三轴磁传感器的制造方法与流程

1.本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种三轴磁传感器的制造方法。


背景技术：

2.微机电系统(micro-electro-mechanical systems，简称mems)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，其制造过程是以薄膜沉积、光刻、外延、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三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，它可以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(giant magneto resistive sensor，gmr)、各向异性磁阻传感器(anisotropic magneto resistive sensor，amr)等。以各向异性磁阻传感器为例，镍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、双轴磁传感器到三轴(3d)磁传感器。在现有技术中，三轴磁传感器以其可全面检测空间x、y、z三个方向上的磁信号，而得到普遍应用。
3.现有技术的amr三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，要形成轴磁阻层，首先要先形成一个与平面垂直的沟槽(trench)，以便将z轴磁阻材料形成在沟槽的侧壁以及沟槽侧壁附近的顶部表面上。
4.在三轴磁传感器的trench et和trench et back制程中，通过第一步先把孔槽挖出，随后沉积(dep)一层氧化层(ox)后，通过回刻形成所需要的具有特定斜角的形貌(profile)。然而，在刻蚀过程中，既要保证底部金属阻挡层(tin)刻完和又要保证ox的高度，还要trench的形貌符合要求，这对于刻蚀来说是个挑战。现有工艺中，通常第一步trench et保留部分金属阻挡层(tin)，第二步同时刻蚀ox和tin，这样会出现以下问题：沟槽的侧壁太陡峭，如图1a所示，形成的trench的形貌不符合要求((profile unmatch)，另外，氧化层的损失太多(ox loss too much)，造成氧化层的厚度不满足要求，如图1b所示，且在刻蚀过程中在沟槽内壁会产生部分氧化物残留，如图1c所示。因此，需要一种三轴磁传感器的制造方法来改善沟槽形貌、tin刻蚀和氧化层厚度平衡的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种三轴磁传感器的制造方法，实现沟槽形貌改善、tin刻蚀和氧化层厚度控制的平衡，提高了器件的可靠性，提高器件的可靠性。
6.为达到上述目的，本发明提供一种三轴磁传感器的制造方法，包括：
7.提供衬底，所述衬底上依次形成有金属层、阻挡层及层间介质层；
8.刻蚀所述层间介质层和所述阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽；
9.在所述第一沟槽的内壁及所述层间介质层上形成氧化层；以及，
10.进行回刻工艺，形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。
11.可选的，所述第一沟槽和所述第二沟槽的深度方向均与所述衬底厚度方向一致，所述第一倾斜角度为大于所述第二倾斜角度。
12.可选的，所述第一倾斜角度为65
°
～80
°
，所述第二倾斜角度为52
°
～56
°
13.可选的，所述第一沟槽的深度为2.9um～4um。
14.可选的，进行回刻工艺形成第二沟槽后，所述层间介质层的厚度大于2.8um。
15.可选的，所述金属层的材料为铝，所述阻挡层的材料为氮化钛。
16.可选的，所述层间介质层和所述氧化层的材料均为氧化硅。
17.可选的，回刻工艺刻蚀部分厚度的金属层。
18.可选的，采用干法刻蚀形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。
19.可选的，还包括：形成磁阻层，所述磁阻层形成在所述第二沟槽一侧壁表面、与一侧壁接触的部分沟槽底面以及与一侧壁接触的部分第二沟槽周围顶部表面上。
20.可选的，所述磁阻层为氮化硅层、镍铁合金层和氮化钽层的叠层。
21.综上，本发明提供的三轴磁传感器的制造方法中，先刻蚀层间介质层和阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽，再在第一沟槽的内壁及层间介质层上形成氧化层，通过回刻工艺形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。即本发明在trench et工艺中，将阻挡层tin刻蚀掉，在trench et back工艺中集中解决刻蚀形貌问题，控制了氧化层的损失，且增加沟槽窗口，实现沟槽形貌改善、tin刻蚀和氧化层厚度控制的平衡，提高了器件的可靠性。
附图说明
22.图1a～图1c是三轴磁传感器的制造过程中的相应步骤对应结构的电镜图；
23.图2是本发明一实施例提供的三轴磁传感器的制造方法的流程示意图；
24.图3a～图3d是本发明实施例提供的三轴磁传感器的制造方法中对应步骤形成的结构示意图；
25.图4a～图4c是本发明实施例提供的三轴磁传感器的制造方法中过程中的相应步骤对应结构的电镜图。
26.其中，附图标记说明如下：
27.100-衬底；110-第一沟槽；120-第二沟槽；
28.101-金属层；102-阻挡层；103-层间介质层；104-光刻胶层；105-氧化层。
具体实施方式
29.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
30.其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。
31.为了便于描述，本发明一些实施例可以使用诸如“在
…
上方”、“在
…
之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或
另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。
32.图2为本发明一实施例所提供的一种三轴磁传感器的制造方法的流程示意图，如图2所示，本实施例提供的三轴磁传感器的制造方法，包括以下步骤：
33.步骤s01：提供衬底，所述衬底上依次形成有金属层、阻挡层及层间介质层；
34.步骤s02：刻蚀所述层间介质层和所述阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽；
35.步骤s03：在所述第一沟槽的内壁及所述层间介质层上形成氧化层；以及，
36.步骤s04：进行回刻工艺，形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。
37.图3a至图3d为本发明一实施例中三轴磁传感器的制造方法所对应的各步骤的结构示意图。请参考图2所示，并结合图3a至图3d，详细说明本发明提供的三轴磁传感器的制造方法。
38.首先，参考图3a所示，执行步骤s01，提供衬底100，所述衬底上依次形成有金属层101、阻挡层102及层间介质层103。
39.具体的，提供衬底100，所述衬底100可以为单晶硅(si)、单晶锗(ge)、硅锗(gesi)或碳化硅(sic)，也可以是绝缘体上硅(soi)，绝缘体上锗(goi)；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等iii-v族化合物。本实施例中所述衬底100仅以采用硅衬底为例，此处仅为示例，本发明并不限于此。
40.所述衬底100上形成有层间介质层103，层间介质层103中嵌设有至少一层金属层，示例性的，金属层包括自下而上嵌设的第一金属层(m1)、第二金属层(m2)、第三金属层(m3)以及顶层金属层(mt)。介质层中嵌设的金属层的层数不做限制，根据实际情况设置，若干层金属层之间通过插塞电连接。插塞为上下两层金属层之间的介质层中的通孔中填充的导电层。
41.此外，所述衬底100与所述金属层之间形成有栅极和栅氧化层，为了更好的阐述本实施例的发明点，故在本实施例中省略了栅极、栅氧化层以及衬底100与顶层金属层之间的其他用于形成金属互连结构的金属层的描述。
42.进一步的，所述金属层101的材质可以为铝、铜、钛、镍、氮化铝、氮化钛和氮化镍中的一种或至少两种的组合，所述金属层101可以通过溅射的方法形成。所述层间介质层103的材料可以为氧化硅、氮氧化硅、teos或低k介质，形成方法为热氧化生长或化学气相沉积工艺，层间介质层103起到后续形成的磁性材料层与衬底100之间的绝缘隔离作用。所述阻挡层102例如通过物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)等方式形成，且所述阻挡层102例如为钽、氮化钽或氮化钛等粘附性较好的物质，能够阻止金属层内的金属离子向介质层进行扩散。本实施例中，所述金属层101为顶层金属层，所述金属层101的材质为金属铝(al)，所述阻挡层102为氮化钛(tin)，所述层间介质层103为氧化硅(sio2)。
43.接着，参考图3a和图3b所示，执行步骤s02，刻蚀所述层间介质层103和所述阻挡层102，形成具有第一倾斜角度α的第一沟槽110。
44.选用干法蚀刻或者湿法蚀刻工艺蚀刻所述层间介电层103和所述阻挡层102，以形成所述第一沟槽110，第一沟槽110的深度方向与衬底厚度方向一致,且第一沟槽110为上宽下窄的沟槽，第一沟槽110的具有第一倾斜角度α，第一倾斜角度α为65
°
～80
°
，例如为70
°
，75
°
等。
45.具体的，各向异性刻蚀所述层间介质层103和阻挡层102以在层间介质层103中形成沟槽，具体地，先生长一层氮化硅等硬掩膜，然后在硬掩膜上涂布一层光刻胶层104，并图形化光刻胶层104以形成沟槽光刻窗口，然后，以图形化光刻胶层为掩膜，刻蚀硬掩膜层以及层间介质层103形成具有第一倾斜角度的第一沟槽110，然后通过湿法刻蚀去除硬掩膜，湿法刻蚀液是氢氟酸和硫酸的混合物，第一沟槽110的深度大于层间介质层102的厚度，也就是第一沟槽110的底部位于金属层101的上表面。所述第一沟槽110的深度为2.9um～4um，例如为3um。
46.本实施例在第一沟槽110刻蚀(trench et)过程中，在保证沟槽形貌(profile)的前提下同时也将阻挡层(tin)102刻蚀掉，这样对于器件性能更重要的第二沟槽120刻蚀(trench et back)过程就仅需要集中解决刻蚀形貌问题。具体的，在第一沟槽110刻蚀(trench et)过程中，可以通过增强横向刻蚀，建立带有一定倾斜角的沟槽形貌,有利于et back形成沟槽倾斜的目标角度，亦增加角度窗口(window)。
47.接着，参考图3c所示，执行步骤s03，在所述第一沟槽110的内壁及所述层间介质层103上形成氧化层104。所述氧化层104的材质与层间介质层103的材质相同，例如均为氧化硅层，通过等离子增强化学气相沉积的方式形成。
48.接着，参考图3d所示，执行步骤s04，进行回刻工艺，形成具有第二倾斜角度的第二沟槽120。通过干法刻蚀所述氧化层104和部分层间介质层，在第一沟槽110的基础上形成倾斜角度的不同的第二沟槽120。所述第二倾斜角度β小于所述第一倾斜角度α，所述第二倾斜角度β为52
°
～56
°
，例如为54
°
。
49.在第一沟槽110的刻蚀(trench et)中，已经将阻挡层(tin)102刻蚀掉，在第二沟槽120刻蚀(trench et back)过程则可以更好的控制氧化层(包括层间介质层)的损失(ox loss)，以增加沟槽窗口，即在trench et back过程就仅需要集中解决刻蚀形貌问题。具体的，干法刻蚀氧化层104及部分层间介质层103，通过控制刻蚀工艺参数，调整沟槽的倾斜角度，使其达到沟槽的目标倾斜角度(z轴角度，54
°
)。
50.本实施例中进行回刻工艺形成第二沟槽120后，所述层间介质层103的厚度大于2.8um，进一步的，在本发明其他实施例中，在满足沟槽倾斜角度的情况下，回刻工艺形成第二沟槽120过程中刻蚀部分厚度的金属层101。
51.图4a～图4c是本实施例提供的三轴磁传感器的制造方法中过程中的相应步骤对应结构的电镜图。如图4a所示，本实施例提供的方法制造的沟槽的侧壁坡度平缓，符合器件trench的形貌要求，氧化层的厚度大于2.8um，氧化层的厚度满足要求，如图4b所示，且在刻蚀过程中在沟槽内壁没有产生部分氧化物残留，如图4c所示。本实施例提供的三轴磁传感器的制造方法做到了沟槽形貌改善、tin刻蚀和氧化层厚度控制的平衡，提高了器件的可靠性。
52.进一步的，本实施例提供的三轴磁传感器的制造方法还包括形成磁阻层，所述磁阻层形成在所述第二沟槽一侧壁表面、与一侧壁接触的部分沟槽底面以及与一侧壁接触的
部分第二沟槽周围顶部表面上，所述磁阻层为氮化硅层、镍铁合金层和氮化钽层的叠层。
53.综上所述，本发明提供的三轴磁传感器的制造方法中，先刻蚀层间介质层和阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽，再在第一沟槽的内壁及层间介质层上形成氧化层，通过回刻工艺，形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。本发明在trench et工艺中，将阻挡层tin刻蚀掉，在trench et back工艺中集中解决刻蚀形貌问题，控制了氧化层的损失，且增加沟槽窗口，实现沟槽形貌改善、tin刻蚀和氧化层厚度控制的平衡，提高了器件的可靠性。
54.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底上依次形成有金属层、阻挡层及层间介质层；刻蚀所述层间介质层和所述阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽；在所述第一沟槽的内壁及所述层间介质层上形成氧化层；以及，进行回刻工艺，形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。2.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述第一沟槽和所述第二沟槽的深度方向均与所述衬底厚度方向一致，所述第一倾斜角度为大于所述第二倾斜角度。3.根据权利要求2所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述第一倾斜角度为65
°
～80
°
，所述第二倾斜角度为52
°
～56
°
。4.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述第一沟槽的深度为2.9um～4um。5.根据权利要求4所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，进行回刻工艺形成第二沟槽后，所述层间介质层的厚度大于2.8um。6.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述金属层的材料为铝，所述阻挡层的材料为氮化钛。7.根据权利要求6所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述层间介质层和所述氧化层的材料均为氧化硅。8.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，回刻工艺刻蚀部分厚度的金属层。9.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，采用干法刻蚀形成所述第一沟槽和所述第二沟槽。10.根据权利要求1所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，还包括：形成磁阻层，所述磁阻层形成在所述第二沟槽一侧壁表面、与一侧壁接触的部分沟槽底面以及与一侧壁接触的部分第二沟槽周围顶部表面上。11.根据权利要求10所述的三轴磁传感器的制造方法，其特征在于，所述磁阻层为氮化硅层、镍铁合金层和氮化钽层的叠层。

技术总结
本发明提供一种三轴磁传感器的制造方法，先刻蚀层间介质层和阻挡层，形成具有第一倾斜角度的第一沟槽，再在第一沟槽的内壁及层间介质层上形成氧化层，通过回刻工艺形成具有第二倾斜角度的第二沟槽。本发明在Trench ET工艺中，将阻挡层TiN刻蚀掉，在Trench ET Back工艺中集中解决刻蚀形貌问题，控制了氧化层的损失，且增加沟槽窗口，实现沟槽形貌改善、TiN刻蚀和氧化层厚度控制的平衡，提高了器件的可靠性。性。性。


技术研发人员：郭俊 张振兴
受保护的技术使用者：上海华虹宏力半导体制造有限公司
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/7/13