CN110736942B - 一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器 - Google Patents

一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，该磁场传感器包括垂直对称设置的第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器，第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器共用第三N+区。该磁场传感器包括硅衬底、绝缘体层、第一P‑区、第二P‑区、第三P‑区、第四P‑区、第一N+区、第二N+区、第三N+区、第四N+区、第五N+区、栅介质层和栅极。该对称结构的垂直型磁场传感器的生产工艺简单，结构完全对称，器件初始失调低，并且可以采用旋转电流技术消除器件的失调，残余失调低。该垂直型磁场传感器的磁场灵敏度高，并且可以组成二维磁场传感器，实现对平行于器件平面的二维磁场进行检测。

Description

一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，可用于电磁检测技术领域。
背景技术
垂直型磁场传感器可以检测平行于器件表面的磁场，组成二维(2D)和三维(3D)的磁场传感器，实现精确位置定位、微小位移测量、旋转运动、电流检测和角度测量等功能。近年来低成本硅基工艺的垂直型霍尔磁场传感器已广泛应用在自动控制、汽车、医疗器械、智能仪器仪表和消费类电子等众多领域。传统的硅基CMOS垂直型霍尔器件如五孔和六孔等结构，虽然器件结构简单，但是器件的初始失调非常严重，采用旋转电流技术消除失调的效果不好，残余失调较大。更重要的是传统硅基CMOS垂直型霍尔器件的磁场灵敏度非常低，远远低于同工艺条件下制作的水平型霍尔器件，致使CMOS垂直型霍尔器件很难运用在低磁场、高测量精度的应用场合。
尽管在水平型霍尔器件上方放置磁场集中器，可以将平行于器件平面的二维磁场转换为垂直磁场，从而可以使用水平型霍尔器件检测平行于器件表面的二维磁场。但是该方法需要额外加工磁场集中器，增加了生产成本，而且容易出现磁场扭曲的缺点。目前新型的各向异性磁电阻(AMR)、巨磁敏电阻(GMR)、巨磁致阻抗(GMI)等磁场元件表现出高的磁场灵敏度和好的温度稳定性，但是它们不能与硅基工艺很好的兼容，还无法满足磁场传感器微系统低成本和高集成度的发展要求。
目前基于深亚微米标准硅基CMOS工艺实现低成本的二维和三维集成霍尔磁传感器存在着低磁场灵敏度和高失调的严重问题，尤其是传统垂直型霍尔器件极低的磁场灵敏度和非全对称的器件结构成为制约低成本二维和三维集成霍尔传感器发展和应用的最大瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，包括垂直对称设置的第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器，所述第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器共用第三N+区6。
优选地，该磁场传感器包括硅衬底、绝缘体层、第一P-区、第二P-区、第三P-区、第四P-区、第一N+区、第二N+区、第三N+区、第四N+区、第五N+区、栅介质层和栅极，所述硅衬底上方形成绝缘体层，在绝缘体层上方形成硅材料的P型外延层，在P型外延层上等间距形成五个大小相同的重掺杂第一N+区、第二N+区、第三N+区、第四N+区、第五N+区，第一P-区、第二P-区、第三P-区和第四P-区表面上方依次设有栅介质层和栅极；第一N+区、第一P-区、第二N+区和第二P-区组成了第一垂直型磁场传感器，第三P-区、第四N+区、第四P-区和第五N+区组成了第二垂直型磁场传感器。
优选地，所述第一N+区与第二N+区之间设置有第一P-区，第二N+区与第三N+区之间设置有第二P-区，第三N+区与第四N+区之间设置有第三P-区，第四N+区与第五N+区之间设置有第四P-区。
优选地，所述第一N+区与第五N+区设于最外侧，所述第一N+区与第五N+区互相连接形成接触孔A，第三N+区形成接触孔C，第二N+区与第四N+区分别形成接触孔B和接触孔D，四个栅极连接在一起形成接触孔G。
优选地，所述接触孔A和接触孔C外接在偏置电压vbias和地之间，接触孔B和接触孔D分别接阻值相同的电阻后输出差分的霍尔电压vH，接触孔G外接栅极电压vG，栅极电压vG大于器件P-区的阈值电压。
优选地，所述接触孔A和接触孔C交替接于电源vdd和地上，接触孔B和接触孔D输出差分的霍尔电压VH极性随之交替改变，通过后续的信号调理电路进一步消除器件的失调。
优选地，所述绝缘体层为SiO2材料，栅介质层为SiO2薄层，所述硅衬底还可为GaAs、GaN、InAs、InSb、AlGaN、AlGaAs、InGaN、InGaP。
优选地，所述绝缘体层和栅介质层还可为Al2O3、La2O3、HfO2、TiO2或ZrO2高介电常数绝缘材料。
优选地，所述绝缘体层的厚度为20nm～30nm，P型外延层的厚度为5nm～10nm。
优选地，第一P-区、第二P-区、第三P-区和第四P-区和绝缘体层界面之间的缺陷态面密度为2×1012cm-2～1×1014cm-2，第一P-区、第二P-区、第三P-区和第四P-区和栅介质层界面之间的缺陷态面密度为1×1010cm-2～1×1012cm-2。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的对称结构的垂直型磁场传感器的生产工艺简单，与现代成熟的SOI硅工艺完全兼容，生产成本低。本发明提出的垂直型磁场传感器，其结构完全对称，器件初始失调低，并且可以采用旋转电流技术消除器件的失调，残余失调低。本发明提出的对称结构的垂直型磁场传感器的磁场灵敏度高，并且可以组成二维磁场传感器，实现对平行于器件平面的二维磁场进行检测。
附图说明
图1为本发明的对称结构的垂直型磁场传感器的横截面结构示意图。
图2为本发明的对称结构的垂直型磁场传感器的顶部俯视示意图。
图3为本发明的图1所示的对称结构的垂直型磁场传感器的接触孔示意图。
图4为本发明的对称结构的垂直型磁场传感器的二相旋转电流操作示意图，第一相旋转电流操作。
图5为本发明的对称结构的垂直型磁场传感器的二相旋转电流操作示意图，第二相旋转电流操作。
图6为本发明的按照图1结构组成的二维对称结构的垂直型磁场传感器的顶部俯视示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，包括垂直对称设置的第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器，如图1和图2所示，所述第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器共用第三N+区6。
该磁场传感器包括硅衬底1、绝缘体层2、第一P-区3、第二P-区30、第三P-区100、第四P-区110、第一N+区4、第二N+区5、第三N+区6、第四N+区7、第五N+区8、栅介质层9和栅极10。所述硅衬底1上方形成绝缘体层2，在绝缘体层2上方形成硅材料的P型外延层，在P型外延层上等间距形成五个大小相同的重掺杂第一N+区4、第二N+区5、第三N+区6、第四N+区7、第五N+区8。第一P-区3、第二P-区30、第三P-区100和第四P-区110表面上方依次设有栅介质层9和栅极10。第一N+区4、第一P-区3、第二N+区5和第二P-区30组成了第一垂直型磁场传感器，第三P-区100、第四N+区7、第四P-区110和第五N+区8组成了第二垂直型磁场传感器。
所述第一N+区4与第二N+区5之间设置有第一P-区3，第二N+区5与第三N+区6之间设置有第二P-区30，第三N+区6与第四N+区7之间设置有第三P-区100，第四N+区7与第五N+区8之间设置有第四P-区110。
如图3所示，所述第一N+区4与第五N+区8设于最外侧，所述第一N+区4与第五N+区8互相连接形成接触孔A，中间的第三N+区6形成接触孔C，另外两个内侧的第二N+区5与第四N+区7分别形成接触孔B和接触孔D，四个栅极10连接在一起形成接触孔G。
所述接触孔A和接触孔C外接在偏置电压Vbias和地之间，接触孔B和接触孔D分别接阻值相同的电阻后输出差分的霍尔电压VH，接触孔G外接栅极电压VG，栅极电压VG大于器件P-区的阈值电压，保证P-区处于强反型状态。
所述接触孔A和接触孔C交替接于电源Vdd和地上，接触孔B和接触孔D分别接阻值相同的电阻R后输出差分的霍尔电压VH，接触孔B和接触孔D输出差分的霍尔电压VH极性随之交替改变，通过后续的信号调理电路进一步消除器件的失调。
所述的绝缘体层2为SiO2材料，栅介质层9为SiO2薄层，第一P-区3、第二P-区30、第三P-区100和第四P-区110和绝缘体层2界面之间的缺陷态面密度为2×1012cm-2～1×1014cm-2，第一P-区3、第二P-区30、第三P-区100和第四P-区110和栅介质层9界面之间的缺陷态面密度为1×1010cm-2～1×1012cm-2，界面间的表面电子复合速率较较低。所述绝缘体层2的厚度为20nm～30nm，P型外延层的厚度为5nm～10nm。
本发明所述的对称结构的垂直型磁场传感器的制作材料不只局限于硅材料，还可以采用GaAs、GaN、InN、AlGaN、AlGaAs、InGaN、InGaP等高电子迁移率的化合物半导体。绝缘体层2和栅介质层9也不只局限于SiO2材料，还可以采用Al2O3、La2O3、HfO2、TiO2、ZrO2等高介电常数材料。
对称结构的垂直型磁场传感器采用二相旋转电流法的工作状态如图4和图5所示。如图4所示，当进行第一相旋转电流操作时，器件接触孔A接正向的偏置电压vbias，器件接触孔C接地，器件接触孔G接正向的栅极电压vG，P-区处于反型状态，形成表面电子沟道，则两个外侧的第一N+区4和第五N+区8中的电子则通过P-区3形成的表面电子沟道到达两个内侧的第二N+区5和第四N+区7，最后再到达中间的第三N+区6。若此时施加平行于器件表面的磁场Bx，则通过P-区3表面电子沟道的电子受洛伦兹力作用下发生偏转。
外侧的第四N+区4向中间的第三N+区6运动的电子受洛伦兹力作用后向P-区3和绝缘体层2界面偏转，由于P-区3和绝缘体层2界面之间有较高的表面电子复合速率，因此通过P-区3所形成的表面电子沟道的电子有较大部分被复合，到达内侧的第二N+区5的电子较少。而外侧的第五N+区8向中间的第三N+区6运动的电子受洛伦兹力作用后向P-区3和栅介质层9界面偏转，由于P-区3和栅介质层9界面之间的表面电子复合速率较低，因此通过P-区3所形成的表面电子沟道的电子被复合较少，到达内侧的N+区7的电子较多；最终由两个内侧的N+区接触孔B和D通过两个阻值相同的电阻R输出差分的霍尔电压VH。
如图5所示，当进行第二相旋转电流操作时，器件接触孔G加正向的栅极电压vG与第一相旋转电流操作时相同，但是器件接触孔C接正向的偏置电压vbias，而器件接触孔A接地，此时中间的第三N+区6的电子则通过P-区3形成的表面电子沟道到达两个内侧的第二N+区5和第四N+区7，最后到达两个外侧的第一N+区4和第五第二N+区8。由于电子通过P-区3所形成的表面电子沟道时所受的洛伦兹力方向与第一相旋转电流操作时完全相反，则最终由两个内侧的N+区接触孔B和D通过两个阻值相同的电阻R输出的差分霍尔电压vH的极性与第一相旋转电流操作时也完全相反。
应当注意到在进行二相旋转电流操作时由于器件加工造成的工艺掺杂不均匀、器件结构不完全对称和封装应力等原因引起的失调电压的极性保持不变，因此通过二相旋转电流操作可以将器件产生的霍尔电压和失调电压分离开，通过后续的信号调理电压进一步将失调电压消除并将霍尔电压放大。
本发明的两个完全相同的对称结构的垂直型磁场传感器垂直放置，可以组成一个二维的垂直型磁场传感器，其顶部俯视示意图如图6所示。上述的两个对称结构的垂直型磁场传感器件共用一个中间的N+区6，可以分别检测平行于器件表面的二维磁场Bx和By。
该器件基于SOI(silicon-on-insulator，绝缘体上硅)工艺实现，在绝缘体层上方的外延层上平行分布5个大小相同的重掺杂N+区，5个重掺杂N+区之间被4个大小相同的低掺杂的P-区隔离，每个P-区表面上方依次设有栅极介质层和栅极，两个最外侧的N+区互相连接形成一一个接触孔，其余的三个N+区形成三个接触孔，形成一个完全对称的器件结构。
该器件输出差分的霍尔电压，能够采用二相旋转电流技术消除器件失调，获得较低的残余失调，进一步，两个个垂直放置的器件可以组成一个二维的垂直型磁场传感器件，实现对平行于器件表面的二维磁场进行检测。
该器件利用P-区和绝缘体层界面之间存在较大的表面电子复合速率来获得高的磁场灵敏度。同时该对称结构垂直型磁场传感器件输出差分的霍尔电压，而且器件的初始失调小，能够应用二相旋转电流技术消除器件失调，可获得较低的残余失调。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：包括垂直对称设置的第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器，所述第一垂直型磁场传感器和第二垂直型磁场传感器共用第三N+区（6）；
第一N+区（4）与第五N+区（8）设于最外侧，所述第一N+区（4）与第五N+区（8）互相连接形成接触孔A，第三N+区（6）形成接触孔C，第二N+区（5）与第四N+区（7）分别形成接触孔B和接触孔D，四个栅极（10）连接在一起形成接触孔G；
所述接触孔A和接触孔C外接在偏置电压Vbias和地之间，接触孔B和接触孔D分别接阻值相同的电阻后输出差分的霍尔电压VH，接触孔G外接栅极电压VG，栅极电压VG大于器件P-区的阈值电压；
所述接触孔A和接触孔C交替接于电源Vdd和地上，接触孔B和接触孔D输出差分的霍尔电压VH极性随之交替改变，通过后续的信号调理电路进一步消除器件的失调。
2.根据权利要求1所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器包括硅衬底（1）、绝缘体层（2）、第一P-区（3）、第二P-区（30）、第三P-区（100）、第四P-区（110）、第一N+区（4）、第二N+区（5）、第三N+区（6）、第四N+区（7）、第五N+区（8）、栅介质层（9）和栅极（10），
所述硅衬底（1）上方形成绝缘体层（2）,在绝缘体层（2）上方形成硅材料的P型外延层，在P型外延层上等间距形成五个大小相同的重掺杂第一N+区（4）、第二N+区（5）、第三N+区（6）、第四N+区（7）、第五N+区（8），第一P-区（3）、第二P-区（30）、第三P-区（100）和第四P-区（110）表面上方依次设有栅介质层（9）和栅极（10）；第一N+区（4）、第一P-区（3）、第二N+区（5）和第二P-区（30）组成了第一垂直型磁场传感器，第三P-区（100）、第四N+区（7）、第四P-区（110）和第五N+区（8）组成了第二垂直型磁场传感器。
3.根据权利要求2所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：所述第一N+区（4）与第二N+区（5）之间设置有第一P-区（3），第二N+区（5）与第三N+区（6）之间设置有第二P-区（30），第三N+区（6）与第四N+区（7）之间设置有第三P-区（100），第四N+区（7）与第五N+区（8）之间设置有第四P-区（110）。
4.根据权利要求2所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：所述绝缘体层（2）为SiO2材料，栅介质层（9）为SiO2薄层，所述硅衬底还可为GaAs、GaN、InAs、InSb、AlGaN、AlGaAs 、InGaN、InGaP。
5.根据权利要求2所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：所述绝缘体层（2）和栅介质层（9）还可为Al2O3、La2O3、HfO2、TiO2或ZrO2高介电常数绝缘材料。
6.根据权利要求2所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：所述绝缘体层（2）的厚度为20nm～30nm，P型外延层的厚度为5nm～10nm。
7.根据权利要求2所述的一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器，其特征在于：第一P-区（3）、第二P-区（30）、第三P-区（100）和第四P-区（110）和绝缘体层（2）界面之间的缺陷态面密度为2×1012cm-2～1×1014cm-2，第一P-区（3）、第二P-区（30）、第三P-区（100）和第四P-区（110）和栅介质层（9）界面之间的缺陷态面密度为1×1010cm-2～1×1012cm-2。
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