DE102014212651B4

DE102014212651B4 - Widerstandselement mit spezifischem Piezowiderstandskoeffizienten, stresskompensiertes Sensorsystem und Verfahren

Info

Publication number: DE102014212651B4
Application number: DE102014212651.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: US20160245880A1; US9322840B2; US20150002145A1; DE102014212651A1; US10247788B2

Abstract

Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten, wobei das Widerstandselement umfasst:eine Widerstandsregion eines einzigen Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst;eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist;eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist;wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur zu generieren, wobei die Stromflussverteilung eine laterale Komponente und eine vertikale Komponente aufweist;wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird;wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt;wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; undwobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.

Description

GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf ein Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten und auf ein Verfahren zum Betreiben desselben.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass die strombezogene Magnetempfindlichkeit von Hall-Platten in (100)-Silicium durch einen mechanischen Stress beeinträchtigt wird gemäß der Gleichung $S_{i} (T, σ) = S_{i} (T,0) \cdot (1 + P_{n, H a l l} (T) σ),$
worin $P_{n, H a l l} = P_{12} = 45 % / G p a$
der Piezo-Hall-Effekt und σ die Summe der HauptStresskomponenten in der Oberfläche des Chips ist.
Die gesamte Magnetempfindlichkeit einer Hall-Platte ist $S = \frac{δ v_{o u t}}{δ B_{Z}} = S_{i} \cdot I,$
wobei I der Strom durch die Hall-Platte, Vout die Ausgangsspannung der Hall-Platte und B_Z die magnetische Induktion ist, die rechtwinklig zur Hall-Platte ist und auf die Hall-Platte wirkt.
Wenn der Strom durch die Hall-Platte auch auf demselben Siliciumchip generiert wird, wird er auch durch denselben mechanischen Stress beeinflusst, insbesondere falls der Stromgenerator nahe bei der Hall-Platte angeordnet ist.
Die DE 10 2011 004 848 A1 offenbart ein Sensorbauelement mit einer aktiven Schicht und zumindest drei Kontakten, 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.
Die DE 10 2008 051 949 A1 offenbart eine integrierte Schaltung mit einem Halbleiterchip und einem Belastungserfassungselement, das einen ersten lateralen Widerstand und einen ersten vertikalen Widerstand aufweist, wobei das Belastungserfassungselement in dem Halbleiterchip gebildet ist und konfiguriert ist, um einen Pegel von zumindest einer Belastungskomponente innerhalb des Halbleiterchips anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen. Das Widerstandselement umfasst eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur. Das Halbleitersubstrat umfasst einen ersten Hauptflächenbereich. Die Widerstandsregion erstreckt sich in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich, ist gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert und umfasst für eine (spezifische) Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung. Die erste Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist. Die zweite Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist, welche von der ersten Distanz verschieden ist. Das Widerstandselement ist angepasst, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente (oder Anteil) und einer vertikalen Komponente (oder Anteil) zu generieren, wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Dadurch ist das Widerstandselement so ausgelegt, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt. Dadurch kann der spezifische Piezowiderstandskoeffizient beispielsweise einen Wert im Bereich zwischen +3*10^(-10)/Pa und +6*10^(-10)/Pa mal der Summe von Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich aufweisen.
Ein Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten wird gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen. Das Widerstandselement umfasst eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur. Das Halbleitersubstrat umfasst einen ersten Hauptflächenbereich. Die Widerstandsregion erstreckt sich in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich, in einer zweiten lateralen Richtung, die von der ersten lateralen Richtung verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich, ist gegen das Halbleitersubstrat in den lateralen Richtungen isoliert und umfasst für eine (spezifische) Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der von dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten und dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung. Die erste Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist. Die zweite Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist, welche von der ersten Distanz verschieden ist. Das Widerstandselement ist angepasst, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer ersten lateralen Komponente (oder Anteil), einer zweiten lateralen Komponente (oder Anteil) und einer vertikalen Komponente (oder Anteil) zu generieren, wobei eine Kombination der ersten lateralen Komponente, der zweiten lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten führt, der durch das Verhältnis zwischen der ersten lateralen Komponente in der ersten lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, der zweiten lateralen Komponente in der zweiten lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung, und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Dadurch ist das Widerstandselement so ausgelegt, dass ein Verhältnis zwischen der ersten lateralen Komponente, der zweiten lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt. Dadurch kann der spezifische Piezowiderstandskoeffizient beispielsweise einen Wert im Bereich zwischen +3*10^(-10)/Pa und +6*10^(-10)/Pa mal der Summe von Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich aufweisen.
Ein Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten wird gemäß noch einer weiteren Ausführungsform vorgesehen. Das Widerstandselement umfasst eine erste Widerstandsregion und eine zweite Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, eine ersten Kontaktstruktur, eine zweite Kontaktstruktur, eine dritte Kontaktstruktur und eine vierte Kontaktstruktur. Das Halbleitersubstrat umfasst einen ersten Hauptflächenbereich. Die erste Widerstandsregion und die zweite Widerstandsregion erstrecken sich in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich, sind gegeneinander und gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert und umfassen für eine (spezifische) Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung. Die erste Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der ersten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist. Die zweite Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der ersten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche der ersten Widerstandsregion verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist, welche von der ersten Distanz verschieden ist. Die dritte Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der zweiten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich und in einer dritten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist. Die vierte Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der zweiten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche der zweiten Widerstandsregion verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vierten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist, welche von der dritten Distanz verschieden ist. Dadurch sind die zweite Kontaktstruktur und die vierte Kontaktstruktur miteinander verbunden. Das Widerstandselement ist ausgelegt, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der ersten Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente (oder Proportion) und einer vertikalen Komponente (oder Proportion) zu generieren, und, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der dritten Kontaktstruktur und vierten Kontaktstruktur angelegt wird, eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der zweiten Widerstandsregion zwischen der dritten Kontaktstruktur und der vierten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente (oder Anteil) und einer vertikalen Komponente (oder Anteil) zu generieren. Eine Kombination der lateralen Komponenten und der vertikalen Komponenten innerhalb der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsregion führt zu einem Piezowiderstandskoeffizienten, der durch das Verhältnis zwischen den lateralen Komponenten in der lateralen Richtung mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und den vertikalen Komponenten in der vertikalen Richtung mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Dadurch ist das Widerstandselement so ausgelegt, dass ein Verhältnis zwischen den lateralen Komponenten und den vertikalen Komponenten innerhalb der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt. Dadurch kann der spezifische Piezowiderstandskoeffizient beispielsweise einen Wert im Bereich zwischen 3*10^(-10)/Pa und +6*10^(-10)/Pa mal der Summe von Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich aufweisen.
Ein Widerstandselement wird in noch einer weiteren Ausführungsform vorgesehen. Das Widerstandselement umfasst eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, und Kontakte. Das Halbleitersubstrat umfasst einen Hauptflächenbereich und erstreckt sich in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich, in einer zweiten lateralen Richtung, die von der ersten lateralen Richtung verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig sowohl zur ersten lateralen Richtung als auch zweiten lateralen Richtung. Die Widerstandsregion erstreckt sich in wenigstens einer von der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung zwischen lateralen Grenzen und in einer Out-of-Plane-Richtung (Aus-der-Ebene-Richtung) zwischen einer oberen und unteren Grenze, wobei die Out-of-Plane-Richtung von allen möglichen linearen Kombinationen der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung verschieden ist, wobei die Widerstandsregion entlang seinen lateralen Grenzen gegen das Halbleitersubstrat isoliert ist. Die Kontakte sind wenigstens an Bereichen der oberen und unteren Grenze der Widerstandsregion angeordnet. Die Widerstandsregion umfasst einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der ersten lateralen Richtung und eine spezifische Stresskomponente und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der vertikalen Richtung und dieselbe spezifische Stresskomponente. Wenigstens einer der Kontakte ist ausgelegt, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an den jeweiligen Kontakt angelegt wird, ein Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion zu generieren. Die für das Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion vorgegebenen Grenzbedingungen sind so, dass der Widerstand zwischen zweien der Kontakte einen Piezowiderstandskoeffizientenwert zwischen den Werten des ersten Piezowiderstandskoeffizienten und des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten umfasst.
Ein Verfahren zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einem Widerstandselement wird in noch einer weiteren Ausführungsform vorgesehen. Dadurch umfasst das von dem mechanischen Stress abhängige Signal eine spezifische mechanische Stressabhängigkeit, die durch einen spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements definiert wird. Das Widerstandselement umfasst eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst. Die Widerstandsregion erstreckt sich in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich, ist gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert und umfasst für eine (spezifische) Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung. Die erste Kontaktstruktur ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion parallel zum Hauptflächenbereich in Kontakt zu stehen, wobei die zweite Kontaktstruktur eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion, die von der ersten Fläche verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, in Kontakt zu stehen. Das Verfahren umfasst das Anlegen eines Eingangssignals an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur, um eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente und einer vertikalen Komponente zu generieren, wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Dadurch ist das Widerstandselement so ausgelegt, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt.
Figurenliste
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.

1(a) zeigt eine Querschnittansicht eines Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
1(b) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
1(c) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
1(d) zeigt eine dreidimensionale Querschnittansicht des Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
1(e) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt ein Blockbild eines Hall-Sensors gemäß Stand der Technik;
3(a) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements;
3(b) zeigt eine Draufsicht des Widerstandselements, das in 3(a) gezeigt ist;
4 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht der linken Hälfte des Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
5(a) zeigt eine dreidimensionale Querschnittansicht des in 4 gezeigten gezeigten Widerstandselements und Stromkraftlinien innerhalb der Widerstandsregion ansprechend auf ein Signal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur angelegt wird;
5(b) zeigt eine Querschnittansicht des in 4 gezeigten Widerstandselements und Stromkraftlinien innerhalb der Widerstandsregion ansprechend auf ein Signal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur angelegt wird;
5(c) zeigt eine dreidimensionale Querschnittansicht des in 4 gezeigten Widerstandselements und eine potenzielle Verteilung innerhalb der Widerstandsregion ansprechend auf ein Signal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird;
6(a) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
6(b) zeigt eine Draufsicht des in 6(a) gezeigten Widerstandselements gemäß einer Ausführungsform;
7 zeigt ein Blockbild eines Sensorsystems; und
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit.

Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder äquivalenten Bezugszahlen bezeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details ausgeführt, um eine genauere Erklärung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorzusehen. Fachleuten ist jedoch klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockbildform anstatt im Detail gezeigt, um zu vermeiden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unklar werden. Zusätzlich können Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen, die hier im Nachstehenden beschrieben werden, miteinander kombiniert werden, wenn nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
1(a) zeigt eine Querschnittansicht eines Widerstandselements 100 mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten π_R. Das Widerstandselement 100 umfasst eine Widerstandsregion 102, die in einem Halbleitersubstrat 104 gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur 106 und eine zweite Kontaktstruktur 108.
Die Widerstandsregion 102 kann von einem einzigen Leitfähigkeitstyp sein. Beispielsweise kann der einzige Leitfähigkeitstyp eine n-Typ-Leitfähigkeit (z.B.n-dotiert) oder eine p-Typ-Leitfähigkeit (z.B. p-dotiert) sein. Natürlich ist es auch möglich, dass die Widerstandsregion 102 beides ist, p-dotiert und n-dotiert, wobei einer der beiden Dotierungstypen über den anderen dominiert (z.B. eine schwache Hintergrunddotierung).
Die Widerstandsregion 102 erstreckt sich in einer ersten Richtung parallel zu einem Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 und in einer zweiten Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich 110, ist gegen das Halbleitersubstrat 104 in der ersten Richtung isoliert und umfasst für eine (spezifische) mechanische Stresskomponente einen Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für einen Stromfluss in der ersten Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizient π_R1 verschieden ist, für einen Stromfluss in der zweiten Richtung.
Es ist zu beachten, dass ein Piezowiderstandskoeffizient als Änderung im Widerstand entlang einem Weg in einer Richtung, geteilt durch eine Änderung bei dem mechanischen Stress, definiert werden kann. Beispielsweise kann der erste Piezowiderstandskoeffizient π_R1 als Änderung im elektrischen Widerstand entlang einem Weg in der ersten Richtung, geteilt durch eine Änderung bei dem mechanischen Stress, definiert werden. Ähnlich kann der zweite Piezowiderstandskoeffizient π_R2 als Änderung im im elektrischen Widerstand entlang einem Weg in der zweiten Richtung, geteilt durch eine Änderung bei dem mechanischen Stress, definiert werden.
Die erste Kontaktstruktur 106 ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche 112 der Widerstandsregion 102 in Kontakt zu stehen, die (im Wesentlichen) parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 positioniert ist.
Die zweite Kontaktstruktur 108 ist eingerichtet, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche 114 der Widerstandsregion 102 in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche 112 verschieden, (im Wesentlichen) parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 positioniert ist, welche von der ersten Distanz verschieden ist.
Das Widerstandselement 102 ist angepasst, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine (gesamte) Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion 102 zwischen der ersten Kontaktstruktur 106 und der zweiten Kontaktstruktur 108 mit einer ersten Komponente in der ersten Richtung und einer zweiten Komponente in der zweiten Richtung zu generieren. Eine Kombination der ersten Komponente und der zweiten Komponente führt zu einem Piezowiderstandskoeffizienten, der durch das Verhältnis zwischen der ersten Komponente in der ersten Richtung in der Widerstandsregion 102 mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der ersten Richtung und der zweiten Komponente in der zweiten Richtung in der Widerstandsregion 102 mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für den Stromfluss in der zweiten Richtung definiert wird.
Mit anderen Worten kann der gesamte Piezowiderstandskoeffizient π_R des Widerstandselements 100 im Bereich zwischen dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π₂ liegen, d.h. π_R = {π_R1 ...π_R2}.
Dadurch ist das Widerstandselement 102 so ausgelegt, dass ein Verhältnis zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente innerhalb der Widerstandsregion 102 erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten π_R führt.
Es ist zu beachten, dass das Widerstandselement 100 zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit verwendet werden kann, wobei die spezifische mechanische Stressabhängigkeit durch den spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten π_R des Widerstandselements 100 definiert wird.
Beispielsweise kann das von dem mechanischen Stress abhängige Signal (z.B. Strom), das vom Widerstandselement 100 generiert wird, verwendet werden, um einer Hall-Platte zugeführt zu werden, um die Abhängigkeit der Magnetempfindlichkeit der Hall-Platte von einem mechanischen Stress zu kompensieren.
Dadurch kann sich der mechanische Stress auf einen Stress innerhalb des Halbleitersubstrats 104 beziehen, welche beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen oder sogar aufgrund externer Kräfte entstehen kann, die auf das Halbleitersubstrat 104 (seinen Hauptflächenbereich 110) ausgeübt werden. Im Allgemeinen ist Stress eine physikalische Größe, welche die internen Kräfte ausdrückt, die benachbarte Teilchen eines kontinuierlichen Materials, z.B. des Halbleitersubstrats, aufeinander ausüben.
Es ist zu beachten, dass in 1(a) bis 1(c) ein Referenzkoordinatensystem mit einer ersten Achse und einer zweiten Achse, rechtwinklig zur ersten Achse, gezeigt ist. Dadurch kann die erste Richtung parallel zu oder entlang der ersten Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet sein, wobei die zweite Richtung parallel zu oder entlang der zweiten Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet sein kann.
Im Folgenden wird nur als Beispiel die erste Richtung als laterale Richtung bezeichnet, und die zweite Richtung wird als vertikale Richtung bezeichnet (in Bezug auf eine normale oder gemeinsame Orientierung des Halbleitersubstrats 104).
Das Halbleitersubstrat 104 kann einer Vielzahl von mechanischen Stresskomponenten ausgesetzt sein (z.B. einer lateralen Stresskomponente und/oder einer vertikalen Stresskomponente und/oder In-Plane-Scherstresskomponenten (In-der-Ebene-Stresskomponenten) (z.B. parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104) oder Out-of-Plane-Scherstresskomponenten (Aus-der- Ebene-Scherstresskomponenten). Dadurch kann das Halbleitersubstrat 104 für eine spezifische mechanische Stresskomponente (oder eine mechanische Stresskomponente) der Vielzahl von mechanischen Stresskomponenten den ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der lateralen Richtung und den zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 verschieden ist, für den Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen.
Dadurch umfasst eine Stromflussrichtung nicht nur einen Piezowiderstandskoeffizienten, sondern umfasst stattdessen jedes Paar von Stromflussrichtung und Stresskomponente einen Piezowiderstandskoeffizienten. So bezieht sich die spezifische Stresskomponente auf dieselbe Stresskomponente für beide, die laterale Stromflusskomponente und die vertikale Stromflusskomponente, und nicht auf unterschiedliche Stresskomponenten für die laterale Stromflusskomponente und die vertikale Stromflusskomponente.
Daher kann das Widerstandselement 100 für eine spezifische Stresskomponente den ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der lateralen Richtung und für dieselbe spezifische Stresskomponente den zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 verschieden ist, für den Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen.
Mit anderen Worten kann das Widerstandselement 100 für eine (oder eine einzelne) spezifische Stresskomponente den ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der lateralen Richtung und für die spezifische Stresskomponente (d.h. dieselbe spezifische Stresskomponente) den zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 verschieden ist, für den Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen.
Ferner kann sich mit anderen Worten der zweite Piezowiderstandskoeffizient in der vertikalen Richtung auf einen homogenen Stromfluss in der vertikalen Richtung beziehen, wobei der Stress willkürlich ist. Dadurch umfasst jede der sechs Stresskomponenten einen Piezowiderstandskoeffizienten (für einen Stromfluss in einer spezifischen Richtung). Ähnlich kann sich der erste Piezowiderstandskoeffizient in der lateralen Richtung auf einen homogenen Stromfluss in der lateralen Richtung beziehen.
Abgesehen vom Piezowiderstandseffekt gibt es auch andere Piezoeffekte, wie den Piezo-MOS-Effekt, den Piezo-Übergangseffekt und den Piezo-Hall-Effekt. Das Widerstandselement 100 könnte auch diese Effekte umfassen. Das Widerstandselement 100 ist jedoch auf den Piezowiderstandseffekt fokussiert, d.h. obwohl einige Effekte zur gesamten Abhängigkeit des Widerstandselements 100 beitragen können, kann immer ein Piezowiderstandseffekt vorliegen, der vom Widerstandselement 100 verwendet wird.
Wie bereits angegeben, führt eine Kombination der ersten Komponente und der zweiten Komponente des Stromvektorfelds innerhalb der Widerstandsregion 102 zum Piezowiderstandskoeffizienten, der durch das Verhältnis definiert wird zwischen der ersten Komponente in der ersten Richtung innerhalb der Widerstandsregion 102 mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1für den Stromfluss in der ersten Richtung und der zweiten Komponente in der zweiten Richtung innerhalb der Widerstandsregion 102 mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für den Stromfluss in der zweiten Richtung. So herrschen in der Region (d.h. Widerstandsregion 102), in der die laterale und vertikale Stromflussrichtung kombiniert werden, dieselben Bedingungen für beide Komponenten (erste Komponente und zweite Komponente) vor, beispielsweise derselbe Stress, dieselbe Temperatur und dieselbe Dotierung (und sogar alle weiteren Materialparameter können dieselben sein). So wird, im Gegensatz zu einer Kombination einer rein lateralen Vorrichtung und einer rein vertikalen Vorrichtung, die Übereinstimmung von (allen) relevanten Parametern des Widerstandselements 100 und einer minimalen produktionsbezogenen Streuung innerhalb der Widerstandsregion 102 des Widerstandselements 100 erzielt.
Es ist zu beachten, dass innerhalb dieser Anmeldung ein Kontakt oder eine Kontaktstruktur (z.B.die erste Kontaktstruktur 106 und/oder die zweite Kontaktstruktur 108) ein Bereich sein kann, der eine Leitfähigkeit umfasst, die signifikant höher ist (z.B. um einen Faktor von wenigstens 10 (oder 20, 30, 40, 50, 100, 200 oder 500 höher) als eine Leitfähigkeit der Widerstandsregion 102, in dem der Stresseffekt in das von dem mechanischen Stress abhängige Signal umgewandelt wird. Insbesondere können Stromkraftlinien in einen Kontakt oder eine Kontaktstruktur eintreten oder diese verlassen unter einem (im Wesentlichen) rechten Winkel in Bezug auf einen Grenzflächenbereich zwischen dem Kontakt oder der Kontaktstruktur und der Widerstandsregion 102.
Wie bereits angegeben, kann die erste Fläche 112 in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 angeordnet sein, wobei die zweite Fläche 114 in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 angeordnet sein kann. Dadurch kann die zweite Distanz größer sein als die erste Distanz, mit anderen Worten können die erste Fläche 112 und die zweite Fläche 114 in einem Abstand voneinander vorliegen. Ferner kann, wie in 1(a) gezeigt, die erste Fläche 112 der Widerstandsregion 102 in der Ebene des Hauptflächenbereichs 110 des Halbleitersubstrats 104 angeordnet sein.
Wie in 1(a) gezeigt, kann die Widerstandsregion 102 eine dritte Fläche 116 und eine vierte Fläche 118 umfassen, wobei die dritte Fläche 116 und die vierte Fläche 118 in einem Abstand voneinander vorliegen. Ferner können die dritte Fläche 116 und die vierte Fläche 118 parallel zur vertikalen Richtung angeordnet sein.
Dadurch kann die Widerstandsregion 102 gegen das Halbleitersubstrat 102 in der lateralen Richtung so isoliert sein, dass die Widerstandsregion 102 gegen das Halbleitersubstrat wenigstens entlang der dritten Fläche 116 und der vierten Fläche 118 isoliert ist.
1(b) zeigt eine Schnittansicht des Widerstandselements 100 zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit.
Wie in 1(b) gezeigt, kann die erste Kontaktstruktur 106 so gebildet sein, dass das spezifische Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente in der Widerstandsregion 102 erhalten wird.
Beispielsweise kann ein Bereich der ersten Kontaktstruktur 106, der mit der ersten Fläche 112 der Widerstandsregion 102 in Kontakt steht, kleiner sein als ein Bereich der zweiten Kontaktstruktur 114, die mit der zweiten Fläche 114 der Widerstandsregion in Kontakt steht.
Ferner kann die erste Kontaktstruktur 106 angepasst sein, mit der ersten Fläche 112 der Widerstandsregion 102 in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen in Kontakt zu stehen, die in einem Abstand voneinander vorliegen, d.h. die erste Kontaktstruktur 106 kann einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt umfassen, um mit der Widerstandsregion 102 in den wenigstens zwei unterschiedlichen, voneinander beabstandeten Bereichen in Kontakt zu stehen (siehe beispielsweise 4, Bezugszeichen 106_1 und 106_2).
Die erste Kontaktstruktur 106 kann beispielsweise wenigstens zwei Kontakte umfassen, um mit der Widerstandsregion 102 in den wenigstens zwei unterschiedlichen, voneinander beabstandeten Bereichen in Kontakt zu stehen.
Ferner können die erste Kontaktstruktur 106 und die zweite Kontaktstruktur 108 angepasst sein, mit wenigstens 75 % der Summe der ersten Fläche 112 und der zweiten Fläche 114 der Widerstandsregion 102 in Kontakt zu stehen.
1(c) zeigt eine Querschnittansicht des Widerstandselements 100 zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit.
Wie in 1(c) gezeigt, kann die Widerstandsregion 102 eine Begrenzungsstruktur 124 umfassen, die so gebildet ist, dass das spezifische Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente in der Widerstandsregion 102 erhalten wird.
Beispielsweise kann die Begrenzungsstruktur 124 so gebildet sein, dass die Widerstandsregion 102 in einem Teilbereich eine Querschnittreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in 1(a) bis 1(c) gezeigte Widerstandsregion 102 in der lateralen Richtung gegen das Halbleitersubstrat 104 durch eine Isolierstruktur isoliert sein kann, wobei die Isolierstruktur ausgelegt sein kann, eine Verarmungsregion benachbart wenigstens zu einer lateralen Fläche, z.B. wenigstens einer von der dritten lateralen Fläche 116 oder vierten lateralen Fläche 118, der Widerstandsregion 102 vorzusehen, wobei eine Breite der Verarmungsregion in der lateralen Richtung gesteuert werden kann, um das Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente in der Widerstandsregion 102 einzustellen.
Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente durch das Ändern einer Breite (oder Dicke) der Verarmungsregion eingestellt werden. Dadurch kann ein Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente bereits aufgrund anderer Bedingungen festgelegt werden, wie der Form der ersten Kontaktstruktur 106, die in 1(b) gezeigt ist, oder der Begrenzungsstruktur 124, die in 1(c) gezeigt ist, wobei dieses Verhältnis durch die Breite der Verarmungsregion weiter eingestellt oder abgeglichen werden kann.
Die Breite der Verarmungsregion kann durch eine Sperrspannung, die an die Verarmungsregion (oder die Verarmungsschicht) angelegt wird, eingestellt (oder variiert) werden. Diese Sperrspannung kann durch das Anlegen eines geeigneten Potenzials an die Isolierstruktur oder durch das Anlegen eines geeigneten Potenzials an das Widerstandselement 100 vorgesehen werden. Dadurch kann die Isolierstruktur mittels einer p-Wanne (oder p-Topf) implementiert werden, in der das n-Typ-Widerstandselement 100 eingebettet ist.
Natürlich ist es auch möglich, dass die Breite der Verarmungsregion in der lateralen Richtung gesteuert wird, um das spezifische Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente in der Widerstandsregion 102 zu erhalten.
1(d) zeigt eine dreidimensionale Querschnittansicht des Widerstandselements 100. Wie in 1(d) gezeigt, kann sich die Widerstandsregion 102 in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich 110, in einer zweiten lateralen Richtung, die von der ersten lateralen Richtung verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich 110 ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich 110 erstrecken, kann gegen das Halbleitersubstrat 104 in den lateralen Richtungen isoliert sein und kann für eine spezifische Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für einen Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für einen Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der von dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen.
Eine Kombination der ersten lateralen Stromflusskomponente, der zweiten lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente führt zu einem Ausgangssignal mit einer mechanischen Stressabhängigkeit, die durch das Verhältnis zwischen der ersten lateralen Stromflusskomponente mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, der zweiten lateralen Stromflusskomponente mit dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für den Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung, und der vertikalen Stromflusskomponente mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird.
Dadurch ist das Widerstandselement 100 so ausgelegt, dass sich ein spezifisches Verhältnis zwischen dem Mittelwert von der ersten lateralen Stromflusskomponente und der zweiten lateralen Stromflusskomponente, und der vertikalen Stromflusskomponente innerhalb der Widerstandsregion 102 ergibt, um das von dem mechanischen Stress abhängige Signal mit der spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit zu erhalten.
Es ist zu beachten, dass sich die Widerstandsregion 102 in zwei willkürlichen lateralen Richtungen erstrecken kann. Dadurch führt eine Kombination der beiden lateralen Stromflussrichtungen (oder -komponenten) zu einem effektiven lateralen Piezowiderstandskoeffizienten für die Summe normaler In-Plane-Stresskomponenten (parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104). Schließlich ergibt sich ein (gesamter) effektiver Piezowiderstandskoeffizient für die Summe der normalen In-Plane-Stresskomponenten, der einen Wert zwischen dem effektiven lateralen Piezowiderstandskoeffizienten und dem Piezowiderstandskoeffizienten für den vertikalen Stromfluss umfasst.
Falls die erste laterale Richtung und die zweite laterale Richtung zueinander rechtwinklig sind, und falls eine Abmessung der Widerstandsregion 102 in der ersten lateralen Richtung gleich ist einer Abmessung der Widerstandsregion 102 in der zweiten lateralen Richtung (z.B. die erste und zweite Fläche 112 und 114 der Widerstandsregion sind Quadrate), dann führt die Kombination der ersten lateralen Stromflusskomponente, der zweiten lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente zu einem Ausgangssignal mit einer mechanischen Stressabhängigkeit, die durch das Verhältnis zwischen einem Mittelwert von der ersten lateralen Stromflusskomponente mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Stromflusskomponente mit dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für den Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung, und der vertikalen Stromflusskomponente mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Mit anderen Worten kann der Piezowiderstandskoeffizient π_R des Widerstandselements 100 im Bereich zwischen dem Mittelwert von dem ersten und dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und π_R3 und dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten liegen, d.h. $π_{R} = {\frac{(π_{R 1} + π_{R 3})}{2} \dots π_{R 2}} .$
Wie bereits angegeben, kann dies erzielt werden, falls beide lateralen Stromflussrichtungen (die erste und zweite laterale Stromflussrichtung) mit 0,5 (50 %) gewichtet werden, z.B. falls das Widerstandselement 100 eine 90°-xy-Symmetrie umfasst.
Natürlich ist es auch möglich, ein willkürliches Mischverhältnis x - π_R1 + (1 - x) · π_R3 für 0 ≤ x ≤ 1 festzulegen, indem die erste und zweite laterale Stromflusskomponente jeweils gewichtet werden, z.B. mittels der Form der Geometrie. Falls das Mischverhältnis x = 0,5 ist, können sich dann die gleichen Piezowiderstandskoeffizienten für σ_XX und σ_XX ergeben, was der Stressabhängigkeit von Hall-Platten entspricht (oder gleicht).
In 1(d) und in einigen der folgenden Figuren ist ein Referenzkoordinatensystem mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse rechtwinklig zueinander gezeigt. Dadurch kann die erste laterale Richtung parallel zu oder entlang der x-Achse des Referenzkoordinatensystems eingerichtet werden, wobei die zweite laterale Richtung parallel zu oder entlang der y-Achse des Referenzkoordinatensystems eingerichtet werden kann, und wobei die vertikale Richtung parallel zu oder entlang der z-Achse des Referenzkoordinatensystems eingerichtet werden kann.
Es ist zu beachten, dass sich die oben mit Bezugnahme auf 1(a) bis 1(c) angegebene laterale Richtung auf eine Ebene beziehen kann, die von der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung aufgespannt wird. Natürlich kann sich die laterale Richtung auch auf die erste laterale Richtung, auf die zweite laterale Richtung oder auf eine Kombination der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung beziehen.
Beispielsweise kann die oben angegebene Isolierung der Widerstandsregion 102 gegen das Halbleitersubstrat 104 in der lateralen Richtung eine Isolierung der Widerstandsregion 102 entlang der dritten und vierten Fläche 116 und 118 (wie bereits oben angegeben) und auch entlang der fünften und sechsten Fläche 117 und 119 umfassen. Dadurch können die dritte und vierte Fläche 116 und 118 in einem Abstand voneinander vorgesehen und parallel zu einer Ebene angeordnet werden, die von der ersten lateralen Richtung und der vertikalen Richtung aufgespannt wird, wobei die fünfte Fläche 117 und die sechste Fläche 119 in einem Abstand voneinander vorgesehen und parallel zu einer Ebene angeordnet werden, die von der zweiten lateralen Richtung und der vertikalen Richtung aufgespannt wird.
Im Nachstehenden wird das in 1(d) gezeigte Widerstandselement 100 aus einem weiteren technischen Blickwinkel detaillierter beschrieben. Natürlich kann die folgende Beschreibung auch auf das in 1(a) bis 1(c) gezeigte Widerstandselement 100 angewendet werden.
Wie in 1(a) gezeigt, umfasst das Widerstandselement 100 eine Widerstandsregion 102, die in einem Halbleitersubstrat 104 gebildet ist, und Kontakte 106 und 108. Das Halbleitersubstrat 104 umfasst einen Hauptflächenbereich 110 und erstreckt sich in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich 110, und in einer zweiten lateralen Richtung, die parallel zum Hauptflächenbereich und von der ersten lateralen Richtung verschieden ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig sowohl zur ersten lateralen Richtung als auch zweiten lateralen Richtung.
Die Widerstandsregion 102 erstreckt sich in wenigstens einer von der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung zwischen lateralen Grenzen 116 und 118 und/oder 117 und 119 (z.B. zwischen der dritten und vierten Fläche 116 und 118 und/oder zwischen der fünften und sechsten Fläche 117 und 119), und in einer Out-of-Plane-Richtung zwischen einer oberen und unteren Grenze 112 und 114 (z.B. zwischen der ersten und zweiten Fläche 112 und 114), wobei die Out-of-Plane-Richtung von allen möglichen linearen Kombination der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung verschieden ist, wobei die Widerstandsregion 102 entlang ihrer lateralen Grenzen gegen das Halbleitersubstrat 104 isoliert ist. Die Kontakte 106 und 108 sind wenigstens an Bereichen der oberen und unteren Grenze 112 und 114 der Widerstandsregion 102 angeordnet. Die Widerstandsregion 102 umfasst einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für einen Stromfluss entlang der ersten lateralen Richtung und eine spezifische Stresskomponente und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für einen Stromfluss entlang der vertikalen Richtung und die spezifische Stresskomponente. Wenigstens einer der Kontakte 106 und 108 ist ausgelegt, ansprechend auf Eingangssignal, das an den jeweiligen Kontakt angelegt wird, ein Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion 102 zu generieren. Dadurch sind die Grenzbedingungen, die (von den Grenzen der Widerstandsregion 102) für das Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion 102 vorgegeben werden, so, dass der Widerstand zwischen den zwei Kontakten 106 und 108 einen Piezowiderstandskoeffizientenwert π_R zwischen den Werten des ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 umfasst.
Dadurch kann die Out-of-Plane-Richtung parallel zur vertikalen Richtung sein.
Ferner kann einer der Kontakte 106 und 108 die gesamte obere Grenze 112 (oder obere Fläche) der Widerstandsregion 102 oder die gesamte untere Grenze 114 (oder untere Fläche) der Widerstandsregion 102 bedecken.
Beispielsweise kann die untere Grenze 114 (oder untere Fläche) zur Gänze mit einer vergrabenen Schicht in Kontakt stehen.
Wie in 1(d) gezeigt, kann sich die Widerstandsregion 102 auch sowohl in der ersten lateralen Richtung als auch der zweiten lateralen Richtung erstrecken, wobei die Widerstandsregion 102 einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für einen Stromfluss entlang der zweiten lateralen Richtung umfasst. Dadurch können die Grenzbedingungen, die für das Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion 102 vorgegeben werden, so sein, dass der Widerstand zwischen den beiden Kontakten 106 und 108 einen Piezowiderstandskoeffizientenwert π_R zwischen den Werten des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 und einem Mittelwert von dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 umfasst.
Mit Bezugnahme auf 1(b) können die Grenzbedingungen (die z.B. von der ersten Kontaktstruktur 106 vorgegeben werden) so festgelegt werden, dass nur Bereiche der oberen Grenze 112 der Widerstandsregion 102 mit wenigstens einem oberen Kontakt 106 in Kontakt stehen.
Dadurch kann das Mischverhältnis zwischen lateralen und vertikalen Stromflussrichtungen (oder -komponenten) innerhalb des Widerstandselements 100 durch die Geometrie der Kontakte festgelegt werden. Beispielsweise kann die laterale Stromflusskomponente (oder -menge, oder -anteil) vergrößert werden, indem ein Bereich wenigstens eines der Kontakte verringert wird. Als Ergebnis kann der Piezowiderstandskoeffizient π_R des Widerstandselements 100 von 55 %/Gpa auf niedrigere Werte, einschließlich negativer Werte, reduziert werden.
Ferner können, mit Bezugnahme auf 1(c), die Grenzbedingungen (die z.B. von der Begrenzungsstruktur 124 vorgegeben werden) so festgelegt werden, dass wenigstens Bereiche der lateralen Grenzen der Widerstandsregion 102 vertikale Stromkraftlinien zwingen, Biegungen in laterale Richtungen einzugehen.
Beispielsweise können Seitenwände (oder Seitenflächen 116, 117, 118 oder 119) der Widerstandsregion 102 eine Begrenzungsstruktur 124 umfassen, wie eine ringförmige Ausbauchung oder eine Erhebung, die einen stromführenden Querschnitt der Widerstandsregion 102 begrenzt, um Stromkraftlinien zu biegen.
Mit anderen Worten können, wie in 1(b) und 1(c) gezeigt, Grenzbedingungen (z.B. Kontakte oder laterale Grenzen) so ausgelegt sein, dass sich ein spezifischer effektiver Piezokoeffizient π_R ergibt. Dadurch wird ein spezifisches Mischverhältnis horizontaler und vertikaler Stromflusskomponenten implementiert.
Ferner kann auch im Zentrum der Widerstandsregion 102 ein nicht-leitfähiger Bereich (Begrenzungsstruktur 124) eingefügt werden, rund um welchen sich die Stromkraftlinien biegen, um die laterale Stromflusskomponente (oder -proportion) zu vergrößern. Eine derartige Begrenzungsstruktur 124 kann eine neue Grenze innerhalb der Widerstandsregion 102 bilden, anstatt eine Grenze an einem Umfang des Widerstandselements 100 zu bilden.
1(e) zeigt eine Querschnittansicht eines Widerstandselements 100, das eine erste Widerstandsregion 102_1 und eine zweite Widerstandsregion 102_2 umfasst, die in demselben Halbleitersubstrat 104 gebildet sind. Ferner kann das Widerstandselement 100 eine erste Kontaktstruktur 106, eine zweite Kontaktstruktur 108, eine dritte Kontaktstruktur 107 und eine vierte Kontaktstruktur 109 umfassen.
Die erste Widerstandsregion 102_1 und die zweite Widerstandsregion 102_2 können sich in der ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich 110, in der zweiten lateralen Richtung, die von der ersten lateralen Richtung verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich 110 ist, und in der vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich 110 erstrecken, können gegeneinander und gegen das Halbleitersubstrat in der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung isoliert sein, und für eine spezifische Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für einen Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für einen Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung, und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2, der von dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 und dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen.
Die erste Kontaktstruktur 106 kann eingerichtet sein, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche 112_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 positioniert ist.
Die zweite Kontaktstruktur 108 kann eingerichtet sein, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche 114_2 der ersten Widerstandsregion 102_1 in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche 112_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 angeordnet ist, welche von der ersten Distanz verschieden ist.
Die dritte Kontaktstruktur 107 kann eingerichtet sein, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche 112_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 in Kontakt zu stehen, die parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer dritten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 positioniert ist.
Die vierte Kontaktstruktur 109 kann eingerichtet sein, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche 114_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 in Kontakt zu stehen, die von der ersten Fläche 112_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich 110 und in einer vierten Distanz zum Hauptflächenbereich 110 angeordnet ist, welche von der dritten Distanz verschieden ist.
Dadurch können die zweite Kontaktstruktur 108 und die vierte Kontaktstruktur 109 miteinander verbunden sein.
Beispielsweise können, wie in 1(e) gezeigt, die zweite Kontaktstruktur 108 und die vierte Kontaktstruktur 109 mittels einer (gemeinsamen oder einzelnen) Halbleiterregion oder einer schwebenden Region mit niedriger Impedanz wie einer vergrabenen Schicht (z.B. einer nBL, d.h. einer vergrabenen n-Typ-Schicht) implementiert sein, die eingerichtet ist, mit der (gesamten) zweiten Fläche 114_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 und der (gesamten) zweiten Fläche 114_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 in Kontakt zu stehen.
Dadurch kann die (einzelne) halbleitfähige Region im Halbleitersubstrat 104 so vergraben sein, dass es weder den ersten Hauptflächenbereich (z.B. eine obere Fläche) des Halbleitersubstrats 104 noch einen zweiten Hauptflächenbereich (z.B. eine untere Fläche) des Halbleitersubstrats 104 umfasst, der dem ersten Hauptflächenbereich gegenüberliegt. Mit anderen Worten kann die (einzelne) halbleitfähige Region im Halbleitersubstrat 104 so vergraben sein, dass es in einem Abstand vom ersten Hauptflächenbereich vorliegt und in einem Abstand vom zweiten Hauptflächenbereich vorliegt.
Natürlich kann auch das Halbleitersubstrat 104 für die Implementation der zweiten Kontaktstruktur 108 und der vierten Kontaktstruktur 109 verwendet werden. Mit anderen Worten können die zweite Kontaktstruktur 108 und die vierte Kontaktstruktur 109 mit dem Halbleitersubstrat 104 identisch sein. In diesem Fall kann das Halbleitersubstrat einen gemeinsamen Netzknoten bilden, der einer Vielzahl von Vorrichtungen zugeordnet oder zugeteilt ist, z.B. von einer integrierten Schaltung. Beispielsweise kann der Netzknoten angepasst sein, ein gemeinsames Erdpotenzial für die (gesamte) integrierte Schaltung vorzusehen. Ferner kann der Netzknoten an einer Rückseite des Wafers kontaktierbar sein.
Das Widerstandselement 100 kann angepasst sein, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur 106 und zweiten Kontaktstruktur 108 angelegt wird, einen Stromfluss innerhalb der ersten Widerstandsregion 102_1 zwischen der ersten Kontaktstruktur 106 und der zweiten Kontaktstruktur 108 mit einer ersten lateralen Stromflusskomponente, einer zweiten lateralen Stromflusskomponente und einer vertikalen Stromflusskomponente zu generieren, und ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der dritten Kontaktstruktur 107 und vierten Kontaktstruktur 109 angelegt wird, einen Stromfluss innerhalb der zweiten Widerstandsregion 102_2 zwischen der dritten Kontaktstruktur 107 und der vierten Kontaktstruktur 109 mit einer ersten lateralen Stromflusskomponente, einer zweiten lateralen Stromflusskomponente und einer vertikalen Stromflusskomponente zu generieren.
Beispielsweise kann das Eingangssignal ein Strom sein, der an die erste Kontaktstruktur 106 angelegt wird, was zu einem Stromfluss von der ersten Kontaktstruktur 106 durch die erste Widerstandsregion 102_1 zur zweiten Kontaktstruktur 108 führt. Da die zweite Kontaktstruktur 108 und die vierte Kontaktstruktur 109 miteinander verbunden sind, fließt der Strom durch diese Verbindung (z.B. eine vergrabene Schicht) von der zweiten Kontaktstruktur 108 zur vierten Kontaktstruktur 109, und von der vierten Kontaktstruktur 109 durch die zweite Widerstandsregion 102_2 zur dritten Kontaktstruktur 107.
Dadurch führt eine Kombination der ersten lateralen Stromflusskomponenten, der zweiten lateralen Stromflusskomponenten und der vertikalen Stromflusskomponenten zum Ausgangssignal mit der mechanischen Stressabhängigkeit, die durch das Verhältnis zwischen einem Mittelwert von der ersten lateralen Stromflusskomponente mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1 für den Stromfluss in der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Stromflusskomponente mit dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten π_R3 für den Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung, und der vertikalen Stromflusskomponente mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird.
Das Widerstandselement 100 kann so ausgelegt sein, dass sich das spezifische Verhältnis zwischen dem Mittelwert von der ersten lateralen Stromflusskomponente und der zweiten lateralen Stromflusskomponente, und der vertikalen Stromflusskomponente innerhalb der ersten Widerstandsregion 102_1 und der zweiten Widerstandsregion 102_2 ergibt, um das von dem mechanischen Stress abhängige Signal mit der spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit zu erhalten.
Beispielsweise kann das von dem mechanischen Stress abhängige Signal (oder Ausgangssignal) mit der spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit der Strom sein, der an der dritten Kontaktstruktur 107 vorgesehen wird.
Wie es das Widerstandselement 100 erzielen kann, das von dem mechanischen Stress abhängige Signal mit der spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit zu erhalten, wurde bereits oben mit Bezugnahme auf 1(a) bis 1(d) detailliert beschrieben und gilt auch für das in 1(e) gezeigte Widerstandselement 100.
Beispielsweise kann wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur 106 und der dritten Kontaktstruktur 107 wie mit Bezugnahme auf 1(b) gezeigt und beschrieben gebildet sein. Ferner kann wenigstens eines von der ersten Widerstandsregion 102_1 und der zweiten Widerstandsregion 102_2 eine Begrenzungsstruktur 124 wie in 1(c) gezeigt und beschrieben umfassen.
Natürlich ist es auch möglich, dass (nur) die erste Kontaktstruktur 106 wie mit Bezugnahme auf 1(b) gezeigt und erläutert gebildet ist, wobei (nur) die zweite Widerstandsregion 102_2 eine Begrenzungsstruktur 124 wie mit Bezugnahme auf 1(c) gezeigt und erläutert umfasst.
Der Widerstand R des Widerstandselements 100 bei einem beliebigen Stress kann berechnet werden auf $R = R_{0} (1 + π_{R} \cdot σ),$
wobei R₀ der Widerstand des Widerstandselements bei fehlendem Stress ist, σ der Stress ist, und π_R der (gesamte) Piezowiderstandskoeffizient ist. Dadurch wird der Einfachheit halber σ_XX + σ_YY mit σ bezeichnet. Was hier wesentlich sein kann, ist, dass σ_XX mit demselben Faktor π multipliziert wird wie σ_YY. Dies ist wichtig, da die strombezogene Magnetempfindlichkeit der Hall-Sonde (Si) eine ähnliche Stressempfindlichkeit aufweisen kann: 1 + P_n,Hall (σ_XX + σ_YY).
Die spezifische mechanische Stressabhängigkeit des von dem mechanischen Stress abhängigen Signals, das vom Widerstandselement 100 generiert wird, sollte zwischen +3·10^-10/Pa und +6·10^-10/Pa mal der Summe von In-Plane-Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 betragen.
Natürlich kann das von einem mechanischen Stress abhängige Signal, das vom Widerstandselement 100 generiert wird, auch von anderen Stresskomponenten abhängig sein. Dadurch ist es nur von Interesse (oder Bedeutung), dass die mechanische Stressabhängigkeit der In-Plane-Stresskomponenten im Bereich zwischen +3·10^-10/Pa und +6·10^-10/Pa mal der Summe der In-Plane-Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 liegen kann, d.h. die mechanische Stressabhängigkeit kann keinen zusätzlichen Teil mit der Form (σ_XX-σ_YY) aufweisen. Um dies zu realisieren, kann die mechanische Stressabhängigkeit die gleichen Stresskoeffizienten für σ_XX and σ_YY aufweisen.
So sieht das in 1(a) bis 1(e) gezeigte Widerstandselement 100 ein von einem mechanischen Stress abhängiges Signal mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit vor. Daher kann das Widerstandselement 100 beispielsweise verwendet werden, um eine Hall-Platte oder eine vertikale Hall-Vorrichtung zu versorgen, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird.
Dadurch können das Widerstandselement 100 und die Hall-Vorrichtung, z.B. eine Hall-Platte oder eine vertikale Hall-Vorrichtung, in demselben Halbleitersubstrat 104 gebildet sein, so dass das Widerstandselement 100 und die Hall-Vorrichtung im Wesentlichen dem gleichen mechanischen Stress ausgesetzt sein können. Daher kann eine Distanz zwischen dem Widerstandselement 100 und der Hall-Vorrichtung so gewählt werden, dass beide, das Widerstandselement 100 und die Hall-Vorrichtung, dem gleichen mechanischen Stress oder wenigstens gut korrelierenden mechanischen Stressswerten ausgesetzt sein können (beispielsweise können die mechanischen Stresswerte unterschiedlich sein, falls ein festgelegtes Verhältnis, wie 0,5, zwischen ihnen vorliegt). Die Distanz zwischen dem Widerstandselement und der Hall-Vorrichtung 300 kann durch eine Chipgröße, einen Anschlussrahmen oder ein Gehäuse definiert werden. Beispielsweise kann die Distanz zwischen dem Widerstandselement und der Hall-Vorrichtung 300 100 µm (oder 70, 80, 90, 110, 120 oder 130 µm) betragen. In einigen Fällen kann jedoch sogar eine Distanz von 1 mm möglich sein, da der mechanische Stress σ_XX+σ_YY an der Fläche 110 des Halbleitersubstrats nahezu konstant ist, mit Ausnahme eines ringförmigen Bereichs entlang der Kante des Chips, der so breit ist wie die Chipdicke (gemäß dem Prinzip von St. Venant).
Es ist zu beachten, dass der Unterschied zwischen einer Hall-Platte und einer vertikalen Hall-Vorrichtung ist, dass die Hall-Platte ausgelegt sein kann, Magnetfeldkomponenten rechtwinklig zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 abzufühlen (z.B. vertikale Magnetfeldkomponenten), wobei die vertikale Hall-Vorrichtung ausgelegt sein kann, Magnetfeldkomponenten parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 abzufühlen (z.B. laterale oder In-Plane-Magnetfeldkomponenten).
2 zeigt ein Blockbild eines bekannten Hall-Sensors. Dadurch wird eine Eingangsspannung U₁(T) mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten, die von einer Spannungsquelle 10 vorgesehen wird, auf einen p-Diffusionswiderstand-L 12 R_P(τ,σ) kopiert, wodurch ein Vorstrom entsteht, der nur schwach von der Summe der normalen In-Plane-Stresskomponenten abhängig ist. Ein einstellbarer Stromspiegel (x : m) 14 kompensiert die Produktionsstreuung von Schichtwiderständen. Er versorgt eine n-Typ-Spinning-Strom-Hall-Platte 16, deren Magnetempfindlichkeit merkbar durch den mechanischen Stress über den Piezo-Hall-Effekt beeinträchtigt wird. So leidet das A/D-umgewandelte Hall-Signal, das von einem A/D-Wandler 18 umgewandelt wird, an einem Stresseinfluss von ungefähr 42 %/GPa.
Wie in 2 gezeigt, gehört der gesamte Schaltungsaufbau links von der Hall-Platte 16 zum Stromgenerator. Dadurch kann die Spannung U₁(T) auf den Widerstand 12 R_P(T,σ) kopiert werden, was bewirkt, dass ein Strom durch den Widerstand 12 R_P(T,σ) fließt. Dieser Strom kann durch den PMOS-Stromspiegel 14 mit einem Spiegelverhältnis x:m geleitet werden, bevor er in die Hall-Platte 16 injiziert wird. Die Hall-Platte 16 kann eine Hall-Platte vom Spinning-Strom-Typ sein.
Wenn ein Widerstand Rp mit der folgenden Stressabhängigkeit $R_{P} = R_{P 0} (T) \cdot (1 + π \cdot σ)$
vorgesehen wird, dann hätte das Ausgangssignal der Hall-Platte die gesamte Magnetempfindlichkeit $S (T) = \frac{S_{i,0} (T)}{R_{p,0} (T)} U_{1} (T) \frac{1 + P_{n, H a l l} σ}{1 + π σ} .$
Falls P_n,Hall = π, wird natürlich die gesamte Magnetempfindlichkeit von einem mechanischen Stress unabhängig.
Das Problem ist, dass bisher kein Widerstand mit dieser erforderlichen Stressabhängigkeit verfügbar ist. Ein Piezowiderstandskoeffizient π_R von etwa +42 %/GPa wäre notwendig, n-Typ-Diffusionen (oder -Implantationen) weisen jedoch nur -24,4 %/GPa (oder kleinere Größenordnungen) auf, und p-Typ-Diffusionen weisen nur +2,8 %/GPa (oder kleinere Größenordnungen) auf, und Polysilicium-Widerstände haben dasselbe Vorzeichen wie ihre Diffusionsgegenstücke mit kleineren Größenordnungen.
Theoretisch weist ein n-Typ-Diffusionswiderstand mit homogenem Stromfluss in einer Richtung vertikal durch den Siliciumchip - d.h. in der [001]-Richtung - einen Piezowiderstandskoeffizienten π_R von +53,4 %/GPa auf, was 27 % größer ist als erforderlich. Ein Problem ist, eine solche Stromflussrichtung zu realisieren und den Piezowiderstandskoeffizienten π_R um 27 % zu reduzieren, um mit jenem der Hall-Platte übereinzustimmen.
Das erste Problem kann beispielsweise durch eine BiCMOS-Technologie (BiCMOS ist eine Halbleitertechnologie, welche die bipolare (Bi) Transistor- und komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Technologie integriert) mit einer vergrabenen Schicht gelöst werden. Der Querschnitt ist in 3(a) gezeigt, wobei das Layout in 3(b) gezeigt ist. Dadurch wird die Stromflussrichtung durch Pfeile in 3(a) angezeigt.
Wie in 3(a) und 3(b) gezeigt, umfasst das Widerstandselement eine erste Widerstandsregion 102_1, eine zweite Widerstandsregion 102_2, eine erste Kontaktstruktur 106, eine zweite Kontaktstruktur 108, eine dritte Kontaktstruktur 107 und eine vierte Kontaktstruktur 109. Die zweite Kontaktstruktur 108 und die vierte Kontaktstruktur 109 werden mittels einer gemeinsamen vergrabenen Schicht 108, 109 implementiert, die mit der (gesamten) zweiten Fläche 114_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 und der (gesamten) zweiten Fläche 114_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 in Kontakt steht. Ferner kann das Widerstandselement einen ersten Anschluss 140, der mit der ersten Kontaktstruktur 106 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 142 umfassen, der mit der zweiten Kontaktstruktur 108 verbunden ist.
Jede von der ersten Kontaktstruktur 106 und dritten Kontaktstruktur 107 kann einen Kontakt umfassen, z.B. eine Kontaktdiffusion (z.B.n+ dotiert mit 10¹⁹/cm³, z.B. 0,1 ... 0,3 µm tief). Die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2 sind die aktiven Regionen des Widerstandselements und können die niedrigste Leitfähigkeit aller stromführenden Regionen im Widerstandselement aufweisen (z.B. niedrige n-Typ-Dotierung, z.B. n-Epitaxialschicht mit etwa 10¹⁵ ... 10¹⁷/cm³, z.B. 5 µm tief).
Die vergrabene Schicht 108, 109 kann eine viel höhere Leitfähigkeit aufweisen als die Widerstandsregionen 102_1 und 102_2 (eine wenigstens 10-fache), z.B. n-Typ.
3(a) und 3(b) zeigen nicht, wie die Vorrichtung (oder das Widerstandselement 100) lateral isoliert ist, da alle Arten von Isolierungen (oder Isolierstrukturen) möglich sind, wie Grabenisolierungen oder tiefe-p-Isolierwannen. Der einzig wichtige Aspekt ist, dass die Isolierung zwischen beiden Regionen 102_1 und 102_2 (oder zwischen der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsregion) die gemeinsame vergrabene Schicht 108, 109 nicht auseinanderspaltet, wohingegen die Isolierung ganz links und rechts von der Vorrichtung 100 auch durch die vergrabene Schicht 108 schneiden kann, um sie von allen anderen Vorrichtungen auf dem Substrat 104 freizusetzen.
Es ist zu beachten, dass es mit einigen Technologien nicht möglich ist, eine laterale Isolierung zwischen der ersten Widerstandsregion 102_1 und der zweiten Widerstandsregion 102_2 zu realisieren, ohne die vergrabene Schicht 108, 109 auseinanderzuspalten. Es kann ausreichend sein (annäherungsweise), dass eine laterale Distanz zwischen der ersten Widerstandsregion 102_1 und der zweiten Widerstandsregion 102_2 gleich einer oder größer als eine Abmessung der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 in der vertikalen Richtung ist. In diesem Fall wird ein vorwiegender oder Großteil des Stroms durch die vergrabene Schicht 108, 109 fließen, und nur ein vernachlässigbarer Teil wird durch die nicht ausreichende Isolierung zwischen der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 fließen.
Falls die Leitfähigkeit der ersten und dritten Kontaktstruktur (oder Regionen) 106 und 107 viel höher ist (z.B. wenigstens 10-mal höher) als die Leitfähigkeit der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2, werden die Stromkraftlinien dann gezwungen, an den Grenzflächen zwischen der ersten Kontaktstruktur 106 und der ersten Widerstandsregion 102_1, zwischen der dritten Kontaktstruktur 107 und der zweiten Widerstandsregion 102_2, zwischen der ersten Widerstandsregion 102_1 und der vergrabenen Schicht 108, 109, und zwischen der zweiten Widerstandsregion 102_2 und der vergrabenen Schicht 108, 109 rechtwinklig zu sein.
Falls die erste und dritte Kontaktstruktur 106 und 107 und die vergrabene Schicht 108, 109 die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2 zur Gänze (z.B. wie in 3(a) und 3(b) gezeigt) oder bis zu einem sehr hohen Grad überlappen, verlaufen die Stromkraftlinien dann (genau) vertikal (oder mit anderen Worten unter einem rechten Winkel nach oben oder unten durch die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2, ohne irgendeine merkbare Biegung aufzuweisen. Dies bedeutet, dass der Strom vorwiegend vertikal ist und nur ein vernachlässigbarer Bereich lateral fließt. Der laterale Strom durch die vergrabene Schicht 108, 109 ist irrelevant, da der Bereich der vergrabenen Schicht 108, 109 nur wenige Prozent des gesamten Widerstands (des Widerstandselements) ausmacht, und er wegen seines hohen Dotierungsniveaus nur eine sehr geringe Stressabhängigkeit aufweist. So hat das in 3(a) und 3(b) gezeigte Widerstandselement einen Piezowiderstandskoeffizienten π_R von etwa 53 %/GPa.
Daher sollte der Piezowiderstandskoeffizient π_R auf +42 %/GPa abgestimmt werden. Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, um dies zu erzielen: das Erhöhen des Dotierungsniveaus der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 oder Reduzieren der Größe der Regionen (oder Bereiche), in denen die erste und dritte Kontaktstruktur 106 und 107 mit der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 in Kontakt stehen.
Bisher wurde eine „niedrige Dotierung“ für die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2 angenommen, was weniger als ungefähr 10^18/cm³ bedeutet. Falls die Dotierung über dieses Niveau hinaus erhöht wird, werden die Piezowiderstandskoeffizienten kleiner. Es ist bekannt, dass der Piezowiderstandskoeffizient bei einer Dotierungskonzentration von 10²⁰/cm³ 22,4 %/GPa wird. So sollte geringfügig über 10¹⁸/cm³ der Piezowiderstandskoeffizient 42 %/GPa werden. Dies ist jedoch weiterhin in der Praxis schwer zu erzielen, da kein derartiges Dotierungsprofil in modernen CMOS-Technologien verfügbar ist.
Außerdem unterscheidet sich dieses Dotierungsniveau von typischen Dotierungsniveaus für Hall-Vorrichtungen, die unter 10¹⁷/cm³ liegen, und das Vorliegen von zwei unterschiedlichen Dotierungsniveaus bedeutet, dass es zwischen ihnen eine Prozessstreuung gibt, was zu einer schlechten Genauigkeit der Stresskompensation führt.
Ein kostengünstigerer Weg, um das Ziel von +42 %/GPa zu erreichen, ist, vertikale und laterale Stromflussrichtungen zu mischen. Falls mehr laterale Stromflussbereiche hinzugefügt werden, fügen sie ihren negativen Piezowiderstandskoeffizienten hinzu, wodurch der gesamte Piezowiderstandskoeffizient π_R reduziert wird.
Dies wird einfach erhalten, indem die Kontakte (oder Kontaktbereiche der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107) kleiner ausgebildet werden als die lateralen Abmessungen der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2. Dann breitet sich der Strom aus, wenn er die Kontakte (der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107) verläßt oder in diese eintritt, und dies führt zu Bereichen mit einer lateralen Stromflussrichtung.
Es gibt zahlreiche Wege, um die Kontakte (oder Kontaktbereiche, in denen die erste und dritte Kontaktstruktur 106 und 107 mit der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 in Kontakt stehen) kleiner zu machen.
Beispielsweise kann die erste Kontaktstruktur 106 angepasst sein, um mit der ersten Fläche 112_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 in (wenigstens) zwei unterschiedlichen Bereichen in Kontakt zu stehen, die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, z.B. mittels (wenigstens) zweier Kontakte, die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind. Ähnlich kann die dritte Kontaktstruktur 107 angepasst sein, um mit der ersten Fläche 112_2 der zweiten Widerstandsregion 102_2 in (wenigstens) zwei unterschiedlichen Bereichen in Kontakt zu stehen, die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, z.B. mittels (wenigstens) zweier Kontakte, die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind.
Ferner können die erste Kontaktstruktur 106 und die zweite Kontaktstruktur 108 angepasst sein, mit wenigstens 75 % (d.h. 75 % bis 100 %) der Summe der ersten Fläche 112 und der zweiten Fläche 114 der Widerstandsregion 102 in Kontakt zu stehen. Wie bereits angegeben, erzielt ein perfekter vertikaler Stromfluss (innerhalb der Widerstandsregion 102) einen Piezowiderstandskoeffizienten von +52/GPa, was auf +42 %/GPa reduziert werden kann, indem eine geringfügig laterale Stromflusskomponente hinzugefügt wird. Ein perfekter vertikaler Stromfluss bedeutet, dass beide Kontakte (erste Kontaktstruktur 106 und zweite Kontaktstruktur 108) kongruent sind, identische laterale Positionen umfassen und 100 % der Summe der ersten Fläche 112 und der zweiten Fläche 114 der Widerstandsregion 102 bedecken. Da im Halbleiterprozess keine schiefen oder geneigten Wände erzeugt werden können, kann der Piezowiderstandskoeffizient von +52/GPa auf +42/GPa reduziert werden, indem die Größe der Kontakt verringert wird, d.h. indem die Kontakte (erste und zweite Kontaktstruktur) kleiner ausgebildet werden als die erste und zweite Fläche. Da die zweite Kontaktstruktur 108, wenn sie als vergrabene Schicht implementiert ist, immer mit der gesamten zweiten Fläche der Widerstandsregion 102 in Kontakt steht, kann nur die erste Kontaktstruktur 106 so erzeugt oder implementiert werden, dass ein Bereich der ersten Kontaktstruktur 106 kleiner ist als die erste Fläche der Widerstandsregion 102. Dadurch ist es egal, ob die erste Kontaktstruktur 106 angepasst ist, mit der ersten Fläche der Widerstandsregion 102 in nur einem Bereich oder in (wenigstens) zwei unterschiedlichen, in einem Abstand voneinander vorgesehenen Bereichen in Kontakt zu stehen.
Im Folgenden wird angenommen, dass jede von der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107 einen zentralen Kontakt und einen Umfangsringkontakt umfasst, der den zentralen Kontakt umgibt. Mit anderen Worten können Kontakte (der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107) beispielsweise in einen kleinen zentralen Kontakt und einen Umfangsringkontakt geteilt werden, die durch Zwischenverbindungsleitungen kurzgeschlossen werden können. So ist das, was vorliegt, ein einzelner Kontakt, dessen Geometrie absichtlich nicht als große Fläche implementiert ist, um so Ausbauchungen in den Kraftlinien zu verursachen und so vertikale und horizontale Stromflusskomponenten oder -richtungen in einem spezifischen Mischverhältnis zu kombinieren, um so dadurch den gewünschten Piezowiderstandskoeffizienten einzustellen.
Natürlich sind auch andere Formen der Kontakte der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107 möglich. Beispielsweise kann der Umfangsringkontakt in zwei Teile geteilt werden, wobei der zentrale Kontakt eine längliche Form umfassen kann.
4 zeigt eine dreidimensionale Querschnittansicht der Hälfte des Widerstandselements 100. Wie in 4 angezeigt, kann die erste Kontaktstruktur 106 einen Umfangsringkontakt 106_1, der einen zentralen Kontakt 106_2 umgibt, umfassen, um mit der ersten Fläche 112_1 der ersten Widerstandsregion 102_1 in zwei unterschiedlichen Bereichen in Kontakt zu stehen, die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind.
Wie bereits angegeben, ist in 4 nur die Hälfte des Widerstandselements 100 gezeigt, d.h. das Widerstandselement 100 kann ferner eine zweite Widerstandsregion 102_2 und eine dritte Kontaktstruktur 107 umfassen, die auch einen Umfangsringkontakt 106_1 umfassen kann, der einen zentralen Kontakt 106_2 umgibt.
Mit anderen Worten zeigt 4 die Hälfte des Widerstandselements (oder der Vorrichtung) 100: es kann aus (einer ersten Kontaktstruktur 106 mit) zwei Kontakten 106_1 und 106_2 - einem kleinen zentralen Kontakt 106_2 und einem Ringkontakt 106_1, einer ersten Widerstandsregion 102_1 (z.B. nEpi) und einer vergrabenen Schicht 108, 109 (z.B. nBL) bestehen.
Es ist zu beachten, dass (wenigstens) einer der Kontakte der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107 ein schwebender Kontakt sein kann. Beispielsweise kann der in 4 gezeigte Umfangsringkontakt 106_1 ein schwebender Kontakt sein, d.h. dieser Kontakt ist nicht mit einem anderen Kontakt der Kontaktstruktur verbunden. So kann (nur) der zentrale Kontakt 106 2 der Kontaktstruktur verwendet werden, um mit dem Widerstandselement 100 in Kontakt zu stehen, wobei der Umfangsringkontakt 106_1 einen Bereich der Stromkraftlinien in der lateralen Richtung ziehen oder herausziehen kann, bevor diese Stromkraftlinien in die Tiefe des Widerstandselements 100 zur vergrabenen Schicht 108, 109 fließen. So kann der Umfangsring 106_1 den lateralen Stromflussbereich erhöhen, ohne dazu verwendet zu werden, mit dem Widerstandselement 100 in Kontakt zu stehen.
Ferner können unterschiedliche Potentziale an den zentralen Kontakt 106_2 und den Umfangsringkontakt 106_1 angelegt werden, um den Widerstand entlang dem einen Stromflussweg zwischen der ersten Kontaktstruktur 106 und der zweiten Kontaktstruktur 108 zu modulieren.
Stromkraftlinien und eine Potenzialverteilung (der Hälfte) des in 4 gezeigten Widerstandselements 100 sind in 5(a), 5(b) und 5(c) gezeigt.
Wie in 5(a) bis 5(c) gezeigt, findet sich nur nahe bei der Oberseite des Widerstandselements 100 eine gewissen Biegung der Stromkraftlinien, wohingegen in den tieferen Regionen des Widerstandselements 100 der Strom in geraden vertikalen Linien fließt, bis er die vergrabene Schicht 108, 109 erreicht.
Der Widerstand des in 4 gezeigten Widerstandselements 100 kann durch die folgende Gleichung definiert werden: $\begin{array}{l} R = R_{0} (1 + 0,479 \cdot σ_{X X} + 0,479 \cdot σ_{Y Y} - 0,763 \cdot σ_{Z Z} + 0,0023 \cdot σ_{X Y} - 0,0003 \cdot σ_{Y Z} \\ + 0,0014 \cdot σ_{X Z}) \end{array}$
Dadurch sollten in der obigen Gleichung Stresskomponentenwerte in Gigapascal eingesetzt werden.
So hat das in 4 gezeigte Widerstandselement 100 einen Piezowiderstandskoeffizienten π_R = 47,9 %/GPa. Dies ist noch immer zu groß, da das Ziel ein Piezowiderstandskoeffizient π_R = +42 %/GPa ist, liegt jedoch bereits signifikant unter 53 %/GPa, und es ist klar, dass durch das Einstellen der Abmessungen des Rings 106_1 und/oder des zentralen Kontakts 106_2 der Piezowiderstandskoeffizient π_R weiter auf 42 %/GPa reduziert werden kann. Dies wird am besten mit einer DOE (DOE = statistische Versuchsplanung) durchgeführt, da die Zahlensimulation ungenau ist aufgrund ungenauer Eingabedaten (z.B. Dotierungsprofil gegenüber der Tiefe).
Eine alternative Lösung ist, einen rein vertikalen Widerstand zu verwenden, wie oben gezeigt, und einen rein lateralen hinzuzufügen. Falls die richtige Mischung gewählt wird, ist es möglich, einen beliebigen gewünschten Piezowiderstandskoeffizienten π_R zwischen beiden Extremen zu erhalten (d.h. zwischen -24.4 %/GPa und +53 %/GPa). Wenn X der Bruch des lateralen Widerstands ist (X = R_L,0/R_total,0), dann ist (1-X) der Bruch des vertikalen Widerstands 1 - X = R_V,0/R_total,0 , und für R_total,0 = R_L,0 + R_V,0 ergibt dies: $R_{t o t a l} = R_{L,0} (1 + π_{L} σ) + R_{V,0} (1 + π_{V} σ) = > R_{t o t a l} = R_{t o t a l,0} [1 + (X π_{L} + (1 - X) π_{V}) σ]$
So ist der effektive Piezokoeffizient Xπ_L + (1-X)π_V . X ist notwendig, um 42 = -24.4X+53(1-X) zu erhalten, was für X = 14.66 % erzielt wird. So sollte der laterale Widerstand 15 % sein, und der vertikale Widerstand sollte 85 % sein, vom gesamten Widerstand.
Dies wurde für eine Serienverbindung von zwei Widerständen detailliert ausgeführt, es ist jedoch auch eine Parallelverbindung möglich. Mit einer derartigen Parallelverbindung können auch Piezokoeffizienten zwischen den beiden Werten für rein vertikale und laterale Widerstände erzielt werden.
Schließlich können in einem möglichen Sensorsystem ein erster Stromgenerator mit einem vertikalen Widerstand und ein zweiter mit einem lateralen Widerstand verwendet werden. Dann können beide Ströme addiert werden, um einen Speisestrom für den Sensor, wie eine Hall-Platte oder eine vertikale Hall-Vorrichtung, zu haben.
Bekannte Systeme subtrahieren zwei Ströme von zwei Widerständen mit unterschiedlichen Piezokoeffizienten. Mit diesen Systemen ist es möglich, Gesamt-Piezokoeffizienten zu generieren, die außerhalb des Intervalls zwischen den beiden Piezokoeffizienten von beiden verwendeten Widerständen liegen.
Im Gegensatz dazu können mit dem hier beschriebenen Widerstandselement 100 (nur) Gesamt-Piezokoeffizienten π_R generiert werden, die innerhalb des Intervalls zwischen den beiden Piezokoeffizienten von beiden verwendeten Widerständen liegen, dies kann jedoch viel einfacher erzielt werden.
Schließlich gibt es noch eine Ausführungsform, die das vertikale gegenüber dem lateralen Stromflussverhältnis abstimmt: eine rein vertikale Vorrichtung wird verwendet, wie in 7(a) und 7(b) gezeigt - so bedeutet dies, dass Kontakte, z.B. Kontaktdiffusionen, (der ersten und dritten Kontaktstruktur 106 und 107) so breit sind wie die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2, um einen homogenen vertikalen Stromfluss hervorzurufen. Dadurch können die erste und dritte Kontaktstruktur 106 und 107, die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2, und die vergrabene Schicht 108, 109 n-dotiert sein. Ferner kann eine Isolierstruktur 150, z.B. eine p-Diffusion, hinzugefügt werden, um die beiden Widerstandsregionen 102_1 und 102_2, d.h. die erste Widerstandsregion 102_1 und die zweite Widerstandsregion 102_2, zu trennen. Ferner kann eine Begrenzungsstruktur 124, z.B. eine tiefe p-Diffusion, hinzugefügt werden, die breiter ist, um ein Hindernis für den Strom zu erzeugen. Die p-Diffusionen stehen in Kontakt und sind vorgespannt, so dass die pn-Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt sind (z.B. ist die p-Diffusion an das negativste Potenzial in der Vorrichtung (oder im Widerstandselement 100)) gebunden. Ein Teil des Stroms muss rund um die Begrenzungsstruktur 124, z.B. ein Hindernis, fließen, und dies ruft gebogene Stromkraftlinien hervor, was einige laterale Stromflussbereiche hinzufügt. Dies ist ein Weg, um kleine laterale Stromflussbereiche zu den dominanten vertikalen hinzuzufügen.
Auch wenn die Isolieranordnung der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 nicht über einen in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang, sondern mittels anderer Techniken implementiert wird, führt eine Änderung in den Stromflussrichtungen zur ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2, und so wird sich ein geänderter Piezowiderstandskoeffizient ergeben. Beispielsweise kann die Isolieranordnung mittels eines Grabens bewirkt werden. Dies ist ein leitfähiger, p-dotierter Topf, der sich vom Hauptflächenbereich 110 zum p-Substrat erstreckt. Zu diesem Zweck werden die erste und zweite Widerstandsregion 102_1 und 102_2 und die vergrabene Schicht 108, 109 vollständig durchgeätzt. Was neu an dem Graben ist, ist, dass ein dünnes Oxid zwischen dem Stift und der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 und der vergrabenen Schicht 108, 109 angeordnet sein kann, wobei das genannte Oxid elektrisch isoliert ist. Da das Oxid jedoch so dünn ist, wird die Leitfähigkeit in der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 elektrostatisch beeinflusst, in Abhängigkeit vom Grad der Potenzialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Widerstandsregion 102_1 und 102_2 und dem p-Substrat (= 0 V). Dies bedeutet jedoch nur, dass sich der Widerstand des Widerstandselements 100, z.B. wenn 5 V an den Anschluss der ersten Kontaktstruktur 106 angelegt werden, und 4 V an den Anschluss 142 der dritten Kontaktstruktur 107 angelegt werden, von dem Widerstand unterscheidet, der sich ergibt, wenn nur 1 V an den Anschluss 140 der ersten Kontaktstruktur 106 angelegt wird, und 0 V an den Anschluss 142 der dritten Kontaktstruktur 107 angelegt wird. Beide Male fällt exakt 1 V zwischen dem Anschluss 140 der ersten Kontaktstruktur 106 und dem Anschluss 142 der zweiten Kontaktstruktur 107, aber der Widerstand ist unterschiedlich. Die Stromkraftlinien haben auch geringfügig unterschiedliche Wege, wobei sich als Ergebnis davon auch der Piezokoeffizient ändert. So kann mittels des Potenzials auch der Piezokoeffizient eingestellt werden - nicht nur für eine pn-Isolierung, sondern auch für eine Grabenisolierung oder andere Oxid-Isolierungen. Beispielsweise hat ein Versuch gezeigt, dass sich ein Piezowiderstandskoeffizient nahezu verdoppeln wird, wenn ein Kontakt der Widerstandsvorrichtung auf dem Substratpotenzial ist, und der andere Kontakt von 0,1 V auf 1,8 V angehoben wird.
Es ist zu beachten, dass die Begrenzungsstruktur 124 (Hindernis) auch eine Ringform in der ersten Widerstandsregion 102_1 und auch in der zweiten Widerstandsregion 102_2 aufweisen kann, so dass der gesamte Strom durch ihr Loch im Zentrum hinduchgehen muss.
Es ist auch zu beachten, dass das an die Begrenzungsstruktur 124 und die Isolierstruktur 150 angelegte Potenzial geändert werden kann, um die Sperrvorspannung der pn-Isolierung zu erhöhen. Dies führt zu einer breiteren Verarmungsbreite entlang dem pn-Übergang. Mit einer einstellbaren Sperrvorspannung kann die Größe der Begrenzungsstruktur 124 (Hindernis) eingestellt werden, und so kann der Prozentsatz des lateralen Stromflusses, der zum vertikalen hinzugefügt wird, abgestimmt werden.
7 zeigt ein Blockbild eines Systems 200 zum Vorsehen eines hinsichtlich eines mechanischen Stresses kompensierten Sensorsignals. Das System 200 umfasst eine Hall-Vorrichtung 300 und das oben beschriebene Widerstandselement 100. Dadurch kann das System 200 ausgelegt sein, ein von einem mechanischen Stress abhängiges Signal unter Verwendung des Widerstandselements 100 zu generieren, wobei das von dem mechanischen Stress abhängige Signal eine spezifische mechanische Stressabhängigkeit aufweist, die durch den spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements 100 definiert wird, und das hinsichtlich des mechanischen Stresses kompensierte Signal unter Verwendung der Hall-Vorrichtung und des von dem mechanischen Stress abhängigen Signals vorzusehen.
Beispielsweise kann mittels des Widerstandselements 100 ein Strom definiert werden, der in die Hall-Vorrichtung 300 (z.B. Hall-Platte oder vertikale Hall-Vorrichtung) eingeführt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Hall-Vorrichtung 300 mit einer Spannung zu versehen, und einen Ausgang gegen ein Potenzial kurzzuschließen, oder zwei Ausgänge miteinander kurzzuschließen, um so dadurch Strom auszukoppeln. Der genannte Kurzschlussstrom kann anschließend verstärkt werden - in einem Zustand, in dem er mit anderen Strömen gemischt ist - oder direkt an das Widerstandselement 100 gesendet werden, wo er einen Spannungsabfall bewirkt, der weiter verarbeitet werden kann. Mit anderen Worten wird klassisch die Hall-Vorrichtung 300 so betrieben, dass Strom eingespeist wird und Spannung ausgekoppelt wird - es ist jedoch auch der umgekehrte Fall möglich, wo Spannung eingespeist wird und Strom ausgekoppelt wird. Im ersten Fall wird der Speisestrom durch das Widerstandselement 100 definiert; im zweiten Fall wird der Ausgangsstrom durch das Widerstandselement 100 in eine Spannung umgewandelt. In beiden Fällen kann so die mechanische Stressabhängigkeit des Ausgangssignals reduziert oder praktisch eliminiert werden.
Es gibt noch eine andere Alternative. Eine Hall-Vorrichtung 300 kann gemäß einem oder beiden der oben angegebenen Schemata ohne Verwendung des Widerstandselements 100 betrieben werden. Falls das Ausgangssignal der Hall-Vorrichtung 300 eine Spannung ist, wird das System die genannte Spannung mit einer weiteren Spannung vergleichen können, die generiert wird, indem Strom auf das Widerstandselement 100 gerichtet wird. Alternativ dazu kann in dem Fall, dass das Ausgangssignal der Hall-Vorrichtung 300 ein Strom ist, der genannte Strom mit einem Strom verglichen werden, der mittels des Widerstandselements 100 definiert wird. Anschließend kann ein Ausgangssignal aus beiden Vergleichen abgeleitet werden, z.B. wird im einfachsten Fall eines Hall-Schalters ein Logikpegel erzeugt, der anzeigt, ob ein Magnetfeld eine Schaltschwelle überschritten hat/unter diese gefallen ist. In komplizierteren Fällen kann das Ergebnis des Vergleichs in eine Rückkopplungsschleife geführt werden, die z.B. den Speisestrom oder die Speisespannung der Hall-Sonde 300 so ändert, dass beide Eingangswerte des Komparators (der den Vergleich vornimmt) so identisch wie möglich werden.
Ferner ist es möglich, beispielsweise ein Ausgangssignal der Hall-Vorrichtung 300 zu verstärken. In diesem Kontext wird der Verstärkungsfaktor beispielsweise durch ein Widerstandsverhältnis definiert (wie es mit nicht-invertierenden Operationsverstärkern üblich ist), wobei einer der genannten Widerstände, der das Widerstandserhältnis definiert, das oben beschriebene Widerstandselement 100 sein kann.
Außerdem kann der gewünschte Effekt einer stressunabhängigen Magnetempfindlichkeit einer n-dotierten Hall-Platte 300 erzielt werden, indem der Hall-Platte 300 ein Strom zugeführt wird, der von einem Widerstandselement 100 mit einer mechanischen Stressabhängigkeit generiert wird, die definiert wird durch $R = R_{0} (1 + π_{R} (σ_{X X} + σ_{Y Y})),$
wobei π_R einen Wert im Bereich zwischen 40 bis 46 %/GPa umfasst, wobei dieser Wert im Bereich zwischen den Werten von π_R1 und π_R2 liegt, wobei π_R2 = 53 %/GPa der Piezowiderstandskoeffizient eines n-dotierten Widerstands in (100)-Silicium mit einer rein vertikalen Stromflussrichtung und einer 90° Symmetrie in der xy-Ebene (parallel zum Hauptflächenbereich 110 des Halbleitersubstrats 104 und gleich der (100)-Ebene) ist, und wobei π_R1 = -24,4 %/GPa der Piezowiderstandskoeffizient eines n-dotierten Widerstands in (100)-Silicium mit einer rein lateralen (d.h. xy) Stromflussrichtung und einer 90° Symmetrie in der xy-Ebene ist. Diese Widerstände und die Hall-Vorrichtung können monokristallines (100)-Silicium (d.h. keine Polysilicium-Widerstände) umfassen und sind geringfügig n-dotiert (z.B. Donatorkonzentration kleiner als 1017/cm3). Der Piezo-Hall-Koeffizient umfasst einen Wert von etwa 40 %/GPa, der dem Wert des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten π_R2 näher liegt als dem Wert des ersten Piezowiderstandskoeffizienten π_R1,was der Grund ist, warum die vertikale Stromflusskomponente innerhalb der kombinierten Vorrichtung dominieren muss. Eine 90° Symmetrie in der xy-Ebene kann durch ein L-förmiges Layout erzielt werden (d.h. zwei Vorrichtungen werden um 90° gegeneinander gedreht und so betrieben, dass derselbe Strom durch beide von ihnen fließt, oder so, dass dieselbe Spannung an beiden von ihnen abfällt). Die 90° Symmetrie der Widerstände kann erforderlich sein, um denselben Piezowiderstandskoeffizienten für σ_XX und σ_YY zu erzwingen, was erforderlich ist, da die Hall-Vorrichtung 300 für eine willkürliche geometrische Form (einschließlich einer Nicht-90° Symmetrie) denselben Piezowiderstandskoeffizienten für σ_XX und σ_YY umfasst. Dies gilt für Hall-Platten, d.h. Hall-Vorrichtungen, die für vertikale Magnetfeldkomponenten (z.B. in der z-Richtung) empfindlich sind. Außerdem kann der oben beschriebene Vorgang auch auf vertikale Hall-Vorrichtungen angewendet werden. Vertikale Hall-Vorrichtungen umfassen einen Stromfluss in einer vertikalen Richtung und in einer ersten lateralen Richtung, aber nicht in einer zweiten lateralen Richtung rechtwinklig zur ersten lateralen Richtung, und detektieren Magnetfeldkomponenten parallel zur zweiten lateralen Richtung. Dadurch umfassen die Piezowiderstandskoeffizienten vertikaler Hall-Vorrichtungen einen Wert, der Null näher liegt (der exakte Wert hängt von ihrer Form ab, beispielsweise kann dieser Wert im Bereich zwischen -10 %/GPa und +10 %/GPA liegen), und umfassen unterschiedliche Werte für σ_XX und σ_YY.Daher muss das Widerstandselement 100 keine 90° xy-Symmetrie umfassen und kann eine größere laterale Stromflusskomponente erfordern als das Widerstandselement für die Hall-Platte.
So kann das oben beschriebene Widerstandselement 100 für die Stresskompensation einer Hall-Platte verwendet werden, wobei das Widerstandselement 100 einen n-dotierten Widerstand umfasst, dessen Piezowiderstandskoeffizient identisch ist mit dem Piezo-Hall-Koeffizienten der Hall-Platte.
Wie bereits angegeben, kann jedoch das Widerstandselement 100 auch für vertikale Hall-Sonden verwendet werden - auch wenn in diesem Fall ein unterschiedlicher Piezokoeffizient erforderlich ist, kann der genannte Piezokoeffizient grundsätzlich auch unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens eingestellt werden, z.B. spezifisches Formen der Kontaktgeometrie oder spezifisches Formen der Widerstandsregion.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 108 zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einer spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit mit einem Widerstandselement. Das Widerstandselement umfasst eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine spezifische Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst, wobei die erste Kontaktstruktur eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich der ersten Fläche der Widerstandsregion parallel zum Hauptflächenbereich in Kontakt zu stehen, wobei die zweite Kontaktstruktur eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion, die von der ersten Fläche verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, in Kontakt zu stehen. Das Verfahren 180 umfasst das Anlegen 182 eines Eingangssignals an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur, um einen Stromfluss innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Stromflusskomponente und einer vertikalen Stromflusskomponente zu generieren, wobei eine Kombination der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente zu einem Ausgangssignal mit einer Stressabhängigkeit führt, die durch das Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Stromflusskomponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird. Dadurch ist das Widerstandselement so ausgelegt, dass sich ein spezifisches Verhältnis zwischen der lateralen Stromflusskomponente und der vertikalen Stromflusskomponente innerhalb der Widerstandsregion ergibt, um das stressabhängige Signal mit der spezifischen mechanischen Stressabhängigkeit zu erhalten.
Einige Ausführungsformen bezieht sich auf ein Signal mit einem spezifischen Piezokoeffizienten zwischen einem ersten und einem zweiten Wert, indem ein erstes und ein zweites Signal kombiniert werden, wobei das erste Signal von einem ersten Widerstand mit einem ersten Wert des Piezokoeffizienten abgeleitet wird, und wobei ein zweites Signal von einem zweiten Widerstand mit einem zweiten Wert des Piezokoeffizienten abgeleitet wird, wodurch der erste Widerstand eine erste Stromflussrichtung aufweist, und der zweite Widerstand eine zweite Stromflussrichtung aufweist, die zur ersten Stromflussrichtung rechtwinklig ist, und entweder die erste oder zweite Richtung ist rechtwinklig zur Hauptfläche des Substrats.
Dadurch können der erste und der zweite Widerstand in getrennten Regionen des Substrats effektiv sein.
Ferner können der erste und der zweite Widerstand wenigstens teilweise in identischen Regionen auf dem Substrat effektiv sein.
Ferner können der erste und der zweite Widerstand in Regionen mit demselben Dotierungstyp und gegebenenfalls derselben Dotierungskonzentration effektiv sein.
Ferner kann die Kombination durch eine Kontaktgröße relativ zur Größe der aktiven Region in der Draufsicht bestimmt werden.
Ferner kann die Kombination durch ein Hindernis für den Stromfluss bestimmt werden, das aus einer Region mit einem Typ einer Dotierung entgegengesetzt zur aktiven Region besteht.
Ferner ist die erste Stromflussrichtung rechtwinklig zur Hauptfläche des Substrats.
Ferner kann der erste Widerstand in wenigstens zwei Regionen effektiv sein, die lateral gegeneinander isoliert und durch eine vergrabene Schicht verbunden sind.
Einige Ausführungsformen sehen ein Sensorsystem mit einem Sensorelement vor, das eine Empfindlichkeit für eine physikalische Größe aufweist, die proportional zu einem Strom durch das Sensorelement ist, und mit einem Generator, der dem genannten Sensorelement elektrische Energie zuführt, wodurch der Generator einen ersten und einen zweiten Widerstand kombiniert, wodurch der Strom durch den ersten Widerstand in einer ersten Richtung und durch den zweiten Widerstand in einer zweiten Richtung fließt, die rechtwinklig zur ersten Richtung ist, und entweder die erste oder zweite Richtung ist rechtwinklig zur Hauptfläche des Substrats.
Es ist zu beachten, dass anstelle des vom Generator zugeführten Stroms auch eine vom Generator zugeführte Spannung verwendet werden kann.
Obwohl einige Aspekte im Kontext einer Einrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu repräsentieren im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Einrichtung. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardware-Einrichtung ausgeführt werden, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung. In einigen Ausführungsformen können irgendeiner oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine derartige Einrichtung ausgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine programmierbare Logikvorrichtung (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate-Array) verwendet werden, um einige oder alle Funktionalitäten der hier beschriebenen Verfahren vorzunehmen. In einigen Ausführungsformen kann ein feldprogrammierbares Gate-Array mit einem Mikroprozessor zusammenarbeiten, um eines der hier beschriebenen Verfahren vorzunehmen. Im Allgemeinen werden die Verfahren vorzugsweise durch eine beliebige Hardware-Einrichtung vorgenommen.

Claims

Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten, wobei das Widerstandselement umfasst: eine Widerstandsregion eines einzigen Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst; eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist; wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur zu generieren, wobei die Stromflussverteilung eine laterale Komponente und eine vertikale Komponente aufweist; wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement nach Anspruch 1, bei welchem die erste Kontaktstruktur so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt.
Widerstandselement nach Anspruch 2, bei welchem die erste Kontaktstruktur ausgelegt ist, mit der ersten Fläche der Widerstandsregion in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen in Kontakt zu stehen, die in einem Abstand voneinander vorliegen.
Widerstandselement nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die erste Kontaktstruktur und die zweite Kontaktstruktur ausgelegt sind, mit wenigstens 75 % der Summe der ersten Fläche und der zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Widerstandsregion in der lateralen Richtung gegen das Halbleitersubstrat durch eine Isolierstruktur isoliert ist, wobei die Isolierstruktur ausgelegt ist, eine Verarmungsregion benachbart wenigstens zu einer lateralen Fläche der Widerstandsregion vorzusehen, wobei eine Breite der Verarmungsregion in der lateralen Richtung steuerbar ist, um das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente in der Widerstandsregion einzustellen.
Widerstandselement nach Anspruch 5, bei welchem die Breite der Verarmungsregion durch eine Sperrspannung, die an die Verarmungsregion angelegt wird, steuerbar ist.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die zweite Kontaktstruktur eine einzelne Halbleiterregion ist, die eingerichtet ist, mit der zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, wobei eine Leitfähigkeit der einzelnen Halbleiterregion um wenigstens einen Faktor zehn höher ist als eine Leitfähigkeit der Widerstandsregion.
Widerstandselement nach Anspruch 7, bei welchem die einzelne Halbleiterregion im Halbleitersubstrat so vergraben ist, dass sie weder den ersten Hauptflächenbereich des Halbleitersubstrats noch einen zweiten Hauptflächenbereich des Halbleitersubstrats, der dem ersten Hauptflächenbereich gegenüberliegt, umfasst.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der spezifische Piezowiderstandskoeffizient einen Wert umfasst, der zwischen +3·10^-10/Pa- und +6·10^-10/Pa-mal der Summe von In-Plane-Stresskomponenten parallel zum Hauptflächenbereich beträgt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Widerstandsregion n-dotiertes monokristallines (100)-Silicium mit einer Dotierungskonzentration zwischen 10¹⁵/cm³ und 10¹⁸/cm³ umfasst.
Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten, wobei das Widerstandselement umfasst: eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich, in einer zweiten lateralen Richtung, die von der ersten lateralen Richtung verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in den lateralen Richtungen isoliert ist und für eine Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der von dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten und dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst; eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist; wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur zu generieren, wobei die Stromflussverteilung eine erste laterale Komponente, eine zweite laterale Komponente und eine vertikale Komponente aufweist; wobei eine Kombination der ersten lateralen Komponente, der zweiten lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der ersten lateralen Komponente in der ersten lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der ersten lateralen Richtung, der zweiten lateralen Komponente in der zweiten lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem dritten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der zweiten lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; und wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der ersten lateralen Komponente, der zweiten lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement nach Anspruch 11, bei welchem die erste laterale Richtung und die zweite laterale Richtung rechtwinklig zueinander sind, und bei welchem die Widerstandsregion die gleiche Abmessung entlang der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten, wobei das Widerstandselement umfasst: eine erste Widerstandsregion und eine zweite Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die erste Widerstandsregion und die zweite Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstrecken, und wobei die erste Widerstandsregion und die zweite Widerstandsregion gegeneinander und gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert sind und für eine spezifische Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfassen; eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der ersten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der ersten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche der ersten Widerstandsregion verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist; eine dritte Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der zweiten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer dritten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine vierte Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der zweiten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche der zweiten Widerstandsregion verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vierten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der dritten Distanz verschieden ist, positioniert ist; wobei die zweite Kontaktstruktur und die vierte Kontaktstruktur miteinander verbunden sind; wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der ersten Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente und einer vertikalen Komponente zu generieren, und, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der dritten Kontaktstruktur und vierten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der zweiten Widerstandsregion zwischen der dritten Kontaktstruktur und der vierten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente und einer vertikalen Komponente zu generieren; wobei eine Kombination der lateralen Komponenten und der vertikalen Komponenten innerhalb der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsregion zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen den lateralen Komponenten in der lateralen Richtung mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und den vertikalen Komponenten in der vertikalen Richtung mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; und wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen den lateralen Komponenten und den vertikalen Komponenten innerhalb der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement nach Anspruch 13, bei welchem die zweite Kontaktstruktur und die dritte Kontaktstruktur jeweils eine einzelne Halbleiterregion umfassen, die eingerichtet ist, mit der zweiten Fläche der ersten Widerstandsregion und der zweiten Fläche der zweiten Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, wobei eine Leitfähigkeit der Halbleiterregion um wenigstens einen Faktor von zehn höher ist als eine Leitfähigkeit der ersten Widerstandsregion und der zweiten Widerstandsreg ion.
Widerstandselement nach Anspruch 14, bei welchem die einzelne Halbleiterregion im Halbleitersubstrat so vergraben ist, dass sie weder den ersten Hauptflächenbereich des Halbleitersubstrats noch einen zweiten Hauptflächenbereich des Halbleitersubstrats umfasst, der dem ersten Hauptflächenbereich gegenüberliegt.
Widerstandselement, umfassend: eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist; und Kontakte; wobei das Halbleitersubstrat einen Hauptflächenbereich umfasst und sich in einer ersten lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich, und in einer zweiten lateralen Richtung, die parallel zum Hauptflächenbereich und von der ersten lateralen Richtung verschieden ist, und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig sowohl zu der ersten lateralen Richtung als auch der zweiten lateralen Richtung erstreckt; wobei sich die Widerstandsregion in wenigstens einer von der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung zwischen lateralen Grenzen, und in einer Out-of-Plane-Richtung zwischen einer oberen und unteren Grenze erstreckt, wobei die Out-of-Plane-Richtung von allen möglichen linearen Kombinationen der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung verschieden ist, wobei die Widerstandsregion entlang ihren lateralen Grenzen gegen das Halbleitersubstrat isoliert ist; wobei die Kontakte wenigstens an Bereichen der oberen und unteren Grenze der Widerstandsregion angeordnet sind; wobei die Widerstandsregion einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der ersten lateralen Richtung und eine spezifische Stresskomponente und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der vertikalen Richtung und die spezifische Stresskomponente umfasst; wobei wenigstens einer der Kontakte ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an den jeweiligen Kontakt angelegt wird, ein Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion zu generieren; und wobei die für das Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion vorgegebenen Grenzbedingungen so sind, dass der Widerstand zwischen zweien der Kontakte einen Piezowiderstandskoeffizientenwert zwischen den Werten des ersten Piezowiderstandskoeffizienten und des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten umfasst; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement nach Anspruch 16, bei welchem die spezifische Stresskomponente eine Stresskomponente entlang der ersten lateralen Richtung, entlang der zweiten lateralen Richtung, oder entlang einer Kombination der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung ist.
Widerstandselement nach Anspruch 16 oder 17, bei welchem eine Differenz zwischen dem Wert des Piezowiderstandskoeffizienten und dem Wert des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten kleiner ist als eine Differenz zwischen dem Wert des Piezowiderstandskoeffizienten und dem Wert des ersten Piezowiderstandskoeffizienten.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei welchem ein erster Kontakt der Kontakte die obere Grenze der Widerstandsregion bildet, und bei welchem ein zweiter Kontakt der Kontakte die untere Grenze der Widerstandsregion bildet.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei welchem die Out-of-Plane-Richtung parallel zur vertikalen Richtung ist.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei welchem einer der Kontakte die gesamte obere Grenze der Widerstandsregion oder die gesamte untere Grenze der Widerstandsregion bedeckt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei welchem das Widerstandselement umfasst: eine weitere Widerstandsregion, die im Halbleitersubstrat gebildet ist; und weitere Kontakte; wobei sich die weitere Widerstandsregion in wenigstens einer von der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung zwischen lateralen Grenzen, und in einer Out-of-Plane-Richtung zwischen einer oberen und unteren Grenze erstreckt, wobei die Out-of-Plane-Richtung von allen möglichen linearen Kombinationen der ersten lateralen Richtung und zweiten lateralen Richtung verschieden ist, wobei die weitere Widerstandsregion entlang ihrer lateralen Grenzen gegen das Halbleitersubstrat isoliert ist; wobei die weiteren Kontakte wenigstens an Bereichen der oberen und unteren Grenze der weiteren Widerstandsregion angeordnet sind; wobei die weitere Widerstandsregion einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der ersten lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der vertikalen Richtung umfasst; wobei wenigstens einer der weiteren Kontakte ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an den jeweiligen Kontakt angelegt wird, ein weiteres Stromvektorfeld innerhalb der weiteren Widerstandsregion zu generieren; und wobei die für das weitere Stromvektorfeld innerhalb der weiteren Widerstandsregion vorgegebenen Grenzbedingungen so sind, dass der Widerstand zwischen zweien der weiteren Kontakte einen Piezowiderstandskoeffizientenwert zwischen den Werten des ersten Piezowiderstandskoeffizienten und des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten umfasst; wobei ein Kontakt der Kontake, der an der unteren Grenze der Widerstandsregion angeordnet ist, mit einem weiteren Kontakt der weiteren Kontakte, der an der unteren Grenze der weiteren Widerstandsregion angeordnet ist, so verbunden ist, dass ein an das Widerstandselement angelegter Strom durch die Widerstandsregion und die weitere Widerstandsregion in einer Rücken-an-Rücken-Auslegung fließt; wobei die Grenzbedingungen so eingestellt sind, - dass nur Bereiche der oberen Grenze der Widerstandsregion mit oberen Kontakten der Kontakte in Kontakt stehen, - oder dass wenigstens Bereiche der lateralen Grenzen der Widerstandsregion vertikale Stromkraftlinien dazu zwingen, Biegungen in laterale Richtungen einzugehen.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei welchem sich die Widerstandsregion in beiden von der ersten lateralen Richtung und der zweiten lateralen Richtung erstreckt, wobei die Widerstandsregion einen dritten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss entlang der zweiten lateralen Richtung umfasst; wobei die für das Stromvektorfeld innerhalb der Widerstandsregion vorgegebenen Grenzbedingungen so sind, dass der Widerstand zwischen den zweien der Kontakte einen Piezowiderstandskoeffizientenwert zwischen den Werten des zweiten Piezowiderstandskoeffizienten und einem Mittelwert des ersten Piezowiderstandskoeffizienten und des dritten Piezowiderstandskoeffizienten umfasst.
Sensorsystem zum Vorsehen eines hinsichtlich eines mechanischen Stresses kompensierten Sensorsignals, umfassend: eine Hall-Vorrichtung; und ein Widerstandselement, das eine Widerstandsregion, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur umfasst; wobei die Hall-Vorrichtung und die Widerstandsregion des Widerstandselements in demselben Halbleitersubstrat gebildet sind, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, und wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine spezifische Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst; eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist; wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur zu generieren, wobei die Stromflussverteilung eine laterale Komponente und eine vertikale Komponente aufweist; wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei das System ausgelegt ist, ein von einem mechanischen Stress abhängiges Signal unter Verwendung des Widerstandselements zu generieren, wobei das von dem mechanischen Stress abhängige Signal eine spezifische mechanische Stressabhängigkeit aufweist, die durch den spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements definiert wird; und wobei das System ausgelegt ist, das hinsichtlich des mechanischen Stresses kompensierte Sensorsignal unter Verwendung der Hall-Vorrichtung und des von dem mechanischen Stress abhängigen Signals vorzusehen; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
System nach Anspruch 24, bei welchem eine Leitfähigkeit der Widerstandsregion des Widerstandselements und eine Leitfähigkeit einer aktiven Region der Hall-Vorrichtung während der Herstellung durch denselben Prozessschritt definiert wurden.
System nach Anspruch 25, bei welchem das Widerstandselement und eine aktive Region der Hall-Vorrichtung im Wesentlichen demselben mechanischen Stress entlang der lateralen Richtung ausgesetzt werden.
System nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei welchem die Hall-Vorrichtung eine Hall-Platte ist.
Verfahren zum Generieren eines von einem mechanischen Stress abhängigen Signals mit einem Widerstandselement, wobei das von dem mechanischen Stress abhängige Signal eine spezifische mechanische Stressabhängigkeit aufweist, die durch einen spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements definiert wird, wobei das Widerstandselement eine Widerstandsregion, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste Kontaktstruktur und eine zweite Kontaktstruktur umfasst, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, und wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst, wobei die erste Kontaktstruktur eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer ersten Fläche der Widerstandsregion parallel zum Hauptflächenbereich in Kontakt zu stehen, wobei die zweite Kontaktstruktur eingerichtet ist, mit wenigstens einem Bereich einer zweiten Fläche der Widerstandsregion, die von der ersten Fläche verschieden und parallel zum Hauptflächenbereich ist, in Kontakt zu stehen, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines Eingangssignals an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur, um eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur mit einer lateralen Komponente und einer vertikalen Komponente zu generieren, wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; und wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei die Widerstandsregion eine Begrenzungsstruktur umfasst, die so gebildet ist, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; und wobei die Begrenzungsstruktur so gebildet ist, dass die Widerstandsregion in einem Teilbereich eine Querschnittsreduktion in der lateralen Richtung umfasst.
Widerstandselement mit einem spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten, wobei das Widerstandselement umfasst: eine Widerstandsregion eines einzigen Leitfähigkeitstyps, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Hauptflächenbereich umfasst, wobei sich die Widerstandsregion in einer lateralen Richtung parallel zum Hauptflächenbereich und in einer vertikalen Richtung rechtwinklig zum Hauptflächenbereich erstreckt, wobei die Widerstandsregion gegen das Halbleitersubstrat in der lateralen Richtung isoliert ist und für eine Stresskomponente einen ersten Piezowiderstandskoeffizienten für einen Stromfluss in der lateralen Richtung und einen zweiten Piezowiderstandskoeffizienten, der vom ersten Piezowiderstandskoeffizienten verschieden ist, für einen Stromfluss in der vertikalen Richtung umfasst; eine erste Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer ersten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche parallel zum Hauptflächenbereich und in einer ersten Distanz zum Hauptflächenbereich positioniert ist; eine zweite Kontaktstruktur, die eingerichtet ist, mit wenigstens einem Teil einer zweiten Fläche der Widerstandsregion in Kontakt zu stehen, welche von der ersten Fläche verschieden, parallel zum Hauptflächenbereich und in einer zweiten Distanz zum Hauptflächenbereich, die von der ersten Distanz verschieden ist, positioniert ist; wobei das Widerstandselement ausgelegt ist, ansprechend auf ein Eingangssignal, das an wenigstens eine der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur angelegt wird, eine Stromflussverteilung innerhalb der Widerstandsregion zwischen der ersten Kontaktstruktur und der zweiten Kontaktstruktur zu generieren, wobei die Stromflussverteilung eine laterale Komponente und eine vertikale Komponente aufweist; wobei eine Kombination der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente zu einem Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements führt, der durch das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente in der lateralen Richtung in der Widerstandsregion mit dem ersten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der lateralen Richtung und der vertikalen Komponente in der vertikalen Richtung in der Widerstandsregion mit dem zweiten Piezowiderstandskoeffizienten für den Stromfluss in der vertikalen Richtung definiert wird; wobei das Widerstandselement so ausgelegt ist, dass ein Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente innerhalb der Widerstandsregion erhalten wird, das zum spezifischen Piezowiderstandskoeffizienten führt; wobei die Widerstandsregion in der lateralen Richtung gegen das Halbleitersubstrat durch eine Isolierstruktur isoliert ist, wobei die Isolierstruktur ausgelegt ist, eine Verarmungsregion benachbart wenigstens zu einer lateralen Fläche der Widerstandsregion vorzusehen, wobei eine Breite der Verarmungsregion in der lateralen Richtung steuerbar ist, um das Verhältnis zwischen der lateralen Komponente und der vertikalen Komponente in der Widerstandsregion einzustellen.
Widerstandselement nach Anspruch 29, bei welchem die Breite der Verarmungsregion durch eine Sperrspannung, die an die Verarmungsregion angelegt wird, steuerbar ist.