CN87102998A

CN87102998A - 可集成的霍尔元件

Info

Publication number: CN87102998A
Application number: CN87102998.7A
Authority: CN
Inventors: 波波维克·拉迪沃耶; 克罗斯·阿克西尔
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1986-04-29
Filing date: 1987-04-25
Publication date: 1987-11-11
Also published as: DK216787A; AU7210687A; EP0244577B1; CN1007683B; YU54487A; DE3766875D1; EP0244577A1; DK216787D0; CH669068A5; FI871526A; AU600484B2; JPS6393178A; ATE59734T1; KR870010391A; ES2019588B3; FI871526A0; CA1263764A; US4829352A; NO871796L; NO871796D0

Abstract

本发明的霍尔元件包括由P或N型半导体材料构成的半导体衬底、半导体层、表面层、绝缘层、接触扩散区、绝缘环。用至少一个分段面将具有两个传感端的霍尔元件分割成几个结构，它们交替地上下翻转或不翻转并且位于半导体层上。在结构上表面和下表面上至少两个点之间以及相邻结构的等电位点之一具有电连接，两个外侧结构的两个最外侧表面上的每一个点都通过连接端与霍尔元件的电流端之一连接。连接端和接触扩散区都由N型材料组成。这种构形可以组成非常大的霍尔元件，它可以用在电表中。

Description

本发明涉及具有两个电流端和两个传感端的可集成的霍尔元件。

这种霍尔元件常被用在电表或功率表中来测量电流产生的磁场。

例如，欧洲专利148330A2中公开了一种最初描述的集成霍尔元件，这种霍尔元件（以下简称为垂直霍尔元件）测量与元件表面平行的磁场。

美国专利公报（4，253，107）公开了另一种最初描述的集成霍尔元件，用来与元件表面垂直的磁场，以下简称为水平霍尔元件。

本发明的目的是实现任意所需尺寸的霍尔元件，这种霍尔元件尽管做在十分薄的半导体层上也几乎没有非线性和1/f噪音。在本例中垂直霍尔元件的有效长度远大于半导体的层厚度。

本发明的实施例通过附图表示，并且在下文中将详细描述。

图1是数次分割霍尔元件的示意图;

图2a是数次分割的垂直霍尔元件的示意图;

图2b是数次分割的集成垂直霍尔元件的剖面图;

图3是复合电路中的集成垂直霍尔元件两次分割的示意图;

图4是微分电路中的垂直霍尔元件两次分割的示意图;

图5显示出复合电路中另一种两次分割的垂直霍尔元件;

图6显示出一个两次分割的集成的垂直霍尔元件;

图7是两次分割的集成水平霍尔元件的剖面图;

图8是两次分割的集成水平霍尔元件的俯示图;

图9a显示出已知霍尔元件的等效电路图;

图9b是图7和图8所示水平霍尔元件的等效电路布线图。

相同的标识数在各图中都表示同样的部分。

图1中所示的数次分割的霍尔元件包括一个由半导体材料构成的直角平行六面体所组成的熟知霍尔元件，这个霍尔元件备有两个电流端子C₁和C₂在平行六面体的两侧相对安置两个传感连接端S₁和S₂，而其余的两个平行边垂直于磁场H。这个熟知霍尔元件被至少一个分段面分割成几个结构，传感连接端S₁和S₂的中心接点都处于同一结构中和同一分段面上。每一个分段面既不必互相平行也不必垂直于霍尔元件中的电流密度方向。为了简化起见，在图中假设所有分段面互相平行并且垂直于电流密度方向，即，垂直于两个电流端C₁和C₂的中心连接线。

在图12a和2b中假设具有三个分段面，也就是有4个结构，2、3和4。在图2到图8中假设只有一个分段面，也就是两个结构2和3。用假设具有弹性的电连接线将每一分段面两边的每一边上的两个点互相连接。这样的点和这样的连接线的数目在理论上是无限的。例如这些点对准成一条直线。假设图1、图3和图5中的每一个分段面有7个连接端a至g，图2a中每一分段面有5个连接端a至e图2b中每一分段面有3个连接端a至c，并且假设图6到图8中每一个分段面有4个连接端a至d。在任何情况下，每一个分段面至少有两个这样的连接端a和b。至少必须有两个等电位点被优选为中间断面点，这两个点具有与传感连接端S₁和S₂相同的电压，即：中间断面外侧的两个等电位点都要分别与两个传感连接端S₁和S₂相连接以使其承受电压。

这样，结构1到4中的每一上表面和下表面上的几个点中的至少两个点被连接到相邻结构相应符号表面上的一个等电位点上。

当平行安置产生四个结构1到4相互空间分离时，假设具有弹性的连接端变长，由于这些连接端使图1所示霍尔元件尽管结构1到4相互分离仍能保持其完全的功能，就像没有断面存在一样，这是由于连接端使等电位点互相连接。在图1中，7个连接端a₁到g₁在结构1和结构2之间，7个连接端a₂到g₂在结构2和结构3之间，7个连接端在结构3和结构4之间。

在两个靠外的结构1和4的外表面上的点，被选定为等电压点，将这些点互相电连接并连接到与相应表面共同的电流端C₁或C₂上。即：附图所示的结构1的上表面的7个连接端a₀到g₀被连接到第一电流端C₁，所有的连接端a₄到g₄都连接到下结构4的下表面的第二电流端e₂上。

一电源电流I流经第一电流C₁和并联的连接端a₀到g₀流到结构1中，也就流进霍尔元件。所述电源电流按照确定的次序通过结构1，经过并联连接端a₁至g₁，通过结构2，经过并联连接端a₂至g₂，通过结构3，经过并联连接端a₃至g₃，通过结构4，经过并联连接端a₄至g₄流到第二电流端c₂，进而流出霍尔元件。由这一电源电流I和磁场H在霍尔元件中产生的霍尔电压出现在两个传感端S₁和S₂上。必须进一步指出的是：结构1至4中任一单一结构本身不构成完整的霍尔元件。

结构1至结构4彼此之间可以以任意所需距离放置，甚至可以互相翻转。其条件是磁场H、霍尔元件中的电流密度和霍尔元件中的电霍尔场的矢量方向继续保持它们相互位置（见图2a、3和5）。

图2a中的结构1至结构4以近似于直线的形式相继排列，因此所述结构1至结构4互相交错但不翻转（结构1和结构3）或上下翻转（结构2和结构4）并联排列成这样的形式：至少结构1和结构4的上表面处于同一平面。所有的连接端互相并联。上述的三个矢量方向的相互位置保持原有位置。连接端a₀至e₀，a₂至g₂和a₄至g₄都安置在结构1至4上方，连接端a₁至e₁和a₃至e₃安置在所述结构下方。

图2b中示出的集成垂直霍尔元件是图2a所示意结构的实施。结构1至4的上表面所处的公共平面是半导体层5的上表面，在半导体层5中包含全部结构1至4。半导体层5可以是在衬底6上生长的一层薄外延层。为了简化起见，在图2b中只示出3个结构2至4。在附图所示的实施例中的结构1至4下面安置的连接端a₁至c₁和a₃至c₃（即：等电位点之间的连接部分）的每一个连接端都由衬底6和半导体5之间边缘处所设置的埋层组成。结构1和结构2都有作为埋层的连接端a₁至c₁，图2b中只示出了结构2的连接端a₁至c₁;结构3和结构4都有作为埋层的连接端a₃至c₃。在图2b所示的剖面图中，接触扩散是在半导体层5中表面上与埋层相对的位置上形成的，在图2b中，接触扩散7至9表示结构2、10至12表示结构3，13至15表示结构4。其余的连接端，即：安置在附图实施例中结构1至4上的连接端a₀至c₀（在图2b中未示出，这是因为这仅出现在未示出的结构1中）a₂至c₂和a₄至c₄，每一个连接端都为接触扩散提供一个电接触区。这些连接端共同形成所谓集成电路的金属化，并且将这些连接端加到半导体层5的表面上。金属化包含金属，例如铝，或者导电多晶硅。为了绝缘起见，将一个绝缘层10-例如SiO₂-安置在金属化和半导体层5之间。金属化层被直接安置在绝缘层19之上，而绝缘层19本身2直接安置在半导体层5上。结构4上的连接端a₄至c₄互相连接并且与它们的共用电流端c₂相连接。为了使结构之间彼此绝缘并获得隔离岛效果，结构1到结构4的每一个结构都由例如矩形的绝缘环横向围绕，以便两个相邻的绝缘环之间有一个共用连接端16、17或18。例如，绝缘环16、17围绕着结构2，绝缘环17、18围绕着结构3。绝缘环从半导体层5的表面向下延伸，例如直接与衬底6实现空间接触。

衬底6、绝缘环以及它们的接触区16、17和18都由同种导电类型（例如p型）的半导体材料构成，当然也应用N型材料。半导体层5，埋层和接触扩散区7至15都由另一导电类型（例如N型）的半导体材料构成。埋层和接触扩散区7至15都以外加原子重掺杂，即，形成N型。

图3中所示意的结构5图2a所示结构类似，其好处在于仅剩下结构2和结构3。为此，两个电流端C₁和C₂放置在结构2和结构3的下侧，而不是图2a所示的放置在结构1和结构4的上方。

图4中所示意的结构与图3所示结构相同，只是其结构2和结构3表面上的连接端不再是并联的，而是互相跨接的。为此，三个上述矢方向的相对位置不再保持原始状态。结构3位置上的磁场实际地移动相对位置180°。这就意味着图4中所示的霍尔元件不再像图3所示的霍尔元件那样测量H₁+H₂的总和，而是磁场H₁和H₂的差：H₁-H₂。因此，h₁是结构2位置上的磁场，h₂是结构3位置上的磁场。换句话说：图4所示的霍尔元件能被用来测量空间分离的两个点之间的磁场梯度。

图5中所示的霍尔元件与图3中的基本相同，其区别在于结构2和结构3不是近似对正的彼此横排排列，而是近似于对正的前后排列。然而，附图实施中最显著的是交叉连接，这是为了使三个矢量方向保持不变。

图6所示的是图3所示意的霍尔元件的具体实现，利用它再次产生垂直霍尔元件。所示的霍尔元件与图2b中所示的集成垂直霍尔元件基本上相同，其区别在于图中仅仅出现结构2和结构3。

图中位于结构2和结构3最下侧的与电流端C₁或C₂相连接的点组成一个公共埋层，对结构2是a₁、b₁、c₁、d₁;对结构3是a₃、b₃、c₃、d₃，每一个埋层都经深扩散区20或21穿过半导体层5到达霍尔元件（即：集成电路）的表面与霍尔元件电流端C₁或C₂连接。深扩散区20和21是电与埋层相同导电类型的材料构成，与埋层一样，是通过重掺杂外来原子形成，即它由N⁺材料组成。

按照图2b和图5实现的集成垂直霍尔元件其有如下优点：与已知垂直霍尔元件不同的是具有不同形状和不同尺寸的电流端C₁和C₂在两个不同的电流方向时具有完全对称的特征。

为了确保长期可靠性，在图6中半导体层5的表面上覆盖一层与衬底6相同的P型材料构成的薄表面层22。所有的接触扩散区7至12，所有的连接端16至18和两个深扩散区20和21都穿过这个薄表面层22。图2b中所示的垂直霍尔元件也采用了这样的薄表面层22，但在图2b中未出。

图7和图8分别示出同一水平霍尔元件的横剖面图Ⅶ和俯示图。它也同样由结构2和结构3组成，但不是互相对正排列成行，而是如俯示图所示互相转成接近90°并且都位于半导体层5上。空间结构以及衬底6的材料、半导体层5的材料，表面层33的材料，绝缘层19的材料，金属化的材料和图8中由23和24所指示的绝缘环的连接端16、17和18的材料都与图6中的相同。所有的连接端 a₁至d₁，a₂至d₂，a₃至d₃都在集成电路表面形成金属化。结果，在这种情况下无埋层存在。而代之以接触扩散区25至32，25至28在一边，29至32在另一边排成近似于直行。接触扩散区25至32都如接触扩散区7至12一样由同种N⁺材料组成。两个接触扩散区列25，26，27，28与29，30，31，32的中心连接线互相形成90°角。结构2和结构3各具有两排接触扩散区列25，26，27，28和7，8，9或者10，11，12和29，30，31，32，一个列上的扩散区与另一列的扩散区相对。在接触扩散列7，8，9和10，11，12中无数码标识的扩散区分别与接触扩散区26或31相对，如图8所示。接触扩散行7至9在一边，接触扩散区10至12在另一边分别最好排列成直列，并且最好分别与接触扩散行25，26，27，28或29，30，31，32平行。连接线a₂至b₂将接触扩散区7至9和接触扩散区10至12进行电连接，从而，在连接线a₂和b₂上分别提供传感连接端S₁或S₂。霍尔元件的第一电流端C₁是经过连接端a₁至d₁到接触扩散区25至28连接形成，所有四个接触区都属于结构2。霍尔元件的第2电流端C₂是经过连接端a₃至d₃到接触扩散区29至32连接形成，所有四个接触扩散区都属于结构3。

在图7到图8中所示的水平霍尔元件具有如下优点：它的零电压（失调电压）可被大范围地补偿，这一点在下文中将要通过图9a和9b进一步详细解释。

图9a示出一个由四个电阻组成的天线共用器，描绘了常规霍尔元件的等效电路图。天线共用器包括两类不同的电阻值，R和R+△R，每两个空间平行的电阻，即：天线共用器中互相对应的两个电阻相等。电阻差R+△R是由电压阻效应、几何公差等产生的。当磁场H＝0时，在霍尔元件传感端S₁和S₂上出现的零电压V_off＝（R+△R/R）Vc₁，c₂，因此，Vc₁c₂体现了霍尔元件电流端c₁、c₂上存在的电源电压。

图7到图8所示的水平霍尔元件的等效电路图在图9b中再现。它与图9a中所示的等效电路图的区别在于天线共用器的一半相对于另一半旋转390°角。由于两个在空间平行的电阻再次等于R或R+△R，在这种情况下两个等值电阻对正排列成行，正如图中所示的使V_off成为0的电源电流I的流动方向。

通过用两行开关电阻（未示出）取代短路连接线a₂和b₂来达到补偿垂直霍尔元件（见图3）中的零电压V_off，其中，两列开关电阻的连接极分别与传感连接端S₁或S₂相连。这些电阻应是可调节的平衡电阻，这样的电阻最好由例如电阻层场效应晶体管（RLFET）或MOS场效应晶体管组成，其源-漏沟道的电阻值可通过场效应晶体管的栅电压来调节。

上述所有集成霍尔元件都可按照标准双极集成电路工艺制造。由于利用了数次分割的霍尔元件，即使这种器件做在以半导体层5的形式的在薄外延层上可以实现任意所需尺寸的霍尔元件。优点在于霍尔元件的非线性指标保持下降，而且其1/f噪音很低。

Claims

1、具有两个电流端(C₁、C₂)和两个传感端(S₁、S₂)的可集成霍尔元件，其特征在于：由至少一个分段面将霍尔元件分成几个结构(1，2，3，4)，而传感端(S₁、S₂)的连接接触中心共同位于同一分段面上，其中结构(1，2，3，4)互相交替的上下翻转或不翻转地在公用半导体层(5)上并联安置，以这样的方式，使结构(1，2，3，4)的上表面最终全部位于半导体层(5)的公共表面平面上，其中，每一结构(1，2，3，4)的上表面或下表面的几个点中的至少两个点的每一个点要与相邻结构的相应的表面上的等电位点进行电连接，或者其中两个外侧结构(1，4)的外表面的几个点互相连接，并连接到在该表面上的电流端C₁和C₂上，从而，中间分面的两个外侧等电位点中的每一个点分别与传感连接端(S₁，S₂)相连，以使传感器具有电压。

2、按照权利要求1的可集成霍尔元件，其特征在于：半导体层（5）是在衬底（6）上生长的外延层，其中等电位点之间及与电流端（C₁，C₂）的连接端的一部分是由埋层组成，埋层位于衬底（6）和半导体层（5）之间，另一部分是在半导体层（5）的表面上以金属化的形式出现，每一个连接端都具有一个接触扩散区7至15。因此，接触扩散区位于半导体层（5）上，其中，每一个结构（1至4）都由一个绝缘环（16，17，17：18）横向环绕，其中，衬底（6）和绝缘环（16：17，17：18）都是由同种导电类型（P）的半导体材料构成，半导体层（5）、埋层和接触扩散区（7至15）都由另一导电类型（N）的半导体材料构成，而埋层和接触扩散区（7至15）都由外加原子重掺杂。

3、根据权利要求2的可集成霍尔元件，其特征在于：如果将与电流端（C₁或C₂）相连的两个外侧结构（2，3）之一的点为埋层，（a₁、b₁、c₁、d₁、a₃、b₃、c₃、d₃），每一结构（2或3）形成单个的、共用埋层（a₁;b₁;c₁;d₁;或a₂;b₂;c₂;d₂），埋层是通过穿通半导体层（5）的深扩散区（20或21）连接到霍尔元件的表面与电流连接端（C₁或C₂）连接，深扩散区（21，22）是由与埋层相同导电类型（N⁺）的材料组成，并且与埋层一样是由外加原子重掺杂。

4、根据权利要求1的可集成霍尔元件，其特征在于：在半导体层（5）上具有两个结构（2，3）其中一个被旋转成与另一个成约90°角，其中，半导体层（5）是在衬底（6）上生长的外延层，其中，等电位点之间及与电流端（C₁，C₂）的连接是以半导体层（5）表面上的金属化的形式出现，并且每一个连接端都具有与接触扩散区（7至12，25至32）之一进行电接触，接触扩散区（7至12和25至32）位于半导体层（5）的表面，其中，每一个结构（2，3）都由一个绝缘环横向环绕，其中，衬底（6）和绝缘环（23，24）都由同种导电类型（P）的半导体材料构成，而半导体层15和接触扩散区（7至12和35至32）都由另一种导电类型（N）的半导体材料组成，而接触扩散区（7至12和25至32）都由外加原子重掺杂，其中，每一个结构（2，3）都有两个接触扩散区行（7，25;26;27;28和7;8;9或10;11和12和29;30;31;32）每一列接触扩散区都在半导体层表面上与另一列接触扩散区相对，其中两个最外侧的接触扩散区列（25，26，27，28或29，30，31，32）分别与霍尔元件的两个电流端（C₁，C₂）之一连接。

5、按照权利要求1至4的可集成霍尔元件，其特征在于：半导体层（5）由一层与半导体层（5）不同导电类型的（P）型材料组成的表面层（22）覆盖。

6、为测量电计数器中由电流产生的磁场（H），对按照权利要求1至5之一的可集成霍尔元件的应用。