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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Magnetfeldsensor.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Halbleiterbauteils.
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Halbleiterbauteile
mit Magnetfeldsensoren werden z.B. als Positionssensoren oder Drehratensensoren
eingesetzt. Beispielsweise werden derartige Halbleiterbauteile in
Klapptelefone oder in Türen oder
deren Umgebung integriert, um feststellen zu können, ob das Klapptelefon bzw.
die Tür
geöffnet oder
geschlossen ist.
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Vor
diesem Hintergrund werden ein Halbleiterbauteil gemäß den unabhängigen Ansprüche 1, 11 und
26 sowie ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch
18 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß einer
Ausgestaltung umfasst ein Halbleiterbauteil einen als Wafer-Level-Package
ausgestalteten Halbleiterchip. In den Halbleiterchip ist ein Magnetfeldsensor
integriert.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Halbleiterbauteil einen Halbleiterchip,
in den ein Magnetfeldsensor integriert ist, und Außenkontaktelemente.
Die Außenkontaktelemente
sind auf eine aktive Hauptoberfläche
des Halbleiterchips aufgebracht.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Halbleiterbauteil einen Halbleiterchip,
in den ein Magnetfeldsensor integriert ist, und einen Magnet, der
auf eine erste Hauptoberfläche
des Halbleiterchips aufgebracht ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird ein Träger bereitgestellt, der eine
Mehrzahl von integrierten Schaltungen umfasst. Mindestens eine erste der
integrierten Schaltungen umfasst einen Magnetfeldsensor. Auf eine
Hauptoberfläche
des Trägers werden
Außenkontaktelemente
aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Außenkontaktelemente werden die
integrierten Schaltungen vereinzelt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 100 als
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 200 als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung des auf einer Leiterplatte 17 angeordneten
Halbleiterbauteils 200;
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4 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 300 als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 400 als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6A bis 6D schematische
Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterbauteils 200 als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 500 als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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8A und 8B schematische
Darstellungen der von dem Halbleiterbauteil 400 erzeugten Magnetfeldlinien 27;
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9 eine
schematische Darstellung einer Anwendung des Halbleiterbauteils 400 als
Drehratensensor;
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10 eine
schematische Darstellungen eines in ein Halbleiterbauteil integrierten
Magnetfeldsensors 1000;
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11 eine
mikroskopische Aufnahme eines Teils eines Magnetfeldsensors; und
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12 eine
schematische Darstellungen eines Magnetfeldsensors und einer Auswerteschaltung.
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Im
Folgenden werden Halbleiterbauteile mit Halbleiterchips beschrieben,
die Magnetfeldsensoren aufweisen. Die Erfindung ist unabhängig von
der Art der Magnetfeldsensoren. Beispielsweise können die Magnetfeldsensoren
Hall-Elemente oder GMR-Sensoren
sein, die zur Messung eines Magnetfelds den Hall-Effekt bzw. den GMR (Giant Magneto Resistance)-Effekt
nutzen. Die Magnetfeldsensoren können
beispielsweise eine absolute Bestimmungsgröße eines Magnetfelds, wie z.B.
die magnetische Feldstärke,
oder Änderungen
eines Magnetfelds messen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Halbleiterchip, in den ein Magnetfeldsensor
integriert ist, als Wafer-Level-Package (WLP) ausgebildet. Der Begriff „Wafer-Level-Package" bezieht sich dabei
auf Halbleiterchips, deren eine aktive Hauptoberfläche auf Wafer-Ebene
mit Außenkontaktelementen,
die für ei ne
spätere
Kontaktierung mit einer Leiterplatte erforderlich sind, bestückt worden
sind. Erst nach dem Aufbringen der Außenkontaktelemente sind die
Halbleiterchips (Dies) vereinzelt worden. Nach dem Vereinzeln kann
ein WLP ohne wesentliche weitere Bearbeitungen der Hauptoberfläche auf
eine Leiterplatte montiert werden. Insbesondere ist eine Montage der
WLPs auf ein Zwischensubstrat (Interposer) oder einen Leiterbahnrahmen
(Leadframe) sowie ein Vergießen
der einzelnen WLPs mit einem Vergussmaterial nicht mehr erforderlich.
Vergussmaterial braucht auch nicht nachträglich in den Zwischenraum zwischen
WLP und Leiterplatte („Underfill") gefüllt werden.
WLPs zeichnen sich daher durch kleine Größe, kleines Gewicht und geringe
Herstellungskosten aus.
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Da
die Abmessungen eines Wafer-Level-Package entweder genauso groß wie die
des Halbleiterchips oder nur unwesentlich größer sind, spricht man häufig auch
von Chip-Size-Packages oder Chip-Scale-Packages. Ein Chip-Size-Package
weist in etwa die Größe des Halbleiterchips
auf, während
ein Chip-Scale-Package um bis zu 30% größer als der Halbleiterchip
ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die aktive Hauptoberfläche des Halbleiterchips mit
Außenkontaktelementen
versehen. Unter aktiver Hauptoberfläche ist die Oberfläche des
Halbleiterchips zu verstehen, auf oder in der sich z.B. der Magnetfeldsensor oder
elektrisch betreibbare Strukturen bzw. Schaltungen befinden. Die
Außenkontaktelemente
können z.B.
aus metallisierten Kontaktflächen,
Underbump-Metallisierungen oder Lotdepots, beispielsweise in der
Form von Lotkugeln, bestehen. Die Außenkontaktelemente sind dazu
vorgesehen, um den Halbleiterchip von außen elektrisch zu kontaktieren. Gleichzeitig
können
die Außenkontaktelemente
dazu dienen, den Halbleiterchip mechanisch in fester Position in
Bezug zu einem Leiterbahnsubstrat, z.B. einer PCB-Platte (Printed
Circuit Board) oder Keramik, zu halten. Beispielsweise wird der
Halbleiterchip in Flip-Chip-Lage auf eine Leiterplatte montiert
und die Außenkontaktelemente
stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip
und der Leiterplatte her.
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In 1 ist
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Halbleiterbauteil 100 im Querschnitt
dargestellt. Das Halbleiterbauteil 100 weist einen Halbleiterchip 10 auf,
in den ein Magnetfeldsensor 11 integriert ist. Ferner weist
das Halbleiterbauteil 100 auf einer aktiven Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterchips 10 angeordnete Außenkontaktelemente auf, die
bei dem Halbleiterbauteil 100 aus einer strukturierten Metallisierungsschicht 13 und
Underbump-Metallisierungen 14 bestehen.
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Der
in den Halbleiterchip 10 integrierte Magnetfeldsensor 11 ist
dazu ausgelegt, ein Magnetfeld oder Änderungen eines Magnetfelds
zu messen. Dazu kann der Magnetfeldsensor 11 eine Größe, die das
Magnetfeld bestimmt, wie z.B. die Magnetfeldstärke, oder Änderungen einer solchen Größe messen.
Ferner kann der Magnetfeldsensor 11 derart ausgestaltet
sein, dass er feststellt, ob das am Ort des Magnetfeldsensors 11 herrschende
Magnetfeld einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt oder nicht. Beispielsweise
kann der Magnetfeldsensor 11 ein Hall-Element oder ein
GMR-Sensor sein, der zur Messung des Magnetfelds den Hall-Effekt
bzw. den GMR-Effekt nutzt. Der Halbleiterchip 10 kann Schaltungen
enthalten, die den Magnetfeldsensor 11 ansteuern und/oder
von dem Magnetfeldsensor 11 aufgenommene Messsignale auswerten.
Derartige Steuer- und Auswerteschaltungen können alternativ auch in einen
weiteren Halbleiterchip integriert sein, der mit dem Halbleiterchip 10 zusammenwirkt.
Ferner kann der Halbleiterchip 10 beispielsweise als Positions-
und/oder Drehratensensor ausgestaltet sein.
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Die
aktive Hauptoberfläche 12 weist
Kontaktelemente auf, mit denen die elektrisch betreibbaren Strukturen
bzw. Schaltungen elektrisch kontaktiert werden können. Auf den Kontaktelementen
der aktiven Hauptoberfläche 12 ist
die strukturierte Me tallisierungsschicht 13 abgeschieden.
Die strukturierte Metallisierungsschicht 13 kann aus einem
Metall, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Gold, oder einer elektrisch
leitfähigen
Legierung bestehen.
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Des
Weiteren ist auf der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 eine
Passivierungsschicht 15, die beispielsweise aus einem polymerhaltigen
Material besteht, abgeschieden. Die Passivierungsschicht ist typischerweise
5 μm bis
20 μm dick und
kann beispielsweise auch aus mehreren Lagen bestehen. Sie dient
dazu, die aktive Hauptoberfläche 12 vor
Umwelteinflüssen,
wie z.B. Schmutz, Nässe oder
auch mechanischen Stößen, zu
schützen.
Die Passivierungsschicht 15 ist in den Bereichen der strukturierten
Metallisierungsschicht 13 mittels photolithografischer
Methoden geöffnet
worden, sodass diese Bereiche für
eine externe Kontaktierung des Halbleiterchips 10 zur Verfügung stehen.
Auf die frei liegenden Bereiche der strukturierten Metallisierungsschicht 13 sind
die Underbump-Metallisierungen 14 aufgebracht.
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Die
Underbump-Metallisierungen 14 können beispielsweise als Haftvermittler
für das
später
aufzubringende Lotmaterial dienen. Ferner können die Underbump-Metallisierungen 14 dazu
vorgesehen sein, eine Diffusionssperre zu bilden, die verhindert, dass
das Material der strukturierten Metallisierungsschicht 13 in
das Lotmaterial diffundiert. Eine weitere Aufgabe der Underbump-Metallisierungen 14 kann es
sein, den Kontaktwiderstand zwischen der strukturierten Metallisierungsschicht 13 und
dem Lotmaterial zu verringern. Als Materialien für die Underbump-Metallisierungen 14 seien
beispielhaft AlNiVCu, TiW, Au, Ni und NiP erwähnt. Die Underbump-Metallisierungen 14 können beispielsweise wie
Metallisierungsschichten abgeschieden und strukturiert werden.
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Auf
die Underbump-Metallisierungen 14 können Lotdepots, beispielsweise
in der Form von Lotkugeln 16, aufgebracht sein. Dies ist
in 2 dargestellt. Das dort als weiteres Ausfüh rungsbeispiel
der Erfindung gezeigte Halbleiterbauteil 200 entspricht ansonsten
dem Halbleiterbauteil 100. Als Lotmaterial kommen Legierungen
infrage, die sich beispielsweise aus folgenden Materialien zusammensetzen:
SnPb, SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, AuSn, CuSn und SnBi. Die Lotkugeln 16 werden
beispielsweise durch sogenanntes „Ball Placement" aufgebracht, bei
welchem vorgeformte Kugeln aus Lotmaterial auf die Underbump-Metallisierungen 14 aufgebracht
werden. Die Haftung zwischen den Lotkugeln 16 und den Underbump-Metallisierungen 14 wird
durch ein Flussmittel bewirkt, das zuvor mittels Schablonendruck aufgedruckt
wurde. Dem Aufbringen der Lotkugeln 14 kann ein Temperaturprozess
(Reflow) nachgeschaltet sein, bei dem das Lotmaterial aufschmilzt und
die Kontaktelemente benetzt. Alternativ zum „Ball Placement" können die
Lotkugeln beispielsweise mittels eines Schablonendrucks mit einer
Lotpaste mit einem nachgeschalteten Temperaturprozess (Reflow) oder
durch galvanisches Plating und optionalem nachgeschalteten Temperaturprozess
(Reflow) aufgebracht werden.
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Bei
dem Halbleiterbauteil 100 bildet der Halbleiterchip zusammen
mit den aus der strukturierten Metallisierungsschicht 13 und
den Underbump-Metallisierungen 14 bestehenden Außenkontaktelementen
ein Wafer-Level-Package. Bei dem Halbleiterbauteil 200 enthalten
die Außenkontaktelemente
zusätzlich
noch die Lotkugeln 16. Bei einem Wafer-Level-Package werden
die Außenkontaktelemente
zu einem Zeitpunkt auf die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 aufgebracht,
zu dem der Halbleiterchip 10 noch Bestandteil eines Halbleiterwafers
ist. Erst in einem späteren
Arbeitsschritt wird der Halbleiterchip 10 aus dem Halbleiterwafer herausgetrennt.
Ein solches Herstellungsverfahren wird weiter unten im Zusammenhang
mit 6 noch detaillierter erläutert.
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Das
Halbleiterbauteil 100 bzw. 200 kann auf eine Leiterplatte
oder ein anderes Substrat montiert werden. Am Beispiel des Halbleiterbauteils 200 ist dies
in 3 dargestellt. Das Halbleiterbauteil 200 ist in
Flip-Chip-Lage auf eine Leiter platte 17 montiert, d.h.
die aktive Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterchips 10 ist der Leiterplatte 17 zugewandt.
Mittels der Lotkugeln 16 wurden Lötverbindungen zwischen dem
Halbleiterchip 10 und Kontaktelementen 18 der Leiterplatte 17 geschaffen.
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Der
Zwischenraum zwischen dem Halbleiterbauteil 200 und der
Leiterplatte 17 ist bei der in 3 gezeigten
Anordnung nicht mit einer Vergussmasse, wie z.B. einem Kunststoffmaterial
oder Glob-Top, ausgefüllt,
d.h. es wird kein sogenanntes Underfill zwischen das Halbleiterbauteil 200 und
die Leiterplatte 17 eingebracht.
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Mit
Hilfe von Wafer-Level-Packaging-Technologien können die Halbleiterbauteile 100 und 200 auf
einfache und kostengünstige
Art und Weise hergestellt werden. Für die Fertigung der Außenkontaktelemente
können
kostengünstige
Waferprozesse eingesetzt werden und ansonsten übliche Schritte zur Herstellung
eines Gehäuses,
wie z.B. das Umspritzen mit einer Vergussmasse, können entfallen. Ferner
weisen die Halbleiterbauteile 100 und 200 eine
kompakte Größe auf,
sodass sie sich platzsparend in Anwendungsgeräte, wie z.B. Telefone, integrieren
lassen.
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Optional
kann zwischen der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 und
der Metallisierungsschicht 13 eine Umverdrahtungslage angeordnet
sein. Die Umverdrahtungslage dient dazu, die in die aktive Hauptoberfläche 12 integrierten
Kontaktelemente mit den Außenkontaktelementen
zu verbinden, sofern sich die Außenkontaktelemente nicht direkt
oberhalb der Kontaktelemente der aktiven Hauptoberfläche 12 befinden.
Demnach wird durch eine Umverdrahtungslage jede beliebige Anordnung der
Außenkontaktelemente
ermöglicht.
Die Umverdrahtungslage besteht aus Leiterbahnen, die von den Kontaktelementen
der aktiven Hauptoberfläche 12 zu den
gewünschten
Stellen für
die Außenkontaktelemente
führen.
Gegebenenfalls können
ober- und/oder unterhalb der Umverdrahtungslage weitere Isolationsschichten
vorgesehen sein.
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In
den 4 und 5 sind Halbleiterbauteile 300 und 400 gezeigt,
die Weiterbildungen der Halbleiterbauteile 100 und 200 darstellen.
Bei beiden Halbleiterbauteilen 300 und 400 wurde
ein Magnet auf das jeweilige Wafer-Level-Package aufgebracht. Das
Halbleiterbauteil 300 weist einen Magnet 19 auf der
Passivierungsschicht 15 direkt oberhalb des Magnetfeldsensors 11 auf.
Bei dem Halbleiterbauteil 400 wurde ein Magnet 20 auf
die Rückseite
des Halbleiterchips 10 aufgebracht.
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Die
Magnete 19 und 20 dienen dazu, am Ort des Magnetfeldsensors 11 ein
Magnetfeld zu erzeugen. Dadurch wird es ermöglicht, die Annäherung eines
Magneten oder von weichmagnetischen Materialien mit geringen Koerzitivfeldstärken an
den Magnetfeldsensor 11 zu detektieren. Wird ein Magnet
oder ein weichmagnetisches Material in die Nähe des Magnetfeldsensors 11 gebracht,
so verändert
sich dadurch das von dem Magnet 19 bzw. 20 erzeugte
Magnetfeld. Diese Änderung
kann der Magnetfeldsensor 11 detektieren. Ein Vorteil der
Halbleiterbauteile 300 und 400 ist, dass sich
die Magnete 19 und 20 sehr nahe bei dem Magnetfeldsensor 11 befinden. Dies
erhöht
die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 11.
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Weichmagnetische
Materialien können
beispielsweise Legierungen aus Eisen, Nickel oder Kobalt sein.
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Bei
den Magneten 19 und 20 kann es sich beispielsweise
um einstückige
Permanentmagnete handeln, die eine permanente Magnetisierung aufweisen.
Die Permanentmagnete können
auf die Vorder- oder Rückseite
des Halbleiterchips 10, z.B. durch Verkleben, montiert
werden. Die Permanentmagnete können
aus jeglichem permanentmagnetischen Material bestehen, wie z.B.
aus AlNiCo-Legierungen, FeTb-Legierungen, Ferritverbindungen, Seltenen
Erden, Samarium oder Neodym.
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Als
Alternative zu einem einstückigen
Permanentmagnet kann eine permanentmagnetische dünne Schicht auf der Vorder-
oder Rückseite
des Halbleiterchips 10, z.B. durch Sputtern, Aufdampfen oder
galvanische Abscheidung, aufgebracht werden. Als Materialien für die permanentmagnetischen
dünnen
Schichten können
beispielsweise die gleichen Materialien wie für die einstückigen Permanentmagnete verwendet
werden.
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Eine
permanentmagnetische Schicht ist nach der Abscheidung auf den Halbleiterchip 10 häufig nur
schwach magnetisiert. Daher kann es erforderlich sein, die Schicht
nach dem Abscheiden zu magnetisieren. Beispielsweise können die
Halbleiterbauteile 300 oder 400 zu diesem Zweck
einem ausreichend großen
Magnetfeld während
eines Temperschritts ausgesetzt werden. Dabei kann unter Umständen auch
die Orientierung der Magnetisierung beeinflusst werden.
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In
den 6A bis 6D ist
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements 200 schematisch
dargestellt. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Träger 21 bereitgestellt,
in den eine Mehrzahl von Schaltungen integriert ist. Zu diesen Schaltungen
zählen
der Magnetfeldsensor 11 und evtl. weitere Schaltungen,
die der Halbleiterchip 10 umfasst. Der Träger 21 kann beispielsweise
ein Halbleiterwafer 21, z.B. ein Siliziumwafer, sein.
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Wie
in 6A gezeigt ist, wird auf die aktive Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterwafers 21 die strukturierte Metallisierungsschicht 13 sowie
die Passivierungsschicht 15 aufgebracht. Gegebenenfalls kann
auch eine Umverdrahtungslage auf den Halbleiterwafer 21 aufgebracht
werden. Anschließend
werden die Underbump-Metallisierungen 14 (vgl. 6B)
und die Lotkugeln 16 (vgl. 6C) aufgebracht.
Ferner ist es möglich,
noch auf Wafer-Ebene die Magnete 19 oder 20 aufzubringen.
Da in diesem Herstellungsstadium noch Wafer-Prozess-Technologien verwendet
werden können,
ist es besonders aufwandsgünstig,
eine permanentmagnetische dünne Schichte
auf der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterwafers 21 abzuscheiden.
Dies hat ferner den Vorteil, dass sich die permanentmagnetische Schicht
in unmittelbarer Nähe
zu dem Magnetfeldsensor 11 befindet.
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Nach
dem Aufbringen der Außenkontaktelemente,
die in 6 aus der strukturierten Metallisierungsschicht 13,
den Underbump-Metallisierungen 14 und den Lotkugeln 16 bestehen,
auf die aktive Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterwafers 21 können die
einzelnen Halbleiterchips des Halbleiterwafers 21, z.B.
durch Sägen,
vereinzelt werden.
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In 7 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung ein Halbleiterbauteil 500 im Querschnitt dargestellt.
Im Unterschied zu den Halbleiterbauteilen 100 bis 400 ist
das Halbleiterbauteil 500 kein Wafer-Level-Package. Wie
in 7 gezeigt ist, wurde der Halbleiterchip 10,
in den der Magnetfeldsensor 11 integriert ist, auf einen
Träger 22,
beispielsweise ein aus Kupferblech bestehendes Die-Pad eines Leiterbahnrahmens
(lead frame), montiert. Die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 ist
dabei nach oben orientiert. Die Kontaktelemente der aktiven Hauptoberfläche 12 sind über Verbindungsleitungen 23,
insbesondere Bonddrähte, mit
Außenkontaktelementen 24 verbunden. Über die Außenkontaktelemente 24 kann
der Halbleiterchip 10 von außerhalb des Halbleiterbauteils 500 elektrisch kontaktiert
werden. Die Außenkontaktelemente 24 können z.B.
metallische Pins eines Leiterbahnrahmens sein. Die Pins 24 können, wie
in 7 gezeigt ist, abgewinkelt sein, damit sie auf
eine Leiterplatte aufgebracht und dort verlötet werden können.
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Auf
die aktive Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterchips 10 ist ein Magnet 25 aufgebracht.
Der Magnet 25 kann genauso wie die Magneten 19 und 20 der
oben beschriebenen Halbleiterbauteile 300 bzw. 400 ausgestaltet
sein. Folglich kann es sich bei dem Magnet 25 um einen
einstückigen
Permanentmagnet handeln, der beispielsweise mit dem Halbleiterchip 10 verklebt
ist, oder es kann eine permanentmagnetische dünne strukturierte Schicht auf
dem Halbleiterchip 10 abgeschieden sein.
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Wie
in 7 gezeigt ist, sind der Träger 22 sowie die auf
dem Träger 22 angeordneten
Bauelemente zusammen mit dem Magnet 25 in ein Gehäuse integriert.
Das Gehäuse
kann aus einem Vergussmaterial 26, z.B. einem Kunststoffmaterial,
bestehen, das den Träger 22 sowie
die darauf angeordneten Bauelemente umhüllt. Einzig die Enden der Pins 24 wurden
frei gelassen, um eine Kontaktierung des Halbleiterchips 10 von
außen
zu ermöglichen.
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Ein
Vorteil des Halbleiterbauteils 500 ist, dass sich der Magnet 25 genauso
wie bei den Halbleiterbauteilen 300 und 400 in
unmittelbarer Nähe des
Magnetfeldsensors 11 befindet.
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Als
Alternative zu der in 7 gezeigten Kontaktierung mittels
Drahtbond-Technologie kann der Halbleiterchip 10 auch mittels
einer Flip-Chip-Technologie kontaktiert werden.
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In
den 8A und 8B sind
beispielhafte Orientierungen des von dem Magnet 20 des
Halbleiterbauteils 400 erzeugten Magnetfelds gezeigt. Dazu sind
in die 8A und 8B schematische
Magnetfeldlinien 27 eingezeichnet. In 8A ist
der Magnet 20 senkrecht zu der aktiven Hauptoberfläche 12 des
Halbleiterchips 10 magnetisiert, während in 8B die
Magnetisierung parallel zu der aktiven Hauptoberfläche 12 ausgerichtet
ist.
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Bei
einem einstückigen
Permanentmagnet 20 kann die Orientierung des von ihm erzeugten
Magnetfelds 27 durch eine entsprechende Orientierung des
Permanentmagneten 20 bestimmt werden. Sofern der Magnet 20 durch
Abscheiden einer dünnen permanentmagnetischen
Schicht erzeugt wird, besteht grundsätzlich die Möglichkeit,
eine gewünschte Orientierung
des Magnetfelds 27 durch einen nachträglichen Magnetisierungsschritt
einzustellen. Dies ist jedoch nicht bei allen permanentmagnetischen Materialien
möglich.
Sofern z.B. eine senkrechte Orientierung des Magnetfelds 27 für eine bestimmte
Anwendung benötigt
wird (vgl. 8A), kann für die auf dem Halbleiterchip 10 abgeschiedene
dünne permanentmagnetische
Schicht ein Material gewählt
werden, das in Schichtform eine intrinsische senkrechte Anisotropie
zeigt. Solch eine intrinsische senkrechte Anisotropie zeigen beispielsweise
FeTb-Legierungen.
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In 9 ist
beispielhaft eine Anwendung des Halbleiterbauteils 400 als
Drehratensensor dargestellt. Das Halbleiterbauteil 400 ist
in Flip-Chip-Lage auf eine Leiterplatte 28 montiert. Mittels
der Lotkugeln 26 wurden Lötverbindungen zwischen dem Halbleiterbauteil 400 und
Kontaktelementen 29 der Leiterplatte 28 geschaffen.
Innerhalb des von dem Magnet 20 erzeugten Magnetfelds 27 ist
ein Zahnrad 30 aus einem weichmagnetischen Material mit
einer geringen Koerzitivfeldstärke
angeordnet. Bei einer Drehung des Zahnrads 30 verändert sich,
wie in 9 gezeigt ist, das Magnetfeld 27 aufgrund
der Struktur des Zahnrads 30 periodisch. Derartige Änderungen
des Magnetfelds 27 werden von dem Magnetfeldsensor 10 gemessen.
Eine in den Halbleiterchip 10 integrierte Auswerteschaltung
kann anhand der von dem Magnetfeldsensor 10 gelieferten
periodisch sich wiederholenden Messdaten die Drehrate des Zahnrads 30 bestimmen.
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Bei
der Anwendung gemäß 9 ist
eine Orientierung des Magnetisierung des Magneten 20 senkrecht
zur aktiven Hauptoberfläche 12 günstig, da dadurch Änderungen
des Magnetfelds 27 mit einer hohen Genauigkeit detektiert
werden können.
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Bei
der Anwendung der hier beschriebenen Halbleiterbauteile muss nicht
notwendigerweise ein Magnet in das Halbleiterbauteil integriert
sein. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass ein Magnet
an einem Gegenwerkstück
befestigt ist und der Magnetfeldsensor 10 misst, ob sich
das Gegenwerkstück
in der Nähe
des Halbleiterbauteils befindet oder nicht bzw. ob sich das Gegenwerkstück dem Halbleiterbauteil
annähert
o der nicht. Anstatt zur Messung der Drehrate eines sich drehenden
Zahnrads kann diese Anwendung auch zur Messung von Drehwinkeln von
Drehgelenken, z.B. in Klapptelefonen oder in der Umgebung von Türen, eingesetzt werden.
Damit kann festgestellt werden, ob das Klapptelefon oder eine Tür geöffnet oder
geschlossen ist.
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In 10 ist
der Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil schematisch dargestellt,
in das ein Magnetfeldsensor 1000 integriert ist. In ähnlicher
Weise können
z.B. die Magnetfeldsensoren 11 in die Halbleiterbauteile 100 bis 500 integriert
sein. Der Magnetfeldsensor 1000 nutzt zur Messung eines
Magnetfelds z.B. den GMR-Effekt. Eine Möglichkeit zur Ausnutzung des
GMR-Effekts stellen Spin-Valve-Sensoren dar, bei denen dünne weichmagnetische
Schichten durch nichtmagetische Schichten voneinander getrennt sind.
Die Richtung der Magnetisierung von mindestens einer der weichmagnetischen
Schichten wird durch geeignete Mittel, beispielsweise eine antiferromagnetische
Schicht, festgehalten. Die Magnetisierungen der anderen weichmagnetischen
Schichten können
in einem von außerhalb
des Halbleiterbauteils angelegten Magnetfeld frei rotieren. Zur Messung
des externen Magnetfelds wird ausgenutzt, dass der elektrische Widerstand
zwischen den weichmagnetischen Schichten von dem Winkel zwischen
den Magnetisierungen der einzelnen Schichten abhängt.
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In 10 ist
gezeigt, dass auf einen Halbleiterchip 1001 Metallisierungsschichten 1002 und 1003 aufgebracht
sind, die durch Via-Verbindungen miteinander verbunden sind. Darüber ist
der Magnetfeldsensor 1000 angeordnet, der mit einer Passivierungsschicht 1004 überzogen
worden ist.
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In 11 ist
eine mit einem Mikroskop aufgenommene Aufnahme eines in ein Halbleiterbauteil integrierten
GMR-Magnetfeldsensors
zur Messung von Drehwinkeln gezeigt. Der GMR-Magnetfeldsensor weist
zwei Vollbrücken 1005 und 1006 auf,
die um 90° versetzt
sind. Jede der Vollbrücken 1005 und 1006 besteht
aus zwei in Serie geschalteten Halbbrücken, die jeweils eine mäanderförmige Struktur
aufweisen. Die beiden Vollbrücken 1005 und 1006 sind jeweils
als Wheatstone'sche
Brücke
beschaltet. Jede der beiden Vollbrücken 1005 und 1006 ermöglicht die eindeutige
Zuordnung zu einem Winkelbereich von 180°. Durch den Einsatz von zwei
um 90° versetzte Vollbrücken 1005 und 1006 kann
mit Hilfe einer Arctan-Berechnung der volle 360°-Bereich abgedeckt werden.
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In 12 ist
eine Auswerteschaltung zur Auswertung der von den Vollbrücken 1005 und 1006 gelieferten
Messsignale gezeigt. Ein Digitalsignalprozessor (DSP) dient dazu,
die erforderlichen Rechnungen auszuführen, um nach einer Offset-Subtraktion das Signal
in einen Winkel im 360°-Bereich
zu wandeln. Die in 12 dargestellte Auswerteschaltung
kann zusammen mit dem GMR-Magnetfeldsensor auf einen Halbleiterchip
integriert werden.