CN110504353A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体装置。霍尔元件具备：磁感受部（20），由在第一导电型的半导体基板（10）设置的第二导电型的杂质扩散层构成，在俯视下具有四个端部；以及四个电极（31）~（34），在磁感受部的表面由在四个端部的各个设置的比磁感受部高浓度的第二导电型的杂质扩散层构成，作为磁感受部的杂质扩散层离半导体基板的表面具有第一深度（D1），具有第二导电型的杂质浓度从半导体基板的表面起到比第一深度浅的第二深度（D2）为止朝向深度方向变高的第一浓度梯度（S1），具有第二导电型的杂质浓度从第二深度起到第一深度为止朝向深度方向变低的第二杂质梯度（S2），第二深度为第一深度的一半以下，第一浓度梯度比第二浓度梯度陡峭。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及半导体装置，特别是涉及具有霍尔元件的半导体装置。

背景技术

霍尔元件由于能够作为磁传感器进行非接触下的位置感测或角度感测，所以被用于各种用途。

对于实际的霍尔元件，即使在未被施加磁场时，也产生输出电压。将在该磁场0时输出的电压称为偏移电压。偏移电压产生的原因被认为是由于由从外部向元件施加的机械的应力或在制造过程中的对准（alignment）偏差等造成的元件内部的电位分布的不均衡。在将霍尔元件用作磁传感器的情况下，需要除去这样的偏移电压。

为了除去（消除）偏移电压，通常使用旋转电流法。

霍尔元件能够由图3所示的等效电路表示。即，霍尔元件被表示为通过4个电阻R1、R2、R3、R4将4个端子T1、T2、T3、T4连接后的桥式电路。

在这样的电路中，为了进行旋转电流法，首先，将端子T1、T2作为驱动电流供给电极，将端子T3、T4作为霍尔电压输出电极，向端子T1-T2间施加电压Vin。由此，在端子T3-T4间产生输出电压Vh+Vos。接着，将端子T3、T4作为驱动电流供给电极，将端子T1、T2作为霍尔电压输出电极，向端子T3-T4间施加电压Vin。由此，在端子T1-T2间产生输出电压-Vh+Vos。在此，Vh示出与磁场成比例的霍尔元件的霍尔电压，Vos示出偏移电压。

通过将电流向以上的二个方向流动时的输出电压相减，从而消除偏移电压Vos，能够得到与磁场成比例的输出电压2Vh。

电阻R1、R2、R3、R4的电阻值由于元件内部的电位分布的不均衡而不均，因此，产生偏移电压Vos，但是，偏移电压Vos能够通过如上述那样进行旋转电流法来消除。

可是，在电阻R1、R2、R3、R4的电阻值根据电压的施加方向而发生变化的情况下，不能完全除去偏移电压。

在通常的霍尔元件中，霍尔元件的将成为磁感受部的N型的杂质区域包围的周边部为P型的杂质区域以便与其他的区域分离（参照专利文献1）。当为了向磁感受部供给电流而向驱动电流供给电极施加电压时，耗尽层扩展到霍尔元件的磁感受部与其周边部的边界。由于在耗尽层中电流不流动，所以，在磁感受部内耗尽层扩展的区域中抑制电流，该部分的电阻值增加。此外，耗尽层宽度依赖于电压的施加方向而发生变化，因此，图3所示的等效电路的电阻R1、R2、R3、R4的电阻值根据电压的施加方向而发生变化。因此，即使执行旋转电流法，也消除不完偏移电压。

针对这样的问题，在专利文献2中，提出了通过在元件周边和元件上部配置耗尽层控制电极来调节向各个电极施加的电压而抑制耗尽层向霍尔元件内延伸的方法。由此，能够进行利用旋转电流法的偏移消除。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2007/116823号；

专利文献2：日本特开平08-330646号公报。

发明要解决的课题

可是，在专利文献2的方法中，必须使用多个耗尽层控制电极，进而需要复杂的控制电路，因此，存在芯片尺寸变大而牵涉到成本增高等难点。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供具有能够在不使用复杂的控制电路的情况下高精度地除去偏移电压的霍尔元件的半导体装置。

用于解决课题的方案

本发明的半导体装置是，一种半导体装置，具有：第一导电型的半导体基板；以及霍尔元件，被设置于所述半导体基板，所述半导体装置的特征在于，所述霍尔元件具备：磁感受部，由在所述半导体基板设置的第二导电型的杂质扩散层构成，在俯视下具有四个端部；以及四个电极，在所述磁感受部的表面由在所述四个端部的各个设置的比所述磁感受部高浓度的第二导电型的杂质扩散层构成，作为所述磁感受部的杂质扩散层离所述半导体基板的表面具有第一深度，具有第二导电型的杂质浓度从所述半导体基板的表面起到比所述第一深度浅的第二深度为止朝向深度方向变高的第一浓度梯度，具有第二导电型的杂质浓度从所述第二深度起到所述第一深度为止朝向深度方向变低的第二杂质梯度，所述第二深度为所述第一深度的一半以下，所述第一浓度梯度比所述第二浓度梯度陡峭。。

发明效果

根据本发明，具有第一深度的磁感受部具有在第二深度处有峰值的杂质浓度分布。因此，当向四个电极之中的相向的二个电极间施加电压来向磁感受部供给电流时，该电流集中于在磁感受部中杂质浓度最高的第二深度部分而流动。第二深度为第一深度的一半以下的深度即磁感受部的较浅的部分，并且，第二浓度梯度S2缓和，因此，能够防止从磁感受部的底部与半导体基板的结部产生的耗尽层之中的在磁感受部侧扩展的耗尽层到达到第二深度。因此，能够防止电流由于耗尽层而被抑制而电阻值增加。即，能够防止在向四个电极之中的一个相向的二个电极间施加电压时和向另一个相向的二个电极间施加电压时各电极间的电阻值发生变化。因此，能够利用旋转电流法高精度地除去偏移电压。此外，不需要使用耗尽层抑制电极或复杂的电路，因此，能够使芯片尺寸变小，也能够抑制成本。

附图说明

图1（a）是本发明的实施方式的具有霍尔元件的半导体装置的平面图，图1（b）是沿着图1（a）的L-L线的剖面图。

图2是示出图1所示的霍尔元件的另一例的平面图。

图3是霍尔元件的等效电路图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对用于实施本发明的方式详细地进行说明。

图1是用于说明本发明的一个实施方式的具有霍尔元件100的半导体装置的图，图1（a）是平面图，图1（b）是沿着图1（a）的L-L线的剖面图。如图1所示那样，本实施方式的半导体装置具备：P型（第一导电型）的半导体基板10、在半导体基板10设置的霍尔元件100、以及以包围霍尔元件100的周围的方式设置的P型的元件分离扩散层50。

霍尔元件100具备：由在半导体基板10设置的N型（第二导电型）的杂质扩散层构成且在俯视下具有正方形状的磁感受部20、以及在磁感受部20的表面由在各端部设置的比磁感受部20高浓度的N型的杂质区域构成的电极31~34来构成。

此外，在霍尔元件100中，在磁感受部20的表面设置绝缘膜（例如SiO₂膜）40，以使覆盖除了设置有电极31~34的区域之外的区域。

在图1（b）的右侧示出了P型的半导体基板10和N型的磁感受部20所包含的杂质的浓度分布图（profile）。

从该浓度分布图可知，磁感受部20离半导体基板10的表面具有第一深度D1，具有N型的杂质浓度从半导体基板10的表面起到比第一深度D1浅的第二深度D2为止朝向深度方向变高的第一浓度梯度（concentration gradient）S1，具有N型的杂质浓度从第二深度D2起到第一深度D1为止朝向深度方向变低的第二浓度梯度S2。

此外，第二深度D2为第一深度D1的一半以下，第一浓度梯度S1比第二浓度梯度S2陡峭。

通过在例如半导体基板10的形成有磁感受部20的区域中注入N型杂质到D2的深度并且使该N型杂质扩散到D1的深度，从而得到具有这样的浓度分布的磁感受部20。

优选的是，N型的杂质浓度为峰值的深度D2为400~800nm，该浓度为1×10¹⁶atoms/cm³至1×10¹⁷atoms/cm³之间。此外，优选的是，磁感受部20的深度D1为2~5μm左右。

元件分离扩散层50被形成为与磁感受部20分开，将霍尔元件100与半导体基板10的其他的区域（未图示）电分离。

在通过P型的元件分离扩散层50与霍尔元件100电分离后的半导体基板10的其他的区域（未图示）中，设置有构成电路的晶体管等元件，所述电路是用于处理来自霍尔元件100的输出信号或者向霍尔元件100供给信号的电路。为了形成这样的元件，在该区域的至少一部分形成N阱（well）。能够在共同的工序中形成该N阱和作为N型杂质扩散层的磁感受部20。因此，N阱具有与磁感受部20相同的深度和相同的浓度分布。像这样，根据本实施方式，能够在不增加制造工艺的情况下形成磁感受部20。

根据如以上那样构成的本实施方式的半导体装置，当向电极31~34之中的相向的电极32-33间施加电压来向磁感受部20供给电流时，该电流集中于在磁感受部20中杂质浓度最高的第二深度D2的部分而流动。第二深度D2为第一深度D1的一半以下的深度即磁感受部20中的较浅的部分，并且，上述的第二浓度梯度S2缓和，因此，能够防止从N型的磁感受部20的底部与P型的半导体基板10的结部产生的耗尽层（depletion layer）之中的在磁感受部20侧扩展的耗尽层到达到第二深度D2。由此，能够防止电流由于耗尽层的存在而被抑制而电流流动的路径的电阻值增加。即，能够防止在向四个电极31~34之中的相向的电极32-33间施加电压时和向相向的电极31-34间施加电压时电阻值发生变化。因此，能够利用旋转电流法高精度地除去偏移电压。

进而，根据本实施方式，使P型的元件分离扩散层50与N型的磁感受部20分开，使比元件分离扩散层50低浓度的P型的半导体基板10介于元件分离扩散层50与磁感受部20之间，由此，也能够抑制来自横向的向磁感受部20的耗尽层的扩展，能够防止该耗尽层对在磁感受部20内流动的电流带来影响。

此外，不需要使用耗尽层抑制电极或复杂的电路，因此，也能够使芯片尺寸变小并且抑制成本。

进而，根据本实施方式，除了上述的效果之外，还得到能够使霍尔元件100高灵敏度且低噪声这样的效果。以下，对其理由进行说明。

已知：在霍尔元件中，通过使磁感受部的电子迁移率变大，从而能够提高灵敏度。也就是说，为了使霍尔元件高灵敏度化，需要使霍尔元件的磁感受部的杂质浓度变小。

另一方面，在霍尔元件中，其薄层电阻越低，则相对于霍尔元件的输出的噪声比越小。

由于磁感受部20如上述那样具有N型的杂质浓度从半导体基板10的表面起到第二深度D2为止朝向深度方向变高的第一浓度梯度S1，所以，磁感受部20的表面附近的N型杂质浓度非常小，因此，在那里电流几乎不流动。由于在半导体基板10（磁感受部20）的表面附近存在界面态（interface state）或晶格缺陷（lattice defect），所以，电子迁移率降低，但是，根据本实施方式，在磁感受部20表面附近电流几乎不流动，因此，能够防止灵敏度的降低。

进而，在霍尔元件100中，如上述那样，设置绝缘膜40，以使覆盖磁感受部20的表面的除了设置有电极31~34的区域之外的区域。由此，电流能够进一步可靠地不在磁感受部20表面的电子迁移率较小的区域中流动。由此，能够抑制灵敏度的降低。

此外，通过使磁感受部20的最大峰值浓度为1×10¹⁶atoms/cm³至1×10¹⁷atoms/cm³左右不太高，从而使电子迁移率变大，能够提高灵敏度。

此外，如上述那样，为了使电子迁移率变大而较低地设定磁感受部20的浓度，但是，相应地，通过使磁感受部20的深度为2~5μm左右比较深，从而能够降低霍尔元件100的薄层电阻，噪声与霍尔元件100的输出信号的比变小，得到稳定的输出。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限定于上述实施方式，当然能够在不偏离本发明的主旨的范围内进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，使第一导电型为P型且使第二导电型为N型来进行了说明，但是，调换导电型而使第一导电型为N型且使第二导电型为P型也可。

此外，在上述实施方式中，示出了磁感受部20在俯视下具有正方形状的例子，但是，磁感受部20的形状并不限于此，例如，如图2所示那样，也可以为十字形。

附图标记的说明

100 霍尔元件

10 半导体基板

20 磁感受部

31、32、33、34 电极

40 绝缘膜

50 元件分离扩散层

T1、T2、T3、T4 端子

R1、R2、R3、R4 电阻。

Claims (6)

1.一种半导体装置，具有：

第一导电型的半导体基板；以及

霍尔元件，被设置于所述半导体基板，

所述半导体装置的特征在于，

所述霍尔元件具备：

磁感受部，由在所述半导体基板设置的第二导电型的杂质扩散层构成，在俯视下具有四个端部；以及

四个电极，在所述磁感受部的表面由在所述四个端部的各个设置的比所述磁感受部高浓度的第二导电型的杂质扩散层构成，

作为所述磁感受部的杂质扩散层离所述半导体基板的表面具有第一深度，具有第二导电型的杂质浓度从所述半导体基板的表面起到比所述第一深度浅的第二深度为止朝向深度方向变高的第一浓度梯度，具有第二导电型的杂质浓度从所述第二深度起到所述第一深度为止朝向深度方向变低的第二杂质梯度，所述第二深度为所述第一深度的一半以下，所述第一浓度梯度比所述第二浓度梯度陡峭。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述磁感受部中的第二导电型的杂质浓度在离所述半导体基板的表面的深度为400nm至800nm之间具有峰值，该峰值的浓度为1×10¹⁶atoms/cm³至1×10¹⁷atoms/cm³之间，所述磁感受部的深度为2~5μm。

3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述磁感受部在俯视下具有正方形状或十字形。

4.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述磁感受部在俯视下具有正方形状或十字形。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备包围所述磁感受部的周围且以与所述磁感受部分开的方式设置于所述半导体基板的、比所述半导体基板高浓度的第一导电型的元件分离扩散层。

6.根据权利要求1至4的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体基板和所述磁感受部的表面除了设置有所述电极的区域之外被绝缘膜覆盖。