CN110673062A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体装置。是一种半导体装置，具有：第1导电型的半导体基板（10）；设置在半导体基板（10）上的纵向霍尔元件（100）；以及经由绝缘膜（30）设置在纵向霍尔元件（100）的正上方的、励磁导体（200），其中，纵向霍尔元件（100）具备：设置在半导体基板（10）上的、第2导电型的半导体层（101）；以及在半导体层（101）的表面在一条直线上设置的、由高浓度的第2导电型的杂质区域构成的多个电极（111）~（115），励磁导体（200）的宽度WC与电极（111）~（115）的宽度WH之比WC/WH为0.3≤WC/WH≤1.0。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，特别是涉及包括对水平方向的磁场进行感测的纵向霍尔元件的半导体装置。
背景技术
霍尔元件能够作为磁传感器进行非接触下的位置感测或角度感测，因此，被用于各种用途。在其中，通常较多知晓使用了对与半导体基板表面垂直的磁场分量进行检测的横向霍尔元件的磁传感器。而且，也提出了各种使用了对与半导体基板的表面平行的磁场分量进行检测的纵向霍尔元件的磁传感器。进而，还提出了将横向霍尔元件和纵向霍尔元件组合来2维、3维地检测磁场的磁传感器。
可是，纵向霍尔元件与横向霍尔元件相比，灵敏度或偏移电压特性容易受到由制造偏差造成的影响，因此，特性偏差较大。
为了校正这样的特性偏差，在专利文献1中公开了以下方法：通过使电流在配置在纵向霍尔元件的附近的励磁导体中流动，从而在霍尔元件的位置产生具有规定的磁通量密度的校正磁场来估计霍尔元件的灵敏度。即，使校正磁场的磁通量密度发生变化，测定从被施加校正磁场时的霍尔元件输出的霍尔电压的变化，由此，估计霍尔元件的实际的灵敏度。
此外，在专利文献1的图1中，采用了将励磁导体的中心与纵向霍尔元件的中心的水平方向的距离拉开、即、使励磁导体的中心与纵向霍尔元件的中心在水平方向上错开后的结构。由此，谋求利用由在半导体装置的制造中的工艺变动造成的励磁导体的宽度等的偏差来抑制励磁导体产生的磁场强度的偏差对纵向霍尔元件造成影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第9116192号说明书。
发明要解决的课题
然而，在专利文献1的图1所示的构造中，产生以下那样的问题。
即，由于将励磁导体的中心与纵向霍尔元件中心的水平方向的距离拉开，所以纵向霍尔元件与励磁导体的距离变大。由在励磁导体中流动的电流产生的磁场强度与离励磁导体的距离成反比例，因此，当纵向霍尔元件与励磁导体的距离变大时，向纵向霍尔元件施加的校正磁场的强度变小。
当向纵向霍尔元件施加的校正磁场的强度变小时，从纵向霍尔元件输出的霍尔电压的变化变小。因此，虽然能够抑制向纵向霍尔元件施加的校正磁场的强度的偏差，但是，校正磁场的强度变小的结果是，估计纵向霍尔元件的实际的灵敏度时的精度降低。
当作为其对策使在励磁导体中流动的电流增加以便使向纵向霍尔元件施加的校正磁场的强度变大时，励磁导体的发热量增大。在专利文献1中，使励磁导体的中心与纵向霍尔元件的中心在水平方向上错开，由此，在纵向霍尔元件的周边配置的、对来自纵向霍尔元件的输出信号进行处理的电路或用于向纵向霍尔元件供给信号的电路等周边电路与励磁导体接近，因此，由于励磁导体的发热而在周边电路中产生温度分布。由此，周边电路的特性发生变动，因此，结果牵涉到估计纵向霍尔元件的实际的特性的、精度的降低。
再有，如果使励磁导体与周边电路的距离变大，则能够抑制在周边电路中产生温度分布，但是，不顺应半导体装置的微细化，因此，是不现实的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供抑制励磁导体的发热对周边电路造成影响并且使纵向霍尔元件接收的校正磁场的强度变大而能够进行纵向霍尔元件的高精度的校正的、半导体装置。
用于解决课题的方案
本发明的一个方式的半导体装置是，一种半导体装置，具有：第1导电型的半导体基板；设置在所述半导体基板上的纵向霍尔元件；以及经由绝缘膜设置在所述纵向霍尔元件的正上方的、励磁导体，所述半导体装置的特征在于，所述纵向霍尔元件具备：设置在所述半导体基板上的、第2导电型的半导体层；以及在所述半导体层的表面在一条直线上设置的、由高浓度的第2导电型的杂质区域构成的多个电极，所述励磁导体的宽度WC与所述纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比WC/WH为0.3≤WC/WH≤1.0。
发明效果
根据本发明，在纵向霍尔元件的正上方配置励磁导体，并且，使励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比WC/WH为1.0以下，由此，能够为对来自纵向霍尔元件的输出信号进行处理的电路或用于向纵向霍尔元件供给信号的电路等周边电路与励磁导体不接近的配置，此外，使WC/WH为0.3以上，由此，能够抑制励磁导体的发热量增大，因此，能够防止在周边电路中产生温度分布。进而，将励磁导体配置在纵向霍尔元件的正上方，由此，能够使纵向霍尔元件接收的校正磁场的强度变大。因此，能够抑制励磁导体的发热量并使向纵向霍尔元件施加的校正磁场的强度变大而高精度地进行纵向霍尔元件的校正。
附图说明
图1（a）是本发明的实施方式的具有纵向霍尔元件的半导体装置的平面图，（b）是沿着（a）的L-L’线的截面图。
图2是示出使从纵向霍尔元件的基板深度方向的中心到励磁导体的距离h与纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比（h/WH）发生变化来对励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比（WC/WH）和励磁导体产生具有2mT的磁通量密度的磁场时的励磁导体的温度上升的关系进行模拟后的、结果的图表。
图3是示出使从纵向霍尔元件的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h与纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比（h/WH）发生变化来对励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极的宽度WH之比（WC/WH）和在励磁导体中流动的每单位电流的向纵向霍尔元件施加的磁通量密度（B/I）的关系进行模拟后的、结果的图表。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对用于实施本发明的方式详细地进行说明。
图1是用于说明本发明的实施方式的具有纵向霍尔元件的半导体装置的图，图1（a）是平面图，图1（b）是沿着图1（a）的L-L’线的截面图。
如图1所示那样，本实施方式的半导体装置具备：P型（第1导电型）的半导体基板10、P型的元件分离扩散层20、在半导体基板10上设置的纵向霍尔元件100、在纵向霍尔元件100上设置的绝缘膜30、以及在绝缘膜30上设置的励磁导体200。
纵向霍尔元件100被构成为具备：在半导体基板10上设置的成为磁感受部的N型（第2导电型）的半导体层101、以及在半导体层101的表面在一条直线上设置的由N型的杂质区域构成的电极111~115。电极111~115在俯视下形成矩形，具有相同的宽度WH，被分别平行地配置。
元件分离扩散层20使纵向霍尔元件100与半导体基板10上的其他的区域（未图示）电分离。
在通过元件分离扩散层20与纵向霍尔元件100电分离后的半导体基板10上的其他的区域中设置有晶体管等元件，所述晶体管等元件构成对来自纵向霍尔元件100的输出信号进行处理的电路、向纵向霍尔元件100供给信号的电路或者利用校正磁场对纵向霍尔元件100的特性进行补偿的电路等（以下，称为“周边电路”）。
励磁导体200形成直线状，以励磁导体200的长尺寸方向的中心线与纵向霍尔元件100的半导体层（磁感受部）101的长尺寸方向的中心线一致的方式经由绝缘膜30被设置在纵向霍尔元件100的正上方。由此，励磁导体200与纵向霍尔元件100的距离最小，能够使纵向霍尔元件100接收的校正磁场的强度变大，并且，能够遍及纵向霍尔元件100整体供给均匀的校正磁场。
然后，在本实施方式中，纵向霍尔元件100上的励磁导体200的宽度WC与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比WC/WH满足0.3≤WC/WH≤1.0的关系。在以下说明采用这样的关系的理由。
当从励磁导体200产生的向纵向霍尔元件100施加的校正磁场变小时，从纵向霍尔元件100输出的霍尔电压的变化变小，因此，估计纵向霍尔元件100的实际的灵敏度的、精度降低。因此，关于校正磁场，优选施加2~3mT以上。
因此，在图2中，示出使从具备半导体层101的纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比h/WH发生变化来对WC/WH与励磁导体200产生具有2mT的磁通量密度的磁场时的励磁导体200的温度上升的关系进行模拟后的、结果的图表，所述WC/WH是励磁导体200的宽度WC与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比。
从图2的图表可知：当励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极111~115的宽度WH之比WC/WH为0.3以下时，励磁导体200的温度上升急剧变大。再有，在图2中，作为一个例子，示出了励磁导体200产生具有2mT的磁通量密度的磁场时的模拟结果。确认了：即使在励磁导体200产生了具有3mT或其以上的磁通量密度的磁场的情况下，图表的形状也是同样的，当WC/WH为0.3以下时，励磁导体200的温度上升急剧变大。
因此，通过使励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极111~115的宽度WH之比WC/WH为0.3以上，从而能够在向励磁导体200施加电流而将2~3mT以上的校正磁场向纵向霍尔元件100施加时抑制在周边电路中产生温度分布。
另一方面，当励磁导体200的宽度WC比纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH大时，周边电路与励磁导体200接近。即，周边电路容易受到来自励磁导体200的发热的影响，使估计纵向霍尔元件100的实际的特性的、精度降低。因此，为了使励磁导体200不接近周边电路，优选使励磁导体200的宽度WC不比纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度大即使励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极111~115的宽度WH之比WC/WH为1.0以下。
图3是示出使从纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比h/WH发生变化来对WC/WH与在励磁导体200中流动的每单位电流的向纵向霍尔元件100施加的磁通量密度（B/I）的关系进行模拟后的、结果的图表，所述WC/WH是励磁导体200的宽度WC与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比。
从图3的图表可知：使从纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比h/WH越大，在励磁导体200中流动的每单位电流的向纵向霍尔元件100施加的磁通量密度（B/I）越小。因此，h/WH越小越优选。
此外，如从图2已知那样，使从纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体的距离h与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比h/WH越大，励磁导体200的温度上升越大。
即，当从纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h变大时，为了向纵向霍尔元件100施加需要的校正磁场，必须使许多电流在励磁导体200中流动，因此，励磁导体200的温度上升变大，对周边电路造成影响。
因此，即使励磁导体200的宽度WC与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比WC/WH处于满足0.3≤WC/WH≤1.0的范围内，为了抑制向周边电路的影响，励磁导体200的温度上升优选为5℃以下。
因此，根据图3，从纵向霍尔元件100的基板深度方向的中心到励磁导体200的距离h与纵向霍尔元件100的电极111~115的宽度WH之比h/WH优选为在励磁导体的宽度WC与纵向霍尔元件的电极111~115的宽度WH之比WC/WH为0.3以上的范围内励磁导体200的温度上升为5℃以下的、0.4以下。
再有，在形成纵向霍尔元件100并且在其上形成绝缘膜30之后形成布线的工序中，能够与该布线同时形成励磁导体200，所述布线使构成周边电路的晶体管等多个元件彼此电结线。因此，根据本实施方式，能够在不增加制造工艺的情况下形成励磁导体200。
此外，励磁导体200的宽度WC与纵向霍尔元件100的电极111~115的电极的宽度WH之比WC/WH为0.3≤WC/WH≤1.0，因此，在例如将WC/WH设计为0.5的情况下，即使由于制造工艺的变动而在励磁导体200的宽度产生偏差而WC/WH为0.5+α或0.5-α，也如从图3已知那样相对于该变化的磁通量密度的变化小。即，即使励磁导体200的宽度等由于制造工艺的变动而不均，也能够将从励磁导体200产生的磁场强度的偏差抑制得小。
在此，关于励磁导体200，为了使发热量降低而电阻率越低越优选，例如优选由Al等形成。进而，关于励磁导体200的厚度，为了使发热量降低而越厚越优选，例如优选为0.5μm以上。
接着，说明利用校正磁场进行本实施方式的半导体装置中的纵向霍尔元件100的特性补偿的方法。
通过使电流在励磁导体200中流动，从而如图1（b）所示那样在励磁导体200的周围产生由虚线示出的具有规定的磁通量密度的校正磁场Bc，由此，向纵向霍尔元件100沿左右方向施加校正磁场Bc。此时，规定的磁通量密度优选为几mT左右。
在该校正磁场Bc被施加的状态下，向纵向霍尔元件100的电极111~115之中的成为驱动电流供给电极的电极供给驱动电流。驱动电流由于校正磁场Bc而受到洛伦兹力，由此，在纵向霍尔元件100的电极111~115之中的成为霍尔电压输出电极的电极间产生电压差，得到该电压差来作为霍尔电压。具体而言，例如以电流从电极113向电极111和115流动的方式向电极111、113和115供给驱动电流，由此，在电极112-电极114间输出霍尔电压。
基于像这样做而得到的霍尔电压或、在对利用旋转电流法改变驱动电流的供给方向而得到的多个霍尔电压进行运算后残存的偏移电压等，调整驱动电流或与纵向霍尔元件100的输出连接的放大器的增益等，由此，进行纵向霍尔元件100的特性补偿。像这样做，能够实现具有高精度地抑制了特性偏差的纵向霍尔元件100的、半导体装置。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明不限定于上述实施方式，当然能够在不偏离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，以单一层示出了励磁导体200，但是，为了增加励磁导体200的整体的厚度而使用多层布线，使励磁导体200的厚度作为整体变大也可。
此外，作为励磁导体200，示出了使用AL等的例子，但是，也能够使用多晶硅等导电体。
此外，使第1导电型为P型且使第2导电型为N型来进行了说明，但是，调换导电型而使第1导电型为N型且使第2导电型为P型也可。
此外，在上述实施方式中，示出了纵向霍尔元件100具有5个电极的例子，但是，纵向霍尔元件100只要具有驱动电流供给用的2个和霍尔电压输出用的1个合计3个以上的电极即可。
附图标记的说明
10 半导体基板
20 元件分离扩散层
30 绝缘膜
100 纵向霍尔元件
101 半导体层（磁感受部）
111~115 电极
200 励磁导体
Bc 校正磁场
WC 励磁导体的宽度
WH 电极的宽度
h 距离。

Claims (3)

1.一种半导体装置，具有：
第1导电型的半导体基板；
设置在所述半导体基板上的纵向霍尔元件；以及
经由绝缘膜设置在所述纵向霍尔元件的正上方的、励磁导体，
所述半导体装置的特征在于，
所述纵向霍尔元件具备：
设置在所述半导体基板上的、第2导电型的半导体层；以及
在所述半导体层的表面在一条直线上设置的、由高浓度的第2导电型的杂质区域构成的多个电极，
所述励磁导体的宽度WC与所述电极的宽度WH之比WC/WH为0.3≤WC/WH≤1.0。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述励磁导体形成直线状，所述励磁导体的长尺寸方向的中心线与所述纵向霍尔元件的所述半导体层的长尺寸方向的中心线一致。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，关于所述励磁导体，从所述纵向霍尔元件的基板深度方向的中心到所述励磁导体的距离h与所述电极的宽度WH之比h/WH为0.4以下。
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WO2022067599A1 (zh) * 2020-09-30 2022-04-07 上海灿瑞科技股份有限公司 三轴向霍尔磁力计

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