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Die Erfindung betrifft einen Spinning-Current-Hallsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der Strommessung mit herkömmlichen Hallplättchen entstehen neben der Hallspannung zusätzliche unerwünschte Spannungsanteile (Offsets) die das Meßsignal verfälschen. Diese Offsets werden insbesondere durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. im Sensor verursacht.
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Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit ist es bekannt, Spinning-Current-Hallsensoren zu verwenden, mit denen die Offsets im wesentlichen aus dem Meßsignal eliminiert werden können. Ein typisches Beispiel eines Spinning-Current-Hallsensors ist in 1 dargestellt.
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1 zeigt eine Aufsicht auf einen bekannten Spinning-Current-Hallsensor mit mehreren Kontakten 1–4, an denen ein Betriebsstrom I13 bzw. I24 in der gezeigten Richtung, sowie in Gegenrichtung angelegt werden kann. An dem jeweils orthogonal angeordneten Kontaktpaar wird dabei die Hallspannung abgegriffen. Der Spinning-Current-Hallsensor 100 wird rotierend betrieben, d. h. der Betriebsstrom wird in Richtung des Pfeils A auf das jeweils nächste Kontaktpaar umgeschaltet. Beispielsweise wird zunächst ein Strom I13 eingeprägt und eine Spannung U24 gemessen und dann sukzessive die Ströme und Spannungen I24, U13; I31, U42; und I42, U31 eingeprägt bzw. gemessen. Durch eine Mittelung aller Spannungsbeiträge U über eine Periode kann der Offset im Idealfall herausgerechnet werden. Der Strom kann wahlweise auch kontinuierlich rotieren und die Spannung kontinuierlich gemessen werden.
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Bei der in 1 dargestellten Realisierung treten aber weitere Störeffekte auf, die sich durch Anwendung des Spinning-Current-Prinzips nicht eliminieren lassen. Diese werden im folgenden anhand der 2a und 2b näher erläutert.
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2a zeigt einen Schnitt entlang der Linie II, II in 1. Der dargestellte Stromsensor 100 besteht aus einer n-leitenden Schicht 110, die auf einer p-leitenden Schicht 120 aufgebracht ist. Die n-leitende Schicht 110 ist ferner über die n-Kontaktdiffusionen 101, 103 elektrisch an die Kontakte 1, 3 angeschlossen. Die p-Schicht 120 ist über einen rückseitigen Kontakt 121 mit einem Bezugspotential verbunden. Bei Anlegen einer Spannung U13 fließt ein Strom I13 durch die stromleitende Schicht 110 vom Kontakt 1 zum Kontakt 3.
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Im Betrieb des Sensors 100 ist der pn-Übergang 120, 110 sperrgepolt und es stellt sich eine Raumladungszone 130 ein, wie sie in gestrichelten Linien angedeutet ist, die den Stromfluss in der stromleitenden Schicht 110 auf ein stromführendes Gebiet begrenzt. Wegen des höheren Spannungsabfalls zwischen dem Kontakt 1 und dem rückseitigen Kontakt 121 ist die Raumladungszone 130 nahe dem Kontakt 1 dicker als nahe dem Kontakt 3.
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Wird der Betriebsstrom I31 dagegen in umgekehrter Richtung angelegt, wie in 2b dargestellt ist, so ist die Raumladungszone 130 wegen des höheren Potentials am Kontakt 3 nahe dem Kontakt 3 dicker als nahe dem Kontakt 1.
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Der Betriebsstrom I durchfließt somit je nach Einspeisekontakt 1, 3 unterschiedliche stromführende Gebiete in der stromleitenden Schicht 110. Dies führt zu den vorstehend genannten Offsetkomponenten, die durch den Spinning-Current-Betrieb nicht eliminiert werden können.
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Aus der nachveröffentlichten Schrift
DE 102 40 404 A1 ist ein Hall-Sensor bekannt, bei dem eine Restfehlspannung, die aufgrund der Variation der Breite einer Raumladungszone zwischen Hall-Plättchen und dem umgebenden Halbleitersubstrat entsteht, reduziert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass das Hall-Plättchen in einer Zone eines Leitungstyps in dem Substrat gebildet wird, wobei daran angrenzend eine Zone eines anderen Leitungstyps vorgesehen ist. Beide Zonen sind mit Kontakten versehen, um sowohl einen Steuerstrom als auch einen Kompensationsstrom anlegen zu können. Mittels des Kompensationsstroms wird dabei die Dicke der zwischen den Zonen liegenden Raumladungszone beeinflusst.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Meßgenauigkeit eines Spinning-Current-Hallsensors weiter zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen bekannten Spinning-Current-Stromsensor, umfassend eine stromleitende Schicht, in der ein Betriebsstrom fließt, und eine angrenzende Schicht, nicht nur mit einem sondern mit mehreren Kontakten an der angrenzenden Schicht auszustatten, an denen eine Spannung angelegt wird, die derart bemessen ist, dass der Betriebsstrom bei Einspeisung in einer ersten Richtung und in der Gegenrichtung durch das im wesentlichen gleiche Gebiet der stromleitenden Schicht fließt. Das stromführende Gebiet bleibt also in beiden Stromrichtungen unverändert. Offsetkomponenten, die im Stand der Technik aufgrund eines Stromflusses durch unterschiedliche Gebiete entstanden sind, können somit eliminiert werden.
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Eine bevorzugte Möglichkeit zur Erzeugung eines sich nicht verändernden stromführenden Gebiets besteht darin, die Raumladungszone am pn-Übergang zwischen angrenzender Schicht und stromleitender Schicht in Richtung des Stromflusses im wesentlichen gleichmäßig dick einzustellen. Der Betriebsstrom fließt daher in beiden Richtungen durch ein stromführendes Gebiet mit einem im wesentlichen gleichförmigen effektiven Querschnitt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind genauso viele Kontakte der angrenzenden Schicht wie Strom- bzw. Meßkontakte vorgesehen. Daraus ergibt sich eine besonders einfache Realisierung des Hallsensors.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Kontakte der angrenzenden Schicht auf der Rückseite des Hallsensors angeordnet und liegen den auf der Oberseite angeordneten Strom- bzw. Meßkontakten des Sensors bezüglich einer Mittelebene des Sensors gegenüber.
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Der Spannungsabfall an einem Kontaktpaar der Kontakte der angrenzenden Schicht ist vorzugsweise gleich groß wie der Spannungsabfall an einem Kontaktpaar der Strom- bzw. Meßkontakte.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die stromleitende Schicht in eine angrenzende Schicht eingebettet, welche die stromleitende Schicht seitlich und unterhalb umgibt (bei einer n-leitenden Schicht ist dies eine p-leitende Schicht und umgekehrt). Bei dieser Ausführungsform sind die Kontakte der angrenzenden Schicht auf der gleichen Seite wie die Strom- bzw. Meßkontakte angeordnet und liegen vorzugsweise ebenfalls auf der Oberfläche des Sensors.
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Der Spinning-Current-Hallsensor kann ferner Mittel zur Erzeugung einer Sperrschicht an oder nahe der Oberfläche der stromleitenden Schicht aufweisen. Durch diese Sperrschicht wird die Halbleiteroberfläche als ein maßgeblich zum Rauschen beitragendes Gebiet vom Stromfluß ausgenommen und das Rauschen somit reduziert. Der Strom fließt in diesem Fall nur in einer tiefer liegenden Zone.
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Zur Erzeugung der Sperrschicht kann entweder eine Abschirmdiffusion mit einer entgegengesetzten Leitfähigkeit wie die stromleitende Schicht in letztere eingebracht oder z. B. eine Elektrode auf der Oberfläche der stromleitenden Schicht (mit dazwischenliegender Isolation) aufgebracht werden, mittels der durch Anlegen einer Spannung eine Inversionsschicht erzeugt wird.
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Die Elektrode bzw. die Abschirm-Diffusion ist vorzugsweise ebenfalls mit mehreren Kontakten kontaktiert.
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Radial benachbarte Kontakte der stromleitenden Schicht, der angrenzenden Schicht und der Oberflächen-Abschirmung liegen vorzugsweise auf der gleichen radialen Linie bezüglich einer Mittelachse des Sensors.
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Die Kontakte auf der Oberfläche des Sensors sind in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig beabstandet.
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Der erfindungsgemäße Spinning-Current-Hallsensor umfasst vorzugsweise auch eine Auswertelogik und/oder eine Verstärkerschaltung, die ebenfalls auf dem Sensorchip integriert sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Aufsicht auf einen Spinning-Current-Hallsensor gemäß dem Stand der Technik;
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2a, b eine Schnittansicht des Spinning-Current-Hallsensors von 1 bei unterschiedlichen Stromrichtungen;
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3 eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer Abschirmdiffusion;
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5a eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer vergrabenen p-Schicht;
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5b eine Aufsicht auf den Spinning-Current-Hallsensor von 5a;
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6a eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer Abschirmelektrode; und
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6b eine Aufsicht auf den Spinning-Current-Hallsensor von 6a.
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Bezüglich der Erläuterung der 1, 2a, 2b wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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3 zeigt den gleichen Querschnitt eines Spinning-Current-Hallsensors 100 wie in den 2a, 2b. Der Hallsensor 100 besteht aus einer n-leitenden Schicht 110, die auf einr p-leitenden Schicht 120 aufgebracht ist und die über n-Kontaktdiffusionen 101, 103 elektrisch an die Kontakte 1–4 angeschlossen ist. Die Leitungseigenschaft (p bzw. n) der einzelnen Schichten 110, 120 kann auch umgekehrt sein.
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Im Unterschied zu den 2a, 2b ist die Schicht 120 nicht nur über einen einzigen Kontakt 121, sondern über insgesamt vier Kontakte (von denen nur die beiden Kontakte 221, 223 gezeigt sind) angeschlossen. Im Betrieb des Hallsensors 100 wird an den rückseitigen Kontakten eine Spannung angelegt, die derart bemessen ist, dass die Raumladungszone 130 am sperrgepolten pn-Übergang (110, 120) in Stromrichtung im wesentlichen eine homogene Dicke aufweist. Bei einem Stromfluss in entgegengesetzter Richtung (3–1) wird eine Spannung angelegt, bei der sich die Raumladungszone 130 nicht oder nicht wesentlich ändert. Das darüber liegende stromführende Gebiet der stromleitenden Schicht 110 bleibt somit in beiden Stromrichtungen unverändert. Folglich können auch keine zusätzlichen Offsetkomponenten aufgrund unterschiedlicher stromführender Gebiete auftreten.
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Die Kontakte sind den Strom- bzw. Meßkontakten 1–4 bezüglich einer Mittelebene des Sensors 100 gegenüberliegend angeordnet. Der Spannungsabfall zwischen zwei Kontakten 221, 223 ist insbesondere gleich groß wie der Spannungsabfall zwischen zwei Stromkontakten 1, 3. Dadurch bleibt die Dicke der Raumladungszone 130 in lateraler Richtung im wesentlichen konstant und das Gebiet, durch welches der Strom fließt, in beiden Stromrichtungen unverändert.
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In der Ausführungsform von 3 wird sowohl die stromleitende Schicht 110 als auch die angrenzende Schicht 120 im Spinning-Current-Betrieb (rotierend) angesteuert. Die Auswertung der Hallspannungen erfolgt dabei in gewohnter Weise an der stromleitenden Schicht 110.
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Grundsätzlich kann die stromleitende Schicht 110 eine beliebige geradzahlige Anzahl von Kontakten aufweisen. Die angrenzende Schicht 120 hat in diesem Fall eine gleich große Anzahl von Kontakten.
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4 zeigt einen Querschnitt durch einen Spinning-Current-Hallsensor, der gegenüber dem von 3 zusätzlich eine Abschirmdiffusionsschicht 310 aufweist. Die Halbleiteroberfläche 340 ist ein maßgeblich zum Rauschen beitragendes Gebiet. Durch die zusätzliche p-leitende Abschirmdiffusionsschicht 310 wird ein Gebiet nahe der Halbleiteroberfläche 340 vom Stromfluß ausgenommen. Der Strom I13 fließt somit nur noch im Inneren der stromleitenden Schicht 110.
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Die Abschirmdiffusionsschicht 310 ist an Kontakten 301–304 angeschlossen (von denen in 4 nur die Kontakte 301, 303 gezeigt sind). An den Kontakten 301–304 wird eine Spannung in Sperrrichtung des pn-Übergangs 310, 110 angeschlossen, die eine Sperrschicht 330 (Raumladungszone) am pn-Übergang 310, 110 erzeugt. Die an die Kontakte 301–304 angelegte Spannung ist dabei derart bemessen, dass sich das stromführende Gebiet bei Stromfluss in einer ersten Richtung und in der Gegenrichtung nicht oder nicht wesentlich ändert.
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In lateraler Richtung benachbarte Kontakte 1, 301, 303, 3 sind fluchtend angeordnet. Die Abschirmdiffusionsschicht 310 ebenso wie die stromleitende Schicht 110 und die angrenzenden Schicht 120 werden im Spinning-Current-Betrieb, d. h. rotierend, betrieben.
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5a zeigt eine Realisierung eines Spinning-Current-Hallsensors 100, der in einen Chip integriert ist. Anstelle der Schicht 120, mit rückseitiger Kontaktierung, wie sie in 4 dargestellt ist, wird bei dieser Ausführungsform eine vergrabene p-Schicht, bestehend aus einer vergrabenen p-Schicht 420 und einer p-Diffusion 410, verwendet.
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Die vergrabene Schicht 420 ist wiederum in eine Schicht 440 eingebettet, die rückseitig an einem Kontakt 121 angeschlossen ist.
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Die Schicht 410, 420 umgibt die stromleitende Schicht 110 vollständig und ist über vorderseitige Kontakte 421–423, (von denen in 5a nur die Kontakte 421, 423 gezeigt sind) angeschlossen. Lateral benachbarte Kontakte 421, 1, 301; 303, 3, 423 sind wiederum fluchtend angeordnet. Aus Gründen der Isolation sind die p-Diffusionsgebiete 410 in lateraler Richtung von einer angrenzenden, n-leitenden Schicht 210 umgeben.
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Zwischen den Gebieten 410 und 210 entsteht somit bei entsprechender Polung eine Sperrschicht 430, die der Isolation dient.
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Die n-leitende Schicht 210 umfasst vorzugsweise eine Auswertelogik und/oder eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt), die somit auf dem Sensorchip mit integriert sind.
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5b zeigt eine Aufsicht auf den Hallsensor 100 von 5a, in der die räumliche Anordnung der Kontakte 421–424; 1–4; 301–304, sowie der einzelnen Schichten 210, 410 und 110 dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, sind die Kontakte 421–424; 1–4; 301–304 rotationssymmetrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet, wobei die Kontakte in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind. Lateral benachbarte Kontakte 421–424; 1–4; 301–304 sind ferner auf einer radialen Linie fluchtend angeordnet.
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Der in 5a gezeigte Spinning-Current-Hallsensor 100 hat den Nachteil, dass eine Dejustage der Abschirmdiffusionsschicht 310 gegenüber den Kontaktdiffusionen 101, 103 der stromleitenden Schicht 110 zusätzliche Offsetbeiträge erzeugt. Wegen der Herstellungstechnologie, bei der die Abschirmdiffusionsschicht 310 und die Kontaktdiffusionen 101, 103 jeweils mit getrennten Maskenebenen erzeugt werden, ist die Wahrscheinlichkeit einer Dejustage groß. Dieser Nachteil kann durch eine auf der stromleitenden Schicht 110 aufgebrachte Elektrode 610, in die Kontaktlöcher für die Kontakte 1–4 hineingeätzt werden, gelöst werden.
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6a zeigt eine solche Ausführungsform eines Spinning-Current-Hallsensors, bei der anstelle der Abschirmdiffusionsschicht 310 eine Elektrode 610 vorgesehen ist, mit der eine Sperrschicht (Inversionsschicht) 630 erzeugt werden kann. Die Elektrode 610 bedeckt dabei die gesamte Oberfläche 340 der stromleitenden Schicht 110.
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Zwischen der Elektrode 610 und der stromleitenden Schicht 110 ist eine Isolationsschicht, z. B. eine Oxidschicht, angeordnet (nicht gezeigt). Die Elektrode 610 kann beispielsweise aus einer Polysilizium-Schicht bestehen.
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Die Elektrode 610 ist mit mehreren Kontakten 601–604 versehen, an denen eine Spannung angelegt wird, die in einem oberflächennahen Bereich eine Sperrschicht erzeugt. Der Betriebsstrom I13 kann somit nur in einem tieferliegenden Bereich der stromleitenden Schicht 110 fließen und gelangt zwischen den Kontaktdiffusionen 101, 103 nicht an die Sensoroberfläche 340.
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Zur Abschirmung der rauschbehafteten Halbleiteroberfläche 340 ist es von Vorteil, die Elektrode 610 sehr nahe an die Gebiete 410 heran reichen zu lassen.
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Die Verwendung von Polysilizium als Material für die Elektrode 610 ist besonders vorteilhaft, da in diesem Fall Fenster erzeugt werden können, durch die mittels Ionenimplantation die Kontaktdiffusionen 101–104 quasi selbstjustierend hergestellt werden können. Eine Dejustage der Abschirmmittel (610) zu den Kontaktdiffusionen 101–104 und der damit verbundene zusätzliche Offset kann somit verhindert werden.
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6b zeigt nochmals eine Aufsicht auf den Hallsensor von 6a, in der die rotationssymmetrische Anordnung der Kontakte 421–424; 1–4; 601–604 zu erkennen ist. Die Ansteuerung der Kontakte erfolgt in analoger Weise zu den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Spinning-Current-Hallsensors im spinning-current-Betrieb. Dabei wird ein vergleichbarer lateraler Spannungsabfall über die Elektrode 610 erzeugt wie über die stromleitende Schicht 110, so dass das stromführende Gebiet in der stromleitenden Schicht 110 bei Einspeisung des Stroms in einer ersten Richtung (z. B. I13) und in der Gegenrichtung (z. B. I31) im wesentlichen konstant bleibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1–4
- Kontakte
- 100
- Spinning-Current-Hallsensor
- 101–104
- Kontaktdiffusionen
- 110
- stromleitende Schicht
- 120
- angrenzende Schicht
- 121
- Bezugskontakt
- 130
- Raumladungszone
- 210
- n-leitende Schicht
- 221–224
- rückseitige Kontakte
- 301–304
- Kontakte der Abschirmdiffusion
- 310
- Abschirmdiffusionsschicht
- 330
- Raumladungszone
- 410
- p-Gebiet
- 430
- Raumladungszone
- 420
- vergrabene Schicht
- 440
- äußere Halbleiterschicht
- 601–604
- Elektrodenkontakte
- 610
- Elektrode
- I
- Betriebsstrom
