一种三维磁矢敏感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种ＭＯＳ型硅半导体三维磁矢敏感器及其制造方法，属于微电子学和半导体集成传感器领域。该敏感器有温度稳定性好、工作电压范围宽、输入阻抗高、灵敏度高等优点，且能与其他ＭＯＳ或双极型器件集成于同一芯片，制成带信号处理电路的高性能敏感器，适于在自动监控、电子测量和磁场空间分布探测等方面作磁敏探头。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种MOS型硅半导体三维磁矢敏感器及其制造方法，属于微电子学和半导体集成传感器领域。近几年来，由于磁体材料或其他磁源的磁力线空间分布测量、地磁测量、和制造接近式开关、无触点角位置编码器之类测量仪器等的需要，出现了一些能探测磁感应强度 的三维磁矢分量( X、 Y、 Z)的三维磁矢敏感器。已有的三维磁矢敏感器仅有两种结构其一是S。Kordic等提出的双极型NPN-三维磁敏晶体管，见S。Kordie，“Integrated 3D Magnetic Sensor Based on an n-p-n Transistor”，IEEE EDL.，VOl.EDL-7，No.3，March 1986，p 196～198和S.Kordic and Pcter J.A.Munter，“Three-Dimensional Magnetic-Field Sensor”，IEEE Transactions on Electron Devices，VOl.35，No.6，June 1988，p771～779。这种磁敏晶体管对 Y的相对灵敏度SRY为最大，达2%/T。它的三个方向的灵敏度比为SXX∶SYY∶SZZ＝8∶15∶1。它的主要缺点是交叉灵敏度SZY比较大，且与SZZ相近;工作电压范围窄，约在5伏左右;输入阻抗低。其二是K.Maenaka提出的霍尔板型的两个垂直的和一个横向的霍尔单元(Hall cell)组合结构，见K.Maenaka，“Integrated Magnetic Sensors Detecting x，y，and z components of the Magnetic Field”，Transducers′87，Digest ofTechnical Papers of the 4th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，p 523～526。它的主要缺点是空间分辨率差，约为100×100×17μm3。此外，上述两种三维磁矢敏感器的共同缺点是性能会随温度明显变动，温度稳定性较差。本专利技术的目的是提供一种MOS型硅半导体三维磁矢敏感器，它是在材料为高阻P型(100)硅单晶抛光片的衬底12上集成有一个能探测垂直于芯片表面的磁矢分量 Z的横向双扩散LDMOS(Lateral Double Diffused MOS)管和两个能探测平行于芯片表面的磁矢分量 X、 Y的纵向双扩散VDMOS(Vertical Double Diffused MOS)管，这些管的源区和薄栅氧层11是公共的，LDMOS管采用一对(DZ、DZ′)或两对(DZ1、DZ1′和DZ1、DZ2′)双漏极结构。它有三个方向的灵敏度比较为均匀、空间分辨率高和工作电压宽等优点。本专利技术的另一个目的是提供该三维磁矢敏感器的制造方法，该法有与其他MOS或双极型器件的制造方法相容的特点。 附图说明图1是本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器芯片的设计平面图，其中1是X轴-漏极DX′;2是Z轴-漏极DZ2′;3是公共栅极G;4是Y轴-漏极DY′;5是Z轴-漏极DZ2;6是X轴-漏极DX;7是Z轴-漏极DZ1;8是Y轴-漏极DY;9是Z轴-漏极DZ1′;10是公共源极S;AA′为纵向剖面线。图2是本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器芯片在图1的AA′处的纵向剖面图，其中11是薄栅氧层;12是衬底。图3是本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器的静态特性曲线，即当外加磁场B＝OT和VDS＝15V时，总漏电流IDT与三维漏电流IDX、IDY和IDZ的关系曲线。图4是本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器的动态特性曲线，即当沿X、Y、和Z轴方向分别加有强度相等的磁场(B＝50mT)，VDS＝15V时，总漏电流IDT与三维漏电流增量△IXX、△IYY、和△IZZ的关系曲线。图5是本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器的主要制造工艺流程图。本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器的工作原理是，在探测垂直于芯片表面的磁矢分量 Z的横向双扩散LDMOS管中，由公共源极10出发的电子流沿着与芯片表面平行的方向流入分离的双漏极Z轴-漏极DZ17、Z轴-漏极DZ1′9。当被测磁矢分量 Z≠0时，电子流受到洛仑兹力的作用，使两个漏极收集到的电流不等，即IDZ1≠IDZ1′。在一定的磁感应强度范围内，Z轴-漏电流增量△IZZ(＝IDZ1-IDZ1′)与被测磁矢分量 Z成正比。见图4，在探测平行于芯片表面的磁矢分量 X、 Y的纵向双扩散VDMOS管中，有两对相互垂直的漏极X轴-漏极DX6、X轴-漏极DX′1和Y轴-漏极DY8、Y轴-漏极DY′4，由公共源极10出发的电子流，流经沟道后，改进近似与芯片表面垂直的方向朝芯片下方流动，通过外延硅层后，分别抵达芯片下方各自的埋层，经各自的深N+区，被上述两对漏极收集。见图2，在平行于芯片表面的被测磁矢分量 X和 Y的作用下，IDX≠IDX′;IDY≠IDY′。同样地，在一定的磁感应强度范围内，X轴-漏电流增量△IXX和Y轴-漏电流增量△IYY分别与被测磁矢分量 X和 Y成正比。见图4。在图3中，IDX、IDY和IDZ分别指X、Y和Z-轴-对漏极的漏电流之和，总漏电流IDT显然为X、Y和Z一轴漏电流IDX、IDY、IDZ之和，即IDT＝IDX+IDY+IDZ。如Z一轴有两对漏极DZ1、DZ1′和DZ2、DZ2′，上式便可改写为，IDT＝IDX+IDY+IDZ1+IDZ2。在图4中，X、Y和Z一轴灵敏度SXX、SYY和SZZ分别为△IXX/BX、△IYY/BY和△IZZ/BZ。又，X、Y和Z一轴相对灵敏度SRX、SRY和SRZ分别为(△IXX)/(IDX) /BX、 (△IYY)/(IDY) /BY和 (△IZZ)/(IDZ) /BZ，其中BX＝BY＝BZ＝50mT。所以，利用图4可直接算出SXX、SYY和SZZ;结合图3可算出SRX、SRY和SRZ。本MOS型硅半导体三维磁矢敏感器的制造方法是第一步把作为衬底12的、厚度和电阻率分别为300～350μm和9～12Ω·cm的高阻P型(100)硅单晶抛光片放入高温炉，进行N+埋层氧化，其条件为温度1180℃，时间150分钟，分三段进行a)15分钟(炉内通入干氧)，b)120分钟(炉内改通湿氧)，c)15分钟(炉内恢复通入干氧); 接着，进行N+埋层光刻;再进行锑埋层予扩散，其条件温度1200℃，时间60分钟(炉内通入氮气); 最后进行锑再分布，其条件为温度1200℃，时间155分钟，分两段进行a)135分钟(炉内通入氮气)，b)20分钟(炉内通入湿氧); 合格芯片的锑扩方块电阻为20～25Ω/口。第二步气相外延生长，形成掺磷外延硅层，其条件为温度1180℃，时间15～16分钟，生长速率1μm/min.; 掺磷外延硅层的厚度为15～16μm，合格芯片的外延硅层的电阻率为4～5Ω·cm。第三步先进行P+浓硼隔离氧化，其条件为温度1180℃，时间100分钟，分三段进行，a)10分钟(炉内通入干氧)，b)80分钟(炉内改通湿氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维磁矢敏感器，其特征是，在材料为高阻Ｐ型（１００）硅单晶抛光片的衬底１２上集成有一个能探测垂直于芯片表面的磁矢分量＊的横向比折散ＬＤＭＯＳ管和两个能探测平行于芯片表面的磁矢分量＊、＊的纵向双扩散ＶＤＭＯＳ管，这些管的源区和薄栅氧层１１是公共的，ＬＤＭＯＳ管采用一对（Ｄｚ、Ｄｚ’）或两对（Ｄｚ１、ＤＺ１’和Ｄｚ２、Ｄｚ２’）双漏极结构。

【技术特征摘要】
1.一种三维磁矢敏感器，其特征是，在材料为高阻P型(100)硅单晶抛光片的衬底12上集成有一个能探测垂直于芯片表面的磁矢分量Z的横向双扩散LDMOS管和两个能探测平行于芯片表面的磁矢分量X、Y的纵向双扩散VDMOS管，这些管的源区和薄栅氧层11是公共的，LDMOS管采用一对(DZ、DZ′)或两对(DZ1、DZ1′和DZ2、DZ2′)双漏极结构。2.根据权利要求1所述的三维磁矢敏感器，其特征是，对磁矢分量Y的相对灵敏度SRY≥6%/T，三个方向的灵敏度比约为SYX∶SZZ∶SXX＝4∶1.5∶1，空间分辨率为10×16×32.5μm3。3.根据权利要求1所述的三维磁矢敏感器，其特征是，作为衬底12的高阻P型(100)硅单晶抛光片的厚度为300～350μm，电阻率为9～12Ω·cm。4.根据权利要求1所述的三维磁矢敏感器，其制造方法包括(1)在衬底12为P型(100)硅单晶抛光片上进行N+埋层予氧化后，进行埋层光刻、锑埋层予扩散及锑再分布;(2)气相外延生长，形成掺磷外延硅层;(3)P+浓硼隔离氧化后，进行隔离光刻、浓硼予扩散和浓硼再分布;(4)光刻出深N+区后，进行深磷予扩散和深磷再分布;(5)光刻出LDMOS和VDMOS管的源、沟道区;接着，通过同一源区窗口，先后注入砷离子和硼离子后进行砷、硼再分布;形成LDMOS和VDMOS管的源、沟道区;(6)光刻出LDMOS和VDMOS管的漏区后，进行磷予扩散和磷再分布;(7)光刻出LDMOS和VDMOS管的栅区后，形成薄栅氧层11;(8)光刻出引线孔;(9)蒸铝后进行光刻和热处理，使引线孔处的铝与硅形成铝-硅合金;(10)芯片测试，划片，对合格的芯片进行烧结。键压，封装。5.根据权利要求4所述的三维磁矢敏感器的制造方法，其特征是，N+埋层予氧化的条件为温度 1180℃时间 150分钟，分三段进行，a)15分钟(炉内通入干氧)，b)120分钟(炉内改通湿氧)，c)15分钟(炉内恢复通入干氧);N+埋层扩散的条件为温度 1200℃，时间 60分钟(炉内通入氮气);锑再分布的条件为温度 1200℃，时间 155分钟，分两段进行a)135分钟(炉内通入氮气)，b)20分钟(炉内通入湿氧);合格芯片的锑扩方块电阻为20～25Ω/口。6.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖宗声，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]