CN106164691B - 低偏移和高灵敏度垂直霍尔效应传感器 - Google Patents

Abstract

提供一种具有在其偏置模式之间高度对称性的垂直霍尔效应传感器，其可适配为展现小的预‑自旋对称偏移，并且符合制造技术(例如CMOS)允许的内接触部之间的最小间距要求。这些特性使得垂直霍尔效应传感器能够具有关于偏移和灵敏度的最优性能。

Description

低偏移和高灵敏度垂直霍尔效应传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求由Vanderhagen等于2013年9月6日提交的、序列号为61/874,385的、题为“LOW OFFSET AND HIGH SENSITIVITY VERTICAL HALL EFFECT SENSOR”的美国临时申请的优先权，该申请的公开内容特此通过引用在其整体上并入本文。

技术领域

本公开涉及磁场传感器，并且更具体地涉及检测平行于芯片表面的磁场的半导体霍尔效应传感器，也被称为垂直霍尔效应传感器。

背景技术

霍尔效应设备在传感器应用中用于磁场的无接触感测。霍尔效应传感器能够实现在使用CMOS技术的半导体芯片上。这已使得霍尔效应传感器成为被最广泛使用的磁场传感器类型之一。然而，标准CMOS霍尔设备典型地仅仅能够检测垂直于半导体芯片表面的磁场。

已经开发了各种方法来检测平行于半导体芯片表面的磁场。一种方法使用磁选机“操纵”朝向芯片表面的磁场，使得它们能够使用标准霍尔效应传感器被检测。然而，磁选机增加了成本并且增加了制造设备的复杂度。

另一种已经开发出的用于检测平行于芯片表面的磁场的方法是所谓的垂直霍尔效应设备的使用。垂直霍尔效应设备包括处于布置在平行于芯片表面的直线中的井中的多个接触部。这些接触部中的两个连接到偏置电流或者电压以引入通过芯片的电流路径。输出电压用于测量霍尔设备的输出电压。在磁场存在的情况下，正沿该路径移动的载流子被洛伦兹力偏转并且形成霍尔电场。

然而，垂直霍尔效应传感器的使用所面临的一个难点是，典型地归因于各种因素（例如制造缺陷或者环境条件）而引入到传感器的输出电压中的电压偏移。传感器输出中的电压偏移的存在损害了由霍尔设备得到的磁场测量的精度。

为了补偿霍尔效应设备中的电压偏移，已经针对传感器开发了自旋电流技术，其中用于连接偏置源的霍尔设备的接触部和用于连接提供输出电压的接触部被切换以提供多个偏置模式。每一个偏置模式可以提供稍不同的输出电压。结果，输出电压被调制，这使得在磁场的测量中能够标识和补偿偏移电压，该偏移电压作为信号的DC分量出现。

欲使自旋电流方法有效需要高度对称的设备。然而，归因于接触部的线性布置，垂直霍尔效应设备是几何不对称的。因此，垂直霍尔效应传感器的开发中的一个最困难的任务是为垂直霍尔设备的接触部确定布置或者连接配置，所述布置或者连接配置实现对称响应，使得可使用自旋电流消除偏移。

之前已知的垂直霍尔效应设备的一个例子包括四个接触部的线性布置。该四-接触部垂直霍尔效应设备能够提供在偏置模式之间的高度对称性，这允许使用自旋电流技术消除偏移。然而，四接触部设备展现大的预-自旋对称偏移，除了对于读出电子设备的动态显示范围是个大挑战以外，所述预-自旋对称偏移导致在霍尔传感器偏置电路中的噪声馈通到最终输出，这使信噪比降级。

为了减少预-自旋偏移电压，垂直霍尔设备已经提供有线性布置的五个或者甚至六个接触部。五-接触部垂直霍尔效应设备在偏置模式之间高度不对称，这导致用于消除偏移的自旋电流技术的无效。

在之前已知的六-接触部垂直霍尔效应设备中，外接触部被短接在一起并且内接触部用作四-接触部霍尔设备。六-接触部传感器具有在其偏置模式之间的高度对称性并且能够被适配为展现小的预-自旋对称偏移。然而，达到针对传感器的标称零偏移和最大灵敏度所需的间距要求较深的井，以允许接触部之间的足够间距。结果，传感器的尺寸可能太大或者太不便捷而无法在某些设备中实现。

发明内容

本公开涉及一种垂直霍尔效应传感器，其具有在其偏置模式之间的高度对称性，能够被适配为展现小的预-自旋对称偏移，并且符合制造技术（例如CMOS）允许的内接触部之间的最小间距要求。这些特性使得垂直霍尔效应传感器能够具有关于偏移和灵敏度的最优性能。

根据本公开的一个实施例，垂直霍尔效应传感器包括霍尔效应设备，该霍尔效应设备包括衬底，该衬底具有顶表面和顶表面之下的第一导电率类型的区域。导电井被嵌入具有第二导电率类型的区域中。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八欧姆接触部在导电井内的行中被依次布置并且彼此分隔开，所述行通常平行于衬底的顶表面。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八欧姆接触部中的每一个具有与该井的导电率不同的导电率。

霍尔效应设备进一步包括具有四个输入端子的电压测量设备，以及配置为连接到偏置源的开关设备。电压测量设备配置为处理跨电压测量设备的四个输入端子所接收的电压以确定对应于磁场的测量的霍尔电压。开关设备具有分别电连接到开关设备的四个输入端子的四个输出端子，以及第一，第二，第三，第四，第五，和第六输入端子。

第一和第六欧姆接触部彼此电连接且电连接到开关设备的第五输入端子。第三和第八欧姆接触部彼此电连接且电连接到开关设备第二输入端子。第二欧姆接触部电连接到开关设备的第一输入端子。第四欧姆接触部电连接到开关设备的第三输入端子。第五欧姆接触部电连接到开关设备的第四输入端子，并且第七欧姆接触部电连接到开关设备的第六输入端子。第一和第六欧姆接触部以及第三和第八欧姆接触部可经由敷金属电连接。

开关设备包括多种操作模式。在每一种操作模式下，开关设备配置为将从开关设备的第一、第二、第三、第四、第五和第六输入端子选择的两个输入端子分别电连接到偏置源和地，并且将开关设备剩余的不连接到偏置源和地的四个输入端子分别经由开关设备的四个输出端子电连接到电压测量设备的四个输入端子。

在一个实施例中，开关设备包括这样的操作模式，在该操作模式下，分别电连接到偏置源和地的两个输入端子包括选自开关设备的第二、第三、第四和第五输入端子的交替对的输入端子，并且连接到开关设备的四个输出端子的剩余的四个输入端子包括第一和第六输入端子以及第二、第三、第四和第五输入端子中没有连接到偏置源或地的剩余两个输入端子而达到四个。

在一个实施例中，第一欧姆接触部与第二欧姆接触部分隔开并且第八欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第一距离。第二欧姆接触部与第三欧姆接触部分隔开、第三欧姆接触部与第四欧姆接触部分隔开、第四欧姆接触部与第五欧姆接触部分隔开、第五欧姆接触部与第六欧姆接触部分隔开、以及第六欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第二距离，其中第一距离大于第二距离。在一个特定实施例中，第二距离大约是第一距离的一半。

在一个实施例中，导电井包括N-型导电率，并且所述区域包括P-型导电率。在该实施例中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、和第八欧姆接触部可包括比导电井的N-型导电率更高度掺杂的N-型导电率。

在另一个实施例中，一种制造霍尔效应设备的方法包括形成在衬底的一区域中的导电井内的行中依次地并且彼此分隔开的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八欧姆接触部，导电井具有第一导电率类型并且所述区域具有第二导电率类型，所述行通常平行于衬底的上表面，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八欧姆接触部中的每一个具有不同于井的导电率的导电率。第一和第六欧姆接触部彼此电连接，并且第三和第八接触部彼此电连接。欧姆接触部被布置成使得：第一欧姆接触部与第二欧姆接触部分隔开并且第八欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第一距离；以及第二欧姆接触部与第三欧姆接触部分隔开、第三欧姆接触部与第四欧姆接触部分隔开、第四欧姆接触部与第五欧姆接触部分隔开、第五欧姆接触部与第六欧姆接触部分隔开、以及第六欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开小于第一距离的第二距离，例如，第一距离的一半。

附图说明

图1是根据本公开的包括垂直霍尔效应设备的垂直霍尔效应传感器的示意视图。

图2是图1的垂直霍尔效应设备的实施例的示意视图。

具体实施方式

出于促进理解本公开原理的目的，现在将参照附图中示出并且在以下书面描述中描述的实施例。应理解，并不由此意图限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对于所示实施例的任何改变和修改并且包括如对于本公开所属领域的普通技术人员将正常想到的本公开原理的进一步应用。

现在参考图1，根据本公开的垂直霍尔效应传感器100包括垂直霍尔效应设备102、开关电路104、偏置源106、和输出电压测量设备108。垂直霍尔效应设备102具有输入/输出端子110、112、114、116、18、120，并且输出电压测量设备108具有四个输入端子122、124、126、128。开关电路104具有连接到霍尔设备102的连接端子110、112、114、116、118、120的四个传感器连接，以及连接到测量设备108的输入端子122、124、126、128的四个输出电压连接。开关电路还包括连接到偏置源106的输入，偏置源106可以是电流源或电压源。

如下文讨论的，垂直霍尔效应设备包括多个预定义的偏置模式。每一个偏置模式定义了哪些端子要用作用于将电流引入霍尔设备的输入以及哪些端子要用作跨其测量磁场相关输出电压的输出。开关电路104配置为根据霍尔设备102的每一种偏置模式可操作地将霍尔设备102的端子110、112、114、116、118、120耦合至偏置源106以及耦合至输出电压测量设备108，并且依次切换至每一种偏置模式的连接以实现自旋电流方案。

在每一种偏置模式下，开关设备104将端子110、112、114、116、118、120中的一个耦合至偏置源，将端子110、112、114、116、118、120中的另一个耦合至地电位，并且将端子110、112、114、116、118、120中剩余的四个耦合至输出电压测量设备108的相应的输入端子122、124、126、128。开关电路104配置为基于例如从时钟发生器129接收的时钟信号，在偏置模式之间切换霍尔设备102。

霍尔设备102的输入端子定义了在每一种偏置模式下进和出设备102的电流路径。在存在具有平行于垂直霍尔设备102的上表面的分量的磁场的情况下，正沿所述路径移动的载流子被洛伦兹力偏转，并且形成霍尔电场。霍尔电场影响跨霍尔设备102的输出端子出现并且耦合至测量设备108的输入端子122、124、126、128的输出电压。测量设备108配置为处理跨输入端子122、124、126、128接收的电压以确定对应于磁场的测量的霍尔电压。

霍尔设备102、开关设备104以及测量设备108可实现在单个芯片或多个芯片上，并且可包括各种电路组件和元件，例如放大器、模数转换器、存储器、逻辑等，可能需要它们来执行文本描述的功能以及本领域普通技术人员将已知的其他功能。

现在参考图2，传感器100的垂直霍尔效应设备102的实施例被更详细地描绘。垂直霍尔效应设备102使用CMOS技术而形成并且包括嵌入第二导电率类型的衬底132或者衬底的区域中的第一导电率类型的导电井130。例如，在一个实施例中，垂直霍尔效应传感器102包括嵌入P型衬底中的N型井。在另一个实施例中，垂直霍尔效应传感器包括嵌入N型衬底中的P型井。在一个实施例中，井130和衬底132被掺杂以提供第一和第二导电率类型，但是导电率可以以任何合适方式通过井和衬底来提供。

霍尔设备102包括布置在井130中的直线上的八个欧姆接触部134、136、138、140、142、144、146、148，该直线通常平行于井130和衬底132的上表面以实现垂直霍尔效应设备。接触部134、136、138、140、142、144、146、148暴露于井130的上表面，在该上表面它们连接到布线端子110、112、114、116、118、120。在一个实施例中，欧姆接触部134、136、138、140、142、144、146、148被提供为在井内的第一导电率类型的更高掺杂区域（例如，N型井中的N+掺杂或者P型井中的P+掺杂）。

欧姆接触部包括两个外接触部134、148（即第一和第八接触部，其布置在接触部的线的每一端），以及六个内接触部136、138、140、142、144、146（即第二至第七接触部，其布置在两个外接触部134、148之间）。每一个接触部与线上的相邻接触部分隔开预定距离。第一接触部（外接触部134）电连接到第六接触部（内接触部144），以及第八接触部（外接触部148）电连接到第三接触部（内接触部138）。第一和第六接触部以及第三和第八接触部可以例如通过敷金属或者半导体技术中可获得的其他手段被电连接。

接触部的尺寸以及接触部之间的间距至少部分取决于期望的传感器特性以及半导体制造技术允许的限制。例如，在图2的实施例中，接触部可提供有制造工艺允许的最小长度以及最小间距，但并非必须的。在图2的实施例中，内接触部136、138、140、142、144、146的每个与彼此分隔开距离A。外接触部134、148的每个与相邻的内接触部136、146分隔开距离B。在一个实施例中，针对外接触部134、148的间距B大于内接触部136、138、140、142、144、146之间的间距A。这有助于减少设备102的预-自旋偏移和电压偏移。可选择间距B以实现在传感器的每一种偏置模式下的标称零偏移。例如，在一个特定实施例中，选择间距B为内接触部之间的间距A的两倍。

接触部134、136、138、140、142、144、146、148如图2所描绘地连接到六个端子110、112、114、116、118、120。在图2的实施例中，第二接触部136连接到端子110；连接的第三和第八接触部对138、148连接到端子112；第四接触部140连接到端子114；第五接触部142连接到端子116；连接的第六和第一接触部对144、134连接到端子118；以及第七接触部146连接到端子120。通过如本文描述的那样互连接触部，垂直霍尔效应设备提供有在偏置模式之间的高度对称性以及接触部之间的最小间距。这种对称性使得自旋电流技术能够用于减少或者去除霍尔效应设备102的偏移。

为了实现自旋电流方案，霍尔设备102具有多个偏置模式，这些偏置模式定义了哪些接触部连接到偏置源106和测量设备108。在一种操作模式下，内端子112、114、116和118中的交替对连接到偏置源和地以将电流引入井内，并且剩余端子连接到测量设备108的输入以测量霍尔电压。在该实施例中，提供了两种偏置模式。在第一偏置模式下，端子112、116连接到偏置源106和地以提供到井中的电流路径，并且剩余端子110、114、118、120连接到测量设备以测量霍尔电压。在第二偏置模式下，端子114、118连接到偏置源106和地以提供到井中的电流路径，并且剩余端子110、112、116、120连接到测量设备以测量霍尔电压。

在这种操作模式下，第二接触部136和第七接触部146分别服务于更准确地定义设备一端的第一接触部134和第三接触部138之间以及第六接触部144和第八接触部148之间的阻抗的目的。如果仅仅考虑相邻接触部之间的阻抗，那么第一接触部134和第三接触部138之间的阻抗将恰好是第三接触部138和第四接触部140之间的阻抗的两倍，并且第八接触部148和第六接触部144之间的阻抗将恰好是第六接触部144和第五接触部142之间的阻抗的两倍。由于接触部136、146实现这样的阻抗比率（即，2），端子112、114、116、118将看到具有平衡桥并且因此没有内置偏移的霍尔传感器。

霍尔设备102包括另一种操作模式，其中外端子110、120用于为测量设备108提供输出电压。在该实施例中，测量设备包括两个输入端子。基于归因于到井边缘的有限距离所带来的电流积聚来确定所述偏移。然后可使用标称对等的端子110、120之间的电压差来电子补偿所述偏移。在该实施例中，通过以交替序列驱动端子对112、116和端子对114、118来如上所描述那样使用内端子112、114、116、118。

虽然已经在附图和前述描述中图示和详细描述本公开，但是其在特性上应该被视为说明性的而非限制性的。要理解的是，仅给出了优选的实施例，并且期望保护落在本公开的精神内的所有变化、修改和进一步应用。

Claims (17)

1.一种垂直霍尔效应传感器，包括：

霍尔效应设备，包括：

衬底，具有顶表面和顶表面之下的第一导电率类型的区域；

导电井，嵌入所述区域中并且具有第二导电率类型；

第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部，在导电井内的行中被依次布置并且彼此分隔开，所述行平行于所述顶表面，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部中的每一个具有与井的导电率不同的导电率；

电压测量设备，包括四个输入端子；

开关设备，配置为连接到偏置源并且包括：

四个输出端子，其分别电连接到开关设备的四个输入端子；以及

第一、第二、第三、第四、第五和第六输入端子；

其中第一和第六欧姆接触部彼此电连接且电连接到开关设备的第五输入端子，

其中第三和第八欧姆接触部彼此电连接且电连接到开关设备第二输入端子，

其中第二欧姆接触部电连接到开关设备的第一输入端子，

其中第四欧姆接触部电连接到开关设备的第三输入端子，

其中第五欧姆接触部电连接到开关设备的第四输入端子，

其中第七欧姆接触部电连接到开关设备的第六输入端子，

其中开关设备包括多种操作模式，并且

其中在每一种操作模式下，开关设备配置为将从开关设备的第一、第二、第三、第四、第五和第六输入端子选择的两个输入端子分别电连接到偏置源和地，并且将开关设备剩余的不连接到偏置源和地的四个输入端子分别经由开关设备的四个输出端子电连接到电压测量设备的四个输入端子，

其中第一欧姆接触部与第二欧姆接触部分隔开并且第八欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第一距离，

其中第二欧姆接触部与第三欧姆接触部分隔开、第三欧姆接触部与第四欧姆接触部分隔开、第四欧姆接触部与第五欧姆接触部分隔开、第五欧姆接触部与第六欧姆接触部分隔开、以及第六欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第二距离，并且

其中第一距离大于第二距离。

2.根据权利要求1所述的垂直霍尔效应传感器，其中开关设备包括这样的操作模式，在所述操作模式下，

分别电连接到偏置源和地的两个输入端子包括选自开关设备的第二、第三、第四和第五输入端子的交替对的输入端子，并且

连接到开关设备的四个输出端子的剩余的四个输入端子包括第一和第六输入端子以及第二、第三、第四和第五输入端子中没有连接到偏置源或地的剩余两个输入端子而达到四个。

3.根据权利要求1所述的垂直霍尔效应传感器，其中第二距离大约是第一距离的一半。

4.根据权利要求1所述的垂直霍尔效应传感器，其中导电井包括N-型导电率，并且所述区域包括P-型导电率。

5.根据权利要求4所述的垂直霍尔效应传感器，其中第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八欧姆接触部包括比导电井的N-型导电率更高度掺杂的N-型导电率。

6.根据权利要求1所述的垂直霍尔效应传感器，其中第一和第六欧姆接触部以及第三和第八欧姆接触部经由敷金属电连接。

7.根据权利要求1所述的垂直霍尔效应传感器，其中电压测量设备配置为处理跨电压测量设备的四个输入端子接收的电压，以确定对应于磁场的测量的霍尔电压。

8.一种霍尔效应设备，包括：

衬底，具有顶表面和顶表面之下的第一导电率类型的区域；

导电井，嵌入所述区域中并且具有第二导电率类型；

第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部，在导电井内的行中被依次布置并且彼此分隔开，所述行平行于所述顶表面，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部中的每一个具有与井的导电率不同的导电率；

其中第一和第六欧姆接触部彼此电连接，并且第三和第八欧姆接触部彼此电连接并且电连接到开关设备的第二输入端子，

其中第一欧姆接触部与第二欧姆接触部分隔开并且第八欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第一距离，

其中第二欧姆接触部与第三欧姆接触部分隔开、第三欧姆接触部与第四欧姆接触部分隔开、第四欧姆接触部与第五欧姆接触部分隔开、第五欧姆接触部与第六欧姆接触部分隔开、以及第六欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第二距离，并且

其中第一距离大于第二距离。

9.根据权利要求8所述的霍尔效应设备，其中第二距离大约是第一距离的一半。

10.根据权利要求8所述的霍尔效应设备，其中导电井包括N-型导电率，并且所述区域包括P-型导电率。

11.根据权利要求10所述的霍尔效应设备，其中第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八欧姆接触部包括比导电井的N-型导电率更高度掺杂的N-型导电率。

12.根据权利要求8所述的霍尔效应设备，其中第一和第六欧姆接触部以及第三和第八欧姆接触部经由敷金属电连接。

13.一种制造霍尔效应设备的方法，所述方法包括：

形成在衬底的一区域中的导电井内的行中依次地并且彼此分隔开的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部，导电井具有第一导电率类型并且所述区域具有第二导电率类型，所述行平行于衬底的上表面，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八欧姆接触部中的每一个具有不同于井的导电率的导电率；以及

将第一和第六欧姆接触部彼此电连接，并且将第三和第八接触部彼此电连接；

其中第一欧姆接触部与第二欧姆接触部分隔开并且第八欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第一距离，

其中第二欧姆接触部与第三欧姆接触部分隔开、第三欧姆接触部与第四欧姆接触部分隔开、第四欧姆接触部与第五欧姆接触部分隔开、第五欧姆接触部与第六欧姆接触部分隔开、以及第六欧姆接触部与第七欧姆接触部分隔开第二距离，并且

其中第一距离大于第二距离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中第二距离大约是第一距离的一半。

15.根据权利要求13所述的方法，其中导电井包括N-型导电率，并且所述区域包括P-型导电率。

16.根据权利要求15所述的方法，其中第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八欧姆接触部包括比导电井的N-型导电率更高度掺杂的N-型导电率。

17.根据权利要求13所述的方法，其中第一和第六欧姆接触部以及第三和第八欧姆接触部经由敷金属电连接。

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