专利名称：一种使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器及其制造方法
技术领域：
本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种斜角的三维隧穿磁场传感器及其制造方法。
背景技术：
1974年，Slonczewski提出在铁磁层/绝缘层/铁磁层结构中存在隧道巨磁阻效应，当两铁磁层磁化方向平行或反平行时，隧道结将有不同的电阻值。铁磁层/绝缘层/铁磁层三明治结构产生自旋隧穿效应的原理是电子隧穿非磁性层的位垒而产生隧穿电流。当两铁磁层的磁化方向平行时，一铁磁层中的多数自旋子带的电子将进入另一铁磁层的多数子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一个铁磁层进入另一个铁磁层少数子带的空态，此时，隧穿几率大。当两铁磁层的磁化方向反平行时，则一铁磁层中的多数自旋子带的电子的自旋与另一个铁磁层的少数自旋子带的电子的自旋平行，这时，一铁·磁层中的多数自旋子带的电子将进入另一铁磁层的少数子带的空态，及少数自旋子带的电子也从一个铁磁层进入另一个铁磁层多数子带的空态，隧穿几率小。由此可见，隧道电导与两铁磁层磁化矢量的相对方向有关。目前，主要的三维磁场传感器通常是由一个一维磁场传感模块和一个二维磁场传感模块拼接而成，这种方法不仅成本高、稳定性和一致性差，而且会导致三维磁场传感器的体积比较大、所测到的不同纬度的磁场不能局限于较小的范围内，不利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于隧道巨磁阻效应的，使用45度斜角的三维磁场传感器结构，可以减小三维磁场传感器的体积，以利于测量设备向小型化、集约化的方向发展。本发明提供的一种使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，主要为在半导体衬底内形成的，两个相对的侧壁均与所述半导体衬底表面成45度斜角的凹槽或者凸台结构；
在所述的凹槽或者凸台的第一个侧壁上设置第一隧道巨磁阻模块；
在所述的凹槽或者凸台的第一个侧壁上设置第二隧道巨磁阻模块，如图2或图4所示；或者在所述的凹槽的底部或者凸台的顶部设置第二隧道巨磁阻模块，如图I或图3所示；在所述的凹槽或者凸台的第二个侧壁上设置第三隧道巨磁阻模块；
所述的第二隧道巨磁阻模块所测磁场的方向垂直于所述的凹槽或者凸台的横截面；所述的第一隧道巨磁阻模块、第三隧道巨磁阻模块所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于所述的第二隧道巨磁阻模块所测磁场的方向。所述的凹槽包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接所述的两个侧壁的、平行于半导体衬底的底壁；在所述的凹槽的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块，在所述的凹槽的底壁上形成有第二隧道巨磁阻模块，在所述的凹槽的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。所述的凹槽由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成；在所述的凹槽的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块和第二隧道巨磁阻模块，在所述的凹槽的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。所述的凸台包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接所述的两个侧壁的顶壁；在所述的凸台的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块，在所述的凸台的顶壁上形成有第二隧道巨磁阻模块，在所述的凸台的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。所述的凸台由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成；在所述的凸台的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块和第二隧道巨磁阻模块，在所述的凸台的 第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。本发明还提供了上述使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其具体步骤如下
采用湿法刻蚀的方法刻蚀半导体衬底形成具有两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的相对的侧壁的凹槽或者凸台结构；
在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块；
在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁、或者在所形成凹槽的底部或者凸台的顶部形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。其中，
所述凹槽结构所形成的两个侧壁由一个平行于半导体衬底的底壁连接；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的底壁上形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。所述凹槽结构；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。所述凸台结构所形成的两个侧壁由一个平行于半导体衬底的顶壁连接；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的顶壁上形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。所述凸台结构；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。本发明将用于测量不同纬度的三个隧道巨磁阻模块置于一个使用45度斜角的凹槽或者凸台结构之上形成三维隧穿磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的磁阻传感模块更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。
图la、2a、3a、4a为本发明所提供的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的四个实施例的截面图，图中x-y-z坐标系为标准坐标系。图lb、2b、3b、4b分别为图la、2a、3a、4a所示结构的俯视图。
图5至图12为本发明所公开的制备如图la、2a、3a、4a所示的三维隧穿磁场传感器的实施例的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。图la、2a、3a、4a为本发明所提供的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器结构的四个实施例的截面图，图lb、2b、3b、4b分别为图la、2a、3a、4a所示的三维隧穿磁场传感器结构的俯视图。如图la，半导体衬底12上形成有一个凹槽，凹槽包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接两个侧壁的底壁。第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3分别位于在半导体衬底12内形成的凹槽的两个侧壁上，第二隧道巨磁阻模块2位于凹槽的底壁。第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向垂直于凹槽的横截面(图中与纸面平行的平面即为此横截面，以下同)，第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向。如图2a，半导体衬底12上形成有一个凹槽，凹槽由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成。第一隧道巨磁阻模块I和第二隧道巨磁阻模块2位于在半导体衬底12内形成的凹槽的第一个侧壁上，第三隧道巨磁阻模块3位于凹槽的第二个侧壁上。第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向垂直于凹槽的横截面，第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向。如图3a，半导体衬底12上形成有一个凸台，凸台包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接两个侧壁的顶壁。第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3分别位于在半导体衬底12内形成的凸台的两个侧壁上，第二隧道巨磁阻模块2位于凸台的顶壁。第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向垂直于凸台的横截面，第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向。如图4a，半导体衬底12上形成有一个凸台，凸台由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成。第一隧道巨磁阻模块I和第二隧道巨磁阻模块2位于在半导体衬底12内形成的凸台的第一个侧壁上，第三隧道巨磁阻模块3位于凸台的第二个侧壁上。第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向垂直于凸台的横截面，第一隧道巨磁阻模块I和第三隧道巨磁阻模块3所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于第二隧道巨磁阻模块2所测磁场的方向。如图la、2a、3a、4a所示的三维隧穿磁场传感器的四个实施例中，在半导体衬底12内形成的凹槽或者凸台的两个侧壁与原有的半导体衬底的表面所成的夹角分别为α和β，在本发明中α=β=45°。设定第一隧道巨磁阻模块I、第二隧道巨磁阻模块2和第三隧道巨磁阻模块3所测到的磁场值分别为Χ1、Χ2和Χ3。根据需要，再设定标准坐标系(分别在图la、2a、3a、4a的·右上角标识)的X轴、y轴和Z轴，其中X轴和y轴平行于原有的半导体衬底的表面,且y轴垂直于纸面，z轴垂直于原有的半导体衬底的表面，然后设定X轴、y轴和z轴方向的磁场值分别为X、y和z，由此可以得到如下公式
y = X2 ；
X3*cos β - Xl*cos α = χ ；
X3*sin β + Xl*sina = ζ。因为a = β = 45°，所以有 y = χ2 ；
cos (45)* (X3 - XI) = x;sin (45)* (X3 + XI) = z。本发明所提出的三维隧穿磁场传感器能够将所测到的不同纬度的磁场局限于较小的范围内。本发明所提出的三维隧穿磁场传感器可以通过很多方法制造，以下所叙述的是本发明所公开的如图la、2a、3a、4a所示的三维隧穿磁场传感器结构的制造方法的实施例，图5-12描述了由本发明所公开的如图la、2a、3a、4a所示结构所组成的集成电路中的一部分的工序。以硅衬底为例。如图5，在提供的硅衬底200的表面氧化生长一层氧化硅薄膜201，然后在氧化硅薄膜201之上淀积一层光刻胶301。接下来，掩膜、曝光、显影形成图形，并刻蚀掉没有没光刻胶保护的氧化硅薄膜201露出硅衬底200的表面，然后利用湿法刻蚀的方法刻蚀掉暴露出的硅衬底201形成所需要的凹槽或者凸台结构，之后剥除光刻胶301并刻蚀掉剩余氧化硅薄膜201。通过对光刻胶图形的选择、以及对硅刻蚀条件的控制可以得到不同的结构
图6a为在硅衬底内形成的用于形成如图Ia所示的三维隧穿磁场传感器所需的凹槽结构。图6b为在硅衬底内形成的用于形成如图2a所示的三维隧穿磁场传感器所需的凹槽结构。图6c为在硅衬底内形成的用于形成如图3a所示的三维隧穿磁场传感器所需的凸台结构。图6d为在硅衬底内形成的用于形成如图4a所示的三维隧穿磁场传感器所需的凸台结构。图6a、6b、6c、6d所示的凹槽或者凸台的侧壁均为45度斜角的结构。接下来，在图6a、6b、6c、6d所不的结构之上淀积一层光刻胶302,并掩膜、曝光、显影定义出第一隧道巨磁阻模块的位置，如图7a、7b、7c、7d所示。接下来，在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料，并利用lift-off工艺(Lift-off工艺是首先在衬底上涂胶并光刻，然后再制备介质膜，在有光刻胶的地方，介质 膜形成在光刻胶上，而没有光刻胶的地方，介质膜就直接形成在衬底上。当使用溶剂去除衬底上的光刻胶时，不需要的介质膜就随着光刻胶的溶解而脱落在溶剂中，而直接形成在衬底上的介质膜部分则保留下来形成图形。)形成第一隧道巨磁阻模块(以标号203示出)，如图8a、8b、8c、8d所示。通过控制淀积隧道巨磁阻材料时外加磁场的方向来控制第一隧道巨磁阻模块203所测磁场的方向。接下来，在图8a、8b、8c、8d所示的结构之上淀积一层光刻胶303，并掩膜、曝光、显影定义出第二隧道巨磁阻模块的位置，如图9a、9b、9c、9d所示。接下来，在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料，并利用lift-off工艺形成第二隧道巨磁阻模块(以标号204示出)，如图10a、10b、10c、10d所示。通过控制淀积隧道巨磁阻材料时外加磁场的方向来控制第二隧道巨磁阻模块204所测磁场的方向。接下来，在图10a、10b、10c、10d所示的结构之上淀积一层光刻胶304，并掩膜、曝光、显影定义出第三隧道巨磁阻模块的位置，如图lla、llb、llc、lld所示。接下来，在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料，并利用lift-off工艺形成第三隧道巨磁阻模块(以标号205示出)，如图12a、12b、12c、12d所示。通过控制淀积隧道巨磁阻材料时外加磁场的方向来控制隧道巨磁阻模块205所测磁场的方向。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
权利要求
1.一种使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，其特征在于主要为在半导体衬底内形成的，两个相对的侧壁均与所述半导体衬底表面成45度斜角的凹槽或者凸台结构； 在所述的凹槽或者凸台的第一个侧壁上设置第一隧道巨磁阻模块； 在所述的凹槽或者凸台的第一个侧壁上设置第二隧道巨磁阻模块；或者在所述的凹槽的底部或者凸台的顶部设置第二隧道巨磁阻模块； 在所述的凹槽或者凸台的第二个侧壁上设置第三隧道巨磁阻模块； 所述的第二隧道巨磁阻模块所测磁场的方向垂直于所述的凹槽或者凸台的横截面；所述的第一隧道巨磁阻模块、第三隧道巨磁阻模块所测磁场的方向均平行于各自所处的侧壁表面且均垂直于所述的第二隧道巨磁阻模块所测磁场的方向。
2.如权利要求I所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，其特征在于所述的凹槽包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接所述的两个侧壁的、平行于半导体衬底的底壁； 在所述的凹槽的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块， 在所述的凹槽的底壁上形成有第二隧道巨磁阻模块， 在所述的凹槽的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。
3.如权利要求I所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，其特征在于所述的凹槽由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成； 在所述的凹槽的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块和第二隧道巨磁阻模块， 在所述的凹槽的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。
4.如权利要求I所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，其特征在于所述的凸台包括两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁以及一个连接所述的两个侧壁的顶壁； 在所述的凸台的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块， 在所述的凸台的顶壁上形成有第二隧道巨磁阻模块， 在所述的凸台的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。
5.如权利要求I所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器，其特征在于所述的凸台由两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的侧壁构成； 在所述的凸台的第一个侧壁上形成有第一隧道巨磁阻模块和第二隧道巨磁阻模块， 在所述的凸台的第二个侧壁上形成有第三隧道巨磁阻模块。
6.一种如权利要求I所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其特征在于具体步骤如下 采用湿法刻蚀的方法刻蚀半导体衬底形成具有两个均与所述半导体衬底表面成45度斜角的相对的侧壁的凹槽或者凸台结构； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第一个侧壁、或者在所形成凹槽的底部或者凸台的顶部形成第二隧道巨磁阻模块；在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽或者凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。
7.如权利要求6所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其特征在于所述凹槽结构中， 所形成的两个侧壁由一个平行于半导体衬底的底壁连接； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的底壁上形成第二隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。
8.如权利要求6所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其特征在于所述凹槽结构中， 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第一个侧壁上形成第二隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凹槽的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。
9.如权利要求6所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其特征在于所述凸台结构中， 所形成的两个侧壁由一个平行于半导体衬底的顶壁连接； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的顶壁上形成第二隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。
10.如权利要求6所述的使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器的制造方法，其特征在于所述凸台结构中， 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第一隧道巨磁阻模块; 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第一个侧壁上形成第二隧道巨磁阻模块； 在外加磁场作用下淀积隧道巨磁阻材料并采用lift-off工艺在所形成的凸台的第二个侧壁上形成第三隧道巨磁阻模块。
全文摘要
本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种使用45度斜角的三维隧穿磁场传感器及其制造方法。本发明将用于测量不同纬度的三个隧道巨磁阻模块置于一个使用45度斜角的凹槽或者凸台结构之上形成三维隧穿磁场传感器，使得三维磁场传感器的体积减小、用于测量不同维度磁场的磁阻传感模块更为集中，从而使得三维磁场传感器可以更加灵活地运用到导航系统、磁场测量系统以及测量各种基于磁场的其他物理量的设备中。
文档编号B81C1/00GK102841325SQ20121032602
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者吴俊 , 张卫, 王鹏飞, 孙清清, 周鹏 申请人:复旦大学