本申請要求由Vanderhagen等于2013年9月6日提交的、序列號為61/874,385的、題為“LOW OFFSET AND HIGH SENSITIVITY VERTICAL HALL EFFECT SENSOR”的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容特此通過引用在其整體上并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及磁場傳感器，并且更具體地涉及檢測平行于芯片表面的磁場的半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)傳感器，也被稱為垂直霍爾效應(yīng)傳感器。

背景技術(shù)：

霍爾效應(yīng)設(shè)備在傳感器應(yīng)用中用于磁場的無接觸感測?；魻栃?yīng)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在使用CMOS技術(shù)的半導(dǎo)體芯片上。這已使得霍爾效應(yīng)傳感器成為被最廣泛使用的磁場傳感器類型之一。然而，標(biāo)準(zhǔn)CMOS霍爾設(shè)備典型地僅僅能夠檢測垂直于半導(dǎo)體芯片表面的磁場。

已經(jīng)開發(fā)了各種方法來檢測平行于半導(dǎo)體芯片表面的磁場。一種方法使用磁選機“操縱”朝向芯片表面的磁場，使得它們能夠使用標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)傳感器被檢測。然而，磁選機增加了成本并且增加了制造設(shè)備的復(fù)雜度。

另一種已經(jīng)開發(fā)出的用于檢測平行于芯片表面的磁場的方法是所謂的垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備的使用。垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備包括處于布置在平行于芯片表面的直線中的井中的多個接觸部。這些接觸部中的兩個連接到偏置電流或者電壓以引入通過芯片的電流路徑。輸出電壓用于測量霍爾設(shè)備的輸出電壓。在磁場存在的情況下，正沿該路徑移動的載流子被洛倫茲力偏轉(zhuǎn)并且形成霍爾電場。

然而，垂直霍爾效應(yīng)傳感器的使用所面臨的一個難點是，典型地歸因于各種因素(例如制造缺陷或者環(huán)境條件)而引入到傳感器的輸出電壓中的電壓偏移。傳感器輸出中的電壓偏移的存在損害了由霍爾設(shè)備得到的磁場測量的精度。

為了補償霍爾效應(yīng)設(shè)備中的電壓偏移，已經(jīng)針對傳感器開發(fā)了自旋電流技術(shù)，其中用于連接偏置源的霍爾設(shè)備的接觸部和用于連接提供輸出電壓的接觸部被切換以提供多個偏置模式。每一個偏置模式可以提供稍不同的輸出電壓。結(jié)果，輸出電壓被調(diào)制，這使得在磁場的測量中能夠標(biāo)識和補償偏移電壓，該偏移電壓作為信號的DC分量出現(xiàn)。

自旋電流方法要求高度對稱的設(shè)備是有效的。然而，歸因于接觸部的線性布置，垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備是幾何不對稱的。因此，垂直霍爾效應(yīng)傳感器的開發(fā)中的一個最困難的任務(wù)是為垂直霍爾設(shè)備的接觸部確定布置或者連接配置，所述布置或者連接配置實現(xiàn)對稱響應(yīng)，使得可使用自旋電流消除偏移。

之前已知的垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備的一個例子包括四個接觸部的線性布置。該四-接觸部垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備能夠提供在偏置模式之間的高度對稱性，這允許使用自旋電流技術(shù)消除偏移。然而，四接觸部設(shè)備展現(xiàn)大的預(yù)-自旋對稱偏移，除了對讀出電子設(shè)備呈現(xiàn)顯著的動態(tài)范圍挑戰(zhàn)外，所述預(yù)-自旋對稱偏移導(dǎo)致在霍爾傳感器偏置電路中的噪聲饋通到最終輸出，這使信噪比降級。

為了減少預(yù)-自旋偏移電壓，垂直霍爾設(shè)備已經(jīng)提供有線性布置的五個或者甚至六個接觸部。五-接觸部垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備在偏置模式之間高度不對稱，這導(dǎo)致用于消除偏移的自旋電流技術(shù)的無效。

在之前已知的六-接觸部垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備中，外接觸部被短接在一起并且內(nèi)接觸部用作四-接觸部霍爾設(shè)備。六-接觸部傳感器具有在其偏置模式之間的高度對稱性并且能夠被適配為展現(xiàn)小的預(yù)-自旋對稱偏移。然而，達(dá)到針對傳感器的標(biāo)稱零偏移和最大靈敏度所需的間距要求較深的井，以允許接觸部之間的足夠間距。結(jié)果，傳感器的尺寸可能太大或者太不便捷而無法在某些設(shè)備中實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的包括垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備的垂直霍爾效應(yīng)傳感器的示意視圖。

圖2是圖1的垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備的實施例的示意視圖。

具體實施方式

出于促進(jìn)理解本公開原理的目的，現(xiàn)在將參照附圖中示出并且在以下書面描述中描述的實施例。應(yīng)理解，并不由此意圖限制本公開的范圍。還應(yīng)理解，本公開包括對于所示實施例的任何改變和修改并且包括如對于本公開所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將正常想到的本公開原理的進(jìn)一步應(yīng)用。

本公開涉及一種垂直霍爾效應(yīng)傳感器，其具有在其偏置模式之間的高度對稱性，能夠被適配為展現(xiàn)小的預(yù)-自旋對稱偏移，并且符合制造技術(shù)(例如CMOS)允許的內(nèi)接觸部之間的最小間距要求。這些特性使得垂直霍爾效應(yīng)傳感器能夠具有關(guān)于偏移和靈敏度的最優(yōu)性能。

根據(jù)本公開的一個實施例，垂直霍爾效應(yīng)傳感器包括霍爾效應(yīng)設(shè)備，該霍爾效應(yīng)設(shè)備包括襯底，該襯底具有頂表面和頂表面之下的第一導(dǎo)電率類型的區(qū)域。導(dǎo)電井被嵌入具有第二導(dǎo)電率類型的區(qū)域中。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八歐姆接觸部在導(dǎo)電井內(nèi)的行中被依次布置并且彼此分隔開，所述行通常平行于襯底的頂表面。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八歐姆接觸部中的每一個具有與該井的導(dǎo)電率不同的導(dǎo)電率。

霍爾效應(yīng)設(shè)備進(jìn)一步包括具有四個輸入端子的電壓測量設(shè)備，以及配置為連接到偏置源的開關(guān)設(shè)備。電壓測量設(shè)備配置為處理跨電壓測量設(shè)備的四個輸入端子所接收的電壓以確定對應(yīng)于磁場的測量的霍爾電壓。開關(guān)設(shè)備具有分別電連接到開關(guān)設(shè)備的四個輸入端子的四個輸出端子，以及第一，第二，第三，第四，第五，和第六輸入端子。

第一和第六歐姆接觸部彼此電連接且電連接到開關(guān)設(shè)備的第五輸入端子。第三和第八歐姆接觸部彼此電連接且電連接到開關(guān)設(shè)備第二輸入端子。第二歐姆接觸部電連接到開關(guān)設(shè)備的第一輸入端子。第四歐姆接觸部電連接到開關(guān)設(shè)備的第三輸入端子。第五歐姆接觸部電連接到開關(guān)設(shè)備的第四輸入端子，并且第七歐姆接觸部電連接到開關(guān)設(shè)備的第六輸入端子。第一和第六歐姆接觸部以及第三和第八歐姆接觸部可經(jīng)由敷金屬電連接。

開關(guān)設(shè)備包括多種操作模式。在每一種操作模式下，開關(guān)設(shè)備配置為將從開關(guān)設(shè)備的第一、第二、第三、第四、第五和第六輸入端子選擇的兩個輸入端子分別電連接到偏置源和地，并且將開關(guān)設(shè)備剩余的不連接到偏置源和地的四個輸入端子分別經(jīng)由開關(guān)設(shè)備的四個輸出端子電連接到電壓測量設(shè)備的四個輸入端子。

在一個實施例中，開關(guān)設(shè)備包括這樣的操作模式，在該操作模式下，分別電連接到偏置源和地的兩個輸入端子包括選自開關(guān)設(shè)備的第二、第三、第四和第五輸入端子的交替對的輸入端子，并且連接到開關(guān)設(shè)備的四個輸出端子的剩余的四個輸入端子包括第一和第六輸入端子以及第二、第三、第四和第五輸入端子中沒有連接到偏置源或地的剩余兩個輸入端子而達(dá)到四個。

在一個實施例中，第一歐姆接觸部與第二歐姆接觸部分隔開并且第八歐姆接觸部與第七歐姆接觸部分隔開第一距離。第二歐姆接觸部與第三歐姆接觸部分隔開、第三歐姆接觸部與第四歐姆接觸部分隔開、第四歐姆接觸部與第五歐姆接觸部分隔開、第五歐姆接觸部與第六歐姆接觸部分隔開、以及第六歐姆接觸部與第七歐姆接觸部分隔開第二距離，其中第一距離大于第二距離。在一個特定實施例中，第二距離大約是第一距離的一半。

在一個實施例中，導(dǎo)電井包括N-型導(dǎo)電率，并且所述區(qū)域包括P-型導(dǎo)電率。在該實施例中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、和第八歐姆接觸部可包括比導(dǎo)電井的N-型導(dǎo)電率更高度摻雜的N-型導(dǎo)電率。

在另一個實施例中，一種制造霍爾效應(yīng)設(shè)備的方法包括形成在襯底的一區(qū)域中的導(dǎo)電井內(nèi)的行中依次地并且彼此分隔開的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八歐姆接觸部，導(dǎo)電井具有第一導(dǎo)電率類型并且所述區(qū)域具有第二導(dǎo)電率類型，所述行通常平行于襯底的上表面，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、以及第八歐姆接觸部中的每一個具有不同于井的導(dǎo)電率的導(dǎo)電率。第一和第六歐姆接觸部彼此電連接，并且第三和第八接觸部彼此電連接。歐姆接觸部被布置成使得：第一歐姆接觸部與第二歐姆接觸部分隔開并且第八歐姆接觸部與第七歐姆接觸部分隔開第一距離；以及第二歐姆接觸部與第三歐姆接觸部分隔開、第三歐姆接觸部與第四歐姆接觸部分隔開、第四歐姆接觸部與第五歐姆接觸部分隔開、第五歐姆接觸部與第六歐姆接觸部分隔開、以及第六歐姆接觸部與第七歐姆接觸部分隔開小于第一距離的第二距離，例如，第一距離的一半。

現(xiàn)在參考圖1，根據(jù)本公開的垂直霍爾效應(yīng)傳感器100包括垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備102、開關(guān)電路104、偏置源106、和輸出電壓測量設(shè)備108。垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備102具有輸入/輸出端子110、112、114、116、18、120，并且輸出電壓測量設(shè)備108具有四個輸入端子122、124、126、128。開關(guān)電路104具有連接到霍爾設(shè)備102的連接端子110、112、114、116、118、120的四個傳感器連接，以及連接到測量設(shè)備108的輸入端子122、124、126、128的四個輸出電壓連接。開關(guān)電路還包括連接到偏置源106的輸入，偏置源106可以是電流源或電壓源。

如下文討論的，垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備包括多個預(yù)定義的偏置模式。每一個偏置模式定義了哪些端子要用作用于將電流引入霍爾設(shè)備的輸入以及哪些端子要用作跨其測量磁場相關(guān)輸出電壓的輸出。開關(guān)電路104配置為根據(jù)霍爾設(shè)備102的每一種偏置模式可操作地將霍爾設(shè)備102的端子110、112、114、116、118、120耦合至偏置源106以及耦合至輸出電壓測量設(shè)備108，并且依次切換至每一種偏置模式的連接以實現(xiàn)自旋電流方案。

在每一種偏置模式下，開關(guān)設(shè)備104將端子110、112、114、116、118、120中的一個耦合至偏置源，將端子110、112、114、116、118、120中的另一個耦合至地電位，并且將端子110、112、114、116、118、120中剩余的四個耦合至輸出電壓測量設(shè)備108的相應(yīng)的輸入端子122、124、126、128。開關(guān)電路104配置為基于例如從時鐘發(fā)生器129接收的時鐘信號，在偏置模式之間切換霍爾設(shè)備102。

霍爾設(shè)備102的輸入端子定義了在每一種偏置模式下進(jìn)和出設(shè)備102的電流路徑。在存在具有平行于垂直霍爾設(shè)備102的上表面的分量的磁場的情況下，正沿所述路徑移動的載流子被洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，并且形成霍爾電場?；魻栯妶鲇绊懣缁魻栐O(shè)備102的輸出端子出現(xiàn)并且耦合至測量設(shè)備108的輸入端子122、124、126、128的輸出電壓。測量設(shè)備108配置為處理跨輸入端子122、124、126、128接收的電壓以確定對應(yīng)于磁場的測量的霍爾電壓。

霍爾設(shè)備102、開關(guān)設(shè)備104以及測量設(shè)備108可實現(xiàn)在單個芯片或多個芯片上，并且可包括各種電路組件和元件，例如放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器、邏輯等，可能需要它們來執(zhí)行文本描述的功能以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將已知的其他功能。

現(xiàn)在參考圖2，傳感器100的垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備102的實施例被更詳細(xì)地描繪。垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備102使用CMOS技術(shù)而形成并且包括嵌入第二導(dǎo)電率類型的襯底132或者襯底的區(qū)域中的第一導(dǎo)電率類型的導(dǎo)電井130。例如，在一個實施例中，垂直霍爾效應(yīng)傳感器102包括嵌入P型襯底中的N型井。在另一個實施例中，垂直霍爾效應(yīng)傳感器包括嵌入N型襯底中的P型井。在一個實施例中，井130和襯底132被摻雜以提供第一和第二導(dǎo)電率類型，但是導(dǎo)電率可以以任何合適方式通過井和襯底來提供。

霍爾設(shè)備102包括布置在井130中的直線上的八個歐姆接觸部134、136、138、140、142、144、146、148，該直線通常平行于井130和襯底132的上表面以實現(xiàn)垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備。接觸部134、136、138、140、142、144、146、148暴露于井130的上表面，在該上表面它們連接到布線端子110、112、114、116、118、120。在一個實施例中，歐姆接觸部134、136、138、140、142、144、146、148被提供為在井內(nèi)的第一導(dǎo)電率類型的更高摻雜區(qū)域(例如，N型井中的N+摻雜或者P型井中的P+摻雜)。

歐姆接觸部包括兩個外接觸部134、148(即第一和第八接觸部，其布置在接觸部的線的每一端)，以及六個內(nèi)接觸部136、138、140、142、144、146(即第二至第七接觸部，其布置在兩個外接觸部134、148之間)。每一個接觸部與線上的相鄰接觸部分隔開預(yù)定距離。第一接觸部(外接觸部134)電連接到第六接觸部(內(nèi)接觸部144)，以及第八接觸部(外接觸部148)電連接到第三接觸部(內(nèi)接觸部138)。第一和第六接觸部以及第三和第八接觸部可以例如通過敷金屬或者半導(dǎo)體技術(shù)中可獲得的其他手段被電連接。

接觸部的尺寸以及接觸部之間的間距至少部分取決于期望的傳感器特性以及半導(dǎo)體制造技術(shù)允許的限制。例如，在圖2的實施例中，接觸部可提供有制造工藝允許的最小長度以及最小間距，但并非必須的。在圖2的實施例中，內(nèi)接觸部136、138、140、142、144、146的每個與彼此分隔開距離A。外接觸部134、148的每個與相鄰的內(nèi)接觸部136、146分隔開距離B。在一個實施例中，針對外接觸部134、148的間距B大于內(nèi)接觸部136、138、140、142、144、146之間的間距A。這有助于減少設(shè)備102的預(yù)-自旋偏移和電壓偏移?？蛇x擇間距B以實現(xiàn)在傳感器的每一種偏置模式下的標(biāo)稱零偏移。例如，在一個特定實施例中，選擇間距B為內(nèi)接觸部之間的間距A的兩倍。

接觸部134、136、138、140、142、144、146、148如圖2所描繪地連接到六個端子110、112、114、116、118、120。在圖2的實施例中，第二接觸部136連接到端子110；連接的第三和第八接觸部對138、148連接到端子112；第四接觸部140連接到端子114；第五接觸部142連接到端子116；連接的第六和第一接觸部對144、134連接到端子118；以及第七接觸部146連接到端子120。通過如本文描述的那樣互連接觸部，垂直霍爾效應(yīng)設(shè)備提供有在偏置模式之間的高度對稱性以及接觸部之間的最小間距。這種對稱性使得自旋電流技術(shù)能夠用于減少或者去除霍爾效應(yīng)設(shè)備102的偏移。

為了實現(xiàn)自旋電流方案，霍爾設(shè)備102具有多個偏置模式，這些偏置模式定義了哪些接觸部連接到偏置源106和測量設(shè)備108。在一種操作模式下，內(nèi)端子112、114、116和118中的交替對連接到偏置源和地以將電流引入井內(nèi)，并且剩余端子連接到測量設(shè)備108的輸入以測量霍爾電壓。在該實施例中，提供了兩種偏置模式。在第一偏置模式下，端子112、116連接到偏置源106和地以提供到井中的電流路徑，并且剩余端子110、114、118、120連接到測量設(shè)備以測量霍爾電壓。在第二偏置模式下，端子114、118連接到偏置源106和地以提供到井中的電流路徑，并且剩余端子110、112、116、120連接到測量設(shè)備以測量霍爾電壓。

在這種操作模式下，第二接觸部136和第七接觸部146分別服務(wù)于更準(zhǔn)確地定義設(shè)備一端的第一接觸部134和第三接觸部138之間以及第六接觸部144和第八接觸部148之間的阻抗的目的。如果僅僅考慮相鄰接觸部之間的阻抗，那么第一接觸部134和第三接觸部138之間的阻抗將恰好是第三接觸部138和第四接觸部140之間的阻抗的兩倍，并且第八接觸部148和第六接觸部144之間的阻抗將恰好是第六接觸部144和第五接觸部142之間的阻抗的兩倍。由于接觸部136、146實現(xiàn)這樣的阻抗比率(即，2)，端子112、114、116、118將看到具有平衡橋并且因此沒有內(nèi)置偏移的霍爾傳感器。

霍爾設(shè)備102包括另一種操作模式，其中外端子110、120用于為測量設(shè)備108提供輸出電壓。在該實施例中，測量設(shè)備包括兩個輸入端子。基于歸因于到井邊緣的有限距離所帶來的電流積聚來確定所述偏移。然后可使用標(biāo)稱對等的端子110、120之間的電壓差來電子補償所述偏移。在該實施例中，通過以交替序列驅(qū)動端子對112、116和端子對114、118來如上所描述那樣使用內(nèi)端子112、114、116、118。

雖然已經(jīng)在附圖和前述描述中圖示和詳細(xì)描述本公開，但是其在特性上應(yīng)該被視為說明性的而非限制性的。要理解的是，僅給出了優(yōu)選的實施例，并且期望保護(hù)落在本公開的精神內(nèi)的所有變化、修改和進(jìn)一步應(yīng)用。