DE4208544A1

DE4208544A1 - Hallsensor, eingebaut in einer cmos integrierten schaltung

Info

Publication number: DE4208544A1
Application number: DE4208544A
Authority: DE
Inventors: Silvo Zlebir; Andrej Dipl Ing Belic
Original assignee: ISKRA STEVCI IND MERILNE IN UP
Current assignee: ISKRA STEVCI IND MERILNE IN UP
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1992-09-24
Also published as: FR2674375B1; GB2253941B; GB9205801D0; GB2253941A; GB2253941A8; FR2674375A1; SI9110476A

Description

Die Erfindung betrifft einen in einer CMOS integrierten Schaltung eingebauten Hallsensor.

Halbleiter-Hallsensoren sind bis jetzt vorwiegend auf Silizium in bipolarer Technologie gefertigt worden. Dabei wird als aktive Sensorschicht eine epitaktisch gewachsene Schicht verwendet, z. B. vom Leitfähigkeitstyp n. Dieses Gebiet einer integrierten Schaltung ist von den anderen durch eine p-Isolationswand getrennt, die durch die Diffusion der Akzeptor-Dotierstoffe in die Epitaxie-Schicht ausgeführt wird, von dem Substrat vom Leitfähigkeitstyp p wird es jedoch durch einen pn-Übergang getrennt. Metallene elektrische Hallsensorkontakte sind mit Gebieten vom Leitfähigkeitstyp n verbunden, die stark dotiert und die durch die Diffusion der Donor-Dotierstoffe gebildet sind. Die Eigenschaften des Hallsensors sind deswegen vorwiegend von den Eigenschaften der Epitaxie-Schicht abhängig. Gewöhnlich beträgt die Donor-Konzentration darin um 10¹⁶ cm^-3, ihre Dicke liegt zwischen 8 µm und 15 µm und ist durch die an die übrigen Komponenten der integrierten Schaltung gestellten Forderungen bedingt. Ein Hallsensor und die übrige in der bipolaren Technologie gefertigte integrierte Schaltung haben jedoch einen großen Energieverbrauch. Außerdem sind der Energieverbrauch und die Empfindlichkeit eines solchen Hallsensors nicht wiederholbar, weil die Dicke der Epitaxie-Schicht nicht konstant ist. Das ist ein ernster Nachteil im Falle, daß er zum Strom-Eingang und zum Multiplizierglied in einer monolithischen integrierten Schaltung für einen Wattmeter benutzt werden sollte.

Außerdem von dem genannten und noch dazu von dem Piezo-Halleffekt und von dem Piezoresistenz-Effekt wird die Stabilität des Hallsensors vorwiegend von den Oberflächeneffekten beeinflußt. In der SiO₂-Schutzschicht, die gewöhnlich eine integrierte Schaltung bedeckt, sind verschiedene Fremdionen enthalten, z. B. Natriumionen. Unter dem Einfluß der thermischen Bewegung und des elektrischen Feldes migrieren diese Ionen zur aktiven Sensorschicht und induzieren eine elektrische Ladung in ihr, wodurch der Verlauf des spezfischen Widerstandes ϕ(t) entlang der von der Oberfläche der aktiven Schicht des Hallsensors gemessenen Tiefe t und dadurch auch die Empfindlichkeit des Hallsensors beeinflußt sind. In der Patentschrift US 46 60 065 ist ein in bipolarer Technologie gefertiger Hallsensor beschrieben, in dem vor der Bildung der Oxid-Schutzschicht eine Schicht vom Leitfähigkeitstyp p implantiert wurde. Dadurch gelang es, einen unmittelbaren Kontakt der aktiven Sensorschicht mit der Oxid-Oberflächenschutzschicht zu vermeiden. Die Bildung der zusätzlichen Schutzschicht verlangt einen zusätzlichen Schritt in dem technologischen Verfahren. Dazu wird die aktive Sensorschicht dünner und der Hallsensor wird infolge des gestiegenen ϕ(t) sehr nichtlinear, was ihn ungeeignet für eine monolithische integrierte Schaltung für einen elektrischen Wattmeter macht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen in einer CMOS integrierten Schaltung eingebauten Hallsensor zu schaffen, damit mit der Bildung einer geeigneten Schicht an der Feldoxidschicht, die das Gebiet des Hallsensors um seine elektrische Anschlußkontakte bedeckt, und gegebenenfalls mit dem geeigneten Anschluß des Hallsensors der störende Einfluß der Migration der Ionen in der Feldoxidschicht auf die aktive Schicht des Hallsensors verhindert wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bzw. 3 angegeben.

Vorteilhaft wird der Schutz der aktiven Schicht des Hallsensors nach der Erfindung erzielt, indem mit einem einfachen Verfahren im Rahmen der CMOS Technologie eine Schutzschicht gebildet wird.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen in einer integrierten CMOS Schaltung eingebauten Hallsensors,

Fig. 2a einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen in einer integrierten CMOS Schaltung eingebauten Hallsensors,

Fig. 2b eine schematische Darstellung der Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hallsensors (Fig. 2a) in der integrierten Schaltung und seines Anschlusses an eine äußere Stromquelle,

Fig. 3 ein Diagramm der Konzentration elektrischer Ladungsträger in Abhängigkeit von dem Abstand von der oberen Ebene des Substrats in der Mitte des Hallsensors in Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm der Konzentration elektrischer Ladungsträger in Abhängigkeit von dem Abstand von der oberen Ebene des Substrats in der Mitte des Hallsensors in Fig. 2a,

Fig. 5 das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hallsensors in Funktion.

Ein Hallsensor HS nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Hallsensor HS′ nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in einer CMOS integrierten Schaltung IC bzw. IC′ eingebaut sind, sind in Fig. 1 bzw. in Fig. 2a dargestellt. Auf einem Substrat 1; 1′ in erster Leitfähigkeitsart ist eine Wanne 2; 2′ zweiter Leitfähigkeitsart ausgebildet. Die Wanne 2; 2′ stellt die aktive Schicht des Hallsensors HS; HS′ dar. In der Wannde 2; 2′ sind vier stark dotierte und voneinander getrennte Gebiete 31, . . ., 34; 31′, . . . 34′ zweiter Leitfähigkeitsart gebildet. Die Verbindungslinie zweier Gebiete 31, 32; 31′, 32′ ist senkrecht zu der Verbindungslinie zweier weiterer Gebiete 33, 34; 33′, 34′. Über den Gebieten 31, . . ., 34; 31′, . . ., 34′ sind metallene elektrische Kontakte 41, . . ., 44; 41′, . . ., 44′ des Hallsensors HS bzw. HS′ ausgeführt, und zwar Speisekontakte 41, 42; 41′, 42′ und Abnahmekontakte 43, 44; 43′, 44′. Die Abnahmekontakte 43, 44; 43′, 44′ und die ihnen gehörenden Gebiete 33, 34, 33′, 34′ liegen vor bzw. hinter der Zeichnungsebene auf der Symmetrielinie der Verbindungslinie der Speisekontakte 41, 42; 41′, 42′ und sind deswegen in Fig. 1 bzw. Fig. 2a gestrichelt dargestellt.

Die obere Ebene S; S′ des Substrats 1; 1′ ist überall außer an der Stelle der metallenen Kontakte 41, . . ., 44; 41′, . . ., 44′ mit einer Feldoxidschicht 5; 5′ bedeckt. Die Dicke der Feldoxidschicht 5; 5′ liegt zwischen 0,8 µm und 1,0 µm. An der Feldoxidschicht 5; 5′ wird in dem Gebiet 50; 50′, das die Metallkontakte 41, . . ., 44; 41′, 44′ umgibt, je nach dem Ausführungsbeispiel erstens unter dem genannten Gebiet 50 der Feldoxidschicht 5 und zweitens über dem genannten Gebiet 50′ der Feldoxidschicht 5′ eine Schicht 6; 6′ gebildet, mit der der störende Einfluß der Migration der Ionen in der Feldoxidschicht 5; 5′ verhindert wird.

In dem Hallsensor HS nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schicht 6 vom Leitfähigkeitstyp n und ist in dem Gebiet 50 unter der Feldoxidschicht 5 gebildet, indem sie vorwiegend in der Wanne 2 vom Leitfähigkeitstyp p plaziert ist und mindestens mit ihrem Rand teilweise auch in das Substrat 1 reicht. Da also bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Hallsensors HS auch das Substrat 1 vom Leitfähigkeitstyp n ist, befinden sich die Schicht 6 und das Substrat 1 in einem guten elektrischen Kontakt.

In dem Hallsensor HS′ nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch die Schicht 6′ aus elektrisch gut leitendem Polysilizium hergestellt, und sie befindet sich über der Feldoxidschicht 5′ in dem Gebiet 50′, das sich im wesentlichen unter den elektrischen Kontakten 41′, 44′ des Hallsensors HS′ befindet. Die Schicht 6′ ist an die Masse der integrierten Schaltung IC′ angeschlossen. Der Abnahmekontakt 43′ des Hallsensors HS′ muß an die virtuelle Masse der Speisekontakte 41′, 42′ des Hallsensors HS′ angeschlossen sein. Die Schicht 6′ aus Polysilizium nämlich wirkt schützend nur, wenn der Speisekontakt 41′ des Hallsensors HS′ mit dem Sinusstrom I eines äußeren Generators G gespeist ist (Fig. 2b). Der zweite Speisekontakt 42′ des Hallsensors HS′ ist an den Ausgang eines ebenfalls in der integrierten Schaltung IC′ ausgeführten Operationsverstärkers OA angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OA ist an die Masse und sein invertierender Eingang an den ersten Abnahmekontakt 43′ des Hallsensors HS′ angeschlossen. Auf diese Weise wird z. B. der Anschluß des Kontaktes 43′ an die virtuelle Masse der Speisung in einem elektrischen Wattmeter oder in einem elektrischen Zähler zustande gebracht, die mit dem in der integrierten Schaltung IC′ eingebauten Hallsensor HS′ ausgeführt sind.

Der spezifische Flächenwiderstand der die aktive Hallsensorschicht darstellenden Wanne 2; 2′ ist um 2 bis 4 kΩ/. Dieser Wert des spezifischen Flächenwiderstandes ist optimal, was den elektrischen Leistungsverbrauch und auch die Empfindlichkeit sowie die Linearität des Hallsensors HS; HS′ angeht. Da die Hallbeweglichkeit µ_n der Elektronen ungefähr dreimal größer als die Hallbeweglichkeit μ_p der Löcher ist, wird für die als aktive Sensorschicht wirkende Wanne 2′ in dem zweiten Ausführungsbeispiel des Hallsensors HS′ vorzugsweise der Leitfähigkeitstyp n gewählt.

Beide Ausführungsbeispiele des Hallsensors nach der Erfindung sind in einem Verfahren gefertigt, das vollkommen mit der CMOS Technologie kompatibel ist. Auf das Substrat mit einer Dotierstoffkonzentration der ersten Leitfähigkeitsart von 10¹⁵ cm^-3 bis 10¹⁶ cm^-3 wird ein geeigneter Dotierstoff der zweiten Leitfähigkeitsart implantiert und man läßt ihn diffundieren, daß sich die Wanne 2; 2′ der zweiten Leitfähigkeitsart mit der Dotierstoffkonzentration ebenfalls von 10¹⁵cm^-3 bis 10¹⁶cm^-3 bildet. Die Wanne 2; 2′ ist in der Tiefe t um 3 µm bis 6 µm, gemessen von der oberen Ebene S; S′ des Substrats 1; 1′ zu seinem Inneren, durch einen pn-Übergang von dem Substrat 1; 1′ getrennt. Der Verlauf der Konzentration N(cm^-3) freier Träger der elektrischen Ladung ist in Abhängigkeit von der Tiefe t für den Hallsensor HS; HS′ nach dem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf Fig. 3 bzw. Fig. 4 dargestellt. Auf den geeigneten Stellen in der Wanne 2; 2′ werden durch die Implantation eines geeigneten Dotierstoffes und durch seine Diffusion bis zur Tiefe um 1 µm die stark dotierten Gebiete 31, . . ., 34; 31′, 34′ der zweiten Leitfähigkeitsart mit der Konzentration freier Ladungsträger um 10²²cm^-3 ausgefertigt. Über den Gebieten 31, . . ., 34; 31′, . . ., 34′ werden die metallenen Speisekontakte 41, 42; 41′, 42′ bzw. die metallenen Abnahmekontakte 43, 44; 43′, 44′ des Hallsensors HS; HS′ gefertigt. Danach wird in einem bei der Herstellung der integrierten Schaltungen üblichen Verfahren die Oberfläche des Siliziumeinkristalls thermisch oxidiert. Die dabei entstandene SiO₂ Feldoxidschicht 5; 5′ schützt die Oberfläche der integrierten Schaltung.

Bei der Fertigung des zweiten Ausführungsbeispiels des Hallsensors HS′ wird nur noch auf die Feldoxidschicht 5′ eine Schicht 6′ aus Polysilizium aufgetragen, und zwar in dem Gebiet 50′, das im Grunde unter den elektrischen Kontakten 41′, . . ., 44′ des Hallsensors HS′ plaziert ist.

Bei der Fertigung des ersten Ausführungsbeispiels des Hallsensors HS wird jedoch die Dauer der thermischen Oxidation der Oberfläche der integrierten Schaltung IC verlängert. Dadurch werden die Dotierstoffe unmittelbar unter der Feldoxidschicht 5 im Gebiet 50 umverteilt, so daß dort eine einige Zehntel von Mikrometer dicke Schicht 6 von der Leitfähigkeitsart n entsteht. Der Feldoxid SiO₂ saugt nämlich die Akezptor-Dotiermittelionen an, z. B. Bor, und in dem Gebiet 50 unter der Feldoxidschicht 6 überwiegen allmählich die Donor-Dotiermittel, die ursprünglich in dem Substrat 1 vorhanden waren, z. B. Phosphor. Der gesamte Verlauf der Konzentration der freien elektrischen Ladungsträger entlang der Tiefe t ist für das erste Ausführungsbeispiel des Hallsensors HS im Diagramm in Fig. 3 dargestellt.

Im folgenden wird die Schutzwirkung der Schicht 6; 6′ beschrieben, durch die der störende Einfluß der von der thermischen Bewegung und von einem elektrischen Feld verursachten Migration der Ionen in der Feldoxidschicht 5; 5′ verhindert werden soll. Auch die von dieser Migration stammende Änderung der Oberflächenkonzentration der Ionen an der inneren Grenzfläche der Feldoxidschicht 5; 5′ übt einen störenden Einfluß auf die aktive Schicht des Hallsensors HS; HS′ aus.

In dem ersten Ausführungsbeispiel des Hallsensors HS (Fig. 1) ist die Wanne 2 vom Leitfähigkeitstyp p und das Substrat 1 ist auf dem höchsten positiven Potential. Die Ionenmigration von der Feldoxidschicht 5 zu der aktiven Schicht, d. h. zur Wanne 2, des Hallsensors HS wird durch den pn-Übergang in der Sperrichtung an der Grenze zwischen der Schicht 6 vom Leitfähigkeitstyp n in der Wanne 2 vom Leitfähigkeitstyp p verhindert. Die Linearität des Hallsensors HS bleibt dadurch unbetroffen, denn die Dicke der Schutzschicht 6 ist gering.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel des Hallsensors HS′ (Fig. 2a und Fig. 2b) sind jedoch, um die aktive Sensorschicht vor den von den in der Feldoxidschicht 5 migrierenden Ionen stammenden Störeinflüssen zu schützen, zusätzlich zur eigentlichen in Fig. 2a dargestellten Struktur noch erforderlich die Speisung des Hallsensors HS mit einem Sinustromgenerator G und auch der Anschluß des Sensorabnahmekontaktes 43 an die virtuelle Masse dieser Speisung (Fig. 2b). Das Substrat 1′ ist an das Potential -V_s und die Polysiliziumschicht 6′ an die Masse angeschlossen. Das Magnetfeld H ist senkrecht zur Sensoroberfläche gerichtet. Der elektrische Strom I durch die aktive Sensorschicht zwischen den Gebieten 31′ und 32′, d. h. in der Wanne 2′, verursacht ein elektrisches Feld E in der Feldoxidschicht 5′, dessen Verlauf in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Da der Hallsensor HS′ in bezug an die virtuelle Masse sinusartig gespeist ist und die Sensorabnahmekontakte (in Fig. 5 nicht dargestellt) an der Symmetrielinie der Verbindungslinie der Gebiete 31′, 32′ liegen, ist das elektrische Feld E in der Mitte zwischen den Kontakten 41′, 42′ gleich Null. Auch der Zeitmittelwert des elektrischen Feldes E an beliebiger Stelle ist ebenso gleich Null. Die Migrationszeitkonstante ist viel länger als die Periode der Netzspannung und die Beiträge der Migrationsstöreinflüsse heben sich auf. Es ist noch zu erwähnen, daß die Schicht 6′ nicht metallen sein darf, weil durch sie bei Temperaturschwankungen das Silizium im Gebiet der aktiven Sensorschicht mechanisch beansprucht sein würde, was unter anderem auf die Empfindlichkeit, auf den Widerstand und auf den Offset des Hallsensors HS′ einwirken würde.

Claims

1. Hallsensor, eingebaut in einer CMOS integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet
daß auf einem Substrat (1; 1′) der ersten Leitfähigkeitsart eine Wanne (2; 2′) der zweiten Leitfähigkeitsart gebildet ist,
daß die Verbindungslinie zweier in der Wanne (2; 2′) gebildeter und voneinander getrennt angeordneter und stark dotierter Gebiete (31, 32; 31′, 32′) der zweiten Leitfähigkeitsart senkrecht zu der Verbindungslinie zwei weiterer in der Wanne (2; 2′) gebildeter und voneinander getrennt angeordneter stark dotierter Gebiete (33, 34, 33′, 34′) der zweiten Leitfähigkeitsart verläuft, wobei über den Gebieten (31, 32, 31′, 32′) metallene elektrische Speisekontakte (41, 42; 41′, 42′) und über den Gebieten (33, 34; 33′, 34′) metallene elektrische Abnahmekontakte (43, 44; 43′, 44′) des Hallsensors (HS; HS′) gebildet sind,
daß die obere Ebene (S, S′) des Substrats (1; 1′) überall außer an der Stelle der metallenen Kontakte (41; . . ., 44; 41′, . . ., 44′) mit einer Feldoxidschicht (5; 5′) bedeckt ist, deren Dicke zwischen 0,8 µm und 1,0 µm liegt,
und daß an der Feldoxidschicht (5; 5′) in einem die Metallkontakte (41, . . ., 44; 41′, . . ., 44′) umgebenden Gebiet (50; 50′) eine Schicht (6; 6′) zum Verhindern des Störeinflusses der Migration der Ionen in der Feldoxidschicht (5; 5′) gebildet ist.

2. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) vom Leitfähigkeitstyp n unter der Feldoxidschicht (5) in dem vorwiegend in der Wanne (2) plazierten und teilweise in das Substrat (1) reichenden Gebiet (50) gebildet ist.

3. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß die Schicht (6′) aus elektrisch gut leitendem Polysilizium über der Feldoxidschicht (5′) in dem die Metallkontakte umgebenden Gebiet (50′) gebildet ist,
daß die Schicht (6′) an die Masse der integrierten Schaltung (IC′) angeschlossen ist,
und daß der elektrische Abnahmekontakt (43′) des Hallsensors (HS′) an die virtuelle Masse der elektrischen Speisekontakte (41′, 42′) des Hallsensors (HS′) angeschlossen ist.