一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件，屬于電磁技術領域。
【背景技術】
[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。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用，并逐漸成為國內外研宄的熱點。
[0003]目前，傳統垂直型霍爾傳感器的失調較高，影響了其測量精度。因此，降低失調成為霍爾傳感器發展的主要趨勢之一。傳統垂直型霍爾器件有四孔和五孔結構兩種。目前最通用并且能夠有效消除霍爾器件失調的方法是旋轉電流法，旋轉電流法要求霍爾器件初始失調低且對稱性高。五孔結構初始失調較低，但在使用旋轉電流法時在兩種不同的偏置狀態下電流流動方向不對稱，導致失調消除效果不是很明顯，殘余失調較大。四孔垂直型霍爾器件在兩種不同偏置狀態時的電流流動狀態中電流流動的方向呈對稱分布，但其初始失調很大，高達上百毫伏，大大超過了使用旋轉電流技術的范圍。因此，四孔和五孔結構的垂直型霍爾器件都不能很好的應用旋轉電流法以消除霍爾失調，獲得低殘余失調的特性，而本發明提出一種新的對稱結構的垂直型霍爾器件，能夠很好地解決上述的問題。
【發明內容】
[0004]本發明目的在于針對傳統垂直型霍爾器件初始失調大、不適合旋轉電流技術的缺點，提出了一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件，該器件采用新型的雙阱器件結構，即在一個P型硅襯底上形成兩個完全相同的η阱，每個η阱中分別有三個重摻雜N+區，兩個η阱最外側的N+區互相連接，最內側的N+區也互相連接，形成完全對稱結構，該器件能夠在應用旋轉電流法時實現電流流向完全對稱，極大地降低了器件失調。
[0005]本發明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件，該器件結構包括N+區1、Ρ+區2、η阱3、Ρ型硅襯底4、淺溝槽隔離區5和P+區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頂部等距離設有3個N+區1，N+區I之間設有P+區2。2個η講3之間設有淺溝槽隔離區5用于阱間隔離，η阱3外側也設有淺溝槽隔離區5與外部隔離。P+區6位于P型硅襯底4的頂端最外側，形成襯底接觸。
[0006]本發明所述的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中均設有3個相同的N+區I，其中2個最外側的N+區I互相連接，形成電極a，2個最內側的N+區I互相連接，形成電極C。剩余兩個N+區分別形成電極b和電極d。在應用旋轉電流法消除霍爾器件失調時，a，b，c，d四個電極可以互相轉換。2個η阱3之間以及η阱3外側設有淺溝槽隔離區5。P+區2位于η阱頂部N+區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，提高垂直型霍爾器件的磁場靈敏度。
[0007]本發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、本發明提出的垂直型霍爾器件的生產工藝簡單，與CMOS工藝完全兼容，無需額外工藝步驟，生產成本低。
[0010]2、本發明提出的垂直型霍爾器件，其結構完全對稱，初始失調低。
[0011]3、本發明提出的垂直型霍爾器件，其在采用旋轉電流操作時，器件中電流流向完全對稱，可獲得低的殘余失調。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明垂直型霍爾器件的橫截面結構示意圖。
[0013]標識說明:1_N+區；2-P+區；3-n講；4-P型娃襯底；5_淺溝槽隔尚區；6-P+區。
[0014]圖2為圖1器件應用四相旋轉電流法的工作狀態示意圖。
[0015]圖3為與圖2工作狀態對應的器件內部電流圖。
[0016]圖4為按照圖1仿真得到的二維工藝仿真結構圖。
[0017]圖5為按照圖4結構進行二維器件仿真得到的失調電壓-偏置電壓特性曲線。
[0018]圖6為按照圖4結構進行二維器件仿真得到的電壓相關靈敏度-偏置電壓特性曲線。
【具體實施方式】
[0019]下面結合說明書附圖對本發明創造作進一步的詳細說明。
[0020]如圖1所示，本發明提出了一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件，該器件結構包括N+區1，P+區2，η阱3，P型硅襯底4，淺溝槽隔離區5，P+區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1，N+區I之間設有P+區2。2個η阱3之間設有淺溝槽隔離區5用于阱間隔離，η阱3的另一外側也設有淺溝槽隔離區5與外部隔離。P+區6位于P型硅襯底4的頂端最外側，形成襯底接觸。
[0021]本發明所述的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，其中2個最外側的N+區I互相連接，形成電極a，2個最內側的N+區I互相連接，形成電極C。剩余兩個N+區分別形成電極b和電極d。在應用旋轉電流法時，a，b，c，d四個電極可以互換。2個η阱3之間以及η阱3外側設有淺溝槽隔離區5。P+區2位于η阱頂部N+區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，提高VHD的靈敏度。
[0022]本發明提出的垂直型霍爾器件采用四相旋轉電流法的工作狀態如圖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。當時鐘信號相位為0°和90。時，器件工作在(a)狀態和(b)狀態，兩種狀態的霍爾電壓信號(VH)大小相等、極性相反，失調電壓信號(Vop)極性和大小均相同，兩者通過雙相關采樣電路相減得到2VH。同理，在時鐘信號相位為180°和270°時，器件工作在(C)狀態和(d)狀態，通過雙相關采樣電路相減得到2VH，與前兩個相位的輸出相加得到4VH。通過四相旋轉電流法后，失調信號被消除，霍爾電壓增加四倍，最終輸出信號為4VH。
[0023]根據圖2所述工作狀態的垂直型霍爾器件，其內部電流流向如圖3所示。在(a)狀態，偏置信號為電極a — c，不加磁場時，沒有霍爾效應電流從電極a經過電極b與d后流向電極C，流經電極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，所以失調電壓很小。若外加垂直于器件截面向內的磁場B，電流為電極a — c，則電子流向為電極c — a，根據左手定則，電子所受洛倫茲力方向為d — b，從而在電極b與d之間產生電壓差，即霍爾電壓VH。此狀態下，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，電極b與d為偏置電極，電極a與c為測量電極。由于流經測量電極a與c的電流對稱，因而兩處電勢相同，從而失調電壓很小。在測量電極a與c之間也會產生霍爾電壓VH。狀態(C)與狀態(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⑷與狀態(b)偏置電流相反，偏執電極和測量電極均相同，電流流向如圖中(d)所示。
[0024]根據圖1所述的霍爾器件結構剖面圖，使用標準0.35um CMOS工藝進行了二維工藝仿真，得到圖4所示的二維器件結構及雜質濃度的分布圖。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，這6個N+區作為器件的工作電極。在N+區之間離子注入ρ+區，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6兩側用淺溝槽隔離區8(即STI)進行隔離。
[0025]圖5為根據圖4的工藝仿真結構進行器件仿真得到的初始失調電壓曲線。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Vbias= IV時，SV增大到0.048/Τ，大于傳統四孔垂直型霍爾器件以及五孔垂直型霍爾器件。
【主權項】
1.一種對稱低失調的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述器件結構包括N+區(1)、P+區(2)、n阱(3)、P型硅襯底⑷、淺溝槽隔離區(5)和P+區(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(I)，N+區I之間設有P+區⑵；兩個η阱⑶之間設有淺溝槽隔離區(5)，η阱(3)外側也設有淺溝槽隔離區(5)與外部隔離；Ρ+區(6)位于P型硅襯底(4)的頂端最外側，形成襯底接觸。2.根據權利要求1所述的一種對稱低失調的垂直型霍爾器件，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(I)，其中2個最外側的N+區(I)互相連接，形成電極a，2個最內側的N+區(I)互相連接，形成電極c ;剩余兩個N+區(I)分別形成電極b和電極d ;在應用旋轉電流法時，a，b, c, d四個電極互換；11阱⑶之間以及η阱(3)外側設有淺溝槽隔離區(5)。3.根據權利要求1所述的一種對稱低失調的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述的P+區⑵位于η阱頂部N+區⑴之間。4.根據權利要求1所述的一種對稱低失調的垂直型霍爾器件，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.根據權利要求1所述的一種對稱低失調的垂直型霍爾器件，其特征在于:所述的2個η阱(3)之間設有淺溝槽隔離區(5)用于阱間隔離。
【專利摘要】本發明公開了一種對稱結構的低失調垂直型霍爾器件，該器件采用新型的雙阱器件結構，即在一個P型硅襯底上形成兩個完全相同的n阱，每個n阱中分別有三個重摻雜N+區，兩個n阱最外側的N+區互相連接，最內側的N+區也互相連接，形成完全對稱結構，該垂直型霍爾器件在旋轉電流操作時能實現電流流向完全對稱，極大地降低了垂直型霍爾器件的殘余失調。
【IPC分類】H01L43/06
【公開號】CN104953024
【申請號】CN201510329120
【發明人】徐躍, 徐俊
【申請人】南京郵電大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月15日