DE102009015965B4

DE102009015965B4 - Hall-Effekt-Bauelement, Betriebsverfahren hierfür und Magneterfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102009015965B4
Application number: DE102009015965A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: US20090256559A1; US7782050B2; DE102009015965A1; DE102009061277B3

Abstract

Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes und ein zweites Hall-Effekt-Bauelement (200a, 200b), die folgende Merkmale aufweisen: ein Substrat (110) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine Epitaxialschicht (112) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die Hall-Effekt-Abschnitte (112) definiert; eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die zwischen der Epitaxialschicht (112) und dem Substrat (110) positioniert ist; und jeweils einen ersten (131), zweiten (132), dritten (133) und vierten (134) Anschluss, wobei der zweite Anschluss (132) mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht (114) gekoppelt ist, und wobei der dritte Anschluss (133) auf einer Seite des ersten Anschlusses (131) und der vierte Anschluss (134) auf der anderen Seite des ersten Anschlusses (131) positioniert ist; wobei das erste und das zweite Hall-Effekt-Bauelement senkrecht zueinander angeordnet sind, derart, dass die Anschlüsse des ersten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Anschlüsse des zweiten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, wobei der erste Anschluss (131) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem ersten Anschluss (131) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements verbunden ist, wobei der zweite Anschluss (132) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem zweiten Anschluss (132) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements verbunden ist, und wobei einer des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und wobei der andere des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem anderen des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist.

Description

Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Bauelement, das seine Ausgangsspannung ansprechend auf Änderungen bei dem Magnetfeld variiert und wird bei Anwendungen verwendet, wie z. B. bei Positionierung und Positionserfassung, Näherungsschalten, Geschwindigkeitserfassung, Stromerfassung etc. Hall-Effekt-Bauelemente sind häufig in integrierten Halbleiterschaltungsbauelementen implementiert.
Vertikal-Hall-Bauelemente werden verwendet, um Magnetfeldkomponenten parallel zu der Oberfläche des Halbleiterbauelements zu messen, das den Sensor einsetzt. Es sind viele unterschiedliche Geometrien für solche Bauelemente bekannt, und sie können durch normale CMOS-Techniken implementiert werden. Hochspannungstechniken verwenden immer häufiger eine stark leitfähige, vergrabene n-Schicht (nBL; n-buried layer), die in dem Standardtechnologiefluss nicht ausgeblendet werden kann. Diese nBL kann ein Problem für Vertikal-Hall-Bauelemente darstellen, da sie das untere Ende der Hall-Sonde kurzschließt, wodurch die Magnetempfindlichkeit der Sonde verringert wird (Magnetempfindlichkeit ist das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Magnetfeldstärke).
Die US 4 829 352 A offenbart ein Hallelement, das eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Abschnitten aufweist. Abhängig von der Verschaltung kann das Hallelement die Summe oder die Differenz von Magnetfeldwerten erfassen.
Die US 4 929 993 A offenbart ein integriertes Hallelement, bei dem zumindest zwei Stromverbindungskontakte und zwei Sensorverbindungskontakte auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers gebildet sind. Eine aktive Zone ist unterhalb der Oberfläche gebildet und eine Verarmungsregion ist zwischen der Oberfläche und der aktiven Zone vorgesehen.
IN der US 2005/0230770 A1 ist ein Hallelement bekannt, bei dem ein Magnetfelderfassungsabschnitt in einer Halbleiterregion angeordnet ist, der in der Lage ist, ein zu einer Oberfläche des Substrats paralleles Magnetfeld zu erfassen, wenn ein Strom in vertikaler Richtung durch den Magnetfelderfassungsabschnitt fließt.
Die US 2006/0170406 A1 beschreibt ein Hallelement, mit vier dotierten Regionen, die in einer Epitaxieschicht gebildet sind, wobei eine Isolationsschicht mit einer festgelegten Tiefe um jede der dotierten Regionen gebildet ist, um einen Stromweg zwischen den Regionen zu begrenzen.
Die DE 101 50 955 C1 offenbart einen vertikalen Hall-Sensor, der ein elektrisch leitfähiges Gebiet zu Bildung eines Hallsensorelements aufweist, das sich senkrecht zur Oberfläche eines Substrats erstreckt und mehrere erste Anschlussbereiche entlang einer Seitenfläche an der Oberfläche des Substrats aufweist. Ein zweites gleichartiges Hallsensorelement ist parallel zu dem ersten Hallsensorelement angeordnet und für einen Spinning-Current-Betrieb mit dem ersten Hallsensorelement verschaltet.
Die JP 2005 259803 A offenbart ein Hallelement mit einem Satz von Elektroden, die alternativ und symmetrisch angeordnet sind und die abwechselnd als Treiberelektroden und als Sensorelektroden verwendet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement, ein Verfahren zum Erzeugen eines Hall-Effekt-Bauelements und ein Magneterfassungsverfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch Halbleiterbauelemente gemäß den Ansprüchen 1 und 2, ein Betriebsverfahren nach Anspruch 9 und Magneterfassungsverfahren gemäß den Ansprüchen 10 und 12 gelöst.
Ein Halbleiterbauelement, das einen Hall-Effekt-Sensor und ein verwandtes Verfahren umfasst, ist offenbart. Das Hall-Effekt-Bauelement umfasst ein Substrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine Epitaxialschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die einen Hall-Effekt-Abschnitt definiert. Eine leitfähige, vergrabene Schicht mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp ist zwischen der Epitaxialschicht und dem Substrat positioniert. Ein erster und zweiter Ausgangsanschluss und erster und zweiter Spannungsanschluss sind vorgesehen, wobei der zweite Spannungsanschluss mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht gekoppelt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Bezug nehmend auf die nachfolgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele und Beispiele zur Erläuterung zusätzlicher Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
2 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell das Hall-Effekt-Bauelement von 1 weiter darstellt;
3 eine schematische Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
4 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
5 eine schematische Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
6 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell das Hall-Effekt-Bauelement von 5 weiter darstellt;
7 eine schematische Querschnittsansicht, die Ersatzwiderstände des Hall-Effekt-Bauelements von 5 darstellt;
8 ein Ersatzschaltungsdiagramm, das eine H-Brücken-Konfiguration darstellt;
9 eine schematische Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
10 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein Hall-Effekt-Bauelement darstellt;
11 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Hall-Effekt-Bauelements darstellt;
12 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Hall-Effekt-Bauelements darstellt;
13 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Hall-Effekt-Bauelements darstellt; und
14 eine schematische Draufsicht, die konzeptionell ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Hall-Effekt-Bauelements darstellt.
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen. Diesbezüglich wird in Bezug auf die Ausrichtung der Figuren, die beschrieben werden, eine Richtungsterminologie verwendet, wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „Vorder”-, „Hinter”- etc. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht und 2 ist eine Draufsicht, die konzeptionell ein Vertikal-Hall-Bauelement 100 darstellen, das als ein integriertes Halbleiterschaltungsbauelement integriert ist. Das Vertikal-Hall-Bauelement 100 ist angeordnet, um ein Magnetfeld (B-Feld) 102 zu erfassen, das sich im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche 104 des Bauelements 100 erstreckt – anders ausgedrückt erstreckt sich das B-Feld 102 in die und aus der Seite, wie in 1 gezeigt ist, und erstreckt sich in der Richtung des Pfeils 102, wie in 2 dargestellt ist.
Das Vertikal-Hall-Bauelement 100 umfasst ein p-Typ-Halbleitersubstrat 110 mit einer n-Typ-Epitaxialschicht/n-Hall-Effekt-Abschnitt 112 auf dem p-Typ-Substrat 110. Eine leitfähige, vergrabene n-Typ-Schicht (nBL) 114 ist zwischen der n-Typ-Epitaxialschicht 112 und dem p-Typ-Substrat 110 positioniert. Eine Isolationsstruktur, wie z. B. ein Polykristallin-Silizium-Graben (Poly Si) 116 umgibt den Hall-Abschnitt 112. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden andere geeignete Isolationsstrukturen anstelle des Poly-Si-Grabens 116 verwendet, wie z. B. tiefe p-Diffusionen.
Eine Mehrzahl von leitfähigen Anschlüssen ist mit dem Hall-Effekt-Abschnitt 112 gekoppelt. Zum Beispiel sind vier oder mehr Anschlüsse 131, 132, 133, 134 umfasst. Bei dem dargestellten Hall-Effekt-Bauelement sind der erste und zweite Anschluss 131, 132 Spannung/Strom-Eingangsanschlüsse und der dritte und vierte Anschluss 133, 134 sind Ausgangsanschlüsse. In 1 und 2 enthält die n-Typ-Epitaxialschicht 112 eine Mehrzahl von n-CMOS-Wannen, die n⁺ Source/Drain-Strukturen 120 bilden, mit denen leitfähige Kontakte gekoppelt sind, um den ersten Eingangsanschluss 131 (V_sup) und die Ausgangsanschlüsse 133, 134 (V_left und V_right) bereitzustellen. In Betrieb sind der erste und der zweite Anschluss 131, 132 mit unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden. Üblicherweise ist einer mit einer Versorgungsspannung verbunden und der andere mit Masse. Bei dem dargestellten Hall-Effekt-Bauelement sind die zweiten Anschlüsse 132 Masseanschlüsse (Gnd) und sind mit der nBL 114 durch ein leitfähiges Bauglied 122 verbunden, derart, dass die nBL 114 als ein Anschluss funktioniert. Die nBL 114 kann mit dem Anschluss 132 durch tiefe Kollektordiffusionen 122 oder durch eine andere geeignete Verbindung, wie z. B. n-CMOS-Wannen, verbunden sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Funktionen der Anschlüsse umgekehrt, derart, dass der erste und der zweite Anschluss 131, 132 ausgetauscht sind, so dass die zweiten Anschlüsse 132, die mit der nBL 114 verbunden sind, als die Spannungsversorgungsanschlüsse funktionieren (V_sup), wobei der erste Anschluss 131 mit Masse verbunden ist.
Strom wird vertikal durch das Bauelement 100 geleitet, durch Verbinden der Anschlüsse 131, 132 mit einer Spannung/Strom-Quelle bzw. Masse. Somit ist die nBL 114 mit Masse über die tiefen Kollektordiffusionen 122 und Gnd-Anschlüsse bzw. Masseanschlüsse verbunden, wobei der V_sup Anschluss mit Versorgungs-Spannung/-Strom verbunden ist. Dies kann als der Vertikalstrommodus (vertikal current mode) bezeichnet werden. Unter Wirkung des B-Feldes 102 sind die Ausgangsanschlüsse 133, 134 (V_left und V_right) auf leicht unterschiedlichen Spannungen. Die Ausgangsspannung des Vertikal-Hall-Bauelements 100 ist die Differenz zwischen den Ausgangsanschlüssen, V_right – V_left.
Wenn die tiefen Kollektordiffusionen 122 zu nahe an den Ausgangsanschlüssen 133, 134 (V_left und V_right) sind, könnten sie einen Teil des Ausgangssignals kurzschließen. Somit sollte die Distanz zwischen den tiefen Kollektordiffusionen 122 und dem nächsten Ausgangsanschluss V_left oder V_right nicht weniger sein als die vertikale Tiefe Di oder die Breite W des Hall-Abschnitts 112. Ferner erstrecken sich bei dem dargestellten Hall-Effekt-Bauelement alle Kontaktregionen zu dem Poly-Si-Graben 116 (alle Kontakte haben dieselbe Breite W wie die Epitaxialschicht 112), obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen die Kontaktbereiche variierende Breiten aufweisen könnten. Aus Symmetriegründen sind die Kollektordiffusionen 122 auf gegenüberliegenden Seiten des Hall-Abschnitts 112 angeordnet. Die Abmessung der Breite W skaliert den Stromverbrauch (und daher das Rauschen) des Bauelements 100 und ist somit basierend auf der bestimmten Anwendung dimensioniert.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Vertikal-Hall-Bauelements 100 darstellt. Um Kurzschlusswirkungen der Verbindungen 122 mit der nBL 114 zu reduzieren, ist eine zusätzliche Isolationsstruktur vorgesehen. Bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 3 dargestellt ist, ist eine tiefe p-Isolation 140 zwischen den tiefen Kollektordiffusionen 122 und den Ausgangsspannungsanschlüssen 133, 134 (V_left, V_right) eingebracht. Bei einigen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Isolation 140 zu der nBL 114. Bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 3 dargestellt ist, erstreckt sie sich nicht vollständig zu der nBL 114, aber schmälert die n-Typ-Epitaxialschicht 112 wesentlich. Die p-Isolation 140 ist mit dem niedrigsten Potential bei dem Hall-Bauelement 100 gekoppelt oder darunter (mit Masse).
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird eine „Spinning-Current”-(Spinstrom-)Technik verwendet, wo der Versorgungs- und Ausgangsanschluss in folgenden Taktphasen alterniert sind. Wenn die Ausgangssignale über zwei aufeinanderfolgende Taktphasen addiert werden, wird der Versatz des Hall-Bauelements aufgehoben oder zumindest bedeutend reduziert, während das verwendete Signal (das proportional zu dem Magnetfeld ist) verdoppelt wird. Dieses Prinzip funktioniert gut bei normalen, flachen Hall-Platten; Vertikal-Hall-Bauelemente haben jedoch keinen so hohen Symmetriegrad.
Um dies zu kompensieren, können zwei Vertikal-Hall-Bauelemente parallel verbunden werden, wobei das erste Bauelement in einer Vertikalstromphase ist, während das zweite Bauelement in einer Horizontalstromphase ist. Eine „Parallelverbindung” der Vertikal-Hall-Bauelemente bedeutet, dass jeweilige Kontakte der zwei Bauelemente miteinander kurzgeschlossen sind. Wenn die Spannungsversorgung und die Ausgangsanschlüsse ausgetauscht sind, ist das erste Vertikal-Hall-Bauelement in der Horizontalstromphase, während das zweite in der Vertikalstromphase ist. 4 stellt ein Beispiel einer solchen Anordnung dar, bei dem das erste und zweite Vertikal-Hall-Bauelement 100a, 100b vorgesehen sind. Die dargestellten Bauelemente 100a, 100b sind ähnlich zu dem Hall-Effekt-Bauelement, das in Verbindung mit 1 und 2 dargestellt und offenbart ist, wobei die Kontakte miteinander mit leitfähigen Baugliedern 142 auf die dargestellte Weise kurzgeschlossen sind. Der erste Anschluss 131 des ersten Hall-Effekt-Bauelements 100a ist mit dem vierten Anschluss 134 des zweiten Hall-Effekt-Bauelements 100b gekoppelt, der zweite Anschluss 132 des ersten Hall-Effekt-Bauelements 100a ist mit dem dritten Anschluss 133 des zweiten Hall-Effekt-Bauelements 100b gekoppelt, der dritte Anschluss 133 des ersten Hall-Effekt-Bauelements 100a ist mit dem ersten Anschluss 131 des zweiten Hall-Effekt-Bauelements 100b gekoppelt, und der vierte Anschluss 134 des ersten Hall-Effekt-Bauelements 100a ist mit dem zweiten Anschluss 132 des zweiten Hall-Effekt-Bauelements 100b gekoppelt.
In 4 sind die effektiven Anschlüsse, die aus den angeschlossenen Bauelementen 100a, 100b resultieren, mit A – D gekennzeichnet, von links nach rechts über die Zeichnungsseite. Bei einer ersten Taktphase sind die Spannung/Strom-Versorgungsanschlüsse die Anschlüsse A und C, und bei einer zweiten Taktphase funktionieren die Anschlüsse B und D als die Versorgungsanschlüsse. Die anderen Anschlüsse funktionieren als die Ausgangsanschlüsse – somit sind in der ersten Taktphase die Ausgangsanschlüsse die Anschlüsse B und D, und in der zweiten Taktphase sind die Ausgangsanschlüsse die Anschlüsse A und C.
5 und 6 stellen ein Ausführungsbeispiel eines Vertikal-Hall-Bauelements 200 dar. Die Querschnittsansicht, die in 5 dargestellt ist, ist ähnlich zu dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 1 dargestellt ist, obwohl bei dem Hall-Effekt-Bauelement von 5 der V_sup-Anschluss nicht in der Mitte des Bauelements positioniert ist wie bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 1 und 2 dargestellt ist. 6 stellt eine Draufsicht dar, bei der die zwei Vertikal-Hall-Bauelemente 200a und 200b miteinander mit leitfähigen Baugliedern 142 gekoppelt sind, um effektive Anschlüsse zu bilden, die mit A – D von links nach rechts über die Zeichnungsseite gekennzeichnet sind. Der dritte und vierte Anschluss 133, 134 der Bauelemente 200a, 200b sind kreuzgekoppelt, derart, dass der dritte Anschluss 133 des ersten Bauelements 200a mit dem vierten Anschluss 134 des zweiten Bauelements 200b gekoppelt ist, und der vierte Anschluss 134 des ersten Bauelements 200a mit dem dritten Anschluss 133 des zweiten Bauelements 200b gekoppelt ist.
Strom wird vertikal durch das Bauelement geleitet, durch Verbinden von Anschluss A (der erste Anschluss 131 des ersten Bauelements 200a) mit Masse und der Versorgungsspannung/des -stroms mit dem Anschluss D (dem zweiten Anschluss 132 des zweiten Bauelements 200b). Unter der Wirkung des B-Feldes 102 sind die Ausgangsanschlüsse B und C auf leicht unterschiedlichen Spannungen. Die Ausgangsspannung der kombinierten Bauelemente 200a, 200b ist die Differenz zwischen den Spannungen an den Ausgangsanschlüssen B und C.
Wie bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 1 und 2 dargestellt ist, könnten die tiefen Kollektordiffusionen einen Teil des Ausgangssignals kurzschließen 122, wenn sie zu nahe an den Ausgangsanschlüssen 133, 134 sind. Die Distanz zwischen den tiefen Kollektordiffusionen 122 und dem naheliegendsten Ausgangsanschluss 133, 134 sollte daher nicht weniger sein als die vertikale Tiefe Di oder die Breite W (W = width) des Hall-Abschnitts 112. Aus Symmetriegründen sind die Kollektordiffusionen 122 auf gegenüberliegenden Seiten des Hall-Abschnitts 112 angeordnet. Die Abmessung der Breite W skaliert den Stromverbrauch (und daher das Rauschen) des Bauelements 200 und ist somit basierend auf der bestimmten Anwendung dimensioniert.
Wenn ein Strom vertikal von der nBL 114 bis zu den Ausgangsanschlüssen B, C in einem Nullmagnetfeld fließen müsste, würde der Strom in zwei gleiche Teile geteilt werden, unter der Annahme, die Anschlüsse B und C sind symmetrisch im Hinblick auf die nBL 114. Dies wird als der vertikale Strommodus bezeichnet (vertical current mode). Unter der Einwirkung eines Magnetfeldes 102 normal zu der Richtung des Stroms wäre die Teilung des Stroms leicht hin zu dem Anschluss B oder C vorgespannt, abhängig von dem Vorzeichen des Magnetfeldes, so dass die Anschlüsse B und C auf unterschiedlichen Potentialen sind. Bei dem zweiten Bauelement 200b ist die Richtung des Stroms immer noch vertikal, aber mit einer unterschiedlichen Polarität. Somit ist bei dem Bauelement 200b die Vorspannung der Anschlüsse B und C genau entgegengesetzt zu der Vorspannung bei dem ersten Bauelement 200a. Der Anschluss B des Bauelements 200a ist mit dem Anschluss C des zweiten Bauelements 200b gekoppelt, und der Anschluss C des ersten Bauelements 200a ist mit dem Anschluss B des zweiten Bauelements 200b gekoppelt, um die Signale zu verbessern und sie nicht aufzuheben. Der gesamte Strom fließt über die Anschlüsse B und C, da keine direkte Verbindung der n-Typ-Epitaxialschichten 112 des ersten und des zweiten Hall-Bauelements 200a, 200b vorliegt. Die Struktur ähnelt somit einer H-Brücke mit vier Widerständen: zwei Widerstände bilden das erste Bauelement 200a, während die anderen zwei Widerstände das zweite 200b bilden. Daher kann die Struktur, die in 5 und 6 dargestellt ist, als eine vertikale Hall-Brücke (vertical Hall bridge) bezeichnet werden. Diese Widerstände R1, R2 des ersten Bauelements 200a sind diagrammartig in 7 dargestellt, und eine ganze Ersatzschaltung ist in 8 dargestellt.
Die Ersatzschaltung 300, die in 8 dargestellt ist, umfasst vier Widerstände R1, R2, R3, R4, die in einer H-Brückenkonfiguration angeordnet sind. Diese Widerstände umfassen (+)- oder (–)-Zeichen, um anzuzeigen, welche das Magnetfeld verstärken und welche es verringern. Die vier Widerstände sind als eine vorteilhafte Weise dargestellt, das Spannungspotential der Struktur zu beschreiben. In Wirklichkeit sind R1 und R2 keine separaten Widerstände, da sie beide in demselben Bereich der n-Typ-Epitaxialschicht/des Hallbereichs 112 des jeweiligen Hall-Bauelements sind. Somit ist es nicht der magnetoresistive Effekt, der das Bauelement funktionieren lässt, sondern es ist vielmehr der Hall-Effekt, der die Stromleitungen zu einem der zwei Ausgangskontakte B, C lenkt, wodurch eine kleine Ausgangsspannung zwischen den Ausgangskontakten eingerichtet wird.
9 stellt ein Hall-Effekt-Bauelement dar, bei dem die zwei Hall-Bauelemente 200a, 200b Seite an Seite positioniert sind. Das Hall-Effekt-Bauelement, das in 9 dargestellt ist, umfasst ferner eine p-Isolation 140, die die Kurzschlusseffekte der tiefen Kollektordiffusionen 122 an dem Hall-Bauelement reduziert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden vier der Vertikal-Hall-Bauelemente verwendet. Zwei Sätze der Bauelemente 200, wobei das erste und das zweite Bauelement 200a, 200b Seite an Seite positioniert sind, wie in 9 dargestellt ist, sind miteinander auf die Weise gekoppelt, die in 6 dargestellt ist.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, Strom in einen der Ausgangsanschlüsse B oder C zu injizieren, während der andere Ausgangsanschluss auf Masse gehalten wird, und die Hall-Ausgangsspannung zwischen den zwei nBLs 114 genommen wird, wobei effektiv die Anschlüsse A und D als Ausgangsanschlüsse verwendet werden. Dies kann verwendet werden, um die Spinstrom-Hallsonden-Techniken zu implementieren, um den Versatz des Hall-Bauelements zu reduzieren oder aufzuheben.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Vertikal-Hall-Bauelemente als Differenzfeldsensoren implementiert. Eine Vertikal-Hall-Brücke ist an einer Seite eines Halbleiterchips positioniert und eine andere Vertikal-Hall-Brücke ist auf der anderen Seite des Chips positioniert, um die Differenz bei dem Magnetfeld zwischen den zwei Orten zu erfassen. Dies könnte für Geschwindigkeitssensoren implementiert werden, wo z. B. der Links- und Rechts-Feldsensor üblicherweise 2,5 mm entfernt sind.
Es ist ebenfalls möglich, eine einzelne, modifizierte Vertikal-Hall-Brücke zu verwenden, um das Differenzfeld zu erfassen, wie bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 10 dargestellt ist. Bei dem Hall-Effekt-Bauelement, das in 10 dargestellt ist, sind das erste und das zweite Vertikal-Hall-Bauelement 200a, 200b auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleiterchips 210 positioniert, getrennt um eine Distanz von ungefähr 2,5 mm. Die linke und rechte Magnetfeldrichtung sind durch Pfeile 102a bzw. 102b angezeigt.
In dem Fall eines homogenen Magnetfeldes wäre das Signal an den Ausgangsanschlüssen B und C dasselbe, B = C. Wenn das Magnetfeld 102a an dem linken Sensor 200a in die entgegengesetzte Richtung zu dem Magnetfeld 102b an dem rechten Sensor 200b zeigt, dann ist die Differenz zwischen den Signalen an den Ausgangsanschlüssen B und C (B – C) proportional zu der Differenz zwischen den zwei Magnetfeldern 102a, 102b.
Eine solche Differenz-Vertikal-Hall-Brücke ist nützlich in Kombination mit einer GMR-Brücke (GMR = giant magneto resistor; Giant-Magnetoresistor), wo z. B. die linken GMRs in der Nähe des linken Sensors der Differenz-Vertikal-Hall-Brücke sind und die rechten GMRs in der Nähe des rechten Sensors der Differenz-Vertikal-Hall-Brücke sind. Bei hohen Magnetfeldern geht der GMR in Sättigung, und somit gibt er ansprechend auf ein sich bewegendes Ziel-Rad oder ein permanentes Magnet-Coderad kein nützliches Signal ab. In diesem Fall kann die Differenz-Vertikal-Hall-Brücke ein Signal als eine Art von Notfallbetriebsmodus liefern.
11 ist eine Draufsicht, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, das ein erstes und zweites Vertikal-Hall-Bauelement 100a, 100b umfasst, wie in 1 und 2 dargestellt ist. Die Bauelemente 100a, 100b sind im Allgemeinen senkrecht zueinander und parallel geschaltet positioniert, so dass der jeweilige erste und zweite Anschluss 131, 132 miteinander gekoppelt sind und der dritte und vierte Anschluss 133, 134 kreuzgekoppelt sind, um die Anschlüsse A – D zu bilden, wie dargestellt ist.
Wenn elektrische Leistung an die Anschlüsse A und C angelegt ist, ist die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen B und D proportional zu der Stärke des Magnetfeldes 102 mit einer Richtung, wie durch den Pfeil 102a dargestellt ist. Die Hall-Bauelemente 300a, 300b sind senkrecht zueinander ausgerichtet, so dass sie unterschiedlich auf mechanische Belastung auf den Chip reagieren. Die parallele Verbindung mittelt die Signale beider Bauelemente, wodurch ungewollte Wirkungen reduziert werden, die durch mechanische Belastung verursacht werden, wie z. B. Versatzspannung und Änderung magnetischer Empfindlichkeit aufgrund mechanischer Belastung.
12 stellt das Bauelement 300 mit derart angeschlossenen Anschlüssen dar, dass sowohl der dritte als auch vierte Anschluss 133, 134 der Bauelemente 300a, 300b mit ihren jeweiligen Gegenstücken verbunden sind. Wenn sie auf diese Weise verbunden sind, ist die Spannung zwischen den Anschlüssen B und D proportional zu einem Magnetfeld 102b, das senkrecht zu dem Magnetfeld 102a ist, wie in 11 dargestellt ist. Die Kontakte können periodisch geschaltet werden, wie bei den Anordnungen, die in 11 und 12 dargestellt sind, um beide Komponenten des Magnetfeldes 102a und 102b zu messen.
13 und 14 stellen ähnliche Anordnungen der Hall-Brücken-Bauelemente 200 dar, die in 4 und 5 dargestellt sind, wobei die Hall-Bauelemente 200a und 200b im Allgemeinen senkrecht zueinander positioniert sind. In 13 sind der dritte und vierte Anschluss 133, 134, die als die Ausgangsanschlüsse B und D konfiguriert sind, quer verbunden, derart, dass der dritte Anschluss 133 des ersten Bauelements 200a mit dem vierten Anschluss 134 des zweiten Bauelements 200b verbunden ist und umgekehrt. Somit ist die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen B und D proportional zu dem Magnetfeld 102b. Die Verbindungen des dritten und vierten Anschlusses 133, 134 sind in 14 umgekehrt, so dass das Bauelement das Magnetfeld 102a misst.

Claims

Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes und ein zweites Hall-Effekt-Bauelement (200a, 200b), die folgende Merkmale aufweisen: ein Substrat (110) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine Epitaxialschicht (112) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die Hall-Effekt-Abschnitte (112) definiert; eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die zwischen der Epitaxialschicht (112) und dem Substrat (110) positioniert ist; und jeweils einen ersten (131), zweiten (132), dritten (133) und vierten (134) Anschluss, wobei der zweite Anschluss (132) mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht (114) gekoppelt ist, und wobei der dritte Anschluss (133) auf einer Seite des ersten Anschlusses (131) und der vierte Anschluss (134) auf der anderen Seite des ersten Anschlusses (131) positioniert ist; wobei das erste und das zweite Hall-Effekt-Bauelement senkrecht zueinander angeordnet sind, derart, dass die Anschlüsse des ersten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Anschlüsse des zweiten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, wobei der erste Anschluss (131) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem ersten Anschluss (131) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements verbunden ist, wobei der zweite Anschluss (132) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem zweiten Anschluss (132) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements verbunden ist, und wobei einer des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und wobei der andere des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem anderen des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist.
Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes und ein zweites Hall-Effekt-Bauelement (200a, 200b), die jeweils Merkmale aufweisen: ein Substrat (110) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine Epitaxialschicht (112) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die einen Hall-Effekt-Abschnitt (112) definiert; eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die zwischen der Epitaxialschicht (112) und dem Substrat (110) positioniert ist; und jeweils einen ersten (131), zweiten (132), dritten (133) und vierten (134) Anschluss, wobei der erste Anschluss (131) und zweite Anschluss (132) mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht (114) gekoppelt ist; wobei das erste und das zweite Hall-Effekt-Bauelement senkrecht zueinander angeordnet sind, derart, dass die Anschlüsse des ersten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Anschlüsse des zweiten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, und wobei einer des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und wobei der andere des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem anderen des dritten und des vierten Anschlusses (133, 134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist.
Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist.
Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist.
Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner eine Isolationsstruktur (116) aufweist, die den Hall-Effekt-Abschnitt (112) umgibt.
Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Anschluss (132) mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht (114) durch ein leitfähiges Bauglied gekoppelt ist, und das ferner eine Isolationsstruktur (140) zwischen dem dritten (133) und vierten Anschluss (134) und dem leitfähigen Bauglied aufweist.
Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: der dritte Anschluss (133) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem vierten Anschluss (134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist; und der vierte Anschluss (134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem dritten Anschluss (133) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und bei dem das erste und zweite Hall-Effekt-Bauelement durch eine Isolationsstruktur getrennt sind.
Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: der dritte Anschluss (133) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem dritten Anschluss (133) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist; und der vierte Anschluss (134) des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem vierten Anschluss (134) des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und bei dem das erste und zweite Hall-Effekt-Bauelement beabstandet voneinander an gegenüberliegenden Enden eines Halbleiterchips angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 1, bei dem in einer ersten Periode der dritte Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem dritten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements und der vierte Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem vierten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist, und in einer zweiten Periode der dritte Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem vierten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements und der vierte Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem dritten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements gekoppelt ist.
Magneterfassungsverfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Hall-Effekt-Bauelements, das einen Hall-Effekt-Abschnitt (112) und eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) zwischen dem Hall-Effekt-Abschnitt und einem Substrat (110) umfasst; Koppeln eines ersten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem Hall-Effekt-Abschnitt des ersten Hall-Effekt-Bauelements; Koppeln eines zweiten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht des ersten Hall-Effekt-Bauelements; Koppeln eines dritten und vierten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements als Ausgangsanschlüsse mit dem Hall-Effekt-Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements; Verbinden des ersten und des zweiten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem ersten und zweiten entsprechenden Spannungspotential; Bereitstellen eines zweiten Hall-Effekt-Bauelements, das einen Hall-Effekt-Abschnitt (112) und eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) zwischen dem Hall-Effekt-Abschnitt und dem Substrat (110) umfasst; Koppeln eines ersten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements mit dem Hall-Effekt-Abschnitt des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Koppeln eines zweiten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Koppeln eines dritten und vierten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements mit dem Hall-Effekt-Abschnitt des zweiten Hall-Effekt-Bauelements auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Verbinden des ersten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem ersten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements und Verbinden des zweiten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem zweiten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements, so dass eine Verbindung des ersten und des zweiten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements mit dem ersten und zweiten entsprechenden Spannungspotential vorliegt; Koppeln von einem des dritten und vierten Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem des dritten und vierten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements und Koppeln des anderen des dritten und vierten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem anderen des dritten und vierten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Bestimmen der Spannungen an dem dritten und vierten Ausgangsanschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements ansprechend auf ein Magnetfeld (102), wobei das erste und das zweite Hall-Effekt-Bauelement senkrecht zueinander angeordnet sind, derart, dass die Anschlüsse des ersten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Anschlüsse des zweiten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem entweder das erste oder zweite Spannungspotential Masse ist.
Magneterfassungsverfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten und zweiten Hall-Effekt-Bauelements, die jeweils einen Hall-Effekt-Abschnitt (112) und eine leitfähige, vergrabene Schicht (114) zwischen dem Hall-Effekt-Abschnitt (112) und einem Substrat (110) umfassen, wobei jeweils ein erster (131) und ein zweiter (132) Anschluss mit der leitfähigen, vergrabenen Schicht (114) gekoppelt sind, und ein dritter (133) und ein vierter (134) Anschluss mit dem Hall-Effekt-Abschnitt (122) gekoppelt sind; Koppeln des dritten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem vierten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Koppeln des vierten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit dem dritten Anschluss des zweiten Hall-Effekt-Bauelements; Verbinden des ersten Anschlusses des ersten Hall-Effekt-Bauelements mit einem ersten Spannungspotential und des zweiten Anschlusses des zweiten Hall-Effekt-Bauelements mit einem zweiten Spannungspotential; und Bestimmen der Spannungen an dem dritten und vierten Anschluss des ersten Hall-Effekt-Bauelements ansprechend auf ein Magnetfeld (102), wobei das erste und das zweite Hall-Effekt-Bauelement senkrecht zueinander angeordnet sind, derart, dass die Anschlüsse des ersten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Anschlüsse des zweiten Hall-Effekt-Bauelements entlang einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das erste und zweite Hall-Effekt-Bauelement durch eine Isolationsstruktur getrennt sind.