一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器及其制作方法与流程

本发明属于半导体传感器领域，尤其涉及一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器及其制作方法。

背景技术：

磁传感器对磁学物理量敏感，经常用于检测磁场量或者其他物理量，例如：位移、流量、转速等。根据不同的物理机制，磁传感器可以分为很多类，其中以霍尔效应原理为基础的霍尔传感器是目前应用领域最广阔、使用最广泛的磁传感器。高性能的霍尔传感器应该具有动态特性佳、精确度高、线性度良好等优点。目前市场上已有的霍尔传感器多以传统半导体硅(si)材料、iii-v族材料(典型如：砷化镓(gaas)、砷化铟(inas)和锑化铟(insb))以及异质结二维电子气材料(典型如algan/gan)为主。以si材料制作的霍尔传感器虽然工艺成熟易于产业化，但受材料自身迁移率较小的限制，si霍尔传感器的灵敏度较小。异质结材料具有较高的电子迁移率，其制作的霍尔传感器具有较大的灵敏度，但由于异质结界面存在极化电荷产生的很大的纵向电场，该纵向电场抑制电子纵向偏移，因此探测水平方向磁场能力较弱。目前已被广泛应用在社会生活和工业生产中三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的霍尔传感器集成得到的，但因其尺寸较大、布线复杂，限制了霍尔传感器在一些微型领域新应用，例如：医疗领域中用于人体血液定位的磁性标签等。

石墨烯作为一种新型的二维材料，由于具有新颖的磁传输特性和较简单的生长工艺，迅速成为研究热点。与si材料相比，石墨烯具有超高的迁移率(典型值为8000cm²/v·s，本征的悬空石墨烯材料可达到200000cm²/v·s)，能够确保霍尔传感器具有超高的探测灵敏度和磁场分辨率。石墨烯迁移率随温度变化小，可保持常温下良好的温度稳定性。另外，与异质结材料相比，石墨烯有源沟道位于表面，对微弱磁场敏感，能够进一步提高纵向磁场的探测灵敏度。与传统的si、gaas、insb等材料相比，碳化硅(sic)作为第三代半导体材料的代表之一，具有宽禁带(～3.25ev)、高热导率(3～5w/(cmk))以及较高的电子迁移率。sic材料霍尔传感器不存在由异质结界面高密度极化电荷产生的纵向电场，因此该类型器件在工作时，电子在纵向偏移过程不会被束缚在横向电流沟道中，更适合制作高温下的垂直型霍尔传感器。传统的三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的霍尔传感器集成得到的，尺寸较大、布线复杂。

现有的霍尔传感器主要有两种，一种是单一材料的霍尔传感器，多数由si材料制作，另一种是基于异质结结构的霍尔传感器。硅基材料的霍尔传感器可以和集成电路工艺相兼容，易于大规模生产，但由于材料自身迁移率较低，无法获得高灵敏度的霍尔传感器。基于gaas、gan等异质结结构的霍尔传感器载流子迁移率高，虽然具有较高的灵敏度，但也存在弊端。例如：gan异质结(典型如algan/gan)界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气，在垂直沟道的方向存在纵向电场，沟道中的电子被束缚其中，虽然对探测纵向磁场的水平型霍尔传感器没有影响，但使得探测水平磁场的垂直型霍尔传感器感测到的电流和电压减小，传感器灵敏度降低。

随着工艺水平的提高和应用范围的扩展，霍尔传感器的尺寸变得越来越重要。目前市场上的霍尔传感器主要以测量垂直方向磁场的水平型霍尔传感器和测量水平方向磁场的垂直型霍尔传感器为主。探测空间任意方向磁场的三维霍尔传感器通过集成测量单一方向磁场的霍尔传感器得到，尺寸较大、布线复杂，限制了其在微型和纳米型霍尔传感器等小尺寸场合应用。

与si材料相比，异质结结构的霍尔传感器虽然灵敏度较高，但其工艺过程较为复杂，难以批量生产均匀性良好、高质量的霍尔传感器。同时由于无法和当前集成电路工艺兼容，难以大规模进行工业生产。

传统的si材料制作的霍尔传感器虽然工艺成熟易于生产，但由于材料本身迁移率较小，进一步提高传感器灵敏度较为困难。异质结结构的霍尔传感器灵敏度较高，但纵向电场的存在使得垂直型霍尔传感器感测到的电流电压较小，灵敏度降低。同时，大规模生产均匀性良好、高质量异质结结构霍尔传感器的工艺还不完全成熟。为探测空间任意方向磁场设计的集成三维霍尔传感器因其较大的尺寸，也限制了其在微型和纳米型霍尔传感器的应用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器及其制作方法，该磁传感器既可以满足x、y、z三维磁场测量，又具有超高的磁场探测灵敏度，同时可以减小传感器的体积，还可以与集成电路工艺兼容进行大规模生产，具有良好的应用前景。

技术方案如下：

一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器，在衬底上外延生长石墨烯层，所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述石墨烯层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端电极v3、感测电极h3、信号输入端v0、感测电极h4、公共端电极v4，“十”字纵向依次设置公共端电极v3’、感测电极h3’、所述信号输入端v0、感测电极h4’、公共端电极v4’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端v0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极v1、信号输入电极v2、感测电极h1、感测电极h2，所述信号输入电极v1与信号输入电极v2相对设置，所述感测电极h1与感测电极h2相对设置；所述信号输入电极v1与信号输入电极v2同时与所述衬底和石墨烯层接触连接。

进一步的，所述衬底是sic。

进一步的，所述公共端电极v3、感测电极h3、信号输入端v0、感测电极h4、公共端电极v4、公共端电极v3’、感测电极h3’、感测电极h4’、公共端电极v4’、信号输入电极v1、信号输入电极v2、电极h1、电极h2的形状是矩形、梯形或者圆形。

进一步的，所述公共端电极v3和公共端电极v4关于信号输入端v0中心对称，所述感测电极h3和感测电极h4关于信号输入端v0中心对称。

本发明还包括一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器制作方法,步骤如下：

s1、准备衬底材料，对衬底材料进行氢刻蚀处理，平整表面，在衬底表面刻蚀出纳米量级的台阶，用丙酮、乙醇、去离子水、盐酸依次去除衬底表面的有机物、氧化物；

s2、控制外延生长工艺系统的环境温度和真空度，利用高温热解工艺外延生长石墨烯；

s3、外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀法对衬底进行刻蚀，外延石墨烯用氧等离子体刻蚀法刻蚀多余材料形成沟道；

s4、光刻显影后用电子束蒸发系统沉积复合金属，衬底表面利用退火工艺形成欧姆接触，然后在石墨烯表面光刻显影后沉积复合金属，形成正面欧姆接触；

s5、采用等离子体增强化学气相淀积法、磁控溅射法、原子层沉积法、电子束蒸发法其中任意一种方式淀积介质层进行器件钝化；

s6、对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法任意一种方法在电极处沉积金属，制作焊盘并进行引线。

进一步的，所述衬底是4h-sic或6h-sic。

进一步的，步骤s2中，首先将放置sic衬底的石墨坩埚快速升温至1200℃；再缓慢升温至热解温度1400℃～1800℃；最后保持固定热解温度30min-150min，使表面碳原子重组。

进一步的，步骤s3中，sic衬底台面刻蚀深度为50nm～800nm。

本发明的有益效果是：

本发明所述的具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器及其制作方法具有以下技术优势：1)sic和石墨烯材料的迁移率高，是制备高灵敏度霍尔传感器的优质材料。sic材料禁带宽度大，石墨烯材料的迁移率随温度变化小，因此，这两种材料制备的垂直型和水平型霍尔传感器在常温下具有良好的温度稳定性；2)同时集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的方式大大减小了三维霍尔传感器的体积；3)sic外延生长石墨烯的方法最有可能获得大面积、高质量、均匀性良好的石墨烯，且与当前集成电路工艺技术兼容，可以进行大规模生产，发展潜力无限；4)同时集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的方式既可以满足x、y、z三维磁场测量，又具有超高的磁场探测灵敏度，同时可以减小传感器的体积，还可以与集成电路工艺兼容进行大规模生产，具有良好的应用前景。

本发明技术方案带来的有益效果，一方面与传统的si材料相比，利用了sic和石墨烯材料高迁移率的特点，可以获得超高灵敏度霍尔传感器。石墨烯有源沟道位于表面，对微弱磁场敏感，能够进一步提高纵向磁场的探测灵敏度。sic材料禁带宽度大，石墨烯材料的迁移率随温度变化小，因此，这两种材料制备的垂直型和水平型霍尔传感器在常温下具有良好的温度稳定性。另一方面提出了一种新的三维霍尔传感器结构，集成背面sic垂直型和正面石墨烯水平型霍尔传感器的三维霍尔传感器。与传统集成测量单一方向磁场的三维霍尔传感器相比，新结构的三维霍尔传感器大大减小了器件体积。同时，sic外延生长石墨烯的方法与当前集成电路工艺技术兼容，可以进行高质量、大规模生产。本方案制作的高灵敏度霍尔传感器未来有望应用在各种微型可穿戴、军事、医学、航空航天等领域中。

附图说明

图1是本发明提出的一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器正面石墨烯水平型霍尔传感器结构示意图；

图2是本发明提出的一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器背面sic垂直型霍尔传感器结构示意图；

图3是本发明提出的一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器截面示意图；

图4是本发明申请具体实施方式工艺流程图；

图5是本发明申请提出的一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器霍尔电压与磁场关系实验验证结果图；

图6是本发明申请提出的一种具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器电流相关灵敏度与磁场关系实验验证结果图。

具体实施方式

下面结合附图1-6对具有超高三维磁场探测灵敏度的磁传感器及其制作方法做进一步说明。

实施例1

本发明申请提出了一种集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的超高灵敏度三维霍尔传感器的技术方案。如图1所示，为器件结构的正面结构示意图。石墨烯材料用于制作十字水平型霍尔传感器，用于感测垂直于器件表面的磁场bz。电极v1、v2为信号输入端，可以输入电流或电压，电极h1和h2之间测量电势差。也可以将电极h1、h2作为信号输入端输入电流或电压，在电极v1、v2之间测量电势差。石墨烯迁移率高，并且迁移率随温度变化小，可以获得常温下稳定的高迁移率水平型霍尔传感器。如图2所示，为器件结构的背面结构示意图。sic材料的衬底用于制作垂直型霍尔传感器，用于感测平行于器件表面的磁场by、bx。电极v0为信号输入端，输入电流或电压，电极v3、v4和v3’、v4’作为公共端接地。若存在平行于y方向的磁场by，电极v0→v3，v0→v4的电流与磁场方向垂直，运动的载流子受到洛伦兹力的作用发生偏转，在电极h3和h4两侧感受到电势差，即为霍尔电压，达到测量磁场的目的。同理，若存在平行于x方向的磁场bx，电极v0→v3’，v0→v4’的电流与磁场方向垂直，在电极h3’和h4’两侧感受到电势差，即可测量x方向磁场大小。也可以将电极v0接地，电极v3、v4和v3’、v4’输入电流或电压，在h3、h4和h3’、h4’测量电势差。sic材料迁移率高，电子受到纵向电场的束缚较小，从而提高了垂直型霍尔传感器的灵敏度。

本发明申请技术方案结构示意图如图3，图3为传感器截面示意图。衬底为sic材料，上面外延生长石墨烯，电极v3、v4关于v0中心对称，感测电极h3、h4关于h0中心对称，电极v1，v2对称，电极形状不做特殊限定，可为矩形、梯形等。电极与半导体材料需形成良好的欧姆接触。

1)衬底准备：准备sic衬底材料(4h-sic或6h-sic),对衬底材料进行氢刻蚀处理平整表面，在sic表面刻蚀出纳米量级(50～500nm)规则有序的台阶。再利用化学方法清洗衬底。用丙酮、乙醇、去离子水、盐酸等去除衬底表面有机物、氧化物、无机物等杂质。

2)外延生长：控制外延生长工艺系统的环境温度和真空度，利用高温热解sic工艺外延生长石墨烯。首先将放置sic衬底的石墨坩埚快速升温(约1200℃)；再缓慢升温至所需要的热解温度(1400℃～1800℃之间)；最后保持固定热解温度一段时间使表面碳原子重组。

3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀(icp)进行sic衬底刻蚀，sic衬底台面刻蚀深度为50～800nm。外延石墨烯用氧等离子体刻蚀(oplasmaetching)刻蚀多余材料形成沟道。

4)电极制作：光刻显影后用电子束蒸发系统沉积复合金属。sic表面利用退火工艺形成良好的欧姆接触，然后在石墨烯表面光刻显影后沉积复合金属，形成正面欧姆接触。

5)表面钝化：采用等离子体增强化学气相淀积(pecvd)、磁控溅射、原子层沉积(ald)、电子束蒸发(eb)其中任一种方式淀积介质层进行器件钝化。

6)窗口开启：对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射、电子束蒸发(eb)、热蒸发任意一种方法在电极处沉积金属，制作焊盘并进行引线。

本发明申请提出一种集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的超高灵敏度三维霍尔传感器。sic衬底制作垂直型霍尔传感器，外延生长的石墨烯制作水平型霍尔传感器，既可以满足x、y、z三维磁场测量，又具有超高的器件灵敏度，同时可以减小传感器的体积。

本发明技术提出的集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的高灵敏度三维霍尔传感器技术方案，其特点是：1)sic和石墨烯材料的迁移率高，是制备高灵敏度霍尔传感器的优质材料。sic材料禁带宽度大，石墨烯材料的迁移率随温度变化小，因此，这两种材料制备的垂直型和水平型霍尔传感器在常温下具有良好的温度稳定性；2)同时集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的方式大大减小了三维霍尔传感器的体积；3)sic外延生长石墨烯的方法最有可能获得大面积、高质量、均匀性良好的石墨烯，且与当前集成电路工艺技术兼容，可以进行大规模生产，发展潜力无限。

实施例2

本发明申请目标器件的具体实施例制作流程说明如下：

1)衬底准备：准备sic衬底材料(4h-sic或6h-sic),对衬底材料进行氢刻蚀处理平整表面，氢气流量45l/min，生长时间40min，在sic表面刻蚀出纳米量级(约150nm)规则有序的台阶。再利用化学方法清洗衬底。用丙酮、乙醇、去离子水、去除衬底表面有机物，再用盐酸去除表面的氧化物、金属等，再用去离子水清洗，用高纯氮气吹干，放入生长炉。

2)外延生长：控制外延生长工艺系统的环境温度和真空度，利用高温热解sic工艺外延生长石墨烯。首先将放置sic衬底的石墨坩埚快速升温(温度为1200℃)；再缓慢升温至所需要的热解温度(温度为1650℃)；固定热解温度1650℃保持80min使表面碳原子重组，最后自然冷却。

3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过涂胶(使用az6130正光刻胶)、匀胶(前转600rpm-3s，后转1500rmp-20s，最终光刻胶厚度为1.5um)后，曝光70s，之后显影75s。经曝光和显影后再进行90～140℃阶梯坚膜60min，利用感应耦合等离子体刻蚀对sic进行刻蚀，sic衬底台面刻蚀深度为300nm；外延石墨烯用氧等离子体刻蚀，刻蚀多余材料形成沟道。

4)电极制作：光刻显影后，先用电子束蒸发系统在sic表面沉积ni(80nm)/ti(30nm)/al(80nm)金属，之后利用退火工艺在930℃的氮气环境下退火6min，形成背面欧姆接触。之后用电子束蒸发镀膜在石墨烯表面蒸镀ti(5nm)/au(50nm)电极，制作正面欧姆接触。

5)表面钝化：采用等离子体增强化学气相淀积(pecvd)在300℃的环境下淀积100nm厚的sio2钝化层，削弱环境气氛对器件特性的影响。

6)窗口开启：对电极处钝化层腐蚀并开窗口引线。样品经过涂胶(使用az6130正光刻胶)，匀胶(前转600rpm-3s，后转1500rmp-20s，最终光刻胶厚度为1.5um)后，曝光70s，之后显影75s，利用icp刻蚀在表面钝化后的电极处刻蚀，形成窗口，之后采用磁控溅射的方法在电极处沉积500nm的al，之后再进行引线，将电极引出。

图5给出了本发明申请设计的传感器在室温下霍尔电压与磁场之间的关系。从图5中看出，石墨烯水平型霍尔传感器和sic垂直型霍尔传感器随着磁场的增大，其霍尔电压呈现线性增大的趋势。图6所示为石墨烯水平型霍尔传感器和sic垂直型霍尔传感器的电流相关灵敏度随磁场的变化。从图中看出室温下随着磁场的变化，电流相关灵敏度稳定，几乎保持不变。sic垂直型霍尔传感器的电流相关灵敏度约为575v/at，石墨烯由于超高的迁移率，其制作的水平型霍尔传感器灵敏度约为1256v/at，远大于si(127v/at)、gaas(300v/at)、inas(250v/at)等已报导霍尔传感器的典型数据。综合图5和图6的结果可以证实本发明申请实施例获得的霍尔传感器可以精确测量磁场并且具有超高的灵敏度。

本发明的技术关键点在于三维霍尔传感器器件性能的提升和结构的创新。利用高迁移率的sic和石墨烯材料，大大提高了霍尔传感器的灵敏度。sic材料禁带宽度大，石墨烯材料迁移率随温度变化小，保证传感器在常温下的温度稳定性。将传统的单一方向磁场测量的霍尔传感器集成的方式转变成集成背面sic垂直型霍尔传感器和正面石墨烯水平型霍尔传感器的超高灵敏度三维霍尔传感器。既保证x、y、z三维磁场探测，又大大减小了三维霍尔传感器的尺寸。器件的制作工艺比传统半导体元件的制作工艺简单，共包括生长、转移、刻蚀、电极制作和钝化五个步骤，并且可以和集成电路工艺兼容，可以大规模生产。本发明申请主要保护提出的器件结构设计和器件制作工艺。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明技术方案对现有的磁敏传感器制作是个重要的技术补充。本发明所述的实施例，并非对本发明内容进行限定，其他具有同一外延结构上实现双面三维磁场探测功能的器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他外延结构组合、叠层结构、钝化层生长(包括不同的生长技术、不同的钝化层组合或者也可直接省略钝化工艺步骤)、欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)或者台面刻蚀工艺，在基于实现本发明所述基本功能目的下，都适用于本发明提案涉及范围。衬底材料可以是sic或者金刚石或者其他耐高温材料，外延结构也可以包含其他能产生高载流子迁移率的材料或者材料组合。