三维隧道磁阻传感器及其制造方法与流程

本发明涉及磁传感器领域，具体地涉及一种三维隧道磁阻传感器以及一种三维隧道磁阻传感器的制造方法。

背景技术：

1、磁传感器是一种可以探测磁场强度的传感器，三维磁传感器可以同时对三个方向的磁场强度进行测量，因此可以获得任意磁场的方向和大小信息。tmr(tunnelmagnetoresistance，隧道磁阻)型传感器使用隧道磁阻效应进行磁场的测量，具有灵敏度高、温度特性好等优点，在工业和民用行业广泛应用。tmr传感器具有比amr(anisotropymagnetoresistance，各向异性磁阻)传感器、gmr(giant magnetoresistance，巨磁电阻)磁传感器、霍尔传感器高的多的灵敏度，利用tmr效应制备三维磁传感器，可以有效提高三维磁传感器的灵敏度，具有非常广泛的应用前景。

2、现有技术方案中，利用tmr效应制备三维磁传感器的方法是将三个制备好的单一方向敏感的tmr传感器沿三个相互垂直的方向进行排布，有两个tmr传感器处在一个封装平面上，但是敏感方向互相垂直，第三个传感器垂直于封装平面放置。由于同一平面上要放置两个tmr传感器，使得器件面积大大增加，垂直放置的tmr传感器也会使器件的高度大大增加，这样不但增加了传感器的体积，而且传感器放置时产生的方向误差将严重影响三维传感器的性能。

3、采用磁阻效应的传感器通常是将磁敏元件制备成全桥结构的形式，这样可以大大提高器件的灵敏性和温度稳定性。全桥结构要求相邻桥臂上的磁阻单元的敏感方向相反，然而tmr型传感器磁阻的变化是由于自由层和钉扎层磁化方向的相对取向，因此传感器的敏感方向是由钉扎层的磁化方向决定的。在芯片的制备过程中，同一个芯片上的钉扎层的方向一般是相同的。目前实现单一芯片上不同区域的钉扎层不同磁化方向的方法有激光退火、分次沉积、电流诱导法。激光退火法是采用激光退火设备将不同区域的钉扎层的磁化方向钉扎在相反方向，但由于激光退火设备价格昂贵，因此生产成本很高。分次沉积是分两次沉积先后生长不同磁化方向的钉扎层，但分两次沉积时，在生长第二层时容易对第一层产生影响，最终影响器件性能。电流诱导法是通过在磁阻单元下方制备沿一定方向的电流通道，通过施加一个大的电流来改变钉扎层的方向，但是这种方法增加了器件的复杂性和一致性。可见，现有技术很难通过一次制备工艺制备出可以进行三个方向磁场测量的全桥结构的tmr传感器。

技术实现思路

1、为了解决上述技术缺陷，本发明提供一种三维隧道磁阻传感器及其制造方法，在同一衬底上形成对三个方向磁场进行测量的磁敏单元，缩小三维隧道磁阻传感器的体积。

2、本发明一方面提供一种三维隧道磁阻传感器，包括至少两个相同的隧道磁阻芯片，每一隧道磁阻芯片均包括第一磁敏单元及第二磁敏单元，第一磁敏单元及第二磁敏单元形成于同一衬底，第一磁敏单元用于感应水平方向的磁场，第二磁敏单元用于感应垂直方向的磁场，两个相同的隧道磁阻芯片以倒装焊的方式进行封装，使两个隧道磁阻芯片的第一磁敏单元面对面互联，两个隧道磁阻芯片的第二磁敏单元面对面互联，形成全桥结构。

3、本发明实施例中，所述第一磁敏单元包括多个x方向磁敏单元以及多个y方向磁敏单元；x方向磁敏单元包括形成于衬底x方向的凹槽，所述凹槽具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁与第二侧壁相交呈夹角，第一侧壁的表面和第二侧壁的表面均设置有隧道磁阻功能层和电极层；y方向磁敏单元包括形成于衬底y方向的凹槽，所述凹槽具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁与第二侧壁相交呈夹角，第一侧壁的表面和第二侧壁的表面均设置有隧道磁阻功能层和电极层。

4、本发明实施例中，所述电极层均包括底电极层和顶电极层，所述底电极层设置于所述凹槽的侧壁与所述隧道磁阻功能层之间，所述顶电极层设置于所述隧道磁阻功能层之上。

5、本发明实施例中，多个x方向磁敏单元依次级联，前一个x方向磁敏单元的位于第一侧壁表面的顶电极层与下一个x方向磁敏单元的位于第一侧壁表面的底电极层互联，前一个x方向磁敏单元的位于第二侧壁表面的底电极层与下一个x方向磁敏单元的位于第二侧壁表面的顶电极层互联；

6、多个y方向磁敏单元依次级联，前一个y方向磁敏单元的位于第一侧壁表面的顶电极层与下一个y方向磁敏单元的位于第一侧壁表面的底电极层互联，前一个y方向磁敏单元的位于第二侧壁表面的底电极层与下一个y方向磁敏单元的位于第二侧壁表面的顶电极层互联。

7、本发明实施例中，所述第二磁敏单元包括多个形成于衬底的凸台，所述凸台的侧壁表面设置有隧道磁阻功能层和电极层，所述隧道磁阻功能层垂直于衬底表面。

8、本发明实施例中，所述电极层包括底电极层和顶电极层，所述底电极层设置于所述凸台的侧壁与所述隧道磁阻功能层之间，所述顶电极层设置于所述隧道磁阻功能层的表面。

9、本发明实施例中，多个第二磁敏单元依次级联，前一个第二磁敏单元的底电极层与下一个第二磁敏单元的顶电极层互联。

10、本发明实施例中，所述隧道磁阻功能层包括自下而上的自由层、势垒层及钉扎层。

11、本发明另一方面提供上述三维隧道磁阻传感器的制造方法，包括：

12、在同一衬底上形成凸台和凹槽，所述凸台的侧壁垂直于衬底表面，所述凹槽包括x方向的凹槽和y方向的凹槽，所述凹槽的第一侧壁与第二侧壁相交呈夹角；

13、同时在所述凸台的侧壁以及所述凹槽的侧壁形成隧道磁阻功能层和电极层；

14、施加垂直于衬底表面的磁场确定隧道磁阻功能层的磁化方向，使凸台侧壁的隧道磁阻功能层能够感应垂直于衬底表面方向的磁场，使凹槽侧壁的隧道磁阻功能层能够感应衬底所在平面方向的磁场，形成单个隧道磁阻芯片；

15、采用倒装焊的封装方式将两个隧道磁阻芯片面对面互联，形成全桥结构的三维隧道磁阻传感器。

16、本发明实施例中，所述同时在所述凸台的侧壁以及所述凹槽的侧壁形成隧道磁阻功能层和电极层，包括：

17、对具有凸台和凹槽的衬底进行氧化处理，使衬底和凸台上表面与侧面生成一层氧化层作为绝缘层，使凹槽侧壁和衬底表面生成一层氧化层作为绝缘层；

18、在具有绝缘层的衬底表面沉积底电极层、钉扎层、势垒层、自由层、顶电极层；

19、进行刻蚀处理，保留凸台侧壁和凹槽侧壁的底电极层、钉扎层、势垒层、自由层、顶电极层，得到隧道磁阻功能层和电极层。

20、本发明实施例中，所述方法还包括：

21、在隧道磁阻功能层和电极层的表面沉积一层氧化层作为绝缘层；

22、在凸台的上表面和侧壁开出接触孔，在凹槽的侧壁开出接触孔；

23、对接触孔进行过孔处理形成过孔金属线，将前一个凸台上表面的底电极层与下一个凸台侧壁的顶电极层连接，将前一个凹槽的第一侧壁的顶电极层与下一个凹槽的第一侧壁的底电极层连接，将前一个凹槽的第二侧壁的底电极层与下一个凹槽的第二侧壁的顶电极层连接。

24、本发明实施例中，所述采用倒装焊的封装方式将两个隧道磁阻芯片面对面互联，包括：一个隧道磁阻芯片相对于另一个隧道磁阻芯片翻转180°，将两个隧道磁阻芯片面对面通过凸点电极进行互联。

25、本发明在一个衬底上同时形成用于感应水平方向(x、y方向)磁场和垂直方向(z方向)磁场的多个磁敏单元，得到单个隧道磁阻芯片，采用倒装焊的封装方式将两个相同的隧道磁阻芯片面对面互联，形成全桥结构的三维隧道磁阻传感器。在制备过程中，施加一个垂直于衬底表面的磁场，通过一次制备工艺(在磁场中的退火工艺)即可同时确定三个方向tmr结构的磁化方向；采用倒装焊技术实现三个方向磁敏单元的全桥结构，形成的三维隧道磁阻传感器，相较于现有技术中将三个tmr传感器按照三个垂直方向进行放置的方式，缩小了三维隧道磁阻传感器的体积，减少了误差。

26、本发明技术方案的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。