JP5585860B2 - 垂直ホールセンサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップ内に集積化される垂直ホールセンサに関する。

この種の垂直ホールセンサは、半導体チップの表面に平行して延在する磁界を感知できる磁界センサである。ホールセンサは、通常ｐ形不純物ドープの基板内に埋め込まれるｎ形不純物ドープのウェルまたはｎ形不純物ドープの基板内に埋め込まれるｐ形不純物ドープのウェルから成る。ウェルは、一般的に直線に沿って配置され、かつ基板の表面上に配設される４個か５個の接点を備える。４個の接点のうちの２個または３個が、ホールセンサを通して電流が流れることができるのに用いられる電流接点であり、および、残りの接点のうちの２個が、電流の方向に対して垂直に、かつ半導体チップの表面に対して垂直に延在する磁界内に生成されるホール電圧を取り出すのに用いられる電圧接点である。

最も頻繁に使われるホールセンサは４個の接点または５個の接点、または、多くとも、６個の接点を備え、および、特許文献を含む文献から十分に公知である。

垂直ホールセンサの開発における最も困難な課題の１つは、磁界の不在において電圧接点の間に存在する電圧であるセンサシグナルのいわゆるオフセットが、できる限り小さいように接点の位置および寸法を決定することであったが、依然として最も困難な課題の１つである。この課題は、基板内に埋め込まれるウェルが薄くなればなるほどより困難になる。磁界を感知できるホールセンサの領域を代表するこのウェルは、数マイクロメートルの電流深さできわめて薄く、かつトランジスタの小型化が進むにつれて、さらに薄くなっている。この課題は、したがって、ＩＣ技術の各世代において新たに解決される必要がある。

ホールセンサのオフセットを減少させるために２つの標準の方法が公知であり、それは、第１に、第２のホールセンサの接点に対して「電気的に９０°だけ変位した」第１のホールセンサの接点による、少なくとも２つのホールセンサの直交結合であり、および、第２に、ホールセンサの電流および電圧接点が周期的方法で交替される「回転電流法」である。直交結合は、また、並列接続として公知である。これらの方法は、例えば、Ｒ．Ｓ．Ｐｏｐｏｖｉｃ博士による書籍である非特許文献１から、および、Ｅｎｒｉｃｏ Ｓｃｈｕｒｉｇによる非特許文献２から公知である。両方の方法の同時適用が、特許文献１から公知である。

ＷＯ ０３／０３６７３３

「ホール効果素子、磁気センサおよび半導体の特性評価」Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ、ＩＳＢＮ ０ ７５０３ ００９６ ５ ＥＰＦＬ論文Ｎｏ．３１３４（２００４） 「低オフセット回転電流ホールプレート」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ａ２１−Ａ２３（１９９０）７４３−７４６

本発明は、そのオフセットが可能な限り小さい垂直ホールセンサを開発する目的に基づく。

半導体チップ内に集積化される垂直ホールセンサは、第２の導電型の導電性領域内に埋め込まれる第１の導電型の導電性ウェルおよびこの導電性ウェルの表面上の直線に沿って配置される電気接点を備える。接点の数ｎは、少なくともｎ＝６である。本発明に従って、接点が２個の最外側の接点のうち１個から始まる参照番号１、２、３および４によって連続的にかつ繰り返し番号をつけられるときに、同じ参照番号が割り当てられる接点が、互いに電気的に接続される。

２個の最外側の接点間の中央から始まって、接点間の距離は接点ごとに、例えば所定の係数だけまたは一定の値だけ、または両方の組合せだけ、すなわち所定の係数の増倍および一定の値の追加だけ、増大することができる。

さらに、２個の最外側の接点間の中央から始まって、接点の長さが接点ごとに増大することができる。

垂直ホールセンサは、好ましくは回転電流法に従って垂直ホールセンサを動作させるように構成される電子回路を備える。垂直ホールセンサおよびこの電子回路は、好ましくは同じ半導体チップ内に集積化される。

この明細書内に組み込まれ、かつその一部を構成する添付の図面は、本発明の一つ以上の実施態様を図式的に例示し、詳細な説明と共に、本発明の原理および実現を説明する役目をする。図は、正確な縮尺率でない。図面の説明は以下の通りである。
本発明に従う垂直ホールセンサを平面図で、および、側面図で示す。 本発明に従う垂直ホールセンサを平面図で、および、側面図で示す。 本発明に従う垂直ホールセンサの更なる実施態様を示す。 本発明に従う垂直ホールセンサの更なる実施態様を示す。 本発明に従う垂直ホールセンサの更なる実施態様を示す。 本発明に従う垂直ホールセンサの更なる実施態様を示す。 垂直ホールセンサおよび回転電流法に従う垂直ホールセンサの動作のための電子回路を示す。

図１および２は、そのセンサが半導体チップ６内に集積化される垂直ホールセンサを、平面図および側面図で示す。この垂直ホールセンサは、第２の導電型の導電性領域８内に埋め込まれる第１の導電型の導電性ウェル７およびウェル７と接点をなす個数ｎの接点９．１ないし９．ｎを備える。接点９．１ないし９．ｎの全体が、簡単さのために接点９として示されている。接点９の数ｎが最小値としてｎ＝６であることができ、任意の値ｎ≧６を想定することができるとはいえ、それは、有利にはｎ＝約１６ないし３２である。ウェル７は、好ましくはｎ形不純物ドープの半導体材料から、および領域８はｐ形不純物ドープの半導体材料から成る。ウェル７は、したがって、ｐｎ接合によって領域８から電気的に絶縁される。ｎ個の接点９は、直線１０に沿って配置される。ウェル７および特に接点９は、配線のためにアクセス可能な半導体チップ６の表面上に配設される。接点９は通常、ウェル７と通常同じ幅を有する第１の導電型の高度にドープされた領域である。しかしながら、それらの幅は、またわずかに広げるあるいは狭めることができる。このホールセンサは、半導体チップ６と平行してかつ直線１０に対して垂直に延在する磁界を感知でき、したがって、垂直ホールセンサの類に属する。半導体チップ６は、ホールセンサの動作のための電子回路を形成する複数の集積電子素子（図示せず）を更に備える。

接点９は、それらが、電気回路と接続される４個の端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを形成し、４個の端子のうちの２個が、ホールセンサに電流を供給するために電流端子として使用され、および、４個の端子の残り２個がホール電圧を取り出すために電圧端子として使われる、というようなルールに従って互いに電気的に接続される。接点９を接続するためのルールは、以下である。２個の最外側の接点９．１または９．ｎのうち１個から始まり、簡単さのために接点９．１が使用され、接点９が連続的に、かつ繰り返し４つの参照番号１、２、３および４によって番号をつけられるときに、同じ参照番号と関連づけられる接点９が、互いに電気的に接続される。この割当ては、次の通りにモジュロ関数（ｍｏｄ）を用いて数学的に表されることができる。
参照番号（接点９．ｎ）＝［（ｎ−１）ｍｏｄ４］＋１ （１）、
すなわち、接点９．ｎは参照番号［（ｎ−１）ｍｏｄ４］＋１と関連づけられ、その理由は０ｍｏｄ４＝０、１ｍｏｄ４＝１、２ｍｏｄ４＝２、３ｍｏｄ４＝３、４ｍｏｄ４＝０、５ｍｏｄ４＝１、６ｍｏｄ４＝２、などだからである。

接点９．１ないし９．６への参照番号１、２、３および４の割当てが、図１内の最上部に示される。それぞれの配線は、図１内の最下部に示される。

その距離に関する更なるルールに従って、接点９が直線１０に沿って配置される。接点９間の距離は一定であることができるが、しかし以下が好まれる。
最外側の接点９．１および９．ｎ間の中央から始まって、隣接する接点９間の距離が接点ごとに増大する。増大は、異なるルールに従って生じることができ、そのうちの３つが提示される。

接点９の数ｎが偶数である場合、数Ａが中央の２個の接点９．（ｎ／２）と９．（ｎ／２＋１）との間の距離を決定する。接点９の数が奇数である場合、数Ａは、中央の接点９．（ｎ／２＋１／２）と隣接する接点９．（ｎ／２−１／２）との間の距離、同じく同じ寸法の、中央の接点９．（ｎ／２＋１／２）と隣接する接点９．（ｎ／２＋３／２）との間の距離、を決定する。
ルール１

中央の唯一の接点（ｎが奇数であるとき）または中央の２つの接点（ｎが偶数であるとき）から始まって、隣接する接点間の距離が、最外側の接点９．１および９．ｎに向けた方向に接点ごとに一定の値Ｋだけ増大する。このルールが、ｎ＝６に対して図１内に示される。中央の２個の接点９．３と９．４との間の距離は、Ａである。２個の接点９．２と９．３との間の距離および２個の接点９．４と９．５との間の距離は、Ａ＋Ｋである。２個の接点９．１と９．２との間の距離および２個の接点９．５と９．６との間の距離は、Ａ＋２＊Ｋである。
ルール２

中央の唯一の接点（ｎが奇数であるとき）または中央の２つの接点（ｎが偶数であるとき）から始まって、隣接する接点間の距離は、最外側の接点９．１および９．ｎに向けた方向に接点ごとに一定の係数Ｌだけ増大する。以下が、ｎ＝６に対して得られる：中央の２個の接点９．３と９．４との間の距離は、Ａである。２個の接点９．２と９．３との間の距離および２個の接点９．４と９．５との間の距離は、Ｌ＊Ａである。２個の接点９．１と９．２との間の距離および２個の接点９．５と９．６との間の距離は、Ｌ＊（Ｌ＊Ａ）＝Ｌ^２＊Ａである。
ルール３

中央の唯一の接点（ｎが奇数であるとき）または中央の２つの接点（ｎが偶数であるとき）から始まって、隣接する接点間の距離は、最初に、最外側の接点９．１および９．ｎに向けた方向に接点ごとに一定の係数Ｌだけ増大し、かつ一定の値Ｋがそれに加えられる。
以下が、ｎ＝６に対して得られる：中央の２個の接点９．３と９．４との間の距離は、Ａである。２個の接点９．２と９．３との間の距離および２個の接点９．４と９．５との間の距離は、Ｌ＊Ａ＋Ｋである。２個の接点９．１と９．２との間の距離および２個の接点９．５と９．６との間の距離は、Ｌ＊（Ｌ＊Ａ＋Ｋ）＋Ｋである。

図３ないし６は、全て同じ構成を有するが特定の特徴においてお互いに異なる、更なる実施態様を示す。これらの図面は、ウェル７、垂直ホールセンサの中央域、および、破線によって例示する、途切れない線で示される接点９より多くのものがある時に、どのようにシステムが進行するかについて示す。各接点９は、上記のルール（１）に従って参照番号１、２、３または４と関連づけられる。同じ参照番号と関連づけられる接点９が、互いに電気的に接続されて、４個の接続部Ａ、Ｂ、ＣまたはＤの１個へ導かれる。

図３ないし５の例の共通側面は、全ての接点９が同じ長さＬを有するということである。

図３は、接点９間の距離が一定の値を有する垂直ホールセンサを示す。この図はまた、２個の最外側の接点９．１および９．ｎを備えた垂直ホールセンサの２つの端領域を示す。接点９の数ｎは偶数または奇数の値ｎで、ｎ≧６の任意の所望の値を有することができる。この例では、参照番号１は最外側の左接点９．１と、および参照番号２は最外側の右接点９．ｎと関連づけられる。これらの接点９．１または９．ｎに関連する参照番号は、値ｎに依存する。図３に示される場合には、最外側の左接点９．１は、参照番号１が割り当てられるそれらの接点９と接続されなければならず、および最外側の右接点９．ｎは、参照番号２が割り当てられるそれらの接点と接続されなければならない。

図４は、中央で２つの接点が、互いに所定の距離で配置され、および中央から始まって、接点９間の距離が、端領域に向けた両方の方向に接点ごとに増大する、垂直ホールセンサを示す。接点の数ｎは、好ましくは偶数である。中央内の２個の接点は、参照番号９．（ｈ＋３）および９．（ｈ＋４）によって示される。数ｈは、単にプレースホルダーであるが、接点９の数ｎに依存する。

図５は、単接点が中央に配置され、および前記中央接点から始まって、接点９間の距離が、端領域に向けた両方の方向に接点ごとに増大する、垂直ホールセンサを示す。接点の数ｎは、好ましくは奇数である。中央の接点は、参照番号９．（ｈ＋４）によって示される。

図６は、図５内に示される垂直ホールセンサと類似している垂直ホールセンサを示すが、しかし、その違いは、中央の接点９．（ｈ＋４）から増大する距離と共に接点９の長さが増大することである。

接点の数ｎが奇数である場合、接点９は好ましくは、唯一の中央の接点に対してウェル７内に対称的に配置される。接点の数ｎが偶数である場合、接点９は好ましくは、２個の中央の接点に対してウェル７内に対称的に配置される。

本発明に従う垂直ホールセンサは好ましくは、電流および電圧接点が２つか４つの位相で周期的に交替される、回転電流法によって動作させられる。回転電流法は文献から周知であり、および例えば、Ｐ Ｊ Ａ Ｍｕｎｔｅｒの論文非特許文献３内に、同じく明示的に引用されて、参照によって組み込まれる特許文献１内に記載されている。図７は、回転電流法によってホールセンサ１１の動作を可能にする電子回路１２と、電気伝導体によって接続される、４個の端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを備えた本発明に従う垂直ホールセンサ１１を示す。電子回路１２は、電流源１３、電圧計１４、マルチプレクサ１５および更なる（図示せず）回路ブロックを備える。マルチプレクサ１５は、所定の回転電流方式に従う周期的方法で電流源１３の２個の端子と４個の端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤのうちの２個とを、および電圧計１４の２個の端子と４個の端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤのうち残り２個とを接続する役目をする。ホールセンサ１１および電子回路１２は、好ましくは同じ半導体チップ内に集積化される。

本発明の実施態様および応用例が図と共に記載されたとはいえ、この開示の恩恵を有する当業者にとって明らかであろうことは、上で言及されたよりさらに多くの変更態様が、本願明細書における本発明の概念から逸脱することなく可能であるということである。本発明は、したがって、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物による場合を除いて限定されるべきでない。

１、２、３、４ 参照番号
６ 半導体チップ
７ 導電性ウェル
８ 導電性領域
９、９．１ないし９．ｎ 接点
１０ 直線
１１ 垂直ホールセンサ
１２ 電子回路
１３ 電流源
１４ 電圧計
１５ マルチプレクサ

Claims (7)

1. 半導体チップ（６）内に集積化される垂直ホールセンサであって、第２の導電型の導電性領域（８）内に埋め込まれる第１の導電型の導電性ウェル（７）と、前記導電性ウェル（７）の表面上の直線（１０）に沿って配置される電気接点（９）と、を備え、前記接点（９）の数ｎが、少なくともｎ＝６であり、および前記接点（９）が２個の最外側の接点のうち１個（９．１）から始まる参照番号１、２、３および４によって連続的にかつ繰り返し番号をつけられるときに、同じ参照番号が割り当てられる前記接点（９）が、金属配線により互いに電気的に接続される、ことを特徴とするセンサ。
   
2. 請求項１に記載の垂直ホールセンサであって、さらに、回転電流法に従って前記垂直ホールセンサを動作させるように構成される電子回路（１２）、を備えるセンサ。
3. 請求項１または２に記載の垂直ホールセンサであって、前記２個の最外側の接点（９．１、９．ｎ）間の中央から始まって、前記接点（９）間の距離が接点ごとに増大する、ことを特徴とするセンサ。
4. 請求項３に記載の垂直ホールセンサであって、前記距離が、所定の係数だけ増大する、ことを特徴とするセンサ。
5. 請求項３に記載の垂直ホールセンサであって、前記距離が、一定の値だけ増大する、ことを特徴とするセンサ。
6. 請求項３に記載の垂直ホールセンサであって、前記距離が、所定の係数だけ増大され、かつ一定値がそれに対して加えられる、ことを特徴とするセンサ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の垂直ホールセンサであって、前記２個の最外側の接点（９．１、９．ｎ）間の中央から始まって、前記接点の長さが接点ごとに増大する、ことを特徴とするセンサ。

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