FR2674375A1 - Capteur a effet hall incorpore dans un circuit integre du type cmos. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur à effet Hall incorporé dans un circuit intégré du type CMOS. Le circuit intégré (IC') comporte un caisson (2') en tant que couche active sur un substrat (1'). Des régions fortement dopées (31',..., 34') dans le caisson (2') sont connectées à des contacts métalliques (41',..., 44') de captage. Le plan supérieur (S') du substrat (1) est recouvert d'une couche (5') d'oxyde de champ dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 mum et 1,0 mum. Une couche (6') de silicium polycristallin est prévue, sur la couche (5'), dans la région (50') entourant les contacts (41',..., 44'), pour empêcher l'effet perturbateur d'ions migrant dans la couche (5') d'oxyde de champ. Domaine d'application: wattmètres et autres instruments de mesure électrique.

Description

L'invention concerne des circuits intégrés à semiconducteurs. Jusqu'à

présent, des capteurs à semiconducteurs à effet Hall étaient fabriqués principalement sur du silicium par la technologie bipolaire A cet effet, une partie d'une couche obtenue par croissance épitaxiale, par exemple du type n, est utilisée en tant que couche active du capteur à effet Hall Cette partie est isolée d'autres parties du circuit intégré par une paroi d'isolement p, qui est réalisée par la diffusion d'accepteurs dans la couche épitaxiale, et est déconnectée du substrat de type p par une jonction pn Les contacts électriques métalliques du capteur à effet Hall sont connectés à des régions de type N qui sont fortement dopées

et sont formées par la diffusion d'impuretés du type donneur.

Par conséquent, les propriétés du capteur à effet Hall

dépendent principalement des propriétés de la couche épi-

taxiale Normalement, la concentration en donneurs y est de î 016 cn C 3, et son épaisseur est comprise entre 8 pm et 15 Sn, suivant les exigences imposées à d'autres composants du circuit intégré Par conséquent, la consommation d'énergie électrique dans un tel capteur à effet Hall et dans la partie restante du circuit intégré fabriqué suivant la technologie bipolaire est élevée De plus, la consommation d'énergie électrique et la sensibilité d'un tel capteur à effet Hall ne sont pas reproductibles, car l'épaisseur de la couche épitaxiale n'est pas constante Ceci représente un grave inconvénient si elle pouvait être utilisée en tant qu'entrée

de courant et multiplicateur dans un circuit intégré mono-

lithique pour un wattmètre électrique.

En plus de l'effet Hall-piézo-électrique et de l'effet piézorésistif, la stabilité du capteur à effet Hall

est influencée par-dessus tout par des effets de surface.

Dans la couche protectrice de Si O 2 à effet de champ, recou-

vrant habituellement un circuit intégré, divers ions d'impu-

retés, par exemple des ions sodium, sont présents Sous l'influence du champ électrique et du fait du mouvement thermique, les ions migrent vers la couche active du capteur à effet Hall et ils y induisent une charge électrique, influençant ainsi la dépendance de la résistivité p vis-à-vis de la profondeur t telle que mesurée par rapport à la surface de la couche active du capteur à effet Hall et donc, aussi, la sensibilité du capteur Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 660 065, il est décrit un capteur à effet Hall qui est fabriqué suivant la technologie bipolaire et dans lequel, avant la formation de la couche protectrice d'oxyde, une couche de type p est implantée Ainsi, un contact direct de la couche active du capteur avec la couche d'oxyde protecteur sur la surface est empêché Pour la

fabrication de la couche protectrice, une étape supplémen-

taire dans le processus technologique est nécessaire En outre, la couche active du capteur est rétrécie et le capteur à effet Hall, du fait d'une résistivité p(t) plus élevée, devient fortement non linéaire, ce qui le rend impropre à un

circuit intégré monolithique pour un wattmètre électrique.

Conformément à ce qui précède, l'objet de l'invention est de procurer un capteur à effet Hall qui est incorporé dans un circuit intégré du type CMOS et dans lequel, par la présence d'une couche appropriée disposée côte à côte à la couche d'oxyde de champ, qui recouvre la partie du capteur à effet Hall entourant les contacts du capteur, et le cas échéant, par une connexion appropriée du capteur à effet Hall, l'influence perturbatrice des ions migrant dans cette couche d'oxyde de champ et visant à s'exercer sur la

couche active du capteur, est empêchée.

Compte tenu des objets ci-dessus, le capteur à effet Hall incorporé dans un circuit intégré du type CMOS conforme a pour particularités que, sur un substrat d'un premier type de conductivité électrique, un caisson du second

type de conductivité électrique est formé, une ligne connec-

tant deux régions séparées et fortement dopées du second

type de conductivité électrique dans le caisson, est perpen-

diculaire à une ligne connectant deux régions séparées et fortement dopées du second type de conductivité électrique dans le caisson et, au- dessus des régions, des contacts métalliques d'alimentation électrique et des contacts métalliques de captage électrique, respectivement, du capteur à effet Hall sont prévus, le plan supérieur du substrat, en

tous points sauf à l'emplacement des contacts, étant recou-

vert d'une couche d'oxyde de champ dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 gm et 1,0 Am, et, à la couche d'oxyde de champ, dans la région entourant les contact métalliques, il est formé une couche qui est destinée à empêcher l'influence perturbatrice des ions migrant dans la couche Selon une première forme de réalisation de l'invention, la couche de type N est formée sous la couche d'oxyde de champ dans la région qui est située principalement dans le caisson de type

p et elle ne pénètre que partiellement dans le substrat.

Selon une seconde forme de réalisation, la couche formée d'un silicium polycristallin hautement conducteur est formée sur la couche d'oxyde de champ, dans la région entourant les contacts métalliques, et est connectée à la masse du circuit intégré, et le contact électrique de captage du capteur à effet Hall est connecté à la masse virtuelle des contacts

électriques d'alimentation du capteur à effet Hall.

La protection de la couche active du capteur à effet Hall de l'invention est avantageusement obtenue par le fait que la couche protectrice est produite par une étape de

processus simple conformément à la technologie CMOS.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 représente une coupe transversale de la première forme de réalisation du capteur à effet Hall dans le circuit intégré du type CMOS selon l'invention; la figure 2 a est une coupe transversale de la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall dans le circuit intégré du type CMOS selon l'invention; la figure 2 b est une présentation schématique de la connexion de la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall de la figure 2 a dans le circuit intégré, et de ses connexions sur un générateur extérieur de courant;

la figure 3 est un graphique montrant la concen-

tration des porteurs de charges électriques en fonction de la distance depuis le plan supérieur du substrat au milieu du capteur à effet Hall tel que représenté sur la figure 1;

la figure 4 est un graphique montrant la concen-

tration des porteurs de charges électriques en fonction de la distance à partir du plan supérieur du substrat au milieu du capteur à effet Hall tel que représenté sur la figure 2 a; et la figure 5 est une coupe transversale montrant la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall en fonctionnement. La première forme de réalisation du capteur à effet Hall HS selon l'invention et la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall HS' selon l'invention, qui sont incorporées dans les circuits intégrés IC et IC' du type CMOS, respectivement, sont représentées, respectivement, sur les figures 1 et 2 a Sur un substrat 1; 1 ' du premier type de conductivité électrique, un caisson 2; 2 ' du second type de conductivité électrique est formé En réalité, le caisson 2; 2 ' est la région active du capteur à effet Hall HS; HS' Quatre régions séparées et fortement dopées 31,, 34; 31 ',, 34 ' du second type de conductivité électrique sont formées dans le caisson 2; 2 ' La ligne connectant deux régions 31, 32; 31 ', 32 ' est perpendiculaire

à la ligne connectant deux autres régions 33, 34; 33 ', 34 '.

Sur les régions 31,, 34, 31 ',, 34 ', des contacts électriques métalliques 41,, 44; 41 ',, 44 ' du capteur à effet Hall HS; HS' sont prévus, à savoir les contacts d'alimentation 41, 42; 41 ', 42 ' et les contacts de captage 43, 44; 43 ', 44 ' Les contacts de captage 43, 44; 43 ', 44 ' et les régions associées 33, 34; 33 ', 34 ' sont

situés en avant et en arrière du plan du dessin, respec-

tivement, sur l'axe de symétrie de la ligne connectant les contacts d'alimentation 41, 42; 41 ', 42 ' et, pour cette raison, ils sont représentés en trait tireté sur les figures

1 et 2 a, respectivement.

Le plan supérieur S; S' du support 1; 1 ' est recouvert d'une couche 5; 5 ' de Si O 2 d'oxyde de champ, partout sauf à l'emplacement des contacts métalliques

41,, 44; 41 ',, 44 ' du capteur à effet Hall HS; HS'.

L'épaisseur de la couche 5; 5 ' d'oxyde de champ est comprise entre 0,8 gm et 1,0 gm Le long de la couche 5; 5 ' d'oxyde de champ qui entoure les contacts métalliques 41,, 44; 41 ',, 44 ' du capteur à effet Hall HS; HS', et, suivant la forme de réalisation effective, soit sous la région citée de la couche 5, soit sur la région citée de la couche 5 ', il est formé une couche 6; 6 ' qui empêche une influence perturbatrice d'ions migrant dans la couche 5; 5 ' d'oxyde de

champ sur la couche active du capteur à effet Hall HS; HS'.

Dans la première forme de réalisation du capteur à effet Hall HS de l'invention, la couche 6 de type N est formée dans la région 50 sous la couche 5 d'oxyde de champ, de manière qu'elle soit située principalement dans le caisson 2 de type p et que sa périphérie pénètre partiellement dans le substrat 1 Etant donné que dans la première forme de réalisation du capteur à effet Hall HS, le substrat 1 est de type N aussi, la couche 6 et le substrat 1 sont connectés

électriquement.

Dans la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall HS' de l'invention, la couche 6 ' est formée en silicium polycristallin hautement conducteur et est placée sur la couche 5 ' d'oxyde de champ dans la région 50 ' qui est essentiellement située entre les contacts métalliques 41 ',, 44 ' du capteur à effet Hall HS' La couche 6 ' est connectée à la masse du circuit intégré IC' Le contact électrique 43 ' de captage (figure 2 b) du capteur à effet Hall HS' doit être connecté à la masse virtuelle des contacts électriques d'alimentation 41 ', 42 ' du capteur à effet Hall HS' En fait, la couche 6 ' de silicium polycristallin exerce

seulement une action de blocage lorsque le contact d'alimen-

tation 41 ' du capteur à effet Hall HS' est connecté à un

générateur extérieur G d'un courant sinusoïdal I (figure 2 b).

Le second contact d'alimentation 42 ' du capteur à effet Hall HS' est connecté à la sortie d'un amplificateur opérationnel

OA qui est également fabriqué dans le circuit intégré IC'.

L'entrée à non-inversion de l'amplificateur opérationnel OA

est connectée à la masse, son entrée à inversion est cepen-

dant connectée au premier contact de captage 43 ' du capteur à effet Hall HS' Ainsi, la connexion du contact 43 ' avec la masse virtuelle de l'alimentation dans un wattmètre ou dans un instrument de mesure électrique fabriqué avec le capteur à effet Hall HS' incorporé dans le circuit intégré IC' du type CMOS est réalisée Le courant IH d'effet Hall provenant du contact de captage 44 ' est en outre conduit dans le

circuit intégré IC'.

La résistance carrée du caisson 2; 2 ' fonction-

nant en tant que couche active du capteur à effet Hall HS; HS' est d'environ 2 à 4 kn/u Cette valeur de la résistance

carrée est la plus favorable en ce qui concerne la consom-

mation d'énergie électrique et la linéarité du capteur à effet Hall HS; HS' Etant donné que la mobilité Hall An des électrons est approximativement égale à trois fois la mobilité Hall P des trous, le caisson 2 ' constituant la couche active dans la forme préférée de réalisation du

capteur à effet Hall HS' est du type n.

Les deux formes de réalisation du capteur à effet Hall HS; HS' selon l'invention sont fabriquées dans un procédé qui est entièrement compatible avec la technologie

CMOS On implante, sur le substrat 1; 1 ', avec la concen-

tration du dopant du premier type de conductivité électrique de l'ordre de 1015 cm 3 à 1016 cm 3, un dopant approprié du second type de conductivité électrique et on le laisse diffuser pour produire le caisson 2; 2 ' du second type de conductivité électrique, ayant aussi une concentration de 1015 cm-3 à 1016 cm-3 A la profondeur t d'environ 3 Lm à 6 Dom, mesurée à partir du plan supérieur S; S' du substrat 1; 1 ' vers l'intérieur de ce dernier, le caisson 2; 2 ' est séparé de la région de substrat par une jonction pn Le graphique de la concentration N(cm-3) de porteurs mobiles de charges électriques en fonction de la profondeur t est représenté sur les figures 3 et 4 pour les première et seconde formes de réalisation, respectivement, du capteur à effet Hall HS; H 51 ' selon 1 ' invention Sur les positions appropriées dans le caisson 2; 2 ', par l'implantation d'un dopant convenable et par sa diffusion jusqu'à la profondeur d'environ 1 Mm, on forme les régions fortement dopées 31,, 34; 31 ',, 34 ' du second type de conductivité électrique, avec la concentration de porteurs mobiles de charges électriques de 1022 cm-3 Sur les régions 31,, 34; 31 ',, 34 ', on fabrique les contacts électriques métalliques d'alimentation 41, 42; 41 ', 42 ' et les contacts électriques métalliques de captage 43, 44; 43 ', 44 ' du capteur à effet Hall HS; HS' Ensuite, lors d'une étape de traitement qui est commune dans la fabrication des circuits intégrés, on soumet à une oxydation thermique la surface du monocristal de silicium La couche 5; 5 ' de Si O 2 d'oxyde de champ ainsi formée protège la surface du circuit

intégré IC; IC'.

Dans le procédé de fabrication de la seconde forme de réalisation, uniquement, du capteur à effet Hall HS', l'étape consistant à déposer la couche 6 ' de silicium polycristallin sur la couche 5 ' d'oxyde de champ doit encore être ajoutée, à savoir dans la région 50 ' qui est située essentiellement entre les contacts métalliques 41 ',, 44 '

du capteur à effet Hall HS'.

Cependant, dans la fabrication de la première forme de réalisation du capteur à effet Hall HS, la durée d'oxydation thermique de la surface du circuit intégré IC est prolongée Ainsi, dans la région 50 située juste au-dessous de la couche 5 d'oxyde de champ, un réagencement des éléments dopants a lieu afin que la couche 6 de type N de plusieurs dizaines de micromètres apparaisse En particulier, l'oxyde de champ Sio 2 absorbe les dopants accepteurs, par exemple le bore, et dans la région 50 située au-dessous de la couche 5 d'oxyde de champ, des dopants donneurs, par exemple du

phosphore, présents initialement dans le substrat 1, devien-

nent prépondérants Le graphique complet de la concentration de porteurs mobiles de charges électriques en fonction de la profondeur t pour la première forme de réalisation du capteur

à effet Hall HS est montré sur la figure 3.

On décrira ensuite la fonction de protection de

la couche 6; 6 ', couche dans laquelle l'influence pertur-

batrice de la migration des ions dans la couche 5; 5 ' d'oxyde de champ, à des températures élevées, provoquée par

le champ magnétique, doit être empêchée De plus, la varia-

tion de la charge de surface à la surface intérieure de l'oxyde de champ, née de cette migration des ions, exerce une influence perturbatrice sur la couche active du capteur à

effet Hall HS; HS'.

Dans la première forme de réalisation du capteur à effet Hall HS (figure 1), le caisson 2 est du type p et le substrat 1 est au potentiel positif le plus élevé La migration des ions à partir de la couche 5 d'oxyde de champ vers la couche active du capteur à effet Hall, c'est-à-dire vers le caisson 2, est empêchée par une jonction pn inverse à la limite entre la couche 6 de type N et le caisson 2 de type p La linéarité du capteur à effet Hall HS n'est

cependant pas affectée, car l'épaisseur de la couche protec-

trice 6 est faible.

Dans la seconde forme de réalisation du capteur à effet Hall HS' (figures 2 a et 2 b), cependant, pour protéger la couche active du capteur contre les perturbations nées de la migration d'ions dans la couche 5 ' d'oxyde de champ, outre la structure réelle montrée sur la figure 2 a, il faut aussi que le capteur à effet Hall soit alimenté par le générateur G de courant sinusoïdal et que le contact capteur 43 ' soit connecté à la masse virtuelle de ce circuit d'alimentation (figure 2 b) Le substrat 1 ' est connecté au potentiel -Vs et la couche 6 ' de silicium polycristallin est connectée à la masse Le champ magnétique B est dirigé perpendiculairement à la surface du capteur Le courant électrique I entre les régions 31 ' et 32 ' et à travers la couche active du capteur, c'est-à-dire à travers le caisson 2 ', donne naissance à l'apparition du champ électrique E dans la couche 5 ' d'oxyde de champ (figure 5) Etant donné que le courant sinusoïdal (par rapport à la masse virtuelle) est fourni au capteur et étant donné que les contacts de captage 43 ', 44 ' du capteur sont situés sur l'axe de symétrie de la ligne connectant les régions 31 ', 32 ', le champ électrique E à mi-distance entre les contacts 41 ', 42 ' est égal à O et, de plus, la valeur moyenne dans le temps du champ électrique E en tous points est aussi égale à 0 La constante de temps de migration est

beaucoup plus longue que la période de la tension du secteur.

Par conséquent, les effets de la migration sont mutuellement annulés Il convient de noter que la couche 6 ' ne devrait pas être en métal car, sous l'effet de variations de température, elle engendre une contrainte dans le silicium à l'intérieur de la couche active du capteur et, ainsi, entre autres, elle aurait une influence sur la sensibilité, la résistance et le

décalage du capteur à effet Hall HS'.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au capteur à effet Hall décrit et

représenté sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1 Capteur à effet Hall incorporé dans un circuit intégré (IC; IC') du type CMOS, caractérisé en ce que, sur

un substrat ( 1; 1 ') du premier type de conductivité électri-

que, un caisson ( 2; 2 ') du second type de conductivité électrique est formé, une ligne connectant deux régions séparées et fortement dopées ( 31, 32; 31 ', 32 ') du second type de conductivité électrique dans le caisson ( 2; 2 ') est perpendiculaire à une ligne connectant deux régions séparées et fortement dopées ( 33, 34; 33 ', 34 ') du second type de conductivité électrique dans le caisson ( 2; 2 ') et des contacts électriques métalliques d'alimentation ( 41, 42; 41 ', 42 ') et des contacts électriques métalliques de captage ( 43, 44; 43 ', 44 '), respectivement, du capteur à effet Hall (HS; HS') sont prévus sur les régions ( 31,, 34; 31 ',, 34 '), en ce que le plan supérieur (S; S') du substrat ( 1; 1 '), en tous points sauf à l'emplacement des contacts ( 41,, 44; 41 ',, 44 ') est recouvert d'une couche ( 5; 5 ') d'oxyde de champ dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 pm et 1,0 gm, et en ce que, à la couche

( 5; 5 ') d'oxyde de champ, dans la région ( 50; 50 ') entou-

rant les contacts métalliques ( 41,, 44; 41 ',, 44 '), il est formé une couche ( 6; 6 ') qui est prévue pour empêcher l'influence perturbatrice des ions migrant dans la couche

( 5; 5 ').

2 Capteur à effet Hall selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche ( 6) de type N est formée sous la couche ( 5) d'oxyde de champ dans la région qui est située principalement dans le caisson ( 2) de type p et ne s'étend

que partiellement dans le substrat ( 1).

3 Capteur à effet Hall selon la revendication 1,

caractérisé en ce que la couche ( 6 ') en silicium poly-

cristallin hautement conducteur est formée sur la couche ( 5 ') d'oxyde de champ dans la région ( 50 '), en ce que la couche ( 6 ') est connectée à la masse du circuit intégré (IC'), et en ce que le contact électrique ( 43 ') de captage du capteur à effet Hall (HS') est connecté à la masse virtuelle des contacts électriques d'alimentation ( 41 ', 42 ') du capteur à

effet Hall (HS').