【技术实现步骤摘要】
按照权利要求1的前序部分本专利技术涉及的是，一种具有能在集成电路中集成的霍耳元件的装置。 此种装置使用于，例如功率表或者电表中来测量电流iN或者形成电压/电流的乘积UN·iN。在这里UN表示供电网路的线路电压压，而iN表示由用户消耗电能的电流。假如霍耳元件求出了磁场HN的话，因为电流iN正比于由其所产生的磁场HN，所以霍耳元件可以间接地测量出电流iN。因为霍耳元件的输出电压正比于i·HN的乘积，在这里的i表示霍耳元件的馈电电流。假如霍耳元件借助于一个电阻，该电阻的馈电电流i选择为正比于网路电压UN，则霍耳元件就构成了电压/电流的乘积UN·iN，在这种情况下，霍耳元件需作为四象乘法器进行工作。因为UN和iN以及i和HN是正弦波，所以具有正值和负值。 按照权利要求1的前序部分所述和可集成的纵向霍耳元件已经由出版物“纵向霍耳效应器件R.S.Popovic，电气与电子工程师协会(IEEE)电子器件通讯，EDL-5卷第9号，84年9月，357-358页”公开。可集成的纵向霍耳元件是测量这种磁场HN的霍耳元件该磁场平行地作用于集成霍耳元件的表面。 一种按照权利要求1的前序部分所述的可水平集成的霍耳元件，已经由美国US-PS4253 107中公布。可水平集成的霍耳元件是测量磁场HN的，该磁场垂直地作用于集成霍耳元件的表面。 显然，有关霍耳元件的稳定度以及尤其是有关其长时间的稳定度在下列的出版物中仅仅作了少量的、并且仅仅是原理性的公开“霍耳效应检测器及其在全自动磁场测量系统中的应用”。著者M.W.Poole及R.P.Walker美国电气与电子工程师协会磁...
【技术保护点】
具有一个可在一个集成电路中集成的霍尔元件的装置，该霍尔元件具有２个传感器引线接触头和至少２个电流引线接触头。这些引线接触头排列在霍尔元件的表面，其特征在于：至少在霍尔元件（２２）的有源区（７）和霍尔元件（２２）的表面之间配置着一个阻挡层（１１或者１２、７），该阻挡层从上面覆盖着霍尔元件（２２）的有源区（７）。
【技术特征摘要】
CH 1985-5-22 02175/85-81的前序部分本发明涉及的是，一种具有能在集成电路中集成的霍耳元件的装置。 此种装置使用于，例如功率表或者电表中来测量电流iN或者形成电压/电流的乘积UN·iN。在这里UN表示供电网路的线路电压压，而iN表示由用户消耗电能的电流。假如霍耳元件求出了磁场HN的话，因为电流iN正比于由其所产生的磁场HN，所以霍耳元件可以间接地测量出电流iN。因为霍耳元件的输出电压正比于i·HN的乘积，在这里的i表示霍耳元件的馈电电流。假如霍耳元件借助于一个电阻，该电阻的馈电电流i选择为正比于网路电压UN，则霍耳元件就构成了电压/电流的乘积UN·iN，在这种情况下，霍耳元件需作为四象乘法器进行工作。因为UN和iN以及i和HN是正弦波，所以具有正值和负值。 按照权利要求1的前序部分所述和可集成的纵向霍耳元件已经由出版物“纵向霍耳效应器件R.S.Popovic，电气与电子工程师协会(IEEE)电子器件通讯，EDL-5卷第9号，84年9月，357-358页”公开。可集成的纵向霍耳元件是测量这种磁场HN的霍耳元件该磁场平行地作用于集成霍耳元件的表面。 一种按照权利要求1的前序部分所述的可水平集成的霍耳元件，已经由美国US-PS4253 107中公布。可水平集成的霍耳元件是测量磁场HN的，该磁场垂直地作用于集成霍耳元件的表面。 显然，有关霍耳元件的稳定度以及尤其是有关其长时间的稳定度在下列的出版物中仅仅作了少量的、并且仅仅是原理性的公开“霍耳效应检测器及其在全自动磁场测量系统中的应用”。著者M.W.Poole及R.P.Walker美国电气与电子工程师协会磁学会刊MaG-17卷第5号，81年9月，第2132页。 本发明的任务在于在采用一种工艺，即允许同时地制造可集成的霍耳元件，以及可集成的晶体三极管的工艺情况下，制造保持长时间稳定的可集成的霍尔元件。 按照本发明上述的任务，通过在权利要求1中特征部分的特征得到解决。 由从属权利要求的特征完成的其它任务是制造温度稳定的可集成霍尔元件，并且在恒定的，给定的馈电电流i时，使它的特征曲线VH＝f(B)成为线性的。在此，VH表示霍尔元件的输出电压，并且B＝μHN表示待测磁场的磁感应强度。 本发明的实施例已在附图中说明，并在下面详细地描述。 图1表示，可集成的稳定的纵向霍尔元件的俯视图，采用互补金属氧化物半导体工艺(C-MOS)。 图2表示，图1中所述的霍尔元件的垂直断面图。 图3表示，可集成的稳定的纵向霍尔元件的俯视图，采用修改了的CMOS-工艺。 图4表示，图3和图5中所描述的霍尔元件的垂直断面图。 图5表示，一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的水平断面图，采用夹层结构及修改过的CMOS-工艺。 图6表示一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的第一种变型的俯视图，采用修改过的Bi MOS-工艺。 图7表示，图6中所描述霍尔元件的垂直断面图。 图8表示一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的第二种变型的俯视图，来用修改了的Bi MOS-工艺。 图9表示，图8中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。 图10表示，双极型晶体三极管的俯视图，采用修改了的Bi MOS-工艺。 图11表示图10中所描绘的双极型晶体三极管的垂直断面图。 图12表示一种可集成的、稳定的水平霍尔元件的俯视图，采用Bi MOS-工艺。 图13表示，图12中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。 图14表示一种可集成的、稳定的水平霍尔元件的俯视图，采用修改了的Bi MOS-工艺。 图15表示，图14中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。 图16表示一种可集成的纵向霍尔元件的连接电路图，并带有5根引出线。 图17表示，具有一个霍尔元件的装置的方块图。 图18表示当给定馈电电流i时霍尔元件输出电压VH，作为被测磁感应强度B的函数的特性曲线VH＝f(B)。 图19表示，函数的非线性ε(B)的特性曲线。 图20表示，奇函数的非线性ε(B)的特性曲线。 图21表示，在图1和图2中所描绘的霍尔元件的一种改进变型的俯视图。 图22表示，图21中所描绘的霍尔元件垂直断面图。 图23表示，在图3和图4中所描绘的霍尔元件的一种改进变型的俯视图。 图24表示，图23中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。 图25表示，图21到24图中所描绘的霍尔元件的等效电路图。 在附图中所有各图的同一标号表示相同的部件。在附图中所描绘的霍尔元件全是表面器件。换句话说，它们全都处于半导体材料的表面或者直接在半导体材料表面的下面。 在图1到图15中所描绘的霍尔元件，以及晶体三极管是用硅或者用砷化镓(GaAs)材料制造的。它们通常由这两种材料之一组成多层结构。所有这些多层结构或是属于材料导电型P，或者就是相反的材料导电型N。N+和P+符号表示相应的N型或者P型材料，用杂质原子进行了强掺杂。换句话说，浓度至少具有每立方厘米接近1020个离子。相反N-和P-符号表示相应的N型和P型材料用杂质原子进行弱掺杂。 图1到图15中所描绘的霍尔元件以及晶体三极管不仅能够由P型材料，而且还能够由N型材料开始进行制造，在所属的馈电电压或者馈电电流的极性选择相应正确的情况下，它的功能是不受影响的。在附图中为了简单的缘故，假设霍尔元件总是由N型材料开始进行制造的。这一点并没有使发明主题受到限制。 在图5到图15中，为了简单的缘故引出端C1，C2，C2′，S1，S2，R和霍尔元件的SUB，以及晶体三极管的B、E和C均表示为引线。 在实际当中，它们当然有金属化的结构，这层金属化被覆盖在集成霍尔元件以及所属集成电路的表面，作为薄的导电带。 所有在附图12到附图15中所描绘的霍尔元件都具有两个电流连接头C1和C2，以及两个传感器连接头S1和S2。所有在附图1到附图9中所描绘的霍尔元件都具有3个电流连接头C1，C2′，C2″以及2个传感器连接头S1和S2。在这种情况下霍尔元件利用了电流连接头，以及传感器连接头C1，C2′，C2″，S1和S2，总共5个连接头。它们总是如附图16中所描绘的那样向外部布线。在附图17中为了简单的缘故，霍尔元件采用了4个连接头，即电流连接头C1，C2，以及传感器连接头S1和S2，这种连接头方式对4个连接头的改型布线方案并没有限制。 在所有的方案中，例如两个传感器连接头S1或者S2中，其中一个接地，而另一个传感器连接头S2或者S1构成霍尔元件的输出端。在附图中假定第一个传感器连接头S1构成霍尔元件的输出端，则第二个传感器连接头S2接地。 霍尔元件的电气接头C1，C2或者C2′，C2″，S1和S2，其每一个都具有一个引线接触点1，2，3，4以及5。 在附图1到附图9中，5个引线接触点1，2，3，4和5安排在纵向霍尔元件的表面上。引线接触点1至5都是并列地布局在近似一条直线上面。其中第一根电流引线接触点1位于中间，并且2个传感器引线接触点4和5分列在其两侧。另外两个电流引线接触点2和3对称地分列在第一个电流引线接触点1两旁，其安置近似于成一条直线。每个传感器引线接触点4或者5总是分别位于第一个电流引线接触点1和两个另外的电流引线接触点2或者3之间。 从附图12中到附图15中，所描绘的是水平霍尔元件，水平霍尔元件仅仅用2个电流连接头C1和C2代替了垂直霍尔元件的3个电流连接头C1，C2′和C2″，在这种情况下，一方面两个传感器连接头S1和S2和另一方面的2个电流连接头C1和C2相互成+字形布置。这就是说，属于传感器连接头S1及S2的引线接触点4和5中心点间的连线，与属于电流联接头C1及C2的引线接触点1和2中心点间的连线相互接近垂直(见图12及图14)。 引线接触点1到5或者1，2，4和5，不管那一种情况都具有相同小的接触面，并且都具有相同矩形的外形，而且磨去棱角使其成园形。形。霍尔元件的有源区7在基体6内，并位于5个引线接触点1到5或者4个引线接触点1，2，4和5的下面，而这些引线接触点是安置在霍尔元件的表面的。换句话说，可集成的霍尔元件具有2个传感器引线接触点4和5，以及至少2个电流引线接触点1和2，这些引线接触点均布置在霍尔元件的表面。所有引线接触点1到5及霍尔元件的有源区7，都是由与输出端材料相同导电类型的材料组成的，正如制造霍尔元件所用的原始材料那样。此外，所有的引线接触点1到5均采用杂质原子进行重掺杂。因为假定霍尔元件是由N型材料开始制造的，那么所有的电流引线接触点和传感器引线接触点1到5均由N+材料组成，而霍尔元件的有源区7是由N或者N-材料组成的。 霍尔元件的有源区7例如由一个环8在侧面围绕着，在这方面环8总是具有一个环连接头R。在任何情况下，环8都是和霍尔元件的有源区7，传感器引线接触点和电流引线接触点1到5具有相反导电类型的材料。在我们的举例中环8是由P型材料组成的。 附图1和附图2表示用CMOS-工艺来制造纵向霍尔元件的俯视图和一个垂直断面图。引线接触点1到5是在基体6的表面上安置着的，引线接触点1到5以及基体6是由同样的材料例如采用N型材料组成的。在基体6中的霍尔元件的有源区7位于5个引线接触点1到5的下面。在基体6中的有源区7被矩形的环8围绕着。这个环8布置在基体的表面，并且比引线接触点1到5的深度更深得多。如上所述环8是由和基体6相反的材料导电类型所构成的，位于基体6的表面是一层氧化层9，由SiO2-材料构成。该氧化层本身至少部分地被一层导电材料覆盖。例如用铝或者多晶硅作的控制极层10来覆盖。环8具有环连接头R，并且控制极层10具有一个控制连接头G。 除了为连接头C1，C2′，C2″，S1和S2预留的引出孔以外，霍尔元件的有源区7完全被控制极层10从上面覆盖。假如在控制极连接头G处现在有一个负电压，那么通过对在基体6表面的静电感应，围绕着连接触点1至5，就形成一个在附图中用“+”记号表征的P沟道，并且在其下面以及沿着界面，在基体6和环8之间形成一个耗尽区(耗尽层)。在图中用虚线表示的耗尽区表示一个阻挡层11，换句话说阻挡层11是通过耗尽区而形成的，该耗尽区是借助于一个电压通过静电感应产生的，此电压通过控制极连接头G加到导电的控制极层10上。控制极层10通过氧化层9与霍尔元件的表面相隔离，这样就使氧化层以及耗尽区从上面尽可能完全地覆盖霍尔元件的有源区7。 附图3和附图4表示用更改过了的CMOS-工艺制造的纵向霍尔元件的俯视图和一个垂直断面图，该纵向霍尔元件是类似地如图1和图2中所描绘的纵向霍尔元件那样构成的，仅仅在这里缺少控制极层10连同其控制极连接头G和氧化层9。为此，围绕着连接触点1到5在基体6的表面上安置了一薄层12，该层12除了在为引线接触点1到5预留的引出孔以外在基体上面完全覆盖着霍尔元件的有源区域7。该层12是和霍尔元件的有源区域7具有相反导电类型的材料，因此是由P型材料所组成的。在霍尔元件有源区域7和层12之间的交界层形成了一层阻挡层12，该阻挡层同样地几乎完全地覆盖着霍尔元件的有源区域7上面。由于在制造上更为简单的缘故，所以薄层12也将环8的上端部分也覆盖了。因为薄层12和环8均属于相同的材料导电类型，所以这样做没有什么缺点。由此从薄层12至环8以及至其环连接头R间产生了电接触，所以该薄层12本身装备有环连接头R。 在图5中描绘的纵向霍尔元件采用了修改过的CMOS-工艺，是在图3和图4中所描绘的纵向霍尔元件的一种改进方案，图4作为第2视图从属于图5，图5表示一个平行于霍尔元件表面的霍尔元件的断面，该断面紧靠在薄层12下面(见图4)。 图5和图4分别表示的是一种用夹层结构制造的、霍尔元件的一个水平的和一个垂直的断面。在图5中所描绘的霍尔元件不同于在图3中所描绘的那种霍尔元件。霍尔元件的所有电流引线接触点和传感器引线接触点1到5，在同一个方向上成长带形地排列，并且环8通过间隔片13和14被划分成三个并列相邻的内环Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，这些间隔片是近似垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的纵方向，而且所有的内环也都垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的纵方向，并且具有一个近似相同的宽度，而且这所有的内环在此纵方向上没有相互的位移，一个叠着一个地排列着，其中两个相邻的内环总是具有一个共同的间隔片13或者14。因此m个间隔片就构成(m+1)个内环。如果m＝1，那么就出现一个由2个内环组成的矩形8字。可以选择任意大小的数目为(m+1)的内环。在图5中所示的假定是三个内环Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ。因为在图5的描绘中从上往下是P型层和N型层在电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的附近相互交替排列着，所以得到了一种霍尔元件的“夹层”结构。所有的电流引线接触头和传感器引线接触头1至5必须足够的长，以便将所有被内环围绕的N型层搭桥跨接。在图5中这些N型层的厚度分别用t1，t2及t3标明。在这里t1≌t2≌t3。所有这些N型层均是并联电连接的。此种“夹层”结构具有的优点是有源区7的厚度依赖于在环连接头R上所施加的电压大小的灵敏度比采用没有间隔片的环8的霍尔元件而言，要大因数m倍。 图6和图7表示一种采用修改了的Bi MOS工艺制造的纵向霍尔元件的第一方案的俯视图和一个垂直断面图。这种霍尔元件在结构上近似于如图3和图4所描绘的霍尔元件，但所具有的重要区别是现在的环8还有一个底板15，它是由和环8本身相同的P型材料构成。由环8和底板15的联合，现在就不仅是从侧面围绕着有源区7，而且从下面看也围绕着7。此外在霍尔元件底板15和有源区7之间的界面上还出现一个埋层16，它具有和基体6相同导电类型N的材料，但是进一步用杂质原子进行了强掺杂。基体6具有一个引线接触点17，它是用杂质原子进行强掺杂了的，杂质材料是在霍尔元件表面注入基体6的，并且它与一个外连接头SUB相连接。连接触头17和基体6是属于相同导电类型N的材料。 图8和图9表示一种采用修改了的Bi MOS-工艺制造的纵向霍尔元件的第二个方案的俯视图和一个垂直断面图。此种霍尔元件其结构近似于图6及图7中所描绘的霍尔元件，区别只是在于属于环8的底板15同时用来作为霍尔元件的机械载体，这样就代替了基体6，而且，两个外部的电流引线接触点2和3延伸到与埋层16相接触，也去掉了基体6以及属于基体6的连接触头17。出于绘图简化的缘故，与图7中描绘的环8相对照，在图9中的环8是用矩形的断面来描绘的，而对其功能并没有影响。此外，这里的环8用杂质原子进行了强掺杂。 图10和11表示一种以修改过的Bi MOS工艺制造的双极型晶体三极管的俯视图和垂直剖面图。其结构涉及到基体6，环8，底板15，埋层16以及引线接触头17与图6和图7所描绘的霍尔元件完全相同。然而双极型晶体三极管只具有三根引线，即一个集电极引线C，一个发射极引线E和一个基极引线B，而不是五根引线。基极引线B是与基区池18相连接的，该基区池18和基体6不同，是具有相反导电类型的材料，也就是说由P型材料所组成。每一个集电极引线C和发射极引线E都具有一个引线接触点19或20，它们是由杂质原子强掺杂成的材料。引线接触头19安置在基体6表面上，而引线接触头20安置在基区池18的表面上。两个连接触头19和20与基体6一样是由导电类型相同的材料组成，也就是说，它们由N型材料所组成。环8从侧面环绕引线接触头19和基区池18，与它在图7中环绕引线接触头1至5完全一样。在这里不存在P型材料层12。一方面比较图6和图7，另一方面比较图10与图11，可见在这些图中描绘的元件构成是类似的，所以为了实现在图17中描绘的电路，将两种元件形式用相同的工艺装入一个单独的集成电路中是毫无疑问的。 在图1至9中所描绘的霍尔元件带有五个电流以及传感器连接头C1，C2′，C2″，S1和S2，如已经提到的那样，外部的线路布置按图16所述。一个待测量的磁场HN平行作用于含有一个霍尔元件的集成电路表面。电源电压VDD、Vss中的一个极VDD;经过电流发生器21与霍尔元件22中间电流连接头C1相连接，而电源电压VDD、Vss中的另一个极VSS经过两个电阻R1及R2接到另外两个电流连接头C2′和C2″上。(见图16)由电流发生器21供给的霍尔元件22的电源电流i在霍尔元件22内对半平分，并总是以电流 (i)/2 经过两个电阻R1和R2离开霍尔元件22的。 图12与图13表示以Bi MOS工艺制造的水平的霍尔元件的俯视图和垂直剖面图，除了引线接触头1，2，4和5的交叉排列以外，该霍尔元件的构成近似于在图1和图2中所描绘的纵向霍尔元件，但具有这样一个区别即环8具有底板15，该底板与环8一样是由相同的材料导电类型所组成的，也就是说它是由P型材料组成的。由于底板15的存在，耗尽区11现在不仅从侧面和从上面而且也从下面围绕霍尔元件的有源区域7。在图13中假定底板15用来作为整个霍尔元件的机械载体。 图14和图15表示用修改了的Bi MOS工艺制造的水平的霍尔元件的俯视图和垂直剖面图，除了引线接触头1，2，4和5的交叉排列外，该霍尔元件的构成类似于在图6和图7中描绘的纵向的霍尔元件，而该水平的霍尔元件只去掉了埋入层16。由图14和图15中可以明显地看出，如果在这里描绘的霍尔元件中将两个引线接触点4和5连同它的传感器连接头S1和S2删去，则构成了场效应晶体管，该场效应晶体管与所属的霍尔元件一样是用相同的工艺制造的。因此场效应晶体管-比如在图17中描绘的场效应晶体管32，以及霍尔元件就能用相同的工艺制造在一块单独的集成电路中。 在图17中所描绘的装置，除了霍尔元件22和电流发生器21以外，还包括调节电路24、25、26、27。在图17中假设霍尔元件22是图12至图15中所表示的霍尔元件的一种，所有这些霍尔元件除了环连接头R外，只有四个电流连接头以及传感器连接头C1、C2、S1和S2。在这种情况下，两个电流连接头C1和C2与电流发生器21的每一个极连接。如果对应地在图17中所应用的霍尔元件22是图1至图9中所描绘的霍尔元件中的一个，这些霍尔元件除了环连接头R外还都具有五个电流连接头以及传感器连接头C1、C2′、C2″、S1和S2，那么正如前所述，应用了图16中所描绘的霍尔元件的电路。在这两种情况下，将两个传感器连接头之一，比如传感器第二个连接头S2接地，而另外的传感器第一个连接头S1就形成了霍尔元件222的输出端S1。 只是当采用图1和2或图12和13中所描绘的霍尔元件之一时，还存在具有控制层10的控制极连接头G。在这些情况下把控制极连接头G加上给定的电压。在所有情况下，也就是说当应用图1至9或图12至15中所描绘的霍尔元件之一时，环连接头R是霍尔元件22的控制输入端M。在所有情况下，至少在有源区7和霍尔元件22的表面之间安置了一个阻挡层11或12、7，并如前所述它从上面完全覆盖了霍尔元件22的有源区7。 阻挡层11或者12、7使霍尔元件22的有源区7绝缘并完全得到保护，因此由氧化硅组成的绝缘层的存在是多余的，该绝缘层与霍尔元件22的有源区7直接接触。因而在这样的氧化硅绝缘层中总是含有的可变的载流子数就不复存在了，去除了该可变载流子数就去除了对霍尔元件22的持续稳定性的不良影响。图1、2、12和13中所描绘的二氧化硅氧化层9仅有一个次要的功能，并没有与霍尔元件22的有源区7直接连接，而是由阻挡层11从这个有源区7中隔离开。阻挡层11或12、7在各个方向围绕霍尔元件22的有源区7越完全，则它的保护作用就越强。此外就取决于它的深度了。尽管有可能存在着干扰的影响，例如变化着的温度影响，这个深度应该总是恒...
【专利技术属性】
技术研发人员：波波维克拉迪沃耶，
申请(专利权)人：兰迪斯吉尔楚格股份公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]
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