СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОЙ СТРУКТУРЫ С ШУНТИРУЮЩИМИ ПОЛОСКАМИ Российский патент 2023 года по МПК G01R33/02 B82B3/00 H01L21/82 

Изобретение относится к способам, а именно к способам изготовления тонкопленочных магниторезистивньгх структур и может быть использовано для изготовления магниторезистивных датчиков для устройств навигации и ориентации, контроля и измерения линейных и угловых перемещений.

Из уровня техники (Патент US4,847,584) известно устройство-магниторезистивный датчик, содержащий как минимум, четыре тонкопленочных магниторезистора, объединенных в мостовую схему, как минимум, одну планарную катушку смещения ("Offset") и, как минимум, одну планарную катушку перемагничивания ("Set-Reset"). Каждый из четырех тонкопленочных магниторезисторов представляет собой полосковую структуру, сформированную из мягкого ферромагнетика, например, пермаллоя (Ni₈₁Fe₁₉).

Особенностью работы магниторезистивных датчиков является, так называемое, «магнитное смещение», т.е. направление протекания тока через магниторезистивную полоску должно составлять угол 45° к направлению намагниченности. В устройстве, описанном в Патенте US4,847,584 магнитное смещение каждой магниторезистивной полоски обеспечивается путем нанесения на нее шунтирующих полосок (полосок барбера). Если эти шунтирующие полоски расположены под углом 45° относительно длинной оси магниторезистора, то при соотношении поверхностного сопротивления магниторезистивного материала к материалу шунтирующей полоски не менее, чем в 10 раз возникает необходимый эффект магнитного смещения. [1] Очевидно, что шунтирующие полоски должны изготавливаться из более электропроводного, по сравнению с анизотропным ферромагнетиком, материала. В изобретении по Патенту US4,847,584 шунтирующие полоски изготавливаются способом вакуумного напыления пленки сплава AlCu (Cu-4%) толщиной 0,5 мкм и последующим ее травлением.

Основные недостатки шунтирующих полосок, применяемых в описанном устройстве связаны с тем, что указанное выше соотношение проводимостей ≥10 это минимум, при котором только возникает эффект магнитного смещения. При росте отношения поверхностных сопротивлений, эффективность магнитного смещения повышается, причем, в лучших образцах современных магниторезистивных датчиков соотношение проводимостей может достигать 2000 и более. Проводимость сплава AlCu (Cu-4%) создает, существенное ограничение для эффективности работы магниторезистивного сенсора. Высокое соотношение проводимостей может быть получено либо при увеличении толщины шунтирующей полоски, либо при замене материала шунтирующей полоски на более электропроводный по сравнению с Al или сплавом AlCu (Cu-4%), например, Ag, Cu, Au и их сплавы.

Способ формирования шунтирующих полосок из металлов с высокой электрической проводимостью, в частности, из меди описан в патенте US 8,564,287. Согласно данному способу, на кремниевой подложке формируется окисленный диэлектрический слой заданной толщины. В окисленном слое методом глубокого реактивного травления (DRIE) формируются борозды, расположение и геометрическая форма которых соответствует расположению и форме шунтирующих полосок и соединительных проводников. Последовательными операциями химического осаждения из паровой фазы (CVD) и химико-механической полировки (СМР) в борозды наносится посевной слой вольфрама. Затем методом электрохимического осаждения (ECD) борозды заращиваются гальванической медью из сульфатного электролита меднения на основе SiO₄ (damascene-процесс). После формирования медных шунтирующих полосок и соединительных проводников последовательно наносятся магниторезистивный слой, диффузионный барьерный слой, поверх которых формируется второй диэлектрический слой.

Прототипом заявляемого способа является способ формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками, описанный в патенте US6,850,057. Согласно этому способу на слой магниторезистивного материала-пермаллоя, наносят диффузионный барьерный слой, например, нитрида тантала, на который в свою очередь, наносят диэлектрический слой, например, SiO₃ или Si₃N₄. В диэлектрическом слое селективным травлением формируют сквозные окна под шунтирующие полоски, и, в данных окнах, осаждением и последующим травлением проводникового материала формируют сами шунтирующие полоски.

Основной недостаток прототипа связан с тем, что в качестве проводникового материала шунтирующих полосок используется тот же сплав AlCu (Cu-4%), как совместимый с процессами осаждения-травления, применяемыми в микроэлектронной технологии. Очевидно, что единственный способ увеличить соотношение проводимостей шунтирующих полосок и магниторезистивного слоя- это увеличить толщину металла шунтирующих полосок, и соответственно, увеличить толщину диэлектрического слоя, в котором формируются окна под шунтирующие полоски. Увеличение толщины диэлектрического слоя, в свою очередь, неизбежно вызывает проблемы, связанные с перетравом диэлектрика и, следовательно, сохранением геометрии окон на операции их формирования.

Техническим результатом заявляемого изобретения являются повышение соотношения проводимостей магниторезистивного материала и шунтирующих полосок, сохранение геометрической формы и размера полосок в ходе технологического процесса их формирования, улучшение технологичности изготовления магниторезисторов, а также повышение чувствительности магниторезистивного датчика и снижение уровня его шумов.

Указанный технический результат достигается способом формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками заключающимся в том, что в изолирующем слое, расположенном поверх слоя магниторезистивного материала и диффузионного барьерного слоя, формируют сквозные окна, геометрическая форма и размеры которых соответствуют форме и размерам шунтирующих полосок, а затем в данные окна осаждают проводниковый материал, в котором, согласно изобретению под диэлектрическим слоем, в котором сформированы сквозные окна, наносят посевной слой Ni/Cu, находящийся в электрическом контакте со магниторезистивным и диффузионным барьерным слоем, затем проводниковый материал-медь осаждают электрохимическим осаждением из электролита на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией 0,05 М до 0,1 М, буферизированного раствором лимонной кислоты до интервала рН от 2,85 до 3,15 при плотности тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см² и перенапряжении на катоде ΔU от 0,22 В до 0,30 В.

Заявляемый способ имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, а именно: процессы вакуумного осаждения и последующего травления проводникового материала заменены процессом электрохимического осаждения, что позволяет применять медь в качестве проводникового материала шунтирующих полосок, а в самом процессе электрохимического осаждения сульфатный электролит меднения на основе CuSO₄ заменен электролитом на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией от 0,05 М до 0,1 М, буферизированного раствором лимонной кислоты до рН в интервале от 2,85 до 3,15.

Достижение технического результата заявляемого изобретения обеспечивается свойствами глицинатного электролита меднения, который в интервале рН от 2,85 до 3,15 при потенциале перенапряжения ΔU от 0,22 до 0,30 В обладает сильно выраженным выравнивающим эффектом и обеспечивает 2D-рост зеркально блестящего осадка металлической меди в виде столбиковых структур заданной геометрической формы в плане. Вследствие чего, формирование магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками может быть осуществлено следующим способом: в изолирующем слое (0009, 0014), расположенном поверх слоя магниторезистивного материала (1345) и диффузионного барьерного слоя (0005), формируют сквозные окна (0010), геометрическая форма и размеры которых соответствуют форме и размерам шунтирующих полосок (0011), а затем в данные окна осаждают проводниковый материал, в котором, согласно изобретению под диэлектрическим слоем, в котором сформированы сквозные окна, наносят посевной слой Ni/Cu (0078), находящийся в электрическом контакте со магниторезистивным (1345) и диффузионным барьерным слоем (0005), затем проводниковый материал-медь осаждают электрохимическим осаждением из электролита на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией от 0,05 М до 0,1 М, буферизированного раствором лимонной кислоты до рН в интервале от 2,85 до 3,15 при плотности тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см² и перенапряжении на катоде ΔU от 0,22 до 0,30 В.

Изобретение поясняется чертежами и примером конкретного исполнения.

На Фиг. 1 в качестве пояснения принципа действия шунтирующих полосок приведены диаграммы распределения эквипотенциальных линий тока, протекающего через магниторезистор с шунтирующими полосками [1, стр. 126-127]. (а) общий вид распределения тока в трех-сегментном магниторезисторе; (б) распределение эквипотенциальных линий в краевой незашунтированной области; (в) распределение эквипотенциальных линий при соотношении проводимости шунтирующей полоски ρ_b к проводимости магниторезистора ρ_m равном 10. При низком ρ_b/ρ_m наблюдается девиация части токовых линий. Данная девиация-источник шума магниторезистора; (г) распределение эквипотенциальных линий при соотношении проводимости шунтирующей полоски ρ_b к проводимости магниторезистора ρ_m равном 2000. Девиация практически отсутствует.

На Фиг. 2 схематически показан пример технологического процесса формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками согласно заявляемому способу, где (а) формирование на подложке (0001) сплошного диэлектрический слоя оксида кремния (0002); (б) нанесение на слой оксида кремния (0002) многослойной структуры (0345), содержащей первый диффузионный барьерный слой Ti либо Та (0003), слой магниторезистивного материала (0004) и второй диффузионный барьерный слой Ti либо Та (0005); (в) Нанесение фоторезиста (0006) на магниторезистивную структуру (0345) и фотолитография для формирования рисунка магниторезисторов; (г) химическое (плазмохимическое) травление слоя магниторезистивной структуры (0345) и формирование магниторезисторов (1345); (д) Нанесение посевных слоев Ni (0007) и Cu (0008); (е) Нанесение на посевной слой (0078) химически стойкого фоторезиста (0009) и фотолитография для формирования слоя шунтирующих полосок (0010); (ж) процесс электрохимического осаждения меди (0011) из глицинатного электролита, буферизованного лимонной кислотой (Cu-Gly₂); (з) нанесение защитного слоя Cr или Ni (0012) и удаление фоторезиста (0009); (и) нанесение на сформированные шунтирующие полоски (0011) защитного фоторезиста (0013); удаление посевного слоя Ni/Cu (0078).

На Фиг. 3 приведена схема варианта технологического процесса формирования шунтирующих полосок, (а) Нанесение диэлектрического слоя SiO₂ или Si₃N₄ (0014) на магниторезисторы (1345); (б) формирование в диэлектрическом слое (0014) сквозных окон под шунтирующие полоски (0015); (в) нанесение посевного слоя Ni/Cu (0078) на диэлектрический слой (0014);

На Фиг. 4 приведена схема реализации электрохимического роста медных шунтирующих полосок на магниторезисторах согласно заявляемому способу.

На чертежах приняты следующие обозначения:

0001 - Подложка;

0002 - Диэлектрический слой (SiO₂);

0003 - Адгезионный подслой (Ti, либо Та);

0004 - Анизотропный слой ферромагнетика (NiFe, либо NiFeCo);

0005 - Диффузионный барьерный слой (Ti, либо Та);

0006 - Фоторезист;

0007 - Адгезионный подслой Ni;

0008 - Посевной слой Cu;

0009 - Химически стойкий фоторезист;

0010 - Структура окон под шунтирующие полоски;

0011 - Шунтирующие полоски;

0012 - Защитный слой (Cr, либо Ni)

0013 - Защитный фоторезист;

0014 - Второй диэлектрический слой (SiO₂, либо Si₃N₄);

0015 - Структура окон во втором диэлектрическом слое;

0345 - Многослойная магниторезистивная структура;

1345 - Магниторезистор со сформированной топологией;

0078 - Посевной слой Ni/Cu.

Заявляемый способ формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками может быть реализован следующим образом:

1. На кремниевой или иной подложке (0001) окислением или осаждением формируют сплошной диэлектрический слой оксида кремния (0002);

2. На слой оксида кремния (0002) наносят многослойную структуру (0345), содержащую первый диффузионный барьерный слой (0003), слой магниторезистивного материала (0004) и второй диффузионный барьерный слой (0005). Причем, в качестве диффузионных барьерных слоев используют Ti либо Та.

3. На структуру из диффузионных и магниторезистивных слоев наносят фоторезист (0006), и выполняют фотолитографию для формирования рисунка магниторезисторов;

4. Проводят операцию химического (плазмохимического) травления слоя многослойной магниторезистивной структуры (1345);

5. Поверх магниторезистивной структуры (1345) наносятя посевной слой Ni/Cu (0078);

6. По посевному слою наносят химически стойкий фоторезист (0009) и проводят фотолитографию для формирования слоя шунтирующих полосок (0010);

7. В окна, открытые в фоторезисте (0009) проводят процесс электрохимического осаждения меди (0011). Для электрохимического осаждения используют электролит в составе: глицинат меди от 50 г/л до 70 г/л, лимонная кислота от 30 г/л до 40 г/л, деионизованная вода; при этом рН электролита должно находиться в интервале от 2,85 до 3,15, плотность тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см², а перенапряжение на катоде ΔU от 0,22 В до 0,30 В (электрод сравнения- хлорсеребряный (Re(AgCl)));

8. На осажденную медь электрохимически или вакуумным напылением наносят защитный слой Cr или Ni (0012);

9. После нанесения защитного покрытия, слой химически стойкого фоторезиста (0009) смывают;

10. Сформированные шунтирующие полоски фотолитографически покрывают защитным фоторезистом (0013), при этом открытый посевной слой удаляют селективным травлением, после чего защитный фоторезист (0013) также смывают.

Возможен вариант процесса формирования шунтирующих полосок:

5. Поверх магниторезистивной структуры наносят диэлектрический слой, например, SiO₂ или Si₃N₄,

5.1 В диэлектрическом слое фотолитографией и селективным травлением формируют сквозные окна под шунтирующие полоски, аналогично способу, описанному в прототипе;

5.2 Посевной слой Ni/Cu наносят поверх диэлектрического слоя;

Дальнейшие операции процесса формирования шунтирующих полосок по пп. 6-10 аналогичны.

ИСТОЧНИКИ

1. S. Tumanski. Thin film magnetoresistive sensors // © IOP Publishing Ltd, 2001, 441 p.

Способ изготовления тонкопленочных магниторезистивных структур с шунтирующими полосками, использующихся для изготовления магниторезистивных датчиков. Способ заключается в том, что в диэлектрическом слое формируют сквозные окна, соответствующие форме и размерам шунтирующих полосок, наносят проводящий посевной слой, а затем электрохимическим осаждением осаждают проводниковый материал - медь из электролита на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией от 0,05 М до 0,1 М, буферизированного раствором лимонной кислоты до интервала рН от 2,85 до 3,15 при плотности тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см² и перенапряжении на катоде AU от 0,22 В до 0,30 В. Техническим результатом при реализации заявляемого решения является повышение соотношения проводимостей магниторезистивного материала и шунтирующих полосок, сохранение геометрической формы и размера полосок в ходе технологического процесса их формирования, улучшение технологичности изготовления магниторезисторов, а также повышение чувствительности магниторезистивного датчика и снижение уровня его шумов. 4 ил.

Способ формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками, заключающийся в том, что в диэлектрическом слое, расположенном поверх слоя магниторезистивного материала и диффузионного барьерного слоя, формируют сквозные окна, геометрическая форма и размеры которых соответствуют форме и размерам шунтирующих полосок, а затем в данные окна осаждают проводниковый материал, отличающийся тем, что под диэлектрическим слоем, в котором сформированы сквозные окна, наносят проводящий посевной слой, находящийся в электрическом контакте с магниторезистивным и диффузионным барьерным слоем, затем проводниковый материал - медь осаждают электрохимическим осаждением из электролита на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией от 0,05 М до 0,1 М, буферизированного раствором лимонной кислоты до интервала рН от 2,85 до 3,15 при плотности тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см² и перенапряжении на катоде ΔU от 0,22 В до 0,30 В.