补偿集成在半导体衬底中的霍尔传感器电路的机械应力制造技术

本公开描述了一种半导体电路装置，具有集成在半导体衬底中的霍尔传感器电路，被构造为，在霍尔效应区域的第一端子和第二端子之间传导霍尔供电电流，该霍尔供电电流与半导体衬底的主平面的法线成45°并横向通过霍尔效应区域，其中霍尔供电电流具有对半导体衬底的机械应力的第一相关性。集成在半导体衬底中并且与霍尔效应区域不同的电阻装置被构造为，在电阻装置的第一端子和第二端子之间传导电流，其中通过电阻装置的电流具有对半导体衬底的机械应力的第二相关性。补偿电路被构造为，基于霍尔效应区域的第一端子与电阻装置的第一端子之间的信号差，校正在霍尔效应区域的第三端子和第四端子之间测量并且取决于半导体衬底的机械应力的霍尔电压。

Compensating the mechanical stress of Hall sensor integrated in semiconductor substrate

A semiconductor circuit device has a Hall sensor circuit integrated in a semiconductor substrate, which is configured to conduct a hall supply current between the first terminal and the second terminal of the Hall effect area, the hall supply current is 45 \u00b0 to the normal of the main plane of the semiconductor substrate and passes through the Hall effect area horizontally, wherein the hall supply current has a half conductivity The first correlation of the mechanical stress of the bulk substrate. A resistance device integrated in the semiconductor substrate and different from the Hall effect region is configured to conduct current between the first and second terminals of the resistance device, wherein the current passing through the resistance device has a second correlation with the mechanical stress on the semiconductor substrate. The compensation circuit is configured to correct the Hall voltage measured between the third terminal and the fourth terminal of the Hall effect region and determined by the mechanical stress of the semiconductor substrate based on the signal difference between the first terminal of the Hall effect region and the first terminal of the resistance device.

【技术实现步骤摘要】
补偿集成在半导体衬底中的霍尔传感器电路的机械应力
本公开的实施例涉及一种半导体衬底中的集成电路装置，并且特别地涉及一种用于补偿半导体衬底中的机械应力分量对集成在半导体衬底中的电路装置的参数精度和参数稳定性的负面影响的方案。
技术介绍
集成电路装置或集成电路(IC＝集成电路)通常安装在壳体中，从而保护敏感的集成电路装置免受环境影响。然而会观察到令人不愉快的副作用：即时将集成电路装置放置和安装在壳体中，也可能在半导体材料上并因此在集成在半导体衬底上的电路装置上引起显著的机械应力。这对于低成本的、构造为批量生产的壳体形式尤其如此，例如对于这种壳体形式，其中集成的电路装置通过浇铸化合物封装。然后通过将浇铸化合物从约150℃-185℃的温度冷却至环境温度来使浇铸化合物硬化。由于集成电路装置的半导体材料和围绕集成电路装置的壳体的塑料浇铸化合物具有不一致的热膨胀系数，因此当冷却到环境温度(例如室温)时，塑料材料更强烈地收缩，并且在集成电路装置的半导体材料上引起基本上不可再现的机械应力。塑料材料通常具有比集成电路装置的半导体材料更高的热膨胀系数，其中作为半导体材料主要使用硅或锗、砷化镓(GaAs)、InSb、InP等。半导体衬底的半导体材料中的机械应力作用在集成电路装置上，因为机械应力取决于用于半导体衬底和浇铸化合物的材料的组合，而且取决于加工参数，例如集成电路装置的壳体的复合化合物的固化温度和固化时间，因此该机械应力通常很难再现。通过半导体材料中的各种压电效应(例如通过压阻效应、压电MOS效应、压电结效应、压电霍尔效应和压电隧道效应)，集成电路装置的重要电气参数或电子参数受集成电路装置的作用机械应力影响。在进一步描述中，术语“压电效应”通常指在半导体材料中机械应力的影响下，集成在半导体材料中的电路装置的电参数的变化。半导体材料中的机械应力导致电荷载流子的特性相对于电荷载流子传输(例如迁移率、碰撞时间、杂散因子、霍尔常数等)发生变化。一般来说，压阻效应表明相应的半导体材料的特定欧姆电阻在机械应力的影响下如何变化。除此之外，压电结效应导致二极管和双极晶体管的特性曲线发生变化。压电霍尔效应描述了半导体材料的霍尔常数对半导体材料中的机械应力状态的相关性。压电隧道效应发生在反向驱动、重掺杂、浅侧p-n结处。该电流由带间隧道效应决定，并且还与应力有关。压阻效应和文献中偶尔用的“压电MOS效应”可以分类可比，因为在压电MOS效应与压阻效应基本相同的情况下，在集成电路芯片的半导体材料中的机械应力的影响下，MOS场效应晶体管的MOS通道中的电荷载流子的迁移率发生变化。因此很明显，由于集成电路装置的半导体材料中的机械应力，集成电路装置的电子特性不可预测地改变或削弱，其中可以观察到集成电路装置的性能(性能或参数)的降低，例如以调制范围、分辨率、带宽、电流消耗或精度的损害形式。特别地，上述压阻效应表明各个半导体材料的特定欧姆电阻在机械应力张量和压阻系数的影响下如何表现。在集成电路装置(IC)中，相应的电流I(例如控制电流、参考电流等)通过半导体芯片上的集成电路装置的电路元件产生。在这种情况下，基本上在集成电阻(具有电阻值R)上产生定义电压U，并且断开电流I。因此，通常可以在每个电阻元件上产生电流I，例如在处于线性工作范围的MOS场效应晶体管上。例如，可以通过已知的带隙原理产生与半导体材料中的机械应力相关的相对恒定的电压U(除了相对较小的压电结效应外在产生的带隙电压上)。然而，电阻R受到压阻效应的影响。由于半导体材料中的机械应力通过集成电路装置的壳体仅以不良可控的方式影响半导体电路芯片，因此用于产生电流I的电阻值R以及因此产生的电流I以无意和不可预测的方式发生改变。相比之下，压电霍尔效应描述了霍尔常数对半导体材料中的机械应力状态的相关性。在集成电路装置(特别是传感器装置，例如包括控制和评估电子装置的集成霍尔传感器)的操作中，压阻效应和压电霍尔效应是非常干扰的。通过由于集成电路装置的半导体芯片的半导体材料中的机械应力而产生的压电霍尔效应，在霍尔传感器装置中，例如霍尔传感器的电流相关灵敏度Si,Hall发生变化。此外，由于在霍尔传感器装置的半导体材料中施加机械应力时的压阻效应，通过霍尔传感器的霍尔供电电流也会发生变化，因为霍尔供电电流(控制电流)仅通过一个集成电阻RHall定义，在该集成电阻RHall上可能通过控制回路降低电压U。由于压阻效应导致的电阻变化δRHall引起的霍尔电流的变化因此导致霍尔传感器的灵敏度Si,Hall的变化。霍尔传感器的磁灵敏度Si,Hall可以定义(如上所述)作为霍尔传感器的输出电压UHall与施加的磁场分量B的比率。因此，霍尔传感器装置的半导体材料中的机械应力影响霍尔传感器的电流相关磁灵敏度Si,Hall。通常试图保持霍尔传感器的磁灵敏度Si,Hall尽可能恒定，特别地由于上述压阻效应和压电霍尔效应引起的机械应力的影响是干扰的。基于集成霍尔传感器电路装置，产生取决于作用磁场分量B的开关信号，应该注意，磁开关阈值BS总是可以归纳为以下的形式：BS∝RHall/Si,Hall。因此，通常可以说电流相关磁灵敏度Si,Hall与电阻值RHall的比率决定了霍尔传感器装置的磁参数(例如灵敏度或开关阈值)。因此，集成电路装置的半导体材料中的机械应力最终可能对由霍尔传感器装置构成的整个系统的磁灵敏度或开关阈值产生不利影响。实际上，磁性开关传感器可以在封装工艺(即晶片级)之前显示出开关阈值，与在封装在壳体中之后的那些阈值相差大约10％。原因是上面提到的压电效应。因此，特别地，在封装在壳体中之后，将确定以磁滞回线(在1％至4％之间打开)形式的“磁开关阈值相对于温度”的不期望的曲线，其中特别地需要注意的是，当IC封装在封装过程之前或期间吸收了大量水分，并且半导体电路芯片在高于100℃的温度下的停留时间大于约10分钟(这通常是集成电路的较小壳体的扩散时间常数)。原因又是上述压电效应。关于上述压电效应，应该注意的是，在半导体材料中发生的机械应力定义的系数是所谓的“张量”，即霍尔元件的电流相关的磁灵敏度Si,Hall和电阻元件的电阻值R不仅通过半导体材料中的机械应力的强度而且通过半导体材料中的应力方向而发生改变。半导体材料中的机械应力的方向相关性适用于对于p和n掺杂电阻Rp、Rn的主要使用的{100}硅材料。还应注意，出于对称的原因，{100}晶片和{001}晶片在立方晶体中彼此对应。现在将在下文中简要解释，如何根据现有技术尝试减少上述干扰的压电影响。在本领域中已知的是，在{100}硅材料中可以通过使用p掺杂电阻代替n掺杂电阻来减小集成电阻的机械应力相关性，因为p掺杂集成电阻通常具有较小的压电系数。此外，在现有技术中已知这样的装置，其中两个名义上相等的电阻彼此垂直地在布局中并且彼此间隔很小的距离，并且串联或并联电连接(所谓的L布局)。因此，半导体材料中机械应力方向的总电阻尽可能独立并且因此可以再现。同时，对于机械应力的任何方向，这种装置的压电灵敏度也是最小的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体电路装置(40)，具有以下特征：/n半导体衬底；/n集成在所述半导体衬底中的霍尔传感器电路(41)，所述霍尔传感器电路被构造为，在霍尔效应区域(44)的第一端子(42)和第二端子(43)之间传导霍尔供电电流，所述霍尔供电电流与所述半导体衬底的主平面的法线成45°并横向通过所述霍尔效应区域(44)，其中所述霍尔供电电流具有对所述半导体衬底的机械应力的第一相关性；/n电阻装置(48)，集成在所述半导体衬底中并且与所述霍尔效应区域(44)不同，所述电阻装置被构造为，在所述电阻装置(48)的第一端子(49)和第二端子(50)之间传导电流，其中通过所述电阻装置(48)的电流具有对所述半导体衬底的机械应力的第二相关性；/n补偿电路，被构造为，基于所述霍尔效应区域(44)的第一端子(42)与所述电阻装置(48)的第一端子(49)之间的信号差，校正在所述霍尔效应区域(44)的第三端子和第四端子之间测量并且取决于所述半导体衬底的机械应力的霍尔电压。/n

【技术特征摘要】
20180516 DE 102018111753.11.一种半导体电路装置(40)，具有以下特征：
半导体衬底；
集成在所述半导体衬底中的霍尔传感器电路(41)，所述霍尔传感器电路被构造为，在霍尔效应区域(44)的第一端子(42)和第二端子(43)之间传导霍尔供电电流，所述霍尔供电电流与所述半导体衬底的主平面的法线成45°并横向通过所述霍尔效应区域(44)，其中所述霍尔供电电流具有对所述半导体衬底的机械应力的第一相关性；
电阻装置(48)，集成在所述半导体衬底中并且与所述霍尔效应区域(44)不同，所述电阻装置被构造为，在所述电阻装置(48)的第一端子(49)和第二端子(50)之间传导电流，其中通过所述电阻装置(48)的电流具有对所述半导体衬底的机械应力的第二相关性；
补偿电路，被构造为，基于所述霍尔效应区域(44)的第一端子(42)与所述电阻装置(48)的第一端子(49)之间的信号差，校正在所述霍尔效应区域(44)的第三端子和第四端子之间测量并且取决于所述半导体衬底的机械应力的霍尔电压。


2.根据权利要求1所述的半导体电路装置(40)，其中所述电阻装置(48)被构造为集成在所述半导体衬底中的垂直电阻装置，使得所述电阻装置的第一端子(49)和第二端子(50)之间的电流垂直地被传导通过所述半导体衬底。


3.根据前述权利要求中任一项所述的半导体电路装置(40)，其中所述补偿电路被构造为基于所述信号差乘法地校正所述霍尔电压。


4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体电路装置(40)，还包括：
至少一个可调节电流源(51)，被构造为在信号补偿期间调节所述霍尔供电电流和/或调节通过所述电阻装置(48)的电流，使得所述霍尔效应区域的第一端子(42)和所述电阻装置的第一端子(49)之间的信号差为零。

【专利技术属性】
技术研发人员：M·莫茨，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE