CN115360295A - 基于长方体硅基通孔的三维磁传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及磁传感器领域，提供一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器及其制造方法。所述基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，包括长方体硅基底和三个薄膜磁阻单元，三个薄膜磁阻单元分别形成于长方体硅基底的三个相邻面的表面，三个薄膜磁阻单元通过长方体硅基底内部的硅通孔导线相互连接，所述硅通孔导线从长方体硅基底的三个相邻面垂直延伸到长方体硅基底内部进行连通；三个薄膜磁阻单元均设置有金属电极，所述硅通孔导线与三个薄膜磁阻单元的金属电极形成为一体。本申请本申请通过硅通孔导线实现三个薄膜磁阻单元的电气互联，集成度高、可靠性强，同时充分利用垂直空间实现高密度三维磁传感器的集成，体积小、功耗低。
Description
技术领域
本申请涉及磁传感器领域，具体地涉及一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器以及一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的制造方法。
背景技术
磁传感器能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息。传统的磁传感器为基于霍尔效应的电流器件，具有体积大、功耗高、灵敏度低、测量范围小等缺陷，其原理和制造技术的缺陷限制了应用范围。
AMR（Anisotropy Magnetoresistance，各向异性磁阻）磁电阻效应是指铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而变化的现象。在AMR磁传感器中，器件的磁阻率正比于磁性材料磁化方向与电流方向夹角余弦的平方，磁电阻极值与外磁场之间具有对应关系，因此AMR磁传感器可用于测量外磁场的大小。与基于霍尔效应的传感器相比，AMR磁传感器具有灵敏度较高、体积小、功耗低、可靠性高等优点，应用更广泛。
现有的AMR磁传感器为多层薄膜结构，受限于结构和材料特性，薄膜材料的磁化方向通常平行于衬底平面（X-Y），因此传感方向通常也平行于衬底平面，一般仅能对平面内磁场形成有效探测，难以实现Z轴方向传感。
发明内容
为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器及其制造方法。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，包括长方体硅基底和三个薄膜磁阻单元；三个薄膜磁阻单元分别形成于长方体硅基底的三个相邻面的表面；三个薄膜磁阻单元通过长方体硅基底内部的硅通孔导线相互连接，所述硅通孔导线从长方体硅基底的三个相邻面垂直延伸到长方体硅基底内部进行连通；三个薄膜磁阻单元均设置有金属电极，所述硅通孔导线与三个薄膜磁阻单元的金属电极形成为一体。
本申请实施例中，三个薄膜磁阻单元均靠近长方体硅基底的三个相邻面的公用顶点。
本申请实施例中，所述薄膜磁阻单元为基于AMR各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。
本申请实施例中，所述薄膜磁阻单元包括惠斯通电桥结构。
本申请实施例中，所述惠斯通电桥结构包括四个电阻单元，每两个电阻单元之间通过金属电极相连。
本申请实施例中，每一个电阻单元包括多个磁阻条，多个磁阻条通过金属带依次连接。
本申请实施例中，所述磁阻条的两端设置为 60°尖角形状。
本申请实施例中，所述金属电极和所述金属带由非磁性金属材料组成。
本申请实施例中，所述硅通孔导线通过以下方式形成：在三个薄膜磁阻单元的金属电极上刻蚀出硅通孔开口，沿硅通孔开口向长方体硅基底内部垂直打孔，在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔；在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的制造方法，包括：
在长方体硅基底的三个相邻面的表面生长磁性材料，形成三个具有金属电极的薄膜磁阻单元；
采用硅通孔工艺在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
本申请实施例中，所述采用硅通孔工艺在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，包括：
对薄膜磁阻单元的金属电极进行刻蚀形成硅通孔开口；
分别沿三个薄膜磁阻单元的金属电极上的硅通孔开口对长方体硅基底进行深度刻蚀，直到在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔；
在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
本申请实施例中，所述在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，包括：
在硅通孔的内壁上依次生长绝缘介质层、金属扩散阻挡层及种子层；
采用电镀或溅射工艺在硅通孔内填充导电金属材料；
对填充的硅通孔进行表面平坦化处理，形成硅通孔导线。
本申请实施例中，所述硅通孔内填充的导电金属材料为铜或钨。
本申请实施例中提供的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，在长方体硅基底的三个相邻面形成薄膜磁阻单元，通过硅通孔技术在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，通过硅通孔导线实现三个薄膜磁阻单元的电气互联，集成度高、可靠性强。本申请基于长方体硅基底的三个垂直的面，通过三个面上的磁阻单元实现对X、Y、Z三维磁场的探测，灵敏度高；同时充分利用垂直空间实现高密度三维磁传感器的集成，体积小、功耗低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的薄膜磁阻单元的惠斯通电桥结构的示意图；
图3是本申请实施例提供的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的制造方法的流程图。
附图标记说明
10-长方体硅基底，20-薄膜磁阻单元，21-金属电极，22-磁阻条，
23-金属带，24-硅通孔导线。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
现有的AMR磁传感器为多层薄膜结构，在平行于薄膜平面的磁场作用下，AMR磁性多层薄膜结构中至少有一层磁膜的磁化方向随磁场的大小而改变，磁传感器的磁阻率正比于磁性材料磁化方向与电流方向夹角余弦的平方。由于在磁性薄膜材料中垂直于薄膜平面的退磁场比平面内退磁场大几个数量级，因此薄膜材料的磁化方向通常平行于衬底平面（X-Y），传感方向通常也平行于衬底平面，仅能探测到平面方向（X轴和Y轴）的磁场分量，难以探测到Z轴方向的磁场大小。
针对上述问题，本申请实施例中提供了基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，包括长方体硅基底和三个薄膜磁阻单元，三个薄膜磁阻单元分别形成于长方体硅基底的三个相邻面的表面。三个薄膜磁阻单元通过长方体硅基底内部的硅通孔导线相互连接，所述硅通孔导线从长方体硅基底的三个相邻面垂直延伸到长方体硅基底内部进行连通；三个薄膜磁阻单元均设置有金属电极，所述硅通孔导线与三个薄膜磁阻单元的金属电极形成为一体。本申请在长方体硅基底的三个相邻面形成薄膜磁阻单元，通过硅通孔技术在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，通过硅通孔导线实现三个薄膜磁阻单元的电气互联，集成度高、可靠性强。本申请基于长方体硅基底的三个垂直的面，通过三个面上的磁阻单元实现对X、Y、Z三维磁场的探测，灵敏度高。
本申请充分利用垂直空间实现高密度三维磁传感器的集成，体积小、功耗低。由于长方体硅基底为一整块的实体结构，其相邻平面角度可做到严格的相互垂直，直接在实体硅基底表面生长磁性材料形成薄膜磁阻单元，无需使用额外的粘接材料，因此在热扰动下形变均匀，在振动或冲击条件下仍能保持优良的结构强度；在实体硅基底内部形成硅通孔导线实现薄膜磁阻单元的电气连接，而不是通过传统导线连接，因此磁传感器的灵敏度和精度更高。
以下对本申请实施例的方案进行详细阐述。
图1为本申请实施例提供的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，包括长方体硅基底10和三个薄膜磁阻单元20，三个薄膜磁阻单元20分别形成于长方体硅基底10的三个相邻面的表面。三个薄膜磁阻单元20通过长方体硅基底10内部的硅通孔导线24相互连接，硅通孔导线24从长方体硅基底10的三个相邻面垂直延伸到长方体硅基底10内部进行连通。三个薄膜磁阻单元20均设置有金属电极21，硅通孔导线24与三个薄膜磁阻单元的金属电极20形成为一体。
在一实施例中，硅通孔导线24通过以下方式形成：在三个薄膜磁阻单元的金属电极上刻蚀出硅通孔开口，沿硅通孔开口向长方体硅基底内部垂直打孔，在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔；在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。对于长方体硅基底的三个相邻面的薄膜磁阻单元，其金属电极的位置是预先设置的，即三个相邻面上金属电极的位置是固定的，每个面的金属电极在长方体硅基底的延伸线可以垂直相交，相交的交点是确定的。在硅通孔工艺中，可以根据该交点确定离子刻蚀的时间，通过精准把控离子刻蚀时间使长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔，以实现不同面上金属电极的相互连通。
需要说明的是，图1中的硅通孔导线24仅为示意，未示出不同面的硅通孔导线垂直相交的交点，实际应用是根据电气互联需要在打孔过程中将相应的硅通孔连通，因此硅通孔导线24是相互连通的。长方体硅基底10的三个相邻面的共同边相当于坐标系的X轴、Y轴、Z轴，三个薄膜磁阻单元20构成磁传感器的三个感应平面X-Y、X-Z、Z-Y，实现X、Y、Z三维磁场的探测。
在一实施例中，三个薄膜磁阻单元20均靠近长方体硅基底10的三个相邻面的公用顶点，以缩短薄膜磁阻单元20之间的距离，有利于增强X、Y、Z三轴方向的磁场感知能力。硅通孔设置于薄膜磁阻单元20的端部并穿过长方体硅基底10。硅通孔内填充的导电材料可选用铜、钨、多晶硅等材料。长方体硅基底10可选用单晶硅，尺寸可选择为1mm×1mm×2mm。
如图2所示，在一实施例中，薄膜磁阻单元20为基于AMR各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。薄膜磁阻单元20包括惠斯通电桥结构，惠斯通电桥结构包括四个电阻单元，每两个电阻单元之间通过金属电极21相连。金属电极21包括正方形金属焊盘和矩形金属线条，电阻单元通过矩形金属线条与正方形金属焊盘连接。每一个电阻单元包括多个磁阻条22，多个磁阻条22通过金属带23依次连接。磁阻条22的两端可设置为 60°尖角形状，以更好地诱导易磁化轴沿着长轴方向取向。金属电极21和金属带23由非磁性金属材料组成，例如铜。金属电极21和金属带23使用非磁性材料可避免连接相邻磁阻条的电阻干扰整体器件性能。
图3是本申请实施例提供的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的制造方法的流程图。如图3所示，本实施例提供了上述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
S1、在长方体硅基底的三个相邻面的表面生长磁性材料，形成三个具有金属电极的薄膜磁阻单元。
薄膜磁阻单元为基于AMR各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。薄膜磁阻单元采用惠斯通电桥结构，惠斯通电桥结构包括四个电阻单元，每两个电阻单元之间通过金属电极相连。金属电极21包括正方形金属焊盘和矩形金属线条，电阻单元通过矩形金属线条与正方形金属焊盘连接。每一个电阻单元包括多个磁阻条22，多个磁阻条22通过金属带23依次连接。磁阻条22的两端可形成为 60°尖角形状，以更好地诱导易磁化轴沿着长轴方向取向。金属电极21和金属带23由非磁性金属材料组成，例如铜。金属电极21和金属带23使用非磁性材料可避免连接相邻磁阻条的电阻干扰整体器件性能。
形成薄膜磁阻单元的磁性材料可选用Fe、Co、Ni及其合金，稀土元素及其合金，或者Mn的化合物。
S2、采用硅通孔工艺在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
具体的，对薄膜磁阻单元的金属电极进行刻蚀形成硅通孔开口，分别沿三个薄膜磁阻单元的金属电极上的硅通孔开口对长方体硅基底进行深度刻蚀，直到在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔，在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
对于长方体硅基底的三个相邻面的薄膜磁阻单元，其金属电极的位置是预先设置的，即三个相邻面上金属电极的位置是固定的，每个面的金属电极在长方体硅基底的延伸线可以垂直相交，相交的交点是确定的，可以根据该交点确定离子刻蚀的时间，通过精准把控离子刻蚀时间使长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔，以实现不同面上金属电极的相互连通。
在一实施例中，长方体硅基底的三个相邻面的硅通孔刻蚀可以分步进行。在对长方体硅基底上表面的金属电极进行刻蚀形成硅通孔后，旋转长方体硅基底，对其侧面的金属电极进行刻蚀形成硅通孔，使两个侧面的硅通孔与上表面的硅通孔相交，将三个面的金属电极连通，从而将三个薄膜磁阻单元连通。
在另一实施例中，在三个薄膜磁阻单元的表面利用光刻定义出硅通孔开口的位置，采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术，在硅通孔开口的位置刻蚀形成硅通孔开口，对硅通孔开口进行深度刻蚀形成延伸至长方体硅基底内部的硅通孔，并使对应的硅通孔相互连通。在硅通孔内填充导电材料形成相互连接的硅通孔导线，通过硅通孔导线实现三个薄膜磁阻单元的电气连接。
在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，具体为：在硅通孔的内壁上依次生长绝缘介质层、金属扩散阻挡层及种子层，采用电镀或溅射工艺在硅通孔内填充导电金属材料，采用CMP（Chemical mechanical polishing，化学机械抛光）工艺对填充的硅通孔进行表面平坦化处理，去除多余的金属材料，形成硅通孔导线。硅通孔内填充的导电金属材料优选为铜或钨。
本申请在长方体硅基底的三个相邻面形成薄膜磁阻单元，通过硅通孔技术在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，通过硅通孔导线实现三个薄膜磁阻单元的电气互联，集成度高、可靠性强。由于长方体硅基底为一整块的实体结构，其相邻平面角度可做到严格的相互垂直，直接在实体硅基底表面生长磁性材料形成薄膜磁阻单元，无需使用额外的粘接材料，因此在热扰动下形变均匀，在振动或冲击条件下仍能保持优良的结构强度；在实体硅基底内部形成硅通孔导线实现薄膜磁阻单元的电气连接，而不是通过传统导线连接，因此磁传感器的灵敏度和精度更高。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，包括：长方体硅基底和三个薄膜磁阻单元；
三个薄膜磁阻单元分别形成于长方体硅基底的三个相邻面的表面；
三个薄膜磁阻单元通过长方体硅基底内部的硅通孔导线相互连接，所述硅通孔导线从长方体硅基底的三个相邻面垂直延伸到长方体硅基底内部进行连通；三个薄膜磁阻单元均设置有金属电极，所述硅通孔导线与三个薄膜磁阻单元的金属电极形成为一体。
2.根据权利要求1所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，三个薄膜磁阻单元均靠近长方体硅基底的三个相邻面的公用顶点。
3.根据权利要求1所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁阻单元为基于AMR各向异性磁电阻效应的磁敏感薄膜层。
4.根据权利要求1所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁阻单元包括惠斯通电桥结构。
5.根据权利要求4所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥结构包括四个电阻单元，每两个电阻单元之间通过金属电极相连。
6.根据权利要求5所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，每一个电阻单元包括多个磁阻条，多个磁阻条通过金属带依次连接。
7.根据权利要求6所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述磁阻条的两端设置为 60°尖角形状。
8.根据权利要求6所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述金属电极和所述金属带由非磁性金属材料组成。
9.根据权利要求1所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述硅通孔导线通过以下方式形成：
在三个薄膜磁阻单元的金属电极上刻蚀出硅通孔开口，沿硅通孔开口向长方体硅基底内部垂直打孔，在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔；
在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
10.一种三维磁传感器的制造方法，所述三维磁传感器为权利要求1至8中任一项所述的基于长方体硅基通孔的三维磁传感器，其特征在于，所述方法包括：
在长方体硅基底的三个相邻面的表面生长磁性材料，形成三个具有金属电极的薄膜磁阻单元；
采用硅通孔工艺在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
11.根据权利要求10所述的三维磁传感器的制造方法，其特征在于，所述采用硅通孔工艺在长方体硅基底内部形成与三个薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，包括：
对薄膜磁阻单元的金属电极进行刻蚀形成硅通孔开口；
分别沿三个薄膜磁阻单元的金属电极上的硅通孔开口对长方体硅基底进行深度刻蚀，直到在长方体硅基底内部形成贯穿的硅通孔；
在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线。
12.根据权利要求11所述的三维磁传感器的制造方法，其特征在于，所述在硅通孔内填充金属材料形成与薄膜磁阻单元的金属电极连接为一体的硅通孔导线，包括：
在硅通孔的内壁上依次生长绝缘介质层、金属扩散阻挡层及种子层；
采用电镀或溅射工艺在硅通孔内填充导电金属材料；
对填充的硅通孔进行表面平坦化处理，形成硅通孔导线。
13.根据权利要求12所述的三维磁传感器的制造方法，其特征在于，所述硅通孔内填充的导电金属材料为铜或钨。
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