技术领域

本发明涉及一种磁场传感器的设计， 特别的是一种 MTJ三轴磁场传感器及其封装方 法。

背景技术

隧道结磁电阻传感器 （MTJ, Magnetic Tunnel Junction) 是近年来开始工业应用的新型 磁电阻效应传感器， 它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应 （TMR, Tunnel Magnetoresistance) ，主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大 小和方向的变化， 磁性多 层膜的电阻发生明显变化， 它比之前所发现并实际应用的 AMR (各向异性磁电阻） 具有 更大的电阻变化率， 同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定 性。 MTJ磁场传感器具 有电阻变化率大， 输出信号幅值大， 电阻率高， 功耗低， 温度稳定性高的优点。用 MTJ 制 成的磁场传感器比 AMR、 GMR、 霍尔器件具有灵敏度更高， 功耗更低， 线性更好， 动态 范围更宽， 温度特性更好， 抗干扰能力更强的优点。 此外 MTJ 还能方便的集成到现有的 芯片微加工工艺当中， 便于制成体积很小的集成磁场传感器。

通常多轴磁场传感器具有比单轴传感器更高的 集成度， 更好的正交性， 可以非常方便 的应用于多轴或是矢量传感器场合。 而磁场本身就是一个矢量场， 因而多轴磁场测量传感 器具有非常广泛的应用， 特别是电子罗盘， 地磁测量等都采用双轴或三轴磁场测量， 因此， 生产， 集成度高的， 单一芯片多轴磁场传感器是一种非常现实的需 求。

通常沉积在同一硅片上的 MTJ 元件， 由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同， 因 而在同一个硅片上的 MTJ元件， 在进行退火之后， 钉扎层磁化方向通常都相同， 这使得制 作推挽桥式传感器存在很大困难。 目前主流的 GMR三轴传感器是将三个芯片的 X、 Y、 Ζ 轴的 GMR磁场传感器封装在一起实现的， 体积大， 封装成本高， 较之 MTJ 磁场传感器 具有灵敏度低， 功耗髙等缺点。

从以上方法可以看出， 现有的采用 AMR、 霍尔、 GMR 元件的三轴磁场传感器具有体 积大， 功耗高， 灵敏度低等缺点， 且 MTJ 三轴磁场传感器在设计上难以实现。 发明内容

针对上述问题， 本发明提供一种 MTJ三轴磁场传感器， 该 MTJ三轴磁场传感器灵敏 度高， 小尺寸， 高集成， 低功耗。

一种 MTJ三轴磁场传感器， 敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器、 敏感方向为 Y 轴的 Y轴桥式磁场传感器、 敏感方向为 ζ轴的 Ζ轴磁场传感器、 与所述 X轴桥式磁场传 感器、 所述 Υ轴桥式磁场传感器和所述 Ζ轴磁场传感器相连接且适配的 ASIC芯片， 所述 z 轴磁场传感器包括连接的磁传感芯片， 所述磁传感芯片包括基片和制备在该基片上的 MTJ元件， 所述磁传感芯片贴覆在 ASIC芯片上形成一贴覆边， 所述磁传感芯片上与贴覆 边相邻的侧边与该贴覆边形成一夹角， 该夹角为锐角或钝角， 其中 X轴、 Y轴和 Z轴两两 正交。

优选地， 所述 X轴桥式磁场传感器为 MTJ磁电阻传感器。

优选地， 所述 Y轴桥式磁场传感器为 MTJ磁电阻传感器。

优选地，所述 X轴桥式磁场传感器和所述 Y轴桥式磁场传感器可通过金线与所述 ASIC 芯片相电连。

优选地， 所述 X轴桥式磁场传感器和所述 Y轴桥式磁场传感器可通过锡焊球与所述 ASIC芯片相电连。

优选地，所述 X轴桥式磁场传感器和所述 Y轴桥式磁场传感器集成设置在同一芯片上。 优选地， 所述 X轴桥式磁场传感器为参考桥式磁场传感器， 所述 Y轴桥式磁场传感器 为推挽桥式磁场传感器。

优选地， 所述磁传感芯片通过焊锡球与所述 ASIC芯片相电连。

优选地， 所述 Z轴磁场传感器包括两个或四个 MTJ磁传感芯片， 所述 MTJ磁传感芯 片对称排布在 ASIC芯片上。

一种 MTJ三轴磁场传感器的封装方法：

A)制备敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器， 并且与 ASIC芯片相电连；

B)制备敏感方向为 Y轴的 Y轴桥式磁场传感器， 并且与 ASIC芯片相电连；

C)在基片上制备 MTJ磁电阻形成晶圆， 对该晶圆进行斜向切割成 MTJ磁传感芯片， 将 MTJ磁传感芯片贴覆在 ASIC芯片上形成一贴覆边， 该 MTJ磁传感芯片的贴覆边与贴 覆边相邻的侧边形成一夹角，该夹角为锐角或 钝角，通过焊锡球将 MTJ磁传感芯片与 ASIC 芯片实现连接固定， 将 MTJ磁传感芯片电连形成 Z轴磁场传感器。

一种 MTJ三轴磁场传感器的封装方法：

A)制备敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器， 并且与 ASIC芯片相电连； B)制备敏感方向为 Y轴的 Y轴桥式磁场传感器， 并且与 ASIC芯片相电连；

C)在基片上制备 MTJ磁电阻形成晶圆， 对该晶圆的背面进行腐蚀形成斜面， 再对该晶 圆进行切割成 MTJ磁传感芯片， 将 MTJ磁传感芯片贴覆在 ASIC芯片上形成一贴覆边， 该 MTJ磁传感芯片的贴覆边与贴覆边相邻的侧边形 成一夹角， 该夹角为锐角或钝角，通过 焊锡球将 MTJ磁传感芯片与 ASIC芯片实现连接固定， 将 MTJ磁传感芯片电连形成 Z轴 磁场传感器。

为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为：

本发明采用以上结构， 集成度高， 灵敏度更高， 功耗更低， 线性更好， 动态范围更宽， 温度特性更好， 抗干扰能力更强。

附图说明

图 1是一个隧道结磁电阻 (MTJ)元件的示意图。

图 2是 MTJ元件的理想输出曲线图。

图 3是 MTJ元件串联而形成 MTJ磁电阻的示意图。

图 4是一种 MTJ推挽全桥传感器的示意图。

图 5是推挽全桥的输出曲线的模拟结果。

图 6是一种 MTJ参考全桥传感器的示意图。

图 7是推挽全桥的输出曲线的模拟结果。

图 8是一次性制备单一芯片 MTJ双轴磁场传感器的示意图。

图 9是 Z轴磁场传感器第一种封装方法的第一步。

图 10是 Z轴磁场传感器第一种封装方法的第二步。

图 11是 Z轴磁场传感器第一种封装方法的第三步。

图 12是 Z轴磁场传感器第一种封装方法的第四步。

图 13是 Z轴磁场传感器第二种封装方法的第一步。

图 14是 Z轴磁场传感器第二种封装方法的第二步。

图 15是 Z轴磁场传感器第二种封装方法的第三歩。

图 16是 Z轴磁场传感器第二种封装方法的第四步。

图 17是本发明的采用第一种封装方法的 MTJ三轴磁场传感器的结构示意图。 图 18是本发明的采用第二种封装方法的 MTJ三轴磁场传感器的结构示意图。

附图中： 1、 MTJ元件； 2、 磁性钉扎层； 3、 反铁磁层； 4、 铁磁层； 5、 險道势垒层； 6、 磁性自由层； 7、 磁性自由层的磁化方向； 8、 磁性钉扎层的磁化方向； 9、 外加磁场； 10、 敏感方向； 11、 种子层； 12、 上电极层； 13、 测量电阻值； 14、 低阻态； 15、 高阻态； 16、 电流方向； 17、 永磁铁； 18、 基片； 19、 ASIC芯片； 20、 悍锡球； 21、 贴覆边； 22、 侧边； 23、 夹角； 24、 MTJ磁传感芯片； 25、 X轴桥式磁场传感器； 26、 Y轴桥式磁场传 感器； 27、 Z轴磁场传感器； 41、 R1的磁性自由层的磁化方向； 42、 R2的磁性自由层的磁 化方向； 43、 R3的磁性自由层的磁化方向； 44、 R4的磁性自由层的磁化方向。

具体实施方式

下面结合附图 1-18之一对本发明的较佳实施例进行详细阐述� � 以使本发明的优点和特 征能更易于被本领域的技术人员理解， 从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的 界 定。

隧道结磁电阻概述：

图 1是一个隧道结磁电阻 (MTJ)元件的示意图。一个标准的 MTJ元件 1包括磁性自由层 6， 磁性钉扎层 2以及两个磁性层之间的隧道势垒层 5。磁性自由层 6由铁磁材料构成， 磁 性自由层的磁化方向 7随外部磁场的改变而变化。 磁性钉扎层 2是一个磁化方向固定的磁 性层， 磁性钉扎层的磁化方向 8被钉扎在一个方向， 在一股条件不会发生改变。 磁性钉扎 层通常是在反铁磁层 3的上方或下方沉积铁磁层 4构成。 MTJ结构通常是沉积在导电的种 子层 11的上方， 同时 MTJ结构的上方为上电极层 12， MTJ元件种子层 11和上电极层 12 之间的测量电阻值 13代表磁性自由层 6和磁性钉扎层 2之间的相对磁化方向。

图 2是 MTJ元件的理想输出曲线图， 输出曲线在低阻态 14和高阻态 15时饱和， R _L 和 R _H 分别代表低阻态 14和高阻态 15的阻值。 当磁性自由层的磁化方向 7与磁性钉扎层 的磁化方向 8平行时， 整个元件的测量电阻值 13在低阻态； 当磁性自由层的磁化方向 7 与磁性钉扎层的磁化方向 8反平行时， 整个元件的测量电阻值 13在高阻态 15。 通过己知 的技术， MTJ元件 1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间� �性变化， 饱和场 -¾和 H _s 之间的磁场范围就是 MTJ元件的测量范围。

图 3是 MTJ元件串联而形成 MTJ磁电阻的示意图。 串联起来的 MTJ元件 1形成 MTJ 磁电阻能降低噪声， 提高传感器的稳定性。 在 MTJ磁电阻中， 每个 MTJ元件 1的偏置电 压随磁隧道结数量的增加而降低。 电流的降低需要产生一个大的电压输出， 从而降低了散 粒噪声， 随着磁隧道结的增多同时也增强了传感器的 ESD稳定性。 此外， 随着 MTJ元件 1数量的增多 MTJ磁电阻的噪声相应地降低，这是因为每一个 独立的 MTJ元件的互不相关 的随机行为被平均掉。

推挽全桥传感器的设计：

图 4是一种 MTJ推挽全桥传感器的示意图。 四个磁电阻 Rl、 R2、 R3、 R4全桥联接， 每个磁电阻由一个或多个 MTJ元件 1串联组成 (如图 2)。 四个 MTJ元件 1的磁性钉扎层的 磁矩方向相同， 每个磁电阻元件的磁性自由层磁化方向和磁性 钉扎层磁化方向呈一夹角 Θ (可以为 30° 到 90° 之间)， 且每个磁电阻元件的这一夹角 Θ大小相同， 位于相对位置的磁 电阻元件 (R1和 R3， R2和 R4)的磁性自由层磁化方向相同 (41和 43， 42和 44)， 位于相邻 位置的磁电阻元件 (R1和 R2， R3和 R4)的磁性自由层的磁化方向不同 (41和 42， 43和 44)。 该全桥结构的敏感方向 10垂直于磁性钉扎层的磁化方向 8。该设计的磁性钉扎层的磁化方 向 8相同， 可以在同一芯片上通过一次工艺直接形成推挽 全桥传感器， 不需要采用多芯片 封装工艺， 也不需要进行激光加热局部辅助热退火。

当对推挽全桥传感器施加一外场时， 沿敏感方向 10 的磁场分量使相对位置的磁电阻 R1和 R3阻值增加的同时另外两个处于相对位置的磁� ��阻 R2和 R4的阻值会相应地减小， 改变外场的方向会使 R1和 R3阻值减小的同时 R2和 R4的阻值会相应地增加，使用两对磁 电阻的组合测量外场有相反的响应 一对阻值增加另一对阻值降低 这样可以增加 桥式电路的响应， 因此被称为 "推挽式 "桥式电路。 在理想情况下， 若电阻 R1的阻值变为 (R1+AR) , 则相应的 R3的阻值为 (R1+AR)， R2和 R4的阻值为 (R1-ZXR), 则输出为：

化简后可得：

即实现推挽全桥的输出， 其输出曲线的模拟结果见图 磁性自由层和磁性钉扎层的夹角可由以下方式 或以下方式的结合实现-

(1)形状各向异性能： 利用 MTJ元件 1的各向异性能对磁性自由层磁化方向进行偏� �， MTJ元件 1的长轴是易磁化轴， 通过设置元件的长短轴比可以设置其形状各项 异性；

(2)永磁体偏置： 在 MTJ元件 1周围设置永磁体对此性自由层磁化方向进行� �置；

(3)电流线偏置： 在 MTJ元件 1上层或下层沉积金属导线产生磁场， 从而实现对磁性自 由层磁化方向的偏置；

(4)奈尔耦合： 利用磁性钉扎层和磁性自由层间的奈尔耦合场 对磁性自由层磁化方向进 行偏置；

(5)交换偏置： 该技术是通过 MTJ元件 1自由层和相邻的弱反铁磁层的交换耦合作用� � 建一个有效的垂直于敏感方向的外场。 可以在自由层和交换偏置层问设置 cu或 Ta的隔离 层来降低交换偏置强度。

参考全桥传感器的设计：

图 6是一种 MTJ参考全桥传感器的示意图。 四个 MTJ磁电阻 Rl、 R2、 R3、 R4全桥 联接， 每个 MTJ磁电阻由一个或多个 MTJ元件 1串联组成 (如图 2)。 其中 R1和 R3的输出 曲线强烈依赖外加磁场 9, 被称为感应臂， 与之相对应的 R2和 R4的输出曲线弱依赖于外 加磁场 9， 被称为参考臂。 该全桥结构的敏感方向 10平行于磁性钉扎层的磁化方向 8。 该 设计的磁性钉扎层方向相同， 可以在同一芯片上通过一次工艺直接形成推挽 全桥传感器， 不需要采用多芯片封装工艺， 也不需要进行激光加热局部辅助热退火。

当对推挽全桥传感器施加一外场时，沿敏感方 向 10的磁场分量使感应臂 R1和 R3阻值 增加或减小， 而参考臂磁电阻 R2和 R4在感应臂磁电阻的饱和场 Hs范围内变化很小， 在 实际情况下， MTJ参考全桥传感器的线性区域是足够宽的，其 输出曲线的模拟结果见图 7。

对于构建参考桥式传感器来说， 很重要的一点是设置参考臂的灵敏度。 磁阻元件的灵 敏度被定义为电阻随外加磁场的作用变化的电 阻函数： 减少参考臂和与之相关的感应臂的磁阻是不实 际的， 所以改变的灵敏度的最佳方式是 改变 Hs。 这可以是由下面一种或几种不同的方法的组合 来实现：

(1)磁屏蔽： 将高磁导率铁磁层沉积在参考臂上以削弱外加 磁场的作用；

(2)形状各向异性能： 由于参考元件和传感元件有不同的尺寸因此具 有不同的形状各向 异性能。最普遍的做法是使参考元件的长轴长 度大于 MTJ传感元件的长轴长度，短轴长度 小于传感元件的短轴长度， 因此参考元件平行于敏感方向的退磁效应要远 大于传感元件；

(3)交换偏置：该技术是通过 MTJ元件自由层和相邻的弱反铁磁层的交换耦合 作用创建 一个有效的垂直于敏感方向的外场。可以在自 由层和交换偏置层间设置 Cu或 Ta的隔离层 来降低交换偏置强度；

(4)散场偏置： 在该技术中， Fe、 Co、 Cr和 Pt等永磁合金材料被沉积到传感元件表面 或磁隧道结上， 用于提供散磁场以偏置 MTJ元件的输出曲线。永磁偏置的一个优势是可 以 在电桥构成以后的使用一个大的磁场初始化永 磁体。 另外一个非常重要的优势是偏置场可 以消除 MTJ元件的磁畴以稳定和线性化 MTJ元件 1的输出。 该设计的巨大优点在于其在 设计调整上具有很大的灵活性。

单一芯片 MTJ双轴磁场传感器的设计：

通常沉积在同一硅片上的 MTJ元件 1由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同� � 因 而在同一个硅片上的磁电阻元件， 在进行退火之后， 钉扎层磁化方向通常都相同。 通常双 轴磁场传感器可以由两个桥式磁场传感器呈 90°角组合设置来实现， 以下我们将阐述单一 芯片的双轴磁场传感器的实现。单一芯片 MTJ双轴磁场传感器的设计可通过以下方法或几 种方法的组合实现：

方法一： 激光加热辅助磁畴局部翻转法。 将 MTJ元件在同一强磁场中退火来使不同桥 臂的被钉扎层磁矩方向相同。 之后采用激光对硅片进行局部加热辅助磁矩翻 转， 从而实现 地单一硅片上制备双轴磁场传感器；

方法二： 采用多次成膜工艺， 分多次分别沉积被钉扎层方向不同的磁电阻元 件。 方法三： 一次性制备单一芯片双轴磁场传感器。 图 8是一次性制备单一芯片 MTJ双轴磁场 传感器的示意图。敏感方向为 Y轴的 MTJ推挽全桥传感器和敏感方向为 X轴的 MTJ参考 全桥传感器在同一基片上釆用相同的工序制备 而成， 磁性钉扎层的磁化方向为同一方向。

三轴磁场传感器的设计： 一种 MTJ三轴磁场传感器， 敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器 25、 敏感方向为 Y轴的 Y轴桥式磁场传感器 26、 敏感方向为 Z轴的 Z轴磁场传感器 27、 与所述 X轴桥式 磁场传感器 25、所述 Y轴桥式磁场传感器 26和 Z轴磁场传感器 27相连接且适配的 ASIC 芯片 19， 所述 Z轴磁场传感器 27由磁传感芯片 24电连而成， 所述磁传感芯片 24包括基 片 18和该基片 18上的 MTJ元件 1， 所述磁传感芯片 24贴覆在 ASIC芯片 19上形成一贴 覆边 21， 所述磁传感芯片 24上与贴覆边 21相邻的侧边 22与该贴覆边 21形成一夹角 23， 该夹角 23为锐角或钝角， 其中 X轴、 Y轴和 Z轴两两正交。 其中 ASIC芯片 19的作用是 调理信号。

所述 X轴桥式磁场传感器 25和所述 Y轴桥式磁场传感器 26集成设置在同一芯片上。 所述 X轴桥式磁场传感器 25为 MTJ磁电阻传感器。 所述 Y轴桥式磁场传感器 26为 MTJ 磁电阻传感器。 所述 X轴桥式磁场传感器 25为参考桥式磁场传感器， 所述 Y轴桥式磁场 传感器 26为推挽桥式磁场传感器。

所述磁传感芯片 24通过焊锡球 20与所述 ASIC芯片 19相电连。

所述 Z轴磁场传感器 27包括两个或四个所述磁传感芯片 24， 所述 MTJ磁传感芯片 24对称排布在 ASIC芯片 19上。

如附图 17所示， 第一种 MTJ三轴磁场传感器的封装方法， A)制备敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器 25 , 并且与 ASIC芯片 19相连； B)制备敏感方向为 Y轴的 Y轴桥式 磁场传感器 26， 并且与 ASIC芯片 19相连： C)在基片 18上制备 MTJ元件 1形成晶圆 (如 附图 9所示)， 对该晶圆进行斜向切割形成 MTJ磁传感芯片 24(如附图 10所示)， 将 MTJ 磁传感芯片 24贴覆在 ASIC芯片 19上形成一贴覆边 21(如附图 11所示)，该 MTJ磁传感芯 片 24的贴覆边 21与贴覆边 21相邻的侧边形成一夹角 23， 该夹角 23为锐角或钝角， 通过 焊锡球 20将 MTJ磁传感芯片 24与 ASIC芯片 19实现连接固定 (如附图 12所示)， 将 MTJ 磁传感芯片 24电连形成 Z轴磁场传感器 27。

所述 MTJ磁传感芯片 24可以是一次性制备的 MTJ桥式磁场传感器芯片 (如图 4和图 6)， 也可以是 MTJ磁电阻 (如图 3)芯片连接成桥式磁场传感器。

如附图 18所示， 第二种 MTJ三轴磁场传感器的封装方法， A)制备敏感方向为 X轴的 X轴桥式磁场传感器 25 , 并且与 ASIC芯片 19相连； B)制备敏感方向为 Y轴的 Y轴桥式 磁场传感器 26， 并且与 ASIC芯片 19相连； C)在基片 18上沉积 MTJ磁电阻 24制备成晶 圆 (如附图 13所示)， 对该晶圆的背面进行进行腐蚀形成斜面， 再对该晶圆进行切割成 MTJ 磁传感芯片 24(如附图 14和图 15所示)， 将 MTJ磁传感芯片 24贴覆在 ASIC芯片 19上形 成一贴覆边 21，该 MTJ磁传感芯片 24的贴覆边 21与贴覆边相邻的侧边 22形成一夹角 23， 该夹角 23为锐角或钝角，通过焊锡球 20将 MTJ磁传感芯片 24与 ASIC芯片 19实现连接 固定 (如附图 16所示)， 将 MTJ磁传感芯片 24电连形成 Z轴磁场传感器 27。

所述 MTJ磁传感芯片 24可以是一次性制备的 MTJ桥式磁场传感器芯片 (如图 4和图 6)， 也可以是 MTJ磁电阻 (如图 3)芯片。

以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说 明， 很明显， 在不离开本发明的范围和 精神的基础上， 可以对现有技术和工艺进行很多修改。 在本发明的所属技术领域中， 只要 掌握通常知识， 就可以在本发明的技术要旨范围内， 进行多种多样的变更。