一种复合磁场传感器及其制作工艺的制作方法

本发明涉及磁场传感器，尤其涉及具有宽量程的磁场传感器，具体涉及一种具有宽量程的复合磁场传感器及其制作工艺。

背景技术：

随着科学技术的迅速发展，传感器技术倍受重视，尤其是广泛应用于现代工业和电子产品的磁场传感器，而随着应用的广泛，对于磁场传感器测量量程的要求也随之增高。

在现有技术中，用于检测磁场的传感器包括磁敏三极管、各向异性磁电阻(amr)、巨磁电阻(gmr)、遂穿磁敏电阻(tmr)和霍尔磁场传感器等。但是，磁敏三极管用于检测较强的磁场，一般的检测范围为500～10000gs以上，而遂穿磁敏电阻(tmr)用于检测弱磁场，其一般的检测范围为1gs以下，但是，在应用时，所检测的磁场不一定完全是强磁场或弱磁场，而是较宽范围的磁场强度，而根据现有技术不能对宽量程磁场进行检测。

因此，为了能够准确的对环境中磁场进行检测，亟需一种能够实现宽量程磁场测量的复合磁场传感器及其制作工艺。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，通过微电子机械加工技术(mems)、双极型工艺和纳米薄膜制备技术相结合将用于检测强磁场的磁敏三极管和用于检测弱磁场的遂穿磁敏电阻(tmr)进行复合，使复合后的传感器既可以检测较强磁场(1gs～10000gs)又可以检测弱磁场(0.001～1gs)，同时，在制作时，对磁敏三极管中基区的结构进行改善，采用硅腐蚀坑作为基区，提高基区载流子注入，从而改善磁场检测的灵敏度，使所述复合磁场传感器可以检测到最低0.001gs的磁感应强度，这样，有效互补了磁敏三极管与遂穿磁敏电阻tmr的测量范围，得到一种具有宽量程(即0.001～10000gs)磁场检测的复合磁场传感器及其制作工艺，从而完成本发明。

本发明一方面提供了一种复合磁场传感器，具体体现在以下几方面：

(1)一种复合磁场传感器，其中，所述复合磁场传感器包括用于检测较强磁场的磁敏三极管和用于检测弱磁场的遂穿磁敏电阻tmr，其中，所述遂穿磁敏电阻tmr复合在所述磁敏三极管上，形成所述复合磁场传感器；

所述较强磁场指1～10000gs的磁场，所述弱磁场指0.001～1gs的磁场。

(2)根据上述(1)所述的复合磁传感器，其中，

所述磁敏三极管包括第一硅片1和第二硅片2，优选地，所述第一硅片1的厚度为30μm，所述第二硅片的厚度为400～425μm，更优选地，在第一硅片1和第二硅片2上刻蚀有发射区、集电区和基区，并在发射区、集电区和基区表面蒸镀al引线，分别形成发射极e、集电极c和基极b；和/或

所述遂穿磁敏电阻tmr为多层膜结构，优选为三层膜结构，更优选地，所述遂穿磁敏电阻tmr自下往上依次包括第一磁性材料层、绝缘层和第二磁性材料层。

(3)根据上述(1)或(2)所述的复合磁场传感器，其中，

在第一硅片1的下表面刻蚀有发射区，优选地，所述发射区为n⁺型掺杂，更优选地，通过对第二硅片2刻蚀，进行发射区引线槽的制作，引线槽深度400～425μm；和/或

在第一硅片1的上表面、发射区的对侧制作有集电区，优选地，所述集电区为n⁺型掺杂；和/或

在第一硅片1的上表面、集电区的一侧制作有基区，优选地，所述基区为p⁺型掺杂。

(4)根据上述(3)所述的复合磁传感器，其中，

在第一硅片1的上表面、集电区的另一侧制作有负载电阻rl，优选地，所述负载电阻rl为n^-型掺杂；和/或

在第一硅片1的下表面、且在发射区和基区之间制作有复合区f，优选地，在复合区f引入深能级杂质(金)。

(5)根据上述(4)所述的复合磁传感器，其中，

所述基区为硅腐蚀坑，其深度为20～30μm，优选为30μm；和/或

所述基区的内侧面所在的平面与基区的底面所在的平面之间的夹角为5～15°，优选为5～10°。

(6)根据上述(4)或(5)所述的复合磁场传感器，其中，在进行磁场检测时，

负载电阻rl和遂穿磁敏电阻tmr分别与电源vdd连接；

所述磁敏三极管的集电极c与负载电阻rl连接，基极b与遂穿磁敏电阻tmr连接，发射极e接地。

本发明另一方面提供了一种上述复合磁场传感器的制作工艺，具体如下：

(7)一种上述(1)至(6)之一所述的复合磁场传感器的制作工艺，其特征在于，所述制作工艺包括以下步骤：

步骤1、清洗第一硅片1，在其上、下表面生长二氧化硅层3；

步骤2、在第一硅片1的下表面进行两次光刻，分别制作复合区窗口和发射区窗口，并分别引入深能级杂质(金)和n+型掺杂，形成复合区f和发射区；

步骤3、清洗第二硅片2，采用静电键合工艺使第一硅片1与第二硅片2之间进行静电键合，优选第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间进行静电键合；

步骤4、静电键合后，对第一硅片1进行减薄、抛光、清洗处理，优选第一硅片1厚度为30μm。

步骤5、在第一硅片1的上表面进行两次光刻，并在分别进行n^-型掺杂和n⁺型重掺杂后，形成负载电阻rl和集电区；

步骤6、在第一硅片1的上表面制作三层膜结构，形成遂穿磁敏电阻tmr，然后，清洗，并在遂穿磁敏电阻tmr的表面生长一层二氧化硅层；

步骤7、在第一硅片1的上表面、且在集电区和遂穿磁敏电阻tmr之间刻蚀基区腐蚀坑，进行p⁺型掺杂后形成基区；

步骤8、在第一硅片1的上表面刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属al，并在金属al的表面进行反刻蚀，形成金属al引线4；

步骤9、在第二硅片2的下表面刻蚀发射区引线窗口，形成c型硅杯5，清洗，在c型硅杯5的表面真空蒸镀金属al，形成金属al引线4；

步骤10、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述复合磁场传感器。

(8)根据上述(7)所述的制作工艺，其中，

在步骤1中，采用热氧化法生长二氧化硅层3，优选地，所述二氧化硅层的厚度为300～600nm，更优选为400～500nm，例如500nm；和/或

在步骤2和步骤4中，在每次光刻之后进行如下处理：腐蚀二氧化硅层，清洗，进行重新氧化，生长二氧化硅层；和/或

在步骤3中，在抛光处理之后，在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层3。

(9)根据上述(7)或(8)所述的制作工艺，其中，

在步骤5中，采用磁控溅射的方法制作遂穿磁敏电阻tmr的三层膜结构；和/或

在步骤6中，采用深槽刻蚀技术形成基区腐蚀坑。

(10)根据上述(7)或(8)所述的制作工艺，其中，在步骤9中，所述合金化处理如下进行：于350～500℃下处理10～50min，优选地，于400～450℃下处理20～40min，例如420℃下处理30min。

附图说明

图1示出本发明所述复合磁场传感器的主视示意图；

图2示出本发明所述复合磁场传感器的俯视示意图；

图3示出本发明所述复合磁场传感器在磁场检测应用时的等效电路图；

图4-1～图4-8示出本发明所述制作工艺中步骤1～步骤9的工艺流程示意图。

附图标号说明：

1-第一硅片；

2-第二硅片；

b-基极；

c-集电极；

e-发射极；

f-复合区；

rl-负载电阻；

3-二氧化硅层；

4-al引线；

5-c型硅杯；

6-n⁺-si；

7-n^--si；

tmr-遂穿磁敏电阻；

vdd-电源。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明一方面提供了一种复合磁场传感器，所述复合磁场传感器包括用于检测较强磁场的磁敏三极管和用于检测弱磁场的遂穿磁敏电阻tmr，其中，所述遂穿磁敏电阻tmr复合在所述磁敏三极管上，形成复合磁场传感器。

其中，所述磁敏三极管用于检测较强磁场，所述遂穿磁敏电阻tmr用于检测弱磁场，从而使所述复合磁场传感器实现磁场的宽量程检测；其中，所述较强磁场指强度为1～10000gs的磁场，所述弱磁场指强度为0.001～1gs的磁场。

根据本发明一种优选的实施方式，所述磁敏三极管为硅磁敏三极管(smst)。

在进一步优选的实施方式中，所述磁敏三极管为npn型硅磁敏三极管。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，所述磁敏三极管包括第一硅片1和第二硅片2。

在进一步优选的实施方式中，所述第一硅片1和第二硅片2均为<100>晶向高阻p型单晶硅片。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一硅片1的厚度为30μm，所述第二硅片的厚度为400～425μm。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在第一硅片1的下表面刻蚀有发射区，在发射区上刻蚀有al引线4，形成发射极。

在进一步优选的实施方式中，所述发射区为n⁺型掺杂。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在第一硅片1的上表面、发射区的对侧制作有集电区，在集电区上刻蚀有al引线4，形成集电极。

在进一步优选的实施方式中，所述集电区为n⁺型掺杂。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在第一硅片1的上表面、集电区的一侧刻蚀有负载电阻rl。

在进一步优选的实施方式中，所述负载电阻rl为n^-型掺杂。

根据本发发明一种优选的实施方式，如图1所示，在第一硅片1的上表面、集电区的另一侧刻蚀有基区，在所述基区上刻蚀有al引线4，形成基极。

在进一步优选的实施方式中，所述基区为p⁺型掺杂。

根据本发明一种优选的实施方式，所述基区为硅腐蚀坑，其深度为20～30μm。

在进一步优选的实施方式中，所述基区为硅腐蚀坑，其深度为30μm

其中，与现有技术相比，在本发明中，刻蚀基区时，使基区向下延伸，形成立体结构的基区，这样，在磁场作用下，可以明显提高基区载流子注入能力，由发射区发射的电子有效与基区注入载流子复合，调制被集电区收集的载流子，集电极电流ic发生明显改变，有效地提高了磁敏三极管对磁场的磁敏感程度，因此，有效改善磁敏三极管磁敏感特性。

在进一步优选的实施方式中，所述基区的内侧面为斜面。

在更进一步优选的实施方式中，所述基区的内侧面所在的平面与基区的底面所在的平面之间的夹角为5～15°，优选为5～10°。

其中，由于在基区内会引入al金属，因此，如果基区的内侧面与底面垂直，则会大大加大引入al金属的难度，而如果内侧面为一斜面，则大大降低了al金属的引入。

根据本发明一种优选的实施方式，在第一硅片1的下表面、且在发射区和基区之间制作有复合区f。

其中，设置复合区f调制载流子寿命，调整载流子扩散长度，从而改善磁灵敏度。

在更进一步优选的实施方式中，在复合区f引入深能级杂质，形成复合中心，优选地，所述深能级杂质为金，更优选地，所述深能级杂质浓度为5e13cm^-3～5e15cm^-3，例如5e14cm^-3。

其中，在现有技术中，为了降低载流子的有效寿命和提高灵敏度，在发射区与基区之间的下表面上喷砂，以破坏半导体表面的晶格结构，但是，这样，载流子的传输特性受到影响，会造成很大噪声，产生的噪声信号会影响较弱磁场时的检测信号，因而，使磁场检测受影响，尤其是检测较弱磁场时。因此，在本发明中，采用深能级杂质引起的复合中心代替喷砂，这样，不会造成任何噪声，进而不会影响较弱磁场的检测信号。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在磁敏三极管的第一硅片1的上表面、基区背离集电区的一侧复合有遂穿磁敏电阻tmr。

在进一步优选的实施方式中，所述遂穿磁敏电阻tmr为多层膜结构，优选为三层膜结构。

在更进一步优选的实施方式中，所述遂穿磁敏电阻tmr自下往上依次包括第一磁性材料层、绝缘层和第二磁性材料层。

其中，所述遂穿磁敏电阻tmr用于检测弱磁场，所述弱磁场为0.001gs～1gs。

在本发明中，将所述磁敏三极管与遂穿磁敏电阻tmr复合，这样，所述磁敏三极管用于检测1gs～10000gs的较强磁场，所述遂穿磁敏电阻tmr用于检测0.001gs～1gs，从而实现了磁场的宽量程检测。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2和图3所示，在进行磁场检测时，负载电阻rl和遂穿磁敏电阻tmr分别与电源vdd连接。

在进一步优选的实施方式中，所述磁敏三极管的集电极与负载电阻rl连接。

在更进一步优选的实施方式中，所述磁敏三极管的基极与遂穿磁敏电阻tmr连接。

在更进一步优选的实施方式中，所述磁敏三极管的发射极接地。

其中，当外加磁场较强时，由于磁场的作用，洛伦兹力使发射极发出的载流子发生偏转，导致集电极的电流改变，通过负载电阻，集电极的输出电压vout改变，从而实现对较强磁场的检测；当外加磁场较弱时，遂穿磁敏电阻tmr因隧穿磁阻效应而引起阻值变化，与其相连的基极的注入电流调制集电极电流发生改变，从而集电极输出电压改变。因此，在本发明中，首先通过对基区进行加深、在复合区引入深能级杂质金而得到具有高灵敏度的磁敏三极管，然后在所述磁敏三极管上复合遂穿磁敏电阻tmr，实现了外加磁场的宽量程检测。

本发明另一方面提供了一种上述复合磁传感器的制作工艺，所述工艺如下进行：

步骤1、清洗第一硅片1，在其上、下表面生长二氧化硅层3(如图4-1所示)；

步骤2、在第一硅片1的下表面进行两次光刻，分别刻蚀复合区窗口和发射区窗口，并分别引入深能级杂质(金)和n⁺型掺杂，形成复合区f和发射区(如图4-2所示)；

步骤3、清洗第二硅片2，采用静电键合工艺使第一硅片1与第二硅片2之间进行静电键合，优选第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间进行静电键合(如图4-3所示)；

步骤4、对键合片进行减薄、抛光和清洗处理，优选，第一硅片厚度为30μm；

步骤5、在第一硅片1的上表面进行两次光刻，并在分别进行n^-型掺杂和n⁺型重掺杂后，形成负载电阻rl和集电区(如图4-4所示)；

步骤6、在第一硅片1的上表面制作三层膜结构，形成遂穿磁敏电阻tmr，然后，清洗，并在遂穿磁敏电阻tmr的表面生长一层二氧化硅层(如图4-5所示)；

步骤7、在第一硅片1的上表面、且在集电区c和遂穿磁敏电阻tmr之间刻蚀基区引线槽，进行p⁺型掺杂后形成基区(如图4-6所示)；

步骤8、在第一硅片1的上表面刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属al，并在金属al的表面进行反刻蚀，形成金属al引线4(如图4-7所示)；

步骤9、在第二硅片2的下表面刻蚀发射区引线窗口，形成c型硅杯5，清洗，在c型硅杯5的表面真空蒸镀金属al，形成金属al引线4(如图4-8所示)；

步骤10、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述复合磁传感器。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤1中，所述第一硅片1和第二硅片2均为<100>晶向高阻p型单晶硅片。

在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述第一硅片1的厚度为400μm，所述第二硅片的厚度为400～425μm。

根据本发明一种优选的实施方式中，在步骤1中，采用热氧化法生长二氧化硅层3，优选地，所述二氧化硅层的厚度为300～600nm。

在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述二氧化硅层的厚度为400～500nm。

在更进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述二氧化硅层的厚度为500nm。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2和步骤4中，在每次光刻之后进行如下处理：腐蚀二氧化硅层，清洗，进行重新氧化，生长二氧化硅层。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3中，在抛光处理之后，在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层3。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤5中，采用磁控溅射的方法制作遂穿磁敏电阻tmr的三层膜结构。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤6中，采用深槽刻蚀技术形成基区引线槽。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤9中，所述合金化处理如下进行：于350～500℃下处理10～50min。

在进一步优选的实施方式中，在步骤9中，所述合金化处理如下进行：于400～450℃下处理20～40min，例如420℃下处理30min。

本发明所具有的有益效果：

(1)本发明所述复合磁传感器将磁敏三极管与遂穿磁敏电阻进行有效结合，兼具磁敏三极管的较强磁场检测性能以及遂穿磁敏电阻的弱磁场检测性能，实现了磁场的宽量程检测；

(2)本发明所述复合磁传感器中的磁敏三极管不同于现有磁敏三极管，其采用重掺杂硅腐蚀坑作为基区，将磁敏三极管的最低检测磁场由500gs降至1gs，成功互补了磁敏三极管与遂穿磁敏电阻之间的磁场检测范围；

(3)本发明所述复合磁敏传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；

(4)本发明所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。

实验例

实验例1复合传感器特性测试

采用北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的零磁屏蔽磁场发生系统对复合传感器进行测试，分析复合传感器的磁场检测灵敏度，经过检测可知，所述复合磁传感器可以成功检测0.001gs～10000gs之间的磁感应强度。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。