垂直霍尔器件制造技术

一种垂直霍尔器件(1)，具有深N阱(NW)、在深N阱(NW)的表面设置并且沿着直对称线(8)布置的两个内部接触(5、6)、两个外部接触(4、7)，以及可选地，中心接触(12)。根据本发明专利技术将垂直霍尔器件(1)设计成使得外部接触(4、7)的有效宽度大于内部接触(5、6)的有效宽度。可以在内部接触(5、6)之间或者在每个内部接触(5、6)与中心接触(12)之间布置浅高掺杂P+带。这些措施有助于平衡描述垂直霍尔器件的电特性的惠斯通电桥的电阻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过集成电路的IC(集成电路)工艺(例如CMOS工艺)制造的垂直霍尔器件。
技术介绍
霍尔效应器件或者简称霍尔器件(其还被称为霍尔元件或者霍尔传感器)是将以磁场矢量测量的分量转换成电压的器件。霍尔器件是当前最常用的磁传感器。他们作为独立器件和包括霍尔器件、电流源、放大器以及其他信号调节电子电路的组合的集成电路两者都是市场上可以买到的。在RSPopovic所著的题为“霍尔效应器件”的书(InstituteofPhysicsPublishing,BristolandPhiladelphia2004)中描述了霍尔器件的工作原理和基本工艺。简言之，存在两类霍尔器件，其被称为水平霍尔器件和垂直霍尔器件。水平霍尔器件具有平板的形式，其通常平行于有源芯片表面布置，并且对垂直于有源芯片表面运行的磁场敏感。垂直霍尔器件通常不具有平板式几何形状，但其表现地如同相对于有源芯片表面垂直地布置的平板，并且对平行于有源芯片表面运行的磁场敏感。图1和图2分别示出了现有技术的垂直霍尔器件1的横截面和平面图。为了避免混淆，使用了下面的惯例。在所有示出垂直霍尔器件的平面图的附图中，彼此正交定向的x轴和y轴被用于指示测量“长度”或“宽度”的方向。诸如图2中的L的任何沿x轴的距离将被称为长度；而诸如图2中的W的任何沿y轴的距离将被称为宽度。这个惯例将独立地应用在正在考虑中的结构的长度和宽度的比值上。采用IC(集成电路)工艺制造垂直霍尔器件1。垂直霍尔器件1具有被植入到P型区域3中的N型区域2，P型区域3可以是P型衬底。沿直线8布置的四个重掺杂N+区域被置于N阱NW的表面并且形成电接触4-7。N阱NW具有深度dNW，N+接触具有深度d+。垂直霍尔器件1具有长度L和宽度W。垂直霍尔器件1的两个不相邻的接触被用作输入端子而另外两个不相邻的接触被用作输出端子。例如，接触4和6可以被用作输入端子而接触5和7可以被用作输出端子，或者相反。在霍尔器件1的接触4到7之间的电阻R1、R2、R3和R4可以由图3中所示的惠斯通电桥表示。作为专利技术的一部分，电阻R2被认为是由两个电阻R2'和R2”组成，并且R2＝R2'||R2”。经由输入端子将恒定电流Iin或恒定电压Vin供应给霍尔器件1。如果霍尔器件1暴露于具有垂直于有效器件平面的分量的磁场，那么霍尔效应的电动势在输出端子之间作用。输出端子之间呈现的电压Vout被称为霍尔器件1的输出电压。霍尔器件的输出电压由以下表达式给出：Vout＝Voff+SI×Iin×B，或者Vout＝Voff+SV×Vin×B(1)其中Voff表示偏移电压，SI表示电流相关灵敏度，B表示垂直于有效器件平面的磁场分量，而Sv表示电压相关灵敏度。为了适合作为磁场传感器的实际应用，霍尔器件应具有如下主要特性：a)低偏移，例如在硅集成霍尔器件中，偏移电压Voff应为：Voff<0.01×Vin。b)方便的公共输出电压电平：输出端子的电压Vout,1和Vout,2应在输入电压Vin的大约中点：Vout,1≈1/2Vin和Vout,2≈1/2Vin。c)输入和输出端子的可交换性：霍尔器件特性，包括：当接触4和6被用作输入端子而接触5和7被用作输出端子时以及当接触5和7被用作输入端子而接触4和6被用作输出端子时，偏移电压的绝对值、输出电压的公共电平、输入和输出电阻以及磁灵敏度应基本保持相等。霍尔器件的输入端子和输出端子的可交换性是用于减少霍尔器件的偏移电压的技术(被称为旋转电流技术)的应用的前提条件。d)高磁灵敏度：趋于以低供给电压操作现代传感器系统；因此，霍尔器件的最相关灵敏度品质因数通常是SV，而不是SI。例如，针对硅集成霍尔器件，电压相关磁灵敏度SV应为：SV>0.03V/VT(伏特每伏特和特斯拉)。e)低频闪烁噪声(同样被称为1/f噪声)：例如，在Vin为1V的霍尔器件供电电压Vin处，闪烁噪声的转折频率fc应为fc<10kHz(噪声谱密度的1/f部分等于热噪声)。如果四个电阻R1、R2、R3和R4大约相等，则将满足需要求a)到c)。电压相关磁灵敏度(要求d)是用于霍尔器件的材料的特性以及其几何形状的复杂函数。但粗略的说，如果电阻R1、R2、R3和R4具有相等的值并且是“短”的，则要求d)容易满足。此处，“短”是指电阻器的长度不大于其横截面的均方根。闪烁噪声(要求e)主要取决于用于霍尔器件的材料的质量以及其表面的质量和保护。理论上，任何二维(平面)水平霍尔器件可以通过被称为保角映射的数学技术转换成垂直霍尔器件。但实际中，接触的所计算的尺寸几乎不可能满足。因此，当设计集成垂直霍尔器件时，同时满足所有的要求a)到e)是一个严峻的挑战。在四-接触垂直霍尔器件的所有已知设计中，两个外部接触4和7之间的电阻远大于两个内部接触5和6之间的电阻，即R4>>R2，如图1中可以看出地。这种不相等产生了等于输入电压的一半的偏移电压。电阻R2和R4之间的较大的差异是由于实际CMOS工艺的各种限制，主要是以下两方面的限制：(i)相对于垂直霍尔器件的长度L而言小的N阱NW的深度dNW(通常dnw/L<<1)。通过保角映射可以示出：内部接触5和6的标称尺寸将非常小，甚至低于实际CMOS工艺的限制。(ii)与内部接触5和6之间的小距离l2相比N+接触区域的实际深度d+。该事实的结果是电阻R2由并联连接的两个电阻R2'和R2”组成，R2'表示针对在内部接触5和6的两个N+区域的侧壁之间、非常接近并平行于器件表面流过的电流的电阻R2'，以及R2”表示针对在两个内部接触5和6之间、在器件表面以下的正常深度流过的电流的电阻。并联连接的电阻R2'和R2”的电阻R2小于“正常”R2”的电阻，这使得R2和R4不相等的问题更加严重。同样在以CMOS工艺实现的五-接触垂直霍尔器件中存在类似问题。现有技术的描述在第4782375号美国专利中首次描述了垂直霍尔器件。该器件具有沿一条线布置的五个接触，他们中最外部的两个被短路。在适当地设计的情况下，五-接触垂直霍尔器件可以满足要求a)、d)和e)，但采用已知的五-接触结构很难满足要求b)和c)。在第5057890号美国专利中公开的四-接触垂直霍尔器件固有地满足可交换性要求c)。但当通过使用IC工艺实现时，四-接触垂直霍尔器件通常具有很大的偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直霍尔器件，具有深N阱(NW)、在所述深N阱(NW)的表面设置且沿着直对称线(8)布置的两个内部接触(5、6)和两个外部接触(4、7)，其中所述两个内部接触(5、6)具有相同的长度和相同的有效宽度并且所述两个外部接触(4、7)具有相同的长度和相同的有效宽度，其中长度是沿所述直对称线(8)测量的并且宽度是垂直于所述直对称线(8)测量的，并且其中所述接触相对于中心对称平面(9)被对称地布置，并且其中所述外部接触(4、7)的有效宽度大于所述内部接触(5、6)的有效宽度。

【技术特征摘要】
2014.07.11 EP 14176835.81.一种垂直霍尔器件，具有深N阱(NW)、在所述深N阱(NW)
的表面设置且沿着直对称线(8)布置的两个内部接触(5、6)和两个外
部接触(4、7)，其中所述两个内部接触(5、6)具有相同的长度和相同
的有效宽度并且所述两个外部接触(4、7)具有相同的长度和相同的有
效宽度，其中长度是沿所述直对称线(8)测量的并且宽度是垂直于所述
直对称线(8)测量的，并且其中所述接触相对于中心对称平面(9)被
对称地布置，并且其中所述外部接触(4、7)的有效宽度大于所述内部
接触(5、6)的有效宽度。
2.根据权利要求1所述的垂直霍尔器件，其中P+带(10)被布置在
所述内部接触(5、6)之间并且其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨沙·迪米特里耶维奇，拉迪沃耶·波波维奇，
申请(专利权)人：塞尼斯公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH