CN111880130B - 一种空间磁场矢量传感器及其制作工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间磁场矢量传感器及其制作工艺方法，所述传感器包括第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，第二磁敏感结构设置在第一磁敏感结构中，二者的磁敏感方向正交且磁敏感中心重合。其中，所述第一磁敏感结构由磁敏三极管及负载电阻构成的两对差分结构组成，形成x轴、y轴磁敏感单元，可实现xy平面内磁场分量测量；所述第二磁敏感结构由磁敏三极管及负载电阻构成的一对差分结构组成，形成z轴磁敏感单元，可实现z方向磁场分量测量。本发明公开的传感器制作工艺方法，包括制备第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，并将第二磁敏感结构嵌入第一磁敏感结构中。该方法可实现空间磁场矢量传感器芯片制作，具有各磁敏感方向磁敏特性一致性好等特点。

Description

一种空间磁场矢量传感器及其制作工艺方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及空间磁场矢量传感器，尤其涉及一种磁灵敏度高一致性的空间磁场矢量传感器及其制作工艺方法，可用于空间磁场矢量的精确测量。

背景技术

空间磁场矢量传感器广泛应用于汽车电子、导航设备、仪器仪表、电子罗盘等领域。磁场矢量传感器追求具有磁灵敏度高一致性、低交叉干扰、低温度系数以及宽量程等性能。

现有技术中，用于磁场测量的主要敏感元器件有霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、各向异性磁敏电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)和隧穿磁电阻(TMR)等，每种磁敏感元器件具有特定的磁敏感方向。在实际应用过程中，为满足多方向磁场测量需求，多采用两种或多种磁敏感元器件组合进行空间磁场检测，不同磁敏感元器件特性差异较大，存在磁灵敏度一致性差、磁灵敏度交叉干扰大等问题。但是，空间磁场检测需兼顾各个方向，对多方向测量的一致性、正交性、交叉干扰等要求较高。

因此，有必要设计一种空间磁场矢量传感器，使得进行空间磁场测量时，各磁敏感方向的磁灵敏度具有一致性好、低交叉干扰和正交性好等性能。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种空间磁场矢量传感器，该传感器采用同一种磁敏感器件对空间三个方向磁场分量分别进行检测，具体采用MEMS技术在传感器结构中设置第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，第一磁敏感结构中间为凹形通孔，第二磁敏感结构底部设置有凹槽结构，第二磁敏感结构沿凹槽结构嵌入到第一磁敏感结构中，形成镶嵌连接，实现两个磁敏感结构磁敏感方向正交且磁敏感中心重合，突破了空间磁场矢量传感器磁灵敏度交叉干扰大和一致性差，以及磁敏感方向正交性不好的瓶颈，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，提供一种空间磁场矢量传感器，所述传感器包括第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，所述第二磁敏感结构设置在第一磁敏感结构中，二者的磁敏感方向正交且磁敏感中心重合。

其中，所述第一磁敏感结构和第二磁敏感结构的磁敏感器件种类相同，均优选为硅磁敏三极管。

第二方面，提供一种空间磁场矢量传感器的制作工艺方法，优选用于制备第一方面所述的空间磁场矢量传感器，其中，所述方法包括制备第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，并将第二磁敏感结构嵌入第一磁敏感结构中。

第三方面，提供一种第二方面所述制作工艺方法制备得到的空间磁场矢量传感器。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的空间磁场矢量传感器，分别集成同一种磁敏器件，形成三个磁敏感单元，磁敏感特性一致性好；

(2)本发明提供的空间磁场矢量传感器，将第二磁敏感结构嵌入第一磁敏感结构中，磁敏感单元的磁敏感方向正交且磁敏感中心重合，可同时测量沿x轴、y轴、z轴磁场分量；

(3)本发明基于MEMS技术提出了空间磁场矢量传感器的制作工艺方法，可实现芯片工艺制作，且芯片体积小。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的空间磁场矢量传感器的基本结构图；

图2-1示出根据本发明一种优选实施方式的第一磁敏感结构的示意图；图2-2示出根据本发明一种优选实施方式的第二磁敏感结构的示意图；图2-3示出根据本发明一种优选实施方式的第二磁敏感结构的三维立体图；

图3示出图1沿AA^/的剖视图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的空间磁场矢量传感器的等效电路图；

图5-1至5-11示出本发明所述空间磁场矢量传感器的制作工艺流程图；

图6示出实施例1中第一硅磁敏三极管SMST1～第六硅磁敏三极管SMST6的I_C-V_CE特性曲线图；

图7示出实施例1中x轴方向磁敏三极管的磁敏特性曲线图；

图8示出实施例1中y轴方向磁敏三极管的磁敏特性曲线图；

图9示出实施例1中z轴方向磁敏三极管的磁敏特性曲线图。

附图标号说明：

1-第一硅片；2-第二硅片；3-二氧化硅层；4-第二硅磁敏三极管的集电区；5-第二硅磁敏三极管的基区；6-第二硅磁敏三极管的发射区；7-Al电极；8-隔离环；9-凸形结构；10-凹槽结构；11-公共发射区；101-发射区；102-集电极负载电阻；103-基极电阻；104-集电区；105-基区；106-发射区引线硅槽；SMST1-第一硅磁敏三极管；SMST2-第二硅磁敏三极管；SMST3-第三硅磁敏三极管；SMST4-第四硅磁敏三极管；SMST5-第五硅磁敏三极管；SMST6-第六硅磁敏三极管；B1-第一硅磁敏三极管的基极；B2-第二硅磁敏三极管的基极；B3-第三硅磁敏三极管的基极；B4-第四硅磁敏三极管的基极；B5-第五硅磁敏三极管的基极；B6-第六硅磁敏三极管的基极；C1-第一硅磁敏三极管的集电极；C2-第二硅磁敏三极管的集电极；C3-第三硅磁敏三极管的集电极；C4-第四硅磁敏三极管的集电极；C5-第五硅磁敏三极管的集电极；C6-第六硅磁敏三极管的集电极；E5-第五硅磁敏三极管的发射极；E6-第六硅磁敏三极管的发射极；R_L1-第一集电极负载电阻；R_L2-第二集电极负载电阻；R_L3-第三集电极负载电阻；R_L4-第四集电极负载电阻；R_L5-第五集电极负载电阻；R_L6-第六集电极负载电阻；R_b1-第一基极电阻；R_b2-第二基极电阻；R_b3-第三基极电阻；R_b4-第四基极电阻；R_b5-第五基极电阻；R_b6-第六基极电阻；MSE1-第一磁敏感单元；MSE2-第二磁敏感单元；MSE3-第三磁敏感单元；V_x1-x方向磁敏感单元第一输出电压；V_x2-x方向磁敏感单元第二输出电压；V_y1-y方向磁敏感单元第一输出电压；V_y2-y方向磁敏感单元第二输出电压；V_z1-z方向磁敏感单元第一输出电压；V_z2-z方向磁敏感单元第二输出电压；V_DD-电源；GND-接地；B_x-x轴方向磁场分量；B_y-y轴方向磁场分量；B_z-z轴方向磁场分量。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明的第一方面，提供了一种空间磁场矢量传感器，如图1所示，所述传感器包括第一磁敏感结构和第二磁敏感结构。

其中，所述第二磁敏感结构设置在第一磁敏感结构中，二者的磁敏感方向正交且磁敏感中心重合。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一磁敏感结构用于实现x轴磁场分量B_x和y轴磁场分量B_y的测量；

所述第二磁敏感结构用于实现z轴磁场分量B_z的测量。

在进一步优选的实施方式中，所述第一磁敏感结构和第二磁敏感结构均制作在SOI片上，所述SOI片均包括器件硅、绝缘层(SiO₂)和衬底硅。

第一磁敏感结构和第二磁敏感结构均制作在同一SOI晶圆上，如图2-1～图2-3所示。

在本发明中，SOI片的器件硅为第一硅片1，衬底硅为第二硅片2。

优选地，所述第一硅片1的厚度为20～40μm，优选为30μm；

所述第二硅片2的厚度为450～600μm，优选为500μm。

其中，所述第一硅片为<100>晶向双面抛光高阻p型单晶硅片，其电阻率优选为1000Ω·cm。

更优选地，在所述第一硅片1和第二硅片2之间还设置有二氧化硅层3，其厚度为300～1200nm，优选为500～1000nm。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2-1所示，所述第一磁敏感结构包括设置在第一硅片1上的四个集成化SOI硅磁敏三极管，分别为第一硅磁敏三极管SMST1、第二硅磁敏三极管SMST2、第三硅磁敏三极管SMST3和第四硅磁敏三极管SMST4，

其中，所述对x轴敏感的第一硅磁敏三极管SMST1和第三硅磁敏三极管SMST3按相反磁敏感方向设置；

所述对y轴敏感的第二硅磁敏三极管SMST2和第四硅磁敏三极管SMST4按相反磁敏感方向设置。

优选地，所述四个硅磁敏三极管按照磁敏感方向正交且磁敏感中心重合，并设置在第一磁敏感结构芯片的边缘位置处，其中，芯片中间作为第二磁敏感结构嵌入区。

在进一步优选的实施方式中，在第一硅片1的上表面制作有四个集成化SOI硅磁敏三极管的集电区和基区，在第一硅片1的下表面制作有四个集成化SOI硅磁敏三极管的发射区。

其中，所述第二硅磁敏三极管的集电区4、基区5、发射区6如图3中所示。

优选地，在发射区、集电区和基区上蒸镀金属Al层，形成Al电极7，分别为硅磁敏三极管的发射极、集电极和基极。

其中，如图1和图2-1所示，所述第一磁敏感结构的四个基极分别为第一硅磁敏三极管的基极B1、第二硅磁敏三极管的基极B2、第三硅磁敏三极管的基极B3和第四硅磁敏三极管的基极B4；

所述第一磁敏感结构的四个集电极分别为第一硅磁敏三极管的集电极C1、第二硅磁敏三极管的集电极C2、第三硅磁敏三极管的集电极C3和第四硅磁敏三极管的集电极C4；

所述第一磁敏感结构的四个发射极分别为第一硅磁敏三极管的发射极、第二硅磁敏三极管的发射极、第三硅磁敏三极管的发射极和第四硅磁敏三极管的发射极。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2-1和图3所示，在所述第一硅片1的上表面、集电区的一侧制作有集电极负载电阻；

在所述第一硅片1的上表面、基区的一侧制作有基极电阻；

优选地，所述四个集成化SOI硅磁敏三极管的集电极负载电阻分别为第一集电极负载电阻R_L1、第二集电极负载电阻R_L2、第三集电极负载电阻R_L3和第四集电极负载电阻R_L4；

所述四个集成化SOI硅磁敏三极管的基极电阻分别为第一基极电阻R_b1、第二基极电阻R_b2、第三基极电阻R_b3和第四基极电阻R_b4。

在进一步优选的实施方式中，所述四个集电极负载电阻均为n^-型掺杂，

所述四个基极电阻均为n^-型掺杂。

在更进一步优选的实施方式中，所述四个集电极负载电阻的阻值为1.5～4.0kΩ；

所述四个基极电阻的阻值为1.0～3.0kΩ。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2-1所示，所述第一硅磁敏三极管的集电极C1与第一集电极负载电阻R_L1的一端连接，在连接处形成x方向磁敏感单元第一输出电压V_x1；

第三硅磁敏三极管的集电极C3与第三集电极负载电阻R_L3的一端连接，在连接处形成x方向磁敏感单元第二输出电压V_x2；

优选地，所述第一集电极负载电阻R_L1的另一端、第三集电极负载电阻R_L3的另一端均与电源V_DD连接。

在进一步优选的实施方式中，所述第一基极电阻R_b1的一端与第一硅磁敏三极管的基极B1连接，另一端与电源V_DD连接；

第三基极电阻R_b3的一端与第三硅磁敏三极管的基极B3连接，另一端与电源V_DD连接。

其中，将基极与基极电阻连接，通过基极电阻调制基极电流，可为硅磁敏三极管提供恒定的基极电流。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一硅磁敏三极管SMST1、第三硅磁敏三极管SMST3以及二者分别连接的第一集电极负载电阻R_L1、第三集电极负载电阻R_L3构成惠斯通电桥等效结构，形成第一磁敏感单元MSE1，用于x轴磁场分量B_x的检测。

优选地，所述第一硅磁敏三极管SMST1的复合基区与第三硅磁敏三极管SMST3的复合基区中心对称，复合基区位于基极和集电极之间，对称中心为磁敏感中心。

其中，通过对第一硅磁敏三极管和第三硅磁敏三极管进行排布设置，使得硅磁敏三极管基区为x轴方向探测磁场的范围，敏感区间较小。这样，当沿x轴方向的磁场分量介于长基区(复合基区)范围内，可实现沿x轴方向的磁场分量B_x的测量，磁敏感面尺寸恒定。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第二硅磁敏三极管的集电极C2与第二集电极负载电阻R_L2的一端连接，在连接处形成y方向磁敏感单元第一输出电压V_y1；

第四硅磁敏三极管的集电极C4与第四集电极负载电阻R_L4的一端连接，在连接处形成y方向磁敏感单元第二输出电压V_y2；

优选地，所述第二集电极负载电阻R_L2的另一端、第四集电极负载电阻R_L4的另一端均与电源V_DD连接。

在进一步优选的实施方式中，所述第二基极电阻R_b2的一端与第二硅磁敏三极管的基极B2连接，另一端与电源V_DD连接；

第四基极电阻R_b4的一端与第四硅磁敏三极管的基极B4连接，另一端与电源V_DD连接。

在更进一步优选的实施方式中，所述第二硅磁敏三极管SMST2、第四硅磁敏三极管SMST4以及二者分别连接的第二集电极负载电阻R_L2、第四集电极负载电阻R_L4构成惠斯通电桥等效结构，形成第二磁敏感单元MSE2，用于y轴磁场分量B_y的检测。

优选地，所述第二硅磁敏三极管SMST2的复合基区与第四硅磁敏三极管SMST4的复合基区中心对称，复合基区位于基极和集电极之间，对称中心为磁敏感中心。

其中，通过对第二硅磁敏三极管和第四硅磁敏三极管进行排布设置，使得硅磁敏三极管基区为y轴方向探测磁场的范围，敏感区间较小。这样，当沿y轴方向的磁场分量介于长基区范围内，可实现沿y轴方向的磁场分量B_y的测量，磁敏感面尺寸恒定。

在本发明中，如图4所示，所述第一硅磁敏三极管的发射极和第三硅磁敏三极管的发射极连接形成公共发射极且接地GND；第二硅磁敏三极管的发射极和第四硅磁敏三极管的发射极连接形成公共发射极且接地GND。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2-2所示，所述第二磁敏感结构包括设置在器件硅上的第五硅磁敏三极管SMST5和第六硅磁敏三极管SMST6，

其中，所述对z轴方向敏感的第五硅磁敏三极管SMST5和第六硅磁敏三极管SMST6按相反磁敏感方向设置；

所述对z轴方向敏感的第五硅磁敏三极管SMST5和第六硅磁敏三极管SMST6按相反磁敏感方向设置。

优选地，所述两个硅磁敏三极管按照磁敏感方向正交且磁敏感中心重合，并设置在第二磁敏感结构芯片中。

在进一步优选的实施方式中，在器件硅的上表面制作有两个集成化SOI硅磁敏三极管的集电区和基区，在衬底硅的下表面制作有两个集成化SOI硅磁敏三极管的发射区；

优选地，在发射区、集电区和基区上蒸镀金属Al层，分别形成发射极、集电极和基极。

其中，如图2-2和2-3所示，所述第二磁敏感结构的两个基极分别为第五硅磁敏三极管的基极B5和第六硅磁敏三极管的基极B6；

所述第二磁敏感结构的两个集电极分别为第五硅磁敏三极管的集电极C5和第六硅磁敏三极管的集电极C6；

所述第二磁敏感结构的两个发射极分别为第五硅磁敏三极管的发射极E5和第六硅磁敏三极管的发射极E6。

根据本发明一种优选的实施方式，在第二磁敏感结构的第五硅磁敏三极管集电区一侧制作有第五集电极负载电阻R_L5，第六硅磁敏三极管集电区的一侧制作有第六集电极负载电阻R_L6；

第五硅磁敏三极管基区的一侧制作有第五基极电阻R_b5，第六硅磁敏三极管基区的一侧制作有第六基极电阻R_b6。

在进一步优选的实施方式中，所述第五集电极负载电阻和第六集电极负载电阻均为n^-型掺杂，

所述第五基极电阻和第六基极电阻均为n^-型掺杂；

优选地，所述第五集电极负载电阻和第六集电极负载电阻的阻值为1.5～4.0kΩ；

所述第五基极电阻和第六基极电阻的阻值为1.0～3.0kΩ。

在本发明中，所述第一硅磁敏三极管～第六硅磁敏三极管、第一集电极负载电阻～第六集电极负载电阻、第一基极电阻～第六基极电阻的结构和制作工艺均一致。

优选在第一磁敏感结构和第二磁敏感结构中采用隔离环8进行器件隔离。

其中，所述隔离环设置在器件层上、每个硅磁敏三极管的周围，以防止硅磁敏三极管与其他元器件间的相互影响，优选所述隔离环为n⁺型掺杂。

由于磁敏三极管的磁敏感方向与芯片表面平行，在进行空间磁场检测时，常采用磁敏感方向与芯片表面垂直的器件(如霍尔磁场传感器)检测z轴方向的磁场，或者采用一些导磁结构改变z轴磁场方向来进行检测，但是，由于不同磁场方向采用的磁敏感元器件不同，会导致磁灵敏度一致性差，或者导磁结构使得磁场衰减，导致磁灵敏度较低，并存在交叉干扰大等问题。

本发明人考虑到上述问题，优选采用相同的磁敏感器件制作第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，第一磁敏感结构可实现与芯片表面平行的x轴和y轴磁场分量的测量，第二磁敏感结构可实现与芯片表面平行的磁场分量的测量，两个磁敏感结构具有较好的磁灵敏度一致性。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1和图2-1所示，在所述第一磁敏感结构中设置有凹形通孔，在通孔的内壁设置有凸形结构9。

在进一步优选的实施方式中，如图2-3所示，在所述第二磁敏感结构的衬底硅设置有凹槽结构10，其与凸形结构9镶嵌连接，使得第二磁敏感结构与第一磁敏感结构有效固定。

在本发明中，为突破第二磁敏感结构实现z轴方向磁场分量测量的难题，优选将第二磁敏感结构旋转90°后垂直镶嵌于第一磁敏感结构中，通过第一磁敏感结构中凸形结构9和第二磁敏感结构中凹槽结构10镶嵌，克服了磁敏感方向正交性不好和磁敏感中心重合度低的瓶颈。

优选地，所述凸形结构9的上表面与第一硅片1的上表面共面，下表面与第二硅片2的下表面共面。

在本发明中，以第一硅片1的上表面为上方，以第二硅片2的下表面为下方。

在更进一步优选的实施方式中，所述第二磁敏感结构旋转90°后垂直于第一磁敏感结构，凸形结构9与凹槽结构10镶嵌紧密，无间隙。

优选地，第二磁敏感结构嵌入到第一磁敏感结构的具体位置满足x、y、z三个方向的磁敏感方向正交。

更优选地，所述第一磁敏感结构和第二磁敏感结构的磁敏感中心重合。

在本发明中，由于第二磁敏感结构的磁敏感方向与第一磁敏感结构的磁敏感方向正交，则第五硅磁敏三极管SMST5和第六硅磁敏三极管SMST6可以实现z轴磁场分量B_z的测量。

优选地，所述第五硅磁敏三极管SMST5的复合基区与第六硅磁敏三极管SMST6的复合基区中心对称，复合基区位于基极和集电极之间，对称中心为磁敏感中心。

其中，通过对第五硅磁敏三极管和第六硅磁敏三极管进行排布设置，使得硅磁敏三极管基区为z轴方向探测磁场的范围，敏感区间较小。这样，当沿z轴方向的磁场分量介于长基区范围内，可实现沿z轴方向的磁场分量B_z的测量，磁敏感面尺寸恒定。

在上述基础上，则根据本发明一种优选的实施方式，所述第五硅磁敏三极管的集电极C5与第五集电极负载电阻R_L5的一端连接，在连接处形成z方向磁敏感单元第一输出电压V_z1；

第六硅磁敏三极管的集电极C6与第六集电极负载电阻R_L6的一端连接，在连接处形成z方向磁敏感单元第二输出电压V_z2。

优选地，第五集电极负载电阻R_L5的另一端、第六集电极负载电阻R_L6的另一端均与电源V_DD连接。

在进一步优选的实施方式中，所述第五基极电阻R_b5的一端与第五硅磁敏三极管的基极B5连接，另一端与电源V_DD连接；

第六基极电阻R_b6的一端与第六硅磁敏三极管的基极B6连接，另一端与电源V_DD连接。

优选地，所述第五硅磁敏三极管的发射极和第六硅磁敏三级管的发射极连接形成公共发射极且接地GND。

其中，图2-3中示出了第五硅磁敏三极管和第六硅磁敏三极管的公共发射区11。

在本发明中，所述第五硅磁敏三极管、第六硅磁敏三极管以及两者分别连接的第五集电极负载电阻R_L5和第六集电极负载电阻R_L6构成惠斯通电桥等效结构，形成第三磁敏感单元MSE3，用于z轴方向磁场分量B_z的检测。

本发明所提供的空间磁场矢量传感器，空间磁场分量测量均采用磁敏三极管作为磁敏感器件，分别构成三个方向的磁敏感单元，保证了磁场检测具有较好的磁灵敏度一致性。

本发明的第二方面，提供了一种空间磁场矢量传感器的制作工艺方法，优选用于制备第一方面所述的空间磁场矢量传感器，如图5-1～图5-11所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，清洗第一硅片，零次光刻，在第一硅片1上表面干法刻蚀对版标记。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一硅片1为<100>晶向双面抛光高阻p型单晶硅片，优选地，所述第一硅片的电阻率优选为1000Ω·cm。

其中，所述清洗优选采用RCA标准清洗法对单晶硅进行清洗。

步骤2，清洗第一硅片，进行一次氧化，在其下表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层(如图5-1所示)。

优选地，所述第一硅片下表面生长的二氧化硅层厚度为30～50nm。

步骤3，一次光刻，光刻磁敏三极管发射区窗口，进行离子注入，形成高掺杂发射区101(如图5-2所示)。

其中，通过磷注入，形成n⁺型掺杂，所述掺杂浓度为1E18～1E19cm^-3。

步骤4，二次光刻，双面光刻第一硅片，在第一硅片上表面干法刻蚀对版标记。

步骤5，清洗第二硅片2，双面热生长二氧化硅层，将第二硅片上表面与第一硅片下表面键合(如图5-3所示)。

优选地，所述双面生长的二氧化硅层厚度为500～1000nm；

所述第二硅片2的厚度为450～600μm，优选为500μm。

步骤6，三次光刻，双面光刻转移第一硅片上表面对版标记至第二硅片下表面。

步骤7，第一硅片上表面减薄、抛光，清洗键合片，并在第一硅片的上表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层(如图5-4所示)。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一硅片上表面减薄至厚度为20～40μm。

在进一步优选的实施方式中，减薄后，在第一硅片的上表面生长的二氧化硅层的厚度为30～50nm。

步骤8，四次光刻，在第一硅片1的上表面形成隔离环8(如图5-5所示)。

步骤9，五次光刻，在第一硅片的上表面进行掺杂，形成集电极负载电阻102和基极电阻103(如图5-6所示)。

其中，通过磷注入，形成n^-型轻掺杂，所述掺杂浓度为5E14～5E15cm^-3。

步骤10，六次光刻，在第一硅片的上表面进行掺杂，形成集电区104(如图5-7所示)。

其中，通过磷注入，形成n⁺型重掺杂，所述掺杂浓度为1E18～1E19cm^-3。

步骤11，七次光刻，在第一硅片的上表面刻蚀基区窗口，进行掺杂，形成基区105(如图5-8所示)。

根据本发明一种优选的实施方式，采用等离子体刻蚀工艺(ICP)制作基区腐蚀凹槽，所述腐蚀凹槽的深度为20～30μm，优选25μm。

在进一步优选的实施方式中，在基区腐蚀凹槽通过硼注入，形成p⁺型重掺杂，所述掺杂浓度为1E18～1E19cm^-3。

在本发明中，通过刻蚀基区，使基区形成立体结构，在一定偏置条件下，能显著提高磁敏三极管基区载流子空穴注入能力，与发射区注入的电子在基区内发生有效复合，在外加磁场作用下，被集电区收集的载流子的数目明显改变，导致磁敏三极管集电极电流变化显著，有效地改善磁敏三极管的磁敏感效果，提高了磁敏三极管磁敏感特性。

步骤12，离子注入后快速退火处理。

根据本发明一种优选的实施方式，所述快速退火处理为在800～1000℃下真空环境处理30～40s，以修复晶格损伤，激活杂质。

步骤13，去除第一硅片上表面二氧化硅层，清洗SOI片，在第一硅片上表面等离子体化学气相沉积(PECVD)生长二氧化硅层。

其中，所述生长的二氧化硅层的厚度为300～500nm。

步骤14，八次光刻，在第一硅片的上表面刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al。

步骤15，九次光刻，刻蚀金属Al形成金属Al互连线和金属电极(如图5-9所示)。

步骤16，清洗，在第一硅片的上表面PECVD生长二氧化硅层，作为钝化层，所述二氧化硅层的厚度为500～800nm。

步骤17，十次光刻，刻蚀钝化层，形成芯片压焊点。

步骤18，十一次光刻，在第二硅片的下表面ICP刻蚀至键合面发射区埋层，形成发射区引线硅槽106(如图5-10所示)。

步骤19，清洗晶圆，在晶圆背面真空蒸镀金属Al，形成金属Al电极7，进行合金化工艺形成欧姆接触(如图5-11所示)。

所述合金化工艺如下进行：在350～450℃下处理10～30min，优选为420℃。

其中，第一磁敏感结构和第二磁敏感结构由同一SOI晶圆加工得到。

步骤20，在SOI晶圆中，通过Bosch工艺在第一磁敏感结构中间制作凹形通孔，在第二磁敏感结构的背部衬底刻蚀凹槽结构；

步骤21，通过显微镜下微操作将第二磁敏感结构沿凹槽结构嵌入到第一磁敏感结构中，并在第一磁敏感结构中固定第二磁敏感结构的位置，实现所述空间磁场矢量传感器芯片制作。

本发明的第三方面，提供了一种根据第二方面所述制作工艺方法制备得到的空间磁场矢量传感器。

在本发明中，第一方面所述的空间磁场矢量传感器及第二方面所述制作工艺方法制备得到的空间磁场矢量传感器，对空间磁场进行测量时，在x轴、y轴、z轴三个方向具有高一致性的磁灵敏度。

实施例

实施例1

按照下述步骤集成化制作空间磁场矢量传感器：

步骤1，清洗第一硅片，零次光刻，在第一硅片上表面干法刻蚀对版标记。

其中，所述第一硅片为<100>晶向双面抛光高阻p型单晶硅片，电阻率优选为1000Ω·cm。

所述清洗优选采用RCA标准清洗法对单晶硅进行清洗。

步骤2，清洗第一硅片，进行一次氧化，在其下表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层。

其中，所述第一硅片下表面生长的二氧化硅层厚度为40nm。

步骤3，一次光刻，光刻磁敏三极管发射区窗口，进行离子掺杂，形成高掺杂发射区。通过磷注入，形成n⁺型掺杂，所述掺杂浓度为1E18cm^-3。

步骤4，二次光刻，双面光刻第一硅片，在第一硅片上表面干法刻蚀对版标记。

步骤5，清洗第二硅片，双面热生长二氧化硅层，将第二硅片上表面与第一硅片下表面键合。

其中，所述双面生长的二氧化硅层厚度为800nm；第二硅片的厚度为500μm。

步骤6，三次光刻，双面光刻转移第一硅片上表面对版标记至第二硅片下表面。

步骤7，第一硅片上表面减薄、抛光，清洗键合片，并在第一硅片的上表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层。

其中，所述第一硅片上表面减薄至厚度为30μm；减薄后，在第一硅片的上表面生长的二氧化硅层的厚度为40nm。

步骤8，四次光刻，在第一硅片的上表面形成隔离环。

步骤9，五次光刻，在第一硅片的上表面进行掺杂，形成集电极负载电阻和基极电阻，通过磷注入，形成n^-型轻掺杂，所述掺杂浓度为5E14cm^-3。

步骤10，六次光刻，在第一硅片的上表面进行掺杂，形成集电区，通过磷注入，形成n⁺型重掺杂，所述掺杂浓度为1E18cm^-3。

步骤11，七次光刻，在第一硅片的上表面刻蚀基区窗口，进行掺杂，形成基区。

根据本发明一种优选的实施方式，采用等离子体刻蚀工艺(ICP)制作基区腐蚀凹槽结构，所述腐蚀凹槽的深度为25μm。

在进一步优选的实施方式中，在基区腐蚀凹槽通过硼注入，形成p⁺型重掺杂，所述掺杂浓度为1E18cm^-3。

步骤12，离子注入后快速退火处理，根据本发明一种优选的实施方式，所述快速退火处理为在900℃下真空环境处理35s，以修复晶格损伤，激活杂质。

步骤13，去除第一硅片上表面二氧化硅层，清洗SOI片，在第一硅片上表面等离子体化学气相沉积(PECVD)生长二氧化硅层，其中，所述生长的二氧化硅层的厚度为400nm。

步骤14，八次光刻，在第一硅片的上表面刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al。

步骤15，九次光刻，刻蚀金属Al形成金属Al互连线和金属电极。

步骤16，清洗，在第一硅片的上表面PECVD生长二氧化硅层，作为钝化层，其中，所述二氧化硅层的厚度为650nm。

步骤17，十次光刻，刻蚀钝化层，形成芯片压焊点。

步骤18，十一次光刻，在第二硅片的下表面ICP刻蚀至键合面发射区埋层，形成发射区引线硅槽。

步骤19，清洗晶圆，在晶圆背面真空蒸镀金属Al，形成金属Al电极7，进行合金化工艺形成欧姆接触，所述合金化工艺如下进行：在420℃下处理20min。

步骤20，在SOI晶圆中，通过“Bosch工艺”在第一磁敏感结构中间制作凹形通孔，在第二磁敏感的背部衬底刻蚀凹槽结构；

步骤21，通过显微镜下微操作将第二磁敏感结构沿凹槽结构嵌入到第一磁敏感结构中，并在第一磁敏感结构中固定第二磁敏感结构的位置，实现所述空间磁场矢量传感器。

实验例

采用北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的磁场发生系统，在室温、工作电压为5.0V、基极注入电流I_B分别为0.0mA、1.0mA、2.0mA、3.0mA、4.0mA、5.0mA的情况下，对实施例1制备的空间磁场矢量传感器进行特性测试，结果如图6～9所示。

图6中的(a)～(f)分别示出了第一硅磁敏三极管SMST1～第六硅磁敏三极管SMST6的I_C-V_CE特性，可以看出六个硅磁敏三极管满足一般三极管I_C-V_CE特性，且I_C-V_CE特性曲线基本一致，即硅磁敏三极管一致性较好。

图7中示出了x轴方向磁敏三极管的磁敏特性(SMST1、SMST3差分)，其中，图7中的(a)示出了不同基极电流下，输出电压随外加磁场变化的曲线(V_outx-B_x特性曲线)，可以看出基极电流对输出电压有调制作用；

图7中的(b)示出了基极电流I_B＝4mA时，输出电压随外加磁场变化的曲线，可以看出，基极电流恒定时，输出电压与磁场成正相关。

图8中示出了y轴方向磁敏三极管的磁敏特性(SMST2、SMST4差分)，其中，图8中的(a)示出了不同基极电流下，输出电压随外加磁场变化的曲线(V_outy-B_y特性曲线)，可以看出基极电流对输出电压有调制作用；

图8中的(b)示出了基极电流I_B＝4mA时，输出电压随外加磁场变化的曲线，可以看出，基极电流恒定时，输出电压与磁场成正相关。

图9中示出了z轴方向磁敏三极管的磁敏特性(SMST5、SMST6差分)，其中，图9中的(a)示出了不同基极电流下，输出电压随外加磁场变化的曲线(V_outz-B_z特性曲线)，可以看出基极电流对输出电压有调制作用；

图9中的(b)示出了基极电流I_B＝4mA时，输出电压随外加磁场变化的曲线，可以看出，基极电流恒定时，输出电压与磁场成正相关。

由上述可知，当施加电源电压5.0V时，实施例1所述空间磁场矢量传感器沿x轴方向检测的磁灵敏度为199mV/T，沿y轴方向检测的磁灵敏度为200mV/T，沿z轴方向检测的磁灵敏度为198mV/T。

因此，本发明所述的空间磁场矢量传感器可以实现对空间磁场的测量，并且在x轴、y轴、z轴三个方向具有磁灵敏度高一致性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种空间磁场矢量传感器，其特征在于，所述传感器包括第一磁敏感结构和第二磁敏感结构，所述第二磁敏感结构嵌入到第一磁敏感结构中；

所述第一磁敏感结构和第二磁敏感结构均制作在SOI晶圆上，二者的磁敏感方向正交且磁敏感中心重合，

所述第一磁敏感结构包括设置在SOI晶圆上的四个硅磁敏三极管，分别为第一硅磁敏三极管、第二硅磁敏三极管、第三硅磁敏三极管和第四硅磁敏三极管，

所述第二磁敏感结构包括设置在SOI晶圆上的第五硅磁敏三极管和第六硅磁敏三极管，

在所述第一磁敏感结构中设置有凹形通孔，在通孔的内壁设置有凸形结构(9)；

在所述第二磁敏感结构的衬底硅上设置有凹槽结构(10)，其与第一磁敏感结构凹形通孔内壁的凸形结构(9)镶嵌连接，使得第二磁敏感结构与第一磁敏感结构固定；

在SOI晶圆中，通过Bosch工艺在第一磁敏感结构中间制作凹形通孔，在第二磁敏感结构的背部衬底刻蚀凹槽结构,

通过显微镜下微操作将第二磁敏感结构沿凹槽结构嵌入到第一磁敏感结构中。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，

对x轴磁场分量敏感的第一硅磁敏三极管和第三硅磁敏三极管按相反磁敏感方向设置；

对y轴磁场分量敏感的第二硅磁敏三极管和第四硅磁敏三极管按相反磁敏感方向设置。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第五硅磁敏三极管和第六硅磁敏三极管按相反磁敏感方向设置，且磁敏感方向与芯片表面平行。

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