双E型霍尔磁场感测元件的制作方法

双e型霍尔磁场感测元件
技术领域
1.本实用新型涉及一种霍尔磁场感测元件，特别是双e型霍尔磁场感测元件。


背景技术：

2.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。
3.一般而言，传统的霍尔磁场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磁场感测元件的厚度、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。目前市售的霍尔磁场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，由于霍尔磁场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。
4.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。


技术实现要素：

5.首先，本实用新型公开一种双e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、两个e型深层布植层、多个导体接垫及电流阻挡层。其中，所述e型深层布植层设置在半导体基板上以作为电流传导的载体层，所述e型深层布植层包含第一e型深层布植层及第二e型深层布植层，此第一e型深层布植层的位置与第二e型深层布植层的位置以镜射轴呈镜射关系；每一导体接垫皆包含浅层布植层及n型井区(n-well)，所述导体接垫分别设置在第一e型深层布植层及第二e型深层布植层的上表面且以镜射轴呈镜射关系，以及允许电流经由导体接垫通过e型深层布植层中间相连的导线形成电流路径；电流阻挡层以保护环(guard ring)结构覆盖第一e型深层布植层及第二e型深层布植层以阻挡电流及提高磁灵敏度。
6.本实用新型所公开的元件如上，与现有技术的差异在于本实用新型是通过在半导体基板上设置第一e型深层布植层及第二e型深层布植层以作为电流传导的载体层，其中，第一e型深层布植层的位置与该第二e型深层布植层的位置以镜射轴呈镜射关系，接着将包含n型井区及浅层布植层的多个导体接垫分别设置在第一e型深层布植层及第二e型深层布植层的上表面且以镜射轴呈镜射关系，再以保护环覆盖第一e型深层布植层及第二e型深层布植层作为电流阻挡层以阻挡电流及提高磁灵敏度。
7.通过上述的技术手段，本实用新型可以达成提高磁场感测灵敏度及电路整合的便
利性的技术功效。
附图说明
8.图1为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图。
9.图2为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图。
10.图3为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图。
11.图4为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图。
12.附图标记说明：
13.100、200、300、400双e型霍尔磁场感测元件
14.110半导体基板
15.111、112e型深层布植层
16.113镜射轴
17.120导体接垫
18.121浅层布植层
19.122n型井区
20.130电流阻挡层
21.140突出部
22.151、152导线
具体实施方式
23.以下将配合图式及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型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。
24.在说明本实用新型所公开的双e型霍尔磁场感测元件之前，先对本实用新型图式的网点进行说明，在实际实施上，为了简单说明及简化图式，本实用新型图式中使用相同的网点或元件符号来代表相同的元件、材料或结构。
25.以下配合图式对本实用新型双e型霍尔磁场感测元件做进一步说明，请先参阅图1。图1为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第一实施例的示意图，所述双e型霍尔磁场感测元件100以标准cmos制程制作完成，其元件包含：半导体基板110、两个e型深层布植层(111、112)、多个导体接垫120及电流阻挡层130。所述e型深层布植层(111、112)设置在半导体基板110上以作为电流传导的载体层，其中，所述e型深层布植层(111、112)包含第一e型深层布植层111及第二e型深层布植层112，第一e型深层布植层111的位置与第二e型深层布植层112的位置以镜射轴113呈镜射关系。在实际实施上，所述e型深层布植层(111、112)的转角为r角，用以降低电流受磁场介入时，载子偏转而撞击布植层的机率，其r角半径可为1.8μm。另外，所述e型深层布植层(111、112)采用多晶硅(polysilicon)的霍尔平面，其上方覆盖电流阻挡层130。实际上，所述e型深层布植层(111、112)的宽度可分别在15μm至30μm之中任选其一，而第一e型深层布植层111及第二e型深层布植层112则分别包含相互平行的三个突出部140，所述突出部140的长度减去导体接垫120的宽度在0μm至30μm之间。除此之外，所述e型深层布植层(111、112)为n型井区(n-well)布植层、t-well布植层及p型井区(p-well)布植层至少其中之一，当e型深层布植层(111、112)为n-well布植层或t-well布植层
时，电流阻挡层130为p 阻挡层与p 保护环结构，当e型深层布植层(111、112)为p-well布植层时，电流阻挡层130为n 阻挡层与n 保护环结构。
26.多个导体接垫120，每一导体接垫120皆包含浅层布植层121及n型井区122，所述导体接垫120分别设置在第一e型深层布植层111及第二e型深层布植层112的上表面且以镜射轴113呈镜射关系，以及允许电流经由导体接垫120通过所述e型深层布植层(111、112)中间相连的导线(151、152)形成电流路径。在实际实施上，所述导体接垫120包含偏压电流源输入端(i
bias
)、偏压电流源输出端(i
bias-)、第一电压感测端(v
h1
)及第二电压感测端(v
h2
)，所述导体接垫120为n 布植层，并且长度及宽度分别在15μm至30μm之中任选其一，所述导线(151、152)为导电线(如：金属导线)。另外，所述电流路径的长度同样可在15μm至30μm之中任选其一。
27.电流阻挡层130以保护环结构覆盖第一e型深层布植层111及第二e型深层布植层112以阻挡电流及提高磁灵敏度。在实际实施上，电流阻挡层130为p 阻挡层、n 阻挡层、n型井区(n-well)布植层、t-well布植层及p型井区(p-well)布植层至少其中之一。
28.特别要说明的是，在图1的双e型霍尔磁场感测元件100以标准尺寸(或简称为代号：f30_31.8)架构布局，并且以正方形的布局架构实现。其中，“30”及“31.8”分别代表30μm及31.8μm(即：30μm加上r角半径1.8μm)。在实际实施上，可基于标准尺寸再延伸出三种规格。第一种延伸规格(或简称为代号：f15_16.8)，其宽度及边长缩减为一半，r角半径为1.8μm不变；第二种延伸规格(或简称为代号：f30_1.8)，其维持导体接垫宽度30μm，取消30μm边长，仅保留r角半径1.8μm；第三种延伸规格(或简称为代号：f15_1.8)，其导体接垫宽度为15μm，额外取消边长仅保留r角半径1.8μm，以下配合图式分别说明延伸的三种规格。
29.请参阅图2，图2为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第二实施例的示意图。在此实施例中，所述双e型霍尔磁场感测元件200(其规格为代号：f15_16.8)与图1所示的双e型霍尔磁场感测元件100大同小异，为了减化图式及说明，相同的部分便不再重复赘述，而两者的差异在于突出部的长度减去导体接垫的宽度在15μm，以及e型深层布植层的宽度如左下标示同样为15μm，其有别于图1所示的双e型霍尔磁场感测元件100皆为30μm。
30.请参阅图3，图3为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第三实施例的示意图。在此实施例中，所述双e型霍尔磁场感测元件300的规格为代号：f30_1.8，其与图1所示的双e型霍尔磁场感测元件100大同小异，为了减化图式及说明，相同的部分便不再重复赘述，而两者的差异在于突出部的长度减去导体接垫的宽度在1.8μm，也就是仅剩r角半径，至于e型深层布植层的宽度则如左下标示，其与图1所示的双e型霍尔磁场感测元件100同为30μm。
31.请参阅图4，图4为本实用新型双e型霍尔磁场感测元件的第四实施例的示意图。在此实施例中，所述双e型霍尔磁场感测元件400的规格为代号：f15_1.8，其与图3所示的双e型霍尔磁场感测元件300大同小异，为了减化图式及说明，相同的部分便不再重复赘述，而两者的差异在于双e型霍尔磁场感测元件400的e型深层布植层的宽度如左下标示为15μm，有别于图3所示的双e型霍尔磁场感测元件300的30μm。
32.在实际实施上，双e型霍尔磁场感测元件(100、200、300及400)使用“umc 0.18um mixed-mode and rfcmos 1.8v/3.3v 1p6m metal capacitor process”制程技术与规范进行布植层设计，形成基于磁电阻效应(magnetoresistance,mr)的z轴垂直方向的一维双e型霍尔磁场感测元件。要补充说明的是，上述四个实施例均可使用三种布植结构：(1)n型井区
覆盖p 布植层为阻挡层，以n-well布植层为电流传导载体，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)作为阻挡电流阻挡层；(2)使用t-well布植层覆盖p 布植层为阻挡层，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 保护环结构的电流阻挡层作为阻挡电流的阻挡层；(3)使用p型井区(p-well)覆盖n 布植层为阻挡层，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层。
33.接下来，在平面型霍尔磁场感测元件的定电压量测方面，在使用1.8v及3.3v定电压下，施以垂直于半导体基板之z轴方向磁场变化之量测结果的基础上，两者的定电压量测参数分别如表1、表2所示：
34.表1：双e型霍尔磁场感测元件1.8v定电压量测参数比较
[0035][0036][0037]
表2：双e型霍尔磁场感测元件3.3v定电压量测参数比较
[0038][0039]
上表1及表2各为1.8v与3.3v定电压量测参数结果比较，在平面型的五种规格架构(“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，其中又以代号“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。
[0040]
综上所述，可知本实用新型与现有技术之间的差异在于通过在半导体基板上设置第一e型深层布植层及第二e型深层布植层以作为电流传导的载体层，其中，第一e型深层布植层的位置与该第二e型深层布植层的位置以镜射轴呈镜射关系，接着将包含n型井区及浅层布植层的多个导体接垫分别设置在第一e型深层布植层及第二e型深层布植层的上表面且以镜射轴呈镜射关系，再以保护环覆盖第一e型深层布植层及第二e型深层布植层作为电流阻挡层以阻挡电流及提高磁灵敏度，借由此技术手段可以解决现有技术所存在的问题，进而达成提高磁场感测灵敏度及电路整合的便利性的技术功效。
[0041]
虽然本实用新型以前述的实施例公开如上，然而其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型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。