CN116559734A - 垂直型霍尔磁场感测元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直型霍尔磁场感测元件，通过在半导体基板上设置相互平行的两个深层布植层作为电流传导的载体层，以及在不同的深层布植层分别设置多个以N型井区环绕的浅层布植层，用以形成与深层布植层电性连接的多个导体接垫，并且允许电流经由导体接垫通过中间相连的通道形成垂直型电流路径，以便根据深层布植层与浅层布植层间的制程深度的差异，生成不同轴向的磁场感测平面，用以达到提高感测灵敏度及电路整合的便利性的技术功效。

Description

垂直型霍尔磁场感测元件

技术领域

本发明涉及一种霍尔磁场感测元件，特别是垂直型霍尔磁场感测元件。

背景技术

近年来，随着半导体制程的蓬勃发展，导致各种电子元件的微小化、集成化已不再是梦想。

一般而言，传统的霍尔感测元件主要是以劳仑兹力(Lorentz force)为主要的原理。其原理是当有一个外加电流沿水平轴施加时，会在垂直轴之间产生霍尔电压，其电压大小会随着霍尔感测元件的厚度、截面积、外加电流与磁场大小而改变。倘若要感测较小的磁场，可以借由提升外加电流、改变厚度或者改变载子浓度来实现。目前市售的霍尔感测元件大都以双极性接面型电晶体(Bipolar Junction Transistor，BJT)技术或磁性材料制成，其读出电路与信号处理电路无法结合，故需要个别制造，再行整合，如此将导致制造成本提高、产品体积增大等缺点。另一方面，由于霍尔感测元件的输出信号通常很小，所以需要低输入偏移电压及低杂讯特性。因此，如何有效减少体积且增加整合电路的方便性，便成为各家厂商急欲解决的问题之一。

综上所述，可知现有技术中一直存在感测灵敏度不佳及电路整合不便的问题，因此实有必要提出改进的技术手段，来解决此问题。

发明内容

首先，本发明公开一种垂直型霍尔磁场感测元件，以标准互补式金氧半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)制程制作完成，此元件包含：半导体基板、多个浅层布植层及电流阻挡层。其中，所述半导体基板上设置相互平行的两个深层布植层以作为电流传导的载体层；多个浅层布植层分别设置在不同的深层布植层的同一侧的上表面，并且每一个浅层布植层分别以N型井区(N-well)环绕，用以形成与深层布植层电性连接的多个导体接垫，以及允许电流经由导体接垫通过深层布植层中间相连的通道形成垂直型电流路径，并且根据深层布植层与浅层布植层间的制程深度的差异生成不同轴向的磁场感测平面；以及电流阻挡层以保护环(Guard Ring)结构覆盖深层布植层作为阻挡电流的阻挡物。

本发明所公开的元件如上，与现有技术的差异在于本发明是通过在半导体基板上设置相互平行的两个深层布植层作为电流传导的载体层，以及在不同的深层布植层分别设置多个以N型井区环绕的浅层布植层，用以形成与深层布植层电性连接的多个导体接垫，并且允许电流经由导体接垫通过中间相连的通道形成垂直型电流路径，以便根据深层布植层与浅层布植层间的制程深度的差异生成不同轴向的磁场感测平面。

通过上述的技术手段，本发明可以达成提高感测灵敏度及电路整合的便利性的技术功效。

附图说明

图1为本发明垂直型霍尔磁场感测元件的俯视图。

图2A为十字埋层霍尔磁场感测元件的十字架构的示意图。

图2B为十字埋层霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图。

图2C为十字埋层霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图。

图2D为十字埋层霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图。

图2E为十字埋层霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图。

图3A为双E型霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图。

图3B为双E型霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图。

图3C为双E型霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图。

图3D为双E型霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图。

附图标记说明：

100 垂直型霍尔磁场感测元件

110 半导体基板

111、112 深层布植层

121～126 浅层布植层

130 电流阻挡层

131～136 N型井区

141～146 导体接垫

151、152 通道

200 十字型架构

201 转角

210 圆弧形十字架构

211 圆弧形

220 半弧形十字架构

221 半弧形

230 弧形十字架构

231 弧形

240 八边形架构

241 菱形的直线

300、310、320、330 双E型架构

301 底层

303 N+布植层

304 N-well布植层

305 电流阻挡层

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

在说明本发明所公开的垂直型霍尔磁场感测元件之前，先对本发明所所使用的“电性连接”一词进行说明；实际上，“电性连接”可以是任何直接或间接的电性连接手段。举例来说，若文中描述与深层布植层电性连接的多个导体接垫，则应该被解释为深层布植层可以直接连接于导体接垫，或者深层布植层可以通过其他元件或某种连接手段而间接地连接至导体接垫。另外，本发明图式中使用相同的网点或元件符号即代表相同的元件、材料或架构。

以下配合图式对本发明垂直型霍尔磁场感测元件做进一步说明，请先参阅“图1”。“图1”为本发明垂直型霍尔磁场感测元件的俯视图，所述垂直型霍尔磁场感测元件100以标准CMOS制程制作完成，其包含：半导体基板110、多个浅层布植层(121～126)及电流阻挡层130。其中，半导体基板110上设置相互平行的两个深层布植层(111、112)以作为电流传导的载体层。在实际实施上，所述深层布植层(111、112)为T-well布植层(抽屉层)。

多个浅层布植层(121～126)分别设置在不同的深层布植层(111、112)的同一侧的上表面，并且每一浅层布植层(121～126)分别以N型井区(131～136)环绕，用以形成与深层布植层(111、112)电性连接的多个导体接垫(141～146)，以第一个浅层布植层121为例，其以N型井区131环绕形成导体接垫141；以第二个浅层布植层122为例，其以N型井区132环绕形成导体接垫142，并以此类推，形成六个导体接垫(141～146)。接着，允许电流经由导体接垫(141～146)通过深层布植层(111、112)中间相连的通道(151、152)形成垂直型电流路径，并且根据深层布植层(111、112)与浅层布植层(121～126)间的制程深度的差异生成不同轴向的磁场感测平面，以便感测磁场变化。在实际实施上，所述浅层布植层(121～126)为N+布植层，用以改变载子(Carrier)的导通方向、增加阻值及缩小厚度；所述通道(151、152)为导线、导电线(如：金属导线)；所述导体接垫(141～146)的长度及宽度可分别在15μm至90μm之中任选其一，例如：选择30μm×30μm作为导体接垫(141～146)的尺寸。另外，所述导体接垫(141～146)可包含设置在深层布植层其中之一(如：深层布植层112)的第一导体接垫(即：导体接垫141)、第二导体接垫(即：导体接垫142)、第三导体接垫(即：导体接垫143)，以及设置在另一所述深层布植层(如：深层布植层111)的第四导体接垫(即：导体接垫144)、第五导体接垫(即：导体接垫145)及第六导体接垫(即：导体接垫146)，其中，第一导体接垫(即：导体接垫141)电性连接第四导体接垫(即：导体接垫144)，并且作为第一电压感测端(V_H1)，第五导体接垫(即：导体接垫145)为电流源输入端及第二导体接垫(即：导体接垫142)为电流源输出端，第三导体接垫(即：导体接垫143)电性连接第六导体接垫(即：导体接垫146)作为第二电压感测端(V_H2)。

电流阻挡层130以保护环结构覆盖深层布植层(111、112)作为阻挡电流的阻挡物。在实际实施上，所述电流阻挡层130为P+保护环结构。另外，所述垂直型霍尔磁场感测元件100还可包含读出电路及供给垂直型霍尔磁场感测元件100的直流电源，所述读出电路以差值放大器将垂直型霍尔磁场感测元件100的电压放大。

接着，为了凸显垂直型霍尔磁场感测元件100与平面型霍尔磁场感测元件(包含：十字埋层霍尔磁场感测元件及双E型霍尔磁场感测元件)的差异，以下配合图2A至图3D，针对平面型霍尔磁场感测元件的不同实施例进行如下说明。首先，请参阅图2A，图2A为十字埋层霍尔磁场感测元件的十字架构的示意图。在实际实施上，由于制程上阻抗较高且较为稳定，所以霍尔平面采用多晶硅(Polysilicon)层，而在电流源输出入端(I_bias+、I_bias-)和电压感测端(V_H1、V_H2)则可以垂直设置形成十字型架构200(即：多晶硅层)，此十字型架构200可以使用三种尺寸规格，例如，宽度分别为30μm、60μm及90μm等。另外，电流源输出入端(I_bias+、I_bias-)和电压感测端(V_H1、V_H2)垂直排列所形成的角(或称为“转角201”)，可延伸成三种弧度，举例来说，第一种弧度如图2B所示。图2B为十字埋层霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图，其在电流源输出入端(I_bias+、I_bias-)和电压感测端(V_H1、V_H2)邻近的两个角，拉出一条直线并往内缩形成一个弧形(以下称为圆弧形211)，然后以此方式类推形成圆弧形十字架构210；第二种弧度与第一种弧度大同小异，其差异仅在于弧线的两端位置并非在角的端点，而是如图2C所示。图2C为十字埋层霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图，其在边长的一半位置拉出一条直线，并且将拉出的直线往内缩形成一个弧形(以下称为半弧形221)，同样地，以此方式类推形成半弧形十字架构220；第三种弧度如图2D所示。图2D为十字埋层霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图，其在边长的四分之一位置拉出一条直线，然后同样将拉出的直线往内缩形成一个弧形231，再以此方式类推形成如图2D所示的弧形十字架构230。要补充说明的是，在十字型的基础上，也可如图2E所示。图2E为十字埋层霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图，其在电流源输出入端(I_bias+、I_bias-)和电压感测端(V_H1、V_H2)邻近的两个角拉出一条直线，并以此类推，产生四条分布呈现菱形的直线241，而整体则成为八边形架构240。

接着，以圆弧形十字架构210为例，其可使用三种布植架构：(1)N型井区覆盖P+布植层，以N-well布植层为电流传导的载体，并且利用N+布植层作为连接N-well布植层的导体接垫，元件之间的绝缘以P+保护环的电流阻挡层(或称为隔离层)作为阻挡电流阻挡物；(2)使用T-well布植层覆盖P+布植层，并且借由N+布植层作为连接N-well布植层的导体接垫，元件之间的绝缘同样以P+保护环架构的电流阻挡层作为阻挡电流阻挡物；(3)使用P型井区(P-well)覆盖N+布植层，其采用P-well布植层当作电流传导载体，以N+作为阻挡电流的阻挡物。同样地，半弧形十字架构220、弧形十字架构230及八边形架构240也可使用上述三种布植架构。

接下来，以1.8V定电压对上述不同布植结构进行测量，其测量结果如表1所示，其中，“X”代表电流传导载体失效，致使测量未果：

表1：十字埋层霍尔磁场感测元件的1.8V定电压测量参数比较

由表1可以得知，使用T-well布植层作为电流传导载体的布植架构，于电压灵敏度的表现较为出色；于三种弧度的架构比较下，菱形设计的电压灵敏度明显优于其他弧度，而于相同布值架构下与NW/P+_60μm同尺寸的圆弧形比较，同样也是菱形表现较佳。

接着，表2是使用0.1mA定电流方式进行测量及分析，包含以电流传导载体N-well布植层，覆盖P+层作为阻挡物的三种尺寸的个别测量，以及以电流传导载体层T-well布植层，覆盖P+层作为阻挡物的三种尺寸的测量结果，其中，“X”代表电流传导载体失效，致使测量未果：

表2：十字埋层霍尔磁场感测元件定电流测量参数比较

从表2可清楚得知，使用T-well布植层作为电流传导载体的布植架构，于电流灵敏度的表现明显优于其他布植层；而于三种弧度的架构比较下，结果不同于定电压测量，弧形与半弧形效果雷同，而两者的电流灵敏度皆较菱形高，该结果同样优于相同布值架构下的NW/P+_60μm同尺寸圆弧形。

请参阅图3A，图3A为双E型霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图。除了前述形成十字型架构之外，平面型霍尔磁场感测元件还可使用如图3A所示的双E型架构300，基于上述十字埋层霍尔磁场感测元件在不同边长与转角弧度的定电压与定电流测量参数比较，两者在使用30μm尺寸架构设计时，其电压与电流灵敏度表现最佳，故双E型霍尔磁场感测元件也可以使用30μm作为导体接垫宽度及电流路径长度的标准尺寸，并且将霍尔磁场感测元件设计为正方形的布局架构，其中，每一个导体接垫皆包含N+布植层303及N-well布植层304，并且以电流阻挡层305覆盖底层301。接着，在转角弧度设计的部分，则将底层301(T-well)的电流路径转角由直角改为弧形角度，以降低电流受磁场介入时载子偏转而撞击布植层的机率，例如：将转角以半径1.8μm设计转角R角，所述转角以弧度方式绘制已于前述十字埋层架构实体测量中实证有助于电流偏转时的载子流动。实际上，还可如图3B所示的双E型架构310，图3B为双E型霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图，其改变导体接垫宽度与边长，例如：修改为15μm，甚至如图3C所示的双E型架构320，图3C为双E型霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图，其维持导体接垫宽度30μm、取消30μm边长，仅留转角R角1.8μm弧度，或是如图3D所示的双E型架构330，图3D为双E型霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图，其将导体接垫宽度缩减为15μm、取消边长仅留转角R角1.8μm弧度。在实际实施上，所述双E型霍尔磁场感测元件的布植层架构采用较深层的T-well布植层作为主要电流传导的载体层，并且借由使用N+、N-well布植层作为导体接垫，再以P+布植层设置外圈的保护环，实现电流阻挡层以阻挡电流，其基于磁电阻效应(Magnetoresistance，MR)所设计，并且为新型Z轴垂直方向的一维双E型霍尔磁场感测元件。

本发明垂直型霍尔磁场感测元件基于上述双E型霍尔磁场感测元件的改良，同样借由较深层的T-well(即：深层布植层)作为电流传导载体层，导体接垫尺寸可使用30μm×30μm，但此架构设计不以平面电流偏转方式实现，而是改借由电流直下型架构的布植层深度差值，从N+与N-well建立与T-well连接的导体接垫，电流直接灌入深层的T-well，通过中间相连的T-well通道即转直上，进而建立垂直型电流路径模型。接着，将本发明垂直型霍尔磁场感测元件与图3A至图3D所示的双E型架构(300～330)的规格列于下表3：

表3：霍尔磁场感测元件的规格列表

接下来，以定电压测量为主，通过微磁场测量***在X轴方向测量垂直型霍尔磁场感测元件，与在Z轴方向测量平面型霍尔磁场感测元件，测量的磁场范围在-3.03到+3.03高斯(Gs)之间，评估磁场感测元件各架构的灵敏度与线性误差。以下分别系使用1.8V与3.3V定电压的测量参数：

表4：垂直型架构的测量参数

接着，在平面型霍尔磁场感测元件的定电压测量方面，在使用1.8V及3.3V定电压施以垂直于晶片装载半导体基板的Z轴方向磁场变化的测量结果的基础上，两者的定电压测量参数分别如表5、表6所示：

表5：1.8V定电压测量参数比较

表6：3.3V定电压测量参数比较

上表5及表6各为1.8V与3.3V定电压测量参数结果比较，在平面型的五种架构(“F15_1.8P”为并联“F15_1.8”的架构)中，磁场感测元件代号“F30_31.8”与“F15_16.8”的电流灵敏度表现最佳，其中又以“F15_16.8”所占面积最小，而且线性误差与对称误差表现较为突出。另以工作电压差异进行比较，将电压从1.8V提升至3.3V，对于电压灵敏度与电流灵敏度不仅没有提升，甚至使得灵敏度大幅下降。虽然本发明垂直型霍尔磁场感测元件的电压灵敏度及电流灵敏度并非表现最佳，但是两者仍然达成100mV/mT的目标，并且其负磁场方向的线性误差表现优良。

综上所述，可知本发明与现有技术之间的差异在于通过在半导体基板上设置相互平行的两个深层布植层作为电流传导的载体层，以及在不同的深层布植层分别设置多个以N型井区环绕的浅层布植层，用以形成与深层布植层电性连接的多个导体接垫，并且允许电流经由导体接垫通过中间相连的通道形成垂直型电流路径，以便根据深层布植层与浅层布植层间的制程深度的差异生成不同轴向的磁场感测平面，借由此技术手段可以解决现有技术所存在的问题，进而达成提高感测灵敏度及电路整合的便利性的技术功效。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种垂直型霍尔磁场感测元件，以标准CMOS制程制作完成，其特征在于，该元件包含：

半导体基板，该半导体基板上设置相互平行的两深层布植层以作为电流传导的载体层；

多个浅层布植层，所述浅层布植层分别设置在不同的所述深层布植层的同一侧的上表面，并且每一所述浅层布植层分别以N型井区(N-well)环绕，用以形成与所述深层布植层电性连接的多个导体接垫，以及允许电流经由所述导体接垫通过所述深层布植层中间相连的通道形成垂直型电流路径，并且根据所述深层布植层与所述浅层布植层间的制程深度的差异生成不同轴向的磁场感测平面；以及

电流阻挡层，该电流阻挡层以保护环结构覆盖所述深层布植层作为阻挡电流的阻挡物。

2.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，该元件还包含读出电路及供给该垂直型霍尔磁场感测元件的直流电源，该读出电路以差值放大器将该垂直型霍尔磁场感测元件的电压放大。

3.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，所述深层布植层为T-well布植层。

4.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，所述浅层布植层用以改变载子的导通方向、增加阻值及缩小厚度。

5.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，所述浅层布植层为N+布植层。

6.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，所述导体接垫的长度及宽度分别在15μm至90μm之中任选其一。

7.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，所述导体接垫包含设置在所述深层布植层其中之一的第一导体接垫、第二导体接垫、第三导体接垫，以及设置在另一所述深层布植层的第四导体接垫、第五导体接垫及第六导体接垫，其中，该第一导体接垫电性连接该第四导体接垫，并且作为第一电压感测端，该第二导体接垫及该第五导体接垫为电流源输出入端，该第三导体接垫电性连接该第六导体接垫作为第二电压感测端。

8.根据权利要求1所述的垂直型霍尔磁场感测元件，其特征在于，该电流阻挡层为P+保护环结构。