CN109521379A - 用于检测二维平面内磁场的垂直霍尔效应传感器 - Google Patents

用于检测二维平面内磁场的垂直霍尔效应传感器 Download PDF

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CN109521379A CN201810999441.5A CN201810999441A CN109521379A CN 109521379 A CN109521379 A CN 109521379A CN 201810999441 A CN201810999441 A CN 201810999441A CN 109521379 A CN109521379 A CN 109521379A
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拜伦·乔恩·罗德里克·沙尔弗
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Abstract

本公开涉及一种用于检测二维平面内磁场的垂直霍尔效应传感器。在一个实施方案中，所述公开的微电子装置(100)包含垂直霍尔板(108)，其具有十字形上部终端(110)和包含埋层(118)的下部终端。所述十字形上部终端(110)在其中接触所述垂直霍尔板(108)之处具有5比12的长宽比。所述长度是从所述十字形上部终端(110)的一个臂的一端到相对臂的相对端测量的。所述宽度是两个臂的平均宽度。霍尔感测分接头(122)位于所述十字形上部终端(110)外。电流返回区域(120)连接到所述埋层(118)。

Description

用于检测二维平面内磁场的垂直霍尔效应传感器
技术领域
本公开涉及微电子装置的领域。更明确地说，本公开涉及微电子装置中的霍尔传感器。
背景技术
使用微电子装置感测二维中的磁场涉及敏感性与成本之间的权衡。霍尔效应传感器提供低成本解决方案，因为可将霍尔板集成到常规集成电路内，但已经缺乏二维磁场传感器的敏感性。明确地说，在增大敏感性的同时减小霍尔单元的电阻以降低功耗已经是有问题的。
发明内容
本公开介绍一种用于使用垂直霍尔传感器测量二维中的磁场的微电子装置。在一个实施方案中，所述公开的微电子装置包含垂直霍尔板，其具有接触所述垂直霍尔板的顶部的十字形上部终端；和接触所述垂直霍尔板的底部的埋层。所述上部终端的十字形部件具有5比12的长宽比。霍尔感测分接头位于所述垂直霍尔板的周边周围。有利地，与其它二维垂直霍尔传感器配置相比，所述垂直霍尔传感器提供较高敏感性对电阻比。
附图说明
图1是包含2D垂直霍尔单元的实例微电子装置的分解图。
图2是在微电子装置中的实例2D垂直霍尔单元的十字形上部终端的俯视图。
图3是实例2D垂直霍尔单元的磁场测量敏感性对电阻的比率的图表。
图4是包含2D垂直霍尔单元的实例微电子装置的分解图。
图5A到图5E是按实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。
图6A到图6D是按另一实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。
图7A到图7E是按再一实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。
图8是包含2D垂直霍尔单元的再一实例微电子装置的分解图。
具体实施方式
参看附图描述本公开。所述图未按比例绘制且它们仅被提供以说明本公开。以下参照用于说明的实例应用来描述本公开的若干方面。应理解，阐述众多具体细节、关系及方法以提供了对本公开的理解。本公开不受动作或事件的说明排序限制，因为一些动作可以与其它动作或事件按不同次序发生和/或同时发生。此外，不需要所有所说明的动作或事件来实施根据本公开的方法。
微电子装置包含用于测量在所述微电子装置的顶表面的平面中的二维中的磁场的二维(2D)垂直霍尔单元。所述2D垂直霍尔单元具有垂直霍尔板，其具有接触垂直霍尔板的顶部的十字形上部终端；和接触所述垂直霍尔板的底部的埋层。所述十字形上部终端可具有至少10倍于所述垂直霍尔板的平均电导率的平均电导率。
所述埋层具有至少10倍于所述垂直霍尔板的平均电导率的平均电导率。电导率可按ohm-1cm-1的单位表达。上部终端的十字形部件具有5比12的长宽比。霍尔感测分接头位于垂直霍尔板的周边周围。微电子装置可有利地在半导体衬底中实施为集成电路的部分。
为了本公开的目的，将术语“侧向”和“侧向地”理解为指平行于衬底的顶表面的平面的方向。将“垂直”理解为指垂直于衬底的顶表面的平面的方向。注意，例如顶部、底部、在……上和在……下的术语可在本公开中使用。这些术语不应被理解为限制结构或元件的位置或定向，但应用以提供结构或元件之间的空间关系。
图1是包含2D垂直霍尔单元的实例微电子装置的分解图。微电子装置100包含具有半导体材料104的衬底102。在本实例中，半导体材料104可为p型，如在图1中指示。衬底102可以是半导体晶片的部分，或适合于微电子装置100的其它材料。
2D垂直霍尔单元106包含在衬底102中的半导体材料的垂直霍尔板108。在本实例中，垂直霍尔板108可为n型，如在图1中指示。垂直霍尔板108可具有(例如)1×1015cm-3到5×1016cm-3的平均掺杂剂密度。较低平均掺杂剂密度倾向于增大2D垂直霍尔单元106的敏感性，而且增大其电阻。可通过具有从1×1015cm-3到5×1016cm-3的垂直霍尔板108的平均掺杂剂密度来达到磁场测量敏感性对电阻的所要的最大比率。
2D垂直霍尔单元106进一步包含在垂直霍尔板108上的十字形上部终端110。在微电子装置100的操作期间，十字形上部终端110当前均匀地分布于十字形上部终端110与垂直霍尔板108之间的界面处，到垂直霍尔板108内。在本实例中，十字形上部终端110包含在衬底102中的上部接触区域112，所述上部接触区域112具有延伸到衬底102的顶表面114的十字形区。上部接触区域112具有与垂直霍尔板108相同的导电类型，其在本实例中为n型。上部接触区域112直接接触垂直霍尔板108。在本实例的一个方面，上部接触区域112可具有是垂直霍尔板108的平均电导率的至少10倍大的平均电导率，以提供到垂直霍尔板108内的电流的所要的均匀性。在另一方面中，上部接触区域112可具有至少100倍于垂直霍尔板108的平均掺杂剂密度的平均掺杂剂密度，以提供到垂直霍尔板108内的电流的所要的均匀性。在本实例中，十字形上部终端110还可包含紧处于上部接触区域112上的金属硅化物116。金属硅化物116可包含(例如)硅化铂、硅化钛、硅化钴或硅化镍。作为通过自对准硅化物工艺形成的结果，金属硅化物116可在上部接触区域112上延伸且与上部接触区域112相连。金属硅化物116可具有比上部接触区域112高的电导率，且因此可进一步改善到垂直霍尔板108内的电流的均匀性。十字形上部终端110从第一臂的一端到第二相对臂的对应端的长度(其接触垂直霍尔板108之处)为第一和第二臂的平均宽度的5比12倍。类似地，十字形上部终端110从第三臂的一端到第四相对臂的对应端的长度(其接触垂直霍尔板108之处)为第三和第四臂的平均宽度的5比12倍，所述第三和第四臂垂直于第一和第二臂。在本实例中，十字形上部终端110在上部接触区域112的底部接触垂直霍尔板108，因此上部接触区域112沿着第一和第二臂的长度是上部接触区域112沿着第一和第二臂的平均宽度的5比12倍，且对于上部接触区域112沿着第三和第四臂，情况类似。十字形上部终端110具有是垂直霍尔板108的平均电导率的至少10倍大的平均电导率，以提供到垂直霍尔板108内的电流的所要的均匀性。
2D垂直霍尔单元106还包含在垂直霍尔板108下的衬底102中的埋层118。埋层118具有与垂直霍尔板108相同的导电类型，其在本实例中为n型。埋层118直接接触垂直霍尔板108且侧向延伸经过垂直霍尔板108到在垂直霍尔板108外位于衬底102中的电流返回区域120。埋层118的顶表面可(例如)在衬底102的顶表面114下方3微米到5微米处。更深埋层118或更浅埋层118在本实例的范围内。埋层118具有垂直霍尔板108的平均电导率至少10倍大的平均电导率。在本实例的一个方面，埋层118可具有垂直霍尔板108的平均掺杂剂密度至少10倍大的平均掺杂剂密度。
2D垂直霍尔单元106包含接触垂直霍尔板108的霍尔感测分接头122。在本实例中，霍尔感测分接头122可位于衬底的顶表面114处，最接近十字形上部终端110。作为同时形成的结果，霍尔感测分接头122可包含具有与垂直霍尔板108相同的导电类型的分接头接触区域，和与上部接触区域112大体上类似的掺杂剂分布。
电流返回区域120可具有与垂直霍尔板108相同的导电类型。在本实例中，电流返回区域120可从埋层118向上朝向衬底102的顶表面114延伸，到衬底102中的返回接触区域126。在本实例的一个方面，作为同时形成的结果，电流返回区域120可具有类似于垂直霍尔板108的掺杂剂分布。在另一方面中，电流返回区域120可具有显著比垂直霍尔板108的平均掺杂剂密度大的平均掺杂剂密度，以减小2D垂直霍尔单元106的总电阻。返回接触区域126具有与电流返回区域120相同的导电类型。返回接触区域126可延伸到衬底102的顶表面114，且作为同时形成的结果，可具有与上部接触区域112大体上类似的掺杂剂分布。电流返回区域120可与垂直霍尔板108由衬底102的p型半导体材料124侧向隔离，与使用更复杂的隔离结构相比，这可有利地减少微电子装置100的制造成本和复杂性。用于将电流返回区域120与垂直霍尔板108侧向隔离的其它结构(例如，具有电介质填充材料的沟槽)在本实例的范围内。
上部接触区域112、霍尔感测分接头122和返回接触区域126可由场氧化物128侧向分开。作为通过浅沟槽隔离(STI)工艺形成的结果，场氧化物128可具有具如图1中所描绘的近垂直侧向轮廓的STI结构。替代地，场氧化物128可通过硅的局部氧化(LOCOS)工艺形成，且具有锥形侧向轮廓。
2D垂直霍尔单元106可包含沿着十字形上部终端110分布的触点130、在触点130上的第一互连层面的金属衬垫132、分布于金属衬垫132上的导通体134和在导通体134上的第二互连层面的电流源导线136。触点130可具有密度和空间分布以有利地减小2D垂直霍尔单元106的总电阻。举例来说，触点130可延伸到十字形上部终端110的端部。类似地，导通体134可被配置成进一步减小总电阻。
在微电子装置100的操作期间，通过电流源导线136、导通体134、金属衬垫132和触点130将电流提供到十字形上部终端110。十字形上部终端110有利地提供到垂直霍尔板108内的均匀电流分布，这归因于十字形上部终端110的电导率比在垂直霍尔板108中显著更大，例如，至少是10倍大。电流向下流动通过垂直霍尔板108到埋层118。因为埋层118的电导率是在垂直霍尔板108中的电导率的至少10倍，所以通过垂直霍尔板108的电流可维持从上部接触区域112到埋层118的十字形构形。电流流过埋层118到电流返回区域120，且接着向上通过电流返回区域120到返回接触区域126。具有平行于衬底102的顶表面114的分量的磁场可引起通过垂直霍尔板108的电流的侧向偏转，从而产生跨垂直霍尔板108位置相互相对的霍尔感测分接头122对之间的电压差。电压差可用以估计平行于衬底102的顶表面114的磁场的分量的量值和定向。与针对每一测量方向使用分开的霍尔板的配置相比，2D垂直霍尔单元106的配置可有利地实现2D垂直霍尔单元106的紧凑布局，其中在垂直方向上的霍尔电压是使用垂直霍尔板108测量的。与其它配置相比，在两个方向上，沿着臂，十字形上部终端110的纵横比是5比12可提供针对2D垂直霍尔单元106的较大的磁场测量敏感性对电阻的比率，从而有利地提供功率消耗与敏感性的所要的平衡。
本实例公开具有n型垂直霍尔板的2D垂直霍尔单元。具有p型垂直霍尔板的对应的2D垂直霍尔单元可通过掺杂剂和导电类型的极性的适当改变来实现。具有非半导体电阻性材料的垂直霍尔板的另一2D垂直霍尔单元在本实例的范围内。
图2是在微电子装置中的实例2D垂直霍尔单元的十字形上部终端的俯视图。微电子装置200具有垂直霍尔板208和接触垂直霍尔板208的十字形上部终端210。在十字形上部终端210与垂直霍尔板208的接触的平面中，从十字形上部终端210的第一臂240的端部到十字形上部终端210的第二臂242的端部的十字形上部终端210的第一长度238是第一臂240和第二臂242的平均宽度244的5比12倍。第二臂242位置与第一臂240相对。类似地，在十字形上部终端210与垂直霍尔板208的接触的平面中，从十字形上部终端210的第三臂248的端部到十字形上部终端210的第四臂250的端部的十字形上部终端210的第二长度246是第三臂248和第四臂250的平均宽度252的5比12倍。第三臂248位置与第四臂250相对。第三臂248和第四臂250垂直于第一臂240和第二臂242定向。
图3是实例2D垂直霍尔单元的磁场测量敏感性对电阻的比率的图表。实例2D垂直霍尔单元具有与图1中公开的结构类似的结构。图表的垂直轴标记出具有变化的臂长度的2D垂直霍尔单元的在线性标度上的磁场测量敏感性对电阻的比率。水平轴标记出对于2D垂直霍尔单元的在线性标度上的长度对宽度的比率，如关于图2定义。图表中的实心数据点由2D垂直霍尔单元的数字模拟提供。中空数据点是通过具有2D垂直霍尔单元的制造的微电子装置的电测试结果提供。实心数据点和中空数据点在垂直轴上使用相同标度。描绘为图表中的连续曲线的实心数据点的趋势曲线指示当长度对宽度的比率具有从5比12的值时，磁场测量敏感性对电阻的比率达到最大值。测量的数据支持所述趋势，其中随着长度对宽度的比率从大致5增大到大致7，磁场测量敏感性对电阻的比率增大。
图4是包含2D垂直霍尔单元的实例微电子装置的分解图。微电子装置400包含具有半导体材料404的衬底402，所述半导体材料可为p型，如在图4中指示。场氧化物428可安置于衬底402中。
2D垂直霍尔单元406包含在衬底402中的半导体材料的垂直霍尔板408。在本实例中，垂直霍尔板408可为n型。2D垂直霍尔单元406进一步包含在垂直霍尔板408上的十字形上部终端410。在本实例中，十字形上部终端410包含在衬底402中紧处于垂直霍尔板408上的n型半导体材料的上部接触区域412，其延伸到衬底402的顶部表面414。上部接触区域412可具有至少100倍于垂直霍尔板408的平均掺杂剂密度的平均掺杂剂密度。上部接触区域412可具有至少100倍于垂直霍尔板408的平均电导率的平均电导率。在本实例中，十字形上部终端410还可包含紧处于上部接触区域412上的金属硅化物416。金属硅化物416可在上部接触区域412上延伸。十字形上部终端410的长度(其接触垂直霍尔板408之处)为十字形上部终端410的臂的平均宽度的5比12倍，如关于图1和图2所定义。2D垂直霍尔单元406还包含在垂直霍尔板408下的衬底402中的n型半导体材料的埋层418。埋层418侧向延伸经过垂直霍尔板408到在垂直霍尔板408外位于衬底402中的电流返回区域420。在本实例的一个方面，埋层418可具有至少10倍于垂直霍尔板408的平均掺杂剂密度的平均掺杂剂密度。在另一方面中，埋层418可具有是垂直霍尔板408的平均电导率至少10倍大的平均电导率。2D垂直霍尔单元406包含电耦合到垂直霍尔板408的霍尔感测分接头422。霍尔感测分接头422可具有类似于关于图1的霍尔感测分接头122描述的结构的结构。
本实例的电流返回区域420可包含具有是垂直霍尔板408的平均掺杂剂密度的至少10倍大的平均掺杂剂密度的n型半导体，以有利地减小2D垂直霍尔单元406的总电阻。在本实例中，电流返回区域420可从埋层418延伸到n型半导体材料的返回接触区域426。电流返回区域420可通过从场氧化物428延伸到埋层418的深沟槽454与垂直霍尔板408侧向隔离。深沟槽454可含有例如二氧化矽的介电材料以将电流返回区域420与垂直霍尔板408电隔离。与其它隔离结构相比，深沟槽454可有利地实现2D垂直霍尔单元406的减小的面积。用于隔离电流返回区域420与垂直霍尔板408的其它结构(例如，具有p型半导体材料的结构)在本实例的范围内。
本实例的2D垂直霍尔单元406包含在十字形上部终端410的臂上连续地延伸的十字形触点456。与离散触点相比，十字形触点456可有利地提供到十字形上部终端410和因此到垂直霍尔板408的更均匀电流。与使用离散导通体的类似单元相比，十字形触点456也可减小2D垂直霍尔单元406的总电阻。2D垂直霍尔单元406可进一步包含在十字形触点456上的第一互连层面的金属衬垫432，和分布于金属衬垫432上的导通体434。
图5A到图5E是按实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。参看图5A，微电子装置500的形成开始于提供具有p型半导体材料504的基底晶片558。屏蔽氧化物层560可形成于基底晶片558上以在后续工艺步骤期间保护基底晶片558的顶表面。植入掩模562形成于基底晶片558上，从而暴露2D垂直霍尔单元506的区中用于埋层的区。植入掩模562可包含二氧化硅或氮化硅。将例如锑或砷的第一剂量的n型掺杂剂植入到由植入掩模562暴露的基底晶片558内，以形成经植入层564。可按大于1×1015cm-2的剂量植入第一剂量的n型掺杂剂以提供用于埋层的所要的高电导率。随后去除植入掩模562。
参看图5B，执行加热基底晶片558的热驱动操作，从而将半导体材料504退火并扩散和活化图5A的经植入层564中的经植入的n型掺杂剂以形成n型扩散区域566。热驱动操作可具有包含氧气或水蒸气的氧化环境，从而使屏蔽氧化物层560厚度增大，如在图5B中指示。随后去除屏蔽氧化物层560。
参看图5C，p型半导体材料的外延层568形成于基底晶片558上。外延层568与基底晶片558的组合提供微电子装置500的衬底502。外延层568可在使图5B的n型扩散区域566中的n型掺杂剂更深得扩散到基底晶片558内并且还扩散到外延层568内的温度下形成，以形成埋层518。替代地，可在形成外延层568后执行退火操作，以扩散n型掺杂剂以形成埋层518。退火操作可被称作热驱动操作。
参看图5D，场氧化物528形成于衬底502中，具有用于上部接触区域512的开口、在上部接触区域512外的霍尔感测分接头522和在霍尔感测分接头522外的电流返回接触区域526。在本实例的一个型式中，场氧化物528可通过STI工艺形成，涉及蚀刻半导体材料504中的浅沟槽和用二氧化硅填充沟槽。在另一型式中，场氧化物528可通过LOCOS工艺形成，涉及图案化氮化硅掩模和在暴露的区中生长热氧化物。
同时在用于2D垂直霍尔单元506的垂直霍尔板的区中和在用于2D垂直霍尔单元506的电流返回区域的区中将例如磷的第二剂量的n型掺杂剂植入到衬底502内。第二剂量的n型掺杂剂可具有1×1011cm-2到1×1013cm-2的剂量，以提供垂直霍尔板的所要的电导率。经植入的n型掺杂剂在用于垂直霍尔板的区中形成霍尔板植入的区域570，且在用于电流返回的区中形成电流返回植入的区域572。植入n型掺杂剂以同时形成霍尔板植入的区域570和电流返回植入的区域572可有利地减少微电子装置500的制造成本和复杂性。
参看图5E，执行也被称作热驱动操作的退火操作，其中加热衬底502以在图5D的霍尔板植入的区域570和电流返回植入的区域572中扩散n型掺杂剂，以分别形成垂直霍尔板508和电流返回区域520。电流返回区域520与垂直霍尔板508由外延层568的部分524侧向分开。垂直霍尔板508和电流返回区域520延伸到埋层518。
图6A到图6D是按另一实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。参看图6A，微电子装置600的形成包含在包含基底晶片658和在基底晶片658上的外延层668的衬底602中形成埋层618。举例来说，可如关于图5A到图5C所描述来形成埋层618。基底晶片658和外延层668可包含p型半导体材料604，如在图6A中所指示，而埋层618可包含具有大于1×1019cm-3的平均掺杂剂密度的n型材料，以提供用于埋层618的所要的高电导率。
深沟槽654形成于衬底602中，所述深沟槽从衬底602的顶部表面614延伸到埋层618，围住用于2D垂直霍尔单元606的垂直霍尔板的区域。深沟槽654可(例如)通过以深反应性离子蚀刻(DRIE)工艺从衬底去除材料以形成沟槽和在沟槽中形成介质材料(包含热氧化物)来形成。深沟槽654可具有如图6A中所展示的十字形轮廓以在微电子装置600的操作期间增强垂直霍尔板中的电流方向性。替代地，深沟槽654可具有圆或方轮廓以当在沟槽中形成介质材料时提供额外工艺宽容度。
参看图6B，场氧化物628形成于衬底602中，其具有用于上部接触区域612的开口、在上部接触区域612外的霍尔感测分接头622和在霍尔感测分接头622外的电流返回接触区域626。将例如磷的第一剂量的n型掺杂剂植入到在用于垂直霍尔板的区中的外延层668内以形成霍尔板植入的区域670。第一剂量的n型掺杂剂可具有1×1011cm-2到1×1013cm-2的剂量，以提供用于垂直霍尔板的所要的电导率。可以任选地同时将第一剂量的n型掺杂剂植入到在深沟槽654外的电流返回区域的区内，以增大电流返回中的总掺杂剂密度。
参看图6C，将例如磷的第二剂量的n型掺杂剂植入到在用于电流返回区域的区中的外延层668内，以在深沟槽654外形成电流返回植入的区域672。第二剂量的n型掺杂剂可具有1×1014cm-2到1×1016cm-2的剂量，以提供用于随后形成的电流返回的所要的低电阻。
参看图6D，执行退火操作，其中加热衬底602以在图5D的霍尔板植入的区域670和电流返回植入的区域672中扩散n型掺杂剂，以分别形成垂直霍尔板608和电流返回区域620。电流返回区域620与垂直霍尔板608由深沟槽654侧向分开。按单独的植入剂量形成垂直霍尔板608和电流返回区域620可有利地提供用于2D垂直霍尔单元606的所要的敏感性和低电阻。
图7A到图7E是按再一实例形成方法的阶段描绘的含有2D垂直霍尔单元的微电子装置的横截面。参看图7A，提供用于微电子装置700的衬底702；衬底702包含延伸到衬底702的顶表面714的半导体材料704。2D垂直霍尔单元706的垂直霍尔板708形成于半导体材料704中。举例来说，可如关于图5D和图5E或关于图6B到图6D所公开来形成垂直霍尔板708。在本实例中，垂直霍尔板708可为n型，如在图7A中所指示，具有(例如)5×1015cm-3到5×1016cm-3的平均掺杂剂密度。
可通过STI工艺或LOCOS工艺在衬底702中形成场氧化物728。场氧化物728具有用于垂直霍尔板708上的上部接触区域712的开口，也被称作活性区。上部接触区域712是2D垂直霍尔单元706的十字形上部终端710的部分。上部接触区域712具有与垂直霍尔板708相同的导电类型，其在本实例中为n型。上部接触区域712合乎需要地具有比垂直霍尔板708大得多(例如，至少100倍大)的电导率，以提供从上部接触区域712到垂直霍尔板708内的均匀电流密度。上部接触区域712可因此具有5×1018cm-3到5×1020cm-3的平均掺杂剂密度。上部接触区域712可通过按(例如)3×1014cm-2到3×1016cm-2的剂量将例如磷和砷的n型掺杂剂植入到衬底702内来形成。
参看图7B，金属硅化物716形成于上部接触区域712上，作为十字形上部终端710的部分。用于形成金属硅化物716的实例过程包含在上部接触区域712和场氧化物728上形成耐火金属(例如，铂、钛、镍并伴有少量百分比的铂，或钴)层，使得耐火金属触点暴露上部接触区域712中的硅。氮化钛的盖层形成于耐火金属上以提供扩散势垒。随后加热耐火金属，例如，在快速热处理器中，以使耐火金属与暴露的硅反应以形成金属硅化物716。随后去除未反应的耐火金属，例如，通过使用酸或碱反应剂的水溶液进行的湿式蚀刻。随后可将金属硅化物716退火以提供所要的结晶相，例如，硅化钛的C54相。金属硅化物716合乎需要地跨在衬底702的顶表面714处的上部接触区域712连续地延伸，这可进一步改善从上部接触区域712到垂直霍尔板708的电流密度的均匀性。
参看图7C，介电层774形成于场氧化物728和金属硅化物716上。介电层774可为金属前电介质(PMD)层774，其包含一或多个电介质材料的子层，例如，氮化硅的PMD内衬、使用原硅酸四乙酯(TEOS)和臭氧通过高密度等离子体或化学气相沉积(CVD)工艺形成的基于二氧化硅的材料层、例如磷硅酸盐玻璃(PSG)或硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)的基于二氧化硅的材料层，和氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳化硅氮化物的盖层。
十字形接触孔776穿过电介质层774形成，从而暴露金属硅化物716。在本实例的一个型式中，十字形接触孔776可与金属硅化物716大体上相连，如图7C中所描绘。在另一型式中，十字形接触孔776可延伸经过金属硅化物716。在再一型式中，十字形接触孔776可从金属硅化物716的侧向边界凹入。十字形接触孔776通过反应性离子蚀刻(RIE)工艺形成。
参看图7D，触点金属778形成于电介质层774上，延伸到十字形接触孔776内且进行与金属硅化物716的电接触。触点金属778可包含在电介质层774和金属硅化物716上的金属内衬780，和在金属内衬780上的填充金属782。形成金属内衬780的实例方法可包含(例如)通过溅镀或电离金属等离子体(IMP)工艺在电介质层774上形成金属内衬780的钛内衬，和延伸到十字形接触孔776内到金属硅化物716上。通过反应性溅镀或原子层沉积(ALD)在钛内衬上形成金属内衬780的氮化钛内衬。填充金属782可通过两步骤金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺使用六氟化钨(WF6)来形成。在两步骤MOCVD工艺的第一步骤中，六氟化钨可通过硅烷还原以避免生成有害的可扩散穿过金属内衬780且损坏电介质层774的大量氟化氢(HF)。在两步骤MOCVD工艺的第二步骤中，六氟化钨可通过氢还原以提供十字形接触孔776的更均匀填充。
参看图7E，从电介质层774上去除触点金属778，从而留下十字形接触孔776中的触点金属778以在十字形上部终端710上提供十字形触点756。可通过回蚀工艺或金属化学机械抛光(CMP)工艺或其组合从电介质层774上去除触点金属778。十字形触点756可有利地改善从上部接触区域712到垂直霍尔板708内的电流密度的均匀性。
图8是包含2D垂直霍尔单元的再一实例微电子装置的分解图。微电子装置800包含所述可为p型的半导体材料804的衬底802，如在图4中指示。场氧化物828可安置于衬底802中。2D垂直霍尔单元806包含衬底802中的半导体材料的垂直霍尔板808。在本实例中，垂直霍尔板808可为n型。作为通过植入n型掺杂剂且通过热驱动操作将掺杂剂扩散到埋层818来形成的结果，垂直霍尔板808可具有靠近衬底802的顶表面814比靠近埋层818高的掺杂剂密度。
2D垂直霍尔单元806包含在垂直霍尔板808上的十字形上部终端810。在本实例中，十字形上部终端810包含在衬底802中紧处于垂直霍尔板808上的n型半导体材料的上部接触区域812，其延伸到衬底802的顶表面814。十字形上部终端810的长度(其接触垂直霍尔板808之处)为十字形上部终端810的臂的平均宽度的5比12倍，如关于图1和图2所定义。2D垂直霍尔单元806还包含在垂直霍尔板808下的衬底802中的n型半导体材料的埋层818。埋层818侧向延伸经过垂直霍尔板808到在垂直霍尔板808外位于衬底802中的电流返回区域820。
在本实例中，2D垂直霍尔单元806包含在垂直霍尔板808的周边周围的衬底802的顶表面814处的霍尔感测分接头822。霍尔感测分接头822在比到衬底802的顶表面814更靠近埋层818的垂直位置处电耦合到垂直霍尔板808。在霍尔感测分接头822与十字形上部终端810之间，隔离沟槽884延伸到衬底802内，中途延伸到埋层818，使得霍尔感测分接头822电耦合到在隔离沟槽884的底部下方的垂直霍尔板808。隔离沟槽884可具有热二氧化硅的电介质内衬，且可填充有通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺或通过以硅烷的热分解形成的多晶硅形成的二氧化硅。归因于垂直霍尔板808的掺杂剂分布，垂直霍尔板808可在隔离沟槽884的底部具有比紧处于场氧化物828下低的掺杂剂密度。在具有较低掺杂剂密度的位置处将霍尔感测分接头822电耦合到垂直霍尔板808可改善2D垂直霍尔单元806的敏感性，因为敏感性倾向于随着掺杂剂密度减小而增大。
尽管以上已经描述了本公开的各种实施例，但是应理解，它们已仅通过实例且非限制来提出。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可根据本文中的公开内容进行对公开的实施例的众多改变。因此，本发明的宽度和范围不应受到上述实施例中的任一个限制。相反地，应根据所附权利要求书和其等效物来定义本公开的范围。

Claims (20)

1.一种微电子装置，包括：
衬底；
二维2D垂直霍尔单元，包括：
所述衬底中的垂直霍尔板；
十字形上部终端，其接触所述垂直霍尔板的顶部，其中在其接触所述垂直霍尔板之处，所述十字形上部终端具有5比12的长宽比，所述长度是从所述十字形上部终端的第一臂的端部到所述十字形上部终端的第二相对臂的相对端测量的，所述宽度是所述第一臂与所述第二臂的平均宽度；
埋层，其接触所述垂直霍尔板的底部；以及
在所述十字形上部终端外的霍尔感测分接头，所述霍尔感测分接头电耦合到所述垂直霍尔板。
2.根据权利要求1所述的微电子装置，其中所述十字形上部终端包含包含n型半导体材料的上部接触区域。
3.根据权利要求2所述的微电子装置，其中所述上部接触区域具有是所述垂直霍尔板的平均电导率的至少100倍大的平均电导率。
4.根据权利要求3所述的微电子装置，其中在所述上部接触区域中的所述n型半导体材料的平均掺杂剂密度为5×1018cm-3到5×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的微电子装置，其中所述十字形上部终端包含金属硅化物。
6.根据权利要求1所述的微电子装置，进一步包括在所述十字形上部终端上的触点，其中所述触点延伸到所述十字形上部终端的端部。
7.根据权利要求1所述的微电子装置，进一步包括在所述十字形上部终端上的十字形触点。
8.根据权利要求1所述的微电子装置，其中所述埋层包含n型半导体材料，其具有是所述垂直霍尔板的平均掺杂剂密度至少10倍大的平均掺杂剂密度。
9.根据权利要求1所述的微电子装置，其中所述霍尔感测分接头在比到所述衬底的顶表面更靠近所述埋层的垂直位置处电耦合到所述垂直霍尔板。
10.根据权利要求1所述的微电子装置，进一步包括在所述垂直霍尔板外的所述衬底中的电流返回区域，所述电流返回区域包括具有与所述埋层相同的导电类型的半导体材料，所述电流返回区域电耦合到所述埋层，其中所述电流返回区域从所述埋层向上朝向所述衬底的顶表面延伸。
11.根据权利要求10所述的微电子装置，其中所述电流返回区域具有类似于所述垂直霍尔板的掺杂剂分布的掺杂剂分布。
12.根据权利要求10所述的微电子装置，其中所述电流返回区域具有是所述垂直霍尔板的平均掺杂剂密度至少10倍大的平均掺杂剂密度。
13.根据权利要求10所述的微电子装置，其中所述电流返回区域与所述垂直霍尔板由具有与所述电流返回相反的导电类型的半导体材料侧向隔离。
14.根据权利要求10所述的微电子装置，其中所述电流返回区域与所述垂直霍尔板由包含电介质材料的深沟槽侧向隔离，所述深沟槽延伸到所述埋层。
15.一种方法，包括：
提供包含半导体材料的衬底；
在所述衬底中形成埋层；
在所述埋层上的所述衬底中形成垂直霍尔板；
在所述垂直霍尔板上形成十字形上部终端，其中在其接触所述垂直霍尔板之处，所述十字形上部终端具有5比12的长宽比，所述长度是从所述十字形上部终端的第一臂的端部到所述十字形上部终端的第二相对臂的相对端测量的，所述宽度是所述第一臂与所述第二臂的平均宽度；以及
在所述十字形上部终端外形成霍尔感测分接头。
16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述十字形上部终端包含形成具有接触所述垂直霍尔板的十字形状的上部接触区域，其中所述上部接触区域具有与所述垂直霍尔板相同的导电类型，且所述上部接触区域具有是所述垂直霍尔板的平均掺杂剂密度至少100倍大的平均掺杂剂密度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述十字形上部终端包含在所述上部接触区域上形成金属硅化物。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述十字形上部终端上形成十字形触点。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述霍尔感测分接头外的所述衬底中形成电流返回区域，所述电流返回区域从所述埋层向上朝向所述衬底的顶表面延伸，其中所述电流返回区域与所述垂直霍尔板侧向分开。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述垂直霍尔板包含n型半导体材料。
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