CN101976723B

CN101976723B - 隔离电流器件制造方法

Info

Publication number: CN101976723B
Application number: CN2010102514463A
Authority: CN
Inventors: 钱正洪
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Yichang Dongfang Micro Magnetic Technology Co Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101976723A

Abstract

本发明公开了一种隔离电流器件制造方法。现有的隔离电流器件体积偏大、传感灵敏度低。本发明方法先制造磁敏电桥结构，再制备一层绝缘层作为器件的电隔离层。电桥结构的电源端和电压信号输出端与焊盘之间通过用电镀工艺制备的铜柱及其之上的金属连接线连接。信号输入线圈具有双层结构，双层金属线圈通过两次金属沉积刻蚀工艺实现。线圈制备完成后沉积一层无机绝缘材料，采用绝缘聚合物为模板，电镀一层软磁屏蔽层用于屏蔽外磁场的干扰，电镀屏蔽层后沉积一层绝缘保护层及光刻形成焊盘即可完成器件的制造。利用本发明方法得到的隔离电流器件体积小、检测灵敏度好、性能稳定。

Description

隔离电流器件制造方法

技术领域

本发明属于信号隔离器件制造技术领域，涉及一种隔离电流器件制造方法。

背景技术

电流传感器用于探测或隔离直流、交流电流，广泛应用于工业仪表、工业过程控制和PCB电流检查等。目前广泛采用的电流测试器件或装置主要有电流互感器、霍尔电流传感器等。电流互感器通过主回路隔离进行检测，但它的测试频率范围窄。霍尔电流传感器利用霍尔元件测量被测电流在铁芯气隙里的感应强度来判断被测电流大小的。霍尔元件的体积大，能耗较高，温度特性较差。上个世纪八十年代末期，科学界发现了巨磁阻(Giant Magneto-Resistive，GMR)效应，即磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。铁磁材料磁矩的方向是由加到铁磁材料的外磁场控制的，磁阻的变化正比于外磁场，从而可以实现将磁场变量转换成电量，因此，根据巨磁阻效应可以设计一种新型巨磁阻集成电流传感器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种隔离电流器件制造方法。

步骤(1)在生长有SiO₂绝缘层的Si衬底上采用磁控溅射方法沉积多层膜；所述的多层膜为巨磁电阻(GMR)多层膜或隧穿磁敏电阻(MTJ)多层膜；

步骤(2)刻蚀多层膜并形成磁敏电阻单元；

步骤(3)沉积绝缘层并在磁敏电阻单元两端的正上方开口；

步骤(4)沉积金属层并刻蚀形成磁敏电阻单元之间的连接线、电源输入线和信号输出线；所述的磁敏电阻单元通过连接线、电源输入线和信号输出线构成惠斯通电桥；

步骤(5)采用光刻胶作为电镀模板，用电镀方法制备铜连接柱，通过铜连接柱将电源输入线和信号输出线引出，然后通过去胶工艺去除光刻胶；

步骤(6)制备绝缘隔离层，该绝缘隔离层为无机绝缘材料层或有机绝缘聚合物层；

所述的无机绝缘材料为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂；

所述的有机绝缘聚合物为BCB或聚酰亚胺；

步骤(7)沉积金属层并刻蚀形成第一层信号输入线圈；

步骤(8)沉积绝缘层，并开口；

步骤(9)沉积金属层并刻蚀形成第二层信号输入线圈；

步骤(10)沉积绝缘层，并开口；

步骤(11)采用光刻胶作为电镀模板，电镀软磁屏蔽层并通过去胶工艺去除光刻胶；所述的软磁屏蔽层材料选用NiFe。

步骤(12)沉积保护层并刻蚀形成焊接盘(Pad)。

步骤(6)中选用不同类型的材料作为绝缘隔离层，则采用不同的工艺流程。当采用有机绝缘聚合物作为隔离层，则电镀Cu去胶得到Cu连接柱后，先通过旋涂的方法得到聚合物绝缘层，再沉积一层厚度为200-

无机绝缘材料，如Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂，并通过光刻、刻蚀得到铜柱的连接孔后再制作信号输入线圈层。当采用无机绝缘材料作为隔离层，则是通过溅射的方式沉积无机绝缘隔离层如Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂，然后通过化学机械抛光(CMP)的方法将表面平坦化处理并使Cu连接柱暴露出来后就可沉积金属层进行信号输入线圈层的制作。

本发明方法相对于现有技术具有以下特点：

1)本发明的隔离电流器件由位于硅片衬底上的磁敏电桥结构、信号输入线圈、信号输入线圈和磁敏电桥结构之间的绝缘隔离层构成。当被测电流通过信号输入线圈时，电流产生的磁场可被磁敏电桥结构检测并将磁信号转换为电信号输出；

2)磁敏电桥结构由线性巨磁(GMR)电阻单元或者磁性隧道结(MTJ)电阻单元构成，四个磁敏电阻单元构成惠斯通电桥，当有电流流过信号输入线圈时会在其周围产生磁场，基于巨磁阻效应，微小磁场变化可导致磁性材料电阻率的明显变化，惠斯通磁敏电桥能够灵敏准确地感应这个磁场，并将磁信号精确地转换成电信号，进而可将被测电流的大小输出，进行检测；

3)信号输入线圈采用双层金属线圈结构，由下上两层平面金属线圈串联形成。双层线圈结构可使输入信号电流焊接盘(Pad)安排在线圈之外，从而有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸。相比于单层线圈，单位电流通过双层线圈时能够产生更强的磁场信号。

4)信号输入线圈与磁敏传感器电路在电气上是完全隔离的。信号输入线圈与磁敏电桥结构之间的隔离层可以采用绝缘聚合物如BCB、聚酰亚胺等，也可以采用无机绝缘材料Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂等。

5)磁敏传感器电路与输出焊盘之间的Cu连接柱采用电镀工艺制备得到。

6)Cu连接柱形成后，再沉淀无机绝缘层材料或旋涂聚合物绝缘材料形成隔离层。根据隔离电压的大小及隔离材料的不同隔离层的厚度可以在5μm到30μm之间。

7)如采用无机绝缘材料作为隔离层，在沉积无机隔离层后，需通过化学机械抛光的方法使表面平坦化并将Cu连接柱暴露出来，以便于后续工艺中信号线的连接。

8)双层金属信号输入线圈通过两次金属沉积、刻蚀工艺实现。首先在隔离层上沉积金属如Au、Al、Cu并刻蚀后形成第一层线圈，然后旋涂绝缘聚合物或沉积无机材料如Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄后，再通过光刻和刻蚀形成连接第一层金属线圈及信号输出线的连接孔后，然后再沉积一层金属并刻蚀形成第二层线圈。

9)该器件的另外一个重要特征是通过在双层线圈上面加一层软磁屏蔽层，如NiFe层，可屏蔽外磁场的干扰，同时也可以提高线圈的激磁场的效率、降低器件的能耗。

附图说明

图1为电桥传感单元与信号输入线之间的相对位置示意图；

图2为惠斯通电桥示意图；

图3为隔离电流传感器制造工艺示意图；

图4为双层线圈模型图；

图5为双层线圈模型剖面示意图；

图6为隔离电流传感器件工艺剖面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

本发明的电流传感器件工作原理如图1所示，当被测电流通过集成电流导线时，电流产生的磁场可被磁敏电桥结构检测并将磁信号转换为电信号输出。器件的磁敏单元采用GMR磁敏单元，电桥采用具有惠斯通结构的电桥如图2所示。因此，当有电流流过集成电流导线时会在其周围产生磁场，基于巨磁阻效应，微小磁场变化可导致磁性材料电阻率的明显变化，GMR惠斯通电桥能够灵敏准确地感应这个的磁场，可将磁信号精确地转换成电信号，进而可将被测电流的大小输出，进行检测。

本发明的具体制造方法可参见图3所示，以下将选用两个具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1，参见图6

步骤(1)在生长有300nm厚度第一SiO₂绝缘层7的Si衬底8上采用磁控溅射方法沉积GMR多层膜；

步骤(2)直接采用离子刻蚀方法刻蚀GMR多层膜并形成磁敏电阻单元；

步骤(3)沉积第二SiO₂绝缘层6并在GMR磁敏电阻单元两端的正上方开口；

步骤(4)沉积金属层并刻蚀形成磁敏电阻单元之间的连接线、电源输入线和信号输出线，磁敏电阻单元通过连接线、电源输入线和信号输出线，构成惠斯通电桥；

步骤(5)采用光刻胶作为电镀模板，用电镀方法制备铜连接柱，通过铜连接柱将电源输入线和信号输出线引出，然后通过去胶工艺去除光刻胶。具体方法如下：先沉积金属电镀种子层，然后匀胶、曝光、显影后形成电镀模板，进行Cu电镀工艺。当电镀Cu柱达到所需的厚度后，将光刻胶模板通过去胶工艺去除，再通过离子刻蚀方法将电镀种子层刻蚀去除就得到Cu连接柱，用于引出磁敏电阻电桥的电源端及信号输出端；

步骤(6)制备无机Si₃N₄绝缘隔离层5，隔离层厚度为5μm，然后采用化学机械抛光的方法使表面平整化并将Cu连接柱暴露出来；

步骤(7)沉积金属Cu层并刻蚀形成第一层信号输入线圈，如图4和图5所示，第一层信号输入线圈由8道线圈组成，线圈的进线和回线布线间的间距均为30μm，布线线宽为2μm，布线之间的间距为1.5μm；

步骤(8)沉积厚度约1μm的第一Al₂O₃绝缘层4，并开口；

步骤(9)沉积金属Cu层并刻蚀形成第二层信号输入线圈(第二层信号输入线圈的结构同第一层信号输入线圈)，第二层信号输入线圈位于第一层信号输入线圈的正上方；第二层信号输入线圈同样由8道线圈组成，线圈的进线和回线布线间的间距均为30μm，布线线宽为2μm，布线之间的间距为1.5μm；

步骤(10)沉积第二Al₂O₃绝缘层3，并开口；

步骤(11)沉积一层NiFe电镀种子层，先通过旋涂一层光刻胶并曝光显影后作为模板电镀NiFe层，电镀完成后，通过去胶工艺去除光刻胶并用离子刻蚀的方法将电镀种子层刻蚀去除后得到NiFe软磁屏蔽层。

步骤(12)沉积Al₂O₃保护层2并刻蚀形成焊接盘1。

实施例2

步骤(1)在生长有500nm厚的SiO₂绝缘层的Si衬底上采用磁控溅射方法沉积GMR多层膜；

步骤(2)采用硬模离子刻蚀方法：即首先在GMR薄膜上沉积一层Si ₃N₄，然后通过反应离子束刻蚀方法将Si₃N₄离子刻蚀GMR电阻单元的模板，然后通过离子刻蚀的方法，将GMR多层膜刻蚀并形成磁敏电阻单元；

步骤(3)沉积SiO₂绝缘层并在并通过光刻、刻蚀在该层绝缘层上形成GMR电桥的电源及信号输出的通孔；

步骤(5)采用光刻胶作为电镀模板，用电镀方法制备铜连接柱，通过铜连接柱将电源输入线和信号输出线引出，然后通过去胶工艺去除光刻胶。具体方法如下：先沉积金属电镀种子层，然后匀胶、曝光、显影后形成电镀模板，进行Cu电镀工艺。当电镀Cu柱达到所需的厚度后，将光刻胶模板通过去胶工艺去除，再通过离子刻蚀方法将电镀种子层刻蚀去除就得到连接Cu连接柱；步骤(6)沉积一层

厚的SiO₂绝缘过渡层；

步骤(7)利用旋涂方法制备有机聚酰亚胺绝缘隔离层，隔离层厚度为30μm；

步骤(8)沉积金属Au层并刻蚀形成第一层信号输入线圈，第一层信号输入线圈由10道线圈组成，线圈的进线和回线布线间的间距均为15μm，布线线宽为1.5μm，布线之间的间距为1.0μm；；

步骤(9)沉积约1.2μm SiO₂绝缘层，并开口；

步骤(10)沉积金属Au层并刻蚀形成第二层信号输入线圈；

步骤(11)沉积SiO₂绝缘层，并开口；

步骤(12)沉积一层NiFe电镀种子层，先通过旋涂一层光刻胶并曝光显影后作为模板电镀NiFe层，电镀完成后，通过去胶工艺去除光刻胶并用离子刻蚀的方法将电镀种子层刻蚀去除后得到NiFe软磁屏蔽层。

步骤(13)沉积SiO₂保护层并刻蚀形成Pad。

最终制备的隔离电流传感器件的工艺剖面图如图6所示。

本发明自下而上分别由沉积在半导体硅衬底层上的GMR/MTJ磁敏单元、绝缘隔离层、双层信号输入线圈层、NiFe软磁屏蔽层及其中的互联金属层构成，制造工艺为微加工工艺。

绝缘隔离层选用高介电强度、低介电常数的材料，工艺过程中常用材料的电隔离特性如表1所示。根据隔离电压的大小及隔离材料的不同，隔离层的厚度可以在5μm到30μm之间。

表1 不同绝缘材料的介电性能

材料类型	介电强度(Volts/um)	典型介电常数(1MHz)
			Al₂O₃	670	9.9
Si₃N₄	300-850	7.1
			SiO₂	700-800	3.9
BCB	530	2.65
			PI	500	2.5

Claims

1.隔离电流器件制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)在生长有SiO₂绝缘层的硅衬底上采用磁控溅射方法沉积多层膜；所述的多层膜为巨磁电阻多层膜或隧穿磁敏电阻多层膜；

步骤(2)刻蚀多层膜并形成磁敏电阻单元；

步骤(3)沉积绝缘层并在磁敏电阻单元两端的正上方开口；

步骤(6)制备绝缘隔离层，所述的绝缘隔离层为无机绝缘材料层或有机绝缘聚合物层；所述的无机绝缘材料为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂；所述的有机绝缘聚合物为BCB或聚酰亚胺；

步骤(7)沉积金属层并刻蚀形成第一层信号输入线圈；

步骤(8)沉积绝缘层，并开口；

步骤(9)沉积金属层并刻蚀形成第二层信号输入线圈，所述的第二层信号输入线圈与步骤(7)中的第一层信号输入线圈构成双层信号输入线圈；

步骤(10)沉积绝缘层，并开口；

步骤(11)采用光刻胶作为电镀模板，电镀软磁屏蔽层并通过去胶工艺去除光刻胶；所述的软磁屏蔽层材料选用NiFe；

步骤(12)沉积保护层并刻蚀形成焊接盘。

2.根据权利要求1所述的隔离电流器件制造方法，其特征在于：所述的制备绝缘隔离层包括两类：

当采用有机绝缘聚合物作为绝缘隔离层时，其制备方法为：先通过旋涂的方法得到聚合物绝缘层，然后沉积厚度为200～

的无机绝缘材料层，最后通过光刻、刻蚀得到铜连接柱的连接孔；

当采用无机绝缘材料作为绝缘隔离层时，其制备方法为：先通过溅射的方法沉积无机绝缘隔离层，然后通过化学机械抛光法将表面平坦化处理并使铜连接柱暴露出来。