专利名称：具有高形状各向异性的xmr传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及集成电路(IC)传感器，并且更尤其涉及具有非常高的形状各向异性(shape anisotropy)的磁阻IC电流传感器。
背景技术：
磁阻传感器可以包括巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)、各向异性磁阻(AMR)和其它技术(统称为xMR技术)。对于这些xMR传感器的一些应用而言，需要xMR条带的非常高的形状各向异性，即xMR条带的长度远大于宽度，或者反之亦然。例如，用于感测旋转磁场的多个圈(turn)的多圈传感器需要非常窄的xMR条带宽度，诸如约为200纳米(nm)或更低。 而且该宽度在晶片上以及逐个晶片都必须非常精确且一致以实现高制造产量。此外，在处理之后蚀刻侧壁不能出现明显的化学改性，因为这样的侵蚀会导致性能漂移。换句话说，制造需要非常高的形状各向异性的xMR传感器面临着许多挑战。适用于批量生产xMR堆叠(stack)的传统蚀刻过程非常难以应对这些挑战。例如，在传统的制造过程中经常使用离子束铣过程。然而，其中所使用的化学蚀刻或抗蚀剂(resist)去除过程会损坏侧壁，由此使得磁性能有所衰退，并且会在晶片上提供非一致的特性，这二者都是明显的缺陷。离子束铣过程也是缓慢的并且通常不适用于批量生产。因此，仍然需要改进的xMR传感器。

发明内容
在实施例中，一种磁阻传感器元件包括第一磁阻堆叠部分，其包括自由层并且具有第一、第二、第三和第四侧边；和第二磁阻堆叠部分，其耦合到所述第一磁阻堆叠部分并且具有与所述第一、第二、第三和第四侧边均不齐平的第五、第六、第七和第八侧边。在另一个实施例中，一种制造磁阻传感器元件的方法包括提供衬底；将电介质层施加于所述衬底并且对所述电介质层进行构造(structure)；施加自由层系统并对所述自由层系统进行构造；将附加堆叠层施加于所述自由层系统上；并且对所述附加堆叠层进行构造以使得所述附加堆叠层的横向尺寸大于所述自由层系统的横向尺寸，并且所述附加堆叠层的侧边与所述自由层系统的侧边不齐平。在另一个实施例中，一种制造磁阻传感器元件的方法包括提供衬底；将第一电介质层施加于所述衬底；在所述第一电介质层中形成沟槽；将xMR堆叠施加于所述第一电介质层上，所述沟槽的高度大于所述xMR堆叠的高度；将第二电介质层施加于所述xMR堆叠上；并且从所述第一电介质层去除所述xMR堆叠和第二电介质层的部分。在另一个实施例中，一种制造磁阻传感器元件的方法包括提供衬底；在所述衬底上提供抗蚀层(resist layer)；对所述抗蚀层进行构造以形成具有负倾斜的侧壁的沟槽；将自由层系统施加于所述抗蚀层上和所述沟槽之中，所述沟槽中的自由层系统与侧壁间隔开；去除所述衬底上的部分抗蚀层和所述抗蚀层上的部分自由层系统；并且将剩余堆叠施加于所述衬底上的自由层系统上并对其进行构造。


通过考虑以下结合附图对本发明各个实施例所进行的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中
图1描绘了根据实施例的XMR堆叠。图2描绘了根据实施例的流程图。图3描绘了根据实施例的过程。图4描绘了根据实施例的过程。图5描绘了根据实施例的过程。虽然本发明可以有各种修改和替换形式，但是其细节已经在图中通过示例所示出并且将进行详细描述。然而应当理解的是，意图并非把本发明局限于所描述的特定实施例。 相反，本发明要覆盖落入所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替换形式。
具体实施例方式实施例涉及具有非常高的形状各向异性的xMR传感器。实施例还涉及xMR堆叠的新颖构造过程，其用于实现非常高的形状各向异性而不对性能相关的磁场敏感层系统造成化学影响，同时还在晶片上提供相当一致的结构宽度，所述宽度在实施例中低至约100 nm。 实施例还可以提供xMR堆叠，其具有所定义横向几何形状和/或平滑的性能相关自由层系统的侧壁，这对于在晶片上实现均勻的磁特性是重要的。在实施例中，xMR堆叠的局部磁滞回路(minor loop)确定部件在不用直接的化学蚀刻过程的情况下进行构造并且实现了非常窄的宽度。所述xMR堆叠的构造可以划分为两个过程第一过程，其中诸如通过镶嵌(damascene)或剥离(lift-off)过程来构造性能相关的自由层系统而不进行直接蚀刻；以及第二过程，其中剩余堆叠通过传统的蚀刻过程被耦合到传感器层并且以宽松的(relaxed)横向尺寸进行构造，即大于所述自由层系统。在实施例中，整个xMR堆叠都通过镶嵌过程进行构造，这可以提供非常窄的xMR结构而无需直接的化学蚀刻。图1描绘了根据实施例的基于上自旋阀(TSV)原理的xMR堆叠100。在实施例中， 堆叠100包括种子层102，例如Ta、TaN、NiCr或一些其它适当材料；自由层104，其为传感器层并且例如可以是作为单层或多层组合的NiFe、C#e、CoFeB或一些其它适当材料；第一非磁性层106，诸如TMR设备中的Cu、A1203/Mg0或一些其它适当材料；基准(reference)层 108或铁磁层，诸如( 或一些其它适当材料；第二非磁性层110，诸如Ru或一些其它适当材料；压制层(pinned layer) 112或另外的铁磁层，诸如( 或一些其它适当材料；自然反铁磁体114，诸如IrMruPtMn或一些其它适当材料；以及覆盖层116，诸如Τει，TaN或一些其它适当材料。种子层102和自由层104在这里将被称作自由层系统103，堆叠100的其余部分被称作剩余堆叠111。图1所描绘的各种尺寸和厚度并非是依比例的。如之前所提到的，自由层系统103是堆叠100中的最为性能相关的部分。因此，在实施例中，堆叠100的构造可以如图2所示的那样被划分为两个过程第一过程，其中诸如通过镶嵌或剥离过程来构造性能相关的自由层系统103而不进行直接蚀刻；以及第二过程，其中剩余堆叠111通过传统的蚀刻过程被耦合到传感器层并且以宽松的横向尺寸进行构造。参见图3，描绘了根据实施例的自由层系统103的镶嵌构造过程。如本领域技术人员所理解的，实施例可以包括比特别图示的更多或更少的步骤；光刻过程例如可以在(a)和 (b)之间进行但是并未予以描绘。在(a)，薄的电介质120被施加于衬底118。在实施例中，衬底118具有其上施加以电介质120的抛光表面，并且包括用于随后提供到下方连线金属的连接的两个通孔122。 在实施例中，电介质120包括氮化硅或氧化硅，并且以约等于自由层系统103所需厚度的厚度进行施加。可以在其它实施例中使用其它适当的电介质材料。如所描绘的，通孔122在处理期间被填塞以钨。在(b)，利用针对衬底118的下方氧化物的高选择性，向电介质120中蚀刻具有自由层系统103的所需几何形状的沟槽124。在实施例中，沟槽124的宽度处于大约100 nm 至300 nm的范围内，在一个实施例中诸如为大约200 nm。在(c)，沉积自由层系统103。所沉积的自由层系统103在实施例中可以包括种子层102、自由层104以及任选的附加功能层。在(d)，化学机械抛光(CMP)过程去除电介质120上的部分自由层系统103。自由层系统103保留在之前的沟槽124中。在(e)，沉积剩余堆叠111。在实施例中，剩余堆叠111已经通过诸如化学、等离子或溅射蚀刻过程之类的标准蚀刻过程进行了构造，剩余堆叠111的尺寸相对于自由层系统 103的尺寸有所宽松，并且在对抛光的自由层103执行调节过程之后进行沉积。在实施例中，堆叠100因此包括第一部分(自由层系统103)和第二部分(剩余堆叠 111)。在一个实施例中，剩余堆叠111的横向尺寸通常大于自由层系统103的横向尺寸。例如，并且参见如图3中在页面上于(e)处所定向的堆叠100，剩余堆叠111的宽度(左右横向尺寸)大于之前的沟槽124中的自由层系统103的宽度，并且剩余堆叠111的深度(到页面中的横向尺寸)也大于自由层系统103的深度。在另一个实施例中，剩余堆叠111的横向尺寸通常小于自由层系统103的横向尺寸。换句话说，自由层系统103的侧壁部分与剩余堆叠111的侧壁部分并不对齐或齐平。在另一个实施例中，堆叠100的整体可以按照镶嵌过程进行构造。参见图4，在(a) 将电介质层120施加于衬底118。如图3的实施例中的那样，衬底118可以包括通孔122。 在实施例中，电介质120的厚度大于整个xMR堆叠的厚度。在(b)，利用传感器结构(自由层系统103)的几何形状来形成沟槽124。如图3的实施例中的那样，可以进行比图4中特别所描绘的更多或更少的过程。例如可以在(a)和 (b)之间进行光刻过程。在(c)，沉积整个xMR堆叠100，并且在(d)沉积诸如氧化物之类的另一个电介质膜 126。在(e)，CMP过程去除沟槽IM之外的电介质膜1 和xMR堆叠100。结果，仅在晶片上保留了堆叠100处于沟槽124中的部分。图5中描绘了另一个实施例，其中与其它实施例中所讨论的镶嵌过程相比，通过使用剥离技术构造xMR堆叠的自由层系统部分而并不进行直接的化学蚀刻。在(a)，在衬底 118上提供结构化抗蚀剂128，其在实施例中具有负倾斜的侧壁。在其它实施例中，利用强剥离力来使用非负的倾斜侧壁，诸如一个实施例中的洗涤器。在(b)，沉积自由层系统103。 接着去除衬底118上的抗蚀剂1 和自由层系统103。在实施例中，可以通过抗蚀剂溶剂的压力喷射、抗蚀剂溶剂的超声处理或者其它适当过程来执行这种去除。在(c)示出了剩余的结构。在(d)，在一个实施例中在清洁了自由层系统103的表面之后，沉积根据传统蚀刻过程所构造的剩余堆叠111。通过实施例给出了各种优势。例如，诸如低至约100 nm的非常小的自由层系统尺寸成为可能，而无需复杂的xMR堆叠蚀刻过程。此外，那些尺寸在整个晶片上可以是高度一致的，并且自由层系统可以在晶片上具有一致的所需平滑侧壁，由此提供高度一致的磁属性。在利用镶嵌过程的实施例中，自由层系统的结构可以基于电介质层的沿用已久的化学蚀刻。即使是诸如处于微米尺寸范围中的那些之类的较大传感器结构的实施例，也能够从自由层系统侧壁的可再现几何形状而获益。这在各个实施例中可以包括理想地平滑的以及所定义的“粗糙”壁。实施例可以在旋转、多圈和转数计数应用以及其它适当的感测应用中得以运用。已经在这里描述了系统、设备和方法的各个实施例。这些实施例仅通过示例所给出而并非意在对本发明的范围进行限制。此外，应当意识到的是，实施例中的已经予以描述的各个特征可以以各种方式进行合并以产生多种附加的实施例。此外，虽然已经描述了各种材料、尺寸、形状、注入位置等以便供所公开的实施例使用，但是也可以利用除所公开的那些之外的其它内容而并不超出本发明的范围。本领域普通技术人员将会意识到本发明可以包括比以上所描述的任意单独实施例中所图示的更少的特征。这里所描述的实施例并非意味着是可以对本发明的各个特征进行合并的方式的穷举呈现。因此，实施例并非相互排斥的特征组合；相反，如本领域普通技术人员所理解的，本发明可以包括从不同的单独实施例中所选择的不同的单独特征的组
I=I O对以上通过引用文献的任意结合进行限制以使得并不结合与这里所明确的公开内容相矛盾的主题。对以上通过引用文献的任意结合进一步进行限制以使得文献中所包括的权利要求并不通过引用结合于此。对以上通过引用文献的任意结合再进一步进行限制以使得除非明确包括于此，否则文献中所提供的任意定义并不通过引用而被结合于此。为了解释本发明的权利要求，除非权利要求中叙述特定术语“用于……的装置”或 “用于……的步骤”，否则明确意在不援引35 U. S. C的第112节第6段的规定。
权利要求
1.一种磁阻传感器元件，包括第一磁阻堆叠部分，其包括自由层并且具有第一、第二、第三和第四侧边；和第二磁阻堆叠部分，其耦合到所述第一磁阻堆叠部分并且具有与所述第一、第二、第三和第四侧边均不齐平的第五、第六、第七和第八侧边。
2.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述第一、第二、第三和第四侧边限定了具有第一面积的第一表面，并且其中所述第五、第六、第七和第八侧边限定了具有不同于所述第一面积的第二面积的第二表面。
3.如权利要求2所述的磁阻传感器元件，其中所述第二面积大于所述第一面积。
4.如权利要求2所述的磁阻传感器元件，其中所述第二面积小于所述第一面积。
5.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述磁阻传感器元件是巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)传感器元件之一。
6.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述第一磁阻堆叠部分通过镶嵌过程形成而所述第二磁阻堆叠部分通过蚀刻过程形成。
7.如权利要求6所述的磁阻传感器元件，其中所述蚀刻过程包括化学蚀刻或溅射蚀刻之一。
8.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述第一磁阻堆叠部分通过剥离过程形成而所述第二磁阻堆叠部分通过蚀刻过程形成。
9.如权利要求8所述的磁阻传感器元件，其中所述蚀刻过程包括化学蚀刻或溅射蚀刻之一。
10.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述第一和第二磁阻堆叠部分通过镶嵌过程形成。
11.如权利要求1所述的磁阻传感器元件，其中所述第一、第二、第三或第四侧边中的至少一个具有约200纳米或更少的长度。
12.一种制造磁阻传感器元件的方法，包括提供衬底；将电介质层施加于所述衬底并且对所述电介质层进行构造；施加自由层系统并对所述自由层系统进行构造；将附加堆叠层施加于所述自由层系统上；并且对所述附加堆叠层进行构造以使得所述附加堆叠层的横向尺寸大于所述自由层系统的横向尺寸，并且所述附加堆叠层的侧边与所述自由层系统的侧边不齐平。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括在施加所述附加堆叠层之前通过化学机械抛光(CMP )过程去除所述电介质层上的自由层系统材料。
14.如权利要求12所述的方法，其中对所述电介质层进行构造包括在所述电介质层中形成沟槽，并且其中施加所述自由层系统包括利用自由层系统材料填充所述沟槽。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述沟槽的长度或宽度中的至少一个为大约200 纳米或更少。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述磁阻传感器元件包括巨磁阻(GMR)效应或隧道磁阻(TMR)效应之一。
17.一种制造磁阻传感器元件的方法，包括提供衬底；将第一电介质层施加于所述衬底；在所述第一电介质层中形成沟槽；将xMR堆叠施加于所述第一电介质层上，所述沟槽的高度大于所述xMR堆叠的高度；将第二电介质层施加于所述xMR堆叠上；并且从所述第一电介质层去除所述xMR堆叠和第二电介质层的部分。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述xMR堆叠包括巨磁阻(GMR)效应或隧道磁阻 (TMR)效应之一。
19.如权利要求17所述的方法，其中去除所述xMR堆叠和第二电介质层的部分包括应用化学机械抛光(CMP)过程。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述沟槽的长度或宽度中的至少一个为大约200 纳米或更少。
21.一种制造磁阻传感器元件的方法，包括提供衬底；在所述衬底上提供抗蚀层；对所述抗蚀层进行构造以形成沟槽；将自由层系统施加于所述抗蚀层上和所述沟槽中，所述沟槽中的自由层系统与所述沟槽的侧壁间隔开；去除所述衬底上的部分抗蚀层和所述抗蚀层上的部分自由层系统；并且将剩余堆叠施加于所述衬底上的自由层系统上并对其进行构造。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述磁阻传感器元件包括巨磁阻(GMR)效应或隧道磁阻(TMR)效应之一。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述沟槽的侧壁负倾斜。
24.如权利要求21所述的方法，其中去除所述衬底上的部分抗蚀层和所述抗蚀层上的部分自由层系统包括使用抗蚀剂溶剂的压力喷射或抗蚀剂溶剂内的超声处理之一。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述沟槽的长度或宽度中的至少一个为大约200 纳米或更少。
全文摘要
本发明涉及具有高形状各向异性的XMR传感器。实施例涉及具有非常高的形状各向异性的xMR传感器。实施例还涉及xMR堆叠的新颖构造过程，其用于实现非常高的形状各向异性而不对性能相关的磁场敏感层系统造成化学影响，同时还在晶片上提供相当一致的结构宽度，所述宽度在实施例中低至约100nm。实施例还可以提供xMR堆叠，其具有所定义横向几何形状和/或平滑的性能相关自由层系统的侧壁，这对于在晶片上实现均匀的磁特性是重要的。
文档编号G01R19/00GK102565505SQ201110360959
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者A.斯特拉泽, J.齐梅尔, K.普罗伊格尔, N.泰森, O.屈恩, R.施莱德茨 申请人:英飞凌科技股份有限公司