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MOS-Stress-Sensor

IP.com Disclosure Number: IPCOM000129018D
Published in the IP.com Journal: Volume 5 Issue 10A (2005-10-25)
Included in the Prior Art Database: 2005-Oct-25
Document File: 3 page(s) / 152K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Um den Einfluss mechanischer Beanspruchung (im folgenden „Stress“ genannt) auf integrierte Schaltungen (IC, Integrated Circuit) zu reduzieren, ist es zunaechst erforderlich, den mechanischen Stress messtechnisch erfassen zu koennen. Die hauptsaechliche Schwierigkeit dabei ergibt sich sowohl bei der Messung der Summe der Normalspannungskomponenten in der Chipoberflaeche als auch bei der Eliminierung des Temperatureinflusses auf das Messergebnis. Zudem hat die Summe der Normalspannungskomponenten einen Einfluss auf die Drift der magnetischen Empfindlichkeit eines integrierten Hallsondensystems, so dass ein weiteres Anliegen in Zusammenhang mit dieser Problematik darin besteht, die Langzeitstabilitaet der magnetischen Empfindlichkeit von Hallsonden-ASICs (Application Specific Integrated Circuit) zu verbessern. Bisher bekannt ist u. a. ein Verfahren (siehe [1]), bei welchem die Differenz der Normalspannungen gemessen wird. Hierbei sind zwei MOS (Metal Oxide Semiconductor) Transistoren als Stromspiegel verschaltet und in der Art angeordnet, dass die Fliessrichtung des Stromes orthogonal bezueglich der Kristallachsen ist. Werden PMOS Transistoren verwendet, so ist das Verhaeltnis von Ausgangsstrom und Eingangsstrom eine Funktion der Differenz der Normalspannungen, waehrend sich bei NMOS Transistoren eine Funktion der Schubspannungen in der Chipoberflaeche ergibt. Diese Methode hat den Vorteil, dass die Messung nur sehr schwach durch die Temperatur (T) beeinflusst wird, und zwar ueber die Temperaturabhaengigkeit der Piezo-resisitiven Koeffizienten PI11, PI12, PI44 fuer n- und p-dotiertes Silizium.

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S

MOS-Stress-Sensor

Idee: Dr. Udo Ausserlechner, AT-Villach

Um den Einfluss mechanischer Beanspruchung (im folgenden "Stress" genannt) auf integrierte Schaltungen (IC, Integrated Circuit) zu reduzieren, ist es zunaechst erforderlich, den mechanischen Stress messtechnisch erfassen zu koennen. Die hauptsaechliche Schwierigkeit dabei ergibt sich sowohl bei der Messung der Summe der Normalspannungskomponenten in der Chipoberflaeche als auch bei der Eliminierung des Temperatureinflusses auf das Messergebnis. Zudem hat die Summe der Normalspannungskomponenten einen Einfluss auf die Drift der magnetischen Empfindlichkeit eines integrierten Hallsondensystems, so dass ein weiteres Anliegen in Zusammenhang mit dieser Problematik darin besteht, die Langzeitstabilitaet der magnetischen Empfindlichkeit von Hallsonden- ASICs (Application Specific Integrated Circuit) zu verbessern.

Bisher bekannt ist u. a. ein Verfahren (siehe [1]), bei welchem die Differenz der Normalspannungen gemessen wird. Hierbei sind zwei MOS (Metal Oxide Semiconductor) Transistoren als Stromspiegel verschaltet und in der Art angeordnet, dass die Fliessrichtung des Stromes orthogonal bezueglich der Kristallachsen ist. Werden PMOS Transistoren verwendet, so ist das Verhaeltnis von Ausgangsstrom und Eingangsstrom eine Funktion der Differenz der Normalspannungen, waehrend sich bei NMOS Transistoren eine Funktion der Schubspannungen in der Chipoberflaeche ergibt. Diese Methode hat den Vorteil, dass die Messung nur sehr schwach durch die Temperatur (T) beeinflusst wird, und zwar ueber die Temperaturabhaengigkeit der Piezo-resisitiven Koeffizienten PI11, PI12, PI44 fuer n- und p- dotiertes Silizium.

Die folgende Idee sieht die Erweiterung dieses Prinzips vor, so dass, anstelle der Messung der Differenz, die Messung der Summe der Normalspannungen in der Chipoberflaeche moeglich ist. Der Temperatureinfluss wird auch hier kompensiert. Die beiden MOS Transistoren der Stromspiegelschaltung werden auf die gleiche Weise angeordnet wie in [1], jedoch werden der Drain des Eingangstransistors sowie der des Ausgangstransistors vom Gate getrennt. An das Gate wird eine Spannung angelegt, die:

* unabhaengig vom mechanischen Stress ist

* eine geeignete T-Abhaengigkeit hat, so dass bei nicht vorhandenem mechanischem Stress der Drainstrom der beiden MOS Transistoren T-unabhaengig wird.

Ein Problem in der praktischen Anwendung sind die starken Technologiestreuungen, welche Einfluss auf die Eigenschaften der MOS Transistoren haben. Legt man beispielsweise eine exakt definierte Spannung an die Gate-Source Strecke, der aus einem Los stammenden MOS Transistoren, kann das dazu fuehren, dass die Anordnung im weak-inversion Bereich arbeitet, waehrend dieselbe Anordnung mit Transistoren aus einem anderen Los bei der gleichen Temperatur bereits im strong-inversion Bereich arbeitet. Dabei zeigen die Transistoren ein sehr unterschiedliches Verhalten, insbesondere auch unterschiedliche Reaktionen auf mechani...