CN116997244A - 磁通聚集器及制造方法、磁传感芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁传感技术领域，提供一种磁通聚集器及制造方法、磁传感芯片。所述磁通聚集器包括设置在衬底上的第一金属薄膜和第二金属薄膜，第一金属薄膜与第二金属薄膜对称设置，第一金属薄膜的第一侧与第二金属薄膜的第一侧相互靠近，第一金属薄膜的第二侧与第二金属薄膜的第二侧相互远离，第一金属薄膜的第一侧与第二金属薄膜的第一侧之间具有容纳磁传感单元的空气间隙，第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍。本发明增强了磁通聚集效果，可减少磁通聚集器占用磁传感芯片的面积，利于磁传感芯片的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及磁传感技术领域，具体地涉及一种磁通聚集器、一种磁通聚集器的制造方法以及一种磁传感芯片。
背景技术
磁传感器等高精度传感器在物联网、智能化系统中应用广泛。目前集成磁传感芯片技术主要有四种：霍尔效应、各向异性磁阻、巨磁阻效应和隧穿磁阻效应，其探测磁场的灵敏度依次递增。随着各类应用场景，例如pT量级的生物磁场检测、微弱电流检测等，对磁传感器灵敏度的要求越来越高，如何进一步提高灵敏度是一个重要的方向。
提升磁传感器灵敏度的手段除了磁性材料、膜层结构和器件的优化，还可以在器件周围集成磁通聚集器。现有技术中，磁通聚集器一般设计成外宽内窄的喇叭形或工字形(从平面上看)，磁传感单元位于磁通聚集器的间隙中。磁通聚集器的作用是汇聚磁感线，放大磁传感单元处的待测磁场，从而实现灵敏度的提升。但是，现有的外宽内窄的磁通聚集器所占的平面尺寸较大，显著增大了磁传感芯片的总面积，不利于芯片的集成度提高和小型化。
发明内容
为了实现磁传感芯片的小型化，本发明提供一种磁通聚集效果更好、占用面积小的磁通聚集器。
本发明一方面提供一种磁通聚集器，包括设置在衬底上的第一金属薄膜和第二金属薄膜，所述第一金属薄膜与所述第二金属薄膜对称设置，所述第一金属薄膜的第一侧与所述第二金属薄膜的第一侧相互靠近，所述第一金属薄膜的第二侧与所述第二金属薄膜的第二侧相互远离，所述第一金属薄膜的第一侧与所述第二金属薄膜的第一侧之间具有容纳磁传感单元的空气间隙，所述第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是所述第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，所述第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是所述第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，其中N大于1。
本发明实施例中，N为10～100。
本发明实施例中，所述第一金属薄膜的平面形状和所述第二金属薄膜的平面形状为矩形，所述第一金属薄膜的截面形状和所述第二金属薄膜的截面形状为楔形。
本发明实施例中，所述第一金属薄膜的平面形状和所述第二金属薄膜的平面形状为喇叭形，所述第一金属薄膜的截面形状和所述第二金属薄膜的截面形状为楔形。
本发明实施例中，所述衬底为凸形硅衬底。
本发明实施例中，所述第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度与所述第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度相同，所述第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度与所述第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度相同。
本发明实施例中，所述第一金属薄膜的第一侧至第二侧之间的薄膜厚度逐步递增，所述第二金属薄膜的第一侧至第二侧之间的薄膜厚度逐步递增，所述第一金属薄膜与所述第二金属薄膜相对称部位的薄膜厚度相同。
本发明另一方面提供一种磁通聚集器的制造方法，包括：
对硅衬底进行刻蚀，得到凸形硅衬底；
在凸形硅衬底上沉积介质材料，形成层间绝缘介质层；
在具有层间绝缘介质层的凸形硅衬底上形成第一金属薄膜和第二金属薄膜，使得第一金属薄膜与第二金属薄膜之间具有容纳磁传感单元的空气间隙，且第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，其中，N大于1，第一金属薄膜的第一侧与第二金属薄膜的第一侧相互靠近，第一金属薄膜的第二侧与第二金属薄膜的第二侧相互远离。
本发明实施例中，所述对硅衬底进行刻蚀，得到凸形硅衬底，包括：
选择单晶硅晶圆作为硅衬底，在单晶硅晶圆的正面和反面沉积耐腐蚀材料，形成保护层；
在单晶硅晶圆的正面进行光刻，形成磁通聚集器的光刻图形；
对单晶硅晶圆的正面进行刻蚀，去除光刻图形区域的耐腐蚀材料；
利用所述保护层作为掩膜，对单晶硅晶圆进行各向异性刻蚀，得到凸形硅衬底。
本发明还提供一种磁传感芯片，包括磁传感单元和磁通聚集器，所述磁通聚集器为上述的磁通聚集器，磁传感单元设置于磁通聚集器的空气间隙中。
上述技术方案，第一金属薄膜和第二金属薄膜的薄膜厚度采用外厚内薄的设计，靠近磁传感单元的金属薄膜较薄，远离磁传感单元的金属薄膜较厚，这样的结构设计可以将周围磁场向磁传感单元的位置聚集，增强磁通聚集效果。因此，在获得相同磁通聚集效果下，可以将磁通聚集器的平面面积做得更小，从而减少磁通聚集器占用磁传感芯片的面积，以利于磁传感芯片的小型化，提高集成度。
本发明技术方案的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一提供的磁通聚集器的立体结构图；
图2为本发明实施例一提供的磁通聚集器的俯视图；
图3为沿图2中A方向的截面图；
图4为本发明实施例一提供的磁通聚集器的磁场聚集效果对比图；
图5为本发明实施例二提供的磁通聚集器的立体结构图；
图6为本发明实施例二提供的磁通聚集器的俯视图；
图7为沿图6中A方向的截面图；
图8为本发明实施例二提供的磁通聚集器的磁场聚集效果对比图；
图9为本发明实施例提供的磁通聚集器的制造方法的流程图；
图10为本发明实施例提供的磁通聚集器的制造方法中形成的凸形硅衬底的示意图；
图11为本发明实施例提供的磁通聚集器的制造方法中形成的层间绝缘介质层的示意图；
图12为本发明实施例提供的磁通聚集器的制造方法中形成的第一金属薄膜和第二金属薄膜的示意图。
附图标记说明
10-衬底，11-层间绝缘介质层，20-磁通聚集器，21-第一金属薄膜，
21a-第一金属薄膜的第一侧，21b-第一金属薄膜的第二侧，
22-第二金属薄膜，22a-第二金属薄膜的第一侧，
22b-第二金属薄膜的第二侧，23-空气间隙，30-磁传感单元。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
常规磁通聚集器的薄膜厚度是均匀的，磁通聚集的效果来源于外宽内窄的平面形状。本发明提出楔形磁通聚集器的设计思路，磁通聚集器的外侧(远离磁传感单元的一侧)的薄膜较厚，内侧(靠近磁传感单元的一侧)的薄膜较薄，磁通聚集的效果来源于外厚内薄的结构，该结构可以增强磁通聚集效果。对于磁传感芯片而言，磁通聚集器的平面面积(表面积)决定了磁传感芯片的体积，减少磁通聚集器的平面面积即可缩小体积，提高集成度。本发明实施方式基于外厚内薄的构思，提供多种形状的磁通聚集器，能够在获得相同磁通聚集效果的前提下，减少磁通聚集器占用的芯片面积，利于芯片小型化，提高磁传感芯片的集成度。下文通过具体实施例对上述方案进行详细阐述。
实施例一
如图1至图3所示，本实施例提供的磁通聚集器20包括设置在衬底10上的第一金属薄膜21和第二金属薄膜22，第一金属薄膜21与第二金属薄膜22对称设置，第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a相互靠近，第一金属薄膜的第二侧21b与第二金属薄膜的第二侧22b相互远离，第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a之间具有容纳磁传感单元的空气间隙23。第一金属薄膜的第二侧21b的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧21a的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧22b的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧22a的薄膜厚度的N倍，其中N大于1，即两个金属薄膜相互靠近的一侧(内侧)的薄膜厚度小于两个金属薄膜相互远离的一侧(外侧)的薄膜厚度。
如图2和图3所示，第一金属薄膜21和第二金属薄膜22在平面上呈矩形，第一金属薄膜21和第二金属薄膜22的截面形状为楔形，也可以设计为三角形。第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a之间的空气间隙23用于放置磁传感单元30。第一金属薄膜21和第二金属薄膜22的薄膜厚度采用外厚内薄的设计，靠近磁传感单元30的金属薄膜最薄，远离磁传感单元30的金属薄膜最厚，磁通聚集器的立体形状类似于楔形长方体，这样的结构设计可以将周围磁场向磁传感单元30的位置聚集，增强磁通聚集效果。
图4为本发明实施例一提供的磁通聚集器(楔形长方体)结构与常规磁通聚集器(普通长方体)结构的磁场聚集效果对比图。如图4所示，在相同仿真测试条件下，楔形长方体的增益G＝21.44，普通长方体的增益G＝11.78，实施例一提供的磁通聚集器(楔形长方体结构)的磁通聚集效果相较于常规磁通聚集器有很大提升。因此，在获得相同磁通聚集效果下，可以将磁通聚集器的平面面积做得更小，从而减少磁通聚集器占用磁传感芯片的面积，以利于磁传感芯片的小型化，提高集成度。
本实施例中，衬底10为凸形硅衬底。第一金属薄膜的第一侧21a的薄膜厚度与第二金属薄膜的第一侧22a的薄膜厚度相同，第一金属薄膜的第二侧21b的薄膜厚度与第二金属薄膜的第二侧22b的薄膜厚度相同。第一金属薄膜的第一侧21a至第二侧21b之间的薄膜厚度逐步递增，第二金属薄膜的第一侧22a至第二侧22b之间的薄膜厚度逐步递增，第一金属薄膜21与第二金属薄膜22相对称部位的薄膜厚度相同，这样可以逐步增强对中心的磁通聚集效果。
在具体实施例中，金属薄膜第一侧的薄膜厚度与第二侧的薄膜厚度的比值可以根据所要达到的磁通聚集效果进行选择和调整。优选的，金属薄膜第二侧的薄膜厚度与第一侧的薄膜厚度的比值在10～100时，磁通聚集效果和磁通聚集器所占的平面面积相对适配，制作工艺上较为容易实现。
实施例二
如图5至图7所示，本实施例提供的磁通聚集器20包括设置在衬底10上的第一金属薄膜21和第二金属薄膜22，第一金属薄膜21与第二金属薄膜22对称设置，第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a相互靠近，第一金属薄膜的第二侧21b与第二金属薄膜的第二侧22b相互远离，第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a之间具有容纳磁传感单元的空气间隙23。第一金属薄膜的第二侧21b的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧21a的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧22b的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧22a的薄膜厚度的N倍，其中N大于1，即两个金属薄膜相互靠近的一侧(内侧)的薄膜厚度小于两个金属薄膜相互远离的一侧(外侧)的薄膜厚度。
如图6和图7所示，第一金属薄膜21和第二金属薄膜22在平面上呈喇叭形，也可以设计为工字形，第一金属薄膜21和第二金属薄膜22的截面形状为楔形，也可以设计为三角形。第一金属薄膜的第一侧21a与第二金属薄膜的第一侧22a之间的空气间隙23用于放置磁传感单元30。第一金属薄膜21和第二金属薄膜22的薄膜厚度采用外厚内薄的设计，靠近磁传感单元30的金属薄膜最薄，远离磁传感单元30的金属薄膜最厚。本实施例将金属薄膜的平面形状设计为喇叭形，截面形状设计为楔形，结合楔形和喇叭形的结构优势，将两种磁通聚集结构的效果相叠加，在有限的平面面积内获得更强的磁通聚集能力，进一步减少磁通聚集器占用磁传感芯片的面积。
图8为本发明实施例二提供的磁通聚集器(楔形喇叭)结构与常规磁通聚集器(普通喇叭)结构的磁场聚集效果对比图。如图8所示，在相同仿真测试条件下，楔形喇叭结构的增益G＝32.34，普通喇叭结构的增益G＝26.18，实施例二提供的磁通聚集器(楔形喇叭结构)的磁通聚集效果相较于常规磁通聚集器有很大提升，且相对实施例一提供的磁通聚集器(楔形长方体结构)又有进一步提升。
本实施例中，衬底10为凸形硅衬底。第一金属薄膜的第一侧21a的薄膜厚度与第二金属薄膜的第一侧22a的薄膜厚度相同，第一金属薄膜的第二侧21b的薄膜厚度与第二金属薄膜的第二侧22b的薄膜厚度相同。第一金属薄膜的第一侧21a至第二侧21b之间的薄膜厚度逐步递增，第二金属薄膜的第一侧22a至第二侧22b之间的薄膜厚度逐步递增，第一金属薄膜21与第二金属薄膜22相对称部位的薄膜厚度相同，这样可以逐步增强对中心的磁通聚集效果。
在具体实施例中，金属薄膜第一侧的薄膜厚度与第二侧的薄膜厚度的比值可以根据所要达到的磁通聚集效果进行选择和调整。优选的，金属薄膜第二侧的薄膜厚度与第一侧的薄膜厚度的比值在10～100时，磁通聚集效果和磁通聚集器所占的平面面积相对适配，制作工艺上较为容易实现。
图9为本发明实施例提供的磁通聚集器的制造方法的流程图。如图9所示，对于上述实施例一和实施例二提供的磁通聚集器，本实施例提供该磁通聚集器的制造方法，包括以下步骤：
S100，对硅衬底进行刻蚀，得到凸形硅衬底；
S200，在凸形硅衬底上沉积介质材料，形成层间绝缘介质层；
S300，在具有层间绝缘介质层的凸形硅衬底上形成第一金属薄膜和第二金属薄膜，使得第一金属薄膜与第二金属薄膜之间具有容纳磁传感单元的空气间隙。其中，第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，第一金属薄膜的第一侧与第二金属薄膜的第一侧相互靠近，第一金属薄膜的第二侧与第二金属薄膜的第二侧相互远离。
上述步骤S100中，选择单晶硅晶圆作为硅衬底，在单晶硅晶圆的正面和反面沉积SiO2或SiN等耐腐蚀材料，形成保护层；在单晶硅晶圆的正面进行光刻，形成磁通聚集器的光刻图形；对单晶硅晶圆的正面进行刻蚀，去除光刻图形区域的SiO2或SiN等耐腐蚀材料；利用保护层作为掩膜，对单晶硅晶圆进行各向异性刻蚀，去除硅衬底正面和反面的SiO2或SiN，并进行清洗，得到如图10所示的凸形硅衬底10。
上述步骤S200中，在凸形硅衬底10表面沉积SiO2或其它介质材料，形成如图11所示的层间绝缘介质层11。
上述步骤S300中，在具有层间绝缘介质层的凸形硅衬底上进行光刻、薄膜沉积、电镀、刻蚀，形成第一金属薄膜21和第二金属薄膜22，对第一金属薄膜和第二金属薄膜进行化学机械抛光和表面抛磨，形成如图12所示的楔形磁通聚集器结构
本发明实施方式还提供一种磁传感芯片，该磁传感芯片包括磁传感单元和磁通聚集器，磁通聚集器为上述实施例一或实施例二提供的磁通聚集器，磁传感单元设置于磁通聚集器的空气间隙中。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁通聚集器，包括设置在衬底上的第一金属薄膜和第二金属薄膜，其特征在于，所述第一金属薄膜与所述第二金属薄膜对称设置，所述第一金属薄膜的第一侧与所述第二金属薄膜的第一侧相互靠近，所述第一金属薄膜的第二侧与所述第二金属薄膜的第二侧相互远离，所述第一金属薄膜的第一侧与所述第二金属薄膜的第一侧之间具有容纳磁传感单元的空气间隙，所述第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是所述第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，所述第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是所述第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，其中N大于1。
2.根据权利要求1所述的磁通聚集器，其特征在于，N为10～100。
3.根据权利要求1所述的磁通聚集器，其特征在于，所述第一金属薄膜的平面形状和所述第二金属薄膜的平面形状为矩形，所述第一金属薄膜的截面形状和所述第二金属薄膜的截面形状为楔形。
4.根据权利要求1所述的磁通聚集器，其特征在于，所述第一金属薄膜的平面形状和所述第二金属薄膜的平面形状为喇叭形，所述第一金属薄膜的截面形状和所述第二金属薄膜的截面形状为楔形。
5.根据权利要求3或4所述的磁通聚集器，其特征在于，所述衬底为凸形硅衬底。
6.根据权利要求1所述的磁通聚集器，其特征在于，所述第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度与所述第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度相同，所述第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度与所述第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度相同。
7.根据权利要求1所述的磁通聚集器，其特征在于，所述第一金属薄膜的第一侧至第二侧之间的薄膜厚度逐步递增，所述第二金属薄膜的第一侧至第二侧之间的薄膜厚度逐步递增，所述第一金属薄膜与所述第二金属薄膜相对称部位的薄膜厚度相同。
8.一种磁通聚集器的制造方法，其特征在于，包括：
对硅衬底进行刻蚀，得到凸形硅衬底；
在凸形硅衬底上沉积介质材料，形成层间绝缘介质层；
在具有层间绝缘介质层的凸形硅衬底上形成第一金属薄膜和第二金属薄膜，使得第一金属薄膜与第二金属薄膜之间具有容纳磁传感单元的空气间隙，且第一金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第一金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，第二金属薄膜的第二侧的薄膜厚度是第二金属薄膜的第一侧的薄膜厚度的N倍，其中，N大于1，第一金属薄膜的第一侧与第二金属薄膜的第一侧相互靠近，第一金属薄膜的第二侧与第二金属薄膜的第二侧相互远离。
9.根据权利要求8所述的磁通聚集器的制造方法，其特征在于，所述对硅衬底进行刻蚀，得到凸形硅衬底，包括：
选择单晶硅晶圆作为硅衬底，在单晶硅晶圆的正面和反面沉积耐腐蚀材料，形成保护层；
在单晶硅晶圆的正面进行光刻，形成磁通聚集器的光刻图形；
对单晶硅晶圆的正面进行刻蚀，去除光刻图形区域的耐腐蚀材料；
利用所述保护层作为掩膜，对单晶硅晶圆进行各向异性刻蚀，得到凸形硅衬底。
10.一种磁传感芯片，包括磁传感单元和磁通聚集器，其特征在于，所述磁通聚集器为权利要求1所述的磁通聚集器；
所述磁传感单元设置于所述磁通聚集器的空气间隙中。
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