[实用新型]一种霍尔传感器

说明书

技术领域

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。