一种霍尔传感器的制作方法

本实用新型涉及半导体制造领域，特别是涉及一种霍尔传感器。

背景技术：

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应。霍尔效应：若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应强度为B的磁场中，给垂直磁场方向上通有电流时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电场的物理现象。由于霍尔传感器能够检测磁场的方向和大小，因此可以广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面，并且基于半导体的霍尔传感器被广泛使用。这里，基于半导体的霍尔传感器是指用互补金属氧化物半导体(CMOS)、Bipolar(双极)、BiCMOS(BipolarCMOS，双极-互补金属氧化物半导体)实施的霍尔传感器。

在传统的半导体霍尔传感器中，感测区一般为N型半导体材料，形成在P型半导体衬底上。如图1及图2所示，当从顶部看时，感测区为N阱区域，通常形成十字形状或正方形状；且有四个电极，各电极一般为N+型半导体材料，形成在十字形状的感测区四个端头上或者正方形状的感测区的四个角上。电极形状包括但不限于正方形、矩形、圆形等。

如图3所示为沿图1或图2中AA’或BB’虚线切割，从侧面看到的感测区纵向结构。其中，衬底100为P型掺杂半导体材料，感测区102为N型掺杂半导体材料，电极101a、101b被掺杂成高浓度N型区域，具有比感测区102更高的浓度，能够在将感测区电极引出时降低接触电阻。P阱103a、103b为环绕在感测区102周围的P型掺杂区域，用于将感测区与其他器件的隔离。电极104a、104b被掺杂成高浓度P型区域，为将P阱103a、103b引出接上电位时降低接触电阻。

当磁场施加到具有上述配置的传统霍尔传感器时，4个电极中彼此相对的2个电极用于检测电流，而另外2个电极用于检测垂直于电流方向上产生的霍尔电压。以这种方式，传统的霍尔传感器感测霍尔电压，从而确定磁场的方向和大小。霍尔电压公式推导如下：设载流子的电荷量为q，沿电流方向定向运动的平均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n，垂直电流方向半导体感测区的横向宽度为a，半导体感测区薄片厚度为d，则：

电流的微观表达式为：I＝nqadv①

载流子在磁场中受到的洛伦兹力f＝qvB，载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差，载流子受到的电场力为F＝qU(H)/a。

当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即qvB＝qU(H)/a②

由①、②式得U(H)＝IB/(nqd)③，式中的nq与导体的材料有关，对于确定的导体，nq是常数，令k＝1/(nq)，则：式③可写为U(H)＝kIB/d④

由式④可见，霍耳器件，其产生的霍耳电压与如下参数的关系：

1.与垂直于半导体感测区的磁场B以及半导体感测区中电流I成正比。

2.与感应区材料的杂质浓度(单位体积内自由移动的载流子数n)成反比。

3.与感应区的材料纵向厚度成反比。

在理想的霍尔元件中，当不施加外部磁场时，霍尔电压为零(0)。然而，在实际的霍尔元件中，由于加工精度的问题，元件内部的电特性不一致，霍尔电极不对称，即使不存在外部磁场时，也产生少量电压。在不施加外部磁场时，当单位输入电流在霍尔元件中流动时产生的输出电压称为失调电压。

具体地，如图4所示，现有的感测区形成方式，一般采用在P半导体衬底材料表面掺杂N型杂质材料，并采用推结退火的方式，杂质由于扩散运动，向下移动形成N阱区域，在该方式下，感测区垂直于半导体表面的方向上在各个深度上杂质浓度一般并不能保证一致或成简单线性关系。杂质浓度决定了感测区薄片电阻的电阻率，因此，垂直方向上，感测区薄片等效于由不同电阻率的电阻(电阻105a，105b，105c，105d)并联而成，会引起感测区体内的电场的再分布，导致公式不能准确定量霍尔电压U(H)与磁场B，电流I以及半导体感测区厚度d之间的线性关系，或形成一定的失调电压。

此外，采用掺杂并推结工艺形成N阱霍尔感测区，感测区厚度d的形成与表面掺杂的材料类型浓度及推结退火参数相关，一般不能精确控制薄片厚度d。导致理论值与实测值出现不一致。

再次，在上述霍尔电压的推导过程中，假设半导体感测区薄片四个电极的接触为理想接触，即接触电阻为0。如图5所示，理想状态下，第一电极与第三电极(或：第二电极与第四电极)之间的电阻为电阻105。而在实际制造过程中，用于接触的N+区域只形成于N阱感测区102的表面，由于受到垂直方向上的N阱感测区电阻106a、106b的影响，会引起感测区102的体内电场再分布，同样导致公式的线性关系不准确。

随着霍尔传感器降低成本的要求，感测区的面积逐步缩小，感应区宽度与厚度的比例越来越小，这种情况会越来越明显。

因此，如何解决霍尔传感器因加工精度的问题引起的失调电压，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种霍尔传感器，用于解决现有技术中霍尔传感器因加工精度引起的失调电压等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种霍尔传感器，所述霍尔传感器至少包括：

衬底；

形成于所述衬底上的感测区，所述感测区在垂直方向上的掺杂浓度一致；

形成于所述感测区与所述衬底之间的多块埋层；

以及，垂直设置于所述感测区中的多个电极，各电极位于各埋层的上方，其深度不小于所述感测区深度的一半。

优选地，所述衬底的掺杂类型为P型掺杂，所述感测区、所述埋层及所述电极的掺杂类型为N型掺杂。

优选地，所述衬底的掺杂类型为N型掺杂，所述感测区、所述埋层及所述电极的掺杂类型为P型掺杂。

优选地，所述感测区的形状为矩形，十字形或圆形。

更优选地，所述感测区的材质为外延材料。

优选地，所述电极的数量为四个，两两对称分布。

优选地，所述电极的掺杂浓度大于所述感测区的掺杂浓度。

优选地，各电极贯穿所述感测区，并分别与各埋层接触。

如上所述，本实用新型的霍尔传感器，具有以下有益效果：

本实用新型的霍尔传感器利用外延生长技术形成感测区，使得感测区在垂直方向上的掺杂浓度一致，同时将电极向下扩散以降低电极处感测区垂直方向的电阻，进而降低霍尔传感器的失调电压。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种霍尔传感器的俯视示意图。

图2显示为现有技术中的另一种霍尔传感器的俯视示意图。

图3显示为现有技术中的霍尔传感器的剖视示意图。

图4及图5显示为现有技术中引起霍尔传感器的失调电压的原理示意图。

图6显示为本实用新型的霍尔传感器的剖视示意图。

图7显示为本实用新型的一种霍尔传感器的俯视示意图。

图8显示为本实用新型的另一种霍尔传感器的俯视示意图。

元件标号说明

100 衬底

101a、101b 电极

102 感测区

103a、103b P阱

104a、104b 电极

105、105a、105b、105c、 电阻

105d

106a、106b 电阻

200 衬底

201a、201b、201c、201d 第一～第四电极

202 感测区

203a、203b 隔离区

204a、204b 电极

205a、205b、205c、205d 第一～第四埋层

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图6～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图6所示，本实用新型提供一种霍尔传感器，所述霍尔传感器至少包括：

衬底200、形成于所述衬底200上的感测区202、形成于所述感测区202与所述衬底200之间的多块埋层，以及垂直设置于所述感测区202中的多个电极。

如图6所示，所述衬底200为P型材料衬底或N型材料衬底，在本实施例中，所述衬底200的材料为P型材料，即在半导体中掺入硼等三价元素；而N型材料则是在半导体中掺入磷等五价元素。

如图6所示，所述感测区202形成于所述衬底200上，所述感测区202的掺杂类型与所述衬底200的掺杂类型不同，在本实施例中，所述感测区202的掺杂类型为N掺杂。若所述衬底200为N型材料衬底，则所述感测区202的掺杂类型选择为P掺杂。如图7及图8所示，所述感测区202的俯视形状为矩形，十字形或圆形，在此不一一赘述。所述感测区202选用外延材料通过外延生长形成，以确保所述感测区202在垂直方向上的掺杂浓度一致，避免所述感测区202的体内电场的再分布，进而减小失调电压。

如图6所示，所述埋层形成于所述感测区202与所述衬底200之间，所述埋层与所述感测区202的掺杂类型相同，在本实施例中，所述埋层为N埋层。如图6所示为第一埋层205a及第二埋层205b，各埋层位于电极下方，介于电极及衬底200之间。如图7及图8所示，第一埋层205a、第二埋层205b、第三埋层205c，第四埋层205d分别位于第一电极201a、第二电极201b、第三电极201c、第四电极201d的下方，各埋层的面积大于各电极的面积，各埋层的俯视形状包括但不限于矩形、圆形，在本实施例中，各埋层的形状与各电极的形状保持一致。

如图6所示，各电极分别位于各埋层上方的感测区202中，各电极的掺杂类型与所述感测区202的掺杂类型相同，且所述电极的掺杂浓度大于所述感测区202的掺杂浓度。在本实施例中，各电极为N重掺杂。为了减小电极下方感测区202在垂直方向上的接触电阻，各电极向下延伸，其深度不小于所述感测区202深度的一半。优选地，在本实施例中，各电极贯穿所述感测区202，与其下方的埋层接触，在将感测区202电极引出时可降低接触电阻，且降低或短路了电极处感测区垂直方向的电阻，进一步避免体内电场的再分布，进而减小失调电压。如图7及图8所示，在本实施例中，所述电极的数量设定为4个，分别为第一电极201a、第二电极201b、第三电极201c、第四电极201d，其中第一电极201a与第二电极201b相对设置，第三电极201c与第四电极201d相对设置。各电极的形状包括但不限于矩形、圆形。

如图6所示，所述感测区202的外围环绕有隔离区203a及203b，用于将所述感测区202与其他器件的隔离。在本实施例中，所述隔离区的掺杂类型为P掺杂。所述隔离区中设置有电极204a及204b，所述电极204a及204b的掺杂类型为P掺杂，且其掺杂浓度大于所述隔离区的掺杂浓度，所述电极204a及204b用于将所述隔离区引出接上电位时降低接触电阻。

所述霍尔传感器的制备方法至少包括：

步骤S1：提供衬底200。

具体地，在本实施例中，所述衬底200为P衬底。

步骤S2：在所述衬底200上形成多块埋层，以各埋层的位置确定电极的位置。

具体地，在本实施例中，各埋层为N埋层。

步骤S3：在所述衬底200上生长外延材料以形成感测区202。

具体地，在本实施例中，通过薄膜淀积技术在所述衬底200及各埋层表面生长N型半导体外延材料，以形成N外延，作为霍尔传感器的感测区202，此外，可以通过选择导电类型、电阻率、厚度，制备符合实际应用要求的感测区202。所述感测区202在垂直方向上的掺杂浓度一致，避免了所述感测区202的体内电场的再分布，进而减小失调电压。

步骤S4：在各埋层上方的感测区202中形成电极。

具体地，各电极可通过包括但不限于离子注入、溅射等方式形成N重掺杂，其掺杂浓度大于所述感测区202的掺杂浓度。各电极向下延伸至所述感测区202中，其深度不小于所述感测区202深度的一半。在本实施例中，各电极贯穿所述感测区202，与其下方的埋层接触，在将感测区202电极引出时可降低接触电阻，有效降低或短路了电极处感测区垂直方向的电阻，进一步避免体内电场的再分布，进而减小失调电压。

本实用新型的霍尔传感器利用外延生长技术形成感测区，使得感测区在垂直方向上的掺杂浓度一致，同时将电极向下延伸以降低电极处感测区垂直方向的电阻，进而降低霍尔传感器的失调电压。

综上所述，本实用新型提供一种霍尔传感器，包括：衬底；形成于所述衬底上的感测区，所述感测区在垂直方向上的掺杂浓度一致；形成于所述感测区与所述衬底之间的多块埋层；以及，垂直设置于所述感测区中的多个电极，各电极位于各埋层的上方，其深度不小于所述感测区深度的一半。本实用新型的霍尔传感器利用外延生长技术形成感测区，使得感测区在垂直方向上的掺杂浓度一致，同时将电极向下延伸以降低电极处感测区垂直方向的电阻，进而降低霍尔传感器的失调电压。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。