专利名称：集成磁电子信号隔离耦合器件及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成磁电子信号隔离耦合器件及其制备工艺。
背景技术：
隔离信号耦合器件广泛应用于计算机网络接口、数据传输、通讯、传感器/测量 仪器、移动电子、医疗电子等多个领域。隔离信号耦合器件的基本作用就是在电气隔离的状 态下进行数据信号通讯。隔离信号耦合器件能够减小或消除地面回路噪音和共模电压效应 以及由此而引起的对接口和附属电路的损坏。现在应用比较广泛的是光电信号隔离耦合器 件(以下简称光电耦合器)，其操作原理是基于对光信号的发射和探测。光电耦合器由一层 光学透明的绝缘层分开的光信号发射器和探测器密闭封装在一起组成。光电耦合器存在以 下几个本质缺点体积大、速度慢(<10 MHz)、不易集成、不防辐射和容易老化。因此，光电耦 合器越来越不适应现代高速电子系统的要求。光电耦合器依据光作为载体来传递信号。但信号也可通过其它载体如磁场或电场 等来传递。近年来，美国ADI公司推出的基于线圈互感原理的iCoupler耦合器件技术和美 国NVE公司开发成功的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件技术都是通过磁场作为载体来进行信号 传递的。ADI公司的iCoupler耦合器件技术是一种线圈-线圈绝缘隔离配置的数字信号隔 离耦合器件。它需要一个专用的驱动电路将输入电压转化为调制脉冲电流信号来产生调制 脉冲磁场。然后通过获取线圈接收到的磁场信号并将信号解调为原始信号。NVE公司的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件的中心结构是平面绝缘隔离的线圈-GMR传 感器接收单元。这种信号隔离耦合器件需要一个电流驱动电路以使信号电流通过线圈产生 信号磁场，然后通过GMR传感器单元探测接收信号磁场并通过读出电路进行重构和读出。 但是这种巨磁阻(GMR)磁电耦合器件存在三个主要缺点第一就是器件不能完全与光电耦 合器兼容，需要一个专用的驱动器将电压信号转换为电流信号；第二是在意外的电源掉电 后，输出信号的状态在重新启动后不确定。第三是自由层的磁化翻转涉及到了磁畴壁运动， 这不仅会产生巴克豪森噪音，而且还会限制翻转速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成磁电子信号隔离耦合器件及其制备工艺，该磁电 耦合器件上的磁敏电桥包括线性巨磁电阻，即GMR磁敏单元，或者磁性隧道结，即MTJ磁敏 单元；同时，该磁电耦合器件上的信号输入线圈为双层结构，使输入信号电流焊接盘安排在 线圈之外，从而有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸，单位电流通过双层线圈时能够产生 更强的磁场信号；此外双层输入线圈之间，线圈与磁敏电桥之间、磁敏电桥与输出信号处理 电路之间分别设有对应的绝缘介质层、绝缘隔离层，以及信号输入线圈的外层设有的软磁 屏蔽层，有效的隔绝外部磁场信号的干扰，实现体积小、兼容性好、传输速度快、具有防辐射 等的目的。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是集成磁电子信号隔离耦合器件， 其特征在于包括信号输入线圈、与信号输入线圈隔离的磁敏电桥，与磁敏电桥连接的信号 处理电路，上述三者集成在同一管芯上，自下而上依次为信号处理电路、第一绝缘介质层、 磁敏电桥、绝缘隔离层、信号输入线圈、软磁屏蔽层，所述的磁敏电桥和信号处理电路均与 信号输入线圈在电气上是完全隔离的。先将电流信号通过信号输入线圈转换成磁场信号， 然后通过该磁场信号被磁敏电桥结构探测并转换成电信号，再通过输出信号处理电路重构 输出。磁电耦合器件中的信号输入线圈采用的电源与磁敏电桥、输出信号处理电路采用的 电源不同。屏蔽层的作用一方面是为了防止外界磁场对信号的干扰，同时也可以提高线圈 的激磁场的效率，降低器件的能耗。作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施所述的磁 敏电桥包括线性巨磁电阻，即GMR磁敏单元，或者磁性隧道结，即MTJ磁敏单元。所述的信号输入线圈由两层金属平面线圈连接形成，使信号输入线圈上的输入信 号电流焊接盘安排在线圈外围；磁敏电桥、信号处理电路上的电源端及信号输出端分别都 与焊接盘之间通过铜柱连接。信号输入线圈由相串联的两层金属平面线圈所组成。这样的 线圈结构可使输入信号电流焊接盘(Pad)安排在线圈之外，从而有利于芯片整体排版和缩 小芯片尺寸。相比于单层线圈，单位电流通过双层线圈时能够产生更强的磁场信号。这样 的线圈结构具有以下优点1)可增大通过线圈的输入信号电流所产生的信号磁场强度；2) 可减小线圈的尺寸；3)输入信号电流焊接盘可被安排在线圈之外，有利于芯片整体排版和 缩小芯片尺寸。所述的磁敏电桥包括线性巨磁电阻，即GMR磁敏单元，或者磁性隧道结，即MTJ磁 敏单元。所述的信号输入线圈由两层金属平面线圈连接形成，使信号输入线圈上的输入信 号电流焊接盘安排在线圈外围。所述的信号输入线圈与磁敏电桥结构之间的隔离绝缘层采用绝缘聚合物，或者采 用无机绝缘材料。所述的隔离绝缘层的厚度在5微米到30微米之间；所述的绝缘聚合物选用BCB、 或聚酰亚胺；所述的无机绝缘材料选用Al2O3、或者Si3N4、或者Si02。绝缘隔离层的厚度可 根据隔离电压的大小而定。制备有输出信号处理电路的硅片通常采用常规工艺制备即可得 到，其上的电路电源及其相关的连线都已暴露出来，方便与磁敏电桥相连接。所述的磁敏电桥、信号处理电路上的电源端及信号输出端分别都与焊接盘之间通 过金属柱连接，所述的金属柱为Cu柱，或者为Au柱、或者为Ag柱、或者为Ni柱、或者为Al 柱。集成磁电子信号隔离耦合器件的制造工艺，其制造步骤包括在制备有输出信号 处理电路的硅片上制作磁敏电桥；在磁敏电桥上制作绝缘隔离层，并开口，接着，沉积金属 层，对金属层进行刻蚀形成连接线；制作铜柱，然后，再制作信号输入线圈，最后再在信号输 入线圈上面加制一层软磁屏蔽层，其特征在于铜柱是以光刻胶为模板通过电镀工艺形成 勻胶、曝光显影形成电镀模板，然后电镀铜柱，电镀后显影去胶，再沉淀隔离绝缘层。当隔离绝缘层采用无机绝缘材料时，沉积无机绝缘材料，需通过化学机械抛光的 方法抛光使其表面平整并将Cu柱暴露出来，以便于与信号处理电路相连接；当隔离绝缘层采用绝缘聚合物时，旋涂绝缘聚合物，然后直接在其上进行信号处理电路的制作工艺。所述的信号输入线圈为双层金属线圈，其通过两次金属沉积刻蚀工艺实现在隔 离层上沉积金属并刻蚀后形成第一层线圈，然后旋涂绝缘第二绝缘介质层，再通过光刻和 刻蚀形成连接第一层金属线圈及信号输出线的连接孔后，然后再沉积金属并刻蚀形成第二 层线圈。所述的信号输入线圈上面加制一层软磁屏蔽层。沉积软磁屏蔽层的工序包括先 沉积一层电镀种子层，再通过旋涂一层光刻胶并曝光显影后作为模板电镀层，电镀完成后， 显影并通过离子刻蚀的方法将电镀种子层刻蚀去除后得到屏蔽层。本发明具有的突出的实质性特点该磁电耦合器件上设有双层结构的信号输入线 圈，使输入信号电流焊接盘安排在线圈之外，从而有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸，单 位电流通过双层线圈时能够产生更强的磁场信号；双层输入线圈之间，线圈与磁敏电桥之 间、磁敏电桥与输出信号处理电路之间分别设有对应的绝缘介质层或绝缘隔离层，以及信 号输入线圈的外层设有的屏蔽层，有效的隔绝信号的干扰，实现体积小、兼容性好、传输速 度快、具有防辐射等的目的；此外，制备工艺步骤合理，容易工业化生产。
图1为本发明中的一种剖视结构示意图； 图2为本发明中制备工艺的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。实施例集成磁电子信号隔离耦合器件，如图1所示，它包括信号输入线圈6、与信 号输入线圈6信号连接的磁敏电桥3，与磁敏电桥3信号连接的信号处理电路2。上述三 者集成在同一管芯上，自下而上依次为信号处理电路2、第一绝缘介质层4、磁敏电桥3、绝 缘隔离层5、信号输入线圈6、软磁屏蔽层7，磁敏电桥3和信号处理电路2均与信号输入线 圈在电气上是完全隔离的。磁敏电桥3包括线性巨磁电阻，即GMR磁敏单元，或者磁性隧道 结，即MTJ磁敏单元。磁敏电桥3、信号处理电路2上的电源端及信号输出端分别都与焊接 盘之间通过Cu柱8 (或者Au柱、或者Ag柱、或者Ni柱、或者Al柱)连接。为了节省篇幅， 达到简洁的目的，在实施例里仅以Cu柱为例做具体的说明。如图2所示，集成磁电子信号隔离耦合器件的制备工艺，其制造步骤包括在制备 有输出信号处理电路2的硅片1上制作磁敏电桥3 ；在磁敏电桥3上制作绝缘隔离层，并开 口，接着，沉积金属层，对金属层进行刻蚀形成连接线14 ；制作铜柱，然后，再制作信号输入 线圈，信号输入线圈上面加制一层软磁屏蔽层。信号处理电路2为制备在硅片1上，通过半导体标准工艺完成。制作磁敏电桥3的制备工艺包括在制备有信号处理电路2的硅片1上制作磁敏 薄膜，即线性巨磁电阻(GMR磁敏单元)薄膜，或者磁性隧道结(MTJ磁敏单元)薄膜。对磁 敏薄膜进行刻蚀直接刻蚀的方法或者采用硬模离子刻蚀的方法。若采用硬模离子刻蚀方 法，需在磁敏薄膜上沉积一层隔离绝缘层，然后通过反应离子束刻蚀方法，将隔离绝缘层离 子刻蚀，形成巨磁阻或磁隧道结电阻条的模板，然后通过离子刻蚀的方法，将巨磁阻或磁隧道结刻蚀成所需的图形。铜柱8是以光刻胶为模板通过电镀工艺形成勻胶、曝光显影形成电镀模板，然后 电镀铜柱，当电镀铜柱达到所需的厚度后，将光刻胶模板通过去胶工艺去胶，再通过离子刻 蚀方法将电镀种子层刻蚀去除就得到铜柱；再沉淀隔离绝缘层5。信号输入线圈6为双层金属线圈，信号输入线圈上的输入信号电流焊接盘13安排 在线圈外围。每层信号输入线圈可由一道或多道线圈组成，为跑道式结构，两层线圈上下重 叠，两层线圈由第二绝缘介质层9隔开。第一线圈层和磁敏电桥之间设置绝缘隔离层5，并 通过Cu柱8与磁敏电桥3相连接。双层金属线圈6通过两次金属沉积刻蚀工艺实现在隔离层上沉积金属并刻蚀后 形成第一层线圈，然后旋涂第二绝缘介质层9，再通过光刻和刻蚀形成连接第一层金属线圈 及信号输出线的连接孔后，然后再沉积金属并刻蚀形成第二层线圈。第二线圈层上面设有第三绝缘介质层10。第三绝缘介质层10上还设有软磁屏蔽 层7，如NWe屏蔽层。在屏蔽层7上再沉积第四绝缘介质层11，并通过刻蚀形成焊接盘12。 线圈采用Al，Cu，Au等金属材质。线圈用于隔离耦合的信号输入及信号磁场的产生。沉积 软磁屏蔽层7 (如Mi^e屏蔽层)的工序包括先沉积一层电镀种子层，再通过旋涂一层光刻 胶并曝光显影后作为模板电镀层，电镀完成后，显影并通过离子刻蚀的方法将电镀种子层 刻蚀去除后得到屏蔽层。信号输入线圈6与磁敏电桥3结构之间的绝缘隔离层5采用绝缘聚合物或无机绝 缘材料。绝缘隔离层采用绝缘聚合物时，先通过旋涂的方法得到聚合物绝缘层，再沉积一层 厚度为200-2000A无机绝缘材料，并通过光刻、刻蚀得到使连接柱上端暴露连接孔，并将Cu 柱暴露出来，以便于与信号处理电路2相连接；或者，当绝缘隔离层采用无机绝缘材料时， 则是通过溅射的方式沉积无机绝缘隔离层，然后通过化学机械抛光将硅片表面平坦化处理 并使Cu柱8上端暴露。根据隔离电压的大小，隔离绝缘层的厚度在5微米到30微米之间。绝缘介质层和 绝缘隔离层的材料通常选用高介电强度、低介电常数的隔离材料。如，绝缘聚合物选用BCB、 或聚酰亚胺；无机绝缘材料选用Al2O3、或者Si3N4、或者Si02。如表1所示
表1不同绝缘材料的介电性能
权利要求
1.集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于包括信号输入线圈(6)、与信号输入线 圈(6)隔离的磁敏电桥(3)，与磁敏电桥(3)信号连接的信号处理电路(2)，上述三者集成在 同一管芯上，自下而上依次为信号处理电路(2)、第一绝缘介质层(4)、磁敏电桥(3)、绝缘 隔离层(5)、信号输入线圈(6)、软磁屏蔽层(7)，所述的磁敏电桥(3)和信号处理电路(2)均 与信号输入线圈(6)在电气上是完全隔离的。
2.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于所述的磁敏电桥 (3)包括线性巨磁电阻，即GMR磁敏单元，或者磁性隧道结，即MTJ磁敏单元。
3.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于所述的信号输入 线圈(6)由两层金属平面线圈连接形成，使信号输入线圈上的输入信号电流焊接盘(13)安 排在线圈外围。
4.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于所述的信号输入 线圈(6)与磁敏电桥(3)结构之间的隔离绝缘层(5)采用绝缘聚合物，或者采用无机绝缘材 料。
5.根据权利要求4所述的集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于所述隔离绝缘层 (5)的厚度在5微米到30微米之间；所述的绝缘聚合物选用BCB、或聚酰亚胺；所述的无机 绝缘材料选用Al2O3、或者Si3N4、或者SiO2。
6.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件，其特征在于所述的磁敏电桥 (3)、信号处理电路(2)上的电源端及信号输出端分别都与焊接盘(13)之间通过金属柱(8) 连接，所述的金属柱(8)为Cu柱，或者为Au柱、或者为Ag柱、或者为M柱、或者为Al柱。
7.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件的制造工艺，其制造步骤包 括在制备有输出信号处理电路的硅片上制作磁敏电桥(3)；在磁敏电桥(3)上制作绝缘隔 离层(5)，并开口，接着，沉积金属层，对金属层进行刻蚀形成连接线(14)；制作铜柱(8)，然 后，再制作信号输入线圈(6)，最后再在信号输入线圈(6)上面加制一层软磁屏蔽层(7)，其 特征在于铜柱(8)是以光刻胶为模板通过电镀工艺形成勻胶、曝光显影形成电镀模板，然 后电镀铜柱，电镀后显影去胶，再沉淀隔离绝缘层。
8.根据权利要求7所述的集成磁电子信号隔离耦合器件的制造工艺，其特征在于当隔 离绝缘层(5)采用无机绝缘材料时，沉积无机绝缘材料，需通过化学机械抛光的方法抛光使 其表面平整并将铜柱(8)暴露出来，以便于与信号处理电路(6)相连接；当隔离绝缘层(5) 采用绝缘聚合物时，旋涂绝缘聚合物，然后直接在其上进行信号处理电路(6)的制作工艺。
9.根据权利要求8所述的集成磁电子信号隔离耦合器件的制造工艺，其特征在于所述 的信号输入线圈(6)为双层金属线圈，其通过两次金属沉积刻蚀工艺实现在隔离层上沉 积金属并刻蚀后形成第一层线圈，然后旋涂绝缘第二介质层(9)，再通过光刻和刻蚀形成连 接第一层金属线圈及信号输出线的连接孔后，然后再沉积金属并刻蚀形成第二层线圈。
10.根据权利要求1所述的集成磁电子信号隔离耦合器件的制造工艺，其特征在于所 述的信号输入线圈(6)上面加制一层软磁屏蔽层(7)。
全文摘要
本发明涉及一种集成磁电子信号隔离耦合器件及其制备工艺。该耦合器件上自下而上依次为信号处理电路、第一绝缘介质层、磁敏电桥、绝缘隔离层、信号输入线圈、软磁屏蔽层，磁敏电桥和信号处理电路均与信号输入线圈在电气上是完全隔离。其制造工艺在制备磁敏电桥；制作绝缘隔离层、开口；沉积金属层，刻蚀形成连接线；以光刻胶为模板通过电镀工艺形成铜柱；再制作信号输入线圈；再在信号输入线圈上面加制一层软磁屏蔽层，再沉淀隔离绝缘层。本发明具有的突出的实质性特点设有双层结构的信号输入线圈，使输入信号电流焊接盘安排在线圈之外，从而有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸，单位电流通过双层线圈时能够产生更强的磁场信号。
文档编号H01L43/00GK102148326SQ20101061757
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者钱正洪 申请人:钱正洪