具有霍尔效应以及各向异性磁阻（AMR）传感器的集成电路的制作方法

相关申请的交叉参考

参考以下美国申请：于2015年11月4日提交的题为“constructionofahall-effectsensorinanisolationregion”的美国专利申请14/932,949；以及于2016年2月11日提交的题为“integratedanisotropicmagnetoresistivedevice”的美国专利申请15/041,575，这些申请的全部内容通过引用并入本文。

本公开一般涉及集成电路(ic)，并且更具体地涉及具有集成的霍尔效应传感器和磁阻传感器的ic及其制造方法。

背景技术：

旋转和位置感测技术已经从接触感测发展到非接触感测，并且从分立传感器发展到集成传感器。霍尔效应传感器是这样一种形式的传感器，其提供可用在旋转和位置感测应用中的磁场的检测。磁通门和磁阻(mr)传感器相对于霍尔效应传感器提供改进的灵敏度。在许多应用中，期望提供360°感测能力。然而，磁阻传感器局限于180°旋转检测。多个分立的霍尔效应传感器或磁阻传感器可以以彼此成角度间隔开的关系定位在印刷电路板上，以便提供360°感测，但是这增加了系统尺寸、复杂性和成本。

技术实现要素：

公开的示例包括具有磁阻传感器和霍尔效应传感器的集成电路，以及用于制造这种电路的制造技术，其中一个或多个竖直和/或水平霍尔传感器与晶体管和其它电路系统一起形成在衬底上或衬底中，并且磁阻传感器形成在金属化结构中。所公开的霍尔传感器和磁阻传感器技术以及p和n沟道晶体管在单个集成电路中的晶片级集成可以促进用于旋转和位置感测应用的紧凑且成本有效的高精度360°检测。

附图说明

图1是具有霍尔效应传感器电路和磁阻传感器电路的示例集成电路的局部截面侧视图。

图2a-2e是在形成晶体管和霍尔效应传感器电路系统的中间制造阶段的图1的ic的局部截面侧视图，该霍尔效应传感器电路系统包括在衬底中具有霍尔板的水平霍尔效应传感器。

图2f-2l是图1的ic的局部截面侧视图，该ic经历进一步的制造处理以形成包括在上金属化层中形成的amr传感器的金属化结构。

图2m是图1的ic的局部截面侧视图，其示意性地示出与水平霍尔传感器接合的电流源和电压传感器或电压读出器。

图2n是图1的ic的局部俯视图。

图3a是包括竖直霍尔传感器的另一示例ic的局部截面侧视图，其示意性地示出与竖直霍尔传感器接合的电流源和电压读出器。

图3b是图3a的ic的局部截面侧视图，其包括竖直霍尔传感器以及在上金属化层中形成的amr传感器。

图3c是图3a和图3b的ic的局部俯视图。

图4是包括水平霍尔传感器和amr传感器的另一示例ic的局部截面侧视图。

图5是包括水平霍尔传感器和amr传感器的又一示例ic的局部截面侧视图。

图6是示出制造ic的示例方法的流程图。

图7是示出包括设置在第一和第二amr传感器下方的竖直霍尔传感器的ic示例的局部透视图。

图8是示出来自图7的ic中的第一和第二amr传感器和竖直霍尔传感器的传感器电压信号的曲线图。

图9示出包括竖直和水平霍尔传感器的另一示例ic。

图10是示出包括正交的第一和第二竖直霍尔传感器以及具有连接在第一和第二桥接电路中的amr段的第一和第二amr传感器的另一示例ic的局部示意图。

图11是示出来自图10的ic中的amr和霍尔传感器的传感器电压信号的曲线图。

图12和图13是在具有一个或多个磁阻传感器(包括在深阱中形成的霍尔板)的ic中的外延硅衬底上或衬底中形成的示例5接触竖直霍尔传感器结构的局部截面侧视图和俯视图。

图14和图15是在具有一个或多个磁阻传感器(包括在多个深阱中形成的多个对称元件)的ic中的外延硅衬底上或衬底中形成的另一示例竖直霍尔结构的局部截面侧视图和俯视图。

图16和图17是在具有一个或多个磁阻传感器(包括六个接触件和四个端子)的ic中的外延硅衬底上或衬底中形成的另一示例竖直霍尔结构的局部截面侧视图和俯视图。

图18和图19是在具有一个或多个磁阻传感器(包括在深阱中形成的霍尔板)的ic中的外延硅衬底上或衬底中形成的另一示例水平霍尔结构的局部截面侧视图和俯视图。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”、“包含”、“具有”、“拥有”、“带有”或其变体旨在以类似于术语“包括”的方式是包含性的，并因此应当被解释为意味着“包括但不限于……”。此外，术语“耦合”或“耦接”旨在包括间接或直接的电连接或其组合。例如，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，则该连接可以通过直接电连接实现，或者经由一个或多个中间装置和连接件通过间接电连接实现。

所公开的示例展示了单个ic中的磁阻(mr)传感器和霍尔效应传感器的晶片级集成。一个或多个竖直和/或水平霍尔传感器与晶体管和其它电路系统(诸如电流源和电压读出器)一起形成在衬底上或衬底中以与传感器接合，并且磁阻传感器电路被形成在ic金属化结构中。在某些公开的示例中，使用各向异性磁阻(amr)传感器。在其它示例中，提供了不同类型的磁阻传感器，诸如巨磁阻(gmr)传感器、隧道磁阻(tmr)传感器等。虽然下面描述了关于集成式amr传感器的示例，但是所描述的概念可应用于其它形式的磁阻传感器电路和结构。所公开的示例提供完全集成的晶片级传感器配置以促进高精度的360°旋转，并且某些示例还使用单个集成电路来提供3d位置感测，以用于在各种终端使用应用中的紧凑、低成本解决方案。在某些实施例中，amr传感器提供高精度旋转感测，并且添加一个或多个竖直或水平竖直霍尔传感器提供了极性检测以促进360°旋转感测。

在某些示例中，在前端ic制造处理期间制造一个或多个霍尔效应传感器，以在半导体衬底上或衬底中与p和n沟道晶体管一起形成霍尔板，并且在后端处理期间制造amr或其它磁阻传感器以形成用于ic的金属化结构。金属化结构中的各种电路组件的互连提供了将磁阻节段结构连接到桥接电路中以及将节段结构与电源电压和电压读出器连接，以与单个封装中的一个或多个霍尔效应传感器电路一起构造磁阻传感器电路系统。在某些实施方式中，两个wheatstone桥接电路由amr传感器节段形成，并且两个桥接电路的节段彼此成角度地偏移45°，以提供高分辨率180°旋转感测能力。与同一ic中的竖直或水平霍尔传感器的组合允许该电路提供传感器输出信令(signaling)，其表示通过360°的实际旋转和/或3d位置感测，其中竖直和水平霍尔传感器与一个或多个amr传感器组合。所公开的集成电路示例可以用于各种应用中，包括转向、离合器致动、排气再循环、车辆踏板位置感测、变速器油泵位置感测、节气门位置感测、电子稳定性控制、底盘高度检测以及其它基于车辆的应用，以及用于便携式电话或其他用户装置中的倾斜角度检测、机器控制应用等。在这些和其它应用中，所公开的解决方案在单个集成电路中提供紧凑的感测装置，而没有与多个分立传感器在印刷电路板(pcb)上的常规安装相关联的机械复杂性和成本。

与在电路板上安装多个分立传感器相比，在硅晶片或其它衬底上的完全集成提供了横向和竖直的更小形状因子，并且所公开的解决方案有助于显著降低制造成本。此外，作为单个集成电路制造工艺的一部分，霍尔传感器和磁阻传感器的制造提供了对相对传感器布置的更精确控制，并且因此使由传感器布置或放置引起的误差最小化。

某些非限制性示例实施例提供了各向异性磁阻传感器和用于线性位置感测的竖直霍尔效应传感器的晶片级集成。其它示例提供了各向异性磁阻传感器、竖直霍尔效应传感器和用于3d位置感测的水平霍尔传感器的晶片级集成。进一步的图示实施例提供用于电子罗盘和其它应用的各向异性磁阻传感器和水平霍尔效应传感器的晶片级集成。此外，本公开提供了制造技术以促进在相同工艺流程中形成集成电路晶体管、霍尔元件和各向异性磁阻元件。

首先参考图1和图2a-2n，图1示出了使用硅晶片或衬底102构造的第一示例集成电路(ic)100，并且其包括一个或多个n沟道(例如nmos)晶体管108、p沟道(例如pmos)晶体管110、横向或水平霍尔传感器电路106以及一个或多个各向异性磁阻(amr)传感器182。在一个示例中，传感器架构直接制造在硅晶片衬底102上和/或硅晶片衬底102中，如图2a-2n所示。在不同的示例中可以使用其它衬底，诸如其它半导体晶片、绝缘体上硅(soi)衬底等。衬底102包括在图中沿着指示的横向“x”方向延伸的大致平坦的顶表面112，并且霍尔传感器电路106至少部分地形成在衬底102上或衬底102中。具体地，霍尔传感器电路106包括形成为衬底102的n掺杂区的霍尔板结构118。此外，在图示示例中，霍尔板结构118沿着图中的竖直或“z”方向至少部分地设置在amr传感器182下方。以这种方式，在一个或多个重要的霍尔效应传感器106处的一个amr传感器或多个amr传感器182的组合感测能力被紧密地集成，以通过检测集成电路100暴露于的磁场来促进位置和/或旋转感测。除了传感器106、182之外，ic100还包括至少部分地在衬底102上或衬底102中形成的一个或多个n沟道晶体管108和p沟道晶体管110，如图1所示。ic100包括金属化结构，该金属化结构在一个示例中包括预金属介电(pmd)层148以及设置在衬底顶表面112上方的一个或多个上覆层间介电(ild)金属化层160、170和180，其中amr传感器电路182形成在金属化结构中以感测平行于衬底102的顶表面112取向的磁场。

在图1-2n的示例中，ic100包括水平霍尔传感器106以感测垂直于衬底102的顶表面112取向的磁场。此外，在该实施方式中，第一和第二amr传感器182被提供在最上面金属化层182中以感测平行于衬底102的顶表面112的磁场，并且amr传感器182彼此偏移45°(例如，下面的图2n)。在组合中，amr传感器182和水平霍尔传感器106有利于单个ic100中的360°旋转感测。如下面结合图3a进一步描述的，另一非限制性示例包括与竖直霍尔传感器306组合的一对45°偏移的amr传感器182，以便同样在单个ic300中提供360°旋转感测。

图2a-2e示出形成图1的ic100中的晶体管108、110和水平霍尔传感器106的制造工艺。在一个示例中，该制造工艺使用包括p型半导体材料104的硅衬底102(例如硅晶片)，该p型半导体材料可以是硅晶片的顶部部分或者可以是在硅晶片102上形成的外延层。ic100可以包括设置在衬底102的顶表面112处的场氧化物114，以横向隔离组件和元件。场氧化物114可以具有浅沟槽隔离(sti)结构，如图1所示。可替代地，场氧化物114可以具有局部硅氧化(locos)结构。具有另一种结构的场氧化物也在本示例的范围内。

霍尔传感器106包括设置在衬底102中的第一n型隔离层120中的霍尔板118。霍尔板118的平均净掺杂剂密度，即霍尔板118中的n型掺杂剂和p型掺杂剂之间的差的平均值可以是例如4×10¹⁶cm^-3至1×10¹⁷cm^-3。霍尔板118的竖直厚度可以是0.5微米至1微米。平均净掺杂剂密度和厚度可以提供霍尔板118的850欧姆每方块至2500欧姆每方块的薄层电阻。霍尔板118的横向长度122可以是例如25微米至125微米。增加横向长度122可以提供来自霍尔板118的更高霍尔电压，这有利地提高了霍尔传感器106的灵敏度。减小横向长度122减小了ic100的尺寸，这有利地降低了制造成本。形成具有25微米至125微米的横向长度122的霍尔板118可以提供灵敏度和成本之间的期望平衡。霍尔传感器106包括设置在衬底102中并在霍尔板118上方延伸的第一浅p型阱124。第一浅p型阱124可以在场氧化物114下方延伸。各种结构可以被设置在霍尔板118上方的第一浅p型阱124中和/或上方。在本示例中，具有由场氧化物114的元件分离的p型区126的伪(dummy)有源区116可以形成在霍尔板118上方的第一浅p型阱124中，以在场氧化物114的形成期间通过氧化物化学机械抛光(cmp)工艺减小顶表面112的非平面性。到霍尔板118的电连接可以通过设置在衬底102中的第一浅n型阱130提供。图2m在下面示出了到霍尔板118的两个示例连接；附加的连接件可以在图2m的平面之外。第一浅n型阱130可以通过场氧化物114的元件与第一浅p型阱124横向分离。n型接触区132可以被设置在第一浅n型阱上方的衬底102中以减小对霍尔板118的电阻。金属硅化物128的元件可以设置在n型接触区132上方，以进一步减小对霍尔板118的电阻。

nmos晶体管108被设置于在衬底102中设置的第二浅p型阱134上方。作为同时形成的结果，霍尔传感器106的第一浅p型阱124和第二浅p型阱134具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。第二浅p型阱134被包含在第二n型隔离层136中。第二n型隔离层136可能邻接并紧挨着提供霍尔板118的第一n型隔离层120，如在图1中所示。可替代地，第二n型隔离层136可以与第一n型隔离层120分离。在任一情况下，作为同时形成的结果，第二n型隔离层136和第一n型隔离层120具有诸如磷的n型掺杂剂的基本相等分布。nmos晶体管108包括设置在第二浅p型阱134上方的nmos栅极结构138。nmos栅极结构138包括设置在衬底102的顶表面112上的栅极介电层、设置在该栅极介电层上的栅极以及可能设置在该栅极的侧表面上的栅极侧壁间隔物。nmos晶体管108包括设置在衬底102中的n沟道源极/漏极(nsd)区140，该nsd区104与nmos栅极结构138相邻并且部分地从下面露出。作为同时形成的结果，霍尔传感器106的n型接触区132和nsd区140可以具有n型掺杂剂(诸如磷和砷)的基本相等分布。金属硅化物128的元件可以被设置在nsd区140上以减小对nmos晶体管108的电阻。

pmos晶体管110设置于在衬底102中设置的第二浅n型阱142上方。作为同时形成的结果，霍尔传感器106的第一浅n型阱130和第二浅n型阱142可以具有诸如磷的n型掺杂剂的基本相等分布。pmos晶体管110包括设置在第二浅n型阱142上方的pmos栅极结构144。pmos栅极结构144包括设置在衬底102的顶表面112上的栅极介电层、设置在该栅极介电层上的栅极以及可能设置在栅极的侧表面上的栅极侧壁间隔物。pmos晶体管110包括设置在衬底102中的p沟道源极/漏极(psd)区146，该psd区146与pmos栅极结构144相邻并且部分地从下面露出。作为同时形成的结果，霍尔传感器106的p型区126和psd区146可以具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。金属硅化物128的元件可以被设置在psd区146上，以减小对pmos晶体管110的电阻。

预金属介电(pmd)层148被设置在衬底102的顶表面112上方。pmd层148及其接触件150可以被认为是ic100的金属化结构的一部分。pmd层148可以包括一个或多个介电材料子层，例如在衬底顶表面112上的氮化硅的pmd衬垫、由使用原硅酸四乙酯(teos)和臭氧的高密度等离子体或化学气相沉积(cvd)工艺形成的二氧化硅基材料层、诸如磷硅玻璃(psg)或硼磷硅玻璃(bpsg)的二氧化硅基材料层以及氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氮化硅的覆盖层。通过pmd层148形成接触件150以便与金属硅化物128接触。接触件150可以具有为钛和氮化钛的金属衬垫以及为钨的填充金属。在图1中未示出的金属互连层和介电材料层被设置在pmd层148上方，以提供ic100的部件之间的电连接。

增加第二n型隔离层136的平均净掺杂剂密度提供了nmos晶体管108与p型半导体材料104之间的更好电隔离，而降低第一n型隔离层120的平均净掺杂剂密度提供了霍尔传感器106的更高灵敏度。形成第一n型隔离层120和第二n型隔离层136以具有5×10¹⁶cm^-3至1×10¹⁷cm^-3的平均净掺杂剂密度以及0.5微米至1微米的厚度将有利地为nmos晶体管108提供期望的隔离水平，并且提供霍尔传感器106的期望灵敏度。设置在霍尔板118上方并与霍尔板118接触的第一浅p型阱124使有利的操作模式可行。在ic100的操作期间，可以将偏置电压施加到第一浅p型阱124，以反向偏置第一浅p型阱124和霍尔板118之间的pn结，这可以有利地增加霍尔传感器106的灵敏度。例如，第一浅p型阱124可以电耦合到衬底102的p型半导体材料104以及施加到霍尔板118的正电压。可替代地，第一浅p型阱124可以是浮置的，为霍尔传感器106提供简化的结构。

参考图2a，包括限定伪(dummy)有源区116的场氧化物114的元件的场氧化物114形成在衬底102的顶表面112处。在本示例的一个版本中，场氧化物114可以由sti工艺形成，该sti工艺包括在衬底102中蚀刻隔离沟槽，用介电材料填充沟槽，以及使用氧化物cmp工艺去除多余的介电材料。在本示例的另一版本中，场氧化物114可以通过locos工艺形成，该locos工艺包括在衬底102的顶表面112上方图案化氮化硅层以暴露出场氧化物114的区域，通过热氧化工艺形成场氧化物114，以及随后去除氮化硅层。

在衬底102上方形成隔离掩模156，以暴露出第一n型隔离层120的区域和第二n型隔离层136的区域。隔离掩模156可以包括通过光刻工艺形成的光致抗蚀剂，并且可以可选地包括抗反射层，诸如底部抗反射涂层(barc)。在本示例中，用于霍尔传感器106的区域和用于nmos晶体管108的区域是相邻的，因此隔离掩模156暴露出用于提供霍尔板118的第一n型隔离层120和在nmos晶体管108下方的第二n型隔离层136的邻接区域。隔离掩模156覆盖用于pmos晶体管110的区域。诸如磷的n型掺杂剂被注入到由隔离掩模156暴露的衬底102中；隔离掩模156将n型掺杂剂与衬底102遮挡开。可以例如在1000千电子伏(kev)至2000kev下以5×10¹²cm^-2至2×10¹³cm^-2的剂量注入n型掺杂剂。随后例如通过灰化工艺和随后的湿法清洗工艺来去除隔离掩模156。通过退火工艺激活注入的n型掺杂剂，以形成第一n型隔离层120和第二n型隔离层136。退火工艺可以包括炉退火工艺或快速热退火工艺。炉退火工艺可以包括从850℃的温度持续120分钟到950℃的温度持续10分钟的退火条件范围。快速热退火工艺可以包括在快速热处理器(rtp)工具中从1000℃的温度持续60秒到1100℃的温度持续20秒的退火条件范围。退火工艺可以在注入n型掺杂剂之后并且在任何后续注入之前执行，或者可以在注入额外的n型掺杂剂以形成图1的浅n型阱130和142之后并且在注入p型掺杂剂以形成图1的浅p型阱124和134之后执行。与独立形成n型隔离层相比，同时形成第二n型隔离层136和第一n型隔离层120可以有利地降低ic100的制造成本和复杂性。

参考图2b，在衬底102上方形成p型阱掩模158，以便暴露出用于霍尔传感器106中的第一浅p型阱124和nmos晶体管108下方的第二浅p型阱134的区域。p型阱掩模158覆盖用于pmos晶体管110的区域。p型阱掩模158可以包括通过光刻工艺形成的光致抗蚀剂，并且可以可选地包括抗反射层，诸如barc。将诸如硼的p型掺杂剂注入到衬底102中由p型阱掩模158暴露出的区域。p型阱掩模158将p型掺杂剂与衬底102遮挡开。可以例如在200千电子伏(kev)至500kev下以2×10¹³cm^-2至5×10¹³cm^-2的剂量注入p型掺杂剂。可以以较低能量注入附加p型掺杂剂，例如以便提供用于nmos晶体管108的穿通孔、沟道止挡件和阈值调整层。随后移除p型阱掩模158，例如如参考图2a的隔离掩模156所描述的。注入的p型掺杂物通过退火工艺被激活以形成第一浅p型阱124和第二浅p型阱134。第一浅p型阱124延伸到霍尔板118。该退火工艺可以是例如如参考图2a所描述的炉退火工艺或快速热退火工艺。该退火工艺可以是与用于激活在第一n型隔离层120和第二n型隔离层136中注入的n型掺杂剂相同的退火工艺，或者可以是单独的退火工艺。与独立形成浅p型阱相比，同时形成霍尔传感器106的第一浅p型阱124和在nmos晶体管108下方的第二浅p型阱134可以有利地进一步降低ic100的制造成本和复杂性。

参考图2c，在衬底102上方形成n型阱掩模160，以便暴露出用于霍尔传感器106中的第一浅n型阱130和在pmos晶体管110下方的第二浅n型阱142的区域。n型阱掩模160覆盖用于nmos晶体管108的区域。n型阱掩模160可以类似于图2b的p型阱掩模158形成。将诸如磷的n型掺杂剂注入到衬底102中由n型阱掩模160暴露出的区域。n型阱掩模160将n型掺杂剂与衬底102遮挡开。可以例如在400千电子伏(kev)至750kev下以2×10¹³cm^-2至8×10¹³cm^-2的剂量注入n型掺杂剂。可以以较低能量注入诸如磷和砷的附加n型掺杂剂，例如以便提供用于pmos晶体管110的穿通孔、沟道止挡件和阈值调整层。例如如参考图2a的隔离掩模156所描述的，随后移除n型阱掩模160。注入的n型掺杂剂通过退火工艺被激活以形成第一浅n型阱130和第二浅n型阱142。该退火工艺可以是例如如参考图2a所描述的炉退火工艺或快速热退火工艺。该退火工艺可以是与用于激活在第一浅p型阱124和第二浅p型阱134中注入的p型掺杂剂相同的退火工艺，或者可以是单独的退火工艺。与独立形成浅n型阱相比，同时形成霍尔传感器106的第一浅n型阱130与在pmos晶体管110下方的第二浅n型阱142可以有利地进一步降低ic100的制造成本和复杂性。

参考图2d，nmos晶体管108的nmos栅极结构138和pmos晶体管110的pmos栅极结构144形成在衬底102上。在图2c中未示出的n型漏极延伸部可以形成在衬底102中与nmos栅极结构138相邻，并且在图2c中未示出的p型漏极延伸部可以形成在衬底102中与pmos栅极结构144相邻。在衬底102上方形成nsd(n源极/漏极)掩模162，以便暴露出用于霍尔传感器106中的n型接触区132和nmos晶体管108的nsd区140的区域。nsd掩模162覆盖用于pmos晶体管110的区域。nsd掩模162可以包括通过光刻工艺形成的光致抗蚀剂，并且可以包括诸如barc的抗反射层。将n型掺杂剂(诸如磷和砷以及可能为锑)注入到衬底102中由nsd掩模162暴露出的区域。nsd掩模162将n型掺杂剂与衬底102遮挡开。n型掺杂剂可以在多于一个注入步骤中以注入能量范围例如为20kev至60kev并且以1×10¹⁵cm^-2至4×10¹⁵cm^-2的总剂量注入。例如如参考图2a的隔离掩模156所描述的，nsd掩模162随后被去除。注入的n型掺杂剂通过退火工艺被激活以形成n型接触区132和nsd区140。该退火工艺可以是例如参考图2a描述的快速热退火工艺或闪速退火工艺。示例性闪速退火工艺使用辐射能量将顶表面112处的衬底102加热到1200℃至1250℃的温度持续1毫秒至5毫秒。与独立形成n型区相比，同时形成霍尔传感器106的n型接触区132与nmos晶体管108的nsd区140可以有利地进一步降低ic100的制造成本和复杂性。

参考图2e，在衬底102上方形成psd(p源极/漏极)掩模164，以便暴露出用于霍尔传感器106中的p型区126和pmos晶体管110的psd区146的区域。psd掩模164覆盖用于nmos晶体管108的区域。psd掩模164可以类似于图2d的nsd掩模162形成。将p型掺杂剂(诸如硼和镓以及可能为铟)注入到衬底102中由psd掩模164暴露出的区域。psd掩模164将p型掺杂剂与衬底102遮挡开。p型掺杂剂可以在多于一个注入步骤中以注入能量范围例如为3kev至20kev并且以1×10¹⁵cm^-2至4×10¹⁵cm^-2的总剂量注入。例如如参考图2a的隔离掩模156所描述的，psd掩模164随后被去除。注入的p型掺杂剂通过退火工艺被激活以形成p型区126和psd区146。该退火工艺可以是例如快速热退火工艺或闪速退火工艺，并且可以与用于n型接触区132和nsd区140的退火工艺同时执行。与独立形成p型区相比，同时形成霍尔传感器106的p型区126与pmos晶体管110的psd区146可以有利地进一步降低ic100的制造成本和复杂性。

和参考图1与图2a至图2e所公开的相类似的霍尔传感器可以通过适当地改变掺杂剂的极性和导电类型而由p型霍尔板(未示出)形成。

参考图2f-2l，制造工艺继续形成包括pmd层148和一个或多个附加金属化层的金属化结构，其中一个或多个amr传感器182形成在这些金属化层中的一个金属化层中。如在图2f中可见，在衬底102的顶表面112处的暴露的半导体材料上形成金属硅化物128。在图2g中，形成pmd层148和接触件150以提供到晶体管层结构的互连和到水平霍尔传感器106的连接。图2h示出了在形成包括层间介电质(ild)148的金属化层160之后的ic100，其中图案化的第一金属结构162接触或电耦合一个或多个pmd层接触件150，并且导电接触件164延伸到ild148的顶部。此外，在该示例中形成第二金属层，其包括ild材料170、图案化的金属结构172以及接触件174。在图2i中，最终或最上面的金属化层的制造从图案化的导电金属结构182的制造开始。在一个示例中，氮化钛(tin)层194形成在结构182的顶部处，如图2i所示。在图2j中继续，顶部ild材料层180a的第一部分形成为覆盖金属化层170和结构182、194的顶部。钨(w)通孔192形成为接触amr传感器结构182、194上方的氮化钛层194的一些部分。

参考图2k，在一个示例中使用薄膜电阻器(tfr)类型的工艺来形成用于多个amr节段184中的每个amr节段的amr传感器堆叠。在该示例中，形成八个这样的节段结构184，包括经由金属化结构互连以形成桥接电路的两组四个节段184。如在图2k中可见，各个amr节段184平行于衬底102的顶表面112从第一节段端(例如，图2k中的左侧)延伸到第二节段端(例如，图2k中的右侧)。各个amr节段184包括氮化钽(tan)基底层186，该基底层186与靠近第一节段端的一个或多个通孔192电耦合，并且该基底层186与靠近第二节段端的一个或多个通孔192电耦合。在其它示例(例如，下文的图4和图5)中，基底层186可以形成在氮化钛层194的一些部分上方，并且可以省略通孔192。amr节段堆叠184进一步包括在基底层186的至少一部分上方延伸的镍铁(nife)合金层188以及在镍铁合金层188的至少一部分上方延伸的氮化铝(aln)层190。在一个示例中，钨通孔192的使用和堆叠184的形成将两个掩模添加到制造工艺。在实践中，基底层186起到籽晶层的作用以促进镍铁合金(111)晶体织构，并且提供防止镍铁合金层188氧化或发生化学反应的保护。由于籽晶层或基底层186可能需要是电阻性的，因此在某些实施例中优选使基底层186的厚度最小化，同时保持增强镍铁(111)晶体织构的益处。镍铁合金层提供磁阻(mr)效应的来源，并且优选使通过层188的电流最大化，其中一种合适的材料是重量百分比合金材料ni82fe18。氮化铝层190起到覆盖层的作用以保护镍铁合金188免受氧化或化学反应，并且在操作中不需要是导电的。因为从amr堆叠184的底部进行电连接，所以可以使用非金属层190(例如，氮化铝)，从而减轻通过层190的电流分流。

现在参考图2l，通过添加另外的ild材料180来完成顶部金属化层，并且可以在ic100的上侧上设置一个或多个钝化层或结构或处理器并形成最终外部焊盘或接触件，以便提供到主印刷电路板(未示出)等的互连。

现在参考图2m，其示出了ic100的一部分，示意性地显示了水平霍尔传感器106与相关联的霍尔传感器电路系统(包括电流源152和电压传感器或读出器(例如，放大器电路)154)的互连，以感测霍尔板上的霍尔电压。在该示例中，霍尔传感器106包括四个端子或连接件t1、t2、t3和t4，其中t1和t3连接到电流源152以经由对应的接触件150和n型接触区132向霍尔板118提供电流i。在本示例中，电压读出器154通过在图2m的平面之外的其它接触件150与霍尔传感器106电耦合。在ic100的操作期间，电流源152提供穿过霍尔板118的电流i，并且电压读出器154感测霍尔板118上的霍尔电压，该霍尔电压是穿过霍尔板118的磁场的函数并且提供作为霍尔电压的函数的电输出。在ic100中提供电流源152和电压读出器154中的至少一个可以有利地降低包括ic100的系统的成本和复杂性。在一个示例中，电流源152和电压读出器154使用晶体管以及在ic100中的晶体管的制造期间形成的其它电路部件(例如，电阻器、电容器等)来构建，并且ic100可以提供外部可接近(accessible)的引脚或焊盘(未示出)，以允许主机电路从电压读出器154接收所感测的霍尔电压。此外，在该示例中在衬底102上或衬底102中创建晶体管和霍尔传感器106的工艺还包括制造与一个或多个amr传感器182相关联的其它电路系统，例如包括在金属化结构中将各个amr节段彼此互连以形成一个或多个桥接电路的连接件或接触件，以及为桥接电路供电的电压源和感测一个或多个桥接电压以提供amr传感器输出信号的电压读出器，这可以被互连以用于主机pcb的外部可接近性(accessibility)。

参考图2n，其示出了示例ic100的俯视图，其中最上面的金属化层180包括第一amr传感器结构182a和第二amr传感器结构182b。如在图2n中可见，霍尔传感器106的电压感测连接件t2和t4在ic100中沿“y”方向横向设置，并且在该示例中电流源连接端子t1和t3沿“x”方向纵向设置。以此方式，霍尔传感器106是适于感测垂直于衬底102的顶表面112取向的磁场的水平霍尔传感器结构。此外，本示例中的各个amr传感器182a和182b包括分别形成为上述图1、图2k和图2l中所示的堆叠184的至少四个amr节段184。传感器182a和182b的节段184彼此成角度偏移45°。在这种情况下，第一amr传感器182a和第二amr传感器182b对平行于衬底102的顶表面112取向的磁场敏感，并且来自对应的第一和第二桥接电路的信号提供用于旋转感测的180°的范围。与对垂直于顶表面112的磁场敏感的水平霍尔传感器电路106组合，主机系统可以使用来自两个amr传感器桥接电路和霍尔传感器106的信号检测360°的旋转。此外，可以使用半导体制造工艺将amr传感器182的45°角偏移以及传感器182相对于霍尔传感器106的感测方向的垂直取向精确地控制到如过去所做的使用机械工具控制两个或更多个分立传感器的相对取向所不可行或不可能的程度。因此，一个或多个霍尔传感器106与本公开的一个或多个amr传感器182的晶片级集成相对于常规旋转和/或位置感测技术提供了显著的优点。

参考图3a-3c，其示出了另一示例ic300，其包括竖直霍尔传感器306和一个或多个amr传感器182。在该示例中，如上面结合2f-2l所描述的那样制造ic300中的amr传感器182，包括传感器182a和182b，其中节段184彼此偏移45°以形成两个独立的桥接电路。ic300具有包括p型半导体材料304的衬底302。如图3a所示，ic300包括用于感测平行于衬底302的顶表面312取向的磁场的竖直霍尔传感器306，以及nmos晶体管308和pmos晶体管310。ic300可以包括设置在衬底302的顶表面312处的场氧化物314，以横向隔离部件和元件。竖直霍尔传感器306包括设置在衬底302中的第一n型隔离层320中的霍尔板318。霍尔板318的平均净掺杂剂密度可以是例如5×10¹⁶cm^-3至1×10¹⁷cm^-3。霍尔板318的厚度可以是0.5微米至1微米。该平均净掺杂剂密度和该厚度可以提供霍尔板318的850欧姆每方块至2500欧姆每方块的薄层电阻。用于竖直霍尔传感器的霍尔板318的横向长度322可以是例如50微米至125微米。形成具有50微米至125微米的横向长度322的霍尔板318可以提供灵敏度和成本之间的期望平衡。霍尔传感器306包括设置在衬底302中并且延伸到霍尔板318上方的第一浅p型阱324。第一浅p型阱324可以在场氧化物314下方延伸并且可能在图3a的平面之外的位置处与其邻接。如参考图1的第一浅p型阱124所描述的，第一浅p型阱324可以是偏置的或浮置的，以获得其中公开的优点。各种结构可以设置在霍尔板318上方的第一浅p型阱324中和/或上方。在本示例中，p型区326可以设置在第一浅p型阱324中，并且硅化物阻挡介电层366设置在p型区326上方。至霍尔板318的电连接可以由设置在衬底302中的第一浅n型阱330提供。图3a描绘了用于将电流源352和电压读出器354电连接到霍尔板318以形成竖直霍尔传感器电路的四个示例性连接件或端子t1-t4。霍尔传感器306可以包括附加的连接件。第一浅n型阱330可以通过场氧化物314的元件与第一浅p型阱324横向分离。n型接触区332可以设置在第一浅n型阱330上方的衬底302中以减小对霍尔板318的电阻。金属硅化物328的元件可以设置在n型接触区332上方，以进一步减小对霍尔板318的电阻。

nmos晶体管308设置于在衬底302中设置的第二浅p型阱334上方。例如如参考图2b所述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的第一浅p型阱324和第二浅p型阱334具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。第二浅p型阱334被包含在第二n型隔离层336中，该第二n型隔离层336可以与提供如图3a所描绘的霍尔板318的第一n型隔离层320分离。可替代地，如参考图1所描述的，第二浅p型阱334可以被包含在提供霍尔板318的公共n型隔离层中。在任一情况下，如参考图2a所描述的，作为同时形成的结果，包含第二浅p型阱334的第二n型隔离层336和提供霍尔板318的第一n型隔离层320具有诸如磷的n型掺杂剂的基本相等分布。类似于参考图1描述的，nmos晶体管308包括设置在第二浅p型阱334上方的nmos栅极结构338和设置在衬底302中与nmos栅极结构338相邻且部分地从下面伸出的nsd区340。例如如参考图2d所描述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的n型接触区332和nsd区340可以具有诸如磷和砷的n型掺杂剂的基本相等分布。金属硅化物328的元件可以设置在nsd区340上以减小对nmos晶体管308的电阻。

pmos晶体管310设置于在衬底302中设置的第二浅n型阱342上方。例如如参考图2c所描述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的第一浅n型阱330和第二浅n型阱342可以具有诸如磷的n型掺杂剂的基本相等分布。类似于参考图1所描述的，pmos晶体管310包括pmos栅极结构344和设置在衬底302中与pmos栅极结构344相邻且部分地从下面伸出的psd区346。例如如参考图2e所描述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的p型区326和psd区346可以具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。金属硅化物328的元件可以设置在psd区346上以减小对pmos晶体管310的电阻。

ic300还可以包括提供与p型半导体材料304的电连接的衬底接头(tap)368。衬底接头368包括设置在衬底302中的第三浅p型阱370。例如如参考图2b所描述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的第一浅p型阱324和第三浅p型阱370具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。衬底接头368还包括设置在第三浅p型阱370中的p型接触区372。例如如参考图2e所述的，作为同时形成的结果，霍尔传感器306的p型区326和p型接触区372可以具有诸如硼的p型掺杂剂的基本相等分布。金属硅化物328的元件可以设置在p型接触区372上，以减小对p型半导体材料304的电阻。类似于参考图3a所公开的霍尔传感器通过掺杂剂的极性和导电类型的适当改变可以形成有p型霍尔板。

如图3b中进一步所示，例如如参考图1所描述的pmd层348和接触件350设置在衬底302的顶表面312上方。金属互连和介电材料的金属化层160、170和180设置在pmd层348上方，以提供ic300的部件之间的电连接，如结合图1在上面大体描述的。另外，该金属化结构包括如前所述的一个或多个amr传感器182。在操作中，电流源352(图3a)电耦合到霍尔传感器306，并且电压读出器354电耦合到霍尔传感器306。在操作中，电流源352提供穿过霍尔板318的电流，并且电压读出器354感测霍尔板318上的霍尔电压，该霍尔电压是穿过平行于衬底302的顶表面312取向的霍尔板318的磁场的函数，并且霍尔板318提供由电压读出器354感测的电输出以提供作为霍尔电压的函数的输出信号。

如在图3c中进一步所示，竖直霍尔传感器306与第一amr传感器182a和第二amr传感器182b组合，并且来自45°偏移的传感器182的桥接电路输出信号可以用于提供180°的旋转感测范围，其与由竖直霍尔传感器电路306提供的电压输出的极性检测结合以使用ic300产生360°旋转感测的能力。

参考图4，另一示例ic400包括如上面结合图1所述的水平霍尔传感器106以及另一个示例amr传感器182。与上面图1的示例不同，图4中的amr传感器182不包括通孔，其中基底层186(例如，氮化钽)直接接触相关联的金属结构182的氮化钛层194。因为电连接由ic400中的amr堆叠184的底部形成，所以可以使用非金属层190(例如，氮化铝)，从而减轻通过层190的电流分流。

图5示出了包括如前所述的水平霍尔传感器106以及另一示例amr传感器182的另一示例ic500。在该示例中，一个或多个amr传感器182形成在第二金属化层170中并且电耦合到金属化结构181和上金属层180。amr传感器节段184如上面结合图2k所描述的那样构造，其包括基底层186(氮化钽)、在基底层186的至少一部分上方延伸的镍铁合金层188以及在镍铁合金层188的至少一部分上方延伸的氮化铝覆盖层190。在这种情况下，如图5中所示，基底层186的端部形成在第二金属层170中的氮化钛特征件194上方，并且氮化钛特征件194通过第二金属层170中的钨通孔结构192与顶部金属层180中的结构181电耦合。与上述amr传感器堆叠示例一样，使用非金属覆盖层190避免或减轻了经过覆盖层190的电流分流，其中电连接由amr堆叠184的底部形成。

在图4和图5的示例中，如上面结合图1所描述，水平霍尔传感器106被提供在衬底102上或衬底102中，尽管在其它示例中可以替代地使用竖直霍尔传感器(例如上面的传感器306)或者可以提供竖直和水平霍尔传感器的组合。当竖直霍尔传感器与水平霍尔传感器和磁阻传感器组合时，使用ic100的3d位置感测也是可能的。此外，在某些示例中amr传感器182可以被构造成形成两个单独的amr桥接电路，如前所述这两个amr桥接电路彼此偏移45°，或者在各种替代实施方式中多个霍尔传感器(例如，竖直和/或水平)可以与单个amr传感器182组合。

图6提供图示说明可用于制作所公开的ic示例100、300、400、500中的一个或多个的示例ic制造方法604的流程图。在图6的602处，提供衬底，诸如上述衬底102、302。在604处，例如使用上述工艺技术在衬底中形成霍尔板，以形成霍尔板结构118、318，其中霍尔板118、318平行于衬底的顶表面(例如，112，312)延伸。在606处，在衬底102、302上或衬底102、302中形成霍尔传感器结构和霍尔传感器接口电路，并且在608处，在衬底102、302上或衬底102、302中形成n晶体管和p晶体管。在610处，形成预金属电介质(pmd)并且形成相关联的接触件，诸如在上述示例中的pmd层148和相关联的接触件150。在612处，形成一个或多个金属化层，诸如上述的金属层160、170和180。在图6中的614处，在金属化结构中形成一个或多个磁阻传感器(例如，amr传感器182)。在一个示例中，在614处，如先前所述，该一个amr传感器或多个amr传感器可以形成在金属化结构146、160、170、180的顶部金属化层180中。在各种实施方式中，在614处，如上文所述，可以形成amr传感器电路182，包括连接在桥接电路中的多个amr传感器节段184，其中各个amr节段184平行于衬底102、302的顶表面112、312延伸。可以在614处形成任何合适的磁阻节段结构，包括上面描述的amr节段堆叠184，所述amr节段堆叠184包括基底层(例如，氮化钽)、在基底层的至少一部分上方延伸以提供磁阻导电部的镍铁合金层188以及覆盖层190(例如，氮化铝)，其具有合适的电耦合件以连结amr传感器节段184的相应端以形成一个或多个桥接电路。在额外的某些实施方式中，amr传感器电路182形成于在604、606处形成的霍尔效应传感器电路的至少部分上方的金属化结构中。

现在参考图7和图8，图7示出了先前结合图3a-3c描述的ic300的进一步细节，其包括竖直霍尔传感器306和一对45°偏移的amr传感器182a和182b，其中amr传感器182基本上形成在霍尔效应传感器306上方。图8提供了示出分别来自图7中的amr传感器、桥接电路182b和182a的传感器电压信号802和804以及来自图7的ic300中的竖直霍尔传感器306的传感器电压输出信号波形806的曲线图800。在该示例中，amr传感器182a和182b的两个wheatstone桥接电路在ic300的x-y平面中彼此偏移45°，从而提供180°旋转的高精度检测。由竖直霍尔效应传感器306提供的附加极性信息(图8中的曲线806)与amr传感器182a和182b的180°旋转检测范围结合，以有利于以高精度检测完全360°的旋转范围。

图9示出了包括竖直霍尔传感器306和水平霍尔传感器106的另一示例ic900。在这种情况下，竖直霍尔传感器306感测平行于ic的衬底的顶表面取向的磁场，在这种情况下磁场平行于图9所示的xy平面。水平霍尔传感器106可操作以感测垂直于衬底的顶表面取向的磁场，在这种情况下磁场垂直于图9中所示的x-y平面。

现在参考图10和图11，图10示出了另一示例ic1000的简化示意性俯视图，其包括彼此偏移45°的第一amr传感器桥接电路182a和第二amr传感器桥接电路182b，并且提供平行于衬底的顶表面(在这种情况下平行于图10中所示的xy平面)取向的磁场的磁阻感测。该示例还包括第一竖直霍尔传感器306a和第二竖直霍尔传感器306b，每个竖直霍尔传感器能够感测平行于衬底的顶表面取向的磁场。在这种情况下，第一霍尔传感器306a对“x”方向上的磁场敏感，并且第二竖直霍尔传感器306b对在图10中所示的“y”方向上取向的磁场敏感。图11提供示出分别对应于图10中的传感器182b和182a的amr传感器输出信号1102和1104的曲线图1100。曲线图1100进一步示出了分别对应于图10中所示的第一霍尔传感器306a和第二霍尔传感器306b的第一霍尔传感器输出信号波形1106和第二霍尔传感器输出信号波形1108。在这种情况下，使用两个竖直霍尔传感器306在输出信号1102-1108之前提供从45°到135°并且再次从225°到315°的用于旋转感测的第一霍尔传感器输出信号1106。第二霍尔传感器输出信号1108从135°至225°并且再次从315°至45°被使用。此外，在某些实施方式中，霍尔传感器306a和306b可以在某些示例中基本上形成在amr传感器182a和182b下方。

图12和图13示出了具有五个接触件的示例性竖直霍尔传感器结构1206。在该示例中，霍尔传感器1206形成在具有一个或多个磁阻传感器(在图12和图13中未示出，但是如上面例如在图1、图2l、图2n、图3b、图3c、图4、图5和图7所示)的ic1200中的外延硅衬底1202上或外延硅衬底中。使用磷或其它n型掺杂剂和掩模(未示出)注入外延硅衬底1202以形成深n阱1204。在该外延示例中的n阱掺杂可以小于上述示例中使用的掺杂，诸如约2×10¹⁵cm^-3。通过使用相应的第二注入掩模(未示出)注入至少部分地围绕阱1204的横向外围的硼或其它p型掺杂剂形成浅p阱1205。如图12所示，使用合适的注入工艺和掩模(未示出)注入n+区1208并且将p+区1210注入到衬底1202的上部中。在该结构上方沉积pmd层1212。穿过pmd材料1212形成接触件1214以便接触一些区域1208和1210。图12进一步示出了包括竖直霍尔传感器端子t1-t4的第一金属化层金属结构1216。在一个非限制性示例中，电流源(例如，上述的电流源，在图12中未示出)连接在t1和t3之间并且电压读出器(例如，上述传感器154，在图12中未示出)感测t2和t4之间的电压。然后如上所述在另外的金属化层(未示出)中制造一个或多个磁阻传感器。在该示例中，深n阱1204用作霍尔板结构。

图14和图15示出了形成在ic1400中的外延硅衬底1402上或外延硅衬底1402中的另一示例竖直霍尔传感器结构1406，其具有一个或多个磁阻传感器(图14和图15中未示出，但是例如在图1、图2l、图2n、图3b、图3c、图4、图5和图7中所示并且如上所述)。在该示例中，霍尔传感器1406包括在多个深阱1404中形成的多个对称元件。使用磷或其它n型掺杂剂和掩模(未示出)对衬底1402进行注入以形成多个深n阱1404，这些深n阱1404各自作为霍尔板结构操作。在图14的示例中，形成四个深n阱1404。通过使用第二注入掩模(未示出)注入至少部分地围绕n阱1404的横向外围的硼或其它p型掺杂剂来形成浅p阱1405。使用适当的注入工艺和掩模(未示出)注入n+区1408并且将p+区1410注入到衬底1402的上部中。pmd层1412沉积在该结构上方。穿过pmd材料1412形成接触件1414以接触一些区域1408和1410。形成第一金属化层金属结构1416，其包括竖直霍尔传感器端子t1-t4。在一个非限制性示例中，例如如上所述，电流源(图14中未示出)连接在t1和t3之间，并且电压读出器(未示出)感测t2和t4之间的电压。然后如上面所描述，在另外的金属化层中制造一个或多个磁阻传感器。

现在转到图16和图17，另一个示例垂直霍尔结构1606形成在具有一个或多个磁阻传感器(未示出，但是如上所述并例如图1、图2l、图2n、图3b、图3c、图4、图5和图7所示)的ic1600中的外延硅衬底1602上或外延硅衬底1602中。在该示例中，霍尔传感器1606包括六个接触件和四个端子t1-t4。使用磷或其它n型掺杂剂和掩模(未示出)对衬底1602进行注入以形成深n阱1604，以便操作为传感器1606的霍尔板。浅p阱1405通过使用第二注入掩模(未示出)注入至少部分地围绕n阱1604的横向外围的硼或其它p型掺杂剂来形成。使用适当的注入工艺和掩模(未示出)注入用于端子t1-t4的n+区1608，并且注入p+区1610。在该结构上方形成pmd层1612，并且穿过pmd层1612形成接触件1614以接触一些区域1608和1610。第一金属化层金属结构1416包括用于连接到电流源(未示出，例如，t1和t3)和电压读出器(未示出，t2和t4)的竖直霍尔传感器端子t1-t4，例如如上面所描述。然后如上面所描述在另外的金属化层(未示出)中制造一个或多个磁阻传感器。

可以使用其它示例竖直霍尔结构，诸如在衬底上和/或衬底中形成的圆形或l形霍尔传感器。

图18和图19示出了在具有一个或多个磁阻传感器的ic1800中的外延硅衬底1802上或外延硅衬底1802中形成的另一示例水平霍尔结构1806。该示例包括形成在深n阱1804中的霍尔板。一个或多个磁阻传感器(未示出，例如，如图1、图2l、图2n、图3b、图3c、图4、图5和图7所示)。水平霍尔传感器1806包括提供霍尔板的深n阱1804，该霍尔板通过使用注入掩模(未示出)使用磷或其它n型掺杂剂注入衬底1802而形成。通过使用第二注入掩模(未示出)注入至少部分地围绕n阱1804的横向外围的硼或其它p型掺杂剂来形成浅p阱1805，并且在用于传导来自电流源(未示出)的电流的端子t1和t3下方形成浅n阱1820。使用合适的注入工艺和掩模(未示出)将n+区1808注入到浅n阱1820内并且将p+区1810注入到衬底1802的上部中。在该结构上方沉积pmd层1812，并且穿过pmd材料1812形成接触件1814以接触一些区域1808和1810。形成第一金属化层金属结构1816，包括霍尔传感器端子t1-t4(图19中所示的用于连接到未示出的电压读出器的t2和t4)。然后如上面所描述在另外的金属化层中制造一个或多个磁阻传感器。

上述示例仅仅图示说明了本公开的各个方面的若干可能的实施例，其中在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员将容易想到等同的变化和/或修改。在权利要求的范围内，对所描述的实施例进行修改是可能的，并且其它实施例也是可能的。