[0001] Die Erfindung betrifft einen Spinning-Current-Hallsensor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] 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.
[0003] 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 Fig. 1 dargestellt.
[0004] Fig. 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.
[0005] Bei der in Fig. 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 Fig. 2a und 2b näher erläutert.
[0006] Fig. 2a zeigt einen Schnitt entlang der Linie II, II in Fig. 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.
[0007] 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.
[0008] Wird der Betriebsstrom I31 dagegen in umgekehrter Richtung angelegt, wie in Fig. 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.
[0009] 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.
[0010] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgenauigkeit eines Spinning-Current-Hallsensors weiter zu verbessern.
[0011] Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
[0012] Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen bekannten Spinning-Current-Hallsensor, 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] Der Spannungsabfall an einem Kontaktpaar der Kontakte der angrenzenden Schicht ist vorzugsweise gleich gross wie der Spannungsabfall an einem Kontaktpaar der Strom- bzw. Messkontakte.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] Die Elektrode bzw.
die Abschirm-Diffusion ist vorzugsweise ebenfalls mit mehreren Kontakten kontaktiert.
[0021] 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.
[0022] Die Kontakte auf der Oberfläche des Sensors sind in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmässig beabstandet.
[0023] Der erfindungsgemässe Spinning-Current-Hallsensor umfasst vorzugsweise auch eine Auswertelogik und/oder eine Verstärkerschaltung, die ebenfalls auf dem Sensorchip integriert sind.
[0024] Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Aufsicht auf einen Spinning-Current-Hallsensor gemäss dem Stand der Technik;
<tb>Fig. 2a, 2b<sep>eine Schnittansicht des Spinning-Current-Hallsensors von Fig. 1 bei unterschiedlichen Stromrichtungen;
<tb>Fig. 3<sep>eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;
<tb>Fig. 4<sep>eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer Abschirmdiffusion;
<tb>Fig. 5a<sep>eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer vergrabenen p-Schicht;
<tb>Fig. 5b<sep>eine Aufsicht auf den Spinning-Current-Hallsensor von Fig. 5a;
<tb>Fig. 6a<sep>eine Schnittansicht eines Spinning-Current-Hallsensors mit einer Abschirmelektrode; und
<tb>Fig. 6b<sep>eine Aufsicht auf den Spinning-Current-Hallsensor von Fig. 6a.
[0025] Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1, 2a, 2b wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
[0026] Fig. 3 zeigt den gleichen Querschnitt eines Spinning-Current-Hallsensors 100 wie in den Fig. 2a, 2b. Der Hallsensor 100 besteht aus einer n-leitenden Schicht 110, die auf einer 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.
[0027] Im Unterschied zu den Fig. 2a, 2b ist die Schicht 120 nicht nur über einen einzigen Kontakt 121, sondern über insgesamt vier Kontakte 221 bis 224 (von denen nur die beiden Kontakte 221,223 gezeigt sind) angeschlossen.
Im Betrieb des Hallsensors 100 wird an den rückseitigen Kontakten 221-224 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 darüberliegende stromführende Gebiet der stromleitenden Schicht 110 bleibt somit in beiden Stromrichtungen unverändert. Folglich können auch keine zusätzlichen Offsetkomponenten aufgrund unterschiedlicher stromführender Gebiete auftreten.
[0028] Die Kontakte 221-224 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.
[0029] In der Ausführungsform von Fig. 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.
[0030] 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.
[0031] Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Spinning-Current-Hallsensor, der gegenüber dem von Fig. 3 zusätzlich eine Abschirm-Diffusionsschicht 310 aufweist. Die Halbleiteroberfläche 340 ist ein massgeblich zum Rauschen beitragendes Gebiet. Durch die zusätzliche p-leitende Abschirmdiffusion 310 wird ein Gebiet nahe der Halbleiteroberfläche 340 vom Stromfluss ausgenommen. Der Strom I13 fliesst somit nur noch im Inneren der stromleitenden Schicht 110.
[0032] Die Abschirmdiffusion 310 ist an Kontakten 301-304 angeschlossen (von denen 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.
[0033] In lateraler Richtung benachbarte Kontakte 1, 301, 303, 3 sind fluchtend angeordnet. Die Abschirmdiffusion 310 ebenso wie die stromleitende Schicht 110 und die angrenzende Schicht 120 werden im Spinning-Current-Betrieb, d.h. rotierend, betrieben.
[0034] Fig. 5a zeigt eine Realisierung eines Spinning-Current-Hallsensors 100, der in einen Chip integriert ist.
Anstelle der Schicht 120, mit rückseitiger Kontaktierung 221-224, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wird bei dieser Ausführungsform eine vergrabene p-Schicht, bestehend aus einer vergrabenen p-Schicht 420 und einer p-Diffusion 410, verwendet.
[0035] Die vergrabene Schicht 420 ist wiederum in eine Schicht 440 eingebettet, die rückseitig an einem Kontakt 121 angeschlossen ist.
[0036] Die Schicht 410, 420 umgibt die stromleitende Schicht 110 vollständig und ist über vorderseitige Kontakte 421-423 (von denen 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.
[0037] Zwischen den Gebieten 410 und 210 entsteht somit bei entsprechender Polung eine Sperrschicht 430, die der Isolation dient.
[0038] Die n-leitende Schicht 210 umfasst vorzugsweise eine Auswertelogik und/oder eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt), die somit auf dem Sensorchip mit integriert sind.
[0039] Fig. 5b zeigt eine Aufsicht auf den Hallsensor 100 von Fig. 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.
[0040] Der in Fig. 5a gezeigte Spinning-Current-Hallsensor 100 hat den Nachteil, dass eine Dejustage der Abschirmdiffusion 310 gegenüber den Kontaktdiffusionen 101, 103 der stromleitenden Schicht 110 zusätzliche Offsetbeiträge erzeugt. Wegen der Herstellungstechnologie, bei der die Abschirmdiffusion 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.
[0041] Fig. 6a zeigt eine solche Ausführungsform eines Spinning-Current-Hallsensors, bei der anstelle der Abschirmdiffusion 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.
[0042] 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.
[0043] 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 Diffusionsgebieten 101, 103 nicht an die Sensoroberfläche 340.
[0044] Zur Abschirmung der rauschbehafteten Halbleiteroberfläche 340 ist es von Vorteil, die Elektrode 610 sehr nahe an die Gebiete 410 heranreichen zu lassen.
[0045] 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.
[0046] Fig. 6b zeigt nochmals eine Aufsicht auf den Hallsensor von Fig. 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.
Bezugszeichenliste
[0047]
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
The invention relates to a spinning current Hall sensor according to the preamble of patent claim 1.
In the current measurement with conventional Hall plate in addition to the Hall voltage additional unwanted voltage components (offsets) that distort the measurement signal. These offsets are caused in particular by geometry errors, piezoresistive effects, inhomogeneous temperatures, etc. in the sensor.
To improve the measurement accuracy, it is known to use spinning current Hall sensors, with which the offsets can be eliminated substantially from the measurement signal. A typical example of a spinning current Hall sensor is shown in FIG.
Fig. 1 shows a plan view of a known Spinning Current Hall sensor with multiple contacts 1-4, where an operating current I13 or
I24 in the direction shown and in the opposite direction can be created. At the respective orthogonally arranged contact pair while the Hall voltage is tapped. The spinning current Hall sensor 100 is operated in rotation, i. the operating current is switched in the direction of arrow A to the next contact pair. For example, a current I13 is impressed first and a voltage U24 is measured and then successively the currents and voltages I24, U13; I31, U42; and I42, U31 impressed or measured. By averaging all voltage contributions U over a period, the offset can ideally be eliminated.
The current can optionally also rotate continuously and the voltage can be measured continuously.
In the implementation shown in Fig. 1, however, further disturbing effects occur which can not be eliminated by applying the spinning current principle. These are explained in more detail below with reference to FIGS. 2a and 2b.
Fig. 2a shows a section along the line II, II in Fig. 1. The illustrated current sensor 100 consists of an n-type layer 110, which is applied to a p-type layer 120. The n-type layer 110 is further electrically connected to the contacts 1, 3 via the n-contact diffusions 101, 103. The p-layer 120 is connected via a rear-side contact 121 to a reference potential.
When a voltage U13 is applied, a current I13 flows through the current-conducting layer 110 from the contact 1 to the contact 3.
In operation of the sensor 100, the pn junction 120, 110 Sperrpolpolt and it adjusts a space charge zone 130, as indicated in dashed lines, which limits the current flow in the current-conducting layer 110 to a current-carrying region.
Because of the higher voltage drop between the contact 1 and the back contact 121, the space charge region 130 near the contact 1 is thicker than near the contact 3.
If the operating current I31, however, applied in the reverse direction, as shown in Fig. 2b, the space charge zone 130 is thicker because of the higher potential at the contact 3 near the contact 3 as close to the contact. 1
The operating current I thus flows through depending on the feed contact 1, 3 different current-carrying regions in the current-conducting layer 110th
This leads to the aforementioned offset components that can not be eliminated by the spinning current operation.
It is therefore the object of the present invention to further improve the measurement accuracy of a spinning current Hall sensor.
This object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.
Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
The essential idea of the invention is to provide a known spinning current Hall sensor, comprising a current-conducting layer in which an operating current flows, and an adjacent layer, not only with one but with a plurality of contacts on the adjacent layer, at which a voltage is applied, which is dimensioned such that the operating current flows when fed in a first direction and in the opposite direction through the substantially same region of the electrically conductive layer. The current-carrying region thus remains unchanged in both current directions.
Offset components that have arisen in the prior art due to a current flow through different areas can thus be eliminated.
A preferred possibility for generating a non-changing current-carrying region is to set the space charge zone at the pn junction between adjacent layer and current-conducting layer in the direction of the current flow substantially uniformly thick. The operating current therefore flows in both directions through a current-carrying region having a substantially uniform effective cross-section.
According to a preferred embodiment of the invention, the same number of contacts of the adjacent layer as current or measuring contacts are provided.
This results in a particularly simple realization of the Hall sensor.
According to a first embodiment, the contacts of the adjacent layer are arranged on the back of the Hall sensor and are located on the top of arranged current or measuring contacts of the sensor with respect to a median plane of the sensor.
The voltage drop across a contact pair of the contacts of the adjacent layer is preferably the same size as the voltage drop across a contact pair of the current or measuring contacts.
According to another embodiment of the invention, the current-conducting layer is embedded in an adjacent layer which surrounds the current-conducting layer laterally and below (in the case of an n-conducting layer, this is a p-conducting layer and vice versa).
In this embodiment, the contacts of the adjacent layer are arranged on the same side as the current or measuring contacts and are preferably also on the surface of the sensor.
The spinning current-Hall sensor may further comprise means for generating a barrier layer at or near the surface of the current-carrying layer. As a result of this barrier layer, the semiconductor surface, as a significant contributor to the noise, is excluded from the flow of current and the noise is thus reduced.
The current flows in this case only in a lower-lying zone.
To form the barrier layer, either a shielding diffusion having an opposite conductivity as the current-carrying layer may be introduced into the latter or e.g. an electrode may be deposited on the surface of the current-carrying layer (with intervening insulation) by means of which an inversion layer is generated by applying a voltage.
The electrode or
the shielding diffusion is preferably also contacted with multiple contacts.
Radially adjacent contacts of the electrically conductive layer, the adjacent layer and the surface shield are preferably on the same radial line with respect to a central axis of the sensor.
The contacts on the surface of the sensor are preferably evenly spaced in the circumferential direction.
The inventive spinning current Hall sensor preferably also includes an evaluation logic and / or an amplifier circuit, which are also integrated on the sensor chip.
The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the accompanying figures. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a plan view of a spinning current Hall sensor according to the prior art;
<Tb> FIG. 2a, 2b <sep> is a sectional view of the spinning current Hall sensor of Figure 1 at different current directions.
<Tb> FIG. 3 <sep> is a sectional view of a spinning current Hall sensor according to an embodiment of the invention;
<Tb> FIG. 4 is a sectional view of a spinning current Hall sensor with a shielding diffusion;
<Tb> FIG. 5a <sep> is a sectional view of a spinning current Hall sensor with a buried p-layer;
<Tb> FIG. Fig. 5b <sep> is a plan view of the spinning current Hall sensor of Fig. 5a;
<Tb> FIG. 6a <sep> is a sectional view of a spinning current Hall sensor with a shielding electrode; and
<Tb> FIG. 6b <sep> is a plan view of the spinning current Hall sensor of FIG. 6a.
With regard to the explanation of Fig. 1, 2a, 2b, reference is made to the introduction to the description.
Fig. 3 shows the same cross section of a spinning current Hall sensor 100 as in Figs. 2a, 2b. The Hall sensor 100 consists of an n-type layer 110, which is applied to a p-type layer 120 and which is electrically connected to the contacts 1-4 via n-contact diffusions 101, 103. The line characteristic (p or n) of the individual layers 110, 120 can also be reversed.
In contrast to FIGS. 2a, 2b, the layer 120 is connected not only via a single contact 121, but via a total of four contacts 221 to 224 (of which only the two contacts 221, 223 are shown).
During operation of the Hall sensor 100, a voltage is applied to the rear contacts 221-224 which is dimensioned such that the space charge zone 130 at the reverse-biased pn junction (110, 120) has a substantially homogeneous thickness in the current direction. In a current flow in the opposite direction (3-1), a voltage is applied at which the space charge zone 130 does not change or does not change significantly. The overlying current-carrying region of the current-conducting layer 110 thus remains unchanged in both current directions. Consequently, no additional offset components due to different current-carrying regions can occur.
The contacts 221-224 are the current or measuring contacts 1-4 with respect to a center plane of the sensor 100 disposed opposite.
The voltage drop between two contacts 221, 223 is in particular equal to the voltage drop between two current contacts 1, 3. As a result, the thickness of the space charge zone 130 in the lateral direction remains substantially constant and the area through which the current flows, unchanged in both directions.
In the embodiment of FIG. 3, both the current-conducting layer 110 and the adjacent layer 120 are driven in spinning current mode (rotating). The evaluation of the Hall voltages is carried out in the usual way to the current-conducting layer 110th
In principle, the electrically conductive layer 110 may have any even number of contacts.
The adjacent layer 120 has in this case an equal number of contacts.
FIG. 4 shows a cross-section through a spinning current Hall sensor, which additionally has a shielding diffusion layer 310 in relation to that of FIG. 3. The semiconductor surface 340 is a significant contributor to the noise. The additional p-type shielding diffusion 310 excludes an area near the semiconductor surface 340 from the flow of current. The current I13 thus flows only in the interior of the electrically conductive layer 110.
The shielding diffusion 310 is connected to contacts 301-304 (only the contacts 301, 303 are shown). Connected to contacts 301-304 is a reverse bias voltage of pn junction 310, 110 which creates a barrier layer 330 (space charge zone) at pn junction 310, 110.
The voltage applied to the contacts 301-304 is in this case dimensioned such that the current-carrying region does not change or does not substantially change when current flows in a first direction and in the opposite direction.
In the lateral direction adjacent contacts 1, 301, 303, 3 are arranged in alignment. The shielding diffusion 310, as well as the current conducting layer 110 and the adjacent layer 120, are operated in spinning current mode, i. rotating, operated.
5a shows an implementation of a spinning current Hall sensor 100, which is integrated in a chip.
Instead of the layer 120, with back contacting 221-224, as shown in Fig. 4, a buried p-layer consisting of a buried p-layer 420 and a p-diffusion 410 is used in this embodiment.
The buried layer 420 is in turn embedded in a layer 440 which is connected at the back to a contact 121.
The layer 410, 420 completely surrounds the current-carrying layer 110 and is connected via front-side contacts 421-423 (only the contacts 421, 423 are shown). Laterally adjacent contacts 421, 1, 301; 303, 3, 423 are in turn arranged in alignment.
For isolation reasons, the p-type diffusion regions 410 are laterally surrounded by an adjacent n-type layer 210.
Between the areas 410 and 210 thus results in a corresponding polarity a barrier layer 430, which serves for the isolation.
The n-type layer 210 preferably comprises an evaluation logic and / or an amplifier circuit (not shown), which are thus integrated on the sensor chip.
Fig. 5b shows a top view of the Hall sensor 100 of Fig. 5a, in which the spatial arrangement of the contacts 421-424; 1-4; 301-304 and the individual layers 210, 410 and 110 is shown. As can be seen, the contacts 421-424; 1-4; 301-304 arranged rotationally symmetrical about a common center, wherein the contacts are uniformly spaced in the circumferential direction.
Laterally adjacent contacts 421-424; 1-4; 301-304 are further arranged in alignment on a radial line.
The spinning current Hall sensor 100 shown in FIG. 5a has the disadvantage that a misalignment of the shielding diffusion 310 relative to the contact diffusions 101, 103 of the electrically conductive layer 110 generates additional offset contributions. Because of the manufacturing technology in which the shielding diffusion 310 and the contact diffusions 101, 103 are each formed with separate mask planes, the likelihood of misalignment is great.
This disadvantage can be solved by an electrode 610 applied on the current-conducting layer 110 into which contact holes for the contacts 1-4 are etched.
Fig. 6a shows such an embodiment of a spinning current Hall sensor in which instead of the shielding diffusion 310, an electrode 610 is provided, with which a barrier layer (inversion layer) 630 can be generated. In this case, the electrode 610 covers the entire surface 340 of the electrically conductive layer 110.
Between the electrode 610 and the current-conducting layer 110 is an insulating layer, e.g. an oxide layer disposed (not shown).
The electrode 610 may be made of a polysilicon layer, for example.
The electrode 610 is provided with a plurality of contacts 601-604 to which a voltage is applied, which generates a barrier layer in a near-surface region. The operating current I13 can thus flow only in a deeper region of the electrically conductive layer 110 and does not reach the sensor surface 340 between the diffusion regions 101, 103.
To shield the noisy semiconductor surface 340, it is advantageous to have the electrode 610 reach very close to the regions 410.
The use of polysilicon as a material for the electrode 610 is particularly advantageous, since in this case windows can be produced, by means of which the contact diffusions 101-104 can be produced quasi-self-aligning by means of ion implantation.
A misalignment of the shielding means 610 to the contact diffusions 101-104 and the associated additional offset can thus be prevented.
Fig. 6b again shows a plan view of the Hall sensor of Fig. 6a, in which the rotationally symmetrical arrangement of the contacts 421-424; 1-4; 601-604 can be seen. The actuation of the contacts takes place in an analogous manner to the previously described embodiments of the spinning current Hall sensor in the spinning current mode. Thereby, a comparable lateral voltage drop across the electrode 610 is created, such as via the current conducting layer 110, such that the current carrying region in the current conducting layer 110 is injected in a first direction (e.g., I13) and in the opposite direction (e.g.
I31) remains substantially constant.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0047]
1-4: Contacts
100: Spinning Current Hall Sensor
101-104: Contact Diffusions
110: current-conducting layer
120: adjacent layer
121: reference contact
130: space charge zone
210: n-type layer
221-224: back contacts
301-304: Shield diffusion contacts
310: shield diffusion layer
330: space charge zone
410: p area
430: space charge zone
420: buried layer
440: outer semiconductor layer
601-604: electrode contacts
610: electrode
I: operating current