專利名稱：霍爾傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體霍爾元件，且特別涉及高靈敏度且能夠去除偏置(offset)電壓的霍爾傳感器。
背景技術(shù)：
首先，對霍爾元件的磁檢測原理進(jìn)行說明。對物質(zhì)中流過的電流施加垂直的磁場， 則在與該電流和磁場雙方均垂直的方向上產(chǎn)生電場(霍爾電壓)。考慮圖2那樣的霍爾元件，以感應(yīng)磁場而產(chǎn)生霍爾電壓的霍爾元件敏感部1的寬度為W、長度為L、電子遷移率為μ、用于產(chǎn)生電流的電源2的施加電壓為Vdd、施加磁場為 B時，從電壓計3輸出的霍爾電壓VH表述為VH = μ B (ff/L) Vdd ；該霍爾元件的磁靈敏度Kh表述為Kh = μ (W/L)Vdd。根據(jù)此關(guān)系式可知，使霍爾元件具有高靈敏度的方法之一為增大W/L比。另一方面，實際的霍爾元件中，即使是在沒有施加磁場的情況下，也會產(chǎn)生輸出電壓。將此磁場為0時輸出的電壓稱為偏置電壓。認(rèn)為產(chǎn)生偏置電壓的原因為，從外部施加給元件的機(jī)械應(yīng)力或制造過程中的失準(zhǔn)等引起的元件內(nèi)部的電位分布不均衡所致。以抵消等方式補(bǔ)償偏置電壓，使之成為應(yīng)用上沒問題的大小時，一般按照以下方法進(jìn)行。其中之一是圖3所示那樣的利用旋轉(zhuǎn)電流(spinning current)的偏置消除電路。由于霍爾元件敏感部10為對稱形狀，具有一對輸入端子中流過控制電流、從另一對輸出端子得到輸出電壓的4個端子Tl、T2、T3、T4?；魻栐舾胁康囊环降囊粚Χ俗?Tl、T2為控制電流輸入端子的情況下，另一方的一對端子T3、T4為霍爾電壓輸出端子。此時，在輸入端子施加電壓Vin，則輸出端子產(chǎn)生輸出電壓Vh+Vos。此處Vh表示與霍爾元件的磁場成比例的霍爾電壓，Vos表示偏置電壓。接著，以T3、T4為控制電流輸入端子，Τ1、Τ2 為霍爾電壓輸出端子，在Τ3、Τ4之間施加輸入電壓Vin，則輸出端子產(chǎn)生電壓-Vh+Vos。將以上的在兩個方向流過電流時得到的輸出電壓相減，從而消除偏置電壓Vos，能夠得到與磁場成比例的輸出電壓2Vh。(例如，參考專利文獻(xiàn)1)第二種方法是將相同形狀的兩個霍爾元件串聯(lián)連接，霍爾元件敏感部以互相正交的方向接近配置，從而去除由應(yīng)力產(chǎn)生的電壓不均衡。(例如，參考專利文獻(xiàn)2)專利文獻(xiàn)1 日本特開平06-186103號公報專利文獻(xiàn)2 日本特開昭62-208683號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，專利文獻(xiàn)1的方法中，輸入到霍爾元件敏感部的2個方向的電流和輸出的霍爾電壓必須相同才能利用旋轉(zhuǎn)電流來去除偏置電壓，所以元件形狀必須是對稱形，4個端子也必須是相同形狀。從而，不能增大W/L，所以存在不能夠提高霍爾元件的靈敏度的課題。此外，專利文獻(xiàn)2的方法中，W/L可決定為任意值，所以能實現(xiàn)高靈敏度。然而，由于使用多個霍爾元件，所以存在與芯片尺寸變大、成本上升相關(guān)的課題。而且，在有些情況下，僅利用旋轉(zhuǎn)電流來去除偏置電壓是不能夠去除偏置電壓的。 以下說明其理由?；魻栐詧D4所示的等效電路表述。霍爾元件表述為4個端子用4個電阻R1、 R2、R3、R4來連接的橋式電路。在霍爾元件為對稱形狀的情況下，4個電阻R1、R2、R3、R4的電阻值相同。但是，實際上由于應(yīng)力或制造上的加工精度等而有所不同。利用如上所述的將2個方向電流流過時的輸出電壓相減來消除偏置電壓?？紤]施加磁場為0的情況。霍爾元件的一對端子Tl、T2上施加電壓Vin，則另一對端子 T3、T4 之間輸出霍爾電壓 Vouta = (R2*R4_R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)*Vin。另一方面，在端子T3、T4上施加電壓Vin，則Tl、T2上輸出霍爾電壓Voutb = (R1*R3_R2*R4) / (R3+R4)/(Rl+R2)*Vin。2個方向的輸出電壓之差，即偏置電壓為Vos = Vouta-Voutb = (R1-R3) * (R2-R4) * (R2*R4_R1*R3) / (R1+R4) / (R2+R3) / (R3+R4) / (R1+R2) *Vin。此處，在右邊的分母(R1-R3)*(R2-R4)*(R2*R4-R1*R3) = O的條件下能夠去除偏置電壓。從而，在各個等效電路的電阻R1、R2、R3、R4不同的情況下也能夠消除偏置電壓。然而，根據(jù)電流施加方向，電阻Rl、R2、R3、R4的值不同的情況下，即，在霍爾元件的一對端子Tl、T2施加電壓Vin 的情況下以及在端子T3、T4施加電壓Vin的情況下，4個電阻R1、R2、R3、R4的值不同時，偏置電壓Vos因上述的等式不成立而無法消除。圖5是普通的霍爾元件的截面圖。成為霍爾元件敏感部的N型雜質(zhì)區(qū)102的周邊部由用于分離的P型雜質(zhì)區(qū)包圍。在霍爾電流施加端子上施加電壓，則在霍爾元件敏感部與其周邊部的邊界，耗盡層擴(kuò)大。由于耗盡層中沒有霍爾電流流過，所以耗盡層擴(kuò)大的區(qū)域中抑制霍爾電流而增加電阻。此外，耗盡層寬度依賴于施加電壓。因此，根據(jù)電壓施加方向， 圖4所示的等效電路的電阻R1、R2、R3、R4的值變化，所以偏置消除電路不能消除磁偏置。
為解決上述課題，本發(fā)明由以下方式構(gòu)成。本發(fā)明的特征在于，霍爾元件敏感部的控制電流輸入端子與霍爾電壓輸出端子單獨(dú)配置。本發(fā)明的特征在于，霍爾元件的形狀具有十字形狀的霍爾元件敏感部，其端部有霍爾電壓輸出端子，且十字側(cè)面具有控制電流輸入端子。本發(fā)明的特征在于，所配置的端子的形狀為控制電流輸入端子在十字側(cè)面取為大的寬度，且霍爾電壓輸出端子在端部取為小的寬度。然后，本發(fā)明的特征在于，霍爾電壓輸出端子間隔大，控制電流輸入端子間隔小。此外，其特征在于，利用旋轉(zhuǎn)電流能夠去除偏置電壓。而且為了能利用旋轉(zhuǎn)電流去除偏置電壓，本發(fā)明的特征在于，包括在P型半導(dǎo)體襯底表面形成的由N型雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成的霍爾元件敏感部；以包圍N型雜質(zhì)區(qū)的側(cè)面與底面的方式形成的由N型低濃度雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成的耗盡層抑制區(qū)；以及在N型雜質(zhì)區(qū)的端部設(shè)置的由 N型高濃度雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成的控制電流輸入端子。本發(fā)明的特征在于，作為耗盡層抑制區(qū)的N型低濃度雜質(zhì)區(qū)比磁敏感部的N型雜質(zhì)區(qū)更深、濃度更低。
通過使用以上方式，能夠利用旋轉(zhuǎn)電流去除偏置電壓。此外，通過單獨(dú)配置控制電流輸入端子與霍爾電壓輸出端子，能夠增大輸入端子寬度、減小輸出端子寬度。此外，能夠增大霍爾電壓輸出端子間隔(W)、減小控制電流輸入端子間隔(L)。據(jù)此，能夠增大霍爾元件的靈敏度。而且能以1個霍爾元件去除偏置電壓，能夠提供小芯片尺寸的高靈敏度的霍爾傳感器。


圖1是表示本發(fā)明的霍爾元件的構(gòu)成的圖。圖2是用于對理想的霍爾效應(yīng)的原理進(jìn)行說明的圖。圖3是用于說明利用旋轉(zhuǎn)電流的偏置電壓去除方法的圖。圖4是表示用于說明霍爾元件的偏置電壓的等效電路的圖。圖5是表示普通的霍爾元件的截面構(gòu)造的圖。圖6是表示能夠利用旋轉(zhuǎn)電流去除偏置電壓的霍爾元件的截面構(gòu)造的圖。
具體實施例方式圖1是表示本發(fā)明的霍爾元件的實施例的構(gòu)成的平面圖。本實施例的霍爾元件在有4重旋轉(zhuǎn)軸的十字形狀的霍爾元件敏感部100的4個凸部前端中央部具有長方形的霍爾電壓輸出端子111、112、113、114以及在各個凸部側(cè)邊中央部附近具有長方形的控制電流輸入端子121、122、123、124。此處，由于沿著側(cè)邊的一條直線上并列配置的控制電流輸入端子彼此以金屬布線相連接而成為相同電位，所以2個為一對。全部為四對。即，本實施例中，與霍爾元件相連接的端子中，霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子是獨(dú)立的配置。在現(xiàn)有的方法中，霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子的責(zé)任由同一端子兼有，所以為去除偏置電壓，不能夠結(jié)合其功能對各自的形狀進(jìn)行變化。一并具有此兩種責(zé)任的端子必須全部為同一形狀。然而，本發(fā)明中，由于霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子是獨(dú)立的配置，這兩種端子的形狀能夠獨(dú)立的決定。為去除偏置電壓，霍爾電壓輸出端子111、112、113、114為同一形狀，控制電流輸入端子121、122、123、124為同一性狀。然后，本實施例中，減小霍爾電壓輸出端子與霍爾元件敏感部相連接的長度即霍爾電壓輸出端子寬度，增大控制電流輸入端子與霍爾元件敏感部相連接的端子的一個端子長度即控制電流輸入端子寬度。具體而言優(yōu)選霍爾電壓輸出端子寬度與控制電流輸入端子寬度的比例為從1 2到1 20的范圍內(nèi)。通過增大控制電流輸入端子的寬度，能夠提高霍爾元件敏感部100內(nèi)流過的電流的均勻性。此外，由于霍爾電壓輸出端子是導(dǎo)體，其附近會成為相同電位狀態(tài)，所以會無法得到霍爾效應(yīng)。因此，通過減小霍爾電壓輸出端子寬度， 抑制霍爾靈敏度的下降。此外，本發(fā)明中，對于霍爾元件的敏感部的十字形狀的尺寸，通過增大霍爾電壓輸出端子間隔(W)而減小控制電流輸入端子間隔(L)，來增大W/L比，從而能增大霍爾靈敏度。而且，使控制電流輸入端子的寬度比十字形狀的霍爾元件凸部側(cè)邊的長度短。這是為了抑制這樣的情況由于臨近的控制電流輸入端子彼此過于接近，電流在相鄰的控制電流輸入端子間流過，而不在霍爾元件敏感部流過，從而引起靈敏度的下降。
由于以上的原因，能夠以1個元件來提供高靈敏度的霍爾元件。接著，對霍爾元件的構(gòu)造進(jìn)行說明。霍爾元件敏感部使用半導(dǎo)體材料(例如硅)，為增大電子遷移率、提高靈敏度，而減小雜質(zhì)濃度。然而，越減小霍爾元件敏感部的N型雜質(zhì)區(qū)102的濃度，霍爾元件敏感部與其周邊部的邊界的耗盡層越大。據(jù)此，為防止不能夠利用旋轉(zhuǎn)電流去除偏置電壓的情況，本發(fā)明中提供圖6那樣的構(gòu)造。圖6所示的霍爾元件的構(gòu)成具有在P型半導(dǎo)體襯底101的表面形成的由N型雜質(zhì)區(qū)102構(gòu)成的霍爾元件敏感部；在N型雜質(zhì)區(qū)102的周圍即以包圍N型雜質(zhì)102的側(cè)面和底面的方式形成的由N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103構(gòu)成的耗盡層抑制區(qū)；以及在N型雜質(zhì)區(qū)102 的端部設(shè)置的由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)110構(gòu)成的控制電流輸入端子。此處，將圖6的截面圖與圖1的平面圖對比進(jìn)行少許說明。圖6所示的由N型雜質(zhì)區(qū)102構(gòu)成的霍爾元件敏感部相當(dāng)于圖1所示的標(biāo)號100，平面圖中為正方形，作為其頂點(diǎn)的四角配置有由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)110構(gòu)成的控制電流輸入端子。此外，由N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103構(gòu)成的耗盡層抑制區(qū)設(shè)置在正方形的霍爾元件敏感部的周圍，但在圖1中將其省略。優(yōu)選磁敏感部的N型雜質(zhì)區(qū)102的深度為300 500nm左右，濃度為從 IX IO16 (atoms/cm3)到5 X IO"5 (atoms/cm3)，作為耗盡層抑制區(qū)的N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103的深度為2 3 μ m左右，濃度為從8 X IO14 (atoms/cm3)到3 X IO15 (atoms/cm3)。此外，選擇性的增大霍爾電壓輸出端子、控制電流輸入端子部的半導(dǎo)體材料表面的雜質(zhì)濃度(N型)，從而形成接觸區(qū)。因而，接觸區(qū)與其處布線的電極(布線)相連接。然后，各個端子，通過其處配設(shè)的各布線電氣連接。優(yōu)選成為控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子的N型高濃度雜質(zhì)區(qū)110的深度為300 500nm左右。即，耗盡層抑制區(qū)做成比磁敏感部更深、濃度更小。 此外，控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子做成與霍爾磁敏感部相同程度的深度。由于保持以上的關(guān)系，能夠不受耗盡層抑制區(qū)與其周邊部的P型襯底區(qū)之間的接合部產(chǎn)生的耗盡層的影響，控制電流流入霍爾元件敏感部。通過將霍爾元件做成這樣的結(jié)構(gòu)，能夠利用旋轉(zhuǎn)電流去除偏置電壓。此外，本發(fā)明的霍爾元件的制造方法也很容易。首先，P型襯底上形成構(gòu)成耗盡層抑制區(qū)的N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103。此時，N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103的深度為2 3μπι，濃度為 8 X IO14 (atoms/cm3)到3 X IO15 (atoms/cm3)。這與N阱是相同程度的濃度、相同程度的深度。 而且，N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103是作為耗盡層抑制區(qū)而使用，所以即使N阱的制造偏差較大也不影響霍爾元件的靈敏度和其它特性。因此，能夠與其它單元的N阱同時形成。接著，形成作為霍爾元件敏感部的N型雜質(zhì)區(qū)102。此時，使N型低濃度雜質(zhì)區(qū)103 的深度為300 500nm,濃度為1 X IO16 (atoms/cm3)到5 X IO16 (atoms/cm3)。該深度、濃度的雜質(zhì)區(qū)能通過通常的離子注入裝置形成，與N阱相比，能夠濃度、深度的偏差較小。由于霍爾元件敏感部通過離子注入而形成，所以形成靈敏度偏差較小的霍爾元件。最后，形成構(gòu)成控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子的高濃度雜質(zhì)區(qū)。高濃度雜質(zhì)區(qū)的深度為300nm 500nm，不需要與其它單元特別不同的工序，所以能夠容易地形成。接著，對偏置電壓的去除方法進(jìn)行說明。首先，在控制電流輸入端子121、122之間施加電壓Vdd，流過控制電流(電流方向CN 102313563 A
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1)。一旦流過電流，在霍爾電壓輸出端子111、112之間產(chǎn)生霍爾電壓。此處在霍爾電壓輸出端子111、112之間輸出的電壓包括與磁場大小成比例的霍爾電壓和偏置電壓，記輸出電壓為V34、霍爾電壓為VH34、偏置電壓為Vos34，則可表述為V34 = VH34+Vos34。接著，在控制電流輸入端子123、124之間施加電壓Vdd，流過控制電流(電流方向
2)。一旦流過電流，霍爾電壓輸出端子113、114之間產(chǎn)生霍爾電壓。在霍爾電壓輸出端子 113、114之間產(chǎn)生的電壓包括與磁場大小成比例的霍爾電壓以及偏置電壓，記輸出電壓為 V12、霍爾電壓為VH12、偏置電壓為Vosl2，則可表述為V12 = VH12+Vosl2。此處的霍爾元件的形狀如圖1所示，是對稱的十字形狀，所以霍爾敏感端部的霍爾電壓輸出端子111、112、113、114以及霍爾元件敏感部側(cè)面的控制電流輸入端子121、 122、123、124以同一形狀對稱地配置。因此，所產(chǎn)生的霍爾電壓VH與電流以電流方向1流過的情況下的霍爾電壓V12和以電流方向2流過的情況下的霍爾電壓V34之間的關(guān)系為， 只是電流方向不同，流過的電流量和霍爾電壓輸出端子間隔等均相同，所以可表述為VH = VH34 =-VH12。對于偏置電壓Vos也可同樣認(rèn)為，所以可表述為Vos = Vos34 = Vosl2。即霍爾電壓輸出端子111、112之間產(chǎn)生的電壓V34與霍爾電壓輸出端子113、114 之間產(chǎn)生的電壓V12可表述為V34 = VH+Vos ；V12 = -VH+Vos。將在該電流方向1上得到的輸出電壓V34與在電流方向2上得到的輸出電壓V12 相減，則電壓Vout為Vout = V34-V12 = 2VH，從而去除偏置電壓，能夠得到2倍的霍爾電壓。如以上所述，利用圖1那樣的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)小芯片尺寸、高靈敏度且去除偏置電壓的霍爾傳感器。附圖標(biāo)記說明1U0U00...霍爾元件敏感部；101...P型半導(dǎo)體襯底；102...N型雜質(zhì)區(qū)； 103. ..N型低濃度雜質(zhì)區(qū)；110. ..N型高濃度雜質(zhì)區(qū)；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...切換信號產(chǎn)生器；S1、S2、S3、S4...傳感器端子切換單元;T1、T2、T3、T4···端子；R1、R2、R3、 R4...電阻。
權(quán)利要求
1.一種霍爾傳感器，其特征在于，包括霍爾元件敏感部，在具有四個凸部和四重旋轉(zhuǎn)軸的十字形上； 霍爾電壓輸出端子，配置在所述四個凸部各自前端中央部并具有同一形狀；以及控制電流輸入端子，配置在所述四個凸部各自側(cè)邊的中央部附近， 所述控制電流輸入端子之中，沿著所述側(cè)邊在一條直線上并列的一對控制電流輸入端子用布線來相連接且為相同電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器，其特征在于，所述控制電流輸入端子與所述霍爾元件敏感部相連接的長度即控制電流輸入端子寬度，大于所述霍爾電壓輸出端子與所述霍爾元件敏感部相連接的長度即霍爾電壓輸出端子寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器，其特征在于，所述控制電流輸入端子寬度短于所述側(cè)邊的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器，其特征在于，相對的霍爾電壓輸出端子的間隔大于相對的控制電流輸入端子的間隔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器，其特征在于，所述霍爾元件敏感部由在P型半導(dǎo)體襯底表面形成的N型雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成，而且，具有以包圍所述N型雜質(zhì)區(qū)的側(cè)面和底面的方式形成的由N型低濃度雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成的耗盡層抑制區(qū)； 在所述第一N型雜質(zhì)區(qū)的端部設(shè)置的所述霍爾電壓輸出端子與其兩側(cè)配置的所述控制電流輸入端子由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的霍爾傳感器，其特征在于，所述控制電流輸入端子和所述霍爾電壓輸出端子，從所述P型半導(dǎo)體襯底表面起的深度與所述霍爾元件敏感部相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器，其特征在于，能夠利用旋轉(zhuǎn)電流而去除偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠不增加芯片尺寸且以高靈敏度去除偏置電壓的霍爾元件?；魻栐哂惺中螤畹幕魻栐舾胁浚谒膫€凸部前端中央部配置有霍爾電壓輸出端子，在各凸部側(cè)面有與霍爾電壓輸出端子獨(dú)立配置的控制電流輸入端子。此時減小霍爾電壓輸出端子寬度，增大控制電流輸入端子寬度。
文檔編號G01D3/036GK102313563SQ20111019763
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者近江俊彥, 飛岡孝明 申請人:精工電子有限公司