用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法
【專利摘要】本發明提供一種用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法，在一晶片的制備階段中，利用一第一半導體制造工程形成霍爾感測元件；接著于霍爾感測元件之上，利用第一半導體制造工程形成保護層；最后于保護層之上，利用一第二半導體制造工程形成電流路徑層，據以形成用于感測電磁感應的半導體結構。其中，電流路徑層用以供待測電流流通，所產生的磁場能夠被霍爾感測元件感測而產生一電壓或電流信號，電壓或電流信號正比于待測電流的強度。
【專利說明】用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法，尤其是涉及一種于晶片制備階段中，利用半導體制造工程形成與霍爾感應元件相近的電流路徑層的半導體結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]為了實現非接觸式的電流感測，現今技術經常使用霍爾感測元件進行感測，其主要借由將霍爾感測元件擺設于待測電流會流經的電流路徑附近，當待測電流流經電流路徑時,會產生磁場變化,而磁通量穿過霍爾感測元件時,便可產生一感應的電壓或電流。一般而言，磁通量密度越高，感應電壓或電流的強度便會越高；借此，便能夠借由判斷感應電壓或電流的強度，來推估待測電流的強度，達成非接觸式的電流感測目的。
[0003]由于電流所產生的磁通量距離電流越遠時會越加衰減，因此電流路徑最好能夠擺設于霍爾感測元件的近處，以使霍爾感測元件能獲取較大的磁通量。其中，現有技術中，主要是以導線架(lead frame)來作為電流路徑，雖然其優點在于導線架能夠容忍大電流，例如超過200安培的電流通過，并可與包含霍爾感測元件的芯片封裝在同一個模塊當中，但其缺點在于導線架與霍爾感測元件之間的距離仍然過遠。
[0004]此外，在以導線架(lead frame)作為電流路徑的封裝制造工程中，導線架與芯片之間的距離也可能因為模料(molding compound)的擠壓而產生變異而有不穩定的狀況,且在晶片制備的制造工程中，需預留下一制造工程階段所需熱膨脹、焊接與容錯的空間，進而造成晶片空間無法有效利用而有浪費的問題。
[0005]因此，如何將電流路徑更貼近霍爾感測元件，并且更佳地控制電流路徑與霍爾感測元件之間的間隔距離，以及降低制造工程中所浪費空間的半導體結構，是本領域行業中亟需的技術。
【發明內容】
[0006]有鑒于現有以導線架作為電流路徑的封裝制造工程中，普遍具有可能受擠壓產生變異，以及需預留下一制造工程階段所需的空間而造成浪費的問題。緣此，本發明的主要目的在于提供一種用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法，其主要于晶片制備階段中，利用半導體制造工程形成與霍爾感應元件相近的電流路徑層。
[0007]基于上述目的，本發明所采用的主要技術手段為提供一種用于感測電磁感應的半導體結構，其包含至少一霍爾感測元件、一保護層以及一電流路徑層。霍爾感測元件用以感測一待測電流所產生的一磁場，保護層設置于霍爾感測元件之上，借以包覆霍爾感應元件。電流路徑層設置于保護層之上，用以供待測電流流通，并且與霍爾感測元件間隔一有效距離，借以使霍爾感測元件感測磁場。
[0008]此外，本發明所采用的另一主要技術手段為提供一種用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，用以在一晶片的制備階段中，制造出上述用于感測電磁感應的半導體結構，其步驟包含(a)利用一第一半導體制造工程形成霍爾感測元件；(b)于霍爾感測元件之上，利用第一半導體制造工程形成保護層，借以包覆霍爾感測元件；以及(C)于保護層之上，利用一第二半導體制造工程形成電流路徑層，據以形成用于感測電磁感應的半導體結構，而電流路徑層與霍爾感測元件間隔有效距離。
[0009]另外，上述用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法的附屬技術手段的較佳實施例中，第一半導體制造工程可由擴散、沉積、離子布植的制造工程所組成，而第二半導體制造工程可包含濺鍍、沉積及蝕刻等技術，精確而言，第二半導體制造工程為一重新分布層(Redistribut1n Layer ;RDL)制造工程。此外,保護層具有一有效厚度,且電流路徑層具有一有效寬度，有效厚度小于lOOum，有效距離小于500um，有效寬度大于lum。另外，霍爾感測元件與保護層具有一感應夾角，感應夾角大于O度且小于等于90度，保護層由氧化物(oxide)、氮化物(nitride)以及聚酰亞胺(polyimide)中的至少一者組合而成,而電流路徑層可為如銅、銀的高導電度金屬或合金所形成。
[0010]因此，根據本發明所采用的用于感測電磁感應的半導體結構及其制造方法，由于在晶片制造階段中即形成與霍爾感測元件相貼近的電流路徑層，進而不需在如切割晶粒(die)后的制造工程中完成此電流路徑層，因此不會有導線架因為模料(moldingcompound)的擠壓而產生變異而有不穩定的狀況。此外，也不需要預留熱膨脹、焊接與容錯的空間，因而可更有效利用晶片的空間。
[0011]本發明所采用的具體實施例，將借由以下的實施例及附圖作進一步的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1A與圖1B為示出本發明采用的電磁原理的示意圖；
[0013]圖2A為示出本發明第一較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的結構示意圖；
[0014]圖2B為示出本發明第一較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖；
[0015]圖3為示出本發明第二較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的結構示意圖；
[0016]圖4為示出本發明第三較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖；
[0017]圖5為示出本發明第四較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖；
[0018]圖6為示出本發明第五較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖；以及
[0019]圖7為示出本發明較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法的流程不意圖。
[0020]附圖標記
[0021]:用于感測電磁感應的半導體結構
[0022]11、11’、11’’、11’’’、11’’’，:基板
[0023]12、12a、12b、12c、12，、12a，、12b，、12c，、12，，、12a，，、12b，，、12c，，、12，，，、12a’’’、12b’’’、12c’’’、12’’’’、12a’’’’、12b’’’’、12c’’’’:霍爾感測元件
[0024]13、13，、13，，、13，，，、13，，，，:保護層
[0025]14、14，、14，，、14，，，、14，，，，:電流路徑層
[0026]b:半徑h:高度
[0027]1:電流I1、12:待測電流
[0028]W:邊長Wl:有效厚度
[0029]W2:有效距離W3:有效寬度
[0030]Θ:感應夾角
【具體實施方式】
[0031]由于本發明所提供的本發明較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉五個較佳實施例來加以具體說明，而用于感測電磁感應的半導體結構制造方法僅列舉一較佳實施例來加以具體說明。
[0032]請參閱圖1A與圖1B，圖1A與圖1B為示出本發明采用的電磁原理的示意圖，如圖所示，具體而言，圖1A示出當電流I形成邊長為W的正方形時的中心的磁場強度，其中，其
Λ_
磁場強度大小為萬=αζ 2./2μ0Ι I nw。
[0033]另外，圖1B示出當電流I形成半徑b的圓形時的中心的磁場強度，其中，在高度h的中心的磁場強度大小為3 = αζ μ0Λ2/2(/12 +b2)V2。據以上所述，磁場強度均正比于電流強度，因此若能夠檢測磁場強度，便可相對應地推導出電流強度。
[0034]其中，以下的實施例中，為便于說明，各附圖中與本發明的主要特征無關的結構已經省略，且結構之間的尺寸比例也可能經過調整，以凸顯本發明的特征，附圖中各尺寸之間的比例關系與實際狀況并不相同，并非用以限制本發明的權利范圍。請一并參閱圖2A以及圖2B，圖2A為示出本發明第一較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的結構示意圖，圖2B為示出本發明第一較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖。
[0035]如圖所示，在本發明第一較佳實施例中，用于感測電磁感應的半導體結構1，包含一基板11、四個霍爾感測元件12、12a、12b與12c、一保護層13以及一電流路徑層14。基板11例如可為硅基板或藍寶石基板，但在其它實施例中不限于此。霍爾感測元件12、12a、12b與12c用以感測一待測電流Il所產生的一磁場(圖未示)。
[0036]保護層13設置于霍爾感測元件12、12a、12b與12c之上，借以包覆霍爾感應元件12、12a、12b與12c,此外,保護層13由氧化物(oxide)、氮化物(nitride)以及聚酰亞胺(polyimide)中的至少一者組合而成。電流路徑層14設置于保護層13之上，用以供待測電流Il流通，并且與霍爾感測元件12、12a、12b與12c間隔一有效距離W2，借以使霍爾感測元件12、12a、12b與12c感測待測電流Il所產生的磁場。
[0037]其中，為了使霍爾感測元件12、12a、12b與12c能夠有效率地感測待測電流II，因此，保護層13所具有的一有效厚度Wl小于lOOum，而有效距離W2小于500um。另外，為了使電流路徑層14能夠流過足夠的電流，電流路徑層14所具有的一有效寬度W3大于lum，且電流路徑層14由如銅、銀的高導電度金屬或合金所形成，但其它實施例中不限于此，只要是高導電度的金屬或合金都不脫離本發明的精神。
[0038]在此值得一提的是，電流路徑層14以多邊形環繞該等霍爾感測元件12、12a、12b與12c設置，在第一較佳實施例中，電流路徑層14形成類似八角形，其因為在半導體制造工程中，多邊形的兩邊感應夾角為45度、90度、或者135度的結構較容易形成，并非用以限制多邊形兩邊的感應夾角。借此，電流路徑層14便能環繞霍爾感測元件12、12a、12b與12c，同時待測電流Il流經電流路徑層14時，其形成的磁場也能夠穿過霍爾感測元件12、12a、12b與12c的磁場感測平面。
[0039]請參閱圖3，圖3為示出本發明第二較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的結構示意圖。如圖3所示，也可將霍爾感測元件12’以磁場感測平面實質與包含霍爾感測兀件12’的一芯片(圖未不)的表面，以一感應夾角Θ的方式形成于芯片內部,其與第一較佳實施例不同的地方僅在于霍爾感測元件12’與保護層13’間具有一感應夾角Θ，感應夾角Θ大于O度且小于等于90度。
[0040]請參閱圖4，圖4為示出本發明第三較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖。如圖4所示，其與第一較佳實施例最主要的差異在于第三實施例包含有效寬度(圖未標示)更寬的電流路徑層14’’，借此，可以耐受更高強度的待測電流12流經電流路徑層14’’。
[0041]請參閱圖5，圖5為示出本發明第四較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖。如圖5所示，與第一較佳實施例不同的是，第四較佳實施例的電流路徑層14’ ’ ’以正方形的路徑包圍霍爾感測元件12’ ’ ’、12a’ ’ ’、12b’ ’ ’與12c’ ’ ’，此外，在此值得一提的是，在第四較佳實施例中，電流路徑層14’’’的開口寬度可以依照實際電流而設置，并非一定要如同本較佳實施例所示出般的寬度。
[0042]請參閱圖6，圖6為示出本發明第五較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構的上視圖。如圖6所示，霍爾感測元件12’’’’、12a’’’’、12b’’’’與12c’’’’以電流路徑層14’’’’為軸，軸對稱于電流路徑層14’’’’而放置于電流路徑層14’’’’的兩側，并且與電流路徑層14’’’’間隔有一有效距離(圖未標示)。
[0043]其中，上述各實施例的用于感測電磁感應的半導體結構與I’’’’在一晶片(圖未示)的制備階段中(非晶粒切割后的階段)所制造出，請一并參閱圖1以及圖7，圖7為示出本發明較佳實施例的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法的流程示意圖，其制造方法包含以下步驟:
[0044]步驟SlOl:利用一第一半導體制造工程形成霍爾感測元件；
[0045]步驟S102:于霍爾感測元件之上，利用第一半導體制造工程形成保護層；以及
[0046]步驟S103:于保護層之上，利用一第二半導體制造工程形成電流路徑層，據以形成用于感測電磁感應的半導體結構。
[0047]步驟開始后，隨即執行步驟SlOl利用一第一半導體制造工程形成霍爾感測元件。其中，在此步驟中，其主要在基板11上，以如擴散、沉積與離子布植的組合的第一半導體制造工程形成霍爾感測元件12，而在其它實施例中不限于此。
[0048]在執行完步驟SlOl后，隨即執行步驟S102于霍爾感測元件之上，利用第一半導體制造工程形成保護層。其中，在此步驟S102中，同樣是在霍爾感測元件12以如擴散、沉積與離子布植的制造工程組合的第一半導體制造工程形成保護層。
[0049]在執行完步驟S102后，隨即執行步驟S103于保護層之上，利用一第二半導體制造工程形成電流路徑層，據以形成用于感測電磁感應的半導體結構。具體而言，在此步驟中，可以如濺鍍、沉積以及蝕刻等制造工程技術所組合成的第二半導體制造工程形成電流路徑層14，而形成用于感測電磁感應的半導體結構I。由于半導體制造工程的控制可以達到相當程度的精準度，且形成用于感測電磁感應的半導體結構I后，較不易受到應力影響而產生形變，將更能準確地利用霍爾感測元件12檢測流經電流路徑層14的待測電流11，且更可較佳地控制霍爾感測元件與電流路徑之間隔距離以及兩者之間材料的介電參數。
[0050]其中，第二半導體制造工程為一重新分布層(Redistribut1n Layer ;RDL)制造工程，因此，電流路徑層14均可以借由重新分布層制造工程技術形成，能夠達成重新分布層制造工程效果的技術，都能夠用來實現本發明的結構，例如在上述第二半導體制造工程中使用更上層的金屬布線，也可以實現本發明的結構。
[0051]進一步而言，可先在包含霍爾感測元件12的芯片上，形成一聚酰亞胺(polyimide)層，而后在聚酰亞胺層上形成金屬層。值得一提的是，由于電流路徑層14并非一定要電性連接至芯片的接點(PAD)，因此在這種情況下，電流路徑層14中可以省略RDL層中的底層凸塊金屬層(Under Bump Metallizat1n ;UBM)。
[0052]綜合以上所述，由于半導體制造工程的控制可以達到相當程度的精準度，且形成用于感測電磁感應的半導體結構后，較不易受到應力影響而產生形變，將更能準確地利用霍爾感測元件檢測待測電流。此外，在晶片制造階段中即形成與霍爾感測元件相貼近的電流路徑層，進而不需在如切割晶粒(die)后的制造工程中完成此電流路徑層，因此導線架不會因為模料(molding compound)的擠壓而產生變異而有不穩定的狀況。此外，也不需要預留熱膨脹、焊接與容錯的空間，因而可更有效利用晶片的空間。
[0053]借由以上較佳具體實施例的詳述，希望能更加清楚描述本發明的特征與精神，而并非以上述所揭示的較佳具體實施例來對本發明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發明所欲申請的權利要求的范疇內。
【權利要求】
1.一種用于感測電磁感應的半導體結構，其特征在于，包含: 至少一霍爾感測元件，用以感測一待測電流所產生的一磁場； 一保護層，設置于該霍爾感測元件之上，借以包覆該霍爾感應元件；以及 一電流路徑層，設置于該保護層之上，用以供該待測電流流通，并且與該霍爾感測元件間隔一有效距離，借以使該霍爾感測元件感測該磁場。
2.根據權利要求1所述的用于感測電磁感應的半導體結構，其特征在于，該保護層具有一有效厚度，且該電流路徑層具有一有效寬度，該有效厚度小于100微米，該有效距離小于500微米，該有效寬度大于I微米。
3.根據權利要求1所述的用于感測電磁感應的半導體結構，其特征在于，該霍爾感測元件與該保護層具有一感應夾角，該感應夾角大于O度且小于等于90度。
4.根據權利要求1所述的用于感測電磁感應的半導體結構，其特征在于，該保護層由氧化物、氮化物以及聚酰亞胺中的至少一者組合而成。
5.根據權利要求1所述的用于感測電磁感應的半導體結構，其特征在于，該電流路徑層由高導電度金屬以及合金中的一者所形成。
6.一種用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，用以在一晶片的制備階段中，制造出根據權利要求1所述的用于感測電磁感應的半導體結構，該用于感測電磁感應的半導體結構制造方法包含以下步驟: Ca)利用一第一半導體制造工程形成該霍爾感測元件； (b)于該霍爾感測元件之上，利用該第一半導體制造工程形成該保護層，借以包覆該霍爾感測元件；以及 (c )于該保護層之上，利用一第二半導體制造工程形成該電流路徑層，據以形成該用于感測電磁感應的半導體結構，而該電流路徑層與該霍爾感測元件間隔該有效距離。
7.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該第一半導體制造工程由擴散、沉積與離子布植的制造工程所組合而成，該第二半導體制造工程由濺鍍、沉積以及蝕刻的制造工程所組合而成。
8.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該第二半導體制造工程為一重新分布層制造工程。
9.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該保護層具有一有效厚度，且該電流路徑層具有一有效寬度，該有效厚度小于100微米，該有效距離小于500微米，該有效寬度大于I微米。
10.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該霍爾感測元件與該保護層具有一感應夾角，該感應夾角大于O度且小于等于90度。
11.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該保護層由氧化物、氮化物以及聚酰亞胺中的至少一者組合而成。
12.根據權利要求6所述的用于感測電磁感應的半導體結構制造方法，其特征在于，該電流路徑層由高導電度金屬以及合金中的一者所形成。
【文檔編號】H01L43/04GK104134747SQ201310277437
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年7月3日 優先權日:2013年5月3日
【發明者】林登財, 蘇文榮, 陳炫全 申請人:遠翔科技股份有限公司