CN107369696B - 传感器模块及制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据实施例提供一种磁阻性传感器模块。所述传感器模块可包括：集成电路；磁阻性传感器元件，其布置成单片集成在所述集成电路上的桥电路；以及应力缓冲层，其布置在所述集成电路与所述磁阻性传感器元件之间。还提供一种制造所述磁阻性传感器模块的方法。
Description
技术领域
本公开涉及磁阻性传感器模块，并且涉及制造磁阻性传感器模块的方法。具体而言，本公开涉及单片集成在集成电路上的磁阻性传感器模块，并且涉及制造这些磁阻性传感器模块的方法。
背景技术
磁阻性传感器在汽车行业中用于诸如停车传感器、角度传感器(例如在节流阀中)、ABS(防抱死制动系统)传感器和胎压传感器之类的应用中。磁阻性传感器不同于(例如)光学传感器，对于诸如灰尘和湿气之类的环境条件非常不敏感。此外，磁阻性传感器可以与集成电路(IC)集成以构成传感器模块。然而，由于这些传感器具有安全关键的性质，所以它们应当在例如汽车应用中遇到的多种多样的工作温度下提供精确的测量。
发明内容
根据实施例，提供一种磁阻性传感器模块，其包括：集成电路；磁阻性传感器元件，其布置成单片集成在集成电路上的桥电路；以及应力缓冲层，其布置在集成电路与磁阻性传感器元件之间。
磁阻性传感器模块可以进一步包括布置在集成电路的上部主表面上的电介质层，并且其中应力缓冲层布置在电介质层上。
集成电路可包括用于使磁阻性传感器与集成电路电接触的接触元件。
应力缓冲层可以作为分立的层仅仅布置在磁阻性传感器元件下面。
应力缓冲层的热膨胀系数可以介于电介质层的热膨胀系数与磁阻性传感器元件的热膨胀系数之间，并且应力缓冲层布置成吸收在磁阻性传感器元件中诱发的温度相依性应力。应力缓冲层的热膨胀系数在0.5x10-6 1/℃到23x 10-6 1/℃的范围内。
电介质层可以是氧化物层，接触元件和磁阻性传感器元件可以是金属层。
应力缓冲层的薄片电阻率可以大于100Ohm/sq。应力缓冲层可以是氮化物化合物。应力缓冲层可以是氮化硅层。应力缓冲层可以是AlN、WTiN、TiN或TaN层。
桥电路可以是全桥电路或半桥电路。
单片集成可以减少封装成本、减少制造成本减少的装置的尺寸并改善可靠性和测量精确度。包括应力缓冲层可以改善传感器的温度相依性偏移电压Tc。
根据实施例，还提供一种制造磁阻性传感器模块的方法，所述方法包括：提供集成电路；将磁阻性传感器元件作为桥电路单片集成在集成电路上；以及在集成电路与磁阻性传感器元件之间构成应力缓冲层。
该方法还可以包括：在电介质层上形成所述应力缓冲层，其中所述电介质层布置在所述集成电路的上部主表面上。
所述应力缓冲层可以形成为仅仅布置在磁阻性传感器元件下面的分立层。
附图说明
下文中仅举例参看附图进一步描述本发明的实施例，其中：
图1示出根据一个实施例的磁阻性传感器模块的层结构的横截面图；
图2a示出根据一个实施例的用于制造磁阻性传感器模块的处理步骤；
图2b示出根据一个实施例的制造磁阻性传感器模块的处理步骤；
图2c示出根据一个实施例的制造磁阻性传感器模块的处理步骤，以及
图3示出根据另一个实施例的磁阻性传感器模块的层结构的横截面图。
附图和以下描述中，类似的参考标号指代类似的特征。附图是示意性的并且不按比例。
具体实施方式
磁阻性传感器可以作为桥电路(全桥电路或半桥电路)单片集成在IC上以构成磁阻性传感器模块。磁阻性传感器可以电连接到IC的所谓的顶部金属层，隔离金属间电介质层布置在磁阻性传感器与顶部金属层之间。通常通过在大概400℃的环境温度下执行沉积，借此形成隔离金属间电介质层，并且按照定义，在这个温度下，通过隔离金属间电介质层热诱发的应力是零。然而，在沉积隔离金属间电介质之后，热应力将随着环境温度的降低而升高，因为所使用的材料的热膨胀系数可能是不同的。金属间电介质层的热膨胀系数通常低于磁阻性传感器材料和IC的顶部金属层的热膨胀系数。在传感器的工作温度范围中，热膨胀系数的这些差别可能会在单片集成在IC上的磁阻性传感器中诱发应力。例如，典型的磁阻性传感器模块可能额定在-40℃到200℃的温度范围中工作。由于磁阻性传感器材料的电阻在很大程度上取决于应力，所以磁阻性传感器材料的电阻中的由应力诱发的成分可能会随着温度变化。磁阻性传感器结构上的应力还可能受到下方的IC的顶部金属层的图案的影响，这可能是因为金属间电介质层内的不均匀的应力分布导致的。因此，因为磁阻性传感器作为桥电路的典型布置本身是对称的，但是相对于单片集成式传感器的下伏层并不是对称的，所以磁阻性传感器上的下伏层造成的应力效应将不是相同的，因而桥电路中可能没有抵消效应。因而，在温度范围上诱发的应力是不对称的，这可能是因为温度相依性偏移电压(所谓的Tc偏移)，这会损害传感器模块的性能。对于高精度传感器，温度相依性偏移电压Tc偏移应当尽可能接近零。
对于与集成电路单片集成的磁阻性传感器，温度相依性偏移电压(Tc偏移)可能会在很大程度上限制或减少通过与IC单片集成而获得的成本和尺寸优点。
概括而言，图1的实施例示出了磁阻性传感器模块100。磁阻性传感器模块100可以由集成电路102和磁阻性传感器元件104构成。应力缓冲层106可布置在集成电路102与磁阻性传感器元件104之间。
集成电路102可包括在基板(未示出)上构成的半导体芯片(未示出)。基板可以是硅基板或任何其它合适的基板材料。集成电路102可以是ASIC(专用集成电路)，用于根据磁阻性传感器模块100的期望功能处理从磁阻性传感器元件104接收的信号。集成电路102可包括接触元件108，用于使磁阻性传感器元件104与半导体芯片电接触。接触元件108可以构成半导体芯片的上部金属化层的一部分，并且可以形成为接合垫和/或金属轨道，以便使得磁阻性传感器元件104与集成电路102的半导体芯片合适地电连接。用于保护集成电路102的下伏结构的金属间电介质层110可以形成于半导体芯片上的集成电路102的上部主表面处。
应力缓冲层106可以布置在集成电路102的电介质层110上。应力缓冲层106可以覆盖电介质层110的整个表面。
磁阻性传感器元件104可以布置在应力缓冲层106上。磁阻性传感器元件104可以是各向异性磁阻性(AMR)、隧道磁阻性(TMR)或巨磁阻性(GMR)传感器，磁阻性传感器元件104可以布置成所谓的条。磁阻性传感器元件104可以布置成惠斯通桥电路(例如全桥电路或半桥电路)，其中每个单个磁阻性传感器元件104代表全桥或半桥惠斯通桥电路的单个电阻性元件。构成桥电路的每个磁阻性传感器元件104可以由一或多个元件构成，该元件串联连接以实现必需的电阻值。在串联连接的多个元件的情况下，这些元件可以根据惠斯通桥电路的需要实现电阻性平衡。
全桥或半桥电路的每个节点可以借助于相应磁阻性传感器元件104之间的合适电连接112而导电连接。电连接可以借助于例如引线接合连接或合适金属化层来进行。此外，全桥或半桥电路可以导电连接到接触元件108，以便使磁阻性传感器元件104电连接到集成电路102。根据需要，并且为了将构成全桥或半桥电路的磁阻性传感器元件104导电连接至接触元件108，可以在电介质层110和应力缓冲层106的在接触元件108上面的部分中设置合适的凹部118或窗，以容许借助于引线接合或合适额外金属化层而进行连接。
如所提到的，电连接112可以是引线接合，诸如例如Au引线接合(未示出)。替代地，电连接112可以构成为金属化堆叠。金属化堆叠可包括金属扩散阻挡层114，其构成在接触元件108和磁阻性传感器元件104上。金属扩散阻挡层114可以用于防止金属间扩散到磁阻性传感器元件104中，这种扩散可能会降低磁阻性传感器元件104的磁阻效应。接着可在金属扩散阻挡层114上构成金属接触材料116。
图2a到图2c示出了根据一个实施例的制造磁阻性传感器模块100的方法的处理步骤。图2a中所示的处理的起点是包括半导体芯片(未示出)的集成电路102。集成电路102可以通过集成电路制造领域的技术人员所了解的任何合适方式形成。集成电路102包括接触元件108，接触元件108可以构成集成电路102的所谓的顶部金属层的一部分。金属间电介质层110可以通过任何合适的方式形成，例如在集成电路102的上部主表面上和接触元件上的沉积和平坦化。
接着可在电介质层110上形成应力缓冲层106。接着可在应力缓冲层106上形成磁阻性传感器元件104。根据所使用的材料而定，可以通过任何合适的处理形成应力缓冲层106。例如，如果应力缓冲层106是SiN层，则可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成应力缓冲层106。在应力缓冲层是诸如AlN之类高阻金属的情况下，可以通过诸如溅镀之类物理气相沉积(PVD)处理形成应力缓冲层。
磁阻性传感器元件104可以通过技术人员所理解的任何合适方法形成。例如，可以通过在应力缓冲层106上沉积坡莫合金层而形成这些磁阻性传感器元件。替代地，可以通过其它磁性材料或磁性材料堆叠形成磁阻性传感器元件，这些磁性材料或磁性材料堆叠包括GMR和TMR传感器分别需要的金属和隧道阻挡层。接着可在磁性层上沉积光致抗蚀剂材料层(未示出)，以限定磁阻性传感器元件104的几何形状，然后执行湿蚀刻或干蚀刻以将磁性层图案化成期望的最终结构。通过任何合适的方式可以移除其余的光致抗蚀剂材料。替代地，可以将磁阻性传感器元件104图案化到应力缓冲层106上。形成磁阻性传感器元件104的磁性层可以是诸如例如NiFe或坡莫合金之类的任何合适的材料。
在形成磁阻性传感器元件104之后，可以在磁阻性传感器元件104上形成保护层120以在后续处理步骤期间保护磁阻性传感器元件104。
接着可如图2b中所示形成窗或通孔118，以容许形成与接触元件108的电连接。窗可以通过任何合适的方式形成，诸如例如通过沉积光致抗蚀剂以限定窗118的几何形状。这个操作之后可以是湿蚀刻或干蚀刻，以移除接触元件108上的期望区域中的保护层120、应力缓冲层106和电介质层110。
参看图2c，在作为金属化堆叠形成电连接112的步骤中，在接触元件108上沉积金属扩散阻挡层114，然后在金属扩散阻挡层114上沉积金属接触材料116。还可在磁阻性传感器元件104处或在磁阻性传感器元件104之间执行金属扩散阻挡层114的沉积，以在相应磁阻性传感器元件104之间形成连接，以如上文所论述形成全桥或半桥电路。金属化堆叠的形成可以通过任何合适的方式执行，诸如例如沉积金属扩散阻挡层114，然后沉积金属接触材料116。接着在金属接触材料116上沉积光致抗蚀剂以限定电连接112的几何形状。这个操作之后可以是湿蚀刻或干蚀刻以形成金属化堆叠。可以通过溅镀或任何其它合适的技术沉积金属扩散阻挡层114和金属接触材料116。
在电连接112是Au引线接合(未示出)的情况下，如所属领域的技术人员所了解的，可以使用合适的引线接合机形成连接。
图3示出了磁阻性传感器模块100的另一个实施例，其中应力缓冲层106仅仅位于磁阻性传感器元件104下面，并且并不覆盖电介质层110的整个表面，如上文所述。图3的实施例可以通过一种与图1的方法类似的方法(如上文参看图2a到图2c所述)形成。在形成应力缓冲层106的情况下，可以通过任何合适的方式在电介质层110上沉积应力缓冲层106并且将应力缓冲层106图案化，例如在图案化磁阻性传感器元件之后用与磁阻性传感器元件相同的掩模来图案化。
在每个上述实施例中，可以在磁阻性传感器模块100上布置另一个电介质层(未示出)以便提供合适的保护免受环境条件的损坏。
如所提到的，集成电路102可以是诸如ASIC之类的任何合适的电路，能提供诸如磁阻性传感器元件104发出的磁阻信号的放大、信号调节和偏移消除(诸如温度相依性偏移电压Tc的消除)之类的功能。用于使磁阻性传感器元件104与集成电路102的半导体芯片电接触的接触元件108可以是Cu类和/或Al类金属化层，例如AlCu金属。金属间电介质层(IMD)110可以由诸如氧化硅之类的任何合适的材料形成。磁阻性传感器元件104可以是分别用于各向异性磁阻性应用的诸如NiFe或坡莫合金之类的任何合适的磁性材料。在这种情况下，Ni与Fe的比率可以是80:20。
对于巨磁阻性(GMR)或隧道磁阻性(TMR)传感器堆叠，磁阻性传感器元件104通常由至少两个磁性层组成，这些磁性层通常具有Ni、Fe或Co的组合物，并且通过非磁性层隔开。通常这两个磁性层中的一个磁性层是软磁性的，并且充当所谓的自由层，它的磁化容易对外部磁场做出响应。另一个磁性层通常耦合到反铁磁层，并且表现为提供参考磁化的硬磁性层。对于GMR堆叠，两个磁性层之间的非磁性层可以是诸如Cu之类的金属层，而对于TMR堆叠，这个层是非金属层并且是隔离层，诸如充当隧道阻挡层的Al2O3或MgO。
应力缓冲层106可以由高阻材料组成，该高阻材料具有高薄片电阻率，通常大于100Ohm/sq。就此而言，应力缓冲层106可以是SiN。替代方案可以包括氮化物类层，诸如AlN或WTiN或Ti(O)N。通过选择应力缓冲层106的高薄片电阻率材料，可以防止不期望的并联导电，这样可能降低磁阻性传感器元件104的磁阻效应。另外，应力缓冲层106的热膨胀系数可以介于电介质层110的热膨胀系数与接触元件108和磁阻性传感器元件104两者的热膨胀系数之间。例如，在应力降低层106是SiN、电介质层110是SiO、接触元件108是AlCu并且磁阻性传感器元件104是NiFe的情况下，热膨胀系数可以是：
SiO-0.5x 10-6 1/℃(电介质层110)
SiN-2.8x 10-6 1/℃(应力缓冲层106)
NiFe-12x 10-6 1/℃(磁阻性传感器元件104)
AlCu-23x 10-6 1/℃(接触元件108)
通常应力缓冲层的厚度将小于200nm，并且应力缓冲层中含有氮，由此提供扩散阻挡层，并且它的热膨胀系数在0.5x 10-6 1/℃到23x 10-61/℃的范围内。
根据实施例的磁阻性传感器模块100可以设计成在40℃到200℃的温度范围中工作。在这个温度范围上工作，可能会在磁阻性传感器元件104中产生热诱发应力，这是因为磁阻性传感器元件104、电介质层110和接触元件108的热膨胀系数不同。具体而言，磁阻性传感器元件104和接触元件108的金属的膨胀系数可能与电介质层110的金属非常不同。电介质层110和接触元件108的热膨胀系数不同，可能会在电介质层内生成不均匀的应力分布，这取决于集成电路的顶部金属层的图案。应力缓冲层106也可称为应力降低层，它可以吸收在磁阻性传感器元件104中诱发的一些应力。如上所述，磁阻性传感器元件的材料的电阻很大程度上取决于热诱发应力，并且诱发的应力可能会产生温度相依性偏移电压Tc，这会损害传感器模块的性能。通过吸收或缓冲应力缓冲层106中的热诱发应力，可以减少温度相依性偏移电压Tc。这样可以在更宽的温度范围中得到更精确的测量，尤其是在汽车传感器应用中遇到的宽温度范围中。
在随附独立权利要求中陈述本发明的特定和优选方面。可视需要并且不仅仅是按照权利要求中的陈述对从属和/或独立权利要求中的特征的组合进行合并。
本公开的范围包括其中明确地或暗含地公开的任何新颖特征或特征组合或者其任何概括，无论它是否涉及所要求的发明或者减轻本发明解决的任何或所有问题。申请人由此提请注意，在办理本申请或由此衍生的任何这种进一步的申请的过程中，可以根据这些特征制定新的权利要求。具体来说，参照所附权利要求书，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合，并且相应独立权利要求的特征可以用任何合适的方式组合，并且不仅仅是用权利要求中列举的具体组合而组合。
在不同的实施例的上下文中描述的特征也可以在单一实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的多种特征也可以分开提供或以任何合适的子组合形式提供。
“包括”这个词不排除其它元件或步骤，“一个”这个词不排除多个。权利要求书中的参考符号不应被解释为限制权利要求书的范围。
Claims (5)
1.一种磁阻性传感器模块，其特征在于包括：
集成电路；
磁阻性传感器元件，其布置成单片集成在所述集成电路上的桥电路；
布置在所述集成电路的上部主表面上的电介质层；以及
应力缓冲层，其布置在所述电介质层上并且在所述集成电路与所述磁阻性传感器元件之间，其中所述应力缓冲层被布置成仅位于所述磁阻性传感器元件下方的分立层；
其中所述应力缓冲层的热膨胀系数介于所述电介质层的热膨胀系数与所述磁阻性传感器元件的热膨胀系数之间，并且所述应力缓冲层布置成吸收在所述磁阻性传感器元件中诱发的温度相依性应力。
2.根据权利要求1所述的磁阻性传感器模块，其特征在于所述集成电路包括用于使所述磁阻性传感器元件与所述集成电路电接触的接触元件。
3. 根据权利要求1或2所述的磁阻性传感器模块，其特征在于所述应力缓冲层的热膨胀系数在0.5 x 10-6 /℃到23 x 10-6 /℃的范围内。
4.根据权利要求2所述的磁阻性传感器模块，其特征在于所述电介质层是氧化物层并且所述接触元件和磁阻性传感器元件是金属层。
5.一种制造磁阻性传感器模块的方法，其特征在于包括：
提供集成电路；
将磁阻性传感器元件单片集成为所述集成电路上的桥电路；
在所述集成电路的上部主表面上形成电介质层；以及
在所述电介质层上并且在所述集成电路与所述磁阻性传感器元件之间形成应力缓冲层，其中所述应力缓冲层被布置成仅位于所述磁阻性传感器元件下方的分立层，其中所述应力缓冲层的热膨胀系数介于所述电介质层的热膨胀系数与所述磁阻性传感器元件的热膨胀系数之间，并且所述应力缓冲层布置成吸收在所述磁阻性传感器元件中诱发的温度相依性应力。
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