专利名称：用于测量磁场的传感器元件、磁场传感器和用于制造传感器元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量磁场的传感器元件。
背景技术：
基于霍尔元件的磁性传感器如今可以使用在平面的半导体工艺中。于是，EP 1 462 770描述了一种带有传感器元件的霍尔传感器，该传感器元件带有设置在模型中的、在半导体衬底上的接触部。在芯片平面中流动的激励电流被引入所选择的接触部并且在其他接触部上测量霍尔电压。通过切换接触部选择，可以消除偏差。通过施加激励电流和相应的在不同方向上的测量，可以在芯片平面以及垂直于芯片平面中检测磁场。借助这种传感器，可以非常好地检测在芯片平面上垂直的磁场分量。对于在芯片平面中的场分量，借助纯粹平面的电极装置只能实现非常低的灵敏度。
发明内容
与此相对，根据本发明的用于测量磁场的传感器元件具有的优点是，霍尔效应也针对处于芯片平面中的磁场方向被最大化。这样，可以在所有三个空间方向上以良好的精度来确定磁场矢量。特别地，可以在一个结构上同时检测所有的磁场分量。由此，它们经受相同的、例如由于温度过程、应力影响导致的漂移。当所述结构在所有方向上具有类似的长度时，可以尤其良好地保证这一点。借助霍尔元件的与磁场方向正交的电流引导，将其灵敏度最大化。另一优点是，霍尔传感器可以借助有效的制造方法在所有三个空间方向上被结构化。用于测量磁场的传感器元件具有晶片结构，其中该晶片结构具有半导体衬底、绝缘层和半导体层。这能够实现垂直于芯片平面的精确结构的有效的制造方法。传感器元件具有穿过穿通接触(durchkontakierten)的凸模(Stempel)，该凸模带有半导体衬底端面、 半导体层端面和在半导体衬底中的成对的平行的侧面，其中所述端面和侧面具有带有高导电性的区段，并且所述凸模在带有高导电性的区段之间具有带较低导电性的内部掺杂物。 在工作中，激励电流可以相继地在不同方向上被引导通过凸模，并且霍尔电压可以在与其垂直的、带有高导电性的区段上被截取。该区段的高导电性能够通过在凸模的端面和侧面上有效地收集和引导开形成霍尔电压的载流子而实现良好的测量。在俯视图中，凸模优选具有多面体的形状。有利的是，凸模在高度和宽度上具有类似的长度。借助矩形的横截面，可以形成简单的、立方体形状的凸模，其在三个维度上具有对称的灵敏度和漂移。借助八面体形状的横截面，借助在芯片平面中的“自旋电流”的测量是可能的，其中激励电流相继地馈入相邻的侧面中并且霍尔电压在与其垂直的侧面上被测量。相应的内容也适用于更高数目的多面体，其中在四的倍数情况下，多面体分别具有彼此垂直的侧面的对。端面和侧面的具有高导电性的区段优选彼此间隔。这些区段有利地与传感器元件的表面上的键合面导电连接。二者改进了形成霍尔电压的载流子的截取。侧面的具有高导电性的区段有利地具有侧面掺杂，该侧面掺杂高于凸模内部的内部掺杂。上端面的导电区段有利地具有端面掺杂，其高于内部掺杂。由此，可以产生所希望的不同的导电性。在本发明的一个扩展方案中，与侧面的具有高导电性的区段导电连接的键合面在凸模上基本上设置在侧面的具有高导电性的区段上方。在对此可替选的本发明扩展方案中，侧面处于沟道中，并且侧面的具有高导电性的区段分别与导电层连接，该导电层通过沟道在其对置的侧上朝向衬底的上侧延伸。与侧面的具有高导电性的区段导电连接的键合面设置在凸模旁的半导体衬底上。传感器元件优选具有穿过穿通接触的导电的接触凸模，其中凸模和接触凸模在绝缘层之下彼此导电连接。接触凸模用于将凸模的下侧与传感器元件的上侧上的键合面电连接。由此，全部的键合面位于传感器元件的上侧上。在凸模和接触凸模之间的电连接通过在绝缘层之下的半导体层中的导电区段进行，或者通过在传感器的下侧上的导体进行。带有根据本发明的用于多维测量磁场的传感器元件的磁场传感器具有控制单元， 用于电激励传感器元件以及测量和分析霍尔电压。优选的是三维磁场测量，然而本发明也可以简化地针对二维测量而构建，例如具有仅仅一对如上所述地配置的侧面。将描述根据本发明的用于制造用于测量磁场的传感器元件的方法，其中所有方法步骤不必以该顺序来实施。该方法包含如下方法步骤
a)制造带有半导体衬底、绝缘层和半导体层的晶片结构，半导体衬底并且因此传感器元件的上侧位于晶片的背面上；
b)形成穿过穿通接触的凸模，该凸模具有半导体衬底端面、半导体层端面和成对的平行的、在半导体衬底中的侧面，所述穿通接触形成在半导体层端面上的高导电性的区段；
c)对具有低导电性的凸模的内部进行掺杂；
d)在半导体衬底端面和侧面上形成具有高导电性的区段。优选的是，凸模具有基本上多边形的横截面，并且所述方法具有如下方法步骤
e)去除凸模的彼此邻接的侧面的角(Ecken)。由此，在侧面上的具有高导电性的区段彼此隔离。有利的是，在另一方法步骤中，进行
f)在半导体衬底的上侧上形成键合面，该键合面与具有高导电性的区段导电连接。在侧面上的具有高导电性的区段为此在第一变形方案中被引导直到半导体衬底的上侧上，并且在那里将键合面金属化。在第二变形方案中，侧面的具有高导电性的区段通过沟道的侧壁被引导至传感器元件的上侧上并且在凸模之外。凸模下侧的电连接有利地借助在传感器元件的上侧上的键合面通过如下方法步骤来进行
g)形成穿过穿通接触的导电接触凸模；
h)在半导体层中形成凸模和接触凸模的导电连接。
本发明的实施例将借助附图来阐述，其中 图1示出了根据本发明的方法的流程图2以示意图示出了根据本发明的在晶片中制造传感器元件； 图3示意性地示出了根据本发明的传感器元件的凸模的加工； 图4以示意图示出了根据本发明的在晶片中制造具有接触部的传感器元件； 图5以示意图示出了根据本发明的在晶片中制造带有另一接触部的传感器元件；并且图6示出了根据本发明的带有传感器元件的晶片背面的俯视图。
具体实施例方式在图1中在流程图10中示出了根据本发明的用于制造用于测量磁场的传感器元件的方法，其中所有在下面描述的方法步骤不必以该顺序来实施。流程图10的方法步骤借助并且与图2至5—同来阐述。首先参照图2A，在方法步骤a)制造带有半导体衬底13、绝缘层14和半导体层15 的晶片结构12 ；从半导体衬底13。在半导体衬底13上沉积绝缘层14，其以半导体层15覆盖。半导体层15借助绝缘层14与半导体衬底13电绝缘。于是，在硅技术情况中得到例如绝缘体上硅(SOI)晶片。在随后的方法步骤中，参照图2B进行b)形成穿过14穿通接触的凸模16，该凸模具有半导体衬底端面17、半导体层端面18和成对的平行的、在半导体衬底13中的侧面19。 借助沟刻蚀构建出的凸模16借助穿通接触部20来穿通接触。侧面19在沟道22、23中。在图2B中此外可以看到接触凸模M，其借助穿通接触部25来穿通接触并且位于沟道23和 26之间。穿通接触部20用高导电性的区段覆盖半导体层端面18。方法步骤c)对具有低导电性的凸模16的内部27进行掺杂例如可以在方法步骤 b)之后进行或者已经通过选择预先掺杂的晶片而事先进行。现在参照图2C执行方法步骤d)在半导体衬底端面17和侧面19上形成具有高导电性的区段观、29、30。这通过用较高掺杂的半导体层覆盖凸模16或者优选通过将掺杂物扩散进入来进行。凸模16和半导体衬底13、可选地还有绝缘层14借助掩模32部分地保护以防扩散进入。接着，可以例如借助扩散入掺杂物来导电地覆盖侧面或者端面接触部。图3)现在相应地示出了方法步骤e)去除凸模16的彼此邻接的侧面19、34的角 33 ；如凸模16被再次结构化那样，以便实现侧面19、34的电分离。由此，在侧面上的具有高导电性的区段彼此隔离。如果完成的传感器元件在以后的工作中借助通过端面17、18引导的激励电流来驱动，则可以彼此独立地测量霍尔电压te 35和Uy 36。图4说明了另一方法步骤f)在半导体衬底13的上侧39上形成键合面37、38，这些键合面与具有高导电性的区段观、29、30连接。在侧面上的具有高导电性的区段观、四在第一变形方案中被引导直到半导体衬底13的上侧39上，并且在那里将键合面37以及38 金属化。键合面37、38可以通过键合线40连接到分析电子设备或者另一芯片上。图4和图2B此外说明了凸模下侧或者端面18与传感器元件42的上侧上的键合面41通过如下方法步骤的有利的电连接g)形成穿过14穿通接触的导电的接触凸模M ； h)形成凸模16和接触凸模M在绝缘层14之下的导电连接43。
在图4中所示的凸模16和接触凸模M的导电连接43实施为在半导体层15上的传感器元件42的下侧上的导体44。凸模16和接触凸模M的晶片区段45、46通过沟道47 彼此电分离。图5示出了一个实施形式，其相对于图4具有彼此独立的可替选的设计。与图4 中类似的元件设置有带撇的参考数字。第一可替选的设计涉及将凸模16的键合面向外移动。在此，现在侧面19’的具有高导电性的区段同样可替选地作为金属层48、49通过沟道 50的侧壁向传感器元件42’的上侧39’上引导，用于形成侧壁接触部51。完全填充的沟道也是可能的。在此，键合线直接连接到金属层48、49的侧壁接触部51上。这种在空间上彼此拉开的设计使得键合变得容易。第二可替选的设计涉及将凸模下侧或者端面18与传感器元件42的上侧上的键合面41的电连接。在图4中所示的凸模16’和接触凸模24’的导电连接53实施为在绝缘层之下的半导体层15’中的掺杂连接M。接触凸模被沟道55包围。在图6中示出了具有根据本发明的图5中的传感器元件42’的晶片的背面，传感器元件的上侧位于晶片的背面上。在晶片结构12’上，具有带矩形横截面的金属键合面38’ 的凸模16’被金属侧壁接触部51、51包围。在其旁边，接触凸模24’作为同样具有金属键合面41的下侧接触部被沟道55包围。参照图6中的坐标轴x、y阐述带有根据本发明的用于多维测量磁场的传感器元件的磁场传感器的功能，其中ζ轴垂直于图像平面向上走向。用于电激励传感器元件以及测量和分析霍尔电压的控制单元将预先确定的激励电流相继地在x、y和ζ方向上分别在正坐标方向以及在负坐标方向上通过接触对38’与41’、51和52来引导。通过接触对38’与41’弓丨导的激励电流Iz垂直地在ζ方向上流过凸模16’，在芯片平面中的磁场分量也在垂直于磁场分量的芯片平面中产生霍尔电压。通过磁场分量Bx 在χ方向上产生的霍尔电压在接触对52上在y方向上被测量，并且通过磁场分量By在y 方向上产生的霍尔电压在接触对51上在χ方向上被测量。通过接触对51引导的激励电流Ix水平地在χ方向上流过凸模16’，在y和ζ方向上的磁场分量也产生ζ和1方向上垂直于磁场分量的霍尔电压。通过磁场分量By在y方向上产生的霍尔电压在接触对38’与41’上在ζ方向上被测量，并且通过磁场分量Bz在ζ 方向上产生的霍尔电压在接触对52上在y方向上被测量。相应的内容适用于通过接触对52引导的激励电流Iy。通过对相同磁场分量的多次测量的冗余(尤其是加上在分别两个电流方向的情况)，被用于持续地确定偏差和漂移。
权利要求
1.一种用于测量磁场的传感器元件(42，42’)，具有晶片结构(12)，其特征在于，该晶片结构(12)具有半导体衬底(13)、绝缘层(14，14’)和半导体层(15，15’)，并且传感器元件具有穿过绝缘层(14，14’ )穿通接触的凸模(16，16’)，该凸模带有半导体衬底端面(17)、 半导体层端面(18)和在半导体衬底(13)中的成对的平行的侧面(19 ;19’)，其中所述端面 (17，18)和侧面(19 ；19’)具有带有高导电性的区段(28，四，30)，并且所述凸模(16，16’)在内部(27)中具有带低导电性的掺杂。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，在俯视图中，凸模(16，16’)具有多面体的形状。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，凸模(16，16’)在高度和宽度上具有类似的长度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述端面(17)和侧面(19 ；19’)的具有高导电性的区段(28二9)彼此间隔。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述具有高导电性的区段(28，29，30)与传感器元件的表面(39 ；39，)上的键合面(37，38 ；38，，51)导电连接。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，侧面(19； 19’)的具有高导电性的区段(28，29)具有侧面掺杂，该侧面掺杂高于在内部(27)的掺杂。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，上端面(17)的导电区段(30)具有端面掺杂，其高于在内部(27)的掺杂。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述侧面(19； 19’)处于沟道(22，23)中，并且所述侧面的具有高导电性的区段(28，四)分别与导电层 (48，49)连接，所述导电层通过沟道(50)在其对置的侧上朝向衬底的上侧(39’)延伸。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，传感器元件(42； 42’)具有穿过绝缘层(14 ;14’)穿通接触的导电的接触凸模(24 ;24’)，其中凸模(16，16’) 和接触凸模(24，24’ )在绝缘层(14，14’ )之下彼此导电连接。
10.一种磁场传感器，带有用于电激励传感器元件的控制单元，所述传感器元件用于多维测量磁场并且测量和分析霍尔电压，其特征在于，包括根据上述权利要求之一所述的传感器元件。
11.一种用于制造用于测量磁场的传感器元件的方法，其中所有方法步骤不必以该顺序来实施，所述方法基于以下方法步骤a)制造带有半导体衬底(13)、绝缘层(14;14’)和半导体层(15，15’)的晶片结构 (12)，其特征在于，包括进一步的方法步骤b)形成穿过绝缘层(14;14’)穿通接触的凸模(16，16’)，该凸模具有半导体衬底端面、半导体层端面(17)和成对的平行的、在半导体衬底(13)中的侧面(19 ；19')；c)对具有低导电性的凸模(16，16’)的内部(27)进行掺杂；d)在半导体衬底端面(18)和侧面(19；19’)上形成具有高导电性的区段(28二9，30)。
12.根据权利要求11所述的用于制造传感器元件的方法，其特征在于，所述凸模(16， 16’ )具有基本上多边形的横截面，并且所述方法具有如下方法步骤e)去除凸模(16，16，)的彼此邻接的侧面(19；19，)的角(33)。
13.根据权利要求11或12所述的用于制造传感器元件的方法，其特征在于，包括进一步的方法步骤f)在半导体衬底的上侧上形成键合面(37，38；38’，51)，该键合面与具有高导电性的区段( ，29，30)导电连接。
14.根据权利要求13所述的用于制造传感器元件的方法，其特征在于，与侧面(19’)的具有高导电性的区段连接的键合面(51)在凸模(16’)之外。
15.根据权利要求11至14所述的用于制造传感器元件的方法，其特征在于，包括进一步的方法步骤g)形成穿过绝缘层(14，14’)穿通接触的导电接触凸模(24，24')；h)在绝缘层(14，14，)之下形成凸模(16，16，)和接触凸模(24，24，)的导电连接。
全文摘要
一种用于测量磁场的传感器元件(42，42’)，具有晶片结构(12)，该晶片结构(12)具有半导体衬底(13)、绝缘层(14，14’)和半导体层(15，15’)。传感器元件具有穿过绝缘层(14，14’)穿通接触的凸模(16，16’)，该凸模带有半导体衬底端面(17)、半导体层端面(18)和在半导体衬底(13)中的成对的平行的侧面(19；19’)，其中所述端面(17，18)和侧面(19；19’)具有带有高导电性的区段(28，29，30)，并且所述凸模(16，16’)在内部(27)中具有带低导电性的掺杂。
文档编号H01L43/14GK102169955SQ20111000349
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月10日 优先权日2010年1月11日
发明者凯克 M., 奥姆斯 T. 申请人:罗伯特·博世有限公司