[實用新型]一種霍爾傳感器

有效

• 申請號: 201621308085.0
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN206259385U
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 何云;劉桂芝
• 申請（專利權）人: 上海南麟電子股份有限公司
• 主分類號: H01L43/06
• 分類號: H01L43/06;H01L43/14
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本實用新型涉及半導體制造領域，特別是涉及一種霍爾傳感器。

背景技術

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾(A.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金屬的導電機制時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應。霍爾效應：若將金屬或半導體薄片垂直置于磁感應強度為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生電場的物理現象。由于霍爾傳感器能夠檢測磁場的方向和大小，因此可以廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面，并且基于半導體的霍爾傳感器被廣泛使用。這里，基于半導體的霍爾傳感器是指用互補金屬氧化物半導體(CMOS)、Bipolar(雙極)、BiCMOS(BipolarCMOS，雙極-互補金屬氧化物半導體)實施的霍爾傳感器。

在傳統的半導體霍爾傳感器中，感測區一般為N型半導體材料，形成在P型半導體襯底上。如圖1及圖2所示，當從頂部看時，感測區為N阱區域，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+型半導體材料，形成在十字形狀的感測區四個端頭上或者正方形狀的感測區的四個角上。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，從側面看到的感測區縱向結構。其中，襯底100為P型摻雜半導體材料，感測區102為N型摻雜半導體材料，電極101a、101b被摻雜成高濃度N型區域，具有比感測區102更高的濃度，能夠在將感測區電極引出時降低接觸電阻。P阱103a、103b為環繞在感測區102周圍的P型摻雜區域，用于將感測區與其他器件的隔離。電極104a、104b被摻雜成高濃度P型區域，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生的霍爾電壓。以這種方式，傳統的霍爾傳感器感測霍爾電壓，從而確定磁場的方向和大小。霍爾電壓公式推導如下：設載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運動的平均速率為v，單位體積內自由移動的載流子數為n，垂直電流方向半導體感測區的橫向寬度為a，半導體感測區薄片厚度為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移，兩個側面出現電勢差，載流子受到的電場力為F＝qU(H)/a。

當達到穩定狀態時，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與導體的材料有關，對于確定的導體，nq是常數，令k＝1/(nq)，則：式③可寫為U(H)＝kIB/d④

由式④可見，霍耳器件，其產生的霍耳電壓與如下參數的關系：

1.與垂直于半導體感測區的磁場B以及半導體感測區中電流I成正比。

2.與感應區材料的雜質濃度(單位體積內自由移動的載流子數n)成反比。

3.與感應區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生的輸出電壓稱為失調電壓。

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

此外，采用摻雜并推結工藝形成N阱霍爾感測區，感測區厚度d的形成與表面摻雜的材料類型濃度及推結退火參數相關，一般不能精確控制薄片厚度d。導致理論值與實測值出現不一致。