TWI504031B - Hall sensor - Google Patents
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Description
本發明係關於半導體霍爾元件，關於高敏感度且能夠除去偏置電壓之霍爾感測器。
首先，針對霍爾元件之磁性檢測原理予以說明。當對在物質中流動之電流施加垂直之磁場時，相對於其電流和磁場之雙方於垂直之方向產生電場(霍爾電壓)。
設想第2圖般之霍爾元件。當將因應磁場而產生霍爾電壓之霍爾元件感受部1之寬度設為W，將長度設為L，將電子移動度設為μ，將流通電流用之電源2之施加電壓設為Vdd，將施加磁場設為B時，被輸出至電壓計3之霍爾電壓VH則以下示表示
VH=μB(W/L)Vdd
該霍爾元件之磁性敏感度Kh以下式表示
Kh=μ(W/L)Vdd
藉由該關係式可知用以使霍爾元件變成高敏感度之方法之一為增大W/L比。
另外，即使在實際之霍爾元件不施加磁場時，也產生輸出電壓。將該磁場為0時被輸出之電壓稱為偏置電壓(offset voltage)。產生偏置電壓之原因應為從外部對元件施加之機械性應力或在製作過程中由於對準偏離等使得元件內部之電位分布不均衡所導致。
於以抵銷等來補償偏置電壓使成為不會在應用上造成問題之大小時，一般而言，以下述方法來進行。
其一為使用第3圖所示之藉由旋轉電流的偏置取消電路之方法。
霍爾元件感受部10為對稱性之形狀，具有在一對輸入端子流通控制電流，從其他一對輸出端子取得輸出電壓之四端子T1、T2、T3、T4。於霍爾元件感受部之一方之一對端子T1、T2成為控制電流輸入端子之時，另一方之一對端子T3、T4則成為霍爾電壓輸出端子。此時，當對輸入端子施加電壓Vin時，在輸出端子則產生輸出電壓Vh+Vos。在此，Vh表示與霍爾元件之磁場呈比例之霍爾電壓，Vos表示偏置電壓。接著，將T3、T4設為控制電流輸入端子，將T1、T2設為霍爾電壓輸出端子，當在T3、T4間施加輸入電壓Vin時，則在輸出端子產生電壓-Vh+Vos。藉由減算電流流至以上之兩方向之時的輸出電壓時，偏置電壓Vos則被取消，可以取得與磁場呈比例之輸出電壓2Vh。(例如，參照專利文獻1)
第二則有藉由串聯連接兩個同形狀之霍爾元件，霍爾元件感受部配置成接近於互相正交之方向，除去由於應力產生之電壓不均衡的方法。(例如，參照專利文獻2)
[專利文獻1]日本特開平06-186103號公報
[專利文獻2]日本特開昭62-208683號公報
但是，在專利文獻1之方法中，當輸入至霍爾元件感受部之兩方向之電流或被輸出之霍爾電壓依存於形狀時，因無法藉由旋轉電流除去偏置電壓，故元件之形狀為對稱形，四個端子也必須為相同形狀。因此，因無法增大W/L，故有無法提高霍爾元件之敏感度之課題。
再者，在專利文獻2之方法中，因任意決定W/L，故能夠高敏感度化。但是，因使用多數霍爾元件，故有晶片尺寸變大，隨此增加成本之課題。
並且，有僅以旋轉電流除去偏置電壓，無法除去偏置電壓之情形。以下說明其理由。
霍爾元件係以第4圖所示之等效電路表示。霍爾元件係以四個電阻R1、R2、R3、R4連接四個端子之橋接電路來表示。於霍爾元件為對稱形之時，四個電阻R1、R2、R3、R4之電阻值則為相同。但是，實際上由於應力或製造上之加工精度等而不同。如上述般，藉由減算電流流至兩方向之時各取得之輸出電壓，取消偏置電壓。
設施加磁場為零時。當對霍爾元件之一對端子T1、T2施加電壓Vin時，在另一方之端子T3、T4間，則被輸出霍爾電壓Vouta=(R2＊R4-R1＊R3)/(R1+R4)/(R2+R3)＊Vin另外，當對端子T3、T4施加電壓Vin時，T1、T2則被輸出霍爾電壓Voutb=(R1＊R3-R2＊R4)/(R3+R4)/(R1+R2)＊Vin兩方向之輸出電壓之差，即是偏置電壓成為Vos=Vouta-Voutb=(R1-R3)＊(R2-R4)＊(R2＊R4-R1＊R3)/(R1+R4)/(R2+R3)/(R3+R4)/(R1+R2)＊Vin在此，在右邊之分母成為(R1-R3)＊(R2-R4)＊(R2＊R4-R1＊R3)=0之條件下則可以除去偏置電壓。因此，偏置電壓即使在各個等效電路之電阻R1、R2、R3、R4不同之時亦可以取消。但是，於電阻R1、RE2、R3、R4之值依電流施加方向而不同時，即是在對霍爾元件之一對端子T1、T2施加電壓Vin之時和在對端子T3、T4施加電壓Vin之時，四個電阻R1、R2、R3、R4之值不同之時，因上述之式子不成立，故無法取消偏置電壓Vos。
第5圖為一般之霍爾元件之剖面圖。成為霍爾元件感受部之N型雜質區域102之周邊部被分離的P雜質區域包圍。當對霍爾電流施加端子施加電壓時，空乏層在霍爾元件感受部和其周邊部之境界擴展。因在空乏層中不流通霍爾電流，故在空乏層寬度擴展之區域，霍爾電流被抑制，電阻增加。再者，空乏層依存於施加電壓。因此，第4圖所示之等效電路之電阻R1、R2、R3、R4之值依電壓施加方向而變化，故無法以偏置取消電路取消磁性偏置。
為了解決上述課題，將本發明設為下述般之構成。
以獨立配置霍爾元件感受部之控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子為特徵。
以霍爾元件之形狀具有十字形狀之霍爾元件感受部，在其端部具有霍爾電壓輸出端子，在十字側面具有控制電流輸入端子為特徵。
以將所配置之端子的形狀設為控制電流輸入端子寬度在十字側面取大尺寸，霍爾電壓輸出端子寬度在端部取小尺寸為特徵。
然後，以霍爾電壓輸出端子間隔大，控制電流輸入端子間隔小為特徵。
再者，以可以藉由旋轉電流除去偏置電壓為特徵。
並且，因可以設為藉由旋轉電流除去偏置電壓，故以由霍爾元件感受部和空乏層抑制區域和控制電流輸入端子所構成為特徵，該霍爾元件感受部係由被形成在P型半導體基板表面之N型雜質區域所構成，該空乏層抑制區域係由被形成包圍N型雜質區域之側面及底面之N型低濃度雜質區域所構成，和該控制電流輸入端子係由被設置在N型雜質區域之端部的N高濃度雜質區域所構成。
以為空乏層抑制區域之N型低濃度雜質區域較磁性感受部之N型雜質區域深，濃度薄為特徵。
藉由使用上述手段，可以藉由旋轉電流除去偏置電壓。再者，藉由獨立配置控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子，可以增大輸入端子寬度，縮小輸出端子寬度。再者，可以增大霍爾電壓輸出端子間隔(W)，縮小控制電流輸入端子間隔(L)。藉由該些，可以增大霍爾元件之敏感度。並，可以提供以一個霍爾元件除去偏置電壓，且晶片尺寸小高敏感度的霍爾感測器。
第1圖為與本發明有關之霍爾元件之一實施例之構成的俯視圖。本實施例之霍爾元件在四次旋轉軸之十字形狀之霍爾元件感受部100之四個凸部前端中央部具有長方形之霍爾電壓輸出端子111、112、113、114，和在各個凸部側邊中央部附近具有長方形之控制電流輸入端子121、122、123、124。在此，沿著側邊而排列一直線上而被配置之控制電流輸入端子彼此，因藉由金屬配線而連接，使成為相同電位，故以兩個為一對。全部為四對。
即是，在本實施例中，針對連接於霍爾元件之端子，獨立配置霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子。在以往之方法中，因在同一端子兼作霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子之作用，故為了除去偏置電壓，無法將各個形狀配合功能來變化。持有配合該兩個作用的所有端子必須為相同形狀。
但是，在本發明中，藉由獨立配置霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子，可以獨立決定該兩個端子之形狀。因除去偏置電壓，霍爾電壓輸出端子111、112、113、114為相同形狀，同樣控制電流輸入端子121、122、123、124為相同形狀。
然後，在本實施例中，縮小為霍爾電壓輸出端子相接於霍爾元件感受部之長度的霍爾電壓輸出端子寬度，增大為控制電壓輸入端子相接於霍爾元件感受部之一個端子份之長度的控制電流輸入端子寬度。具體而言，將霍爾電壓輸出端子寬度和控制電流輸入端子寬度之比設為在1:2至1:20之範圍為佳。藉由增大控制電流輸入端子寬度，可以提升流動於霍爾元件感受部100內之電流的均勻性。再者，因霍爾電壓輸出端子為導體，故其附近則成為同電位狀態，無法取得霍爾效果。因此，藉由縮小霍爾電壓輸出端子寬度，抑制霍爾敏感度下降。
再者，在本發明中，針對霍爾元件感受部之十字形狀之尺寸，藉由增大霍爾電壓輸出端子間隔(W)，縮小控制電流輸入端子間隔(L)，W/L比變大，可以增大霍爾敏感度。
並且，使控制電流輸入端子寬度較十字形狀之霍爾元件凸部側邊之長度短。該係因為抑制由於鄰近之控制電流輸入端子彼此接近，在相鄰之控制電流輸入端子間流通電流，使得電流不流通於霍爾元件感受部而造成敏感度下降之故。
如上述般，可以提供一個元件且高敏感度之霍爾元件。
首先，針對霍爾元件之構造予以說明。
霍爾元件感受部因使用半導體材料(例如，矽)，提高電子移動度，並提升敏感度，故降低雜質濃度。但是，越降低霍爾元件感受部之N型雜質區域102之濃度，在霍爾元件感受部和其周邊部之境界，空乏層變大。依此，因防止無法藉由旋轉電流除去偏置電壓，故在本發明中設成第6圖般之構造。
如第6圖所示之霍爾元件的構成具有由被形成在P型半導體基板101表面之N型雜質區域102所構成之霍爾元件感受部，和由被形成包圍N型雜質區域102之周圍即是N型雜質區域102之側面及底面之N型低濃度雜質區域103所構成之空乏層抑制區域，和由被設置在N型雜質區域102之端部之N型高濃度雜質區域110所構成之控制電流輸入端子。在此，對比第6圖之剖面圖和第1圖之俯視圖稍微予以說明。由第6圖所示之N型雜質區域102所構成之霍爾元件感受部相當於第1圖所示之符號100，在俯視圖中為正方形，在其頂點之四角落配置有由N型高濃度雜質區域100所構成之控制電流輸入端子。並且，由N型低濃度雜質區域103所構成之空乏層抑制區域雖被設在正方形之霍爾元件感受部之周圍，但在第1圖中省略。
磁性感受部之N型雜質區域102係以深度為300～500nm左右，濃度為1×1016
(atoms/cm3
)至5×1016
(atoms/cm3
)，為空乏層抑制區域之N型低濃度雜質區域103為深度2～3μm左右，濃度為8×1014
(atoms/cm3
)至3×1015
(atoms/cm3
)為佳。再者，霍爾電壓輸出端子、控制電流輸入端子部，係半導體材料表面之雜質濃度(N型)選擇性地被提高，形成有接觸區域。依此，連接接觸區域和配線於此之電極(配線)。然後，各個端子係經配設在此之各配線而被電性連接。成為控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子之N型高濃度雜質區域110之深度設為300nm～500nm左右。即是，空乏層抑制區域較磁性感受部深，使濃度變薄。再者，控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子係將霍爾磁性感受部和深度設為相同程度。
藉由保持上述關係，不會受在空乏層抑制區域和其周邊部之P型基板區域之間之接合部所產生之空乏層影響，而可以使控制電流流通於霍爾元件感受部。藉由將霍爾元件設為如此之構造，可以藉由旋轉電流除去偏置電壓。
再者，本發明之霍爾元件之製造方法也變得容易。首先，在P型基板形成成為空乏層抑制層之N型低濃度雜質區域103。此時，N型低濃度雜質區域103係深度為2～3μm，濃度為8×1014
(atoms/cm3
)至3×1015
(atoms/cm3
)。該係與N阱同程度之濃度，同程度之深度。並且，N型低濃度雜質區域103因當作空乏層抑制區域使用，故即使N阱之製造偏差大，也不會影響至霍爾元件敏感度或其他特性。因此，可以與其他要素之N阱同時形成。
接著，形成為霍爾元件感受部之N型雜質區域102。此時，N型低濃度雜質區域103係深度為300～500nm，濃度為1×1016
(atoms/cm3
)至5×1016
(atoms/cm3
)。該深度、濃度之雜質區域可以通常之離子注入裝置來形成，可以較N阱縮小濃度、深度之偏差。藉由以離子注入形成霍爾元件感受部，形成敏感度偏差小之霍爾元件。
最後，形成控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子之高濃度雜質區域。高濃度雜質區域係深度為300nm～500nm，不需要其他要素和特別不同之工程，能夠容易形成。
接著，針對偏置電壓之除去方法予以說明。
首先，對控制電流輸入端子121、122間施加電壓Vdd，流通控制電流(電流方向1)。當流通電流時，則在霍爾電壓輸出端子111、112間產生霍爾電壓。在此，被輸出至霍爾電壓輸出端子111、112間之電壓，包含與磁場之大小呈比例之霍爾電壓和偏置電壓，當將輸出電壓設為V34，將霍爾電壓設為VH34，將偏置電壓設為Vos34時，則可以以下式表示。
V34=VH34+Vos34
接著，對控制電流輸入端子123、124間施加電壓Vdd，流通控制電流(電流方向2)。當流通電流時，則在霍爾電壓輸出端子113、114間產生霍爾電壓。產生於霍爾電壓輸出端子113、114間之電壓，包含與磁場之大小呈比例之霍爾電壓和偏置電壓，當將輸出電壓設為V12，將霍爾電壓設為VH12，將偏置電壓設為Vos12時，則可以以下式表示。
V12=VH12+Vos12
在此，霍爾元件之形狀係如第1圖所示般為對稱之十字形狀。霍爾感受端子之霍爾電壓輸出端子111、112、113、114及霍爾元件感受部側面之控制電流輸入端子121、122、123、124係以相同形狀對稱配置。因此，所產生之霍爾電壓VH，在電流方向1流通電流之時的霍爾電壓V12和在電流方向2流通之時的霍爾電壓V34之關係，因僅有電流方向不同，所流通之電流量或霍爾電壓輸出端子間隔等為相同，故可以設成下式。
VH=VH34=-VH12
因可以說針對偏置電壓Vos也相同，故可以設成下式。
Vos=Vos34=Vos12
即是，產生在霍爾電壓輸出端子111、112間之電壓V34和產生在霍爾電壓輸出端子113、114間之電壓V12係以下述表示。
V34=VH+Vos
V12=-VH+Vos
減算在該電流方向1取得之輸出電壓V34和在電流方向2取得之輸出電壓V12之電壓Vout成為下述。
Vout=V34-V12=2VH
除去偏置電壓，可以取得兩倍之霍爾電壓。
如上述般，藉由第1圖般之構成，晶片尺寸變小，可以實現高敏感度且可以除去偏置電壓之霍爾感測器。
1、10、100．．．霍爾元件感受部
101．．．P型半導體基板
102．．．N型雜質區域
103．．．N型低濃度雜質區域
110．．．N型高濃度雜質區域
111、112、113、114．．．霍爾電壓輸出端子
121、122、123、124．．．控制電流輸入端子
2、12．．．電源
3、13．．．電壓計
11．．．切換訊號產生器
S1、S2、S3、S4．．．感測器端子切斷手段
T1、T2、T3、T4．．．端子
R1、R2、R3、R4．．．電阻
第1圖為表示本發明之霍爾元件之構成的圖示。
第2圖為用以針對理想之霍爾效果之原理予以說明之圖示。
第3圖為用以說明藉由旋轉電流除去偏置電壓之方法的圖示。
第4圖為表示用以說明霍爾元件之偏置電壓之等效電路的圖示。
第5圖為表示一般之霍爾元件之剖面構造的圖示。
第6圖為表示藉由旋轉電流可除去偏置電壓之霍爾元件之剖面構造的圖示。
100．．．霍爾元件感受部
111、112、113、114．．．霍爾電壓輸出端子
121、122、123、124．．．控制電流輸入端子
Claims (7)
- 一種霍爾感測器，其特徵為具有：十字形狀的霍爾元件感受部，其係具有四個凸部及四次旋轉軸；霍爾電壓輸出端子，其係具有被配置在上述四個凸部之各個前端中央部上的相同形狀；及控制電流輸入端子，其係被配置在上述四個凸部之各個側邊之中央部附近上，上述控制電流輸入端子中，沿著上述側邊而排列在一直線上的一對控制電流輸入端子，係藉由配線連接，為相同電位。
- 如申請專利範圍第1項所記載之霍爾感測器，其中上述控制電流輸入端子相接於上述霍爾元件感受部之長度的控制電流輸入端子寬度，較上述霍爾電壓輸出端子相接於上述霍爾元件感受部之長度的霍爾電壓輸出端子寬度大。
- 如申請專利範圍第1項所記載之霍爾感測器，其中上述控制電流輸入端子寬度較上述側邊之長度短。
- 如申請專利範圍第1項所記載之霍爾感測器，其中相對之霍爾電壓輸出端子之間隔，較相對之控制電流輸入端子間隔大。
- 如申請專利範圍第1項所記載之霍爾感測器，其中上述霍爾元件感受部係由被形成在P型半導體基板表面之N型雜質區域所構成，並且具有由被形成包圍上述N 型雜質區域之側面及底面之N型低濃度雜質區域所構成之空乏層抑制區域，被設置在上述第1之N型雜質區域之端部的上述霍爾電壓輸出端子及被配置在其兩側之上述控制電流輸入端子係由N型高濃度雜質區域所構成。
- 如申請專利範圍第5項所記載之霍爾感測器，其中上述控制電流輸入端子及上述霍爾電壓輸出端子離上述P型半導體基板表面之深度與上述霍爾元件感受部相同。
- 如申請專利範圍第1項所記載之霍爾感測器，其中可以藉由旋轉電流(spinning current)除去偏置電壓(offset voltage)。
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