VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HALLSENSORS

Die Erfindung betrifft einen Hallsensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Hallsensors.

Stand der Technik

Hallsensoren sind umso leistungsfähiger, je höher die Ladungsträgerbeweglichkeit des verwendeten Hallmaterials ist und je besser eine Kristallqualität des Hallmaterials ist. Letztere hängt unter anderem von einer Streuung der bewegten Ladungsträger an Kristallstörungen des Hallmaterials ab.

Das Material Silizium hat den Nachteil, dass es kein gutes Hallmaterial ist, weil die Beweglichkeit der Ladungsträger niedrig ist. Allerdings lässt sich Silizium in einen ASIC-Prozess integrieren, so dass geringe Kosten für Aufbau- und Verbindungstechnik entstehen und der Hallsensor daher klein ist. Bekannt sind integrierte Silizium-Hallsensoren mit mäßiger Performance.

Zusätzlich sind separate, diskrete Hallsensoren aus InAs (Indiumarsenid), InSb (Indiumantimonid) und GaAs (Galliumarsenid) bekannt, wobei diese Materialien einen höheren Hall-Koeffizienten aufweisen. Zum Beispiel ist bei InSb die Beweglichkeit der Ladungsträger ca. um den Faktor 40 höher, als jene von Silizium. Dieser Unterschied geht quadratisch in den elektrischen Stromverbrauch des Hallsensors ein, der erforderlich ist, um eine gewünschte Signalstärke zu erzielen. Auf diese Weise sind Hallsensoren realisierbar, die ca. um den Faktor 1600 besser sind als Hallsensoren mit Silizium.

Folgende Materialien und Beweglichkeiten der Ladungsträger sind bekannt:

Bei der Herstellung von diskreten Hallsensoren werden hohe Temperaturen benötigt, um eine gute Kristallqualität zu erzielen. Dies wird durch hohe Temperaturen während der Abscheidung des Hallmaterials realisiert oder durch ein nachgelagertes Mikrozonen-Schmelzverfahren, bei dem das Substrat mit dem Hallmaterial unter einem heißen Draht entlang geführt wird, so dass die Schmelztemperatur (bei InSb 525°C) lokal überschritten wird. Allerdings leidet die Zuverlässigkeit von ASICS bei Temperaturen über ca. 400°C, und zwar umso mehr, je länger die Einwirkung andauert und je höher die Temperatur ist.

Deshalb sind InSb, GaAs, InAs und andere Hallsensoren nur als separate, diskrete Elemente verfügbar, die nicht in den ASIC integriert sind. Dies führt nachteilig einerseits zu hohen Kosten bei Aufbau und Verbindung und andererseits zu sehr großen Modulen, die für moderne elektronische Geräte ungünstig zu verwenden sind.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Hallsensor bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Hallsensor, aufweisend:

einen Wafer mit einem ASIC;

eine für den Wafer vorgesehene Isolierschicht, wobei die Isolierschicht auf den Wafer aufgebracht oder im Wafer integriert ausgebildet ist; und eine auf der Isolierschicht angeordnete Hallschicht, wobei die Hallschicht mittels eines Lasers derart erwärmt worden ist, dass sie wenigstens abschnittsweise rekristallisiert ist. Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Hallsensors, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Wafers mit einem ASIC;

- Ausbilden einer auf den Wafer aufgebrachten oder in den Wafer integrierten Iso- lierschicht;

- Anordnen einer Hallschicht auf der Isolierschicht; und

Erwärmen der Hallschicht mittels eines Lasers derart, dass die Hallschicht wenigstens abschnittsweise rekristallisiert. Vorteilhaft ist es mit einer derartigen Wärmebehandlung der Hallschicht möglich, einen Hallsensor mit deutlich verbesserter Beweglichkeit der Ladungsträger bereit zu stellen. Vorzugweise wird dies dadurch erreicht, dass der Laser das Material der Hallschicht wenigstens in der Nähe des Schmelzpunktes und darüber hinaus erhitzt.

Durch die Isolierschicht wird ein Eindringen von schädlicher thermischer Energie in den ASIC bzw. die anwendungsspezifische Schaltung des Wafers verhindert, wodurch der ASIC vorteilhaft nicht durch die Wärme des Lasers geschädigt wird. Auf diese Weise kann ein Hallsensor bereitgestellt werden, bei dem das Hallele- ment in den Sensor integriert ist. Eine hybride Ausführung des Hallsensors ist auf diese Weise vorteilhaft nicht erforderlich, weil kein zusätzlicher separater Chip für den Hallsensor erforderlich ist. Dadurch ist vorteilhaft eine flache Bauweise eines elektronischen Geräts (zum Beispiel Smartphone) mit dem Hallsensor unterstützt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Hallsensors und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Hallsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Isolierschicht wenigstens abschnittsweise porös ist. Auf diese Weise kann die thermisch isolierende Wirkung der Isolierschicht noch weiter gesteigert sein, wodurch ein verbesserter Schutz des ASIC im Wafer möglich ist. Ferner ist es dadurch noch leichter möglich, die Hallschicht mittels des Lasers aufzuschmelzen. Auf diese Weise können an sich bekannte Strukturen aus der Mikromechanik für den Hallsensor verwendet werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Hallsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht wenigstens eine Kaverne aufweist. Auf diese Weise können spezifische technische Ausgestaltungen des Hallsensors realisiert werden, die von der geringen thermischen Wärmekapazität der dadurch realisierten Membran der Isolierschicht profitieren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels des Lasers die gesamte Hallschicht wärmebehandelt wird. Auf diese Weise kann der Laser nach einer einmaligen Einstellung über die gesamte Oberfläche der Hallschicht energieeffizient verfahren werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Hallschicht vor der Wärmebehandlung mittels des Lasers derart strukturiert wird, dass eine Erfassungsstruktur für den Halleffekt gebildet wird. Auf diese Weise kann aufgrund der Vorstrukturierung der Hallschicht erreicht werden, dass eine nachfolgende Wärmebehandlung durch den Laser vorteilhaft nur auf die Erfassungsstruktur begrenzt werden muss.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Hallschicht mittels des Lasers nur an Stellen behandelt wird, an denen eine Erfassungsstruktur für den Halleffekt vorgesehen ist. Dadurch ist vorteilhaft unterstützt, dass mittels einer Positionierungseinrichtung des Lasers die Erfassungsstruktur für den Halleffekt erkannt werden kann, wodurch der Laser effizient und kurz betrieben werden kann. Zudem müssen auf diese Weise Ränder der wärmebehandelten Bereiche der Hallschicht nicht nachbearbeitet werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der ASIC des Wafers mittels einer Schutzschicht, zum Beispiel eine Aluminiumschicht, vor Strahlung des Lasers geschützt ist. Dadurch wird im Falle, dass der Laser in ungewollter Weise an der Erfassungsstruktur für den Halleffekt vorbeistrahlt, Strahlungsenergie des Lasers unschädlich gemacht. Dadurch können die empfindlichen anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen vor einer Beschädigung bewahrt werden. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren und unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Anordnung für einen Hallsensor;

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Laserbehandlung einer Hallschicht der Anordnung von Fig. 1 ;

Fig. 3-6 einen Ablauf einer Wärmebehandlung der Hallschicht mittels eines Lasers;

Fig. 6-8 einen weiteren Ablauf einer Wärmebehandlung der Hallschicht mittels eines Lasers;

Fig. 9-1 1 einen weiteren Ablauf einer Wärmebehandlung der Hallschicht mittels eines Lasers; Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer weiteren Anordnung für einen

Hallsensor;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht einer weiteren Anordnung für einen

Hallsensor;

Fig. 14-16, Querschnittsansichten von mehreren alternativen Anordnungen für einen Hallsensor; und

Fig. 17 einen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Verfahrens. Beschreibung von Ausführungsformen

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Hallschicht auf einer Anordnung mit einem Wafer und einer Isolierschicht zunächst bei niedriger Abscheidetemperatur (ca. 250°C - ca. 400°C) abzuscheiden und die Hallschicht anschließend mit einem Laser temporär zu bestrahlen, so dass dadurch in der Hallschicht ein Rek- ristallisationsprozess stattfindet und auf diese Weise die Beweglichkeit der Ladungsträger der Hallschicht erhöht wird.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Anordnung für einen Hallsensor mit einem Wafer 10 mit einer darin ausgebildeten anwendungsspezifischen integrierten elektronischen Schaltung (ASIC, nicht dargestellt), wobei auf dem Wafer 10 eine thermische Isolierschicht 20 angeordnet ist. Die thermische Isolierschicht 20 kann beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Oxynitrid, Polyimid, Low-k Dielektrikumtrica, poröses Silizium, poröses Oxid, eines der genannten Materialien mit einer Vakuumkaverne oder Ähnliches sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolierschicht 20 aber bereits im Wafer 10 mit dem ASIC enthalten bzw. integriert sein. Auf die Isolierschicht 20 wird sodann die Hallschicht 30 abgeschieden, beispielsweise in Form von InSb, GaAs, InAs oder einem anderen III- V-Halbleitermaterial. Bei einer Integration der Isolierschicht 20 in den Wafer 10 wird eine geometrische Ausdehnung der Isolierschicht 20 in Abhängigkeit von einer geometrischen Ausdehnung der Hallschicht 30 ausgestaltet.

Fig. 2 stellt dieselbe Anordnung wie Fig. 1 dar und soll andeuten, dass die Hallschicht 30 temporär und wenigstens abschnittsweise mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser 40 wärmebehandelt wird. Die Strahlungswirkung des Lasers 40 ist in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet. Die thermische Energie des Lasers 40 durchdringt die Hallschicht 30, dringt in die Isolierschicht 20 ein und wird dort absorbiert. Auf diese Weise kann die Wärme des Lasers 40 nicht in den Wafer 10 hineinwirken und auf diese Weise die anwendungsspezifische Schaltung (ASIC) schädigen.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen eine prinzipielle Prozessfolge des Verfahrens zur Herstellung eines Hallsensors. Der Laser 40 erzeugt einen Laserspot 41 , der sich über die Hallschicht 30 bewegt und dadurch eine lokale, temporäre Erwärmung der Hallschicht 30 und dadurch eine Rekristallisation der Hallschicht 30 bewirkt. Vorteilhaft kann auch ein anderweitig gebündeltes Licht, wie z.B. ein IR-Laser verwendet werden. In Fig. 3 ist angedeutet, dass der vom Laser 40 generierte Laserspot 41 abschnittsweise über die Hallschicht 30 geführt wird. Im Ergebnis wird dadurch das Material der Hallschicht 30 zunächst verflüssigt und danach ein Rekristallisationsbereich 31 der Hallschicht 30 geschaffen, in welchem die oben genannte erhöhte Ladungsträger- bzw. Elektronenmobilität vorhanden ist. Wie in den Figuren 4 und 5 erkennbar, wird der Laserspot 41 in örtlich definierter Weise linienartig über die Hallschicht 30 bewegt, so dass im Ergebnis, wie in Fig. 5 erkennbar, eine kreuzförmige Erfassungsstruktur („Hallkreuz") für den Halleffekt geschaffen wird, die in der Größenordnung von ca. 10 μηι bis ca. 200 μηι liegen und zum Sensieren des Halleffekts vorgesehen ist.

In den Figuren 6 bis 8 ist eine alternative Prozessfolge angedeutet, wobei in diesem Fall die gesamte Oberfläche der Hallschicht 30 vom Laserspot 41 überstrichen wird, so dass sich dadurch der Rekristallisationsbereich 31 über die gesamte Oberfläche der Hallschicht 30 erstreckt. Vorteilhaft muss in diesem Fall im Vergleich zur Prozessfolge der Figuren 3 bis 5 ein Ein- und Ausschalten des Lasers 40 seltener durchgeführt werden, wodurch ein einfacher und energieeffizienter Betrieb des Lasers 40 unterstützt ist.

In den Figuren 9 bis 1 1 ist eine weitere alternative Prozessfolge dargestellt. In diesem Fall wird die Hallschicht 30 zunächst, ebenso wie in den Prozessfolgen der Figuren 3 bis 8 ganzflächig auf der Isolierschicht 20 abgeschieden. Danach wird die Hallschicht 30 strukturiert und das nicht verwendete Material abgetragen (zum Beispiel mittels Lithographie, Ätzen, Lackentfernen, usw.). Auf diese Weise wird in der Hallschicht 30 eine Erfassungsstruktur für den Halleffekt erzeugt, auf die, wie in Fig. 9 dargestellt, der Laserspot 41 positioniert wird. Durch Bewegen des Laserspots 41 über die Erfassungsstruktur wird somit der Rekristallisations- prozess der Hallschicht 30 auf die Erfassungsstruktur begrenzt. Vorteilhaft ist auf diese Weise ein Nachbearbeiten von Rändern der Erfassungsstruktur mittels einer lonenstrahlquelle nicht erforderlich, wodurch die Ränder der Erfassungsstruk- tur nicht geschädigt werden. Um zu verhindern, dass Laserstrahlung an der Hallschicht 30 vorbei in den Wafer 10 mit den ASICs bzw. den anwendungsspezifischen integrierten elektronischen Schaltungen gelangen kann und diese dadurch möglicherweise geschädigt werden, ist vorgesehen, dass in der Isolierschicht 20 unter der Hallschicht 30 eine Schutzschicht 50 bzw. Zwischenschicht angeordnet ist. Die Schutzschicht 50 kann dabei beispielsweise als eine Reflexionsschicht aus Aluminium („Light Protection Shield") ausgebildet sein, die schädliche Laserstrahlung in die Isolierschicht 20 reflektiert. Fig. 12 zeigt eine Anordnung für einen Hallsensor mit einer derartigen Reflexionsschicht.

Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht für einen Hallsensor mit einer Variante der Reflexionsschicht, die in diesem Fall wenigstens teilweise durchbrochen bzw. perforiert ausgebildet ist. Auf diese Weise können elektrische Durchkontakt- ierungen 60 ausgebildet werden, die die Hallschicht 30 mit der anwendungs- spezifischen integrierten Schaltung des Wafers 10 elektrisch leitend verbinden.

Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Anzahl von elektrischen Verbindungen zwischen der Hallschicht 30 und dem ASIC bzw. der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung erhöht sein. Denkbar sind selbstverständlich auch Anordnungen mit einer weiteren oder mit mehreren Schutzschichten 50.

Fig. 14 zeigt nochmals einen Querschnitt durch eine Grundform der Anordnung für einen Hallsensor. Fig. 15 zeigt eine Variante der Isolierschicht 20, die in diesem Fall wenigstens abschnittsweise porös ausgebildet ist. Eine Strukturierung der Isolierschicht 20 kann dabei mittels an sich bekannter mikromechanischer Verfahren (MEMS-Prozesse) hergestellt werden. Auf diese Weise kann eine thermische Isolierungswirkung der Isolierschicht 20 noch gesteigert sein, wodurch eine elektrische Leistungsaufnahme des Lasers 40 zum thermischen Behandeln der Hallschicht 30 vorteilhaft reduziert sein kann. Fig. 16 zeigt eine weitere Variante der Isolierschicht 20, die in diesem Fall wenigstens eine Kaverne 21 , die vorzugweise mit Vakuum befüllt ist, aufweist. Auf diese Weise wird an der Oberseite der Isolierschicht 20 angrenzend an die Hallschicht 30 eine membranartige Struktur der Isolierschicht 20 bereitgestellt, die aufgrund ihrer geringen thermischen Wärmekapazität für spezifische Hallsenso- ren nützlich sein kann. lm Ergebnis können dadurch in vorteilhafter Weise mikromechanische Strukturen mit der Hallschicht 30 beschichtet werden. Dadurch kann eine Designvielfalt für das Hallsensorelement vorteilhaft erhöht sein. Denkbar sind auch beliebige Kombinationen der in den Figuren 14 bis 16 dargestellten Isolierschicht 20.

Fig. 17 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem Schritt 200 wird ein Wafer 10 mit einem ASIC bereitgestellt.

In einem Schritt 210 wird eine auf den Wafer 10 aufgebrachte oder in den Wafer 10 integrierte Isolierschicht 20 ausgebildet.

In einem Schritt 220 wird eine Hallschicht 30 auf der Isolierschicht 20 angeord- net.

In einem Schritt 230 wird schließlich ein Erwärmen der Hallschicht 30 mittels eines Lasers 40 derart durchgeführt, dass die Hallschicht 30 wenigstens abschnittsweise rekristallisiert.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hallsensors und ein damit hergestellter Hallsensor vorgeschlagen, wobei eine Hallschicht zunächst bei niedriger Temperatur auf eine Isolierschicht abgeschieden und danach mit einem Laser zum Zwecke einer Erhöhung von Ladungsträgerbeweglichkeit nachbehandelt wird. Dies wird mit einem durch die temporäre Erwärmung des Lasers generierten Rekristallisationsprozess innerhalb der Hallschicht erreicht, wobei eine Erwärmung der Hallschicht wenigstens an den Schmelzpunkt der Hallschicht heran und vorzugsweise darüber hinaus stattfindet.

Durch die Anordnung der Hallschicht auf einer definierten Oberfläche der Isolierschicht ist unterstützt, dass die temperaturempfindlichen anwendungsspezifischen elektronischen Schaltungen bzw. ASICs (z.B. Auswerteschaltungen für den Hallsensor) weitestgehend unbeeinträchtigt bleiben. Ferner ist dadurch ein einfacher und flacher Aufbau der gesamten Anordnung unterstützt, weil das Hallelement vollständig in den Sensor integriert werden kann.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise zum Beispiel elektrische Kompasse basierend auf Ill-V-Halbleiter-Hallsensoren herzustellen, die in kleineren Packungseinheiten integrierbar sind.

Der Fachmann wird vorgehend auch nicht beschriebene Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.