基于平面工艺的GaAs基三维霍尔传感器及其生产工艺的制作方法

本发明涉及霍尔传感器技术领域，具体涉及一种基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器及其生产工艺。

背景技术：

磁传感器是许多应用领域不可或缺的一部分，在消费电子、工业自动化、汽车电子、医疗卫生系统等领域发挥着重要作用，是现代传感器产业的一个重要分支，为国家无论是经济建设还是国防建设都起着重要的作用。随着技术的不断发展，磁场传感技术已经由单一方向的一维传感发展到了空间三维传感，即可以同时探测空间三个相互正交方向上的磁场，从而确定三维空间中磁场的大小和方向。三维磁场传感器有着广泛的应用，例如地磁测量、环境干扰测量等，并且在导航系统中作为电子罗盘的重要传感元件被大量使用，是一些通信系统，如gps、移动电话等的重要部件。

霍尔传感器是磁传感器的重要成员，基于霍尔传感器的三维磁场传感具有很多优势，主要表现在成本低、精确度高、可检测磁场范围大等。而大多数三维霍尔传感器是以硅为基底的，其主要优点是成本低、与现代半导体工艺兼容性好，但磁场传感的灵敏度相对较低，且硅基底的三维霍尔传感器一般不能在一些极端温度下正常工作。随着化合物半导体的发展，以gaas为基底三维霍尔传感器具有更高的灵敏度和更好的温度特性，其整体性能优于硅基底的三维霍尔传感器，但目前以gaas为基底的三维霍尔传感器大多采用将多块霍尔单元正交的拼装，结构分别如图1和图2所示，采用这种拼装结构体积较大，而且不是平面工艺，不利于系统实现集成化。再如公开号us2017/345997a1的专利申请提出的一种金字塔形状的三维霍尔传感器，以及公告号cn104181475b的专利提出的一种需要双面加工工艺的三维霍尔传感器等，它们既不利于系统的集成化，且在工艺上实现较为复杂，受半导体工艺精度的限制，使得制备的三维霍尔传感器磁场传感的空间分辨率和磁场测量精度受到了一定的限制。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的之一在于提供基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器，体积小，工作温度范围宽，磁场传感准确性高。

第一方面，本发明实施例提供的基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲过渡层和第一有源层，所述第一有源层用于平行于衬底方向磁场的传感，所述衬底的材料采用半绝缘gaas，所述缓冲过渡层的材料采用p型重掺杂gaas,所述第一有源层的材料采用n型掺杂gaas，所述第一有源层设有接触电极。

可选地，接触电极由偏置输入电极、接地电极和电压输出电极组成。

可选地，还包括从下至上依次设置的隔离缓冲层和第二有源层，所述隔离缓冲层设置在第一有源层的上方，所述隔离缓冲层的材料采用不掺杂的gaas，所述第二有源层用于垂直于衬底方向磁场的传感，所述第二有源层的材料采用n型掺杂gaas，所述第二有源层与第一有源层的对应位置设有偏置输入电极、接地电极和电压输出电极且通过接触孔对应连接。

可选地，所述偏置输入电极设置在第一有源层、隔离缓冲层和第二有源层的正中央，所述偏置输入电极为正方形。

可选地，所述第二有源层整体呈“十”字形结构，所述“十”字形结构的交叉部位设置偏置输入电极，所述“十”字形结构的水平部分别为状结构，所述“十”字形结构的垂直部分别为“王”字形结构，所述偏置输入电极的宽度与“王”字形结构的横向部长度相同。

可选地，所述接地电极设置在远离偏置输入电极的“王”字形结构的横向部外边缘，所述电压输出电极设置在“王”字形结构中间的横向部的两端。

可选地，在所述第二有源层的上表面设有si3n4的钝化层。

第二方面，本发明实施例提供的一种基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的生产工艺，包括：

1)、在<111>晶向的半绝缘gaas衬底上通过外延工艺生长一层厚度为0.5μm～1.5μm的p型重掺杂的gaas作为缓冲过渡层；

2)、在缓冲过渡层的表面通过外延工艺生长一层厚度为5μm～10μm的n型掺杂的gaas作为第一有源层。

可选地，所述生产工艺还包括：

所述生产工艺还包括：

3)、在第一有源层的上表面中央做正方形掩膜处理，所在第一有源层的上表面进行硼离子注入，硼离子注入方向垂直于衬底，用于形成与其他器件的高阻隔离区；

4)、在做隔离处理后的第一有源层的表面通过外延工艺生长一层厚度为0.5μm～1.5μm的不掺杂的gaas作为隔离缓冲层；

5)、在隔离缓冲层的表面通过外延工艺生长一层厚度小于等于0.5μm的n型掺杂的gaas作为第二有源层，再进行快速热退火处理；

6)、在第二有源层上表面做用于制备“十字型”结构和状结构的掩膜处理，采用刻蚀工艺，对gaas材料向下刻蚀厚度为0.5μm，制备出“十”字型结构，所述“十”字形结构的水平部分别为状结构，所述“十”字形结构的垂直部分别为“王”字形结构；

7)、在所述步骤6)制得的第二有源层的上表面通过外延工艺生长一层厚度为3.5μm～4.0μm的si3n4作为钝化层；

8)、采用化学机械抛光工艺打磨钝化层表面，使钝化层表面平整，得到钝化层的厚度为2.0μm～2.5μm；

9)、在步骤8)得到的钝化层表面除去偏置输入电极、接地电极和电压输出电极的位置掩膜处理得到掩膜层，采用刻蚀工艺，对做掩膜处理后的钝化层进行刻蚀，向下刻蚀厚度为2.0μm～2.5μm，再对gaas进行刻蚀，向下刻蚀厚度为0.6μm～1.6μm，刻蚀出电极接触孔；

10)、在步骤9)中的掩膜层的基础上，采用电子束蒸发在电极接触孔中填充上金属材料，填充深度为2.6μm～4.1μm，形成偏置输入电极、接地电极和电压输出电极的接触电极；

11)、在步骤10)得到的器件上层做掩膜处理，采用电子束蒸发，在表面蒸镀上一层厚度为0.1μm～0.2μm的金属，作为顶部向外引出的电极，在顶部形成偏置输入电极、接地电极和电压输出电极。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供的三维霍尔传感器的有源区和衬底材料都采用gaas，其横向面积大约为30微米×30微米，与现有硅基的三维霍尔传感器相比体积更小，且可以在更宽的温度范围(0～200℃)保证磁场传感的准确性，其磁场传感的电压相关灵敏度大于0.13v/vt，电流相关灵敏度大于1000v/at，其磁场传感的灵敏度高于现有大多数si基或gaas基三维霍尔传感器。

本发明实施例的提供的基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的生产工艺实现简单，与现有的gaas平面工艺相兼容，且不需要复杂的几何拼装，且可以与其他外围器件或信号处理系统高度集成，大大提高了器件工作的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了现有技术中采用6块霍尔单元进行相互正交的拼装制备的三维霍尔传感器的结构示意图；

图2示出了现有技术中采用3块霍尔单元进行相互正交的拼装制备的三维霍尔传感器的结构示意图；

图3示出了本发明第一实施例提供的基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的立体图；

图4示出了图3的俯视图；

图5示出了沿着正中央对图3进行剖切得到的剖面图；

图6示出了沿着电极306和307正中央对图3进行剖切得到的剖面图；

图7示出了垂直霍尔传感器的原理图；

图8示出了对图3中所有电极进行编号的示意图；

图9示出了在第二有源层上设置钝化层500的器件结构示意图；

图10示出了具有接触电极的器件结构示意图；

图11示出了在第一有源层表面做掩膜处理得到的器件结构示意图；

图12示出了在图11所示的器件上生长一层隔离缓冲层得到的器件结构示意图；

图13示出了在图12所示的器件上生长第二有源层,再经过刻蚀工艺得到的器件结构示意图；

图14示出了在图13所示的器件上生长si3n4后化学机械抛光(cmp)的示意图；

图15示出了在图14所示的器件上的钝化层表面除去偏置输入电极、接地电极和电压输出电极的位置作掩膜处理得到的器件结构示意图；

图16示出了对图15所示的器件上的电极接触孔中填充上金属材料得到的器件结构示意图；

图17示出了对图16所示的器件做掩膜处理并在表面蒸镀金属得到的器件结构示意图；

图18示出了本发明实施例最终得到的三维霍尔传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图3、4所示，示出了本发明第一实施例提供的基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的结构示意图，包括从下至上依次设置的衬底100、缓冲过渡层101和第一有源层102，所述第一有源层102用于平行于衬底方向磁场的传感，所述衬底100的材料采用半绝缘gaas，所述缓冲过渡层101的材料采用p型重掺杂gaas,所述第一有源层102的材料采用n型掺杂gaas，所述第一有源层102设有偏置输入电极、接地电极和电压输出电极，还包括从下至上依次设置的隔离缓冲层103和第二有源层104，隔离缓冲层103设置在第一有源层的上方，隔离缓冲层103的材料采用不掺杂的gaas，第二有源层104用于垂直于衬底方向磁场的传感，第二有源层104的材料采用n型掺杂gaas，第二有源层104与第一有源层102的对应位置设有接地电极200、201、202、203、电压输出电极300、301、302、303、304、305、306、307和偏置输入电极400，并且第一有源层102的接地电极与第二有源层104的接地电极通过接触孔连接，第一有源层102的电压输出电极与第二有源层104的电压输出电极通过接触孔连接，第一有源层102的电压输出电极与第二有源层104的偏置电极通过接触孔连接。衬底100起机械支撑作用，缓冲过渡层101作为衬底100和第一有源层102的缓冲过渡层，隔离缓冲层103用于隔离第一有源层102和第二有源层104，用于减弱第一有源层和第二有源层的霍尔电压的相互耦合，第一有源层102主要用于平行于衬底方向磁场的传感，第二有源层104主要用于垂直于衬底方向磁场的传感。偏置输入电极400设置在第二有源层104的正中央，偏置输入电极400为正方形。如图5所示，示出了沿着整个三维霍尔传感器的正中央进行剖切得到的剖面图，如图6所示，示出了沿着电压输出电极306和307中央进行剖切得到的剖面图。本发明实施例中的三维霍尔传感器的有源区和衬底材料都采用gaas，其横向面积大约为30微米×30微米，与现有硅基的三维霍尔传感器相比体积更小，且可以在更宽的温度范围(0～200℃)保证磁场传感的准确性，其磁场传感的灵敏度高于现有大多数si基或gaas基三维霍尔传感器(磁场传感的电压相关灵敏度大于0.13v/vt，电流相关灵敏度大于1000v/at)。

第二有源层104整体呈“十”字形结构，“十”字形结构的交叉部位设置偏置输入电极，“十”字形结构的水平部分别为状结构，“十”字形结构的垂直部分别为“王”字形结构，偏置输入电极的宽度与“王”字形结构的横向部长度相同。接地电极设置在远离偏置输入电极的“王”字形结构的横向部外边缘，所述电压输出电极设置在“王”字形结构中间的横向部的两端。第一有源层102应用了垂直霍尔传感器的原理，如图7所示，在霍尔传感器中央施加偏执电流ibias或电压，在外加磁场b的作用下，由于霍尔效应，载流子将向不同的方向发生偏转，从而在电压输出电极一端输出电压vh⁺，另一端输出电压vh-，即在电压输出端产生霍尔电压。第二有源层104应用了水平霍尔传感器原理，第二有源层采用这样“十”字形结构极大的提高垂直于衬底方向磁场传感的灵敏度。

将接地电极200、201、202、203、电压输出电极300、301、302、303、304、305、306、307和偏置输入电极400依次编号成如图8所示，电极和在外加磁场的影响下，由于霍尔效应，将在电极①～⑧上产生不同的电压v1～vg，对于平行于衬底的磁场，产生的霍尔电压为

对于垂直于衬底的磁场，产生的霍尔电压为

又有

其中，i为偏置输入电极400上施加的偏置电流，t1为第一有源层102的厚度，t2为第二有源层104的厚度，为第一有源层102的霍尔系数，为第二有源层104的霍尔系数，gx，y为第一有源层102的几何校正因子，gz为第二有源层104的几何校正因子。

通过上述计算，可以根据各个电极上输出的电压得到不同方向上的磁场分量，再通过三个方向上的磁场矢量合成可以得到此时空间中的磁场大小和方向。

为了保护三维霍尔传感器以及减弱器件的表面态，如图9所示，在整体器件的表面加上一层si3n4作为钝化层，即在第二有源层104的上表面设有si3n4的钝化层500。如图10所示，示出了具有接触电极的器件结构示意图，在si3n4钝化层500和隔离缓冲层103上打上接触孔，在接触孔和si3n4钝化层表面镀上金属，作为接触电极，即电压输出电极、接地电极和偏置输入电极都是接触电极。

本发明实施例中的三维霍尔传感器的有源区和衬底材料都采用gaas，其横向面积大约为30微米×30微米，与现有硅基的三维霍尔传感器相比体积更小，且可以在更宽的温度范围(0～200℃)保证磁场传感的准确性，其磁场传感的电压相关灵敏度大于0.13v/vt，电流相关灵敏度大于1000v/at，其磁场传感的灵敏度高于现有大多数si基或gaas基三维霍尔传感器。实现本发明实施例的三维霍尔传感器工艺简单，不需要复杂的几何拼装，可以与其他外围器件或信号处理系统高度集成，大大提高了器件工作的安全性和可靠性。

本发明还提供一种基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的生产工艺，包括：

包括：

1)、在<111>晶向的半绝缘gaas衬底100上通过外延工艺生长一层厚度为0.5μm～1.5μm的p型重掺杂的gaas作为缓冲过渡层101；

2)、在缓冲过渡层101的表面通过外延工艺生长一层厚度为5μm～10μm的n型掺杂的gaas作为第一有源层102；

3)、在第一有源层102的上表面中央做正方形掩膜处理，得到的器件结构示意图如图11所示，正方形掩膜层的边长略大于第二有源层的最大边长，在第一有源层102的上表面进行硼离子注入，硼离子注入方向垂直于衬底，用于形成与其他器件的高阻隔离区，避免三维霍尔传感器对同一衬底上的其他器件造成干扰，再进行高温退火处理；

4)、在做隔离处理后的第一有源层102的表面通过外延工艺生长一层厚度为0.5μm～1.5μm的不掺杂的gaas作为隔离缓冲层103，得到的器件结构示意图如图12所示；

5)、在隔离缓冲层103的表面通过外延工艺生长一层厚度小于等于0.5μm的n型掺杂的gaas作为第二有源层104，得到的器件结构示意图如图13所示，再进行快速热退火处理；

6)、在第二有源层上表面做用于制备“十字型”结构和状结构的掩膜处理，得到有掩膜图形的器件结构示意图如图14所示，采用刻蚀工艺，对gaas材料向下刻蚀厚度为0.5μm，制备出“十”字型结构，所述“十”字形结构的水平部分别为状结构，所述“十”字形结构的垂直部分别为“王”字形结构；

7)、在步骤6)制得的第二有源层104的上表面通过外延工艺生长一层厚度为3.5μm～4.0μm的si3n4作为钝化层；

8)、采用化学机械抛光工艺打磨钝化层表面，使钝化层表面平整，得到钝化层的厚度为2.0μm～2.5μm，得到的器件结构示意图如图15所示；

9)、在步骤8)得到的钝化层表面除去偏置输入电极、接地电极和电压输出电极的位置掩膜处理得到掩膜层，得到器件结构示意图如图16所示，采用刻蚀工艺，对做掩膜处理后的钝化层进行刻蚀，向下刻蚀厚度为2.0μm～2.5μm，再对gaas进行刻蚀，向下刻蚀厚度为0.6μm～1.6μm，刻蚀出电极接触孔；

10)、在步骤9)中的掩膜层的基础上，采用电子束蒸发在电极接触孔中填充上金属材料，填充深度为2.6μm～4.1μm，形成偏置输入电极、接地电极和电压输出电极的接触电极，得到器件结构示意图如图17所示；

11)、在步骤10)得到的器件上层做掩膜处理，采用电子束蒸发，在表面蒸镀上一层厚度为0.1μm～0.2μm的金属，作为顶部向外引出的电极，在顶部形成偏置输入电极、接地电极和电压输出电极，得到最终的三维霍尔传感器的结构示意图如图18所示。

本发明实施例的基于平面工艺的gaas基三维霍尔传感器的生产工艺实现简单，与现有的gaas平面工艺相兼容，用一般的外延、离子注入和刻蚀工艺就可以实现，不需要复杂的几何拼装，可以与其他外围器件或信号处理系统高度集成，大大提高了器件工作的安全性和可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。