Analysis of shift mechanisms in BiCMOS hall devices with scope of a precise SPICE simulation model

Abstract

Das Thema der vorliegenden Doktorarbeit ist die Analyse aller bekannter Faktoren, Effekte und Zustände, welche auf das elektronische Verhalten einer im Silizium hochintegrierten Hallsonde Einfluss nehmen können. Die mathematische Erfassung dieser Effekte erlaubt ihre Berücksichtigung in den Gleichungen, die das physikalische Verhalten hochintegrierter Hallsonden beschreiben. Basierend auf neu hergeleiteten Verhaltensgleichungen wurde ein physikalisches SPICE Simulationsmodell entwickelt, welches höchsten Genauigkeitsansprüchen von integrierten Hallsonden genügt. Die strukturelle Bauweise ermöglicht einerseits die Realisierung von Hallsonden in Silizium; auf der anderen Seite ist sie die Quelle von unerwünschten parasitären Effekten, welche zu signifikanten Nichtlinearitäten im elektrischen Verhalten der Sonde führen und ferner die Ursache für einschränkende Kapazitäten und Leckströme ist.<br />Angepasste, aber auch neu hergeleitet Gleichungen, die alle studierten Effekte berücksichtigen, bilden den Kern eines neu entwickelten SPICE Simulationsmodells. Durch seine Verwendung können alle dominierenden Effekte schon in der Entwicklungsphase moderner Hallsensoren berücksichtigt werden und signifikant dazu beitragen, die aktuellen, aber vor allem die zukünftigen Genauigkeitsanforderungen von Hallsensoren zu erfüllen.<br />Damit alle Modellgleichungen mit präzisen physikalischen Daten parametrisiert werden können, wurden, als Bestandteil des Dissertationsprojektes ebenfalls neue Messroutinen entwickelt, mit deren Hilfe die benötigten Modellparameter hochgenau extrahiert werden können.<br />Diese benötigten neben genauen und automatisierbaren Messgeräten eine speziell für diese Zwecke entwickelte Hallsonde, welche in einem 0.7 Mükrometer BiCMOS Prozess integriert hergestellt wurde. Um die Gültigkeit des neuen Hallsonden-Modells zu maximieren, werden anhand von statistischen Daten des Herstellungsprozesses theoretische Schwankungsbreiten der wichtigsten Modellparameter abgeleitet und somit Worst Case- und Monte Carlo-Analysemethoden ermöglicht.<br />Neben strukturellen und prozesstechnischen Effekten, welche auf das elektrische Verhalten einer hochintegrierten Hallsonde Einfluss nehmen können, gibt es noch weitere Fertigungsschritte, die einen nicht zu vernachlässigbaren Beitrag zum nicht idealen Verhalten integrierter Bauelemente leisten. Dominierend hierbei sind die Gehäuse-bedingten Verspannungen, welche auf das Kristallgitter des Siliziums einwirken und auf diese Weise alle elektrischen Parameter des Bauteils beeinträchtigen. Die Änderungen im Vergleich zum nominellen Bauteil können je nach Layout des Bauteils bei manchen elektrischen Parametern bis zu 20% betragen. Bei einer Parameteränderung in dieser Grössenordnung ist die in dieser Arbeit angestrebte Genauigkeit des neuen Hallsondenmodells aus fundamentalen Gründen nicht mehr erreichbar.<br />Um die Gehäuse-bedingten Verspannungen messtechnisch erfassen zu können, kommt in dieser Arbeit ein spezieller Stresssensor zum Einsatz. Die Theorie der Stress-bedingten Effekte im Silizium gehört zu den etabliertesten Theorien der Halbleitertechnologie. Die Verfügbarkeit an Informationen zu Stresssensoren, die eine bestimmte Ausrichtung im Siliziumkristall besitzen, ist jedoch lückenhaft. Damit man das vorliegende Problem vollständig analysieren und verstehen kann, wird die Stresstheorie für das in dieser Arbeit verwendete Silizium hergeleitet und, soweit es möglich ist, mit der Literatur verglichen. Das Ziel ist es, einen verfügbaren Stresssensor für die Analyse von Gehäuse-bedingten Verspannungen optimal nutzen zu können. Der in dieser Arbeit verwendete Stresssensor ist in der Lage, die Schubspannungen sowie die Differenz der longitudinalen und transversalen Normalstresskomponenten direkt zu messen.<br />Unter Verwendung des Stresssensors und der vollständigen Stresstheorie wird es möglich sein, die in das Silizium induzierten Verspannungen von jedem Prozessschritt zu ermitteln, der während des Verpackens von Hallsensoren durchgeführt wird. Darüber hinaus wird der Stresssensor in zwei verschiedene Gehäusetypen verpackt, um die daraus resultierenden unterschiedlichen Stresseinflüsse studieren zu können.<br />Mit dem Studium des Gehäusetyp-abhängigen Stresses ist die zu untersuchende Stressproblematik jedoch nur zum Teil verstanden. Wird ein Plastikgehäuse der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt, ist es in der Lage, diese Feuchtigkeit zu einem bestimmten Teil zu speichern. Dabei dehnt sich das Gehäuse aus und induziert über Kontaktflächen weitere Verspannungen in das Kristallgitter, die sich wiederum in veränderten Parametern jedes elektrischen Bauteils bemerkbar machen. Für die Untersuchung von feuchtigkeitsbedingten Verspannungen wird ebenfalls der Stresssensor, verpackt in einem produktnahen Gehäuse, verwendet.<br />Um die Ursachen der Gehäuseverspannungen und ihrer Grössenordnung im Detail verstehen zu können, wurden umfangreiche Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulationen in Auftrag gegeben. Mit den Simulationsergebnissen wurden zuallererst die Messdaten des Stresssensors verifiziert. Das dadurch erworbene tiefere Verständnis erlaubt es, Gehäusemodifikationen am FEM-Modell durchzuführen und die Gehäuseparameter im erlaubten Rahmen zu variieren, mit dem Ziel, einen Gehäusetyp zu entwickeln, welcher deutlich weniger Stress in das Siliziumkristall induziert als aktuelle Gehäusetypen. Das vielversprechendste Ergebnis wird zu Versuchszwecken technisch realisiert. Die dabei erzielte Stressreduktion wird sowohl mit dem Stresssensor als auch mit der in dieser Arbeit verwendeten Hallsonde verifiziert.

The topic of this Ph.D. thesis is the analysis of all possible factors, effects, and operational states which can affect the electrical behavior of Hall devices. The device under investigation used in this Ph.D. project is integrated in a semiconductor BiCMOS process. The mathematical description of the studied effects allows later their consideration in the set of physical equations which describe the electrical behavior of integrated Hall devices. Based on modified and newly derived equations, a physical simulation model will be newly developed which fulfills highest accuracy requirements.<br />On the one hand, the chosen design allows to integrate Hall devices in a silicon semiconductor technology. On the other hand, this design is the origin of unwanted parasitic effects. They lead to non-linearities in the electrical device characteristics and to parasitic capacitances and leakage currents, which limit the device performance. After modifying the well-known physical Hall device equations and deriving additionally new equations for the mathematical description of all non-linearities, the full set of equations will be used to build the core of a newly developed Hall simulation model. This model allows to consider all parasitic effects during the design phase of new Hall sensors and helps significantly to fulfill their nowadays, and especially future, accuracy requirements, which are constantly increasing.<br />To set up the new model with precise physical data, new extraction methods have been developed as a further part of this Ph.D. project.<br />They require highly accurate equipment, which can be operated automatically by a PC, as well as a specially designed Hall device realized in a 0.7 micron BiCMOS technology. To maximize the usefulness of the newly developed Hall device model, statistics of the technology parameters will be taken into account. Based of these data, the deviation of the major parameters of the new Hall model have been derived theoretically and implemented in a Worst Case and Monte Carlo analysis method. Layout and technology related impacts, which take effect on the electrical behavior of an integrated Hall device, are not the only impact that must be taken into account. The assembly procedure is another error source for limiting the device performance that must not be neglected. Each single assembly step induces stress into the silicon crystal lattice. This leads to shifts of nearly every electrical device parameter. Compared to an unstressed device, parameters can reach relative changes up to 20%, depending on the layout of the device and parameter. Of course, with performance shifts of this order of magnitude, the newly developed Hall simulation model will lose its validity.<br />The stress theory of silicon belongs to one of the well established theories in the world of semiconductors. However, information is incomplete for stress sensors having a freely selectable geometrical orientation on the silicon lattice. To understand and analyze the current problem properly, the entire stress theory was re-derived for the silicon bulk material of the Hall device used for this Ph.D.<br />investigations. The goal was to use an already available stress sensor in a most efficient way. The stress sensor chosen for this Ph.D. project is able to detect directly the off-plane shear stress component and the difference of the longitudinal and transversal in-plane stress components.<br />With the used stress sensor and the help of the derived stress theory it will be possible to determine the stress value induced by each single assembly step of Hall sensor products. Furthermore, the stress sensor was packaged in two different package types to reveal their different stress impacts.<br />However, with the package induced stress, the current stress phenomenon was only partly understood. When a plastic package is exposed to ambient humidity conditions, it soaks and stores the humidity up to a certain degree within its bulk material. During this process the package expands its volume and induces additional stress into the silicon bulk material. Hence, it again modifies the electrical device parameters of all electrical devices. For the study of the humidity induced stress, the stress sensor was used and packaged in a common package type for Hall sensors.<br />To understand the package induced stress in detail, Finite Element Method (FEM) simulations were commissioned to FEM experts. First of all, the results of the measurements done with the stress sensor were compared with the simulation data to ensure the correct FEM simulation setup. After the study of the simulation results, the package parameters were changed in the FEM simulation setup within given tolerances. The scope was to find a package modification which induces significantly less stress into the silicon bulk material. The most promising package modification was technically realized. The achieved stress reduction was verified by stress investigations using the stress sensor, as well as the Hall device used in this Ph.D. project.