CN104953024B - 一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件，该器件采用新型的双阱器件结构，即在一个P型硅衬底上形成两个完全相同的n阱，每个n阱中分别有三个重掺杂N+区，两个n阱最外侧的N+区互相连接，最内侧的N+区也互相连接，形成完全对称结构，该垂直型霍尔器件在旋转电流操作时能实现电流流向完全对称，极大地降低了垂直型霍尔器件的残余失调。
Description
技术领域
本发明涉及一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件，属于电磁技术领域。
背景技术
垂直型霍尔器件以其精确度高、线性度好、体积小、可靠性高等特点成为制作二维或三维霍尔传感器的重要器件。在二维或三维磁场测量中，水平型霍尔器件只能检测到垂直于器件表面的一维磁场，平行于器件表面的磁场检测需要垂直型霍尔器件来实现。因而垂直型霍尔器件在二维或三维磁场测量中得到了广泛地应用，并逐渐成为国内外研究的热点。
目前，传统垂直型霍尔传感器的失调较高，影响了其测量精度。因此，降低失调成为霍尔传感器发展的主要趋势之一。传统垂直型霍尔器件有四孔和五孔结构两种。目前最通用并且能够有效消除霍尔器件失调的方法是旋转电流法，旋转电流法要求霍尔器件初始失调低且对称性高。五孔结构初始失调较低，但在使用旋转电流法时在两种不同的偏置状态下电流流动方向不对称，导致失调消除效果不是很明显，残余失调较大。四孔垂直型霍尔器件在两种不同偏置状态时的电流流动状态中电流流动的方向呈对称分布，但其初始失调很大，高达上百毫伏，大大超过了使用旋转电流技术的范围。因此，四孔和五孔结构的垂直型霍尔器件都不能很好的应用旋转电流法以消除霍尔失调，获得低残余失调的特性，而本发明提出一种新的对称结构的垂直型霍尔器件，能够很好地解决上述的问题。
发明内容
本发明目的在于针对传统垂直型霍尔器件初始失调大、不适合旋转电流技术的缺点，提出了一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件，该器件采用新型的双阱器件结构，即在一个P型硅衬底上形成两个完全相同的n阱，每个n阱中分别有三个重掺杂N+区，两个n阱最外侧的N+区互相连接，最内侧的N+区也互相连接，形成完全对称结构，该器件能够在应用旋转电流法时实现电流流向完全对称，极大地降低了器件失调。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件，该器件结构包括N+区1、P+区2、n阱3、P型硅衬底4、浅沟槽隔离区5和P+区6。所述的P型硅衬底4上方形成2个对称分布的n阱3，每个n阱3顶部等距离设有3个N+区1，N+区1之间设有P+区2。2个n阱3之间设有浅沟槽隔离区5用于阱间隔离，n阱3外侧也设有浅沟槽隔离区5与外部隔离。P+区6位于P型硅衬底4的顶端最外侧，形成衬底接触。
本发明所述的2个n阱3位于P型硅衬底4上方，呈对称分布。2个n阱3中均设有3个相同的N+区1，其中2个最外侧的N+区1互相连接，形成电极a，2个最内侧的N+区1互相连接，形成电极c。剩余两个N+区分别形成电极b和电极d。在应用旋转电流法消除霍尔器件失调时，a，b，c，d四个电极可以互相转换。2个n阱3之间以及n阱3外侧设有浅沟槽隔离区5。P+区2位于n阱顶部N+区1之间，能够有效的减少器件表面电流，有助于电流向器件深层流动从而增强霍尔效应，提高垂直型霍尔器件的磁场灵敏度。
本发明所述的垂直型霍尔器件的制作材料不只局限于硅材料，还可以使用砷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟等化合物。相比于硅材料，这些化合物的电子迁移率更高，霍尔效应更大，因而使用它们所制作的垂直型霍尔器件灵敏度更高。
有益效果：
1、本发明提出的垂直型霍尔器件的生产工艺简单，与CMOS工艺完全兼容，无需额外工艺步骤，生产成本低。
2、本发明提出的垂直型霍尔器件，其结构完全对称，初始失调低。
3、本发明提出的垂直型霍尔器件，其在采用旋转电流操作时，器件中电流流向完全对称，可获得低的残余失调。
附图说明
图1为本发明垂直型霍尔器件的横截面结构示意图。
标识说明：1-N+区；2-P+区；3-n阱；4-P型硅衬底；5-浅沟槽隔离区；6-P+区。
图2为图1器件应用四相旋转电流法的工作状态示意图。
图3为与图2工作状态对应的器件内部电流图。
图4为按照图1仿真得到的二维工艺仿真结构图。
图5为按照图4结构进行二维器件仿真得到的失调电压-偏置电压特性曲线。
图6为按照图4结构进行二维器件仿真得到的电压相关灵敏度-偏置电压特性曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种对称结构的低失调垂直型霍尔器件，该器件结构包括N+区1，P+区2，n阱3，P型硅衬底4，浅沟槽隔离区5，P+区6。所述的P型硅衬底4上方形成2个对称分布的n阱3，在每个n阱3的表面形成3个N+区1，N+区1之间设有P+区2。2个n阱3之间设有浅沟槽隔离区5用于阱间隔离，n阱3的另一外侧也设有浅沟槽隔离区5与外部隔离。P+区6位于P型硅衬底4的顶端最外侧，形成衬底接触。
本发明所述的2个n阱3位于P型硅衬底4上方，呈对称分布。2个n阱3中均有3个相同的N+区，其中2个最外侧的N+区1互相连接，形成电极a，2个最内侧的N+区1互相连接，形成电极c。剩余两个N+区分别形成电极b和电极d。在应用旋转电流法时，a，b，c，d四个电极可以互换。2个n阱3之间以及n阱3外侧设有浅沟槽隔离区5。P+区2位于n阱顶部N+区1之间，能够有效的减少器件表面电流，有助于电流向器件深层流动从而增大霍尔效应，提高VHD的灵敏度。
本发明提出的垂直型霍尔器件采用四相旋转电流法的工作状态如图2所示。四个相位分别为0°，90°，180°，270°的时钟信号将该垂直型霍尔器件偏置在图2所示的(a)，(b)，(c)，(d)四个状态。当时钟信号相位为0°和90°时，器件工作在(a)状态和(b)状态，两种状态的霍尔电压信号(VH)大小相等、极性相反，失调电压信号(Vop)极性和大小均相同，两者通过双相关采样电路相减得到2VH。同理，在时钟信号相位为180°和270°时，器件工作在(c)状态和(d)状态，通过双相关采样电路相减得到2VH，与前两个相位的输出相加得到4VH。通过四相旋转电流法后，失调信号被消除，霍尔电压增加四倍，最终输出信号为4VH。
根据图2所述工作状态的垂直型霍尔器件，其内部电流流向如图3所示。在(a)状态，偏置信号为电极a→c，不加磁场时，没有霍尔效应电流从电极a经过电极b与d后流向电极c，流经电极b和d的电流是对称的，因此电极b和d处的电势是相同的，所以失调电压很小。若外加垂直于器件截面向内的磁场B，电流为电极a→c，则电子流向为电极c→a，根据左手定则，电子所受洛伦兹力方向为d→b，从而在电极b与d之间产生电压差，即霍尔电压VH。此状态下，电极a与c为偏置电极，电极b与d为测量电极。同理，图中(b)状态，电极b与d为偏置电极，电极a与c为测量电极。由于流经测量电极a与c的电流对称，因而两处电势相同，从而失调电压很小。在测量电极a与c之间也会产生霍尔电压VH。状态(c)与状态(a)偏置电流方向相反，偏置电极和测量电极均相同，电流流向如图中(c)所示。状态(d)与状态(b)偏置电流相反，偏执电极和测量电极均相同，电流流向如图中(d)所示。
根据图1所述的霍尔器件结构剖面图，使用标准0.35um CMOS工艺进行了二维工艺仿真，得到图4所示的二维器件结构及杂质浓度的分布图。工艺仿真时首先在P型硅衬底上注入2个对称分布的n阱，再在每个n阱中等间隔注入3个N+区，这6个N+区作为器件的工作电极。在N+区之间离子注入p+区，能够有效的减少器件表面电流，有助于电流向器件深层流动，增大VHD的灵敏度。n阱6两侧用浅沟槽隔离区8(即STI)进行隔离。
图5为根据图4的工艺仿真结构进行器件仿真得到的初始失调电压曲线。由图可知，该垂直型霍尔器件在偏置电压为1V时，失调电压为0.0113V。图5为图3仿真得到的电压灵敏度曲线。从图中可以看出，电压灵敏度随偏压增大而增大，当Vbias＝1V时，SV增大到0.048/T，大于传统四孔垂直型霍尔器件以及五孔垂直型霍尔器件。
Claims (5)
1.一种对称低失调的垂直型霍尔器件，其特征在于：所述器件结构包括N+区(1)、第一P+区(2)、n阱(3)、P型硅衬底(4)、浅沟槽隔离区(5)和第二P+区(6)；所述的P型硅衬底(4)上方形成2个对称分布的n阱(3)，每个n阱(3)顶部等距离形成3个N+区(1)，N+区1之间设有第一P+区(2)；2个n阱(3)之间设有浅沟槽隔离区(5)，n阱(3)外侧也设有浅沟槽隔离区(5)与外部隔离；第二P+区(6)位于P型硅衬底(4)的顶端最外侧，形成衬底接触。
2.根据权利要求1所述的一种对称低失调的垂直型霍尔器件，其特征在于：所述的2个n阱(3)位于P型硅衬底(4)上方，呈对称分布；2个n阱(3)中均有3个相同的N+区(1)，其中2个最外侧的N+区(1)互相连接，形成电极a，2个最内侧的N+区(1)互相连接，形成电极c；剩余两个N+区(1)分别形成电极b和电极d；在应用旋转电流法时，a，b，c，d四个电极互换；n阱(3)之间以及n阱(3)外侧设有浅沟槽隔离区(5)。
3.根据权利要求1所述的一种对称低失调的垂直型霍尔器件，其特征在于：所述的第一P+区(2)位于n阱顶部N+区(1)之间。
4.根据权利要求1所述的一种对称低失调的垂直型霍尔器件，其特征在于：所述器件的材料为硅材料或者砷化镓或者磷化铟或者砷化铟或者锑化铟。
5.根据权利要求1所述的一种对称低失调的垂直型霍尔器件，其特征在于：所述的2个n阱(3)之间设有浅沟槽隔离区(5)用于阱间隔离。
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