CN205828390U - 磁场传感设备 - Google Patents

Abstract

本装置方法涉及磁场传感设备。依照示例性的实施例，一种MRSD包括下面的半导体设备和磁阻传感器。在一些示例性的实施例中，半导体设备经过大部分标准处理流程处理。在标准处理流程之后，在各个实施例中，可执行平坦化步骤以创建更加平坦的顶部表面。在一些实施例中，磁阻材料(其可由镍铁合金、所谓的坡莫合金制成)被沉积在平坦表面上。互连金属化层也可位于该顶部区域中。磁阻材料可以经由平坦化表面中的接触开口接触半导体设备的最顶部的金属化层。在一些实施例中，磁阻材料可以类似地通过这些接触开口接触最顶部的金属化层。磁阻材料直接位于下面的电路上方。

Description

磁场传感设备

技术领域

各种实施例一般地涉及磁阻（MR）传感器。

背景技术

磁阻传感设备（MRSD）用于检测磁场的存在。这些磁阻传感器当中的很多是由所谓的坡莫合金制成。坡莫合金是一种镍-铁合金。这些传感器在罗盘应用中用于检测地球磁场。它们用于感测附近的磁体，并且与磁体一起用于确定发动机和其它旋转设备的转速。这些传感器还用于检测计算机的磁盘驱动器上存储的信息。MRSD的一些应用允许通过将磁体保持成靠近传感器而扳动开关。其它应用允许通过非接触的方式来设置状态。

MRSD的许多应用在于便携和/或手持设备。这种应用经常由电池供电。小的设备尺寸和小的设备重量均是这种仪器的正面特性。低功耗允许这种仪器在电池充电和更换之间的长时间段运行。此外，仪器的部件被制造得越小，可以将越多的功能设计到所省出来的空间中或者可将仪器制造得越小和越轻。更低功率的部件能够类似地补偿另外的功率消耗部件或者使电池寿命更长。

实用新型内容

装置和相关的方法可涉及磁阻传感设备（MRSD）。依照示例性的实施例，MRSD包括下面的半导体设备和磁阻传感器。在一些示例性的实施例中，通过标准处理流程当中的大部分来处理半导体设备。在标准处理流程之后，在各个实施例中，执行平坦化步骤，用来产生更加平坦的顶部表面。在一些实施例中，磁阻材料（其由镍铁合金、所谓的坡莫和金制成）被沉积在平坦表面上。互连金属化层也可位于该顶部区域。磁阻材料可以经由平坦化表面中的接触开口接触半导体设备的最顶部的金属化层。在一些实施例中，磁阻材料可以类似地通过这些接触开口接触最顶部的金属化层。磁阻材料直接位于下面的电路上方。本文公开了一种磁场传感设备，其包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域包括位于衬底上的半导体设备，所述第二区域设置在所述第一区域上，所述第二区域包括至少两个竖向分开的互连电路径层，所述第三区域设置在所述第二区域上。所述第三区域包括磁阻材料，所述磁阻材料被设置成与所述第一区域中的半导体设备竖向重叠并且被布置成经由所述第二区域中的互连电路径层与所述第一区域中的半导体设备电通信。所述第一和第二区域被第一介电层分隔，并且所述第二和第三区域被第二介电层分隔。所述磁阻材料与所述半导体设备之间的电通信包括延伸穿过所述第二介电层的一个或多个接触部。在一些实施例中，所述第二区域包括至少三个竖向分开的互连电路径层。在一些实施例中，所述第一区域中的半导体设备包括CMOS晶体管、或者双极晶体管、或者CMOS晶体管和双极晶体管二者。在一些实施例中，所述第三区域的磁阻材料包括坡莫合金材料。在一些实施例中，所述第三区域进一步包括金属层，所述金属层设置成提供至所述第二区域的最顶部的金属层和至所述第三区域的磁阻材料的电连接。在一些实施例中，所述第三区域的磁阻材料与下面的包括半导体设备的第一区域的超过百分之五十重叠。本文还公开了一种磁场传感设备，其包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域包括位于衬底上的半导体设备，所述第二区域设置在所述第一区域上，所述第二区域包括互连电路径层，所述第三区域设置在所述第二区域上。所述第三区域包括第一磁阻材料，所述第一磁阻材料被设置成与所述第一区域中的半导体设备竖向重叠。所述第一和第二区域被第一介电层分隔，并且所述第二和第三区域被第二介电层分隔。所述磁场传感设备还包括另外的第二磁阻材料，其在所述第三区域中的第一磁阻材料与所述第二区域中的互连电路径层的导电部分之间竖向延伸，并且在所述第三区域中的第一磁阻材料与所述第二区域中的互连电路径层的导电部分之间形成紧密的电接触。在一些实施例中，所述第二区域包括至少三个竖向分开的互连电路径层。在一些实施例中，所述第一区域中的半导体设备包括CMOS晶体管、或者双极晶体管、或者CMOS晶体管和双极晶体管二者。在一些实施例中，所述第三区域的第二磁阻材料包括坡莫合金材料。在一些实施例中，所述第三区域进一步包括金属层，所述金属层被设置成提供至所述第二区域的最顶部的金属层和至所述第三区域的第二磁阻材料的电连接。在一些实施例中，所述第三区域的第二磁阻材料与下面的包括半导体设备的第一区域的超过百分之五十重叠。

各个实施例可以实现一个或者多个优点。例如，一些实施例可以消除对于使用两个独立部件，即半导体设备和独立的传感器的需求。在另一个实施例中，通过将MR传感器定位在作为电路的同一设备上，可以实现更低功耗的性能。一些实施例允许电路实物以这种方式加倍使用，因为磁阻元件可以很大程度上与下面的电路重叠。在另一个实施例中，NiFe材料的位置是被沉积在半导体设备的具有许多介电层的顶部上。这些介电层可以允许Fe（其可被认为对于半导体处理而言是污染物）被这些介电层与下面的电路隔开。可以有利地将一些实施方式部分地构造在基本上免于铁污染的第一设施中，并且随后在第二制造设施中用含铁的磁阻层补充，以消除第一设施的可能的污染。

各个实施例的细节依照附图和下文中的描述进行阐述。其它特征和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中变得明显。

附图说明

图1A示出了磁场传感设备（MFSD）的示例性制造流程的示意图，该示例性制造流程允许半导体制造设施保持免于铁污染。

图1B示出了示例性的磁场传感设备（MFSD）的截面图。

图2示出了示例性的MFSD的截面图。

图3示出了MFSD的示例性磁阻材料的截面图。

图4示出了相对于下面的金属层的磁阻材料的示例性布置的平面图。

图5示出了制造MFSD的示例性方法的流程图。

在各图中相同的附图标记指代相同的元件。

具体实施方式

图1A示出了磁场传感设备（MFSD）的示例性制造流程的示意图，该示例性制造流程允许半导体制造设施维持免于铁污染。在该图中，示出了包括封装的MFSD 105的手表罗盘100。在标准微电子制造设施110中，启动封装的MFSD105的制造。该微电子制造设施110免于铁污染。在标准微电子处理之后，除了可能不包括顶层处理之外，晶圆被运载至磁阻处理设施115。顶级的磁阻处理包括沉积和蚀刻磁阻材料的步骤，该磁阻材料可能包括铁。所完成的MFSD随后可被封装并且集成至消费者或者工业产品，例如手表罗盘100。由于在完成的或者接近完成的半导体晶圆的顶部上执行磁阻处理步骤，可以在单独的处理设施中在相同的位置或者不同的位置执行磁阻处理步骤。铁与标准微电子处理设施的这种隔离允许半导体处理设施保持免于铁污染。

图1B示出了示例性的磁场传感设备（MFSD）的截面图。在图1B中，以截面图102示出了MFSD的示例性部分。在该实例中，示出了第一区域，半导体设备位于该第一区域中。该第一区域有时称为设备的“前端”处理部分。例如，该第一区域可包括在沉积第一金属互连层之前的大部分处理步骤。在该示例性的图中，示出了第二区域，两个金属互连层位于该第二区域中。在该实例中，示出了第三区域，该第三区域包括磁阻材料120和金属化层125。在该图中，磁阻材料120的关键在于被确定为“坡莫合金”。

该图示出了两个不同的半导体晶体管。所示出的第一个半导体晶体管是竖向NPN双极晶体管130。所示出的第二个半导体晶体管是NMOS场效应晶体管135。如在该示例性的图中所示，磁阻材料120被布置成直接定位在这两个有源设备130，135的上方。可以使用第一和第二区域的各层的合适几何结构来制造许多其他设备，例如电阻、电容和电感，或者其它晶体管类型。

该示例性的图还示出了位于设备的第二区域中的两个金属化层。第一金属化层150在该图中被标以“金属-1”。第二金属化层155在该图中被标以“金属-2”。在该实例中，第一金属层被沉积为薄层，其与区域一的表面大致平行。例如，导线160被示出具有示例性的截面图尺寸，其大致为矩形，矩形的长度尺寸基本上平行于衬底。一些金属-1特征（例如165和170）具有接触部，该接触部下降并且与区域一半导体设备接触。第二金属层被示出具有类似的特征，基本上平行于区域一表面并且具有接触特征。然而在这些情况下，第二金属层的接触特征与第一金属层形成接触。

在这个示例性的图中，区域三或许以平坦化层开始，该平坦化层位于第二金属层155的上方。在该实例中，旋涂玻璃（spin-on glass）或者SOG层175已经被沉积，以使具有地貌特征的表面180平滑，SOG位于该表面180上。在该示例性的截面图上，另一介电层185沉积在SOG 175上。磁阻材料120直接位于该介电层185之上。然后示出了第三金属互连层125，并且在图中被标为“金属-3”。该第三金属层具有接触部190，与金属-2和金属-1的接触部没有多大的不同。金属-3接触部190被示出接触直接位于其下方的金属-2特征195。在该示例性的图中，在这些接触特征中，金属-3直接接触金属-2。金属-3特征还在其接触磁阻材料的地方处处接触磁阻材料。以这种方式，下面的电路具有连接至磁阻材料的路径，该磁阻材料直接沉积在半导体设备之上。

图2示出了示例性的MFSD的截面图。该图示出了磁场传感设备200的示例性截面视图。在该图中，示出了第三区域。第三区域被示出具有磁阻材料210和金属-3材料215。金属-3接触部220被示出接触下面的金属-2特征225。在该示例性的图中，磁阻材料的接触部分230被示出位于金属-3材料与金属-2之间的金属-3接触部中。在该实例中，磁阻材料在该接触部处直接被金属-2接触。以这种方式，下面的电路能够接触位于区域三中的磁阻材料，区域三直接位于半导体设备之上。

图3示出了MFSD的示例性磁阻材料的截面图。在图3中，以截面图示出了磁阻材料300的一小部分。在该实例中，磁阻材料300被示出具有三层。底层305由氮化钽（TaN）构成。中间层310（在该实例中，由镍铁（NiFe）构成）是磁传感材料。顶层315由TaN构成。在该示例性的图中，所示出的层被标出了它们中的每个的厚度。在该实例中，底部TaN层具有300埃的厚度。中间层305被示出具有187埃或者375埃的厚度。顶层315被示出具有900埃的厚度。该图还示出了中间层的相对成分，中间层是实际的磁场传感层。在该实例中，NiFe层可由81%的Ni和19%的Fe组成。针对该磁阻层可以使用其它层厚度和成分。例如，在一些实施例中，NiFe层可以由90%的Ni和10%的Fe组成。在各个实施例中，坡莫合金的厚度可以在10与1000埃之间。

图4示出了磁阻材料相对于下面的金属层的示例性布置的平面图。在图4中，示出了层的示例性拓扑布置400。示出了磁阻层405。磁阻层405被示出具有蛇形结构410。可以实现其它的此类磁阻拓扑，例如条纹圆筒（barber-pole）结构。还示出了第二磁阻结构415。蛇形结构410的磁阻支腿被示出经由金属-3特征420连接至彼此。因此，在该实例中，金属-3互连被用于将各个磁阻结构电连接在一起。还示出了金属-3路线425。因此，金属-3被示出提供了额外的路线选择能力。

图5示出了制造MFSD的示例性方法的流程图。在图5中，示出了制造MFSD的示例性方法的流程500。该方法开始于将晶圆导入无铁设施505。随后使用硅半导体处理技术来处理晶圆510通过制造的第一区域。该制造的第一区域包括有源半导体设备（例如FET或者双极晶体管和二极管）和无源设备（例如电阻、电容和电感等等）的制作。继续处理晶圆通过制造的第二区域515，其包括沉积一个或者多个金属化层。该第二区域的金属化层被用于将有源和无源设备电连接至彼此以及将所得到的电路电连接至其它部件和设备，其可包括磁阻设备。金属互连层和相关的金属间介电层直接位于第一区域设备的上方和顶上。在已经执行区域二制造之后，晶圆被转移至铁接受设施520，以便为了向晶圆添加磁阻设备。在该示例性的方法中，在铁接受设施中执行晶圆的平坦化，但该平坦化方法可以在晶圆转移之前类似地在无铁设施中执行。示出了平坦化的两种示例性的方法：旋涂玻璃（SOG）平坦化525和化学-机械抛光（CMP）平坦化530。还可以执行其它方法，例如电阻回蚀平坦化。在执行平坦化和介电沉积之后，可沉积坡莫合金或者磁阻层以及其它的金属化层535。在该示例性的处理中，在沉积和蚀刻这些层之后，执行接触开口的最终钝化和蚀刻540。最终，切割和封装芯片（dice）545，以供产品使用。

有许多方式将第二区域中的互连电路径电连接至第三区域中的磁阻材料。在一些实施例中，可通过首先在介电层中介于区域二金属化最顶层蚀刻过孔，随后沉积磁阻材料，使得其物理地接触蚀刻的接触区域内的区域二金属化最顶层，磁阻层可被连接至下面的金属互连。在其它实施例中，磁阻材料可通过另外的金属化层而电连接至区域二金属化最顶层。在该实施例中，例如，在接触部已经被蚀刻至区域二金属化最顶层之后，可沉积磁阻材料层。随后可通过蚀刻步骤选择地移除该磁阻材料。随后可沉积另外的金属化层。该金属化可随后连接至未蚀刻的磁阻材料和暴露于接触部的区域二金属化最顶层，其之前被蚀刻在其间的介电材料内。还可以执行以上步骤的其它排列，以将磁阻材料的电连接提供至下面的金属互连层。例如，最后的金属沉积和磁阻沉积可以变换顺序，使得金属化顶层首先被沉积和蚀刻，并且随后磁阻层可被沉积且随后被蚀刻。以这种方式，可以经由在紧挨着磁阻层的沉积之前沉积的金属来连接磁阻层。

尽管已经参考附图描述了各个实施例，但其它的实施例也是可能的。例如，存在许多不同的处理技术来创建半导体设备。例如，一些处理具有异质结双极设备。第三区域（包含磁阻材料）可被施加至多种下面的半导体设备，包括例如所描述的异质结双极设备处理。

在各个实施例中，可以使用替代的磁阻材料和/或成分制造MRSD。在示例性的实施例中，NiFe层可以更薄或者更厚。在另一个实施例中，Fe浓度可以大于19%或者小于19%。成分和厚度的这些改变可以具有关于磁场响应或者关于电路功率消耗的期望电路结果。依照另外的实施例，TaN包覆层可以由不同的化学成分构成。TiN或者其它的难熔金属氮化物可以用于该实例。在另一个示例性的实施例中，包覆层厚度可以更小或者更大。该厚度可以被选择成例如在表面拓扑上提供更好的阶梯覆盖。

依照另外的实施例，使用不同于SOG的方法执行平坦化。例如，在一个示例性的实施例中，可以使用化学机械抛光（CMP）代替SOG或者作为SOG的补充。也可以使用使用各向异性回蚀技术的其它平坦化方法，补充SOG和CMP或者代替SOG或CMP。在一些示例性的实施例中，可以在沉积磁阻层之前沉积、图案化和蚀刻第三区域的金属-3层。

已经了描述多个实施方式。尽管如此，将会理解的是可以做出各种改变。例如，如果所公开的技术的步骤以不同的顺序执行，或者如果所公开的系统的部件以不同的方式进行组合，或者如果以其它部件来补充该部件，则可能实现有益的结果。因此，其它实施方式落入所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种磁场传感设备，其特征在于包括：

第一区域，所述第一区域包括位于衬底上的半导体设备（130，135）；

设置在所述第一区域上的第二区域，所述第二区域包括至少两个竖向分开的互连电路径层（155，160）；和

第三区域，所述第三区域设置在所述第二区域上并且包括磁阻材料（120），所述磁阻材料（120）被设置成与所述第一区域中的半导体设备（130，135）竖向重叠并且被布置成经由所述第二区域中的互连电路径层（155，160）与所述第一区域中的半导体设备（130，135）电通信，其中，所述第一和第二区域被第一介电层分隔，并且所述第二和第三区域被第二介电层（185）分隔，其中，所述磁阻材料与所述半导体设备之间的电通信包括延伸穿过所述第二介电层的一个或多个接触部。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二区域包括至少三个竖向分开的互连电路径层。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一区域中的半导体设备包括CMOS晶体管（135）、或者双极晶体管（130）、或者CMOS晶体管（135）和双极晶体管（130）二者。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三区域的磁阻材料包括坡莫合金材料。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三区域进一步包括金属层（125），所述金属层（125）设置成提供至所述第二区域的最顶部的金属层和至所述第三区域的磁阻材料（120）的电连接。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三区域的磁阻材料与下面的包括半导体设备的第一区域的超过百分之五十重叠。

7.一种磁场传感设备，其特征在于包括：

第一区域，所述第一区域包括位于衬底上的半导体设备（130，135）；

设置在所述第一区域上的第二区域，所述第二区域包括互连电路径层（155，160）；和

第三区域，所述第三区域设置在所述第二区域上并且包括第一磁阻材料（120），所述第一磁阻材料（120）被设置成与所述第一区域中的半导体设备（130，135）竖向重叠，其中，所述第一和第二区域被第一介电层分隔，并且所述第二和第三区域被第二介电层（185）分隔，并且进一步包括另外的第二磁阻材料（210），其在所述第三区域中的第一磁阻材料（120）与所述第二区域中的互连电路径层的导电部分之间竖向延伸，并且在所述第三区域中的第一磁阻材料（120）与所述第二区域中的互连电路径层的导电部分之间形成紧密的电接触。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第二区域包括至少三个竖向分开的互连电路径层。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一区域中的半导体设备包括CMOS晶体管（135）、或者双极晶体管（130）、或者CMOS晶体管（135）和双极晶体管（130）二者。

10.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第三区域的第二磁阻材料（210）包括坡莫合金材料。

11.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第三区域进一步包括金属层（220），所述金属层（220）被设置成提供至所述第二区域的最顶部的金属层和至所述第三区域的第二磁阻材料（210）的电连接。

12.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第三区域的第二磁阻材料（210）与下面的包括半导体设备的第一区域的超过百分之五十重叠。