CN114545303A - 具有通量引导件复位的磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了磁场传感器结构和及其制造方法。磁场传感器结构至少包括集成在单个芯片上的磁阻传感器组件和晶体管组件。晶体管组件至少包括半导体装置和第一互连部。该方法包括在晶体管组件上沉积介电层。该方法包括去除介电层的一些部分以形成第一沟槽。该方法包括执行镶嵌过程以在第一沟槽内形成超厚金属层，从而创建第一金属线圈。第一金属线圈被配置为第一复位部件。该方法包括在第一金属线圈上沉积另一介电层。该方法包括在另一介电层内形成通量引导件。该方法包括在另一介电层上形成第二金属线圈。第二金属线圈被配置为第二复位部件。第一复位部件和第二复位部件被配置为复位机构，其配置成响应于晶体管组件且可操作以将通量引导件磁化到预定方向。
Description
技术领域
本公开总体涉及传感器，且更具体地说，涉及磁场传感器。
背景技术
传感器装置可以包括磁阻传感器，其被配置成检测平面内磁场。另外，传感器装置包括通量引导件，用于将平面外场（诸如z轴线场）引导到xy平面中，以由平面内磁阻传感器感测。通量引导件具有用于最佳z轴线响应的优选磁化方向。优选的磁化方向可能被干扰，例如，通过暴露于非常大的外部磁场，这可能在通量引导件中引入磁畴壁。这可能导致较低的信噪比（SNR）和磁阻传感器偏移读数的漂移。通量引导件的均匀磁化可以通过复位操作来复位。然而，这种复位操作通常依赖于大的操作电流，从而依赖于相对大的电压开销和/或显著的功率消耗。相对较大的操作要求往往使具有通量引导件复位机构的传感器装置不适合移动和智能电话应用。
发明内容
以下是下文详细描述的某些实施例的概述。所描述的方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面的描述并不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖下面可能没有明确阐述的各种方面。
根据至少一个方面，一种方法涉及制造能够将通量引导件磁化或去磁至预定磁取向的传感器装置。该方法包括在晶体管组件上沉积介电层。该方法包括在介电层中形成第一沟槽。第一沟槽至少部分地暴露连接到晶体管组件的第一互连部。该方法包括在限定第一沟槽的介电层的至少侧壁上沉积扩散阻隔层。该方法包括在扩散阻隔层上形成超厚金属（UTM）层，以在第一沟槽内制造第一金属线圈。该方法包括在第一金属线圈上沉积另一介电层。该方法包括在另一介电层中形成通量引导件。该方法包括在形成通量引导件之后在另一介电层中形成金属线。该方法包括在另一介电层上形成第二金属线圈。第二金属线圈可以连接到金属线。第一金属线圈和第二金属线圈被配置为复位机构，该复位机构被配置成响应于晶体管组件而将通量引导件磁化或去磁到预定磁取向。
根据至少一个方面，一种方法涉及在芯片上将磁阻传感器组件与晶体管组件集成。该方法包括在衬底上形成晶体管组件。晶体管组件至少包括半导体装置和第一互连部。第一互连部可操作地连接到半导体装置。该方法包括在晶体管组件上沉积介电层。该方法包括去除介电层的一些部分以形成至少部分地暴露第一互连部的第一沟槽。该方法包括执行镶嵌过程以在第一沟槽内形成UTM层，从而创建第一金属线圈。第一金属线圈被配置为第一复位部件。该方法包括在第一金属线圈上沉积另一介电层。该方法包括在另一介电层内形成通量引导件。该方法包括在另一介电层上形成第二金属线圈。第二金属线圈被配置为第二复位部件。第一复位部件和第二复位部件被配置为复位机构。复位机构被配置成响应于晶体管组件。复位机构被配置成可操作以将通量引导件磁化或去磁到预定的磁取向。
根据至少一个方面，一种方法涉及制造包括CMOS装置和磁阻传感器装置的传感器结构，该磁阻传感器装置具有用于通量引导件的复位操作。该方法包括在CMOS装置上沉积介电层。该方法包括在介电层中形成第一沟槽。第一沟槽在平面图中包括介电层中的线圈形状。该方法包括在介电层的第一沟槽内形成UTM层，以制造第一金属线圈。UTM层可以经由阻隔籽晶沉积、然后电镀、沉积或任何其他合适的方法形成。第一金属线圈被配置为第一复位部件。该方法包括在第一金属线圈上沉积另一介电层。该方法包括沿着另一介电层的至少侧壁部分形成通量引导件。该方法包括在另一介电层上形成第二金属线圈，使得通量引导件位于第一金属线圈和第二金属线圈之间。第二金属线圈可以可操作地连接到第一金属线圈。第二金属线圈被配置为第二复位部件。第一复位部件和第二复位部件被配置为复位机构。复位机构被配置成执行复位操作，以使用小于5伏的电压将通量引导件定向到预定的磁取向。
根据附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将在下面的详细描述中讨论，在所有附图中，相同的字符表示相似或相同的部分。
附图说明
图1是根据本公开的示例实施例的包括三个差分传感器的磁场传感器的示例的图，其中每个差分传感器由以惠斯通电桥配置连接的感测元件形成。
图2是根据本公开的示例实施例的磁场传感器的俯视图的图，该磁场传感器具有形成Z传感器的子块的布置，其中每个子块包括复位机构。
图3是根据本公开的示例实施例的传感器结构的一部分的堆叠结构的示例的一个截面的图。
图4是根据本公开的示例实施例的图3的堆叠结构的一部分的另一截面视图的图。
图5是根据本公开的示例实施例的用于制造传感器结构的方法的示例的流程图，该方法包括形成图4所示的堆叠结构的该部分的集成过程。
图6A、图6B、图6C和图6D是示出根据本公开的示例实施例的在制造UTM模块的过程的不同阶段期间传感器结构的堆叠结构的部分的截面的图。
图7A、7B和7C是示出根据本公开的示例实施例在制造通量引导件模块的过程的不同阶段期间传感器结构的堆叠结构的部分的截面的图。
图8A、8B、8C和8D是示出根据本公开的示例实施例的在制造UTM模块和金属线之间的连接的过程的不同阶段期间，传感器结构的堆叠结构的部分的截面的图。
具体实施方式
已经通过示例示出和描述的本文描述的实施例以及它们的许多优点将通过前面的描述被理解，并且很明显，在不脱离所公开的主题或者不牺牲其一个或多个优点的情况下，可以在部件的形式、构造和布置上进行各种改变。实际上，这些实施例的描述形式仅仅是解释性的。图示提供了概念上的可视化，它们可以按比例绘制，或者不按比例绘制。这些实施例易于进行各种修改和替代形式，并且下面的权利要求旨在涵盖和包括这种变化，并且不限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
一般来说，磁阻传感器用于全惠斯通电桥配置中，其中电桥的所有四个分支178、180、182和184具有相同的电阻，并对外部场作出反应。例如，磁阻传感器可以包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）、隧道磁阻（TMR）或任何合适的磁阻技术。在沿着敏感方向存在外部场的情况下，两个电桥分支的电阻增加，而另两个电桥分支的电阻减小，以产生与所施加的场成比例的差分输出电压。在替代实施例中，电桥分支中的一个或两个可以相对于所施加的磁场改变，而其他两个电桥分支保持固定或以较低的增加速率增加。例如，这是在Z轴线传感器中通过围绕隧道磁阻（TMR）感测元件不对称地定位通量引导件以在存在环境Z轴线场的情况下产生净差分输出电压来实现的。
图1示出了磁阻（MR）传感器100的示例的图。该MR传感器包括第一差分传感器102、第二差分传感器122和第三差分传感器142，用于分别检测沿着第一轴线120（例如，y轴线方向）、第二轴线140（例如，x轴线方向）和第三轴线160（例如，z轴线方向）施加的场的分量方向。第一差分传感器102、第二差分传感器122和第三差分传感器142中的每一者都由以惠斯通电桥配置连接的不被屏蔽的感测元件形成。因此，第一差分传感器102由在对应的多个钉扎层112、114、116、118上的电桥配置中的多个感测元件104、106、108、110的连接形成，其中每个钉扎层112-118在x轴线方向上被磁化。以类似的方式，第二差分传感器122由在对应的多个钉扎层132、134、136、138上的电桥配置中的多个感测元件124、126、128、130的连接形成，每个钉扎层132、134、136、138在垂直于钉扎层112、114、116和118的磁化方向的y轴线方向上被磁化。
此外，第三差分传感器142与第一传感器102和第二传感器122在同一平面内。第三差分传感器142由在对应的多个钉扎层152、154、156、158上的电桥配置中的多个感测元件144、146、148、150的连接形成，每个钉扎层152、154、156、158都沿着平面内方向被磁化。在该第三电桥配置中，感测元件144、146、148和150全都具有与钉扎层152、154、156、158的钉扎磁化方向正交的易磁化轴线方向。第三电桥配置还包括分别邻近感测元件146和150的右边缘定位的通量引导件162和164，以及分别邻近感测元件144和148的左边缘定位的通量引导件166和168。通量引导件166、162、168和164定位在感测元件144、146、148和150的下方。
通过将第一差分传感器102和第二差分传感器122定位成正交对准，每个传感器的感测元件取向从该传感器的钉扎方向相等地偏转，并且在每个传感器中彼此正交，传感器可以检测沿着第一轴线（y轴线）和第二轴线（x轴线）施加的场的分量方向。通量引导件162和166定位在元件146和144的相对边缘下方的差分传感器142中、以不对称的方式位于分支172和分支170之间。感测元件146的通量引导件162将来自Z场的磁通量沿着右侧引导到平面内，并使感测元件146的磁化在第一方向上朝向更高的电阻旋转。类似地，来自Z场的磁通量可以被通量引导件166沿着感测元件144左侧引导到平面内，并导致感测元件144的磁化在第二方向上朝向较低的电阻旋转，该第二方向与第一方向相反，因为该引导件与引导件162反对称。此外，通量引导件164和168定位在元件150和148的相对边缘下方的差分传感器142中、以不对称的方式位于分支176和分支174之间。感测元件150的通量引导件164将来自Z场的磁通量沿着右侧引导到平面内，并使感测元件150的磁化在第一方向上朝向更高的电阻旋转。类似地，来自Z场的磁通量可以被通量引导件168沿着感测元件148左侧引导到平面内，并导致感测元件148的磁化在第二方向上朝向较低的电阻旋转，该第二方向与第一方向相反，因为该引导件与引导件164反对称。因此，差分传感器142可以检测沿着第三轴线或竖直轴线（z轴线）施加的场的分量方向。
图2描绘了TMR传感器装置200的一部分的概念图。类似于图1的差分传感器102、122、142如何检测所施加的场的分量方向，TMR传感器装置200包括第一、第二和第三差分传感器，其被配置成分别检测沿第一轴线（y轴线）、第二轴线（x轴线）和第三轴线（z轴线）施加的场的分量方向。更具体地，图2图示了TMR装置200的第三差分传感器202（Z传感器202）的一部分的平面图。该Z传感器202被配置成检测沿着第三轴线或Z轴线方向施加的磁场的分量方向。
在图2所示的示例中，Z传感器202包括八个子块204A~204H，其中子块204A~204H中的每一者都包括具有感测元件和通量引导件的传感器阵列206、独立的通量引导件复位线圈208和独立的感测元件复位线圈210。每个子块204A~204H的独立的通量引导件复位线圈208和独立的感测元件复位线圈210使得子块204A~204H能够在Z传感器202的读取周期之间彼此独立地复位。作为说明性示例，子块204C的通量引导件复位线圈208和感测元件复位线圈210使得子块204C的相应感测元件和通量引导件能够独立于其他子块204A~204B和204D~204H的相应感测元件和通量引导件被复位。在这点上，当子块204C的感测元件和通量引导件复位时，子块204A~204B和204D~204H的感测元件和通量引导件不复位。作为另一个说明性示例，通量引导件复位线圈208和感测元件复位线圈210使得子块204A、204C、204E和204H的相应感测元件和通量引导件能够独立地复位，而子块204B、204D、204F和204G的相应感测元件和通量引导件不复位。
子块204A~204H中的每一者的传感器阵列206、通量引导件复位线圈208和感测元件复位线圈210之间的位置关系从子块到子块大致是相似的，并且限定了子块的取向。如图2所示，八个子块204A~204H相对于彼此以水平和竖直取向布置。例如，子块204A-204B和204E-204F相对于图2的观察方向具有竖直取向，而子块204C-204D和204G-204H相对于图2的观察方向具有水平取向。不同的子块取向减轻了应力和温度对Z传感器202性能的影响，因为各向异性方向上的这些影响被一起平均。
图2所描绘的实施例中的通量引导件复位线圈208是平面线圈，其具有最外面的线圈部分、最里面的线圈部分和设置在最外面和最里面的线圈部分之间的多个内匝圈。平面线圈具有线性延伸长边长度的起始段，然后是以预定角度（例如，45度、90度等）或合适的形状（例如，弧形）从起始短定向并线性延伸短边长度的第一线圈段，以及然后是以预定角度（例如，45度、90度等）或合适的形状（例如，弧形）定向并线性延伸另一长边长度的第二线圈段。这种模式继续下去，其中长边和短边长度在围绕绕组轴线以限定线圈的每一相继的匝圈之后变得更短。长边长度被构造成与隧道结（TJ）和通量引导件312重叠。
感测元件复位线圈210被作为覆盖通量引导件复位线圈208和传感器阵列206的单独的金属层提供。感测元件复位线圈210基本上布置在与通量引导件复位线圈208布置在其中的平面间隔开的平面中，并且感测元件复位线圈210与通量引导件复位线圈208电绝缘。感测元件复位线圈210相对于传感器阵列206以这样的方式定位，使得它可以执行感测元件复位操作，以及在用通量引导件复位线圈208进行通量引导件复位操作期间增加到总复位场。传感器阵列206设置在感测元件复位线圈210和通量引导件复位线圈208之间，使得这两个线圈中的一者定位在传感器阵列206上方，而这两个线圈中的另一者定位在传感器阵列206下方。
Z传感器202还包括电路，该电路可操作地连接到通量引导件复位线圈208和感测元件复位线圈210中的每一者。该电路包括被配置成建立和/或断开电连接和/或向/从一个或多个导电元件/或在其之间传递电压和/或电流的结构、装置或技术，该电路可操作地与其相关联或连接。Z传感器202的电路被具体配置成在每一个子块204A-204H内彼此独立地并且在不同的子块204A-204H之间独立地执行通量引导件复位操作和感测元件复位操作。
为了执行通量引导件复位操作，电路被配置成激励通量引导件复位线圈208和感测元件复位线圈210两者，以分别在通量引导件复位线圈208周围产生第一复位场并且在感测元件复位线圈210周围产生第二复位场。第一和第二复位场结合以建立总复位场，该总复位场足以将一组通量引导件的磁化定向到已知的、先前校准的状态，该状态可互换地称为该组通量引导件的预定磁化方向/取向或预定通量引导件磁化方向/取向。在用于执行通量引导件复位操作的另一个实施例中，电路还被配置成激励通量引导件辅助线圈，以在通量引导件辅助线圈周围产生第三复位场。第三复位场被配置成平滑通量引导件附近的第一复位场，这有助于在通量引导件复位操作期间定向或重新定向通量引导件的磁化。
图3是示出根据示例实施例的传感器结构300的一部分的截面的图。传感器结构300在单个芯片上将晶体管技术与磁阻技术（诸如隧道磁阻（TMR）技术）集成。例如，在图3中，传感器结构300包括相对于衬底306以堆叠布置的晶体管组件302和磁阻传感器组件304。晶体管组件302和磁阻传感器组件304可操作地彼此连接。
晶体管组件302至少包括互补金属氧化物半导体（CMOS）装置308。晶体管组件302可以包括至少一个金属-绝缘体-金属（MIM）装置310或磁阻装置。例如，在图3中，晶体管组件302至少包括电路，该电路被配置成激活磁阻传感器组件304的通量引导件复位机构，以建立足以将至少一个通量引导件312的磁化定向到已知的、先前校准的状态的总复位场。尽管在图3的截面图中未示出，但CMOS装置308至少包括标准CMOS部件。如关于图2的Z传感器202所讨论的，CMOS装置308被配置为电路。在这点上，CMOS装置可操作来控制至少一个复位操作，以激励通量引导件复位机构，从而将通量引导件312设置成预定状态。另外，CMOS装置308可操作来至少控制对感测元件314（诸如TMR装置）的复位操作。此外，晶体管组件302和/或CMOS装置308包括一个或多个金属层316。作为非限制性示例，在图3中，晶体管组件302至少包括第一金属层M1、第二金属层M2、第三金属层M3和第四金属层M4。所述多个金属层316与多个绝缘层318交替设置，至少如图3所示。所述多个绝缘层318设有多个竖直互连部320，其可操作地将所述多个金属层316和CMOS装置308彼此连接。所述多个竖直互连部320包括任何合适数量的竖直互连部320。例如，在图3中，所述多个竖直互连部320至少包括第一竖直互连部VIA1、第二竖直互连部VIA2、第三竖直互连部VIA3、第四竖直互连部VIA4和第五竖直互连部VIA5。参考图3，作为示例，上部金属层（例如，第四金属层M4）被配置成经由上部竖直互连部320（例如，VIA5）连接到磁阻传感器组件304。另外，在金属层316的绝缘部分内，MIM装置310设置在至少一个金属层316的附近。例如，在图3中，MIM装置310是设置在第三金属层M3和第四金属层M4之间的绝缘部分中的电容器顶部金属（CTM）装置。在这点上，MIM装置310经由金属层316和竖直互连部320可操作地连接到CMOS装置308。
磁阻传感器组件304至少包括被配置为Z传感器202的TMR装置。例如，图3图示了TMR装置的一部分的截面图的概念图，其包括至少一个感测元件314，该感测元件对应于图2的传感器阵列206的感测元件中的至少一个。TMR装置被配置成检测沿着第三轴线或z轴线方向施加的磁场的分量方向。此外，TMR装置包括通量引导件312和通量引导件复位机构。在这个示例中，通量引导件复位机构至少包括第一复位部件和第二复位部件。第一复位部件包括超厚金属（UTM）线圈322的至少一区段，其被配置为通量引导件复位线圈208（图2），并且其相对于俯视平面图被配置为至少一个线圈。第二复位部件包括上部金属互连元件324的至少一区段，其被配置为感测元件复位线圈210（图2），并且其相对于俯视平面图被配置为至少一个线圈。在该示例中，上部金属互连元件324包括至少一个线圈或任何合适数量的线圈。另外，通量引导件复位机构可以包括至少一个其他复位部件（未示出），诸如前面讨论的通量引导件辅助线圈。至少如图3所示，通量引导件312设置在第一复位机构（例如，UTM线圈322）和第二复位机构（例如，上部金属互连元件324）之间。
响应于与晶体管组件302的通信，通量引导件复位机构被配置成执行复位操作，其中第一复位部件和第二复位部件两者都被激活，以将通量引导件312复位到预定磁取向或默认设置。更具体地，复位机构有利地被配置成使用小于5伏的电压来执行复位操作，从而适合于各种应用，包括例如移动和智能电话应用。例如，在图示的实施例中，通量引导件复位机构被配置成使用大约3伏但小于3.5伏的电压来执行复位操作。
磁阻传感器组件304包括设置在介电层328内的竖直互连部326，介电层328设置在UTM线圈322上。竖直互连部326将UTM线圈322连可操作地接到金属线332。在图3中，金属线332包括铜。金属线332借助于竖直互连部334连接到磁隧道结（MTJ）元件。MTJ元件包括磁参考元件336（或钉扎元件336）和感测元件314。感测元件314响应于场提供电阻变化。MTJ元件借助于竖直互连部338连接到磁局部互连部（MLI）340。另外，上部金属互连元件324借助于竖直互连部342连接到金属线332。金属垫344包括铝、钽、铜、任何合适的金属或其任何合适的组合。此外，传感器结构300包括这些各种部件之间的合适厚度的数个介电层328和蚀刻停止层330，如图3所示。
图4提供了示出图3的传感器结构300的选定部分的另一截面的另一视图。与示出相对于UTM线圈322的纵向尺寸截取的传感器结构300的一部分的截面的图3相比，图4示出相对于UTM线圈322的横向尺寸截取的传感器结构300的堆叠结构的选定部分的截面。更具体地，图4示出了与晶体管组件302和磁阻组件304的集成相关的堆叠结构的部分，该部分通过沿着竖直轴线（例如厚度方向）是紧凑的且包括用于更精细的平面内布线能力的镶嵌技术，为通量引导件312提供了改进的复位操作，以及为传感器结构300的剩余部分提供了更大的设计选项（例如布线选项）。
图5、6A-6D、7A-7C和8A-8D示出了根据示例实施例的用于制造传感器结构300的方法500，该方法500产生图4所示的堆叠结构的至少一部分。更具体地，图5示出了方法500的流程图，该方法包括制造磁阻传感器组件304的过程，该磁阻传感器组件304在具有晶体管组件302的堆叠配置中具有改进的复位机构。同时，图6A-6D、7A-7C和8A-8D示出了根据图5的方法500在该过程的各个阶段处的传感器结构300的截面。该方法500在将磁阻传感器组件304与通量引导件复位操作单片集成方面是有利的，通量引导件复位操作具有改进的配置和减少的功率供应，其以与晶体管组件302在单个芯片上处于堆叠配置中。
在步骤502，方法500包括制造晶体管技术。例如，在图6A中，方法500包括相对于衬底306制造晶体管组件302。在图6A中，晶体管组件302包括至少一个CMOS装置308和至少一个MIM装置310。例如，方法500包括制造包括多个金属层316的CMOS装置308。另外，方法500可以包括在绝缘部分内制造至少一个MIM装置310，多个金属层316设置在该绝缘部分中。例如，参考图6A，将MIM装置310制造在位于CMOS组件上部部分处的一对邻近金属层316之间的绝缘部分中。在这种情况下，MIM装置310位于第三金属层M3和第四金属层M4之间。MIM装置310被有利地定位成避免干扰至少一个其他部件，该部件可能中断至少MIM装置310的操作。
在步骤504处，方法500包括在晶体管组件302上制造UTM模块。图6A-6D图示了在制造UTM模块的过程期间传感器结构300的截面。在形成上部金属层（M4）和上部竖直互连部（例如，VIA5）之后的阶段处制造和/或获得晶体管组件302后，方法500包括在晶体管组件302上沉积第一蚀刻停止层330（E1）和第一介电层328（D1）。
方法500包括使用UTM掩模作为图案来在绝缘层内创建UTM线圈322。当介电层由UTM掩模的图案成形时，UTM线圈322由介电层成形为在平面图中具有线圈形状，例如如图2所示。在这点上，UTM掩模暴露第一介电层328（D1）的一部分，该部分将经历蚀刻以创建用于UTM线圈322的沟槽，该沟槽的至少一个部分被对准以与竖直互连部320（VIA5）连接，同时保护该第一介电层328（D1）的其他区域。更具体地，如图6B的截面图所示，方法500包括使用UTM掩模在第一介电层328（D1）中创建沟槽346，同时在沟槽346的形成期间掩蔽第一介电层328（D1）的非沟槽区域。在第一介电层328上提供UTM掩模（D1）后，方法500包括通过去除第一介电层328的对应部分（D1）和第一蚀刻停止层330的对应部分（E1）来形成沟槽346，同时使用第一蚀刻停止层330（E1）作为何时停止蚀刻的参考。例如，如图6B所示，沟槽346在这样的程度上形成为暴露竖直互连部320（VIA5），使得UTM线圈322的一部分在形成时能够借助于竖直互连部320（VIA5）连接到CMOS装置308。一旦形成，如图6B所示，沟槽346就由第一介电层328（D1）的侧壁346A、第一蚀刻停止层330（E1）的侧壁346B、绝缘层318的上表面部分346C和竖直互连部320（VIA5）的上表面部分限定。
方法500包括在所得结构上形成UTM层322A（图6B），使得UTM层322A至少填充沟槽346。另外，如图6C所示，UTM层322A可以形成为覆盖第一介电层328（D1）的上表面。例如，在图6C中，方法500包括执行镶嵌过程以形成UTM层322A。镶嵌过程包括通过至少形成阻隔层、籽晶层、铜板和/或铜合金来形成铜层。UTM层322A包括铜、铜合金或提供本文所述功能的任何合适的导电材料。在形成UTM层322A之后，方法500包括通过去除UTM层322A的涂覆第一介电层328（D1）的上表面的多余部分来形成UTM线圈322。例如，UTM层322A可以通过化学机械抛光（CMP）过程来精制，以形成UTM线圈322和预定厚度的第一介电层328（D1）。在这方面，例如，CMP过程可以包括以钽（Ta）作为终点（EP）抛光的铜CMP。更具体地，至少如图6D所示，CMP过程可以包括去除介电层328（D1）的局部部分，使得UTM层322A的剩余部分形成UTM线圈322。在示例实施例中，根据制造公差，UTM线圈322具有等于或基本等于1微米的厚度T1。根据传感器设计目标的要求，厚度T1可以适于大于抑或小于1 um。如上所述，在图6D中，UTM线圈322包括铜。此外，UTM线圈322包括在平面图中由沟槽346限定的平面线圈。在这种情况下，UTM线圈322的厚度等于或基本等于第一蚀刻停止层330（E1）的厚度和第一介电层328（D1）的厚度。另外，由于竖直互连部（VIA5）暴露在沟槽346的底部处，因此UTM线圈322被配置成连接到下面的金属和通孔层，并且因此连接到CMOS装置308。该特征使得被配置为通量引导件复位线圈208的UTM线圈322能够响应于CMOS装置308。
在步骤506处，方法500包括在UTM模块上形成介电部分，并且在衬底306上形成晶体管组件302。同时，图7A图示了在形成介电部分后传感器结构300的截面。在这点上，例如，方法500包括在所得结构（图6D）上沉积第二蚀刻停止层330（E2），该结构至少包括UTM线圈322的上表面和介电层328（D1）的上表面。第二蚀刻停止层330（E2）可以包括与第一蚀刻停止层330（E1）相同或基本相同的厚度。相对比地，第二介电层328（D2）的厚度小于第一介电层328（D1）的厚度。此外，方法500包括在第二介电层328（D2）上沉积第三蚀刻停止层330（E3）。然后，第三介电层328（D3’）沉积在第三蚀刻停止层330（E3）上。第三蚀刻停止层330（E3）可以包括与第一蚀刻停止层330（E1）和/或第二蚀刻停止层330（E2）相同或基本相同的厚度。在这个示例中，第三介电层328（D3’）比第二介电层328（D2）更厚。第三介电层328（D3’）被配置成使通量引导件312、金属线332和金属填充物332A绝缘。金属填充物332A是金属部分。在该示例中，每个蚀刻停止层330（E1、E2和E3）包括氮化硅或任何合适的材料。此外，每个介电层328（D1、D2、D3’和D3）包括四乙氧基硅烷（TEOS）或任何合适的材料。
在步骤508处，方法500包括在衬底306上相对于UTM模块和晶体管组件302制造通量引导件312。在这点上，图7B-7C是在制造通量引导件312的过程期间传感器结构300的截面。
更具体地，在步骤506处在UTM线圈322和第一介电层328（D1）上形成第二蚀刻停止层330（E2）、第二介电层328（D2）、第三蚀刻停止层330（E3）和第三介电层（D3’）后，方法500包括在第三介电层328（D3）上沉积通量引导件掩模。产生并施加通量引导件掩模，以使得沟槽348能够相对于其他部件形成为适当的尺寸和位置，同时在沟槽348的形成期间保护这些其他部件。通量引导件掩模在合适的位置处暴露第三介电层328A（D3’）的沟槽区域，同时保护第三介电层328A（D3’）的非沟槽区域。当在第三介电层328A（D3’）上放置通量引导件掩模后，方法500包括通过去除第三介电层328A（D3’）的对应部分、第三蚀刻停止层330的对应部分（E3）和第二介电层328（D2）的上部部分来形成沟槽348。如图7B所示，沟槽348形成为从第三介电层328A（D3’）的上表面延伸到第二介电层328的中间部分（D2），同时完全延伸穿过第三介电层328A（D3’）和第三蚀刻停止层330（E3）。在这种情况下，至少如图7B所示，沟槽348可以逐渐变细，以在第三介电层330（D3’）处比在第二介电层330（D2）处更宽。换句话说，沟槽348在第二介电层330（D2）处比第三介电层330（D3’）处更窄。
一旦形成沟槽348，方法500就包括形成通量引导件312。例如，可以通过在所得结构上沉积合金层312A来形成通量引导件312，使得沟槽348使其底表面348A和第二介电层328（D2）的侧壁348A、第三蚀刻停止层330（E3）的侧壁348C以及第三介电层328（D3’）的侧壁348D衬有合金层312A。在这方面，通过溅射沉积、电镀、非电镀、任何合适的方法或其任何合适的组合来形成通量引导件312。通量引导件312被成形为放置在传感器结构的表面上或内的条或其他引导件几何形状。
参考图7B，作为示例，合金层312A包括在沟槽348的侧壁348B、348C和348D上的镍铁（NiFe）合金衬里或任何合适的铁磁衬里。如图7B所示，通量引导件312主要沿着沟槽348的侧壁348B、348C和348D竖直定向。例如，根据制造公差，该合金衬里通常形成为大约1微米，但是可以小于1微米或大于1微米。此外，在该示例中，如图7C所示，方法500包括执行溅射过程以蚀刻掉第三介电层328A（D3’）的上表面和沟槽348的底表面348A上的镍铁合金层312A。溅射过程包括氩气或任何合适的一种元素或多种元素来执行蚀刻。接下来，方法500包括在第三介电层328A（D3’）上提供附加介电沉积物，以形成预定厚度的介电层328（D3）。
另外，方法500包括在UTM模块和金属线332之间制造至少一个电连接。图8A-8D图示了在UTM线圈322和金属线332之间建立至少一个连接的过程的各个阶段期间传感器结构300的截面。在这点上，方法500包括形成从第三介电层328（D3）的上表面延伸到第二蚀刻停止层330（E2）的上表面的通孔352。在这种情况下，通过使用掩模形成通孔352，该掩模暴露与UTM线圈322对准的期望区域，同时保护其他相邻区域。方法500包括使用掩模从第三介电层328（D3）的上表面到第二蚀刻停止层330（E2）的上表面去除堆叠的对应部分。在这种情况下，在第三介电层328（D3）、第三蚀刻停止层330（E3）和第二介电层328（D2）的对应部分上执行蚀刻。在示例中，执行蚀刻，使得通孔352对于这些层中的每一层都包括均匀的宽度。如图8A和8B所示，该通孔352具有在第二介电层328（D2）处获得的宽度W2（或在第二蚀刻停止层330（E2）处获得的宽度W2），该宽度W2小于UTM线圈322的宽度W1，因为通孔352被构造成成形和限定竖直互连部326，该竖直互连部326用作UTM线圈322和金属线332之间的电连接。
方法500包括为连接到通孔352的金属线332制造沟槽354。沟槽354用掩模形成。该掩模使得沟槽354的形成能够与通孔352和UTM线圈322对准。方法500包括蚀刻第三介电层328（D3）和第三蚀刻停止层330（E3）的对应部分，以在这些层中形成沟槽354。通过使用第三蚀刻停止层330（E3）作为参考来执行蚀刻。沟槽354由第二介电层328（D2）的上表面部分354A、第三蚀刻停止层330（E3）的侧壁354B和第三介电层328（D3）的侧壁354C限定。
方法500包括通过去除具有宽度W2的第二蚀刻停止层330（E2）的对应部分来形成通孔356。通孔356被形成为暴露UTM线圈322的上表面354A，从而将通孔356与通孔352结合起来，以限定用于制造竖直互连部326的空间。在该示例中，用于金属线332的沟槽354的宽度W3大于用于竖直互连部326的通孔352/356的宽度W2，使得金属线332的宽度大于竖直互连部326的宽度。另外，用于金属线332的沟槽的宽度W3可以在制造公差内小于或等于沟槽346的宽度W1（或UTM线圈322的宽度W1）。
方法500还包括形成用于通量引导件312的竖直互连部326、金属线332和金属填充物332A。在该示例中，方法500包括执行镶嵌过程或双镶嵌过程以形成金属形成物358，该金属形成物358为通量引导件312提供竖直互连部326、金属线332和金属填充物332A。镶嵌过程或双镶嵌过程包括形成阻隔层、籽晶层、铜板、铜合金、任何其它镶嵌步骤或其任何组合。例如，如图8C和8D所示，方法500包括通过相同的镶嵌或双镶嵌过程形成用于通量引导件312的竖直互连部326、金属线332和金属填充物332A。更具体地，至少如图8B和8D所示，竖直互连部326形成在由UTM线圈322的上表面、第二蚀刻停止层330（E2）的侧壁356A和第二介电层32（D2）8的侧壁352B界定或限定的区域内。此外，金属线332（D3）形成在由第三介电层330的侧壁354C、第三蚀刻停止层330（E3）的侧壁354B、第二介电层330的上表面部分354A（D2）和竖直互连部326的上表面界定或限定的区域内。另外，用于通量引导件312的金属填充物332A形成在对应于沟槽350的区域内，并且由第三介电层328的壁部分（D3）、通量引导件312的壁部分和第二介电层328的壁部分（D2）界定或限定。在这点上，方法500包括提供该金属形成物358，使得这些区域中的至少每一个被填充以形成通量引导件311的竖直互连部326、金属线332和用于金属填充物332A。除了填充用于这些部件的对应沟槽之外，金属形成物358还覆盖堆叠，使得金属形成物358以预定量在至少第三介电层328上提供覆盖层。
此外，如图8D所示，方法500包括执行CMP过程以从堆叠移除过量的金属形成物358，使得金属线332和金属填充物332A分别被制造成预定厚度。如图所示，金属填充物332A的厚度比金属线332更厚，因为沟槽350的深度大于沟槽354的深度。在执行CMP过程之后，堆叠被提供有竖直互连部326、金属线332和金属填充物332A。在该示例中，金属形成物358包括铜，使得竖直互连部326、金属线332和金属填充物332A中的每一者都包括铜或任何可比的金属或材料。
在步骤510，方法500包括继续制造磁阻传感器组件304的剩余第二部分304B，如图4所示，以产生传感器结构300的至少所述部分，如图3所示。在这点上，在步骤508之后，然后方法500被配置成执行与形成磁阻传感器组件304的第二部分304B相关联的标准过程，以创建传感器结构300。例如，方法500还包括形成上部金属互连元件324，并且在通量引导件312和感测元件314上形成各种特征（例如，磁阻磁感测层、介电层、互连部等）之后，将上部金属互连元件324配置为感测元件复位线圈210（图2）。
如本文所讨论的，实施例包括许多有利特征以及益处。例如，实施例提供了用于形成磁场传感器的改进的配置和制造过程，该磁场传感器响应于在三维中施加的磁场，并且能够以相对低的电压要求执行复位操作，以确保其正常运行。这些实施例在提供磁场传感器方面也是有利的，该磁场传感器与集成电路结构（例如，晶体管组件302）一起被高效且廉价地构造，同时提供抵抗外部场冲击的稳定输出，并且同时兼容以供用于移动应用、电子罗盘应用、其他合适的应用或其任何组合。在这点上，实施例被配置成消耗更少的电池功率并维持更长的电池寿命，例如在移动应用中。
此外，实施例在形成CMOS装置308之后并且在形成磁通量引导件312之前，将包括铜的低电阻UTM线圈322集成到晶体管组件302中，以提供整体式三维感测单元作为单个芯片上的堆叠。利用这些集成过程，实施例使得部件能够更靠近，并且使得复位操作能够在需要时以更低的电流发生，例如，诸如在磁场过度暴露的情况下。另外，这些较低的电流使得能够降低电荷耗散，从而实现更低的复位功率、更小的复位电容器、更小的芯片尺寸和更小的互连电阻。
有利地，实施例具有复位机构，其有利地配置有包括铜作为其复位部件之一的UTM线圈322。通过使用铜UTM线圈322作为第一复位部件，使得实施例能够将这些第一复位部件定位成在距离上更靠近通量引导件312（例如，与涉及包括铝的复位部件的其他配置相比，更靠近40%）。另外，这些实施例为通量引导件312提供复位机构，其中根据制造公差，选定的铜UTM线圈322的厚度可以是大约1微米。通过将UTM线圈322制造成包括铜，UTM线圈322减小了堆叠在竖直方向上的总高度。这些实施例提供了具有最小设计规则（MDR）的更精细的UTM线圈322，该最小设计规则提供了具有高效布线和间隔选项的配置，从而实现了紧凑和紧密的密度配置。
也就是说，以上描述旨在说明性的，而不是限制性的，并且是在特定应用及其要求的背景下提供的。本领域技术人员可以从前面的描述中理解，本发明可以以各种形式实现，并且各种实施例可以单独或组合实施。因此，尽管已经结合其特定示例描述了本发明的实施例，但是在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，这里定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用，并且本发明的实施例和/或方法的真实范围不限于所示出和描述的实施例，因为在研究附图、说明书和所附权利要求之后，各种修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。例如，部件和功能可以以不同于各种描述的实施例的方式被分离或组合，并且可以使用不同的术语来描述。这些和其他变化、修改、添加和改进可能落入如所附权利要求中定义的本公开的范围内。
Claims (20)
1.一种用于制造磁传感器装置的方法，使得所述磁传感器装置能够将通量引导件磁化到预定的磁取向，所述方法包括：
在晶体管组件上沉积介电层；
在所述介电层中形成第一沟槽，所述第一沟槽至少部分地暴露连接到所述晶体管组件的第一互连部；
在限定所述第一沟槽的介电层的至少侧壁上沉积扩散阻隔层；
在所述扩散阻隔层上形成超厚金属（UTM）层，以在所述第一沟槽内制造第一金属线圈；
在所述第一金属线圈上沉积另一介电层；
在所述另一介电层中形成通量引导件；
在形成所述通量引导件之后，在所述另一介电层中形成金属线；以及
在所述另一介电层上形成第二金属线圈，
其中，所述第一金属线圈和所述第二金属线圈被配置为复位机构，所述复位机构被配置成响应于所述晶体管组件以将所述通量引导件磁化或去磁至所述预定磁取向。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
用铜执行镶嵌过程以形成所述UTM层，
其中，所述第一金属线圈被制造成使得所述复位机构被配置成使用小于5伏的电压来执行复位操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一金属线圈包括铜；并且
所述第一金属线圈具有小于两微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述晶体管组件上形成磁阻传感器，其中，所述第一金属线圈位于衬底上的堆叠中的所述磁阻传感器和所述晶体管组件之间。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
沉积中间介电层，所述中间介电层在所述另一介电层之前形成，使得所述中间介电层位于所述介电层和所述另一介电层之间；
去除中间介电层的一部分以形成用于第二互连部的第二沟槽，所述第二沟槽至少部分地暴露所述第一金属线圈；以及
用铜执行镶嵌过程以形成所述第二互连部、所述金属线和与所述通量引导件接触的金属部分，
其中，所述第二互连部将所述第一金属线圈可操作地连接到所述金属线。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述中间介电层中形成所述第二沟槽之前，在所述另一介电层中形成所述通量引导件。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
在所述另一介电层和一部分所述中间介电层中形成第三沟槽；
通过在限定所述第三沟槽的所述另一介电层的第一侧壁部分和所述中间介电层的第二侧壁部分上沉积铁磁层来制造所述通量引导件；以及
在所述另一介电层中形成第四沟槽，所述第四沟槽至少部分地暴露所述第二沟槽，
其中，所述金属线形成在所述第四沟槽中。
8.一种用于在芯片上将磁阻传感器组件与晶体管组件集成的方法，所述方法包括：
在衬底上形成晶体管组件，所述晶体管组件至少包括半导体装置和第一互连部，所述第一互连部可操作地连接到所述半导体装置；
在所述晶体管组件上沉积介电层；
去除所述介电层的一些部分以形成至少部分地暴露所述第一互连部的第一沟槽；
执行镶嵌过程以在所述第一沟槽内形成超厚金属（UTM）层，从而创建第一金属线圈，所述第一金属线圈被配置为第一复位部件；
在所述第一金属线圈上沉积另一介电层；
在所述另一介电层内形成通量引导件；以及
在所述另一介电层上形成第二金属线圈，所述第二金属线圈被配置为第二复位元件，
其中，所述第一复位部件和所述第二复位部件被配置为复位机构，所述复位机构被配置成响应于所述晶体管组件，并且可操作以将所述通量引导件磁化或去磁至预定磁取向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述UTM层包括铜。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
对所述UTM层进行抛光以形成具有不大于两微米的厚度的第一金属线圈。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复位机构被配置成执行复位操作，以使用小于5伏的电压将所述通量引导件复位到预定磁取向。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
沉积中间介电层，所述中间介电层在所述另一介电层之前形成，使得所述中间介电层位于所述介电层和所述另一介电层之间，
其中，所述通量引导件也沿着所述中间介电层的侧壁部分形成，使得所述通量引导件和所述第一金属线圈之间的中间介电层的厚度小于0.5微米。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
沉积中间介电层，所述中间介电层在所述另一介电层之前形成，使得所述中间介电层位于所述介电层和所述另一介电层之间；
去除所述中间介电层的一部分以形成用于第二互连部的第二沟槽，所述第二沟槽至少部分地暴露所述第一金属线圈；
去除所述另一介电层的一部分以形成用于金属线的第三沟槽，所述第三沟槽至少部分地暴露所述第二互连部；以及
用铜执行另一镶嵌过程以形成第二互连部、金属线和与所述通量引导件接触的金属部分，
其中，所述第二互连部将所述第一金属线圈可操作地连接到所述金属线。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述晶体管组件包括绝缘部分内的磁阻装置。
15.一种用于制造传感器结构的方法，所述传感器结构包括CMOS装置和磁阻传感器装置，所述磁阻传感器装置具有用于通量引导件的复位操作，所述方法包括：
在所述CMOS装置上沉积介电层；
在所述介电层中形成第一沟槽，所述第一沟槽在平面图中在所述介电层中形成线圈形状；
在所述介电层的所述第一沟槽内形成超厚金属（UTM）层，以制造第一金属线圈，所述第一金属线圈被配置为第一复位部件；
在所述第一金属线圈上沉积另一介电层；
沿着所述另一介电层的至少侧壁部分形成所述通量引导件；以及
在所述另一介电层上形成第二金属线圈，使得所述通量引导件位于所述第一金属线圈和所述第二金属线圈之间，所述第二金属线圈被配置为第二复位部件，
其中，所述第一复位部件和所述第二复位部件被配置为复位机构，所述复位机构被配置成执行所述复位操作，以使用小于5伏的电压将所述通量引导件定向到预定取向。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
用铜执行镶嵌过程以形成UTM层；以及
对所述UTM层进行抛光以形成厚度不大于两微米的第一金属线圈。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第一金属线圈上沉积中间介电层，
其中，所述通量引导件和第一金属线圈之间的中间介电层的厚度小于0.5微米。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在与所述CMOS装置相关联的绝缘部分内形成磁阻装置，所述绝缘部分包括金属层和互连部，所述互连部可操作地连接到所述第一金属线圈，
其中，所述介电层沉积在所述磁阻装置上。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
沉积中间介电层，所述中间介电层在所述另一介电层之前形成，使得所述中间介电层位于所述介电层和所述另一介电层之间；
去除所述中间介电层以形成用于第二互连部的第二沟槽，所述第二沟槽至少地部分暴露所述第一金属线圈；
去除所述另一介电层的另一部分，以形成用于金属线的另一沟槽；和
用铜执行镶嵌过程以形成所述第二互连部、所述金属线和与所述通量引导件接触的金属部分，
其中，所述第二互连部将第一金属线圈可操作地连接到金属线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述中间介电层中形成所述第二沟槽之前，在所述另一介电层中形成所述通量引导件。
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