DE10213381A1

DE10213381A1 - Magnetsensoranordnung und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10213381A1
Application number: DE2002113381
Authority: DE
Inventors: Peter Schmollngruber; Henrik Siegle; Neil Davies; Paul Farber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: DE10213381B4

Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung vorgeschlagen, die mit einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht (2) und einer Auswerteelektronik (4) zur Verarbeitung des an der Sensorschicht (2) abnehmbaren elektrischen Signals versehen ist. Die Sensorschicht (2) ist auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (3) und die Auswerteelektronik als integrierter Schaltkreis (4) auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates (3) herausgebildet. Der integrierte Schaltkreis (4) kann auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates (3) an einer Leiterplatte (6) gehalten und dort mittels eines Leitklebers oder eines Lotes mit Leiterbahnen oder Kontakten (7) kontaktiert werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Erfassung des Drehwinkels eines rotierenden Teils, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Magnetsensoren werden in unterschiedlichen Ausführungsformen in Fahrzeugen bereits angewandt. Zum Beispiel als Drehzahlfühler an den Rädern für ein Antiblockierbremssystem (ABS), als Drehzahl- und Phasengeber für die Motorsteuerung oder als Lenkwinkelsensoren für sog. Fahrdynamikregelsysteme und für elektrische Lenkhilfen.

Es ist beispielsweise aus der DE 44 41 504 A1 eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung bekannt, bei der eine drehbare Welle an ihrem Ende einen Dauermagneten als mitdrehendes Teil trägt. Die magnetischen Feldlinien des Magneten verlaufen hierbei durch ein Gehäuseteil, das eine ortsfeste Sensoranordnung, bestehend aus zwei gegeneinander um 90° versetzten Hallsensoren, trägt. Die Richtungskomponenten der Feldlinien verursachen bei der bekannten Anordnung spezifische Ausgangssignale der beiden Hallsensoren, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung der Drehlage um eine beliebige Winkeländerung mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.

In vielen Anwendungsfällen werden dabei die Anforderung nach größeren Arbeitsabständen und entsprechend größeren magnetischen Luftspalten sowie, um den erforderlichen Winkel- und Magnetfeldbereich abzudeckenden, nach größeren Messbereichen immer mehr erhöht. Dies macht in der Regel empfindlichere aber nach wie vor robuste Sensoren erforderlich.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Weiterbildung einer Magnetsensoranordnung mit einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht und einer Auswerteelektronik zur Verarbeitung des an der Sensorschicht abnehmbaren elektrischen Signals ist gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise die Sensorschicht auf einer Seite eines Halbleitersubstrates und die Auswerteelektronik als integrierter Schaltkreis auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates herausgebildet. Die Sensorschicht ist dabei vorzugsweise als mindestens ein GMR- Sensor ausgebildet und das Halbleitersubstrat ist ein Silizium-Wafer.

Die an sich bekannte Anwendung der GMR-Sensoren als magnetfeldempfindliches Bauelement (GMR = Giant Magneto Resistance) macht es prinzipiell möglich, empfindliche und relativ robuste Sensoren z. B. bei der Drehwinkelerfassung in Kraftfahrzeugen aufzubauen. Die Sensoren können dabei als diskrete Bauelemente oder mit der Auswertelektronik monolithisch integriert aufgebaut werden. Die Integration bietet erhebliche Vorteile, sie erlaubt kompaktere Abmaße sowie eine einfachere Aufbau- und Verbindungstechnik und damit auch Kostenvorteile. Zudem ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) durch die bei der Integration verkürzten elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorelement und der Auswertelektronik verbessert, so dass störende Fehlsignale durch Einstrahlung reduziert werden können.

Für diese GMR-Sensoren gibt es zwei Möglichkeiten der Integration mit der Auswerteelektronik, nämlich die laterale oder die vertikale Integration. Bei der lateralen Integration werden auf dem integrierten Schaltkreis (IC) der Auswerteelektronik Flächen ausgespart, auf denen die aktive Sensorschicht für die GMR-Sensoren abgeschieden werden kann. Die Sensorschicht wird dann entweder durch eine direkt darunter liegende oder eine nachträglich darüber aufgebrachte Metallisierung kontaktiert. Bei der vertikalen Integration wird dagegen in üblicher Weise die Sensorschicht auf dem integrierten Schaltkreis der IC- Elektronik abgeschieden; die Elektronik und die Sensorschicht sind dabei nur durch eine oder mehrere Isolations- und Pufferschichten getrennt.

In den beiden zuvor genannten Fällen spielt die Rauigkeit und Topographie des Untergrundes, auf dem die Sensorschicht abgeschieden wird, eine entscheidende Rolle. Die nur wenige Nanometer dicken GMR-Schichten reagieren in ihren Eigenschaften empfindlich auf die Rauigkeit ihres Substrates. Für die Integration ist daher bei den an sich bekannten Verfahren ein zusätzlicher Prozessaufwand durch eine Vorbehandlung der Oberfläche und ein Einbringen der Ausgleichs- und Pufferschichten notwendig, der bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der integrierte Schaltkreis auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates an einer Leiterplatte gehalten und dort mittels eines Leitklebers oder eines Lotes mit Leiterbahnen oder Kontakten kontaktiert.

Die elektrischen Verbindungen zwischen der Sensorschicht und dem integrierten Schaltkreis und/oder den Leiterbahnen oder Kontakten auf der Leiterplatte können auf einfache Weise mittels Bonddrähten hergestellt werden. Weiterhin können elektrische Verbindungen zwischen der Sensorschicht und dem integrierten Schaltkreis auch mittels Durchkontaktierungen im Halbleitersubstrat in vorteilhafter Weise gebildet sein.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Magnetsensoranordnung werden die Sensorschicht und der integrierte Schaltkreis mittels separater hableitertechnischer Abscheideprozesse in Dünnschichttechnik auf den unterschiedlichen Seiten des Halbleitersubstrates hergestellt. Hierbei wird vorzugsweise der mindestens eine GMR-Sensor der Sensorschicht mittels Kathodenzerstäubung nach der Ausbildung der Elektronik auf dem Halbleitersubstrat hergestellt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei in vorteilhafter Weise vermieden, dass eine Beeinträchtigung der Elektronik durch den nachträglichen Abscheideprozess der Sensorschicht erfolgen kann. Wenn der Abscheideprozess für die Herstellung der GMR-Schichten durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) erfolgt, könnte sich ohne eine Anordnung auf verschiedenen Substratseiten die IC-Elektronik inhomogen aufladen. Durch eine solche nachträgliche Entladung sowie den Ionenbeschuss und die hier auftretende UV-Strahlung beim Sputterprozess bilden sich Defekte in der Elektronik aus, wobei ein Ausheilen, sog. Annealing, dieser Defekte bei einem GMR-Sensor nur bedingt möglich ist, da dies bei Temperaturen geschieht, die den GMR- Schichtstapel bereits zerstören können.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der Erfindung die beiden Hauptprobleme bei der IC-Integration, nämlich die große Substratrauigkeit und die durch einen Sputtervorgang induzierten Defekte in der IC-Elektronik dadurch vermieden werden, dass die aktive Sensorschicht (GMR- Sensor) auf der gegenüberliegenden Seite bzw. der Rückseite des Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein sog. Silizium Wafer, abgeschieden wird. Die Platzersparnis ist hierbei, wie bei der bei oben erwähnten vertikalen Integration, allerdings nach wie vor gewährleistet.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipansicht einer Magnetfeldsensoranordnung mit einer GMR-Sensorschicht auf einer Seite eines Silizium-Wafers als Substrat und einer IC- Auswerteelektronik auf der anderen Seite des Silizium-Wafers,
Fig. 2 eine Prinzipansicht des Abscheideprozesses der Sensorschicht auf dem Silizium-Wafer und
Fig. 3 ein auf einer Leiterplatte mit Bonddrähten kontaktierten Magnetfeldsensor nach der Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Prinzipansicht eines Magnetfeldsensors 1 gezeigt, der auf einer dem Messobjekt zugewandten Seite mit einer GMR-Sensorschicht 2 versehen ist, wobei GMR eine Bezeichnung für "Giant Magneto Resistance" ist, die Anwendung der Erfindung jedoch im Allgemeinen auch bei anderen Dünnschichttechnologien wie AMR entsprechend "Anisotropic Magneto Resistance" möglich ist.
Die GMR-Sensorschicht 2 ist auf einer Seite eines Silizium-Wafers 3 als Substrat aufgebracht. Beim Substrat- Material handelt es sich hier um einen an sich bekannten Silizium-Wafer, wobei die Erfindung sich aber prinzipiell auch mit anderen Halbleitersubstratmaterialien, wie z. B. sog. III-V-Halbleiter, SiC, Al2O3 oder dergleichen realisieren lässt.
Auf der anderen Seite des Silizium-Wafers 3 ist eine Auswerteelektronik als integrierter Schaltkreis. 4 aufgebracht. Die Elektronik mit dem integrierten Schaltkreis 4 ist somit auf der rauen Vorderseite des Silizium-Wafers 3 aufgebracht und die Sensorschicht 2 ist auf der glatten, weil weitgehend unbehandelten bzw. nur wenigen Prozessschritten ausgesetzten Rückseite des Silizium-Wafers 3 aufgebracht.
In Fig. 2 ist schematisch angedeutet, wie während der mit Pfeilen 5 gekennzeichneten Prozessschritte mittels einer hier nicht dargestellten sog. Sputterquelle zur Abscheidung der Sensorschicht 2 die Elektronik des integrierten Schaltkreises 4 rückseitig angeordnet ist und dadurch vor Aufladungseffekten sowie Schädigungen durch Ionenbeschuss und UV-Strahlung der Sputterquelle geschützt wird.
Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, wie die Magnetsensoranordnung 1 nach der Fig. 1 nachträglich mittels einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik auf einer Leiterplatte 6, z. B. einem sog. PCB/Leadframe, angeordnet werden kann. Die elektrischen Verbindungen werden hier an sog. Bond- oder Kontakt-Pads 7 mit Lot oder Leitkleber hergestellt, beispielsweise in einer Flip-Chip-Technik.
Weiterhin sind dann zusätzlich leitende Verbindungen 8 mittels Bond-Drähten oder ähnlichem zwischen den GMR- Sensoren 2 und Kontakt-Pads 7 durch sog. Bonding hergestellt. Eine andere hier nicht gezeigte Möglichkeit der Herstellung von Verbindungen zwischen der Vorder- und Rückseite des Silizium-Wafers 3 ist auch die Durchkontaktierung durch einen vorher geätzten Kanal.

Claims

1. Magnetsensoranordnung, mit
einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht (2) und einer Auswerteelektronik (4) zur Verarbeitung des an der Sensorschicht (2) abnehmbaren elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensorschicht (2) auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (3) und die Auswerteelektronik als integrierter Schaltkreis (4) auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates (3) herausgebildet ist.

2. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Schaltkreis (4) auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates (3) an einer Leiterplatte (6) gehalten ist und dort mittels eines Leitklebers oder eines Lotes mit Leiterbahnen oder Kontakten (7) kontaktiert ist.

3. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Verbindungen (8) zwischen der Sensorschicht (2) und dem integrierten Schaltkreis (4) und/oder den Leiterbahnen oder Kontakten (7) auf der Leiterplatte mittels Bonddrähten (8) hergestellt sind.

4. Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Verbindungen zwischen der Sensorschicht (2) und dem integrierten Schaltkreis (4) mittels Durchkontaktierungen im Halbleitersubstrat (3) hergestellt sind.

5. Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht mindestens einen GMR-Sensor (2) enthält.

6. Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat ein Silizium-Wafer (3)ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) und der integrierte Schaltkreis (4) mittels separater hableitertechnischer Abscheideprozesse in Dünnschichttechnik auf den unterschiedlichen Seiten des Halbleitersubstrates (3) hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine GMR-Sensor der Sensorschicht (2) mittels Kathodenzerstäubung nach der Ausbildung der Elektronik (4) auf dem Halbleitersubstrat (3) hergestellt wird.