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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Magnetfeldmessung.
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Magnetsensoren auf der Basis von Hall-Elementen sind heute in planaren Halbleiterprozessen verfügbar. So beschreibt die
EP 1 462 770 einen Hall-Sensor mit einem Sensorelement mit in einem Muster angeordneten Kontakten auf einem Halbleitersubstrat. An ausgewählten Kontakten wird ein in der Chipebene fließender Anregungsstrom eingebracht und an anderen Kontakten wird eine Hall-Spannung gemessen. Durch Wechseln der Kontaktauswahl kann ein Offset eliminiert werden. Durch Anlegen eines Anregungsstroms und entsprechende Messung in verschiedenen Richtungen kann ein Magnetfeld sowohl in der Chipebene als auch senkrecht zur Chipebene erfasst werden. Mit derartigen Sensoren ist die auf der Chipebene senkrechte Magnetfeldkomponente sehr gut erfassbar. Für die in der Chipebene liegenden Feldkomponenten können mit einer rein planaren Elekrodenanordnung nur sehr niedrige Empfindlichkeiten erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Dagegen hat ein Sensorelement zur Magnetfeldmessung nach der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass der Hall-Effekt auch für in der Chipebene liegende Magnetfeldrichtungen maximiert wird. So kann der Magnetfeldvektor in allen drei Raumrichtungen mit guter Genauigkeit festgelegt werden. Insbesondere können an einer Struktur simultan alle Magnetfeld-Komponenten erfasst werden. Damit unterliegen diese gleichen Driften, z. B. durch Temperaturgang, Stresseinfluss. Dies kann besonders gut dann gewährleistet werden, wenn die Struktur ähnliche Längen in alle Richtungen besitzt. Mit der zur Magnetfeldrichtung orthogonalen Stromführung der Hall-Elemente, wird deren Empfindlichkeit maximiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Hall-Sensor mit einem effizienten Fertigungsverfahren in alle 3 Raumrichtungen strukturiert werden kann.
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Das Sensorelement zur Magnetfeldmessung weist eine Waferstruktur auf, wobei die Waferstruktur ein Halbleitersubstrat, eine Isolationsschicht und eine Halbleiterschicht aufweist. Dies ermöglicht ein effizientes Herstellungsverfahren von exakten Strukturen senkrecht zur Chipebene. Das Sensorelement weist einen durch die Isolationsschicht durchkontaktierten Stempel mit einer Halbleitersubstrat-Stirnfläche, einer Halbleiterschicht-Stirnfläche und paarweise parallelen Seitenflächen im Halbleitersubstrat auf, wobei die Stirnflächen und Seitenflächen Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit aufweisen und der Stempel zwischen den Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit eine innere Dotierung mit niedrigerer Leitfähigkeit aufweist. Im Betrieb kann ein Anregungsstrom nacheinander in verschiedenen Richtungen durch den Stempel geführt werden und Hallspannungen können an senkrecht dazu liegenden Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit abgegriffen werden. Die hohe Leitfähigkeit dieser Abschnitte ermöglicht eine gute Messung durch effiziente Sammlung und Abführung der die Hall-Spannung bildenden Ladungsträger auf den Stirnflächen und Seitenflächen des Stempels.
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Der Stempel weist in Aufsicht vorzugsweise eine Form eines Polyeders auf. Vorteilhaft weist der Stempel in Höhe und Breite ähnliche Längen auf. Mit einem quadratischen Querschnitt lässt sich ein einfacher würfelförmiger Stempel bilden, der symmetrische Empfindlichkeiten und Driften in drei Dimensionen aufweist. Mit einem oktaederförmigen Querschnitt sind Messungen mit ”Spinning Current” in der Chipebene möglich, wobei der Anregungsstrom nacheinander in benachbarte Seitenflächen eingespeist wird und die Hall-Spannung an senkrecht dazu liegenden Seitenflächen gemessen wird. Entsprechendes gilt für höherzählige Polyeder, wobei bei Vielfachen von vier die Polyeder jeweils Paare von zueinander senkrechten Seitenflächen aufweisen.
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Die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit der Stirn- und Seitenflächen sind bevorzugt voneinander beabstandet. Diese Abschnitte sind vorteilhaft mit Bondflächen auf einer Oberfläche des Sensorelements leitend verbunden. Beides verbessert den Abgriff der die Hall-Spannung bildenden Ladungsträger.
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Die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen weisen vorteilhaft eine Seitenflächen-Dotierung auf, die höher ist als die innere Dotierung im Innern des Stempels. Der leitfähige Abschnitt der oberen Stirnfläche weist vorteilhaft eine Stirnflächen-Dotierung auf, die höher ist als die innere Dotierung. Damit lassen sich die die gewünschten unterschiedlichen Leitfähigkeiten erzeugen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die mit den Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen leitend verbundenen Bondflächen auf dem Stempel im Wesentlichen über den Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen angeordnet.
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In einer dazu alternativen Ausgestaltung der Erfindung liegen die Seitenflächen in einem Trenchkanal und die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen sind jeweils mit einer leitfähigen Schicht verbunden, die durch den Trenchkanal über dessen gegenüberliegende Seite zur Oberseite des Substrats verläuft. Die mit den Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen leitend verbundenen Bondflächen sind auf dem Halbleitersubstrat neben dem Stempel angeordnet.
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Das Sensorelement weist bevorzugt einen durch die Isolationsschicht durchkontaktierten leitfähigen Kontaktstempel auf, wobei der Stempel und der Kontaktstempel unterhalb der Isolationsschicht leitend miteinander verbunden sind. Der Kontaktstempel dient dazu, die Unterseite des Stempels mit einer Bondfläche auf der Oberseite des Sensorelements elektrisch zu verbinden. Damit liegen sämtliche Bondflächen auf der Oberseite des Sensorelements. Die elektrische Verbindung zwischen Stempel und Kontaktstempel erfolgt entweder durch einen leitfähigen Abschnitt in der Halbleiterschicht unterhalb der Isolationsschicht oder durch einen Leiter auf der Unterseite des Sensors.
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Ein Magnetfeld-Sensor mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement zur mehrdimensionalen Magnetfeldmessung weist eine Steuereinheit zur elektrischen Ansteuerung des Sensorelements und Messung und Auswertung von Hall-Spannungen auf.
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Bevorzugt ist eine dreidimensionale Magnetfeldmessung, jedoch lässt sich die Erfindung auch vereinfacht für eine zweidimensionale Messung ausgestalten, beispielsweise mit nur einem Paar wie mit oben beschrieben konfigurierten Seitenflächen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Magnetfeldmessung wird beschrieben, wobei alle Verfahrensschritte nicht notwendig in dieser Reihenfolge ausgeführt werden. Das Verfahren enthält die Verfahrensschritte
- a) Herstellung einer Waferstruktur mit einem Halbleitersubstrat, einer Isolationsschicht und einer Halbleiterschicht – das Halbleitersubstrat und in der Folge die Oberseite des Sensorelements befinden sich auf der Rückseite des Wafers;
- b) Bilden eines durch die Isolationsschicht durchkontaktierten Stempels, der eine Halbleitersubstrat-Stirnfläche, eine Halbleiterschicht-Stirnfläche und paarweise parallele Seitenflächen im Halbleitersubstrat aufweist – der Durchkontakt bildet einen Abschnitt hoher Leitfähigkeit auf der Halbleiterschicht-Stirnfläche;
- c) Dotieren des Inneren des Stempels mit einer niedrigen Leitfähigkeit;
- d) Bilden von Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit auf der Halbleitersubstrat-Stirnfläche und den Seitenflächen.
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Vorzugsweise weist der Stempel einen im Wesentlichen polygonalen Querschnitt auf und das Verfahren weist den Verfahrensschritt auf
- e) Entfernen der Ecken der aneinander grenzenden Seitenflächen des Stempels. Damit werden die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit auf den Seitenflächen voneinander isoliert.
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Vorteilhaft erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt
- f) Bilden von Bondflächen auf einer Oberseite des Halbleitersubstrats, die mit den Abschnitten mit hoher Leitfähigkeit leitend verbunden sind.
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Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit auf den Seitenflächen werden dazu in einer ersten Variante bis an die Oberseite des Halbleitersubstrats geführt und dort werden Bondflächen aufmetallisiert. In einer zweiten Variante werden die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen über die Seitenwände eines Trenchkanals auf die Oberseite des Sensorelements geführt und liegen außerhalb des Stempels.
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Die elektrische Verbindung der Stempelunterseite erfolgt vorteilhaft mit einer Bondfläche auf der Oberseite des Sensorelements durch die Verfahrensschritte
- g) Bilden eines durch die Isolationsschicht durchkontaktierten leitfähigen Kontaktstempels;
- h) Bilden einer leitfähigen Verbindung von Stempel und Kontaktstempel in der Halbleiterschicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
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1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
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2 eine schematische Darstellung die Herstellung eines Sensorelements in einem Wafer gemäß der Erfindung zeigt;
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3 schematisch die Bearbeitung eines Stempels eines Sensorelements gemäß der Erfindung zeigt;
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4 eine schematische Darstellung die Herstellung eines Sensorelements in einem Wafer mit einer Kontaktierung gemäß der Erfindung zeigt;
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5 eine schematische Darstellung die Herstellung eines Sensorelements in einem Wafer mit einer anderen Kontaktierung gemäß der Erfindung zeigt; und
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6 eine Aufsicht der Wafer-Rückseite mit einem Sensorelement gemäß der Erfindung zeigt.
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In 1 in Flussdiagramm 10 das erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Sensorelements zur Magnetfeldmessung dargestellt, wobei alle im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte nicht notwendig in dieser Reihenfolge ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte des Flussdiagramms 10 werden anhand und zusammen mit der 2 bis 5 erläutert.
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Ausgegangen wird mit Bezug auf 2A bei dem Verfahrensschritt
- a) Herstellung einer Waferstruktur 12 mit einem Halbleitersubstrat 13, einer Isolationsschicht 14 und einer Halbleiterschicht 15;
von einem Halbleitersubstrat 13. Auf dem Halbleitersubstrat 13 wird eine Isolationsschicht 14 abgeschieden, die mit einer Halbleiterschicht 15 belegt wird. Die Halbleiterschicht 15 ist mittels der Isolationsschicht 14 von dem Halbleitersubstrat 13 elektrisch isoliert. Man erhält so im Falle von Silizium-Technologie z. B. einen Silicon-on-insulator(SOI)-Wafer.
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Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt mit Bezug auf 2B
- b) Bilden eines durch die Isolationsschicht 14 durchkontaktierten Stempels 16, der eine Halbleitersubstrat-Stirnfläche 17, eine Halbleiterschicht-Stirnfläche 18 und paarweise parallele Seitenflächen 19 im Halbleitersubstrat 13 aufweist. Der mittels Trenchätzen herausgebildete Stempel 16 ist mit Durchkontakt 20 durchkontaktiert. Die Seitenflächen 19 liegen an Trenchkanälen 22, 23. In 2B ist weiterhin ein Kontaktstempel 24 zu sehen, der mit Durchkontakt 25 durchkontaktiert ist und zwischen den Trenchkanälen 23 und 26 liegt. Der Durchkontakt 20 belegt die Halbleiterschicht-Stirnfläche 18 mit einem Abschnitt hoher Leitfähigkeit.
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Der Verfahrensschritt
- c) Dotieren des Inneren 27 des Stempels 16 mit einer niedrigen Leitfähigkeit;
kann beispielsweise nach Verfahrensschritt b) erfolgen oder bereits durch Auswahl eines vordotierten Wafers vorgenommen worden sein.
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Nun folgt mit Bezug auf 2C Verfahrensschritt
- d) Bilden von Abschnitten 28, 29, 30 mit hoher Leitfähigkeit auf den Seitenflächen 19 und der Halbleitersubstrat-Stirnfläche 17. Dies erfolgt durch Belegen des Stempels 16 mit einer höher dotierten Halbleiter-Schicht oder vorzugsweise durch Eindiffundieren einer Dotierung. Der Stempel 16 und das Halbleitersubstrat 13, optional auch die Isolationsschicht 14 werden mittels einer Maskierung 32 partiell vor einer Eindiffusion geschützt. Anschließend können die Seitenflächen, bzw. die Stirnkontakte z. B. mittels Eindiffusion einer Dotierung leitfähig belegt werden.
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3) zeigt nun entsprechend Verfahrensschritt
- e) Entfernen der Ecken 33 der aneinander grenzenden Seitenflächen 19, 34 des Stempels 16;
wie der Stempel 16 nochmals strukturiert wird, um eine elektrische Trennung der Seitenflächen 19, 34 zu erreichen. Damit werden die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit auf den Seitenflächen voneinander isoliert. Wird das fertige Sensorelement im späteren Betrieb mit einem durch die Stirnflächen 17, 18 geführten Anregungsstrom betrieben, so können Hallspannungen Ux 35 und Uy 36 unabhängig voneinander gemessen werden.
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4 erläutert den weiteren Verfahrensschritt
- f) Bilden von Bondflächen 37, 38 auf einer Oberseite 39 des Halbleitersubstrats 13, die mit den Abschnitten 28, 29, 30 mit hoher Leitfähigkeit verbunden sind.
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Die Abschnitte 28, 29 mit hoher Leitfähigkeit auf den Seitenflächen werden in einer ersten Variante bis an die Oberseite 39 des Halbleitersubstrats 13 geführt und dort werden Bondflächen 37 und auch 38 aufmetallisiert. Die Bondflächen 37, 38 können über Bonddrähte 40 an eine Auswerteelektronik oder einen anderen Chip angeschlossen werden.
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4 und 2B erläutern weiterhin eine vorteilhafte elektrische Verbindung der Stempelunterseite bzw. der Stirnfläche 18 mit einer Bondfläche 41 auf der Oberseite des Sensorelements 42 durch die Verfahrensschritte
- g) Bilden eines durch die Isolationsschicht 14 durchkontaktierten leitfähigen Kontaktstempels 24;
- h) Bilden einer leitfähigen Verbindung 43 von Stempel 16 und Kontaktstempel 24 unterhalb der Isolationsschicht 14.
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Die In 4 gezeigte leitfähige Verbindung 43 von Stempel 16 und Kontaktstempel 24 ist als Leiter 44 auf der Unterseite des Sensorelements 42 auf der Halbleiterschicht 15 ausgeführt. Waferabschnitte 45, 46 des Stempels 16 und des Kontaktstempels 24 sind durch Trenchkanäle 47 voneinander elektrisch getrennt.
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5 zeigt eine Ausführungsform, die gegenüber 4 voneinander unabhängige alternative Designs aufweist. Gleichartige Elemente wie in 4 sind mit gestrichenen Bezugsziffern versehen. Das erste alternative Design betrifft die Verlagerung der Bondflächen von dem Stempel 16 nach außen. Hier werden nun die Abschnitte mit hoher Leitfähigkeit der Seitenflächen 19' ebenfalls alternativ als Metallschichten 48, 49 über die Seitenwände eines Trenchkanals 50 auf die Oberseite 39' des Sensorelements 42' geführt zur Bildung von Seitenwandkontakten 51. Ein vollständig gefüllter Trenchkanal wäre auch möglich. Hier sind die Bonddrähte direkt auf Seitenwandkontakten 51 der Metallschichten 48, 49 angeschlossen. Dieses räumlich auseinander gezogene Design erleichtert das Bonden.
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Das zweite alternative Design betrifft die elektrische Verbindung der Stempelunterseite bzw. der Stirnfläche 18 mit einer Bondfläche 41 auf der Oberseite des Sensorelements 42. Die in 4 gezeigte leitfähige Verbindung 53 von Stempel 16' und Kontaktstempel 24' ist als dotierte Verbindung 54 in der Halbleiterschicht 15' unterhalb der Isolationsschicht ausgeführt. Der Kontaktstempel ist von einem Trenchkanal 55 umgeben.
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In 6 ist die Rückseite des Wafers mit dem Sensorelement 42' aus 5 gemäß der Erfindung dargestellt – die Oberseite des Sensorelements befindet sich auf der Rückseite des Wafers. Auf der Waferstruktur 12' ist der Stempel 16' mit metallischer Bondfläche 38' mit quadratischem Querschnitt umgeben von metallischen Seitenwandkontakten 51, 52.
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Daneben liegt der Kontaktstempel 24' als Unterseitenkontakt ebenfalls mit metallischer Bondfläche 41, umgeben von dem Trenchkanal 55.
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Die Funktion eines Magnetfeld-Sensors mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement zur mehrdimensionalen Magnetfeldmessung wird mit Bezug auf die Koordinatenachsen x, y in 6 erläutert, wobei die z-Achse Senkrecht zur Bildebene nach oben verläuft. Eine Steuereinheit zur elektrischen Ansteuerung des Sensorelements und Messung und Auswertung von Hall-Spannungen leitet einen vorbestimmten Anregungsstrom nacheinander in x-, y- und z-Richtung, jeweils sowohl in positiver als auch in negativer Koordinatenrichtung, über die Kontaktpaare 38' mit 41', 51 und 52.
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Ein über das Kontaktpaar 38' mit 41' geführter Anregungsstrom Iz durchfließt den Stempel 16' vertikal in z-Richtung, Magnetfeldkomponenten in der Chipebene erzeugen auch Hall-Spannungen in der Chipebene senkrecht zur Magnetfeldkomponente. Die durch die Magnetfeldkomponente Bx in x-Richtung erzeugte Hallspannung wird am Kontaktpaar 52 in y-Richtung gemessen und die durch die Magnetfeldkomponente By in y-Richtung erzeugte Hallspannung wird am Kontaktpaar 51 in x-Richtung gemessen.
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Ein über das Kontaktpaar 51 geführter Anregungsstrom Ix durchfließt den Stempel 16' horizontal in x-Richtung, Magnetfeldkomponenten in y- und z-Richtung erzeugen auch Hall-Spannungen z- und y-Richtung senkrecht zur Magnetfeldkomponente. Die durch die Magnetfeldkomponente By in y-Richtung erzeugte Hallspannung wird am Kontaktpaar 38 mit 41' in z-Richtung gemessen und die durch die Magnetfeldkomponente Bz in z-Richtung erzeugte Hallspannung wird am Kontaktpaar 52 in y-Richtung gemessen.
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Entsprechendes gilt für einen über das Kontaktpaar 52 geführten Anregungsstrom Iy. Die Redundanz durch die mehrfache Messung derselben Magnetfeldkomponente, insbesondere unter Hinzunahme der jeweils beiden Stromrichtungen wird zur permanenten Bestimmung von Offset und Driften genutzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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