一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件，屬于電磁技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直型霍爾器件以其精確度高、線性度好、體積小、可靠性高等特點成為制作二維或三維霍爾傳感器的重要器件。在二維或三維磁場測量中，水平型霍爾器件只能檢測到垂直于器件表面的一維磁場，平行于器件表面的磁場檢測需要垂直型霍爾器件來實現(xiàn)。因而垂直型霍爾器件在二維或三維磁場測量中得到了廣泛地應(yīng)用，并逐漸成為國內(nèi)外研宄的熱點。
[0003]目前，傳統(tǒng)垂直型霍爾傳感器的失調(diào)較高，影響了其測量精度。因此，降低失調(diào)成為霍爾傳感器發(fā)展的主要趨勢之一。傳統(tǒng)垂直型霍爾器件有四孔和五孔結(jié)構(gòu)兩種。目前最通用并且能夠有效消除霍爾器件失調(diào)的方法是旋轉(zhuǎn)電流法，旋轉(zhuǎn)電流法要求霍爾器件初始失調(diào)低且對稱性高。五孔結(jié)構(gòu)初始失調(diào)較低，但在使用旋轉(zhuǎn)電流法時在兩種不同的偏置狀態(tài)下電流流動方向不對稱，導(dǎo)致失調(diào)消除效果不是很明顯，殘余失調(diào)較大。四孔垂直型霍爾器件在兩種不同偏置狀態(tài)時的電流流動狀態(tài)中電流流動的方向呈對稱分布，但其初始失調(diào)很大，高達(dá)上百毫伏，大大超過了使用旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)的范圍。因此，四孔和五孔結(jié)構(gòu)的垂直型霍爾器件都不能很好的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電流法以消除霍爾失調(diào)，獲得低殘余失調(diào)的特性，而本發(fā)明提出一種新的對稱結(jié)構(gòu)的垂直型霍爾器件，能夠很好地解決上述的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于針對傳統(tǒng)垂直型霍爾器件初始失調(diào)大、不適合旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)的缺點，提出了一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件，該器件采用新型的雙阱器件結(jié)構(gòu)，即在一個P型硅襯底上形成兩個完全相同的η阱，每個η阱中分別有三個重?fù)诫sN+區(qū)，兩個η阱最外側(cè)的N+區(qū)互相連接，最內(nèi)側(cè)的N+區(qū)也互相連接，形成完全對稱結(jié)構(gòu)，該器件能夠在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電流法時實現(xiàn)電流流向完全對稱，極大地降低了器件失調(diào)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件，該器件結(jié)構(gòu)包括N+區(qū)1、Ρ+區(qū)2、η阱3、Ρ型硅襯底4、淺溝槽隔離區(qū)5和P+區(qū)6。所述的P型硅襯底4上方形成2個對稱分布的η阱3，每個η阱3頂部等距離設(shè)有3個N+區(qū)1，N+區(qū)I之間設(shè)有P+區(qū)2。2個η講3之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5用于阱間隔離，η阱3外側(cè)也設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5與外部隔離。P+區(qū)6位于P型硅襯底4的頂端最外側(cè)，形成襯底接觸。
[0006]本發(fā)明所述的2個η阱3位于P型硅襯底4上方，呈對稱分布。2個η阱3中均設(shè)有3個相同的N+區(qū)I，其中2個最外側(cè)的N+區(qū)I互相連接，形成電極a，2個最內(nèi)側(cè)的N+區(qū)I互相連接，形成電極C。剩余兩個N+區(qū)分別形成電極b和電極d。在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電流法消除霍爾器件失調(diào)時，a，b，c，d四個電極可以互相轉(zhuǎn)換。2個η阱3之間以及η阱3外側(cè)設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5。P+區(qū)2位于η阱頂部N+區(qū)I之間，能夠有效的減少器件表面電流，有助于電流向器件深層流動從而增強霍爾效應(yīng)，提高垂直型霍爾器件的磁場靈敏度。
[0007]本發(fā)明所述的垂直型霍爾器件的制作材料不只局限于硅材料，還可以使用砷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦等化合物。相比于硅材料，這些化合物的電子迀移率更高，霍爾效應(yīng)更大，因而使用它們所制作的垂直型霍爾器件靈敏度更高。
[0008]有益效果:
[0009]1、本發(fā)明提出的垂直型霍爾器件的生產(chǎn)工藝簡單，與CMOS工藝完全兼容，無需額外工藝步驟，生產(chǎn)成本低。
[0010]2、本發(fā)明提出的垂直型霍爾器件，其結(jié)構(gòu)完全對稱，初始失調(diào)低。
[0011]3、本發(fā)明提出的垂直型霍爾器件，其在采用旋轉(zhuǎn)電流操作時，器件中電流流向完全對稱，可獲得低的殘余失調(diào)。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明垂直型霍爾器件的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]標(biāo)識說明:1_N+區(qū)；2-P+區(qū)；3-n講；4-P型娃襯底；5_淺溝槽隔尚區(qū)；6-P+區(qū)。
[0014]圖2為圖1器件應(yīng)用四相旋轉(zhuǎn)電流法的工作狀態(tài)示意圖。
[0015]圖3為與圖2工作狀態(tài)對應(yīng)的器件內(nèi)部電流圖。
[0016]圖4為按照圖1仿真得到的二維工藝仿真結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖5為按照圖4結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維器件仿真得到的失調(diào)電壓-偏置電壓特性曲線。
[0018]圖6為按照圖4結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維器件仿真得到的電壓相關(guān)靈敏度-偏置電壓特性曲線。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件，該器件結(jié)構(gòu)包括N+區(qū)1，P+區(qū)2，η阱3，P型硅襯底4，淺溝槽隔離區(qū)5，P+區(qū)6。所述的P型硅襯底4上方形成2個對稱分布的η阱3，在每個η阱3的表面形成3個N+區(qū)1，N+區(qū)I之間設(shè)有P+區(qū)2。2個η阱3之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5用于阱間隔離，η阱3的另一外側(cè)也設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5與外部隔離。P+區(qū)6位于P型硅襯底4的頂端最外側(cè)，形成襯底接觸。
[0021]本發(fā)明所述的2個η阱3位于P型硅襯底4上方，呈對稱分布。2個η阱3中均有3個相同的N+區(qū)，其中2個最外側(cè)的N+區(qū)I互相連接，形成電極a，2個最內(nèi)側(cè)的N+區(qū)I互相連接，形成電極C。剩余兩個N+區(qū)分別形成電極b和電極d。在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電流法時，a，b，c，d四個電極可以互換。2個η阱3之間以及η阱3外側(cè)設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)5。P+區(qū)2位于η阱頂部N+區(qū)I之間，能夠有效的減少器件表面電流，有助于電流向器件深層流動從而增大霍爾效應(yīng)，提高VHD的靈敏度。
[0022]本發(fā)明提出的垂直型霍爾器件采用四相旋轉(zhuǎn)電流法的工作狀態(tài)如圖2所示。四個相位分別為0°，90°，180°，270°的時鐘信號將該垂直型霍爾器件偏置在圖2所示的(a)，(b)，(c)，(d)四個狀態(tài)。當(dāng)時鐘信號相位為0°和90。時，器件工作在(a)狀態(tài)和(b)狀態(tài)，兩種狀態(tài)的霍爾電壓信號(VH)大小相等、極性相反，失調(diào)電壓信號(Vop)極性和大小均相同，兩者通過雙相關(guān)采樣電路相減得到2VH。同理，在時鐘信號相位為180°和270°時，器件工作在(C)狀態(tài)和(d)狀態(tài)，通過雙相關(guān)采樣電路相減得到2VH，與前兩個相位的輸出相加得到4VH。通過四相旋轉(zhuǎn)電流法后，失調(diào)信號被消除，霍爾電壓增加四倍，最終輸出信號為4VH。
[0023]根據(jù)圖2所述工作狀態(tài)的垂直型霍爾器件，其內(nèi)部電流流向如圖3所示。在(a)狀態(tài)，偏置信號為電極a — c，不加磁場時，沒有霍爾效應(yīng)電流從電極a經(jīng)過電極b與d后流向電極C，流經(jīng)電極b和d的電流是對稱的，因此電極b和d處的電勢是相同的，所以失調(diào)電壓很小。若外加垂直于器件截面向內(nèi)的磁場B，電流為電極a — c，則電子流向為電極c — a，根據(jù)左手定則，電子所受洛倫茲力方向為d — b，從而在電極b與d之間產(chǎn)生電壓差，即霍爾電壓VH。此狀態(tài)下，電極a與c為偏置電極，電極b與d為測量電極。同理，圖中(b)狀態(tài)，電極b與d為偏置電極，電極a與c為測量電極。由于流經(jīng)測量電極a與c的電流對稱，因而兩處電勢相同，從而失調(diào)電壓很小。在測量電極a與c之間也會產(chǎn)生霍爾電壓VH。狀態(tài)(C)與狀態(tài)(a)偏置電流方向相反，偏置電極和測量電極均相同，電流流向如圖中(C)所示。狀態(tài)⑷與狀態(tài)(b)偏置電流相反，偏執(zhí)電極和測量電極均相同，電流流向如圖中(d)所示。
[0024]根據(jù)圖1所述的霍爾器件結(jié)構(gòu)剖面圖，使用標(biāo)準(zhǔn)0.35um CMOS工藝進(jìn)行了二維工藝仿真，得到圖4所示的二維器件結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)濃度的分布圖。工藝仿真時首先在P型硅襯底上注入2個對稱分布的η阱，再在每個η阱中等間隔注入3個N+區(qū)，這6個N+區(qū)作為器件的工作電極。在N+區(qū)之間離子注入ρ+區(qū)，能夠有效的減少器件表面電流，有助于電流向器件深層流動，增大VHD的靈敏度。η阱6兩側(cè)用淺溝槽隔離區(qū)8(即STI)進(jìn)行隔離。
[0025]圖5為根據(jù)圖4的工藝仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行器件仿真得到的初始失調(diào)電壓曲線。由圖可知，該垂直型霍爾器件在偏置電壓為IV時，失調(diào)電壓為0.0113V。圖5為圖3仿真得到的電壓靈敏度曲線。從圖中可以看出，電壓靈敏度隨偏壓增大而增大，當(dāng)Vbias= IV時，SV增大到0.048/Τ，大于傳統(tǒng)四孔垂直型霍爾器件以及五孔垂直型霍爾器件。
【主權(quán)項】
1.一種對稱低失調(diào)的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述器件結(jié)構(gòu)包括N+區(qū)(1)、P+區(qū)(2)、n阱(3)、P型硅襯底⑷、淺溝槽隔離區(qū)(5)和P+區(qū)(6);所述的P型硅襯底⑷上方形成2個對稱分布的η阱(3)，每個η阱(3)頂部等距離形成3個N+區(qū)(I)，N+區(qū)I之間設(shè)有P+區(qū)⑵；兩個η阱⑶之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)(5)，η阱(3)外側(cè)也設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)(5)與外部隔離；Ρ+區(qū)(6)位于P型硅襯底(4)的頂端最外側(cè)，形成襯底接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對稱低失調(diào)的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述的2個η阱⑶位于P型硅襯底⑷上方，呈對稱分布；2個η阱(3)中均有3個相同的N+區(qū)(I)，其中2個最外側(cè)的N+區(qū)(I)互相連接，形成電極a，2個最內(nèi)側(cè)的N+區(qū)(I)互相連接，形成電極c ;剩余兩個N+區(qū)(I)分別形成電極b和電極d ;在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電流法時，a，b, c, d四個電極互換；11阱⑶之間以及η阱(3)外側(cè)設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)(5)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對稱低失調(diào)的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述的P+區(qū)⑵位于η阱頂部N+區(qū)⑴之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對稱低失調(diào)的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述器件的材料為硅材料或者砷化鎵或者磷化銦或者砷化銦或者銻化銦。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對稱低失調(diào)的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述的2個η阱(3)之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)(5)用于阱間隔離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對稱結(jié)構(gòu)的低失調(diào)垂直型霍爾器件，該器件采用新型的雙阱器件結(jié)構(gòu)，即在一個P型硅襯底上形成兩個完全相同的n阱，每個n阱中分別有三個重?fù)诫sN+區(qū)，兩個n阱最外側(cè)的N+區(qū)互相連接，最內(nèi)側(cè)的N+區(qū)也互相連接，形成完全對稱結(jié)構(gòu)，該垂直型霍爾器件在旋轉(zhuǎn)電流操作時能實現(xiàn)電流流向完全對稱，極大地降低了垂直型霍爾器件的殘余失調(diào)。
【IPC分類】H01L43/06
【公開號】CN104953024
【申請?zhí)枴緾N201510329120
【發(fā)明人】徐躍, 徐俊
【申請人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月15日