DE19857275A1

DE19857275A1 - Integrierbarer Magnetfeldsensor aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE19857275A1
Application number: DE1998157275
Authority: DE
Inventors: Johannes V Kluge; Heinrich Acker; Frank Umbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2000-06-15

Abstract

Die bisherigen Halbleiter-Magnetfeldsensoren haben das Problem, daß sie viele Maskenschritte für ihre Herstellung benötigen. Dies ist zu kostenintensiv, wenn auf dem Sensorchip keine integrierte Schaltung hergestellt wird und somit die Maskenschritte ausschließlich für die Magnetfeldsensoren benutzt werden. Der neue Sensor löst dieses Problem, da für seine Herstellung nur ein einziger Maskenschritt (ohne Metallisierung) benötigt wird. DOLLAR A Bei dem integrierbaren Sensor handelt es sich um ein Stromteiler-Halleffekt-Bauelement. Als aktive Fläche dient die Schicht (NW), die nichtstrukturiert vorliegt. Die Geometrie des Sensors wird durch das Öffnen der Kontaktfenster im Dielektrikum (Ox) erzeugt. Diese Fenster dienen sowohl der Erzeugung der Kontaktzonen (N+), wie auch der Kontaktierung der aktiven Fläche (NW) mit der Metallisierung (A1). DOLLAR A Der Sensor dient der Messung der magnetischen Flußdichte, speziell in Konfigurationen, in denen sehr wenige Maskenschritte erwünscht sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierbaren Sensor zur Messung der magnetischen Flußdichte, der aus Halbleitermaterial besteht. Solche Sensoren werden in großer Stückzahl als Komponenten von Bau elementen benötigt, die das Magnetfeld als mittelbare Meßgröße verwenden, um geometrische und mechanische Größen zu messen. Anwendungen liegen z. B. in der Automobil- und Automatisierungs technik, in denen die Unempfindlichkeit magnetischer Sensoren gegenüber Verschmutzung wertvoll ist.

Stand der Technik

Unter den verschiedenen Sensoren, mit denen die magnetische Flußdichte gemessen werden kann, haben Halbleitersensoren, in denen die beweglichen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt werden, die größte gewerbliche Bedeutung erlangt. Die Integrierbarkeit in moderenen Halbleiterpro zessen (Si: bipolar und MOS; GaAs), in denen elektronische Schaltungen (IC) hergestellt werden, ist eine Schlüsseleigenschaft, die zur Bevorzugung von Halleffekt-Bauelementen und Magnetotransisto ren geführt hat. Die Integration von Magnetfeldsensor und Signalverarbeitungsschaltung erlaubt einen sehr kostengünstigen Sensor, in dem Funktionen wie Temperaturkompensation und Signalverstärkung bereits enthalten sind.

Halleffekt-Bauelemente werden in verschiedenen Ausführungen mit Spannungs- oder Stromausgang betrieben. Die Bauelemente mit Spannungsausgang werden als Hallgeneratoren bezeichnet, diejeni gen mit Stromausgang sollen hier als Stromteiler bezeichnet werden, sie werden im Englischen als "split-current devices" bezeichnet. Die Stromteiler sind als MOS-Feldeffekttransistoren, auch MAGFET genannt, bekannt (eine Form zeigt US 5 208 477), sowie als Widerstandsbauelement (Sensors and Ac tuators A 46-47 (1995) 284-288: P. Malcovati, R. Castagnetti, F. Maloberti, H. Baltes, "A magnetic sensor with current-controlled sensitivity and resolution"). Sowohl der MAGFET als auch der Strom teiler als Widerstandsbauelement sind CMOS-kompatibel und lassen sich damit ohne technologischen Zusatzaufwand in der heute am weitesten verbreiteten Schaltungstechnologie realisieren. Beide Typen messen die Komponente der Flußdichte senkrecht zur Substratebene. Es sind Varianten mit bis zu acht Kontakten bekannt, deren zusätzliche Kontakte - gegenüber den drei notwendigen - der Verbesserung der Empfindlichkeit oder der Reduktion des Offset dienen.

Nachteile des Standes der Technik

Beide o. g. Bauelementtypen machen Gebrauch von mehreren Schichten eines CMOS-Prozesses. Damit lassen sie sich ohne Zusatzaufwand nur dann realisieren, wenn ein solcher Prozeß für die jewei lige Meßaufgabe notwendig ist. In der Mikrosystemtechnik, die eine Vereinigung der Mikroelektronik, Mikromechanik und weiterer Mikrotechniken darstellt, wird zunehmend mit sogenannten Multichip modulen (MCM) gearbeitet. Es stellt sich dann die Frage, wie die Aufgabe des Mikrosystems auf die verschiedenen Chips zu partitionieren ist und welche Technologien für die einzelnen Chips des MCM zu wählen sind, um eine optimale Verteilung der elektronischen, mechanischen, optischen usw. Funk tionen zu geringen Kosten zu erhalten. In diesem Zusammenhang sind - nachdem die Komplexität der Halbleiterprozesse durch gute Beherrschung der Photolithographie viele Jahre stark gestiegen ist - neuerdings wieder Technologien und Technologiemodule gefragt, die mit möglichst wenigen Masken ebenen auskommen. Die Realisierung eines CMOS-Prozesses allein für MAGFETs ohne Schaltung auf dem gleichen Chip ist insbesondere dann ungünstig, wenn es sich um einen Sensorchip handelt, der außer der Elektronik noch weitere Funktionen des Mikrosystems enthält.

Ein wichtiger Spezialfall ist die Herstellung von Magnetfeldsensoren auf Membranen, um mit ferroma gnetischen Schichten, die sich auf der Membran befinden, eine gezielte Zuführung des magnetischen Flusses zu den Magnetfeldsensoren zu erreichen (vgl. z. B. DE 43 13 556 A1). Die Verbindung von CMOS und Membranätzung und ferromagnetischen Schichten bedeutet eine kostenintensive Fertigung des Chips mit vielen Maskenebenen, wobei der CMOS-Teil zuwenig genutzt wird. Dies spricht für eine Partitionierung des in DE 43 13 556 A1 beschriebenen Systems in der Art, daß ein sehr kostengünsti ger Signalverarbeitungs-Chip (nur CMOS) mit einem Sensorchip zu einem MCM kombiniert wird. Der Sensorchip wird in einer Spezialtechnologie hergestellt, die möglichst wenige Maskenschritte enthalten muß, mit denen die CMOS-fremde Funktionalität (geätzte Gruben, ferromagnetische Schicht) mit den sensorspezifischen Teilen (Spulen, Magentfeldsensoren) zu kombinieren ist. Ähnliche Partitionierungs bedingungen lassen sich auch in anderen Systemen finden, die DE 43 13 556 A1 dient hier nur als Beispiel. Eine ökonomische Reduktion der Maskenschritte zur Realisierung eines Magnetfeldsensors (z. B. auf eins) wird von den bisher bekannten Bauelementen nicht geleistet, es sei denn, es werden Werkstoffe oder Technologien eingesetzt, die ihrerseits hohe Kosten verursachen (z. B. SOI, silicon on insulator).

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die magnetische Flußdichte mit einem Halbleiterbauele ment zu messen und dabei folgende vorteilhafte Eigenschaften in einer Meßeinrichtung zu vereinigen:

- integrierbar, d. h. mehrere Elemente in einem Chip möglich
- nur ein oder zwei Maskenebenen nötig (ohne Metallisierung)
- kein Zusatzaufwand zur Kombination mit Membranherstellung
- kompatibel zum anisotropen Ätzen von Silizium, wenn in Silizium realisiert
- rauschärmer als MAGFET
- besonders geringer Herstellungsaufwand.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Mit diesem Sensor, einem Stromteiler-Halleffekt-Bauelement, das sich in bestimmten Ausführungsbeispielen mit nur einer Maske (ohne Anschluß-Metallisierung, jedoch mit Kontaktöffnungen) realisieren läßt, werden alle Vorteile entsprechend der Aufgabenstellung erreicht.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Erstes Ausführungsbeispiel, Aufsicht auf Substratoberfläche und Schnitt durch Substrat,

Fig. 2 Variante mit vier oder mehr Kontakten,

Fig. 3 Variante mit eingeschnürtem Stromfluß innen,

Fig. 4 Variante mit eingeschnürtem Stromfluß ganzflächig,

Fig. 5 Variante mit zusätzlicher lateraler Isolierung,

Fig. 6 Variante mit zwei oder mehr Meßrichtungen.

In Fig. 1 ist der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels zu erkennen: Auf der Oberfläche eines Sub strats (PS) aus einem Halbleiter, z. B. Silizium, befindet sich eine Schicht (NW), die durch Epitaxie oder Dotierung hergestellt werden kann. Die Stärke dieser Schicht (t) beträgt nur wenige Mikrometer. PS und NW sind voneinander isoliert, jedoch nicht mit einem Dielektrikum, sondern durch einen pn-Über gang oder dadurch, daß PS ein semi-isolierendes Substrat ist, wie von GaAs-Technologien bekannt. Auf dem Halbleitermaterial (PS, NW) befindet sich ein Dielektrikum (Ox) als Isolation zur Anschlußmetal lisierung (Al), die aus jeder in der Mikroelektronik üblichen Metallisierung, z. B. Aluminium, hergestellt werden kann. Der einzige Maskenschritt bei der Herstellung dieses Ausführungsbeispiels ist die Öffnung der Kontaktfenster in Ox zur Schicht NW. Anschließend werden, unter Nutzung der Maske in Ox bzw. in einer strukturierten Fotolackschicht, die zur Offnung der Fenster in Ox dient, weitere technologische Schritte zur Bildung der Kontaktzonen (N+) durchgeführt, die zur Kontaktierung der Werkstoffe von Al und NW notwendig sind. Bei n-Silizium (NW) und Aluminium (Al) besteht dieser Schritt in einer starken n-Dotierung der Kontaktzonen, z. B. durch Implantation.

Die Dicke der aktiven Schicht (NW) muß unter 5 µm liegen, um einen brauchbaren Meßeffekt zu erhalten. Wird die Schicht dünner gemacht, so steigt die Empfindlichkeit an. Es muß jedoch vermieden werden, die Schicht zu dünn zu machen (z. B. 100 nm), weil dann der Stromfluß wie beim MAGFET fast ausschließlich entlang der Halbleiteroberfläche erfolgt und damit das 1/f-Rauschen stark ansteigt. Die Vorteile der Erfindung können am besten mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1 µm genutzt werden, auch wenn die grundsätzliche Funktion weit außerhalb dieses Bereiches meßtechnisch nachweisbar ist. Das Rauschen liegt dann deutlich niedriger als beim MAGFET; die durch das Rauschen und die Empfindlichkeit gegebene Meßauflösung ist wesentlich besser als beim MAGFET. Die Schicht NW sollte weiterhin eine möglichst hohe Beweglichkeit der Ladungsträger aufweisen, d. h. in Silizium ist einer n-Schicht gegenüber einer p-Schicht der Vorzug zu geben, ebenso wie monokristallinem Silizium gegenüber Polysilizium. Verbindungshalbleiter, aus denen die Bauelemente hergestellt werden, sollten unter dem Gesichtspunkt hoher Ladungsträgerbeweglichkeit ausgewählt werden. Die Schicht NW muß für einen hohen Meßeffekt niedrig dotiert werden. Für Bauelemente aus n-Silizium ist eine Ladungs trägerkonzentration in der Größenordnung von 10⁵ cm^-3 gut geeignet, um eine sichere Umdotierung üblicher Substrate zu erreichen.

Wird das Bauelement aus n-Silizium hergestellt, besteht die Möglichkeit einer Kombination mit der Herstellung einer Membran ebenfalls aus Silizium, ohne daß dafür zusätzlicher Aufwand getrieben wer den muß. Alle Schritte zur Herstellung einer Silizium-Membran mit erfindungsgemäßen Magnetfeldsen soren werden ohnehin bereits für die Membran selbst gebraucht. Eine einfachere Membranherstellung ist mit sehr hochdotiertem Material möglich, darin können aber keine Bauelemente mehr integriert werden. Zur Membranherstellung wird das anisotrope Ätzverfahren mit Ätzmitteln wie z. B. KOH und elektrochemischem Ätzstopp verwendet. Dazu muß sich ein pn-Ubergang im Material befinden, an dem die Atzung zum Erliegen kommt. Im Beispiel, korrespondierend zu Fig. 1, wird das p-dotierte Substrat PS geätzt. Erreicht die Ätzfront die n-Zone (NW), kommt die Ätzung zum Stillstand. Der Wafer muß zur Realisierung des Ätzstopps an der n-Schicht NW kontaktiert werden und benötigt dazu bereits Anschlußzonen (N+) und Metallisierung (Al). Das Verfahren des elektrochemischen Ätzstopps ist in der wissenschaftlichen und Patentliteratur bereits bekannt und nicht Gegenstand eines Anspruchs. Von Interesse ist hier nur, daß der technologische Zusatzaufwand zur Herstellung der Magnetfeldsensoren insbesondere dann sehr gering ist, wenn die Schichten bereits ohnehin zur Membranherstellung benötigt werden.

Im Betrieb des Sensors wird der Anschluß K0 auf ein festes Potential gelegt. Die Anschlüsse K1 und K2 werden über getrennte Widerstände auf ein anderes Potential gelegt. Daraufhin fließt ein Strom durch das Bauelement, der sich ohne Magnetfeld symmetrisch zwischen K1 und K2 aufteilt. Liegt ein Magnetfeld senkrecht zu der Ebene vor, die durch die Schicht NW gegeben ist, so unterscheiden sich die Ströme durch K1 und K2, die Stromdifferenz ist ein Maß für die Flußdichte. Die elektrische Funktion des Sensors ist die eines Widerstandes; das Bauelement arbeitet aber nicht nach dem Ma gnetowiderstandseffekt, sondern nach dem Halleffekt. Aufgrund der geringen Dicke t der Schicht NW ist es nun möglich, mehrere Sensoren in einer Schicht NW zu betreiben, ohne daß wesentliche Wech selwirkungen auftreten, obwohl die Sensoren nicht untereinander isoliert sind. Dazu ist es notwendig, daß die Abstände zwischen den Kontakten (d, L) klein gegen die Abstände der Sensoren unterein ander sind. Daneben gibt es einen Spezialfall, in dem es nicht notwendig ist, einen großen Abstand einzuhalten: Zwei Sensoren, deren K0-Kontakte einander zugewendet sind und sich damit direkt zwi schen ihren K1/K2-Kontakten. befinden, benötigen keinen Mindestabstand, bis hin zur Verschmelzung der beiden K0-Kontakte. Gleiche Bedingungen gelten für die Integration weiterer Widerstände in die Schicht NW, die keine Magnetfeldsensoren darstellen, z. B. die zum Anschluß an die Kontakte K1 und K2 notwendigen Widerstände.

Der Sensor hat vier Layoutparameter (L, W, d, c), die den Widerstand, die Empfindlichkeit und das Rauschen des Elementes beeinflussen. Der Widerstand des Sensors wird dabei hauptsächlich durch die Länge L und die Weite W bestimmt: Der Widerstand steigt an, je länger der Sensor wird und er sinkt mit steigender Weite (R ~ L/W). Die Empfindlichkeit ist abhängig von allen vier Layoutparametern. Insbesondere liegt eine Abhängigkeit von d vor. Es existiert ein Optimum der Empfindlichkeit bei ca. d = 10 µm (ohne Isolator zwischen K1 und K2). Dies hat seine Ursache in einem parasitären Strom, der sich bei einem auftretenden Spannungsunterschied zwischen den Kontakten K1 und K2 einstellt und der durch eine Erhöhung des Widerstandes zwischen diesen Kontakten verringert wetden kann. Eine Erhöhung dieses Widerstandes wird entweder durch einen vergrößerten Abstand (d) der Kontakte erreicht, oder durch das Einfügen eines Isolators (PT in Fig. 5). Weiterhin kann die Empfindlichkeit vergrößert werden, indem die Weite W des Kontaktes K0 verringert wird. Wird W < d + 2c gewählt, führt das zu einer vergrößerten Stromdichte an diesem Kontakt ("current crowding") und somit zu einer vergrößerten Empfindlichkeit. Die Layoutparameter haben ebenfalls einen Einfluß auf das Rauschen des Sensors. Wird ein hoher Widerstand R mittels W und L eingestellt, wird das Rauschen verringert. Dies hat seine Ursache in der Abhängigkeit des thermischen Rauschstromes vom Widerstand: der Rauschstrom sinkt mit steigendem Widerstand.

In Fig. 2 ist die Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels zu sehen: Zwischen den Kontakten K1 und Kn, an denen die Stromdifferenz wie bei Fig. 1 gemessen wird, befinden sich weitere Kontakte K2 bis K(n-1) (n ≧ 3), durch die zusätzlicher Strom eingespeist wird. Dadurch erhöht sich die Empfind lichkeit des Sensors. Diese Form ist - mit einem zusätzlichen Kontakt - aus der oben zitierten Schrift von Malcovati, Castagnetti, Maloberti, Baltes bekannt und neu in Bezug auf die erfindungsgemäße technologische Realisierung mit nur einer Maske.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem durch hinzufügen einer zweiten Maske ein geringeres Rauschen des Sensors erreicht wird. Die zusätzliche Maske dient der Erzeugung einer ober flächennahen Schicht P+ innerhalb von NW, zwischen den Kontakten K0, K1 und K2. Diese Schicht kann in Silizium z. B. durch eine Implantation, aber auch durch ein anderes Dotierverfahren erzeugt werden. Die Dotierung der Schicht mit umgekehrtem Leitfähigkeitstyp bewirkt eine Verdrängung des Stromes im Sensor weg von der Halbleiteroberfläche, an der das auflösungsbegrenzende 1/f-Rauschen entsteht. Für ein Bauelement nach diesem Ausführungsbeispiel gilt nicht mehr die Aussage zu Fig. 1 bezüglich zu geringer Schichtdicken t von NW, die zu hohem Rauschen des Bauelementes führen. Statt dessen kann die effektiv stromführende Schicht (Dicke von NW minus Dicke von P+) auch in der Größenordnung von 100 nm liegen, wodurch eine sehr hohe Empfindlichkeit in Verbindung mit geringem Rauschen erzielt wird. Prinzipiell wird die Empfindlichkeit immer größer, je dünner die ef fektiv stromführende Schicht ist, jedoch müssen Toleranzen bei der Schichtherstellung berücksichtigt werden. Die rauschmindernde Wirkung einer Zone, die den Stromfluß von der Oberfläche verdrängt, ist bereits aus der Literatur vom JFET (junction field effect transistor) bekannt. Analog zur Steuerung des Kanals im JFET kann die Empfindlichkeit des Sensors daher gesteuert werden, indem die Schicht P+ mit einem zusätzlichen Kontakt versehen wird, an den eine Steuerspannung angelegt wird, die die Weite der Raumladungszone an der Schicht P+ beeinflußt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit erzielt wird. Die Schicht P, die der Verdrängung des Stromflusses von der Oberfläche dient, befindet sich hier nicht nur zwischen den Kontakten, wie in Fig. 3, sondern auch außerhalb des Kontaktberei ches. Dadurch wird die effektive Leitfähigkeit des an sich parasitären Bereiches von NW (außerhalb des Rechteckes, das die Kontakte K0, K1, K2 umschreibt sowie der Bereich zwischen K1 und K2) herabgesetzt, wodurch der dazugehörige Stromfluß sinkt. Insbesondere der oben erwähnte parasitäre Strom direkt zwischen K1 und K2 wird wirksam herabgesetzt.

Aus Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel abgeleitet: Bei günstiger Wahl der Dotierungskon zentration von NW, P und N+ kann auf die zweite Maske wieder verzichtet werden, so daß auch dieses Ausführungsbeispiel mit erhöhter Empfindlichkeit und reduziertem Rauschen mit nur einer Mas ke hergestellt werden kann. Eine Dotierung, die diese Bedingung erfüllt, ist z. B. NW: 10¹⁵ cm^-3, P: 10¹⁷ cm^-3, N+: 10²⁰ cm^-3. Die ganzflächige, unstrukturierte P-Schicht wird dann an den N+- Kontaktzonen umdotiert, d. h. der Leitfähigkeitstyp ändert sich. Dazu muß, wie im Zahlenbeispiel gezeigt, die Dotierungskonzentration von N+ um Größenordnungen über der von P liegen. Weiterhin muß die N+-Kontaktdotierung so tief ausgelegt sein, daß die Umdotierung die stromführende Schicht auch erreicht, damit das Bauelement korrekt angeschlossen wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit lateraler Isolierung. Die Schicht PT wird mit einer zusätz lichen, zweiten Maske strukturiert und bietet den Vorteil, den parasitären Stromfluß zwischen K1 und K2 und außerhalb des Rechteckes um die Kontakte nahezu vollständig zu unterbinden. Dazu muß PT bis hinab zur Substratschicht PS reichen. PT kann hergestellt werden als dotierte Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie PS (z. B. durch eine tiefe Implantation) oder durch dielektrische Isolation, wie aus der lateralen Oxidation in modernen Bipolarprozessen bekannt (z. B. LOCOS-Technologie). Ein weite rer Vorteil dieser Anordnung ist, daß mehrere Bauelemente in einer Schicht beliebig plaziert werden können: es ist nicht notwendig, große Abstände einzuhalten. Wird eine Isolierung PT mit Dotierung in Kombination mit der Herstellung der Sensoren auf einer Membran (mit elektrochemischem Ätzstopp) verwendet, so muß die Isolierung nach der Membranätzung erfolgen, weil im umgekehrten Fall die Isolierung PT ebenfalls geätzt wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das den Vorteil einer Reduktion des Offsetfehlers bietet. Alle Halleffekt-Bauelemente haben einen Offsetfehler, d. h. das Ausgangssignal ist ohne Magnetfeld nicht exakt null. Der linke Teil von Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit vier Kontakten, bei der in zwei Richtungen gemessen wird. In einer ersten Phase werden die Kontakte K1b und K2b miteinander leitend verbunden und wirken wie K0 in Fig. 1. Gemessen wird die Stromdifferenz an K1a und K2a. In einer zweiten Phase wird die Signalverarbeitungsschaltung so angeschlossen, daß K1a und K1b miteinander vertauscht werden, ebenso wie K2a und K2b. Damit ist die Meßrichtung um 180° gedreht (nicht gespiegelt!) worden, so daß die Meßrichtung wieder in der Symmetrieebene S liegt. Anschließend bildet die Signalverarbeitungsschaltung den Mittelwert aus beiden Meßphasen. Dadurch wird der Offset deutlich reduziert. Die zweiphasige Messung läßt sich entsprechend Fig. 6 rechts zu einer mehrphasigen Messung erweitern, bei der sich die Meßrichtung von Phase zu Phase um den Winkel Φ dreht. Zu jeder Meßphase werden Kontakte verwendet, die um die Symmetrieebene S des Bauelementes angeordnet sind, die der Meßrichtung entspricht. Die Zahl der zu wählenden Meßphasen für das Bauelement ist immer doppelt so hoch wie die Anzahl der. Symmetrieachsen, weil zu jeder Achse zwei Phasen gehören, die um 180° gedreht sind. Es ist dabei nicht notwendig, daß zu jedem Meßphasen paar für Φ und Φ+180° ein eigener Satz Kontakte verwendet wird, vielmehr können Kontakte zu benachbarten Symmetrieachsen in. allen vier zu diesen Achsen gehörenden Meßphasen genutzt werden. In Fig. 6 rechts symbolisieren die Kontaktzonen K0(i) und K1,2(i) mit i = {1, 2, 3} die Kontakte K0 und K1, K2 zu drei verschiedenen Meßphasen. Besonders vorteilhaft ist eine Realisierung mit acht Meßphasen, die jeweils um einen Winkel von 45° gedreht sind. Diese Form ist - mit genau acht Kontakten und einen Winkel von 45° zwischen den Meßrichtungen - aus der Literatur bekannt ("spinning current method") und neu in Bezug auf die erfindungsgemäße technologische Realisierung mit nur einer Maske.

Claims

1. Integrierbarer Sensor aus Halbleitermaterial zur Messung der magnetischen Flußdichte, dadurch gekennzeichnet,

- daß sich ganzflächig auf der Oberfläche eines Substrates (PS) eine Schicht (NW) befindet, die durch Epitaxie oder durch Dotierung des Substrates hergestellt wird und die dünner als 5 µm ist,
- daß die Schicht (NW) nicht strukturiert wird,
- daß die magnetfeldempfindliche Sensorfläche eines Bauelementes innerhalb der Schicht NW durch die Strukturierung einer anderen Schicht (Ox) festgelegt wird,
- daß sich mehrere Bauelemente, mit denen das Magnetfeld an verschiedenen Stellen gemessen wer den kann, ohne gesonderte Isolierung in der Schicht NW befinden können, wobei die gegenseitige Beeinflussung der Bauelemente untereinander vernachlässigbar klein gegenüber dem Meßsignal ist,
- daß der Sensor inkl. der Kontakte, jedoch ohne die Strukturierung der Metallisierung mit ein bis zwei photolithographischen Maskenschritten herstellbar ist,
- und daß drei oder mehr Kontaktzonen (N+) vorhanden sind, an denen die Metallisierung (Al) den Halbleiter erreicht, um ihn zu kontaktieren, wobei mindestens einer der Kontakte (K0) der Einspeisung des Meßstromes dient, während an den anderen paarweise (K1, K2) das Magnetfeld als Funktion der Differenz der Ströme durch diese Kontakte K1 und K2 gemessen wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor sich auf einer Silizium- Membran befindet, die mit Hilfe des elektrochemischen Ätzstopps hergestellt ist, ohne daß dazu Struk turen oder Maskenschritte notwendig sind, die nicht bereits Bestandteil des Sensors sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt drei Kontakte vorhan den sind, von denen einer der Stromeinspeisung dient (K0), die anderen beiden (K1, K2) der Messung der Stromdifferenz.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als drei Kontakte vorhanden sind, von denen zwei der Messung der Stromdifferenz dienen, alle anderen der Stromeinspeisung.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Halbleiteroberfläche eine zusätzliche Schicht (P+) befindet, die den umgekehrten Leitfähigkeitstyp der Schicht NW hat und den Stromfluß von der Halbleiteroberfläche verdrängt.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht P+ durch eine Maske lateral begrenzt wird, so daß sie lediglich zwischen den Kontakten vorhanden ist.

7. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht P+ bzw. P nicht durch eine zweite Maske strukturiert wird, d. h. ganzflächig vorhanden ist, und gerade so stark dotiert ist, daß sie die Schicht NW umdotiert, aber selbst durch die Kontaktzonen N+ umdotiert wird, was durch Dotierungskonzentrationen in der Größenordnung von NW: 10¹⁵ cm^-3, P: 10¹⁷ cm^-3, N+: 10²⁰ cm^-3 erreicht wird.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor lateral durch eine tiefe Dotierung oder durch ein Dielektrikum isoliert wird, wobei diese Isolierung (PT) bis zum Substrat (PS) reicht.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in mehreren Meßphasen betrieben wird und der Mittelwert der Meßergebnisse dieser Meßphasen gebildet wird, wobei für jede Meßphase Kontakte vorhanden sind, die einen Stromfluß entlang einer Richtung bewirken, der von Meßphase zu Meßphase um einen festgelegten Winkel (Φ) gedreht ist.