一种半导体结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种半导体结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体芯片制造业的飞速发展，半导体芯片的功能越来越复杂，越来越集成化。例如，将半导体芯片和薄膜结构集成在一起，该薄膜结构具有良好的各向异性磁电阻效应，能够作为磁性传感器的敏感元件，将磁性能转换成电信号，从而以这种方式检测磁场、角度等物理量。
3.基于此，本技术提供一种将薄膜结构和半导体芯片集成的半导体结构及其制备方法。


技术实现要素：

4.本发明第一方面的目的在于提供一种半导体结构，以至少实现半导体结构的磁性传感器功能。本发明第二方面的目的在于提供一种半导体结构的制造方法。本发明第三方面的目的在于提供另一种半导体结构，以至少实现半导体结构的磁性传感器功能。本发明第四方面的目的在于提供另一种半导体结构的制造方法。
5.为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种半导体结构，包括：半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的绝缘支撑层，形成于所述绝缘支撑层上的金属种子层，及形成于所述金属种子层上的镍铁合金层；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。
6.本发明第二方面提供了一种半导体结构的制造方法，包括：在半导体衬底上形成绝缘支撑层，从所述绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的金属种子层，在所述金属种子层上形成掩膜层，所述掩膜层具有对应于绝缘支撑层的掩膜层开窗，在所述掩膜层开窗内电镀形成镍铁合金层，去除所述掩膜层，及去除镍铁合金层未覆盖的金属种子层；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。
7.本发明第三方面提供了一种半导体结构，包括：
具有焊盘的半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的绝缘支撑层，所述绝缘支撑层未覆盖所述焊盘，形成于所述绝缘支撑层上的第一金属种子层，形成于所述第一金属种子层上的镍铁合金层，及形成于所述焊盘上的金属凸块，所述焊盘和所述金属凸块之间通过第二金属种子层相连；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。
8.本发明第四方面提供了一种半导体结构的制造方法，包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有焊盘；在所述半导体衬底上形成绝缘支撑层，所述绝缘支撑层未覆盖所述焊盘；从所述绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第一金属种子层；在所述第一金属种子层上形成第一掩膜层，所述第一掩膜层具有对应于绝缘支撑层的第一掩膜层开窗；在所述第一掩膜开窗内电镀形成镍铁合金层；去除所述第一掩膜层；去除所述镍铁合金层未覆盖的第一金属种子层，以及在所述焊盘上形成金属凸块；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。
9.有益效果本发明提供的半导体结构，其在半导体衬底上方形成镍铁合金层，凭借镍铁合金作为敏感元件的功能，使得集成封装的封装体不仅能够实现磁性传感器的功能，还能够利用半导体芯片将磁性传感器获得的原始数据处理转换，把原始数据转换成目标数据。此外，本发明提供的半导体制备方法，通过电镀工艺在半导体衬底上形成镍铁合金层，工艺简单，更利于工业实现。
附图说明
10.图1示出了本发明实施例提供的一种半导体结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的一种半导体结构的制备流程图；图3a-图3f示出了不同制备阶段的半导体结构示意图；图4示出了栅板的结构示意图；图5示出了栅板抖动速率与镍铁合金层表面形貌的两个参数之间的关系；图6示出了本发明实施例提供的另一种半导体结构的示意图；图7示出了本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备流程图；图8示出了本发明实施例提供的一种金属凸块的制备工艺流程图；图9a-图9n示出了不同制备阶段的另一种半导体结构的示意图。
具体实施方式
11.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
12.目前，用于磁性传感器的薄膜结构大多为单层膜，常见的有nife、nico等合金。nife合金薄膜制成的角度传感器，其amr（anisotropic magnetoresistance effect,各向异性磁电阻效应）效应可实现的范围为2-3%， nico合金薄膜则能达到3-5%。虽然nico合金薄膜具有比 nife合金薄膜更佳的各向异性磁电阻变化率，但是由于其磁滞大于nife合金薄膜，不利于传感器投入到市场中使用，因此商业化的磁性传感器大多采用nife合金薄膜。
13.但是，nife合金薄膜的磁滞与其组分中铁含量相关，本技术提供一种利用磁滞性能优越的nife合金薄膜制备而成的半导体结构。
14.本技术提供的镍铁合金薄膜除了应用于制备角度传感器以外，还用于制备3d磁性传感器，其中，角度传感器能够实现角度测量，应用于无人机云台、摇杆操纵杆、电磁阀门等；3d磁性传感器可沿三个轴（x，y，z）测量磁场分量，从而实现3d感应功能，应用于重力检测、液位检测、电流传感等。
15.图1示意性示出了本发明实施例提供的一种半导体结构，包括：半导体衬底1a，形成于半导体衬底1a上的绝缘支撑层2a，形成于绝缘支撑层2a上的金属种子层3a，及形成于金属种子层3a上的镍铁合金层4a。
16.本发明提供的半导体结构，凭借在半导体衬底1a具有焊盘（图中未示出）的一侧形成镍铁合金层4a，可作为磁性传感器的敏感元件，使得集成封装的封装体不仅能够实现磁性传感器的功能，还能够利用半导体芯片将磁性传感器获得的原始数据处理转换，把原始数据转换成目标数据，本发明通过在半导体结构中增设镍铁合金层4a更有利于芯片封装结构的薄型化及轻量化。
17.在本发明中，半导体衬底1a可以包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层。衬底本体可以用于制造芯片，衬底本体可以形成各种组装芯片所需的微电子元件，例如晶体管、电阻器、二极管、电容器等元件。可以通过各种工艺形成微电子元件，包括沉积、刻蚀、离子注入、光刻、退火以及其它合适的工艺。这些微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。本发明中的衬底本体可以采用本领域惯用的材料形成，例如晶圆等。钝化层主要起到对衬底本体的绝缘保护作用。钝化层除了暴露焊盘等结构外，基本覆盖了整个衬底本体。钝化层可以由有机材料（例如聚酰亚胺）形成，本发明在此不进行限定。
18.在本发明中，绝缘支撑层2a可以防止后续形成的镍铁合金层4a将半导体衬底1的钝化层压裂，还可以进一步隔离镍铁合金层与半导体衬底1a，防止镍铁合金层自身的磁感对半导体衬底1a造成不希望的影响，同时也可以进一步将镍铁合金层4a与半导体衬底1a绝缘。绝缘支撑层2a通常的尺寸大于所述镍铁合金层的尺寸，以支撑镍铁合金层。
19.在本发明中，镍铁合金4a形成于半导体衬底的上方，例如，半导体衬底上所形成的多个芯片的上方，均布置形成镍铁合金4a。因此，在具体实施过程中，绝缘支撑层2a可以覆盖半导体衬底上局部区域。
20.具体实施过程中，绝缘支撑层2a形成于半导体衬底1a的钝化层上。
21.绝缘支撑层2a可以由具有电绝缘特性的高分子材料形成，例如，在一些实施方式中，绝缘支撑层2a可以由聚酰亚胺形成。在本发明的一些实施方式中，绝缘支撑层2a厚度为2-8μm，绝缘支撑层2a的厚度过小，例如小于2μm，很难实现其上述的作用。另一方面，绝缘支撑层2a的厚度过大，例如大于8μm，则会不必要地增加半导体结构的体积，不利于半导体结构封装的薄型化及轻量化。在本发明的一些优选实施方式中，绝缘支撑层2a的厚度约为3-5μm。
22.金属种子层3a的作用主要是方便后续镍铁合金层4a的形成。在一些实施方式中，如图1所示，金属种子层3a可以包括金属钛层31和形成于金属钛层31上的金属铜层32，优选地，金属钛层的厚度为（800-1200）
±
100
å
（埃），金属铜层的厚度为（3500-4500）
±
400
å
。
23.镍铁合金作为磁性传感器的敏感元件已被众多文献报道。但镍铁合金中镍铁的不同配比则影响着镍铁合金的磁滞性能。在本发明的一些实施方式中，基于镍和铁的总质量，镍铁合金层4a中的铁含量为10-30质量%。发明人发现，如果铁镍合金层4a中的铁含量过高，例如高于30质量%，则所获得的镍铁合金层4a的剩磁量过高，这意味着镍铁合金层4a的磁滞性能过差。另一方面，如果铁镍合金层4a中的铁含量过低，例如低于10质量%，则磁性材料含量过低，磁滞性能也过差。
24.在本发明的一些实施方式中，镍铁合金层4a的厚度为1-60μm，镍铁合金层4a的厚度过小，例如小于1μm，则不能达到所需的磁滞性能。另一方面，镍铁合金层4a的厚度过大，例如超过60μm，磁滞性能没有明显的提升，同时会不必要地增加半导体结构的体积，不利于半导体结构封装的薄型化及轻量化。在上述的镍铁合金层4a的厚度范围内，可以根据半导体结构的实际应用场景，选择合适的镍铁合金层4a的厚度，以达到所需要的磁滞性能。例如，当应用于无人机云台、摇杆操纵杆、电磁阀门等领域时，半导体结构的镍铁合金层的厚度可以为(4-6)
±
1μm。当应用于重力检测、液位检测、电流传感等领域时，半导体结构的镍铁合金层4a的厚度可以为(20-30)
±
5μm。
25.如图2所示，本发明实施例还提供了一种半导体结构的制造方法，包括：s101，在半导体衬底上形成绝缘支撑层，s102，从绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的金属种子层，s103，在金属种子层上形成掩膜层，掩膜层具有对应于绝缘支撑层的掩膜层开窗，s104，在掩膜层开窗内电镀形成镍铁合金层，s105，去除掩膜层，及s106，去除镍铁合金层未覆盖的金属种子层。
26.根据图2所示的方法实施例制备半导体结构，在制造各阶段的部分半导体结构的截面图，如图3a-3f所示。
27.在步骤s101中，首先在半导体衬底1a上形成一层绝缘支撑材料，然后对其进行图形化处理，部分地移除绝缘支撑材料，形成绝缘支撑层2a。具体实施过程中，绝缘支撑层的尺寸大于镍铁合金层的尺寸。
28.对于绝缘支撑层2a的图形化方法，可以采用本领域已知的图形化方法，例如通过光刻法和刻蚀工艺来实现。经过步骤s101后，所形成的部分半导体结构如图3a所示。
29.在步骤s101完成后，进行步骤s102，从绝缘支撑层2a的上方，使整个半导体衬底1a形成金属种子层3a，因此，金属种子层3a覆盖了绝缘支撑层2a以及半导体衬底1a的其余部
分，例如焊盘等。经过步骤s102后，所形成的部分半导体结构如图3b所示。金属种子层3a同样可以采用本领域所熟知的方法来实现。这些方法包括但不限于物理气相沉积、溅射等工艺。在本发明的一些实施方式中，在步骤s101完成后，可以先溅射一层金属钛层，然后在钛层的表面，再溅射一层金属铜层。
30.在步骤s102完成后，进行步骤s103，在金属种子层3a的表面涂覆光刻胶，在一实施方式中，光刻胶的涂覆厚度为50
±
5μm，然后通过已知的光刻、刻蚀工艺，在绝缘支撑层2a对应的区域移除光刻胶，形成具有掩膜层开窗51的掩膜层5a，掩膜层开窗51暴露出绝缘支撑层2a上方的金属种子层3a，同时掩膜层5a的未开窗部分覆盖了焊盘等无需形成镍铁合金层的部分；经过步骤s103后，所形成的部分半导体结构如图3c所示。
31.在步骤s103完成后，进行步骤s104，通过电镀工艺在掩膜层开窗51内形成具有一定厚度的镍铁合金层4a（如图3d所示）。在一些实施方式中，电镀所使用的电镀液为氨基磺酸体系镍铁电镀液，该电镀液源于氨基磺酸镍镀液，在氨基磺酸镍镀液中添加铁添加剂（提供铁离子）和铁稳定剂（抑制三价铁的生成）形成氨基磺酸镍铁电镀液。在一些实施方式中，电镀液包含浓度为50-60g/l的镍离子和浓度为70-90g/l的铁离子。对于该镍铁电镀液，还可以包含其他有利于电镀以及镍铁合金层质量的任何成分，包括但不限于ph缓冲、调节剂，例如硼酸，用于增加镀层表面光亮度的光亮剂以及润湿剂等。用于形成镍铁合金层的电镀液可以通过商业途径获得，也可以通过商业途径获得形成电镀液的各个组分，再通过适当的配比形成合适的电镀液。
32.在本发明的一些实施方式中，所采用的电镀液包括：（55-60）g/l的镍离子，（30-50）g/l的硼酸，（5-20）ml/l的光亮剂，（5-15）ml/l的润湿剂，（70-90）g/l的铁离子，（20-50）ml/l的铁稳定剂。
33.在本发明的一些优选实施方式中，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液的ph为2.8-3.6。本发明人发现，电镀液的ph对于电镀的顺利进行以及镀膜的质量有重要的影响。当ph小于2.8时，电镀液活性较低，导致镍铁合金层的沉积速度过慢，影响电镀效率。当ph大于3.6时，容易导致三价铁离子的生成，并产生电镀液变色等问题。
34.在本发明的一些实施方式中，可以采用nexx systems公司的电镀机进行镍铁合金的电镀。该电镀机设置有栅板（shearplate），用于对电镀液进行搅拌。图4示出了该栅板的结构。栅板6与线性电机7连接，并在线性电机7的驱动下，上下抖动，从而实现电镀液的搅拌。在本发明中，栅板的抖动速率也称为栅板搅拌速率，其通过百分比度量，抖动速率的范围是10%-100%，百分比越大，速率越快。本发明人发现，栅板的抖动速率对镍铁合金层表面形貌的两个重要参数“表面高低差”和“表面倾斜”产生影响。在本发明中，参数“表面高低差”表示镍铁合金层表面最高点和最低点之间的高度差。参数“表面倾斜”表示镍铁合金层表面边缘一圈最高点和最低点之间的高度差。对于镍铁合金层而言，表面高低差和表面倾斜越小越好，这表示镍铁合金层的电镀质量比较高。发明人进一步发现，表面高低差随着栅板的抖动速率增大而增大，倾斜随着栅板的抖动速率变大而缩小，其关系如图5所示。综合两者因素，电镀过程中，栅板搅拌速率为25-40%，优选为30%。
35.在本发明的一些优选实施方式中，电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的电流密度为1-4asd，优选2-3asd。发明人发现，在电镀过程中，电流密度过小，例如小于1asd，会显著增加电镀时间，影响电镀效率。电流密度过大，例如大于4asd，会影响镍铁合金层的表面
形貌，使得镍铁合金层的表面高低差和表面倾斜变大，镍铁合金层的质量劣化。
36.在步骤s104完成后，进行步骤s105去除掩膜层（如图3e所示），以及s106去除镍铁合金层未覆盖的金属种子层（如图3f所示）。步骤s105和步骤s106可以使用本领域已知的去胶液和金属腐蚀液来实现。
37.图6示意性示出了本发明实施例提供的另一种半导体结构，包括：具有焊盘11的半导体衬底1b，形成于半导体衬底1b上的绝缘支撑层2b，绝缘支撑层2b未覆盖焊盘11，形成于绝缘支撑层2b上的第一金属种子层3b，形成于第一金属种子层3b上的镍铁合金层4b，及形成于焊盘11上的金属凸块7b，焊盘11和金属凸块7b之间通过第二金属种子层6b相连。
38.本发明提供的半导体结构，凭借在半导体衬底1b具有焊盘11的一侧形成镍铁合金层4b，可作为磁性传感器的敏感元件，使得集成封装的封装体不仅能够实现磁性传感器的功能，还能够利用半导体芯片将磁性传感器获得的原始数据处理转换，把原始数据转换成目标数据，本发明通过在半导体结构中增设镍铁合金层4b更有利于芯片封装结构的薄型化及轻量化。
39.在本发明中，半导体衬底1b可以包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层。衬底本体可以用于制造芯片，半导体衬底1b可以形成各种组装芯片所需的微电子元件，例如晶体管、电阻器、二极管、电容器等元件。可以通过各种工艺形成微电子元件，包括沉积、刻蚀、离子注入、光刻、退火以及其它合适的工艺。这些微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。本发明中的衬底本体可以采用本领域惯用的材料形成，例如晶圆等。钝化层主要起到对衬底本体的绝缘保护作用。钝化层除了暴露焊盘等结构外，基本覆盖了整个衬底本体。钝化层可以由有机材料（例如聚酰亚胺）形成，本发明在此不进行限定。
40.在本发明中，绝缘支撑层2b可以防止后续形成的镍铁合金层4b将半导体衬底1b的钝化层压裂，还可以进一步隔离镍铁合金层与半导体衬底1b，防止镍铁合金层自身的磁感对半导体衬底1b造成不希望的影响，同时也可以进一步将镍铁合金层4b与半导体衬底1b绝缘。绝缘支撑层2b通常的尺寸大于所述镍铁合金层的尺寸，以支撑镍铁合金层。
41.在本发明中，镍铁合金4b形成于半导体衬底1b上方，例如，在半导体衬底上所形成的多个芯片的上方，均布置形成镍铁合金4b。因此，在具体实施过程中，绝缘支撑层2b可以覆盖半导体衬底上局部区域。
42.具体实施过程中，绝缘支撑层2b形成于半导体衬底1b的钝化层上。
43.绝缘支撑层2b可以由具有电绝缘特性的高分子材料形成，例如，在一些实施方式中，绝缘支撑层2b可以由聚酰亚胺形成。在本发明的另一些实施方式中，绝缘支撑层2b厚度为2-8μm，绝缘支撑层2b的厚度过小，例如小于2μm，绝缘性不佳，很难保证在半导体衬底1b和镍铁合金层4b之间达到理想的绝缘程度。另一方面，绝缘支撑层2b的厚度过大，例如大于8μm，则会不必要地增加半导体结构的体积，不利于半导体结构的薄型化及轻量化。在本发明的一些优选实施方式中，绝缘支撑层2b的厚度约为3-5μm。
44.第一金属种子层3b的作用主要是方便后续镍铁合金层4b的形成。在本技术的一些实施方式中，第一金属种子层3b可以包括金属钛层和形成于金属钛层上的金属铜层，优选
地，金属钛层的厚度为（800-1200）
±
100
å
（埃），金属铜层的厚度为（3500-4500）
±
400
å
。
45.镍铁合金作为磁性传感器的敏感元件已被众多文献报道。但镍铁合金中镍铁的不同配比则影响着镍铁合金的磁滞性能。在本发明的一些实施方式中，基于镍和铁的总质量，镍铁合金层4b中的铁含量为10-30质量%。发明人发现，如果铁镍合金层4b中的铁含量过高，例如高于30质量%，则所获得的镍铁合金层的剩磁量过高，这意味着镍铁合金层4b的磁滞性能过差。另一方面，如果铁镍合金层4b中的铁含量过低，例如低于10质量%，则磁性材料含量过低，磁滞性能也过差。
46.在本发明的一些实施方式中，镍铁合金层4b的厚度为1-60μm，镍铁合金层的厚度过小，例如小于1μm，则不能达到所需的磁滞性能。另一方面，镍铁合金层4b的厚度过大，例如超过60μm，磁滞性能没有明显的提升，同时会不必要地增加半导体结构的体积，不利于半导体结构的薄型化及轻量化。在上述的镍铁合金层的厚度范围内，可以根据半导体结构的实际应用场景，选择合适的镍铁合金层的厚度，以达到所需要的磁滞性能。例如，当应用于无人机云台、摇杆操纵杆、电磁阀门等领域时，半导体结构的镍铁合金层的厚度可以为(4-6)
±
1μm。当应用于重力检测、液位检测、电流传感等领域时，半导体结构的镍铁合金层的厚度可以为(20-30)
±
5μm。
47.在本发明中，第二金属种子层6b主要是用于方便在焊盘11上形成金属凸块7b。第二金属种子层6b可以与第一金属种子层3b相同，也可以不同。在一些实施方式中，第二金属种子层6b具有与第一金属种子层3b相同的组成和厚度。在另一些实施方式中，第二金属种子层6b可以包括金属钛层和形成于金属钛层上的金属铜层，优选地，金属钛层的厚度为（800-1200）
±
100
å
（埃），金属铜层的厚度为（3500-4500）
±
400
å
。
48.在本发明中，金属凸块7b可以用于实现芯片与pcb基板之间的互联。金属凸块技术是芯片封装过程中广泛使用的封装技术，用于形成凸块的金属可以是铜、镍、锡银合金等。尤其是铜柱凸块技术，在本领域已经广泛使用，并具有成熟的制作工艺。已知的是，铜柱凸块通常包括铜柱和位于铜柱顶端的焊料帽两部分。本发明所涉及的金属凸块7b可以采用上述的现有技术来实现。在本发明的一些实施方式中，金属凸块7b可以是铜柱凸块。
49.在本发明的一些实施方式中，如图6所示，半导体结构还可以包括绝缘保护层5b，绝缘保护层5b覆盖镍铁合金层4b并暴露金属凸块7b。绝缘保护层5b主要用于保护镍铁合金层4b，防止在形成金属凸块7b的过程中，在镍铁合金层4b上形成不需要的金属结构，并将金属凸块7b与镍铁合金层4b绝缘。
50.在本发明的一些实施方式中，绝缘保护层5b可以由具有电绝缘特性的高分子材料形成，例如，在一些实施方式中，绝缘保护层5b可以由聚酰亚胺形成。在本发明的一些实施方式中，绝缘保护层5b厚度为2-8μm。在本发明的一些优选实施方式中，绝缘保护层5b的厚度约为3-5μm。
51.如图7所示，本发明实施例还提供了一种半导体结构的制造方法，包括：s201，提供一半导体衬底，该半导体基板上形成有焊盘；s202，在半导体衬底上形成绝缘支撑层，该绝缘支撑层未覆盖焊盘；s203，从绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第一金属种子层；s204，在第一金属种子层上形成第一掩膜层，第一掩膜层具有对应于绝缘支撑层的第一掩膜层开窗；
s205，在第一掩膜开窗内电镀形成镍铁合金层；s206，去除第一掩膜层；s207，去除镍铁合金层未覆盖的第一金属种子层，以及s208，在焊盘上形成金属凸块。
52.根据上述的方法实施例制备的半导体结构，在其制造各阶段的结构示意图如图9a-9n所示。
53.在步骤s201中，首先提供一形成有焊盘11的半导体衬底1b，如图9a所示。
54.在步骤s202中，首先在半导体衬底1b上形成一层绝缘支撑材料，然后对其进行图形化处理，部分地移除绝缘支撑材料，形成绝缘支撑层2b。对于绝缘支撑层2b的图形化，可以采用本领域已知的图形化方法，例如通过光刻法和刻蚀工艺来实现。经过步骤s202后，所形成的部分半导体结构如图9b所示。
55.在步骤s202完成后，进行步骤s203，从绝缘支撑层2b的上方，使整个半导体衬底形成第一金属种子层3b，第一金属种子层3b覆盖了绝缘支撑层2b以及通过绝缘支撑层开窗所暴露的部分，例如焊盘等。经过步骤s203后，所形成的部分半导体结构如图9c所示。第一金属种子层3b同样可以采用本领域所熟知的方法来实现。这些方法包括但不限于物理气相沉积、溅射等工艺。在本发明的一些实施方式中，在步骤s202完成后，可以先溅射一层金属钛层，然后在钛层的表面，再溅射一层金属铜层，形成第一金属种子层3b。
56.在步骤s203完成后，进行步骤s204，在第一金属种子层3b的表面涂覆光刻胶，在一实施方式中，光刻胶的涂覆厚度为50
±
5μm，然后通过已知的光刻、刻蚀工艺，在绝缘支撑层2b对应的区域移除光刻胶，形成具有第一掩膜层开窗81的第一掩膜层8，第一掩膜层开窗81暴露出绝缘支撑层2b上方的第一金属种子层3b，同时第一掩膜层8覆盖了焊盘等无需形成镍铁合金层4b的部分；经过步骤s204后，所形成的部分半导体结构如图9d所示。
57.在步骤s204完成后，进行步骤s205，通过电镀工艺在第一掩膜层开窗81内形成具有一定厚度的镍铁合金层4b，如图9e所示。在本发明的一些实施方式中，电镀所使用的电镀液为氨基磺酸体系镍铁电镀液，该电镀液源于氨基磺酸镍镀液，在氨基磺酸镍镀液中添加铁添加剂（提供铁离子）和铁稳定剂（抑制三价铁的生成）形成氨基磺酸镍铁电镀液。在一些实施方式中，电镀液包含浓度为50-60g/l的镍离子和浓度为70-90g/l的铁离子。对于该镍铁电镀液，还可以包含其他有利于电镀以及镍铁合金层质量的任何其他成分，包括但不限于ph缓冲、调节剂，例如硼酸，用于增加镀层表面光亮度的光亮剂以及润湿剂等。用于形成镍铁合金层的电镀液可以通过商业途径获得，也可以通过商业途径获得形成电镀液的各个组分，再通过适当的配比形成。
58.在一些实施方式中，所采用的电镀液组成包括：（55-60）g/l的镍离子，（30-50）g/l的硼酸，（5-20）ml/l的光亮剂，（5-15）ml/l的润湿剂，（70-90）g/l的铁离子，（20-50）ml/l的铁稳定剂。
59.在一些优选实施方式中，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液的ph为2.8-3.6之间。本技术的发明人发现，电镀液的ph对于电镀的顺利进行以及镀膜的质量有重要的影响。当ph小于2.8时，电镀液活性较低，导致镍铁合金层的沉积速度过慢，影响电镀效率。当ph大于3.6时，容易导致三价铁离子的生成，并产生电镀液变色等问题。
60.在一些实施方式中，可以采用nexx systems公司的电镀机进行镍铁合金的电镀。
该电镀设备设置有栅板（shearplate），用于对电镀液进行搅拌。图4示出了该栅板的结构。栅板6与线性电机7连接，并在线性电机7的驱动下，上下抖动，从而实现电镀液的搅拌。在本发明中，栅板的抖动速率也称为栅板搅拌速率，其通过百分比度量，抖动速率的范围是10%-100%，百分比越大，速率越快。本技术的发明人发现，栅板的抖动速率对镍铁合金层表面形貌的两个参数“表面高低差”和“表面倾斜”产生影响。对于镍铁合金层而言，表面高低差和表面倾斜越小越好，这表示镍铁合金层的电镀质量比较高。发明人进一步发现，表面高低差随着栅板的抖动速率增大而增大，倾斜随着栅板的抖动速率变大而缩小，其关系如图5所示。综合两者因素，电镀过程中，栅板搅拌速率为25-40%，优选为30%。
61.在一些优选实施方式中，电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的电流密度为1-4asd，优选2-3asd。本技术的发明人发现，在电镀过程中，电流密度过小，例如小于1asd，会显著增加电镀时间，影响电镀效率。电流密度过大，例如大于4asd，会影响镍铁合金层的表面形貌，使得镍铁合金层的表面高低差和表面倾斜变大，镍铁合金层的质量劣化。
62.在步骤s205完成后，进行步骤s206去除第一掩膜层8（所形成的部分半导体结构如图9f所示），以及s207去除镍铁合金层未覆盖的第一金属种子层3b（所形成的部分半导体结构如图9g所示）。步骤s206和步骤s207可以使用本领域已知的去胶液和金属腐蚀液来实现。
63.在步骤s207完成后，可以进行步骤s208，在焊盘11上形成金属凸块7b。
64.在一些实施方式中，如图8所示，步骤s208可以包括以下步骤：s301，在镍铁合金层的上方形成绝缘保护层，绝缘保护层具有暴露焊盘的绝缘保护层开窗；s302，从绝缘保护层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第二金属种子层；s303，在第二金属种子层上形成第二掩膜层，第二掩膜层在绝缘保护层开窗的位置形成有第二掩膜层开窗；s304，在第二掩膜层开窗中形成金属凸块；s305，去除第二掩膜层；s306，去除暴露的第二金属种子层；及s307，回流。
65.在具体实施过程中，在步骤s207完成后，可以进行s301，形成绝缘保护层5b，如图9h所示。绝缘保护层5b的形成与绝缘支撑层2b类似，可以采用本领域已知的图形化方法，例如通过光刻法和刻蚀工艺来实现。绝缘保护层5覆盖镍铁合金层4b，可以保护镍铁合金层4b，防止后续金属凸块7b的形成对其造成不利的影响。绝缘保护层开窗暴露出焊盘11，以方便后续在焊盘11上形成金属凸块7b。
66.在步骤s301完成后，可以进行步骤s302，从绝缘保护层5b的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第二金属种子层6b，如图9i所示。第二金属种子层6b覆盖了绝缘保护层5b以及通过绝缘保护层开窗暴露的焊盘11，第二金属种子层6b可以采用与第一金属种子层3b相同的技术方案形成，也可以采用与其不同、但在本领域常用的工艺形成。在本发明的一些实施方式中，在步骤s301完成后，可以先溅射一层金属钛层，然后在钛层的表面，再溅射一层金属铜层，形成第二金属种子层6b。
67.在步骤s302完成后，可以进行步骤s303，在第二金属种子层6b上形成第二掩膜层9，第二掩膜层9在绝缘保护层开窗的位置形成有第二掩膜层开窗9a，如图9j所示。通过该第
二掩膜层开窗9a，可以暴露出绝缘保护层开窗内的第二金属种子层6b，从而通过后续的金属凸块形成工序，可以在绝缘保护层开窗内的第二金属种子层6b上进一步形成金属凸块7b。第二掩膜层9可以采用与第一掩膜层8相同的技术方案形成，也可以采用与其不同、但在本领域常用的工艺形成。
68.在步骤s303完成后，可以继续进行s304-s307，在第二掩膜层开窗内形成金属凸块7b（所形成的部分半导体结构如图9k所示），然后去除第二掩膜层9（所形成的部分半导体结构如图9l所示）、去除暴露的第二金属种子层61（所形成的部分半导体结构如图9m所示），最后回流，得到半导体结构，如图9n所示。如前所示，整个的金属凸块技术是芯片封装过程中广泛使用的封装技术，对于s304-s307而言，完全可以采用本领域所熟知的技术来实现，本发明在此不进行限定。
69.下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明。需要说明的是，以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
70.实施例1 半导体结构的制备首先，执行如图2所示的步骤s101至s103，在半导体衬底1a上依次形成绝缘支撑层2a，金属种子层3a、和掩膜层5a，此时所形成的半导体结构如图3c所示，其中，绝缘支撑层2a的材料为聚酰亚胺，其厚度为4
±
1μm，通过光刻、腐蚀工艺形成；金属种子层3a包括厚度为1000
±
100
å
的金属钛层和形成于其上的厚度为4000
±
400
å
金属铜层，金属钛层和金属铜层均通过溅射工艺形成。掩膜层5a由光刻胶形成，厚度为50
±
5μm；掩膜层开窗51基本上呈圆形，尺寸：256μm
±
6μm。
71.在执行完s103，形成掩膜层5a后，继续执行s104，电镀镍铁合金层，所获得的镍铁合金层的厚度为25μm，尺寸为256μm。
72.本实施例所采用的电镀液（每100l）由以下成分配比而成：spherolyte ni make up（用于提供ni
2
）29.7l，spherolyte boric acid solution（用于缓冲ph值）48l，spherolyte ni additive a（光亮剂）1l，spherolyte ni additive w（润湿剂）1l，spherolyte sulfamic acid solution（调节ph值）5l，expt spherolyte iron additive（铁添加剂）10l，expt spherolyte iron stabilizer（铁稳定剂）3l，以及余量的去离子水。
73.ph值：3.2。
74.上述用于形成电镀液的各组分，除了去离子水外，其它均来源于安美特（中国）化学有限公司。
75.所采用的设备及工艺参数包括:nexx systems公司的nexx status 300电镀机，镀液温度：50℃。
76.电流密度：2asd。
77.栅板搅拌速率：30%。
78.经xrf（x射线荧光光谱分析）测试，镍铁合金层中铁含量为21.2质量%。
79.执行完s104后，继续执行s105-s106，去除掩膜层5a，及镍铁合金层4a未覆盖的金属种子层3a。
80.所获得的半导体结构如图3f所示。
81.磁滞性能的评价通过测试所制备的半导体结构中的镍铁合金层在不同磁感强度下的剩磁量来评价其磁滞性能。铁磁材料在反复磁化过程中，磁通密度b的变化始终落后于磁场强度h的变化，对应于外磁场增大与减小时相同的h值，会有不同的b值，这种不可逆现象称为磁滞现象。当外加磁场强度h下降至零时，b值并不回到零而为br，br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。一般而言，剩磁量越小，磁滞越小，代表着磁滞性能越好。
82.测试方法：将制备的半导体结构切割成6mm*6mm的方形小片，将小片放置于振动样品磁强计，在室温下分别对小片施加50、100、500、2000gs的强磁场，然后测试镍铁合金层的剩磁量，每个磁场测试3次，取最大的剩磁量作为测试结果。
83.经测试，实施例1制备的半导体结构的镍铁合金层在上述强磁场下的剩磁量均小于10oe，其中在500gs下的剩磁量为1oe，2000gs下的剩磁量为8oe，显示出优异的磁滞性能。
84.实施例2实施例2与实施例1的区别在于实施例2的栅板搅拌速率为25%，其它与实施例1相同。
85.实施例3实施例3与实施例1的区别在于实施例3的栅板搅拌速率为40%，其它与实施例1相同。
86.实施例4实施例4与实施例1的区别在于实施例4的电镀液的ph为2.8，其它与实施例1相同。
87.实施例5实施例5与实施例1的区别在于实施例5的电镀液的ph为3.6，其它与实施例1相同。
88.实施例6实施例6与实施例1的区别在于实施例6的电镀电流密度为3asd，其它与实施例1相同。
89.采用与实施例1相同的方法对实施例2-6制备的半导体结构进行剩磁量检测。结果，对于实施例2-6制备的半导体结构的的镍铁合金层而言，其剩磁量均小于10oe，同样显示出优异的磁滞性能。
90.实施例7 半导体结构的制备首先，执行如图6所示的步骤s201至s204，提供一半导体衬底1b，并在半导体衬底1b上依次形成绝缘支撑层2b，第一金属种子层3b、和第一掩膜层8，此时所形成的半导体结构如图9d所示，其中，绝缘支撑层2b的材料为聚酰亚胺，其厚度为4
±
1μm，通过光刻、腐蚀工艺形成；第一金属种子层3b包括厚度为1000
±
100
å
的金属钛层和形成于其上的厚度为4000
±
400
å
金属铜层，金属钛层和金属铜层均通过溅射工艺形成。第一掩膜层8由光刻胶形成。
91.在执行完s204，形成第一掩膜层8后，继续执行s205，电镀镍铁合金层4b，所获得的镍铁合金层4b的厚度为25μm。
92.本实施例所采用的电镀液（每100l）由以下成分配比而成：spherolyte ni make up（用于提供ni
2
）29.7l，spherolyte boric acid solution（用于缓冲ph值）48l，spherolyte ni additive a（光亮剂）1l，spherolyte ni additive w（润湿剂）1l，spherolyte sulfamic acid solution（调节ph值）5l，expt spherolyte iron additive（铁添加剂）10l，expt spherolyte iron stabilizer（铁稳定剂）3l，以及余量的去离子水。
93.ph值：3.2。
94.上述用于形成电镀液的各组分，除去离子水外，其它均来源于安美特（中国）化学有限公司。
95.所采用的设备及工艺参数包括:nexx systems公司的nexx status 300电镀机，镀液温度：50℃。
96.电流密度：2asd。
97.栅板搅拌速率：30%。
98.经xrf（x射线荧光光谱分析）测试，镍铁合金层中铁含量为21.5质量%。
99.执行完s205后，继续执行s206-s207，去除第一掩膜层8，及镍铁合金层4b未覆盖的第一金属种子层3b，此时，所得到的半导体结构如图9g所示。
100.执行完s207后，继续执行s301-303，先后形成具有绝缘保护层开窗的绝缘保护层5b、第二金属种子层6b、具有第二掩膜层开窗的第二掩膜层9，然后继续执行s304-307，在第二掩膜层开窗内形成金属凸块7b，然后去除第二掩膜层9、暴露的第二金属种子层61，最后回流，得到半导体结构，如图9n所示。
101.磁滞性能的评价通过测试所制备的半导体结构中的镍铁合金层在不同磁感强度下的剩磁量来评价半导体结构中镍铁合金层的磁滞性能。铁磁材料在反复磁化过程中，磁通密度b的变化始终落后于磁场强度h的变化，对应于外磁场增大与减小时相同的h值，会有不同的b值，这种不可逆现象称为磁滞现象。当外加磁场强度h下降至零时，b值并不回到零而为br，br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。一般而言，剩磁量越小，磁滞越小，代表着磁滞性能越好。
102.测试方法：将制备的半导体结构切割成6mm*6mm的方形小片，将小片放置于振动样品磁强计，在室温下分别对小片施加50、100、500、2000gs的强磁场，然后测试镍铁合金层的剩磁量。
103.经测试，实施例7制备的半导体结构的镍铁合金层在上述强磁场下的剩磁量均很小，其中在500gs下的剩磁量为0.5oe，2000gs下的剩磁量为16oe，显示出优异的磁滞性能。
104.实施例8实施例8与实施例7的区别在于实施例8的栅板搅拌速率为25%，其它与实施例7相同。
105.实施例9
实施例9与实施例7的区别在于实施例9的栅板搅拌速率为40%，其它与实施例7相同。
106.实施例10实施例10与实施例7的区别在于实施例10的电镀液的ph为2.8，其它与实施例7相同。
107.实施例11实施例11与实施例7的区别在于实施例11的电镀液的ph为3.6，其它与实施例7相同。
108.实施例12实施例12与实施例7的区别在于实施例12的电镀电流密度为3asd，其它与实施例7相同。
109.采用与实施例7相同的方法对实施例8-12制备的半导体结构进行剩磁量检测。结果，实施例8-12制备的半导体结构的剩磁量均小于16oe，显示出优异的磁滞性能。
110.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域中的技术人员来说，本发明可以有各种修改和变化。凡在本发明的主旨和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半导体结构，其特征在于，包括：半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的绝缘支撑层，形成于所述绝缘支撑层上的金属种子层，及形成于所述金属种子层上的镍铁合金层；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述镍铁合金层中，基于镍和铁的总质量，铁含量为10-30质量%。3.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其特征在于，所述镍铁合金层的厚度为1-60μm。4.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其特征在于，所述绝缘支撑层的厚度为3-5μm。5.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其特征在于，所述绝缘支撑层的尺寸大于所述镍铁合金层的尺寸。6.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属种子层包括金属钛层和形成于金属钛层上的金属铜层。7.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，包括：在半导体衬底上形成绝缘支撑层，从所述绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的金属种子层，在所述金属种子层上形成掩膜层，所述掩膜层具有对应于绝缘支撑层的掩膜层开窗，在所述掩膜层开窗内电镀形成镍铁合金层，去除所述掩膜层，及去除所述镍铁合金层未覆盖的金属种子层；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。8.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，在电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的电流密度为1-4asd。9.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，在电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的栅板搅拌速率为25-40%。10.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液的ph为2.8-3.6。11.根据权利要求7-10中任一项所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液包含浓度为50-60g/l的镍离子和浓度为70-90g/l的铁离子。12.一种半导体结构，其特征在于，包括：具有焊盘的半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的绝缘支撑层，所述绝缘支撑层未覆盖所述焊盘，形成于所述绝缘支撑层上的第一金属种子层，形成于所述第一金属种子层上的镍铁合金层，及
形成于所述焊盘上的金属凸块，所述焊盘和所述金属凸块之间通过第二金属种子层相连；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。13.根据权利要求12所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述镍铁合金层并暴露所述金属凸块。14.根据权利要求12或13所述的半导体结构，其特征在于，所述镍铁合金层中，基于镍和铁的总质量，铁含量为10-30质量%。15.根据权利要求12或13所述的半导体结构，其特征在于，所述镍铁合金层的厚度为1-60μm。16.根据权利要求12或13所述的半导体结构，其特征在于，所述绝缘支撑层的尺寸大于所述镍铁合金层的尺寸。17.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有焊盘；在所述半导体衬底上形成绝缘支撑层，所述绝缘支撑层未覆盖所述焊盘；从所述绝缘支撑层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第一金属种子层；在所述第一金属种子层上形成第一掩膜层，所述第一掩膜层具有对应于绝缘支撑层的第一掩膜层开窗；在所述第一掩膜开窗内电镀形成镍铁合金层；去除所述第一掩膜层；去除所述镍铁合金层未覆盖的第一金属种子层，以及在所述焊盘上形成金属凸块；其中，所述半导体衬底包括衬底本体以及覆盖衬底本体上的钝化层，所述衬底本体形成有组装半导体芯片所需的微电子元件，所述微电子元件相互连接以形成芯片电路元件。18.根据权利要求17所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述在所述焊盘上形成金属凸块，包括：在所述镍铁合金层的上方形成绝缘保护层，所述绝缘保护层具有暴露所述焊盘的绝缘保护层开窗；从所述绝缘保护层的上方，形成覆盖整个半导体衬底的第二金属种子层；在所述第二金属种子层上形成第二掩膜层，所述第二掩膜层在所述绝缘保护层开窗的位置形成有第二掩膜层开窗；在所述第二掩膜层开窗中形成金属凸块；去除所述第二掩膜层；去除暴露的第二金属种子层；及回流。19.根据权利要求17或18所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，在电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的电流密度为1-4asd。20.根据权利要求17或18所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，在电镀形成镍铁合金层的过程中，电镀的栅板搅拌速率为25-40%。
21.根据权利要求17或18所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液的ph为2.8-3.6之间。22.根据权利要求17或18所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，电镀形成镍铁合金层所采用的电镀液包含浓度为50-60g/l的镍离子和浓度为70-90g/l的铁离子。

技术总结
本发明公开了一种半导体结构及其制备方法，其中，半导体结构包括：半导体衬底，形成于半导体衬底上的绝缘支撑层，形成于绝缘支撑层上的金属种子层，及形成于金属种子层上的镍铁合金层。本发明提供的半导体结构，其在半导体衬底上方形成镍铁合金层，凭借镍铁合金作为敏感元件的功能，使得集成封装的封装体不仅能够实现磁性传感器的功能，还能够利用半导体芯片将磁性传感器获得的原始数据处理转换，把原始数据转换成目标数据。数据转换成目标数据。数据转换成目标数据。


技术研发人员：马超 罗杰 程李标
受保护的技术使用者：上海灿瑞科技股份有限公司
技术研发日：2022.04.20
技术公布日：2022/5/25