CN104280700B - 一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法。磁场传感器电桥包括衬底、错列软磁通量集中器阵列、以及位于衬底上具有X向磁敏感方向的GMR自旋阀或者TMR磁电阻传感单元阵列，软磁通量集中器包含平行于X轴和Y轴的边以及四个角，从左上位置顺时针依次标记为A、B、C和D，磁电阻传感单元位于软磁通量集中器之间间隙处，同时对应软磁通量集中器A、C角位置以及B、D角位置的磁电阻传感单元分别定义为推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂，挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂，推臂和挽臂电连接成推挽式传感器桥。该发明功耗低，磁场灵敏度高，可以测量Y方向磁场。

Description

一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法。

背景技术

在两轴和三轴磁性罗盘芯片设计过程中，需要同时用到X轴和Y轴磁敏传感器，对于磁电阻类型的传感单元，一般具有单一的敏感磁场方向，例如为X方向磁场敏感，对于Y方向磁场敏感的获得，一般采用将X方向磁场敏感传感单元旋转90度，以此来获得Y方向磁场敏感单元，其次，为了提高X或者Y轴磁电阻传感器的磁场灵敏度，通常采用推挽式电桥，其中推臂和腕臂采用分立制造的形式，即将其中的一个相对于另一个相对旋转180度，这样推臂和腕臂具有相反的钉扎层磁化方向，而自由层磁化方向相同，如图2a为这样飞线钉扎层的磁电阻传感单元的磁化状态示意图，而后在推臂和腕臂的切片之间采用飞线的形式进行连接。

以上提出的Y轴磁电阻传感器主要存在如下问题：

1)在同一平面上同时制备X和Y轴磁电阻传感器时，由于X和Y轴磁电阻传感器都为分立元件，因此无法实现集成制造，增加了工艺的复杂性，并影响了两轴或三轴传感器的测量精度。

2)推臂和腕臂无法实现集成制造的工艺，采用分立切片飞线连接的工艺，同样增加了工艺的复杂性，影响传感器的测量精度。

发明内容

为了解决以上存在的问题，本发明提出了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法，采用通量集中器来实现对Y磁场的方向的扭曲，获得-X和X方向的磁场分量，这样所有的磁电阻传感单元具有相同的钉扎层磁化方向，推臂和挽臂通过自由层的相反方向的偏转来实现，图2a为这样类型差分自由层类型的磁电阻单元的磁化状态的示意图。

本发明所提出的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥包括：位于X-Y平面上的衬底；

一个错列排列的软磁通量集中器阵列；

所述每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，所述四个角从左上位置开始顺时针方向依次标记为A，B，C和D；位于所述衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元；

位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元；

位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元；

所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂；

所有所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂；

所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥。

优选的，所述磁电阻传感单元为GMR自旋阀或者TMR传感单元，无外磁场时，所有所述磁电阻传感单元的钉扎层磁化方向相同且平行于X轴方向，所有所述磁电阻传感单元的自由层磁化方向相同且平行于Y轴方向。

优选的，所述错列排列的软磁通量集中器阵列包括第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器均排列成平行于所述Y轴方向的列且平行于所述X轴方向的行，所述软磁通量集中器在所述Y轴方向尺度为Ly且在所述X轴方向尺度为Lx，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器各自的相邻的行之间沿所述Y轴方向的间隙为yGap，且所述第二软磁通量集中器的列相对于所述第一软磁通量集中器的列沿所述Y轴方向相对移动的距离为。

优选的，所述磁电阻传感单元阵列的行方向平行于所述X轴方向且列方向平行于所述Y轴方向，所述磁电阻传感单元阵列的列位于所述第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器相邻列的间隙中心，推磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角A和角C位置，且所述第二软磁通量集中器相对于所述第一软磁通量集中器具有正Y轴向位移，所述挽磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角B和角D位置，且所述第二软磁通量集中器相对于第一软磁通量集中器具有负Y轴向等值位移。

优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每列和每行均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成。

优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每列包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元阵列包括交替排列的推磁电阻传感单元行和挽磁电阻传感单元行，所述推磁电阻传感单元行由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元行由挽磁电阻传感单元组成。

优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每行包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻单元阵列的列为交替排列的推磁电阻传感单元列和挽磁电阻传感单元列，所述推磁电阻传感单元列由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元列由挽磁电阻传感单元组成。

优选的，所述推挽式磁场传感器电桥的偏压，地和信号输出端电连接到位于所述衬底正面的焊盘或者通过TSV连接到所述衬底背面的焊盘。

优选的，无外磁场时，所述磁电阻传感单元通过永磁偏置，双交换作用、形状各向异性中的至少一种方式来使所述磁电阻传感单元的磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。

优选的，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的数量相同。

优选的，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的自由层相对于各自的钉扎层的磁化方向的旋转角度的幅度相同且方向相反。

优选的，所述推挽式磁场传感器电桥为半桥，全桥或者准桥。

优选的，所述衬底的材料为玻璃或硅片，且所述衬底上含有ASIC芯片或所述衬底与另外的ASIC芯片相连接。

优选的，所述软磁通量集中器为包含Fe，Ni或Co元素中的一种或多种的合金软磁材料。

优选的，单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥还包括测试线圈，所述测试线圈分别位于所述磁电阻传感单元的正上方或者正下方，所述测试线圈的电流方向平行于所述Y轴方向，且测试时流经所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元分别对应的所述测试线圈的电流方向相反且大小相同。

优选的，单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥还包括重置线圈，所述重置线圈位于所述磁电阻传感器的正下方或者正上方，所述重置线圈的电流方向平行于所述X轴方向，流过所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元分别对应的所述重置线圈的电流大小相同且方向相同。

本发明还提供了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥制备方法，该方法包括如下步骤：

1)在晶圆表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述薄膜材料钉扎层的磁化方向；

2)构建底层电极，并通过使用第一相关工艺来在所述磁电阻传感单元薄膜材料上构建磁电阻传感单元的图案；

3)在所述磁电阻传感单元上方沉积第二绝缘层，并通过第二相关工艺形成与所述磁电阻传感单元进行电连接的通孔；

4)在所述通孔的上方沉积一顶层金属层，通过第一相关工艺形成顶层电极，并在各所述磁电阻传感单元之间进行布线；

5)在所述顶部金属层上方沉积第三绝缘层；6)在所述第三绝缘层上方沉积并图形化所述软磁通量集中器；

7)在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层，再在对应所述底层电极和所述顶层电极位置的上方对所述钝化层进行刻蚀、通孔，在衬底正面形成对外连接的焊盘。

优选的，在所述步骤1)之前，所述方法还包括：

01)在晶圆表面上沉积并图形化重置线圈导体，在所述重置线圈导体表面沉积第一绝缘层；

所述步骤1)为在第一绝缘层表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述磁电阻传感单元薄膜材料钉扎层的磁化方向。

优选的，所述步骤5)还包括：

在所述第三绝缘层上方沉积并图形化测试线圈导体；

所述步骤7)为：在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层，再在对应所述底部电极和所述顶部电极以及所述重置线圈和所述测试线圈电极位置的上方对所述钝化层进行刻蚀、通孔，形成对外连接的焊盘。本发明还提供了另一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)通过DRIE工艺在衬底上成型TSV深孔；

2)在所述深孔中电镀TSV Cu柱；

3)平整高出所述衬底表面的所述电镀TSV Cu柱；

4)在所述衬底上沉积磁电阻薄膜材料的堆叠层，使得所述电极位置与刻蚀窗口的所述TSV Cu柱相连，并设置所述磁电阻薄膜材料钉扎层的磁化方向；

5)构建底层电极，并通过使用第一相关工艺来在所述磁电阻薄膜材料上构建磁电阻传感单元的图案；

6)在所述磁电阻传感单元上方沉积一第二绝缘层，并通过第二相关工艺形成与所述磁电阻传感单元进行电连接的通孔；

7)在所述通孔的上方沉积一顶层金属层，通过第一相关工艺形成顶层电极，并在各所述磁电阻传感单元之间进行布线；

8)在所述顶层金属层上方沉积一第三绝缘层；

9)在所述第三绝缘层上方沉积软磁通量集中器；

10)在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层；

11)将所述衬底背面减薄，使所述TSV Cu柱漏出；

12)所述衬底背面成型TSV焊盘，并使TSV焊盘和所述TSV Cu柱连接。

优选的，在所述步骤3)和4)之间，所述方法还包括在所述衬底上沉积并图形化重置线圈导体，并使得其电极输出输入端和Cu柱相连，在所述重置线圈导体表面沉积一层第一绝缘层；

步骤4)为：

刻蚀所述第一绝缘层窗口，并在所述第一绝缘层表面在所述衬底上沉积磁电阻薄膜材料的堆叠层，使得所述电极位置与刻蚀窗口的所述TSV Cu柱相连，并设置所述磁电阻薄膜材料钉扎层的磁化方向。

优选的，所述步骤8)为在所述顶层金属层上方沉积一第三绝缘层，开第三绝缘层窗口，再在所述第三绝缘层上方沉积并图形化所述测试线圈导体，使得其输入输出电极和所述TSV Cu柱相连。

优选的，所述绝缘层的材料为氧化铝，氮化硅，氧化硅，聚酰亚胺或光刻胶。

优选的，所述钝化层的材料为类金刚石炭，氮化硅、氧化铝或金。

优选的，通过磁场中进行高温退火来设置所述磁电阻薄膜材料中的钉扎层的磁化方向。

优选的，所述第一相关工艺包括光刻、离子刻蚀，反应离子刻蚀，湿法蚀刻，剥离或者硬掩膜。

优选的，所述第二相关工艺包括光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀或者湿法刻蚀。

优选的，所述自对准接触孔通过对所述磁电阻薄膜材料进行剥离处理来形成，通过使用离子刻蚀工艺或者通过硬掩模和化学机械抛光工艺来形成。

附图说明

图1推挽式磁电阻传感器电桥结构图；

图2a、2b分别为翻转钉扎层、差分自由层推挽式磁电阻传感器磁化状态图；

图3软磁通量集中器Y向磁场分布特征及磁电阻传感单元相对位置图；

图4单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器Y向磁场测量图；

图5单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器X向磁场测量图；

图6单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一图；

图7单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构二图；

图8单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一Y向磁场测量图；

图9单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一X向磁场测量图；

图10单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一传感器位置Y向磁场分布图；

图11单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一传感器位置X向磁场分布图；

图12单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一电桥连接图；

图13单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一测试线圈排布图；

图14单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器结构一重置线圈排布图；

图15单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器各层结构图；

图16带测试和重置线圈的单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器各层结构图；

图17 TSV单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器各层结构图；

图18 TSV带测试和重置线圈的单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器各层结构；

图19单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器微制造工艺图；

图20 TSV单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器微制造工艺图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图1为推挽式磁电阻传感器的全桥结构图，包括R1，R2，R3和R4四个桥臂，其中R1和R4为推臂，R2和R3为挽臂，对于磁电阻传感器，推臂和挽臂随外磁场作用下，具有相反磁场变化特征，对于GMR自旋阀以及TMR类型的磁电阻传感单元，意味着自由层和钉扎层磁化方向的夹角分别发生增加(减小)和减小(增加)，且变化的幅度相同。

图2a、2b为GMR自旋阀或者TMR类型的推挽式磁电阻传感器中的磁化状态的两种可能情况，图2b中为翻转钉扎层的情况，其中推臂磁电阻传感单元和挽臂磁电阻传感单元中钉扎层的磁化方向相反，而自由层磁化方向相同。这样，当外磁场作用时，尽管它们的自由层磁化方向发生相同的变化，但是由于钉扎层磁化方向相反，因而，两者相对于钉扎层的夹角变化相反。图2b中的翻转钉扎层为最常见的推挽式磁电阻传感器结构，其实现方式在于将包含推臂的切片翻转180得到挽臂的切片，而后将两者通过飞线连接，共同封装在同一芯片内。图2a中为本发明提出的差分自由层的情况，其中推臂磁电阻传感单元和挽臂磁电阻传感单元中钉扎层的磁化方向相同，但是在同一外磁场作用下，利用磁路的作用，使得作用推臂和挽臂自由层的磁场方向相反，这样在同一外磁场作用下，从而使得自由层磁化方向和钉扎层磁化方向之间的夹角同样发生反向变化，由于推臂磁电阻传感单元以及挽臂磁电阻传感单元的钉扎层和自由层的磁化状态相同，因此可以集成制造在同一切片上。

实施例二

图3为本发明提出的利用软磁通量集中器将同一Y向测量外磁场H转变成具有相反两个X分量磁场的磁场分布以及对应的推磁电阻传感单元以及挽磁电阻传感单元的位置图。其中软磁通量集中器1具有平行于X和Y轴的边，且具有四个角，从左上开始沿顺时针方向依次标记为A，B，C和D，Y向外磁场H经过通量集中器1之后，磁场在通量集中器1附近产生扭曲，除了Y磁场分量之外，还出现了X磁场分量，其中在角位置D和角位置B附近的磁场具有正X磁场分量，位于角位置A和角位置C附近的磁场具有负X磁场分量，因此位于角A和角C位置附近的磁电阻传感单元31和33定义为推磁电阻传感单元，位于角B和角D位置附近的磁电阻传感单元32和34定义为挽磁电阻传感单元，31，32，33和34四个磁电阻传感单元的钉扎层方向为X方向，自由层磁化方向为Y方向。本申请实施例公开了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，包括：

位于X-Y平面上的衬底；一个错列排列的软磁通量集中器阵列，其每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，四个角依次标记为A，B，C和D；位于衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元；位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元；位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂，所有挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂；所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥。

上述一个错列排列的软磁通量集中器阵列由两个软磁通量集中器阵列构成，两个软磁通量集中器阵列的软磁通量集中器错位排列，使得两个软磁通量集中器阵列的软磁通量集中器之间可以形成一个磁通回路。以下提供了几种具体结构。

实施例三

图4和图5为本发明所提出的单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器的结构图及其对X和Y方向外磁场的测量原理图，包括位于X-Y平面上的衬底，由11即第一和12即第二两个软磁通量集中器阵列相互错列构成的软磁通量集中器阵列，以及由推磁电阻传感单元单元和挽磁电阻传感单元组成的磁电阻传感器阵列35。所述软磁量集中器阵列行方向平行于X轴，列方向平行于Y轴，其Y方向间隙为ygap，X方向间隙为xgap和rgap，即沿X正方向，第一软磁通量集中器的第一列和相邻的第二软磁通量集中器第一列的X方向间隙为xgap，而第二软磁通量集中器的第一列和第一软磁通量集中器的第二列的X方向间隙为rgap，在本实施例中，xgap和rgap具有相同的数值，软磁通量集中器Y方向尺度为Ly，X方向尺度为Lx，其中11和12 软磁通量集中器列之间沿Y方向相对移动正或负(Ly+ygap)/2距离，磁电阻传感器阵列35位于11和12软磁通量集中器的间隙处，其行方向平行于X方向，列方向平行于Y方向，其中推磁电阻传感单元同时位于角A和角C附近，挽磁电阻传感单元同时位于角B和角D附近，所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂，所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂，所述推臂和挽臂之间电连接成推挽式磁电阻传感器电桥。在上述结构中，第一列第一行的软磁量集中器的B、C与第二列第一、第二行的软磁量集中器的D、A形成一个连续的磁通路径。

图4还同时给出了在Y方向磁场作用下，所述磁电阻传感器位置处的敏感方向磁场分量的方向，根据图2a，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元自由层的方向相对于它们的钉扎层的方向具有相反的磁场方向，表明可以对Y方向磁场进行有效测量。

图5为在X方向磁场作用下，所述磁电阻传感器位置处的敏感磁场方向磁场分量的方向，根据图2a，可以看出，推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元自由层的方向相对于它们的钉扎层的方向具有相同的磁场方向，此时推臂和挽臂具有相同的电阻变化，因此推挽式磁电阻传感器电桥输出为0。因此，图4和图5表明，所述单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器的磁场敏感方向为Y方向，为一种Y轴磁场传感器。

实施例四

图6为单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器的结构一图，其实际上是图4和图5中的一种特例，其特征在于，所述磁电阻传感器Y方向每列均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成，而X方向每行则完全由推磁电阻传感单元或者挽磁电阻传感单元组成，且推磁电阻行35和挽磁电阻行36交替排列，此时xgap和rgap可以不相同，在本实施例中，xgap小于rgap，以保证磁场尽可能的集中到磁电阻传感单元所在的xgap处。

实施例五

图7为单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器的结构二图，其实际也是图4和图5中的另一种特例，其特征在于，所述磁电阻传感器X方向每行均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成，而Y方向每列则完全由推磁电阻传感单元或者挽磁电阻传感单元组成，且推磁电阻传感单元列37和挽磁电阻传感单元列38交替排列，此时xgap等于rgap，以确保磁电阻传感器行具有相同的磁场强度。

实施例六

图8和图10为所述单芯片差分自由层推挽式磁场传感器对Y磁场测试时，所述磁电阻传感器阵列各列No.1～No.5沿Y方向的X向磁场分量分布图，图中n1～n8分别对应每行中的8个磁电阻传感单元，包括4个推磁电阻传感单元和4个挽磁电阻传感单元，从图10可以看出，所述的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元所在位置具有相反的X向磁场方向，此外，幅值也相差不多，从而构成推挽式电桥。图9和图11为所述单芯片差分自由层推挽式磁场传感器对X磁场测试时，所述磁电阻传感器阵列各行No.1～No.5沿Y方向的X向磁场分量分布图，从图11中可以看出，对应每行中的m1～m8磁电阻传感单元，具有相同的X向磁场方向，表明，该结构电桥不会对X向磁场产生响应。

实施例七

图12为对应于结构一的单芯片差分自由层推挽式磁电阻传感器的电连接图，可以看出，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元电连接成推臂和挽臂，推臂和挽臂通过导体金属41电连接成一个全桥结构的推挽式磁电阻传感器电桥，并分别连接到偏压电极8，地电极7，输出输入电极5和6，所述推挽式电桥除了全桥之外，还可以为半桥或者准桥类型。

实施例八

图13为所述单芯片差分自由层推挽式磁场传感器包含测试线圈情况下，测试线圈在芯片上的分布图，其中测试线圈包括91和92两段，并且分别位于推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元之上，且电流流过的方向为Y方向，且方向相反，测试线圈采用曲折几何形状，以保证流过推磁电阻传感单元上方的测试线圈段平行，流过挽磁电阻传感单元上方的测试线圈段也相互平行，当测试线圈中通过电流时，由于91和92段电流大小相同，方向相反，91段在推磁电阻传感单元处产生X向磁场H1，92段在挽磁电阻传感单元处产生-X向磁场-H1，且大小相同，且磁场大小正比于所流过的电流I，这样，采用流经测试线圈的电流I即可以仿真外磁场沿Y方向的情况下，外磁场通过软磁通量集中器在推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元处所产生的磁场，这样，可以通过测试线圈对单芯片差分自由层推挽式磁场传感器进行校准，即通过一定的电流，在此情况下，直接测量芯片输出端信号的变化，如果输出电压在一定范围内，则该芯片为正常可用芯片，如果不在范围内，则该芯片为不合格芯片。

实施例九

图14为所述单芯片差分自由层推挽式磁场传感器包含重置(Reset)线圈93情况下，重置线圈93在芯片上的分布图，可以看出，重置线圈93为曲折形状，包含分别通过推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成的列上方的直线段，且直线段平行于X方向，且电流方向一致。重置线圈93的目的在于，当单芯片差分自由层推挽式磁场传感器放置于强磁场中时，由于自由层中包含的磁畴在磁化过程中发生的不可逆的畴壁的移动过程，导致自由层在外磁场作用下出现大的磁滞，偏离了原来的标准的测试曲线，在这种情况下，重置线圈93产生的电流磁场方向在推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元处所产生的磁场为Y方向，此时，由于钉扎层磁化方向为X方向，自由层磁化方向为Y方向，通过调整重置线圈中的电流的周期性变化，产生的Y磁场的周期性变化，将自由层的磁化方向和磁化状态调整调整到合理的状态，从而使得单芯片差分自由层推挽式磁场传感器恢复正常工作。

实施例十

图15和图16分别为单芯片差分自由层推挽式磁场传感器不包含和包含测试线圈和重置线圈情况下的芯片截面图，图15中从下到上依次为衬底4，位于衬底4之上的磁电阻传感器3，包括种子层及底层导电电极310，多层薄膜材料堆迭层311，以及填埋多层薄膜材料堆迭层311的绝缘层600，顶层导电电极312；此外，位于顶层导电电极312和软磁通量集中器1之间的绝缘层410；此外，还有位于顶层电极312之上软磁通量集中器1之上的钝化层500，以及位于顶层电极层410之上的焊盘700。

图16中不同之处在于，重置线圈93位于衬底4之上，且重置线圈93和底层电极310之间采用911绝缘层进行隔离，此外，测试线圈包括位于磁电阻传感单元3之上的91和92，分别具有相反的电流方向。

以上为采用芯片正面焊盘的形式，实际还还包括采用TSV(Through SiliconVias，通过硅片通道)背面焊盘的情况，如图17和图18所示，不同之处在于，包括一个位于衬底4背面的TSV铜柱800以及焊盘900。

实施例十一

图19为对应于焊盘位于芯片正面的单芯片差分自由层推挽式磁场传感器的制造工艺图：包括如下步骤

1)空白平滑晶圆4；

2)在晶圆表面沉积并构建重置线圈导体93；

3)在重置线圈导体表面沉积第一绝缘层911；

4)在第一绝缘层表面沉积种子层及底层电极310磁电阻多层薄膜材料堆迭层311；

5)磁退火以获得磁电阻多层薄膜材料钉扎层的磁化方向；

6)采用相关工艺构建底层电极310以及磁电阻传感单元311的图案；

7)在磁电阻传感单元上方沉积第二绝缘层600，并采用特定工艺对第二绝缘层600进行通孔，以漏出对应顶层电极的磁电阻多层薄膜材料堆叠层；

8)构建顶层电极312并布线；

9)在顶层电极上方沉积第三绝缘层410；

10)在第三绝缘层上方沉积并构建测试线圈导体91和92；

11)在第三绝缘层上方沉积并构建软磁通量集中器1；

12)在软磁通量集中器上方沉积钝化层500；

13)采用特定的加工工艺清除掉用于形成焊盘区域的钝化层，并形成焊盘700。

对于采用TSV工艺焊盘位于衬底背面时，则采用如图20所示加工步骤：

1)通过DRIE工艺在衬底4上成型TSV深孔；

2)在TSV深孔中电镀TSV Cu柱800；

3)平整高出所述衬底表面的所述电镀TSV Cu柱800；

4)沉积并图形化重置线圈导体93，并使得其电极输出输入端和TSV Cu柱800相连(可选)；

5)在所述重置线圈导体93表面沉积一层第一绝缘层911(可选)；

6)刻蚀所述第一绝缘层911窗口，并在所述第一绝缘层911表面沉积磁电阻薄膜材料311的堆叠层，使得底层电极310位置与刻蚀窗口的Cu柱800相连，并设置磁电阻薄膜材料311钉扎层的磁化方向；

7)构建底层电极310，并通过使用相关工艺来在磁电阻薄膜材料311上构建磁电阻传感单元的图案；

8)在磁电阻传感单元上方沉积一第二绝缘层600，并通过相关工艺形成与磁电阻传感单元311进行电连接的通孔；

9)在通孔的上方沉积一顶层金属层312，通过相关工艺形成顶层电极，并在各磁电阻传感单元之间进行布线；

10)在所述顶层金属层312上方沉积一第三绝缘层410，开绝缘层窗口，再在第三绝缘层上方沉积并图形化测试线圈导体91和92，使得其输入输出电极和Cu柱800相连(可选)；

11)在第三绝缘层410上方沉积软磁通量集中器1；

12)在软磁通量集中器1上方沉积钝化层500；

13)衬底4背面减薄，所述Cu柱800漏出；

14)成型TSV焊盘900，并使TSV焊盘和TSV Cu柱800连接；

所述沉积绝缘层的绝缘材料可为氧化铝，氮化硅，氧化硅，聚酰亚胺和光刻胶。

所述形成钝化层的材料为DLC，氮化硅、氧化铝以及金。

通过磁场中进行高温退火来设置所述磁电阻薄膜材料中的钉扎层的磁化方向；

步骤中的所述相关工艺包括光刻、离子刻蚀，反应离子刻蚀，湿法蚀刻，剥离或者硬掩膜；

步骤中的所述通孔为自对准接触孔，所述自对准接触孔通过对所述磁电阻薄膜材料进行剥离处理来形成，通过使用离子刻蚀工艺或者通过硬掩模和化学机械抛光工艺来形成。

Claims (26)

1.一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，包括：

位于X-Y平面上的衬底；

一个错列排列的软磁通量集中器阵列，其每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，所述四个角从左上位置开始顺时针方向依次标记为A，B，C和D；

位于所述衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元；

位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元；

位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元；

所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂；

所有所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂；

所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥;

所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥还包括测试线圈和重置线圈;

所述测试线圈分别位于所述磁电阻传感单元的正上方或者正下方，所述测试线圈的电流方向平行于所述Y轴方向，且测试时流经所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元分别对应的所述测试线圈的电流方向相反且大小相同;

所述重置线圈位于所述磁电阻传感器的正下方或者正上方，所述重置线圈的电流方向平行于所述X轴方向，流过所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元分别对应的所述重置线圈的电流大小相同且方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元为GMR自旋阀或者TMR传感单元，无外磁场时，所有所述磁电阻传感单元的钉扎层磁化方向相同且平行于X轴方向，所有所述磁电阻传感单元的自由层磁化方向平行于Y轴方向。

3.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述错列排列的软磁通量集中器阵列包括第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器均排列成平行于所述Y轴方向的列且平行于所述X轴方向的行，所述软磁通量集中器在所述Y轴方向尺度为Ly且在所述X轴方向尺度为Lx，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器各自的相邻的行之间沿所述Y轴方向的间隙为yGap，且所述第二软磁通量集中器的列相对于所述第一软磁通量集中器的列沿所述Y轴方向相对移动的距离为±(Ly+yGap)/2。

4.根据权利要求3所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的行方向平行于所述X轴方向且列方向平行于所述Y轴方向，所述磁电阻传感单元阵列的列位于所述第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器相邻列的间隙中心，推磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角A和角C位置，且所述第二软磁通量集中器相对于所述第一软磁通量集中器具有正Y轴向位移，所述挽磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角B和角D位置，且所述第二软磁通量集中器相对于第一软磁通量集中器具有负Y轴向等值位移。

5.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每列和每行均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成。

6.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每列包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元阵列包括交替排列的推磁电阻传感单元行和挽磁电阻传感单元行， 所述推磁电阻传感单元行由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元行由挽磁电阻传感单元组成。

7.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每行包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻单元阵列的列为交替排列的推磁电阻传感单元列和挽磁电阻传感单元列， 所述推磁电阻传感单元列由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元列由挽磁电阻传感单元组成。

8.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推挽式磁场传感器电桥的偏压，地和信号输出端电连接到位于所述衬底正面的焊盘或者通过TSV连接到所述衬底背面的焊盘。

9.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，无外磁场时，所述磁电阻传感单元通过永磁偏置，双交换作用、形状各向异性中的至少一种方式来使所述磁电阻传感单元的磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。

10.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的数量相同。

11.根据权利要求1或2所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的自由层相对于各自的钉扎层的磁化方向的旋转角度的幅度相同且方向相反。

12.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推挽式磁场传感器电桥为半桥，全桥或者准桥。

13.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃或硅片，且所述衬底上含有ASIC芯片或所述衬底与另外的ASIC芯片相连接。

14.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述软磁通量集中器为包含Fe，Ni或Co元素中的一种或多种的合金软磁材料。

15.一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）在晶圆表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述薄膜材料钉扎层的磁化方向；

2）构建底层电极，并通过使用第一相关工艺来在所述磁电阻传感单元薄膜材料上构建磁电阻传感单元的图案；

3）在所述磁电阻传感单元上方沉积第二绝缘层，并通过第二相关工艺形成与所述磁电阻传感单元进行电连接的通孔；

4）在所述通孔的上方沉积一顶层金属层，通过第一相关工艺形成顶层电极，并在各所述磁电阻传感单元之间进行布线；

5）在所述顶层金属层上方沉积第三绝缘层；

6）在所述第三绝缘层上方沉积并图形化软磁通量集中器；所述软磁通量集中器呈错列排列的阵列，每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边；

7）在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层，再在对应所述底层电极和所述顶层电极位置的上方对所述钝化层进行刻蚀、通孔，在衬底正面形成对外连接的焊盘。

16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）之前，所述方法还包括：

在晶圆表面上沉积并图形化重置线圈导体，在所述重置线圈导体表面沉积第一绝缘层；

所述步骤1）为在第一绝缘层表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述磁电阻传感单元薄膜材料钉扎层的磁化方向。

17.如权利要求15或16所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5）还包括：

在所述第三绝缘层上方沉积并图形化测试线圈导体；

所述步骤7）为：在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层，再在对应所述底层电极和所述顶层电极以及所述重置线圈和所述测试线圈电极位置的上方对所述钝化层进行刻蚀、通孔，形成对外连接的焊盘。

18.一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）通过DRIE工艺在衬底上成型TSV深孔；

2）在所述深孔中电镀TSV Cu柱；

3）平整高出所述衬底表面的所述TSV Cu柱；

4）在所述衬底上沉积磁电阻薄膜材料的堆叠层，使得电极位置与刻蚀窗口的所述TSVCu柱相连，并设置所述磁电阻薄膜材料钉扎层的磁化方向；

5）构建底层电极，并通过使用第一相关工艺来在所述磁电阻薄膜材料上构建磁电阻传感单元的图案；

6）在所述磁电阻传感单元上方沉积一第二绝缘层，并通过第二相关工艺形成与所述磁电阻传感单元进行电连接的通孔；

7）在所述通孔的上方沉积一顶层金属层，通过第一相关工艺形成顶层电极，并在各所述磁电阻传感单元之间进行布线；

8）在所述顶层金属层上方沉积一第三绝缘层；

9）在所述第三绝缘层上方沉积软磁通量集中器；所述软磁通量集中器呈错列排列的阵列，每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边；

10）在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层；

11）将所述衬底背面减薄，使所述TSV Cu柱漏出；

12）所述衬底背面成型TSV焊盘，并使TSV焊盘和所述TSV Cu柱连接。

19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，在步骤3）和4）之间，所述方法还包括：在所述衬底上沉积并图形化重置线圈导体，并使得其电极输出输入端和Cu柱相连，在所述重置线圈导体表面沉积一层第一绝缘层；

步骤4）为：

刻蚀所述第一绝缘层窗口，并在所述第一绝缘层表面在所述衬底上沉积磁电阻薄膜材料的堆叠层，使得所述电极位置与刻蚀窗口的所述TSV Cu柱相连，并设置所述磁电阻薄膜材料钉扎层的磁化方向。

20.根据权利要求18或19所述的制备方法，其特征在于，所述步骤8）为在所述顶层金属层上方沉积一第三绝缘层，开第三绝缘层窗口，再在所述第三绝缘层上方沉积并图形化测试线圈导体，使得其输入输出电极和所述TSV Cu柱相连。

21.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化铝，氮化硅，氧化硅，聚酰亚胺或光刻胶。

22.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层的材料为类金刚石炭，氮化硅、氧化铝或金。

23.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，通过磁场中进行高温退火来设置所述磁电阻薄膜材料中的钉扎层的磁化方向。

24.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，所述第一相关工艺包括光刻、离子刻蚀，反应离子刻蚀，湿法蚀刻，剥离或者硬掩膜。

25.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，所述第二相关工艺包括光刻、离子刻蚀、反应离子刻蚀或者湿法刻蚀。

26.根据权利要求15或18所述的制备方法，其特征在于，所述通孔为自对准接触孔，所述自对准接触孔通过对所述磁电阻薄膜材料进行剥离处理来形成，通过使用离子刻蚀工艺或者通过硬掩模和化学机械抛光工艺来形成。