集成多層磁阻傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁場傳感器，包括：芯片，包括具有第一表面和第二表面的襯底以及覆蓋第一表面的絕緣層；第一磁阻器，延伸到絕緣層中并且具有主磁化軸線和副磁化軸線；第二磁阻器，延伸到絕緣層中并且具有主磁化軸線和副磁化軸線，第二磁阻器的主磁化軸線在橫切于第一磁阻器的主磁化軸線的方向上延伸，并且第二磁阻器的副磁化軸線在橫切于第一磁阻器的副磁化軸線的方向上延伸；第一磁場發(fā)生器，被配置為用于產(chǎn)生具有沿著第一磁阻器的主磁化軸線的場線的第一磁場；第二磁場發(fā)生器，被配置為用于產(chǎn)生具有沿著第二磁阻器的主磁化軸線的場線的第二磁場。第一磁阻器和第二磁阻器以距第一表面彼此不同的第一距離和第二距離分別延伸到絕緣層中。
【專利說明】集成多層磁阻傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成多層磁阻傳感器及其制造方法，更具體涉及一種包括各向異性磁阻元件的磁場傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于AMR(各向異性磁阻)型磁場傳感器能夠用于檢測自然磁場(例如地球磁場)和由電部件(諸如電或電子設(shè)備以及有電流流過的電線)產(chǎn)生的磁場，AMR型磁場傳感器用于多種應(yīng)用和系統(tǒng)中，例如，在羅盤中、在用于檢測鐵磁材料的系統(tǒng)中、在電流檢測中以及在范圍廣泛的其它應(yīng)用中。
[0003]已知的，各向異性磁阻效應(yīng)現(xiàn)象發(fā)生在特定鐵磁材料內(nèi)，當(dāng)經(jīng)受外部磁場時，該特定鐵磁材料根據(jù)所施加磁場的特性而經(jīng)歷電阻率的變化。通常，所述材料成形為薄條帶以便形成電阻元件，并且因此所形成的電阻元件電連接在一起以形成電橋結(jié)構(gòu)(通常為惠斯通電橋)。
[0004]此外已知的是采用半導(dǎo)體微加工標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來得到AMR磁性傳感器，例如在文獻(xiàn)N0.US4，847，584中所描述的那樣。特別地，每個磁阻元件可以由沉積在例如硅的半導(dǎo)體材料的襯底上以形成薄條帶磁阻材料的薄膜來形成，諸如透磁合金(包含鐵和鎳的鐵磁合金)。
[0005]當(dāng)電流流過磁阻元件時，所述磁阻元件的磁化方向與電流的流動方向之間的角度Θ影響所述磁阻元件的電阻率的有效值，使得，隨著角度Θ的值變化，電阻的值也變化(詳細(xì)地，所述變化遵循cos2 0型的規(guī)律)。
[0006]例如，平行于電流的流動方向的磁化方向?qū)е聦τ诮?jīng)過磁阻元件的電流通路而言具有最大電阻值，而垂直于電流的流動方向的磁化方向?qū)е聦τ诮?jīng)過磁阻元件的電流通路而言具有最小電阻值。
[0007]AMR磁性傳感器此外包括集成在所述傳感器中的多個線圈(通常兩個線圈)，該多個線圈被稱作“置位/復(fù)位均壓環(huán)”和“偏移均壓環(huán)”并且被設(shè)計為當(dāng)流過適當(dāng)值的電流時，產(chǎn)生分別在垂直于傳感器的檢測方向上以及在傳感器的檢測方向上I禹合的磁場；關(guān)于這點(diǎn)，例如參照文獻(xiàn)N0.US5, 247，278。
[0008]置位/復(fù)位均壓環(huán)具有通過交替轉(zhuǎn)換而在第一預(yù)定方向(所謂“易磁化軸線”或EA)上改變磁阻元件的磁化指向(sense)的功能。使用中，通過經(jīng)由置位/復(fù)位均壓環(huán)在短時間周期內(nèi)將適當(dāng)值的磁場施加至磁阻元件以便任意地強(qiáng)制磁阻元件的磁偶極子的指向在第一預(yù)定方向上(置位操作)，并且隨后通過將類似于前者但是具有相反指向的第二磁場施加至磁阻元件以便強(qiáng)制磁阻元件的磁偶極子的指向再次在第一預(yù)定方向上，但是具有相反指向(復(fù)位操作)，由此得到磁化指向的變化。
[0009]置位和復(fù)位操作具有在操作AMR傳感器之前使得AMR傳感器的每個磁阻元件進(jìn)入相應(yīng)的單磁疇狀態(tài)的功能，例如以便于執(zhí)行感測外部磁場的操作。置位和復(fù)位操作僅在單磁疇狀態(tài)下是必需的，在單磁疇狀態(tài)下磁阻元件的線性度、靈敏度和穩(wěn)定性的基本屬性是受控的并且可重復(fù)的。前述的置位和復(fù)位操作是已知的并且詳細(xì)描述在例如文獻(xiàn)N0.US5, 247，278 中。
[0010]偏移均壓環(huán)通常用于對于AMR傳感器中存在的偏移(由于對應(yīng)的電氣部件的值的失配)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟僮?、自測試操作和/或校準(zhǔn)AMR傳感器的操作。特別地，在存在偏移均壓環(huán)時，在輸出處來自AMR傳感器的電量的值是待感測的外部磁場以及由于偏移均壓環(huán)中循環(huán)的電流而產(chǎn)生的磁場這兩者的函數(shù)。由布置在與在其上提供傳感器的磁阻元件和置位/復(fù)位均壓環(huán)(在不同金屬層中)的襯底相同的襯底上的傳導(dǎo)材料(例如金屬)交替形成偏移均壓環(huán)，，并且偏移均壓環(huán)與所述磁阻元件電絕緣并且設(shè)置在其附近。使得由偏移均壓環(huán)所產(chǎn)生的磁場為部分地強(qiáng)制每個磁阻元件的磁偶極子的定向在正交于第一預(yù)定方向的第二預(yù)定方向(所謂“難磁化軸線”或HA)上。
[0011]圖1以頂視平面圖顯示了例示已知類型并且包括連接在一起以便形成惠斯通電橋的多個磁阻元件的集成磁場傳感器I的布局，例如文獻(xiàn)N0.US 5，247，278和文獻(xiàn)N0.US5，952，825中所述，并且根據(jù)例如文獻(xiàn)案號US 4，847，584所述來制造。
[0012]更具體地,每個磁阻元件具有Barber極(barber-pole)類型的結(jié)構(gòu)。用于磁阻元件的Barber極結(jié)構(gòu)是已知的。在該情形下，每個磁阻元件通過由磁阻材料制成(通常是NiFe合金)的條帶來形成，具有高電導(dǎo)率的傳導(dǎo)元件(例如由鋁、銅、銀、或金制成)以直接電接觸而布置在條帶上。
[0013]所述傳導(dǎo)元件在橫切于磁阻條帶的自發(fā)磁化軸線的方向上延伸；具體地，它們相對于磁阻條帶的自發(fā)磁化軸線以特定角度α (通常α =45° )而傾斜。
[0014]磁場傳感器I借由已知類型的微加工工藝而形成在半導(dǎo)體襯底2上。在Barber極配置中，以鐵磁材料條帶(例如包括Ni/Fe合金的沉積薄膜)形式的四個磁阻元件4、6、8和10電連接在一起以形成惠斯通電橋。對于每個磁阻元件4、6、8、10，形成磁阻元件的磁阻條帶彼此串聯(lián)。參照圖1，磁阻元件4、6、8、10互連并且連接至端子(或焊盤)21、22、23、24和25。端子21借由傳導(dǎo)路徑11連接至磁阻元件4，并且磁阻元件4借由傳導(dǎo)部分16連接至磁阻元件6。傳導(dǎo)部分16借由相應(yīng)的傳導(dǎo)路徑12電連接至端子22。磁阻元件6隨后借由傳導(dǎo)部分18連接至磁阻元件10，并且傳導(dǎo)部分18借由相應(yīng)的傳導(dǎo)路徑13電連接至端子23。磁阻元件10借由傳導(dǎo)部分17與磁阻元件8互連，并且傳導(dǎo)部分17借由相應(yīng)的傳導(dǎo)路徑14電連接至端子24。端子25借由傳導(dǎo)部分15連接至磁阻元件8。
[0015]如此方式，形成了電阻式惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，其提供對于具有垂直于形成磁阻元件4、6、8、10的鐵磁材料條帶的方向的磁場分量敏感的磁場傳感器I。端子21連接至端子25以形成共用端子以便電連接磁阻元件4和磁阻元件8。
[0016]使用中，輸入電壓Vin施加在端子22和端子24之間。在端子21 (與端子25共用)和端子23之間對輸出電壓Vout進(jìn)行讀取。
[0017]參照圖1，磁場傳感器I進(jìn)一步包括電導(dǎo)材料的第一條帶，第一條帶在襯底2之上延伸并且借由電介質(zhì)材料層(圖中未詳細(xì)示出)與襯底2絕緣。所述電導(dǎo)材料的第一條帶形成了平面類型的第一繞組19，第一繞組19在平行于磁阻元件4、6、8、10所在的平面中延伸并且與磁阻元件4、6、8、10電絕緣。
[0018]磁場傳感器I進(jìn)一步包括電導(dǎo)材料的第二條帶，第二條帶在襯底2之上延伸并且借由電介質(zhì)材料層(圖中未詳細(xì)示出)而與襯底2以及第一繞組19絕緣。所述電導(dǎo)材料的第二條帶形成了平面類型的第二繞組20，第二繞組20在平行于磁阻元件4、6、8、10所在的平面中在端子20a和端子20b之間延伸，并且與磁阻元件4、6、8、10以及與第一繞組19電絕緣。
[0019]當(dāng)需要產(chǎn)生具有與磁場傳感器I交互的已知強(qiáng)度的磁場時，為了偏置、校準(zhǔn)和/或補(bǔ)償由于不需要的外部磁的場存在而引起的可能的偏移，使用第一繞組19。在后者情形中，在磁場傳感器I的輸出信號Vout上由第一繞組19產(chǎn)生的磁場的效應(yīng)在于平衡了由于不需要的外部磁場排它地引起的輸出信號以便于產(chǎn)生零輸出信號。
[0020]使用中，當(dāng)?shù)谝焕@組流過了電流時，產(chǎn)生了磁場，該磁場的磁力線具有在磁阻元件
4、6、8、10所在平面中的分量，具體地，在平行于磁阻元件4、6、8、10的靈敏度的方向上。
[0021]由于磁阻元件4、6、8、10的生產(chǎn)工藝的不同，所述磁阻元件4、6、8、10可以存在彼此不同的結(jié)構(gòu)特性。這產(chǎn)生了疊加在對于磁場傳感器I是本征的有用的輸出信號Vs上的偏移信號Voff，引起了在使用期間磁場傳感器I的靈敏度的下降。所述偏移信號可以通過適當(dāng)?shù)夭僮鞯诙@組20來消除。更詳細(xì)地，在使用期間，使得電流脈沖以彼此相反的方向在第二繞組20中流動(通過合適地偏置第二繞組的端子20a和20b)，以此方式以便產(chǎn)生由具有彼此相反指向的相應(yīng)的場線來限定的相應(yīng)的磁場。所述磁場具有強(qiáng)度以根據(jù)所產(chǎn)生的場線而重定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶極子，特別是采用由所產(chǎn)生的磁場的場線的指向而限定的指向。
[0022]在第一電流脈沖(稱作置位脈沖)通過第二繞組20之后，產(chǎn)生第一磁場Hsl以在第一指向上定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶極子。
[0023]在第二電流脈沖(稱作復(fù)位脈沖)通過第二繞組20之后，產(chǎn)生第二磁場Hs2 (其強(qiáng)度例如等于第一磁場Hsl的強(qiáng)度)以在第二指向上定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶極子。
[0024]在置位步驟之后做出的測量結(jié)果(從電橋的輸出端取得的信號)等于Voff+Vs，而在復(fù)位之后做出的測量結(jié)果則是Voff-Vs。通過兩個測量結(jié)果相減，消除了偏移，因此得到了 2Vs。
[0025]參照圖1所述的AMR傳感器為了正確操作而至少需要兩個均壓環(huán)(置位/復(fù)位均壓環(huán)和偏移均壓環(huán))。
[0026]用于置位/復(fù)位操作的均壓環(huán)以及用于偏移補(bǔ)償操作的均壓環(huán)的存在使得AMR傳感器制造工藝復(fù)雜并且增大了其制造成本。此外，也并未優(yōu)化所制造的傳感器的尺寸。
[0027]前述缺點(diǎn)在設(shè)計用于分別測量沿兩個或三個軸線作用的磁場的雙軸傳感器或三軸傳感器的情形下更加明顯。在該情形下，實(shí)際上，將必須針對每個測量軸線提供至少一個磁阻元件并且針對每個磁阻元件提供置位/復(fù)位均壓環(huán)和偏移補(bǔ)償均壓環(huán)。明顯的是在該情形下，占據(jù)的面積和制造難度是重要問題。
[0028]根據(jù)已知類型的實(shí)施例，例如US 6, 529, 114中所述，為了克服前述缺點(diǎn)并且獲得緊湊的傳感器，單個平面均壓環(huán)形成為具有沿第一軸線(例如軸線X)的部分以及沿正交于第一軸線的第二軸線(例如軸線Y)的部分。
[0029]磁阻元件形成在沿X定向的部分以及沿Y定向的部分這兩者中以使得磁阻傳感器可以用作二軸傳感器。所有的磁阻元件均是共面的并且在沉積鐵磁材料的同一步驟期間形成。在限定磁阻條帶(平坦薄膜)之前，所述鐵磁材料具有在通常相對于鐵磁元件的靈敏度的兩個軸線均成45°角的方向上定向的易磁化軸線。磁阻元件的形狀引入“形狀各向異性”，其中沿著易磁化軸線的延伸L比沿著難磁化軸線的延伸W長，其中L >> W，形狀各向異性結(jié)合材料(平坦薄膜)的各向異性，傾向于使得對于沿著X(具有平行于Y的延伸L)的磁場靈敏的條帶的易磁化軸線沿著Y，以及使得對于沿著Y (具有平行于X的延伸L)的磁場靈敏的條帶的易磁化軸線沿著X。如此方式，能夠?qū)鞲衅髯鳛槎S傳感器操作。
[0030]然而，關(guān)于由于如下事實(shí)而必需的由磁阻元件產(chǎn)生的信號的進(jìn)一步補(bǔ)償?shù)牟襟E方面，獲得的方案并非最優(yōu)，即使幾何各向異性定向使得對于沿著X的磁場敏感的磁阻元件的易磁化軸線正交于對于沿著Y的磁場敏感的磁阻元件的易磁化軸線，正交并非是理想的，除非磁阻元件以比90 °大幾度的角度設(shè)置。此外，該類型的傳感器無法使得其尺寸縮減至小于約0.7X0.7mm2。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0031]本發(fā)明的目的在于提供不具有現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的磁阻傳感器及用于制造磁阻傳感器的方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了如所附權(quán)利要求中限定的磁阻傳感器及用于制造磁阻傳感器的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]為了更好理解本發(fā)明，現(xiàn)在僅借由非限定性示例而參照附圖描述其優(yōu)選實(shí)施例，其中:
[0033]-圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的AMR型磁場傳感器；
[0034]-圖2在示意性頂視平面圖中示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁場傳感器；
[0035]-圖3在示意性頂視平面圖中示出了圖2的磁場傳感器的以傳導(dǎo)條帶形式的磁場發(fā)生器；
[0036]-圖4示出了圖3的磁場發(fā)生器的共面部分；
[0037]-圖5示出了圖3的磁場發(fā)生器的其它部分，設(shè)計為電耦合圖4的共面部分；
[0038]-圖6在示意性頂視平面圖中示出了圖2的磁場傳感器的以傳導(dǎo)條帶形式的另一磁場發(fā)生器；
[0039]-圖7示出了圖6的磁場發(fā)生器的共面部分；
[0040]-圖8示出了圖6的磁場發(fā)生器的其它部分，設(shè)計為電耦合圖7的共面部分；
[0041]-圖9和圖10示出了圖2的磁場傳感器的磁阻元件；
[0042]-圖11在截面圖中示出了沿著截面線X1-XI的圖2的磁場傳感器；
[0043]-圖12a至圖12d在截面圖中示出了圖2和圖11的磁場傳感器的制造步驟；
[0044]-圖13在示意性頂視平面圖中示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器；
[0045]-圖14a和圖14b示出了在用于置位/復(fù)位操作以及偏移補(bǔ)償操作期間使用的圖13的傳感器；
[0046]-圖15a在示意性頂視平面圖中示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器；
[0047]-圖15b在截面圖中示出了沿著截面線XV-XV的圖15a的磁場傳感器；
[0048]-圖16示出了在用于置位/復(fù)位操作期間使用的圖15a的傳感器；
[0049]-圖17a和圖17b分別在頂視平面圖和截面圖中示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器；[0050]-圖18a和圖18b分別在頂視平面圖和截面圖中示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器；
[0051]-圖19示出了圖17的傳感器的實(shí)施例的布局；以及
[0052]-圖20示出了沿著截面線XIX-XIX的圖18的傳感器的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]圖2在頂視平面圖中并且以示意性方式示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的形成在包括由電介質(zhì)層彼此分開的多個金屬層的晶片100中的磁場傳感器30的一部分。
[0054]特別地，磁場傳感器30是設(shè)計為感測作用于兩個相互垂直方向上(特別地，在圖2的表示中，分別沿著軸線Y和X)的外部磁場Brartl和Brait2的二軸傳感器。
[0055]磁場傳感器30包括第一磁場發(fā)生器31和第二磁場發(fā)生器32。第一磁場發(fā)生器31由在多個金屬層中延伸的平面?zhèn)鲗?dǎo)條帶形成，例如下文中參照圖3和圖4更詳盡所述。第二磁場發(fā)生器32通常也由在與第一磁場發(fā)生器31在其中延伸的多個金屬層至少部分地不同的多個金屬層中延伸的平面?zhèn)鲗?dǎo)條帶形成(例如參見圖6和圖7以及相應(yīng)的說明)。
[0056]磁場傳感器30進(jìn)一步包括第一磁阻元件(或簡稱磁阻器)和第二磁阻元件(或簡稱磁阻器)33、34，每個磁阻元件均包括相應(yīng)的Barber極結(jié)構(gòu)。在沿著軸線Z的頂視平面圖中，第一和第二磁阻元件33、34分別在第一磁場發(fā)生器31的傳導(dǎo)部分31a、31b的頂部上，以及在第二磁場發(fā)生器32的傳導(dǎo)部分32a、32b的頂部上延伸。
[0057]更詳細(xì)的，磁阻元件33、34設(shè)置在第一磁場發(fā)生器31和第二磁場發(fā)生器32的頂部上，以使得當(dāng)?shù)谝淮艌霭l(fā)生器31流過電流時，每個相應(yīng)的磁阻元件33、34的優(yōu)選的磁化軸線(特別地，易磁化軸線EA)垂直于傳導(dǎo)部分31a、31b所產(chǎn)生的磁場&的通量線而延伸(也即EA平行于軸線X)，并且使得當(dāng)?shù)诙艌霭l(fā)生器32流過電流時，磁阻元件33、34的副磁化軸線(特別地，難磁化軸線HA)垂直于傳導(dǎo)部分32a、32b所產(chǎn)生的磁場B2的通量線而延伸(也即HA平行于軸線Y)。如此方式，磁阻元件33、34經(jīng)受沿著易磁化軸線EA(磁場B2)以及沿著難磁化軸線HA(磁場B1)這兩者磁化。
[0058]磁場傳感器30進(jìn)一步包括第三磁阻元件(或簡稱磁阻器)35和第四磁阻元件(或簡稱磁阻器)36，每個磁阻元件均包括Barber極結(jié)構(gòu)，并且在沿著軸線Z的頂視平面圖中，每個Barber極結(jié)構(gòu)均在第二磁場發(fā)生器32的傳導(dǎo)部分32a、32b以及第一磁場發(fā)生器31的傳導(dǎo)部分31a、31b的頂部上延伸。
[0059]更詳細(xì)地，磁阻元件35、36設(shè)置在第一和第二磁場發(fā)生器31、32的頂部上，以使得當(dāng)?shù)诙艌霭l(fā)生器32流過電流時，每個相應(yīng)的磁阻元件35、36的優(yōu)選磁化軸線(特別地，易磁化軸線EA)垂在于傳導(dǎo)部分32a、32b所產(chǎn)生的磁場B2的通量線而延伸(也即EA平行于軸線Y)，并且使得當(dāng)?shù)谝淮艌霭l(fā)生器31流過電流時，磁阻元件35、36的副磁化軸線(特別地，難磁化軸線HA)垂直于傳導(dǎo)部分31a、31b所產(chǎn)生的磁場&的通量線而延伸(也即HA平行于軸線X)。如此方式，磁阻元件35、36經(jīng)受沿著易磁化軸線EA(磁場B1)以及沿著難磁化軸線HA (磁場B2)這兩者的磁化。
[0060]第二磁場發(fā)生器32被配置為用于執(zhí)行第一和第二磁阻元件33、34的置位/復(fù)位操作和/或執(zhí)行第三和第四磁阻元件35、36的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償操作。因此可以一般地以置位/復(fù)位第一和第二磁阻元件33、34(已參照圖1的均壓環(huán)20描述)的目的或者以在測試期間校準(zhǔn)或者補(bǔ)償?shù)谌偷谒拇抛柙?5、36(已參照圖1的均壓環(huán)19描述)的偏移的目的，或者同時以置位/復(fù)位第一和第二磁阻元件33、34以及校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償?shù)谌偷谒拇抛柙?5、36的目的而操作第二磁場發(fā)生器32。
[0061]同樣地，第一磁場發(fā)生器31被配置為用于執(zhí)行第三和第四磁阻元件35、36的置位/復(fù)位操作，以及執(zhí)行第一和第二磁阻元件33、34的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償?shù)牟僮?。因此可以一般地以置?復(fù)位第三和第四磁阻元件35、36(已參照圖1的均壓環(huán)20描述)的目的或者以在測試期間校準(zhǔn)或者補(bǔ)償?shù)谝缓偷诙抛柙?3、34(已參照圖1的均壓環(huán)19描述)的偏移的目的，或者同時以置位/復(fù)位第三和第四磁阻元件35、36以及校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償?shù)谝缓偷诙抛柙?3、34的目的而操作第一磁場發(fā)生器31。
[0062]使用期間，以已知方式偏置磁阻元件33-36，例如如圖9和圖10所示。
[0063]圖2所示實(shí)施例是本發(fā)明的非限定性示例。特別地，可能僅預(yù)期具有沿著X的易磁化軸線的一個磁阻元件33，以及具有沿著Y(也即正交于X)的易磁化軸線的一個磁阻元件35。在該情形中，磁阻元件34和36不存在。備選地，可能預(yù)期八個磁阻元件的使用:四個磁阻元件連接在一起以形成惠斯通電橋并且被定向?yàn)槭沟盟鼈兊囊状呕S線沿著X延伸；剩余的四個磁阻元件連接在一起以形成另一個惠斯通電橋并且被定向?yàn)槭沟盟鼈兊囊状呕S線沿著Y (也即正交于X)延伸。
[0064]參照圖3至圖5，如已所述的，第二磁場發(fā)生器32包括借由電連接部分32c而電連接的兩個傳導(dǎo)部分32a、32b。在圖4中的隔離中示出的傳導(dǎo)部分32a、32b是共面的。特別地，傳導(dǎo)部分32a、32b由金屬材料制成(例如鋁、銅、金等)并且形成在同一金屬層上。更特別地，在圖5中隔離中示出的電連接部分32c也由金屬制成并且形成在與傳導(dǎo)部分32a、32b的金屬層不同的金屬層中，并且通過金屬化過孔39a、39b而連接至傳導(dǎo)部分32a、32b。
[0065]例如，圖4的傳導(dǎo)部分32a、32b提供在第四金屬層ML4中，而圖5的電連接部分32c形成在晶片100的第三金屬層ML3中。
[0066]參照圖3，傳導(dǎo)部分32a包括可以連接至電流發(fā)生器35的相應(yīng)端子35a的第一端子32’ ；傳導(dǎo)部分32b包括可以連接至電流發(fā)生器35的另一端子35b的第二端子32”。如此方式，在使用中，使得電流ip’在第一端子32’和第二端子32”之間流動，或者反之亦然。
[0067]為了本說明書的目的，當(dāng)操作第二磁場發(fā)生器32以便執(zhí)行磁阻元件33、34的置位和復(fù)位操作時，電流ip’對應(yīng)于置位/復(fù)位電流iSK，并且當(dāng)操作第二磁場發(fā)生器32以便執(zhí)行磁阻元件35、36的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償?shù)牟僮鲿r，電流ip’對應(yīng)于校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償電流i,。
[0068]參照圖6至圖8，如已所述的，第一磁場發(fā)生器31包括借由電連接部分31c (在圖8中的隔離中示出)電連接的兩個傳導(dǎo)部分31a、31b。傳導(dǎo)部分31a、31b是共面的。特別地，傳導(dǎo)部分31a、31b由金屬材料制成(例如鋁、銅、金等)，并且形成在同一金屬層上，該金屬層不同于在其中形成了第二磁場發(fā)生器32的傳導(dǎo)部分32a、32b的金屬層。更特別地，電連接部分31c也由金屬制成，并且形成在不同于傳導(dǎo)部分31a、31b的金屬層的金屬層中，并且通過金屬化過孔41a、41b而連接至傳導(dǎo)部分31a、31b。
[0069]根據(jù)一個實(shí)施例，第一和第二磁場發(fā)生器31、32的連接部分31c和32c分別形成在同一金屬層上。例如，圖7的傳導(dǎo)部分31a、31b提供在第二金屬層ML2中，而圖8的電連接部分31c形成在晶片100的第三金屬層ML3中。
[0070]參照圖6，傳導(dǎo)部分31a包括可以連接至電流發(fā)生器45的相應(yīng)端子45a的第一端子31’ ；傳導(dǎo)部分31b包括可以連接至電流發(fā)生器45的另一端子45b的第二端子31”。如此方式，使用中，使得電流ip”在第一端子31’和第二端子31”之間流動，或者反之亦然。
[0071]為了本說明書的目的，當(dāng)操作第一磁場發(fā)生器31以便執(zhí)行磁阻元件35、36的置位和復(fù)位操作時，電流ip”對應(yīng)于置位/復(fù)位電流iSK，并且當(dāng)操作第一磁場發(fā)生器31以便執(zhí)行磁阻元件33、34的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償操作時，電流ip”對應(yīng)于校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償電流i,。
[0072]從圖3可以注意到的是，在傳導(dǎo)部分32a、32b中電流ip’在同一第一方向(平行于軸線Y的方向)上流動并且具有同一指向；同樣地，從圖6可以注意到的是，在傳導(dǎo)部分31a、31b中，電流ip”在同一第二方向(平行于軸線Y的方向)上流動并且具有同一指向。電流ip’、ip”的前述第一和第二流動方向基本上彼此正交。如此方式，當(dāng)使用中第一和第二磁場發(fā)生器31、32流過相應(yīng)的電流ip’和ip”時，所有磁阻元件33至36均經(jīng)受磁場B1和B2這兩者。通過適當(dāng)?shù)剡x擇在第一和第二磁場發(fā)生器31、32中流動的電流值，因此能夠選擇性地僅對第一和第二磁阻元件33、34，或者備選地僅對第三和第四磁阻元件35、36執(zhí)行置位/復(fù)位和偏移補(bǔ)償操作。
[0073]為了本說明書的目的，電流ip ’、ip ”對應(yīng)于:
[0074](i)置位/復(fù)位電流iSK，當(dāng)操作相應(yīng)磁場發(fā)生器31、32以便分別執(zhí)行磁阻元件35、36或者磁阻元件33、34的置位和/或復(fù)位操作時；
[0075](ii)校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償電流i,，當(dāng)操作相應(yīng)磁場發(fā)生器31、32以便分別執(zhí)行磁阻元件35、36或者對于磁阻元件33、34的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償操作時。兩種情形的不同之處在于驅(qū)動電流的幅度值:校準(zhǔn)的幅度值低；置位/復(fù)位的幅度值高。
[0076]根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例，磁場傳感器30的磁阻兀件33至36具有一種Barber極型結(jié)構(gòu)并且在圖9和圖10中的隔離中示意性示出。特別地，圖9示出了第三和第四磁阻元件35、36，而圖10示出了第一和第二磁阻元件33、34。
[0077]每個磁阻元件33至36通常形成為鐵磁材料(例如包括Ni/Fe合金的沉積薄膜)的單個條帶，特別是在Barber極配置中。備選地，Barber極結(jié)構(gòu)可以省略。
[0078]磁阻元件33至36如此方式布置在晶片100的金屬層中以便與第一和第二磁場發(fā)生器31、32電絕緣，并且至少部分地沿著軸線Z與第一和第二磁場發(fā)生器31、32對準(zhǔn)，并且在任何情形下當(dāng)流過相應(yīng)的電流ip”、ip’時以如此方式設(shè)置以便分別與磁場發(fā)生器31、32的部分31a、31b和32a、32b所產(chǎn)生的磁場BI和B2交互。
[0079]圖9的第三和第四磁阻元件35、36每個均通過由磁阻材料(例如NiFe合金)制成的條帶以及由形成Barber極結(jié)構(gòu)的具有高電導(dǎo)率元件形成。磁阻材料的條帶在晶片100的襯底和第一金屬層之間延伸，而形成Barber極結(jié)構(gòu)的具有高電導(dǎo)率的元件延伸到第一金屬層中，與相應(yīng)的磁阻條帶直接電接觸。
[0080]圖10的第一和第二磁阻元件33、34根據(jù)參照圖9所述而形成。每個磁阻元件33、34通過磁阻材料(例如NiFe合金)的條帶以及通過形成Barber極結(jié)構(gòu)的具有高電導(dǎo)率的元件形成。磁阻材料的條帶在晶片100的第二和第三金屬層之間延伸，并且形成Barber極結(jié)構(gòu)的具有高電導(dǎo)率的元件延伸到第三金屬層中，與相應(yīng)的磁阻條帶直接電接觸。
[0081]參照圖9和圖10，應(yīng)當(dāng)注意的是每個磁阻元件33至36自身是已知的并且包括與Barber極結(jié)構(gòu)歐姆接觸的磁阻材料部分(例如鎳和鐵的合金，更特別地為透磁合金)，包括具有高電導(dǎo)率的傳導(dǎo)元件(例如金屬，諸如鋁、銀、金等)。Barber極結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)元件相對于磁阻元件的自發(fā)磁化軸線(圖中借由向量M指示)以特定角度α而傾斜(通常α =45° )。每個磁阻元件33至36擁有可以連接至已知類型的相應(yīng)偏置和讀取電路37、39的端子部分33’至36’和33”至36”(由圖9和圖10中以虛線示出)。偏置和讀取電路37、39被配置為用于在相應(yīng)磁阻元件的端子33’至36’和33”至36”之間產(chǎn)生電流Im的流動，并且讀取磁阻元件的電阻值至電流Im的通路。
[0082]作為Barber極結(jié)構(gòu)的結(jié)果，以如此方式定向表示電流頂?shù)南蛄宽斠栽谘刂y磁化軸線的零場情形下，以呈現(xiàn)與每個磁阻元件的磁化向量M呈角度α (也即沿著易磁化軸線定向的Μ)。
[0083]至少施加至一個磁阻元件的具有垂直于易磁化軸線ΕΑ(也即平行于難磁化軸線HA)的場分量的可能的外部磁場引起磁化向量M的旋轉(zhuǎn)以及角度α的值的后續(xù)變化。這后續(xù)地引起磁阻元件的電阻的變化(也稱作“磁阻效應(yīng)”)并且可以通過獲取并且分析跨端子部分33’ -36’和33”-36”獲取的輸出信號而由偏置和讀取電路來檢測。
[0084]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的磁場傳感器30的截面圖。圖11的截面是沿著圖2的截面線X1-XI截取的。
[0085]現(xiàn)在關(guān)于根據(jù)圖12a至圖12d的用于形成具有圖11所示結(jié)構(gòu)的磁場傳感器30的制造步驟來描述圖11。
[0086]首先(圖12a)，晶片100包括例如半導(dǎo)體材料(諸如硅)的襯底51，具有底表面51b和頂表面51a。結(jié)構(gòu)51可以是先前加工的類型，例如可以包括其內(nèi)形成有源區(qū)域和/或電接觸焊盤(未示出)的電子部件53 ;隨后，在襯底51的頂表面51a上沉積了電介質(zhì)(電絕緣)層54之后，借由在電介質(zhì)層54頂部沉積(以其自身已知方式)磁阻材料(例如NiFe合金)層并且隨后蝕刻所述磁阻層以形成具有所需形狀和尺寸的磁阻條帶55、56來提供第三和第四磁阻元件35、36。隨后沉積電介質(zhì)層59，減小其厚度直至暴露磁阻條帶55、56。例如由金屬制成的傳導(dǎo)層形成在暴露的磁阻條帶55、56頂部上并且與其電接觸。選擇性蝕刻因此沉積的傳導(dǎo)層的后續(xù)步驟使得能夠得到前述的Barber極型結(jié)構(gòu)57、58。磁阻條帶55、56和相應(yīng)的Barber極結(jié)構(gòu)57、58分別形成第三磁阻元件35和第四磁阻元件36。
[0087]其中形成有Barber極結(jié)構(gòu)57、58的層是晶片100的第一金屬層MLl。
[0088]隨后(圖11b)，具有包括在約0.5 μ m和3 μ m之間的厚度的電介質(zhì)層60沉積在第三和第四磁阻元件35、36上。沉積之后，平坦化電介質(zhì)層60 (例如借由CMP)。
[0089]隨后是沉積例如金屬的傳導(dǎo)層的步驟以及限定所述傳導(dǎo)層以形成第一磁場發(fā)生器31的傳導(dǎo)部分31a、31b的后續(xù)步驟。在頂視平面圖中，由此限定的傳導(dǎo)部分31a、31b具有圖6所示類型的形狀和相關(guān)布置。
[0090]更詳細(xì)地，傳導(dǎo)部分31a是基本上U型的傳導(dǎo)條帶，并且包括(參見圖6)具有已經(jīng)如圖1所示的沿著軸線X部分地與第三和第四磁阻元件35、36重疊的主延伸的區(qū)域31a’，以及用作與傳導(dǎo)部分31c電連接部分的彎曲區(qū)域31a”。
[0091]區(qū)域31a’沿著軸線X延伸包括在約50 μ m和Imm之間的長度，并且沿著軸線Y延伸包括約10 μ m和200 μ m之間的長度。僅具有電連接功能的區(qū)域31a”具有根據(jù)需要選擇的尺寸以便在使用期間使電流ip"持續(xù)。
[0092]傳導(dǎo)部分31a沿著軸線Z測量的厚度包括在I μ m和5 μ m之間。
[0093]傳導(dǎo)部分31b是具有沿著軸線X的主延伸方向(例如包括在50 μ m和Imm之間)以及沿著軸線Y的副延伸方向(例如包括在10 μ m和200 μ m之間)的傳導(dǎo)條帶。傳導(dǎo)部分31b沿著軸線Z的厚度包括在I μ m和5 μ m之間。
[0094]此外，傳導(dǎo)部分31b以如此方式延伸以使其與第三和第四磁阻元件35、36重疊或者設(shè)置在其附近，如圖2所示。
[0095]其中形成有傳導(dǎo)部分31a、31b的層是晶片100的第二金屬層ML2。
[0096]隨后，再次參照圖11b，具有包括在0.5 μ m和3 μ m之間的厚度的電介質(zhì)層62沉積在晶片100上并且特別地沉積在傳導(dǎo)部分31a和31b上。隨后平坦化電介質(zhì)層62。
[0097]接著，借由沉積(以其自身已知方式)磁阻材料(例如NiFe合金)層在電介質(zhì)層62頂部上提供第一和第二磁阻元件33、34;隨后，蝕刻由此沉積的磁阻層以形成具有預(yù)期形狀和尺寸的磁阻條帶65、66。圖12b的截面僅示出了磁阻條帶65，被設(shè)計為在后續(xù)制造步驟之后形成第二磁阻元件34。
[0098]隨后(圖12c)，在晶片100上執(zhí)行電介質(zhì)層70的沉積。隨后減薄電介質(zhì)層70的厚度直至暴露磁阻條帶65。選擇性蝕刻電介質(zhì)層62和70以便在沿著軸線Z與傳導(dǎo)部分31a和31b的相應(yīng)區(qū)域?qū)?zhǔn)的電介質(zhì)層62和70區(qū)域中形成穿通開口(圖12c中僅可見一個穿通開口)。
[0099]隨后采用傳導(dǎo)材料填充穿通開口以便提供參照圖2所述的傳導(dǎo)通孔41a和41b。
[0100]接著，傳導(dǎo)材料層特別是金屬沉積在晶片100上。選擇性蝕刻該傳導(dǎo)材料層以便形成電連接部分31c (例如圖5和圖7所示)、電連接部分32c (例如圖2和圖4所示)以及第一和第二磁阻元件33、34的Barber極結(jié)構(gòu)73。其中形成了電連接部分31c、32c和第一和第二磁阻元件33、34的Barber極結(jié)構(gòu)的層是晶片100的第三金屬層ML3。
[0101]如此方式，傳導(dǎo)部分31b借由穿過電介質(zhì)層62和70形成的傳導(dǎo)通孔41a、41b而與傳導(dǎo)部分31a電連接。
[0102]接著(圖12d)，在晶片100上并且平坦化形成電介質(zhì)層75。選擇性蝕刻電介質(zhì)層75以便在其中形成傳導(dǎo)通孔39a、39b (圖12d的截面中不可見)。金屬層沉積在電介質(zhì)層75上。蝕刻金屬層以便限定傳導(dǎo)部分32a、32b(例如圖2和圖3頂視平面圖所示)。形成傳導(dǎo)部分32a、32b以使得它們的區(qū)域與相應(yīng)的傳導(dǎo)通孔39a、39b電接觸。如此方式，傳導(dǎo)部分32a借由穿過電介質(zhì)層75形成的傳導(dǎo)通孔39a、39b而與傳導(dǎo)部分32b電連接。
[0103]其中形成傳導(dǎo)部分32a、32b的層是晶片100的第四金屬層ML4。
[0104]在傳導(dǎo)部分32a、32b的頂部上沉積另一電介質(zhì)層77使得傳導(dǎo)部分32a、32b與外部環(huán)境絕緣。如此方式，獲得了圖11的磁場傳感器30。
[0105]在所述工藝步驟結(jié)束時，電介質(zhì)層54、59、60、62、70、75、77形成了例如由氧化硅Si02制成的電介質(zhì)或絕緣層78。
[0106]以已知方式生長磁阻條帶55、56，以使得易磁化軸線EA沿著軸線Y延伸；也以已知方式生長磁阻元件33、34的磁阻條帶(圖10中僅示出了磁阻條帶65)以使得它們相應(yīng)的易磁化軸線EA沿著軸線X延伸。
[0107]圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器110的另一實(shí)施例。
[0108]根據(jù)圖13的實(shí)施例，通過多個傳導(dǎo)條帶形成磁場發(fā)生器110，其中多個傳導(dǎo)條帶例如由金屬制成，是共面的并且形成在相同金屬層中。傳導(dǎo)條帶沿彼此正交的X和Y方向延伸并且在交叉點(diǎn)113a-113d交叉以形成網(wǎng)格111。[0109]通過合適地偏移網(wǎng)格111來執(zhí)行對于磁場傳感器110的磁阻元件的置位/復(fù)位操作。
[0110]特別地，磁場傳感器110包括被布置為形成網(wǎng)格111的四個傳導(dǎo)條帶112a-112d。傳導(dǎo)條帶112a、112b在平行于軸線X的主延伸方向上延伸，而傳導(dǎo)條帶112c、112d在平行于軸線Y的主延伸方向上延伸。
[0111]磁阻元件114a-114d被設(shè)置為與傳導(dǎo)條帶112a_l 12d重疊。特別地，磁阻元件114a和114b被布置為沿著軸線Z分別與傳導(dǎo)條帶112a和112b對準(zhǔn)，并且被定向?yàn)槭沟盟鼈兊囊状呕S線EA正交于相應(yīng)傳導(dǎo)條帶112a、112b的主延伸方向(也即正交于軸線X)并且使得它們的難磁化軸線HA正交于傳導(dǎo)條帶112c、112d的主延伸方向(也即垂直于軸線Y)。
[0112]磁阻元件114c和114d被布置為沿著軸線Z分別與傳導(dǎo)條帶112c和112d對準(zhǔn)，并且被定向?yàn)槭沟盟鼈兊囊状呕S線EA正交于相應(yīng)傳導(dǎo)條帶112c、112d的主延伸方向并且使得它們的難磁化軸線HA正交于傳導(dǎo)條帶112a、112b的主延伸方向。
[0113]在使用中，參照圖14a，針對磁阻元件114a、114b的置位/復(fù)位操作，電流iSR在由軸線X(具有對于置位和復(fù)位操作相反的指向)所限定的方向上在傳導(dǎo)條帶112a和112b中流動，產(chǎn)生具有沿著軸線Y(也即平行于磁阻元件114a、114b的易磁化軸線)的場分量的磁場BSR。
[0114]參照圖14b，在磁阻元件114c、114d的置位/復(fù)位操作期間，電流iSR在由軸線Y限定的方向(針對置位和復(fù)位操作具有相反指向)上在傳導(dǎo)條帶112c和112d中流動，產(chǎn)生具有沿軸線X(也即平行于磁阻元件114c、114d的易磁化軸線EA)的場分量的磁場BSR。
[0115]在置位/復(fù)位操作期間，僅偏置設(shè)計用于執(zhí)行相應(yīng)操作的傳導(dǎo)條帶。其余的傳導(dǎo)條帶維持在高阻抗。
[0116]根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，通過在交叉點(diǎn)113a_113d處設(shè)置磁阻元件114a_114d能夠同時執(zhí)行磁場傳感器110的磁阻元件的置位/復(fù)位和校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償?shù)牟僮?。特別地，磁阻元件114a設(shè)置在交叉點(diǎn)113a處；磁阻元件114b設(shè)置在交叉點(diǎn)113b處；磁阻元件114c設(shè)置在交叉點(diǎn)113c處；磁阻元件114d設(shè)置在交叉點(diǎn)113d處。
[0117]如此方式，每個磁阻元件114a_114d均經(jīng)受平行于其自身易磁化軸線的磁場(針對置位/復(fù)位操作)以及平行于其自身難磁化軸線的磁場(針對補(bǔ)償/校準(zhǔn)操作)這二者。
[0118]針對磁阻元件114a、114b的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償操作，電流iOFF在由軸線Y限定的方向上在傳導(dǎo)條帶112c、112d中流動，產(chǎn)生具有沿軸線X(也即平行于磁阻元件114a、114b的難磁化軸線HA)的場分量的相應(yīng)的磁場B0FF。針對磁阻元件114c、114d的校準(zhǔn)/偏移補(bǔ)償操作，電流iOFF在由軸線X限定的方向上在傳導(dǎo)條帶112a、112b中流動，產(chǎn)生具有沿軸線Y(也即平行于磁阻元件114c、114d的難磁化軸線HA)的場分量的相應(yīng)的磁場B0FF。
[0119]用于置位和復(fù)位操作的傳導(dǎo)條帶的偏置采用通常包括200mA和IA之間的電流iSR來發(fā)生；校準(zhǔn)操作通常通過產(chǎn)生通常包括在5mA和50mA之間的電流iOFF來進(jìn)行。然而，基于所使用的磁阻元件的偏置類型，所述值可以是不同的，比指定的范圍更高或更低。
[0120]明顯的是以已知方式執(zhí)行磁阻元件114a_114d的偏置和讀取操作(例如圖9和圖10中示意性所示，或者在惠斯通電橋中插入它們)，并且在此并未描述它們以使得它們不形成本發(fā)明的主題。
[0121]圖15a和圖15b不出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器120。圖15b是圖15a的沿著圖15a的截面線XV-XV的截面圖。
[0122]磁場傳感器120類似于圖13的磁場傳感器110，以使其包括被布置為在頂視平面圖中形成網(wǎng)格121的四個傳導(dǎo)條帶122a-122d。傳導(dǎo)條帶122a、122b在平行于軸線Y的主延伸方向上延伸，而傳導(dǎo)條帶122c、122d在平行于軸線X的主延伸方向上延伸。如參照圖13所述的磁阻元件124a-124d被設(shè)置為與傳導(dǎo)條帶122a_122d重疊。
[0123]參照圖15b，磁場傳感器120包括襯底51和電介質(zhì)層123，電介質(zhì)層123在襯底51的頂表面51a上延伸。電介質(zhì)層123類似于前述的電介質(zhì)層78。
[0124]磁阻元件124a、124b關(guān)于彼此共面并且以距頂表面51a第一距離延伸到絕緣層中；同樣地，磁阻元件124c、124d關(guān)于彼此共面并且以距頂表面51a第二距離延伸到電介質(zhì)層123中。第一和第二距離彼此不同，并且特別地第一距離小于第二距離。
[0125]與磁場傳感器110不同，磁場傳感器120的傳導(dǎo)條帶122a_122d并未相互電耦合。更特別地，由以下部分形成傳導(dǎo)條帶122a和122b:(i)傳導(dǎo)條帶的關(guān)于彼此共面并且在同一金屬層上延伸的部分；以及(ii)連接部分，被設(shè)計為與傳導(dǎo)條帶的如下部分彼此電耦合，該如下部分屬于同一傳導(dǎo)條帶122a、122b并且在與屬于同一傳導(dǎo)條帶122a、122b的傳導(dǎo)條帶部分在其中延伸的金屬層不同的金屬層中延伸。
[0126]同樣地，由以下部分形成傳導(dǎo)條帶122c和122d: (i)傳導(dǎo)條帶的關(guān)于彼此共面并且在不同于屬于傳導(dǎo)條帶122a、122b的傳導(dǎo)條帶的部分在其中延伸的同一金屬層上延伸的部分；以及(ii)連接部分，被設(shè)計為與傳導(dǎo)條帶的如下部分彼此電耦合，該如下部分屬于同一傳導(dǎo)條帶122c、122d的并且在與屬于同一傳導(dǎo)條帶122c、122d的傳導(dǎo)條帶部分在其中延伸的金屬層不同的金屬層中延伸。為此目的，傳導(dǎo)條帶122a和122b包括在與傳導(dǎo)條帶122c和122d的交叉點(diǎn)處的相應(yīng)的下穿區(qū)域125a、125b。同樣地，傳導(dǎo)條帶122c和122d包括在與傳導(dǎo)條帶122a和122b的交叉點(diǎn)處的相應(yīng)的下穿區(qū)域125c、125d。每個下穿區(qū)域125a-125d包括傳導(dǎo)下穿部分126a-126d以及由傳導(dǎo)材料制成的兩個通孔127’、127”，兩個通孔被配置為用于將每個傳導(dǎo)下穿區(qū)域126a-126d與傳導(dǎo)條帶122a_122d的延伸到頂部金屬層中以便形成傳導(dǎo)條帶122a-122d的相應(yīng)部分電耦合。
[0127]圖15a、圖15b的實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)在于可以針對所有磁阻元件124a_124d同時執(zhí)行磁阻元件124a-124d的置位/復(fù)位操作(參見圖16)。
[0128]明顯的是，在使用期間，磁阻元件124a_124d耦合至偏置和讀取電路，例如借由圖9和圖10中示例所示。
[0129]根據(jù)不同的實(shí)施例，可以預(yù)期另外四個磁阻元件，另外四個磁阻元件連接到一起并且以其自身已知方式連接至磁阻元件124a-124d以形成兩個相應(yīng)的惠斯通電橋(針對每個感測軸線各一個)。
[0130]參照圖16，在使用中，針對磁阻元件124a、124b的置位/復(fù)位操作，電流iSR在由軸線X(置位和復(fù)位操作指向相反)限定的方向上在傳導(dǎo)條帶122a和122b中流動，產(chǎn)生具有沿著軸線Y (也即平行于磁阻元件124a、124b的易磁化軸線EA)的場分量的磁場BSR。
[0131]為了執(zhí)行磁阻元件124c、124d的置位/復(fù)位操作，相同的電流iSR在由軸線Y(置位和復(fù)位操作指向相反)限定的方向上在傳導(dǎo)條帶122c和122d中流動，產(chǎn)生具有沿著軸線X(也即平行于磁阻元件124c、124d的易磁化軸線EA)的場分量的磁場BSR。
[0132]明顯的是，為了確保在所有傳導(dǎo)條帶122a_122d中產(chǎn)生同一電流iSR，每個下穿區(qū)域125a-125d在關(guān)于傳導(dǎo)特性上必須與其它下穿區(qū)域125a_125d是可比的。確保制造工藝高可重復(fù)性的當(dāng)前的微加工技術(shù)使得能夠滿足該需求。特別地，制造下穿區(qū)域125a-125d以便呈現(xiàn)通孔的低電阻值以及低的薄片電阻。
[0133]圖17a和圖17b在頂視平面圖中以及在截面圖(沿著圖17a的截面線XVI1-XVII)中分別示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁場傳感器120’。磁場傳感器120’類似于圖15a的磁場傳感器120，但是僅包括傳導(dǎo)條帶122a和122c。在此情形下，僅傳導(dǎo)條帶122a設(shè)置有下穿區(qū)域125a。磁阻元件124a和124c可以布置在相應(yīng)的傳導(dǎo)條帶122a、122c的頂部上，如圖15a所示，或者豎直地關(guān)于彼此對準(zhǔn)(沿著軸線Z)并且與兩個傳導(dǎo)條帶122a、122c對準(zhǔn)，如圖17b所示。換言之，磁阻元件124c和124a基本上沿著軸線Z與下穿區(qū)域125a對準(zhǔn)，距襯底51的頂表面51a具有相應(yīng)的第一距離和第二距離。
[0134]第一和第二距離彼此不同，并且特別地第一距離小于第二距離。明顯的是，在使用期間，磁阻元件124a和124c耦合至偏置和讀取電路，例如借由圖9和圖10中示例所示。
[0135]根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，在圖18a(頂視圖)和圖18b (沿著圖18a的截面線XVII1-XVIII的截面圖)中示出了，磁場傳感器150包括集中器151。集中器151例如是文獻(xiàn)N0.2010A001050中所述的類型。磁場傳感器150是根據(jù)本發(fā)明任一實(shí)施例所述類型的傳感器，例如圖15a和圖15b的傳感器120。
[0136]為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)立讀取(檢測)沿著軸線Z作用的磁場，磁場傳感器150進(jìn)一步包括磁阻元件152-155，磁阻元件152-155橫向地并且相對于集中器151對稱布置，并且以如此方式配置磁阻元件152-155以便具有沿平面XY特別是沿軸線X的感測軸線。即使僅一個磁阻元件152或者154就足以實(shí)現(xiàn)作為沿著Z的磁場的檢測器的磁場傳感器150操作，但是使用兩個或者更多磁阻元件152、154具有消除可能的場干擾效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，磁阻元件152、154平行于平面XY(并且特別地在圖18a示例中沿著X)。圖18a示出了用于沿著Z檢測的四個磁阻元件152-155，其中兩個磁阻元件相對于磁阻元件124a對稱(沿著X)設(shè)置，而另兩個相對于磁阻元件124b對稱(沿著X)設(shè)置。然而，其它設(shè)置是可能的，例如其中磁阻元件沿著X關(guān)于彼此交錯排列。
[0137]根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例，磁阻器152-155形成為與磁阻器124a、124b共面(也即磁阻器124a、124b以距襯底51的頂表面51a如下距離而延伸，該如下距離等于磁阻器152-155距頂表面51a的距離)。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，磁阻器152-155形成為與磁阻器124c、124d共面(也即磁阻器124c、124d以距襯底51的頂表面51a如下距離而延伸，該如下距離等于磁阻器152-155距頂表面51a的距離)。根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，磁阻器152-155位于與磁阻器124a-124d所在平面不同的平面中(也即磁阻器124a_124d以距襯底51頂表面51a相應(yīng)距離而延伸，該相應(yīng)距離不同于磁阻器152-155距頂表面51a的距離)。
[0138]詳細(xì)地，借由不例的方式參照磁場傳感器150,溝槽或者空腔153在襯底51內(nèi)從頂表面51a延伸至接近底表面51b，反之亦然。
[0139]根據(jù)一個實(shí)施例,溝槽153設(shè)置為關(guān)于磁阻兀件124a、124b橫向交錯,但是也可以設(shè)置(沿Z)在磁阻元件124a、124b的頂部上。溝槽153容納由覆蓋溝槽153側(cè)壁和底部的鐵磁材料層形成的集中器151。集中器151由“軟”鐵磁材料(也即可以易于磁化并且在移除了外部磁場之后不會維持磁化的材料)制成。例如，可以使用非晶的鈷基合金或透磁合金，通常不是各向異性的，特別是其易磁化軸線并未對準(zhǔn)豎直壁(軸線Z)。[0140]在圖18b的截面中，集中器151大致為具有兩個臂部151a、151b和一個基底151c的U形。臂部151a、151b覆蓋并且連續(xù)延伸至溝槽153的側(cè)壁，貫穿溝槽153自身的厚度；基底151c覆蓋并且連續(xù)至溝槽153的底部。臂部151a、151b具有沿著軸線Z遠(yuǎn)大于其厚度的主要尺寸。
[0141]因此，當(dāng)傳感器150經(jīng)受平行于軸線Z的外部磁場Bext時，集中器151的臂部151a、151b引起磁場Bext的場線偏轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生平行于軸線X并且因此平行于磁阻元件152、154的靈敏度平面的水平場分量Bext_x。因此可以以已知方式借由外部讀取電路通過磁阻元件來檢測水平分量Bext_x。
[0142]假設(shè)集中器151由鐵磁材料制成，形成了有助于磁場集中效應(yīng)的磁路并且因此使得傳感器150具有高靈敏度。
[0143]根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，為了進(jìn)一步改善對于平行于平面XY定向的磁場的不靈敏性，可以連接使其自身感測軸線在同一方向上定向的磁阻元件以形成惠斯通電橋。詳細(xì)地，根據(jù)所需感測軸線的數(shù)目，傳感器可以僅包括一個惠斯通電橋、兩個惠斯通電橋、或三個惠斯通電橋。
[0144]圖19和圖20示出(分別在頂視平面圖中、以及在沿著截面線XIX-XIX的截面圖中)并且借由示例的方式，磁場傳感器170僅設(shè)置有一個惠斯通電橋并且具有類似于參照圖18a、圖18b所示和所述的集中器150的集中器172。設(shè)計磁場傳感器170以檢測沿著Z作用的外部磁場Bext。
[0145]傳感器170具有連接形成惠斯通電橋175的四個磁阻元件171a_171d，惠斯通電橋175借由傳導(dǎo)路徑176連接至偏置端子Vb和GND并且被設(shè)計為供應(yīng)輸出信號Vo。每個磁阻元件171a-171d構(gòu)成一個電阻器R1-R4。電阻器R1-R4在磁阻元件的幾何和電學(xué)特性上彼此相同。
[0146]參照圖19、圖20的結(jié)構(gòu)，集中器172的臂部172a、172b集中了外部磁通量Bext以便偏轉(zhuǎn)磁通線并且產(chǎn)生平行于軸線X但是具有相反方向的場分量，假設(shè)它們隨著最小磁阻的路徑引導(dǎo)而穿過磁阻元件的鐵磁材料。因此，外部磁場Bext沿著Z定向并且沿著方向Y初始磁化，電阻器R3、R4見到具有第一符號(例如正)的沿著X的場分量，而電阻器R1、R2見到具有與第一符號相反的第二符號(例如負(fù))的沿著X的場分量。因此，電阻器Rl、R3的電阻減小了 AR，而電阻器R2、R4的電阻增大了 AR。隨后從惠斯通電橋175輸出的輸出電壓與電阻的改變成比例并且因此與外部磁場成比例。因此，基于檢測到的信號以及幾何配置而合適提供的讀取電路能夠確定外部磁場的幅度。
[0147]已描述的同樣適用于設(shè)置有第二以及可能的第三惠斯通電橋的傳感器，其磁阻元件被定向以便對于沿著X和沿著Y作用的磁場敏感。
[0148]與磁場傳感器的實(shí)施例無關(guān)，可以以集成形式在ASIC芯片或者與ASIC芯片分開的芯片中生產(chǎn)磁場傳感器，并且借由凸塊連接(或經(jīng)由引線鍵合)而連接至ASIC芯片。以已知方式，ASIC芯片包括集成在襯底中的多個有源和/或無源電子部件。特別地，電子部件形成磁場傳感器中的電源和/或讀取電路。ASIC被配置為用于向磁阻元件供應(yīng)被設(shè)計為偏置磁場傳感器的磁阻元件的輸入信號VAL。此外ASIC還被配置為用于讀取由磁阻元件響應(yīng)于輸入信號VAL以及待感測的(可能的)外部磁場而產(chǎn)生的輸出信號V0UT。
[0149]電源和讀取ASIC是已知類型的，并且包括例如差分或者全差分電阻性或開關(guān)電容器式前端，或者在任何情形下設(shè)計用于該目的文獻(xiàn)中已知的任何電路。
[0150]如所述，根據(jù)一個實(shí)施例，磁場傳感器(包括磁阻元件和磁場發(fā)生器)集成在不同于ASIC芯片的襯底的襯底中，并且可以借由凸塊(bump)連接至ASIC。為此目的，ASIC的襯底和承載磁場傳感器的芯片的襯底在表面上具有被配置為用作ASIC與磁阻元件以及均壓環(huán)之間的接口的相應(yīng)的多個端子或焊盤。
[0151]根據(jù)另一實(shí)施例，磁場發(fā)生器和磁阻元件以集成形式形成在ASIC芯片的相應(yīng)的頂部金屬層中。例如，磁阻元件形成在ASIC芯片的最后金屬層中，而磁場發(fā)生器形成在下面的金屬層中。根據(jù)該實(shí)施例，芯片之間連接的凸塊或者其它元件并非必需，結(jié)果具有減小寄生電容的優(yōu)點(diǎn)。
[0152]根據(jù)任一所述實(shí)施例的磁場傳感器可以用于羅盤中、線性位置傳感器中、角度位置傳感器中等。
[0153]從根據(jù)本公開提供的本發(fā)明特性的檢驗(yàn)，提供的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。
[0154]特別地，可以大大地減小傳感器的整體尺寸以便獲得具有表面面積小于
0.5X0.5mm2 的尺寸。
[0155]此外，相互不共面的磁阻元件形成在制造工藝的不同步驟中。如此方式，可以通過沉積鐵磁材料來形成它們的每一個以此方式以便獲得其易磁化軸線如上所述定向(特別地，正交于用于置位/復(fù)位操作的磁場線)的磁阻元件。結(jié)果，得到了具有的改進(jìn)靈敏度(更高穩(wěn)定性)并且置位/復(fù)位步驟更有效的傳感器。
[0156]最后，明顯的是，可以不脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍而對于在此已描述和示出的內(nèi)容做出修改和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種磁場傳感器(30 ; 110 ; 120 ; 120’ ； 150 ; 170)，包括: 芯片(100)，包括具有第一表面(51a)和第二表面(51b)的襯底(51)以及覆蓋所述第一表面(51a)的絕緣層(78)； 第一磁阻器(33 ；114c ;124c)，在所述絕緣層中延伸并且具有主磁化軸線(EA)和副磁化軸線(HA)； 第二磁阻器(35 ；114a ;124a)，在所述絕緣層中延伸并且具有主磁化軸線(EA)和副磁化軸線(HA)，所述第二磁阻器(35 ；114a ；124a)的所述主磁化軸線(EA)在橫切于所述第一磁阻器(33 ；114c ；124c)的所述主磁化軸線(EA)的方向上延伸，并且所述第二磁阻器(35 ；114a ；124a)的所述副磁化軸線(HA)在橫切于所述第一磁阻器(33 ；114c ；124c)的所述副磁化軸線(HA)的方向上延伸； 第一磁場發(fā)生器(32 ；112c ;122c)，被配置為用于產(chǎn)生具有沿著所述第一磁阻器(33 ；114c ；124c)的所述主磁化軸線的場線的第一磁場；以及 第二磁場發(fā)生器(31 ；112a ;122a)，被配置為用于產(chǎn)生具有沿著所述第二磁阻器(35 ；114a ；124a)的所述主磁化軸線的場線的第二磁場， 所述傳感器的特征在于，所述第一磁阻器和所述第二磁阻器(33，35;114c，114a;124c, 124a)以距所述第一表面(51a)彼此不同的相應(yīng)的第一距離和第二距離在所述絕緣層中延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一磁場發(fā)生器(112c)和所述第二磁場發(fā)生器(112a)包括相互共面的相應(yīng)的第一傳導(dǎo)條帶和第二傳導(dǎo)條帶，所述第一傳導(dǎo)條帶和所述第二傳導(dǎo)條帶在第 一交叉區(qū)域(113a-113d)中彼此電耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一磁場發(fā)生器和所述第二磁場發(fā)生器(31,32 ；122c,122a)包相應(yīng)的括第一傳導(dǎo)條帶(31a ；122c ；126c)和第二傳導(dǎo)條帶(32a ；126a ; 122a)，所述第一傳導(dǎo)條帶(31a ；122c ；126c)和所述第二傳導(dǎo)條帶(32a ；126a ；122a)以距所述第一表面(51a)彼此不同的相應(yīng)的第三距離和第四距離在所述絕緣層中延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述第一磁場發(fā)生器的所述第一傳導(dǎo)條帶(32a ；122c)和所述第二磁場發(fā)生器的所述第二傳導(dǎo)條帶(31a ；126a)在所位于的相應(yīng)平面上的所述絕緣層中延伸，沿著正交于所述所位于的相應(yīng)平面的第一方向(Z)至少部分地彼此對準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述第一磁阻器(33)和所述第二磁阻器(35)延伸到所位于的相應(yīng)平面上的所述絕緣層中，沿著所述第一方向(Z)至少部分地彼此對準(zhǔn)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述第一傳導(dǎo)條帶(32a;122c)在可偏置的傳導(dǎo)端子之間延伸以便在所述第一傳導(dǎo)條帶中產(chǎn)生在第一傳導(dǎo)方向(Y)上的電流(ip’，iSR，iOFF)，并且其中所述第二傳導(dǎo)條帶(31a;126a)在可偏置的傳導(dǎo)端子之間延伸以便在所述第二傳導(dǎo)條帶中產(chǎn)生在第二傳導(dǎo)方向(X)上的電流(ip”，iSR，iOFF)，所述第一磁阻器(33;124c)的所述主磁化軸線正交于所述第一傳導(dǎo)方向(Y)，并且所述第二磁阻器(35； 124a)的所述主磁化軸線正交于所述第二傳導(dǎo)方向(X)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述第一磁場發(fā)生器(32；122c)包括: 相互共面的多個第一傳導(dǎo)條帶(32a，32b ; 122c);以及第一電連接部分(32c ；126c), 所述多個第一傳導(dǎo)條帶(32a，32b; 122c)中的所述第一傳導(dǎo)條帶借由在所述絕緣層中延伸的傳導(dǎo)通孔而電耦合至所述第一電連接部分(32c;126c)的相應(yīng)區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述第二磁場發(fā)生器(31；122a)包括: 相互共面的多個第二傳導(dǎo)條帶(31a，31b ;122a);以及 第二電連接部分(31c ；126a), 所述多個第二傳導(dǎo)條帶(31a，31b;122a)中的所述第二傳導(dǎo)條帶借由在所述絕緣層中延伸的傳導(dǎo)通孔而電耦合至所述第二電連接部分(31c;126a)的相應(yīng)區(qū)域，所述第一電連接部分和所述第二電連接部分是相互共面的并且以距所述第一表面(51a)第五距離而延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中所述第五距離不同于所述第三距離和所述第四距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中所述第一磁阻器包括設(shè)置有Barber極結(jié)構(gòu)的鐵磁條帶,所述Barber極結(jié)構(gòu)包括在橫切于所述鐵磁條帶的方向上延伸并且與所述鐵磁條帶電接觸的多個金屬元件，并且與所述第一電連接部分(32c ；126c)共 面。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，進(jìn)一步包括: 第一多個磁阻器，具有平行于所述第一磁阻器的所述主磁化軸線(EA)的主磁化軸線(EA)，以及平行于所述第一磁阻器的所述副磁化軸線(HA)的副磁化軸線(HA);以及 第二多個磁阻器，具有平行于所述第二磁阻器的所述主磁化軸線(EA)的主磁化軸線(EA)，以及平行于所述第二磁阻器的所述副磁化軸線(HA)的副磁化軸線(HA)，其中屬于所述第一多個磁阻器的所述磁阻器連接以形成第一惠斯通電橋，并且屬于所述第二多個磁阻器的所述磁阻器連接以形成第二惠斯通電橋。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，進(jìn)一步包括第三磁阻器(152-155)，所述第三磁阻器延伸到所述絕緣層中并且具有主磁化軸線(EA)和副磁化軸線(HA)，并且其中所述芯片(100)容納由鐵磁材料制成的集中器(151)，所述集中器包括至少一個臂部(151a;151b)，所述集中器在橫切于所述第三磁阻器的所述主磁化軸線(EA)的方向上延伸以便偏轉(zhuǎn)磁通線，所述磁通線被定向?yàn)檎挥谟伤龅谌抛杵鞯乃鲋鞔呕S線(EA)以及所述副磁化軸線(HA)確定的平面，并且所述集中器產(chǎn)生被定向?yàn)槠叫杏谒龅谌抛杵鞯乃龈贝呕S線(HA)的磁場分量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其中所述第三磁阻器(152-155)以距所述第一表面(51a)不同于所述第一距離和所述第二距離的距離而延伸到所述絕緣層中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其中所述第三磁阻器(152-155)以距所述第一表面(51a)等于所述第一距離或所述第二距離的距離而延伸到所述絕緣層中。
15.一種制造磁場傳感器(30 ；110 ；120 ;120，；150 ；170)的方法，包括步驟: 提供芯片(100),包括具有第一表面(51a)和第二表面(51b)的襯底(51)； 形成覆蓋所述第一表面(51a)的絕緣層； 在所述襯底的所述第一表面之上形成具有主磁化軸線(EA)和副磁化軸線(HA)的第一磁阻器(33 ；124c)；在所述襯底的所述第一表面之上形成具有主磁化軸線(EA)和副磁化軸線(HA)的第二磁阻器(35 ; 124a)，所述第二磁阻器(35 ；124a)的所述主磁化軸線(EA)在橫切于所述第一磁阻器(33 ；124c)的所述主磁化軸線(EA)的方向上延伸，并且所述第二磁阻器(35 ；124a)的所述副磁化軸線(HA)在橫切于所述第一磁阻器(33 ；124c)的所述副磁化軸線(HA)的方向上延伸； 在所述襯底的所述第一表面之上形成第一磁場發(fā)生器(32 ;122c),被配置為用于產(chǎn)生具有沿著所述第一磁阻器(33 ；124c)的所述主磁化軸線的場線的第一磁場；以及 在所述襯底的所述第一表面之上形成第二磁場發(fā)生器(31 ;122a)，被配置為用于產(chǎn)生具有沿著所述第二磁阻器(35 ；124a)的所述主磁化軸線的場線的第二磁場， 所述方法的特征在于，所述形成所述第一磁阻器和所述第二磁阻器的步驟分別包括: 以距所述第一表面(51a)第一距離在所述絕緣層中形成所述第一磁阻器；以及 以距所述第 一表面(51a)不同于所述第一距離的第二距離在所述絕緣層中形成所述第二磁阻器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述形成第一磁場發(fā)生器和所述第二磁場發(fā)生器的步驟包括:形成相互共面的相應(yīng)的第一傳導(dǎo)條帶和第二傳導(dǎo)條帶，并且以此方式以便所述第一傳導(dǎo)條帶和所述第二傳導(dǎo)條帶在第一交叉區(qū)域處彼此電耦合。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述形成所述第一磁場發(fā)生器和所述第二磁場發(fā)生器(31，32 ; 122c，122a)的步驟包括: 以距所述第一表面(51a)第三距離在所述絕緣層中形成第一傳導(dǎo)條帶(31a;122c;126c);以及 以距所述第一表面(51a)不同于所述第三距離的第四距離在所述絕緣層中形成第二傳導(dǎo)條帶(32a ；126a ；122a)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述形成所述第一磁場發(fā)生器的所述第一傳導(dǎo)條帶(32a ；122c)和所述第二磁場發(fā)生器的所述第二傳導(dǎo)條帶(31a ；126a)包括:在所位于的相應(yīng)平面上的所述絕緣層中形成所述第一傳導(dǎo)條帶和所述第二傳導(dǎo)條帶，沿著正交于所述所位于的相應(yīng)平面的第一方向(Z)至少部分地彼此對準(zhǔn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成所述第一磁阻器(33)和所述第二磁阻器(35)的步驟包括:在所位于的相應(yīng)平面上的所述絕緣層中形成所述第一磁阻器和所述第二磁阻器，沿著所述第一方向(Z)至少部分地彼此對準(zhǔn)。
【文檔編號】G01R33/09GK103543417SQ201310297959
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月11日
【發(fā)明者】D·帕西, S·澤比尼, B·維格納 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司