CN117279481A - 一种高性能垂直型霍尔器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能垂直型霍尔器件，包括P型衬底，所述P型衬底上开设有N阱区；所述N阱区的上方有源区通过若干个浅沟槽隔离区进行隔离形成若干个重掺杂有源区域；所述重掺杂有源区域包括重掺杂有源区一、重掺杂有源区二和重掺杂有源区三；所述重掺杂有源区二的横向尺寸小于重掺杂有源区一和重掺杂有源区三的横向尺寸；在每个重掺杂有源区域均设置有金属互联线并形成相应接线端口；本发明在于提供一种低初始失调，高感应霍尔电压的四阱三接触垂直型霍尔器件，利用扇形方案迫使电流聚集在感应阱提高其电流密度，基于PWELL隔离方案，能够在经典设计上大大提高感应到的霍尔电压。

Description

一种高性能垂直型霍尔器件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高性能垂直型霍尔器件。

背景技术

霍尔器件是一种利用霍尔效应的固态电子器件，现有技术如图9所示。霍尔效应是在一块矩形导体，通过在两端设置特定电压放置在特定的磁场环境中，在导体两侧会由于电子在磁场和电场共同的作用下达到平衡而产生感应电动势。对于半导体固态电子器件而言，其中的载流子在电场与磁场的作用下，使得载流子会在特定的区域发生聚集或偏移而导致该区域也会出现感应电动势。得益于霍尔效应，该特殊的器件可以应用于对磁场的检测传感器，目前也已经广泛应用在机械控制，汽车电子，医疗设备，消防安全等领域。

为了提高霍尔器件对磁场的感应能力，降低初始失调和感应的电动势，以提高灵敏度以及降低后续驱动电路的难度，目前最典型的措施为将五接触结构改为四阱结构，如图10所示。通过四阱下的完全对称结构可以很好的将水平霍尔传感器中的电流旋转法引入其中以达到消除初始偏压的目的。然而四阱的结构将会由于结构以及短路电流降低感应到的电动势。因此业界最常用的方式为利用P+接触或者PWELL进行隔离，通过简单的隔离能有效减小短路电流以及提高霍尔电压。然而虽然能一定程度上提高霍尔电压，但是实际的感应电动势依旧很小，对电路驱动的设计挑战依旧很高，因此不断提高感应的霍尔电压是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能垂直型霍尔器件，通过创新改变霍尔器件的设计结构，利用扇形方案迫使电流聚集在感应阱提高其电流密度，同时设计低掺杂高压NWELL下的改进方案。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高性能垂直型霍尔器件，包括P型衬底，所述P型衬底上开设有N阱区；

所述N阱区的上方有源区通过若干个浅沟槽隔离区进行隔离形成若干个重掺杂有源区域；

所述重掺杂有源区域包括重掺杂有源区一、重掺杂有源区二和重掺杂有源区三；

所述重掺杂有源区二的横向尺寸小于重掺杂有源区一和重掺杂有源区三的横向尺寸；

在每个重掺杂有源区域均设置有金属互联线并形成相应接线端口。

作为本发明进一步的方案：重掺杂有源区一上设置有金属硅化物层一，所述重掺杂有源区一上还设置有金属互联线四；

所述重掺杂有源区一上的金属互联线四对应A1端口。

作为本发明进一步的方案：所述重掺杂有源区二上设置有金属硅化物层二，所述重掺杂有源区二上还设置有金属互联线五；

所述重掺杂有源区二上的金属互联线五对应B1端口。

作为本发明进一步的方案：所述重掺杂有源区三上设置有金属硅化物层三，所述重掺杂有源区三上也设置有金属互联线四；

所述重掺杂有源区三上的金属互联线四对应C端口。

作为本发明进一步的方案：在所述P型衬底与所述N阱区之间开设有深N阱区。

作为本发明进一步的方案：位于所述重掺杂有源区一与所述重掺杂有源区二之间的浅沟槽隔离区下方开设有隔离P阱区；

位于所述重掺杂有源区二与重掺杂有源区三之间的浅沟槽隔离区下方开设有隔离P阱区。

作为本发明进一步的方案：所述隔离P阱区与深N阱区导通。

作为本发明进一步的方案：在所述P型衬底与所述N阱区之间开设有高压N型阱。

作为本发明进一步的方案：所述重掺杂有源区二底部及P型衬底两侧的浅沟槽隔离区底部均与所述高压N型阱连通。

作为本发明进一步的方案：位于所述重掺杂有源区二两侧的浅沟槽隔离区正下方设置有隔离P阱区，所述隔离P阱区与所述高压N型阱连通。

本发明的有益效果：本发明在于提供一种低初始失调，高感应霍尔电压的四阱三接触垂直型霍尔器件，通过创新改变霍尔器件的设计结构，利用扇形方案迫使电流聚集在感应阱提高其电流密度，同时设计低掺杂高压NWELL下的改进方案，基于PWELL隔离方案，能够在经典设计上大大提高感应到的霍尔电压；

本发明专利适用于BCD/CMOS工艺下高灵敏度垂直型磁场传感器应用领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例1结构示意图；

图2是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例2结构示意图；

图3是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例3结构示意图一；

图4是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例3结构示意图二；

图5是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例4结构示意图一；

图6是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例4结构示意图二；

图7是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例5结构示意图一；

图8是本发明一种高性能垂直型霍尔器件实施例5结构示意图二

图9是本发明现有技术结构示意图一；

图10是本发明现有技术结构示意图二。

图中：

91、金属互联线一；92、金属互联线二；93、金属互联线三；94、金属互联线四；95、金属互联线五；

100、浅沟槽隔离区；

110、P型衬底；

111、隔离P阱区；

120、N阱区；

121、重掺杂有源区一；121A、金属硅化物层一；122、重掺杂有源区二；122A、金属硅化物层二；123、重掺杂有源区三；123A、金属硅化物层三；124、重掺杂有源区四；124A、金属硅化物层四；125、重掺杂有源区五；125A、金属硅化物层五；

130、深N阱区；

220、高压N型阱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中：

如图9所示；在P型衬底110上开设有N阱区120；

N阱区120的上方区域通过设置若干个浅沟槽隔离区100对N阱区120上方的有源区进行隔离；

即通过浅沟槽隔离区100将N阱区120上方的有源区分割成了重掺杂有源区一121、重掺杂有源区二122、重掺杂有源区三123、重掺杂有源区四124和重掺杂有源区五125；

在重掺杂有源区一121上设置有金属硅化物层一121A；

在重掺杂有源区二122上设置有金属硅化物层二122A；

在重掺杂有源区三123上设置有金属硅化物层三123A；

在重掺杂有源区四124上设置有金属硅化物层四124A；

在重掺杂有源区五125上设置有金属硅化物层五125A；

在金属硅化物层三123A上设置有金属互联线一91，金属互联线一91对应C端口；

在金属硅化物层一121A和金属硅化物层五125A上设置有金属互联线二92，金属硅化物层一121A上的金属互联线二92对应A端口，金属硅化物层五125A上的金属互联线二92对应E端口；

在金属硅化物层二122A上设置有金属互联线三93，金属互联线三93对应B端口；

在金属硅化物层四124A上设置有金属互联线四94，金属互联线四94对应D端口；

在重掺杂有源区一121与金属硅化物层一121A及重掺杂有源区五125与金属硅化物层五125A相接触时，形成欧姆接触；

具体的：

在金属互联线一91接高电位，金属互联线二92接低电位时，电流会从C端口流向两端的A端口和E端口，此时金属互联线三93的B端口与金属互联线四94的D端口会产生稳定的电势差。

若器件完全对称，那么B端口与D端口可视为电势差为0V，若产生垂直于纸面向里或者向外的磁场时，由于电荷在电流路径上受到洛伦兹力的影响，B端口与D端口由于电流相反从而产生相反的感应霍尔电势，监测B端口与D端口的电势差，从而能够将磁场信息变成B端口与D端口的电势差信息。

该经典结构广泛的用于垂直霍尔器件，但该器件不兼容传统平面霍尔器件的电流旋转法并不能很好的移植，同时该结构的初始偏压也较大。对于一些精确性较高的应用，亟待优化垂直霍尔器件的灵敏度以及减少初始偏压。

进一步的，现有技术中：

如图10所示，在CMOS/BCD工艺上实现的四阱霍尔器件结构，四阱垂直型霍尔器件由四个完全一致的单元阱构成；

具体的，如图10所示，第一单元阱的C1端口与第二单元阱的A2端口连接，第二单元阱的C2端口与第三单元阱的A3端口连接，第三单元阱的C3端口与第四单元阱的A4端口连接，第四单元阱的C4端口与第一单元阱的A1端口连接；

第一单元阱的金属互联线五95接高电位，第三单元阱的金属互联线七97接低电位时，即第一单元阱的B1端口处接高电位，第三单元阱的B3端口接地，电流会流经四个不同的单元阱，在无外界激励磁场时，表现为N阱电阻的特性，即电流从第一单元阱的高电位进入流向进入第四单元阱，再从第三单元阱的B3端口低电位流出；另一电流从第一单元阱流向第二单元阱同样从第三单元阱的B3端口低电位流出；

此时B2端口与B4端口同理产生电动势，若有垂直于纸面向里或者向外的磁场时，B2端口与B4端口产生感应霍尔电压，即可获取磁场与感应霍尔电压的关系。同理，我们也可对B2端口接高电位，B4端口接低电位，在B1端口与B3端口检测霍尔电压。

该结构可以完全适用于传统水平霍尔器件的电流旋转法，具有非常低的初始偏压，且感应到的霍尔电压也会更低。

基于此，本发明提出了一种高性能垂直型霍尔器件，通过创新改变霍尔器件的设计结构，利用扇形方案迫使电流聚集在感应阱提高其电流密度，同时设计低掺杂高压NWELL下的改进方案，PWELL隔离方案，可以在经典设计上大大提高感应到的霍尔电压。

实施例1

如图1所示，在CMOS/BCD工艺上实现的新型扇形四阱霍尔器件中的单阱结构。

在P型衬底110上开设有N阱区120；

N阱区120的上方区域通过设置若干个浅沟槽隔离区100对N阱区120上方的有源区进行隔离；

即通过浅沟槽隔离区100将N阱区120上方的有源区分割成了重掺杂有源区一121、重掺杂有源区二122和重掺杂有源区三123；

在重掺杂有源区一121上设置有金属硅化物层一121A；

在重掺杂有源区二122上设置有金属硅化物层二122A；

在重掺杂有源区三123上设置有金属硅化物层三123A；

在金属硅化物层一121A和金属硅化物层三123A上设置有金属互联线四94，金属硅化物层一121A上的金属互联线四94对应A1端口，金属硅化物层三123A上的金属互联线四94对应C1端口；

在金属硅化物层二122A上设置有金属互联线五95，金属互联线五95对应B1端口；

其中，重掺杂有源区二122的横向尺寸小于重掺杂有源区一121和重掺杂有源区三123的横向尺寸，以形成电流汇聚的工作效果；

在同样的工作环境下，本实施例的结构具有比现有技术结构在重掺杂有源区二122与金属硅化物层二122A附近有较大的电流密度，对于霍尔感应的电压远大于同样尺寸下附图7所示的基本结构；因此灵敏度性能也大幅提高。

实施例2

在实施例1在CMOS/BCD工艺上实现的新型扇形四阱霍尔器件中的单阱结构的基础上，如图2所示进行改进，

进一步，将重掺杂有源区二122的横向尺寸拉小，将重掺杂有源区一121和重掺杂有源区三123的横向尺寸拉大，以形成电流汇聚的工作效果；

在同样的工作环境下，本实施例结构灵敏度大幅提高。

实施例3

在实施例2在CMOS/BCD工艺上实现的新型扇形四阱霍尔器件中的单阱结构的基础上，如图3-图4所示；

在P型衬底110上开设深N阱区130，在深N阱区130上设有N阱区120；

N阱区120的上方区域通过设置若干个浅沟槽隔离区100对N阱区120上方的有源区进行隔离；

且位于深N阱区130上方的浅沟槽隔离区100正下方设置有隔离P阱区111；

在使用时，金属硅化物层二122A上金属互联线五95对应B1端口（实际四阱工作下由于电流旋转法既需要作为激励电极，也需要作为感应电极）附近电流往更深处流动，当电流走向更深处时，对于感应电极端的输出的阻抗也会被变相的提高，不同工艺下的PWELL结深不尽相似，但该结深越深，对迫使电流的深度行为也就越深，器件感应的霍尔电压也会越高，从而提高其灵敏度。

实施例4

在实施例3的基础上，如图5-图6所示，在BCD工艺上实现在简单改进后的高压N型阱单阱结构，具体的：

在P型衬底110上开设高压N型阱220，在高压N型阱220上设有N阱区120；

N阱区120的上方区域通过设置若干个浅沟槽隔离区100对N阱区120上方的有源区进行隔离；

即通过浅沟槽隔离区100将N阱区120上方的有源区分割成了重掺杂有源区一121、重掺杂有源区二122和重掺杂有源区三123；

在重掺杂有源区一121上设置有金属硅化物层一121A；

在重掺杂有源区二122上设置有金属硅化物层二122A；

在重掺杂有源区三123上设置有金属硅化物层三123A；

重掺杂有源区二122底部及P型衬底110两侧的浅沟槽隔离区100底部均与高压N型阱220连通。

即利用高压N型阱220通过围绕形成的低掺杂的高压NWELL以取代普通的高掺杂NWELL阱，将器件设计在低掺杂的高压NWELL阱中，可以显著提高载流子的速度，在洛伦兹力的影响下可以感应更高的霍尔电压，从而可以提高器件的灵敏度。

实施例5

在实施例4的基础上，如图7-图8所示，在BCD工艺上实现在简单改进后的高压N型阱PWELL隔离的单阱结构，具体的：

在P型衬底110上开设高压N型阱220，在高压N型阱220上设有N阱区120；

N阱区120的上方区域通过设置若干个浅沟槽隔离区100对N阱区120上方的有源区进行隔离；

即通过浅沟槽隔离区100将N阱区120上方的有源区分割成了重掺杂有源区一121、重掺杂有源区二122和重掺杂有源区三123；

在重掺杂有源区一121上设置有金属硅化物层一121A；

在重掺杂有源区二122上设置有金属硅化物层二122A；

在重掺杂有源区三123上设置有金属硅化物层三123A；

重掺杂有源区二122底部及P型衬底110两侧的浅沟槽隔离区100底部均与高压N型阱220连通；

位于高压N型阱220上方的浅沟槽隔离区100正下方设置有隔离P阱区111，隔离P阱区111与高压N型阱220连通；

即本实施例是根据实施例3和实施例4结合的新型器件，在低掺杂的高压NWELL阱中通过IsolationPWELL进行隔离，电流在低掺杂的环境下被IsolationPWELL迫使往更深处流动，一定程度上可以更加提升感应到的霍尔电压，从而提升灵敏度。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能垂直型霍尔器件，包括P型衬底（110），其特征在于，所述P型衬底（110）上开设有N阱区（120）；

所述N阱区（120）的上方有源区通过若干个浅沟槽隔离区（100）进行隔离形成若干个重掺杂有源区域；

所述重掺杂有源区域包括重掺杂有源区一（121）、重掺杂有源区二（122）和重掺杂有源区三（123）；

所述重掺杂有源区二（122）的横向尺寸小于重掺杂有源区一（121）和重掺杂有源区三（123）的横向尺寸；

在每个重掺杂有源区域均设置有金属互联线并形成相应接线端口。

2.根据权利要求1所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，重掺杂有源区一（121）上设置有金属硅化物层一（121A），所述重掺杂有源区一（121）上还设置有金属互联线四（94）；

所述重掺杂有源区一（121）上的金属互联线四（94）对应A1端口。

3.根据权利要求1所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，所述重掺杂有源区二（122）上设置有金属硅化物层二（122A），所述重掺杂有源区二（122）上还设置有金属互联线五（95）；

所述重掺杂有源区二（122）上的金属互联线五（95）对应B1端口。

4.根据权利要求1所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，所述重掺杂有源区三（123）上设置有金属硅化物层三（123A），所述重掺杂有源区三（123）上也设置有金属互联线四（94）；

所述重掺杂有源区三（123）上的金属互联线四（94）对应C1端口。

5.根据权利要求2所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，在所述P型衬底（110）与所述N阱区（120）之间开设有深N阱区（130）。

6.根据权利要求5所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，位于所述重掺杂有源区一（121）与所述重掺杂有源区二（122）之间的浅沟槽隔离区（100）下方开设有隔离P阱区（111）；

位于所述重掺杂有源区二（122）与重掺杂有源区三（123）之间的浅沟槽隔离区（100）下方开设有隔离P阱区（111）。

7.根据权利要求6所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，所述隔离P阱区（111）与深N阱区（130）导通。

8.根据权利要求1所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，在所述P型衬底（110）与所述N阱区（120）之间开设有高压N型阱（220）。

9.根据权利要求8所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，所述重掺杂有源区二（122）底部及P型衬底（110）两侧的浅沟槽隔离区（100）底部均与所述高压N型阱（220）连通。

10.根据权利要求9所述的一种高性能垂直型霍尔器件,其特征在于，位于所述重掺杂有源区二（122）两侧的浅沟槽隔离区（100）正下方设置有隔离P阱区（111），所述隔离P阱区（111）与所述高压N型阱（220）连通。