Process and test flow optimization of a monolithic hall sensor IC

The Hall effect has been known for over one hundred years, but has only been put to noticeable use in the last three decades. The first practical application (outside of laboratory experiments) was in the 1950s as a microwave power sensor. Today, Hall effect devices are included in many products, ranging from computers to sewing machines, automobiles to aircraft, and machine tools to medical equipment. The Hall effect is an ideal sensing technology. The Hall element is constructed from a thin sheet of conductive material with output connections perpendicular to the direction of current flow. When subjected to a magnetic field, it responds with an output voltage proportional to the magnetic field strength. The voltage output is very small (μV) and requires additional electronics to achieve useful voltage levels. When the Hall element is combined with the associated electronics, it forms a Hall effect sensor. Although the Hall effect sensor is a magnetic field sensor, it can be used as the principle component in many other types of sensing devices (current, temperature, pressure, position, etc.). Hall effect sensors can be applied in many types of sensing devices. If the quantity (parameter) to be sensed incorporates or can incorporate a magnetic field, a Hall sensor will perform the task. The reasons for using a particular technology or sensor vary according to the application. Cost, performance and availability are always considerations. The features and benefits of a given technology are factors that should be weighed along with the specific requirements of the application in making this decision. General features of Hall effect based sensing devices are: • True solid state • Long life (30 billion operations in a continuing keyboard module test program) • High speed operation - over 100 kHz possible • Operates with stationary input (zero speed) • No moving parts • Logic compatible input and output Abstract 1 2 Abstract • Broad temperature range (-40 to +150°C) • Highly repeatable operation With the mass production of semiconductors, it became feasible to use the Hall effect in high volume products; that’s the principal business of Melexis, which is a microelectronic integrated systems manufacturer specialized in Hall effect position sensors IC. The project focuses on the optimization of a monolithic IC based on planar Hall-effect sensor with high precision IMC (Integrated Magneto-Concentrator) from a measure, test and circuit perspective. The device is called MLX90316, developed with 0.35μm technology, is the most produced by Melexis (tens of millions per year). Currently Melexis is producing a new version called MLX90365, which is able to sense the three components of the flux density applied to the IC, i.e. BX, BY and BZ (Figure 0.2), while the MLX90316 is only sensitive to the rotary flux density coplanar with the IC surface; the project also ranges over this new ‘three-dimensional’ version, which will be discussed on Section ‘MLX90365’. The planar sensitivity is obtained through the Integrated Magneto-Concentrator (IMC) which is deposited on the CMOS die as an additional back-end step. This allows the MLX90316 with the correct magnetic circuit to decode the absolute rotary (angular) position from 0 to 360Degrees (Figure 0.1). It measures the projection of the magnetic field B from the magnet on the two orthogonal axes X and Y to obtain the sine and cosine of the rotation angle. The angle is calculated from these two values without dead angles and without discontinuities over 360°. It enables the design of novel generation of non-contacting rotary position sensors that are frequently required for both automotive and industrial applications. In combination with the appropriate signal processing, the magnetic flux density of a small magnet rotating above the IC can be measured in a non-contacting way, i.e. without using ferromagnetic clamps attached to the sensor. The angular information is computed from both vector components of the flux density (i.e. BX and BY). The MLX90316 produces an output signal proportional to the decoded angle. The work aims to improve the performance of the IC and maximize the production yield. Some first examples treated in the project are the decrease of offset, sensitivity mismatch (between different axis) and angular error, as well as the optimization of analysis and test on both wafer (die state) and assembled IC (e.g. estimation and test of an empirical formula which can estimate the test results performed at high temperature, for parameters like Offset, just using the test results at room and cold temperature). Abstract 3 The thesis will be divided as follows: - Overview of Melexis technology, with process, test, tools and control methods; - Introduction to the Hall effect rotary position sensation IC: MLX90316; - Analysis and optimization of MLX90316 for a test flow perspective at Final Test; - Description, failure analysis and improvement of MLX90365 process flow.

L’effetto Hall è stato scoperto più di 100 anni fa, ma è stato impiegato in modo considerevole solo negli ultimi tre decenni. La prima applicazione pratica (esclusi gli esperimenti in laboratorio) è stata nel 1950 con un sensore di potenza a microonde. Oggi, i dispositivi ad effetto Hall sono integrati in molti prodotti, che vanno dai computer alle macchine da cucire, dalle automobili agli aerei, e nelle macchine utensili per attrezzature mediche. L’effetto Hall è una tecnologia di rilevamento ideale. L’elemento Hall è costituito da un foglio sottile di materiale conduttivo con collegamenti in uscita perpendicolari alla direzione del flusso di corrente. Quando sottoposto ad un campo magnetico, risponde con una tensione di uscita proporzionale alla forza del campo. La tensione in uscita è molto piccola (dell’ordine dei mV) e richiede un’elettronica aggiuntiva per poter ottenere utili livelli di tensione. Quando l’elemento Hall viene combinato all’elettronica associata, forma un sensore ad effetto Hall. Sebbene il sensore ad effetto Hall sia un sensore di campo magnetico, può essere utilizzato come componente principale in molti altri tipi di dispositivi di rilevamento (corrente, temperatura, pressione, posizione, ecc). I sensori ad effetto Hall possono essere applicati in molti dispositivi di rilevamento. Se la quantità (parametro) da rilevare incorpora o può incorporare un campo magnetico, un sensore a effetto Hall sarà on grado di effettuare la misura. Le ragioni per usare una particolare tecnologia o sensore variano a seconda dell’applicazione; e costi, prestazioni e disponibilità sono comunque parametri da considerare. Le caratteristiche e benefici di una data tecnologia sono fattori che devono essere pesati assieme ai requisiti specifici dell’applicazione. Generali caratteristiche di un dispositivo di rilevamento ad effetto Hall sono: • True solid state • Lungo ciclo di vita • Funzionamento ad alta velocità - più di 100 kHz se possibile • Funzionalità con ingresso costante (velocità nulla) • Compatibilità logia per input e output • Ampia gamma di temperature (da -40 a + 150 ° C) • Funzionamento ad alta ripetibilità Con la produzione di massa di semiconduttori, è diventato fattibile utilizzare l’effetto Hall per prodotti ad alto volume; questo è il business principale di Melexis, che è un produttore di sistemi di microelettronica integrata specializzata in IC Introduzione viii ad effetto Hall. Il progetto si concentra sulla ottimizzazione di un circuito integrato monolitico basato su un sensore planare ad effetto Hall ad alta precisione con IMC integrato (Integrated Magneto-Concentrator) da una prospettiva di misura, performance e circuitale. Il dispositivo si chiama MLX90316, sviluppato con tecnologia 0.35μm, ed è il più prodotto da Melexis (decine di milioni all’anno). Attualmente Melexis produce anche una nuova versione chiamata MLX90365, che è in grado di percepire le tre componenti della densità di flusso magnetico applicata al IC, cioè BX, BY e BZ (Figura 0.2), mentre l’MLX90316 è sensibile solo al componente rotatoria della densità di flusso complanare alla superficie dell’IC; il progetto sarà incentrato anche su questo sensore ‘tridimensionale’, che verrà discusso sulla sezione ‘MLX90365’. La sensibilità planare si ottiene attraverso l’Integrated Magneto-Concentrator (IMC) che si deposita sul die CMOS come passo aggiuntivo di back-end. Questo permette al MLX90316 di decodificare la posizione assoluta di rotazione angolare (da 0 a 360°, Figura 0.1). Esso misura la proiezione del campo magnetico B dal magnete sui due assi ortogonali X e Y per ottenere il seno e coseno dell’angolo di rotazione. L’angolo viene calcolato da questi due valori senza angoli morti e senza discontinuità oltre 360°. Esso consente la progettazione di sensori “contactless” di posizione-rotazione di nuova generazione che sono spesso necessari per applicazioni automotive e industriali. La densità di flusso magnetico di un piccolo magnete rotante sopra l’IC può essere misurato senza alcun contatto, cioè senza morsetti ferromagnetici collegati al sensore. L’informazione angolare è calcolata su entrambe le componenti vettoriali della densità di flusso (cioè BX e BY). Il MLX90316 produce un segnale di uscita proporzionale alla decodifica angolare. Questo lavoro mira a migliorare le prestazioni dell’IC e massimizzare la resa produzione. Alcuni primi esempi trattati nel progetto sono la diminuzione dell’occorrenza di offset, mismatch di sensibilità (tra i diversi assi) e l’errore angolare, nonché la ottimizzazione di analisi e di test sia su wafer (die state) che sull’IC (ad esempio la misura tramite una formula empirica che può stimare i risultati del test eseguito ad alta temperatura, per i parametri come Offset, utilizzando il i risultati dei test a temperatura ambiente e bassa temperatura). La tesi si articolerà come segue: • Panoramica della tecnologia utilizzata in Melexis, con processo, test, metodi e strumenti di controllo; • Introduzione all’IC ad effetto Hall: MLX90316; • Analisi e ottimizzazione del MLX90316 da una prospettiva flusso di test durante il Test finale; • Descrizione, analisi dei difetti e miglioramento dei processi di produzione-test del MLX90365.