集成多层磁阻传感器及其制造方法与流程

本申请是于2013年7月11日提交的、申请号为201310297959.1、发明名称为“集成多层磁阻传感器及其制造方法”的中国发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种集成多层磁阻传感器及其制造方法，更具体涉及一种包括各向异性磁阻元件的磁场传感器。

背景技术：

由于amr(各向异性磁阻)型磁场传感器能够用于检测自然磁场(例如地球磁场)和由电部件(诸如电或电子设备以及有电流流过的电线)产生的磁场，amr型磁场传感器用于多种应用和系统中，例如，在罗盘中、在用于检测铁磁材料的系统中、在电流检测中以及在范围广泛的其它应用中。

已知的，各向异性磁阻效应现象发生在特定铁磁材料内，当经受外部磁场时，该特定铁磁材料根据所施加磁场的特性而经历电阻率的变化。通常，所述材料成形为薄条带以便形成电阻元件，并且因此所形成的电阻元件电连接在一起以形成电桥结构(通常为惠斯通电桥)。

此外已知的是采用半导体微加工标准技术来得到amr磁性传感器，例如在文献no.us4,847,584中所描述的那样。特别地，每个磁阻元件可以由沉积在例如硅的半导体材料的衬底上以形成薄条带磁阻材料的薄膜来形成，诸如透磁合金(包含铁和镍的铁磁合金)。

当电流流过磁阻元件时，所述磁阻元件的磁化方向与电流的流动方向之间的角度θ影响所述磁阻元件的电阻率的有效值，使得，随着角度θ的值变化，电阻的值也变化(详细地，所述变化遵循cos2θ型的规律)。

例如，平行于电流的流动方向的磁化方向导致对于经过磁阻元件的电流通路而言具有最大电阻值，而垂直于电流的流动方向的磁化方向导致对于经过磁阻元件的电流通路而言具有最小电阻值。

amr磁性传感器此外包括集成在所述传感器中的多个线圈(通常两个线圈)，该多个线圈被称作“置位/复位均压环”和“偏移均压环”并且被设计为当流过适当值的电流时，产生分别在垂直于传感器的检测方向上以及在传感器的检测方向上耦合的磁场；关于这点，例如参照文献no.us5,247,278。

置位/复位均压环具有通过交替转换而在第一预定方向(所谓“易磁化轴线”或ea)上改变磁阻元件的磁化指向(sense)的功能。使用中，通过经由置位/复位均压环在短时间周期内将适当值的磁场施加至磁阻元件以便任意地强制磁阻元件的磁偶极子的指向在第一预定方向上(置位操作)，并且随后通过将类似于前者但是具有相反指向的第二磁场施加至磁阻元件以便强制磁阻元件的磁偶极子的指向再次在第一预定方向上，但是具有相反指向(复位操作)，由此得到磁化指向的变化。

置位和复位操作具有在操作amr传感器之前使得amr传感器的每个磁阻元件进入相应的单磁畴状态的功能，例如以便于执行感测外部磁场的操作。置位和复位操作仅在单磁畴状态下是必需的，在单磁畴状态下磁阻元件的线性度、灵敏度和稳定性的基本属性是受控的并且可重复的。前述的置位和复位操作是已知的并且详细描述在例如文献no.us5,247,278中。

偏移均压环通常用于对于amr传感器中存在的偏移(由于对应的电气部件的值的失配)进行补偿的操作、自测试操作和/或校准amr传感器的操作。特别地，在存在偏移均压环时，在输出处来自amr传感器的电量的值是待感测的外部磁场以及由于偏移均压环中循环的电流而产生的磁场这两者的函数。由布置在与在其上提供传感器的磁阻元件和置位/复位均压环(在不同金属层中)的衬底相同的衬底上的传导材料(例如金属)交替形成偏移均压环，，并且偏移均压环与所述磁阻元件电绝缘并且设置在其附近。使得由偏移均压环所产生的磁场为部分地强制每个磁阻元件的磁偶极子的定向在正交于第一预定方向的第二预定方向(所谓“难磁化轴线”或ha)上。

图1以顶视平面图显示了例示已知类型并且包括连接在一起以便形成惠斯通电桥的多个磁阻元件的集成磁场传感器1的布局，例如文献no.us5,247,278和文献no.us5,952,825中所述，并且根据例如文献案号us4,847,584所述来制造。

更具体地，每个磁阻元件具有barber极(barber-pole)类型的结构。用于磁阻元件的barber极结构是已知的。在该情形下，每个磁阻元件通过由磁阻材料制成(通常是nife合金)的条带来形成，具有高电导率的传导元件(例如由铝、铜、银、或金制成)以直接电接触而布置在条带上。

所述传导元件在横切于磁阻条带的自发磁化轴线的方向上延伸；具体地，它们相对于磁阻条带的自发磁化轴线以特定角度α(通常α＝45°)而倾斜。

磁场传感器1借由已知类型的微加工工艺而形成在半导体衬底2上。在barber极配置中，以铁磁材料条带(例如包括ni/fe合金的沉积薄膜)形式的四个磁阻元件4、6、8和10电连接在一起以形成惠斯通电桥。对于每个磁阻元件4、6、8、10，形成磁阻元件的磁阻条带彼此串联。参照图1，磁阻元件4、6、8、10互连并且连接至端子(或焊盘)21、22、23、24和25。端子21借由传导路径11连接至磁阻元件4，并且磁阻元件4借由传导部分16连接至磁阻元件6。传导部分16借由相应的传导路径12电连接至端子22。磁阻元件6随后借由传导部分18连接至磁阻元件10，并且传导部分18借由相应的传导路径13电连接至端子23。磁阻元件10借由传导部分17与磁阻元件8互连，并且传导部分17借由相应的传导路径14电连接至端子24。端子25借由传导部分15连接至磁阻元件8。

如此方式，形成了电阻式惠斯通电桥结构，其提供对于具有垂直于形成磁阻元件4、6、8、10的铁磁材料条带的方向的磁场分量敏感的磁场传感器1。端子21连接至端子25以形成共用端子以便电连接磁阻元件4和磁阻元件8。

使用中，输入电压vin施加在端子22和端子24之间。在端子21(与端子25共用)和端子23之间对输出电压vout进行读取。

参照图1，磁场传感器1进一步包括电导材料的第一条带，第一条带在衬底2之上延伸并且借由电介质材料层(图中未详细示出)与衬底2绝缘。所述电导材料的第一条带形成了平面类型的第一绕组19，第一绕组19在平行于磁阻元件4、6、8、10所在的平面中延伸并且与磁阻元件4、6、8、10电绝缘。

磁场传感器1进一步包括电导材料的第二条带，第二条带在衬底2之上延伸并且借由电介质材料层(图中未详细示出)而与衬底2以及第一绕组19绝缘。所述电导材料的第二条带形成了平面类型的第二绕组20，第二绕组20在平行于磁阻元件4、6、8、10所在的平面中在端子20a和端子20b之间延伸，并且与磁阻元件4、6、8、10以及与第一绕组19电绝缘。

当需要产生具有与磁场传感器1交互的已知强度的磁场时，为了偏置、校准和/或补偿由于不需要的外部磁的场存在而引起的可能的偏移，使用第一绕组19。在后者情形中，在磁场传感器1的输出信号vout上由第一绕组19产生的磁场的效应在于平衡了由于不需要的外部磁场排它地引起的输出信号以便于产生零输出信号。

使用中，当第一绕组流过了电流时，产生了磁场，该磁场的磁力线具有在磁阻元件4、6、8、10所在平面中的分量，具体地，在平行于磁阻元件4、6、8、10的灵敏度的方向上。

由于磁阻元件4、6、8、10的生产工艺的不同，所述磁阻元件4、6、8、10可以存在彼此不同的结构特性。这产生了叠加在对于磁场传感器1是本征的有用的输出信号vs上的偏移信号voff，引起了在使用期间磁场传感器1的灵敏度的下降。所述偏移信号可以通过适当地操作第二绕组20来消除。更详细地，在使用期间，使得电流脉冲以彼此相反的方向在第二绕组20中流动(通过合适地偏置第二绕组的端子20a和20b)，以此方式以便产生由具有彼此相反指向的相应的场线来限定的相应的磁场。所述磁场具有强度以根据所产生的场线而重定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶极子，特别是采用由所产生的磁场的场线的指向而限定的指向。

在第一电流脉冲(称作置位脉冲)通过第二绕组20之后，产生第一磁场hs1以在第一指向上定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶极子。

在第二电流脉冲(称作复位脉冲)通过第二绕组20之后，产生第二磁场hs2(其强度例如等于第一磁场hs1的强度)以在第二指向上定向磁阻元件4、6、8、10的磁偶极子。

在置位步骤之后做出的测量结果(从电桥的输出端取得的信号)等于voff+vs，而在复位之后做出的测量结果则是voff－vs。通过两个测量结果相减，消除了偏移，因此得到了2vs。

参照图1所述的amr传感器为了正确操作而至少需要两个均压环(置位/复位均压环和偏移均压环)。

用于置位/复位操作的均压环以及用于偏移补偿操作的均压环的存在使得amr传感器制造工艺复杂并且增大了其制造成本。此外，也并未优化所制造的传感器的尺寸。

前述缺点在设计用于分别测量沿两个或三个轴线作用的磁场的双轴传感器或三轴传感器的情形下更加明显。在该情形下，实际上，将必须针对每个测量轴线提供至少一个磁阻元件并且针对每个磁阻元件提供置位/复位均压环和偏移补偿均压环。明显的是在该情形下，占据的面积和制造难度是重要问题。

根据已知类型的实施例，例如us6,529,114中所述，为了克服前述缺点并且获得紧凑的传感器，单个平面均压环形成为具有沿第一轴线(例如轴线x)的部分以及沿正交于第一轴线的第二轴线(例如轴线y)的部分。

磁阻元件形成在沿x定向的部分以及沿y定向的部分这两者中以使得磁阻传感器可以用作二轴传感器。所有的磁阻元件均是共面的并且在沉积铁磁材料的同一步骤期间形成。在限定磁阻条带(平坦薄膜)之前，所述铁磁材料具有在通常相对于铁磁元件的灵敏度的两个轴线均成45°角的方向上定向的易磁化轴线。磁阻元件的形状引入“形状各向异性”，其中沿着易磁化轴线的延伸l比沿着难磁化轴线的延伸w长，其中l>>w，形状各向异性结合材料(平坦薄膜)的各向异性，倾向于使得对于沿着x(具有平行于y的延伸l)的磁场灵敏的条带的易磁化轴线沿着y，以及使得对于沿着y(具有平行于x的延伸l)的磁场灵敏的条带的易磁化轴线沿着x。如此方式，能够将传感器作为二轴传感器操作。

然而，关于由于如下事实而必需的由磁阻元件产生的信号的进一步补偿的步骤方面，获得的方案并非最优，即使几何各向异性定向使得对于沿着x的磁场敏感的磁阻元件的易磁化轴线正交于对于沿着y的磁场敏感的磁阻元件的易磁化轴线，正交并非是理想的，除非磁阻元件以比90o大几度的角度设置。此外，该类型的传感器无法使得其尺寸缩减至小于约0.7×0.7mm²。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供不具有现有技术的缺点的磁阻传感器及用于制造磁阻传感器的方法。根据本发明，提供了如所附权利要求中限定的磁阻传感器及用于制造磁阻传感器的方法。

附图说明

为了更好理解本发明，现在仅借由非限定性示例而参照附图描述其优选实施例，其中：

－图1示出了根据现有技术的amr型磁场传感器；

－图2在示意性顶视平面图中示出了根据本发明一个实施例的磁场传感器；

－图3在示意性顶视平面图中示出了图2的磁场传感器的以传导条带形式的磁场发生器；

－图4示出了图3的磁场发生器的共面部分；

－图5示出了图3的磁场发生器的其它部分，设计为电耦合图4的共面部分；

－图6在示意性顶视平面图中示出了图2的磁场传感器的以传导条带形式的另一磁场发生器；

－图7示出了图6的磁场发生器的共面部分；

－图8示出了图6的磁场发生器的其它部分，设计为电耦合图7的共面部分；

－图9和图10示出了图2的磁场传感器的磁阻元件；

－图11在截面图中示出了沿着截面线xi-xi的图2的磁场传感器；

－图12a至图12d在截面图中示出了图2和图11的磁场传感器的制造步骤；

－图13在示意性顶视平面图中示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器；

－图14a和图14b示出了在用于置位/复位操作以及偏移补偿操作期间使用的图13的传感器；

－图15a在示意性顶视平面图中示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器；

－图15b在截面图中示出了沿着截面线xv-xv的图15a的磁场传感器；

－图16示出了在用于置位/复位操作期间使用的图15a的传感器；

－图17a和图17b分别在顶视平面图和截面图中示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器；

－图18a和图18b分别在顶视平面图和截面图中示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器；

－图19示出了图17的传感器的实施例的布局；以及

－图20示出了沿着截面线xix-xix的图18的传感器的截面图。

具体实施方式

图2在顶视平面图中并且以示意性方式示出了根据本发明一个实施例的形成在包括由电介质层彼此分开的多个金属层的晶片100中的磁场传感器30的一部分。

特别地，磁场传感器30是设计为感测作用于两个相互垂直方向上(特别地，在图2的表示中，分别沿着轴线y和x)的外部磁场bext1和bext2的二轴传感器。

磁场传感器30包括第一磁场发生器31和第二磁场发生器32。第一磁场发生器31由在多个金属层中延伸的平面传导条带形成，例如下文中参照图3和图4更详尽所述。第二磁场发生器32通常也由在与第一磁场发生器31在其中延伸的多个金属层至少部分地不同的多个金属层中延伸的平面传导条带形成(例如参见图6和图7以及相应的说明)。

磁场传感器30进一步包括第一磁阻元件(或简称磁阻器)和第二磁阻元件(或简称磁阻器)33、34，每个磁阻元件均包括相应的barber极结构。在沿着轴线z的顶视平面图中，第一和第二磁阻元件33、34分别在第一磁场发生器31的传导部分31a、31b的顶部上，以及在第二磁场发生器32的传导部分32a、32b的顶部上延伸。

更详细的，磁阻元件33、34设置在第一磁场发生器31和第二磁场发生器32的顶部上，以使得当第一磁场发生器31流过电流时，每个相应的磁阻元件33、34的优选的磁化轴线(特别地，易磁化轴线ea)垂直于传导部分31a、31b所产生的磁场b1的通量线而延伸(也即ea平行于轴线x)，并且使得当第二磁场发生器32流过电流时，磁阻元件33、34的副磁化轴线(特别地，难磁化轴线ha)垂直于传导部分32a、32b所产生的磁场b2的通量线而延伸(也即ha平行于轴线y)。如此方式，磁阻元件33、34经受沿着易磁化轴线ea(磁场b2)以及沿着难磁化轴线ha(磁场b1)这两者磁化。

磁场传感器30进一步包括第三磁阻元件(或简称磁阻器)35和第四磁阻元件(或简称磁阻器)36，每个磁阻元件均包括barber极结构，并且在沿着轴线z的顶视平面图中，每个barber极结构均在第二磁场发生器32的传导部分32a、32b以及第一磁场发生器31的传导部分31a、31b的顶部上延伸。

更详细地，磁阻元件35、36设置在第一和第二磁场发生器31、32的顶部上，以使得当第二磁场发生器32流过电流时，每个相应的磁阻元件35、36的优选磁化轴线(特别地，易磁化轴线ea)垂在于传导部分32a、32b所产生的磁场b2的通量线而延伸(也即ea平行于轴线y)，并且使得当第一磁场发生器31流过电流时，磁阻元件35、36的副磁化轴线(特别地，难磁化轴线ha)垂直于传导部分31a、31b所产生的磁场b1的通量线而延伸(也即ha平行于轴线x)。如此方式，磁阻元件35、36经受沿着易磁化轴线ea(磁场b1)以及沿着难磁化轴线ha(磁场b2)这两者的磁化。

第二磁场发生器32被配置为用于执行第一和第二磁阻元件33、34的置位/复位操作和/或执行第三和第四磁阻元件35、36的校准/偏移补偿操作。因此可以一般地以置位/复位第一和第二磁阻元件33、34(已参照图1的均压环20描述)的目的或者以在测试期间校准或者补偿第三和第四磁阻元件35、36(已参照图1的均压环19描述)的偏移的目的，或者同时以置位/复位第一和第二磁阻元件33、34以及校准/偏移补偿第三和第四磁阻元件35、36的目的而操作第二磁场发生器32。

同样地，第一磁场发生器31被配置为用于执行第三和第四磁阻元件35、36的置位/复位操作，以及执行第一和第二磁阻元件33、34的校准/偏移补偿的操作。因此可以一般地以置位/复位第三和第四磁阻元件35、36(已参照图1的均压环20描述)的目的或者以在测试期间校准或者补偿第一和第二磁阻元件33、34(已参照图1的均压环19描述)的偏移的目的，或者同时以置位/复位第三和第四磁阻元件35、36以及校准/偏移补偿第一和第二磁阻元件33、34的目的而操作第一磁场发生器31。

使用期间，以已知方式偏置磁阻元件33－36，例如如图9和图10所示。

图2所示实施例是本发明的非限定性示例。特别地，可能仅预期具有沿着x的易磁化轴线的一个磁阻元件33，以及具有沿着y(也即正交于x)的易磁化轴线的一个磁阻元件35。在该情形中，磁阻元件34和36不存在。备选地，可能预期八个磁阻元件的使用：四个磁阻元件连接在一起以形成惠斯通电桥并且被定向为使得它们的易磁化轴线沿着x延伸；剩余的四个磁阻元件连接在一起以形成另一个惠斯通电桥并且被定向为使得它们的易磁化轴线沿着y(也即正交于x)延伸。

参照图3至图5，如已所述的，第二磁场发生器32包括借由电连接部分32c而电连接的两个传导部分32a、32b。在图4中的隔离中示出的传导部分32a、32b是共面的。特别地，传导部分32a、32b由金属材料制成(例如铝、铜、金等)并且形成在同一金属层上。更特别地，在图5中隔离中示出的电连接部分32c也由金属制成并且形成在与传导部分32a、32b的金属层不同的金属层中，并且通过金属化过孔39a、39b而连接至传导部分32a、32b。

例如，图4的传导部分32a、32b提供在第四金属层ml4中，而图5的电连接部分32c形成在晶片100的第三金属层ml3中。

参照图3，传导部分32a包括可以连接至电流发生器35的相应端子35a的第一端子32’；传导部分32b包括可以连接至电流发生器35的另一端子35b的第二端子32”。如此方式，在使用中，使得电流ip’在第一端子32’和第二端子32”之间流动，或者反之亦然。

为了本说明书的目的，当操作第二磁场发生器32以便执行磁阻元件33、34的置位和复位操作时，电流ip’对应于置位/复位电流isr，并且当操作第二磁场发生器32以便执行磁阻元件35、36的校准/偏移补偿的操作时，电流ip’对应于校准/偏移补偿电流ioff。

参照图6至图8，如已所述的，第一磁场发生器31包括借由电连接部分31c(在图8中的隔离中示出)电连接的两个传导部分31a、31b。传导部分31a、31b是共面的。特别地，传导部分31a、31b由金属材料制成(例如铝、铜、金等)，并且形成在同一金属层上，该金属层不同于在其中形成了第二磁场发生器32的传导部分32a、32b的金属层。更特别地，电连接部分31c也由金属制成，并且形成在不同于传导部分31a、31b的金属层的金属层中，并且通过金属化过孔41a、41b而连接至传导部分31a、31b。

根据一个实施例，第一和第二磁场发生器31、32的连接部分31c和32c分别形成在同一金属层上。例如，图7的传导部分31a、31b提供在第二金属层ml2中，而图8的电连接部分31c形成在晶片100的第三金属层ml3中。

参照图6，传导部分31a包括可以连接至电流发生器45的相应端子45a的第一端子31’；传导部分31b包括可以连接至电流发生器45的另一端子45b的第二端子31”。如此方式，使用中，使得电流ip”在第一端子31’和第二端子31”之间流动，或者反之亦然。

为了本说明书的目的，当操作第一磁场发生器31以便执行磁阻元件35、36的置位和复位操作时，电流ip”对应于置位/复位电流isr，并且当操作第一磁场发生器31以便执行磁阻元件33、34的校准/偏移补偿操作时，电流ip”对应于校准/偏移补偿电流ioff。

从图3可以注意到的是，在传导部分32a、32b中电流ip’在同一第一方向(平行于轴线y的方向)上流动并且具有同一指向；同样地，从图6可以注意到的是，在传导部分31a、31b中，电流ip”在同一第二方向(平行于轴线y的方向)上流动并且具有同一指向。电流ip’、ip”的前述第一和第二流动方向基本上彼此正交。如此方式，当使用中第一和第二磁场发生器31、32流过相应的电流ip’和ip”时，所有磁阻元件33至36均经受磁场b1和b2这两者。通过适当地选择在第一和第二磁场发生器31、32中流动的电流值，因此能够选择性地仅对第一和第二磁阻元件33、34，或者备选地仅对第三和第四磁阻元件35、36执行置位/复位和偏移补偿操作。

为了本说明书的目的，电流ip’、ip”对应于：

(i)置位/复位电流isr，当操作相应磁场发生器31、32以便分别执行磁阻元件35、36或者磁阻元件33、34的置位和/或复位操作时；

(ii)校准/偏移补偿电流ioff，当操作相应磁场发生器31、32以便分别执行磁阻元件35、36或者对于磁阻元件33、34的校准/偏移补偿操作时。两种情形的不同之处在于驱动电流的幅度值：校准的幅度值低；置位/复位的幅度值高。

根据本发明一个实施例，磁场传感器30的磁阻元件33至36具有一种barber极型结构并且在图9和图10中的隔离中示意性示出。特别地，图9示出了第三和第四磁阻元件35、36，而图10示出了第一和第二磁阻元件33、34。

每个磁阻元件33至36通常形成为铁磁材料(例如包括ni/fe合金的沉积薄膜)的单个条带，特别是在barber极配置中。备选地，barber极结构可以省略。

磁阻元件33至36如此方式布置在晶片100的金属层中以便与第一和第二磁场发生器31、32电绝缘，并且至少部分地沿着轴线z与第一和第二磁场发生器31、32对准，并且在任何情形下当流过相应的电流ip”、ip’时以如此方式设置以便分别与磁场发生器31、32的部分31a、31b和32a、32b所产生的磁场b1和b2交互。

图9的第三和第四磁阻元件35、36每个均通过由磁阻材料(例如nife合金)制成的条带以及由形成barber极结构的具有高电导率元件形成。磁阻材料的条带在晶片100的衬底和第一金属层之间延伸，而形成barber极结构的具有高电导率的元件延伸到第一金属层中，与相应的磁阻条带直接电接触。

图10的第一和第二磁阻元件33、34根据参照图9所述而形成。每个磁阻元件33、34通过磁阻材料(例如nife合金)的条带以及通过形成barber极结构的具有高电导率的元件形成。磁阻材料的条带在晶片100的第二和第三金属层之间延伸，并且形成barber极结构的具有高电导率的元件延伸到第三金属层中，与相应的磁阻条带直接电接触。

参照图9和图10，应当注意的是每个磁阻元件33至36自身是已知的并且包括与barber极结构欧姆接触的磁阻材料部分(例如镍和铁的合金，更特别地为透磁合金)，包括具有高电导率的传导元件(例如金属，诸如铝、银、金等)。barber极结构的传导元件相对于磁阻元件的自发磁化轴线(图中借由向量m指示)以特定角度α而倾斜(通常α＝45o)。每个磁阻元件33至36拥有可以连接至已知类型的相应偏置和读取电路37、39的端子部分33’至36’和33”至36”(由图9和图10中以虚线示出)。偏置和读取电路37、39被配置为用于在相应磁阻元件的端子33’至36’和33”至36”之间产生电流im的流动，并且读取磁阻元件的电阻值至电流im的通路。

作为barber极结构的结果，以如此方式定向表示电流im的向量im以在沿着难磁化轴线的零场情形下，以呈现与每个磁阻元件的磁化向量m呈角度α(也即沿着易磁化轴线定向的m)。

至少施加至一个磁阻元件的具有垂直于易磁化轴线ea(也即平行于难磁化轴线ha)的场分量的可能的外部磁场引起磁化向量m的旋转以及角度α的值的后续变化。这后续地引起磁阻元件的电阻的变化(也称作“磁阻效应”)并且可以通过获取并且分析跨端子部分33’-36’和33”－36”获取的输出信号而由偏置和读取电路来检测。

图11示出了根据本发明一个实施例的磁场传感器30的截面图。图11的截面是沿着图2的截面线xi-xi截取的。

现在关于根据图12a至图12d的用于形成具有图11所示结构的磁场传感器30的制造步骤来描述图11。

首先(图12a)，晶片100包括例如半导体材料(诸如硅)的衬底51，具有底表面51b和顶表面51a。结构51可以是先前加工的类型，例如可以包括其内形成有源区域和/或电接触焊盘(未示出)的电子部件53；随后，在衬底51的顶表面51a上沉积了电介质(电绝缘)层54之后，借由在电介质层54顶部沉积(以其自身已知方式)磁阻材料(例如nife合金)层并且随后蚀刻所述磁阻层以形成具有所需形状和尺寸的磁阻条带55、56来提供第三和第四磁阻元件35、36。随后沉积电介质层59，减小其厚度直至暴露磁阻条带55、56。例如由金属制成的传导层形成在暴露的磁阻条带55、56顶部上并且与其电接触。选择性蚀刻因此沉积的传导层的后续步骤使得能够得到前述的barber极型结构57、58。磁阻条带55、56和相应的barber极结构57、58分别形成第三磁阻元件35和第四磁阻元件36。

其中形成有barber极结构57、58的层是晶片100的第一金属层ml1。

随后(图12b)，具有包括在约0.5μm和3μm之间的厚度的电介质层60沉积在第三和第四磁阻元件35、36上。沉积之后，平坦化电介质层60(例如借由cmp)。

随后是沉积例如金属的传导层的步骤以及限定所述传导层以形成第一磁场发生器31的传导部分31a、31b的后续步骤。在顶视平面图中，由此限定的传导部分31a、31b具有图6所示类型的形状和相关布置。

更详细地，传导部分31a是基本上u型的传导条带，并且包括(参见图6)具有已经如图1所示的沿着轴线x部分地与第三和第四磁阻元件35、36重叠的主延伸的区域31a’，以及用作与传导部分31c电连接部分的弯曲区域31a”。

区域31a’沿着轴线x延伸包括在约50μm和1mm之间的长度，并且沿着轴线y延伸包括约10μm和200μm之间的长度。仅具有电连接功能的区域31a”具有根据需要选择的尺寸以便在使用期间使电流ip"持续。

传导部分31a沿着轴线z测量的厚度包括在1μm和5μm之间。

传导部分31b是具有沿着轴线x的主延伸方向(例如包括在50μm和1mm之间)以及沿着轴线y的副延伸方向(例如包括在10μm和200μm之间)的传导条带。传导部分31b沿着轴线z的厚度包括在1μm和5μm之间。

此外，传导部分31b以如此方式延伸以使其与第三和第四磁阻元件35、36重叠或者设置在其附近，如图2所示。

其中形成有传导部分31a、31b的层是晶片100的第二金属层ml2。

随后，再次参照图12b，具有包括在0.5μm和3μm之间的厚度的电介质层62沉积在晶片100上并且特别地沉积在传导部分31a和31b上。随后平坦化电介质层62。

接着，借由沉积(以其自身已知方式)磁阻材料(例如nife合金)层在电介质层62顶部上提供第一和第二磁阻元件33、34；随后，蚀刻由此沉积的磁阻层以形成具有预期形状和尺寸的磁阻条带65、66。图12b的截面仅示出了磁阻条带65，被设计为在后续制造步骤之后形成第二磁阻元件34。

随后(图12c)，在晶片100上执行电介质层70的沉积。随后减薄电介质层70的厚度直至暴露磁阻条带65。选择性蚀刻电介质层62和70以便在沿着轴线z与传导部分31a和31b的相应区域对准的电介质层62和70区域中形成穿通开口(图12c中仅可见一个穿通开口)。

随后采用传导材料填充穿通开口以便提供参照图2所述的传导通孔41a和41b。

接着，传导材料层特别是金属沉积在晶片100上。选择性蚀刻该传导材料层以便形成电连接部分31c(例如图5和图7所示)、电连接部分32c(例如图2和图4所示)以及第一和第二磁阻元件33、34的barber极结构73。其中形成了电连接部分31c、32c和第一和第二磁阻元件33、34的barber极结构的层是晶片100的第三金属层ml3。

如此方式，传导部分31b借由穿过电介质层62和70形成的传导通孔41a、41b而与传导部分31a电连接。

接着(图12d)，在晶片100上并且平坦化形成电介质层75。选择性蚀刻电介质层75以便在其中形成传导通孔39a、39b(图12d的截面中不可见)。金属层沉积在电介质层75上。蚀刻金属层以便限定传导部分32a、32b(例如图2和图3顶视平面图所示)。形成传导部分32a、32b以使得它们的区域与相应的传导通孔39a、39b电接触。如此方式，传导部分32a借由穿过电介质层75形成的传导通孔39a、39b而与传导部分32b电连接。

其中形成传导部分32a、32b的层是晶片100的第四金属层ml4。

在传导部分32a、32b的顶部上沉积另一电介质层77使得传导部分32a、32b与外部环境绝缘。如此方式，获得了图11的磁场传感器30。

在所述工艺步骤结束时，电介质层54、59、60、62、70、75、77形成了例如由氧化硅sio2制成的电介质或绝缘层78。

以已知方式生长磁阻条带55、56，以使得易磁化轴线ea沿着轴线y延伸；也以已知方式生长磁阻元件33、34的磁阻条带(图10中仅示出了磁阻条带65)以使得它们相应的易磁化轴线ea沿着轴线x延伸。

图13示出了根据本发明的磁场传感器110的另一实施例。

根据图13的实施例，通过多个传导条带形成磁场发生器110，其中多个传导条带例如由金属制成，是共面的并且形成在相同金属层中。传导条带沿彼此正交的x和y方向延伸并且在交叉点113a-113d交叉以形成网格111。

通过合适地偏移网格111来执行对于磁场传感器110的磁阻元件的置位/复位操作。

特别地，磁场传感器110包括被布置为形成网格111的四个传导条带112a-112d。传导条带112a、112b在平行于轴线x的主延伸方向上延伸，而传导条带112c、112d在平行于轴线y的主延伸方向上延伸。

磁阻元件114a-114d被设置为与传导条带112a-112d重叠。特别地，磁阻元件114a和114b被布置为沿着轴线z分别与传导条带112a和112b对准，并且被定向为使得它们的易磁化轴线ea正交于相应传导条带112a、112b的主延伸方向(也即正交于轴线x)并且使得它们的难磁化轴线ha正交于传导条带112c、112d的主延伸方向(也即垂直于轴线y)。

磁阻元件114c和114d被布置为沿着轴线z分别与传导条带112c和112d对准，并且被定向为使得它们的易磁化轴线ea正交于相应传导条带112c、112d的主延伸方向并且使得它们的难磁化轴线ha正交于传导条带112a、112b的主延伸方向。

在使用中，参照图14a，针对磁阻元件114a、114b的置位/复位操作，电流isr在由轴线x(具有对于置位和复位操作相反的指向)所限定的方向上在传导条带112a和112b中流动，产生具有沿着轴线y(也即平行于磁阻元件114a、114b的易磁化轴线)的场分量的磁场bsr。

参照图14b，在磁阻元件114c、114d的置位/复位操作期间，电流isr在由轴线y限定的方向(针对置位和复位操作具有相反指向)上在传导条带112c和112d中流动，产生具有沿轴线x(也即平行于磁阻元件114c、114d的易磁化轴线ea)的场分量的磁场bsr。

在置位/复位操作期间，仅偏置设计用于执行相应操作的传导条带。其余的传导条带维持在高阻抗。

根据本发明另一实施例，通过在交叉点113a-113d处设置磁阻元件114a-114d能够同时执行磁场传感器110的磁阻元件的置位/复位和校准/偏移补偿的操作。特别地，磁阻元件114a设置在交叉点113a处；磁阻元件114b设置在交叉点113b处；磁阻元件114c设置在交叉点113c处；磁阻元件114d设置在交叉点113d处。

如此方式，每个磁阻元件114a-114d均经受平行于其自身易磁化轴线的磁场(针对置位/复位操作)以及平行于其自身难磁化轴线的磁场(针对补偿/校准操作)这二者。

针对磁阻元件114a、114b的校准/偏移补偿操作，电流ioff在由轴线y限定的方向上在传导条带112c、112d中流动，产生具有沿轴线x(也即平行于磁阻元件114a、114b的难磁化轴线ha)的场分量的相应的磁场boff。针对磁阻元件114c、114d的校准/偏移补偿操作，电流ioff在由轴线x限定的方向上在传导条带112a、112b中流动，产生具有沿轴线y(也即平行于磁阻元件114c、114d的难磁化轴线ha)的场分量的相应的磁场boff。

用于置位和复位操作的传导条带的偏置采用通常包括200ma和1a之间的电流isr来发生；校准操作通常通过产生通常包括在5ma和50ma之间的电流ioff来进行。然而，基于所使用的磁阻元件的偏置类型，所述值可以是不同的，比指定的范围更高或更低。

明显的是以已知方式执行磁阻元件114a-114d的偏置和读取操作(例如图9和图10中示意性所示，或者在惠斯通电桥中插入它们)，并且在此并未描述它们以使得它们不形成本发明的主题。

图15a和图15b示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器120。图15b是图15a的沿着图15a的截面线xv-xv的截面图。

磁场传感器120类似于图13的磁场传感器110，以使其包括被布置为在顶视平面图中形成网格121的四个传导条带122a-122d。传导条带122a、122b在平行于轴线y的主延伸方向上延伸，而传导条带122c、122d在平行于轴线x的主延伸方向上延伸。如参照图13所述的磁阻元件124a-124d被设置为与传导条带122a-122d重叠。

参照图15b，磁场传感器120包括衬底51和电介质层123，电介质层123在衬底51的顶表面51a上延伸。电介质层123类似于前述的电介质层78。

磁阻元件124a、124b关于彼此共面并且以距顶表面51a第一距离延伸到绝缘层中；同样地，磁阻元件124c、124d关于彼此共面并且以距顶表面51a第二距离延伸到电介质层123中。第一和第二距离彼此不同，并且特别地第一距离小于第二距离。

与磁场传感器110不同，磁场传感器120的传导条带122a-122d并未相互电耦合。更特别地，由以下部分形成传导条带122a和122b：(i)传导条带的关于彼此共面并且在同一金属层上延伸的部分；以及(ii)连接部分，被设计为与传导条带的如下部分彼此电耦合，该如下部分属于同一传导条带122a、122b并且在与属于同一传导条带122a、122b的传导条带部分在其中延伸的金属层不同的金属层中延伸。

同样地，由以下部分形成传导条带122c和122d：(i)传导条带的关于彼此共面并且在不同于属于传导条带122a、122b的传导条带的部分在其中延伸的同一金属层上延伸的部分；以及(ii)连接部分，被设计为与传导条带的如下部分彼此电耦合，该如下部分属于同一传导条带122c、122d的并且在与属于同一传导条带122c、122d的传导条带部分在其中延伸的金属层不同的金属层中延伸。为此目的，传导条带122a和122b包括在与传导条带122c和122d的交叉点处的相应的下穿区域125a、125b。同样地，传导条带122c和122d包括在与传导条带122a和122b的交叉点处的相应的下穿区域125c、125d。每个下穿区域125a-125d包括传导下穿部分126a-126d以及由传导材料制成的两个通孔127’、127”，两个通孔被配置为用于将每个传导下穿区域126a-126d与传导条带122a-122d的延伸到顶部金属层中以便形成传导条带122a-122d的相应部分电耦合。

图15a、图15b的实施例具有的优点在于可以针对所有磁阻元件124a-124d同时执行磁阻元件124a-124d的置位/复位操作(参见图16)。

明显的是，在使用期间，磁阻元件124a-124d耦合至偏置和读取电路，例如借由图9和图10中示例所示。

根据不同的实施例，可以预期另外四个磁阻元件，另外四个磁阻元件连接到一起并且以其自身已知方式连接至磁阻元件124a-124d以形成两个相应的惠斯通电桥(针对每个感测轴线各一个)。

参照图16，在使用中，针对磁阻元件124a、124b的置位/复位操作，电流isr在由轴线x(置位和复位操作指向相反)限定的方向上在传导条带122a和122b中流动，产生具有沿着轴线y(也即平行于磁阻元件124a、124b的易磁化轴线ea)的场分量的磁场bsr。

为了执行磁阻元件124c、124d的置位/复位操作，相同的电流isr在由轴线y(置位和复位操作指向相反)限定的方向上在传导条带122c和122d中流动，产生具有沿着轴线x(也即平行于磁阻元件124c、124d的易磁化轴线ea)的场分量的磁场bsr。

明显的是，为了确保在所有传导条带122a-122d中产生同一电流isr，每个下穿区域125a-125d在关于传导特性上必须与其它下穿区域125a-125d是可比的。确保制造工艺高可重复性的当前的微加工技术使得能够满足该需求。特别地，制造下穿区域125a-125d以便呈现通孔的低电阻值以及低的薄片电阻。

图17a和图17b在顶视平面图中以及在截面图(沿着图17a的截面线xvii-xvii)中分别示出了根据本发明另一实施例的磁场传感器120’。磁场传感器120’类似于图15a的磁场传感器120，但是仅包括传导条带122a和122c。在此情形下，仅传导条带122a设置有下穿区域125a。磁阻元件124a和124c可以布置在相应的传导条带122a、122c的顶部上，如图15a所示，或者竖直地关于彼此对准(沿着轴线z)并且与两个传导条带122a、122c对准，如图17b所示。换言之，磁阻元件124c和124a基本上沿着轴线z与下穿区域125a对准，距衬底51的顶表面51a具有相应的第一距离和第二距离。

第一和第二距离彼此不同，并且特别地第一距离小于第二距离。明显的是，在使用期间，磁阻元件124a和124c耦合至偏置和读取电路，例如借由图9和图10中示例所示。

根据本发明另一实施例，在图18a(顶视图)和图18b(沿着图18a的截面线xviii-xviii的截面图)中示出了，磁场传感器150包括集中器151。集中器151例如是文献no.2010a001050中所述的类型。磁场传感器150是根据本发明任一实施例所述类型的传感器，例如图15a和图15b的传感器120。

为了实现独立读取(检测)沿着轴线z作用的磁场，磁场传感器150进一步包括磁阻元件152-155，磁阻元件152-155横向地并且相对于集中器151对称布置，并且以如此方式配置磁阻元件152-155以便具有沿平面xy特别是沿轴线x的感测轴线。即使仅一个磁阻元件152或者154就足以实现作为沿着z的磁场的检测器的磁场传感器150操作，但是使用两个或者更多磁阻元件152、154具有消除可能的场干扰效应的优点，磁阻元件152、154平行于平面xy(并且特别地在图18a示例中沿着x)。图18a示出了用于沿着z检测的四个磁阻元件152-155，其中两个磁阻元件相对于磁阻元件124a对称(沿着x)设置，而另两个相对于磁阻元件124b对称(沿着x)设置。然而，其它设置是可能的，例如其中磁阻元件沿着x关于彼此交错排列。

根据本发明一个实施例，磁阻器152-155形成为与磁阻器124a、124b共面(也即磁阻器124a、124b以距衬底51的顶表面51a如下距离而延伸，该如下距离等于磁阻器152-155距顶表面51a的距离)。根据本发明另一实施例，磁阻器152-155形成为与磁阻器124c、124d共面(也即磁阻器124c、124d以距衬底51的顶表面51a如下距离而延伸，该如下距离等于磁阻器152-155距顶表面51a的距离)。根据本发明又一实施例，磁阻器152-155位于与磁阻器124a-124d所在平面不同的平面中(也即磁阻器124a-124d以距衬底51顶表面51a相应距离而延伸，该相应距离不同于磁阻器152-155距顶表面51a的距离)。

详细地，借由示例的方式参照磁场传感器150，沟槽或者空腔153在衬底51内从顶表面51a延伸至接近底表面51b，反之亦然。

根据一个实施例，沟槽153设置为关于磁阻元件124a、124b横向交错，但是也可以设置(沿z)在磁阻元件124a、124b的顶部上。沟槽153容纳由覆盖沟槽153侧壁和底部的铁磁材料层形成的集中器151。集中器151由“软”铁磁材料(也即可以易于磁化并且在移除了外部磁场之后不会维持磁化的材料)制成。例如，可以使用非晶的钴基合金或透磁合金，通常不是各向异性的，特别是其易磁化轴线并未对准竖直壁(轴线z)。

在图18b的截面中，集中器151大致为具有两个臂部151a、151b和一个基底151c的u形。臂部151a、151b覆盖并且连续延伸至沟槽153的侧壁，贯穿沟槽153自身的厚度；基底151c覆盖并且连续至沟槽153的底部。臂部151a、151b具有沿着轴线z远大于其厚度的主要尺寸。

因此，当传感器150经受平行于轴线z的外部磁场bext时，集中器151的臂部151a、151b引起磁场bext的场线偏转并且产生平行于轴线x并且因此平行于磁阻元件152、154的灵敏度平面的水平场分量bext_x。因此可以以已知方式借由外部读取电路通过磁阻元件来检测水平分量bext_x。

假设集中器151由铁磁材料制成，形成了有助于磁场集中效应的磁路并且因此使得传感器150具有高灵敏度。

根据本发明另一实施例，为了进一步改善对于平行于平面xy定向的磁场的不灵敏性，可以连接使其自身感测轴线在同一方向上定向的磁阻元件以形成惠斯通电桥。详细地，根据所需感测轴线的数目，传感器可以仅包括一个惠斯通电桥、两个惠斯通电桥、或三个惠斯通电桥。

图19和图20示出(分别在顶视平面图中、以及在沿着截面线xix-xix的截面图中)并且借由示例的方式，磁场传感器170仅设置有一个惠斯通电桥并且具有类似于参照图18a、图18b所示和所述的集中器150的集中器172。设计磁场传感器170以检测沿着z作用的外部磁场bext。

传感器170具有连接形成惠斯通电桥175的四个磁阻元件171a-171d，惠斯通电桥175借由传导路径176连接至偏置端子vb和gnd并且被设计为供应输出信号vo。每个磁阻元件171a-171d构成一个电阻器r1-r4。电阻器r1-r4在磁阻元件的几何和电学特性上彼此相同。

参照图19、图20的结构，集中器172的臂部172a、172b集中了外部磁通量bext以便偏转磁通线并且产生平行于轴线x但是具有相反方向的场分量，假设它们随着最小磁阻的路径引导而穿过磁阻元件的铁磁材料。因此，外部磁场bext沿着z定向并且沿着方向y初始磁化，电阻器r3、r4见到具有第一符号(例如正)的沿着x的场分量，而电阻器r1、r2见到具有与第一符号相反的第二符号(例如负)的沿着x的场分量。因此，电阻器r1、r3的电阻减小了δr，而电阻器r2、r4的电阻增大了δr。随后从惠斯通电桥175输出的输出电压与电阻的改变成比例并且因此与外部磁场成比例。因此，基于检测到的信号以及几何配置而合适提供的读取电路能够确定外部磁场的幅度。

已描述的同样适用于设置有第二以及可能的第三惠斯通电桥的传感器，其磁阻元件被定向以便对于沿着x和沿着y作用的磁场敏感。

与磁场传感器的实施例无关，可以以集成形式在asic芯片或者与asic芯片分开的芯片中生产磁场传感器，并且借由凸块连接(或经由引线键合)而连接至asic芯片。以已知方式，asic芯片包括集成在衬底中的多个有源和/或无源电子部件。特别地，电子部件形成磁场传感器中的电源和/或读取电路。asic被配置为用于向磁阻元件供应被设计为偏置磁场传感器的磁阻元件的输入信号val。此外asic还被配置为用于读取由磁阻元件响应于输入信号val以及待感测的(可能的)外部磁场而产生的输出信号vout。

电源和读取asic是已知类型的，并且包括例如差分或者全差分电阻性或开关电容器式前端，或者在任何情形下设计用于该目的文献中已知的任何电路。

如所述，根据一个实施例，磁场传感器(包括磁阻元件和磁场发生器)集成在不同于asic芯片的衬底的衬底中，并且可以借由凸块(bump)连接至asic。为此目的，asic的衬底和承载磁场传感器的芯片的衬底在表面上具有被配置为用作asic与磁阻元件以及均压环之间的接口的相应的多个端子或焊盘。

根据另一实施例，磁场发生器和磁阻元件以集成形式形成在asic芯片的相应的顶部金属层中。例如，磁阻元件形成在asic芯片的最后金属层中，而磁场发生器形成在下面的金属层中。根据该实施例，芯片之间连接的凸块或者其它元件并非必需，结果具有减小寄生电容的优点。

根据任一所述实施例的磁场传感器可以用于罗盘中、线性位置传感器中、角度位置传感器中等。

从根据本公开提供的本发明特性的检验，提供的优点是明显的。

特别地，可以大大地减小传感器的整体尺寸以便获得具有表面面积小于0.5×0.5mm2的尺寸。

此外，相互不共面的磁阻元件形成在制造工艺的不同步骤中。如此方式，可以通过沉积铁磁材料来形成它们的每一个以此方式以便获得其易磁化轴线如上所述定向(特别地，正交于用于置位/复位操作的磁场线)的磁阻元件。结果，得到了具有的改进灵敏度(更高稳定性)并且置位/复位步骤更有效的传感器。

最后，明显的是，可以不脱离如所附权利要求所限定的本发明的保护范围而对于在此已描述和示出的内容做出修改和改变。