一種3-d霍爾傳感器的製作方法

2023-11-11 13:34:27 3

專利名稱：一種3-d霍爾傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種3-D霍爾傳感器。
背景技術：
目前通用的磁場傳感器主要包括霍爾傳感器和磁阻傳感器兩種，其中磁阻傳感器雖然可以檢測空間磁場，但是因為磁阻器件需要特殊的材料製作，不能兼容於標準半導體工藝，所以成本較高、應用範圍較窄；霍爾傳感器雖然能夠採用標準半導體工藝製作，具有成本低廉、集成度高、技術成熟和功耗較低等優點，獲得廣泛的市場運用，但是它只能檢測垂直於霍爾器件的二維平面磁場及其變化，不能適用於空間磁場檢測。集成霍爾傳感器幾乎可以使用所有半導體工藝製作實現，如Bipolar、CMOS、 BiCMOS以及B⑶等。公布號US2006/0108654A1中提出了一種適用於半導體工藝製作的通用霍爾器件的結構，公布號US2006/0097715A1中提出了兼容於CMOS工藝的特定霍爾器件結構；以上方法製作的霍爾傳感器雖然能夠檢測垂直於晶片表面的磁場，但不能檢測平行於晶片的磁場。公布號US2005/0230770A1中提出一種利用半導體工藝製作的垂直霍爾器件，可以檢測平行於晶片的磁場。公布號2006/0097715A1是在前專利的基礎上進一步增加了減少垂直霍爾器件失調的方法。由於這兩個專利技術都是利用晶片有限的厚度作為霍爾感應平面，因此霍爾感應平面非常小，只能檢測較強的磁場變化，同時這種方法也只能檢測平行於晶片表面的磁場，不能實現空間磁場的檢測
實用新型內容
[0004]為了解決上述現有技術存在的問題，本實用新型旨在提供一種3-D霍爾傳感器， 以直接實現空間磁場檢測以及相關的信號處理，而且能夠比相同封裝面積的其他霍爾傳感器集成更大面積的霍爾器件，從而大大提高磁場檢測的靈敏度。本實用新型所述的一種3-D霍爾傳感器，用於實現空間磁場檢測，它包括霍爾器件晶片，其包括霍爾器件和對應地連接在該霍爾器件上方的器件焊盤；磁場檢測電路晶片，其包括磁場檢測電路和對應連接在該磁場檢測電路上方的電路焊盤；以及分別用於安裝所述霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片並與它們電氣接觸的基板，且基板上的布置有用於連接所述霍爾器件晶片和磁場檢測電路晶片的連線；所述基板封裝成立方體，且所述霍爾器件晶片位於該立方體表面，所述磁場檢測電路晶片位於該立方體內。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板設有用以安放所述霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片的凹槽。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板的凹槽中設有用於與霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片電氣接觸的引腳，且所述器件焊盤及電路焊盤側面均分布有用於與所述引腳接觸的金屬。[0012]在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板凹槽的深度與所述霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片的厚度一致。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板設有用於相互組裝的插槽。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板的材料與所述霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片的材料一致。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述基板的材料為P型晶圓或N型晶圓。在上述的3-D霍爾傳感器中，所述霍爾器件晶片分別分布在所述立方體的六個表在上述的3-D霍爾傳感器中，所述霍爾器件晶片分別分布在所述立方體的前、後表面中的至少一個表面、左、右表面中的至少一個表面和上、下表面中的至少一個表面。由於採用了上述的技術解決方案，本實用新型通過使用標準半導體工藝製作霍爾器件晶片以及相關的磁場檢測電路晶片，然後將它們組裝在一起後得到，從而使本3-D霍爾傳感器利用標準半導體工藝製作的霍爾器件晶片來實現三維空間磁場檢測，打破傳統霍爾器件晶片只能檢測垂直磁場的局限，並且比相同封裝面積下的其他霍爾傳感器，能夠集成更大面積的霍爾器件、檢測到更加微弱的磁場信號以及具有更高的磁場靈敏度。具體來說，本實用新型具有以下優點1、本實用新型採用目前最先進的封裝工藝——特定的3-D封裝工藝製作集成3-D 霍爾傳感器，即採用晶圓(矽圓片)作為基板，完成相應布線後將製作好的霍爾器件晶片和磁場檢測電路晶片安裝到基板上，從而實現3-D封裝；2、本實用新型將霍爾器件和磁場檢測電路集成於一體，因此只要選擇不同的磁場檢測電路，就可以分別實現連續性或周期性的磁場檢測，並且還可以在磁場檢測電路晶片上集成更多的電路模塊，從而得到功耗更小、集成度更高、霍爾係數更大、封裝面積更小、功能更多和應用範圍更廣的3-D霍爾傳感器；3、本實用新型中的霍爾器件晶片和磁場檢測電路晶片都採用標準半導體工藝即 Bipolar、CM0S、BiCM0S或B⑶等工藝製作，無需添加額外步驟，從而降低了生產成本以及工
藝嘗試風險。

圖1是本實用新型的3-D霍爾傳感器的一種實施例的外觀結構示意圖；[0023]圖2是本實用新型的一種實施例的結構剖視圖；圖3是本實用新型的製造流程圖；圖4是現有的基於CMOS工藝製作的霍爾器件的平面結構示意圖；圖5是現有的基於CMOS工藝製作的霍爾器件的結構剖視圖；圖6是現有的基於CMOS工藝製作的霍爾器件的應用示意圖；圖7是現有的周期性檢測各方向磁場的磁場檢測電路的框圖；圖8是本實用新型中基板的結構剖視圖；圖9是本實用新型中基板的製作流程圖；圖10是本實用新型中基板與霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片的封裝示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，給出本實用新型的較佳實施例，並予以詳細描述。如圖1、圖2所示，本實用新型，即一種3-D霍爾傳感器，用於實現空間磁場檢測，它包括霍爾器件晶片19、磁場檢測電路晶片20和基板9，其中，霍爾器件晶片19包括霍爾器件和對應地連接在該霍爾器件上方的器件焊盤(圖中未示)；磁場檢測電路晶片20包括磁場檢測電路和對應連接在該磁場檢測電路上方的電路焊盤(圖中未示)；基板9設有用以安放霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的凹槽8，凹槽8的深度與霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的厚度一致，凹槽8中設有用於與霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20電氣接觸的引腳(圖中未示)，且器件焊盤及電路焊盤側面均分布有用於與引腳接觸的金屬；基板9上布置有用於連接霍爾器件晶片19和磁場檢測電路晶片20的連線(圖中未示)；基板9還設有用於相互組裝的插槽(圖中未示)；基板9封裝成立方體，且霍爾器件晶片19位於該立方體表面，磁場檢測電路晶片 20位於該立方體內。本實施例中將霍爾器件晶片19分別分布在立方體的六個表面，磁場檢測電路晶片20位於該立方體內正中位置，通過基板9加工時的布線，將各霍爾器件晶片19的輸出信號連接到磁場檢測電路晶片20，由磁場檢測電路晶片20的內部時鐘依次選擇對應方向的霍爾信號，再經過放大、採樣、比較等處理，實時或者周期檢測空間各方向的磁場變化，即實現3-D霍爾傳感器的作用。本實用新型的3-D霍爾傳感器中的霍爾器件晶片19的數目不局限於六個，其分布也不局限於立方體的外側或內側，即霍爾器件晶片19可以分別分布在所述立方體的前、後表面中的至少一個表面、左、右表面中的至少一個表面和上、下表面中的至少一個表面；例如選擇三個霍爾器件晶片19分別位於立方體的正面、側面和底面，同樣可以實現空間磁場檢測。另外，本實用新型還可以通過在磁場檢測電路晶片20上集成更多的電路模塊實現更多的功能，如增加大電流驅動電路模塊驅動後繼容性負載，或添加不同電平轉換電路模塊以兼容不同的應用環境等；集成度的提高可以製作功耗更小、耐壓更高、功能更齊全的專用磁場檢測霍爾傳感器。如圖3所示，本實用新型的製造過程包括以下步驟步驟Si，採用標準的半導體工藝，例如Bipolar、CMOS、Bi CMOS, B⑶工藝以及其他工藝的延伸製作得到霍爾器件晶片19 ；步驟S2，採用標準的半導體工藝，例如Bipolar、CMOS、Bi CMOS, B⑶工藝以及其他工藝的延伸製作得到磁場檢測電路晶片20 ；步驟S3，將霍爾器件晶片19和磁場檢測電路晶片20進行減薄處理；步驟S4，加工分別用於安裝霍爾器件晶片19以及磁場檢測電路晶片20的基板9， 包括在基板9上根據霍爾器件晶片19與磁場檢測電路晶片20的連線要求進行布線；步驟S5，將霍爾器件晶片19以及磁場檢測電路晶片20 —一對應地安裝在基板9 上，並使它們與基板電氣接觸；[0047]步驟S6，將基板9封裝成立方體，使霍爾器件晶片19位於該立方體表面，磁場檢測電路晶片20位於該立方體內，並使霍爾器件晶片19與磁場檢測電路晶片20電氣連接以得到可用於實現空間磁場檢測的3-D霍爾傳感器。如圖4、圖5所示，本實施例中的霍爾器件為採用CMOS工藝製作的常規產品，它包括N阱1、N+注入區域2、金屬澱積線3、隔離環4、霍爾平面5、P型襯底6以及四個引出端子7，其中N阱1即構成霍爾平面5 (不同工藝製作的霍爾平面材料存在差異，如CMOS工藝一般採用N阱作為霍爾平面，Bipolar、B⑶工藝一般選擇N外延層作為霍爾平面)；四個引出端子7均通過頂層的金屬澱積線3引出信號，其中兩個引出端子7作為輸入端與外部電源相連，另兩個引出端子7作為輸出端，反映霍爾電勢的大小。圖6中標示了霍爾感生電勢和霍爾器件的工作電流流向以及磁場方向的關係，圖中v+表示高電勢；V-表示低電勢；VH+表示霍爾高電勢；VH-表示霍爾低電勢；Θ表示磁場方向是垂直於紙面向外的方向；一表示霍爾器件外加電壓後電流的流向；表示在磁場變化的情況下產生的霍爾電勢的電流流向。霍爾器件的兩個輸入端分別和高、低電勢相連，當不存在磁場或者磁場強度很弱時，兩個輸出端之間的電壓差近似為零；當垂直於霍爾器件平面的磁場強度或者方向發生變化時，兩個輸出端之間存在一個幾百微伏左右的電壓差； 因此，通過檢測這兩個輸出端之間的電壓差變化，即可作為磁場變化的指示。當霍爾器件的工作電流方向如圖中實線箭頭所示，並當垂直於紙面向外的磁場發生變化時，霍爾感生電勢的方向即霍爾高、低電勢如圖中所示，霍爾感生電流的流向如圖中虛線箭頭所示。另外，霍爾器件的形狀除了可以是本實施例中的正方形外，還可以是圓形、矩形或多邊形等。一般，霍爾器件的引出端子7隻需通過金屬澱積線3 ( 一般選擇鋁或鋁合金)連接到晶片頂層對應的器件焊盤(圖中未示)，3-D封裝時由綁定線(一般選擇金線)和器件焊盤相連即可。在本實施例中，為了滿足3-D封裝，對霍爾器件晶片19的器件焊盤做了相關改進，具體來說先在緊鄰器件焊盤下方的介質層上刻蝕出深度範圍為10 30um的凹槽，然後在凹槽中蒸發或濺射填滿金屬(一般選擇鋁或者鋁合金)；在霍爾器件和器件焊盤對應連接後，沿該器件焊盤的最外側位置進行切割，以使該器件焊盤側面裸露出金屬，從而作為3-D 封裝時的電氣接觸點。如圖7所示，本實施例中的磁場檢測電路為一種常規的周期性檢測各方向磁場的信號處理電路，它包括選擇開關模塊11、動態失調消除模塊12、信號放大器13、採樣保持模塊14、磁滯比較器15、鎖存器16和相關17等部分，其中多個方向的霍爾器件18通過時序控制，由選擇開關模塊11依次選通，然後通過後續模塊完成對感應磁場信號的處理。磁場檢測電路除了可以是本實施例中的周期性檢測電路外，還可以是實時檢測電路；因此，採用不同的磁場檢測電路製作的3-D霍爾傳感器，可以分別實現空間磁場的實時檢測或周期性檢測。另外，與霍爾器件晶片19的器件焊盤一樣，為了滿足3-D封裝，對磁場檢測電路晶片20的電路焊盤(圖中未示)也做了相關改進，具體來說先在緊鄰電路焊盤下方的介質層上刻蝕出深度範圍為10 30um的凹槽，然後在凹槽中蒸發或濺射填滿金屬(一般選擇鋁或者鋁合金)；在磁場檢測電路和器件焊盤對應連接後，沿該電路焊盤的最外側位置進行切割，以使該電路焊盤側面裸露出金屬，從而作為 3-D封裝時的電氣接觸點。為了保證將霍爾器件晶片19和磁場檢測電路晶片20順利安置到封裝基板9裡， 需要通過磨削法和化學拋光處理將霍爾器件晶片19和磁場檢測電路晶片20，即整體晶圓減薄80 300um(具體減薄的尺寸可視晶圓的原始厚度而定)。基板9的加工主要是製作出安放霍爾器件晶片19和磁場檢測電路晶片20的空間以及各晶片和外界的引線連線；如圖8、圖9所示，具體包括以下步驟步驟S41，選擇基板9材料；為不增加額外支出，基板9的材料選擇與霍爾器件晶片19以及磁場檢測電路晶片20 —致的工藝材料，一般為P型晶圓，少數情況下選擇N型晶圓；在本實施例中，基板的材料選擇P型晶圓；步驟S42，根據霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的安放位置和連線要求， 在基板19的相應位置刻蝕出接觸孔(圖中未示)，接觸孔的深度與霍爾器件晶片19的器件焊盤或磁場檢測電路晶片20的電路焊盤的厚度一致；步驟S43，在接觸孔內蒸發或濺射填滿金屬(一般選擇鋁或鋁合金)，形成連線和引腳；步驟S44，根據霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的大小，沿著接觸孔刻蝕出用以安放霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的凹槽8，凹槽8的深度與霍爾器件晶片19或磁場檢測電路晶片20的厚度一致；步驟S45，在基板9上刻蝕用於相互組裝的插槽，以實現後期組裝。如圖10所示，步驟S5中將各晶片10即霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片組裝到基板9時，要將晶片10按與基板9上連線一致的方向嵌入基板9中。由於晶片10的焊盤在切割時，焊盤側面的金屬已經裸露，因此，嵌入時剛好和基板9的凹槽8內預留的引腳相接觸，從而完成電氣接觸。綜上所述，隨著晶片、晶圓和封裝水平的提高，3-D晶片封裝成為減小封裝大小的首要前沿技術。本實用新型採用標準半導體工藝製作霍爾器件晶片和相應的磁場檢測電路晶片，無需添加額外的製作步驟，並採用特定的3-D封裝技術將這些晶片封裝在一起得到3-D霍爾傳感器，從而使3-D霍爾傳感器能夠用霍爾器件實現空間磁場變化的檢測，並且能比相同封裝面積的其他霍爾傳感器集成更大面積的霍爾器件，從而具有更高的磁場靈敏度。以上所述的，僅為本實用新型的較佳實施例，並非用以限定本實用新型的範圍，本實用新型的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本實用新型申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本實用新型專利的權利要求保護範圍。本實用新型未詳盡描述的均為常規技術內容。
權利要求1.一種3-D霍爾傳感器，用於實現空間磁場檢測，其特徵在於，所述3-D霍爾傳感器包括霍爾器件晶片，其包括霍爾器件和對應地連接在該霍爾器件上方的器件焊盤； 磁場檢測電路晶片，其包括磁場檢測電路和對應連接在該磁場檢測電路上方的電路焊盤；以及分別用於安裝所述霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片並與它們電氣接觸的基板，且基板上的布置有用於連接所述霍爾器件晶片和磁場檢測電路晶片的連線；所述基板封裝成立方體，且所述霍爾器件晶片位於該立方體表面，所述磁場檢測電路晶片位於該立方體內。
2.根據權利要求1所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板設有用以安放所述霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片的凹槽。
3.根據權利要求2所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板的凹槽中設有用於與霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片電氣接觸的引腳，且所述器件焊盤及電路焊盤側面均分布有用於與所述引腳接觸的金屬。
4.根據權利要求2或3所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板凹槽的深度與所述霍爾器件晶片或磁場檢測電路晶片的厚度一致。
5.根據權利要求1、2或3所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板設有用於相互組裝的插槽。
6.根據權利要求1、2或3所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板的材料與所述霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片的材料一致。
7.根據權利要求6所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述基板的材料為P型晶圓或N型晶圓。
8.根據權利要求1、2或3所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述霍爾器件晶片分別分布在所述立方體的六個表面。
9.根據權利要求1、2或3所述的3-D霍爾傳感器，其特徵在於，所述霍爾器件晶片分別分布在所述立方體的前、後表面中的至少一個表面、左、右表面中的至少一個表面和上、下表面中的至少一個表面。
專利摘要本實用新型涉及一種3-D霍爾傳感器，它包括霍爾器件晶片，其包括霍爾器件和對應地連接在該霍爾器件上方的器件焊盤；磁場檢測電路晶片，其包括磁場檢測電路和對應連接在該磁場檢測電路上方的電路焊盤；以及分別用於安裝所述霍爾器件晶片以及磁場檢測電路晶片並與它們電氣接觸的基板，且基板上的布置有用於連接所述霍爾器件晶片和磁場檢測電路晶片的連線。本實用新型通過使用標準半導體工藝製作霍爾器件晶片以及相關的磁場檢測電路晶片，然後將它們組裝在一起後得到，實現了三維空間磁場檢測，並且比相同封裝面積下的其他霍爾傳感器，能夠集成更大面積的霍爾器件、檢測到更加微弱的磁場信號以及具有更高的磁場靈敏度。
文檔編號H01L23/31GK202189784SQ20112027891
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月2日 優先權日2011年8月2日
發明者賈曉欽 申請人:上海騰怡半導體有限公司