专利名称：一种3-d霍尔传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种3-D霍尔传感器。
背景技术：
目前通用的磁场传感器主要包括霍尔传感器和磁阻传感器两种，其中磁阻传感器虽然可以检测空间磁场，但是因为磁阻器件需要特殊的材料制作，不能兼容于标准半导体工艺，所以成本较高、应用范围较窄；霍尔传感器虽然能够采用标准半导体工艺制作，具有成本低廉、集成度高、技术成熟和功耗较低等优点，获得广泛的市场运用，但是它只能检测垂直于霍尔器件的二维平面磁场及其变化，不能适用于空间磁场检测。集成霍尔传感器几乎可以使用所有半导体工艺制作实现，如Bipolar、CMOS、 BiCMOS以及B⑶等。公布号US2006/0108654A1中提出了一种适用于半导体工艺制作的通用霍尔器件的结构，公布号US2006/0097715A1中提出了兼容于CMOS工艺的特定霍尔器件结构；以上方法制作的霍尔传感器虽然能够检测垂直于芯片表面的磁场，但不能检测平行于芯片的磁场。公布号US2005/0230770A1中提出一种利用半导体工艺制作的垂直霍尔器件，可以检测平行于芯片的磁场。公布号2006/0097715A1是在前专利的基础上进一步增加了减少垂直霍尔器件失调的方法。由于这两个专利技术都是利用芯片有限的厚度作为霍尔感应平面，因此霍尔感应平面非常小，只能检测较强的磁场变化，同时这种方法也只能检测平行于芯片表面的磁场，不能实现空间磁场的检测
实用新型内容
[0004]为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种3-D霍尔传感器， 以直接实现空间磁场检测以及相关的信号处理，而且能够比相同封装面积的其他霍尔传感器集成更大面积的霍尔器件，从而大大提高磁场检测的灵敏度。本实用新型所述的一种3-D霍尔传感器，用于实现空间磁场检测，它包括霍尔器件芯片，其包括霍尔器件和对应地连接在该霍尔器件上方的器件焊盘；磁场检测电路芯片，其包括磁场检测电路和对应连接在该磁场检测电路上方的电路焊盘；以及分别用于安装所述霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片并与它们电气接触的基板，且基板上的布置有用于连接所述霍尔器件芯片和磁场检测电路芯片的连线；所述基板封装成立方体，且所述霍尔器件芯片位于该立方体表面，所述磁场检测电路芯片位于该立方体内。在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板设有用以安放所述霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片的凹槽。在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板的凹槽中设有用于与霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片电气接触的引脚，且所述器件焊盘及电路焊盘侧面均分布有用于与所述引脚接触的金属。[0012]在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板凹槽的深度与所述霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片的厚度一致。在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板设有用于相互组装的插槽。在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板的材料与所述霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片的材料一致。在上述的3-D霍尔传感器中，所述基板的材料为P型晶圆或N型晶圆。在上述的3-D霍尔传感器中，所述霍尔器件芯片分别分布在所述立方体的六个表在上述的3-D霍尔传感器中，所述霍尔器件芯片分别分布在所述立方体的前、后表面中的至少一个表面、左、右表面中的至少一个表面和上、下表面中的至少一个表面。由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过使用标准半导体工艺制作霍尔器件芯片以及相关的磁场检测电路芯片，然后将它们组装在一起后得到，从而使本3-D霍尔传感器利用标准半导体工艺制作的霍尔器件芯片来实现三维空间磁场检测，打破传统霍尔器件芯片只能检测垂直磁场的局限，并且比相同封装面积下的其他霍尔传感器，能够集成更大面积的霍尔器件、检测到更加微弱的磁场信号以及具有更高的磁场灵敏度。具体来说，本实用新型具有以下优点1、本实用新型采用目前最先进的封装工艺——特定的3-D封装工艺制作集成3-D 霍尔传感器，即采用晶圆(硅圆片)作为基板，完成相应布线后将制作好的霍尔器件芯片和磁场检测电路芯片安装到基板上，从而实现3-D封装；2、本实用新型将霍尔器件和磁场检测电路集成于一体，因此只要选择不同的磁场检测电路，就可以分别实现连续性或周期性的磁场检测，并且还可以在磁场检测电路芯片上集成更多的电路模块，从而得到功耗更小、集成度更高、霍尔系数更大、封装面积更小、功能更多和应用范围更广的3-D霍尔传感器；3、本实用新型中的霍尔器件芯片和磁场检测电路芯片都采用标准半导体工艺即 Bipolar、CM0S、BiCM0S或B⑶等工艺制作，无需添加额外步骤，从而降低了生产成本以及工
艺尝试风险。
图1是本实用新型的3-D霍尔传感器的一种实施例的外观结构示意图；[0023]图2是本实用新型的一种实施例的结构剖视图；图3是本实用新型的制造流程图；图4是现有的基于CMOS工艺制作的霍尔器件的平面结构示意图；图5是现有的基于CMOS工艺制作的霍尔器件的结构剖视图；图6是现有的基于CMOS工艺制作的霍尔器件的应用示意图；图7是现有的周期性检测各方向磁场的磁场检测电路的框图；图8是本实用新型中基板的结构剖视图；图9是本实用新型中基板的制作流程图；图10是本实用新型中基板与霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片的封装示意图。
具体实施方式
以下结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。如图1、图2所示，本实用新型，即一种3-D霍尔传感器，用于实现空间磁场检测，它包括霍尔器件芯片19、磁场检测电路芯片20和基板9，其中，霍尔器件芯片19包括霍尔器件和对应地连接在该霍尔器件上方的器件焊盘(图中未示)；磁场检测电路芯片20包括磁场检测电路和对应连接在该磁场检测电路上方的电路焊盘(图中未示)；基板9设有用以安放霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的凹槽8，凹槽8的深度与霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的厚度一致，凹槽8中设有用于与霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20电气接触的引脚(图中未示)，且器件焊盘及电路焊盘侧面均分布有用于与引脚接触的金属；基板9上布置有用于连接霍尔器件芯片19和磁场检测电路芯片20的连线(图中未示)；基板9还设有用于相互组装的插槽(图中未示)；基板9封装成立方体，且霍尔器件芯片19位于该立方体表面，磁场检测电路芯片 20位于该立方体内。本实施例中将霍尔器件芯片19分别分布在立方体的六个表面，磁场检测电路芯片20位于该立方体内正中位置，通过基板9加工时的布线，将各霍尔器件芯片19的输出信号连接到磁场检测电路芯片20，由磁场检测电路芯片20的内部时钟依次选择对应方向的霍尔信号，再经过放大、采样、比较等处理，实时或者周期检测空间各方向的磁场变化，即实现3-D霍尔传感器的作用。本实用新型的3-D霍尔传感器中的霍尔器件芯片19的数目不局限于六个，其分布也不局限于立方体的外侧或内侧，即霍尔器件芯片19可以分别分布在所述立方体的前、后表面中的至少一个表面、左、右表面中的至少一个表面和上、下表面中的至少一个表面；例如选择三个霍尔器件芯片19分别位于立方体的正面、侧面和底面，同样可以实现空间磁场检测。另外，本实用新型还可以通过在磁场检测电路芯片20上集成更多的电路模块实现更多的功能，如增加大电流驱动电路模块驱动后继容性负载，或添加不同电平转换电路模块以兼容不同的应用环境等；集成度的提高可以制作功耗更小、耐压更高、功能更齐全的专用磁场检测霍尔传感器。如图3所示，本实用新型的制造过程包括以下步骤步骤Si，采用标准的半导体工艺，例如Bipolar、CMOS、Bi CMOS, B⑶工艺以及其他工艺的延伸制作得到霍尔器件芯片19 ；步骤S2，采用标准的半导体工艺，例如Bipolar、CMOS、Bi CMOS, B⑶工艺以及其他工艺的延伸制作得到磁场检测电路芯片20 ；步骤S3，将霍尔器件芯片19和磁场检测电路芯片20进行减薄处理；步骤S4，加工分别用于安装霍尔器件芯片19以及磁场检测电路芯片20的基板9， 包括在基板9上根据霍尔器件芯片19与磁场检测电路芯片20的连线要求进行布线；步骤S5，将霍尔器件芯片19以及磁场检测电路芯片20 —一对应地安装在基板9 上，并使它们与基板电气接触；[0047]步骤S6，将基板9封装成立方体，使霍尔器件芯片19位于该立方体表面，磁场检测电路芯片20位于该立方体内，并使霍尔器件芯片19与磁场检测电路芯片20电气连接以得到可用于实现空间磁场检测的3-D霍尔传感器。如图4、图5所示，本实施例中的霍尔器件为采用CMOS工艺制作的常规产品，它包括N阱1、N+注入区域2、金属淀积线3、隔离环4、霍尔平面5、P型衬底6以及四个引出端子7，其中N阱1即构成霍尔平面5 (不同工艺制作的霍尔平面材料存在差异，如CMOS工艺一般采用N阱作为霍尔平面，Bipolar、B⑶工艺一般选择N外延层作为霍尔平面)；四个引出端子7均通过顶层的金属淀积线3引出信号，其中两个引出端子7作为输入端与外部电源相连，另两个引出端子7作为输出端，反映霍尔电势的大小。图6中标示了霍尔感生电势和霍尔器件的工作电流流向以及磁场方向的关系，图中v+表示高电势；V-表示低电势；VH+表示霍尔高电势；VH-表示霍尔低电势；Θ表示磁场方向是垂直于纸面向外的方向；一表示霍尔器件外加电压后电流的流向；表示在磁场变化的情况下产生的霍尔电势的电流流向。霍尔器件的两个输入端分别和高、低电势相连，当不存在磁场或者磁场强度很弱时，两个输出端之间的电压差近似为零；当垂直于霍尔器件平面的磁场强度或者方向发生变化时，两个输出端之间存在一个几百微伏左右的电压差； 因此，通过检测这两个输出端之间的电压差变化，即可作为磁场变化的指示。当霍尔器件的工作电流方向如图中实线箭头所示，并当垂直于纸面向外的磁场发生变化时，霍尔感生电势的方向即霍尔高、低电势如图中所示，霍尔感生电流的流向如图中虚线箭头所示。另外，霍尔器件的形状除了可以是本实施例中的正方形外，还可以是圆形、矩形或多边形等。一般，霍尔器件的引出端子7只需通过金属淀积线3 ( 一般选择铝或铝合金)连接到芯片顶层对应的器件焊盘(图中未示)，3-D封装时由绑定线(一般选择金线)和器件焊盘相连即可。在本实施例中，为了满足3-D封装，对霍尔器件芯片19的器件焊盘做了相关改进，具体来说先在紧邻器件焊盘下方的介质层上刻蚀出深度范围为10 30um的凹槽，然后在凹槽中蒸发或溅射填满金属(一般选择铝或者铝合金)；在霍尔器件和器件焊盘对应连接后，沿该器件焊盘的最外侧位置进行切割，以使该器件焊盘侧面裸露出金属，从而作为3-D 封装时的电气接触点。如图7所示，本实施例中的磁场检测电路为一种常规的周期性检测各方向磁场的信号处理电路，它包括选择开关模块11、动态失调消除模块12、信号放大器13、采样保持模块14、磁滞比较器15、锁存器16和相关17等部分，其中多个方向的霍尔器件18通过时序控制，由选择开关模块11依次选通，然后通过后续模块完成对感应磁场信号的处理。磁场检测电路除了可以是本实施例中的周期性检测电路外，还可以是实时检测电路；因此，采用不同的磁场检测电路制作的3-D霍尔传感器，可以分别实现空间磁场的实时检测或周期性检测。另外，与霍尔器件芯片19的器件焊盘一样，为了满足3-D封装，对磁场检测电路芯片20的电路焊盘(图中未示)也做了相关改进，具体来说先在紧邻电路焊盘下方的介质层上刻蚀出深度范围为10 30um的凹槽，然后在凹槽中蒸发或溅射填满金属(一般选择铝或者铝合金)；在磁场检测电路和器件焊盘对应连接后，沿该电路焊盘的最外侧位置进行切割，以使该电路焊盘侧面裸露出金属，从而作为 3-D封装时的电气接触点。为了保证将霍尔器件芯片19和磁场检测电路芯片20顺利安置到封装基板9里， 需要通过磨削法和化学抛光处理将霍尔器件芯片19和磁场检测电路芯片20，即整体晶圆减薄80 300um(具体减薄的尺寸可视晶圆的原始厚度而定)。基板9的加工主要是制作出安放霍尔器件芯片19和磁场检测电路芯片20的空间以及各芯片和外界的引线连线；如图8、图9所示，具体包括以下步骤步骤S41，选择基板9材料；为不增加额外支出，基板9的材料选择与霍尔器件芯片19以及磁场检测电路芯片20 —致的工艺材料，一般为P型晶圆，少数情况下选择N型晶圆；在本实施例中，基板的材料选择P型晶圆；步骤S42，根据霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的安放位置和连线要求， 在基板19的相应位置刻蚀出接触孔(图中未示)，接触孔的深度与霍尔器件芯片19的器件焊盘或磁场检测电路芯片20的电路焊盘的厚度一致；步骤S43，在接触孔内蒸发或溅射填满金属(一般选择铝或铝合金)，形成连线和引脚；步骤S44，根据霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的大小，沿着接触孔刻蚀出用以安放霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的凹槽8，凹槽8的深度与霍尔器件芯片19或磁场检测电路芯片20的厚度一致；步骤S45，在基板9上刻蚀用于相互组装的插槽，以实现后期组装。如图10所示，步骤S5中将各芯片10即霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片组装到基板9时，要将芯片10按与基板9上连线一致的方向嵌入基板9中。由于芯片10的焊盘在切割时，焊盘侧面的金属已经裸露，因此，嵌入时刚好和基板9的凹槽8内预留的引脚相接触，从而完成电气接触。综上所述，随着芯片、晶圆和封装水平的提高，3-D芯片封装成为减小封装大小的首要前沿技术。本实用新型采用标准半导体工艺制作霍尔器件芯片和相应的磁场检测电路芯片，无需添加额外的制作步骤，并采用特定的3-D封装技术将这些芯片封装在一起得到3-D霍尔传感器，从而使3-D霍尔传感器能够用霍尔器件实现空间磁场变化的检测，并且能比相同封装面积的其他霍尔传感器集成更大面积的霍尔器件，从而具有更高的磁场灵敏度。以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。
权利要求1.一种3-D霍尔传感器，用于实现空间磁场检测，其特征在于，所述3-D霍尔传感器包括霍尔器件芯片，其包括霍尔器件和对应地连接在该霍尔器件上方的器件焊盘； 磁场检测电路芯片，其包括磁场检测电路和对应连接在该磁场检测电路上方的电路焊盘；以及分别用于安装所述霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片并与它们电气接触的基板，且基板上的布置有用于连接所述霍尔器件芯片和磁场检测电路芯片的连线；所述基板封装成立方体，且所述霍尔器件芯片位于该立方体表面，所述磁场检测电路芯片位于该立方体内。
2.根据权利要求1所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板设有用以安放所述霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片的凹槽。
3.根据权利要求2所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板的凹槽中设有用于与霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片电气接触的引脚，且所述器件焊盘及电路焊盘侧面均分布有用于与所述引脚接触的金属。
4.根据权利要求2或3所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板凹槽的深度与所述霍尔器件芯片或磁场检测电路芯片的厚度一致。
5.根据权利要求1、2或3所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板设有用于相互组装的插槽。
6.根据权利要求1、2或3所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板的材料与所述霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片的材料一致。
7.根据权利要求6所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述基板的材料为P型晶圆或N型晶圆。
8.根据权利要求1、2或3所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述霍尔器件芯片分别分布在所述立方体的六个表面。
9.根据权利要求1、2或3所述的3-D霍尔传感器，其特征在于，所述霍尔器件芯片分别分布在所述立方体的前、后表面中的至少一个表面、左、右表面中的至少一个表面和上、下表面中的至少一个表面。
专利摘要本实用新型涉及一种3-D霍尔传感器，它包括霍尔器件芯片，其包括霍尔器件和对应地连接在该霍尔器件上方的器件焊盘；磁场检测电路芯片，其包括磁场检测电路和对应连接在该磁场检测电路上方的电路焊盘；以及分别用于安装所述霍尔器件芯片以及磁场检测电路芯片并与它们电气接触的基板，且基板上的布置有用于连接所述霍尔器件芯片和磁场检测电路芯片的连线。本实用新型通过使用标准半导体工艺制作霍尔器件芯片以及相关的磁场检测电路芯片，然后将它们组装在一起后得到，实现了三维空间磁场检测，并且比相同封装面积下的其他霍尔传感器，能够集成更大面积的霍尔器件、检测到更加微弱的磁场信号以及具有更高的磁场灵敏度。
文档编号H01L23/31GK202189784SQ20112027891
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者贾晓钦 申请人:上海腾怡半导体有限公司