集成磁電子信號隔離耦合器件及其製備工藝的製作方法
2023-05-20 18:25:11 1
專利名稱：集成磁電子信號隔離耦合器件及其製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種集成磁電子信號隔離耦合器件及其製備工藝。
背景技術：
隔離信號耦合器件廣泛應用於計算機網絡接口、數據傳輸、通訊、傳感器/測量 儀器、移動電子、醫療電子等多個領域。隔離信號耦合器件的基本作用就是在電氣隔離的狀 態下進行數據信號通訊。隔離信號耦合器件能夠減小或消除地面迴路噪音和共模電壓效應 以及由此而引起的對接口和附屬電路的損壞。現在應用比較廣泛的是光電信號隔離耦合器 件(以下簡稱光電耦合器)，其操作原理是基於對光信號的發射和探測。光電耦合器由一層 光學透明的絕緣層分開的光信號發射器和探測器密閉封裝在一起組成。光電耦合器存在以 下幾個本質缺點體積大、速度慢(<10 MHz)、不易集成、不防輻射和容易老化。因此，光電耦 合器越來越不適應現代高速電子系統的要求。光電耦合器依據光作為載體來傳遞信號。但信號也可通過其它載體如磁場或電場 等來傳遞。近年來，美國ADI公司推出的基於線圈互感原理的iCoupler耦合器件技術和美 國NVE公司開發成功的巨磁阻(GMR)磁電耦合器件技術都是通過磁場作為載體來進行信號 傳遞的。ADI公司的iCoupler耦合器件技術是一種線圈-線圈絕緣隔離配置的數位訊號隔 離耦合器件。它需要一個專用的驅動電路將輸入電壓轉化為調製脈衝電流信號來產生調製 脈衝磁場。然後通過獲取線圈接收到的磁場信號並將信號解調為原始信號。NVE公司的巨磁阻(GMR)磁電耦合器件的中心結構是平面絕緣隔離的線圈-GMR傳 感器接收單元。這種信號隔離耦合器件需要一個電流驅動電路以使信號電流通過線圈產生 信號磁場，然後通過GMR傳感器單元探測接收信號磁場並通過讀出電路進行重構和讀出。 但是這種巨磁阻(GMR)磁電耦合器件存在三個主要缺點第一就是器件不能完全與光電耦 合器兼容，需要一個專用的驅動器將電壓信號轉換為電流信號；第二是在意外的電源掉電 後，輸出信號的狀態在重新啟動後不確定。第三是自由層的磁化翻轉涉及到了磁疇壁運動， 這不僅會產生巴克豪森噪音，而且還會限制翻轉速度。
發明內容
本發明的目的在於提供一種集成磁電子信號隔離耦合器件及其製備工藝，該磁電 耦合器件上的磁敏電橋包括線性巨磁電阻，即GMR磁敏單元，或者磁性隧道結，即MTJ磁敏 單元；同時，該磁電耦合器件上的信號輸入線圈為雙層結構，使輸入信號電流焊接盤安排在 線圈之外，從而有利於晶片整體排版和縮小晶片尺寸，單位電流通過雙層線圈時能夠產生 更強的磁場信號；此外雙層輸入線圈之間，線圈與磁敏電橋之間、磁敏電橋與輸出信號處理 電路之間分別設有對應的絕緣介質層、絕緣隔離層，以及信號輸入線圈的外層設有的軟磁 屏蔽層，有效的隔絕外部磁場信號的幹擾，實現體積小、兼容性好、傳輸速度快、具有防輻射 等的目的。
本發明解決現有技術問題所採用的技術方案是集成磁電子信號隔離耦合器件， 其特徵在於包括信號輸入線圈、與信號輸入線圈隔離的磁敏電橋，與磁敏電橋連接的信號 處理電路，上述三者集成在同一管芯上，自下而上依次為信號處理電路、第一絕緣介質層、 磁敏電橋、絕緣隔離層、信號輸入線圈、軟磁屏蔽層，所述的磁敏電橋和信號處理電路均與 信號輸入線圈在電氣上是完全隔離的。先將電流信號通過信號輸入線圈轉換成磁場信號， 然後通過該磁場信號被磁敏電橋結構探測並轉換成電信號，再通過輸出信號處理電路重構 輸出。磁電耦合器件中的信號輸入線圈採用的電源與磁敏電橋、輸出信號處理電路採用的 電源不同。屏蔽層的作用一方面是為了防止外界磁場對信號的幹擾，同時也可以提高線圈 的激磁場的效率，降低器件的能耗。作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明採用如下技術措施所述的磁 敏電橋包括線性巨磁電阻，即GMR磁敏單元，或者磁性隧道結，即MTJ磁敏單元。所述的信號輸入線圈由兩層金屬平面線圈連接形成，使信號輸入線圈上的輸入信 號電流焊接盤安排在線圈外圍；磁敏電橋、信號處理電路上的電源端及信號輸出端分別都 與焊接盤之間通過銅柱連接。信號輸入線圈由相串聯的兩層金屬平面線圈所組成。這樣的 線圈結構可使輸入信號電流焊接盤(Pad)安排在線圈之外，從而有利於晶片整體排版和縮 小晶片尺寸。相比於單層線圈，單位電流通過雙層線圈時能夠產生更強的磁場信號。這樣 的線圈結構具有以下優點1)可增大通過線圈的輸入信號電流所產生的信號磁場強度；2) 可減小線圈的尺寸；3)輸入信號電流焊接盤可被安排在線圈之外，有利於晶片整體排版和 縮小晶片尺寸。所述的磁敏電橋包括線性巨磁電阻，即GMR磁敏單元，或者磁性隧道結，即MTJ磁 敏單元。所述的信號輸入線圈由兩層金屬平面線圈連接形成，使信號輸入線圈上的輸入信 號電流焊接盤安排在線圈外圍。所述的信號輸入線圈與磁敏電橋結構之間的隔離絕緣層採用絕緣聚合物，或者採 用無機絕緣材料。所述的隔離絕緣層的厚度在5微米到30微米之間；所述的絕緣聚合物選用BCB、 或聚醯亞胺；所述的無機絕緣材料選用Al2O3、或者Si3N4、或者Si02。絕緣隔離層的厚度可 根據隔離電壓的大小而定。製備有輸出信號處理電路的矽片通常採用常規工藝製備即可得 到，其上的電路電源及其相關的連線都已暴露出來，方便與磁敏電橋相連接。所述的磁敏電橋、信號處理電路上的電源端及信號輸出端分別都與焊接盤之間通 過金屬柱連接，所述的金屬柱為Cu柱，或者為Au柱、或者為Ag柱、或者為Ni柱、或者為Al 柱。集成磁電子信號隔離耦合器件的製造工藝，其製造步驟包括在製備有輸出信號 處理電路的矽片上製作磁敏電橋；在磁敏電橋上製作絕緣隔離層，並開口，接著，沉積金屬 層，對金屬層進行刻蝕形成連接線；製作銅柱，然後，再製作信號輸入線圈，最後再在信號輸 入線圈上面加制一層軟磁屏蔽層，其特徵在於銅柱是以光刻膠為模板通過電鍍工藝形成 勻膠、曝光顯影形成電鍍模板，然後電鍍銅柱，電鍍後顯影去膠，再沉澱隔離絕緣層。當隔離絕緣層採用無機絕緣材料時，沉積無機絕緣材料，需通過化學機械拋光的 方法拋光使其表面平整並將Cu柱暴露出來，以便於與信號處理電路相連接；當隔離絕緣層採用絕緣聚合物時，旋塗絕緣聚合物，然後直接在其上進行信號處理電路的製作工藝。所述的信號輸入線圈為雙層金屬線圈，其通過兩次金屬沉積刻蝕工藝實現在隔 離層上沉積金屬並刻蝕後形成第一層線圈，然後旋塗絕緣第二絕緣介質層，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後，然後再沉積金屬並刻蝕形成第二 層線圈。所述的信號輸入線圈上面加制一層軟磁屏蔽層。沉積軟磁屏蔽層的工序包括先 沉積一層電鍍種子層，再通過旋塗一層光刻膠並曝光顯影后作為模板電鍍層，電鍍完成後， 顯影並通過離子刻蝕的方法將電鍍種子層刻蝕去除後得到屏蔽層。本發明具有的突出的實質性特點該磁電耦合器件上設有雙層結構的信號輸入線 圈，使輸入信號電流焊接盤安排在線圈之外，從而有利於晶片整體排版和縮小晶片尺寸，單 位電流通過雙層線圈時能夠產生更強的磁場信號；雙層輸入線圈之間，線圈與磁敏電橋之 間、磁敏電橋與輸出信號處理電路之間分別設有對應的絕緣介質層或絕緣隔離層，以及信 號輸入線圈的外層設有的屏蔽層，有效的隔絕信號的幹擾，實現體積小、兼容性好、傳輸速 度快、具有防輻射等的目的；此外，製備工藝步驟合理，容易工業化生產。
圖1為本發明中的一種剖視結構示意圖； 圖2為本發明中製備工藝的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。實施例集成磁電子信號隔離耦合器件，如圖1所示，它包括信號輸入線圈6、與信 號輸入線圈6信號連接的磁敏電橋3，與磁敏電橋3信號連接的信號處理電路2。上述三 者集成在同一管芯上，自下而上依次為信號處理電路2、第一絕緣介質層4、磁敏電橋3、絕 緣隔離層5、信號輸入線圈6、軟磁屏蔽層7，磁敏電橋3和信號處理電路2均與信號輸入線 圈在電氣上是完全隔離的。磁敏電橋3包括線性巨磁電阻，即GMR磁敏單元，或者磁性隧道 結，即MTJ磁敏單元。磁敏電橋3、信號處理電路2上的電源端及信號輸出端分別都與焊接 盤之間通過Cu柱8 (或者Au柱、或者Ag柱、或者Ni柱、或者Al柱)連接。為了節省篇幅， 達到簡潔的目的，在實施例裡僅以Cu柱為例做具體的說明。如圖2所示，集成磁電子信號隔離耦合器件的製備工藝，其製造步驟包括在製備 有輸出信號處理電路2的矽片1上製作磁敏電橋3 ；在磁敏電橋3上製作絕緣隔離層，並開 口，接著，沉積金屬層，對金屬層進行刻蝕形成連接線14 ；製作銅柱，然後，再製作信號輸入 線圈，信號輸入線圈上面加制一層軟磁屏蔽層。信號處理電路2為製備在矽片1上，通過半導體標準工藝完成。製作磁敏電橋3的製備工藝包括在製備有信號處理電路2的矽片1上製作磁敏 薄膜，即線性巨磁電阻(GMR磁敏單元)薄膜，或者磁性隧道結(MTJ磁敏單元)薄膜。對磁 敏薄膜進行刻蝕直接刻蝕的方法或者採用硬模離子刻蝕的方法。若採用硬模離子刻蝕方 法，需在磁敏薄膜上沉積一層隔離絕緣層，然後通過反應離子束刻蝕方法，將隔離絕緣層離 子刻蝕，形成巨磁阻或磁隧道結電阻條的模板，然後通過離子刻蝕的方法，將巨磁阻或磁隧道結刻蝕成所需的圖形。銅柱8是以光刻膠為模板通過電鍍工藝形成勻膠、曝光顯影形成電鍍模板，然後 電鍍銅柱，當電鍍銅柱達到所需的厚度後，將光刻膠模板通過去膠工藝去膠，再通過離子刻 蝕方法將電鍍種子層刻蝕去除就得到銅柱；再沉澱隔離絕緣層5。信號輸入線圈6為雙層金屬線圈，信號輸入線圈上的輸入信號電流焊接盤13安排 在線圈外圍。每層信號輸入線圈可由一道或多道線圈組成，為跑道式結構，兩層線圈上下重 疊，兩層線圈由第二絕緣介質層9隔開。第一線圈層和磁敏電橋之間設置絕緣隔離層5，並 通過Cu柱8與磁敏電橋3相連接。雙層金屬線圈6通過兩次金屬沉積刻蝕工藝實現在隔離層上沉積金屬並刻蝕後 形成第一層線圈，然後旋塗第二絕緣介質層9，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後，然後再沉積金屬並刻蝕形成第二層線圈。第二線圈層上面設有第三絕緣介質層10。第三絕緣介質層10上還設有軟磁屏蔽 層7，如NWe屏蔽層。在屏蔽層7上再沉積第四絕緣介質層11，並通過刻蝕形成焊接盤12。 線圈採用Al，Cu，Au等金屬材質。線圈用於隔離耦合的信號輸入及信號磁場的產生。沉積 軟磁屏蔽層7 (如Mi^e屏蔽層)的工序包括先沉積一層電鍍種子層，再通過旋塗一層光刻 膠並曝光顯影后作為模板電鍍層，電鍍完成後，顯影並通過離子刻蝕的方法將電鍍種子層 刻蝕去除後得到屏蔽層。信號輸入線圈6與磁敏電橋3結構之間的絕緣隔離層5採用絕緣聚合物或無機絕 緣材料。絕緣隔離層採用絕緣聚合物時，先通過旋塗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，並通過光刻、刻蝕得到使連接柱上端暴露連接孔，並將Cu 柱暴露出來，以便於與信號處理電路2相連接；或者，當絕緣隔離層採用無機絕緣材料時， 則是通過濺射的方式沉積無機絕緣隔離層，然後通過化學機械拋光將矽片表面平坦化處理 並使Cu柱8上端暴露。根據隔離電壓的大小，隔離絕緣層的厚度在5微米到30微米之間。絕緣介質層和 絕緣隔離層的材料通常選用高介電強度、低介電常數的隔離材料。如，絕緣聚合物選用BCB、 或聚醯亞胺；無機絕緣材料選用Al2O3、或者Si3N4、或者Si02。如表1所示
表1不同絕緣材料的介電性能
權利要求
1.集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於包括信號輸入線圈(6)、與信號輸入線 圈(6)隔離的磁敏電橋(3)，與磁敏電橋(3)信號連接的信號處理電路(2)，上述三者集成在 同一管芯上，自下而上依次為信號處理電路(2)、第一絕緣介質層(4)、磁敏電橋(3)、絕緣 隔離層(5)、信號輸入線圈(6)、軟磁屏蔽層(7)，所述的磁敏電橋(3)和信號處理電路(2)均 與信號輸入線圈(6)在電氣上是完全隔離的。
2.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於所述的磁敏電橋 (3)包括線性巨磁電阻，即GMR磁敏單元，或者磁性隧道結，即MTJ磁敏單元。
3.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於所述的信號輸入 線圈(6)由兩層金屬平面線圈連接形成，使信號輸入線圈上的輸入信號電流焊接盤(13)安 排在線圈外圍。
4.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於所述的信號輸入 線圈(6)與磁敏電橋(3)結構之間的隔離絕緣層(5)採用絕緣聚合物，或者採用無機絕緣材 料。
5.根據權利要求4所述的集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於所述隔離絕緣層 (5)的厚度在5微米到30微米之間；所述的絕緣聚合物選用BCB、或聚醯亞胺；所述的無機 絕緣材料選用Al2O3、或者Si3N4、或者SiO2。
6.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件，其特徵在於所述的磁敏電橋 (3)、信號處理電路(2)上的電源端及信號輸出端分別都與焊接盤(13)之間通過金屬柱(8) 連接，所述的金屬柱(8)為Cu柱，或者為Au柱、或者為Ag柱、或者為M柱、或者為Al柱。
7.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件的製造工藝，其製造步驟包 括在製備有輸出信號處理電路的矽片上製作磁敏電橋(3)；在磁敏電橋(3)上製作絕緣隔 離層(5)，並開口，接著，沉積金屬層，對金屬層進行刻蝕形成連接線(14)；製作銅柱(8)，然 後，再製作信號輸入線圈(6)，最後再在信號輸入線圈(6)上面加制一層軟磁屏蔽層(7)，其 特徵在於銅柱(8)是以光刻膠為模板通過電鍍工藝形成勻膠、曝光顯影形成電鍍模板，然 後電鍍銅柱，電鍍後顯影去膠，再沉澱隔離絕緣層。
8.根據權利要求7所述的集成磁電子信號隔離耦合器件的製造工藝，其特徵在於當隔 離絕緣層(5)採用無機絕緣材料時，沉積無機絕緣材料，需通過化學機械拋光的方法拋光使 其表面平整並將銅柱(8)暴露出來，以便於與信號處理電路(6)相連接；當隔離絕緣層(5) 採用絕緣聚合物時，旋塗絕緣聚合物，然後直接在其上進行信號處理電路(6)的製作工藝。
9.根據權利要求8所述的集成磁電子信號隔離耦合器件的製造工藝，其特徵在於所述 的信號輸入線圈(6)為雙層金屬線圈，其通過兩次金屬沉積刻蝕工藝實現在隔離層上沉 積金屬並刻蝕後形成第一層線圈，然後旋塗絕緣第二介質層(9)，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後，然後再沉積金屬並刻蝕形成第二層線圈。
10.根據權利要求1所述的集成磁電子信號隔離耦合器件的製造工藝，其特徵在於所 述的信號輸入線圈(6)上面加制一層軟磁屏蔽層(7)。
全文摘要
本發明涉及一種集成磁電子信號隔離耦合器件及其製備工藝。該耦合器件上自下而上依次為信號處理電路、第一絕緣介質層、磁敏電橋、絕緣隔離層、信號輸入線圈、軟磁屏蔽層，磁敏電橋和信號處理電路均與信號輸入線圈在電氣上是完全隔離。其製造工藝在製備磁敏電橋；製作絕緣隔離層、開口；沉積金屬層，刻蝕形成連接線；以光刻膠為模板通過電鍍工藝形成銅柱；再製作信號輸入線圈；再在信號輸入線圈上面加制一層軟磁屏蔽層，再沉澱隔離絕緣層。本發明具有的突出的實質性特點設有雙層結構的信號輸入線圈，使輸入信號電流焊接盤安排在線圈之外，從而有利於晶片整體排版和縮小晶片尺寸，單位電流通過雙層線圈時能夠產生更強的磁場信號。
文檔編號H01L43/00GK102148326SQ20101061757
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者錢正洪 申請人:錢正洪