KR101903828B1 - 반도체 기반의 홀 센서 - Google Patents

반도체 기반의 홀 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR101903828B1
KR101903828B1 KR1020140146202A KR20140146202A KR101903828B1 KR 101903828 B1 KR101903828 B1 KR 101903828B1 KR 1020140146202 A KR1020140146202 A KR 1020140146202A KR 20140146202 A KR20140146202 A KR 20140146202A KR 101903828 B1 KR101903828 B1 KR 101903828B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
doping concentration
sensing region
hall sensor
hall
region
Prior art date
Application number
KR1020140146202A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160049605A (ko
Inventor
이성우
장재형
안희백
유유신
Original Assignee
매그나칩 반도체 유한회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 매그나칩 반도체 유한회사 filed Critical 매그나칩 반도체 유한회사
Priority to KR1020140146202A priority Critical patent/KR101903828B1/ko
Priority to US14/625,648 priority patent/US9299919B1/en
Publication of KR20160049605A publication Critical patent/KR20160049605A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101903828B1 publication Critical patent/KR101903828B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 반도체 기판의 표면에서 약 0.7 ~ 2㎛ 되는 센싱 영역 내에 최대 도핑 농도를 가지도록 도핑 프로파일이 개선된 홀 센서에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따르면 반도체 기판의 표면과 떨어진 위치에 전류 흐름 경로가 형성되기 때문에 노이즈 특성이 개선되고, 기존의 홀 센서보다 더 적은 전류를 공급하더라도 동일한 센싱 능력을 제공하는 이점이 있다.

Description

반도체 기반의 홀 센서{HALL SENSOR BASED ON SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 기반의 홀 센서(또는 홀 효과 센서)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 기판에 형성된 웰 영역(Deep N well)의 도핑 프로파일을 개선하여 기존의 홀 센서와 동일한 센싱 능력을 제공하면서도 전류 소모를 줄이도록 한 반도체 기반의 홀 센서에 관한 것이다.
홀 센서(Hall sensor) 또는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어 주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아내는 소자이다. 홀 센서는 이러한 특징을 이용하여 홀 스위치(Hall switch), 전자 나침반에 적용될 수 있으며 특히, 반도체 기반 즉 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기술로 구현된 홀 센서가 널리 사용되고 있다.
종래의 홀 센서 또는 홀 소자는 반도체 기판에 센싱 영역이 형성된다. 상기 센싱 영역은 그 평면 형상이 일반적으로 크로스(cross) 모양으로 형성된다. 또한, 상기 크로스 모양의 센싱 영역에는 전극이 형성된다.
따라서, 이와 같이 구성된 종래의 홀 센서는, 마그네틱 자기장(magnetic field)이 걸려 있는 상태에서 4개의 전극 중 2개의 마주보는 전극은 전류 흐름을 제공하고, 나머지 2개의 마주보는 전극은 전류 흐름과 수직 방향으로 발생하는 홀 전압을 제공함으로써, 홀 전압을 감지하여 자기장의 방향과 크기를 감지할 수 있다.
한편 상기 센싱 영역은 P형 도펀트로 도핑된 반도체 기판 내에 N형으로 도핑된 웰(Deep N-well) 영역을 말한다. 이러한 웰 영역(Deep N-well)은 이온 주입 공정 및 비교적 긴 확산 공정에 의해 생성된다.
이러한 공정 등에 따르면 웰 영역의 표면이 가장 높은 도핑 농도를 가지도록 형성된다. 또한 반도체 기판은 그 반도체 기판의 표면 및 표면으로부터 비교적 얇은 영역에 각종 결함(defect)이 존재할 수 있다. 물론 제조 공정 중 상기의 여러 결함을 제거하기 위한 공정이 별도로 수반될 수 있지만, 실질적으로 반도체 기판에서 결함을 완전히 제거하기란 쉽지 않다.
이러한 이유로 인해 결함이 있는 반도체 기판으로 홀 센서를 제조할 경우 홀 센서의 센싱 능력이 저하되는 결과를 초래한다. 즉, 상술한 바와 같이 2개의 마주보는 전극 사이에 형성되는 전류 흐름 경로를 통해 흐르는데, 이때 전류 흐름 경로는 도핑 프로파일에 의해 반도체 기판의 표면과 인접된 상태로 형성되기 때문이다. 그렇기 때문에 반도체 기판 표면에 존재하는 각종 결함 등에 의해 전류 흐름이 방해받을 수 있으며, 또한 노이즈(noise) 등의 발생으로 인해 홀 센서의 성능이 저하되는 것이다.
한편 상술한 바와 같이 홀 센서는 홀 전압을 감지하여 자기장의 방향과 크기를 알아내는데, 이를 위해 충분한 홀 전류를 공급해줘야 한다. 그렇지만, 홀 센서의 센싱 능력을 향상시키기 위해 홀 전류를 과도하게 공급하게 되면 휴대 디바이스의 사용 시간이 단축되는 문제가 초래된다. 즉 홀 센서가 장착되는 디바이스가 휴대 기기인 경우 배터리 사용시간을 늘려야 하는데, 이처럼 홀 전류를 많이 공급할 경우 배터리 충전량이 더 소비되는 결과를 초래하기 때문이다. 따라서 기존과 동일한 센싱 능력을 제공하면서 홀 전류의 소비 전류를 최소화할 필요가 있는 것이다.
미국등록특허 US 8,085,035 (Hall element and magnetic sensor, 2011. 12.27)
이에 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반도체 기판에 형성되는 웰 영역(Deep N well)의 도핑 프로파일을 기존과 다르게 반영하여 반도체 기판의 표면으로부터 소정 깊이에 전류 흐름 경로가 형성되도록 한 반도체 기반의 홀 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 홀 센서 대비 공급되는 홀 전류 량을 줄이면서도 동일한 센싱 능력을 수행할 수 있는 반도체 기반의 홀 센서를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 기판에 형성된 제2 도전형의 센싱 영역; 상기 센싱 영역 내에 형성된 아이솔레이션 영역; 상기 센싱 영역 상부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑 영역;를 포함하고, 상기 고농도 도핑 영역보다 아래에 위치하고 상기 기판 표면으로부터 소정 깊이에 최대 도핑 농도를 갖는 반도체 기반의 홀 센서를 제공한다.
상기 소정 깊이는 상기 기판 표면을 기준으로 0.7 ~ 2㎛이다.
상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 아이솔레이션 영역보다 아래에 위치한다.
상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 센싱 영역 내에 위치한다.
상기 센싱 영역의 도핑 프로파일은 포물선 형태로 형성된다.
상기 센싱 영역의 최대 도핑 농도는 3E15 atom/cm3 내지 4E16 atom/cm3 이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 기판에 형성된 제2 도전형의 센싱 영역; 상기 센싱 영역 내에 형성된 아이솔레이션 영역; 상기 센싱 영역 상부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑 영역;를 포함하고, 상기 센싱 영역의 최대 도핑 농도의 위치는 상기 아이솔레이션 영역보다 아래에 위치하는 반도체 기반의 홀 센서를 제공한다.
상기 최대 도핑 농도의 위치를 기준면으로 상기 기준면 이전의 상기 센싱 영역의 제1 도핑 프로파일의 기울기가 상기 기준면 이후의 제2 도핑 프로파일의 기울기보다 더 경사진다.
상기 최대 도핑 농도의 위치를 기준면으로, 상기 기준면 이전의 상기 센싱 영역의 도핑 농도는 제1 도핑 농도의 구간; 및 상기 기준면 이후를 제2 도핑 농도 구간; 을 더 포함한다.
상기 제2 도핑 농도 구간이 상기 제1 도핑 농도 구간보다 더 길다.
상기 제1 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합과 상기 제2 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합에는 차이가 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 기반의 홀 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
즉 반도체 기판의 표면으로부터 소정 깊이에 도핑 농도가 최대값을 가지도록 웰 영역이 도핑되는 홀 센서를 개시하고 있다.
따라서 반도체 기판의 표면과 떨어진 위치에 전류 흐름 경로가 형성되기 때문에, 노이즈 특성이 개선된 홀 센서를 제공하는 효과가 있다.
그리고 이러한 홀 센서의 경우 홀 전압(Hall voltage)의 민감도(sensitivity)가 향상되기 때문에 센싱 능력의 향상으로 인해 홀 센서가 장착된 제품 경쟁력의 우위를 점할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.
즉 기존의 홀 센서보다 소비 전류를 줄이더라도 동일한 센싱 능력을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 기반의 홀 센서를 나타낸 평면도
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 홀 센서 구조에서 최대 도핑 농도를 가지는 영역을 개략적으로 표시한 도면
도 4는 본 발명에 따른 홀 센서의 도핑 프로파일을 TCAD(Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이션한 그래프
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 홀 센서에서 홀 전류와 홀 전압과의 관계를 나타낸 그래프
본 발명은 반도체 기판의 표면에서 소정 깊이 위치가 도핑 농도값이 최대값을 가지도록 도핑을 수행함으로써, 홀 센서의 전류 흐름을 개선하고 또한 홀 센서가 소비하는 전류를 줄이더라도 종래의 홀 센서와 동일한 수준의 센싱 능력을 제공함을 기본적인 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따르면 홀 센서는 수평(planar) 타입의 홀 센서로 한정하여 설명하지만, 반드시 이에 국한될 필요는 없다. 즉 본 발명은 수직 타입의 홀 센서 등에도 적용할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면 반도체 기판의 표면으로부터 1~2㎛ 깊이에 위치하는 센싱 영역 내에 도핑 농도가 최대값을 가지도록 도핑 프로파일을 제공하는데, 이는 반도체 기판 및 센싱 영역의 사이즈(size) 등에 따라 얼마든지 다르게 변경할 수도 있을 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 기반의 홀 센서를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선 단면을 나타낸 단면도이다. 도 1 및 도 2를 함께 살펴보기로 한다.
도시된 바와 같이 반도체 기반의 홀 센서는 P형으로 도핑된 반도체 기판(20)과, 반도체 기판(20) 상에 형성된 홀 센서(50)를 포함하여 이루어진다. 홀 센서(50)는 평면이 팔각 모양으로 형성된 센싱 영역(21a)과, 상기 센싱 영역(21a)의 4개의 모서리 면에 형성된 4개의 N형 고농도 도핑 영역(24);을 포함한다. 여기서 센싱 영역(21a)은 지구 자기장을 센싱할 수 있는 마그네틱 센싱(magnetic sensing) 영역인 것이 바람직하다.
N형 고농도 도핑 영역(24)은 다른 말로, 제1 전극 내지 제4 전극(24: 24a,24b,24c,24d) 4개의 전극으로 이루어져 있다. 그 중, 서로 마주 보고 있는 제1 전극 및 제 3 전극(24a, 24c)은 센싱 영역(21a) 위에서 전류를 인가하기 위해 필요하다. 나머지 서로 마주 보고 있는 제2 전극 및 제4 전극(24b, 24d)은 제1 전극 및 제3 전극(24a, 24c)과 수직 방향으로 배치되며 홀 전압을 측정하기 위해 필요하다. 또한 제1 전극 내지 제4 전극(24a,24b,24c,24d)은 직사각형 모양을 가지며, 길이가 긴 면이 센싱 영역(21a)의 외주면 접선으로부터 45°각도로 기울게 형성되고 있다. 이렇게 하면, 더욱 많은 전류가 상기 센싱 영역(21a)에 흘러가게 하고, 이에 따라 미세 전압 변화도 쉽게 검출할 수 있다. 또한 제1 내지 제4 전극(24a,24b,24c,24d)은 센싱 영역(21a)보다 고농도의 N형으로 도핑된다. 그 이유는 컨택 플러그(미도시)와 접촉할 때 저항을 낮추기 위해서이다.
센싱 영역(21a)은 N형으로 도핑된 웰(N Well) 영역이다. 센싱 영역(21a)의 바깥 테두리에는 P형 웰(22)이 형성된다. 센싱 영역(21a) 및 P형 웰(22) 위에는 P형 고농도 도핑 영역(25a)(25b)이 각각 형성된다. 따라서 반도체 기판(20) 표면에는 P형 고농도 도핑 영역(25a)(25b)이 노출되어 있다. 여기서, 도핑 영역(25b)은 하부의 P형 웰(22)과 연결되도록 배치되고, P형 웰(22)에 그라운드 전압 또는 네가티브(negative) 전압을 인가하는 역할을 한다. 그리고 P형 고농도 도핑 영역(25a)(25b)의 도핑농도가 상기 센싱 영역(21a)의 도핑농도보다 상대적으로 높은 것이 바람직하다. 이는 기판 표면까지 센싱 영역의 도즈량(dose)에 의해 공핍층이 확장되지 않도록 하기 위함이다.
도 1 및 도2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 전극(24a,24b,24c,24d)과 P형 고농도 도핑 영역(25a)(25b) 사이에 절연층(23b)이 형성된다. P형 고농도 도핑 영역(25a)은 절연층(23b)에 사이에 존재하고 있다. 절연층(23a,23b)는 제1 전극 내지 제4 전극(24a,24b,24c,24d)을 감싸는 형상이다. 여기서, 절연층(23)이 얇은 트렌치 아이솔레이션(STI)을 채워서 형성된 예를 도시하고 있으나, 실리콘 부분 산화(Local Oxidation of Silicon; LOCOS) 공정, 깊은 트렌치 아이솔레이션(DTI) 등과 같은 다른 방식의 소자 격리공정이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 3은 센싱 영역(21a)에서 최대 도핑 농도의 위치(21b)를 표시한 것이다.
P형 고농도 도핑 영역보다 아래에 위치하고 기판 표면으로부터 소정 깊이에 최대 도핑 농도 영역(21b)를 갖는다. 이와 같이 P형 고농도 도핑 영역(25a)의 아래에 위치한 센싱 영역(21a) 내에 최대 도핑 농도 영역(21b)이 형성되면, 반도체 기판의 표면에 존재하는 결함을 피해, 반도체 기판의 표면에서 일정 거리 떨어져서 전류가 흐르게 된다. 그렇게 되면 결함에 의해 방해를 받지 않고, 전류가 충분히 빠르게 흐를 수 있게 되고, 노이즈 발생을 줄일 수 있게 된다. 그렇게 되면 노이즈 대비 홀 전압의 민감도가 향상된다.
또한 최대 도핑 농도 영역(21b)의 위치는 트렌치 아이솔레이션(23)의 깊이보다 더 깊다. 이렇게 트렌치 아이솔레이션(23)보다 깊게 해야 트렌치 아이솔레이션(23)에 의해 전류 흐름이 방해를 받지 않게 된다. 그리고 트렌치 아이솔레이션(23)의 깊이가 약 0.3㎛ 이기 때문에 더 깊은 곳에 이온 주입 Rp(projected ion range)를 형성하기 위해서 1000 KeV 이상의 에너지 (high energy) 를 갖는 조건에서 이온 주입해야 한다.
도 4는 도 3에서 점선 4-4'에 대한 본 발명에 따른 홀 센서의 센싱 영역(21a)에서 도핑 프로파일을 TCAD(Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이션한 그래프이다.
도 4에서 X축은 반도체 기판(20)의 표면부터의 깊이이고, Y축은 센싱 영역(21a)의 도핑 농도이다. 그리고 도 4에 도시된 A, A', B는 홀 센서(또는 홀 소자)를 지칭하는 것으로서, 각각의 그래프는 홀 센서 A, 홀 센서 A', 홀 센서 B에 대한 센싱 영역(21a)의 도핑 프로파일을 나타낸다. 여기서 홀 센서 B는 다른 도핑 프로파일을 갖는 홀 센서로서, 홀 센서 B의 홀 저항은 홀 센서 A 또는 홀 센서 A'보다 작다. 그리고 홀 저항은 센싱 영역(21a)의 저항을 말한다. 센싱 영역(21a)의 도핑 농도가 높을수록 홀 저항 값은 작아진다. 그래서 홀 센서 B의 홀 저항이 작다는 것은 홀 센서 A 또는 A'보다 센싱 영역(21a)의 도핑 농도가 높다라는 말과 같다.
홀 센서 A 및 A'의 도핑 프로파일은 대략 포물선 형태로 형성하는 반면, 홀 센서 B는 반도체 기판(20) 표면에서 농도가 가장 높고, 계속해서 감소하는 도핑 프로파일을 보이고 있다. 홀 센서 B는 다시 말하면, 일정하게 선형적으로 감소하는 도핑 프로파일을 갖는 센서이다. 점선 m - m'은 홀 센서 A와 홀 센서 A'에 대한 최대 피크 도핑 농도를 표시한 것이다. 그리고 반도체 기판의 표면으로 약 3um 되는 지점이 센싱 영역(21a)의 깊이(d)가 된다. 센싱 영역(21a)의 깊이는 도핑 농도, 이온 주입 에너지, 열 공정 온도 및 시간에 따라 달라지겠지만, 본 발명에서 센싱 영역(21a)의 깊이가 3 ~ 4 um 깊이를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 홀 센서 A 또는 홀 센서 A'의 센싱 영역(21a)에서 도핑 프로파일을 보면, 포물선 형태로서 반도체 기판의 표면 즉 P형 고농도 도핑 영역(25a)의 윗 표면(top surface)에서부터 대략 1㎛되는 지점(최대 피크 점)까지 N형의 도핑 농도가 증가하고 있으며, 이후에 도핑 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 기판(20)의 표면에서 도핑 농도가 낮고, 표면으로 거리가 멀어질수록, 도핑 농도가 점진적으로 증가하다가 깊이가 대략 0.7 ~ 2㎛ 되는 곳에서 최대 도핑 농도를 형성하고 있다. 여기서, P형 고농도 도핑 영역(25a)의 표면 또는 기판(20) 표면부터 대략 0.7 ~ 2㎛ 되는 영역(21b)에서 최대 도핑 농도가 되지만, 이는 공정 조건에 따라 미차가 발생할 수 있다. 예컨대, 도핑 농도 값이 가장 높은 영역(21b)은 센싱 영역(21a)과 P형 고농도 도핑 영역(25a)의 경계면이 될 수도 있고, 센싱 영역(21a)의 전체 깊이에서 대략 1/3 지점에 형성될 수도 있을 것이다.
그리고 홀 센서 A 또는 A'의 N형 센싱 영역(21a)의 최대 도핑 피크 농도는 1E15 내지 1E17 atoms/cm3 를 갖고 있다. 보다 좁게는 3E15 내지 4E16 atoms/cm3 의 값을 가지고 있다. 그리고 홀 센서의 센싱 영역(21a)의 표면 농도는 1E15 atom/cm3 이상, 1E16 atom/cm3 미만이다. 1E16 atoms/cm3 이상으로 도핑 농도가 높아지면 홀 저항이 감소하게 된다. 홀 저항이 감소하면 상대적으로 전류 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 감소하는 단점이 있다. 반대로 센싱 영역 도핑 농도가 1E15 atoms/cm3 미만이 되면 홀 센서의 저항이 증가하여 열 노이즈(thermal noise) 가 증가하는 단점이 있다.
그리고 계속해서, 기준면 또는 기준선 m-m'을 기준으로 기준면 이전의 센싱 영역(21a)의 도핑 프로파일을 제1 도핑 프로파일이라 하고, 기준면 이후를 제2 도핑 프로파일이라고 할 때, 제1 도핑 프로파일의 기울기가 서로 반대가 되며, 제2 도핑 프로파일의 기울기보다 더 경사짐을 알 수 있다. 그리고 기준면 또는 기준선 m-m'을 기준으로, 기준면 이전의 센싱 영역(21a)의 도핑 농도를 제1 도핑 농도의 구간이라 하고, 기준면 이후를 제2 도핑 농도 구간이라고 할 때, 제1 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합과 제2 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합에는 차이가 있다. 제1 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합이 제2 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합보다는 작다. 이는 실리콘 기판 표면으로부터 일정 거리 이상 떨어진 곳에서 최대 피크 농도를 갖지만, 실리콘 기판 표면으로부터, 최대 피크 농도까지 전류 흐름이 더 왕성하게 일어나도록 유도하기 위함이다. 전체 도핑 농도가 낮을수록 캐리어 이동도(carrier mobility)가 증가하기 때문이다. 그리고 제1 도핑 농도 구간 거리는 1um 내외이고, 제2 도핑 농도 구간 거리는 약 2um 내외가 된다. 제2 도핑 농도 구간이 제1 도핑 농도 구간보다 더 길다. 센싱 영역(21a)의 거리가 약 3um 로서, 최대 피크 도핑 농도까지의 거리는 약 1um 로서 나머지 구간의 길이 2um 보다 짧다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 홀 센서에서 홀 전류와 홀 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5에서 홀 센서 A가 본 발명의 홀 센서이고, 홀 센서 B는 홀 센서 A보다 낮은 홀 저항을 가지는 홀 센서이다. 또한 홀 센서 A는 앞의 도 4에 도시된 바와 같이 0.7 ~ 2㎛ 되는 지점에 높은 농도 프로파일을 보이는 센서이고, 반면에 홀 센서 B는 기판 표면에서 농도가 가장 높고 그 다음부터는 농도가 떨어지는 농도 프로파일을 갖는 홀 센서를 나타낸다.
홀 센서 A가 홀 센서 B에 비해, 같은 홀 전류에서 보다 높은 홀 전압을 발생하고 있음을 알 수 있다. 그리고 홀 센서 A를 보면, 홀 전류를 50% 줄이더라도 홀 전압 출력 값은 충분히 인지할 수 있는 여전히 높은 값을 보이고 있다는 것을 알 수 있다. 이는 기존의 홀 센서의 소비 전류를 줄이더라도 홀 전압을 충분히 감지할 수 있음을 의미한다. 즉 본원발명과 같이 반도체 기판의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서 최대 도핑 농도를 갖는 홀 센서가, 일정하게 선형적으로 감소하는 도핑 프로파일을 갖는 홀 센서보다, 같은 홀 전류에서 더 높은 홀 전압을 발생시키는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 자기장 세기를 센싱하고자 하는 센싱 영역의 도핑 농도가 포물선 형태로 형성되고, 최대 피크 도핑 농도의 위치가 반도체 기판 표면으로부터 일정거리 이상 떨어진 곳에 위치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또한 트렌치 아이솔레이션 또는 LOCOS 아이솔레이션 보다 더 깊게 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 홀 센서는 홀 저항에 따라 홀 전압 민감도가 다르게 나타난다. 즉 센싱 영역의 도핑 농도가 감소하면(또는 홀 저항이 증가하면) 전류 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 증가한다. 이는 홀 전압의 민감도(sensitivity)가 향상되는 것을 의미하며, 이는 상술한 바와 같이 홀 센서의 소비 전류를 저감시키는 효과가 있다. 상기와 같이 서로 다른 값의 홀 저항을 가지는 홀 센서의 홀 전압 민감도에 대해서는 표 1에서 설명하기로 한다.
표 1은 각각의 홀 센서의 상대적 홀 저항 값 대비 상대적 홀 전압 민감도를 각각 나타낸다. 홀 센서 B를 베이스로 하여 노말라이즈(normalize) 하였다.
항목 홀 센서 B 홀 센서 A 홀 센서 A'
Relative Resistance of Hall element 1(Base) 1.6 4
Relative Hall voltage sensitivity 1(Base) 1.06 1.16
표 1을 보면, 홀 저항이 증가할수록 홀 전압 민감도도 증가하고 있다.
그리고 홀 센서 B의 홀 전압 민감도를 1로 놓고 계산할 때, 홀 센서 A, 홀 센서 A'의 상대적 홀 전압 민감도는 각각 1.06, 1.16이다. 이를 보면, 홀 저항이 증가할 때 홀 전압 민감도의 증가 폭을 보면, 홀 센서 B -> 홀 센서 A로 약 1.6배 홀 저항이 증가할 때 1.06 상대적 홀 전압 민감도를 보인다. 그러나 홀 센서 B -> 홀 센서 A'로 약 4배 홀 저항이 증가할 때는 1.16 상대적 홀 전압 민감도를 보이고 있다. 홀 저항이 증가할수록 홀 전압 민감도는 증가하지만, 어느 정도 증가하다가 포화(saturation) 되는 것을 알 수 있다.
따라서 노이즈에 민감한 전자 나침반(e-compass)인 경우 홀 저항이 높은 홀 센서를 사용할 필요가 없다. 홀 저항이 어느 정도 값만 되어도 충분히 홀 전압을 감지할 수 있기 때문이다. 만약 홀 저항이 너무 높게 상승하면 그만큼 노이즈가 발생할 확률이 커지기 때문에 이 경우 노이즈에 취약한 전자 나침반은 그 기능을 충실히 수행할 수 없을지도 모른다. 반면 노이즈에 둔감한 홀 스위치(Hall switch)의 경우에는 홀 저항을 올려 사용하여도 무방할 것이다.
이와 같이 본 발명은 반도체 기판의 표면으로부터 소정 깊이 지점에 도핑 농도가 최대값을 가지도록 이온 주입 및 가열 공정에 의해 홀 센서를 제공함으로써, 기존의 홀 센서 대비 적은 량의 홀 전류로도 홀 전압의 민감도(Hall voltage sensitivity)를 향상시킴은 물론 노이즈(noise)를 감소시키는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
20 : 반도체 기판
21a : 센싱 영역
21b : 최대 도핑 농도 영역
22 : P형 웰
23 : 절연층
24 : N형 고농도 도핑 영역
24a, 24b, 24c, 24d : 제1 내지 제4 전극
25a, 25b : P형 고농도 도핑 영역
50 : 홀 센서

Claims (12)

  1. 제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 기판에 형성된 제2 도전형의 센싱 영역;
    상기 센싱 영역 내에 형성된 아이솔레이션 영역;
    상기 센싱 영역 상부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑 영역;를 포함하고,
    상기 고농도 도핑 영역보다 아래에 위치하고 상기 기판 표면으로부터 소정 깊이에 최대 도핑 농도를 갖는 반도체 기반의 홀 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 깊이는 상기 기판의 표면을 기준으로 0.7 ~ 2㎛인 반도체 기반의 홀 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 아이솔레이션 영역보다 아래에 위치하는 반도체 기반의 홀 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 센싱 영역 내에 위치하는 반도체 기반의 홀 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 영역의 도핑 프로파일은 포물선 형태로 형성되는 반도체 기반의 홀 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 영역의 최대 도핑 농도는 3E15 atom/cm3 내지 4E16 atom/cm3 인 반도체 기반의 홀 센서.
  7. 제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 기판에 형성된 제2 도전형의 센싱 영역;
    상기 센싱 영역 내에 형성된 아이솔레이션 영역;
    상기 센싱 영역 상부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑 영역;를 포함하고,
    상기 센싱 영역의 최대 도핑 농도의 위치는 상기 아이솔레이션 영역보다 아래에 위치하는 반도체 기반의 홀 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치를 기준면으로 상기 기준면 이전의 상기 센싱 영역의 제1 도핑 프로파일의 기울기가 상기 기준면 이후의 제2 도핑 프로파일의 기울기보다 더 경사진 것을 특징으로 하는 반도체 기반의 홀 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치를 기준면으로,
    상기 기준면 이전의 상기 센싱 영역의 도핑 농도를 제1 도핑 농도의 구간;
    상기 기준면 이후를 제2 도핑 농도 구간; 을 더 포함하고,
    상기 제2 도핑 농도 구간이 상기 제1 도핑 농도 구간보다 더 긴 것을 특징으로 하는 반도체 기반의 홀 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합과 상기 제2 도핑 농도 구간의 전체 도핑 농도 합에는 차이가 있는 것을 특징으로 하는 반도체 기반의 홀 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 센싱 영역 내 저면으로부터 소정의 높이로 이격되어 배치되는 것인, 반도체 기반의 홀 센서.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 최대 도핑 농도의 위치는 상기 센싱 영역 내 저면으로부터 소정의 높이로 이격되어 배치되는 것인, 반도체 기반의 홀 센서.
KR1020140146202A 2014-10-27 2014-10-27 반도체 기반의 홀 센서 KR101903828B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140146202A KR101903828B1 (ko) 2014-10-27 2014-10-27 반도체 기반의 홀 센서
US14/625,648 US9299919B1 (en) 2014-10-27 2015-02-19 Hall sensor with improved doping profile

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140146202A KR101903828B1 (ko) 2014-10-27 2014-10-27 반도체 기반의 홀 센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160049605A KR20160049605A (ko) 2016-05-10
KR101903828B1 true KR101903828B1 (ko) 2018-10-04

Family

ID=55537584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140146202A KR101903828B1 (ko) 2014-10-27 2014-10-27 반도체 기반의 홀 센서

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9299919B1 (ko)
KR (1) KR101903828B1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102103608B1 (ko) * 2014-07-16 2020-04-23 매그나칩 반도체 유한회사 수직형 홀 센서, 홀 센서 모듈 및 그 제조 방법
DE102015204637A1 (de) 2015-03-13 2016-09-15 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Dotieren eines aktiven Hall-Effekt-Gebiets einer Hall-Effekt-Vorrichtung und Hall-Effekt-Vorrichtung mit einem dotierten aktiven Hall-Effekt-Gebiet
US20170288131A1 (en) * 2016-03-29 2017-10-05 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Integrated hall effect sensors with voltage controllable sensitivity
KR102140358B1 (ko) 2016-12-23 2020-08-03 매그나칩 반도체 유한회사 잡음 감소를 위한 분리 구조를 갖는 통합 반도체 소자
JP2019201097A (ja) * 2018-05-16 2019-11-21 エイブリック株式会社 半導体装置
US10424616B1 (en) * 2018-06-20 2019-09-24 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Integrated circuit devices including vertical and lateral hall elements, and methods for fabricating the same
CN113178519B (zh) * 2021-03-15 2023-04-18 杭州未名信科科技有限公司 一种半导体器件结构及其制造方法、半导体霍尔传感器
KR102535002B1 (ko) 2021-04-23 2023-05-26 주식회사 키파운드리 Cmos 공정 기반의 홀 센서를 포함하는 반도체 소자 및 그 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060097715A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-11 Denso Corporation Vertical Hall device and method for adjusting offset voltage of vertical Hall device
US20100252900A1 (en) 2009-03-24 2010-10-07 Austriamicrosystems Ag Vertical Hall Sensor and Method of Producing a Vertical Hall Sensor
US20130307609A1 (en) 2012-05-15 2013-11-21 Infineon Technologies Ag Hall Effect Device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR960024376U (ko) * 1994-12-03 1996-07-22 파노라마 촬영기능이 구비된 카메라의 날짜 프린트장치
US8085035B2 (en) 2006-04-03 2011-12-27 Asahi Kasei Emd Corporation Hall element and magnetic sensor
DE102007034803B4 (de) * 2007-03-26 2015-03-12 X-Fab Dresden Gmbh & Co. Kg Halbleiterbauelement mit integriertem Hall-Effekt-Sensor
CH704689B1 (de) * 2011-03-24 2016-02-29 X Fab Semiconductor Foundries Vertikaler Hallsensor und Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Hallsensors.
US9134383B2 (en) 2012-12-28 2015-09-15 Asahi Kasei Microdevices Corporation Hall device, magnetic sensor having same, and signal correcting method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060097715A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-11 Denso Corporation Vertical Hall device and method for adjusting offset voltage of vertical Hall device
US20100252900A1 (en) 2009-03-24 2010-10-07 Austriamicrosystems Ag Vertical Hall Sensor and Method of Producing a Vertical Hall Sensor
US20130307609A1 (en) 2012-05-15 2013-11-21 Infineon Technologies Ag Hall Effect Device

Also Published As

Publication number Publication date
US9299919B1 (en) 2016-03-29
KR20160049605A (ko) 2016-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101903828B1 (ko) 반도체 기반의 홀 센서
KR102019514B1 (ko) 반도체 기반의 홀 센서
US8766358B2 (en) Semiconductor structure and method for manufacturing the same
EP2980856B1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP5966060B2 (ja) 垂直型ホールセンサー及びその製造方法
US7709875B2 (en) Memory cell comprising one MOS transistor with an isolated body having an improved read sensitivity
US9613946B2 (en) Low voltage triggered silicon controlled rectifier with high holding voltage and small silicon area
KR101847227B1 (ko) Esd 트랜지스터
KR102116147B1 (ko) 매립형 마그네틱 센서
CN104471710A (zh) 半导体装置及其制造方法
US9236471B2 (en) Semiconductor structure and method for manufacturing the same
JP5558243B2 (ja) 半導体装置
KR102255545B1 (ko) 반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법
US20120168906A1 (en) ESD Protection Device with Tunable Design Windows
CN104332499A (zh) 一种vdmos器件及其终端结构的形成方法
CN102623450A (zh) 一种基于场限环可控硅结构的瞬态电压抑制器
TWI506784B (zh) 半導體元件
CN101819941A (zh) 半导体器件栅氧化层完整性的测试结构
US8901651B2 (en) Power semiconductor device
TW201526196A (zh) 用於靜電防護之半導體結構
US20090140339A1 (en) ESD Protection Device and Method for Manufacturing the Same
TWI484634B (zh) 隔離元件及其製造方法
TWI505436B (zh) 半導體元件、靜電放電保護元件及其製造方法
CN106158924A (zh) 一种稳压二极管及其制作方法
CN105576026B (zh) 半导体器件及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant