TWI481891B - Vertical two - dimensional differential folding Hall device - Google Patents

Description

垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置

本發明係有關於磁場感測元件，尤指一種整合基底型磁電晶體、垂直型磁電晶體及垂直型磁電阻功效之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置。

所謂的霍爾元件，係一種應用霍爾效應的半導體元件，一般用於旋轉電機中，藉以測定轉子電流所產生的磁場大小，如錄放映機的磁鼓，電腦中的散熱風扇等，其亦可視為一種基於霍爾效應的磁感測器。目前，霍爾元件已發展成品種多樣的磁感測器產品族，並獲得廣泛的應用，其不僅具有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動等優點，且不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，實用性相當廣。

一般而言，評估霍爾感測元件效能之依據主要有兩種，第一 種是電流相關磁靈敏度S_RI ，其定義為，單位是V/A‧T (volt/ampere．tesla)；其中，I_bias (A)表示偏壓電流，而△V_out (V)與△B(T)則分別表示磁感應所量得的霍爾電壓以及磁通密度；第二種是磁靈敏度S，其定義為；此外，非線性誤差NLE亦是一種重要的評估依據，其定義為；其中，△V_out 表示量測得到的霍爾電壓，而△V⁽⁰⁾ _out 則 是以最小誤差近似法所求得的電壓平均值。

然而，儘管習用霍爾感測元件的磁效應涵蓋有磁電阻、垂直型磁電阻、基底型磁電晶體、橫向型磁電晶體與垂直型磁電晶體等類型，並且彼此間以個別與相互磁效應影響，但該習用元件仍具有磁靈敏度過低、線性度不佳以及交叉耦合電壓干擾過大等問題，不論做為電流感測器 來偵測電流訊號，或是其它工業控制的相關應用，皆有改進空間。

有鑑於此，本發明人特別針對上述問題進行檢討，期待能提供一種整合基底型磁電晶體、垂直型磁電晶體及垂直型磁電阻功效之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，乃潛心研思、設計組製，以供應消費大眾使用，為本發明所欲研創之創作動機者。

本發明之主要目的在於提供一種垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，針對習用霍爾感測元件之問題進行檢討及創新。

為達上述目的，本發明垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置係以標準0.35微米CMOS製程製作完成，其主要係由一半導體基板、一第一感測部及一第二感測部所組成；該半導體基板係P型半導體基板且連接至正偏電壓，並形成有一井型雜質區域(含N型井或P型井)，該井型雜質區域上設置有一第一感測部及一第二感測部；其中，該第一感測部設有一第一中央端子，並自該第一中央端子朝平面上四個垂直方向延伸出四個第一控制端子，該一第一控制端子各自連接有一第一感應端子；第二感測部係對稱於該第一感測部，並以摺疊方式設置於第一感測部的旁側；該第二感測部亦設有一第二中央端子，並自該第二中央端子朝平面上四個垂直方向延伸出四個第二控制端子，而一第二控制端子各自連接有一第二感應端子；其中，該第二感應端子係對應於第一感應端子，並且電性耦接於該第一感應端子。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該第一感測部及第二感測部之外圍皆各自設有一保護環，該保護環係屬P型或N型高濃度雜質，用以降低交叉耦合電壓。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該雜質區域之外圍更設有一保護環，該保護環係屬P型或N型高濃度雜質，用以降低交叉耦合電壓。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該保護環具有內縮功能，用以集中載子濃度，提高元件靈敏度。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該井 型雜質區域係N型井。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該第一中央端子及第二中央端子係N型高濃度雜質區域。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該第一感應端子及第二感應端子係N型高濃度雜質區域。

如上所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該第一控制端子及第二控制端子係P型高濃度雜質區域。

藉由以上手段，本發明藉由對摺結構縮小元件尺寸，並透過四種不同偏壓方式，成功整合基底型磁電晶體、垂直型磁電晶體及垂直型磁電阻之功效，使供電流相關磁靈敏度得以提高，並有效改善非線性問題；此外，使用P型或N型高濃度雜質保護環來降低交叉耦合電壓，使霍爾感測元件在工作時，沒有磁滯現象而更具有實用性，相較於習用霍爾感測元件，本發明更具有新穎性及進步性。

100‧‧‧垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置

A、A’‧‧‧點

B‧‧‧P型半導體基板

W‧‧‧N型井

1‧‧‧第一感測部

C_in ‧‧‧第一中央端子

C₁₁ 、C₁₂ 、C₁₃ 、C₁₄ ‧‧‧第一控制端子

S₁₁ 、S₁₂ 、S₁₃ 、S₁₄ ‧‧‧第一感應端子

2‧‧‧第二感測部

C_out ‧‧‧第二中央端子

C₂₁ 、C₂₂ 、C₂₃ 、C₂₄ ‧‧‧第二控制端子

S₂₁ 、S₂₂ 、S₂₃ 、S₂₄ ‧‧‧第二感應端子

G₁ 、G₂ 、G‧‧‧保護環

第一圖係本發明之結構立體圖。

第二圖係本發明第一實施例之動作示意圖。

第三圖係本發明第二實施例之動作示意圖。

第四圖係本發明第三實施例之動作示意圖。

第五圖係本發明之結構俯視圖。

為使 貴審查委員方便了解本發明之內容，及所能達成之功效、茲配合圖式列舉一具體實施例，詳細介紹說明如下：請參閱第一圖，其係顯示本發明之結構立體圖，如圖所示，本發明垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置100，係以標準0.35微米CMOS製程製作完成；先在一P型半導體基板B上形成一N型井W，再於N型井W上設置有二個相互對稱且摺疊之感測部，其皆為十字型霍爾感測元件。其中，該第一感測部1設有一第一中央端子C_in ，並自該第一中央端子C_in 朝平面上四個垂直方向延伸出四個第一控制端子C₁₁ 、C₁₂ 、C₁₃ 、C₁₄ ，而一第一控 制端子(C₁₁ 、C₁₂ 、C₁₃ 或C₁₄ )各自連接有一第一感應端子(S₁₁ 、S₁₂ 、S₁₃ 或S₁₄ )；第二感測部2係對稱於該第一感測部1，並以摺疊方式設置於第一感測部1的旁側；該第二感測部2亦設置有一第二中央端子C_out ，並自該第二中央端子C_out 朝平面上四個垂直方向延伸出四個第二控制端子C₂₁ 、C₂₂ 、C₂₃ 、C₂₄ ，而一第二控制端子(C₂₁ 、C₂₂ 、C₂₃ 或C₂₄ )各自連接有一第二感應端子(S₂₁ 、S₂₂ 、S₂₃ 或S₂₄ )；其中，該第二感應端子S₂₁ ~S₂₄ 係對應於該第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ ，並且電性耦接至該第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ 。除此之外，本霍爾裝置亦可先在一P型半導體基板B上形成一P型井，再於P型井上設置有二個相互對稱且摺疊之感測部，其皆為十字型霍爾感測元件。

承上所述，本發明之第一感測部1、第二感測部2以及N型井W之外圍，皆各自設有一保護環G₁ 、G₂ 、G，而該保護環G₁ 、G₂ 、G係屬P型高濃度雜質，用以降低交叉耦合電壓；而該保護環G₁ 、G₂ 、G具有內縮功能，可以集中載子濃度，提高元件靈敏度。再者，該第一中央端子C_in 、第二中央端子C_out 、第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ 以及第二感應端子S₂₁ ~S₂₄ 係N型高濃度雜質區域，而第一控制端子C₁₁ ~C₁₄ 及第二控制端子C₂₁ ~C₂₄ 係P型高濃度雜質區域。惟該霍爾裝置若是在P型半導體基板B上形成一P型井，則該保護環G₁ 、G₂ 、G係屬N型高濃度雜質，同時具有內縮功能；再者，該第一中央端子C_in 、第二中央端子C_out 、第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ 以及第二感應端子S₂₁ ~S₂₄ 係P型高濃度雜質區域，而第一控制端子C₁₁ ~C₁₄ 及第二控制端子C₂₁ ~C₂₄ 係N型高濃度雜質區域。

請同時參閱第一、二圖，其中第二圖係顯示本發明第一實施例之動作示意圖，其係在X方向以第一圖之兩點A、A’為基準所延伸出的切面結構；如圖所示，第一控制端子C₁₁ ~C₁₄ 及第二控制端子C₂₁ ~C₂₄ 係電性耦接至一最低負壓端(即所謂接地)，而P型半導體基板B係電性耦接至一正偏電壓，以在第一感測部1形成四個X方向的PNP基底型磁電晶體與四個Y方向的PNP基底型磁電晶體，以及在第二感測部2形成四個X方向的PNP基底型磁電晶體與四個Y方向的PNP基底型磁電晶體，其中所有的基底型磁電晶體皆操作在主動模式。

承上所述，當磁場為零時，第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ 相對應第二 感應端子S₂₁ ~S₂₄ 係操作在相同的電位，即兩感應端子所形成X及Y方向的霍爾電壓V_H 為零；若有磁場被平行施加於垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置100表面時，第一感應端子S₁₁ ~S₁₄ 與其相對應之第二感應端子S₂₁ ~S₂₄ 會操作在不同的電位，則兩感應端子所形成的X及Y方向之霍爾電壓V_H 即隨之而生。

請同時參閱第一、三圖，其中第三圖係顯示本發明第二實施例之動作示意圖，其同樣係在X方向以第一圖之兩點A、A’為基準所延伸出的切面結構；如圖所示，第一中央端子C_in 及第二中央端子C_out 係各別電性耦接至正電壓及負電壓，第一控制端子C₁₁ ~C₁₄ 及第二控制端子C₂₁ ~C₂₄ 係電性耦接至一最低負壓端(即所謂接地)，而P型半導體基板B係電性耦接至一正偏電壓，其中所有的基底型磁電晶體皆操作在主動模式。

承上所述，在本發明第二實施例中，偏壓電流係先由第一中央端子C_in 流進，再由第二中央端子C_out 流出，此差動結構與施加電場為零時，將導致在X與Y方向的霍爾電壓V_H 為零，而射極與基極端的順偏則產生電流通過接面，大量流進基極(N型井W)的電洞與多數載子(電子)結合而消失，消失的多數載子(電子)則必須被外部電路取代，否則電洞的減少便會降低射極電流；若在Y方向施加一非零的電場，將產生一勞倫茲力，使電洞由第一中央端子C_in 至第一感應端子S₁₁ 的軌跡縮短，但使電子由第二感應端子S₂₁ 至第二中央端子C_out 的軌跡增長，因此，勞倫茲力將電洞集中於靠近第一感應端子S₁₁ 與第二感應端子S₂₁ 之基極區域(N型井W)，其一方面降低PNP電晶體之集極電流，另一方面集極電流則由於將電子累積於靠近第一感應端子S₁₂ 與第二感應端子S₂₂ 而增加，一位於第一感應端子S₁₁ 與第二感應端子S₂₁ 之負霍爾電壓及一位於第一感應端子S₁₂ 與第二感應端子S₂₂ 之正霍爾電壓即同時感應，其中負霍爾電壓V_H 係位於X方向。在本實施例中，其基底型磁電晶體結合垂直式磁電阻相較於單獨使用基底型磁電晶體具有更高的磁靈敏度。

請同時參閱第一、四圖，其中第四圖係顯示本發明第三實施例之動作示意圖，其同樣係在X方向以第一圖之兩點A、A’為基準所延伸出的切面結構；如圖所示，包括第一中央端子C_in 、第二中央端子C_out 、第一 控制端子C₁₁ ~C₁₄ 及第二控制端子C₂₁ ~C₂₄ 等皆電性耦接至正電壓，而P型半導體基板B係電性耦接至一正偏電壓。在本實施例中，所有的垂直式磁電晶體與基底型磁電晶體皆工作在主動模式，然而基底型磁電晶體的射極電流在將第一中央端子C_in 與第二中央端子C_out 電性耦接至正電壓後隨之減少。

承上所述，當一位於Y方向的非零磁場被施加時，藉由勞倫茲力縮短垂直式磁電晶體的載子軌道，進而將電洞集中於第一感應端子S₁₁ 與第二感應端子S₂₁ ，而減少的集極電流則在第一感應端子S₁₁ 與第二感應端子S₂₁ 感應出一負霍爾電壓；同時，該勞倫茲力會對垂直式磁電晶體另一側的載子軌道產生拉長作用，進而將電子集中於第一感應端子S₁₂ 與第二感應端子S₂₂ ，電子的累積會增加集極電流，而增加的集極電流會在第一感應端子S₁₂ 與第二感應端子S₂₂ 之間感應出一正霍爾電壓。

請再同時參閱第一、四圖，在上述三種實施例以外，本發明第四種實施例除了第二中央端子C_out 電性耦接至負電壓外，其它偏壓條件與第三實施例完全相同。在XZ平面上，連接著第一感測部1的垂直式磁電晶體與連接在第一中央端子C_in 的基底型磁電晶體皆操作在主動模式，而其它垂直式磁電晶體與基底型磁電晶體則操作在飽和區；同樣地，在YZ平面上亦有相同的效果。

請同時參閱第一、五圖，其中第五圖係顯示本發明之結構俯視圖。如圖所示，在本發明之結構設計下，垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置100之導電通道及有效長度確實成功的被微小化，該裝置確實可藉由對摺的結構設計縮小元件尺寸，並可使用保護環(G₁ 、G₂ 、G)來降低交叉耦合現象；此外，該保護環具有內縮功能，藉以集中載子濃度，提高磁性元件的靈敏度。

本發明之實驗結果顯示，不只是在單一的基底型磁電晶體中，或是在垂直型磁電晶體結合基底型磁電晶體時，基底型磁電晶體的磁效應都是最重要的。垂直型磁電晶體會縮小量測範圍而垂直型磁電阻可提升此一垂直型霍爾裝置的量測範圍，但是垂直型磁電阻也是增加非線性誤差的重要因素；研究顯示把垂直型磁電阻結合基底型磁電晶體或再加上垂直型磁電晶體都會增加磁性元件的非線性度；再者，本發明在工作時具有 極小的磁滯現象，並且當偏壓電流和偏壓電壓降低時，它的靈敏度相對較高，這使得該霍爾裝置相當適合操作在低功率下，大大提高其實用性。本發明之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置具有供電壓相關磁靈敏度為42.65毫伏特/(伏特*磁通密度)，其表現優於現有的磁感測器；若利用本發明所提出的霍爾感測器晶片來偵測電路中的電流訊號，因其具有靈敏度高、隔離能力良好、電流測量範圍大、功率消耗低等優點，可廣泛應用於交直流馬達驅動或工業控制的應用領域上。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本發明在突破先前之技術結構下，確實已達到所欲增進之功效，且亦非熟該項技藝者所易於思及；再者，本發明申請前未曾公開，其所具之進步性、實用性，顯已符合發明專利之申請要件，爰依法提出發明申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

100‧‧‧垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置

A‧‧‧點

B‧‧‧P型半導體基板

W‧‧‧N型井

1‧‧‧第一感測部

2‧‧‧第二感測部

G₁ 、G₂ 、G‧‧‧保護環

Claims (8)

1. 一種垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，係以標準CMOS製程製作完成，其包含：一半導體基板，該半導體基板係P型半導體基板且連接至正偏電壓，並形成有一井型雜質區域，該井型雜質區域上對稱摺疊的設有一第一感測部及一第二感測部；所述第一感測部上設有一第一中央端子，並自該第一中央端子延伸出至少一第一控制端子，而該第一控制端子更各自再延伸有一第一感應端子；所述第二感測部上亦設有一第二中央端子，並自該第二中央端子延伸出至少一第二控制端子，而該第二控制端子各自再延伸有一第二感應端子，其中該第二感應端子係各自對應的與該第一感應端子電性耦接；其中該第一感測部係十字型之霍爾感測元件，其自本身所設之第一中央端子朝平面上四個垂直方向延伸出四個第一控制端子，而該四個第一控制端子各自連接有一第一感應端子；其中該第二感測部係十字型之霍爾感測元件，其自本身所設之第二中央端子朝平面上四個垂直方向延伸出四個第二控制端子，而該一第二控制端子各自連接有一第二感應端子，其中該一第二感應端子係對應於該第一感應端子，且電性耦接至該第一感應端子。
2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中該第一感測部及第二感測部之外圍皆各自設有一保護環，該保護環係屬P型或N型高濃度雜質，用以降低交叉耦合電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中該雜質區域之外圍更設有一保護環，該保護環係屬P型或N型高濃度雜質，用以降低交叉耦合電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，較佳的是該保護環具有內縮功能，用以集中載子濃度，提高元件靈敏度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中 該井型雜質區域係N型井或P型井。
6. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中該第一中央端子及第二中央端子係N型或P型高濃度雜質區域。
7. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中該第一感應端子及第二感應端子係N型或P型高濃度雜質區域。
8. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式二維差動摺疊型霍爾裝置，其中該第一控制端子及第二控制端子係P型或N型高濃度雜質區域。