專利名稱：一種三維磁矢敏感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器及其制造方法，屬于微電子學(xué)和半導(dǎo)體集成傳感器領(lǐng)域。
近幾年來，由于磁體材料或其他磁源的磁力線空間分布測量、地磁測量、和制造接近式開關(guān)、無觸點角位置編碼器之類測量儀器等的需要，出現(xiàn)了一些能探測磁感應(yīng)強度
的三維磁矢分量(
X、
Y、
Z)的三維磁矢敏感器。已有的三維磁矢敏感器僅有兩種結(jié)構(gòu)其一是S。Kordic等提出的雙極型NPN-三維磁敏晶體管，見S。Kordie，“Integrated 3D Magnetic Sensor Based on an n-p-n Transistor”，IEEE EDL.，VOl.EDL-7，No.3，March 1986，p 196～198和S.Kordic and Pcter J.A.Munter，“Three-Dimensional Magnetic-Field Sensor”，IEEE Transactions on Electron Devices，VOl.35，No.6，June 1988，p771～779。這種磁敏晶體管對
Y的相對靈敏度SRY為最大，達2%/T。它的三個方向的靈敏度比為SXX∶SYY∶SZZ＝8∶15∶1。它的主要缺點是交叉靈敏度SZY比較大，且與SZZ相近;工作電壓范圍窄，約在5伏左右;輸入阻抗低。其二是K.Maenaka提出的霍爾板型的兩個垂直的和一個橫向的霍爾單元(Hall cell)組合結(jié)構(gòu)，見K.Maenaka，“Integrated Magnetic Sensors Detecting x，y，and z components of the Magnetic Field”，Transducers′87，Digest ofTechnical Papers of the 4th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，p 523～526。它的主要缺點是空間分辨率差，約為100×100×17μm3。此外，上述兩種三維磁矢敏感器的共同缺點是性能會隨溫度明顯變動，溫度穩(wěn)定性較差。
本發(fā)明的目的是提供一種MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器，它是在材料為高阻P型(100)硅單晶拋光片的襯底12上集成有一個能探測垂直于芯片表面的磁矢分量
Z的橫向雙擴散LDMOS(Lateral Double Diffused MOS)管和兩個能探測平行于芯片表面的磁矢分量
X、
Y的縱向雙擴散VDMOS(Vertical Double Diffused MOS)管，這些管的源區(qū)和薄柵氧層11是公共的，LDMOS管采用一對(DZ、DZ′)或兩對(DZ1、DZ1′和DZ1、DZ2′)雙漏極結(jié)構(gòu)。它有三個方向的靈敏度比較為均勻、空間分辨率高和工作電壓寬等優(yōu)點。本發(fā)明的另一個目的是提供該三維磁矢敏感器的制造方法，該法有與其他MOS或雙極型器件的制造方法相容的特點。


圖1是本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器芯片的設(shè)計平面圖，其中1是X軸-漏極DX′;2是Z軸-漏極DZ2′;3是公共柵極G;4是Y軸-漏極DY′;5是Z軸-漏極DZ2;6是X軸-漏極DX;7是Z軸-漏極DZ1;8是Y軸-漏極DY;9是Z軸-漏極DZ1′;10是公共源極S;AA′為縱向剖面線。
圖2是本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器芯片在圖1的AA′處的縱向剖面圖，其中11是薄柵氧層;12是襯底。
圖3是本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的靜態(tài)特性曲線，即當(dāng)外加磁場B＝OT和VDS＝15V時，總漏電流IDT與三維漏電流IDX、IDY和IDZ的關(guān)系曲線。
圖4是本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的動態(tài)特性曲線，即當(dāng)沿X、Y、和Z軸方向分別加有強度相等的磁場(B＝50mT)，VDS＝15V時，總漏電流IDT與三維漏電流增量△IXX、△IYY、和△IZZ的關(guān)系曲線。
圖5是本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的主要制造工藝流程圖。
本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的工作原理是，在探測垂直于芯片表面的磁矢分量

Z的橫向雙擴散LDMOS管中，由公共源極10出發(fā)的電子流沿著與芯片表面平行的方向流入分離的雙漏極Z軸-漏極DZ17、Z軸-漏極DZ1′9。當(dāng)被測磁矢分量

Z≠0時，電子流受到洛侖茲力的作用，使兩個漏極收集到的電流不等，即IDZ1≠IDZ1′。在一定的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)，Z軸-漏電流增量△IZZ(＝IDZ1-IDZ1′)與被測磁矢分量

Z成正比。見圖4，在探測平行于芯片表面的磁矢分量

X、

Y的縱向雙擴散VDMOS管中，有兩對相互垂直的漏極X軸-漏極DX6、X軸-漏極DX′1和Y軸-漏極DY8、Y軸-漏極DY′4，由公共源極10出發(fā)的電子流，流經(jīng)溝道后，改進近似與芯片表面垂直的方向朝芯片下方流動，通過外延硅層后，分別抵達芯片下方各自的埋層，經(jīng)各自的深N+區(qū)，被上述兩對漏極收集。見圖2，在平行于芯片表面的被測磁矢分量

X和

Y的作用下，IDX≠IDX′;IDY≠IDY′。同樣地，在一定的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)，X軸-漏電流增量△IXX和Y軸-漏電流增量△IYY分別與被測磁矢分量

X和

Y成正比。見圖4。
在圖3中，IDX、IDY和IDZ分別指X、Y和Z-軸-對漏極的漏電流之和，總漏電流IDT顯然為X、Y和Z一軸漏電流IDX、IDY、IDZ之和，即IDT＝IDX+IDY+IDZ。如Z一軸有兩對漏極DZ1、DZ1′和DZ2、DZ2′，上式便可改寫為，IDT＝IDX+IDY+IDZ1+IDZ2。
在圖4中，X、Y和Z一軸靈敏度SXX、SYY和SZZ分別為△IXX/BX、△IYY/BY和△IZZ/BZ。又，X、Y和Z一軸相對靈敏度SRX、SRY和SRZ分別為(△IXX)/(IDX) /BX、 (△IYY)/(IDY) /BY和 (△IZZ)/(IDZ) /BZ，其中BX＝BY＝BZ＝50mT。所以，利用圖4可直接算出SXX、SYY和SZZ;結(jié)合圖3可算出SRX、SRY和SRZ。
本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的制造方法是第一步把作為襯底12的、厚度和電阻率分別為300～350μm和9～12Ω·cm的高阻P型(100)硅單晶拋光片放入高溫爐，進行N+埋層氧化，其條件為溫度1180℃，時間150分鐘，分三段進行a)15分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)120分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)，c)15分鐘(爐內(nèi)恢復(fù)通入干氧);
接著，進行N+埋層光刻;再進行銻埋層予擴散，其條件溫度1200℃，時間60分鐘(爐內(nèi)通入氮氣);
最后進行銻再分布，其條件為溫度1200℃，時間155分鐘，分兩段進行a)135分鐘(爐內(nèi)通入氮氣)，b)20分鐘(爐內(nèi)通入濕氧);
合格芯片的銻擴方塊電阻為20～25Ω/口。
第二步氣相外延生長，形成摻磷外延硅層，其條件為溫度1180℃，時間15～16分鐘，生長速率1μm/min.;
摻磷外延硅層的厚度為15～16μm，合格芯片的外延硅層的電阻率為4～5Ω·cm。
第三步先進行P+濃硼隔離氧化，其條件為溫度1180℃，時間100分鐘，分三段進行，a)10分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)80分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)，c)10分鐘(爐內(nèi)恢復(fù)通入干氧);
接著進行隔離光刻;然后進行濃硼予擴散，其條件為溫度1050℃，時間25分鐘(爐內(nèi)通入氮氣);
最后進行濃硼再分布，其條件為溫度1180℃，時間90分鐘，分兩段進行
a)60分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧);
合格芯片的P+濃硼隔離區(qū)的方塊電阻為25～30Ω/口。
第四步光刻出深N+區(qū)后，進行深磷予擴散，其條件為溫度1160℃，時間30分鐘，分兩段進行a)20分鐘(氧氣經(jīng)磷源通入爐內(nèi))，b)10分鐘(爐內(nèi)改通干氧);
接著進行深磷再分布，其條件為溫度1180℃，時間420分鐘，分兩段進行a)390分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
第五步先光刻出LDMOS和VDMOS管的源、溝道區(qū);接著，通過同一源區(qū)窗口，先后注入砷離子和硼離子，形成LDMOS和VDMOS管的源、溝道區(qū)，其條件為注砷劑量 2～3×1014cm-2，注砷能量90～110Kev，注硼劑量 1～1.5×1014cm-2，注硼能量60Kev;
最后，進行砷、硼再分布，其條件為溫度1050℃，時間45分鐘，分兩段進行a)15分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
第六步先光刻出LDMOS和VDMOS管的漏區(qū);接著進行磷予擴散，其條件為溫度1060℃，時間20分鐘(氧氣經(jīng)磷源通入爐內(nèi));
最后，進行磷再分布，其條件為溫度1160℃，時間15分鐘，分兩段進行a)12分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)3分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
第七步光刻出LDMOS和VDMOS管的柵區(qū)后，形成薄柵氧層11，其條件為溫度為1000℃，爐內(nèi)通入HCl氣體，薄柵氧層11的厚度為875～925 。
第八步光刻出引線孔。
第九步用電阻加熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)的方法，對具有光刻圖案的表面淀積一層鋁膜，鋁膜厚度為1～1.5μm;對鋁膜進行光刻后，進行熱處理，旨在使引線孔處的鋁與硅形成鋁-硅合金，熱處理條件為溫度為530℃，時間為15分鐘(爐內(nèi)通入氮氣)。
第十步先進行芯片測試和劃片;對合格的芯片進行燒結(jié);最后進行鍵壓、封裝和老化處理。
本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器具有下列優(yōu)點1.采用MOS型晶體管結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)三維磁矢測量，由于MOS器件是多數(shù)栽流子器件，故比其他類型(如雙極型)的三維磁矢敏感器具有較好的溫度穩(wěn)定性、較高的輸入阻抗和較寬的工作電壓范圍(5～40V)。
2.三個方向的靈敏度比為SYY∶SZZ∶SXX＝4∶1.5∶1，較為均勻;靈敏度高，相對靈敏度SRY可達6%/T，為雙極型三維磁矢敏感器的三倍;交叉靈敏度SZX為三個方向靈敏度中最低者SXX的 1/4 ，說明本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的任何一維的MOS管的磁電轉(zhuǎn)換特性受另外兩個方向的磁矢分量的影響比較小;空間分辨率為10×16×32.5μm3，明顯優(yōu)于霍爾板型三維磁矢敏感器的空間分辨率。
3.本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器的制造工藝與其他MOS或雙極型器件的制造工藝相容，因此，本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器易于與其他MOS或雙極型器件一起，集成于同一塊芯片上，從而獲得附加的信號處理功能。
本MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器是一種新型的、能同時探測三維磁矢分量的敏感器。由于它有溫度穩(wěn)定性好、工作電壓范圍寬、輸入阻抗高、靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，且能與其他MOS或雙極型器件集成于同一芯片，制成帶信號處理電路的高性能敏感器，所以，它在各個領(lǐng)域，尤其在自動監(jiān)控、電子測量和磁場空間分布探測等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種三維磁矢敏感器，其特征是，在材料為高阻P型(100)硅單晶拋光片的襯底12上集成有一個能探測垂直于芯片表面的磁矢分量
Z的橫向雙擴散LDMOS管和兩個能探測平行于芯片表面的磁矢分量
X、
Y的縱向雙擴散VDMOS管，這些管的源區(qū)和薄柵氧層11是公共的，LDMOS管采用一對(DZ、DZ′)或兩對(DZ1、DZ1′和DZ2、DZ2′)雙漏極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維磁矢敏感器，其特征是，對磁矢分量
Y的相對靈敏度SRY≥6%/T，三個方向的靈敏度比約為SYX∶SZZ∶SXX＝4∶1.5∶1，空間分辨率為10×16×32.5μm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維磁矢敏感器，其特征是，作為襯底12的高阻P型(100)硅單晶拋光片的厚度為300～350μm，電阻率為9～12Ω·cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維磁矢敏感器，其制造方法包括(1)在襯底12為P型(100)硅單晶拋光片上進行N+埋層予氧化后，進行埋層光刻、銻埋層予擴散及銻再分布;(2)氣相外延生長，形成摻磷外延硅層;(3)P+濃硼隔離氧化后，進行隔離光刻、濃硼予擴散和濃硼再分布;(4)光刻出深N+區(qū)后，進行深磷予擴散和深磷再分布;(5)光刻出LDMOS和VDMOS管的源、溝道區(qū);接著，通過同一源區(qū)窗口，先后注入砷離子和硼離子后進行砷、硼再分布;形成LDMOS和VDMOS管的源、溝道區(qū);(6)光刻出LDMOS和VDMOS管的漏區(qū)后，進行磷予擴散和磷再分布;(7)光刻出LDMOS和VDMOS管的柵區(qū)后，形成薄柵氧層11;(8)光刻出引線孔;(9)蒸鋁后進行光刻和熱處理，使引線孔處的鋁與硅形成鋁-硅合金;(10)芯片測試，劃片，對合格的芯片進行燒結(jié)。鍵壓，封裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，N+埋層予氧化的條件為溫度 1180℃時間 150分鐘，分三段進行，a)15分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)120分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)，c)15分鐘(爐內(nèi)恢復(fù)通入干氧);N+埋層擴散的條件為溫度 1200℃，時間 60分鐘(爐內(nèi)通入氮氣);銻再分布的條件為溫度 1200℃，時間 155分鐘，分兩段進行a)135分鐘(爐內(nèi)通入氮氣)，b)20分鐘(爐內(nèi)通入濕氧);合格芯片的銻擴方塊電阻為20～25Ω/口。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，氣相外延生長形成摻磷外延硅層的條件為溫度 1180℃，時間 15～16分鐘，生長速率 1μm/min.;摻磷外延硅層的厚度為15～16μm;合格芯片的外延硅層的電阻率為4～5Ω·cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，P+濃硼隔離氧化的條件為溫度 1180℃，時間 100分鐘，分三段進行a)10分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)80分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)，c)10分鐘(爐內(nèi)恢復(fù)通入干氧);濃硼予擴散的條件為溫度 1050℃，時間 25分鐘(爐內(nèi)通入氮氣);濃硼再分布的條件為溫度 1180℃時間 90分鐘，分兩段進行a)60分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧);合格芯片的P+濃硼隔離區(qū)的方塊電阻為25～30Ω/口。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，深N+區(qū)摻磷予擴散的條件為溫度 1160℃，時間 30分鐘，分兩段進行a)20分鐘(氧氣經(jīng)磷源通入爐內(nèi))，b)10分鐘(爐內(nèi)改通干氧);深磷再分布的條件為溫度 1180℃，時間 420分鐘，分成兩段進行a)390分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，通過同一源區(qū)窗口，先后注入砷離子和硼離子形成LDMOS和VDMOS管的源、溝道區(qū)的條件為注砷劑量 2～3×1014cm-2，注砷能量 90～110Kev，注硼劑量 1～1.5×1014cm-2，注硼能量 60Kev;砷、硼再分布的條件為溫度 1050℃，時間 45分鐘，分兩段進行a)15分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)30分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，形成LDMOS和VDMOS管的漏區(qū)磷予擴散的條件為溫度 1060℃，時間 20分鐘(氧氣經(jīng)磷源通入爐內(nèi));磷再分布的條件為溫度 1160℃，時間 15分鐘，分兩段進行a)12分鐘(爐內(nèi)通入干氧)，b)3分鐘(爐內(nèi)改通濕氧)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維磁矢敏感器的制造方法，其特征是，在LDMOS和VDMOS管的柵區(qū)形成薄柵氧層11的條件為溫度為1000℃，爐內(nèi)通入HCl氣體，薄柵氧層11的厚度為875～925 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MOS型硅半導(dǎo)體三維磁矢敏感器及其制造方法，屬于微電子學(xué)和半導(dǎo)體集成傳感器領(lǐng)域。該敏感器有溫度穩(wěn)定性好、工作電壓范圍寬、輸入阻抗高、靈敏度高等優(yōu)點，且能與其他MOS或雙極型器件集成于同一芯片，制成帶信號處理電路的高性能敏感器，適于在自動監(jiān)控、電子測量和磁場空間分布探測等方面作磁敏探頭。
文檔編號H01L43/00GK1047940SQ90102880
公開日1990年12月19日 申請日期1990年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月15日
發(fā)明者賴宗聲 申請人:華東師范大學(xué)