專利名稱：隔離電流器件制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信號隔離器件制造技術領域，涉及一種隔離電流器件制造方法。
背景技術：
電流傳感器用于探測或隔離直流、交流電流，廣泛應用于工業(yè)儀表、工業(yè)過程控制 和PCB電流檢查等。目前廣泛采用的電流測試器件或裝置主要有電流互感器、霍爾電流傳 感器等。電流互感器通過主回路隔離進行檢測，但它的測試頻率范圍窄?；魻栯娏鱾鞲衅?利用霍爾元件測量被測電流在鐵芯氣隙里的感應強度來判斷被測電流大小的?；魻栐?的體積大，能耗較高，溫度特性較差。上個世紀八十年代末期，科學界發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(Giant Magneto-Resistive,GMR)效應，即磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用 時存在巨大變化的現(xiàn)象。它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結構，這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁 材料薄層交替疊合而成。鐵磁材料磁矩的方向是由加到鐵磁材料的外磁場控制的，磁阻的 變化正比于外磁場，從而可以實現(xiàn)將磁場變量轉換成電量，因此，根據(jù)巨磁阻效應可以設計 一種新型巨磁阻集成電流傳感器。
發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種隔離電流器件制造方法。步驟(1)在生長有SiO2絕緣層的Si襯底上采用磁控濺射方法沉積多層膜；所述 的多層膜為巨磁電阻(GMR)多層膜或隧穿磁敏電阻(MTJ)多層膜；步驟(2)刻蝕多層膜并形成磁敏電阻單元；步驟(3)沉積絕緣層并在磁敏電阻單元兩端的正上方開口 ；步驟(4)沉積金屬層并刻蝕形成磁敏電阻單元之間的連接線、電源輸入線和信號 輸出線；所述的磁敏電阻單元通過連接線、電源輸入線和信號輸出線構成惠斯通電橋；步驟(5)采用光刻膠作為電鍍模板，用電鍍方法制備銅連接柱，通過銅連接柱將 電源輸入線和信號輸出線引出，然后通過去膠工藝去除光刻膠；步驟(6)制備絕緣隔離層，該絕緣隔離層為無機絕緣材料層或有機絕緣聚合物 層；所述的無機絕緣材料為Si3N4、Al2O3或SiO2 ；所述的有機絕緣聚合物為BCB或聚酰亞胺；步驟(7)沉積金屬層并刻蝕形成第一層信號輸入線圈；步驟⑶沉積絕緣層，并開口 ；步驟(9)沉積金屬層并刻蝕形成第二層信號輸入線圈；步驟(10)沉積絕緣層，并開口；步驟(11)采用光刻膠作為電鍍模板，電鍍軟磁屏蔽層并通過去膠工藝去除光刻 膠；所述的軟磁屏蔽層材料選用NiFe。步驟(12)沉積保護層并刻蝕形成焊接盤(Pad)。
步驟(6)中選用不同類型的材料作為絕緣隔離層，則采用不同的工藝流程。當采 用有機絕緣聚合物作為隔離層，則電鍍Cu去膠得到Cu連接柱后，先通過旋涂的方法得到聚 合物絕緣層，再沉積一層厚度為200-2000A無機絕緣材料，如Si3N4、A1203、SiO2，并通過光 刻、刻蝕得到銅柱的連接孔后再制作信號輸入線圈層。當采用無機絕緣材料作為隔離層，則 是通過濺射的方式沉積無機絕緣隔離層如Si3N4、Al203、Si02，然后通過化學機械拋光(CMP) 的方法將表面平坦化處理并使Cu連接柱暴露出來后就可沉積金屬層進行信號輸入線圈層 的制作。本發(fā)明方法相對于現(xiàn)有技術具有以下特點1)本發(fā)明的隔離電流器件由位于硅片襯底上的磁敏電橋結構、信號輸入線圈、信 號輸入線圈和磁敏電橋結構之間的絕緣隔離層構成。當被測電流通過信號輸入線圈時，電 流產(chǎn)生的磁場可被磁敏電橋結構檢測并將磁信號轉換為電信號輸出；2)磁敏電橋結構由線性巨磁(GMR)電阻單元或者磁性隧道結(MTJ)電阻單元構 成，四個磁敏電阻單元構成惠斯通電橋，當有電流流過信號輸入線圈時會在其周圍產(chǎn)生磁 場，基于巨磁阻效應，微小磁場變化可導致磁性材料電阻率的明顯變化，惠斯通磁敏電橋能 夠靈敏準確地感應這個磁場，并將磁信號精確地轉換成電信號，進而可將被測電流的大小 輸出，進行檢測；3)信號輸入線圈采用雙層金屬線圈結構，由下上兩層平面金屬線圈串聯(lián)形成。雙 層線圈結構可使輸入信號電流焊接盤(Pad)安排在線圈之外，從而有利于芯片整體排版和 縮小芯片尺寸。相比于單層線圈，單位電流通過雙層線圈時能夠產(chǎn)生更強的磁場信號。4)信號輸入線圈與磁敏傳感器電路在電氣上是完全隔離的。信號輸入線圈與磁敏 電橋結構之間的隔離層可以采用絕緣聚合物如BCB、聚酰亞胺等，也可以采用無機絕緣材料 Al203、Si3N4、Si02 等。5)磁敏傳感器電路與輸出焊盤之間的Cu連接柱采用電鍍工藝制備得到。6)Cu連接柱形成后，再沉淀無機絕緣層材料或旋涂聚合物絕緣材料形成隔離層。 根據(jù)隔離電壓的大小及隔離材料的不同隔離層的厚度可以在5 μ m到30 μ m之間。7)如采用無機絕緣材料作為隔離層，在沉積無機隔離層后，需通過化學機械拋光 的方法使表面平坦化并將Cu連接柱暴露出來，以便于后續(xù)工藝中信號線的連接。8)雙層金屬信號輸入線圈通過兩次金屬沉積、刻蝕工藝實現(xiàn)。首先在隔離層上 沉積金屬如Au、Al、Cu并刻蝕后形成第一層線圈，然后旋涂絕緣聚合物或沉積無機材料如 A1203、SiO2, Si3N4后，再通過光刻和刻蝕形成連接第一層金屬線圈及信號輸出線的連接孔 后，然后再沉積一層金屬并刻蝕形成第二層線圈。9)該器件的另外一個重要特征是通過在雙層線圈上面加一層軟磁屏蔽層，如 NiFe層，可屏蔽外磁場的干擾，同時也可以提高線圈的激磁場的效率、降低器件的能耗。
圖1為電橋傳感單元與信號輸入線之間的相對位置示意圖；圖2為惠斯通電橋示意圖；圖3為隔離電流傳感器制造工藝示意圖；圖4為雙層線圈模型圖5為雙層線圈模型剖面示意圖；圖6為隔離電流傳感器件工藝剖面圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明的電流傳感器件工作原理如圖1所示，當被測電流通過集成電流導線時， 電流產(chǎn)生的磁場可被磁敏電橋結構檢測并將磁信號轉換為電信號輸出。器件的磁敏單元采 用GMR磁敏單元，電橋采用具有惠斯通結構的電橋如圖2所示。因此，當有電流流過集成電 流導線時會在其周圍產(chǎn)生磁場，基于巨磁阻效應，微小磁場變化可導致磁性材料電阻率的 明顯變化，GMR惠斯通電橋能夠靈敏準確地感應這個的磁場，可將磁信號精確地轉換成電信 號，進而可將被測電流的大小輸出，進行檢測。本發(fā)明的具體制造方法可參見圖3所示，以下將選用兩個具體實施例對本發(fā)明作 進一步描述。實施例1，參見圖6步驟(1)在生長有300nm厚度第一 SiO2絕緣層7的Si襯底8上采用磁控濺射方 法沉積GMR多層膜；步驟(2)直接采用離子刻蝕方法刻蝕GMR多層膜并形成磁敏電阻單元；步驟(3)沉積第二 SiO2絕緣層6并在GMR磁敏電阻單元兩端的正上方開口 ；步驟(4)沉積金屬層并刻蝕形成磁敏電阻單元之間的連接線、電源輸入線和信號 輸出線，磁敏電阻單元通過連接線、電源輸入線和信號輸出線，構成惠斯通電橋；步驟(5)采用光刻膠作為電鍍模板，用電鍍方法制備銅連接柱，通過銅連接柱將 電源輸入線和信號輸出線引出，然后通過去膠工藝去除光刻膠。具體方法如下先沉積金屬 電鍍種子層，然后勻膠、曝光、顯影后形成電鍍模板，進行Cu電鍍工藝。當電鍍Cu柱達到所 需的厚度后，將光刻膠模板通過去膠工藝去除，再通過離子刻蝕方法將電鍍種子層刻蝕去 除就得到Cu連接柱，用于引出磁敏電阻電橋的電源端及信號輸出端；步驟(6)制備無機Si3N4絕緣隔離層5，隔離層厚度為5 μ m，然后采用化學機械拋 光的方法使表面平整化并將Cu連接柱暴露出來；步驟(7)沉積金屬Cu層并刻蝕形成第一層信號輸入線圈，如圖4和圖5所示，第 一層信號輸入線圈由8道線圈組成，線圈的進線和回線布線間的間距均為30μπι，布線線寬 為2μπι，布線之間的間距為1.5μπι;步驟⑶沉積厚度約1 μ m的第一 Al2O3絕緣層4，并開口；步驟(9)沉積金屬Cu層并刻蝕形成第二層信號輸入線圈(第二層信號輸入線圈 的結構同第一層信號輸入線圈)，第二層信號輸入線圈位于第一層信號輸入線圈的正上方； 第二層信號輸入線圈同樣由8道線圈組成，線圈的進線和回線布線間的間距均為30μπι，布 線線寬為2 μ m，布線之間的間距為1.5μπι;步驟(10)沉積第二 Al2O3絕緣層3，并開口；步驟(11)沉積一層NiFe電鍍種子層，先通過旋涂一層光刻膠并曝光顯影后作為 模板電鍍MFe層，電鍍完成后，通過去膠工藝去除光刻膠并用離子刻蝕的方法將電鍍種子 層刻蝕去除后得到MFe軟磁屏蔽層。
步驟(12)沉積Al2O3保護層2并刻蝕形成焊接盤1。實施例2步驟(1)在生長有500nm厚的SiO2絕緣層的Si襯底上采用磁控濺射方法沉積GMR
多層膜；步驟(2)采用硬模離子刻蝕方法即首先在GMR薄膜上沉積一層Si 3N4，然后通過 反應離子束刻蝕方法將Si3N4離子刻蝕GMR電阻單元的模板，然后通過離子刻蝕的方法，將 GMR多層膜刻蝕并形成磁敏電阻單元；步驟(3)沉積SiO2絕緣層并在并通過光刻、刻蝕在該層絕緣層上形成GMR電橋的 電源及信號輸出的通孔；步驟(4)沉積金屬層并刻蝕形成磁敏電阻單元之間的連接線、電源輸入線和信號 輸出線，磁敏電阻單元通過連接線、電源輸入線和信號輸出線，構成惠斯通電橋；步驟(5)采用光刻膠作為電鍍模板，用電鍍方法制備銅連接柱，通過銅連接柱將 電源輸入線和信號輸出線引出，然后通過去膠工藝去除光刻膠。具體方法如下先沉積金屬 電鍍種子層，然后勻膠、曝光、顯影后形成電鍍模板，進行Cu電鍍工藝。當電鍍Cu柱達到所 需的厚度后，將光刻膠模板通過去膠工藝去除，再通過離子刻蝕方法將電鍍種子層刻蝕去 除就得到連接Cu連接柱；步驟(6)沉積一層500A厚的SiO2絕緣過渡層；步驟(7)利用旋涂方法制備有機聚酰亞胺絕緣隔離層，隔離層厚度為30 μ m ；步驟(8)沉積金屬Au層并刻蝕形成第一層信號輸入線圈，第一層信號輸入線圈由 10道線圈組成，線圈的進線和回線布線間的間距均為15μπι，布線線寬為1.5μπι，布線之間 的間距為Ι.Ομπι;；步驟(9)沉積約1. 2 μ m SiO2絕緣層，并開口 ；步驟(10)沉積金屬Au層并刻蝕形成第二層信號輸入線圈；步驟(11)沉積SiO2絕緣層，并開口 ；步驟(12)沉積一層NiFe電鍍種子層，先通過旋涂一層光刻膠并曝光顯影后作為 模板電鍍MFe層，電鍍完成后，通過去膠工藝去除光刻膠并用離子刻蝕的方法將電鍍種子 層刻蝕去除后得到MFe軟磁屏蔽層。步驟(13)沉積SiO2保護層并刻蝕形成Pad。最終制備的隔離電流傳感器件的工藝剖面圖如圖6所示。本發(fā)明自下而上分別由沉積在半導體硅襯底層上的GMR/MTJ磁敏單元、絕緣隔離 層、雙層信號輸入線圈層、NiFe軟磁屏蔽層及其中的互聯(lián)金屬層構成，制造工藝為微加工工 藝。絕緣隔離層選用高介電強度、低介電常數(shù)的材料，工藝過程中常用材料的電隔離 特性如表1所示。根據(jù)隔離電壓的大小及隔離材料的不同，隔離層的厚度可以在5μπι到 30 μ m之間。表1不同絕緣材料的介電性能
權利要求
隔離電流器件制造方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1)在生長有SiO2絕緣層的硅襯底上采用磁控濺射方法沉積多層膜；所述的多層膜為巨磁電阻多層膜或隧穿磁敏電阻多層膜；步驟(2)刻蝕多層膜并形成磁敏電阻單元；步驟(3)沉積絕緣層并在磁敏電阻單元兩端的正上方開口；步驟(4)沉積金屬層并刻蝕形成磁敏電阻單元之間的連接線、電源輸入線和信號輸出線；所述的磁敏電阻單元通過連接線、電源輸入線和信號輸出線構成惠斯通電橋；步驟(5)采用光刻膠作為電鍍模板，用電鍍方法制備銅連接柱，通過銅連接柱將電源輸入線和信號輸出線引出，然后通過去膠工藝去除光刻膠；步驟(6)制備絕緣隔離層，所述的絕緣隔離層為無機絕緣材料層或有機絕緣聚合物層；所述的無機絕緣材料為Si3N4、Al2O3或SiO2；所述的有機絕緣聚合物為BCB或聚酰亞胺；步驟(7)沉積金屬層并刻蝕形成第一層信號輸入線圈；步驟(8)沉積絕緣層，并開口；步驟(9)沉積金屬層并刻蝕形成第二層信號輸入線圈，所述的第二層信號輸入線圈與步驟(7)中的第一層信號輸入線圈構成雙層信號輸入線圈；步驟(10)沉積絕緣層，并開口；步驟(11)采用光刻膠作為電鍍模板，電鍍軟磁屏蔽層并通過去膠工藝去除光刻膠；所述的軟磁屏蔽層材料選用NiFe；步驟(12)沉積保護層并刻蝕形成焊接盤。
2.根據(jù)權利要求1所述的隔離電流器件制造方法，其特征在于所述的制備絕緣隔離 層包括兩類當采用有機絕緣聚合物作為絕緣隔離層時，其制備方法為先通過旋涂的方法得到聚 合物絕緣層，然后沉積厚度為200 2000A的無機絕緣材料層，最后通過光刻、刻蝕得到銅 連接柱的連接孔；當采用無機絕緣材料作為絕緣隔離層時，其制備方法為先通過濺射的方法沉積無機 絕緣隔離層，然后通過化學機械拋光法將表面平坦化處理并使銅連接柱暴露出來。全文摘要
本發(fā)明公開了一種隔離電流器件制造方法?，F(xiàn)有的隔離電流器件體積偏大、傳感靈敏度低。本發(fā)明方法先制造磁敏電橋結構，再制備一層絕緣層作為器件的電隔離層。電橋結構的電源端和電壓信號輸出端與焊盤之間通過用電鍍工藝制備的銅柱及其之上的金屬連接線連接。信號輸入線圈具有雙層結構，雙層金屬線圈通過兩次金屬沉積刻蝕工藝實現(xiàn)。線圈制備完成后沉積一層無機絕緣材料，采用絕緣聚合物為模板，電鍍一層軟磁屏蔽層用于屏蔽外磁場的干擾，電鍍屏蔽層后沉積一層絕緣保護層及光刻形成焊盤即可完成器件的制造。利用本發(fā)明方法得到的隔離電流器件體積小、檢測靈敏度好、性能穩(wěn)定。
文檔編號G01R19/00GK101976723SQ20101025144
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月10日
發(fā)明者錢正洪 申請人:杭州電子科技大學