CN104833377A - 一种高灵敏度水平霍尔盘 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度水平霍尔盘，包括霍尔阱，用于在磁场和电场中通过霍尔效应产生电荷的载体；电极，分别与霍尔阱连接，用于输入偏置电压，输出霍尔电压；底层衬底，设于霍尔阱的底部，用于与十字霍尔阱产生反向偏置PN结，从而产生用于隔离霍尔阱的耗尽区，避免漏电；有源接地环，用于向霍尔盘提供相对电势零点；内侧和外侧保护环，包绕在霍尔阱的周侧，用于隔离霍尔阱，避免漏电流，屏蔽外部干扰；顶层金属层，设于霍尔阱的顶部，用于隔离霍尔阱，屏蔽外部干扰，降低霍尔盘工作时产生的闪烁噪声。有益效果为：不仅具有高灵敏度和低温度效应等特性，同时还具有体积小、结构简单、工艺兼容性好、加工成品率高等优势。
Description
技术领域
本发明涉及水平霍尔盘，尤其涉及一种基于SMIC0.35BCD工艺的高灵敏度水平霍尔盘。
背景技术
一直以来，霍尔传感器广泛应用于测量和控制等工程技术领域。它们的体积小，重量轻，寿命长，功耗小，工况要求低等优点，并且由于霍尔传感器是利用电磁效应进行非接触式测量，所以霍尔传感器能够在进行对被测物体无干扰的测量，这一特性使得霍尔传感器能够应用于许多特殊场合。
霍尔盘作为霍尔传感器的核心部件在研发设计过程中至关重要。霍尔盘的性能参数包括灵敏度、温度稳定性和磁场强度感应范围等。其中，灵敏度是最为核心的性能参数目标。霍尔盘可以由多种多样的结构和加工工艺实现，但这些结构的霍尔盘往往不是结构复杂造价昂贵就是性能参数低，不能满足实际应用对高灵敏度水平霍尔盘的要求。
水平霍尔盘的灵敏度的近似计算公式为：
式中，参数L和W分别为水平霍尔盘的分支宽度和长度，rH为霍尔系数，n为十字型霍尔阱磷离子掺杂浓度，q为单位电荷电量，t为当霍尔盘工作时，十字型霍尔阱的厚度。所以，若要实现水平霍尔盘的高灵敏度，就要降低水平霍尔盘的分支长度与宽度的比例W/L，降低十字型霍尔阱磷离子掺杂浓度n，降低霍尔盘工作时十字型霍尔阱的厚度t，亦即降低十字型霍尔阱的设计厚度。但是由于半导体加工工艺的限制和加工成品率的要求，水平霍尔盘的参数设计无法达到理想数值。
发明内容
本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种基于SMIC0.35BCD工艺的高灵敏度水平霍尔盘，实现该工艺下所能实现的最佳参数，具有高灵敏度的一优点，具体由以下技术方案实现：
所述基于SMIC0.35BCD工艺的高灵敏度水平霍尔盘，包括
霍尔阱，用于在磁场和电场中通过霍尔效应产生电荷的载体；
电极，分别与霍尔阱连接，用于输入偏置电压，输出霍尔电压；
底层衬底，设于霍尔阱的底部，用于与十字霍尔阱产生反向偏置PN结，从而产生用于隔离霍尔阱的耗尽区，避免漏电；
有源接地环，用于向霍尔盘提供相对电势零点；
内侧保护环和外侧保护环，由内至外依次包绕在霍尔阱的周侧，用于隔离霍尔阱，避免漏电流，屏蔽外部干扰；
顶层金属层，设于霍尔阱的顶部，用于隔离霍尔阱，屏蔽外部干扰，降低霍尔盘工作时产生的闪烁噪声。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，霍尔阱的上表面设有顶层金属层，下表面由上至下依次为所述有源接地环和底层衬底，水平霍尔盘周围由内至外依次连接所述内侧保护环和外侧保护环，在十字型霍尔阱的四条分支的末端上分别设置有所述电极。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述霍尔阱呈正交的十字型，长度为38～42微米，厚度为0.9～1.1微米，分支的长度为14～18微米，宽度为5～7微米。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述十字型霍尔阱的材料为磷离子掺杂的硅材料，磷离子掺杂表面密度为0.95e+12～1.05e+12每平方厘米，能量为350～370KeV。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述顶层金属层呈正方形边长为95～105微米，厚度为0.8～1微米，且顶层金属层的材料为金属铜。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述电极的形状为矩形，长为4.5～5.5微米，宽为0.9～1.1微米，且电极采用磷离子掺杂的硅材料，磷离子掺杂表面密度在4e+12～5e+12每平方厘米，能量为350～370KeV。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述底层衬底呈正方形，边长为50～52微米，厚度为8.167～10.167微米，且底层衬底采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为5e+12～7e+12每平方厘米，能量为190～210KeV。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述有源接地环呈正方形，边长为48微米，且有源接地环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7e+12～9e+12每平方厘米，能量为190～210KeV。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述内侧保护环呈正方形，边长为40.4～44.4微米，宽度为1～1.4微米，且内侧保护环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7e+12～9e+12每平方厘米，能量为190～210KeV。
所述高灵敏度水平霍尔盘的进一步设计在于，所述外侧保护环呈正方形，边长为90～110微米，宽度为1～1.4微米，且外侧保护环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7e+12～9e+12每平方厘米，能量为190～210KeV。
本发明的优点如下：
本发明提供的高灵敏度水平霍尔盘，不仅具有高灵敏度和低温度效应等特性，同时还具有体积小、结构简单、工艺兼容性好、加工成品率高等优势。同时，由于水平霍尔盘最低掺杂浓度较高，易于加工，成品率高，这为高灵敏度水平霍尔盘的实际生产大大降低成本。
附图说明
图1为水平霍尔盘的结构。
图2为水平霍尔盘的细节版图。
图3 M1，M2，M3金属层
图4示出几何尺寸、掺杂浓度参数设计和偏置电压对水平霍尔盘的灵敏度影响。
图5示出几何尺寸、掺杂浓度参数设计和温度对水平霍尔盘的灵敏度影响。
图中，1-十字型霍尔阱，2-电极，3-有源接地环，4-内侧保护环，5-外侧保护环，6-底层衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，
如图1，本实例提供的高灵敏度水平霍尔盘中，主要由十字型霍尔阱1、电极2、底层衬底6、有源接地环3、内侧保护环4、外侧保护环5以及顶层金属层组成。本发明结合SMIC0.35BCD工艺设计水平霍尔盘的参数和版图，实现该工艺下所能实现的最佳参数。因此，本发明所述的水平霍尔盘具有高灵敏度的优点。
水平霍尔盘的灵敏度与各层各部分的材料、形状、几何尺寸和掺杂表面密度、能量等技术参数有关。
其中，十字型霍尔阱，用于再次磁场和电场中霍尔效应产生电荷的载体。十字型霍尔阱的材料为磷离子掺杂的硅材料，形状为正交的十字形，长度为40微米，厚度为1微米。
为了显示不同几何尺寸、掺杂浓度对水平霍尔盘灵敏度的影响，此处设计六组数据来表示区分如表1所示，
表1
六组不同几何参数和掺杂浓度的霍尔传感器平均霍尔灵敏度如表2所示：
表2
| 芯片编号 | S1-1 | S1-2 | S2-1 | S2-2 | S3-1 | S3-2 |
| 灵敏度(V/A·T) | 964 | 623 | 515 | 212 | 320 | 349 |
如图1所示四只电极，对称两只用于输入工作电流100uA，另两只用于输出霍尔电压。电极的材料为磷离子掺杂的硅材料，磷离子掺杂表面密度为4e+12～5e+12每平方厘米之间，能量为350～370KeV。优选地，磷离子掺杂表面密度为4.5e+12每平方厘米，能量为360KeV。优选地，电极的形状为长方形，长为5微米，宽为1微米。
顶层金属层如图3所示，包括m1、m2、m3，三个金属层，用于隔离十字霍尔阱，避免霍尔盘工作时产生的闪烁噪声，屏蔽外部干扰。本实施例中，顶层金属层的材料为金属铜。顶层金属层的形状为正方形，边长为90～110微米，优选为100微米，厚度为0.8～1微米，0.9微米。在顶层金属层m1、m2、m3分别对应连接通孔层V1、V2、V3，用于顶层金属层间的内部连接。接触孔CT连接着金属层m1和mos管。
如图1所示底层衬底，用于与十字霍尔阱产生反向偏置PN结，从而产生耗尽区，隔离十字型霍尔阱，避免漏电流，底层衬底材料为硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为5e+12～7e+12每平方厘米，优选为6.0e+13每平方厘米，能量为190～210KeV，优选为200KeV。底层衬底的形状为正方形，边长为50～54微米，优选为52微米，厚度为8.167～10.167，优选为9.167微米。
如图1所示有源接地环，用于提供相对电势零点，有源接地环的材料为硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7e+13～9e+13每平方厘米，优选为8.0e+13每平方厘米。能量为190～210KeV，本实施优选为200KeV。有源接地环的形状为正方形，边长为46～50，优选为48微米。
如图1中为内侧保护环和外侧保护环，内侧保护环、外侧保护环由内至外依次包绕在十字霍尔阱的周侧形成P+保护环。P+保护环用于隔离十字霍尔阱，避免漏电流，屏蔽外部干扰，内侧保护环的材料为硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度一般为7e+13～9e+13每平方厘米，优选为8.0e+13每平方厘米，能量为190～210KeV，优选为200KeV。内侧保护环的形状为正方形，边长为宽度为40.4～44.4，优选为42.4微米，宽度为1.1～1.3，优选为1.2微米。外侧保护环的材料为硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7e+13～9e+13每平方厘米，本实施例优选为8.0e+13每平方厘米，能量为190～210KeV，优选为200KeV，外侧保护环的的形状为正方形，边长为宽度为90～110微米，优选为100微米，宽度为1.1～1.3微米，优选为1.2微米。
由图4可以得出几何尺寸、掺杂浓度参数设计和偏置电压对水平霍尔盘的灵敏度影响。将水平霍尔盘放置于磁感应强度为1.5T的磁场中，输入偏置电压范围为-1.5伏特至1.5伏特，测试水平霍尔盘的输出霍尔电压，从而测试水平霍尔盘的灵敏度。测试结果表明，水平霍尔盘的灵敏度在偏置电压变化范围内具有良好的稳定性，变化范围最大为不同几何尺寸、掺杂浓度参数的水平霍尔盘灵敏度不同，十字型霍尔阱分支长度与宽度比越高，十字型霍尔阱磷离子掺杂浓度越低，水平霍尔盘的灵敏度越高。其中，十字型霍尔阱分支长度为8微米，宽度为10微米，掺杂浓度为1e+16每平方厘米的水平霍尔盘灵敏度最高，为964V/A.T。据此，按这一参数设计的水平霍尔盘实现高灵敏度。
由图5可以得出几何尺寸、掺杂浓度参数设计和温度对水平霍尔盘的灵敏度影响。将水平霍尔盘放置于磁感应强度为1.5T的磁场中，工作温度变化范围为233K至353K，测试水平霍尔盘的灵敏度。测试结果显示，不同几何尺寸、掺杂浓度参数的水平霍尔盘的灵敏度在工作温度变化范围内具有不同的稳定性，参数为十字型霍尔阱分支长度为8微米，宽度为10微米，掺杂浓度为1e+16每平方厘米的水平霍尔盘灵敏度变化最小，为±0.5％以内。据此，按这一参数设计的水平霍尔盘实现了低温度效应。
综上所述，本例设计提供的一种水平霍尔盘参数设计实现了高灵敏度和低温度效应。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于包括
霍尔阱，用于在磁场和电场中通过霍尔效应产生电荷的载体；
电极，分别与霍尔阱连接，用于输入偏置电压，输出霍尔电压；
底层衬底，设于霍尔阱的底部，用于与十字霍尔阱产生反向偏置PN结，从而产生用于隔离霍尔阱的耗尽区，避免漏电；
有源接地环，用于向霍尔盘提供相对电势零点；
内侧保护环和外侧保护环，由内至外依次包绕在霍尔阱的周侧，用于隔离霍尔阱，避免漏电流，屏蔽外部干扰；
顶层金属层，设于霍尔阱的顶部，用于隔离霍尔阱，屏蔽外部干扰，降低霍尔盘工作时产生的闪烁噪声。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，霍尔阱的上表面设有顶层金属层，下表面由上至下依次为所述有源接地环和底层衬底，水平霍尔盘周围由内至外依次连接所述内侧保护环和外侧保护环，在十字型霍尔阱的四条分支的末端上分别设置有所述电极。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述霍尔阱呈正交的十字型，长度为38~42微米，厚度为0.9~1.1微米，分支的长度为14~18微米，宽度为5~7微米。
4.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述十字型霍尔阱的材料为磷离子掺杂的硅材料，磷离子掺杂表面密度为0.95e+12~1.05e+12每平方厘米，能量为350~370KeV。
5.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述顶层金属层呈正方形边长为95~105微米，厚度为0.8~1微米，且顶层金属层的材料为金属铜。
6.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述电极的形状为矩形，长为4.5~5.5微米，宽为0.9~1.1 微米，且电极采用磷离子掺杂的硅材料，磷离子掺杂表面密度在4 e+12~5 e+12每平方厘米，能量为350~370KeV。
7.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述底层衬底呈正方形，边长为50~52微米，厚度为8.167~10.167微米，且底层衬底采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为5 e+12~7 e+12每平方厘米，能量为190~210KeV。
8.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述有源接地环呈正方形，边长为48微米，且有源接地环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7 e+12~9e+12每平方厘米，能量为190~210KeV。
9.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述内侧保护环呈正方形，边长为40.4~44.4微米，宽度为1~1.4微米，且内侧保护环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7 e+12~9e+12每平方厘米，能量为190~210KeV。
10.根据权利要求3所述的高灵敏度水平霍尔盘，其特征在于，所述外侧保护环呈正方形，边长为90~110微米，宽度为1~1.4微米，且外侧保护环采用硼离子掺杂的硅材料，硼离子掺杂表面密度为7 e+12~9e+12每平方厘米，能量为190~210KeV。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |