SI9110476A

SI9110476A - Hall sensor in integrated CMOS circuit

Info

Publication number: SI9110476A
Application number: SI9110476A
Authority: SI
Inventors: Silvo Zlebir; Andrej Dipl Ing Belic
Original assignee: Iskra Stevci Ind Merilne In Up
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1996-02-29
Also published as: GB9205801D0; GB2253941A; GB2253941A8; GB2253941B; DE4208544A1; FR2674375A1; FR2674375B1

Description

Tehnični problem izuma je v tem, kako skonstruirati Hallov senzor v integriranem CMOS vezju, da se bo z izvedbo posebne plasti ob plasti debelega oksida, ki prekriva del Hallovega senzorja ob električnih priključnih kontaktih, in s primerno priključitvijo Hallovega senzorja preprečilo motilen vpliv migracije ionov v tej plasti debelega oksida na aktivno plast Hallovega senzorja.

Stanje tehnike

Polprevodniški Hallovi senzorji so bili doslej večinoma izdelani na siliciju v bipolarni tehnologiji. Pri tem se kot aktivno plast Hallovega senzorja uporablja del epitaksialno raščene plasti, naprimer n-tipa. Ta del se od ostalih delov integriranega vezja loči s p-ogrado, ki se jo izvede z difuzijo akceptorjev v epitaksialno plast, od substrata p-tipa pa ga ločuje p-n spoj. Kovinski električni kontakti Hallovega senzorja so povezani z n-področji, ki so močno dopirana in ki se jih izvede z difuzijo donoijev. Lastnosti Hallovega senzorja torej zavisijo pretežno od lastnosti epitaksialne plasti. Ponavadi je koncentracija donoijev v njej 10¹⁶ cm³, njena debelina pa je med 8 μτη in 15 μτη in je pogojena z zahtevami za ostale komponente integriranega vezja. Takšen Hallov senzor in preostalo v bipolarni tehnologiji izdelano integrirano vezje pa ima veliko porabo električne moči. Razen tega pa poraba električne moči in občutljivost takšnega Hallovega senzorja nista reproducibilni, ker debelina epitaksialne plasti ni stalna. To je resna pomanjkljivost, ko bi se ga želelo uporabiti kot tokovni vhod in množilnik v monolitnem integriranem vezju za električni merilnik moči.

Razen navedenega in še poleg piezo-Hallovega efekta ter piezorezistivnega efekta na stabilnost Hallovega senzorja vplivajo predvsem površinski efekti. Zaščitna plast SiO₂, ki običajno prekriva integrirano vezje, vsebuje ione raznih nečistoč, naprimer natrijeve ione. Pod vplivom električnega polja in povišane temperature ti ioni migrirajo proti aktivni plasti Hallovega senzorja in v njej inducirajo električen naboj, kar vpliva na potek specifične upornosti p(t) po globini t glede na površino aktivne plasti Hallovega senzorja in s tem tudi na očutljivost Hallovega senzorja. V patentnem spisu US 4,660,065 je opisan v bipolarni tehnologiji izveden Hallov senzor, v katerem se je pred izvedbo zaščitne oksidne plasti implantiralo plast p-tipa. S tem se je preprečilo neposreden stik senzorjeve aktivne plasti s plastjo zaščitnega oksida na površini. Izvedba zaščitne plasti zahteva dodaten korak v tehnološkem postopku. Razen tega se aktivna plast senzorja zoži, Hallov senzor pa zaradi večje specifične upornosti p(t) postane izrazito nelinearen, kar pa je neprimerno za monolitno vezje za električni števec.

Opis rešitve tehničnega problema s primeroma izvedbe

Navedeni tehnični problem je rešen s Hallovim senzorjem po izumu v integriranem CMOS vezju, kije značilen po tem, da je na substratu prve vrste električne prevodnosti izveden otok druge vrste električne prevodnosti in daje zveznica dveh v otoku izvedenih in medsebojno razmaknjenih močno dopiranih področij druge vrste električne prevodnosti pravokotna na zveznico drugih dveh v otoku izvedenih in medsebojno razmaknjenih močno dopiranih področij druge vrste električne prevodnosti, pri čemer so nad temi področji izvedeni kovinska električna napajalna kontakta in kovinska električna odjemna kontakta Hallovega senzorja, in da je vrhnja ravnina substrata povsod razen na mestu kovinskih kontaktov prekrita s plastjo debelega oksida, katere debelina je med 0,8 μτη in 1,0 μτη, in da je ob plasti debelega oksida v področju, ki obdaja kovinske električne kontakte Hallovega senzorja, izvedena plast za preprečevanje motilnega vpliva migracije ionov v plasti debelega oksida.

Hallov senzor po izumu in po varianti I je nadalje značilen po tem, da je plast za preprečevanje motilnega vpliva migracije ionov n-tipa in je izvedena pod plastjo debelega oksida pretežno v otoku p-tipa in delno segajoče v substrat.

Hallov senzor po izumu in po varianti II je nadalje značilen po tem, da je plast za preprečevanje motilnega vpliva migracije ionov izdelana iz dobro prevodnega polisilicija in je nameščena nad plastjo debelega oksida v področju, ki obdaja kovinske električne kontakte Hallovega senzorja, in da je omenjena plast iz polisilicija priključena na maso integriranega vezja in da je odjemni kontakt Hallovega senzorja priključen na virtualno maso napajalnih kontaktov Hallovega senzotja, pri čemer mora le-ta biti napajan z izmeničnim sinusnim električnim tokom.

Prednostno se zaščito aktivne plasti Hallovega senzorja po izumu doseže s tem, da se izdela zaščitno plast s preprostim postopkom v okviru CMOS tehnologije.

Izum bomo v nadaljnjem podrobno opisali na osnovi izvedbenega primera ter pripadajočega načrta, ki prikazuje na sl. 1 prečen prerez skozi Hallov senzor v integriranem CMOS vezju po izumu in po varianti I, sl. 2a prečen prerez skozi Hallov senzor v integriranem CMOS vezju po izumu in po varianti II, sl. 2b shematičen prikaz vezave Hallovega senzorja po izumu in po varianti II (sl. 2a) v integriranem vezju in njegove priključitve na zunanji tokoven generator, sl. 3 graf koncentracije nosilcev električnega naboja v odvisnosti od oddaljenosti od vrhnje ravnine substrata na sredini Hallovega senzorja s sl. 1, sl, 4 graf koncentracije nosilcev električnega naboja v odvisnosti od oddaljenosti od vrhnje ravnine substrata na sredini Hallovega senzorja s sl. 2a, sl. 5 Hallov senzor po izumu in po varianti II med delovanjem.

Hallov senzor HS po izumu in po varianti I oziroma Hallov senzor HS’ po izumu in po varianti II, ki sta izvedena v integriranem CMOS vezju IC oziroma IC’, sta prikazana na sliki 1 oziroma na sliki 2a. Na substratu 1; 1’ prve vrste električne prevodnosti je izveden otok 2; 2’ druge vrste električne prevodnosti. Otok 2; 2’ predstavlja aktivno področje Hallovega senzorja HS; HS’. V otoku 2; 2’ so izvedena štiri močno dopirana področja 31,..., 34; 3Γ,..., 34’ druge vrste električne prevodnosti. Zveznica dveh področij 31, 32; 3Γ, 32’ je pravokotna na zveznico drugih dveh področij 33, 34; 33’, 34’. Nad področji 31, ..., 34; 3Γ,..., 34’ so izvedeni kovinski električni kontakti Hallovega senzorja HS; HS’, in sicer napajalna kontakta 41, 42; 41’, 42’ in odjemna kontakta 43, 44; 43’, 44’. Odjemna kontakta 43, 44; 43’, 44’ in njima pripadajoči področji 33, 34; 33’, 34’ ležijo pred oziroma za ravnino risbe na simetrali zveznice napajalnih kontaktov 41, 42; 4Γ, 42’ in zato so na sl. 1 oziroma sl. 2a predstavljeni črtkano.

Vrhnja ravnina S; S’ substrata 1; Γ je povsod razen na mestu električnih kontaktov 41, ..., 44; 4Γ, ..., 44’ Hallovega senzorja HS; HS’ prekrita s plastjo 5; 5’ debelega oksida SiO₂ (field oxide), katere debelina je med 0,8 μτη in 1,0 μτη. Ob delu plasti 5; 5’ debelega oksida, ki obdaja električne kontakte 41,..., 44; 4Γ,..., 44’ Hallovega senzorja HS; HS’, je glede na variantno izvedbo prvič pod omenjenim delom plasti 5 in drugič nad omenjenim delom plasti 5’ izvedena plast 6; 6’, s katero se preprečuje motilni vpliv migracije ionov v plasti 5; 5’ debelega oksida na aktivno plast Hallovega senzorja HS; HS’.

V Hallovem senzorju HS po izumu in po varianti I je plast 6 n-tipa in je izvedena v področju 50 pod plastjo 5 debelega oksida, tako da se pretežno nahaja v otoku 2, ki je p-tipa, in vsaj s svojim obodom deloma sega tudi v substrat 1. Ker je torej pri varianti I Hallovega senzorja HS tudi substrat 1 n-tipa, sta plast 6 in substrat 1 v dobrem električnem kontaktu.

V Hallovem senzorju po izumu in po varianti II pa je plast 6’ izdelana iz dobro prevodnega polisilicija in se nahaja nad plastjo 5’ debelega oksida v področju 50’, kije v bistvu med električnimi kontakti 41’, ..., 44’ Hallovega senzorja HS’. Plast 6’ je priključena na maso integriranega vezja IC’. Odjemni električen kontakt 43’ Hallovega senzorja HS’ mora biti priključen na virtualno maso napajalnih kontaktov 41’, 43’ Hallovega senzorja HS’. Polisilicijeva plast 6’ namreč učinkuje zaščitno le, kadar je napajalni kontakt 41’ Hallovega senzorja HS’ priključen na zunanji tokovni generator G sinusnega toka I (sl. 2b). Drugi napajalni kontakt 42’ Hallovega senzorja HS’ je vezan na izhod operacijskega ojačevalnika OA, ki je pravtako izveden v integriranem vezju IC’. Neinvertirajoči vhod ojačevalnika OA je vezan na maso, njegov invertirajoči vhod pa na prvi odjemni kontakt 43’ Hallovega senzorja HS’. Na ta način se naprimer izvede priključitev kontakta 43’ na virtualno maso napajanja v merilniku električne moči ali porabljene električne energije, ki je izveden s Hallovim senzorjem HS’ v integriranem CMOS vezju IC’. Hallov tok I_H z odjemnega kontakta 44’ se nadalje vodi v integrirano vezje IC’.

Ploskovna upornost otoka 2; 2’ kot aktivne plasti Hallovega senzorja HS; HS’ je okoli 2 do 4 kfl/o. Ta vrednost ploskovne upornosti je optimalna glede na porabo električne moči ter glede na občutljivost oziroma linearnost Hallovega senzorja HS; HS’. Ker je Hallova gibljivost μ_η elektronov okoli 3 krat večja od Hallove gibljivosti μ_ρ vrzeli, je otok 2’ kot aktivna plast Hallovega senzorja HS’ v prednostnem izvedbenem primeru po varianti II n-tipa.

Obe varianti Hallovega senzorja po izumu sta izdelani s postopkom, ki je popolnoma kompatibilen z CMOS tehnologijo. Na substrat 1; 1’ s koncentracijo dopanta prve vrste električne prevodnosti reda velikosti 1O^1S cm'³ do 10¹⁶ cm'³ se implantira ustrezen dopant druge vrste prevodnosti in se ga pusti difundirati, tako da se stvori otok 2; 2’ druge vrste električne prevodnosti in s koncentracijo pravtako reda velikosti 10¹⁵ cm'³do 10¹⁶ cm'³. Otok 2; 2’ je na globini t okoli 3 μτη do 6 μτη, merjeni od vrhnje ravnine S;

S’ substrata 1; 1’ proti njegovi notranjosti, s p-n spojem razmejen od področja substrata 1; Γ. Potek koncentracije N(cm'³) prostih nosilcev električnega naboja v odvisnosti od globine t, je prikazan za Hallov senzor HS; HS’ po izumu in po varianti I oziroma II z grafom na sl. 3 oziroma na sl. 4. Na ustreznih mestih v otoku 2; 2’ se z implantiranjem primernega dopanta in z njegovo difuzijo do globine okoli 1 pm izdela močno dopirana področja 31,..., 34; 31’,..., 34’ druge vrste električne prevodnosti s koncentracijo prostih nosilcev električnega naboja okoli 10²² cm'³. Nad področji 31,..., 34; 31’,..., 34’ se izvede kovinska električna napajalna kontakta 41, 42; 4Γ, 42’ oziroma kovinska električna odjemna kontakta 43, 44; 43’, 44’ Hallovega senzorja HS; HS’. Nato se s postopkom, ki je običajen pri izdelovanju integriranih vezij, termalno oksidira površino silicijevega monokristala. Nastala plast 5; 5’ debelega oksida SiO₂ (field oxide) ščiti površino integriranega vezja IC, IC’.

Pri izdelavi Hallovega senzorja HS’ po izumu in po varianti II se le še na plast 5’ debelega oksida nanese plast 6’ iz polisilicija, in sicer v področju 50’, ki je v bistvu med električnimi kontakti 41’,..., 44’ Hallovega senzorja HS’.

Pri izdelavi Hallovega senzorja HS po izumu in po varianti I pa se podaljša trajanje termalnega oksidiranja površine integriranega vezja IC. S tem se v področju 50 prerazporedi dopante tik pod plastjo 5 debelega oksida, tako da tam nastane nekaj desetink mikrometra debela plast 6 n-tipa. Debeli oksid SiO₂ namreč vsrkava akceptorske dopante, naprimer bor, in v področju 50 pod plastjo 5 debelega oksida prevladajo donorski dopanti, ki so originalno prisotni v substratu 1, naprimer fosfor. Celoten potek koncentracije prostih nosilcev električnega naboja po globini t je za Hallov senzor HS po varianti I prikazan z grafom na sl. 3.

V nadaljnjem bomo opisali zaščitno delovanje plasti 6; 6’, ki naj preprečuje motilni vpliv migriranja ionov pod vplivom termičnega gibanja in električnega polja v plasti 5; 5’ debelega oksida. Tudi od tega migriranja izvirajoče spreminjanje površinske koncentracije ionov ob notranji mejni ploskvi debelega oksida moteče vpliva na aktivno plast Hallovega senzorja HS; HS’.

V Hallovem senzorju HS po varianti I (sl. 1) je otok 2 p-tipa in je substrat 1 na najvišjem pozitivnem potencialu. Migriranje ionov iz plasti 5 debelega oksida proti aktivni plasti Hallovega senzorja, to je proti otoku 2, preprečuje reverzno polariziran p-n spoj na meji med plastjo 6 n-tipa in otokom 2 p-tipa. Linearnost Hallovega senzorja pa ni prizadeta, saj je debelina zaščitne plasti 6 majhna.

V Hallovem senzorju HS’ po varianti II (sl. 2a in 2b) pa je, da bi senzoijevo aktivno plast zaščitili pred motnjami, ki izvirajo od migriranja ionov v plasti 5’ debelega oksida, poleg same zgradbe, kije prikazana na sl. 2a, potrebno še napajanje Hallovega senzorja HS’ s sinusnim tokovnim generatorjem G in priključitev senzorjevega odjemnega kontakta 43’ na virtualno maso tega napajanja (sl. 2b). Substrat 1’je priključen na potencial - V_s, polisilicijeva plast 6’ pa na maso. Magnetno polje B je usmerjeno pravotno na senzoijevo površino. Električen tok I med področjema 31’ in 32’ po senzorjevi aktivni plasti, to je po otoku 2’, povzroči v plasti 5’ debelega oksida električno polje E, katerega porazdelitev je shematično prikazana na sl. 5. Ker je senzor napajan sinusno glede na virtualno maso in sta senzoijeva odjemna kontakta (na sl. 5 nista prikazana) nameščena na simetrali zveznice področij 3Γ, 32’, je električno polje E na sredini med kontaktoma 41’, 42’ enako 0, sicer pa je njegova časovna srednja vrednost na poljubnem mestu pravtako enaka 0. Časovna konstanta za migracijo je precej daljša od periode omrežne napetosti. Zato se migracijski učinki medsebojno izničijo. Omenimo le še, da plast 6’ ne sme biti kovinska, ker bi ob temperaturnih spremembah mehansko obremenjevala silicij v področju senzorjeve aktivne plasti in s tem med drugim vplivala na očutljivost, upor in offset Hallovega senzorja HS’.

Claims

1. Hallov senzor v integriranem CMOS vezju IC; IC’, označen s tem, da je na substratu (1; 1’) prve vrste električne prevodnosti izveden otok (2; 2’) druge vrste električne prevodnosti, da je zveznica dveh v otoku (2; 2’) izvedenih in medsebojno razmaknjenih močno dopiranih področij (31, 32; 3Γ, 32’) druge vrste električne prevodnosti pravokotna na zveznico dveh v otoku (2; 2’) izvedenih in medsebojno razmaknjenih močno dopiranih področij (33, 34; 33’, 34’) druge vrste električne prevodnosti, pri čemer so nad področji (31,34; 31’,..., 34’) izvedeni kovinska električna napajalna kontakta (41,42; 4Γ, 42’) in kovinska električna odjemna kontakta (43,44; 43’, 44’) Hallovega senzorja (HS; HS’), daje vrhnja ravnina (S; S’) substrata (1; 1’) povsod razen na mestu kontaktov (41,..., 44; 41’, ..., 44’) prekrita s plastjo (5; 5’) debelega oksida, katere debelina je med 0,8 μτη in 1,0 μτη, in da je ob plasti (5; 5’) debelega oksida v področju (50; 50’), ki obdaja kovinske kontakte (41, 44; 4Γ, ..., 44’), izvedena plast (6; 6’) za preprečevanje motilnega vpliva migracije ionov v plasti (5; 5’).

2. Hallov senzor po zahtevku 1 in varianti I, označen s tem, da je plast (6) n-tipa izvedena pod plastjo (5) debelega oksida v področju (50), ki je pretežno v otoku (2) p-tipa in delno sega v substrat (1).

3. Hallov senzor po zahtevku 1 in varianti II, označen s tem, da je plast (6’) iz dobro prevodnega polisilicija izvedena v področju (50’) nad plastjo (5’) debelega oksida, da je plast (6’) priključena na maso vezja (IC’) in da je odjemni električen kontakt (43’) Hallovega senzorja (HS’) priključen na virtualno maso napajalnih kontaktov (4Γ, 42’) Hallovega senzorja (HS’).