CN102313563B

CN102313563B - 霍尔传感器

Info

Publication number: CN102313563B
Application number: CN201110197634.7A
Authority: CN
Inventors: 飞冈孝明; 近江俊彦
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102313563A; TWI504031B; US20120001280A1; US8427140B2; JP2012032383A; TW201216538A; KR20120003818A; JP5679906B2; KR101755698B1

Abstract

本发明提供能够不增加芯片尺寸且以高灵敏度去除偏置电压的霍尔元件。霍尔元件具有十字形状的霍尔元件敏感部，在四个凸部前端中央部配置有霍尔电压输出端子，在各凸部侧面有与霍尔电压输出端子独立配置的控制电流输入端子。此时减小霍尔电压输出端子宽度，增大控制电流输入端子宽度。

Description

霍尔传感器

技术领域

本发明涉及半导体霍尔元件，且特别涉及高灵敏度且能够去除偏置(offset)电压的霍尔传感器。

背景技术

首先，对霍尔元件的磁检测原理进行说明。对物质中流过的电流施加垂直的磁场，则在与该电流和磁场双方均垂直的方向上产生电场(霍尔电压)。

考虑图2那样的霍尔元件，以感应磁场而产生霍尔电压的霍尔元件敏感部1的宽度为W、长度为L、电子迁移率为μ、用于产生电流的电源2的施加电压为Vdd、施加磁场为B时，从电压计3输出的霍尔电压VH表述为：

VH＝μB(W/L)Vdd；

该霍尔元件的磁灵敏度Kh表述为：

Kh＝μ(W/L)Vdd。

根据此关系式可知，使霍尔元件具有高灵敏度的方法之一为增大W/L比。

另一方面，实际的霍尔元件中，即使是在没有施加磁场的情况下，也会产生输出电压。将此磁场为0时输出的电压称为偏置电压。认为产生偏置电压的原因为，从外部施加给元件的机械应力或制造过程中的失准等引起的元件内部的电位分布不均衡所致。

以抵消等方式补偿偏置电压，使之成为应用上没问题的大小时，一般按照以下方法进行。

其中之一是图3所示那样的利用旋转电流(spinning current)的偏置消除电路。

由于霍尔元件敏感部10为对称形状，具有一对输入端子中流过控制电流、从另一对输出端子得到输出电压的4个端子T1、T2、T3、T4。霍尔元件敏感部的一方的一对端子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为霍尔电压输出端子。此时，在输入端子施加电压Vin，则输出端子产生输出电压Vh+Vos。此处Vh表示与霍尔元件的磁场成比例的霍尔电压，Vos表示偏置电压。接着，以T3、T4为控制电流输入端子，T1、T2为霍尔电压输出端子，在T3、T4之间施加输入电压Vin，则输出端子产生电压-Vh+Vos。将以上的在两个方向流过电流时得到的输出电压相减，从而消除偏置电压Vos，能够得到与磁场成比例的输出电压2Vh。(例如，参考专利文献1)

第二种方法是将相同形状的两个霍尔元件串联连接，霍尔元件敏感部以互相正交的方向接近配置，从而去除由应力产生的电压不均衡。(例如，参考专利文献2)

专利文献1：日本特开平06-186103号公报

专利文献2：日本特开昭62-208683号公报

发明内容

但是，专利文献1的方法中，输入到霍尔元件敏感部的2个方向的电流和输出的霍尔电压必须相同才能利用旋转电流来去除偏置电压，所以元件形状必须是对称形，4个端子也必须是相同形状。从而，不能增大W/L，所以存在不能够提高霍尔元件的灵敏度的课题。

此外，专利文献2的方法中，W/L可决定为任意值，所以能实现高灵敏度。然而，由于使用多个霍尔元件，所以存在与芯片尺寸变大、成本上升相关的课题。

而且，在有些情况下，仅利用旋转电流来去除偏置电压是不能够去除偏置电压的。以下说明其理由。

霍尔元件以图4所示的等效电路表述。霍尔元件表述为4个端子用4个电阻R1、R2、R3、R4来连接的桥式电路。在霍尔元件为对称形状的情况下，4个电阻R1、R2、R3、R4的电阻值相同。但是，实际上由于应力或制造上的加工精度等而有所不同。利用如上所述的将2个方向电流流过时的输出电压相减来消除偏置电压。

考虑施加磁场为0的情况。霍尔元件的一对端子T1、T2上施加电压Vin，则另一对端子T3、T4之间输出霍尔电压Vouta＝(R2*R4-R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)*Vin。另一方面，在端子T3、T4上施加电压Vin，则T1、T2上输出霍尔电压Voutb＝(R1*R3-R2*R4)/(R3+R4)/(R1+R2)*Vin。2个方向的输出电压之差，即偏置电压为Vos＝Vouta-Voutb＝(R1-R3)*(R2-R4)*(R2*R4-R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)/(R3+R4)/(R1+R2)*Vin。此处，在右边的分母(R1-R3)*(R2-R4)*(R2*R4-R1*R3)＝0的条件下能够去除偏置电压。从而，在各个等效电路的电阻R1、R2、R3、R4不同的情况下也能够消除偏置电压。然而，根据电流施加方向，电阻R1、R2、R3、R4的值不同的情况下，即，在霍尔元件的一对端子T1、T2施加电压Vin的情况下以及在端子T3、T4施加电压Vin的情况下，4个电阻R1、R2、R3、R4的值不同时，偏置电压Vos因上述的等式不成立而无法消除。

图5是普通的霍尔元件的截面图。成为霍尔元件敏感部的N型杂质区102的周边部由用于分离的P型杂质区包围。在霍尔电流施加端子上施加电压，则在霍尔元件敏感部与其周边部的边界，耗尽层扩大。由于耗尽层中没有霍尔电流流过，所以耗尽层扩大的区域中抑制霍尔电流而增加电阻。此外，耗尽层宽度依赖于施加电压。因此，根据电压施加方向，图4所示的等效电路的电阻R1、R2、R3、R4的值变化，所以偏置消除电路不能消除磁偏置。

为解决上述课题，本发明由以下方式构成。

本发明的特征在于，霍尔元件敏感部的控制电流输入端子与霍尔电压输出端子单独配置。

本发明的特征在于，霍尔元件的形状具有十字形状的霍尔元件敏感部，其端部有霍尔电压输出端子，且十字侧面具有控制电流输入端子。

本发明的特征在于，所配置的端子的形状为控制电流输入端子在十字侧面取为大的宽度，且霍尔电压输出端子在端部取为小的宽度。

然后，本发明的特征在于，霍尔电压输出端子间隔大，控制电流输入端子间隔小。

此外，其特征在于，利用旋转电流能够去除偏置电压。

而且为了能利用旋转电流去除偏置电压，本发明的特征在于，包括：在P型半导体衬底表面形成的由N型杂质区构成的霍尔元件敏感部；以包围N型杂质区的侧面与底面的方式形成的由N型低浓度杂质区构成的耗尽层抑制区；以及在N型杂质区的端部设置的由N型高浓度杂质区构成的控制电流输入端子。

本发明的特征在于，作为耗尽层抑制区的N型低浓度杂质区比磁敏感部的N型杂质区更深、浓度更低。

通过使用以上方式，能够利用旋转电流去除偏置电压。此外，通过单独配置控制电流输入端子与霍尔电压输出端子，能够增大输入端子宽度、减小输出端子宽度。此外，能够增大霍尔电压输出端子间隔(W)、减小控制电流输入端子间隔(L)。据此，能够增大霍尔元件的灵敏度。而且能以1个霍尔元件去除偏置电压，能够提供小芯片尺寸的高灵敏度的霍尔传感器。

附图说明

图1是表示本发明的霍尔元件的构成的图。

图2是用于对理想的霍尔效应的原理进行说明的图。

图3是用于说明利用旋转电流的偏置电压去除方法的图。

图4是表示用于说明霍尔元件的偏置电压的等效电路的图。

图5是表示普通的霍尔元件的截面构造的图。

图6是表示能够利用旋转电流去除偏置电压的霍尔元件的截面构造的图。

具体实施方式

图1是表示本发明的霍尔元件的实施例的构成的平面图。本实施例的霍尔元件在有4重旋转轴的十字形状的霍尔元件敏感部100的4个凸部前端中央部具有长方形的霍尔电压输出端子111、112、113、114以及在各个凸部侧边中央部附近具有长方形的控制电流输入端子121、122、123、124。此处，由于沿着侧边的一条直线上并列配置的控制电流输入端子彼此以金属布线相连接而成为相同电位，所以2个为一对。全部为四对。

即，本实施例中，与霍尔元件相连接的端子中，霍尔电压输出端子和控制电流输入端子是独立的配置。在现有的方法中，霍尔电压输出端子和控制电流输入端子的责任由同一端子兼有，所以为去除偏置电压，不能够结合其功能对各自的形状进行变化。一并具有此两种责任的端子必须全部为同一形状。

然而，本发明中，由于霍尔电压输出端子和控制电流输入端子是独立的配置，这两种端子的形状能够独立的决定。为去除偏置电压，霍尔电压输出端子111、112、113、114为同一形状，控制电流输入端子121、122、123、124为同一形状。

然后，本实施例中，减小霍尔电压输出端子与霍尔元件敏感部相连接的长度即霍尔电压输出端子宽度，增大控制电流输入端子与霍尔元件敏感部相连接的端子的一个端子长度即控制电流输入端子宽度。具体而言优选霍尔电压输出端子宽度与控制电流输入端子宽度的比例为从1∶2到1∶20的范围内。通过增大控制电流输入端子的宽度，能够提高霍尔元件敏感部100内流过的电流的均匀性。此外，由于霍尔电压输出端子是导体，其附近会成为相同电位状态，所以会无法得到霍尔效应。因此，通过减小霍尔电压输出端子宽度，抑制霍尔灵敏度的下降。

此外，本发明中，对于霍尔元件的敏感部的十字形状的尺寸，通过增大霍尔电压输出端子间隔(W)而减小控制电流输入端子间隔(L)，来增大W/L比，从而能增大霍尔灵敏度。

而且，使控制电流输入端子的宽度比十字形状的霍尔元件凸部侧边的长度短。这是为了抑制这样的情况：由于临近的控制电流输入端子彼此过于接近，电流在相邻的控制电流输入端子间流过，而不在霍尔元件敏感部流过，从而引起灵敏度的下降。

由于以上的原因，能够以1个元件来提供高灵敏度的霍尔元件。

接着，对霍尔元件的构造进行说明。

霍尔元件敏感部使用半导体材料(例如硅)，为增大电子迁移率、提高灵敏度，而减小杂质浓度。然而，越减小霍尔元件敏感部的N型杂质区102的浓度，霍尔元件敏感部与其周边部的边界的耗尽层越大。据此，为防止不能够利用旋转电流去除偏置电压的情况，本发明中提供图6那样的构造。

图6所示的霍尔元件的构成具有：在P型半导体衬底101的表面形成的由N型杂质区102构成的霍尔元件敏感部；在N型杂质区102的周围即以包围N型杂质102的侧面和底面的方式形成的由N型低浓度杂质区103构成的耗尽层抑制区；以及在N型杂质区102的端部设置的由N型高浓度杂质区110构成的控制电流输入端子。此处，将图6的截面图与图1的平面图对比进行少许说明。图6所示的由N型杂质区102构成的霍尔元件敏感部相当于图1所示的标号100，平面图中为正方形，作为其顶点的四角配置有由N型高浓度杂质区110构成的控制电流输入端子。此外，由N型低浓度杂质区103构成的耗尽层抑制区设置在正方形的霍尔元件敏感部的周围，但在图1中将其省略。

优选磁敏感部的N型杂质区102的深度为300～500nm左右，浓度为从1×10¹⁶(atoms/cm³)到5×10¹⁶(atoms/cm³)，作为耗尽层抑制区的N型低浓度杂质区103的深度为2～3μm左右，浓度为从8×10¹⁴(atoms/cm³)到3×10¹⁵(atoms/cm³)。此外，选择性的增大霍尔电压输出端子、控制电流输入端子部的半导体材料表面的杂质浓度(N型)，从而形成接触区。因而，接触区与其处布线的电极(布线)相连接。然后，各个端子，通过其处配设的各布线电气连接。优选成为控制电流输入端子和霍尔电压输出端子的N型高浓度杂质区110的深度为300～500nm左右。即，耗尽层抑制区做成比磁敏感部更深、浓度更小。此外，控制电流输入端子和霍尔电压输出端子做成与霍尔磁敏感部相同程度的深度。

由于保持以上的关系，能够不受耗尽层抑制区与其周边部的P型衬底区之间的接合部产生的耗尽层的影响，控制电流流入霍尔元件敏感部。通过将霍尔元件做成这样的结构，能够利用旋转电流去除偏置电压。

此外，本发明的霍尔元件的制造方法也很容易。首先，P型衬底上形成构成耗尽层抑制区的N型低浓度杂质区103。此时，N型低浓度杂质区103的深度为2～3μm，浓度为8×10¹⁴(atoms/cm³)到3×10¹⁵(atoms/cm³)。这与N阱是相同程度的浓度、相同程度的深度。而且，N型低浓度杂质区103是作为耗尽层抑制区而使用，所以即使N阱的制造偏差较大也不影响霍尔元件的灵敏度和其它特性。因此，能够与其它单元的N阱同时形成。

接着，形成作为霍尔元件敏感部的N型杂质区102。此时，使N型低浓度杂质区103的深度为300～500nm，浓度为1×10¹⁶(atoms/cm³)到5×10¹⁶(atoms/cm³)。该深度、浓度的杂质区能通过通常的离子注入装置形成，与N阱相比，能够浓度、深度的偏差较小。由于霍尔元件敏感部通过离子注入而形成，所以形成灵敏度偏差较小的霍尔元件。

最后，形成构成控制电流输入端子和霍尔电压输出端子的高浓度杂质区。高浓度杂质区的深度为300nm～500nm，不需要与其它单元特别不同的工序，所以能够容易地形成。

接着，对偏置电压的去除方法进行说明。

首先，在控制电流输入端子121、122之间施加电压Vdd，流过控制电流(电流方向1)。一旦流过电流，在霍尔电压输出端子111、112之间产生霍尔电压。此处在霍尔电压输出端子111、112之间输出的电压包括与磁场大小成比例的霍尔电压和偏置电压，记输出电压为V34、霍尔电压为VH34、偏置电压为Vos34，则可表述为：

V34＝VH34+Vos34。

接着，在控制电流输入端子123、124之间施加电压Vdd，流过控制电流(电流方向2)。一旦流过电流，霍尔电压输出端子113、114之间产生霍尔电压。在霍尔电压输出端子113、114之间产生的电压包括与磁场大小成比例的霍尔电压以及偏置电压，记输出电压为V12、霍尔电压为VH12、偏置电压为Vos12，则可表述为：

V12＝VH12+Vos12。

此处的霍尔元件的形状如图1所示，是对称的十字形状，所以霍尔敏感端部的霍尔电压输出端子111、112、113、114以及霍尔元件敏感部侧面的控制电流输入端子121、122、123、124以同一形状对称地配置。因此，所产生的霍尔电压VH与电流以电流方向1流过的情况下的霍尔电压V12和以电流方向2流过的情况下的霍尔电压V34之间的关系为，只是电流方向不同，流过的电流量和霍尔电压输出端子间隔等均相同，所以可表述为：

VH＝VH34＝-VH12。

对于偏置电压Vos也可同样认为，所以可表述为：

Vos＝Vos34＝Vos12。

即霍尔电压输出端子111、112之间产生的电压V34与霍尔电压输出端子113、114之间产生的电压V12可表述为：

V34＝VH+Vos；

V12＝-VH+Vos。

将在该电流方向1上得到的输出电压V34与在电流方向2上得到的输出电压V12相减，则电压Vout为：

Vout＝V34-V12＝2VH，

从而去除偏置电压，能够得到2倍的霍尔电压。

如以上所述，利用图1那样的构成，能够实现小芯片尺寸、高灵敏度且去除偏置电压的霍尔传感器。

附图标记说明

1、10、100...霍尔元件敏感部；101...P型半导体衬底；102...N型杂质区；103...N型低浓度杂质区；110...N型高浓度杂质区；111、112、113、114...霍尔电压输出端子；121、122、123、124...控制电流输入端子；2、12...电源；3、13...电压计；11...切换信号产生器；S1、S2、S3、S4...传感器端子切换单元；T1、T2、T3、T4...端子；R1、R2、R3、R4...电阻。

Claims

1.一种霍尔传感器，其特征在于，包括：

霍尔元件敏感部，在具有四个凸部和四重旋转轴的十字形上；

霍尔电压输出端子，配置在所述四个凸部各自前端中央部并具有同一形状；以及

控制电流输入端子，配置在所述四个凸部各自侧边的中央部附近，

所述控制电流输入端子之中，沿着所述侧边在一条直线上并列的一对控制电流输入端子用布线来相连接且为相同电位。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述控制电流输入端子与所述霍尔元件敏感部相连接的长度即控制电流输入端子宽度，大于所述霍尔电压输出端子与所述霍尔元件敏感部相连接的长度即霍尔电压输出端子宽度。

3.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，所述控制电流输入端子宽度短于所述侧边的长度。

4.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，相对的霍尔电压输出端子的间隔大于相对的控制电流输入端子的间隔。

5.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，

所述霍尔元件敏感部由在P型半导体衬底表面形成的N型杂质区构成，而且，具有以包围所述N型杂质区的侧面和底面的方式形成的由N型低浓度杂质区构成的耗尽层抑制区；

在所述N型杂质区的端部设置的所述霍尔电压输出端子与其两侧配置的所述控制电流输入端子由N型高浓度杂质区构成。

6.根据权利要求5所述的霍尔传感器，其特征在于，所述控制电流输入端子和所述霍尔电压输出端子，从所述P型半导体衬底表面起的深度与所述霍尔元件敏感部相同。

7.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，能够利用旋转电流而去除偏置电压。