本實用新型涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別是涉及一種霍爾傳感器。

背景技術(shù)：

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)?；魻栃?yīng)：若將金屬或半導(dǎo)體薄片垂直置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，給垂直磁場方向上通有電流時，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電場的物理現(xiàn)象。由于霍爾傳感器能夠檢測磁場的方向和大小，因此可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面，并且基于半導(dǎo)體的霍爾傳感器被廣泛使用。這里，基于半導(dǎo)體的霍爾傳感器是指用互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、Bipolar(雙極)、BiCMOS(BipolarCMOS，雙極-互補金屬氧化物半導(dǎo)體)實施的霍爾傳感器。

在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體霍爾傳感器中，感測區(qū)一般為N型半導(dǎo)體材料，形成在P型半導(dǎo)體襯底上。如圖1及圖2所示，當從頂部看時，感測區(qū)為N阱區(qū)域，通常形成十字形狀或正方形狀；且有四個電極，各電極一般為N+型半導(dǎo)體材料，形成在十字形狀的感測區(qū)四個端頭上或者正方形狀的感測區(qū)的四個角上。電極形狀包括但不限于正方形、矩形、圓形等。

如圖3所示為沿圖1或圖2中AA’或BB’虛線切割，從側(cè)面看到的感測區(qū)縱向結(jié)構(gòu)。其中，襯底100為P型摻雜半導(dǎo)體材料，感測區(qū)102為N型摻雜半導(dǎo)體材料，電極101a、101b被摻雜成高濃度N型區(qū)域，具有比感測區(qū)102更高的濃度，能夠在將感測區(qū)電極引出時降低接觸電阻。P阱103a、103b為環(huán)繞在感測區(qū)102周圍的P型摻雜區(qū)域，用于將感測區(qū)與其他器件的隔離。電極104a、104b被摻雜成高濃度P型區(qū)域，為將P阱103a、103b引出接上電位時降低接觸電阻。

當磁場施加到具有上述配置的傳統(tǒng)霍爾傳感器時，4個電極中彼此相對的2個電極用于檢測電流，而另外2個電極用于檢測垂直于電流方向上產(chǎn)生的霍爾電壓。以這種方式，傳統(tǒng)的霍爾傳感器感測霍爾電壓，從而確定磁場的方向和大小?；魻栯妷汗酵茖?dǎo)如下：設(shè)載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運動的平均速率為v，單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)為n，垂直電流方向半導(dǎo)體感測區(qū)的橫向?qū)挾葹閍，半導(dǎo)體感測區(qū)薄片厚度為d，則：

電流的微觀表達式為：I＝nqadv①

載流子在磁場中受到的洛倫茲力f＝qvB，載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個側(cè)面出現(xiàn)電勢差，載流子受到的電場力為F＝qU(H)/a。

當達到穩(wěn)定狀態(tài)時，洛倫茲力與電場力平衡，即qvB＝qU(H)/a②

由①、②式得U(H)＝IB/(nqd)③，式中的nq與導(dǎo)體的材料有關(guān)，對于確定的導(dǎo)體，nq是常數(shù)，令k＝1/(nq)，則：式③可寫為U(H)＝kIB/d④

由式④可見，霍耳器件，其產(chǎn)生的霍耳電壓與如下參數(shù)的關(guān)系：

1.與垂直于半導(dǎo)體感測區(qū)的磁場B以及半導(dǎo)體感測區(qū)中電流I成正比。

2.與感應(yīng)區(qū)材料的雜質(zhì)濃度(單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)n)成反比。

3.與感應(yīng)區(qū)的材料縱向厚度成反比。

在理想的霍爾元件中，當不施加外部磁場時，霍爾電壓為零(0)。然而，在實際的霍爾元件中，由于加工精度的問題，元件內(nèi)部的電特性不一致，霍爾電極不對稱，即使不存在外部磁場時，也產(chǎn)生少量電壓。在不施加外部磁場時，當單位輸入電流在霍爾元件中流動時產(chǎn)生的輸出電壓稱為失調(diào)電壓。

具體地，如圖4所示，現(xiàn)有的感測區(qū)形成方式，一般采用在P半導(dǎo)體襯底材料表面摻雜N型雜質(zhì)材料，并采用推結(jié)退火的方式，雜質(zhì)由于擴散運動，向下移動形成N阱區(qū)域，在該方式下，感測區(qū)垂直于半導(dǎo)體表面的方向上在各個深度上雜質(zhì)濃度一般并不能保證一致或成簡單線性關(guān)系。雜質(zhì)濃度決定了感測區(qū)薄片電阻的電阻率，因此，垂直方向上，感測區(qū)薄片等效于由不同電阻率的電阻(電阻105a，105b，105c，105d)并聯(lián)而成，會引起感測區(qū)體內(nèi)的電場的再分布，導(dǎo)致公式不能準確定量霍爾電壓U(H)與磁場B，電流I以及半導(dǎo)體感測區(qū)厚度d之間的線性關(guān)系，或形成一定的失調(diào)電壓。

此外，采用摻雜并推結(jié)工藝形成N阱霍爾感測區(qū)，感測區(qū)厚度d的形成與表面摻雜的材料類型濃度及推結(jié)退火參數(shù)相關(guān)，一般不能精確控制薄片厚度d。導(dǎo)致理論值與實測值出現(xiàn)不一致。

再次，在上述霍爾電壓的推導(dǎo)過程中，假設(shè)半導(dǎo)體感測區(qū)薄片四個電極的接觸為理想接觸，即接觸電阻為0。如圖5所示，理想狀態(tài)下，第一電極與第三電極(或：第二電極與第四電極)之間的電阻為電阻105。而在實際制造過程中，用于接觸的N+區(qū)域只形成于N阱感測區(qū)102的表面，由于受到垂直方向上的N阱感測區(qū)電阻106a、106b的影響，會引起感測區(qū)102的體內(nèi)電場再分布，同樣導(dǎo)致公式的線性關(guān)系不準確。

隨著霍爾傳感器降低成本的要求，感測區(qū)的面積逐步縮小，感應(yīng)區(qū)寬度與厚度的比例越來越小，這種情況會越來越明顯。

因此，如何解決霍爾傳感器因加工精度的問題引起的失調(diào)電壓，已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種霍爾傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中霍爾傳感器因加工精度引起的失調(diào)電壓等問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種霍爾傳感器，所述霍爾傳感器至少包括：

襯底；

形成于所述襯底上的感測區(qū)，所述感測區(qū)在垂直方向上的摻雜濃度一致；

形成于所述感測區(qū)與所述襯底之間的多塊埋層；

以及，垂直設(shè)置于所述感測區(qū)中的多個電極，各電極位于各埋層的上方，其深度不小于所述感測區(qū)深度的一半。

優(yōu)選地，所述襯底的摻雜類型為P型摻雜，所述感測區(qū)、所述埋層及所述電極的摻雜類型為N型摻雜。

優(yōu)選地，所述襯底的摻雜類型為N型摻雜，所述感測區(qū)、所述埋層及所述電極的摻雜類型為P型摻雜。

優(yōu)選地，所述感測區(qū)的形狀為矩形，十字形或圓形。

更優(yōu)選地，所述感測區(qū)的材質(zhì)為外延材料。

優(yōu)選地，所述電極的數(shù)量為四個，兩兩對稱分布。

優(yōu)選地，所述電極的摻雜濃度大于所述感測區(qū)的摻雜濃度。

優(yōu)選地，各電極貫穿所述感測區(qū)，并分別與各埋層接觸。

如上所述，本實用新型的霍爾傳感器，具有以下有益效果：

本實用新型的霍爾傳感器利用外延生長技術(shù)形成感測區(qū)，使得感測區(qū)在垂直方向上的摻雜濃度一致，同時將電極向下擴散以降低電極處感測區(qū)垂直方向的電阻，進而降低霍爾傳感器的失調(diào)電壓。

附圖說明

圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的一種霍爾傳感器的俯視示意圖。

圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種霍爾傳感器的俯視示意圖。

圖3顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的霍爾傳感器的剖視示意圖。

圖4及圖5顯示為現(xiàn)有技術(shù)中引起霍爾傳感器的失調(diào)電壓的原理示意圖。

圖6顯示為本實用新型的霍爾傳感器的剖視示意圖。

圖7顯示為本實用新型的一種霍爾傳感器的俯視示意圖。

圖8顯示為本實用新型的另一種霍爾傳感器的俯視示意圖。

元件標號說明

100 襯底

101a、101b 電極

102 感測區(qū)

103a、103b P阱

104a、104b 電極

105、105a、105b、105c、 電阻

105d

106a、106b 電阻

200 襯底

201a、201b、201c、201d 第一～第四電極

202 感測區(qū)

203a、203b 隔離區(qū)

204a、204b 電極

205a、205b、205c、205d 第一～第四埋層

S1～S4 步驟

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點與功效。本實用新型還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖6～圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖6所示，本實用新型提供一種霍爾傳感器，所述霍爾傳感器至少包括：

襯底200、形成于所述襯底200上的感測區(qū)202、形成于所述感測區(qū)202與所述襯底200之間的多塊埋層，以及垂直設(shè)置于所述感測區(qū)202中的多個電極。

如圖6所示，所述襯底200為P型材料襯底或N型材料襯底，在本實施例中，所述襯底200的材料為P型材料，即在半導(dǎo)體中摻入硼等三價元素；而N型材料則是在半導(dǎo)體中摻入磷等五價元素。

如圖6所示，所述感測區(qū)202形成于所述襯底200上，所述感測區(qū)202的摻雜類型與所述襯底200的摻雜類型不同，在本實施例中，所述感測區(qū)202的摻雜類型為N摻雜。若所述襯底200為N型材料襯底，則所述感測區(qū)202的摻雜類型選擇為P摻雜。如圖7及圖8所示，所述感測區(qū)202的俯視形狀為矩形，十字形或圓形，在此不一一贅述。所述感測區(qū)202選用外延材料通過外延生長形成，以確保所述感測區(qū)202在垂直方向上的摻雜濃度一致，避免所述感測區(qū)202的體內(nèi)電場的再分布，進而減小失調(diào)電壓。

如圖6所示，所述埋層形成于所述感測區(qū)202與所述襯底200之間，所述埋層與所述感測區(qū)202的摻雜類型相同，在本實施例中，所述埋層為N埋層。如圖6所示為第一埋層205a及第二埋層205b，各埋層位于電極下方，介于電極及襯底200之間。如圖7及圖8所示，第一埋層205a、第二埋層205b、第三埋層205c，第四埋層205d分別位于第一電極201a、第二電極201b、第三電極201c、第四電極201d的下方，各埋層的面積大于各電極的面積，各埋層的俯視形狀包括但不限于矩形、圓形，在本實施例中，各埋層的形狀與各電極的形狀保持一致。

如圖6所示，各電極分別位于各埋層上方的感測區(qū)202中，各電極的摻雜類型與所述感測區(qū)202的摻雜類型相同，且所述電極的摻雜濃度大于所述感測區(qū)202的摻雜濃度。在本實施例中，各電極為N重摻雜。為了減小電極下方感測區(qū)202在垂直方向上的接觸電阻，各電極向下延伸，其深度不小于所述感測區(qū)202深度的一半。優(yōu)選地，在本實施例中，各電極貫穿所述感測區(qū)202，與其下方的埋層接觸，在將感測區(qū)202電極引出時可降低接觸電阻，且降低或短路了電極處感測區(qū)垂直方向的電阻，進一步避免體內(nèi)電場的再分布，進而減小失調(diào)電壓。如圖7及圖8所示，在本實施例中，所述電極的數(shù)量設(shè)定為4個，分別為第一電極201a、第二電極201b、第三電極201c、第四電極201d，其中第一電極201a與第二電極201b相對設(shè)置，第三電極201c與第四電極201d相對設(shè)置。各電極的形狀包括但不限于矩形、圓形。

如圖6所示，所述感測區(qū)202的外圍環(huán)繞有隔離區(qū)203a及203b，用于將所述感測區(qū)202與其他器件的隔離。在本實施例中，所述隔離區(qū)的摻雜類型為P摻雜。所述隔離區(qū)中設(shè)置有電極204a及204b，所述電極204a及204b的摻雜類型為P摻雜，且其摻雜濃度大于所述隔離區(qū)的摻雜濃度，所述電極204a及204b用于將所述隔離區(qū)引出接上電位時降低接觸電阻。

所述霍爾傳感器的制備方法至少包括：

步驟S1：提供襯底200。

具體地，在本實施例中，所述襯底200為P襯底。

步驟S2：在所述襯底200上形成多塊埋層，以各埋層的位置確定電極的位置。

具體地，在本實施例中，各埋層為N埋層。

步驟S3：在所述襯底200上生長外延材料以形成感測區(qū)202。

具體地，在本實施例中，通過薄膜淀積技術(shù)在所述襯底200及各埋層表面生長N型半導(dǎo)體外延材料，以形成N外延，作為霍爾傳感器的感測區(qū)202，此外，可以通過選擇導(dǎo)電類型、電阻率、厚度，制備符合實際應(yīng)用要求的感測區(qū)202。所述感測區(qū)202在垂直方向上的摻雜濃度一致，避免了所述感測區(qū)202的體內(nèi)電場的再分布，進而減小失調(diào)電壓。

步驟S4：在各埋層上方的感測區(qū)202中形成電極。

具體地，各電極可通過包括但不限于離子注入、濺射等方式形成N重摻雜，其摻雜濃度大于所述感測區(qū)202的摻雜濃度。各電極向下延伸至所述感測區(qū)202中，其深度不小于所述感測區(qū)202深度的一半。在本實施例中，各電極貫穿所述感測區(qū)202，與其下方的埋層接觸，在將感測區(qū)202電極引出時可降低接觸電阻，有效降低或短路了電極處感測區(qū)垂直方向的電阻，進一步避免體內(nèi)電場的再分布，進而減小失調(diào)電壓。

本實用新型的霍爾傳感器利用外延生長技術(shù)形成感測區(qū)，使得感測區(qū)在垂直方向上的摻雜濃度一致，同時將電極向下延伸以降低電極處感測區(qū)垂直方向的電阻，進而降低霍爾傳感器的失調(diào)電壓。

綜上所述，本實用新型提供一種霍爾傳感器，包括：襯底；形成于所述襯底上的感測區(qū)，所述感測區(qū)在垂直方向上的摻雜濃度一致；形成于所述感測區(qū)與所述襯底之間的多塊埋層；以及，垂直設(shè)置于所述感測區(qū)中的多個電極，各電極位于各埋層的上方，其深度不小于所述感測區(qū)深度的一半。本實用新型的霍爾傳感器利用外延生長技術(shù)形成感測區(qū)，使得感測區(qū)在垂直方向上的摻雜濃度一致，同時將電極向下延伸以降低電極處感測區(qū)垂直方向的電阻，進而降低霍爾傳感器的失調(diào)電壓。所以，本實用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本實用新型的權(quán)利要求所涵蓋。