專利名稱：磁敏傳感器陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別涉及到磁敏傳感器陣列及其制造方法。
背景技術(shù)：
最早的磁敏傳感器可以追溯到中國(guó)古代的“指南針”，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不同材料的磁敏傳感器種類繁多，霍爾器件、磁敏二極管、磁阻器件等半導(dǎo)體磁敏器件是其中應(yīng)用最為廣泛的一類，而磁敏二極管則是半導(dǎo)體磁敏器件中非常重要的一種磁敏傳感器。磁敏二極管可以檢測(cè)到10-1-104Gauss的磁場(chǎng)，其磁靈敏度比普通霍爾器件大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)探頭、無接觸開關(guān)等。
磁敏二極管是一種長(zhǎng)基區(qū)二極管，有雙注入型和單注入型兩種，雙注入型磁敏二極管的靈敏度要高于單注入型磁敏二極管，因此在設(shè)計(jì)時(shí)被經(jīng)常采用，但后者的制作工藝比前者要簡(jiǎn)單。無論是單注入型還是雙注入型磁敏二極管，其基區(qū)都是高阻半導(dǎo)體單晶材料。對(duì)于常用的雙注入型磁敏二極管，在其兩端設(shè)置了施主重?fù)诫s區(qū)N+區(qū)和受主重?fù)诫s區(qū)P+區(qū)，并在磁敏二極管的一個(gè)表面設(shè)置一個(gè)高復(fù)合區(qū)。當(dāng)外界磁場(chǎng)加在平行于高復(fù)合區(qū)表面、且垂直于載流子運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，載流子受洛倫茲力作用偏向或背離復(fù)合區(qū)，在恒定電壓輸入的情況下，流過磁敏二極管的電流會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)磁敏二極管的電流變化情況，即可獲知外界磁場(chǎng)的大小。
制作磁敏二極管的材料主要有鍺、硅和制作在絕緣層上的單晶硅層SOI，其結(jié)構(gòu)一般是長(zhǎng)方體，通常將高復(fù)合區(qū)設(shè)置在磁敏二極管的上表面或下表面(參見“Sensitivity Limits in SOS magnetodiode，”O(jiān).S.Lutes，P.S.Nussbaum，O.S.Aadland，IEEE Transactions on Electron Devices，vol.ED-27，No.11，pp.2156-2157(Nov.1980)，“Double Injection Type Magnetodiode formed on a SOIsubstrate，”H.Takeyama，K.Senoo，T.Otuki，and M.Kimura，The Transactions ofThe Institute of Electrical Engineers of Japan，MAY 2002，Volume 122-E(5)280.)。這種磁敏二極管要求被測(cè)磁場(chǎng)的方向必須與其上表面平行，它對(duì)于磁力線垂直于磁敏二極管上表面的磁場(chǎng)不敏感。另外，目前常見的磁敏二極管多為分立器件，溫度特性較差，并且只能進(jìn)行單點(diǎn)磁場(chǎng)測(cè)量，尚未出現(xiàn)能夠測(cè)量磁場(chǎng)兩維分布的單片式磁敏二極管陣列。對(duì)于單片式磁敏二極管陣列而言，被測(cè)磁場(chǎng)的方向只能與陣列平面垂直，這就要求陣列中每個(gè)磁敏二極管都對(duì)該方向的磁場(chǎng)具有最高的靈敏度，因此磁敏二極管的高復(fù)合區(qū)只能制作在其側(cè)面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述磁敏二極管分立器件的不足之處而提供一種測(cè)量磁場(chǎng)兩維分布的單片式磁敏二極管陣列，該磁敏二極管陣列能夠測(cè)量單點(diǎn)或分布式磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)，用于分布式磁場(chǎng)測(cè)量的磁敏傳感器陣列及其制造方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種磁敏傳感器陣列，包括多個(gè)相同的以二維方式排列的磁敏感單元即陣列單元，其特征在于每一磁敏感單元均包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同并且相互對(duì)稱的磁敏二極管并由其組成差分對(duì)，所說二極管是單注入型磁敏二極管或雙注入型磁敏二極管，其中，每個(gè)磁敏感單元的結(jié)構(gòu)為高阻單晶硅層上的溝槽為三條平行的梯形槽，三條梯形槽的上寬均為12～15微米、下寬均為5～8微米，位于中間的梯形槽的長(zhǎng)度為30微米、高度為10微米，位于兩邊的兩個(gè)梯形槽的長(zhǎng)度為95微米、其槽底延伸至SOI襯底的絕緣層處，位于兩邊的與位于中間的梯形槽間的中心距均為150微米；磁敏二極管的與梯形槽相垂直的側(cè)表面上置有兩塊高深寬比的凹硅槽，凹硅槽的深度為20微米、寬度為2微米、長(zhǎng)度為100微米，凹硅槽位于兩兩梯形槽中間，凹硅槽的一個(gè)側(cè)面分別形成磁敏二極管的有效高復(fù)合面；
當(dāng)磁敏二極管是雙注入型時(shí)，其公共區(qū)是P+區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是N+區(qū)，或者，其公共區(qū)是N+區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是P+區(qū)；當(dāng)磁敏二極管是單注入型時(shí)，若高阻單晶硅層為P型材料，磁敏二極管的公共區(qū)是P+區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，或者，公共區(qū)是能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是P+區(qū)；當(dāng)磁敏二極管是單注入型時(shí)，若高阻單晶硅層為N型材料，磁敏二極管的公共區(qū)是N+區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，或者，公共區(qū)是能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，兩個(gè)另一區(qū)都是N+區(qū)；磁敏二極管都只具有一個(gè)有效高復(fù)合面，該高復(fù)合面分別為具有高深寬比的凹硅槽的一個(gè)側(cè)面，其目的是使得每個(gè)磁敏二極管對(duì)于磁力線垂直于其上表面的磁場(chǎng)具有最高的靈敏度；公共區(qū)的表面覆有電極，兩個(gè)另一區(qū)的表面也覆有電極；位于兩端的電極分別串接電阻后的接點(diǎn)與位于中間的電極間跨接有直流穩(wěn)壓電源，組成差分電路，差分信號(hào)由所說位于兩端的電極間引出；具有SOI襯底的高阻單晶硅層為輕摻雜的N型或P型材料，其室溫下的電阻率大于100歐姆·厘米。
本發(fā)明中提到的磁敏傳感器陣列的制作方法，其特征在于選擇具有SOI襯底的100晶面的高阻單晶硅層，N型或P型均可，采用外延工藝將高阻單晶硅層外延到20微米，然后采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟進(jìn)行化學(xué)清洗；采用熱氧化工藝在高阻單晶硅層表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；交替采用光刻、TMAH腐蝕液進(jìn)行各向異性腐蝕、熱氧化工藝，分兩次在高阻單晶硅層的相應(yīng)位置處分別制作出梯形槽；當(dāng)制作雙注入型磁敏二極管時(shí)，在中間的梯形槽內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別擴(kuò)散施主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為兩個(gè)另一區(qū)，或者，在中間的梯形槽內(nèi)擴(kuò)散施主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為兩個(gè)另一區(qū)。形成公共區(qū)和兩個(gè)另一區(qū)的先后次序沒有特別的要求，但兩次擴(kuò)散過程之間需進(jìn)行一次熱氧化和一次光刻；當(dāng)制作單注入型磁敏二極管時(shí)，若高阻單晶硅層為P型材料，在中間的梯形槽內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別淀積能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料作為兩個(gè)另一區(qū)，或者，在中間的梯形槽內(nèi)淀積能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為兩個(gè)另一區(qū)；若高阻單晶硅層為N型材料，在中間的梯形槽內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別淀積能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料作為兩個(gè)另一區(qū)，或者，在中間的梯形槽內(nèi)淀積能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料作為公共區(qū)，在兩邊的梯形槽內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為兩個(gè)另一區(qū)。
形成公共區(qū)和兩個(gè)另一區(qū)的先后次序是，先在磁敏二極管的一端形成P+區(qū)或N+區(qū)，然后在另一端淀積能與高阻區(qū)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，并隨后進(jìn)行一次光刻以除去梯形槽斜邊以外的該種金屬材料；當(dāng)制作如雙注入型磁敏二極管或單注入型磁敏二極管時(shí)，公共區(qū)和兩個(gè)另一區(qū)的形成都是在相應(yīng)的梯形槽被TMAH腐蝕液刻蝕成形并經(jīng)過化學(xué)清洗后隨即進(jìn)行的；采用PECVD工藝淀積一層二氧化硅絕緣層，然后通過光刻工藝刻蝕出公共區(qū)和另一區(qū)的金屬引線孔窗口；淀積金屬鋁，并再次通過光刻工藝完成三個(gè)梯形槽處電學(xué)信號(hào)的引出以及整個(gè)傳感器陣列內(nèi)部引線的互連；隨后進(jìn)行合金化處理；
采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，刻蝕兩邊的梯形槽處底部除去鋁后裸露的硅直至硅下面的二氧化硅絕緣層，長(zhǎng)度為95微米。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻；采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，在磁敏二極管的與梯形槽相垂直的側(cè)表面制作高深寬比的凹硅槽，凹硅槽的一個(gè)側(cè)面形成磁敏二極管的有效高復(fù)合面。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻。
上述制作工藝的加工對(duì)象是指包括磁敏二極管在內(nèi)的傳感器陣列中的所有磁敏二極管。
本發(fā)明的有益效果是該傳感器陣列的每個(gè)磁敏感單元與外部電阻及直流穩(wěn)壓電源相連后都可以組成差分電路，借助于此，抑制了溫度漂移、電源電壓抖動(dòng)等因素引起的共模干擾，與由分立的磁敏二極管組成的差分電路相比，該傳感器陣列的每個(gè)敏感單元構(gòu)成的差分電路，在穩(wěn)定性及可靠性方面得到了較大提高，且其磁靈敏度為磁敏二極管對(duì)中兩個(gè)磁敏二極管正反向磁靈敏度之和；采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，在磁敏感單元中磁敏二極管的側(cè)表面上制作出的高深寬比的凹硅槽，利用凹硅槽的一個(gè)側(cè)面作為磁敏二極管的有效高復(fù)合面，而利用凹硅槽的對(duì)面未破壞的高阻半導(dǎo)體單晶作為磁敏二極管的低復(fù)合面，從而使傳感器陣列對(duì)垂直于芯片表面方向的磁場(chǎng)具有最高的磁靈敏度。
采用半導(dǎo)體平面工藝結(jié)合微機(jī)械加工的制作方法，使該傳感器陣列的磁敏感單元具有很高的集成度且每個(gè)磁敏感單元都可以單獨(dú)工作，因此該傳感器陣列可直接應(yīng)用于單點(diǎn)或分布式磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，也可將其改裝為觸覺傳感器并應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明中磁敏傳感器陣列的一個(gè)陣列單元的結(jié)構(gòu)外觀圖；圖2是本發(fā)明中雙注入型磁敏二極管差分對(duì)作為陣列單元時(shí)的截面圖；圖3是本發(fā)明中單注入型磁敏二極管差分對(duì)作為陣列單元時(shí)的截面圖；圖4是本發(fā)明中雙注入型磁敏二極管差分對(duì)作為陣列單元時(shí)感應(yīng)外磁場(chǎng)時(shí)的典型電路連接；圖5是本發(fā)明中單注入型磁敏二極管差分對(duì)作為陣列單元時(shí)感應(yīng)外磁場(chǎng)時(shí)的典型電路連接。
具體實(shí)施例方式
圖中1.高阻單晶硅層，1A.左側(cè)的磁敏二極管，1B.右側(cè)的磁敏二極管，2.雙注入型磁敏二極管的公共區(qū)，2A.雙注入型磁敏二極管1A的另一區(qū)，2B.雙注入型磁敏二極管1B的另一區(qū)，3A.磁敏二極管1A的高阻區(qū)，3B.磁敏二極管1B的高阻區(qū)，4A.磁敏二極管1A側(cè)面的凹硅槽，4B.磁敏二極管1B側(cè)面的凹硅槽，5.公共區(qū)2，8表面的金屬電極，5A.另一區(qū)2A，8A表面的金屬電極，5B.另一區(qū)2B，8B表面的金屬電極，6.用于制作公共區(qū)2，8的梯形槽，6A.用于制作另一區(qū)2A，8A的梯形槽，6B.用于制作另一區(qū)2B，8B的梯形槽，7.二氧化硅層，8.單注入型磁敏二極管的公共區(qū)，8A.單注入型磁敏二極管1A的另一區(qū)，8B.單注入型磁敏二極管1B的另一區(qū)，9A.與5A連接的外部電阻，9B.與5B連接的外部電阻，10.陣列單元的電壓輸出信號(hào)，11.直流穩(wěn)壓電源。
如圖2所示，磁敏二極管1A，1B是雙注入型磁敏二極管，其中，公共區(qū)2為P+區(qū)，另一區(qū)2A，2B為N+區(qū)；雙注入型磁敏二極管1A，1B也可以制作為另外一種結(jié)構(gòu)，即公共區(qū)2為N+區(qū)、另一區(qū)2A，2B為P+區(qū)。
如圖3所示，磁敏二極管1A，1B為單注入型磁敏二極管，此時(shí)的高阻單晶硅層1為P型材料，其中，公共區(qū)8為P+區(qū)，另一區(qū)8A，8B為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，磁敏二極管1A，1B也可以制作為另外一種結(jié)構(gòu)，即公共區(qū)8為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，另一區(qū)8A，8B為P+區(qū)；若高阻單晶硅層1選取為N型材料，則磁敏二極管1A，1B可以制作為下面的結(jié)構(gòu)公共區(qū)8為N+區(qū)，另一區(qū)8A，8B為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，或者，公共區(qū)8為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，另一區(qū)8A，8B為N+區(qū)。
在圖2與圖3中，磁敏二極管1A，1B的長(zhǎng)度為150微米、寬度為250微米。三條平行的梯形槽6A，6，6B位于高阻單晶硅層1上，梯形槽6的上寬為12～15微米、下寬為5～8微米、長(zhǎng)度為30微米、高度為10微米，梯形槽6A，6B上寬為12～15微米、下寬為5～8微米、長(zhǎng)度為95微米，梯形槽6A，6B的槽底延伸至SOI襯底的二氧化硅層處，所說梯形槽6A，6間的中心距及梯形槽6，6B間的中心距均為150微米。磁敏二極管1A，1B的與梯形槽6A，6，6B相垂直的側(cè)表面上置有兩塊高深寬比的凹硅槽4A，4B，凹硅槽4A，4B的深度為20微米、寬度為2微米、長(zhǎng)度為100微米，凹硅槽4A，4B位于兩兩梯形槽6A，6，6B中間，凹硅槽4A，4B的一個(gè)側(cè)面形成磁敏二極管1A，1B的有效高復(fù)合面。公共區(qū)2，8的表面覆有電極5，另一區(qū)2A，8A的表面覆有電極5A，另一區(qū)2B，8B的表面覆有電極5B。在磁敏二極管1A，1B上表面部分的二氧化硅層7起到表面鈍化與保護(hù)作用，同時(shí)由于高阻單晶硅層1在制備過程中的加工處理及表面懸掛鍵的存在等原因，使其表面具有較高的載流子復(fù)合速率，生長(zhǎng)一層二氧化硅層7后可以減小硅片表面對(duì)載流子的俘獲作用，從而減小上表面對(duì)體內(nèi)載流子壽命的影響。
磁敏傳感器陣列制作在具有SOI襯底的高阻單晶硅層1上，磁敏感單元以二維方式陣列。處于不同列的磁敏感單元，采用在梯形槽6A，6B底部刻蝕出的長(zhǎng)度為95微米、高度為高阻單晶硅層厚度的硅槽加以隔離；處于同一列而不同行的磁敏感單元，因?yàn)樗鼈冎g隔著較大面積的高阻半導(dǎo)體，磁敏二極管1A，1B的寬度W遠(yuǎn)大于其中的載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此在一個(gè)磁敏感單元中的載流子受到磁場(chǎng)作用偏轉(zhuǎn)后，基本已被在寬度方向的半導(dǎo)體體內(nèi)復(fù)合中心復(fù)合掉，不會(huì)被注入到相鄰的磁敏感元中，所以處于同列的磁敏感單元之間也具有較好的隔離。
該磁敏傳感器陣列的制作方法是下面先介紹磁敏二極管1A，1B為雙注入型時(shí)的磁敏傳感器陣列的制作方法①選擇具有SOI襯底的100晶面的高阻單晶硅層1，N型或P型均可，其室溫下的電阻率大于100歐姆·厘米，采用外延工藝將高阻單晶硅層1外延到20微米，然后采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟進(jìn)行化學(xué)清洗；②采用熱氧化工藝在高阻單晶硅層1表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；然后在高阻單晶硅層的相應(yīng)位置處光刻并利用TMAH各向異性腐蝕，形成具有一定坡度的梯形槽6；對(duì)梯形槽6進(jìn)行化學(xué)清洗，隨后立即在梯形槽6中進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散形成公共區(qū)2，公共區(qū)2為擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成的P+區(qū)或擴(kuò)散施主雜質(zhì)形成的N+區(qū)；③采用熱氧化工藝在單晶硅層表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；然后在高阻單晶硅層的相應(yīng)位置處光刻并利用TMAH各向異性腐蝕，形成具有一定坡度的梯形槽6A，6B；對(duì)梯形槽6A，6B進(jìn)行化學(xué)清洗，隨后立即在梯形槽6A，6B中進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散形成另一區(qū)2A，2B，若公共區(qū)2為N+區(qū)，則另一區(qū)2A，2B為P+區(qū)，若公共區(qū)2為P+區(qū)，則另一區(qū)2A，2B為N+區(qū)，P+區(qū)和N+區(qū)的雜質(zhì)濃度均不低于1017/cm3；④采用PECVD工藝淀積一層0.5微米厚的二氧化硅，然后通過光刻工藝刻蝕出梯形槽6A，6，6B內(nèi)的公共區(qū)2和另一區(qū)2A，2B的引線孔窗口；⑤淀積金屬鋁，并再次通過光刻工藝完成梯形槽6A，6，6B處電學(xué)信號(hào)的引出以及整個(gè)傳感器陣列內(nèi)部引線的互連；隨后進(jìn)行合金化處理；⑥采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，刻蝕梯形槽6A，6B處底部除去鋁后裸露的硅直至硅下面的二氧化硅絕緣層，長(zhǎng)度為95微米。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻。
⑦采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，在磁敏二極管1A，1B與梯形槽6A，6，6B相垂直的側(cè)表面上制作兩塊高深寬比的凹硅槽4A，4B，凹硅槽4A，4B的一個(gè)側(cè)面形成1A，1B的有效高復(fù)合面。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻。
上述磁敏二極管1A，1B是雙注入型時(shí)的傳感器陣列的制作工藝中，步驟②與③的次序可以互換。
下面介紹磁敏二極管1A，1B是單注入型時(shí)的磁敏傳感器陣列的制作方法①選擇具有SOI襯底的100晶面的高阻單晶硅層1，N型或P型均可，其室溫下的電阻率大于100歐姆·厘米，采用外延工藝將高阻單晶硅層1外延到20微米，然后采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟進(jìn)行化學(xué)清洗；②采用熱氧化工藝在單晶硅層表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；然后在高阻單晶硅層的相應(yīng)位置處光刻并利用TMAH各向異性腐蝕，形成具有一定坡度的梯形槽6或梯形槽6A，6B，對(duì)梯形槽6或梯形槽6A，6B進(jìn)行化學(xué)清洗，隨后立即在梯形槽6內(nèi)擴(kuò)散雜質(zhì)形成公共區(qū)8或在梯形槽6A，6B內(nèi)擴(kuò)散雜質(zhì)形成另一區(qū)8A，8B，若高阻單晶硅層1為N型材料，則該步驟中擴(kuò)散的雜質(zhì)為施主型雜質(zhì)；若高阻單晶硅層1為P型材料，則該步驟中擴(kuò)散的雜質(zhì)為受主型雜質(zhì)，擴(kuò)散后的施主型雜質(zhì)或受主型雜質(zhì)的濃度均不低于1017/cm3；③采用熱氧化工藝在單晶硅層表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；然后在高阻單晶硅層的相應(yīng)位置處光刻并利用TMAH各向異性腐蝕，形成具有一定坡度的梯形槽6A，6B或梯形槽6；對(duì)梯形槽6A，6B或梯形槽6進(jìn)行化學(xué)清洗，隨后立即在梯形槽6A，6B內(nèi)淀積能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料形成另一區(qū)8A，8B或在梯形槽6內(nèi)淀積能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料形成公共區(qū)8，并在沉積金屬后進(jìn)行一次氧化并光刻除去具有整流接觸的另一區(qū)8A，8B或公共區(qū)8以外的該種金屬材料；④采用PECVD工藝淀積一層0.5微米厚的二氧化硅，然后通過光刻工藝刻蝕出梯形槽6A，6，6B內(nèi)的公共區(qū)8和另一區(qū)8A，8B的引線孔窗口；⑤淀積金屬鋁，并再次通過光刻工藝完成梯形槽6A，6，6B處電學(xué)信號(hào)的引出以及整個(gè)傳感器陣列內(nèi)部引線的互連；隨后進(jìn)行合金化處理；⑥采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，刻蝕梯形槽6A，6B處底部除去鋁后裸露的硅直至硅下面的二氧化硅絕緣層，長(zhǎng)度為95微米。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻；⑦采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，在磁敏二極管1A，1B與梯形槽6A，6，6B相垂直的側(cè)表面上制作兩塊高深寬比的凹硅槽4A，4B，凹硅槽4A，4B的一個(gè)側(cè)面形成1A，1B的有效高復(fù)合面。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻；若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻。
磁敏傳感器陣列用于外界磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，陣列中的每一個(gè)磁敏感單元都采用恒壓源輸入的方式，并通過連接外部分壓電阻構(gòu)成差分電路，從而每一個(gè)磁敏感單元都可以單獨(dú)工作。因?yàn)榇琶舳O管在“大注入”條件下才具有較高的磁靈敏度，因此外部電阻9A，9B和直流穩(wěn)壓電源11的大小應(yīng)能夠保證磁敏二極管1A，1B工作在大注入狀態(tài)下，具體數(shù)值沒有嚴(yán)格要求。
如圖4所示，磁敏二極管1A，1B是雙注入型，其中，公共區(qū)2為P+區(qū)，另一區(qū)2A，2B為N+區(qū)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連；當(dāng)公共區(qū)2為N+區(qū)、另一區(qū)2A，2B為P+區(qū)時(shí)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連。
如圖5所示，磁敏二極管1A，1B是單注入型，此時(shí)的高阻單晶硅層1為P型材料，其中，公共區(qū)8為P+區(qū)，另一區(qū)8A，8B為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連；當(dāng)公共區(qū)8為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，另一區(qū)8A，8B為P+區(qū)時(shí)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連。若高阻單晶硅層1為N材料，公共區(qū)8為N+區(qū)，另一區(qū)8A，8B為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連，或者，公共區(qū)8為能與高阻區(qū)3A，3B形成整流接觸的金屬材料區(qū)，另一區(qū)8A，8B為N+區(qū)，此時(shí)電極5與直流穩(wěn)壓電源11的正極相連，電極5A，5B分別串接電阻9A，9B后與直流穩(wěn)壓電源11的負(fù)極相連。
在上述情況下，差分信號(hào)10都是從電極5A與電極5B間引出。
本發(fā)明提供的磁傳感器陣列，能夠檢測(cè)垂直于硅片表面方向的磁場(chǎng)。下面以磁敏二極管1A，1B是雙注入型的為例，介紹其工作原理。磁敏二極管在正向偏壓下，即上文介紹的電路連接方式，當(dāng)外部磁場(chǎng)B＝0時(shí)，理論上，輸出的差分信號(hào)10為零，磁敏二極管中的載流子在電場(chǎng)力作用下從P+區(qū)漂移到N+區(qū)空穴或從N+區(qū)漂移到P+區(qū)電子，側(cè)面的有效高復(fù)合面對(duì)載流子的影響很小。當(dāng)磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪庇诠杵砻嫦蛳聲r(shí)，磁敏二極管1A中的載流子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，受洛侖茲力作用而偏向作為有效高復(fù)合面的凹硅槽4A，并在那里被有效高復(fù)合面的缺陷等俘獲，引起磁敏二極管1A內(nèi)阻增大，而右邊的磁敏二極管的載流子受洛侖茲力作用則偏向于另一側(cè)面運(yùn)動(dòng)，此時(shí)絕大部分載流子被體內(nèi)復(fù)合中心復(fù)合掉，磁敏二極管1B的內(nèi)阻將略為減小或基本不變。溫度對(duì)磁敏二極管輸出信號(hào)的影響主要源于兩個(gè)因素，其一是熱激發(fā)的載流子參與漂移，其二是載流子遷移率隨溫度的變化。由于兩磁敏二極管距離為微米量級(jí)，它們對(duì)于環(huán)境溫度變化的感知可以認(rèn)為是相同的，而且效果等同，從而磁敏二極管1A，1B溫度漂移在差分輸出信號(hào)中被補(bǔ)償?shù)?，而其磁靈敏度則為磁敏二極管1A與1B正反向磁靈敏度之和。同時(shí)，這種電路結(jié)構(gòu)對(duì)于由電源電壓抖動(dòng)等引起的共模干擾，也具較好的抑制作用。該傳感器陣列可直接應(yīng)用于單點(diǎn)或分布式磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，也可將其改裝為觸覺傳感器并應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，電路的穩(wěn)定性及可靠性都較高。同理，當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)垂直于硅片表面向上時(shí)，右邊的磁敏二極管1B是磁敏感部分，而左邊的磁敏二極管1A主要起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩．?dāng)磁敏感單元工作在反向電壓時(shí)，因?yàn)榇琶舳O管1A與1B中P-N結(jié)的反向漏電流很小，故磁敏感效應(yīng)也很小。
當(dāng)磁敏二極管1A，1B為單注入型時(shí)，其工作原理與磁敏二極管1A，1B為雙注入型時(shí)的基本相同。不同之處在于，在雙注入型磁敏二極管中，參與形成電流的是N+-π結(jié)向π區(qū)注入的電子和P+-π結(jié)向π區(qū)注入的空穴，π是指高阻半導(dǎo)體，而在本發(fā)明的單注入型磁敏二極管陣列中，參與形成電流的則主要是P+-π結(jié)向π區(qū)注入的空穴及部分由金屬越過阻擋層注入π區(qū)的電子，或者，是N+-π結(jié)向π區(qū)注入的電子及部分由金屬越過阻擋層注入π區(qū)的電子。
權(quán)利要求
1.一種磁敏傳感器陣列，包括多個(gè)相同的以二維方式排列的磁敏感單元即陣列單元，其特征在于每一磁敏感單元均包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同并且相互對(duì)稱的磁敏二極管(1A，1B)并由其組成差分對(duì)，所說二極管(1A，1B)是單注入型磁敏二極管或雙注入型磁敏二極管，其中，每個(gè)磁敏感單元的結(jié)構(gòu)為1.1、高阻單晶硅層(1)的上表面置有三條平行的梯形槽(6A，6，6B)，所說梯形槽(6)的上寬為12～15微米、下寬為5～8微米、長(zhǎng)度為30微米、高度為10微米，所說梯形槽(6A，6B)上寬為12～15微米、下寬為5～8微米、長(zhǎng)度為95微米，梯形槽(6A，6B)的槽底延伸至SOI襯底的絕緣層處，所說梯形槽(6A，6)間的中心距及梯形槽(6，6B)間的中心距均為150微米；1.2、所說磁敏二極管(1A，1B)的與梯形槽(6A，6，6B)相垂直的側(cè)表面上置有兩塊高深寬比的凹硅槽(4A，4B)，所說凹硅槽(4A，4B)的深度為20微米、寬度為2微米、長(zhǎng)度為100微米，凹硅槽(4A，4B)位于兩兩梯形槽(6A，6，6B)中間，凹硅槽(4A，4B)的一個(gè)側(cè)面分別形成磁敏二極管(1A，1B)的有效高復(fù)合面；1.3、所說磁敏二極管(1A，1B)為雙注入型時(shí)，所說梯形槽(6)的槽內(nèi)表面置有公共區(qū)(2)，梯形槽(6A，6B)的斜邊分別置有另一區(qū)(2A，2B)；1.4、所說磁敏二極管(1A，1B)為單注入型時(shí)，所說梯形槽(6)的槽內(nèi)表面置有公共區(qū)(8)，梯形槽(6A，6B)的斜邊分別置有另一區(qū)(8A，8B)；1.5、公共區(qū)(2)為由受主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的P+區(qū)，另一區(qū)(2A，2B)均為由施主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的N+區(qū)，或者，公共區(qū)(2)為由施主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的N+區(qū)，另一區(qū)(2A，2B)均為由施主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的P+區(qū)；1.6、所說高阻單晶硅層(1)為P型材料時(shí)，公共區(qū)(8)為由受主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的P+區(qū)，另一區(qū)(8A，8B)均為能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，或者，公共區(qū)(8)為能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料，另一區(qū)(8A，8B)均為由受主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的P+區(qū)；所說高阻單晶硅層(1)為N型材料時(shí)，公共區(qū)(8)為由施主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的N+區(qū)，另一區(qū)(8A，8B)均為能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，或者，公共區(qū)(8)為能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料，另一區(qū)(8A，8B)均為由施主雜質(zhì)擴(kuò)散形成的N+區(qū)；1.7、公共區(qū)(2，8)的表面覆有電極(5)，另一區(qū)(2A，8A)的表面覆有電極(5A)，另一區(qū)(2B，8B)的表面覆有電極(5B)；1.8、所說高阻單晶硅層(1)的上表面覆有二氧化硅絕緣層(7)；1.9、所說電極(5A，5B)分別串接電阻(9A，9B)后的接點(diǎn)與電極(5)間跨接有直流穩(wěn)壓電源(11)，差分信號(hào)(10)由所說電極(5A)與電極(5B)間引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁敏傳感器陣列，其特征是具有SOI襯底的高阻單晶硅層(1)為輕摻雜的N型或P型材料，其室溫下的電阻率大于100歐姆·厘米。
3.一種如權(quán)利要求1所述的磁敏傳感器陣列制作的方法，其特征在于選擇具有SOI襯底的100晶面的高阻單晶硅層(1)，N型或P型均可，采用外延工藝將高阻單晶硅層(1)外延到20微米，然后采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟進(jìn)行化學(xué)清洗；采用熱氧化工藝在高阻單晶硅層(1)表面生長(zhǎng)一層1微米厚的二氧化硅；交替采用光刻、TMAH腐蝕液進(jìn)行各向異性腐蝕、熱氧化工藝，分兩次在高阻單晶硅層(1)的相應(yīng)位置處分別制作出梯形槽(6)及梯形槽(6A，6B)；當(dāng)制作如(1A，1B)所示的雙注入型磁敏二極管時(shí)，在梯形槽(6)內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為公共區(qū)(2)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別擴(kuò)散施主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為另一區(qū)(2A，2B)，或者，在梯形槽(6)內(nèi)擴(kuò)散施主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為公共區(qū)(2)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為另一區(qū)(2A，2B)，形成公共區(qū)(2)和另一區(qū)(2A，2B)的先后次序沒有要求，但兩次擴(kuò)散過程之間需進(jìn)行一次熱氧化和一次光刻，公共區(qū)(2)及另一區(qū)(2A，2B)的雜質(zhì)濃度不低于1017/cm3；當(dāng)制作如(1A，1B)所示的單注入型磁敏二極管時(shí)，若高阻單晶硅層(1)為P型材料，在梯形槽(6)內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為公共區(qū)(8)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別淀積能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料作為另一區(qū)(8A，8B)，或者，在梯形槽(6)內(nèi)淀積能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料作為公共區(qū)(8)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成P+區(qū)作為另一區(qū)(8A，8B)；若高阻單晶硅層(1)為N型材料，在梯形槽(6)內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為公共區(qū)(8)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別淀積能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料作為另一區(qū)(8A，8B)，或者，在梯形槽(6)內(nèi)淀積能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料作為公共區(qū)(8)，在梯形槽(6A，6B)內(nèi)分別擴(kuò)散受主雜質(zhì)形成N+區(qū)作為另一區(qū)(8A，8B)。形成公共區(qū)(8)和另一區(qū)(8A，8B)的先后次序是，先在磁敏二極管的一端形成P+區(qū)或N+區(qū)，然后在磁敏二極管的另一端淀積能與高阻區(qū)(3A，3B)形成整流接觸的金屬材料區(qū)，并隨后進(jìn)行一次光刻以除去梯形槽斜邊以外的該種金屬材料，公共區(qū)(8)及另一區(qū)(8A，8B)的雜質(zhì)濃度不低于1017/cm3；當(dāng)制作如(1A，1B)的雙注入型磁敏二極管或單注入型磁敏二極管時(shí)，公共區(qū)(2，8)和另一區(qū)(2A，2B，8A，8B)的形成都是在相應(yīng)的梯形槽(6A，6，6B)被TMAH腐蝕液刻蝕成形并經(jīng)過化學(xué)清洗后隨即進(jìn)行的；采用PECVD工藝淀積一層二氧化硅絕緣層，然后通過光刻工藝刻蝕出公共區(qū)(2，8)和另一區(qū)(2A，2B，8A，8B)的金屬引線孔窗口；淀積金屬鋁，并再次通過光刻工藝完成梯形槽(6A，6，6B)處電學(xué)信號(hào)的引出以及整個(gè)傳感器陣列內(nèi)部引線的互連，隨后進(jìn)行合金化處理；采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，刻蝕梯形槽(6A，6，6B)處底部除去鋁后裸露的硅直至硅下面的二氧化硅絕緣層，長(zhǎng)度為95微米。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻，若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻；采用MEMS技術(shù)中的ICP硅深刻蝕工藝或激光刻蝕工藝，在磁敏二極管(1A，1B)的與梯形槽(6A，6，6B)相垂直的側(cè)表面制作高深寬比的凹硅槽(4A，4B)，凹硅槽(4A，4B)的一個(gè)側(cè)面形成(1A，1B)的有效高復(fù)合面。若采用ICP硅深刻蝕工藝，需提前再進(jìn)行一次基于光刻膠作為掩膜的光刻，若采用激光刻蝕工藝，則不需要再進(jìn)行任何光刻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單片式磁敏傳感器陣列及其制造方法。傳感器陣列由多個(gè)相同的磁敏感單元以兩維方式排列而成，每個(gè)磁敏感單元為由兩個(gè)相同的磁敏二極管組成的差分對(duì)結(jié)構(gòu)，磁敏二極管是雙注入型或單注入型磁敏二極管，其中每個(gè)磁敏二極管僅有一個(gè)位于二極管側(cè)面的有效高復(fù)合面。其制作方法是先采用半導(dǎo)體平面工藝在具有SOI襯底的高阻單晶硅層上制作磁敏二極管陣列，然后采用MEMS技術(shù)在每個(gè)磁敏二極管的側(cè)面及不同的磁敏感單元之間刻蝕出硅槽，形成磁敏二極管的有效高復(fù)合面及實(shí)現(xiàn)不同磁敏感單元之間的隔離。該傳感器陣列具有抑制溫度漂移能力強(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可直接應(yīng)用于單點(diǎn)或分布式磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。
文檔編號(hào)H01L43/00GK1694274SQ20051004015
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者孔德義, 張東風(fēng), 梅濤, 倪林, 張正勇, 陶永春, 單建華, 孫磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院