霍尔元件制造技术

霍尔元件，其集成于一个衬底上，能够通过切换旋转电流的旋转开关消除偏移且能够同时检测水平方向磁场和垂直方向磁场，具有4次旋转轴，并由以下部分构成：由P型的硅构成的P型半导体衬底层(100)、设于所述P型半导体衬底层上的垂直磁场检测N型杂质区域(110)；以及围着所述垂直磁场检测N型杂质区域对称地配置的8个水平磁场检测N型杂质区域(120、121)。

【技术实现步骤摘要】
霍尔元件
本专利技术涉及半导体霍尔元件，尤其涉及检测垂直方向及水平方向的磁场且能够消除偏移电压的霍尔元件。
技术介绍
霍尔元件由于能够以非接触方式进行位置检测和角度检测，因此被用作磁传感器。首先，对霍尔元件的磁检测原理进行说明。当施加与物质中流过的电流垂直的磁场时，在与该电流和磁场双方垂直的方向上产生电场(霍尔电压)。图5是用于对理想情况下的霍尔效应的原理进行说明的图。在考虑理想的霍尔元件时，当设霍尔元件磁感应部1的宽度为W、长度为L、电子迁移率为μ、用于使电流流过的电源2的施加电压为Vdd、施加磁场为B时，从电压表3输出的霍尔电压VH可以表述为VH＝μB(W/L)Vdd。与施加磁场B成比例的系数为磁灵敏度，因此该霍尔元件的磁灵敏度Kh表述为Kh＝μ(W/L)Vdd。作为这样的霍尔元件，已知有检测与衬底(晶片)表面垂直的磁场成分的横型霍尔元件以及检测与衬底(晶片)表面水平的磁场成分的纵型霍尔元件。在检测垂直方向磁场和水平方向磁场双方的情况下，大多通过在同一衬底(晶片)上分别形成横型霍尔元件和纵型霍尔元件来实现。另一方面，关于实际的霍尔元件，即使没有被施加磁场时，也产生输出电压。将在该磁场为0时输出的电压称为偏移电压。产生偏移电压的原因可以认为是由于从外部对元件施加的机械应力、以及制造过程中的错位等元件内部的电位分布的不均衡而导致的。在实际的应用中，为了能够将偏移电压视为0，需要进行补偿。作为补偿偏移电压的方法，以横型霍尔元件的情况为例进行说明。图6是示出基于旋转电流(spinning-current)的偏移消除电路的原理的电路图。霍尔元件10为对称的形状，具有4个端子T1、T2、T3、T4，使控制电流流向一对输入端子，从另一对输出端子取得输出电压。在霍尔元件的一方的一对端子T1、T2为控制电流输入端子的情况下，另一方的一对端子T3、T4成为霍尔电压输出端子。此时，当对输入端子施加电压Vin时，在输出端子产生输出电压Vh+Vos。其中，Vh表示与霍尔元件的磁场成比例的霍尔电压，Vos表示偏移电压。接着，在将T3、T4作为控制电流输入端子、T1、T2作为霍尔电压输出端子、并对T3、T4间施加输入电压Vin时，在输出端子产生电压－Vh+Vos。S1～S4是传感器端子切换单元，通过切换信号发生器11选择端子N1或者N2。通过对以上的在两个方向流过电流时的输出电压进行相减，可消除偏移电压Vos，得到与磁场成比例的输出电压2Vh(例如，参照专利文献1)。此外，关于纵型霍尔元件的偏移电压，通过在两个方向以上流过电流、并且进行多个霍尔元件的输出的运算，能够消除偏移电压(例如，参照专利文献2)。专利文献1：日本特开平06－186103号公报专利文献2：日本特开2007－212435号公报
技术实现思路
为了检测与衬底(晶片)表面垂直的磁场成分(Z方向)和与衬底表面水平的磁场成分(X、Y方向)，需要在同一衬底上制作横型霍尔元件和纵型霍尔元件，因此芯片尺寸变大。此外，由于利用各自分开的霍尔元件来检测垂直磁场和水平磁场，因此以各个霍尔元件为中心进行测量。因此，由于是在不同位置检测出的磁场成分，因此丧失准确性。而且，为了补偿检测水平磁场的纵型霍尔元件的偏移电压，需要配置多个纵型霍尔元件，因此存在芯片尺寸进一步增大、导致成本增加等难点。本专利技术的目的在于，提供一种一体化的霍尔元件，其能够利用切换旋转电流的旋转开关(spinningswitch)进行偏移消除，并且能够同时检测水平方向磁场和垂直方向磁场。为了解决上述课题，本专利技术采取以下的结构。首先，在构成为利用霍尔效应检测垂直磁场和水平磁场且降低偏移电压的霍尔元件中，其特征在于，具有：由P型的硅构成的P型半导体衬底层、设置在所述P型半导体衬底层上的垂直磁场检测N型杂质区域、和配置为围着所述垂直磁场检测N型杂质区域的8个水平磁场检测N型杂质区域。此外，霍尔元件的特征在于，所述垂直磁场检测N型杂质区域具有：正方形或十字形的垂直磁场感应部，其具有4次旋转(rotationsymmetry-4)轴；以及同一形状的表面N型高浓度杂质区域，其配置在所述垂直磁场感应部的各个顶点及端部，成为垂直磁场检测控制电流输入端子及垂直磁场霍尔电压输出端子。此外，霍尔元件的特征在于，在所述8个水平磁场检测N型杂质区域中，配置在所述垂直磁场检测N型杂质区域的左右(X方向上)的4个水平磁场检测N型杂质区域检测水平磁场成分中的X方向成分，配置在所述垂直磁场检测N型杂质区域的上下(Y方向上)的4个水平磁场检测N型杂质区域检测水平磁场成分中的Y方向成分。此外，霍尔元件的特征在于，所述8个水平磁场检测N型杂质区域全部为相同形状，且具有：相对于配置在垂直磁场检测N型杂质区域的各顶点和端部的同一形状的表面N型高浓度杂质区域，位于左右(X)方向轴及上下(Y)方向轴上的、作为表面N型高浓度杂质区域的水平方向磁场检测控制电流输入端子；嵌入所述表面N型高浓度杂质区域的控制电流输入端子的衬底方向下部(Z方向)的嵌入N型高浓度杂质区域；夹在所述表面N型高浓度杂质区域的控制电流输入端子和所述嵌入N型高浓度杂质区域之间的水平磁场感应部；以及隔着所述N型高浓度杂质区域的控制电流输入端子、配置在上下(Y)方向及左右(X)方向上的两个作为表面N型高浓度杂质区域的水平磁场霍尔电压输出端子。此外，霍尔元件的特征在于，垂直磁场检测表面N型高浓度杂质区域还兼备水平磁场检测控制电流输入端子的作用。此外，霍尔元件的特征在于，作为垂直磁场检测控制电流输入端子和垂直磁场霍尔电压输出端子的垂直磁场检测表面N型高浓度杂质区域形成得较深，作为水平磁场检测控制电流输入端子的水平磁场检测表面N型高浓度杂质区域形成得较浅，作为水平磁场霍尔电压输出端子的表面N型高浓度杂质区域形成得比所述水平磁场检测控制电流输入端子的表面N型高浓度杂质区域深。通过使用所述手段，能够同时检测与衬底(晶片)表面垂直的磁场成分和与其水平的磁场成分且能够通过旋转电流等消除偏移电压。并且，并非分别配置垂直磁场检测用横型霍尔元件和水平磁场成分检测用纵型霍尔元件，而是能够通过成为一体的霍尔元件对双方的磁场进行检测且能够消除偏移电压，因此能够减小芯片尺寸、抑制成本。附图说明图1是本专利技术的一个实施方式的霍尔元件的俯视图。图2是本专利技术的图1的A－A截面的纵向结构图。图3是本专利技术的图1的B－B截面的纵向结构图。图4是本专利技术的另一实施方式的霍尔元件的俯视图。图5是用于对理想情况下的霍尔效应的原理进行说明的图。图6是用于说明利用旋转电流消除偏移电压的方法的图。标号说明10：霍尔元件；110：垂直磁场检测N型杂质浓度区域；120、120A、120B、120C、120D：水平(Y方向)磁场检测N型杂质浓度区域；121、121A、121B、121C、120D：水平(X方向)磁场检测N型杂质浓度区域；130、130A、130B、130C、130D：垂直磁场检测表面N型高浓度杂质区域；140、140A、140B、140C、140D：水平磁场检测(Y方向)表面N型高浓度杂质区域；141、141A、141B、141C、141D：水平磁场检测(X方向)表面N型高浓度杂质区域；150：水平磁场检测表面N型高浓度杂质区域；160、16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种霍尔元件，其构成为利用霍尔效应检测垂直磁场和水平磁场并降低偏移电压，该霍尔元件的特征在于，具有：由P型的硅构成的P型半导体衬底层；设置在所述P型半导体衬底层上的垂直磁场检测N型杂质区域；以及配置成围着所述垂直磁场检测N型杂质区域的8个水平磁场检测N型杂质区域。

【技术特征摘要】
2015.01.20 JP 2015-0088851.一种霍尔元件，其构成为利用霍尔效应检测垂直磁场和水平磁场并降低偏移电压，该霍尔元件的特征在于，具有：由P型的硅构成的P型半导体衬底层；设置在所述P型半导体衬底层上的垂直磁场检测N型杂质区域；以及配置成围着所述垂直磁场检测N型杂质区域的8个水平磁场检测N型杂质区域，所述垂直磁场检测N型杂质区域具有：正方形或十字形的垂直磁场感应部，其具有4次旋转轴；以及同一形状的第1表面N型高浓度杂质区域，其配置在所述垂直磁场感应部的各个顶点或端部，成为垂直磁场检测控制电流输入端子及垂直磁场霍尔电压输出端子，所述8个水平磁场检测N型杂质区域全部为相同形状，且具有：相对于所述第1表面N型高浓度杂质区域配置在左右方向轴即X方向轴及上下方向轴即Y方向轴上的、作为第2表面N型高浓度杂质区域的水平方向磁场检测控制电流输入端子；成为所述水平方向磁场检测控制电流输入端子的衬底方向下部、即Z方向上的配置在所述半导体衬底层内的嵌入N型高浓度杂质区域；夹在所述水平方向磁场检测控制电流输入端子和所述嵌入N型高浓度杂质区域之间的水平磁场感应部；以及隔着所述水平方向磁场检测控制电流输入端子，配置在上下方向即Y方向及左右方向即X方向上的两个作为第3表面N型高浓度杂质区域的水平磁场霍尔电压输出端子。2.根据权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述8个水平磁场检测N型杂质区域具有：配置在所述垂直磁场检测N型杂质区域的左右即X方向，检测水平磁场成分中的X方向成分的4个水平磁场检测N型杂质区域；以及配置在所述垂直磁场检测N型杂质区域的上下即Y方向，检测水平磁场成分中的Y方向成分的4个水平磁场检...

【专利技术属性】
技术研发人员：飞冈孝明，海老原美香，
申请(专利权)人：精工半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP