DE3905613A1 - Magnetfelderfassungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfelderfas­ sungsvorrichtung mit einem auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Fachveröffentlichung T. Kanayama et al., J. Vac. Sci. Technol. B 6 (3), Mai/Juni 1988, Seite 1010 ff, ist bereits eine gattungsbildende Magnetfelderfassungsvorrich­ tung bekannt, die im wesentlichen aus einem GaAs-Halb­ leitersubstrat besteht, auf dem ein Hallsensor in miniatu­ risierter Ausführung ausgebildet ist, der eine aktive Fläche in der Größenordnung von 0,3×0,3 Mikrometer hat. Derartige Magnetfeldsensoren mit extrem hoher örtlicher Auflösung werden, wie im ersten Abschnitt dieser Schrift angegeben ist, zum Erfassen der Drehlage eines Magneten und für das Auslesen von Magnetspeichern sowie für die Erfassung von Magnetblasendomänen verwendet. Die Miniatu­ risierung der Hallsensoren zum Erzielen der gewünschten, hohen örtlichen Auflösung hat keinen negativen Einfluß auf die Empfindlichkeit des Hallsensors, da die Hallspannung unabhängig von der Größe des Hallsensors ist und im we­ sentlichen proportional zur angelegten Speisespannung, einer Materialkonstanten und dem Magnetfeld ist. Das Aus­ lesen von digital auf einem Magnetspeicher abgespeicherten Informationen mittels eines Hallsensors erfordert keine Relativgeschwindigkeit desselben gegenüber dem magneti­ schen Datenträger und kann aufgrund der niedrigen Induk­ tivität und Kapazität eines Hallsensors bei der oben an­ gegebenen Subminiaturisierung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Aus diesen Gründen haben Hallsensoren als Mag­ netfelderfassungsvorrichtungen bereits in bestimmten An­ wendungsfällen induktive Leseköpfe ersetzt, die einerseits nicht beliebig miniaturisierbar sind, in ihrer Fertigung aufwendig sind und nur bei Relativgeschwindigkeit gegen­ über dem magnetischen Datenträger zum Datenauslesen ein­ gesetzt werden konnen.

Aus der Fachveröffentlichung Y. Akasaka, IEEE Proceedings, Dezember 1986, Seiten 486 ff, sowie aus dem Forschungs­ bericht zu BMFT NT 2703, Fraunhofer-Gesellschaft 1987, sind Technologien und Strukturen von dreidimensional hoch­ integrierten Schaltungen bekannt.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfelderfassungs­ vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß diese auf einem erweiterten technischen Anwendungs­ gebiet einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Magnetfelderfassungsvorrich­ tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Struktur der Magnetfelderfas­ sungsvorrichtung liegt eine Mehrzahl von Magnetfeldsen­ soren in einer ersten, äußeren Elementeebene, die auch als obere Elementeebene angesehen werden kann, wobei zugeordnete Schaltungen, die an die Magnetfeldsensoren angeschlossen sind, in einer zweiten, inneren Elementeebene liegen, so daß die erfindungsgemäße Magnetfelderfassungsvorrichtung die Struktur einer dreidimensional integrierten Schaltung aufweist. Da in der ersten, äußeren bzw. obersten Elementeebene lediglich Magnetfeldsensoren untergebracht werden müssen, können diese sehr stark aneinandergerückt werden, wodurch eine hohe örtliche Auflösung erzielt wird. Durch die gegenüber der Oberfläche oder Nutzfläche der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung zurückgesetzte Anordnung der Schaltungen auf der zweiten, inneren Elementeebene wird eine Beeinträchtigung der elektrischen Funktionen dieser Schaltungen durch die zu erfassenden Magnetfelder weitgehend ausgeschlossen.

Durch die feldförmige Anordnung der Magnetfeldsensoren innerhalb der erfindungsgemäßen Magnetfelderfas­ sungsvorrichtung kann diese völlig neuen Einsatzbereichen zugeführt werden. So ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung eine Vielzahl von Datenbits von einem magnetischen Speicher gleichzeitig zu lesen, wodurch nicht nur eine ent­ sprechende Vervielfachung der Datenauslesegeschwindigkeit ermöglicht wird, sondern auch die im Stand der Technik erforderliche Umwandlung von seriell gelesenen Bits zu parallel weiterverarbeiteten Datenwörtern bei Verwendung eines einzelnen Magnetfeldsensorelementes entfällt. Aufgrund des am Ort des Sensors vorliegenden Datenwortes können logische Funktionen in den Sensor integriert werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf den Gegenstand einiger Unteransprüche näher erläutert wird.

Vorzugsweise sind gemäß Anspruch 2 die Magnetfeldsensoren in Form eines im wesentlichen rechteckigen Feldes mit einer Mehrzahl von Sensoren in Längs- und Querrichtung angeordnet, wodurch die erfindungsgemäße Magnetfeld­ erfassungsvorrichtung nicht nur zum gleichzeitigen Lesen einer Mehrzahl von Datenbits, sondern auch zum Erfassen von ortlich variierenden Magnetfeldern mit hoher örtlicher Auflösung einsetzbar ist. Eine örtlich hochauflösende Erfassung eines Magnetfeldes innerhalb eines bestimmten flächenhaften Bereiches wird in vielen physikalischen Bereichen benötigt, wie beispielsweise auf dem Gebiet kernmagnetischer Resonanzverfahren, sowie bei der Fertigung und Uberprüfung elektromagnetischer Geräte. Es sei jedoch angemerkt, daß in Abweichung vom Gegenstand des Anspruchs 2 auch andere als rechteckförmige Feld­ ordnungen der Magnetfeldsensoren denkbar sind, wie beispielsweise kreisförmige oder lineare Anordnungen.

Vorzugsweise liegt gemäß Anspruch 3 in der äußersten, ersten Elementeebene das Magnerfeldsensorfeld, in einer zweiten, weiter innenliegenden Elementeebene eine Vielzahl von Signalverstärkungsschaltungen, die den Magnetfeldsensoren nachgeschaltet sind, und in einer dritten oder ggf. in weiteren Elementeebene(n) auf dem Halbleitersubstrat eine Vielzahl von Logikschaltungen zur logischen Weiterverbeitung der Ausgangssignale der Signalverstärker.

Wie in Anspruch 4 dargelegt ist, bewirken die Logikschal­ tungen vorzugsweise eine Verknüpfung der Ausgangssignale der Signalverstärkerschaltungen von zumindest einem Teil der Halbleitersensoren innerhalb einer Reihe oder Spalte.

Eine derartige logische Verknüpfung kann gemäß Anspruch 5 für die Fehlererkennung von von einem Magnetspeichermedium gelesenen Datenworten sowie für eine Fehlerkorrektur von wenigstens einem fehlerhaften Bit des Datenwortes gemäß Anspruch 6 mittels an sich bekannter Fehlererkennungsver­ fahren oder Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht gemäß Anspruch 7 darin, daß die integrierte Logikschaltung eine Kodierung oder Dekodierung der gelesenen Datenworte bewirkt, wodurch verbesserte Möglichkeiten auf dem Gebiet des Datenschutzes erreicht werden.

Vorteilhafte Anwendungen von an sich aus dem Bereich drei­ dimensional integrierter Schaltungen bekannter Strukturen auf die erfindungsgemäße Magnetfelderfassungsvorrichtung bilden den Gegenstand der Anspruche 8 und 11.

Vorzugsweise sind, wie in Anspruch 12 ausgeführt ist, die erste und, soweit vorgesehen, die zweite und ggf. weitere Elementeebene innerhalb großkristalliner oder einkristalliner Halbleiterschichten ausgebildet, da diese im Gegensatz zu polykristallinen Schichten eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen. Jedoch spielen im Fall der Abtastung von digitalen Aufzeichnungen herstellungsbedingte Schwankungen der Beweglichkeit der Ladungsträger nur eine untergeordnete Rolle.

Vorzugsweise werden die großkristallinen oder einkristal­ linen Halbleiterschichten durch kurzfristiges Aufschmelzen einer polykristallinen Oberflächenschicht mittels Laser­ strahlung erzeugt, ohne daß durch diese Maßnahme darunter­ liegende, bereits fertiggestellte Schaltungsstrukturen entscheidend beeinträchtigt werden.

Eine vorteilhafte Deckschicht der Nutzfläche der erfin­ dungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung ist in den Ansprüchen 15 und 16 angegeben.

Die erfindungsgemäße Struktur der Magneterfassungsvor­ richtung ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Halb­ leitermaterialien für die erste Elementeebene sowie für die zweite, dritte bzw. weitere Elementeebene, wie diese in Anspruch 17 angegeben ist, so daß für den Bereich der Hallsensoren andere Halbleitermaterialien eingesetzt werden können als für den Bereich der Signalver­ stärkerschaltungen und Logikschaltungen in den darunterliegenden zweiten und dritten Ebenen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung näher erläutert.

Es zeigt:

die einzige Figur eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Magnetfelderfassungs­ vorrichtung.

Wie in der einzigen Figur dargestellt ist, umfaßt die Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungs­ vorrichtung, die ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ein Siliziumsubstrat 2, auf dem Logik­ schaltungen 3 ausgebildet sind. Oberhalb des Siliziumsub­ strates 2 mit den Logikschaltungen 3 liegt eine erste Isolationsschicht 4, die beispielsweise aus Siliziumdioxid besteht. Die erste Isolationsschicht 4 wird durch leit­ fähige Bereiche 5 in vertikaler Richtung durchsetzt, die die elektrische Verbindung der Logikschaltungen 3 mit Sig­ nalverstärkerschaltungen 7 herstellen, die in der ober­ halb der ersten Isolationsschicht 4 liegenden zweiten, inneren Elementeebene 6 angeordnet sind. Die zweite Elementeebene 6 wird durch Abscheiden einer dunnen, polykristallinen Siliziumschicht und durch deren anschlie­ ßende Umwandlung in großkristallines oder einkristallines Silizium erzeugt.

Vorzugsweise wird zu diesem Zweck die polykristalline Siliziumschicht mittels eines Argonlasers über einen Zeit­ raum von 1/10 bis mehreren Millisekunden mit einer Ein­ dringtiefe von etwa 1/10 Mikrometer bis einigen Mikrome­ tern, vorzugsweise 1/2 Mikrometer angeschmolzen, wodurch die Kristallisation in der vorwählbaren Eindringtiefe ohne Beeinträchtigung der darunterliegenden Logikschaltungen 3 vollzogen wird.

Auf die zweite Elementeebene 6 wird eine zweite Isola­ tionsschicht 8, die gleichfalls aus Siliziumdioxid be­ stehen kann, aufgebracht. Auch diese wird mit leitfähigen vertikalen Bereichen 9 versehen. Diese leitfähigen Berei­ che 9 stellen die elektrische Verbindung zwischen den Signalverstärkungsschaltungen und Hallsensoren 10 her, die in der ersten, obersten Elementeebene 11 liegen. Die erste, oberste Elementeebene 11 kann ebenfalls durch Abscheiden eines polykristallinen Siliziums und durch Um­ wandeln desselben in großkristallines Silizium durch Ab­ sorption elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise Laserstrahlung, erzeugt werden.

Die Hallsensoren 10 können in vorteilhafter Weise auch unter Anwendung anderer Halbleitermaterialien mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit erzeugt werden, wobei insbeson­ dere Indiumantimonid in Betracht kommt.

Die Oberseite wird von einer Deckschicht 12 abgeschlossen, die beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann, und zum Planarisieren der Nutzfläche der Magnetfelderfassungs­ vorrichtung 1, zum Verbessern ihrer Abriebfestigkeit und zum Einstellen ihrer magnetischen Leitfähigkeit auf einen gewünschten Wert dient.

Die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung eignet sich vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich für das Lesen von Daten von magnetischen Datenträgern. Es kann eine Vielzahl von auf den magnetischen Datenträger abgespeicherten Datenbits gleichzeitig erfaßt werden und zeilenweise oder spalten­ weise ausgelesen werden. Bei geeigneter Wahl der Anzahl der Hallsensoren in Längsrichtung und Querrichtung kann ein gleichzeitiges Auslesen von Datenworten, insbesondere einschließlich zugehöriger Fehlerprüfbits und Fehler­ korrekturbits, durch eine Reihe von Hallsensoren vorgenom­ men werden, so daß die im Stand der Technik bei Verwenden von nur einem Sensorelement erforderliche Umsetzung von seriell gelesenen Bits in parallel zu verarbeitende Daten­ worte entfällt. Da die Daten bereits parallel an der er­ findungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung vorliegen, kann diese bereits Schaltungen für die Weiterverarbeitung und Verknüpfung der Bits enthalten, also nicht nur die den einzelnen Hallelementen zugeordneten Signalverstarker­ schaltungen 7, sondern auch Schaltungen 3 für die Fehler­ erkennung, Fehlerkorrektur, Kodierung bzw. Dekodierung. Da eine Mehrzahl von Datenspuren in der Spaltenrichtung gleichzeitig erfaßt werden kann, ist es beispielsweise denkbar, die im Stand der Technik zum Lesen von Daten von verschiedenen Spuren erforderliche mechanische Verschie­ bung des Lesekopfes völlig entbehrlich zu machen, soweit für jede Aufzeichnungsspur auf dem magnetischen Datenträ­ ger eine Spalte von Hallsensoren auf der erfindungsge­ mäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung vorgesehen ist. Selbstverständlich führt ein derartiger Zugriff ohne me­ chanische Verschiebungen zu erheblich verkürzten Zugriffs­ zeiten auf die magnetisch abgespeicherten Daten.

Zu der extrem hohen Lesegeschwindigkeit der erfindungs­ gemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung trägt auch bei, daß die Auswerteschaltungen und Verstärker in unmittel­ barer Nähe der Hallsensoren realisiert werden können, wodurch kapazitätsarme und induktivitätsarme Leitungsver­ bindungen ermöglicht werden.

Durch die dreidimensionale Struktur der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungsvorrichtung liegen die durch Magnet­ felder negativ beeinflußbaren Schaltelemente, nämlich beispielsweise die Transistoren der Signalverstärker­ schaltungen 7 und der Logikschaltungen 3 mindestens ein bis zwei Mikrometer von dem magnetischen Datenträger auf­ grund der dazwischenliegenden ersten Elementeebene 11 beabstandet, so daß es nicht zu einer Störung dieser Elemente durch die Magnetfelder kommt.

Wie eingangs angedeutet, eignet sich die erfindungsgemäße Magnetfelderfassungsvorrichtung zwar vorzugsweise zur hochauflösenden Auslesung von magnetischen Datenträgern, jedoch ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetfeld­ erfassungsvorrichtung überall dort sinnvoll, wo eine hoch­ auflösende Erfassung eines sich örtlich ändernden Magnet­ feldes durchzuführen ist. Beispiele hierfür sind kernmag­ netische Resonanzverfahren (Mikrotomographie, NMR), sowie die Herstellung und Überprüfung elektromagnetischer Geräte, wie elektronenoptischer Säulen von Elektronen­ mikroskopen, Kernforschungsanlagen, wie beispielsweise Zyklotrons.

Anstelle der beschriebenen Hallsensoren können bei einem prinzipiell gleichen physikalischen Effekt magneto­ resistive Sensorelemente verwendet werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Signal­ verstärkungsschaltungen und Logikschaltungen verschiedenen Elementeebenen zugeordnet. Diese Schaltungen können jedoch auch der gleichen Ebene zugeordnet sei.

Claims (17)

1. Magnetfelderfassungsvorrichtung mit einem auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Magnetfeldsensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderfassungsvorrichtung (1) als drei­ dimensionale integrierte Schaltung ausgeführt ist, die wenigstens zwei übereinander und oberhalb des Halb­ leitersubstrates (2) angeordnete Elementeebenen (6, 11) aufweist,
daß die erste, äußere Elementeebene (11) eine Mehr­ zahl von Magnetfeldsensoren (10) aufweist, und
daß die zweite, innere Elementeebene (6) Schaltungen (7) aufweist, die an die Magnetfeldsensoren (10) angeschlossen sind.

2. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren (10) in Form eines im wesentlichen rechteckigen Feldes mit einer Mehrzahl von Sensoren in Längs- und Querrichtung angeordnet sind.

3. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dritte Elementeebene (bei 3) durch das Halbleitersubstrat (2) gebildet ist,
daß die Schaltungen der zweiten Elementeebene (6) Signalverstärkerschaltungen (7) sind, die den Magnet­ feldsensoren (10) nachgeschaltet sind, und
daß die dritte Elementeebene (bei 3) Logikschaltun­ gen (3) aufweist, die den Signalverstärkerschaltungen (7) nachgeschaltet sind.

4. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltungen (3) die Ausgangssignale der Signalverstärkerschaltungen (7) zumindest eines Teiles der Magnetfeldsensoren (10) einer Reihe oder Spalte des Feldes logisch miteinander verknüpfen.

5. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Logikschaltungen (3) bewirkte logi­ sche Verknüpfung eine Fehlererkennung eines durch die Magnetfeldsensoren (10) von einem Magnetspeichermedium gelesenen Datenwortes bewirkt.

6. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Logikschaltungen (3) bewirkte logi­ sche Verknüpfung ferner eine Fehlerkorrektur minde­ stens eines fehlerhaft gespeicherten oder erfaßten Bits des Datenwortes bewirkt.

7. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Logikschaltungen (3) bewirkte logi­ sche Verknüpfung eine Kodierung oder Dekodierung des gelesenen Datenwortes bewirkt.

8. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten sowie zwischen der zweiten und dritten und ggf. weiteren Elementeebene (11, 6, bei 3) Isolationsschichten (4, 8) angeordnet sind, durch die sich im wesentlichen vertikal verlaufende leitfähige Bereiche (5, 9) zur gegenseitigen Verbindung der Schaltungen (3, 7) und Magnetfeldsensoren (10) erstrecken.

9. Magnetfelderfassungsvorrictung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren Hallsensoren (10) sind.

10. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren magnetosensitive Sensoren sind.

11. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschichten (4, 8) aus einem Oxid des betreffenden Halbleitermateriales einer angrenzenden Elementeebene (6, bei 3) bestehen.

12. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und gegebenenfalls die zweite Schal­ tungsebene (11, 6) in großkristallinen oder ein­ kristallinen Halbleiterschichten ausgebildet sind.

13. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die großkristallinen oder einkristallinen Halb­ leiterschichten durch kurzfristiges Aufschmelzen einer polykristallinen Oberflächenschicht mittels Laser­ bestrahlung zum Zwecke der anschließenden großflächi­ gen Kristallisation erzeugt sind.

14. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht durch Bestrahlung mit einer Argonlaservorrichtung über einen Zeitraum von 1/10 bis mehreren Millisekunden mit einer der gewünschten Dicke der zu kristallisierenden Schicht entsprechenden Eindringtiefe von vorzugsweise 1/10 Mikrometer bis einigen Mikrometern, insbesondere 1/2 Mikrometer, aufgeschmolzen wird.

15. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine die Hallsensoren (10) überdeckende Deckschicht (12), mittels der die Nutzfläche der Magnetfeld­ erfassungsvorrichtung (1) planarisiert wird und/oder in ihrer Abriebfestigkeit verbessert wird und/oder in ihrer magnetischen Leitfähigkeit auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.

16. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus Siliziumnitrid besteht.

17. Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elementeebene (11) aus einem für Hall­ sensoren (10) besonders geeigneten Halbleitermaterial besteht und daß die zweite bzw. dritte Elemente­ ebene (6, bei 3) aus einem für CMOS-Transistoren be­ sonders geeigneten, gegenüber dem ersten Halbleiter­ material anderen Halbleitermaterial besteht.