DE102004034277B4

DE102004034277B4 - Vorrichtung, insbesondere in einer integrierten Schaltungsanordnung, und Verfahren zur Erfassung eines mechanischen Stresszustands in einem Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE102004034277B4
Application number: DE200410034277
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: DE102004034277A1

Abstract

Vorrichtung (10) zum Erfassen eines mechanischen Stresszustands in einem Halbleitersubstrat, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente;
einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (S_st1) zum Ansteuern der Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente; und
einer Einrichtung (16) zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) mittels eines zweiten Steuersignals (S_st2), das eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist, die durch die piezoresistiven Koeffizienten des Halbleitersubstrats definiert wird, und aus einer Kombination von zwei in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats zueinander orthogonalen Stromflussrichtungen resultiert, wobei die Einrichtung (16) zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) ausgebildet ist, so dass das Referenzmagnetfeld (B_ref) die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente zumindest teilweise durchdringt;
wobei die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente ausgebildet ist, um basierend auf dem Referenzmagnetfeld (B_ref) und auf dem ersten Steuersignal (S_st1) ein von dem mechanischen Spannungszustand abhängiges Ausgangssignal (S_out) bereitzustellen, wobei...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungsanordnungen mit einer zugeordneten Stresssensoreinrichtung, und insbesondere auf ein Konzept zum Erfassen eines mechanisches Stresszustandes in einem Halbleitersubstrat und zur Kompensation eines aus diesem mechanischen Stresszustand resultierenden, unerwünschten Einflusses auf eine oder mehrere elektrische Charakteristika der in dem Halbleitersubstrat integrierten Schaltungsanordnungen.
Das Problem einer unerwünschten Beeinflussung elektrischer bzw. physikalischer Charakteristika von integrierten Schaltungsanordnungen bzw. Schaltkreisen (ICs = integrated circuits) vor allem durch mechanische Verspannungen in dem verwendeten Halbleitermaterial ist im wesentlichen bei allen integrierten Halbleiterschaltungen zu beobachten. Integrierte Schaltungsanordnungen werden üblicherweise in Gehäusen untergebracht, um die empfindlichen integrierten Schaltungsanordnungen vor Umwelteinflüssen zu schützen. Dabei ist jedoch als unangenehmer Nebeneffekt und Störeinfluss zu beobachten, dass bereits die Unterbringung und Montage der integrierten Schaltungsanordnung in einem Gehäuse eine erhebliche mechanische Verspannung (mechanischen Stress) auf das Halbleitermaterial und damit auf das Halbleitersubstrat mit der integrierten Schaltungsanordnung ausübt.
Dies trifft insbesondere für kostengünstige, als Massenartikel ausgestaltete Gehäuseformen zu, wie z. B. für solche Gehäuseformen, bei denen die integrierte Schaltungsanordnung von einer Vergussmasse umspritzt wird. Die Vergussmasse härtet dann aus, indem die Vergussmasse ausgehend von einer Temperatur von etwa 150°C bis 200°C auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Da das Halbleitermaterial der integrierten Schaltungsanordnung und das Kunststoffvergussmaterial des umgebenden Gehäuses im wesentlichen nicht übereinstimmende, thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, zieht sich das Kunststoffmaterial bei Abkühlung auf Umgebungstemperatur unterschiedlich zu dem Halbleitermaterial der integrierten Schaltungsanordnung zusammen und übt somit einen im wesentlichen nicht reproduzierbaren mechanischen Stress auf das Halbleitermaterial der integrierten Schaltungsanordnung aus. Das Kunststoffmaterial für das Bauteilgehäuse weist im allgemeinen einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial der integrierten Schaltungsanordnung auf, wobei als Halbleitermaterialien zumeist Silizium oder auch Germanium, Galliumarsenid (GaAs), InSb, InP, usw. verwendet werden.
Die mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats, die auf die integrierte Schaltungsanordnung einwirkt, kann im allgemeinen deswegen schlecht reproduziert werden, weil die mechanische Verspannung von der Kombination der verwendeten Materialien für das Halbleitersubstrat und für die Vergussmasse abhängt. Darüber hinaus hängt die mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial von den Verarbeitungsparametern ab, wie z. B. von der Aushärtetemperatur und Aushärtezeitdauer der Verbundmasse des Gehäuses der integrierten Schaltungsanordnung, und ändert sich auch im Laufe der Lebensdauer und bei verschiedenen Betriebsbedingungen der integrierten Schaltungsanordnung.
Durch verschiedene Piezo-Effekte in dem Halbleitermaterial, wie z. B. durch den piezoresistiven Effekt, Piezo-MOS-Effekt, Piezo-Junction-Effekt, Piezo-Hall-Effekt und Piezo-Tunnel-Effekt, werden durch eine einwirkende mechanische Verspannung auf die integrierte Schaltungsanordnung häufig auch wichtige elektrische bzw. elektronische Funktionscharakteristika der integrierten Schaltungsanordnung beeinflusst. Eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial bewirkt beispielsweise, dass sich die Eigenschaften der Ladungsträger hin sichtlich des Ladungsträgertransports, wie z. B. Beweglichkeit, Kollisionszeit, Streufaktor, Hallkonstante, usw., ändern.
Allgemein ausgedrückt gibt nun beispielsweise der piezoresistive Effekt an, wie sich der spezifische Ohmsche Widerstand ρ des jeweiligen Halbleitermaterials unter dem Einfluss eines mechanischen Spannungstensors σ und der piezoresistiven Koeffizienten π verhält, entsprechend der folgenden Beziehung: ρ = ρ0(1 + Σπi,jσi,j) (1)
Dabei ist der Faktor ρ₀ der Grundwert des spezifischen Widerstands, welcher von der mechanischen Verspannung unbeeinflusst bleibt. Somit ändert sich beispielsweise der Widerstandswert R eines resistiven Elements, wie z. B. eines integrierten Widerstands, in Folge mechanischer Verspannung auf Grund des piezoresistiven Effekts, entsprechend der nachfolgend angegebenen Beziehung: R = R0(1 + Σπi,jσi,j) (2)
Der Piezo-Hall-Effekt beschreibt nun dagegen die Abhängigkeit der Hallkonstante R_h vom mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitermaterial mit: Rh = Rh0(1 + ΣPi,jσi,j) (3)
Dabei ist σ_ij der mechanische Spannungstensor, P_ij sind die Piezo-Hall-Koeffizienten, wobei sich die Summation bei dem Piezo-Hall-Effekt (und entsprechend bei dem piezoresistiven Effekt) über i = 1...3 und j = 1...3 erstreckt.
Durch den Piezo-Hall-Effekt, der auf Grund mechanischer Verspannungen in dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips der integrierten Schaltungsanordnung auftritt, ändert sich bei spielsweise im Fall einer Hallsondenanordnung auch die magnetische Empfindlichkeit S der Hallsonde, wobei als die magnetische Empfindlichkeit S das Verhältnis der Ausgangsspannung U_H der Hallsonde zu der einwirkenden Magnetfeldkomponente B definiert werden kann. Eine mechanische Verspannung σ_ij in dem Halbleitermaterial der Hallsondenanordnung beeinflusst damit auch die strombezogene magnetische Empfindlichkeit S_i einer Hallsonde gemäß
Dabei ist der Faktor S_i0 der Grundwert der strombezogenen magnetischen Empfindlichkeit S_i, welcher von der mechanischen Verspannung unbeeinflusst bleibt, und der Faktor P_ij ist der Piezo-Hall-Koeffizient.
Bezüglich der weiteren, im Vorhergehenden angegebenen Piezo-Effekte resultieren aus dem Piezo-Junction-Effekt unter Anderem Veränderungen der Kennlinien von Dioden und Bipolartransistoren. Der Piezo-Tunnel-Effekt tritt an Reversebetriebenen, hoch dotierten, flachen Lateral-pn-Übergängen auf. Dieser Strom ist durch Band-zu-Band-Tunneleffekte dominiert und ebenfalls stressabhängig. Der Piezo-MOS-Effekt beeinflusst die Beweglichkeit der Ladungsträger in einem MOS-Kanal eines MOS-Feldeffekttransistors unter dem Einfluss einer mechanischen Verspannung in dem Halbleitermaterial des integrierten Schaltungschips.
Diese weiteren Piezo-Effekte, d. h. Piezo-Junction-Effekt, Piezo-Tunnel-Effekt und Piezo-MOS-Effekt, sind jedoch für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung.
Durch die verschiedenen, im Vorhergehenden erläuterten Piezo-Effekte wirkt sich eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial der Halbleiterschaltungsanordnung zumeist negativ auf die elektrischen bzw. elektronischen Charakteristi ka der integrierten Schaltungsanordnung aus und führen zu einer unerwünschten Veränderung bzw. Verschlechterung des Schaltungsverhaltens, wobei dies insbesondere bei hoch präzisen Analogschaltungen der Fall ist. So ändern sich beispielsweise auf Grund der oben genannten Piezo-Effekte in Folge einer mechanischen Verspannung in einem Halbleitermaterial alle in einer Schaltungsanordnung erzeugten Ströme, und somit auch die an der Halbleiterschaltungsanordnung erzeugten Frequenzen von integrierten Oszillatoren. Eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial der integrierten Schaltungsanordnung verursacht ferner beispielsweise ein Driften von Offsetspannungen von diversen Operationsverstärkern ebenso wie eine Drift der magnetischen Empfindlichkeit eines integrierten Hallsensors.
Es ist bisher im Stand der Technik noch nicht gelungen, diese mechanischen Verspannungen in dem Halbleitermaterial von integrierten Schaltungsanordnungen über die gesamte Lebensdauer und den gesamten Temperaturbereich einer integrierten Schaltungsanordnung ausreichend exakt, eindeutig und wohl definiert bei dem Betrieb einer integrierten Schaltungsanordnung zu berücksichtigen.
Die US-Patentschrift US-4,782,705 A bezieht sich auf eine Stressmesseinrichtung unter Verwendung einer planaren Hall-Sonde. Der Hall-Sonde wird ein Treiberstrom zwischen zwei gegenüberliegenden Kontaktanschlüssen zugeführt, wobei die resultierende Hall-Spannung an den senkrecht dazu angeordneten Kontaktanschlüssen abgreifbar ist. Die Richtung des mechanischen Stresszustands ist dabei parallel zu der Flussrichtung des Treiberstroms, wobei ein elektromagnetisches Wechselfeld in einer flachen Spule erzeugt wird, die bezüglich der Hall-Sonde angeordnet ist bzw. deren Windungen das Hall-Sondenelement umgeben.
Die EP-Patentveröffentlichung EP 0690296 A2 bezieht sich auf einen auf den Effekt der Magnetostriktion basierenden mecha nischen Stresssensor, wobei ausgenutzt wird, dass sich die magnetische Flussdichte innerhalb einer magnetostriktiven Schicht aufgrund eines mechanischen Stresses verändert.
Ausgehend von der oben dargestellten Problematik bezüglich des Einflusses mechanischer Verspannungen in dem Halbleitermaterial bzw. Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltungsanordnung wird deutlich, dass in der Technik ein Bedarf danach besteht, möglichst genaue Aussagen bezüglich des in dem Halbleitermaterial eines Halbleiterschaltungschips auftretenden mechanischen Verspannungszustands treffen zu können, um den Einfluss bzw. die Auswirkungen dieses mechanischen Spannungszustands auf die elektrischen und elektronischen Charakteristika der betroffenen integrierten Schaltungsanordnungen ausreichend berücksichtigen und auch kompensieren zu können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept zur Erfassung eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltungsanordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung mit der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 1, Anspruch 14 Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat umfasst eine Einrichtung zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals zum Ansteuern der Magnetfelderfassungseinrichtung und ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds, wobei die Referenzmagnetfelderzeugungseinrichtung ausgebildet ist, so dass das Referenzmagnetfeld die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise durchdringt, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet ist, um basierend auf dem Referenzmagnetfeld und auf dem Steuersignal ein Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal eine Information über den Stresszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat wird eine Magnetfeldkomponente mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung erfasst, ein Steuersignal zum Ansteuern der Magnetfelderfassungseinrichtung erzeugt, und ferner ein Referenzmagnetfeld erzeugt, wobei das Referenzmagnetfeld die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise durchdringt, und ferner ein Ausgangssignal von der Magnetfelderfassungseinrichtung bereitgestellt wird, das auf dem Referenzmagnet feld und dem Steuersignal basiert, wobei das Ausgangssignal eine Information über den mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine Erfassungseinrichtung für den mechanischen Stresszustand auf einem Halbleitersubstrat, auf dem vorzugsweise weitere integrierte Schaltungsanordnungen angeordnet sind, zu integrieren, wobei nun diese Erfassungseinrichtung zum Messen des mechanischen Spannungszustands ausgebildet ist, um ein möglichst eindeutiges, nachvollziehbares, wohldefiniertes und exaktes Ausgangssignal (Informationssignal) bereitzustellen, das eine Information über den mechanischen Spannungszustand aufweist und mit dem ein unerwünschter, störender Einfluss des mechanischen Spannungszustands in dem Halbleitermaterial auf die elektrischen bzw. elektronischen Charakteristika weiterer in dem Halbleitersubstrat integrierter Schaltungsanordnungen und insbesondere auf kritische Schaltungsteile derselben möglichst exakt und nachvollziehbar abgeleitet werden kann.
Dieses Informationssignal kann in weiterer Folge zur Kompensation der störenden Einflüsse des mechanischen Spannungszustands auf die elektrischen bzw. elektronischen Charakteristika verwendet werden, bzw. dieses Informationssignal kann mit dem Ausgangssignal bzw. Nutzsignal der weiteren integrierten Schaltungsanordnung (Nutzschaltung) verrechnet werden. Erfindungsgemäß wird die gezielte Erzeugung des Informationssignals mittels eines Piezo-abhängigen Stresserfassungselements und/oder eines Piezo-abhängigen Steuersignals oder auch optional mittels einer Kombination von einer Mehrzahl von einzelnen Piezo-abhängigen „Steuersignalen” (z. B. für das Stresserfassungselement) erreicht, die jeweils eine Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitermaterial aufweisen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung des mechanischen Spannungszustands auf der Halbleiteroberfläche integriert, die ein magnetfeldempfindliches Element, wie z. B. eine Hallsonde oder andere geeignete Magnetfelderfassungseinrichtungen, aufweist und deren Ausgangssignal durch den mechanischen Stresszustand in dem Halbleitermaterial beeinflusst wird. Ferner sind so genannte integrierte „L”-Widerstandsanordnungen zur Erzeugung des Versorgungsstroms durch die Hallsonde auf der Chipoberfläche und ferner weitere integrierte „L”-Widerstandsanordnungen zur Erzeugung eines weiteren Steuerstroms, der in eine integrierte Leiterschleife zur Erzeugung eines Magnetfelds eingespeist wird, vorgesehen, wobei die Leiterschleife bezüglich der Magnetfelderfassungseinrichtung so angeordnet ist, dass das sich ergebende „Referenzmagnetfeld” zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig die Magnetfelderfassungseinrichtung durchdringt und somit das Ausgangssignal der Magnetfelderfassungseinrichtung eine Information bzw. Aussage über den Stressstand in dem Halbleitersubstrat zulässt, da sich das Ausgangssignal als eine Kombination des Steuersignals durch die Magnetfelderfassungseinrichtung und des Steuersignals zur Erzeugung des Referenzmagnetfelds ergibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nun ferner optional der Steuerstrom durch die Magnetfelderfassungseinrichtung und/oder das Referenzmagnetfeld so erzeugt werden, um eine Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat aufzuweisen.
Damit wird nun erfindungsgemäß ein äußerst exaktes Ausgangssignal erzeugt, das eine eindeutige und nachvollziehbare Beziehung bezüglich des mechanischen Spannungszustands innerhalb des Halbleitermaterials liefert, wobei anzumerken ist, dass das Ausgangssignal eine umso höhere Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand aufweist, umso mehr beteiligte Steuersignale bzw. Funktionsparameter der verwendeten Elemente eine Piezoabhängigkeit aufweisen.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass auf Grund von häufig nicht zu vermeidenden Prozessstreuungen bei der Herstellung der verwendeten integrierten Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat vorzugsweise ein Abgleich, beispielsweise auf Waferebene, vor Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Erfassung eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat ist nun, dass auf Grund der verwendeten Elemente ferner relativ einfach auch ein guter Temperaturabgleich der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung, z. B. mittels so genannter Bandgag-Schaltungen, möglich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat liegt somit auch darin, dass ein sehr geringer Temperaturgang des Ausgangssignals der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist. So weist beispielsweise Silizium als Halbleitermaterial für die elektrischen Bauteile der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich mit Parametern anderer elektronischer Bauteile, wie z. B. Schichtwiderständen, einen relativ geringen Temperaturgang (< 0,1%/°C) auf, wobei der Steuerstrom durch das Hallsondenelement beispielsweise mittels Bandgag-Schaltungen praktisch beliebig eingestellt werden kann, so dass insbesondere auch ein im wesentlichen verschwindender Temperaturgang erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands möglich, wenn diese beispielsweise mit integrierten n-Typ-Widerstandselementen und einer n-Typ-Hallsonde ausgeführt ist, eine sehr hohe Empfindlichkeit bezüglich des mechanischen Spannungszustands in dem Halbleitermaterial zu erhal ten. Dies liegt beispielsweise in der Verwendung von Hallsonden als Magnetfelderfassungseinrichtungen, die in etwa doppelt so empfindlich auf mechanische Verspannungen reagieren wie n-Typ-Widerstandselemente und 16-Mal so empfindlich wie p-Typ-Widerstandselemente.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein allgemeines, prinzipielles Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat;
2 einen grafischen Verlauf bezüglich der Abhängigkeit eines normierten Ausgangssignals eines Hallsondenelements von einem mechanischen Stresszustand; und
3a–c allgemeine Definitionen der kristallographischen Richtungen in der Ebene (Waferebene) eines Halbleitermaterials.
Um das Verständnis der vorliegenden detaillierten Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat zu vereinfachen, werden nun zuerst anhand der 3a–c kurz die im Folgenden verwendeten Definitionen hinsichtlich eines verwendeten Halbleitermaterials und der vorgegebenen Richtungen auf demselben bezüglich der Kristallausrichtung des Halbleitermaterials und bezüglich der mechanischen Spannungszustände in dem Halbleitermaterial dargestellt.
Für die Herstellung integrierter Schaltungen werden die Halbleiterwafer, z. B. Siliziumwafer (Siliziumscheiben), der art von einem Einkristallstab abgesägt, dass die Waferoberfläche einer kristallographischen Ebene zugeordnet ist. Um die jeweilige Ebene in einem kubischen Kristall festzulegen, werden dabei die sogenannten „Miller'schen Indizes” verwendet, die im folgenden in runden Klammern angegeben sind. 3a zeigt beispielsweise eine Draufsicht auf einen Halbleiterwafer, der in der (100)-Ebene geschnitten ist.
Ferner sind in 3a–c die kristallographischen Hauptrichtungen in der Waferebene gekennzeichnet, wobei die Hersteller dieser Siliziumwafer ein sogenanntes „Primary Flat” an der Siliziumscheibe vorsehen. Üblicherweise verlaufen die Kante der rechteckförmigen Geometrien der Schaltkreisstrukturen auf dem Halbleiterchip parallel bzw. senkrecht zu den Primary Flats. In 3a sind insbesondere die kristallographischen Richtungen bzw. Achsen in der Ebene des Halbleiterwafers dargestellt, wobei diese im folgenden in eckigen Klammern dargestellt sind. Das Koordinatensystem wird üblicherweise derart verwendet, dass die [110]-Richtung senkrecht zu dem Primary Flat verläuft, während die [110]-Richtung parallel zu dem Primary Flat verläuft. Die Richtungen [010] und [100] verlaufen dabei in einem Winkel von +/– 45° zu der [110]-Richtung.
Ferner wird ein Winkel ϕ bezüglich der [110]-Richtung definiert, wobei der Winkel ϕ bei Draufsicht auf die Waferoberseite entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von der [110]-Richtung gezählt wird. Üblicherweise werden die einzelnen Chips am Wafer so positioniert, dass die Richtungen ϕ = 0° und ϕ = 90° der IC-Vertikal- bzw. Horizontalrichtung entsprechen, wobei diese Richtungen vertauscht sein können, je nach dem, ob der IC hochkant oder liegend vorliegt. Im folgenden werden ferner die Richtung ϕ = 90° als x-Achse ([110]-Richtung) sowie die Richtung ϕ = 0° als negative y-Achse ([110]-Richtung) bezeichnet.
Da in der Mehrzahl von Anwendungsfällen für integrierte Halbleiterschaltungsanordnungen ein {100}-Siliziummaterial ver wendet wird, sind die folgenden Ausführungen zur Vereinfachung der Erläuterungen und aufgrund der besonderen praktischen Bedeutung vor allem auf die Zahlenwerte für {100}-Siliziummaterial, die für dieses Material relevant sind, bezogen. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass entsprechend auch andere Halbleitermaterialien bzw. auch andere Siliziummaterialien verwendet werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter mechanischen Verspannungen bzw. unter einem mechanischen Stress in einem Halbleitermaterial rein mechanische Verspannungen verstanden, wie sie durch einen mechanischen Spannungstensor beschrieben werden. Der Verspannungszustand in einem Halbleitermaterial ist im allgemeinen sehr komplex darzustellen, da es für den mechanischen Spannungstensor allgemein neun Komponenten, nämlich drei Normalspannungskomponenten und sechs Schubspannungskomponenten gibt, wie dies anhand von 3c schematisch im xyz-Koordinatensystem dargestellt ist. Dabei sind jeweils zwei Schubspannungskomponenten gleich, so dass nur drei unterschiedliche Schubspannungskomponenten auftreten.
Weil ein integrierter Schaltungschip im gehäusten Zustand im allgemeinen schichtweise aufgebaut ist, kann man sich auf den ebenen Spannungszustand beschränken, nämlich auf zwei Normalspannungskomponenten σ_xx, σ_yy und eine Schubspannungskomponente σ_xy, wie dies anhand von 3b beispielhaft dargestellt ist. Dabei sind die x- und y-Achsen definitionsgemäß parallel zu den Kanten des Halbleiterschaltungschips angeordnet. Die restlichen Spannungskomponenten sind im wesentlichen vernachlässigbar klein und haben nur einen geringfügigen Einfluss auf die elektronischen Schaltungskomponenten. In ausreichend großer Entfernung zum Rand des Halbleiterschaltungschips und insbesondere in der Mitte eines Halbleiterschaltungschips ist zumeist auch die Schubspannungskomponente σ_xy vernachlässigbar klein. Somit bleiben im wesentlichen nur noch die beiden Normalspannungskomponenten σ_xx und σ_yy übrig.
In dem zumeist verwendeten {100}-Silizium-Halbleitermaterial ist gemäß vorhergehender Definition die x-Achse parallel zur [110]-Richtung, und die y-Achse parallel zur [110]-Richtung.
Die elektronischen Funktionsparameter verschiedener integrierter Bauelemente bzw. Halbleiterbauelemente zeigen in {100}-Silizium die im folgenden ausführlich erläuterten Abhängigkeiten von den oben dargestellten Normalspannungskomponenten σ_xx und σ_yy.
Im Folgenden wird nun anhand von 1 der prinzipielle Aufbau in Form von Funktionsblöcken einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat erläutert.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat eine Einrichtung 12 zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente. Ferner ist eine Einrichtung 14 zum Erzeugen eines (erstes) Steuersignals S_st1 vorgesehen, wobei das Steuersignal S_t1 vorgesehen ist, um in die Magnetfelderfassungseinrichtung 12 eingespeist zu werden und diese anzusteuern. Die Steuersignalerzeugungseinrichtung 14 ist nun optional so ausgebildet, dass das Steuersignal S_st1 eine Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand σ in dem Halbleitersubstrat aufweist. Ferner ist eine Einrichtung 16 zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds B_ref vorgesehen, wobei die Referenzmagnetfelderzeugungseinrichtung 16 ausgebildet ist, so dass das Referenzmagnetfeld B_ref die Magnetfelderfassungseinrichtung 12 zumindest teilweise durchdringt und das Referenzmagnetfeld B_ref eine Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Die Magnetfelderfassungseinrichtung 12 ist nun ausgebildet, um basierend auf dem Referenzmagnetfeld B_ref und auf dem Steu ersignal S_st1 ein Ausgangssignal S_out (Informationssignal) bereitzustellen, wobei dieses Ausgangssignal S_out eine Information über den mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nun beispielsweise die Magnetfelderfassungseinrichtung 12 als ein Hallelement ausgebildet, wobei das Ausgangssignal S_out beispielsweise die Hall-Ausgangsspannung U_H des Hallelements 12 ist.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise die Steuersignalerzeugungseinrichtung 14 ausgebildet sein, um mittels resistiver Elemente das Steuersignal S_st1 vorzugsweise in Form eines Steuerstroms zum Ansteuern des Hallelements 12 bereitzustellen. Ferner können für die Einrichtung 16 zum Erzeugen des Referenzmagnetfelds B_ref (weitere) resistive Elemente in Verbindung mit integrierten Leiterschleifen verwendet werden, wobei die resistiven Elemente ein weiteres Steuersignal S_st2 zur Stromversorgung der Leiterschleifen erzeugen können. Die resistiven Elemente der Steuersignalerzeugungseinrichtung 14 und der Referenzmagnetfelderzeugungseinrichtung 16 sind vorzugsweise ausgebildet, so dass die mittels dieser resistiven Elemente erzeugten Steuersignale S_st1 und/oder S_st2 eine Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat aufweisen.
Die integrierten Widerstandselemente der Steuersignalerzeugungseinrichtung 14 und der Referenzmagnetfelderzeugungseinrichtung 16 können dabei jeweils aus zwei in etwa gleich großen Widerstandsanteilen zusammengesetzt sein, wobei im Layout beide Teile der Widerstandselemente in etwa senkrecht zueinander stehen, d. h. es werden in der Ebene bezüglich der Oberfläche des Halbleitersubstrats in etwa senkrecht zueinander verlaufende Stromflussrichtungen durch die integrierten Widerstandselemente erhalten. Elektrisch sind diese beiden Widerstandsanteile der integrierten Widerstandselemente in Serie oder auch parallel geschaltet.
Somit kann nun gemäß der vorliegenden Erfindung eine Stromerzeugungsschaltung gebildet werden, wobei mittels einer üblichen Regelschleife beispielsweise eine Referenzspannung auf die jeweilige ausgebildete, integrierte Widerstandsanordnung kopiert wird, und der Stromfluss beispielsweise durch geeignete Transistoren ausgekoppelt wird. Der resultierende Stromfluss weist nunmehr auf Grund des piezoresistiven Effekts eine Abhängigkeit vom mechanischen Verspannungszustand des Halbleitermaterials auf und kann als primärseitiger Eingangsstrom S_st1 zur Ansteuerung der Hallsonde 12 und/oder als Steuerstrom S_st2 zur Ansteuerung von integrierten Leiterschleifen zur Magnetfelderzeugung B_ref verwendet werden.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte aber ferner beachtet werden, dass es auch möglich ist, dass die resistiven Elemente zur Erzeugung des Steuerstroms S_st2 für das Referenzmagnetfeld B_ref Teil der Leiterschleifen sind oder als Leiterschleifen ausgebildet sind, um das Referenzmagnetfeld zu erzeugen. Wählt man beispielsweise eine quadratische Form, so sind 50% der Leiterschleife beispielsweise in der 110-Richtung und die anderen 50% in 110-Richtung angeordnet, d. h. sie stehen senkrecht aufeinander und sind elektrisch in Serie geschaltet. Weiters ist ein Vorteil darin zu sehen, wenn die Leiterschleife in unmittelbarer Nähe der Hallsonde angeordnet ist, da das Referenzmagnetfeld die Sonde im wesentlichen vollständig durchdringen kann. Dadurch ist ferner sichergestellt, dass im wesentlichen identische, mechanische Spannungen auf die Leiterschleife und Sonde einwirken.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird also On-Chip ein erster Steuerstrom S_st1 erzeugt, der durch das Hallsondenelement 12 als Versorgungsstrom dieses Hallsondenelements geschickt wird. Ferner wird On-Chip ein weiterer Steuerstrom S_st2 erzeugt, der durch eine oder mehrere integrierte Leiterschleifen geschickt wird, die das magnetische Referenzfeld B_ref erzeugen, das das Hallsondenele ment 12 zumindest teilweise durchdringt und von dem Hallsondenelement 12 gemessen wird. Das Ausgangssignal S_out des Hallsondenelements 12, d. h. vorzugsweise deren Hall-Ausgangsspannung U_H, weist dann eine äußerst starke, aber definierte Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitersubstrat auf. Dieses Ausgangssignal S_out kann nun vorzugsweise bei einem Wafertest auf einen vorgebbaren Referenzwert getrimmt (abgestimmt) werden.
Ein Wafertest wird beispielsweise bezüglich der auf dem Halbleiterschaltungssubstrat zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands angeordneten Schaltungsanordnungen durchgeführt. Nachdem die integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einem Gehäuse untergebracht sind, stellt die Differenz aus dem tatsächlichen, nun vorliegenden Ausgangssignalwert des Hallsondenelements und dem vorzugsweise abgespeicherten, vorgegebenen Referenzwert ein Maß für den mechanischen Spannungszustand auf dem integrierten Halbleiterchip dar und kann somit als das resultierende Ausgangssignal S_out der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines integrierten Stresssensors angesehen werden.
Dazu muss nun zunächst der im Vorhergehenden erläuterte Stresstensor in eine skalare Größe umgewandelt werden, die ein Maß für die Größe des mechanischen Spannungszustands in dem Halbleitersubstrat bildet. Dazu bietet sich nun beispielsweise bei einem (100)-Siliziummaterial an, ein Hallsondenelement zu verwenden, da dessen Stressabhängigkeit bzgl. der Hallkonstante R_h der eingangs genannten Funktion (siehe obige Gleichung (3)) entspricht, wobei der Faktor σ die Summe der Normalspannungen in der Waferebene bezeichnet, und der Piezo-Hall-Koeffizient P gleich P₁₂ ist, mit: Rh = Rh0(1 + σP12), und P12 ≈ 44%/GPa in n-Typ-Silizium für Dotierungen von 1014–1016 cm–3. (5)
Die Summe der Normalspannungen in einer Ebene bezüglich der Oberfläche des Halbleitersubstrats ist invariant gegenüber Drehungen in dieser Ebene, so dass man also keine Richtung des Stromflusses durch die Hallsonde in der (100)-Ebene angeben muss. Die obige Gleichung gilt somit für alle Stromrichtungen in der (100)-Ebene. Der Faktor P₁₂ ist neben den Faktoren P₁₁ und P₄₄ einer der drei Piezokonstanten (Piezo-Hall-Konstanten) eines kubischen Kristalls. In diesem Zusammenhang wird wieder auf 3c bezüglich der kubischen Darstellung verwiesen.
Darüber hinaus wird nun der Steuerstrom S_st1 durch dieses Hallsondenelement 12 geschickt, der durch ein Widerstandselement erzeugt wird, an dem man beispielsweise in einer Regelschleife eine Spannung abfallen lässt, wie dies bereits im Vorhergehenden dargestellt wurde. Wird nun das Widerstandselement in zwei nominal gleich große, im Layout orthogonal aufeinander stehende Anteile (in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats) aufgespaltet und diese beiden Anteile elektrisch in Serie oder parallel geschaltet, so lautet näherungsweise die Abhängigkeit des resultierenden Gesamtwiderstandswerts R vom mechanischen Spannungszustand entsprechend der eingangs dargestellten Gleichung (2): R = R0(1 + σ(π11 + π22)/2), mit = (π11 + π22)/2. (6)
Der Faktor σ ist wiederum die Summe der Normalspannungskomponenten in der Waferebene. Die Faktoren π₁₁ und π₁₂ sind neben dem Faktor π₄₄ zwei der drei piezoresistiven Konstanten eines kubischen Kristalls. Bei einem solchen „L”-Widerstandslayout ist der Gesamtwiderstandswert eines L-Widerstandselements ebenfalls unabhängig von einer Rotation der gesamten L-Widerstandsanordnung in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung zu beachten, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung 12 dabei nicht notwendigerweise eine eigene Piezo-Abhängigkeit aufweisen muss, so könnte beispielsweise der Piezokoeffizient P der Magnetfelderfassungseinrichtung 0 sein, denn allein die piezoresistive Abhängigkeit der L-Widerstandselementanordnungen zur Erzeugung der Steuerströme S_st1 und/oder S_st2 reicht zur Funktion der erfindungsgemäßen Stresssensoranordnung aus. Vorteilhaft sind natürlich Schaltungselemente mit großen Piezo-Abhängigkeiten, um eine große Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitermaterial zu erhalten.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung ist ferner zu beachten, dass es in guter Näherung auch möglich ist, dass das Referenzmagnetfeld fast konstant bezüglich mechanischen Stress ist, z. B. wenn der Strom durch die Leiterschleife mit p-Diffusionswiderständen in (100)-Silizium in L-Form erzeugt wird. Dann ist dieser Strom mit 2.75%/GPa nur ca. 1/10-tel so stressabhängig wie bei n-Diffusionswiderständen. Auch den Strom durch die Hallsonde kann man aus p-Widerständen gewinnen, so dass dieser praktisch Stress-unabhängig wird. Also ist die Abhängigkeit des Referenzmagnetfelds oder des Steuersignals der Hallsonde nicht unbedingt notwendig, d. h. es ist gemäß der vorliegenden prinzipiell nur eine Stressabhängigkeit (Piezoabhängigkeit) erforderlich.
Eine mögliche Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat könnte nun darin bestehen, mittels Bandgag-Schaltungen aus zwei Referenzwiderständen je einen PTAT-Steuerstrom (PTAT = proportional to absolute temperature = proportional zur absoluten Temperatur) und einen UBE-Steuerstrom (UBE = Basis-Emitter-Spannung) mit einem kleineren, zumeist negativen Temperaturkoeffizienten zu erzeugen, die durch ein geeignetes Kombinieren, d. h. beispielsweise Addieren oder Subtrahieren, so gemischt werden können, dass schließlich im wesentlichen jeder beliebige Temperaturgang des resultierenden Gesamtstroms, d. h. des ersten oder zweiten Steuersignals S_st1, S_st2, erzielt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun die beiden Referenzwiderstände der Widerstandsanordnungen zur Erzeugung der Steuersignale (Steuerströme) jeweils in einem L-Widerstandslayout und vorzugsweise als gleiche technologische Widerstandstypen gewählt, also in beiden Fällen entweder n-dotierte oder p-dotierte Widerstandselemente. So kann man erfindungsgemäß einen Strom mit einem gewünschten Temperaturgang und einer gewünschten Abhängigkeit vom mechanischen Verspannungszustand erreichen, wie dies durch die folgenden Formeln deutlich wird:
Also bewirkt dieser Steuerstrom I_st2 auf das Hallsondenelement 12 ein effektives magnetisches Feld B_ref gemäß folgender Beziehung
wobei mit einem effektiven Magnetfeld bezeichnet wird, dass das resultierende Magnetfeld (Referenzmagnetfeld) einem äquivalenten homogenen Magnetfeld entspricht, obwohl dasselbe im aktiven Volumen des Hallsondenelements inhomogen ist.
Darüber hinaus kann man auf eine entsprechende Weise einen Versorgungsstrom, d. h. das Steuersignal S_st1, durch das Hallsondenelement erzeugen:
wobei mit dem Faktor π' eventuell einer von dem Faktor π unterschiedlicher Faktor (piezoresistiver Koeffizient) bezeich net werden kann, d. h. wenn unterschiedliche Typen von Widerstandselementen zur Erzeugung des ersten oder zweiten Steuersignals I_st1, I_st2 verwendet werden.
Das resultierende Ausgangssignal des Hallsondenelements 12 lautet somit:
Die in den vorhergehenden Gleichungen (7) bis (10) dargestellten Faktoren c₁–c₄ stellen so genannte Proportionalitätsfaktoren dar. Man könnte nun beispielsweise den Temperaturgang der Steuersignale S_st1 und S_st2 so einstellen, dass der Proportionalitätsfaktor c₄ konstant bezüglich der Temperatur bleibt.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung ist es nun besonders vorteilhaft, für die Widerstandselemente zur Erzeugung der Steuersignale bzw. Steuerströme S_st1, S_st2 integrierte Widerstandselemente mit der im wesentlichen gleichen Dotierung wie für das Hallsondenelement 12. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, eine relativ niedrige Dotierung des Halbleitermaterials zwischen 10¹⁴ und 10¹⁶ cm^–3 zu verwenden, weil dann die piezoresistiven Konstanten und auch die Piezo-Hall-Konstanten maximal groß und ferner besonders unempfindlich gegenüber kleineren Schwankungen der Dotierungskonzentration sind. Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Erfindung günstig, für die integrierten Widerstandselemente und für das Hallsondenelement n-Typ-Dotierungen zu verwenden, da mit diesen Elementen in (100)-Silizium somit eine stärkere Stressabhängigkeit als mit p-Typ-Schaltungselementen erreicht werden kann. Dabei ist es insbesondere günstig, für das Hallsondenelement 12, d. h. für den aktiven Bereich dieses Hallsondenelements, eine n-Typ-Dotierung zu verwenden, da entsprechend dotierter Hallsonden elemente eine ca. dreimal höhere magnetische Empfindlichkeit als p-Typ-Hallsondenelemente aufweisen.
Für den Fall einer n-Typ-Dotierung des aktiven Bereichs des Hallsondenelements 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat ergibt sich nun folgende Beziehung für das normierte Ausgangssignal U_H/U_H0 (normierte Hallspannung) des Hallsondenelements 12, mit:
Wenn der Faktor σ in der Einheit GPa (Giga-Pascal) eingesetzt wird, und der Faktor U_H0 das Ausgangssignal des Hallsondenelements 12 bei verschwindenden mechanischen Verspannungen in dem Halbleitersubstrat ist, da gilt: P = +44%/GPa und π = –24,4%/GPa (12)
Damit ergibt sich die in 2 dargestellte Abhängigkeit des normierten Ausgangssignals U_H/U_H0 vom mechanischen Verspannungszustand in dem Halbleitersubstrat.
Es wird aus 2 insbesondere deutlich, dass die erfindungsgemäße Stresserfassungseinrichtung 10 äußerst empfindlich gegenüber Druckänderungen in dem Halbleitersubstrat ist. Bei üblichen kleinen IC-Gehäusen (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung), wie z. B. dem Gehäuse P-SS0-4-1, herrscht beispielsweise ein mechanischer Druck von σ = –0,05 GPa bei Raumtemperatur und üblicher Luftfeuchte. Wird nun beispielsweise das IC-Gehäuse durch Erhitzen über 100°C für 5 Minuten ausgeheizt und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, so erhöht sich der mechanische Druck in dem Halbleitersubstrat auf typischerweise etwa –0,15 GPa. Diese Druckänderungen von etwa 100 MPa bewirkt eine Änderung der Hallausgangsspannung um 9,5%. Falls das Ausgangssignal U_H0 des Hallson denelements bei einem verschwindenden mechanischen Stress auf einen Wert von 1,2 V verstärkt wird, hat diese Stresssensoranordnung eine Empfindlichkeit von 1,14 mV/MPa.
Über einen relativ weiten Temperaturbereich zeigen nun übliche Bandgag-Schaltungen einen Temperaturfehler von einigen Milli-Volt, was bezüglich der im Vorhergehenden dargestellten Stresssensoranordnung somit eine Veränderung von einigen MPa bedeuten würde. Somit lässt sich mit einer entsprechend aufgebauten, erfindungsgemäßen Stresssensoreinrichtung der Stress in einem sehr breiten Temperaturbereich, z. B. –40°C bis +150°C, mit einer Genauigkeit von besser als 10 MPa erfassen, so dass die oben genannte Stressänderung zumindest mit einer Genauigkeit von 10% ermittelt werden kann.
Im Folgenden wird nun auf weitere mögliche Realisierungen bzw. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat eingegangen.
Wie aus den vorhergehenden Erläuterungen deutlich wird, können die Steuersignale, d. h. beispielsweise der Steuerstrom S_st1 für das Hallsondenelement und/oder der Steuerstrom S_st2 durch die Leiterschleife, als Gleichsignale erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können diese Steuersignale auch als Wechselsignale, z. B. entweder sinusförmig, rechteckförmig oder dreieckförmig usw., erzeugt werden. Insbesondere kann dann das Hallsondenelement 12 nach dem so genannten Verfahren einer Spinning-Current-Hallsonde betrieben werden. Es sollte beachtet werden, dass die Spinning-Current-Vorgehensweise im allgemeinen als Maßnahme zur Eliminierung des Offsetfehlers des Hallsondenelements und der nachfolgenden Verstärkereinrichtungen, usw. dient.
Gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich nun diese Vorgehensweise insbesondere in einem Hallsensor-ASIC (ASIC = ap plication specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), bei dem ein Nutzmagnetfeld mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden soll. Dazu wird nun gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung diesem Nutzmagnetfeld das oben erläuterte Referenzmagnetfeld B_ref, das durch das zweite Steuersignal S_st2 (Steuerstrom) erzeugt wird, überlagert. Somit ist es gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht mehr erforderlich, ein eigenes Hallsondenelement zur Strommessung und auch einen eigenen Verstärker zur Verstärkung des kleinen Hallsondensignals zur Erfassung des Referenzmagnetfelds bereitzustellen. Das Referenzsignal basierend auf dem Referenzmagnetfeld B_ref der Leiterschleife lässt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel von dem Nutzsignal basierend auf dem Nutzmagnetfeld nach einer erfolgten Verstärkung beispielsweise dann leicht trennen, wenn es eine (deutlich) andere Frequenz aufweist. Das Referenzmagnetfeld lässt sich aber auch durch übliche Korrelationsmesstechniken aus dem Nutzmagnetfeldsignal gewinnen.
Bei einer solchen Anwendung wird der Temperaturgang des Versorgungsstroms S_st1 durch das Hallsondenelement zumeist nach Gesichtspunkten der Verarbeitung des Nutzmagnetfelds eingestellt. Beispielsweise kann der Temperaturgang derart gewählt werden, dass das Hallsondenelement immer mit einer möglichst großen Versorgungsspannung arbeitet, um somit ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis SNR (SNR = signal to noise ratio) zu erhalten. Der resultierende Temperaturgang des zweiten Steuersignals S_st2 kann dann so gewählt werden, dass die oben in Gleichung (10) genannte Proportionalitätskonstante c₄ einen gewünschten Temperaturgang zeigt.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass das durch die Leiterschleife erzeugte Referenzmagnetfeld B_ref üblicherweise relativ klein ist, wobei dies insbesondere zutrifft, wenn kein all zu großer Steuerstrom S_st2 zur Erzeugung des Referenzmagnetfelds verwendet werden soll. Deshalb ist das Signal/Rausch-Verhältnis des normierten Hallsonden ausgangssignals U_H/U_H0 zumeist relativ gering. Allerdings sollte beachtet werden, dass sich der mechanische Stresszustand auf einem Halbleitersubstrat (IC) praktisch nie sehr schnell ändert, sondern im allgemeinen mit Zeitkonstanten, die in etwa so groß wie die thermischen Zeitkonstanten sind, z. B. Sekunden bis Minuten, wobei diese Zeitkonstanten je nach Gehäusetyp und Modul, in dem die erfindungsgemäße Stresssensoranordnung 10 zur Anwendung kommt, variieren können. Daher kann man nun erfindungsgemäß das normierte Hallsondenausgangssignal U_H/U_H0 mit Korrelationstechniken, z. B. Demodulation der Frequenz des Steuersignals S_st2 auf ein Gleichsignal wie in einem Lock-In-Verstärker, fast beliebig schmalbandig filtern, und somit aus dem Rauschen hervorheben.
Die Steuersignale bzw. Steuerströme S_t1 und/oder S_st2 können nun gemäß einer weiteren möglichen Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustands in einem Halbleitersubstrat durch das Hallsondenelement beispielsweise selbst erzeugt werden, d. h. anstelle des L-Widerstands-Layouts. Dabei wird das Hallsondenelement mit einer Spannung beaufschlagt, wobei dann dazu in einer ersten Taktphase der Strom in einer ersten Richtung durch das Hallsondenelement fließt und in einer zweiten Taktphase gleicher Länge der Steuerstrom S_st1 in einer zweiten Richtung durch das Hallsondenelement fließen sollte, wobei die zweite Stromflussrichtung zu der ersten Stromflussrichtung im wesentlichen orthogonal sein sollte. Die beiden resultierenden Ausgangssignale sollten darüber hinaus über die erste und zweite Stromflussrichtung gemittelt werden.
Für die im Vorhergehenden dargestellte Vorgehensweise sollte ein Hallsondenelement eingesetzt werden, das bei einer Drehung in sich selbst übergeht, d. h. also eine Symmetrie bezüglich der Stromflussrichtungen aufweist. Somit wirkt ein derart ausgebildetes Hallsondenelement mit einer 90°-Symmetrie in der ersten Taktphase als der erste Teil des L-Widerstandselements, und in der zweiten Taktphase als der zweite Anteil des L-Widerstandselements. Eine zeitliche Mittelwertbildung der resultierenden Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Taktphase ersetzt nun die Mittelung durch die Serien- bzw. Parallelschaltung beider Zweige der L-Widerstandsanordnung.
Natürlich können auch Hallsondenelemente mit einer anderen Symmetrie, z. B. mit einer 30°-Symmetrie mit aufeinanderfolgenden Taktphasen und Stromflussrichtungen in 30°, 60°, 90°, 120° ... 360°, eingesetzt werden. Dabei können nun Ströme in der 30°-, 60°- und 90°-Richtung gemittelt werden und den ersten Anteil bilden, und Ströme in der 120°-, 150°- und 180°-Richtung gemittelt werden und den zweiten (orthogonalen) Anteil bilden. Eine zeitliche Mittelwertbildung des resultierenden ersten und zweiten Anteils aus den verschiednen Taktphase kann nun wieder die Mittelung durch die Serien- bzw. Parallelschaltung beider Zweige der L-Widerstandsanordnung ersetzen. Es sollte deutlich werden, dass diese Vorgehensweise auf beliebige Symmetrien (der Stromflussrichtungen) des Hallsondenelements entsprechend anwendbar ist.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung ist es nun besonders vorteilhaft, wenn das Hallsondenelement 12 und die L-Widerstandsanordnung möglichst nahe aneinander (falls eine L-Widerstandsanordnung verwendet wird) und in der Mitte des Halbleiterschaltungschips angeordnet sind, so dass auf alle Schaltungselemente möglichst gleich große, homogene mechanische Spannungszustände wirken. Dies ist beispielsweise im Zentrum eines quadratischen Halbleiterchips der Fall, da dort die beiden Hauptachsenspannungen im wesentlichen gleich groß sind.
Im Folgenden wird nun auf die Problematik eingegangen, dass bei der Herstellung von integrierten Schaltungselementen, d. h. beispielsweise des Hallsondenelements und/oder der resistiven Elemente, häufig Prozessstreuungen bei den Halbleiterherstellungsprozessen auftreten können. Die materialspezi fischen bzw. elektrischen/elektronischen Eigenschaften bei einem Silizium-Halbleitermaterial können beispielsweise mit der Dicke der aktiven Schicht des Hallsondenelements streuen. Darüber hinaus können geringfügige Streuungen bei einem Silizium-Halbleitermaterial bezüglich der Beweglichkeit auftreten und geringfügig von der Dotierung abhängen. Dagegen sind Streuungen der Werte der Steuersignale S_st1, S_st2 hauptsächlich von der Dicke der verwendeten Widerstandsschichten und nur geringfügig von der Beweglichkeit abhängig. Ferner sollte beachtet werden, dass bei der Verwendung von Referenzwiderständen zur Erzeugung des ersten Steuersignals S_st1 zur Ansteuerung des Hallsondenelements, die technologisch im wesentlichen denselben Schichtaufbau wie das Hallsondenelement aufweisen, sich die bisher im Vorhergehenden genannten Streuungen (bzw. Abhängigkeiten) im resultierenden Ausgangssignal S_out im wesentlichen herauskürzen.
Da aber das zweite Steuersignal S_st2 zur Erzeugung des Referenzmagnetfeldes entsprechenden Streuungen wie das erste Steuersignal S_st1 zum Ansteuern des Hallsondenelements ausgesetzt ist, ist eine relativ große Streuung des Ausgangssignals S_out, d. h. der Hallausgangsspannung U_H, zu erwarten, da diese Streuungen vergleichbar zu üblichen Streuungen von Widerstandswerten in integrierter Technik beispielsweise in einer Größenordnung von ca. ±20...30% liegen. Falls nun solche Streuungen auftreten, ist es erforderlich, diese zu berücksichtigen und abzugleichen, so dass der resultierende Fehler in dem erfassten mechanischen Spannungszustand niedrig gehalten werden kann, denn ausgehend von üblichen Streuungen für die Werte von integrierten Widerständen von ±20 bis 30% würde dies zu einem Fehler des erfassten mechanischen Stresszustands von 200...300 MPa führen, der in dieser Größenordnung aber im wesentlichen nicht tolerierbar ist.
Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, falls Streuungen der Widerstandswerte in integrierter Technik auftreten, vorzugsweise einen Abgleich der erfindungsgemäßen Stresssensoreinrichtung 10 auf Waferebene durchzuführen. Dazu wird nun gemäß der vorliegenden Erfindung entweder das erste oder zweite Steuersignal S_st1, S_st2 oder eine mögliche Verstärkung des Hallsondenausgangssignals S_out so eingestellt, dass das Hallsondenausgangssignal in Form der Hallspannung U_H nach dieser Verstärkung einen definierten Wert annimmt, beispielsweise 1,2 V. Dabei kann nun die Hallspannung U_H einen beliebigen Temperaturgang aufweisen, da dieser durch die bereits im Vorhergehenden angesprochenen Bandgag-Schaltungen sehr genau und gut definierbar ist. Um aber den Einfluss von Temperaturschwankungen während des Sensorabgleichs auf Waferebene auf die Genauigkeit der Stressmessung minimal zu halten, empfiehlt es sich aber, das Hallsondenausgangssignal möglichst konstant gegenüber der Temperatur einzustellen.
Gemäß einer weiteren möglichen erfindungsgemäßen Realisierung ist es nun möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Erfassen eines mechanischen Spannungszustand in einem Halbleitersubstrat nicht nur den absolut vorliegenden mechanischen Stresszustand sondern auch beispielsweise ein Driften des mechanischen Spannungszustand in einem Gehäuse zu messen, wobei ein solches Driften des mechanischen Spannungszustands in weiterer Folge auch ein Driften der elektrischen Parameter der weiteren auf dem Halbleitersubstrat angeordneten integrierten Schaltungsanordnungen zur Folge haben kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft somit den Abgleich der erfindungsgemäßen Stresssensoranordnung nicht auf Waferebene sondern während des Endtest nach erfolgter Unterbringung in einem Gehäuse des Halbleiterschaltungschips vorzunehmen. In diesem Fall ist jedoch ein Speichermedium zum Ablegen dieser Kalibrierdaten erforderlich, welches nach dem Gehäusen des ICs programmiert werden kann, wie z. B. ein EEPROM-Element, Zener-Zapping-Elemente, Hohlraumfuses. Dabei haben sich Laserfuses als unaufwendig und kostengünstig und auf Waferebene einsetzbar gezeigt. Es sollte aber beachtet werden, dass bei zahlreichen Sensor-Applikationen schon Speichermedien für eine Kalibrierung im Gehäuse aber ohnehin bereits auf dem Halblei terschaltungschip vorhanden sind, und erfindungsgemäß zum Abspeichern der Kalibrierdaten verwendet werden können.
Es sollte nun beachtet werden, dass ein besonderer Vorteil erfindungsgemäßer Stresssensoranordnungen die nur als Hallsensorelemente ausgestaltet sind, deren hohe Stressempfindlichkeit ist. Dies liegt nun vor allem in der Verwendung von Hallsonden, die etwa doppelt so empfindlich auf Stress reagieren, wie n-Typ-Widerstandselemente, und 16-Mal so empfindlich wie p-Typ-Widerstandselemente. Ebenso ist es besonders vorteilhaft, dass in dem Nenner von Gleichung (10), die die Stressabhängigkeit bzw. piezoresistive Abhängigkeit des Hallsondenausgangssignals U_H angibt, quadratisch vorkommt und somit deren Einfluss verdoppelt wird. Somit ergibt sich beispielsweise eine Gesamt-Piezo-Abhängigkeit von etwa: P + 2·n = 93%/GPa, (13)wohingegen ein n-Typ-Widerstand eine Piezo-Abhängigkeit von 24%/GPa aufweist. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Stressempfindlichkeit gegenüber rein Piezo-resistiv basierten Stresssensoranordnung beinahe um einen Faktor von etwa 4 vergrößert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stresssensoranordnung ist sein sehr gering einstellbarer, resultierender Temperaturgang. So weist ein Silizium-Halbleitermaterial im Vergleich mit den Parametern anderer elektronischer Bauteile, wie z. B. Schichtwiderständen, einen geringen Temperaturgang von weniger als 0,1%/°C auf, wobei das Steuersignal S_st1 durch das Hallsondenelement mit herkömmlichen Mitteln von Bandgap-Schaltungen praktisch beliebig eingestellt werden kann, insbesondere also auch mit einem im wesentlichen verschwindenden Temperaturgang.
Es sollte beachtet werden, dass die vorhergehende Beschreibung der Magnetfelderfassungseinrichtung vor allem im Zusam menhang mit Hallsondenelementen beschrieben wurde. Es sollte aber deutlich werden, dass als Magnetfeldsensorelemente neben Hallsondenelementen im wesentlichen jegliche magnetfeldempfindlichen Elemente eingesetzt werden können, wie z. B. Feld platten, xMR-Sensorelemente (AMR-, GMR-, TMR-, CMR-Sensorelemente; AMR = anisotropic magneto resistance, GMR = giant magneto resistance, TMR = tunnel magneto resistance, CMR = collosal magneto resistance), Magnetwiderstände, Magnetotransistoren (MAGFETs), Giant-Planar-Halleffektsensorelemente, Spintransistoren, GMI-Elemente (GMI = giant magnetic impedance), MR-Sensorelemente (MR = magnetoresistance) oder Magnetdioden. Es sollte aber beachtet werden, dass die obige Aufzählung nicht als abschließend anzusehen ist.

12: Einrichtung zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente
14: Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals
16: Einrichtung zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds
S₁: erstes Steuersignal
S_st2: zweites Steuersignal
S_out: Ausgangssignal
B_ref: Referenzmagnetfeld

Claims

Vorrichtung (10) zum Erfassen eines mechanischen Stresszustands in einem Halbleitersubstrat, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente; einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (S_st1) zum Ansteuern der Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente; und einer Einrichtung (16) zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) mittels eines zweiten Steuersignals (S_st2), das eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist, die durch die piezoresistiven Koeffizienten des Halbleitersubstrats definiert wird, und aus einer Kombination von zwei in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats zueinander orthogonalen Stromflussrichtungen resultiert, wobei die Einrichtung (16) zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) ausgebildet ist, so dass das Referenzmagnetfeld (B_ref) die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente zumindest teilweise durchdringt; wobei die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente ausgebildet ist, um basierend auf dem Referenzmagnetfeld (B_ref) und auf dem ersten Steuersignal (S_st1) ein von dem mechanischen Spannungszustand abhängiges Ausgangssignal (S_out) bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal (S_out) eine Information über den mechanischen Stresszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Steuersignals ausgebildet ist, so dass das erste Steuersignal (S_st1) eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung (16) zum Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) ausgebildet ist, so dass das Referenzmagnetfeld (B_ref) eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Ausgangssignal auf einer Kombination der Stressabhängigkeiten des ersten und zweiten Steuersignals (S_st1, S_st2) basiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente ein Hallsondenelement, ein AMR-Sensorelement (AMR = anisotropic magneto resistance), GMR-Sensorelement (GMR = giant magneto resistance), TMR-Sensorelement (TMR = tunnel magneto resistance), ein CMR-Sensorelement (CMR = collosal magneto resistance), ein Feldplattenelement, ein Magnetwiderstandselement, ein Magnetotransistorelement, ein Giant-Planar-Halleffektsensorelement, ein Spintransistorelement, ein GMI-Element (GMI = giant magnetic impedance), ein MR-Element (MR = magneto-resistance) oder ein Magnetdiodenelement aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuersignal eine piezoresistive Abhängigkeit, Piezo-MOS-Abhängigkeit, Piezo-Junction-Abhängigkeit, Piezo-Hall-Abhängigkeit oder eine Piezo-Tunnel-Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Steuersignal (S_st2) eine piezoresistive Abhängigkeit, eine Piezo-MOS-Abhängigkeit, eine Piezo-Junction-Abhängigkeit, eine Piezo-Hall-Abhängigkeit oder eine Piezo-Tunnel-Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente und die Einrichtung (14) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (S_st1) zusammen durch ein magnetfeldempfindliches und Piezo-abhängiges Element ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente und die Einrichtung (14) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (S_st1) zusammen durch ein Hallsondenelement ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Hallsondenelement ferner ausgebildet ist, um das zweite Steuersignal (S_st2) bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Einrichtung zum Einstellen eines Temperaturgangs des ersten und/oder zweiten Steuersignals (S_st1, S_st2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Einrichtung zum Einstellen eines Temperaturgangs des Ausgangssignals (S_out) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Einrichtung zum Einstellen eines Temperaturgangs eine Bandgap-Schaltung aufweist.
In einem Halbleitersubstrat integrierte Schaltungsanordnung mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um ein Informationssignal (S_out) bereitzustellen, das eine Information bezüglich eines mechanischen Stresszustands in dem Halbleitersubstrat aufweist, wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, um basierend auf dem Informationssignal (S_out) einen Einfluss des mechanischen Stresszustand auf eine oder mehrere elektrische Charakteristika der integrierten Schaltungsanordnung zu verringern.
Verfahren zum Erfassen eines mechanischen Stresszustands in einem Halbleitersubstrat, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Magnetfelderfassungseinrichtung (12) zum Erfassen einer Magnetfeldkomponente, Erzeugen eines ersten Steuersignals (S_st1) zum Ansteuern der Magnetfelderfassungseinrichtung (12); und Erzeugen eines Referenzmagnetfelds (B_ref) mittels eines zweiten Steuersignals (S_st2), das eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist, die durch die piezoresistiven Koeffizienten des Halbleitersubstrats definiert wird, und aus einer Kombination von zwei in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats zueinander orthogonalen Stromflussrichtungen resultiert, wobei das Referenzmagnetfeld (B_ref) die Magnetfelderfassungseinrichtung (12) zumindest teilweise durchdringt; und Bereitstellen eines Ausgangssignals (S_out) basierend auf dem Referenzmagnetfeld (B_ref) und dem ersten Steuersignal (S_st1), wobei das Ausgangssignal (S_out) eine Information über den mechanischen Stresszustand in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Steuersignal (S_st1) eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Referenzmagnetfeld (B_ref) eine Abhängigkeit von dem mechanischen Stresszustand aufweist
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner mit folgendem Schritt: Einstellen der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (S_out).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner mit folgendem Schritt: Abgleichen des Ausgangssignals (S_out) auf einen definierten Wert auf Waferebene oder während eines Endtests.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner mit folgendem Schritt: Bereitstellen eines Vergleichswerts für das Ausgangssignal (S_out), wobei der Vergleichswert einem auf Waferebene oder während eines Endtests erfassten Wert des Ausgangssignals (S_out) entspricht, wobei eine Differenz zwischen dem bereitgestellten Vergleichswert und dem bereitgestellten Ausgangssignal (S_out) ein Maß für eine Veränderung des mechanischen Stresszustands in dem Halbleitersubstrat seit dem Endtest oder dem Test auf Waferebene ist.