[发明专利]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

说明书

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；