DE102011004848A1

DE102011004848A1 - Spannungserfassungsbauelemente und -verfahren

Info

Publication number: DE102011004848A1
Application number: DE102011004848A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: US8839677B2; US20150001652A1; US20120285255A1; US20110209556A1; US8240218B2; DE102011004848B4; US9437653B2

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Spannungserfassungsbauelemente und -Verfahren. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Sensorbauelement eine aktive Schicht und zumindest drei Kontakte, die voneinander in der aktiven Schicht beabstandet sind, wobei die zumindest drei Kontakte für einen ersten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein erstes Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist, in einer ersten Konfiguration und für einen zweiten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein zweites Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten aufweist, in einer zweiten Konfiguration, die sich von der ersten unterscheidet, koppelbar sind, wobei ein Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus auf eine mechanische Spannung in dem Sensorbauelement bezogen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Spannungs- bzw. Belastungserfassungsbauelemente und insbesondere auf Integrierte-Schaltung-Sensoren einer mechanischen Spannung, die vertikale Widerstände einsetzen.
Mechanische Spannung verändert die elektronischen Parameter mikroelektronischer Bauelemente. Schaltungen, die von diesen Parametern oder absoluten Werten derselben abhängen, wie z. B. Hall-Sensoren, Konstantstromquellen und bandlückengeregelte Referenzspannungen, können unter einer Spannungsverschiebung bzw. -drift leiden. Die Verschiebung dieser Schaltungen kann durch Messen der mechanischen Spannung und Kompensieren der resultierenden Verschiebung für diese gemessene Spannungsveränderung reduziert werden.
Spannungssensoren können durch Vergleichen zweier unterschiedlicher diffundierter oder implantierter Widerstände, wie z. B. eines lateralen p-Typ-Widerstands mit einem lateralen n-Typ-Widerstand oder eines lateralen n-Typ-Widerstands mit einem vertikalen n-Typ-Widerstand, hergestellt werden. Erstere können unter unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten zwischen p- und n-Typ-Widerständen leiden. Während letztere über eine viel bessere Anpassung von Temperaturkoeffizienten verfügen, besteht dennoch ein merklicher Unterschied bei diesen Koeffizienten zwischen vertikalen und lateralen n-Typ-Widerständen. In der Praxis werden in der CMOS-Technologie typischerweise unterschiedliche n-Mulden für laterale und vertikale Widerstände verwendet, so dass der Temperaturkoeffizient, der von dem Dotierungspegel abhängt, nichtidentisch ist. Zusätzlich muss üblicherweise mit einer erheblichen Technologieausbreitung zwischen unterschiedlichen Dotierungspegeln gerungen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sensorbauelement, ein Verfahren zum Erfassen einer Spannung oder eine Schaltung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Spannungserfassungsbauelemente und -verfahren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Sensorbauelement eine aktive Schicht; und zumindest drei Kontakte auf, die voneinander in der aktiven Schicht beabstandet sind, wobei die zumindest drei Kontakte für einen ersten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein erstes Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist, in einer ersten Konfiguration und für einen zweiten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein zweites Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten aufweist, in einer zweiten Konfiguration, die sich von der ersten unterscheidet, koppelbar sind, wobei ein Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus auf eine mechanische Spannung in dem Sensorbauelement bezogen ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Erfassen einer Spannung in einem Sensorbauelement ein Koppeln eines ersten Sensorbauelements und eines zweiten Sensorbauelements, die senkrecht zueinander auf einem Halbleiterwafer angeordnet sind; Induzieren eines Stromsflusses in einer aktiven Schicht des ersten und des zweiten Sensorbauelements in einem ersten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in jedem des ersten bzw. zweiten Sensorbauelements in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines ersten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten des ersten und des zweiten Sensorbauelements, die in einer ersten Betriebsmoduskonfiguration gekoppelt sind, wobei der erste Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten in den aktiven Schichten des ersten und des zweiten Sensorbauelements bezogen ist; Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht des ersten und des zweiten Sensorbauelements in einem zweiten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in jedem des ersten bzw. zweiten Sensorbauelements in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines zweiten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten des ersten und des zweiten Sensorbauelements, die in einer zweiten Betriebsmoduskonfiguration gekoppelt sind, wobei der zweite Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten in den aktiven Schichten des ersten und des zweiten Sensorbauelements bezogen ist; Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands; und Bestimmen einer mechanischen Spannung basierend auf dem Verhältnis auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Erfassen einer Spannung ein Koppeln eines ersten Sensorbauelements und eines zweiten Sensorbauelements, die. senkrecht zueinander auf einem Halbleiterwafer angeordnet sind; Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht des ersten Sensorbauelements in einem ersten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines ersten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten, die in einer ersten Betriebsmoduskonfiguration des ersten Sensorbauelements gekoppelt sind, wobei der erste Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponente in der aktiven Schicht des ersten Sensorbauelements bezogen ist; Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht des zweiten Sensorbauelements in einem zweiten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines zweiten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten, die in einer zweiten Betriebsmoduskonfiguration des zweiten Sensorbauelements gekoppelt sind, wobei der zweite Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten in der aktiven Schicht des zweiten Sensorbauelements bezogen ist; Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands; und Bestimmen einer mechanischen Spannung basierend auf dem Verhältnis auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist eine Schaltung ein aktives Volumen; zumindest drei Kontakte, die voneinander in dem aktiven Volumen beabstandet sind, wobei die zumindest drei Kontakte für einen ersten Betriebsmodus, bei dem ein Strom in dem aktiven Volumen ein erstes Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist, in einer ersten Konfiguration und für einen zweiten Betriebsmodus, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein zweites Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten aufweist, in einer zweiten Konfiguration, die sich von der ersten unterscheidet, koppelbar sind, wobei das erste und das zweite Verhältnis auf zumindest eine Grenzbedingung an den zumindest drei Kontakten bezogen sind, wobei ein Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus auf eine mechanische Spannung in dem Sensorbauelement bezogen ist; und einen Speicher, der konfiguriert ist, um ein Referenzverhältnis für einen Vergleich mit dem Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus zu speichern, auf.
Die Erfindung ist bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
1 ein Seitenansichts-Querschnitts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2A ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2B ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2C ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2D ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2E ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2F ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3A ein Seitenansichts-Querschnittsdiagramm eines Stromflusses in einem Spannungssensorbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3B ein Seitenansichts-Querschnittsdiagramm eines Stromflusses in einem Spannungssensorbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3C ein Seitenansichts-Querschnittsdiagramm eines Stromflusses in einem Spannungssensorbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3D ein Seitenansichts-Querschnittsdiagramm eines Stromflusses in einem Spannungssensorbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4A ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements mit L-Entwurf gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4B ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements mit L-Entwurf gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5A ein Seitenansichts-Querschnittsdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5B ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5C ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5D ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5E ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5F ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5G ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5H ein Draufsichts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
6 ein Seitenansichts-Querschnitts-Blockdiagramm eines Spannungssensorbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Während die Erfindung zugänglich für zahlreiche Modifizierungen und alternative Formen ist, werden spezifische Details derselben beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und detailliert beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein soll. Im Gegenteil sollen alle Modifizierungen, Äquivalente und Alternativen, die in die Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, fallen, abgedeckt sein.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Spannungssensoren und Verfahren zum Erfassen von Spannung. Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Spannungssensor einen vertikalen Widerstand auf. Der vertikale Widerstand kann beispielsweise einen n-Typ-Widerstand aufweisen und kann verschiedene Betriebsmodi besitzen. Die verschiedenen Betriebsmodi können von einer Kopplungskonfiguration von Anschlüssen des Widerstands abhängen und können variierende Piezokoeffizienten mit sehr ähnlichen Temperaturkoeffizienten von Widerständen bereitstellen. Vergleiche von Widerständen und Piezokoeffizienten bei unterschiedlichen Betriebsmodi können ein Maß mechanischer Spannungen, die auf das Bauelement wirken, bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Spannungssensor mit einem Widerstandsbauelement 100 dargestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement 100 drei Kontakte oder Anschlüsse auf, was für einen Betrieb des Bauelements 100 in zumindest zwei Betriebsmodi mit unterschiedlichen Piezokoeffizienten sorgt. Da der effekive Piezokoeffizient des Widerstands von dem Betriebsmodus abhängt, ist ein Vergleich von Widerstandswerten aus unterschiedlichen Betriebsmodi ein eindeutiges Maß für die mechanische Spannung, die auf das Bauelement 100 wirkt.
In 1 ist das Bauelement 100 lateral symmetrisch, wie auf der Seite dargestellt ist, und weist fünf Kontakte auf: drei Mittelkontakte 102, 104 und 104' und zwei äußere Kontakte 108 und 108'. Die Kontakte 102, 104, 104', 108 und 108' sind in einer Epitaxieschicht 110 gebildet, wobei die Mittelkontakte 102, 104 und 104' von den äußeren Kontakten 108 und 108' durch zwei Isolierungsregionen 106 und 106' getrennt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement 100 eine vergrabene n-Schicht unter der Epitaxieschicht 110 auf, die selbst eine niedrig n-dotierte Region ist, die einen Kurzschluss an der Unterseite der Schicht 110 einrichtet, wie im Folgenden detaillierter erläutert werden wird. Das Bauelement 100 weist außerdem einen Graben 112 (2) zum Trennen des Bauelements 100 von dem Rest des Chips auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Kontakte 102, 104 und 104' Flach-n + S/D-Diffusionen mit einer Tiefe von etwa 0,2 μm und einer Breite von etwa 2,5 μm. Die Kontakte 102 und 104 und 102 und 104' sind bei einem Ausführungsbeispiel jeweils um etwa 2,5 μm beabstandet. Die Isolierungsregionen 106 und 106' sind 1,3 μm tiefe p-Wannen, die bei einem Ausführungsbeispiel von den Kontakten 104 bzw. 104' um etwa 0,7 μm beabstandet sind, während die äußeren Kontakte 108 und 108' bei einem Ausführungsbeispiel n-CMOS-Mulden mit einer Tiefe von etwa 1 μm sind, die von den Isolierungsregionen 106 bzw. 106' um etwa 0,6 μm und von einem Ende der Epitaxieschicht 110 um etwa 0,8 μm beabstandet sind. Die verschiedenen Abmessungen, Beabstandungen und Konfigurationen sind lediglich beispielhaft für ein Ausführungsbeispiel und können bei anderen Ausführungsbeispielen variieren, wie im Folgenden detaillierter erläutert werden wird.
Ebenso Bezug nehmend auf 2 ist eine Mehrzahl exemplarischer Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die Größe, Anzahl, Konfiguration und/oder andere Charakteristika der Kontakte 102, 104, 104', 108 und 108' und Isolierungsregionen 106 und 106' variieren. Diese und andere Variationen liefern unterschiedliche Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Anzahl von Betriebsmodi (auf die Anzahl von Kontakten bezogen) und Konfigurationen der Kontakte, was den Widerstand beeinflusst. Bei 2A ähnelt ein Bauelement 200a dem Bauelement 100 dahin gehend, dass es Kontakte 102, 104, 104', 108 und 108' sowie Isolierungsregionen 106 und 106' aufweist, die jeweils in einer ähnlichen Weise beabstandet sind. Bei 2B hat ein Kontakt 102 eine unterschiedliche Größe. Bei 2C sind Kontakte 102, 104 und 104' ähnlich dimensioniert, wenn auch kleiner als bei dem Bauelement 200A aus 2A. Bei 2D weist ein Bauelement 200d zusätzliche Mittelkontakte 114, 116, 116', 118, 120 und 120' auf. Bei 2E ähnelt ein Bauelement 200e dem Bauelement 200c aus 2C, mit der Ausnahme, dass sich die Konfiguration von Isolierungsregionen 106 und 106' verändert hat. Bei 2F weist ein Bauelement 200f einen einzelnen Mittelkontakt 102 auf und besitzt eine ähnliche Konfiguration von Isolierungsregionen 106 und 106' wie diejenige des Bauelements 200e in 2E.
In den Bauelementen 100 und 200a–f hängt der Gesamtwiderstand in jedem Bauelement von der mechanischen Spannung, die auf das Bauelement wirkt, ab. Ein Messen der mechanischen Spannung jedoch ist schwierig, teilweise, da diese von der Temperatur abhängen kann. Bei Ausführungsbeispielen kann deshalb das Bauelement in Mehrmoden-Modi betrieben werden, die von Kopplungsanordnungen der Kontakte abhängen. Es ist erwünscht, dass bei einem der Modi gegenüber dem anderen ein größerer Teil des Stroms in einer vertikalen Richtung fließt. Dann können die Widerstände in den mehreren Modi verglichen werden, wobei eine Temperatur ausgeklammert wird, da sie über die mehreren Modi hinweg konstant ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine prozentuale Veränderung eines Widerstands zwischen zumindest zwei Betriebsmodi gemäß ΔR/R bestimmt, was gleich dem Piezokoeffizienten mal der mechanischen Spannung, die auf das Bauelement wirkt, ist.
Der Piezokoeffizient ist auf die Richtung eines Stromflusses in dem Bauelement bezogen, allgemein mit horizontaler und vertikaler Komponente. Wieder Bezug nehmend auf die 1 und 2A sowie auf 3A fließt, wenn ein Strom in einen oder mehrere der Kontakte des Bauelements 100 oder 200a injiziert wird, im Allgemeinen ein Strom in und durch die Epitaxieschicht 110. Der Strom fließt sowohl horizontal als auch vertikal, wobei unterschiedliche Verhältnisse horizontaler und vertikaler Komponenten durch die Epitaxieschicht 110 einen effektiven Piezokoeffizienten liefern. Im Allgemeinen sind Berechnungen hierin auf eine Spannung innerhalb einer Ebene eingeschränkt, wobei vertikale Spannung ignoriert wird, was für echte Integrierte-Schaltung-(IC-)Bausteine eine realistische Annahme ist.
3A bezieht sich auf einen ersten Betriebsmodus und das in den 1 und 2A dargestellte Ausführungsbeispiel, obwohl nur eine Hälfte, nämlich die rechte Hälfte, wie sie auf der Seite von 1 dargestellt ist, in 3A gezeigt ist. Bei diesem Betriebsmodus werden die Mittelkontakte 102, 104 und 104' auf 1 V gehalten, während die äußeren Kontakte 108 und 108' geerdet werden. Wie in 3A zu sehen ist, fließt der Strom hauptsächlich von den Mittelkontakten 102 und 104 vertikal nach unten durch die Epitaxieschicht 110 zu der vergrabenen Schicht, dann nach außen in der niederohmigen vergrabenen Schicht und nach oben zu dem äußeren Kontakt 108. Ein Teil des Stroms jedoch wird direkt von den Mittelkontakten 102 und 104 zu dem äußeren Kontakt 108 nebengeschlossen, wie in der Schicht 110 unter der Isolierungsregion 106 zu sehen ist. Ferner zeigen die Stromlinien, die hauptsächlich vertikal zu der vergrabenen Schicht fließen, eine gewisse Verteilung, was sowohl horizontale als auch vertikale Komponenten anzeigt. Dieses Gemisch horizontaler und vertikaler Komponenten fuhrt zu einer Mischung jeweiliger Piezokoeffizienten. In 3A ist unter der Annahme, dass die Horizontalachse des Bauelements 100 mit der [100]-Richtung des Siliziumkristalls ausgerichtet ist und die Vertikalachse mit der [001]-Richtung, der Widerstand gleich: R = R₀(1 + 43,83% / GPa·(σ₁₁ + σ₂₂) – 9,34% / GPa·(σ₁₁ – σ₂₂)) wobei Gpa Giga-Pascal bedeutet und gleich 10^9 N/m² ist, wobei N Newton bedeutet und m Meter.
In 3B sind Stromflusslinien in einem zweiten Betriebsmodus des Bauelements 100 gezeigt. Bei diesem Betriebsmodus kann der Kontakt 104 (und der Kontakt 104', nicht dargestellt angesichts der Tatsache, dass nur die rechte symmetrische Hälfte des Bauelements 102 in den 3A bis D gezeigt ist) floaten, während der Kontakt 102 bei 1 V gehalten wird und der äußere Kontakt 108 (und 108', nicht dargestellt) geerdet ist. Verglichen mit den Stromflusslinien in 3A weisen die Flusslinien in 3B eine größere horizontale Komponente auf und mehr Strom wird von dem Kontakt 104 zu dem Kontakt 108 nebengeschlossen. Der floatende Kontakt 104 (und 104') führt zu einem Kurzschlusseffekt. Der kleinere Mittelkontakt 102 führt zu einer stärkeren Ausbreitung der Stromflusslinien, ebenso in 3B sichtbar, was das Verhältnis horizontaler Komponenten erhöht. Es folgt, dass sich der Piezowiderstand dem laterale Widerstand annähert, der einen kleineren Piezokoeffizienten besitzt als der vertikale Widerstand. Der Widerstand für den Betriebsmodus aus 3B kann folgendermaßen ausgedrückt werden: R = R₀(1 + 31,00% / GPa·(σ₁₁ + σ₂₂) – 22,14% / GPa·(σ₁₁ – σ₂₂))
Stromflusslinien in dem Bauelement 100 in einem dritten Betriebsmodus sind in 3C dargestellt, bei dem der Kontakt 102 floatet, der Kontakt 104 (und 104') bei 1 V liegt und der Kontakt 108 (und 108') geerdet ist. Das piezoresistive Verhalten kann folgendermaßen ausgedrückt werden: R = R₀(1 + 39,64 / GPa·(σ₁₁ + σ₂₂) – 13,54 / GPa·(σ₁₁ – σ₂₂))
Ein vierter Betriebsmodus des Bauelements 100 ist in 3D dargestellt. In diesem Betriebsmodus floaten die Kontakte 102 und 104 (und 104'), der Kontakt 108' (in 3D nicht gezeigt) liegt bei 1 V und der Kontakt 108 ist geerdet. Der Piezowiderstand in diesem Modus beträgt: R = R₀(1 + 47,37 / GPa·(σ₁₁ + σ₂₂) – 5,46% / GPa·(σ₁₁ – σ₂₂))
In den vier Betriebsmodi der 3A bis D variiert die Piezoverschiebung bzw. -drift von Widerstandswerten in Bezug auf die Summe der Spannungen innerhalb einer Ebene von 47%/GPa bis 31% GPa, was sich um einen Faktor von mehr als 1,5 unterscheidet. Angesichts der wesentlichen Differenz können diese Messungen verwendet werden, um die mechanische Spannung zu extrahieren. Wie zuvor erwähnt wurde, kann dies bei einem Ausführungsbeispiel durch Betreiben des Bauelements 100 in zumindest zwei unterschiedlichen Betriebsmodi und Vergleichen der jeweils gemessenen Widerstände durchgeführt werden. Selbst bei einer Null-Spannung sind die Widerstände in unterschiedlichen Betriebsmodi nicht identisch, dies ist bei Ausführungsbeispielen jedoch unwichtig, da das Verhältnis von Null-Spannung-Widerständen aufgrund von Entwurfs- und Herstellungstoleranzen eine kleine Ausbreitung zeigt. Für grobe Spannungssensoren kann diese Ausbreitung bei Ausführungsbeispielen vernachlässigt werden, wobei ein gemessenes Verhältnis mit einem nominellen Wert, der theoretisch erhalten wird, verglichen wird, oder durch Charakterisierung typischer Produktionsserien. Für genauere Spannungssensoren kann das Verhältnis gemessen werden, z. B. auf der Waferebene vor einem Häusen, und das Verhältnis dann in einem chipinternen Speicher, wie z. B. EEPROM, Sicherungen oder einer bestimmten anderen Form, gespeichert werden. Während eines Betriebs an dem Einsatzort kann das gemessene Verhältnis mit dem gespeicherten Verhältnis verglichen werden, mit einer möglichen Abweichung aufgrund einer Spannungsdifferenz.
Bisher wurden Unterschiede normaler Spannungskomponenten vernachlässigt. Unter der Annahme, dass ein zweites Bauelement um [001] um 90° gedreht ist, wurde der horizontale Zugang in den 3A bis 3B dann [010] anstelle von [100] entsprechen. Der Piezowiderstand für dieses Bauelement wird bei einem Ausführungsbeispiel durch Austauschen von σ₁₁ durch σ₂₂ erhalten. So verändert sich das Vorzeichen des Differenzausdrucks, so dass die Differenzausdrücke gekürzt werden können, wenn zwei Bauelemente mit senkrechten Orientierungen eines Entwurfs verwendet und in Serie oder parallel geschaltet werden, ein sogenannter „L-Entwurf”, wobei ein Ausführungsbeispiel dessen in 4 dargestellt ist. In 4 stellt ein Bauelement 400 Serienverbindungen mit unterschiedlichem Modus von Bauelementen 200f dar, obwohl jedes beliebige Bauelement 100, 200a–f oder ein bestimmtes anderes geeignetes Spannungssensorbauelement bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. Das Verhältnis von R1/R2 zeigt eine mechanische Spannung in dem Bauelement 400 an.
Wie oben erläutert wurde, entfallen Temperaturprobleme, da ein einzelnes Bauelement in zwei Betriebsmodi verwendet wird und sich eine mögliche Temperaturabhängigkeit in dem Verhältnis von Widerstandswerten herauskürzt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dies unter Verwendung einer konstanten Spannungsvorspannung, und keiner konstanten Stromvorspannung erzielt, da letztere die Potentiale gegenüber Temperatur und Spannung verändert und deshalb auch die genaue Geometrie der aktiven Fläche aufgrund einer Modulation von Raumladungsschichten.
Oben erläuterte Ausführungsbeispiele können die Technologie einer vergrabenen n-Schicht einsetzen, obwohl auch andere Ausführungsbeispiele ohne eine derartige Schicht implementiert werden können. Wenn an der Unterseite der Epitaxieschicht 110 kein Kurzschluss vorliegt, können unterschiedliche Verhältnisse eines horizontalen zu vertikalen Stromflusses durch Variieren der Beabstandung zwischen Kontakten erzielt werden. Unter Bezugnahme auf 5A dominieren, wenn ein Strom zwischen zwei Kontakten C1 und C3 fließt, die um eine Strecke beabstandet sind, die größer ist als die Tiefe eines aktiven Volumens 510, horizontale Komponenten gegenüber vertikalen Komponenten. Wenn die Kontakte näher sind als die Tiefe, wie z. B. für C1 und C2, schlagen die Stromflusslinien einen halbkreisförmigen Weg ein, wobei horizontale und vertikale Komponenten näher beieinander sind. Ein Bauelement 500 weist außerdem Isolierungsgräben oder -schalen 506 auf.
Eine weitere Ansicht ist in 5B gezeigt. Ein Bauelement 500b weist drei Kontakte C1, C2 und C3 auf, die bei einem Ausführungsbeispiel in einer niedrig n-dotierten Region 510 angeordnet sind. Die Kontakte C1 und C2 und C2 und C3 sind jeweils durch Isolierungsgräben 506' und 506 getrennt. Ein p-Substrat 512 isoliert einen äußeren Abschnitt des Bauelements 500. Verhältnisse von Widerständen zwischen C2–C1 und C3–C1 sowie C2–C3 und C3–C1 zeigen eine mechanische Spannung an.
Eine weitere Konfiguration, als Bauelement 500c gezeigt, ist in 5C dargestellt, in der die Konfiguration des Kontakts C2 verändert ist. Die gleichen verschiedenen Verhältnisse von Widerständen sind in dem Bauelement 500c verfügbar, wie oben in Bezug auf das Bauelement 500b erläutert wurde. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 5D dargestellt, bei der Trennungsgräben 506 und 506' weggelassen sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 5E, bei dem ein Kontakt C2 relativ zu Kontakten C1 und C3 klein ist, ist das Verhältnis eines Widerstands zwischen C2–C1 und C2–C3 im Allgemeinen unabhängig von einer mechanischen Spannung. Das Verhältnis eines Widerstands zwischen C2–C1 und C3–C1 hängt von einer Spannung ab. Da die Strecke von C3–C1 größer ist als diejenige zwischen C2–C1, würde dies zu einem größeren Widerstand zwischen C3–C1 führen als zwischen C2–C1, wenn alle Kontakte C1, C2, C3 die gleiche Größe besitzen. Wenn beispielsweise C2 kleiner gemacht ist, nimmt der Widerstand von C2–C1 zu. So kann ein Vorteil bei Ausführungsbeispielen darin bestehen, die Größe von C2 zu reduzieren, so dass bei einer Null-Spannung der Widerstand zwischen C2–C1 gleich dem Widerstand zwischen C3–C1 ist.
In 5F ist der Widerstand zwischen C1–C2 geringer als derjenige zwischen C1–C3 oder C2–C3, was diese Konfiguration weniger attraktiv macht. Das Verhältnis von Widerständen zwischen C2–C1 und C3–C1 jedoch zeigt eine mechanische Spannung an.
Eine weitere Konfiguration ist in 5G dargestellt. Ein Bauelement 500g aus 5G hat zwei Blöcke von Kontakten, C und B. Obwohl dieses hier allgemein als die gleiche Größe und die gleiche Anzahl von Kontakten aufweisend dargestellt ist, muss dies bei anderen Ausführungsbeispielen nicht der Fall sein. Ein erster Widerstand kann zwischen C22 und B22 oder einem beliebigen anderen Paar von Kontakten gemessen werden. Ein zweiter Widerstand kann zwischen allen C-Kontakten, kurzgeschlossen über Schalter, und allen B-Kontakten, ebenso über Schalter kurzgeschlossen, gemessen werden. Das Verhältnis beider Widerstände zeigt eine mechanische Spannung in dem Bauelement 500g an.
5H stellt ein Bauelement 500h mit Rotationssymmetrie dar. Der Widerstand zwischen C2–C1 kann ähnlich entworfen sein wie der Widerstand zwischen C3–C1. Das Verhältnis von Widerständen zwischen C2–C1 und C3–C1 zeigt eine mechanische Spannung an, wie auch das Verhältnis zwischen C2–C1 und C2–C3. Eine Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Spannung ist umso größer, wenn C3 so groß ist wie C1 und C2 relativ kleiner. Bei einem Ausführungsbeispiel ist 510 eine n-dotierte Epitaxieschicht und 512 eine p-dotierte Isolierungsschicht, wie bei anderen Ausführungsbeispielen. Ein Vorteil des Ausführungsbeispiels aus 5H besteht darin, dass ein L-Entwurf, wie er in 4 dargestellt ist, intrinsisch ist, was den Bedarf nach einem zweiten Bauelement 500 zum Aufheben der Ausdrücke σ₁₁–σ₂₂ bei dem Widerstand beseitigt.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die Spannungserfassungsbauelemente Schalter auf, um die Kontakte zu koppeln und zu entkoppeln, um unterschiedliche Betriebsmodi zu erzielen. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie z. B. demjenigen, das in 6 dargestellt ist, können die Schalter MOS-Schalter aufweisen, die in das Spannungserfassungsbauelement integriert sind. In einem Bauelement 600 wird ein Strom über einen Kontakt C geliefert, der mit einer stark dotierten p-Source/Drain-Diffusion, p + S/D, gekoppelt ist. Wenn große Potentiale an G1 und G2 geliefert werden, kann sich unter diesen Gates kein Inversionskanal entwickeln. Wenn eine ausreichende Spannung bei C angelegt ist, wird der pn-Übergang zwischen der p + S/D und der n-CMOS-Mulde in Durchlassrichtung vorgespannt und Strom wird in die n-Epitaxieschicht injiziert, der nach unten zu der vergrabenen Schicht fließt, dann auf der rechten Seite wieder nach oben, wo ein ohmscher Kontakt bei B über eine n + S/D-Diffusion angelegt ist. Durch Anlegen niedriger Potentiale bei G1 und/oder G2 entwickeln sich Kanäle unter den Gates und der Strom wird über eine größere Fläche des Bauelements 600 verteilt. So besitzt der Strom mehr vertikale Anteile, in durchgezogenen Pfeilen gezeigt, und der Widerstand des Bauelements 600 besitzt in diesem Betriebsmodus einen größeren Piezokoeffizienten. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die p + S/D-Diffusionen links und rechts weggelassen, obwohl ein Vorteil dieser Regionen darin besteht, dass, wenn G1 und G2 aus sind, die Kontakte keine Kurzschlusswirkung auf den Strom haben, da sie nicht leitend sind. Nachteilig sind zusätzliche Komplexität, ein spezielles Bauelement und die Tatsache, dass immer ein Durchlassdiodenspannungsabfall zusätzlich zu dem Piezowiderstand vorliegt, der extrahiert werden sollte.
In Betrieb können Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden, um Fließbandprozesse zu überwachen und Veränderungen oder Fehler daran zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ können Ausführungsbeispiele in Modulen angebracht sein und verwendet werden, um Widerstandsverhältnisse wie erläutert auszulesen, um Chiprisse beim Umgießen (Overmolding) zu erfassen. Weitere Verwendungen, Konfigurationen und Implementierungen kommen ebenso in Betracht.
Verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Bauelementen und Verfahren wurden beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft erfolgt und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsbeispiele, die beschrieben wurden, in verschiedenen Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsbeispiele zu erzeugen. Ferner können, während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Implantierungsorte usw. zur Verwendung bei offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, andere außer den offenbarten eingesetzt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu überschreiten.
Fachleute auf dem relevanten Gebiet werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale als bei jedem beliebigen einzelnen oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt aufweisen kann. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine ausschließliche Darstellung der Weisen sein, in denen die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Entsprechend sind die Ausführungsbeispiele keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale aufweisen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsbeispielen ausgewählt werden, wie für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen ist.
Jegliche Beinhaltung durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist derart eingeschränkt, dass kein Gegenstand eingeschlossen ist, der im Gegensatz zu der ausdrücklichen Offenbarung hierin steht. Jegliche Beinhaltung durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist ferner derart eingeschränkt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten beinhaltet sind, hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jegliche Beinhaltung durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist weiterhin derart eingeschränkt, dass mögliche Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt werden, hierin nicht durch Bezugnahme aufgenommen sind, es sei denn, sie sind ausdrücklich hierin eingeschlossen.
Zu Zwecken einer Interpretation der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die Bestimmungen von Abschnitt 112, Absatz 6 von 35 U. S. C. nicht angerufen werden sollen, es sei denn, die spezifischen Ausdrücke „Einrichtung zum” oder „Schritt zum” sind in einem Anspruch genannt.

Claims

Sensorbauelement, das folgende Merkmale aufweist: eine aktive Schicht; und zumindest drei Kontakte (102, 104, 104'), die voneinander in der aktiven Schicht beabstandet sind, wobei die zumindest drei Kontakte für einen ersten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein erstes Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten im Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist, in einer ersten Konfiguration und für einen zweiten Betriebsmodus des Sensorbauelements, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein zweites Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten aufweist, in einer zweiten Konfiguration, die sich von der ersten unterscheidet, koppelbar sind, wobei ein Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus auf eine mechanische Spannung in dem Sensorbauelement bezogen ist.
Sensorbauelement gemäß Anspruch 1, das ferner zumindest zwei Isolierungsregionen (106, 106') aufweist, wobei eine erste Isolierungsregion zwischen einem ersten und einem zweiten der zumindest drei Kontakte angeordnet ist und eine zweite Isolierungsregion zwischen einem zweiten und einem dritten der zumindest drei Kontakte angeordnet ist.
Sensorbauelement gemäß Anspruch 2, bei dem die zumindest zwei Isolierungsregionen p-dotierte Isolierungsmulden aufweisen.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner einen Isolierungsgraben (112) aufweist, der einen Umfang der aktiven Schicht im Wesentlichen umgibt.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die aktive Schicht eine Epitaxieschicht aufweist.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner eine vergrabene Schicht unter der aktiven Schicht aufweist.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zumindest drei Kontakte symmetrisch um eine Achse in der aktiven Schicht angeordnet sind.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest einer der zumindest drei Kontakte aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine n + S/D-Diffusion und eine n-CMOS-Mulde umfasst.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Sensorbauelement rotationsmäßig symmetrisch ist.
Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner ein zweites Sensorbauelement aufweist, das senkrecht zu dem Sensorbauelement in einem Halbleiterwafer angeordnet ist.
Verfahren zum Erfassen einer Spannung in einem Sensorbauelement, das folgende Schritte aufweist: Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht in zumindest zwei Betriebsmodi, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines ersten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten, die in einer ersten Konfiguration eines ersten Betriebsmodus gekoppelt sind, wobei der erste Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten bezogen ist; Messen eines zweiten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten, die in einer zweiten Konfiguration eines zweiten Betriebsmodus gekoppelt sind, wobei sich die zweite Konfiguration von der ersten Konfiguration unterscheidet und der zweite Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten bezogen ist; Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands; und Bestimmen einer mechanischen Spannung, die auf ein Bauelement wirkt, basierend auf dem Verhältnis.
Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner ein Bilden des Sensorbauelements mit der aktiven Schicht und den zumindest drei Kontakten aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, das ferner ein Speichern eines Referenzverhältnisses in einem Speicher des Sensorbauelements aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner ein Vergleichen des Verhältnisses des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands mit dem Referenzverhältnis, um eine Verschiebung zu bestimmen, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem das Referenzverhältnis während eines Wafertests gespeichert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem das Referenzverhältnis während eines Hochfahrens des Sensorbauelements gespeichert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, das ferner ein Messen des ersten und des zweiten Widerstands unter konstanter Spannungsvorspannung aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Spannung, das folgende Schritte aufweist: Koppeln eines ersten Sensorbauelements und eines zweiten Sensorbauelements, die senkrecht zueinander auf einem Halbleiterwafer angeordnet sind; Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht des ersten und des zweiten Sensorbauelements in einem ersten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in jedem des ersten bzw. zweiten Sensorbauelements in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines ersten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten, des ersten und des zweiten Sensorbauelements; die in einer ersten Betriebsmoduskonfiguration gekoppelt sind, wobei der erste Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten in den aktiven Schichten des ersten und des zweiten Sensorbauelements bezogen ist; Induzieren eines Stromflusses in einer aktiven Schicht des ersten und des zweiten Sensorbauelements in einem zweiten Betriebsmodus, wobei der Strom eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente in jedem des ersten bzw. zweiten Sensorbauelements in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist; Messen eines zweiten Widerstands zwischen zweien von zumindest drei Kontakten des ersten und des zweiten Sensorbauelements, die in einer zweiten Betriebsmoduskonfiguration gekoppelt sind, wobei der zweite Widerstand auf ein Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponenten in den aktiven Schichten des ersten und des zweiten Sensorbauelements bezogen ist; Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands; und Bestimmen einer mechanischen Spannung basierend auf dem Verhältnis.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Koppeln des ersten Sensorbauelements und des zweiten Sensorbauelements ein In-Serie-Schalten des ersten Sensorbauelements und des zweiten Sensorbauelements aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Koppeln des ersten Sensorbauelements und des zweiten Sensorbauelements ein Parallel-Schalten des ersten Sensorbauelements und des zweiten Sensorbauelements aufweist.
Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: ein aktives Volumen; zumindest drei Kontakte, die voneinander in dem aktiven Volumen beabstandet sind, wobei die zumindest drei Kontakte für einen ersten Betriebsmodus, bei dem ein Strom in dem aktiven Volumen ein erstes Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten in Bezug auf eine Chipoberfläche aufweist, in einer ersten Konfiguration und für einen zweiten Betriebsmodus, bei dem ein Strom in der aktiven Schicht ein zweites Verhältnis horizontaler zu vertikaler Komponenten aufweist, in einer zweiten Konfiguration, die sich von der ersten unterscheidet, koppelbar sind, wobei das erste und das zweite Verhältnis auf zumindest eine Grenzbedingung an den zumindest drei Kontakten bezogen sind, wobei ein Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus auf eine mechanische Spannung in dem Sensorbauelement bezogen ist; und einen Speicher, der konfiguriert ist, um ein Referenzverhältnis zum Vergleich mit dem Verhältnis eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem ersten Betriebsmodus und eines Widerstands zwischen zumindest zweien der Kontakte in dem zweiten Betriebsmodus zu speichern.
Schaltung gemäß Anspruch 21, bei der der Widerstand in dem ersten Betriebsmodus und der Widerstand in dem zweiten Betriebsmodus jeweils einen Piezokoeffizienten aufweisen.
Schaltung gemäß Anspruch 21 oder 22, bei der der Piezokoeffizient auf die zumindest eine Grenzbedingung bezogen ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, bei der das aktive Volumen ein Umfang ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, die ferner zumindest einen Schalter aufweist, der konfiguriert ist, um die zumindest drei Kontakte in die erste Konfiguration und die zweite Konfiguration zu schalten.