CN101750591B - 垂直霍尔传感器 - Google Patents

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Abstract

一种垂直霍尔传感器，被集成在半导体芯片(6)中，具有沿着直线(10)布置在半导体芯片(6)的表面上的至少6个电接点(9)。电接点(9)被根据预定的规则布线，即使得当通过从两个最外面接点之一(9.1)开始连续地且重复地用数字1、2、3和4将接点(9)编号时，被赋予同一数字的接点(9)相互电连接。

Description

垂直霍尔传感器
技术领域
本发明涉及集成在半导体芯片中的垂直霍尔传感器。
背景技术
此类垂直霍尔传感器是对平行于半导体芯片的表面延伸的磁场敏感的磁场传感器。霍尔传感器通常包含嵌入p掺杂衬底中的n掺杂阱或嵌入n掺杂衬底中的p掺杂阱。所述阱通常包括沿着直线布置并设置在衬底的表面上的四个或五个接点。四个接点中的两个或三个是用来允许电流流过霍尔传感器的电流接点，且另外两个接点是用来分接沿在垂直于电流的方向延伸和垂直于半导体芯片的表面延伸的磁场产生的霍尔电压的电压接点。
最常用的霍尔传感器包括四个接点或五个接点，或至多六个接点，并且根据包括专利文献在内的文献可以充分了解。
在垂直霍尔传感器的开发过程中最困难的任务之一是而且仍然是以传感器信号的所谓偏移尽可能低的方式确定接点的位置和尺寸，所述偏移是在没有磁场的情况下出现在电压接点之间的电压。嵌入衬底中的阱越薄，此任务将变得越困难。此阱代表对磁场敏感的霍尔传感器的区域，具有几微米的非常薄的电流深度，并且随着晶体管的小型化进程而变得越来越薄。因此，在每一代的IC技术中，需要重新解决这一问题。
为了减小霍尔传感器的偏移，已知两种标准方法，首先是至少两个霍尔传感器的正交耦合，第一霍尔传感器的接点相对于第二霍尔传感器的接点“电学地移位90°”，其次是“自旋电流法”，其中霍尔传感器的电流和电压接点以循环的方式交换。正交耦合也称为并联。这些方法可从例如由Dr.R.S.Popovic，Adam Hilger等人所著的ISBN 0-7503-0096-5，“Hall Effect Devices Magnetic Sensors andCharacterization of Semiconductors”书中和Enrico Schurig所著的EPFL Thesis No.3134(2004)中了解。这两种方法同时申请可从WO03/036733了解。
发明内容
本发明是基于开发偏移量尽可能低的垂直霍尔传感器的目的。
集成在半导体芯片中的垂直霍尔传感器包括嵌入第二导电类型的导电区域中的第一导电类型的导电阱和沿着直线布置在所述导电阱的表面上的电接点。接点的数目n为至少n＝6。根据本发明，当通过从两个最外面的接点之一开始连续并重复地用数字1、2、3和4来将接点编号时，被赋予相同数字的接点被相互电连接。
从两个最外接点之间的中间开始，接点之间的距离逐个接点地增加，例如以预定因数或以恒定值或以两者的组合(也就是以预定因数的乘积并加上恒定值)来增加。
此外，从最外面的接点之间的中间开始，接点的长度可以逐个接点地增大。
垂直霍尔传感器优选地包括被配置为根据自旋电流法来操作垂直霍尔传感器的电子电路。垂直霍尔传感器和电子电路优选地被集成在同一半导体芯片中。
附图说明
被包括进来并构成本说明书的一部分的附图示意地示出本发明的一个或多个实施例，并连同详细说明一起用于解释本发明的原理和实施方式。附图不一定按比例。在附图中：图1、2以顶视图和侧视图示出依照本发明的垂直霍尔传感器，图3～6示出依照本发明的垂直霍尔传感器的其它实施例，以及图7示出垂直霍尔传感器和用于根据自旋电流法操作垂直霍尔传感器的电子电路。
具体实施方式
图1和2以顶视图和侧视图示出垂直霍尔传感器，该传感器被集成在半导体芯片6中。所述垂直霍尔传感器包括被嵌入第二导电类型的导电区域中的第一导电类型的导电阱7，且数目为n的接点9.1～9.n与阱7接触。为了简化起见，将全部的接点9.1～9.n指定为接点9。虽然接点9的数目n可以是最少n＝6并取任意值n≥6，其有利地在近似n＝16～32的范围内。阱7优选地包括n掺杂半导体材料和p掺杂半导体材料的区域8。阱7因此通过pn结而与区域8电隔离。n个接点9被沿着直线10布置。阱7、尤其是接点9被设置在可用于布线的半导体芯片6的表面上。接点9通常是第一导电类型的高掺杂区域，其通常具有与阱7相同的宽度。但是，它们还可以略宽或略窄。霍尔传感器对平行于半导体芯片6且垂直于直线10延伸的磁场敏感，并因此属于垂直霍尔传感器的种类。半导体芯片6还包括形成用于霍尔传感器的操作的电子电路的多个集成电子元件(未示出)。
接点9以使得它们形成与电流相连的四个端子A、B、C和D的方式根据规则电学地相互连接，所述四个端子中的两个被用作电流端子以便向霍尔传感器供应电流，所述四个端子中的另外两个被用作电压端子以便分接霍尔电压。用于连接接点9的规则如下：当通过用四个数字1、2、3和4以连续的方式并重复地将从两个最外面接点9.1或9.n之一(为了简化起见使用接点9.1)起的接点9编号时，与同一数字相关联的接点9相互电连接。可以借助于如下取模函数(mod)以算术方式表示此分配：数字(接点9.n)＝[(n-1)mod 4]+1      (1)，即接点9.n与数字[(n-1)mod 4]+1相关联，因为0 mod 4＝0、1mod4＝1、2mod4＝2、3mod4＝3，4mod4＝0、5mod4＝1、6mod4＝2等等。
在图1中的顶部示出数字1、2、3和4到接点9.1～9.6的分配。在图1中的底部示出各布线。
根据涉及其距离的进一步规则，沿着直线10布置接点9：接点9之间的距离可以是恒定的，但优选以下方式：从最外面接点9.1和9.n之间的中间开始，相邻接点9之间的距离逐个接点地增加。增加可以根据不同的规则而发生，将介绍其中的三种规则。
如果接点9的数目n是偶数，则数量A确定中间的两个接点9.(n/2)和9.(n/2+1)之间的距离。如果接点9的数目是奇数，则数量A确定中间的接点9.(n/2+1/2)与相邻接点9.(n/2-1/2)之间的距离以及中间的接点9.(n/2+1/2)与相邻接点9.(n/2+3/2)之间的距离，其具有相同的尺寸。规则1
从中间的唯一接点(当n是奇数时)或中间的两个接点(当n是偶数时)开始，相邻接点之间的距离沿着朝向最外面接点9.1和9.n的方向逐个接点地增加恒定值K。此规则在图1中针对n＝6示出。中间的两个接点9.3和9.4之间的距离是A。两个接点9.2和9.3之间的距离和两个接点9.4和9.5之间的距离是A+K。两个接点9.1和9.2之间的距离和两个接点9.5和9.6之间的距离是A+2＊K。规则2
从中间的唯一接点(当n是奇数时)或中间的两个接点(当n是偶数时)开始，相邻接点之间的距离沿着朝向最外面接点9.1和9.n的方向逐个接点地以恒定因数L增加。针对n＝6得到如下：中间的两个接点9.3和9.4之间的距离是A。两个接点9.2和9.3之间的距离和两个接点9.4和9.4之间的距离是L＊A。两个接点9.1和9.2之间的距离和两个接点9.5和9.6之间的距离是L＊(L＊A)＝L2＊A。规则3
从中间的唯一接点(当n是奇数时)或中间的两个接点(当n是偶数时)开始，相邻接点之间的距离首先沿着朝向最外面接点9.1和9.n的方向逐个接点地以恒定因数L增加，并将其与恒定值K相加。以下是针对n＝6得到：中间的两个接点9.3和9.4之间的距离是A。两个接点9.2和9.3之间的距离和两个接点9.4和9.5之间的距离是L＊A+K。两个接点9.1和9.2之间的距离和两个接点9.5和9.6之间的距离是L＊(L＊A+K)+K。
图3～6示出全部具有相同配置但在某些特征方面相互不同的其它实施例。这些图示出阱7、垂直霍尔传感器的中间区域、以及由虚线示出的当存在用实线示出的更多接点9时系统如何发展。每个接点9根据上述规则(1)与数字1、2、3或4相关联。与同一数字相关联的接点9相互电连接并被引导至四个接线A、B、C或D之一。
图3～5的示例中的共同方面是所有的接点9具有同一长度L。
图3示出其中接点9之间的距离具有恒定值的垂直霍尔传感器。附图还示出具有两个最外面接点9.1和9.n的垂直霍尔传感器的两个末端区域。接点9的数目n可以具有n≥6的任何期望值，值n是偶数或奇数。在本示例中，数字1与最外面左侧接点9.1相关联且数字2与最外面右侧接点9.n相关联。将与这些接点9.1或9.n相关联的数字取决于值n。在图3所示的情况下，最外面左侧接点9.1必须与被赋予数字1的那些接点9相连，且最外面右侧接点9.n必须与被赋予数字2的那些接点相连。
图4示出其中中间两个接点被布置为相互间隔预定距离并且其中从中间开始接点9之间的距离沿着朝向两末端区域的方向逐个接点地增加的垂直霍尔传感器。接点的数目n优选地是偶数。中间的两个接点用附图标记9.(h+3)和9.(h+4)来表示。数字h仅仅是占位符，但是取决于接点9的数目n。
图5示出其中在中间布置单个接点且其中从所述中间接点开始接点9之间的距离沿着朝向两末端区域的方向逐个接点地增加的垂直霍尔传感器。接点的数目优选地是奇数。中间节点用附图标记9.(h+4)来表示。
图6示出类似于图5所示的垂直霍尔传感器但不同之处在于接点9.(h+4)的长度从中间接点9开始以递增的距离增加的垂直霍尔传感器。
如果接点的数目n是奇数，则接点9优选地相对于唯一的中间接点对称地布置在阱7中。如果接点的数目n是偶数，则接点9优选地相对于两个中间接点对称地布置在阱7中。
优选地用自旋电流法来操作依照本发明的垂直霍尔传感器，在自旋电流法中电流和电压接点分两个或四个阶段以循环方式交换。从文献中可充分了解所述自旋电流法并且在例如被明确地参考并通过引用结合的Sensors and Actuators A21-A23(1990)743-746中的由P J A Munter所著的论文“A low-offset spinning-current Hallplate”中以及在WO 03/036733中有所描述。图7示出根据本发明的具有通过导电体与能够用自旋电流法来操作霍尔传感器11的电子电路12相连的四个端子A、B、C和D的垂直霍尔传感器11。电子电路12包括电流源13、伏特计13、复用器15和其它(未示出)电路块。复用器15用于根据预定自旋电流方案以循环的方式将四个端子A、B、C和D中的两个与电流源13的两个端子相连并将四个端子A、B、C和D中的其余两个与伏特表4的两个端子相连。霍尔传感器11和电子电路12优选地被集成在同一半导体芯片中。
虽然已示出并描述了本发明的实施例和应用，但对于通过本公开内容而受益的本领域的技术人员来说显而易见的是在不脱离本文的发明构思的情况下可以有比如上所述更多的修改。因此，本发明不受除所附权利要求书及其等价物之外的限制。

Claims (7)

1.一种被集成在半导体芯片(6)中的垂直霍尔传感器，包括被嵌入第二导电类型的导电区域(8)中的第一导电类型的导电阱(7)、以及沿着直线(10)布置在导电阱(7)的表面上的电接点(9)，其特征在于，电接点(9)的数目n是至少n=6，并且当通过从两个最外面电接点之一(9.1)开始连续地并重复地用数字1、2、3和4来对电接点(9)编号时，被赋予相同数字的电接点(9)被相互电连接。
2.根据权利要求1所述的垂直霍尔传感器，还包括被配置为根据自旋电流法来操作所述垂直霍尔传感器的电子电路(12)。
3.根据权利要求1所述的垂直霍尔传感器，其特征在于从两个最外面电接点(9.1、9.n)之间的中间开始，电接点(9)之间的距离逐个电接点地增加。
4.根据权利要求3所述的垂直霍尔传感器，其特征在于所述距离以预定的因数增加。
5.根据权利要求3所述的垂直霍尔传感器，其特征在于所述距离以恒定值增加。
6.根据权利要求3所述的垂直霍尔传感器，其特征在于所述距离以预定因数增加并向其加上恒定值。
7.根据权利要求1～6中的任何一项所述的垂直霍尔传感器，其特征在于从两个最外面电接点(9.1、9.n)之间的中间开始，电接点的长度逐个电接点地增加。
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