СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО СЕНСОРА "МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ ГОЛОВКА-ГРАДИОМЕТР"
METHOD OF MAKING HIGHLY SENSITIVE "MAGNETORESISTIVE GRADIOMETER HEAD" SENSOR

Изобретение относится к области магнитных датчиков на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.
Известны способы изготовления магниторезистивных датчиков (патенты на изобретение РФ №2366038, МПК H01L 43/08, опубл. 27.08.2009 г.; патент РФ №2453949, МПК H01L 43/08, опубл. 20.06.2012 г.), включающие напыление на диэлектрический слой, сформированный на подложке, магниторезистивной наноструктуры, формирование магниточувствительных элементов мостовой схемы магниторезистивного датчика, их изолирующих и проводниковых слоев.
Известен способ изготовления магниторезистивного датчика по патенту на изобретение РФ №2391747 (МПК H01L 43/08, В81В 7/00, опубл. 10.06.2010 г.). Способ изготовления магниторезистивного датчика, включающий формирование диэлектрического слоя, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, формирование из магниторезистивной структуры нескольких магниторезистивных полосок различной длины и ширины, нанесение изолирующего слоя, формирование перемычек между магниторезистивными полосками, формирование проводника управления с рабочими частями и формирование верхнего защитного слоя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) является способ изготовления магниторезистивного датчика по патенту на изобретение РФ №2406352 (МПК H01L 43/08, В81В 37/00 опубл. 10.11.2010 г.). Способ изготовления магниторезистивного датчика, включающий формирование диэлектрического слоя, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, формирование из магниторезистивной структуры четырех рядов магниторезистивных полосок, нанесение первого изолирующего слоя, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок, формирование проводника управления, формирование второго изолирующего слоя, формирование планарной катушки и формирование верхнего защитного слоя.
С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие признаки аналога: формирование диэлектрического слоя, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, формирование из магниторезистивной структуры магниторезистивных полосок, нанесение первого изолирующего слоя, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок, формирование второго изолирующего слоя, формирование планарного проводника и пассивация (формирование верхнего защитного слоя).
Получению требуемого технического результата препятствует способ формирования магниторезистивных полосок. Датчик, полученный указанным способом, имеет одинаковую чувствительность к магнитному полю, рабочей и трех балластных магниторезистивных полосок, что требует их значительного удаления друг от друга для получения высокого ослабления влияния локального магнитного поля на датчик и не позволяет создавать компактные устройства.
Задачей изобретения является создание способа изготовления компактного магниторезистивного датчика на основе металлической ферромагнитной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока.
Технический результат выражается в уменьшении размеров датчика, получении датчика с увеличенной чувствительностью, увеличении процента выхода годных изделий.
Для достижения вышеуказанного технического результата способ изготовления магниторезистивного датчика включает окисление кремниевой подложки, формирование диэлектрического слоя, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, формирование из магниторезистивной структуры трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления магниторезистивной структуры через маску фоторезиста, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны, нанесение первого изолирующего слоя низкотемпературным осаждением оксида кремния, вскрытие в нем контактных окон к магниторезистивным полоскам, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия и последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста, формирование второго изолирующего слоя низкотемпературным осаждением оксида кремния, вскрытие во втором изолирующем слое переходных окон к перемычкам путем фотолитографии и плазмохимического травления, формирование планарного проводника, проходящего над магниторезистивной полоской рабочего плеча мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия и последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста и пассивацию.
В частных случаях выполнения изобретения диэлектрический слой формируют из нитрида кремния толщиной 0,18 мкм.
В частных случаях выполнения верхний и нижний защитные слои магниторезистивной структуры выполнены из титана, а ферромагнитная пленка из сплава железо-никель-кобальт.
От прототипа указанный способ отличается тем, что способ изготовления магниторезистивного датчика включает первоначальное окисление кремниевой подложки; формирование из магниторезистивной структуры трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления магниторезистивной структуры через маску фоторезиста, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны; после нанесения первого изолирующего слоя низкотемпературным осаждением оксида кремния вскрытие в нем контактных окон к магниторезистивным полоскам; формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия и последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста; после формирования второго изолирующего слоя низкотемпературным осаждением оксида кремния вскрытие в нем переходных окон к перемычкам путем фотолитографии и плазмохимического травления; формирование планарного проводника, проходящего над магниторезистивной полоской рабочего плеча мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия и последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста; формирование верхнего защитного слоя пассивацией.
В изготовленном в соответствии с настоящим изобретением датчике тонкопленочная магниторезистивная полоска с уменьшенной в N раз шириной имеет приблизительно в N раз меньшую чувствительность к магнитному полю из-за возрастания размагничивающего магнитного поля. Таким образом, не нужно удалять балластные тонкопленочные магниторезистивные полоски от рабочих тонкопленочных магниторезистивных полосок на значительное расстояние для ослабления величины измеряемого приповерхностного магнитного поля, следовательно, можно создавать более компактные датчики. Одновременно, такое решение увеличивает чувствительность магниторезистивного датчика из-за увеличения ослабления локального магнитного поля, действующего на магниторезистивную головку-градиометр.
Использование процесса низкотемпературного осаждения оксида кремния при формировании первого и второго изолирующих слоев позволяет избежать в процессе формирования превышения температуры, которое может привести к необратимому увеличению значений коэрцитивной силы и падению величин поля магнитной анизотропии, что существенно повышает процент выхода годных изделий.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена схема последовательности формирования слоев,
на фиг.2 представлена схема датчика.
Способ изготовления магниторезистивного датчика включает окисление кремниевой подложки 1, формирование диэлектрического слоя 2, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний 3 и нижний 4 защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5, формирование из магниторезистивной структуры трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления магниторезистивной структуры через маску фоторезиста, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины магниторезистивной полоски рабочего плеча мостовой схемы, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны, нанесение первого изолирующего слоя 6 низкотемпературным осаждением оксида кремния, вскрытие в нем контактных окон к магниторезистивным полоскам, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия 7 и последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста, формирование второго изолирующего слоя 8 низкотемпературным осаждением оксида кремния, вскрытие во втором изолирующем слое переходных окон к перемычкам путем фотолитографии и плазмохимического травления, формирование планарного проводника, проходящего над магниторезистивной полоской рабочего плеча мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия 9, последующего плазмохимического травления через маску фоторезиста и пассивацию с образованием верхнего защитного слоя 10.
Подложку выполняют из кремния. Диэлектрический слой 2 может быть сформирован из нитрида кремния толщиной 0,18 мкм. Верхний 3 и нижний 4 защитные слои магниторезистивной структуры выполнены из титана толщиной 5 нм, а ферромагнитная пленка 5 из сплава толщиной 15 нм. Размер магниторезистивной полоски может быть, например 20×120 мкм. Первый изолирующий слой 6 выполняют толщиной 0,3 мкм. Второй изолирующий слой 8 выполняют толщиной 0,3 мкм.
Финишными операциями являются пассивация (осаждение низкотемпературного оксида кремния толщиной 1 мкм и формирование в слое определенного рисунка) и выходной контроль качества.
В результате использования указанного способа может быть создан магниторезистивный датчик, схема которого представлена на фиг.2
Магниторезистивный датчик содержит подложку 1 с диэлектрическим слоем 2, тонкопленочные магниторезистивные полоски 11-14, содержащие нижний 4 и верхний 3 защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5. Мостовая схема датчика образована из трех рядов 12-14 параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и магниторезистивной полоски 11 рабочего плеча мостовой схемы. Ширина магниторезистивиых полосок в рядах 12-14 балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины магниторезистивной полоски 11 рабочего плеча мостовой схемы, а длины магниторезистивных полосок в рядах 12-14 балластных и магниторезистивной полоски рабочего плеча 11 мостовой схемы равны. Рабочее плечо 11 находится около края магниторезистивной головки-градиометра, а три балластных плеча 12-14 удалены от рабочего плеча 11. Рабочее плечо 11 содержит одну тонкопленочную полоску, а балластные плечи 12-14 содержат соединенные перемычками 15 ряды, состоящие из четырех параллельных тонкопленочных магниторезистивных полосок, причем ширина каждой полоски в четыре раза меньше ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски. Поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок расположен первый изолирующий слой 6, на котором сформированы немагнитные низкорезистивные перемычки 15, соединяющие ряды магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы 12-14. Выше расположены второй изолирующий слой 8 и планарный проводник 16, проходящий над рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоской 11.
Работа магниторезистивного датчика происходит следующим образом. В тонкопленочные магниторезистивные полоски 11 - 14 магниторезистивной головки-градиометра подается постоянный сенсорный ток для считывания сигнала. В планарный проводник 16 подается постоянный ток нужной полярности, позволяющий достигнуть максимальной чувствительности магниторезистивного датчика благодаря отклонению вектора намагниченности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски на оптимальный угол в 45° относительно ее длины. Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитной пленки 5 в тонкопленочных магниторезистивных полосках плеч 11-14 должны быть направлены вдоль ее оси легкого намагничивания, развернутой приблизительно на 45° от оси длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Но из-за действия на них размагничивающего магнитного поля, создаваемого составляющей векторов намагниченности ферромагнитной пленки 5, перпендикулярной длине тонкопленочной магниторезистивной полоски, угол отклонения векторов намагниченности будет всегда меньше. При этом из-за того, что размагничивающее магнитное поле обратно пропорционально ширине тонкопленочной магниторезистивной полоски, отклонение векторов намагниченности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски и, следовательно, ее чувствительность, будут больше, чем эти величины для узких балластных тонкопленочных полосок плеч 12-14.
Для установки оптимального угла направления вектора намагниченности в рабочей тонкопленочной полоске в планарный проводник 16 подается ток нужной полярности, создающий постоянное магнитное поле, доворачивающее вектор намагниченности ферромагнитной пленки 5 до угла 45°, что обеспечивает максимальную чувствительность и линейный диапазон магниторезистивного датчика. При этом чувствительность балластных полосок в плечах 12-14 в четыре раза меньше чувствительности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски 11 при условии, что их вектора намагниченности направлены под 45° относительно длины тонкопленочной магниторезистивной полоски. Реально направления векторов намагниченности балластных полосок значительно меньше этого угла, что еще больше уменьшает их чувствительность относительно чувствительности рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски.
Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо 11 мостовой схемы магниторезистивной головки-градиометра, приводит к изменению направления вектора намагниченности ферромагнитной пленки 5, что изменяет магнитосопротивление тонкопленочной магниторезистивной полоски и приводит к появлению сигнала считывания.
Из-за того, что в магниторезистивном датчике только одно рабочее плечо 11, его чувствительность по сравнению с магниторезистивным датчиком магнитного поля с проводником управления в несколько раз меньше и достигает величины не более 0,1 мВ/(ВхЭ). Реальное ослабление влияния однородного магнитного поля на сигнал составляет величину около 20 раз.
Одним из применений изготовленного согласно указанному способу датчика является измерение приповерхностных магнитных полей, создаваемых работающей печатной платой или микросхемой.