一种三轴磁传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及MEMS器件制造领域，尤其设及一种=轴磁传感器的制造方法。
【背景技术】
[0002] 微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems,简称MEM巧是指微细加工技 术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的微型器件 或系统，其制造过程是W薄膜沉积、光刻、外延、氧化、扩散、注入、瓣射、蒸锻、刻蚀、划片和 封装等为基本工艺步骤来制造复杂=维形体的微加工过程，尺寸通常在微米或纳米级。其 中，磁传感器是一种MEMS器件，它可W将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器 件，磁传感器包括巨磁阻传感器（GiantMa即etoResistiveSensor,GMR)、各向异性磁阻 传感器（AnisotropicMa即etoResistiveSensor,AMR)等。W各向异性磁阻传感器为例， 儀铁合金层作为磁阻层。当外界磁场施加到磁阻层上时，磁阻层的磁畴旋转，使得磁阻层的 电阻发生改变，磁阻层电阻的变化就反应在输出电压变化，实现检测外加磁场的目的。近 几年，各向异性磁阻传感器技术的发展，已经历了单轴磁传感器、双轴磁传感器到=轴（3D) 磁传感器。在现有技术中，=轴磁传感器W其可全面检测空间X、Y、Z=个方向上的磁信号， 而得到普遍应用。
[0003] 现有技术的AMR=轴磁传感器的制程中，X轴和Y轴的磁阻材料形成在平面上，而 Z轴的磁阻材料需要和X轴及Y轴形成的平面垂直，因此，请参考图1，图1是现有AMR=轴 磁传感器Z轴磁阻层形成后的SEM图谱，要形成轴磁阻层，要先形成一个与平面垂直的沟槽 灯rench，由侧壁曰、b、C、dW及底面e围合而成），W便将Z轴磁阻材料形成在沟槽的侧壁 aW及沟槽侧壁a附近的顶部表面上。具体过程通常包括W下步骤：请参考图2A，首先在 基底100上形成层间介质层101，随后在层间介质层101中形成沟槽（trench)，深度大约为 3~4微米；此后在形成有沟槽的层间介质层101上依次形成氮化娃等扩散阻挡层（起扩 散阻挡作用，未图示）、儀铁合金层102 (作为磁性材料层，厚度230埃米左右）和氮化粗层 103灯aN，作为导电材料和掩膜材料，厚度900埃米左右），从而在沟槽中也形成氮化娃层、 儀铁合金层和氮化粗层的叠层；此后在氮化粗层103上形成氮化娃等硬掩膜层104,厚度为 600埃米左右；之后填充光刻胶，使光刻胶完全填充深沟槽，并提供平坦表面，对光刻胶进 行曝光及显影，形成图形化的光刻胶层105,图形化的光刻胶层105定义儀铁合金层102用 于形成Z轴磁阻层的位置，结合图1，所述Z轴磁阻层包括：所述沟槽侧壁a上的儀铁合金 层、与该侧壁a接触的沟槽部分底面e上的儀铁合金层、与该侧壁接触的沟槽周围部分顶部 上的儀铁合金层。此后，W图形化的光刻胶层105为掩模，依次各向异性刻蚀硬掩膜层104、 氮化粗层103W及磁性材料层102,形成Z轴磁阻层；然后请参考图2B，通过灰化工艺去除 光刻胶，并通过氨氣酸等湿法腐蚀溶液湿法清洗（SolventClean)沟槽表面，W去除刻蚀残 留物，位于磁阻层上的剩余氮化粗层103用于保护磁阻层，避免磁阻层直接暴露在空气中 而遭到氧化腐蚀。
[0004] 而上述的运种AMR=轴磁传感器的制造方法造成磁传感器性能不佳，主要原因如 下：
[0005] 一方面，由于沟槽深度很大，光刻胶填充在沟槽内部剩余空间内W及沟槽周围表 面，经过曝光、显影等一系列光刻工艺后形成的图案化光刻胶层105,其在沟槽周围顶部表 面部分的厚度Hl小于在沟槽侧壁上的高度肥(肥一般为Hl的3~4倍），容易出现沟槽内 的深紫外光刻胶未完全显影的情况，还可能出现期望留下光刻胶的沟槽侧壁上没有光刻胶 的情况，同时还会形成阴影效应，从而影响后续磁阻层的刻蚀精度，使得最终形成的磁阻层 的尺寸与目标尺寸差距较大。
[0006] 另一方面，由于沟槽深宽比很大，硬掩膜层、氮化粗层W及磁性材料层等同样在沟 槽周围顶部表面的沉积厚度大于沟槽侧壁的沉积厚度，而在等离子体干法刻蚀磁性材料层 形成Z轴磁阻层的过程中，沟槽侧壁与其他表面上多余的磁性材料层同时去除，所W容易 造成沟槽侧壁过刻蚀而沟槽底面欠刻蚀的情况，使得刻蚀后保留的Z轴磁阻层的尺寸一致 性欠佳，最终造成表面缺陷，甚至会造成磁阻层断开，最终导致Z轴磁传感器敏感度降低、 不稳定甚至失效；而且由于硬掩膜层的厚度较薄，沟槽侧壁的硬掩膜层无法阻挡等离子体 对沟槽侧壁的氮化粗层、磁阻层表面的轰击损害，可能会造成Z轴磁阻与沟槽侧壁剥离，造 成器件不良。
[0007] 因此需要一种新的=轴磁传感器的制造方法，能够避免沟槽高深宽比对磁阻层刻 蚀带来的不利影响，获得较好的磁阻层表面形貌，提高器件性能。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种=轴磁传感器的制造方法，能够避免沟槽高深宽比对 磁阻层刻蚀带来的不利影响，获得较好的磁阻层表面形貌，提高器件性能。
[0009] 为解决上述问题，本发明提出一种=轴磁传感器的制造方法，包括W下步骤：
[0010] 提供一形成有沟槽的半导体衬底，所述沟槽的深度方向与半导体衬底厚度方向一 致；
[0011] 在包括沟槽表面在内的半导体衬底表面上依次形成磁性材料层、氮化粗层、硬掩 膜层W及图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层定义待形成的磁阻层的位置；
[0012] W所述图案化的光刻胶层为掩膜，依次各向同性刻蚀所述硬掩膜层和氮化粗层， 保留所述图案化的光刻胶层下方的硬掩膜层和氮化粗层；
[0013] 采用灰化处理工艺去除所述图案化的光刻胶层；
[0014] W剩余的硬掩膜层和和氮化粗层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈纯角的离子束 物理刻蚀工艺分别去除与待形成的磁阻层所在沟槽侧壁相接触的两个沟槽侧壁上的磁性 材料层；
[0015] 继续W剩余的硬掩膜层和和氮化粗层为掩膜，采用离子束与刻蚀表面呈直角的离 子束物理刻蚀工艺去除所述沟槽底面上的部分磁性材料层，W形成磁阻层，所述磁阻层包 括一个沟槽侧壁表面上的磁性材料层、与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽底面上的的磁 性材料层W及与所述一个沟槽侧壁接触的部分沟槽周围顶部表面上的的磁性材料层。
[0016] 进一步的，所述各向同性刻蚀的工艺参数包括：氣基气体流量为eosccm~ lOOsccm，源射频功率为1000 W~1400W，偏置射频功率为IOW~30W，工作压强为15化orr~ 25Mtorr〇
[0017] 进一步的，所述沟槽的两个相对的侧壁处均形成所述磁阻层。
[0018] 进一步的，所述沟槽仅有一个侧壁处形成有所述磁阻层，所述方法还包括：采用离 子束入射角为纯角的离子束物理刻蚀工艺去除与所述磁阻层相对的沟槽侧壁上的磁性材 料层。
[0019] 进一步的，所述纯角为130度。
[0020] 进一步的，所述离子束物理刻蚀工艺的工艺参数包括：工艺气体为Ar,气体流量 为Ssccm~25sccm〇
[0021] 进一步的，所述磁性材料层为