ホールセンサ素子および磁界を測定する方法
本発明は、ホールセンサ素子に関する。当該基板は、主要表面を備えた基板と、前記主要表面から前記基板内まで延在している、導電性のアクティブ領域と、前記アクティブ領域と、第１の下方のコンタクト面で接触している、基板内の導電性の第１埋設層とを有している。別の観点では、本発明は、上記のホールセンサ素子を用いた磁界の測定方法を実現する。ここでは、電気的な測定電流は主要表面での第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間で、アクティブ領域を通って導かれる。第１の下方コンタクト面と第１の上方コンタクト電極との間の接続線に対して傾斜して延在する区間に沿って、アクティブ領域でホール電圧が検出される。択一的に、測定電流が上記の区間に亘って、アクティブ領域を通って導かれ、ホール電圧が第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間で検出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホールセンサ素子に関する。このホールセンサ素子は、主要表面を備えた基板を有している。さらに本発明は測定方法、殊に当該ホールセンサ素子による磁界の多次元測定方法に関する。
【０００２】
ホール効果をベースにしたホールセンサ素子は、幅広い技術領域において、磁界の磁束密度を測定するため、流れを無接触に測定するために用いられており、これと並んで無接触信号発生器として、例えば波、調整素子等の位置を磨耗無く検出するために使用されている。ホールセンサ素子は一般的に、４つのコンタクト端子を備えた、小さい半導体基板プレートから構成される。これらのコンタクト端子は、外部の駆動制御回路との電気的な接続のためのものである。これらの４つのコンタクト端子のうちの２つのコンタクト端子は、センサ素子のアクティブな半導体領域を通って動作電流を供給するために設けられており、別の２つのコンタクト端子は、ホール電圧を検出するために用いられている。ホール電圧は、アクティブな半導体領域内で磁束および電流の方向に対して垂直に生じる。
【０００３】
ＤＥ１０２００６０１７９１０Ａ１号は、いわゆる水平なホールセンサ素子を開示している。ここでは動作電流とホール電圧は水平に、半導体基板の主要表面内を通る。水平なホールセンサ素子は比較的容易に、半導体構造体を製造する従来のＣＭＯＳプロセッサによって製造可能であり、基板面に対して垂直な、磁束密度成分をセンシングする。次回の多次元測定は、例えばコンパスアプリケーションにおいて必要であり、水平はホールセンサ素子によって可能である。これは、その上にそれぞれホールセンサ素子が構成されている複数の別個の小さい半導体基板プレートが、種々異なる空間方向に対して垂直に配置されていることによって実現される。しかしこれには、高い製造コストと空間が必要である。
【０００４】
同じように、ＤＥ１０２００６０１７９１０Ａ１号には、垂直ホールセンサ素子が開示されている。ここでは動作電流とホール電圧とが、基板表面に対して垂直な面内を通っている。従って、基板面に対して平行な磁束密度成分がセンシングされる。この垂直ホールセンサ素子は多数のコンタクト領域を、基板内に延在している半導体領域の主要表面に有している。ここで、隣接するコンタクト領域の間には非導電性のバリア領域が配置されている。これは、主要表面から出発して、半導体領域内へと延在している。これによって、２つのコンタクト領域の間で半導体領域内に供給される動作電流が、主要表面から離れて保持される。しかしこの場合には、電荷担体に対する導電性が、半導体材料（有利にはケイ素）の表面と比べて、アクティブな半導体領域の深い領域内で格段に低くなってしまい、このような垂直ホールセンサ素子の効果が低くなってしまう、という問題が生じる。
【０００５】
１つの半導体基板小プレート上の複数の水平ホールセンサ素子と、半導体基板小プレートの表面に対して平行な磁界成分を局部的に垂直な磁界内に偏向する、付加的に構造化されたフェロ磁性層とを備えた構造体が、Ｃ．Ｓｃｈｏｔｔらによって提案されている。しかしこれには高い製造コストが必要である。なぜなら、この構造体は、半導体構造体を製造する従来のプロセッサによっては製造されないからである（Ｃ．Ｓｃｈｏｔｔ等著"ＣＭＯＳ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：Ｈ．Ｃａｓｉｅｒ等著[Ｈｒｓｇ．]内，Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅｒｓ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｆｒｏｍ Ｗｉｒｅｌｉｎｅ ｔｏ ＲＦ；Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄｓ，第５５〜６９頁，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＋Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ Ｂ．Ｖ"２００８年）。
【０００６】
従って、半導体基板小プレートの面に対して水平に延在する磁界成分を、低コストに半導体基板小プレート上に製造可能な構造体によって効果的に測定することを可能にすることが望まれている。
【０００７】
発明の内容
本願発明では、基板を備えたホールセンサ素子が設けられており、この基板は主要表面を有している。導電性のアクティブな領域が、この主要表面から基板内へと延在している。ホールセンサ素子は、導電性の第１の埋設された層を基板内に有している。この層は、アクティブ領域と、第１の下方のコンタクト領域で接触接続している。ここで、表現「基板内に埋設される」とは、この層が基板とは異なる性質を有しており、主要表面と間隔を空けて配置されている、という意味を含んでいる。換言すれば、第１の埋設層と主要表面との間にはこの層を覆っている基板領域が存在する。この埋設層の下方では例えば基板がさらなる基板領域内で続いている。この基板領域は、層を覆っている基板領域と同じように、または異なって形成される、または、第１の埋設層は例えば、主要表面に対向している背面からアクセスされる。
【０００８】
埋設層の側面からのアクティブ領域の接触接続は次のことを可能にする。すなわち、ホールセンサ素子の少なくとも１つのコンタクト端子を下方コンタクト面の箇所に設けることを可能にする。すなわち、埋設層の基板内に埋設された場所に基づいて、主要表面と間隔が空けられている箇所に設けられる。このコンタクト端子によって、動作電流が印加され、ホール電圧が検出される。第１の下方コンタクト面が動作電流の印加のために接続されているのか否か、または／およびホール電圧を検出するために接続されているのか否かに応じて、このようにして、動作電流の流れ方向ないしはホール電圧の検出方向が方向成分とともに主要表面に対して垂直に、第１の下方コンタクト面と別のコンタクト端子との間に延在することが実現される。ここでこの別のコンタクト端子は例えば、半導体領域の容易にアクセス可能な主要表面に設けられている。動作電流の流れ方向および／またはホール電圧の検出方向の垂直な方向成分は結果として次のことを可能にする。すなわち、形成されている２つの測定面が、基板の主要表面に対して傾斜してまたは直角に延在し、ホールセンサ素子が主要表面に対して平行な磁界に対して感度を有することを可能にする。従って本願発明のホールセンサ素子は、主要表面の位置に依存しないで測定面を配向することを可能にする。従って、線形に依存しない標準ベクトルを備えた２つまたは３つの測定面を適切に設定すると、磁界の二次元ないしは三次元の測定のための使用が可能になる。
【０００９】
進歩性を有するこのホールセンサ素子は、下方コンタクト面の、主要表面と間隔が空いている位置によって、下方コンタクト面から動作電流を基本的に直線状に印加すること、および／またはホール電圧を直線で検出することを可能にする。従ってこれは高い効率で動作する。殊に、アクティブ領域における動作電流の流れ方向、ホール電圧の検出方向または磁力線の方向を、効率を低くする湾曲経過にする必要がなくなる。
【００１０】
進歩性を有するこのホールセンサ素子は完全に、半導体構造体を製造する従来のプロセッサによって製造可能であり、例えばいわゆるスマートパワー技術によって製造される。従って非常に低コストであり、殊に有利には、別のホールセンサ素子および／または別のパワー機能部、アナログ機能部およびデジタル機能部とともに、１つのチップに集積される。従来のプロセスとは異なり、製造コストを高くするステップ、例えばフェロ磁性層の形成は必要ない。
【００１１】
有利な発展形態では基板は半導体基板であり、アクティブな領域は、第１の導電型の半導体領域である。これによって、高いホール電圧が形成され、ホールセンサ素子は効率的に、既存のマイクロエレクトロニクス製造方法に組み込まれ、さらなる半導体機能部とともに、半導体基板上に集積される。
【００１２】
有利な発展形態ではホールセンサ素子は第１の上方のコンタクト電極を有している。これは、アクティブ領域と主要表面で接触している。主要表面では、コンタクト電極が特に容易に製造され、必要とする基板面積も少ない。
【００１３】
有利な発展形態では、第１の上方コンタクト電極は基本的に垂直に、第１の下方コンタクト面上に配置されている。従って、主要表面の面内で必要とされる面積が特に少なくなる。これと同時に、主要表面に対して平行に延在する磁界に対する高い感度が実現される。択一的な有利な発展形態では、第１の上方コンタクト電極は、第１の下方コンタクト面に対して対角にずらして配置されている。これによって、主要表面に傾斜して入射する磁界に対する高い感度が実現される。
【００１４】
有利な発展形態では、ホールセンサ素子は、第２および第３の上方コンタクト電極を有している。これらはそれぞれ、アクティブ領域と主要表面で接触している。従って全部で４つのコンタクト端子が、ホールセンサ素子の動作のために形成されている。主要表面ではコンタクト電極は特に容易にアクセスされ、ホールセンサ素子は容易に接続される。
【００１５】
択一的な有利な発展形態では、ホールセンサ素子は第２の導電性埋設層を有している。これは、アクティブ領域と第２の下方コンタクト面で接触している。ホールセンサ素子はさらに第２の上方コンタクト電極を有している。これは、アクティブ領域と主要表面で接触している。下方コンタクト面と上方コンタクト電極はここで次のように配置されている。すなわち、第１の下方コンタクト面と第１の上方コンタクト電極との間の第１の接続線が、第２の下方コンタクト面と第２の上方コンタクト電極との間の第２の接続線に対して傾斜して延在するように配置されている。用語「接続線」とは本願では、アクティブ領域を通る幾何学形状的な経路が意図されている。この経路に沿って、電流がアクティブ領域を通って流れる、または電圧が検出される。接続線が相互に傾斜していることによって、動作電流の印加、およびホール電圧の検出のために、対称に、同じ番号を有する、それぞれ１つの下方コンタクト面および上方コンタクト電極を使用することが可能になる。接続は、対称性に基づいて、容易に、いわゆるスピニング電流方法の枠内で周期的に逆にされる。これによって測定精度が高まる。
【００１６】
有利にはホールセンサ素子は第３および第４の導電性埋設層を有している。これらは、アクティブ領域と、それぞれ属している第３および第４の下方コンタクト面で接触している。ホールセンサ素子はさらに、第３および第４の上方コンタクト電極を有している。これらは、アクティブ領域と主要表面で接触している。下方コンタクト面および上方コンタクト電極はここで次のように配置されている。すなわち、第１の接続線および第２の接続線によって形成されている第１の面が、第３の接続線および第４の接続線によって形成されている第２の面に対して傾斜して延在するように配置されている。第３の接続線は、第３の下方コンタクト面を第３の上方コンタクト電極と接続させ、第４の接続線は、第４の下方コンタクト面を第４の上方コンタクト面と接続させる。これによって、ホールセンサ素子によって、必要であれば周期的に変化する接続に応じて、第１の面上に垂直に延在している磁界成分も、第２の面上に垂直に延在している磁界成分も測定される。これは殊に次の場合に可能である。すなわち、第２および第３の埋設層、第２および第３の下方コンタクト面、第２および第３の上方コンタクト電極、ひいては第２および第３の接続線が、それぞれ相互に同一に形成されている場合に可能である。個々の面内の測定精度を高めるために、さらに、スピニング電流方法が使用可能である。
【００１７】
別の観点では、本願発明は、このようなホールセンサ素子を用いて磁界を測定する方法を実現している。ここでは電気的な測定電流が、主要表面での第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間で、アクティブ領域を通って導かれる。ここで記載「主要表面で」とは、第１の下方コンタクト面から主要表面までの間隔と比較して、主要表面近傍の箇所のことである。アクティブ領域では、第１の下方コンタクト面と第１の上方コンタクト電極との間の接続線に対して傾斜して延在する区間に沿って、ホール電圧が検出される。例えばこの区間は、接続線路と交差する領域において、これに対して直角または傾斜した角度で延在する。択一的な本願発明の測定方法では、測定電流は、このような区間を介して、アクティブ領域を通って導かれ、第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間でホール電圧が検出される。
【００１８】
本願発明を以下で、有利な実施形態および添付した図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図１Ｂ】直交する断面に沿った図１Ａに示されたホールセンサ素子の断面図
【図１Ｃ】直交する断面に沿った図１Ａに示されたホールセンサ素子の断面図
【図２Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図２Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図２Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図３Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図３Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図３Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図４Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の概略的な平面図
【図４Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図４Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図５】１つの実施形態に即した測定方法用の回路を備えた、別の実施形態に即したホールセンサ素子の切り開かれた斜視図
【図６】別の実施形態に即した測定方法の斜視基本図
【図７】１つの実施形態に即した測定方法のフローチャート
【実施例】
【００２０】
図面では、断り書きがない無い場合には、同じ参照符号は同じまたは機能が同じコンポーネントを示している。
【００２１】
図１Ａは、ホールセンサ素子１００の平面図を示している。これは、半導体基板１０１（例えばケイ素）内に埋設されている。観察者の視方向は、基板１０１の主要表面１０２上に垂直に落下する。この主要表面は例えば、マイクロチップの表面の一部を構成する。このようなマイクロチップの製造時には、主要表面１０２上にさらに別の材料層が、被覆、梱包のために被着され得る。しかしこれらはここでは図示されていない。２つの一点鎖線Ｉ−Ｉ´およびＩＩ−ＩＩ´は、相互に、かつ基板１０１の主要表面１０２に対して垂直に延在している断面を示している。この断面に相応する断面図が図１Ｂないしは図１Ｃに示されている。図１Ａ内の破線は、主要表面１０２の下方に埋設されている部材１１１、１２１の輪郭を示している。これに対して図１Ｂ−Ｃの断面図では、各断面の後方に埋設されている部材を示すのが省かれている。
【００２２】
図示されたホールセンサ素子１００は導電性の、アクティブな半導体領域１３１を、ホール効果を記録するために有している。このアクティブな領域１３１は、主要表面１０２から基板１０１内へと延在し、第１の導電型ｐまたはｎによってドーピングされている。主要表面１０２の面ないでは、このアクティブな領域１３１は、方向Ｉ−Ｉ´において長く延在している形状を有している。基板１０１は、反対の導電型によって弱くドーピングされており、アクティブな領域１３１よりも格段に低い導電性を有している。
【００２３】
アクティブ領域１３１の下方境界の下方の面において、ホールセンサ素子は、第１の導電型の導電性の、埋設された層１１１を有している。すなわちこの層は、アクティブ領域１３１と同じ型でドーピングされている。このような埋設層は、従来の半導体製造方法、例えばスマートパワープロセスによって容易に製造される。埋設層１１１は、アクティブ領域と電気的に、下方のコンタクト面１９１で接触する。この下方コンタクト面は、大きい面積で、アクティブ領域１３１の下方の境界の中央部分に亘って延在している。電気的に絶縁性の、フレーム形状の分断構造体１２１は、埋設層１１１の上方境界のすぐ上に、下方コンタクト面１９１の所定の水平方向の境界を形成している。択一的な実施形態では、この分断構造体１２１は完全にまたは部分的に省かれる。埋設層１１１は、基板１０１を通って、アクティブ領域１３１と離れた場所まで延在する。ここでは、導電性のコンタクト栓１８１が、埋設層１１１の電気的な接続を、基板の主要表面１０２での露出している接続箇所まで提供する。
【００２４】
コンタクト栓１８１とアクティブ領域との間隔は、用途に応じて異なった長さにすることができ、所期のコンタクト栓構造体１８１自体も、単なる例として、埋設層１１１に電気的端子を設ける可能な手段として示されている。択一的な実施形態では、例えば、埋設層は、主要表面１０２に対向する背面へ向かって、完全にまたは部分的に露出している。従って、背面から直接的に接触接続が可能である。または背面に形成された構造体と電気的に接続される。例えば、択一的な実施形態では、埋設層は後方のコンタクト栓によって接触接続される。これは、埋設層１１１からコンタクト面または背面の導電性構造体まで延在している。
【００２５】
主要表面１０２の中央部分では、下方コンタクト面１９１の上方に位置しているアクティブ領域１３１の上方境界面に垂直に、同じように方向Ｉ−Ｉ´において長く延在して形成されている第１の上方コンタクト電極１４１が、第１の導電型による高いドーピング領域として形成されている。この第１の上方コンタクト電極１４１の両側で、アクティブ領域１３１が方向Ｉ−Ｉ´において、分断構造体１２１から突出している。ここでこのアクティブ領域は、第２のコンタクト電極１４２および第３のコンタクト電極１４３によって主要表面１０２に接触している。択一的な分断構造体１２１の正確な長さは、ホールセンサ素子１００を製造するために使用されている半導体生産方法の構想規則に相応して、この実施形態と異なって選択されてもよい。この実施形態では分断構造体は、第２の上方コンタクト電極と第３の上方コンタクト電極との間の直線状の電気的な接続と、下方コンタクト面１９１との電気的な接続を阻止する。第２の上方コンタクト電極と第３の上方コンタクト電極は同じように、第１の導電型による高いドーピング領域として形成される。ここでこれらはそれぞれ、第１の導電型で高ドープされている面コンタクト領域１７２、１７３によって取り囲まれている。これは、方向ＩＩ−ＩＩ´において、下方コンタクト面１９１と同じ幅を有している。面コンタクト領域１７２、１７３は、下方コンタクト面１９１上で露出している、アクティブ領域１３１の上方境界面から、それぞれ、分断構造体１２１の上方に位置している絶縁バリヤ１２２によって次のように分離されている。すなわち、第２の上方コンタクト電極１４２と第３の上方コンタクト電極１４３の電気的な接続が、下方コンタクト面１９１上に位置しているアクティブ領域部分内で、分断構造体１２１とその上に位置しているバリヤ１２２との間にのみ生じるように分離されている。
【００２６】
ホールセンサ素子１００の動作時には、動作電流源は例えばコンタクト栓１８１および第１の上方コンタクト電極１４１に接続される。従って、動作電流は、主要表面１０２に対して垂直に、アクティブ領域１３１を通って延在している第１の接続線１６１に沿って、下方のコンタクト面１９１と第１の上方コンタクト電極との間に印加される。方向ＩＩ−ＩＩ´において主要表面１０２に対して平行に磁界が印加されると、ホール電圧が第１の接続線１０４に沿って、第２の上方コンタクト電極１４２および第３の上方コンタクト電極１４３に属している面コンタクト領域１７２、１７３の間に生じる。面コンタクト領域１７２、１７３が適切な大きさに設計されている場合には、ホールセンサ素子１００は逆方向に動作可能である。これは、動作電流が、第２の上方コンタクト電極１４２および第３の上方コンタクト電極１４３を介して印加され、ホール電圧がコンタクト栓１８１および第１の上方コンタクト電極１４１で検出されることによって実現される。２つの動作様式の間は、精度を高めるために、スピニング電流方法の枠内で、周期的に切り替えられる。例えば共通の基板上に相互に角度を成して配置されているこのような２つのホールセンサ素子１００によって、磁界が、主要表面に対して平行に延在している任意の方法において測定される。
【００２７】
３つの関連した図面によって構成されている各フィンガーグループ図２Ａ−Ｃ、図３Ａ−Ｃおよび図４Ａ−Ｃおいて、ホールセンサ素子１００の別の例が、図１Ａ−Ｃと同じ図示原則に従って説明されている。平面図および断面図の関連並びに一点鎖線および破線の意味に関しては、図１Ａ−Ｃに関する同様の説明を参照されたい。
【００２８】
図２Ａ−Ｃは、ホールセンサ素子１００を示している。ここでは、図１Ａ−Ｃに示されているホールセンサ素子１００と同じように、埋設層１１１がコンタクト栓１８１から、ここでも同じように択一的な下方の分断構造体１２１に沿って、アクティブ領域１３１の下方境界面まで延在している。しかし、ここではこれとは異なり、分断構造体１２１のすぐ後方で終了している。従って、埋設層１１１の下方コンタクト面１９１は、アクティブ領域１３１に対して、コンタクト栓の方向に位置している、アクティブ領域１３１の下方境界面の縁部領域に沿ってしか形成されていない。さらに、図１とは異なり、第１の上方コンタクト電極１４１は、アクティブ領域１３１の、コンタクト面１９１の下方で対角に対向して設けられている縁部で、主要表面１０２に配置されている。従って、下方のコンタクト面１６１と第１の上方コンタクト電極１４１との間の第１の接続線１６１は、対角線状に、主要表面１０２に対して有利には約４５°だけ傾斜して延在している。対角線を用いることによって、図示のホールセンサ素子１００は、主要表面１０２に対して傾斜して入射する磁界に対して高い感度を有する。その他の構造および動作は、図１Ａ−Ｃのホールセンサ素子１００に相応する。
【００２９】
図３Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子１００の場合には、図２Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子の構造を基にして、図２に存在する第３の上方のコンタクト電極が、第２の埋設層１１２によって置き換えられている。ここでこの第２の埋設層は、属する第２のコンタクト栓１８２と、アクティブ領域１３１に接している第２の下方コンタクト面１９２とを有している。第１の接続線１６１と同じように、第２の接続線１６２も、有利には４５°だけ主要表面１０２に対して傾斜して、アクティブ領域１３１を通って延在している。その対称性によって、このホールセンサ素子１００は、別の措置を取らずに、スピニング電流動作に適する。
【００３０】
図４Ａ−４Ｃに示されたホールセンサ素子１００では、２つのホールセンサ構造が図３Ａ−Ｃに示されているように相互に交差され、属する４つのコンタクト栓１８１−１８４を介して電気的に接続可能な４つの埋設層１１１−１１４が、アクティブ領域１３１に、４つの側から、相応する第１〜第４の下方コンタクト面１９１−１９４で接触接続する。ここで、属する面コンタクト領域１７１−１７４を備えた、属する第１〜第４のコンタクト電極１４１−１４４がそれぞれ、下方コンタクト面１９１−１９４に対角に対向する縁部に形成される。これによって、それぞれスピニング電流動作可能な２つのホールセンサ構造が得られる。これらは異なる方向の磁界に対して感度を有しており、共同で、１つの二次元測定空間を形成する。さらに、４つの上方コンタクト電極１４１−１４４は、水平ホールセンサ素子と同じように接続される。従って、主要表面１０２に対して垂直な磁界もセンシングされる。これによって、空間内で任意の位置を伴う磁界が、１つのホールセンサ素子１００だけセンシングされる。
【００３１】
図５は、ホールセンサ素子１００の切り開かれた斜視図を示している。ここでは、基板１０２、５００内で埋設層１１１、１１２がどのように、埋設層１１１、１１２の形成後に充填される基板領域５００および付加的なカバー層５０２によって覆われているのかが明らかにされている。さらに、図４Ａ−Ｃに示されているホールセンサ素子と同じ原理で構成されているホールセンサ素子１００が、断面５９９に対して垂直、ひいては主要表面１０２に対して平行に延在する磁界を測定するために、どのように、動作電流Ｉを供給する動作電流源５８０およびホール電圧ＵＨを測定する電圧測定器５８２と接続されるかが明らかにされている。
【００３２】
図６は、図４Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子と同じ幾何学的形状の構造体を備えたホールセンサ素子での測定方法の斜視基本図を示している。図示されている目下の接続時には、動作電流は、下方コンタクト面１９３と、対向する上方コンタクト電極１４３との間に対角に延在する接続線１６３に沿って印加される。また、ホール電圧は、別の接続線１６４に沿った区間に沿って検出される。ここでこれら２つの接続線は、アクティブ領域１３１の垂直な対称軸を中心として９０°回転させることによって生じる。このようにして、目下、接続線１６３、１６４によって形成されている目下の測定面６９９に対して垂直に延在している磁界成分Ｂがセンシングされる。
【００３３】
図７は、図４Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子と同じ幾何学的形状の構造体を備えたホールセンサ素子での例示的な測定方法のフローチャートを示している。このホールセンサ素子は、図６および４Ａ−Ｃに関連して説明されている。ステップ７１１では、第１の動作電流が印加される。これは、第１の接続線１６１に沿って、第１の下方コンタクト面１９１と第１の上方コンタクト電極１４１との間を流れる。ステップ７１２では、印加された第１の動作電流が流れている間、第１のホール電圧が、第２の接続線１６２に沿って、第２の下方コンタクト面１９２と第２の上方コンタクト面１４２との間で検出され、ここから、第１の接続線１６１および第２の接続線１６２によって形成されている第１の測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３４】
ステップ７２１において、第１の動作電流が終了し、第２の動作電流が印加される。この第２の動作電流は、第２の接続線に沿って流れている。ステップ７２２では、第２の動作電流が流れている間、第２のホール電圧が第３の接続線１６３に沿って、第３の下方のコンタクト面１９３と第３の上方のコンタクト面１４３との間で検出され、ここから、第２の接続線１６２および第３の接続線１６３によって形成されている、別の測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３５】
ステップ７３１では、第２の動作電流が終了し、第３の動作電流が印加される。この第３の動作電流は、第１の上方コンタクト電極１４１と第３の上方コンタクト電極１４３との間のさらなる接続線に沿って流れている。ステップ７３２では、第３の動作電流が流れている間、第３のホール電圧が、さらに別の接続線に沿って、第２の上方のコンタクト電極１４２と第４の上方のコンタクト電極１４４との間で検出され、ここから、基板の主要表面０１２に対して平行に延在している測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３６】
ステップ７４０では、ステップ７１２、７２２および７３２において特定された磁束密度の３つの成分からベクトルが計算される。このベクトルは、アクティブ領域１３１内の磁束密度の強度および方向を、所望の、例えばデカルト座標系または極座標系において示す。さらに、測定方法がステップ７１１から繰り返される。上述した流れにおいても、繰り返しにおいても交互に、それぞれ、動作電流印加と測定面のホール電圧検出に用いられるコンタクトが、相互に、スピニング電流方法の様式で交換される、および／または磁束密度のベクトルが、２つまたはそれよりも多くの試みから生じたデータから求められる。
【００３７】
上述の方法では、図４Ａ−４Ｃに示された第４の埋設層１１４および属する部材１４４、１７４、１８４は必要ではない。従ってこの方法は、変更されたホールセンサ素子によっても実現可能である。ここではこれらの部材は省かれている。他方で図７に示された方法を次のように変更することができる。すなわち、図４Ａ−Ｃおよび図６に示されたホールセンサ素子１００に関して付加的にまたは択一的に、別の測定面において測定が実行されるように変更することができる。これは例えば、第３の接続線１６３および第４の接続線１６４ないしは第４の接続線１６４および第１の接続線１６１によって形成されている、主要表面１０２に対して傾斜された測定面での測定、さらには第１の接続線１６１および第３の接続線ないしは第２の接続線１６２および第４の接続線１６４によって形成されている、主要表面１０２に対して垂直な測定面での測定である。磁界を多次元で測定するために有利には、線形の、依存していない標準ベクトルを備えた３つの測定面が選択される。
【技術分野】
【０００１】
本発明はホールセンサ素子に関する。このホールセンサ素子は、主要表面を備えた基板を有している。さらに本発明は測定方法、殊に当該ホールセンサ素子による磁界の多次元測定方法に関する。
【０００２】
ホール効果をベースにしたホールセンサ素子は、幅広い技術領域において、磁界の磁束密度を測定するため、流れを無接触に測定するために用いられており、これと並んで無接触信号発生器として、例えば波、調整素子等の位置を磨耗無く検出するために使用されている。ホールセンサ素子は一般的に、４つのコンタクト端子を備えた、小さい半導体基板プレートから構成される。これらのコンタクト端子は、外部の駆動制御回路との電気的な接続のためのものである。これらの４つのコンタクト端子のうちの２つのコンタクト端子は、センサ素子のアクティブな半導体領域を通って動作電流を供給するために設けられており、別の２つのコンタクト端子は、ホール電圧を検出するために用いられている。ホール電圧は、アクティブな半導体領域内で磁束および電流の方向に対して垂直に生じる。
【０００３】
ＤＥ１０２００６０１７９１０Ａ１号は、いわゆる水平なホールセンサ素子を開示している。ここでは動作電流とホール電圧は水平に、半導体基板の主要表面内を通る。水平なホールセンサ素子は比較的容易に、半導体構造体を製造する従来のＣＭＯＳプロセッサによって製造可能であり、基板面に対して垂直な、磁束密度成分をセンシングする。次回の多次元測定は、例えばコンパスアプリケーションにおいて必要であり、水平はホールセンサ素子によって可能である。これは、その上にそれぞれホールセンサ素子が構成されている複数の別個の小さい半導体基板プレートが、種々異なる空間方向に対して垂直に配置されていることによって実現される。しかしこれには、高い製造コストと空間が必要である。
【０００４】
同じように、ＤＥ１０２００６０１７９１０Ａ１号には、垂直ホールセンサ素子が開示されている。ここでは動作電流とホール電圧とが、基板表面に対して垂直な面内を通っている。従って、基板面に対して平行な磁束密度成分がセンシングされる。この垂直ホールセンサ素子は多数のコンタクト領域を、基板内に延在している半導体領域の主要表面に有している。ここで、隣接するコンタクト領域の間には非導電性のバリア領域が配置されている。これは、主要表面から出発して、半導体領域内へと延在している。これによって、２つのコンタクト領域の間で半導体領域内に供給される動作電流が、主要表面から離れて保持される。しかしこの場合には、電荷担体に対する導電性が、半導体材料（有利にはケイ素）の表面と比べて、アクティブな半導体領域の深い領域内で格段に低くなってしまい、このような垂直ホールセンサ素子の効果が低くなってしまう、という問題が生じる。
【０００５】
１つの半導体基板小プレート上の複数の水平ホールセンサ素子と、半導体基板小プレートの表面に対して平行な磁界成分を局部的に垂直な磁界内に偏向する、付加的に構造化されたフェロ磁性層とを備えた構造体が、Ｃ．Ｓｃｈｏｔｔらによって提案されている。しかしこれには高い製造コストが必要である。なぜなら、この構造体は、半導体構造体を製造する従来のプロセッサによっては製造されないからである（Ｃ．Ｓｃｈｏｔｔ等著"ＣＭＯＳ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：Ｈ．Ｃａｓｉｅｒ等著[Ｈｒｓｇ．]内，Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅｒｓ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｆｒｏｍ Ｗｉｒｅｌｉｎｅ ｔｏ ＲＦ；Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄｓ，第５５〜６９頁，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＋Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ Ｂ．Ｖ"２００８年）。
【０００６】
従って、半導体基板小プレートの面に対して水平に延在する磁界成分を、低コストに半導体基板小プレート上に製造可能な構造体によって効果的に測定することを可能にすることが望まれている。
【０００７】
発明の内容
本願発明では、基板を備えたホールセンサ素子が設けられており、この基板は主要表面を有している。導電性のアクティブな領域が、この主要表面から基板内へと延在している。ホールセンサ素子は、導電性の第１の埋設された層を基板内に有している。この層は、アクティブ領域と、第１の下方のコンタクト領域で接触接続している。ここで、表現「基板内に埋設される」とは、この層が基板とは異なる性質を有しており、主要表面と間隔を空けて配置されている、という意味を含んでいる。換言すれば、第１の埋設層と主要表面との間にはこの層を覆っている基板領域が存在する。この埋設層の下方では例えば基板がさらなる基板領域内で続いている。この基板領域は、層を覆っている基板領域と同じように、または異なって形成される、または、第１の埋設層は例えば、主要表面に対向している背面からアクセスされる。
【０００８】
埋設層の側面からのアクティブ領域の接触接続は次のことを可能にする。すなわち、ホールセンサ素子の少なくとも１つのコンタクト端子を下方コンタクト面の箇所に設けることを可能にする。すなわち、埋設層の基板内に埋設された場所に基づいて、主要表面と間隔が空けられている箇所に設けられる。このコンタクト端子によって、動作電流が印加され、ホール電圧が検出される。第１の下方コンタクト面が動作電流の印加のために接続されているのか否か、または／およびホール電圧を検出するために接続されているのか否かに応じて、このようにして、動作電流の流れ方向ないしはホール電圧の検出方向が方向成分とともに主要表面に対して垂直に、第１の下方コンタクト面と別のコンタクト端子との間に延在することが実現される。ここでこの別のコンタクト端子は例えば、半導体領域の容易にアクセス可能な主要表面に設けられている。動作電流の流れ方向および／またはホール電圧の検出方向の垂直な方向成分は結果として次のことを可能にする。すなわち、形成されている２つの測定面が、基板の主要表面に対して傾斜してまたは直角に延在し、ホールセンサ素子が主要表面に対して平行な磁界に対して感度を有することを可能にする。従って本願発明のホールセンサ素子は、主要表面の位置に依存しないで測定面を配向することを可能にする。従って、線形に依存しない標準ベクトルを備えた２つまたは３つの測定面を適切に設定すると、磁界の二次元ないしは三次元の測定のための使用が可能になる。
【０００９】
進歩性を有するこのホールセンサ素子は、下方コンタクト面の、主要表面と間隔が空いている位置によって、下方コンタクト面から動作電流を基本的に直線状に印加すること、および／またはホール電圧を直線で検出することを可能にする。従ってこれは高い効率で動作する。殊に、アクティブ領域における動作電流の流れ方向、ホール電圧の検出方向または磁力線の方向を、効率を低くする湾曲経過にする必要がなくなる。
【００１０】
進歩性を有するこのホールセンサ素子は完全に、半導体構造体を製造する従来のプロセッサによって製造可能であり、例えばいわゆるスマートパワー技術によって製造される。従って非常に低コストであり、殊に有利には、別のホールセンサ素子および／または別のパワー機能部、アナログ機能部およびデジタル機能部とともに、１つのチップに集積される。従来のプロセスとは異なり、製造コストを高くするステップ、例えばフェロ磁性層の形成は必要ない。
【００１１】
有利な発展形態では基板は半導体基板であり、アクティブな領域は、第１の導電型の半導体領域である。これによって、高いホール電圧が形成され、ホールセンサ素子は効率的に、既存のマイクロエレクトロニクス製造方法に組み込まれ、さらなる半導体機能部とともに、半導体基板上に集積される。
【００１２】
有利な発展形態ではホールセンサ素子は第１の上方のコンタクト電極を有している。これは、アクティブ領域と主要表面で接触している。主要表面では、コンタクト電極が特に容易に製造され、必要とする基板面積も少ない。
【００１３】
有利な発展形態では、第１の上方コンタクト電極は基本的に垂直に、第１の下方コンタクト面上に配置されている。従って、主要表面の面内で必要とされる面積が特に少なくなる。これと同時に、主要表面に対して平行に延在する磁界に対する高い感度が実現される。択一的な有利な発展形態では、第１の上方コンタクト電極は、第１の下方コンタクト面に対して対角にずらして配置されている。これによって、主要表面に傾斜して入射する磁界に対する高い感度が実現される。
【００１４】
有利な発展形態では、ホールセンサ素子は、第２および第３の上方コンタクト電極を有している。これらはそれぞれ、アクティブ領域と主要表面で接触している。従って全部で４つのコンタクト端子が、ホールセンサ素子の動作のために形成されている。主要表面ではコンタクト電極は特に容易にアクセスされ、ホールセンサ素子は容易に接続される。
【００１５】
択一的な有利な発展形態では、ホールセンサ素子は第２の導電性埋設層を有している。これは、アクティブ領域と第２の下方コンタクト面で接触している。ホールセンサ素子はさらに第２の上方コンタクト電極を有している。これは、アクティブ領域と主要表面で接触している。下方コンタクト面と上方コンタクト電極はここで次のように配置されている。すなわち、第１の下方コンタクト面と第１の上方コンタクト電極との間の第１の接続線が、第２の下方コンタクト面と第２の上方コンタクト電極との間の第２の接続線に対して傾斜して延在するように配置されている。用語「接続線」とは本願では、アクティブ領域を通る幾何学形状的な経路が意図されている。この経路に沿って、電流がアクティブ領域を通って流れる、または電圧が検出される。接続線が相互に傾斜していることによって、動作電流の印加、およびホール電圧の検出のために、対称に、同じ番号を有する、それぞれ１つの下方コンタクト面および上方コンタクト電極を使用することが可能になる。接続は、対称性に基づいて、容易に、いわゆるスピニング電流方法の枠内で周期的に逆にされる。これによって測定精度が高まる。
【００１６】
有利にはホールセンサ素子は第３および第４の導電性埋設層を有している。これらは、アクティブ領域と、それぞれ属している第３および第４の下方コンタクト面で接触している。ホールセンサ素子はさらに、第３および第４の上方コンタクト電極を有している。これらは、アクティブ領域と主要表面で接触している。下方コンタクト面および上方コンタクト電極はここで次のように配置されている。すなわち、第１の接続線および第２の接続線によって形成されている第１の面が、第３の接続線および第４の接続線によって形成されている第２の面に対して傾斜して延在するように配置されている。第３の接続線は、第３の下方コンタクト面を第３の上方コンタクト電極と接続させ、第４の接続線は、第４の下方コンタクト面を第４の上方コンタクト面と接続させる。これによって、ホールセンサ素子によって、必要であれば周期的に変化する接続に応じて、第１の面上に垂直に延在している磁界成分も、第２の面上に垂直に延在している磁界成分も測定される。これは殊に次の場合に可能である。すなわち、第２および第３の埋設層、第２および第３の下方コンタクト面、第２および第３の上方コンタクト電極、ひいては第２および第３の接続線が、それぞれ相互に同一に形成されている場合に可能である。個々の面内の測定精度を高めるために、さらに、スピニング電流方法が使用可能である。
【００１７】
別の観点では、本願発明は、このようなホールセンサ素子を用いて磁界を測定する方法を実現している。ここでは電気的な測定電流が、主要表面での第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間で、アクティブ領域を通って導かれる。ここで記載「主要表面で」とは、第１の下方コンタクト面から主要表面までの間隔と比較して、主要表面近傍の箇所のことである。アクティブ領域では、第１の下方コンタクト面と第１の上方コンタクト電極との間の接続線に対して傾斜して延在する区間に沿って、ホール電圧が検出される。例えばこの区間は、接続線路と交差する領域において、これに対して直角または傾斜した角度で延在する。択一的な本願発明の測定方法では、測定電流は、このような区間を介して、アクティブ領域を通って導かれ、第１の上方コンタクト電極と第１の下方コンタクト面との間でホール電圧が検出される。
【００１８】
本願発明を以下で、有利な実施形態および添付した図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図１Ｂ】直交する断面に沿った図１Ａに示されたホールセンサ素子の断面図
【図１Ｃ】直交する断面に沿った図１Ａに示されたホールセンサ素子の断面図
【図２Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図２Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図２Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図３Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の平面図
【図３Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図３Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図４Ａ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の概略的な平面図
【図４Ｂ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図４Ｃ】別の実施形態に即したホールセンサ素子の断面図
【図５】１つの実施形態に即した測定方法用の回路を備えた、別の実施形態に即したホールセンサ素子の切り開かれた斜視図
【図６】別の実施形態に即した測定方法の斜視基本図
【図７】１つの実施形態に即した測定方法のフローチャート
【実施例】
【００２０】
図面では、断り書きがない無い場合には、同じ参照符号は同じまたは機能が同じコンポーネントを示している。
【００２１】
図１Ａは、ホールセンサ素子１００の平面図を示している。これは、半導体基板１０１（例えばケイ素）内に埋設されている。観察者の視方向は、基板１０１の主要表面１０２上に垂直に落下する。この主要表面は例えば、マイクロチップの表面の一部を構成する。このようなマイクロチップの製造時には、主要表面１０２上にさらに別の材料層が、被覆、梱包のために被着され得る。しかしこれらはここでは図示されていない。２つの一点鎖線Ｉ−Ｉ´およびＩＩ−ＩＩ´は、相互に、かつ基板１０１の主要表面１０２に対して垂直に延在している断面を示している。この断面に相応する断面図が図１Ｂないしは図１Ｃに示されている。図１Ａ内の破線は、主要表面１０２の下方に埋設されている部材１１１、１２１の輪郭を示している。これに対して図１Ｂ−Ｃの断面図では、各断面の後方に埋設されている部材を示すのが省かれている。
【００２２】
図示されたホールセンサ素子１００は導電性の、アクティブな半導体領域１３１を、ホール効果を記録するために有している。このアクティブな領域１３１は、主要表面１０２から基板１０１内へと延在し、第１の導電型ｐまたはｎによってドーピングされている。主要表面１０２の面ないでは、このアクティブな領域１３１は、方向Ｉ−Ｉ´において長く延在している形状を有している。基板１０１は、反対の導電型によって弱くドーピングされており、アクティブな領域１３１よりも格段に低い導電性を有している。
【００２３】
アクティブ領域１３１の下方境界の下方の面において、ホールセンサ素子は、第１の導電型の導電性の、埋設された層１１１を有している。すなわちこの層は、アクティブ領域１３１と同じ型でドーピングされている。このような埋設層は、従来の半導体製造方法、例えばスマートパワープロセスによって容易に製造される。埋設層１１１は、アクティブ領域と電気的に、下方のコンタクト面１９１で接触する。この下方コンタクト面は、大きい面積で、アクティブ領域１３１の下方の境界の中央部分に亘って延在している。電気的に絶縁性の、フレーム形状の分断構造体１２１は、埋設層１１１の上方境界のすぐ上に、下方コンタクト面１９１の所定の水平方向の境界を形成している。択一的な実施形態では、この分断構造体１２１は完全にまたは部分的に省かれる。埋設層１１１は、基板１０１を通って、アクティブ領域１３１と離れた場所まで延在する。ここでは、導電性のコンタクト栓１８１が、埋設層１１１の電気的な接続を、基板の主要表面１０２での露出している接続箇所まで提供する。
【００２４】
コンタクト栓１８１とアクティブ領域との間隔は、用途に応じて異なった長さにすることができ、所期のコンタクト栓構造体１８１自体も、単なる例として、埋設層１１１に電気的端子を設ける可能な手段として示されている。択一的な実施形態では、例えば、埋設層は、主要表面１０２に対向する背面へ向かって、完全にまたは部分的に露出している。従って、背面から直接的に接触接続が可能である。または背面に形成された構造体と電気的に接続される。例えば、択一的な実施形態では、埋設層は後方のコンタクト栓によって接触接続される。これは、埋設層１１１からコンタクト面または背面の導電性構造体まで延在している。
【００２５】
主要表面１０２の中央部分では、下方コンタクト面１９１の上方に位置しているアクティブ領域１３１の上方境界面に垂直に、同じように方向Ｉ−Ｉ´において長く延在して形成されている第１の上方コンタクト電極１４１が、第１の導電型による高いドーピング領域として形成されている。この第１の上方コンタクト電極１４１の両側で、アクティブ領域１３１が方向Ｉ−Ｉ´において、分断構造体１２１から突出している。ここでこのアクティブ領域は、第２のコンタクト電極１４２および第３のコンタクト電極１４３によって主要表面１０２に接触している。択一的な分断構造体１２１の正確な長さは、ホールセンサ素子１００を製造するために使用されている半導体生産方法の構想規則に相応して、この実施形態と異なって選択されてもよい。この実施形態では分断構造体は、第２の上方コンタクト電極と第３の上方コンタクト電極との間の直線状の電気的な接続と、下方コンタクト面１９１との電気的な接続を阻止する。第２の上方コンタクト電極と第３の上方コンタクト電極は同じように、第１の導電型による高いドーピング領域として形成される。ここでこれらはそれぞれ、第１の導電型で高ドープされている面コンタクト領域１７２、１７３によって取り囲まれている。これは、方向ＩＩ−ＩＩ´において、下方コンタクト面１９１と同じ幅を有している。面コンタクト領域１７２、１７３は、下方コンタクト面１９１上で露出している、アクティブ領域１３１の上方境界面から、それぞれ、分断構造体１２１の上方に位置している絶縁バリヤ１２２によって次のように分離されている。すなわち、第２の上方コンタクト電極１４２と第３の上方コンタクト電極１４３の電気的な接続が、下方コンタクト面１９１上に位置しているアクティブ領域部分内で、分断構造体１２１とその上に位置しているバリヤ１２２との間にのみ生じるように分離されている。
【００２６】
ホールセンサ素子１００の動作時には、動作電流源は例えばコンタクト栓１８１および第１の上方コンタクト電極１４１に接続される。従って、動作電流は、主要表面１０２に対して垂直に、アクティブ領域１３１を通って延在している第１の接続線１６１に沿って、下方のコンタクト面１９１と第１の上方コンタクト電極との間に印加される。方向ＩＩ−ＩＩ´において主要表面１０２に対して平行に磁界が印加されると、ホール電圧が第１の接続線１０４に沿って、第２の上方コンタクト電極１４２および第３の上方コンタクト電極１４３に属している面コンタクト領域１７２、１７３の間に生じる。面コンタクト領域１７２、１７３が適切な大きさに設計されている場合には、ホールセンサ素子１００は逆方向に動作可能である。これは、動作電流が、第２の上方コンタクト電極１４２および第３の上方コンタクト電極１４３を介して印加され、ホール電圧がコンタクト栓１８１および第１の上方コンタクト電極１４１で検出されることによって実現される。２つの動作様式の間は、精度を高めるために、スピニング電流方法の枠内で、周期的に切り替えられる。例えば共通の基板上に相互に角度を成して配置されているこのような２つのホールセンサ素子１００によって、磁界が、主要表面に対して平行に延在している任意の方法において測定される。
【００２７】
３つの関連した図面によって構成されている各フィンガーグループ図２Ａ−Ｃ、図３Ａ−Ｃおよび図４Ａ−Ｃおいて、ホールセンサ素子１００の別の例が、図１Ａ−Ｃと同じ図示原則に従って説明されている。平面図および断面図の関連並びに一点鎖線および破線の意味に関しては、図１Ａ−Ｃに関する同様の説明を参照されたい。
【００２８】
図２Ａ−Ｃは、ホールセンサ素子１００を示している。ここでは、図１Ａ−Ｃに示されているホールセンサ素子１００と同じように、埋設層１１１がコンタクト栓１８１から、ここでも同じように択一的な下方の分断構造体１２１に沿って、アクティブ領域１３１の下方境界面まで延在している。しかし、ここではこれとは異なり、分断構造体１２１のすぐ後方で終了している。従って、埋設層１１１の下方コンタクト面１９１は、アクティブ領域１３１に対して、コンタクト栓の方向に位置している、アクティブ領域１３１の下方境界面の縁部領域に沿ってしか形成されていない。さらに、図１とは異なり、第１の上方コンタクト電極１４１は、アクティブ領域１３１の、コンタクト面１９１の下方で対角に対向して設けられている縁部で、主要表面１０２に配置されている。従って、下方のコンタクト面１６１と第１の上方コンタクト電極１４１との間の第１の接続線１６１は、対角線状に、主要表面１０２に対して有利には約４５°だけ傾斜して延在している。対角線を用いることによって、図示のホールセンサ素子１００は、主要表面１０２に対して傾斜して入射する磁界に対して高い感度を有する。その他の構造および動作は、図１Ａ−Ｃのホールセンサ素子１００に相応する。
【００２９】
図３Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子１００の場合には、図２Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子の構造を基にして、図２に存在する第３の上方のコンタクト電極が、第２の埋設層１１２によって置き換えられている。ここでこの第２の埋設層は、属する第２のコンタクト栓１８２と、アクティブ領域１３１に接している第２の下方コンタクト面１９２とを有している。第１の接続線１６１と同じように、第２の接続線１６２も、有利には４５°だけ主要表面１０２に対して傾斜して、アクティブ領域１３１を通って延在している。その対称性によって、このホールセンサ素子１００は、別の措置を取らずに、スピニング電流動作に適する。
【００３０】
図４Ａ−４Ｃに示されたホールセンサ素子１００では、２つのホールセンサ構造が図３Ａ−Ｃに示されているように相互に交差され、属する４つのコンタクト栓１８１−１８４を介して電気的に接続可能な４つの埋設層１１１−１１４が、アクティブ領域１３１に、４つの側から、相応する第１〜第４の下方コンタクト面１９１−１９４で接触接続する。ここで、属する面コンタクト領域１７１−１７４を備えた、属する第１〜第４のコンタクト電極１４１−１４４がそれぞれ、下方コンタクト面１９１−１９４に対角に対向する縁部に形成される。これによって、それぞれスピニング電流動作可能な２つのホールセンサ構造が得られる。これらは異なる方向の磁界に対して感度を有しており、共同で、１つの二次元測定空間を形成する。さらに、４つの上方コンタクト電極１４１−１４４は、水平ホールセンサ素子と同じように接続される。従って、主要表面１０２に対して垂直な磁界もセンシングされる。これによって、空間内で任意の位置を伴う磁界が、１つのホールセンサ素子１００だけセンシングされる。
【００３１】
図５は、ホールセンサ素子１００の切り開かれた斜視図を示している。ここでは、基板１０２、５００内で埋設層１１１、１１２がどのように、埋設層１１１、１１２の形成後に充填される基板領域５００および付加的なカバー層５０２によって覆われているのかが明らかにされている。さらに、図４Ａ−Ｃに示されているホールセンサ素子と同じ原理で構成されているホールセンサ素子１００が、断面５９９に対して垂直、ひいては主要表面１０２に対して平行に延在する磁界を測定するために、どのように、動作電流Ｉを供給する動作電流源５８０およびホール電圧ＵＨを測定する電圧測定器５８２と接続されるかが明らかにされている。
【００３２】
図６は、図４Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子と同じ幾何学的形状の構造体を備えたホールセンサ素子での測定方法の斜視基本図を示している。図示されている目下の接続時には、動作電流は、下方コンタクト面１９３と、対向する上方コンタクト電極１４３との間に対角に延在する接続線１６３に沿って印加される。また、ホール電圧は、別の接続線１６４に沿った区間に沿って検出される。ここでこれら２つの接続線は、アクティブ領域１３１の垂直な対称軸を中心として９０°回転させることによって生じる。このようにして、目下、接続線１６３、１６４によって形成されている目下の測定面６９９に対して垂直に延在している磁界成分Ｂがセンシングされる。
【００３３】
図７は、図４Ａ−Ｃに示されたホールセンサ素子と同じ幾何学的形状の構造体を備えたホールセンサ素子での例示的な測定方法のフローチャートを示している。このホールセンサ素子は、図６および４Ａ−Ｃに関連して説明されている。ステップ７１１では、第１の動作電流が印加される。これは、第１の接続線１６１に沿って、第１の下方コンタクト面１９１と第１の上方コンタクト電極１４１との間を流れる。ステップ７１２では、印加された第１の動作電流が流れている間、第１のホール電圧が、第２の接続線１６２に沿って、第２の下方コンタクト面１９２と第２の上方コンタクト面１４２との間で検出され、ここから、第１の接続線１６１および第２の接続線１６２によって形成されている第１の測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３４】
ステップ７２１において、第１の動作電流が終了し、第２の動作電流が印加される。この第２の動作電流は、第２の接続線に沿って流れている。ステップ７２２では、第２の動作電流が流れている間、第２のホール電圧が第３の接続線１６３に沿って、第３の下方のコンタクト面１９３と第３の上方のコンタクト面１４３との間で検出され、ここから、第２の接続線１６２および第３の接続線１６３によって形成されている、別の測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３５】
ステップ７３１では、第２の動作電流が終了し、第３の動作電流が印加される。この第３の動作電流は、第１の上方コンタクト電極１４１と第３の上方コンタクト電極１４３との間のさらなる接続線に沿って流れている。ステップ７３２では、第３の動作電流が流れている間、第３のホール電圧が、さらに別の接続線に沿って、第２の上方のコンタクト電極１４２と第４の上方のコンタクト電極１４４との間で検出され、ここから、基板の主要表面０１２に対して平行に延在している測定面に対して垂直なアクティブ領域１３１内の磁束密度の成分が特定される。
【００３６】
ステップ７４０では、ステップ７１２、７２２および７３２において特定された磁束密度の３つの成分からベクトルが計算される。このベクトルは、アクティブ領域１３１内の磁束密度の強度および方向を、所望の、例えばデカルト座標系または極座標系において示す。さらに、測定方法がステップ７１１から繰り返される。上述した流れにおいても、繰り返しにおいても交互に、それぞれ、動作電流印加と測定面のホール電圧検出に用いられるコンタクトが、相互に、スピニング電流方法の様式で交換される、および／または磁束密度のベクトルが、２つまたはそれよりも多くの試みから生じたデータから求められる。
【００３７】
上述の方法では、図４Ａ−４Ｃに示された第４の埋設層１１４および属する部材１４４、１７４、１８４は必要ではない。従ってこの方法は、変更されたホールセンサ素子によっても実現可能である。ここではこれらの部材は省かれている。他方で図７に示された方法を次のように変更することができる。すなわち、図４Ａ−Ｃおよび図６に示されたホールセンサ素子１００に関して付加的にまたは択一的に、別の測定面において測定が実行されるように変更することができる。これは例えば、第３の接続線１６３および第４の接続線１６４ないしは第４の接続線１６４および第１の接続線１６１によって形成されている、主要表面１０２に対して傾斜された測定面での測定、さらには第１の接続線１６１および第３の接続線ないしは第２の接続線１６２および第４の接続線１６４によって形成されている、主要表面１０２に対して垂直な測定面での測定である。磁界を多次元で測定するために有利には、線形の、依存していない標準ベクトルを備えた３つの測定面が選択される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホールセンサ素子（１００）であって、
・主要表面（１０２）を備えた基板（１０１，５００）と、
・前記主要表面（１０２）から前記基板（１０１）内まで延在している、導電性のアクティブ領域（１３１）と、
・前記アクティブ領域（１３１）と、第１の下方のコンタクト面（１９１）で接触している、基板（１０１，５００）内の導電性の第１埋設層（１１１）とを有している、
ことを特徴とするホールセンサ素子（１００）。
【請求項２】
前記基板（１０１，５００）は半導体基板であり、前記アクティブ領域（１３１）は第１の導電型の半導体領域である、請求項１記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項３】
前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している、第１の上方コンタクト電極（１４１）を有している、請求項１または２記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項４】
前記第１の上方コンタクト電極（１４１）は実質的に垂直に、前記第１の下方コンタクト面（１９１）上に配置されている、請求項３記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項５】
前記第１の上方コンタクト電極（１４１）は、第１の下方コンタクト面（１９１）に対して対角線状にずらして配置されている、請求項３記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項６】
前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している、第２の上方コンタクト電極（１４２）と第３の上方コンタクト電極（１４３）とを有している、請求項３から５までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項７】
さらに、
・前記アクティブ領域（１３１）と第２の下方コンタクト面（１９２）で接触している第２の導電性埋設層（１１２）と；
・前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している第２の上方コンタクト電極（１４２）と；を有しており、
前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の第１の接続線（１６１）は、前記第２の下方コンタクト面（１４２）と前記第２の上方コンタクト電極（１９２）の間の第２の接続線（１６２）に対して傾斜して延在している、請求項３から５までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項８】
さらに、
・前記アクティブ領域（１３１）と、それぞれ属する第３の下方コンタクト面（１９３）および第４の下方コンタクト面（１９４）で接触している第３の導電性埋設層（１１３）および第４の導電性埋設層（１１４）と；
・前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している第３の上方コンタクト電極（１４３）および第４の上方コンタクト電極（１４４）と；を有しており、
前記第１の接続線（１６１）と第２の接続線（１６２）とによって形成されている第１の面（５９９）は第２の面（６９９）に対して傾斜して延在しており、当該第２の面（６９９）は、前記第３の下方コンタクト面（１９３）と前記第３の上方コンタクト電極（１４３）との間の第３の接続線（１６３）と、前記第４の下方コンタクト面（１９４）と前記第４の上方コンタクト面（１４４）との間の第４の接続線（１６４）とによって形成されている、請求項７記載のホールセンサ素子（７）。
【請求項９】
磁界（Ｂ）を多次元、殊に三次元で測定するための、請求項１から８のいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）の使用。
【請求項１０】
・電気的な測定電流（Ｉ）を前記第１の上方コンタクト電極（１４１）と前記第１の下方コンタクト面（１９１）との間で、前記アクティブ領域を通って導くステップ（７１１）と；
・前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の接続線（１６１）に対して傾斜して延在する区間（１０４；１６２）に沿って、アクティブ領域でのホール電圧（ＵＨ）を検出するステップ（７１２）と；を有している、請求項３から８までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）を用いた磁界（Ｂ）の測定方法。
【請求項１１】
・電気的な測定電流（Ｉ）を前記アクティブ領域（１３１）を通って、前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の接続線（１６１）に対して傾斜して延在する区間（１０４；１６２）に亘って導くステップ（７１１）と；
・前記第１の上方コンタクト電極（１４１）と前記第１の下方コンタクト面（１９１）との間でホール電圧（ＵＨ）を検出するステップ（７１２）と；を有している、請求項３から８までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）を用いた磁界（Ｂ）の測定方法。
【請求項１】
ホールセンサ素子（１００）であって、
・主要表面（１０２）を備えた基板（１０１，５００）と、
・前記主要表面（１０２）から前記基板（１０１）内まで延在している、導電性のアクティブ領域（１３１）と、
・前記アクティブ領域（１３１）と、第１の下方のコンタクト面（１９１）で接触している、基板（１０１，５００）内の導電性の第１埋設層（１１１）とを有している、
ことを特徴とするホールセンサ素子（１００）。
【請求項２】
前記基板（１０１，５００）は半導体基板であり、前記アクティブ領域（１３１）は第１の導電型の半導体領域である、請求項１記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項３】
前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している、第１の上方コンタクト電極（１４１）を有している、請求項１または２記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項４】
前記第１の上方コンタクト電極（１４１）は実質的に垂直に、前記第１の下方コンタクト面（１９１）上に配置されている、請求項３記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項５】
前記第１の上方コンタクト電極（１４１）は、第１の下方コンタクト面（１９１）に対して対角線状にずらして配置されている、請求項３記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項６】
前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している、第２の上方コンタクト電極（１４２）と第３の上方コンタクト電極（１４３）とを有している、請求項３から５までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項７】
さらに、
・前記アクティブ領域（１３１）と第２の下方コンタクト面（１９２）で接触している第２の導電性埋設層（１１２）と；
・前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している第２の上方コンタクト電極（１４２）と；を有しており、
前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の第１の接続線（１６１）は、前記第２の下方コンタクト面（１４２）と前記第２の上方コンタクト電極（１９２）の間の第２の接続線（１６２）に対して傾斜して延在している、請求項３から５までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）。
【請求項８】
さらに、
・前記アクティブ領域（１３１）と、それぞれ属する第３の下方コンタクト面（１９３）および第４の下方コンタクト面（１９４）で接触している第３の導電性埋設層（１１３）および第４の導電性埋設層（１１４）と；
・前記アクティブ領域（１３１）と前記主要表面（１０２）で接触している第３の上方コンタクト電極（１４３）および第４の上方コンタクト電極（１４４）と；を有しており、
前記第１の接続線（１６１）と第２の接続線（１６２）とによって形成されている第１の面（５９９）は第２の面（６９９）に対して傾斜して延在しており、当該第２の面（６９９）は、前記第３の下方コンタクト面（１９３）と前記第３の上方コンタクト電極（１４３）との間の第３の接続線（１６３）と、前記第４の下方コンタクト面（１９４）と前記第４の上方コンタクト面（１４４）との間の第４の接続線（１６４）とによって形成されている、請求項７記載のホールセンサ素子（７）。
【請求項９】
磁界（Ｂ）を多次元、殊に三次元で測定するための、請求項１から８のいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）の使用。
【請求項１０】
・電気的な測定電流（Ｉ）を前記第１の上方コンタクト電極（１４１）と前記第１の下方コンタクト面（１９１）との間で、前記アクティブ領域を通って導くステップ（７１１）と；
・前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の接続線（１６１）に対して傾斜して延在する区間（１０４；１６２）に沿って、アクティブ領域でのホール電圧（ＵＨ）を検出するステップ（７１２）と；を有している、請求項３から８までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）を用いた磁界（Ｂ）の測定方法。
【請求項１１】
・電気的な測定電流（Ｉ）を前記アクティブ領域（１３１）を通って、前記第１の下方コンタクト面（１９１）と前記第１の上方コンタクト電極（１４１）との間の接続線（１６１）に対して傾斜して延在する区間（１０４；１６２）に亘って導くステップ（７１１）と；
・前記第１の上方コンタクト電極（１４１）と前記第１の下方コンタクト面（１９１）との間でホール電圧（ＵＨ）を検出するステップ（７１２）と；を有している、請求項３から８までのいずれか１項記載のホールセンサ素子（１００）を用いた磁界（Ｂ）の測定方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５３１７５７（Ｐ２０１２−５３１７５７Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１８０５２（Ｐ２０１２−５１８０５２）
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５５９０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０００６０１
【国際公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５５９０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０００６０１
【国際公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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