專利名稱:可集成的霍爾元件的制作方法
本發(fā)明涉及具有兩個電流端和兩個傳感端的可集成的霍爾元件。
這種霍爾元件常被用在電表或功率表中來測量電流產(chǎn)生的磁場。
例如，歐洲專利148330A2中公開了一種最初描述的集成霍爾元件，這種霍爾元件(以下簡稱為垂直霍爾元件)測量與元件表面平行的磁場。
美國專利公報(4，253，107)公開了另一種最初描述的集成霍爾元件，用來與元件表面垂直的磁場，以下簡稱為水平霍爾元件。
本發(fā)明的目的是實現(xiàn)任意所需尺寸的霍爾元件，這種霍爾元件盡管做在十分薄的半導(dǎo)體層上也幾乎沒有非線性和1/f噪音。在本例中垂直霍爾元件的有效長度遠大于半導(dǎo)體的層厚度。
本發(fā)明的實施例通過附圖表示，并且在下文中將詳細描述。
圖1是數(shù)次分割霍爾元件的示意圖;
圖2a是數(shù)次分割的垂直霍爾元件的示意圖;
圖2b是數(shù)次分割的集成垂直霍爾元件的剖面圖;
圖3是復(fù)合電路中的集成垂直霍爾元件兩次分割的示意圖;
圖4是微分電路中的垂直霍爾元件兩次分割的示意圖;
圖5顯示出復(fù)合電路中另一種兩次分割的垂直霍爾元件;
圖6顯示出一個兩次分割的集成的垂直霍爾元件;
圖7是兩次分割的集成水平霍爾元件的剖面圖;
圖8是兩次分割的集成水平霍爾元件的俯示圖;
圖9a顯示出已知霍爾元件的等效電路圖;
圖9b是圖7和圖8所示水平霍爾元件的等效電路布線圖。
相同的標識數(shù)在各圖中都表示同樣的部分。
圖1中所示的數(shù)次分割的霍爾元件包括一個由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的直角平行六面體所組成的熟知霍爾元件，這個霍爾元件備有兩個電流端子C1和C2在平行六面體的兩側(cè)相對安置兩個傳感連接端S1和S2，而其余的兩個平行邊垂直于磁場H。這個熟知霍爾元件被至少一個分段面分割成幾個結(jié)構(gòu)，傳感連接端S1和S2的中心接點都處于同一結(jié)構(gòu)中和同一分段面上。每一個分段面既不必互相平行也不必垂直于霍爾元件中的電流密度方向。為了簡化起見，在圖中假設(shè)所有分段面互相平行并且垂直于電流密度方向，即，垂直于兩個電流端C1和C2的中心連接線。
在圖12a和2b中假設(shè)具有三個分段面，也就是有4個結(jié)構(gòu)，2、3和4。在圖2到圖8中假設(shè)只有一個分段面，也就是兩個結(jié)構(gòu)2和3。用假設(shè)具有彈性的電連接線將每一分段面兩邊的每一邊上的兩個點互相連接。這樣的點和這樣的連接線的數(shù)目在理論上是無限的。例如這些點對準成一條直線。假設(shè)圖1、圖3和圖5中的每一個分段面有7個連接端a至g，圖2a中每一分段面有5個連接端a至e圖2b中每一分段面有3個連接端a至c，并且假設(shè)圖6到圖8中每一個分段面有4個連接端a至d。在任何情況下，每一個分段面至少有兩個這樣的連接端a和b。至少必須有兩個等電位點被優(yōu)選為中間斷面點，這兩個點具有與傳感連接端S1和S2相同的電壓，即中間斷面外側(cè)的兩個等電位點都要分別與兩個傳感連接端S1和S2相連接以使其承受電壓。
這樣，結(jié)構(gòu)1到4中的每一上表面和下表面上的幾個點中的至少兩個點被連接到相鄰結(jié)構(gòu)相應(yīng)符號表面上的一個等電位點上。
當平行安置產(chǎn)生四個結(jié)構(gòu)1到4相互空間分離時，假設(shè)具有彈性的連接端變長，由于這些連接端使圖1所示霍爾元件盡管結(jié)構(gòu)1到4相互分離仍能保持其完全的功能，就像沒有斷面存在一樣，這是由于連接端使等電位點互相連接。在圖1中，7個連接端a1到g1在結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2之間，7個連接端a2到g2在結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3之間，7個連接端在結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4之間。
在兩個靠外的結(jié)構(gòu)1和4的外表面上的點，被選定為等電壓點，將這些點互相電連接并連接到與相應(yīng)表面共同的電流端C1或C2上。即附圖所示的結(jié)構(gòu)1的上表面的7個連接端a0到g0被連接到第一電流端C1，所有的連接端a4到g4都連接到下結(jié)構(gòu)4的下表面的第二電流端e2上。
一電源電流I流經(jīng)第一電流C1和并聯(lián)的連接端a0到g0流到結(jié)構(gòu)1中，也就流進霍爾元件。所述電源電流按照確定的次序通過結(jié)構(gòu)1，經(jīng)過并聯(lián)連接端a1至g1，通過結(jié)構(gòu)2，經(jīng)過并聯(lián)連接端a2至g2，通過結(jié)構(gòu)3，經(jīng)過并聯(lián)連接端a3至g3，通過結(jié)構(gòu)4，經(jīng)過并聯(lián)連接端a4至g4流到第二電流端c2，進而流出霍爾元件。由這一電源電流I和磁場H在霍爾元件中產(chǎn)生的霍爾電壓出現(xiàn)在兩個傳感端S1和S2上。必須進一步指出的是結(jié)構(gòu)1至4中任一單一結(jié)構(gòu)本身不構(gòu)成完整的霍爾元件。
結(jié)構(gòu)1至結(jié)構(gòu)4彼此之間可以以任意所需距離放置，甚至可以互相翻轉(zhuǎn)。其條件是磁場H、霍爾元件中的電流密度和霍爾元件中的電霍爾場的矢量方向繼續(xù)保持它們相互位置(見圖2a、3和5)。
圖2a中的結(jié)構(gòu)1至結(jié)構(gòu)4以近似于直線的形式相繼排列，因此所述結(jié)構(gòu)1至結(jié)構(gòu)4互相交錯但不翻轉(zhuǎn)(結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3)或上下翻轉(zhuǎn)(結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4)并聯(lián)排列成這樣的形式至少結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)4的上表面處于同一平面。所有的連接端互相并聯(lián)。上述的三個矢量方向的相互位置保持原有位置。連接端a0至e0，a2至g2和a4至g4都安置在結(jié)構(gòu)1至4上方，連接端a1至e1和a3至e3安置在所述結(jié)構(gòu)下方。
圖2b中示出的集成垂直霍爾元件是圖2a所示意結(jié)構(gòu)的實施。結(jié)構(gòu)1至4的上表面所處的公共平面是半導(dǎo)體層5的上表面，在半導(dǎo)體層5中包含全部結(jié)構(gòu)1至4。半導(dǎo)體層5可以是在襯底6上生長的一層薄外延層。為了簡化起見，在圖2b中只示出3個結(jié)構(gòu)2至4。在附圖所示的實施例中的結(jié)構(gòu)1至4下面安置的連接端a1至c1和a3至c3(即等電位點之間的連接部分)的每一個連接端都由襯底6和半導(dǎo)體5之間邊緣處所設(shè)置的埋層組成。結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2都有作為埋層的連接端a1至c1，圖2b中只示出了結(jié)構(gòu)2的連接端a1至c1;結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4都有作為埋層的連接端a3至c3。在圖2b所示的剖面圖中，接觸擴散是在半導(dǎo)體層5中表面上與埋層相對的位置上形成的，在圖2b中，接觸擴散7至9表示結(jié)構(gòu)2、10至12表示結(jié)構(gòu)3，13至15表示結(jié)構(gòu)4。其余的連接端，即安置在附圖實施例中結(jié)構(gòu)1至4上的連接端a0至c0(在圖2b中未示出，這是因為這僅出現(xiàn)在未示出的結(jié)構(gòu)1中)a2至c2和a4至c4，每一個連接端都為接觸擴散提供一個電接觸區(qū)。這些連接端共同形成所謂集成電路的金屬化，并且將這些連接端加到半導(dǎo)體層5的表面上。金屬化包含金屬，例如鋁，或者導(dǎo)電多晶硅。為了絕緣起見，將一個絕緣層10-例如SiO2-安置在金屬化和半導(dǎo)體層5之間。金屬化層被直接安置在絕緣層19之上，而絕緣層19本身2直接安置在半導(dǎo)體層5上。結(jié)構(gòu)4上的連接端a4至c4互相連接并且與它們的共用電流端c2相連接。為了使結(jié)構(gòu)之間彼此絕緣并獲得隔離島效果，結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)4的每一個結(jié)構(gòu)都由例如矩形的絕緣環(huán)橫向圍繞，以便兩個相鄰的絕緣環(huán)之間有一個共用連接端16、17或18。例如，絕緣環(huán)16、17圍繞著結(jié)構(gòu)2，絕緣環(huán)17、18圍繞著結(jié)構(gòu)3。絕緣環(huán)從半導(dǎo)體層5的表面向下延伸，例如直接與襯底6實現(xiàn)空間接觸。
襯底6、絕緣環(huán)以及它們的接觸區(qū)16、17和18都由同種導(dǎo)電類型(例如p型)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，當然也應(yīng)用N型材料。半導(dǎo)體層5，埋層和接觸擴散區(qū)7至15都由另一導(dǎo)電類型(例如N型)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。埋層和接觸擴散區(qū)7至15都以外加原子重摻雜，即，形成N型。
圖3中所示意的結(jié)構(gòu)5圖2a所示結(jié)構(gòu)類似，其好處在于僅剩下結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3。為此，兩個電流端C1和C2放置在結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3的下側(cè)，而不是圖2a所示的放置在結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)4的上方。
圖4中所示意的結(jié)構(gòu)與圖3所示結(jié)構(gòu)相同，只是其結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3表面上的連接端不再是并聯(lián)的，而是互相跨接的。為此，三個上述矢方向的相對位置不再保持原始狀態(tài)。結(jié)構(gòu)3位置上的磁場實際地移動相對位置180°。這就意味著圖4中所示的霍爾元件不再像圖3所示的霍爾元件那樣測量H1+H2的總和，而是磁場H1和H2的差H1-H2。因此，h1是結(jié)構(gòu)2位置上的磁場，h2是結(jié)構(gòu)3位置上的磁場。換句話說圖4所示的霍爾元件能被用來測量空間分離的兩個點之間的磁場梯度。
圖5中所示的霍爾元件與圖3中的基本相同，其區(qū)別在于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3不是近似對正的彼此橫排排列，而是近似于對正的前后排列。然而，附圖實施中最顯著的是交叉連接，這是為了使三個矢量方向保持不變。
圖6所示的是圖3所示意的霍爾元件的具體實現(xiàn)，利用它再次產(chǎn)生垂直霍爾元件。所示的霍爾元件與圖2b中所示的集成垂直霍爾元件基本上相同，其區(qū)別在于圖中僅僅出現(xiàn)結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3。
圖中位于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3最下側(cè)的與電流端C1或C2相連接的點組成一個公共埋層，對結(jié)構(gòu)2是a1、b1、c1、d1;對結(jié)構(gòu)3是a3、b3、c3、d3，每一個埋層都經(jīng)深擴散區(qū)20或21穿過半導(dǎo)體層5到達霍爾元件(即集成電路)的表面與霍爾元件電流端C1或C2連接。深擴散區(qū)20和21是電與埋層相同導(dǎo)電類型的材料構(gòu)成，與埋層一樣，是通過重摻雜外來原子形成，即它由N+材料組成。
按照圖2b和圖5實現(xiàn)的集成垂直霍爾元件其有如下優(yōu)點與已知垂直霍爾元件不同的是具有不同形狀和不同尺寸的電流端C1和C2在兩個不同的電流方向時具有完全對稱的特征。
為了確保長期可靠性，在圖6中半導(dǎo)體層5的表面上覆蓋一層與襯底6相同的P型材料構(gòu)成的薄表面層22。所有的接觸擴散區(qū)7至12，所有的連接端16至18和兩個深擴散區(qū)20和21都穿過這個薄表面層22。圖2b中所示的垂直霍爾元件也采用了這樣的薄表面層22，但在圖2b中未出。
圖7和圖8分別示出同一水平霍爾元件的橫剖面圖Ⅶ和俯示圖。它也同樣由結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3組成，但不是互相對正排列成行，而是如俯示圖所示互相轉(zhuǎn)成接近90°并且都位于半導(dǎo)體層5上?？臻g結(jié)構(gòu)以及襯底6的材料、半導(dǎo)體層5的材料，表面層33的材料，絕緣層19的材料，金屬化的材料和圖8中由23和24所指示的絕緣環(huán)的連接端16、17和18的材料都與圖6中的相同。所有的連接端a1至d1，a2至d2，a3至d3都在集成電路表面形成金屬化。結(jié)果，在這種情況下無埋層存在。而代之以接觸擴散區(qū)25至32，25至28在一邊，29至32在另一邊排成近似于直行。接觸擴散區(qū)25至32都如接觸擴散區(qū)7至12一樣由同種N+材料組成。兩個接觸擴散區(qū)列25，26，27，28與29，30，31，32的中心連接線互相形成90°角。結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3各具有兩排接觸擴散區(qū)列25，26，27，28和7，8，9或者10，11，12和29，30，31，32，一個列上的擴散區(qū)與另一列的擴散區(qū)相對。在接觸擴散列7，8，9和10，11，12中無數(shù)碼標識的擴散區(qū)分別與接觸擴散區(qū)26或31相對，如圖8所示。接觸擴散行7至9在一邊，接觸擴散區(qū)10至12在另一邊分別最好排列成直列，并且最好分別與接觸擴散行25，26，27，28或29，30，31，32平行。連接線a2至b2將接觸擴散區(qū)7至9和接觸擴散區(qū)10至12進行電連接，從而，在連接線a2和b2上分別提供傳感連接端S1或S2?；魻栐牡谝浑娏鞫薈1是經(jīng)過連接端a1至d1到接觸擴散區(qū)25至28連接形成，所有四個接觸區(qū)都屬于結(jié)構(gòu)2。霍爾元件的第2電流端C2是經(jīng)過連接端a3至d3到接觸擴散區(qū)29至32連接形成，所有四個接觸擴散區(qū)都屬于結(jié)構(gòu)3。
在圖7到圖8中所示的水平霍爾元件具有如下優(yōu)點它的零電壓(失調(diào)電壓)可被大范圍地補償，這一點在下文中將要通過圖9a和9b進一步詳細解釋。
圖9a示出一個由四個電阻組成的天線共用器，描繪了常規(guī)霍爾元件的等效電路圖。天線共用器包括兩類不同的電阻值，R和R+△R，每兩個空間平行的電阻，即天線共用器中互相對應(yīng)的兩個電阻相等。電阻差R+△R是由電壓阻效應(yīng)、幾何公差等產(chǎn)生的。當磁場H＝0時，在霍爾元件傳感端S1和S2上出現(xiàn)的零電壓Voff＝(R+△R/R)Vc1，c2，因此，Vc1c2體現(xiàn)了霍爾元件電流端c1、c2上存在的電源電壓。
圖7到圖8所示的水平霍爾元件的等效電路圖在圖9b中再現(xiàn)。它與圖9a中所示的等效電路圖的區(qū)別在于天線共用器的一半相對于另一半旋轉(zhuǎn)390°角。由于兩個在空間平行的電阻再次等于R或R+△R，在這種情況下兩個等值電阻對正排列成行，正如圖中所示的使Voff成為0的電源電流I的流動方向。
通過用兩行開關(guān)電阻(未示出)取代短路連接線a2和b2來達到補償垂直霍爾元件(見圖3)中的零電壓Voff，其中，兩列開關(guān)電阻的連接極分別與傳感連接端S1或S2相連。這些電阻應(yīng)是可調(diào)節(jié)的平衡電阻，這樣的電阻最好由例如電阻層場效應(yīng)晶體管(RLFET)或MOS場效應(yīng)晶體管組成，其源-漏溝道的電阻值可通過場效應(yīng)晶體管的柵電壓來調(diào)節(jié)。
上述所有集成霍爾元件都可按照標準雙極集成電路工藝制造。由于利用了數(shù)次分割的霍爾元件，即使這種器件做在以半導(dǎo)體層5的形式的在薄外延層上可以實現(xiàn)任意所需尺寸的霍爾元件。優(yōu)點在于霍爾元件的非線性指標保持下降，而且其1/f噪音很低。
權(quán)利要求
1.具有兩個電流端(C1、C2)和兩個傳感端(S1、S2)的可集成霍爾元件，其特征在于由至少一個分段面將霍爾元件分成幾個結(jié)構(gòu)(1，2，3，4)，而傳感端(S1、S2)的連接接觸中心共同位于同一分段面上，其中結(jié)構(gòu)(1，2，3，4)互相交替的上下翻轉(zhuǎn)或不翻轉(zhuǎn)地在公用半導(dǎo)體層(5)上并聯(lián)安置，以這樣的方式，使結(jié)構(gòu)(1，2，3，4)的上表面最終全部位于半導(dǎo)體層(5)的公共表面平面上，其中，每一結(jié)構(gòu)(1，2，3，4)的上表面或下表面的幾個點中的至少兩個點的每一個點要與相鄰結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的表面上的等電位點進行電連接，或者其中兩個外側(cè)結(jié)構(gòu)(1，4)的外表面的幾個點互相連接，并連接到在該表面上的電流端C1和C2上，從而，中間分面的兩個外側(cè)等電位點中的每一個點分別與傳感連接端(S1，S2)相連，以使傳感器具有電壓。
2.按照權(quán)利要求
1的可集成霍爾元件，其特征在于半導(dǎo)體層(5)是在襯底(6)上生長的外延層，其中等電位點之間及與電流端(C1，C2)的連接端的一部分是由埋層組成，埋層位于襯底(6)和半導(dǎo)體層(5)之間，另一部分是在半導(dǎo)體層(5)的表面上以金屬化的形式出現(xiàn)，每一個連接端都具有一個接觸擴散區(qū)7至15。因此，接觸擴散區(qū)位于半導(dǎo)體層(5)上，其中，每一個結(jié)構(gòu)(1至4)都由一個絕緣環(huán)(16，17，1718)橫向環(huán)繞，其中，襯底(6)和絕緣環(huán)(1617，1718)都是由同種導(dǎo)電類型(P)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，半導(dǎo)體層(5)、埋層和接觸擴散區(qū)(7至15)都由另一導(dǎo)電類型(N)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，而埋層和接觸擴散區(qū)(7至15)都由外加原子重摻雜。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的可集成霍爾元件，其特征在于如果將與電流端(C1或C2)相連的兩個外側(cè)結(jié)構(gòu)(2，3)之一的點為埋層，(a1、b1、c1、d1、a3、b3、c3、d3)，每一結(jié)構(gòu)(2或3)形成單個的、共用埋層(a1;b1;c1;d1;或a2;b2;c2;d2)，埋層是通過穿通半導(dǎo)體層(5)的深擴散區(qū)(20或21)連接到霍爾元件的表面與電流連接端(C1或C2)連接，深擴散區(qū)(21，22)是由與埋層相同導(dǎo)電類型(N+)的材料組成，并且與埋層一樣是由外加原子重摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的可集成霍爾元件，其特征在于在半導(dǎo)體層(5)上具有兩個結(jié)構(gòu)(2，3)其中一個被旋轉(zhuǎn)成與另一個成約90°角，其中，半導(dǎo)體層(5)是在襯底(6)上生長的外延層，其中，等電位點之間及與電流端(C1，C2)的連接是以半導(dǎo)體層(5)表面上的金屬化的形式出現(xiàn)，并且每一個連接端都具有與接觸擴散區(qū)(7至12，25至32)之一進行電接觸，接觸擴散區(qū)(7至12和25至32)位于半導(dǎo)體層(5)的表面，其中，每一個結(jié)構(gòu)(2，3)都由一個絕緣環(huán)橫向環(huán)繞，其中，襯底(6)和絕緣環(huán)(23，24)都由同種導(dǎo)電類型(P)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，而半導(dǎo)體層15和接觸擴散區(qū)(7至12和35至32)都由另一種導(dǎo)電類型(N)的半導(dǎo)體材料組成，而接觸擴散區(qū)(7至12和25至32)都由外加原子重摻雜，其中，每一個結(jié)構(gòu)(2，3)都有兩個接觸擴散區(qū)行(7，25;26;27;28和7;8;9或10;11和12和29;30;31;32)每一列接觸擴散區(qū)都在半導(dǎo)體層表面上與另一列接觸擴散區(qū)相對，其中兩個最外側(cè)的接觸擴散區(qū)列(25，26，27，28或29，30，31，32)分別與霍爾元件的兩個電流端(C1，C2)之一連接。
5.按照權(quán)利要求
1至4的可集成霍爾元件，其特征在于半導(dǎo)體層(5)由一層與半導(dǎo)體層(5)不同導(dǎo)電類型的(P)型材料組成的表面層(22)覆蓋。
6.為測量電計數(shù)器中由電流產(chǎn)生的磁場(H)，對按照權(quán)利要求
1至5之一的可集成霍爾元件的應(yīng)用。
專利摘要
本發(fā)明的霍爾元件包括由P或N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底、半導(dǎo)體層、表面層、絕緣層、接觸擴散區(qū)、絕緣環(huán)。用至少一個分段面將具有兩個傳感端的霍爾元件分割成幾個結(jié)構(gòu)，它們交替地上下翻轉(zhuǎn)或不翻轉(zhuǎn)并且位于半導(dǎo)體層上。在結(jié)構(gòu)上表面和下表面上至少兩個點之間以及相鄰結(jié)構(gòu)的等電位點之一具有電連接，兩個外側(cè)結(jié)構(gòu)的兩個最外側(cè)表面上的每一個點都通過連接端與霍爾元件的電流端之一連接。連接端和接觸擴散區(qū)都由N型材料組成。這種構(gòu)形可以組成非常大的霍爾元件，它可以用在電表中。
文檔編號H01L43/06GK87102998SQ87102998
公開日1987年11月11日 申請日期1987年4月25日
發(fā)明者波波維克·拉迪沃耶, 克羅斯·阿克西爾 申請人:蘭迪斯和吉爾楚格股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan