一種新型的集成單體芯片三軸磁敏傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型的單體芯片集成的三軸磁敏傳感器。由于目前已有技術(shù)僅可做到磁敏傳感器的三維封裝集成，然而，真正意義上的在工藝中實現(xiàn)的單體芯片集成方法尚在探索之中。本發(fā)明將具有幾何增強效應的硅基磁敏單元與磁電子敏感單元與信號處理電路集成在同一張硅片上，實現(xiàn)了三軸磁敏傳感器的單體芯片集成，其中幾何增強效應的硅基磁敏單元具有垂直方向磁敏感特性，兩對面內(nèi)正交排列的磁電子敏感單元具有面內(nèi)磁敏感特性。本發(fā)明可避免生長垂直薄膜或者垂直封裝集成的技術(shù)難題，且與微電子工藝具有很好的兼容性，器件體積小、靈敏度高。
【專利說明】一種新型的集成單體芯片三軸磁敏傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁敏傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型三軸單體集成磁敏傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]磁敏傳感器是對磁信號或者可以轉(zhuǎn)化為磁信號的信號進行檢測的傳感器件，廣泛應用在智能交通、工業(yè)控制、汽車電子、信息存儲、移動通訊及醫(yī)療等領(lǐng)域?；诰薮烹娮璨牧虾痛潘淼澜Y(jié)材料等制成的磁電子傳感器是一類新興的高性能磁敏傳感器，具有靈敏度高、體積小、抗輻射等諸多優(yōu)點，在導彈導航、航天和國防軍事等特殊領(lǐng)域也有重要應用。由于地磁場是一個空間矢量場，在磁導航及電子羅盤的應用中，需要測量磁場的三軸方向與大小，因而能夠檢測磁場的三軸方向與大小的磁敏傳感器具有重要應用價值，市場前景巨大。
[0003]目前已有的可以實現(xiàn)三軸磁場檢測的磁敏傳感器如霍爾傳感器、各向異性磁阻傳感器(AMR)都是通過組合封裝的方法實現(xiàn)的，即將三個單軸敏感的磁敏傳感器通過組合并，封裝在一起，每一個單軸磁敏傳感器檢測一個方向上的磁場，從而實現(xiàn)對三軸方向上的磁場的檢測。如Melexis公司的三軸霍爾傳感器、Honeywell公司的三軸AMR傳感器(用于三軸磁性傳感器的單個封裝集成CN200580048146.2)以及MR與霍爾傳感器組裝在一起的三軸磁敏傳感器(US20120299587A1)都是通過組合封裝的方式實現(xiàn)的。在巨磁電阻傳感器與磁隧道結(jié)傳感器的三軸磁場檢測方面，也有通過組合封裝的方法將三個單軸敏感的磁敏傳感芯片集成在同一個基片上(三軸磁場傳感器，CN201110251902.9)。然而上述組合封裝的集成方法，通常需要將其中一個磁敏傳感芯片垂直于基片進行封裝，封裝難度與封裝成本增加，且封裝后芯片的體積也比較大，尤其是封裝高度增加較多，因而難以適應集成度越來越高、體積越來越小的電子系統(tǒng)應用需求。另一方面，三軸磁敏傳感芯片與信號處理電路不能集成在同一個單體芯片上，即不能將傳感芯片與信號處理電路通過工藝集成在同一個芯片上，只能通過封裝集成在一起。
[0004]由于目前已有技術(shù)僅可做到磁敏傳感器的三維封裝集成(有時被稱作單芯集成)，然而，真正意義上的在工藝中實現(xiàn)的單體芯片集成方法尚在探索之中。目前的三維封裝集成方法存在很多問題:一方面在Z軸方向的磁敏芯片很難與水平面完全垂直、敏感軸方向偏離Z軸；另一方面相關(guān)的封裝方法與工藝技術(shù)難度高，封裝成本增加且芯片尺寸必然會變大。如果僅僅采用磁電子敏感單元實現(xiàn)單體芯片集成，除了需要制備在面內(nèi)的兩組正交的磁電子敏感單元之外，還需要實現(xiàn)垂直生長的薄膜，這在工藝上幾乎是無法實現(xiàn)的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種新型的三軸單體集成磁敏傳感器，即通過制備工藝將磁敏傳感單元與信號處理電路等集成在同一個單體芯片上，該發(fā)明技術(shù)避免了三維封裝的技術(shù)難題，且芯片尺寸減小、能耗降低、成本減低，在高集成的電子系統(tǒng)中具有重要應用前景。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:
本發(fā)明由磁電子敏感電阻單元、具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元以及信號處理集成電路三部分組成，且通過制備工藝集成在同一硅基襯底上形成單體芯片，其中磁電子敏感單元有兩個，一個具有水平X軸方向的磁敏感特性，另一個具有水平Y(jié)軸方向的磁敏感特性，具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元具有Z軸垂直方向的磁敏感特性，磁電子敏感電阻單元以及具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元結(jié)合信號處理電路實現(xiàn)對三軸方向上的磁場的檢測。
[0007]進一步說，磁電子敏感電阻單元為基于巨磁電阻材料制成的電阻或由電阻組成的電橋。
[0008]進一步說，磁電子敏感電阻單元為基于磁隧道結(jié)材料制成的電阻或由電阻組成的電橋。
[0009]進一步說，具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元，在單晶硅上配置有四個或者兩個電極。
[0010]本發(fā)明將具有幾何增強效應的硅基半導體磁敏單元與磁電子敏感單元與信號處理電路集成在同一張硅片上，實現(xiàn)單體芯片集成，目前國際上沒有相關(guān)研究報道。本發(fā)明引入垂直磁敏感的硅基磁敏單元結(jié)構(gòu)作為Z軸敏感單元，配合面內(nèi)敏感的兩組磁電子單元結(jié)構(gòu)，形成三軸磁敏傳感器。所涉及的三軸磁敏單元均在面內(nèi)生長，一方面避免了制備垂直磁敏薄膜的技術(shù)難題，另一方面由于采用了磁性半導體敏感單元，在與半導體信號電路的集成兼容性方面也會有所改善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為單體芯片集成的三軸磁敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為單體芯片集成的三軸磁敏傳感器的敏感軸方向；
圖3為單體芯片集成的三軸磁敏傳感器的工藝剖面圖；
圖中:1.硅基襯底；2.信號處理電路；3.幾何增強磁阻敏感單元(Z軸敏感)；4.磁電子敏感單元(X軸敏感);5.磁電子敏感單元(Y軸敏感)；6.絕緣層；7.絕緣層；8.絕緣層；9.金屬互連線；10.PAD。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明所述的單體芯片集成的三軸磁敏傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，在硅基襯底I上制作信號處理電路2，基于硅基的具有幾何增強效應的磁阻敏感單元3直接制作在硅基徹底上，兩個正交配置的基于巨磁電阻效應的磁電子敏感單元4、5制作在上面，與幾何增強效應的磁阻敏感單元及信號處理電路集成在同一張硅片上。該三軸磁敏傳感器的敏感軸方向如圖2所示，具有幾何增強效應的硅基磁阻敏感單元Z軸敏感，兩個正交配置的基于巨磁電阻效應的磁電子敏感單元分別對X軸和Y軸敏感。對于一個空間矢量場，將其分解為X軸、Y軸和Z軸分量，三個磁敏傳感單元分別檢測三個軸分量，并通過信號處理電路處理后獲得該空間矢量場信息。該單體芯片集成的三軸磁敏傳感器的制備工藝如圖3所示，首先在硅片上制作信號處理電路2 ;然后在同一硅片上制作具有幾何增強效應的磁阻敏感單元，電阻單元結(jié)構(gòu)平行于水平面；然后制作絕緣隔離層6，可為S12或者Al2O3 ;絕緣層開孔，開信號處理電路與幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元連接孔；然后制作一對正交配置的磁電子敏感單元，磁電子敏感電阻單元膜層也平行于水平面；隨后在制作絕緣層7并開孔；然后再制作金屬層并刻蝕金屬互連線9 ;接下來制作絕緣層8保護并開孔；最后制作PAD 10。整個制備過程不存在生長垂直膜的問題，因而敏感單元的工藝實現(xiàn)較為容易。三個磁阻敏感單元與信號處理電路之間通過金屬互連線連接，形成一個單體集成芯片。
【權(quán)利要求】
1.一種新型的集成單體芯片三軸磁敏傳感器，其特征在于:由磁電子敏感電阻單元、具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元以及信號處理集成電路三部分組成，且通過制備工藝集成在同一硅基襯底上形成單體芯片，其中磁電子敏感單元有兩個，一個具有水平X軸方向的磁敏感特性，另一個具有水平Y(jié)軸方向的磁敏感特性，具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元具有Z軸垂直方向的磁敏感特性，磁電子敏感電阻單元以及具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元結(jié)合信號處理電路實現(xiàn)對三軸方向上的磁場的檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成單體芯片三軸磁敏傳感器，其特征在于:磁電子敏感電阻單元為基于巨磁電阻材料制成的電阻或由電阻組成的電橋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成單體芯片三軸磁敏傳感器，其特征在于:磁電子敏感電阻單元為基于磁隧道結(jié)材料制成的電阻或由電阻組成的電橋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成單體芯片三軸磁敏傳感器，其特征在于:具有幾何增強效應的硅基磁敏電阻單元，在單晶硅上配置有四個或者兩個電極。
【文檔編號】G01R33/09GK104297705SQ201410513269
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】白茹, 錢正洪, 朱華辰 申請人:杭州電子科技大學