CN111562418A - 单芯片电流传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单芯片电流传感器及其制造方法，所述单芯片电流传感器包括：基于同一个衬底形成的信号处理电路、磁传感器和电流走线，其中，所述信号处理电路与所述磁传感器通过过孔金属电性相连。与现有技术相比，本发明将信号处理电路、磁传感器和电流走线集成在同一个衬底，从而使本发明中的单芯片电流传感器具有高集成性和低成本。

Description

单芯片电流传感器及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种单芯片电流传感器及其制造方法。
【背景技术】
用于测量电流大小的电流传感器广泛应用于各种电子设备中。但是，传统的电流传感器，通过封装工艺将信号处理电路、磁电阻传感器和电流走线组装在一起。缺点是，集成度低，成本高。
因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种单芯片电流传感器及其制造方法，其具有高集成性和低成本。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种单芯片电流传感器，其包括：基于同一个衬底形成的信号处理电路、磁传感器和电流走线，其中，所述信号处理电路与所述磁传感器通过过孔金属电性相连。
进一步的，所述过孔金属是由沉积的第一金属层图形化制得的；所述电流走线是由沉积的第二金属层图形化制得的；所述磁传感器是由沉积的磁性化薄膜图形化制得的。
进一步的，所述信号处理电路位于所述衬底上；所述磁传感器位于所述信号处理电路的上方；所述电流走线位于所述磁传感器的上方。
进一步的，所述单芯片电流传感器还包括：第一绝缘介质层，其位于所述磁传感器和所述信号处理电路之间，所述过孔金属穿过所述第一绝缘介质层；第二绝缘介质层，其位于所述电流走线和所述磁传感器之间。
进一步的，所述第一绝缘介质层内形成有贯穿其厚度的第一通孔，所述第一通孔底部暴露所述信号处理电路；所述过孔金属填充所述第一接触孔且覆盖所述第一接触孔的顶部。
进一步的，所述单芯片电流传感器还包括第三绝缘介质层，所述第三绝缘层位于所述第一绝缘介质层和所述过孔金属上方，且位于所述磁传感器下方，所述第三绝缘介质层内形成有贯穿其厚度的第二通孔，所述第二通孔底部暴露所述过孔金属，所述磁传感器的部分连接端填充所述第二通孔，以与所述过孔金属电性连接。
进一步的，所述电流走线为U型走线，其包括第一腿部，第二腿部，以及连接所述第一腿部和第二腿部的连接部；所述磁传感器为磁电阻传感器，所述磁电阻传感器包括第一磁电阻传感器单元和第二磁电阻传感器单元，所述第一磁电阻传感器单元和所述第二磁电阻传感器单元分别与所述U型走线的第一腿部和第二腿部相对，以形成差分输出。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种单芯片电流传感器的制造方法，其包括：提供衬底，并在所述衬底上制备信号处理电路；在所述信号处理电路上方沉积第一绝缘介质层，并在所述第一绝缘介质层内形成贯穿其厚度的第一通孔，所述第一通孔底部暴露所述信号处理电路；在所述第一绝缘介质层上方和所述第一通孔内沉积所述第一金属层并图形化，以制得所述过孔金属；在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积磁性化薄膜并图形化，以制得所述磁传感器，其中，所述磁传感器的连接端与所述过孔金属电性连接；在所述磁传感器的上方沉积第二金属层并图形化，以制得所述电流走线。
进一步的，在所述磁传感器的上方沉积第二金属层并图形化步骤前，还包括如下步骤：在所述磁传感器的上方沉积第二绝缘介质层，其中，所述第二绝缘介质层位于所述磁传感器和所述电流走线之间。
进一步的，在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积磁性化薄膜并图形化步骤前，还包括如下步骤：在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积所述第三绝缘介质层，且在所述第三绝缘介质层内形成贯穿其厚度的第二通孔，所述第二通孔底部暴露所述过孔金属，其中，所述第三绝缘层位于所述第一绝缘介质层和所述过孔金属上方且位于所述磁传感器下方，所述磁传感器的部分连接端填充所述第二通孔，以与所述过孔金属电性连接。
与现有技术相比，本发明将信号处理电路、磁传感器和电流走线集成在同一个衬底，从而使本发明中的单芯片电流传感器具有高集成性和低成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的单芯片电流传感器的纵向剖面示意图；
图2为本发明在一个实施例中的单芯片电流传感器的制造方法的流程示意图；
图3-图9为本发明在一个实施例中，图2所示的各步骤对应的纵剖面图；
图10为图1所示的单芯片电流传感器在一个实施例中的结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的单芯片电流传感器的纵向剖面示意图。图1所示的单芯片电流传感器包括基于同一个硅衬底(或半导体衬底)101形成的信号处理电路102、磁传感器106和电流走线108，其中，所述信号处理电路102与磁传感器106通过过孔金属104电性相连。
所述过孔金属104是由沉积的第一金属层图形化制得的；所述电流走线108是由沉积的第二金属层图形化制得的；所述磁传感器106是由沉积的磁性化薄膜图形化制得的。
所述信号处理电路102、磁传感器106和电流走线108在硅衬底101上层叠设置。其中，所述信号处理电路102位于所述衬底101上；所述磁传感器106位于所述信号处理电路102的上方；所述电流走线位108于所述磁传感器106的上方。
在图1所示的具体实施例中，所述单芯片电流传感器还包括第一绝缘介质层103、第二绝缘介质层107和第三绝缘介质层105。
所述第一绝缘介质层103位于所述磁传感器106和所述信号处理电路102之间，具体的，所述第一绝缘介质层103沉积于(或位于)所述信号处理电路102上方，且所述第一绝缘介质层103内形成有贯穿其厚度的第一通孔(未标识)，所述第一通孔底部暴露所述信号处理电路102。
所述过孔金属104穿过所述第一接触孔(或所述过孔金属104穿过所述第一绝缘介质层103)，具体的，所述过孔金属104是由沉积在所述第一绝缘介质层103上方的第一金属层图形化制得的，所述过孔金属104填充所述第一接触孔且覆盖所述第一接触孔的顶部。
所述第三绝缘介质层105位于所述第一绝缘介质层103和所述过孔金属104上方，且位于所述磁传感器106下方。具体的，所述第三绝缘介质层105沉积于(或位于)所述过孔金属104和所述第一绝缘介质层103的上方，且所述第三绝缘介质层105内形成有贯穿其厚度的第二通孔(未标识)，所述第二通孔底部暴露所述过孔金属104。
所述磁传感器106是由沉积在所述第三绝缘介质层105上方的的磁性化薄膜图形化制得的，所述磁传感器106的部分连接端(或部分连线)填充(或穿过)所述第二通孔，以与所述过孔金属104电性连接。
所述第二绝缘介质层107位于所述电流走线108和所述磁传感器106之间。具体的，所述第二绝缘介质层107沉积于(或位于)所述磁传感器106的上方，所述第二绝缘介质层107用于电隔离所述磁传感器106和所述电流走线108。
所述电流走线108是由沉积于(或位于)所述第二绝缘介质层107上方的第二金属层(或厚金属层)图形化制得的。
请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的单芯片电流传感器的制造方法的流程示意图；请参考图3-图9所示，其为本发明在一个实施例中，图2所示的各步骤对应的纵剖面图。图2所示的单芯片电流传感器的制造方法包括如下步骤。
步骤210，如图3所示，提供硅衬底(或半导体)101，通过半导体工艺在硅衬底101上制备(或制得)信号处理电路102。
步骤220，如图4所示，在所述信号处理电路102上方沉积第一绝缘介质层103，并在所述第一绝缘介质层103内形成贯穿其厚度的第一通孔109，所述第一通孔109底部暴露所述信号处理电路102。
步骤230，如图5所示，在所述第一绝缘介质层103上方和所述第一通孔109内沉积所述第一金属层并图形化，以制得所述过孔金属104，所述过孔金属104填充所述第一接触孔109且覆盖所述第一接触孔109的顶部。
步骤240、如图6所示，在所述过孔金属104和所述第一绝缘介质层103的上方沉积所述第三绝缘介质层105，且在所述第三绝缘介质层105内形成贯穿其厚度的第二通孔110，所述第二通孔110底部暴露所述过孔金属104。
步骤250、如图7所示，在所述第三绝缘介质层105上方和所述第二通孔110内沉积磁性化薄膜并图形化，以制得所述磁传感器106。其中，所述磁传感器106的部分连接端(或部分连线)填充(或穿过)所述第二通孔110与所述过孔金属104电性连接。
步骤260、如图8所示，在所述磁传感器106的上方沉积第二绝缘介质层107。
步骤270、如图9所示，在所述第二绝缘介质层107上方沉积第二金属层并图形化，以制得所述电流走线108。
综上可知，基于图2所示的单芯片电流传感器的制造方法可以制得图1所示的单芯片电流传感器。
请参考图10所示，其为图1所示的单芯片电流传感器在一个实施例中的结构示意图。在图10所示的实施例中，所述信号处理电路102、磁传感器106和电流走线108集成在同一个衬底101上。
所述电流走线108用于为被测定电流I提供流经通道。所述电流走线108为U型走线，其包括第一腿部108a、第二腿部108b和连接部108c，所述第一腿部108a和第二腿部108b位于所述连接部108c的同一侧。所述第一腿部108a的一端作为所述U型走线108的电流输入端，所述第一腿部108a的另一端与所述连接部108c的一端相连；所述第二腿部108b的一端作为所述U型走线108的电流输出端，所述第二腿部108b的另一端与所述连接部108c的另一端相连。
所述磁传感器106为磁电阻传感器，其包括第一磁电阻传感器单元106a和第二磁电阻传感器单元106b，所述第一磁电阻传感器单元106a和所述第二磁电阻传感器单元106b分别与所述U型走线108的第一腿部108a和第二腿部108b相对，以形成差分输出。
所述电流走线108中的电流I，在第一电阻传感器单元106a处产生磁场H11，在第二电阻传感器单元106b处产生磁场-H12。第一磁电阻传感器单元106a的输出为V11＝S[(H11/I)I+H0]，其中，S为磁电阻传感器单元相对于磁场的灵敏度，H0为外界磁场；第二磁电阻传感器单元106b的输出为V12＝S[-(H12/I)I+H0]；磁电阻传感器106的输出为V1＝S[(H11+H12)/I]I。
综上所述，本发明中的单芯片电流传感器包括集成在同一衬底上的所述信号处理电路102、磁传感器106和电流走线108，且所述信号处理电路102与磁传感器106通过过孔金属104电性相连，从而使本发明中的单芯片电流传感器具有高集成性和低成本。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单芯片电流传感器，其特征在于，其包括：
基于同一个衬底形成的信号处理电路、磁传感器和电流走线，
其中，所述信号处理电路与所述磁传感器通过过孔金属电性相连。
2.根据权利要求1所述的单芯片电流传感器，其特征在于，
所述过孔金属是由沉积的第一金属层图形化制得的；
所述电流走线是由沉积的第二金属层图形化制得的；
所述磁传感器是由沉积的磁性化薄膜图形化制得的。
3.根据权利要求2所述的单芯片电流传感器，其特征在于，
所述信号处理电路位于所述衬底上；
所述磁传感器位于所述信号处理电路的上方；
所述电流走线位于所述磁传感器的上方。
4.根据权利要求3所述的单芯片电流传感器，其特征在于，其还包括：
第一绝缘介质层，其位于所述磁传感器和所述信号处理电路之间，所述过孔金属穿过所述第一绝缘介质层；
第二绝缘介质层，其位于所述电流走线和所述磁传感器之间。
5.根据权利要求4所述的单芯片电流传感器，其特征在于，
所述第一绝缘介质层内形成有贯穿其厚度的第一通孔，所述第一通孔底部暴露所述信号处理电路；
所述过孔金属填充所述第一接触孔且覆盖所述第一接触孔的顶部。
6.根据权利要求5所述的单芯片电流传感器，其特征在于，其还包括第三绝缘介质层，所述第三绝缘层位于所述第一绝缘介质层和所述过孔金属上方，且位于所述磁传感器下方，
所述第三绝缘介质层内形成有贯穿其厚度的第二通孔，所述第二通孔底部暴露所述过孔金属，
所述磁传感器的部分连接端填充所述第二通孔，以与所述过孔金属电性连接。
7.根据权利要求1-6任一所述的单芯片电流传感器，其特征在于，
所述电流走线为U型走线，其包括第一腿部，第二腿部，以及连接所述第一腿部和第二腿部的连接部；
所述磁传感器为磁电阻传感器，所述磁电阻传感器包括第一磁电阻传感器单元和第二磁电阻传感器单元，所述第一磁电阻传感器单元和所述第二磁电阻传感器单元分别与所述U型走线的第一腿部和第二腿部相对，以形成差分输出。
8.一种单芯片电流传感器的制造方法，其特征在于，其包括：
提供衬底，并在所述衬底上制备信号处理电路；
在所述信号处理电路上方沉积第一绝缘介质层，并在所述第一绝缘介质层内形成贯穿其厚度的第一通孔，所述第一通孔底部暴露所述信号处理电路；
在所述第一绝缘介质层上方和所述第一通孔内沉积所述第一金属层并图形化，以制得所述过孔金属；
在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积磁性化薄膜并图形化，以制得所述磁传感器，其中，所述磁传感器的连接端与所述过孔金属电性连接；
在所述磁传感器的上方沉积第二金属层并图形化，以制得所述电流走线。
9.根据权利要求8所述的单芯片电流传感器的制造方法，其特征在于，
在所述磁传感器的上方沉积第二金属层并图形化步骤前，还包括如下步骤：
在所述磁传感器的上方沉积第二绝缘介质层，
其中，所述第二绝缘介质层位于所述磁传感器和所述电流走线之间。
10.根据权利要求9所述的单芯片电流传感器的制造方法，其特征在于，
在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积磁性化薄膜并图形化步骤前，还包括如下步骤：
在所述过孔金属和所述第一绝缘介质层的上方沉积所述第三绝缘介质层，且在所述第三绝缘介质层内形成贯穿其厚度的第二通孔，所述第二通孔底部暴露所述过孔金属，
其中，所述第三绝缘层位于所述第一绝缘介质层和所述过孔金属上方且位于所述磁传感器下方，所述磁传感器的部分连接端填充所述第二通孔，以与所述过孔金属电性连接。
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WO2023056828A1 (zh) * 2021-10-08 2023-04-13 江苏多维科技有限公司 一种电流传感器

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