于(e)處所定向的堆疊100，剩余堆疊111的寬度(左右橫向尺寸)大于之前的溝槽124中的自由層系統(tǒng)103的寬度，并且剩余堆疊111的深度(到頁面中的橫向尺寸)也大于自由層系統(tǒng)103的深度。在另一個實(shí)施例中，剩余堆疊111的橫向尺寸通常小于自由層系統(tǒng)103的橫向尺寸。換句話說，自由層系統(tǒng)103的側(cè)壁部分與剩余堆疊111的側(cè)壁部分并不對齊或齊平。在另一個實(shí)施例中，堆疊100的整體可以按照鑲嵌過程進(jìn)行構(gòu)造。參見圖4，在(a) 將電介質(zhì)層120施加于襯底118。如圖3的實(shí)施例中的那樣，襯底118可以包括通孔122。 在實(shí)施例中，電介質(zhì)120的厚度大于整個xMR堆疊的厚度。在(b)，利用傳感器結(jié)構(gòu)(自由層系統(tǒng)103)的幾何形狀來形成溝槽124。如圖3的實(shí)施例中的那樣，可以進(jìn)行比圖4中特別所描繪的更多或更少的過程。例如可以在(a)和 (b)之間進(jìn)行光刻過程。在(c)，沉積整個xMR堆疊100，并且在(d)沉積諸如氧化物之類的另一個電介質(zhì)膜 126。在(e)，CMP過程去除溝槽IM之外的電介質(zhì)膜1 和xMR堆疊100。結(jié)果，僅在晶片上保留了堆疊100處于溝槽124中的部分。圖5中描繪了另一個實(shí)施例，其中與其它實(shí)施例中所討論的鑲嵌過程相比，通過使用剝離技術(shù)構(gòu)造xMR堆疊的自由層系統(tǒng)部分而并不進(jìn)行直接的化學(xué)蝕刻。在(a)，在襯底 118上提供結(jié)構(gòu)化抗蝕劑128，其在實(shí)施例中具有負(fù)傾斜的側(cè)壁。在其它實(shí)施例中，利用強(qiáng)剝離力來使用非負(fù)的傾斜側(cè)壁，諸如一個實(shí)施例中的洗滌器。在(b)，沉積自由層系統(tǒng)103。 接著去除襯底118上的抗蝕劑1 和自由層系統(tǒng)103。在實(shí)施例中，可以通過抗蝕劑溶劑的壓力噴射、抗蝕劑溶劑的超聲處理或者其它適當(dāng)過程來執(zhí)行這種去除。在(c)示出了剩余的結(jié)構(gòu)。在(d)，在一個實(shí)施例中在清潔了自由層系統(tǒng)103的表面之后，沉積根據(jù)傳統(tǒng)蝕刻過程所構(gòu)造的剩余堆疊111。通過實(shí)施例給出了各種優(yōu)勢。例如，諸如低至約100 nm的非常小的自由層系統(tǒng)尺寸成為可能，而無需復(fù)雜的xMR堆疊蝕刻過程。此外，那些尺寸在整個晶片上可以是高度一致的，并且自由層系統(tǒng)可以在晶片上具有一致的所需平滑側(cè)壁，由此提供高度一致的磁屬性。在利用鑲嵌過程的實(shí)施例中，自由層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以基于電介質(zhì)層的沿用已久的化學(xué)蝕刻。即使是諸如處于微米尺寸范圍中的那些之類的較大傳感器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，也能夠從自由層系統(tǒng)側(cè)壁的可再現(xiàn)幾何形狀而獲益。這在各個實(shí)施例中可以包括理想地平滑的以及所定義的“粗糙”壁。實(shí)施例可以在旋轉(zhuǎn)、多圈和轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)應(yīng)用以及其它適當(dāng)?shù)母袦y應(yīng)用中得以運(yùn)用。已經(jīng)在這里描述了系統(tǒng)、設(shè)備和方法的各個實(shí)施例。這些實(shí)施例僅通過示例所給出而并非意在對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。此外，應(yīng)當(dāng)意識到的是，實(shí)施例中的已經(jīng)予以描述的各個特征可以以各種方式進(jìn)行合并以產(chǎn)生多種附加的實(shí)施例。此外，雖然已經(jīng)描述了各種材料、尺寸、形狀、注入位置等以便供所公開的實(shí)施例使用，但是也可以利用除所公開的那些之外的其它內(nèi)容而并不超出本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會意識到本發(fā)明可以包括比以上所描述的任意單獨(dú)實(shí)施例中所圖示的更少的特征。這里所描述的實(shí)施例并非意味著是可以對本發(fā)明的各個特征進(jìn)行合并的方式的窮舉呈現(xiàn)。因此，實(shí)施例并非相互排斥的特征組合；相反，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，本發(fā)明可以包括從不同的單獨(dú)實(shí)施例中所選擇的不同的單獨(dú)特征的組
I=I O對以上通過引用文獻(xiàn)的任意結(jié)合進(jìn)行限制以使得并不結(jié)合與這里所明確的公開內(nèi)容相矛盾的主題。對以上通過引用文獻(xiàn)的任意結(jié)合進(jìn)一步進(jìn)行限制以使得文獻(xiàn)中所包括的權(quán)利要求并不通過引用結(jié)合于此。對以上通過引用文獻(xiàn)的任意結(jié)合再進(jìn)一步進(jìn)行限制以使得除非明確包括于此，否則文獻(xiàn)中所提供的任意定義并不通過引用而被結(jié)合于此。為了解釋本發(fā)明的權(quán)利要求，除非權(quán)利要求中敘述特定術(shù)語“用于……的裝置”或 “用于……的步驟”，否則明確意在不援引35 U. S. C的第112節(jié)第6段的規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種磁阻傳感器元件，包括第一磁阻堆疊部分，其包括自由層并且具有第一、第二、第三和第四側(cè)邊；和第二磁阻堆疊部分，其耦合到所述第一磁阻堆疊部分并且具有與所述第一、第二、第三和第四側(cè)邊均不齊平的第五、第六、第七和第八側(cè)邊。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述第一、第二、第三和第四側(cè)邊限定了具有第一面積的第一表面，并且其中所述第五、第六、第七和第八側(cè)邊限定了具有不同于所述第一面積的第二面積的第二表面。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻傳感器元件，其中所述第二面積大于所述第一面積。
4.如權(quán)利要求2所述的磁阻傳感器元件，其中所述第二面積小于所述第一面積。
5.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述磁阻傳感器元件是巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)傳感器元件之一。
6.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述第一磁阻堆疊部分通過鑲嵌過程形成而所述第二磁阻堆疊部分通過蝕刻過程形成。
7.如權(quán)利要求6所述的磁阻傳感器元件，其中所述蝕刻過程包括化學(xué)蝕刻或?yàn)R射蝕刻之一。
8.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述第一磁阻堆疊部分通過剝離過程形成而所述第二磁阻堆疊部分通過蝕刻過程形成。
9.如權(quán)利要求8所述的磁阻傳感器元件，其中所述蝕刻過程包括化學(xué)蝕刻或?yàn)R射蝕刻之一。
10.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述第一和第二磁阻堆疊部分通過鑲嵌過程形成。
11.如權(quán)利要求1所述的磁阻傳感器元件，其中所述第一、第二、第三或第四側(cè)邊中的至少一個具有約200納米或更少的長度。
12.一種制造磁阻傳感器元件的方法，包括提供襯底；將電介質(zhì)層施加于所述襯底并且對所述電介質(zhì)層進(jìn)行構(gòu)造；施加自由層系統(tǒng)并對所述自由層系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造；將附加堆疊層施加于所述自由層系統(tǒng)上；并且對所述附加堆疊層進(jìn)行構(gòu)造以使得所述附加堆疊層的橫向尺寸大于所述自由層系統(tǒng)的橫向尺寸，并且所述附加堆疊層的側(cè)邊與所述自由層系統(tǒng)的側(cè)邊不齊平。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在施加所述附加堆疊層之前通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP )過程去除所述電介質(zhì)層上的自由層系統(tǒng)材料。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對所述電介質(zhì)層進(jìn)行構(gòu)造包括在所述電介質(zhì)層中形成溝槽，并且其中施加所述自由層系統(tǒng)包括利用自由層系統(tǒng)材料填充所述溝槽。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述溝槽的長度或?qū)挾戎械闹辽僖粋€為大約200 納米或更少。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述磁阻傳感器元件包括巨磁阻(GMR)效應(yīng)或隧道磁阻(TMR)效應(yīng)之一。
17.一種制造磁阻傳感器元件的方法，包括提供襯底；將第一電介質(zhì)層施加于所述襯底；在所述第一電介質(zhì)層中形成溝槽；將xMR堆疊施加于所述第一電介質(zhì)層上，所述溝槽的高度大于所述xMR堆疊的高度；將第二電介質(zhì)層施加于所述xMR堆疊上；并且從所述第一電介質(zhì)層去除所述xMR堆疊和第二電介質(zhì)層的部分。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述xMR堆疊包括巨磁阻(GMR)效應(yīng)或隧道磁阻 (TMR)效應(yīng)之一。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中去除所述xMR堆疊和第二電介質(zhì)層的部分包括應(yīng)用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述溝槽的長度或?qū)挾戎械闹辽僖粋€為大約200 納米或更少。
21.一種制造磁阻傳感器元件的方法，包括提供襯底；在所述襯底上提供抗蝕層；對所述抗蝕層進(jìn)行構(gòu)造以形成溝槽；將自由層系統(tǒng)施加于所述抗蝕層上和所述溝槽中，所述溝槽中的自由層系統(tǒng)與所述溝槽的側(cè)壁間隔開；去除所述襯底上的部分抗蝕層和所述抗蝕層上的部分自由層系統(tǒng)；并且將剩余堆疊施加于所述襯底上的自由層系統(tǒng)上并對其進(jìn)行構(gòu)造。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述磁阻傳感器元件包括巨磁阻(GMR)效應(yīng)或隧道磁阻(TMR)效應(yīng)之一。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述溝槽的側(cè)壁負(fù)傾斜。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中去除所述襯底上的部分抗蝕層和所述抗蝕層上的部分自由層系統(tǒng)包括使用抗蝕劑溶劑的壓力噴射或抗蝕劑溶劑內(nèi)的超聲處理之一。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述溝槽的長度或?qū)挾戎械闹辽僖粋€為大約200 納米或更少。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有高形狀各向異性的XMR傳感器。實(shí)施例涉及具有非常高的形狀各向異性的xMR傳感器。實(shí)施例還涉及xMR堆疊的新穎構(gòu)造過程，其用于實(shí)現(xiàn)非常高的形狀各向異性而不對性能相關(guān)的磁場敏感層系統(tǒng)造成化學(xué)影響，同時還在晶片上提供相當(dāng)一致的結(jié)構(gòu)寬度，所述寬度在實(shí)施例中低至約100nm。實(shí)施例還可以提供xMR堆疊，其具有所定義橫向幾何形狀和/或平滑的性能相關(guān)自由層系統(tǒng)的側(cè)壁，這對于在晶片上實(shí)現(xiàn)均勻的磁特性是重要的。
文檔編號G01R19/00GK102565505SQ201110360959
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者A.斯特拉澤, J.齊梅爾, K.普羅伊格爾, N.泰森, O.屈恩, R.施萊德茨 申請人:英飛凌科技股份有限公司