再加工16*16面阵巨磁阻，也可以根据实际需要加工不同阵列的面阵巨磁阻。
[0043]标准CMOS集成电路工艺中基本材料包括硅、二氧化硅、铝、铜及其他掺杂物，制造巨磁阻薄膜也可以采用标准CMOS集成电路工艺，但巨磁阻薄膜的制造需要额外的磁性材料(如铁、钴、镍及合金等)、不同的金属(如钽)及其他的氧化物(如Al203、Mg0等)，而这些传统工艺不常见的材料在进行淀积时有着特殊的要求，因此在本发明传感器系统加工时，需要将巨磁阻阵列与数据采集处理电路分开制造。由于巨磁阻加工过程通常为淀积、刻蚀、光刻等，这些工艺相比一般集成电路制造工艺(热氧化、掺杂、注入等)的操作温度较低，因此本发明提出先加工传感器外围的数据采集处理模块电路，事先预留好测量模块区域，然后加工16*16面阵巨磁阻。其中，对巨磁阻阵列的后处理过程应注意以下两点:
[0044](I)样品处理:由于需要在不同的设备进行巨磁阻阵列的制造，为了便于加工芯片时的操控，样品应当置于特别设计的容器中，用精密铣床在该容器的腔体开槽。
[0045](2)掩膜对准:对外围一般电路加工完成后，将会更换其他仪器加工巨磁阻阵列，因此，需要采用额外的对准标记及参考。例如，在预留区域的四周加工十字记号作为对准参考。
[0046]请参阅图6所示，在外围电路加工完成后，本发明巨磁阻阵列的制造与集成工艺主要包括溅射、光刻、刻蚀、lift-off等。在预留区域制备好巨磁阻薄膜后，通过两步光刻处理进行图形转移，第一步光刻形成所需巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元，第二步光刻形成测量模块阵元之间及与外围电路的引线，最终完成传感器系统的集成。
[0047]在外围电路加工完成后，首先由磁控溅射法淀积得到自旋阀巨磁阻阵列的多层薄膜结构。基底为Si和Al2O3,靶材的放置顺序为Ta、NiFe、CoFe、Cu、CoFe、MnIr和Ta。其中Ta层起保护作用，顶层Ta层厚度2nm,底层Ta层厚度1.5nm;NiFe/CoFe层为复合的自由层，NiFe层厚度3]1111，&^6层厚度211111;(:11为隔离层，厚度2.111111;(:(^6为被钉扎层，厚度2.511111;11111'为钉扎层，厚度8nm。按照上述顺序更换靶材，通过磁控溅射后，即可得到自旋阀薄膜。磁控溅射法制造每一层薄膜的具体过程为:在溅射淀积之前，对划出的区域用乙酸异丙酯(异丙醇)和去离子水进行表面清洗。然后将表面清洁的基底放入真空室中，用气栗将真空室中的空气抽出，创造真空环境，然后注入纯氩气，调节真空室的气压为几个毫托。在真空室中，靶材为阴极，需要镀膜的基底为阳极，在条件准备完成后，靶材和基底之间加上高压，靶材和基底之间放电，使氩气发生电离，产生氩离子和电子。高速的电子在运动中撞击氩原子，促进了电离的发生。氩离子在电场作用下加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来淀积在基底表面上形成薄膜。
[0048]请参阅图6所示，通过磁控溅射法，在整个预留区域得到了多层自旋阀薄膜，为了制成所需的16*16面阵以及将其与外围电路相连接，需要将自旋阀薄膜通过两步光刻处理进行图形转移，第一步光刻形成所需巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元，第二步光刻形成测量模块阵元之间及与外围电路的引线。成型的过程比较复杂，包括光刻、离子束刻蚀、lift-off等工艺，整个流程分为以下8个步骤。
[0049]整个过程分为以下几步。
[0050](I)清洗:对预留的区域用乙酸异丙酯(异丙醇)和去离子水进行表面清洗。
[0051](2)制备巨磁阻薄膜:采用磁控溅射法，在真空隔离室内充入氩气，在基片和靶材之间加上高压，使氩气电离，加速的氩离子轰击靶材，溅射的原子淀积在基片上，形成所需要的薄膜。通过这种方法，将材料按顺序进行电离、淀积，在整个预留区域得到了多层自旋阀薄膜。
[0052](3)第一次光刻:在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂上显影剂后烘干。
[0053]具体步骤为:
[0054]涂胶:在制备好的薄膜上喷涂上一层光刻胶。光刻胶是一种对光辐射敏感的聚合物溶液。在喷涂之前，通常需要在表面涂上增粘剂:六甲基二硅胺烷(HMDS)，用于改变表面附着力。涂光刻胶之后，需要有一个前烘处理，置于温度为90摄氏度的环境下10-30分钟。
[0055]曝光:用紫外线激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案。借助激光直写系统，由CAD设计、模拟和验证后，图形发生器产生巨磁阻单元和阵列图形，图形投影在在薄膜平面上，由于光刻胶是辐射敏感，受紫外线照射后，光刻胶中的溶解度会发生变化，通过把图形的信息记录下来。
[0056]显影:涂上显影剂后烘干。先将样品放置在100°C的温度下10分钟，然后喷上显影液。10秒之后再放置在100 °C的温度下1分钟。
[0057](4)离子束刻蚀:用离子束轰击薄膜，涂上光刻胶层的地方由于形成了一层硬膜，不会被研磨掉。
[0058](5)去胶:用丙酮溶剂洗去剩下的光刻胶层，形成定义的巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元。
[0059](6)第二次光刻:再次通过涂胶、曝光、显影三步，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。
[0060](7)溅射引线:溅射一层铜或者银等导电性良好的金属薄膜，溅射完毕后，通过lift-off工艺剥离光刻胶及其上的金属层，从而形成引线。
[0061](8)封装:在溅射S12绝缘层后，利用引线键合技术，将整个传感器系统封装在标准的芯片载体内。
[0062]本发明一种面阵巨磁阻磁传感器，高度集成化、小型化，阵列中每个阵元的信号均反映该位置上的磁场强度，采用面阵形式可以检测阵列表面的磁场整体信息，采集到的磁场信息精确度更高，同时对每行多个单元信号进行扫描输出，提高了灵敏度且质量更加稳定，可以实现平面磁场的高速检测，蜿蜒型的电阻形式在较小的工作电流情况下也能有相对较大的电压信号输出，并节省空间排布，通过专用的制造工艺，使产品工艺兼容、便于批量生产。
【主权项】
1.一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列，所述数据采集处理单元包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器;所述电源模块通过地址选择器连接至所述巨磁阻阵列，所述巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，所述地址选择器用于选择发送所述巨磁阻阵列中各单元的信号，所述模拟前端模块用于接收所述信号进行放大、滤波处理，所述模数转换器用于将所述信号经过模数转换后输出；所述巨磁阻阵列包括多个采用纳米多层膜结构的巨磁阻磁传感器，多个巨磁阻磁传感器按照平面形式组成阵列单元，每个所述巨磁阻磁传感器采用蜿蜒型电阻形式。2.根据权利要求1所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述巨磁阻磁传感器采用面阵形式组成巨磁阻阵列。3.根据权利要求1或2所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述地址选择器，以行扫描的方式，逐行将每行多个巨磁阻阵列单元的信号输出。4.根据权利要求1所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述巨磁阻磁传感器为自旋阀多层膜结构，该多层膜结构由上到下依次为固定层、隔离层，以及自由层，其中，固定层包括被钉扎层和用于固定被钉扎层的磁化方向的钉扎层，所述钉扎层为反铁磁材料，所述自由层的磁化方向随外加磁场发生变化，选用CoFe/NiFe复合层作为自由层的材料，隔离层位于固定层和自由层中间，由非磁性材料的电导体制成。5.根据权利要求4所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述多层膜结构的顶部和底部均设置有保护层，分别位于钉扎层的顶面和自由层的底部，所述保护层采用Ta。6.根据权利要求4所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述钉扎层采用MnIr，所述被钉扎层采用CoFe，所述隔离层采用Cu。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于:所述多层膜结构设置在基底上，该基底为Si和Al2O3。8.—种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于:先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工巨磁阻阵列。9.根据权利要求8所述的一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于:所述两步光刻处理包括: 第一次光刻，在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线激光束在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂上显影剂后烘干； 第二次光刻，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。10.根据权利要求6或7所述的一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于:所述巨磁阻阵列加工工艺包括以下步骤: (a)对预留的区域用乙酸异丙酯或异丙醇于去离子水配合进行表面清洗； (b)采用磁控溅射法，在真空隔离室内充入氩气，在基片和靶材之间加上高压，使氩气电离，加速的氩离子轰击靶材，溅射的原子淀积在基片上，形成所需要的薄膜； (c)进行第一次光刻； (d)用离子束轰击薄膜形成保护硬膜； (e)用丙酮溶剂洗去剩下的光刻胶层，形成定义的巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元； (f)进行第二次光刻； (g)溅射一层铜或者银等导电性良好的金属薄膜，溅射完毕后，通过lift-off工艺剥离光刻胶及其上的金属层形成引线； (h)在溅射S12绝缘层后，利用引线键合技术，将整个传感器系统封装在标准的芯片载体内。
【专利摘要】本发明公开了一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法，包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列。数据采集处理单元包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器；电源模块通过地址选择器连接至巨磁阻阵列，巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，巨磁阻阵列包括256个采用纳米多层膜结构的蜿蜒型电阻形式的巨磁阻磁传感器，组成16*16面阵形式的巨磁阻阵列。本发明基于标准CMOS集成电路工艺，先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工所述巨磁阻阵列。本发明的面阵巨磁阻磁传感器可以实现精确的平面磁场高速同步检测，并且小型化、集成化程度高，产品工艺兼容、便于批量生产。
【IPC分类】H01L43/08, H01L43/12, G01R33/09
【公开号】CN105699920
【申请号】CN201610023905
【发明人】张国钢, 刘竞存, 陈前, 耿英三, 王建华
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年1月14日