CN110783450A - 一种基于氮化镓/铝镓氮异质结的磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的新型磁场传感器直接将磁敏感晶体管与电阻形成的差分放大电路集成在氮化镓/铝镓氮的高电子迁移率的异质结衬底上，将传感与放大部分集成，无需额外的传感器。其具有体积小，集成度高的优点。此外，由于本发明的磁场传感器建立在氮化硅/铝镓氮衬底上，高电子迁移率带来高灵敏度的优点，而宽禁带使得器件具有耐高温和环境干扰的特性。此外，本发明的磁场传感器还可以与其他功能部件，如射频模块等，共集成在同一衬底上，从而实现具有不同功能应用的系统。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体磁场传感器。
背景技术
磁场探测器指的是可将环境中的磁场信息转换为电学信号输出的一类传感器件。在现代社会的生活和生产过程中，磁场信息占据了重要的作用。磁场探测器的应用非常广泛，可应用于电流传感，位移传感，磁存储器和导航等领域。目前，磁场传感器已经成为了信息技术发展中不可缺少的关键部件。而基于各种不同原理的磁场传感器被研发出以满足各种应用需求。
根据待测量磁场的大小，磁传感器可一般分为几种类型。如果目标磁场大于地球磁场(约为60μT)，则传感器不需要非常灵敏。而为了测量大于地磁噪声(约0.1nT)的地球噪场，需要灵敏度更高的传感器。为了测量低于地磁噪声的场，必须采用更灵敏的磁场传感器。这些传感器主要用于医疗和生物医学应用，例如MRI和分子标记等。磁场测量有很多种不同的方法，如霍尔效应传感器，磁晶体管，巨磁阻(GMR)磁力计，磁隧道结磁力计，磁光传感器，MEMS类型的传感器，搜索线圈磁场传感器和SQUID磁力计等。而其中与半导体芯片技术和工艺最兼容的常用磁传感器一般为霍尔效应传感器和磁晶体管等。传统的霍尔效应传感器属于被动传感器件，本身不具备任何信号放大的能力，必须外接额外的信号放大器，因而不利于单片集成。在磁晶体管传感器中，基于分裂漏极结构的磁敏感晶体管受到了广泛的关注。它利用磁场产生的洛伦兹力改变晶体管中的电子运动方向，从而在对称的分裂漏极中形成非平衡电流差值。分裂漏极结构的磁敏感晶体管与传统CMOS结构和工艺高度兼容，因此它可与后续的信号处理和转换电路集成在一起，形成单片集成式的传感器。然而目前分裂漏极磁敏晶体管大部分使用硅基衬底，易于受温度和电场等外界因数影响，且由于硅中迁移率较低，导致传感灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种建立在氮化镓衬底上的集成式高灵敏磁场探测器。将分裂漏极磁敏感晶体管建立在氮化镓/铝镓氮的异质高电子迁移率衬底中，利用高电子迁移率增强传感灵敏度，并使用集成式的差分放大器结构，使得半导体磁场传感器具有灵敏度高和体积小的优点。此外，由于氮化镓材料的宽禁带特性，传感器具有良好的抗温度和电场等因素干扰的能力，适用于如电力传输电流传感等领域。
本发明提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器电路，其特征在于，该传感器电路至少包括：第一直流电压源，接地端，第一输出端，第二输出端，第一磁敏感晶体管，第二磁敏感晶体管，以及第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻的一端均与所述第一直流电压源连接，所述第一电阻的另一端通过第一输出端与第一磁敏感晶体管的漏极相连，所述第二电阻的另一端通过第二输出端与第二磁敏感晶体管的漏极相连；
所述第一磁敏感晶体管与所述第二磁敏感晶体管共用栅极和源极，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管的源极连接接地端。
所述磁场传感器电路通过经过所述第一电阻和所述第二电阻的电流不同，导致所述第一输出端与所述第二输出端输出的电压差信号来计算磁场方向及强度。
本发明还提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器，其特征在于，该传感器包括：
衬底，
在衬底上形成的氮化镓缓冲/沟道层，
在所述氮化镓缓冲/沟道层上外延生长的铝镓氮层，
在衬底及其上的缓冲层上形成的有源区，
在所述有源区上形成的第一磁敏感晶体管和第二磁敏感晶体管的源极和漏极，其中源极位于源极金属接触区域，漏极位于漏极金属接触区域，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用源极，
在源极金属接触区域与漏极金属接触区域之间形成的磁敏感晶体管的栅极，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用栅极，
所述第一磁敏感晶体管的漏极与第一电阻相连，所述第二磁敏感晶体管的漏极与第二电阻相连，
与所述第一电阻和所述第二电阻另一端共同相连的电源接触。
同时，所述半导体磁场传感器可以不包括所述第一电阻和所述第二电阻。
在本发明提出的磁场传感器中，分裂漏极晶体管既作为磁敏部件，又作为差分放大电路中的放大部件。在没有磁场的环境中，由于晶体管的结构完全对称，从源极出来的电子平均地流至两个漏极，因此这时两个漏极电流相同(I1＝I2)。相同的漏极电流在集成式的电阻上产生的电压也相同。因此，最终的输出差分电压(Vout1-Vout2)为0V。当有垂直于衬底平面的磁场穿过器件时，由于电子受到磁场的洛伦兹力的作用，其流动方向发生偏转。这导致电子电流流至某个漏极的量增大，而流至另一个漏极的量变小，具体取决于磁场的方向。这是，两个漏极的电流分布变得不均匀，从而产生电流差(dI＝I1-I2)。而此电流差经过集成式的电阻(R1和R2)，最终输出放大后的电压差信号(dV＝Vout1-Vout2＝dI*R)。此外，器件还可以和氮化镓衬底上的其它功能模块如无线收发等结合，形成集成式单片磁场传感系统。
本发明还提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备衬底，于衬底上外延生成氮化镓缓冲/沟道层和铝镓氮层；
光刻并刻蚀形成磁敏感分裂漏极晶体管的有源区；
光刻并刻蚀，淀积金属形成磁敏感分裂漏极晶体管的源、漏金属接触区域，高温退火以形成欧姆接触；
光刻并打开肖特基接触的窗口，包括磁敏感分裂漏极晶体管的栅极，以及与分裂漏极相连的两个电阻，淀积肖特基接触用的金属层，形成肖特基接触图形，进行退火改善接触界面。
本发明中，磁敏感分裂漏极晶体管和差分放大器中使用的电阻集成在单片的氮化镓/铝镓氮的异质衬底上，具有集成度高，体积小的优点。它充分结合了高电子迁移率沟道的高磁场灵敏特性和差分放大器的电流放大特性，从而使得输出电压对磁场具有高灵敏度。此外，宽禁带材料的低温度和电场敏感性，使得器件具有更佳的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的半导体磁场传感器的结构图示。
图2为本发明的半导体磁场传感器实施例1的制备流程图示。
图3为本发明的半导体磁场传感器的实施例2和3的结构图示。
图中：(1)晶体管的有源区，(2)晶体管1和2共用的源极，(3)晶体管1和2共用的栅极，(4)晶体管1的漏极，(5)晶体管2的漏极，与(6)晶体管1相连的电阻，与(7)晶体管2相连的电阻，(8)电源电极,(9)氮化镓缓冲/沟道层和(10)衬底。
具体实施方式
本发明提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器电路，其特征在于，该传感器电路至少包括：第一直流电压源VDD，接地端，第一输出端Vout1，第二输出端Vout2，第一磁敏感晶体管T1，第二磁敏感晶体管T2，以及第一电阻R1和第二电阻R2，其中：
所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的一端均与所述第一直流电压源VDD连接，所述第一电阻R1的另一端通过第一输出端Vout1与第一磁敏感晶体管T1的漏极相连，所述第二电阻R2的另一端通过第二输出端Vout2与第二磁敏感晶体管T2的漏极相连；
所述第一磁敏感晶体管T1与所述第二磁敏感晶体管T2共用栅极和源极，所述第一磁敏感晶体管T1和所述第二磁敏感晶体管T2的源极连接接地端。
所述磁场传感器电路通过经过所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的电流不同，导致所述第一输出端Vout1与所述第二输出端Vout2输出的电压差信号来计算磁场方向及强度。
本发明还提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器，其特征在于，该传感器包括：
衬底10，
在衬底上形成的氮化镓GaN缓冲/沟道层，
在所述氮化镓缓冲/沟道层上外延生长的铝镓氮AlGaN层，
在衬底及其上的缓冲层上形成的有源区，
在所述有源区上形成的第一磁敏感晶体管和第二磁敏感晶体管的源极和漏极，其中源极位于源极金属接触区域2，漏极位于漏极金属接触区域4和5，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用源极，
在源极金属接触区域与漏极金属接触区域之间形成的磁敏感晶体管的栅极3，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用栅极，
所述第一磁敏感晶体管的漏极与第一电阻6相连，所述第二磁敏感晶体管的漏极与第二电阻7相连，
与所述第一电阻和所述第二电阻另一端共同相连的电源8接触。
同时，所述半导体磁场传感器可以不包括所述第一电阻和所述第二电阻。
本发明还提出了一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备衬底，于衬底上外延生成氮化镓缓冲/沟道层和铝镓氮层；
光刻并刻蚀形成磁敏感分裂漏极晶体管的有源区；
光刻并刻蚀，淀积金属形成磁敏感分裂漏极晶体管的源、漏金属接触区域，高温退火以形成欧姆接触；
光刻并打开肖特基接触的窗口，包括磁敏感分裂漏极晶体管的栅极，以及与分裂漏极相连的两个电阻，淀积肖特基接触用的金属层，形成肖特基接触图形，进行退火改善接触界面。
基于同一工作原理，器件和电路的结构可以不同，本发明提出的一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器制备方法，具体实施方式依据实施例不同可分为：
实施例1(对应图1的器件结构和图2的工艺流程和版图结构)：
(1)如图2(a)所示，上面为顶视版图结构，下面为结构剖面图。起始的基地，包括衬底，及在其上外延的氮化镓沟道层和最上层的铝镓氮层。衬底一般为硅，绝缘层上硅，蓝宝石或碳化硅，掺杂一般为不掺杂或弱掺杂。中间的氮化镓使用金属有机化学气相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)等方法形成。厚度为100nm至5μm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。最上面的铝镓氮使用MOCVD或者MBE等方法形成，厚度为5nm至100nm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。
(2)光刻形成分裂漏极磁敏感晶体管的有源区图形，有源区整体长度和宽度为100nm至100μm之间，两个分裂漏极之间的间距为10nm至10μm。光刻之后进行刻蚀，刻蚀可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用电感耦合等离子体(ICP)，刻蚀一般用氯基气体，如Cl2和BCl3等。刻蚀深度需要完全去除铝镓氮层，及部分的氮化镓层，约10nm至200nm之间。之后，去除有源区曝光的光刻胶。
(3)光刻并打开磁敏晶体管欧姆接触的源极和漏极的窗口，之后利用光刻胶为掩膜，使用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀掉部分的铝镓氮层，以提高欧姆接触性能。刻蚀后剩下5nm至50nm厚的铝镓氮层；之后利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积欧姆接触用的金属层。金属层一般为钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离(liftoff)工艺最终形成欧姆金属接触图形。之后进行高温退火形成欧姆接触。退火温度一般为700度至1000度之间。
(4)光刻并打开肖特基接触的窗口，包括磁敏晶体管的栅极，以及与分裂漏极相连的两个电阻。电阻采用弯曲的丝状结构以提高面积的利用效率。之后利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积肖特基接触用的金属层。金属层一般为镍/金，铬/金或者白金/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离(liftoff)工艺最终形成肖特基接触图形。之后进行退火改善接触界面。退火温度一般为200度至600度之间。
实施例2(对应图3(a)的器件结构图)：
实施例2与实施例1类似，区别在于差分放大器中电阻的实现方式不同。在实施例1中，差分放大器中的两个电阻是使用肖特基金属接触层形成的。而本实施例中使用有源区形成差分放大器中的两个电阻。由于高电子迁移率有源区的电阻率比金属要高，在形成阻值较高的电阻时耗费的面积更小，有利于减小电路面积，增加集成度。具体的实施方法与实施例1类似，主要区别在于所设计的版图不同。在实施例1中的第(2)步形成磁敏晶体管有源区时，同时形成放大器用的电阻结构，而无需在第(4)步形成。
实施例3(对应图3(b)的器件结构图)：
实施例3与实施例1类似，区别在于本实施例只有分裂漏极的磁敏晶体管，而不包含差分放大器的两个电阻。由于使用外接电阻，差分放大器的增益可以灵活调整，以适应不同磁场强度传感的需求。本实施例的具体实施方法与实施例1类似，主要区别在于所设计的版图不同。实施例1中的第(4)步形成磁敏晶体管的栅极肖特基金属接触时，无需同时形成差分放大器的电阻。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器电路，其特征在于，该传感器电路至少包括：第一直流电压源，接地端，第一输出端，第二输出端，第一磁敏感晶体管，第二磁敏感晶体管，以及第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻的一端均与所述第一直流电压源连接，所述第一电阻的另一端通过第一输出端与第一磁敏感晶体管的漏极相连，所述第二电阻的另一端通过第二输出端与第二磁敏感晶体管的漏极相连；
所述第一磁敏感晶体管与所述第二磁敏感晶体管共用栅极和源极，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管的源极连接接地端。
2.如权利要求1所述的半导体磁场传感器电路，其特征在于，所述磁场传感器电路通过经过所述第一电阻和所述第二电阻的电流不同，导致所述第一输出端与所述第二输出端输出的电压差信号来计算磁场方向及强度。
3.一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器，其特征在于，该传感器包括：
衬底，
在衬底上形成的氮化镓缓冲/沟道层，
在所述氮化镓缓冲/沟道层上外延生长的铝镓氮层，
在衬底及其上的缓冲层上形成的有源区，
在所述有源区上形成的第一磁敏感晶体管和第二磁敏感晶体管的源极和漏极，其中源极位于源极金属接触区域，漏极位于漏极金属接触区域，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用源极，
在源极金属接触区域与漏极金属接触区域之间形成的磁敏感晶体管的栅极，所述第一磁敏感晶体管和所述第二磁敏感晶体管共用栅极，
所述第一磁敏感晶体管的漏极与第一电阻相连，所述第二磁敏感晶体管的漏极与第二电阻相连，
与所述第一电阻和所述第二电阻另一端共同相连的电源接触。
4.如权利要求3所述的半导体磁场传感器，其特征在于，所述衬底材料包括硅，其绝缘层可以为硅，蓝宝石或碳化硅，掺杂一般为不掺杂或弱掺杂。
5.如权利要求3所述的半导体磁场传感器，其特征在于所述源极和漏极使用的金属层，包括钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金复合金属，所述栅极使用的金属层包括镍/金，铬/金或者白金/金复合金属。
6.如权利要求3所述的半导体磁场传感器，其特征在于，所述半导体磁场传感器可以不包括所述第一电阻和所述第二电阻，第一磁敏感晶体管的漏极、第二磁敏感晶体管的漏极直接与电源连接。
7.如权利要求3所述的半导体磁场传感器，其特征在于，所述半导体磁场传感器用于形成集成式单片磁场传感系统
8.一种基于氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率衬底的集成式半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备衬底，于衬底上外延生成氮化镓缓冲/沟道层和铝镓氮层；
光刻并刻蚀形成磁敏感分裂漏极晶体管的有源区；
光刻并刻蚀，淀积金属形成磁敏感分裂漏极晶体管的源、漏金属接触区域，高温退火以形成欧姆接触；
光刻并打开肖特基接触的窗口，包括磁敏感分裂漏极晶体管的栅极，以及与分裂漏极相连的两个电阻，淀积肖特基接触用的金属层，形成肖特基接触图形，进行退火改善接触界面。
9.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述于衬底上外延生成氮化镓缓冲/沟道层和铝镓氮层包括：使用金属有机化学气相淀积MOCVD或者分子束外延MBE方法形成氮化镓缓冲/沟道层和铝镓氮层，所述氮化镓缓冲/沟道层厚度为100nm至5μm之间，为不掺杂或弱掺杂；所述铝镓氮层厚度为5nm至100nm之间，为不掺杂或弱掺杂。
10.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述有源区的整体长度和宽度为100nm至100μm之间，两个分裂漏极之间的间距为10nm至10μm。
11.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述光刻并刻蚀的步骤包括：光刻之后进行刻蚀，刻蚀选用干法或者湿法方法。
12.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述光刻并刻蚀，然后淀积金属形成磁敏晶体管的源、漏金属接触区域，高温退火以形成欧姆接触包括：光刻并打开磁敏晶体管欧姆接触的源极和漏极的窗口，之后利用光刻胶为掩膜，使用电感耦合等离子体刻蚀掉部分的铝镓氮层，刻蚀后剩下5nm至50nm厚的铝镓氮层；之后利用电子束蒸发或者溅射方法，淀积欧姆接触用的金属层，金属层总厚度为50nm至500nm之间，利用剥离工艺形成欧姆金属接触图形，进行高温退火形成欧姆接触，退火温度为700度至1000度之间。
13.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述与分裂漏极相连的两个电阻采用弯曲的丝状结构。
14.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述肖特基接触用的金属层是利用电子束蒸发或者溅射方法淀积的，总厚度为50nm至500nm之间，所述进行退火改善接触界面步骤中，退火温度为200度至600度之间。
15.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，所述与分裂漏极相连的两个电阻在所述光刻并刻蚀形成磁敏感分裂漏极晶体管的有源区的同时形成。
16.如权利要求8所述的半导体磁场传感器制备方法，其特征在于，在所述光刻并打开肖特基接触的窗口时，不形成所述与分裂漏极相连的两个电阻。
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