一种磁阻传感器结构及其制造方法与流程

本发明属于磁阻传感器技术领域，特别涉及一种磁阻传感器结构及其制造方法。

背景技术：

磁阻传感器包括amr(anisotropymagnetoresistance，各向异性磁阻)传感器、gmr(giantmagnetoresistance，巨磁电阻)传感器以及tmr(tunnelmagnetoresistance，隧道磁电阻)传感器，具有集成度高、偏移低、灵敏度高、温度性能好等优点，在汽车电子、精密计量等领域得到了广泛应用。磁阻传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，因而被用于探测磁场，其灵敏度优于霍尔传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗。此外，磁阻传感器的加工工艺可以很方便地与现有半导体工艺结合，有利于降低制造成本和提高集成度。gmr和tmr传感器的结构类似，其核心结构都具有两层磁性层和一层非磁性的隔离层，其中隔离层位于两层磁性层之间。当两层磁性层的磁化方向相同时,传感器的磁电阻是最小的；当它们彼此相反时，磁阻是最大的。磁阻效应的大小决定了传感器的灵敏度。

gmr传感器使用导电材料作为隔离层，其电子在其中一个非磁性金属层(如一个铜层)和两个铁磁物质层之间运动，是由金属导电现象引起的。由于结构限制，gmr传感器的磁阻变化和灵敏度较小。而tmr传感器采用绝缘材料如al2o3和mgo作为隔离层，其电子运动由隧道效应所控制，当钉扎层和自由层的磁化方向为反平行时几乎可以阻止电子穿过阻挡层。因此，tmr传感器的磁阻比率非常高，相对于gmr传感器具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗、更宽的线性范围。但是tmr传感器的制造工艺复杂、难度大、成本高，极大地限制了其应用。因此，gmr和tmr传感器由于设计和使用材料的影响，其应用领域都受到较大限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磁阻传感器结构及其制造方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁阻传感器结构，包括基底、缓冲层、相变结构、绝缘层和导电材料电极；缓冲层设置在基底的上表面，缓冲层上设置有相变结构和绝缘层，绝缘层设置在相变结构的两侧，且绝缘层高于相变结构；两个绝缘层顶部之间设置有导电材料电极；相变结构包括铁磁层、相变材料和非磁层。

一种磁阻传感器结构的制造方法，基于上述所述的一种磁阻传感器结构，包括以下步骤：

步骤1，提供si基底，并对si基底进行预处理；

步骤2，利用光刻技术在基底上形成第一预定义图形；

步骤3，采取磁控溅射薄膜生长技术在基底上生长磁性结构长条，此磁性长条由多层薄膜结构叠加溅射形成，由基底开始分别为：底层导电材料电极/缓冲层/非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层/缓冲层，其中非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层为相变结构；

步骤4，通过先光刻，后刻蚀然后去胶的步骤微加工工艺，在基底上形成第二预定义图形，其部分被光刻胶保护的部分并未受到刻蚀的影响，结构不变，该图形周围的部分仅剩底层电极/缓冲层/铁磁层三部分，而组成隧道相变结构的铁磁/相变/铁磁结构层被刻蚀清除，仅余导电材料与磁性材料构成导电的磁阻层利用光刻、刻蚀技术在基底上形成第二预定义图形；

步骤5，利用光刻技术在基底形成第三预定义图形；

步骤6，在磁阻层上沉积绝缘材料形成绝缘层：利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长绝缘层sio2材料；

步骤7，丙酮清洗后去除多余薄膜，利用光刻使绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图形；

步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极；

步骤9，丙酮清洗，去除多余薄膜，形成磁阻传感器结构。

进一步的，步骤1所述的对si基底进行预处理包括：利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用n2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

进一步的，步骤2中包括以下步骤：

1)在si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第一预定义图形。

进一步的，光刻胶的型号为apr-3510p。

进一步的，步骤3中利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，去除第一层光刻胶，得到磁性长条材料。

进一步的，步骤4中包括：

1)在生长有磁性材料的样品晶圆上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜，在si基底上留下第二预定义图形。

进一步的，步骤5中利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，重复第一预定义图形的形成过程，得到第三预定义图形。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

制造流程方面相比过去仅靠光刻剥离的方式，本发明采用了光刻与刻蚀结合的方式，从根本上避免了光刻过程中去胶残留金属薄膜的问题，这对中间隔离层的绝缘功能的保护起到了很好的作用，此改动可以极大的提高传感器的成品率。

结构方面，被刻蚀的部分利用绝缘层材料填充，使其高度与未被刻蚀的部分相同，这样即避免了生长上电极时，接触不良的问题，且隔离了上电极与隧道结构，避免两者接触而造成短路，提高了其稳定性与成品率。

采用相变材料作为非磁性隔离层，而相变材料可以随着外界温度和电压的变化而发生金属与绝缘体之间的相互转变，从而使隔离层在绝缘与导通之间相互转换，在同一个器件上实现巨磁阻gmr与隧穿磁阻tmr这两种效应的可控翻转。这使得器件实现了对磁阻传感器线性测量范围的动态调控，是现有技术所不能达到的。

附图说明

图1为本发明磁阻传感器结构示意图；

图2为制作流程图。

其中：1为导电材料电极，2为绝缘层，3为相变结构，4为缓冲层，5为基底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1和图2，一种磁阻传感器结构，包括基底5、缓冲层4、相变结构3、绝缘层2和导电材料电极1；缓冲层4设置在基底5的上表面，缓冲层4上设置有相变结构3和绝缘层2，绝缘层2设置在相变结构3的两侧，且绝缘层高于相变结构3；两个绝缘层2顶部之间设置有导电材料电极1；相变结构3包括铁磁层、相变材料和非磁层。

基于权利要求1所述的一种磁阻传感器结构，包括以下步骤：

步骤1，提供si基底，并对si基底进行预处理；

步骤2，利用光刻技术在基底上形成第一预定义图形；

步骤3，采取磁控溅射薄膜生长技术在基底上生长磁性结构长条，此磁性长条由多层薄膜结构叠加溅射形成，由基底开始分别为：底层导电材料电极/缓冲层/非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层/缓冲层，其中非磁层/铁磁层/相变材料/铁磁层为相变结构，是器件的关键结构；

步骤4，通过先光刻，后刻蚀然后去胶的步骤微加工工艺，在基底上形成第二预定义图形，其部分被光刻胶保护的部分并未受到刻蚀的影响，结构不变，而四周经过特定精确控制刻蚀时间刻蚀后，该图形周围的部分仅剩底层电极/缓冲层/铁磁层三部分，而组成隧道相变结构的铁磁/相变/铁磁结构层被刻蚀清除，仅余导电材料与磁性材料构成导电的磁阻层利用光刻、刻蚀技术在基底上形成第二预定义图形；

步骤5，利用光刻技术在基底形成第三预定义图形；

步骤6，在磁阻层沉积绝缘材料形成绝缘层：利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长绝缘层sio2材料；

步骤7，丙酮清洗后去除多余薄膜，利用光刻使绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图形；

步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极；

步骤9，丙酮清洗，去除多余薄膜，形成磁阻传感器结构。

步骤1所述的对si基底进行预处理包括：利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用n2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

步骤2中包括以下步骤：

1)在si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第一预定义图形。

5、根据权利要求4所述的一种磁阻传感器结构的制造方法，其特征在于，光刻胶的型号为apr-3510p。

步骤3中利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，去除第一层光刻胶，得到磁性长条材料。

步骤4中包括：

1)在生长有材料的样品晶圆上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；

2)将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；

3)经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光；

4)显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜，在si基底上留下第二预定义图形。

步骤5中利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，重复第一预定义图形的形成过程，得到第三预定义图形。

实施例1：

步骤1，提供一个si基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用n2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

步骤2，本发明采用光刻胶的型号为apr-3510p，在si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。

步骤3，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化。

步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光。

步骤5，显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第一预定义图形。

步骤6，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长薄膜层，其数量与尺寸可以改变。

步骤7，去除第一层光刻胶，得到如图2a所示的磁性长条材料。

步骤8，在生长有磁阻层的si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。

步骤9，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化，如图2b所示。

步骤10，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光。

步骤11，显影，去除多余的光刻胶，利用丙酮超声清洗，去除多余的薄膜；在si基底上留下第二预定义图形，如图2c所示。

步骤12，利用氩离子对整个硅片结构进行刻蚀，得到如图2d所示结构。

步骤13，重复步骤2-5，如图2f，2g所示，得到第三预定义图形。

步骤14，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长绝缘层sio2材料。

步骤15，去除光刻胶，得到如图2h所示结构。丙酮清洗后去除多余薄膜；

步骤16，重复步骤2-5，如图2i，2j所示，得到第四预定义图形。光刻使所述绝缘层与磁阻层上形成第四预定义图形；

步骤17，利用磁控溅射薄膜生长技术，生长导电材料做电极。沉积导电层。

步骤18，去除光刻胶，得到如图2j所示结构。丙酮清洗，去除多余薄膜。