具有降低JFET效应的霍尔效应传感器的制作方法

具有降低jfet效应的霍尔效应传感器


背景技术：

1.本技术涉及基于霍尔效应的磁场传感器，并且更具体地涉及如在集成电路结构中实现的这类传感器。
2.在许多现代电子系统的操作和控制中，感测磁场的存在以及在一些情况下感测其强度是有用的。磁场感测用作电流测量的基础，比如在马达系统、能量分配系统、电器、功率输送等中。磁场感测也经常应用于位置或接近感测，比如工业、安全和其他机械应用。霍尔效应传感器也可用于检测物体相对于另一个物体的运动(例如，打开封闭外壳的盖，其中盖或外壳包括在该盖打开时分别感应在包含在外壳或盖中的线圈中电流的磁体)。
3.流行的磁场传感器基于众所周知的霍尔效应。图1图示了常规霍尔效应传感器110的示例。传感器110包括构造为半导体材料的霍尔元件100，例如掺杂有p型或n型杂质以达到选定导电性的单晶硅。传感器110包括由电压参考电路122偏置到基于外部电压vs的电压的电流源120。电流源120将偏置电流i_bias施加到霍尔元件100的端子t1。霍尔元件100将偏置电流i_bias朝向其端子t3传导，电流源126从该端子t3传导返回电流i_ret到地。在存在与通过霍尔元件100的电流方向正交的磁场的情况下，在该示例中，进入或离开图1的页面，洛伦兹力作用于霍尔元件100的半导体材料中的多数载流子(例如，n型硅中的电子)以产生“霍尔电压”，即分别在端子t2和端子t4处的电压差vh 和vh-。
4.端子t2和端子t4耦合到差分放大器140的输入，差分放大器140放大这些端子处的通常小的差分霍尔电压。在该常规示例中，放大器140输出处的放大霍尔电压以指示磁场强度的模拟信号的形式施加到被配置例如为施密特触发器的输出驱动器142的输入。放大器140和输出驱动器142可以从参考电压发生器122偏置。输出驱动器142驱动开路集电极双极晶体管160的基极以响应放大器140输出处的模拟信号在输出节点out产生二进制信号。例如，二进制输出信号可以指示霍尔元件100是否存在大于某个阈值水平的磁场。
5.作为本领域的基础，霍尔元件100的半导体材料的电阻随着温度的升高而增加。在霍尔效应传感器110中，对于给定的固定偏置电流i_bias，该增加的电阻会影响霍尔元件100的端子t2、t4处的电压，从而导致霍尔电压的依赖于温度的漂移。温度和制造两者的变化也可能致使放大器140处的偏移(例如，在没有磁场的情况下的差分电压)。
6.为了抵消这种漂移和偏移，常规霍尔效应传感器110包括共模反馈电路，以调节电流源126从霍尔元件100的端子t3传导的返回电流i_ret。该共模反馈电路包括放大器150，放大器150在负输入处接收由参考电压电路152生成的共模参考电压vcm。放大器150具有耦合到端子t2以接收电压vh 的一个正输入，以及耦合到端子t4以接收电压vh-的另一正输入。在这种常规布置中的放大器150被配置为产生与端子t2和t4的共模电压(例如电压vh 和vh-的平均值)和来自参考电压电路152的共模参考电压vcm之间的差相对应的输出信号。该输出信号作为控制信号施加到电流源126(例如，用于电流源126实现为金属氧化物半导体(mos)晶体管的情况下的栅极电压)。这种布置导致放大器150调节通过电流源126的返回电流i_ret，使得端子t2和t4处的共模电压匹配共模参考电压vcm，不论霍尔效应传感器110中的制造和温度变化。因此可以减少漂移和偏移。
7.通过引用并入本文的共同转让的美国专利号9,013,167描述了应用于霍尔效应传感器的另一种共模反馈方法。如美国专利号9,013,167所描述的，其共模反馈调节器调节霍尔元件的偏置端子(例如，端子t1、t2)处的电压，使得偏置电压的平均值或中位值匹配霍尔电压vh 、vh-的平均值或中位值。这种共模反馈调节方法被描述为还可以减少霍尔效应传感器中的漂移和偏移。
8.通过进一步的背景，霍尔效应传感器通常与其他功能一起在集成电路中实现。这种霍尔效应传感器集成电路的示例包括可从德克萨斯仪器股份有限公司获得的tmcs 1100和tmcs 1101霍尔效应电流传感器。
9.在上下文中出现了本文描述的实施例。


技术实现要素：

10.根据一方面，一种霍尔效应传感器包括设置在半导体本体的表面处的霍尔元件。霍尔元件被构造成包括第一导电类型的第一掺杂区，该第一掺杂区设置在第二导电类型的第二掺杂区之上并与之邻接。霍尔元件被构造成使得第二掺杂区在半导体本体内被电隔离。霍尔元件的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子在该表面的不同位置处与第一掺杂区电接触，并且第五端子与第二掺杂区电接触。霍尔元件被布置成霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器包括耦合到霍尔元件的第一端子的第一电流源、耦合到霍尔元件的第二端子和第四端子的输出电路系统以及共模反馈调节电路系统。共模反馈调节电路系统具有耦合到第三端子和接地节点的输出，并且具有耦合到霍尔元件的第二端子和第四端子的输入以及耦合到第三端子和接地节点的输出。第二掺杂区耦合到霍尔元件的第三端子。
11.根据另一方面，一种在集成电路处检测磁场的方法包括利用电流偏置霍尔元件的第一端子，该霍尔元件设置在集成电路的表面处并与第一导电类型的第一掺杂区接触。该方法进一步包括响应于霍尔元件的第二端子和第四端子处的共模电压调节霍尔元件的第三端子处的电压，以及放大第二端子和第四端子处的差分电压以响应于磁场撞击霍尔元件而产生输出信号。根据这一方面，霍尔元件包括在第一掺杂区下方并邻接第一掺杂区的第二导电类型的第二掺杂区。第二掺杂区耦合到第三端子并具有利用第三端子处的电压调节的电压。
12.这些方面中的一个或多个实现的技术优势包括减少了集成霍尔效应传感器的磁增益和偏移随温度和制造参数变化的变化。这些技术优势适用于水平和竖直霍尔元件两者。
13.参考以下说明书及其附图，本领域普通技术人员将清楚通过所公开的方面实现的其他技术优势。
附图说明
14.图1是常规霍尔效应传感器的示意电气图。
15.图2a是包括霍尔元件的常规集成电路结构的截面图。
16.图2b是图2a的常规集成电路结构的平面视图。
17.图2c是结合图2a和图2b的常规霍尔元件的常规霍尔效应传感器的示意电气图。
18.图2d是图2a的集成电路结构的截面图，图示了在操作时该结构中的耗尽区。
19.图3a是包括根据示例实施例构造的霍尔元件的集成电路结构的截面图。
20.图3b是根据示例实施例构造的图3a的集成电路结构的平面视图。
21.图4是结合根据示例实施例的图3a和图3b的霍尔元件的霍尔效应传感器的示意电气图。
22.图5是包括根据示例实施例构造的竖直霍尔元件的集成电路结构的截面图。
23.在附图中使用相同的附图标记或其他附图标识来说明相同或相似(在功能和/或结构方面)的特征。
具体实施方式
24.在本说明书中将一个或多个实施例描述为实现到可以集成到更大规模集成电路中的霍尔效应传感器中，因为预期这样的实施方式在上下文中是特别有利的。然而，还设想这些实施例的方面可以有益地应用在其他应用中，以及各种霍尔效应传感器布置和集成电路结构中。因此，应当理解，以下描述仅作为示例提供，并不旨在限制所要求保护的本发明的真实范围。
25.如上文结合图1的常规霍尔效应传感器所描述的，共模反馈调节可以提供传感器随温度变化的重要稳定性。然而，如现在将参考图2a到图2d所描述的，已经发现，结合一个或多个实施例，将这种类型的常规霍尔效应传感器实现在某些集成电路技术中会导致传感器输出随温度的额外不稳定性。
26.图2a和图2b分别以截面图和平面图示出了包括根据常规实施方式的霍尔效应传感器(诸如上文相对于图1描述的)的集成电路。在该常规示例中，如图2a的截面所示，霍尔元件200构造在半导体(例如，硅)材料的本体表面处。在该示例中，半导体本体包括可以是掺杂p型的基底202、设置在基底202表面处的p型层206p，以及设置在基底202和p型层206p之间的n型掩埋层204n。n型阱210n设置在p型外延层206p表面的选定位置处以用作霍尔元件200的有源层，并且在许多实施方式中可以相对于n型掩埋层204n轻微掺杂。p 层214p设置在霍尔元件200中的n型阱210n的表面，并且在该常规示例中可以具有相对较重的掺杂剂浓度，诸如集成电路中其他地方的p沟道mos晶体管的源极区和漏极区的浓度。
27.浅n型阱212n设置在n型阱210n内的选定位置处。n 区213n设置在浅n型阱212n的表面位置，用于与上覆金属导体接触。一个或多个浅p型阱216p沿n型阱210n的边界设置。在该常规示例中，浅沟槽隔离结构218设置在浅p型阱216p的表面处。
28.一个或多个绝缘层220、222设置在该结构的表面上方并且由二氧化硅、氮化硅或另一种绝缘材料组成。通过这些上覆的绝缘层220、222实现到霍尔元件200的各种结构的电连接。如图2a所示，金属导体232设置在下绝缘层220的表面处。金属导体232通过延伸穿过绝缘层220到浅n阱实例212n表面处的n 区213n的接触件233的方式电接触浅n阱212n的对应实例。类似地，到浅p阱216p的电接触由上绝缘层222表面处的金属导体234通过到金属导体236的对应通孔237并通过绝缘层220到浅p阱216p的接触件233而制成。如图2a所示，浅p阱216p表面处的接触件233的位置在浅隔离结构218之间，如果需要，其中可以存在p 区(未示出)。
29.图2b以平面图图示了常规霍尔元件200，这是在绝缘层222沉积之前其制造中的某一时刻，并且为了清楚起见绝缘层220不可见。从图2b可以明显看出，霍尔元件200具有正方
形形状，其中导体232设置在其四个角附近。图2a的横截面是跨穿过两个金属导体232的对角线截取的，即对应于传感器的端子t1和端子t3的金属导体。在图2b的示例中，金属导体236和浅p型阱216p环绕n型阱210n，多个接触件233延伸穿过绝缘层220以在金属导体236下方的位置处接触浅p型阱216p。从图2b(以及图2a)可以明显看出，p型层206p围绕n型阱210n。
30.p 层214p(在图2b中由虚线图示)在n型阱210n的大部分表面上方延伸并且与浅p型阱216p重叠。金属导体236可以在浅p型阱216p处与p 层214p重叠，并且在这些位置，从金属导体236到p 层214p的接触件233可以通过绝缘层220通常在多个位置制成。
31.图2c图示了根据图2a和图2b结构的霍尔元件200的电气布置成根据图1的电路布置的霍尔效应传感器。在图2c的电气示意图中，霍尔元件200由具有布置在四个端子t1到t4之间的四个电阻器的惠斯登电桥的等效电路表示，每个对应于图2b的四个金属导体232中的一个。图2a的截面图是穿过对应于端子t1、t3的金属导体232截取的。分别出现霍尔电压vh 和vh-的端子t2和t4的金属导体232在图2a的截面图中不可见，但在图2b中示出。图2a和图2b的霍尔元件200被定向成感测法向于集成电路表面的方向的磁场，其中端子t2、t4布置成使得由洛伦兹力产生的霍尔电压与图2a的截面正交(即，进入或离开该页面)。
32.图2c所示的霍尔效应传感器电路以上文相对于图1描述的常规方式操作，其中电流源260在端子t1处向霍尔元件200施加偏置电流i_bias，并且电流源226在放大器250的控制下传导返回电流i_ret，放大器250在其负输入处从参考电路252接收共模参考电压(vcm)，并在其正输入处分别从端子t2、t4接收电压vh 、vh-。如上文相对于图1所描述的，放大器250调节返回电流i_ret以将vh 和vh-之间的共模电压(例如，平均或中值电压)基本维持在共模参考电压vcm。将提供输出放大器和其他电路系统，如图1所示的电路系统，但为了清楚起见，未在图2c中示出。
33.在物理上实现图2a和图2b所示的常规构造的集成电路中的霍尔元件200，然而，该结构的某些区被偏置以提供霍尔元件中的区的二极管隔离，并避免会使结构无法操作的某些p-n结的正向偏置。参考图2a，p型层206p和n型阱210n之间的p-n结以及p 层214p和n型阱210n(与浅n阱212n一起考虑)之间的p-n结不应被正向偏置。这些结在图2a中由二极管270指示。这需要在p型层206p和p 层214p处施加低于二极管阈值电压的电压，该阈值电压高于n型阱210n处的电压。根据图2c的电路布置中的图2a的结构，端子bn耦合到接地，并且该接地连接还通过金属导体234、通孔237、金属导体236和接触件233与浅p阱216p而到p型层206p。如上所述，接地的端子bn也通过一个或多个顶侧接触件耦合到p 层214p，从而保持掩埋n型层204n和p型层206p之间的p-n结被反向偏置。
34.从图2c的电气图中可以明显看出，霍尔元件200的最低电势端子是端子t3。在实践中，放大器250对返回电流i_ret的调节将保持端子t3处的电压并且因此保持n型阱210n高于地电势。这使p型层206p和n型阱210n之间以及p 层214p和n型阱210n之间的p-n结反向偏置。
35.然而，结合一个或多个实施例已经发现，并入常规共模调节电路系统(比如图1和图2c所示的常规共模调节电路系统，并且比如上文并入的美国专利号9,013,167中描述的常规共模调节电路系统)的霍尔效应传感器可能随制造和温度变化容易受到磁增益的意外增加和不希望的偏移的影响。更具体地说，霍尔效应传感器中的常规共模反馈调节导致霍
尔元件的端子电压的调制。这种电压调制致使霍尔元件的有源层中耗尽区的宽度变化，这反映在了霍尔效应传感器的磁增益和偏移的不期望的变化中。
36.参考图2c，放大器250对返回电流i_ret的调节有效地使端子t1和t3“浮动”，使得这些端子处的电压将随着电流i_ret被共模反馈调制而变化。例如，如果电流源226处的电流i_ret通过放大器250的作用而增加，则端子t3处的电压将被拉近接地；相反，如果电流i_ret被放大器250减小，则端子t3处的电压将增加。端子t3处的电压相对于端子bn处的地电平的这些变化致使二极管270所代表的p-n结两端的反向偏置电压的相应变化。
37.二极管270的反向偏置电压的这些变化表现为n型阱210n与层206p和层214p的周围p型区之间的p-n结任一侧上的耗尽区的变化。图2d图示了霍尔元件200的截面，如图2a所示，但是对于端子t3和接地处的端子bn之间的给定反向偏置电压v
np
包括了延伸到n型阱210n中的耗尽区280的部分。虽然未在图2d中示出，这些耗尽区280也将延伸到p 层214p和p型层206p的p型材料中。耗尽区280在结的任一侧延伸到p型和n型材料中的相对程度将取决于两种材料的相对掺杂剂浓度，其中耗尽区在结的较轻微掺杂侧上更大以达到电荷平衡。在图2d的示例中，由于p 层214p的重掺杂剂浓度，耗尽区280的大部分上部实例将延伸到n型阱210n中。耗尽区280将趋向于在靠近端子t1处更大，端子t1处的电势比端子t3高。在任何情况下，延伸到n型阱210n中的耗尽区280的特定深度和尺寸将取决于掺杂分布和电势梯度。
38.耗尽区280使n阱210n的具有自由载流子并因此可用于传导电流的部分变窄，这增加了端子t1和t3之间的电阻。该电阻是取决于电压的，因为耗尽区280的深度取决于端子t1和t3处相对于节点bn的电压，从而呈现出与结型场效应晶体管(jfet)相似的特性。如上所述，因为霍尔效应传感器210的电路布置中的端子t3有效地随着返回电流i_ret的调节而浮动，所以端子t3处的电压将相对于端子bn处的电压而变化，端子bn保持在接地处。由于n型阱210n中的传导沟道的jfet效应，端子t3和端子bn之间的电压变化将反映在霍尔元件200的电阻变化中，并因此使霍尔效应传感器210中的偏移变化。
39.已经观察到，结合下文描述的示例实施例，jfet效应在以上文并入美国专利号9,013,167中描述的方式实施的具有共模反馈调节的霍尔效应传感器中趋于更大。
40.图3a和图3b图示了根据示例实施例的霍尔元件300的构造。从图3a和图3b可以明显看出，霍尔元件300的大部分类似于上文关于图2a和图2b所描述的。如图3a所示的横截面，霍尔元件300构造在半导体(例如，硅)材料本体的表面处。在该示例中，基底302由单晶硅形成，例如掺杂p型的单晶硅。可替代地，基底302可以对应于绝缘体上硅(或绝缘体上半导体)技术中的单晶硅层，单晶层设置在由半导体基底支撑的绝缘层(例如，掩埋二氧化硅层)上方。p型层306p设置在基底302的表面，并且在该示例中包括掺杂到p型导电性的单晶外延硅。p型层306p可以在外延形成期间原位掺杂p型，或通过离子注入形成，或两者兼有之，在这种情况下，p型层306p可以由一个或多个掩埋的p型层或阱组成或包括一个或多个掩埋的p型层或阱。因此，p型层306p的掺杂分布可随深度变化。n型掩埋层304n设置在基底302和p型层306p之间以用作霍尔元件300中的掩埋n型区。n型掩埋层304n可以通过在外延层形成前离子注入到半导体基底302的顶表面中、外延层的原位掺杂(例如，在外延生长时期期间掺杂n型，随后在随后的外延生长时期期间未掺杂或掺杂p型)和/或离子注入到用于形成p型层306p的外延层中来形成。n型阱310n设置在p型外延层306p表面的选定位置，使得
p型层306p邻接n型阱310n并形成p-n冶金结。在该示例中，n型阱310n在其测量外部磁场时用作霍尔元件300的有源层。在该示例中，n型阱310n可以通过掩模离子注入形成。p 层314p设置在霍尔元件300中的n型阱310n的表面处，并且可以通过掩模离子注入或其他表面掺杂技术形成。p 层314p可以具有相对较重的掺杂剂浓度，比如在集成电路其他地方的p沟道mos晶体管的源极和漏极区中使用的浓度。可替代地，可以在n型阱310n的表面处提供绝缘层，比如二氧化硅或氮化硅来代替p 层314p。在一些示例实施例中，p 层314p的顶表面可以被硅化。
41.浅n型阱312n设置在n型阱310n内的选定位置处，例如通过离子注入或沉积形成。n 区313n设置在浅n型阱312n的表面位置处以实现与上覆金属导体的良好欧姆接触。在一些示例实施例中，硅化物形成在n 区313n的上表面上。一个或多个浅p型阱316p沿n型阱310n的边界设置并且也可以通过离子注入或沉积的方式形成。p 区和/或硅化物可以形成在p型阱316p的上表面。在该示例中，隔离结构318(例如，由氧化物、氮化物、氧氮化物或其他绝缘材料组成)设置在浅p型阱316p的表面处，并且在该示例中可以通过浅沟槽隔离、硅的局部氧化(locos)处理等来形成。
42.一个或多个绝缘层320、322设置在该结构的表面上方。绝缘层320、322可以由通过化学气相沉积等形成的一层或多层二氧化硅、氮化硅、低k材料或另一绝缘材料形成。通过这些上覆绝缘层320、322实现到霍尔元件300的各种结构的电连接。如图3a所示，金属导体332设置在下绝缘层320表面的选定位置处(其中，例如，导体332使用可被蚀刻的金属制造，如铝、钨、钛和/或掺杂有铜的铝)或者它们可以设置在绝缘层320内(其中，例如，导体332是使用铜制造的并且使用镶嵌工艺来形成导电结构)。金属导体332通过接触件333(例如，使用一层或多层钨、钛、铝、铜和/或上述与氮的混合物制造)的方式接触浅n阱312n的对应实例，接触件333通过绝缘层320延伸到浅n阱实例312n的表面处的n 区313n。类似地，金属导体334通过穿过绝缘层322的通孔337的方式与对应的金属导体336电接触。金属导体334进而通过穿过绝缘层320的对应的接触件333的方式与浅p阱316p电接触，以在浅隔离结构318之间的位置处电接触浅p阱316p，如图3a所示。如果需要，可以在浅p阱316p的接触位置处提供p 区(未示出)。导体334、336、346和348可以使用与用于导体332相同的材料和/或加工技术来制造，并且通孔337和347可以使用与用于接触件333相同的材料和/或加工技术来制造。
43.根据该示例实施例，沟槽隔离结构342设置在集成电路的表面中以将霍尔元件300内的p型层306p与集成电路其他部分中的周围p型材料隔离。如图3a所示，沟槽隔离结构342包括一层或多层绝缘材料，比如沉积的二氧化硅、沉积的氮化硅、另一种绝缘材料或绝缘材料类型的组合。这些沟槽隔离结构342延伸到表面中，达到至少足以到达掩埋n型层304n的深度，并且可以完全延伸穿过掩埋n型层304n进入基底302，如图3a所示。在该示例中，n型区344n围绕每个沟槽隔离结构342，至少延伸到掩埋n型层304n的深度。浅沟槽隔离结构318可以根据需要设置在沟槽隔离结构342的表面和n型区344n的部分处。n型区344n可以通过离子注入(在形成用于沟槽隔离342的沟槽之后但在用绝缘材料填充沟槽之前，或者在形成沟槽并用隔离材料填充之后)或通过从用于形成沟槽隔离342的隔离材料向外扩散掺杂剂而形成。
44.在美国专利号5,468,676、美国专利号6,667,226、美国专利号9,076,863和美国专
利号5,106,777中都描述了可用于在该示例实施例中形成沟槽隔离结构342的半导体工艺的示例，每项专利都与本文共同转让，并通过引用并入本文。
45.与n型区344n的电接触可以从表面制成，例如通过绝缘层322表面处的一个或多个金属导体346的方式。从金属导体346到n型区344n的电连接可以通过对应通孔347穿过绝缘层322延伸到金属导体348，并且从导体348通过对应的接触件333，接触件333通过绝缘层320延伸到n型区344n而制成。如果需要，接触件333可以例如通过在n型区344n的表面处的n 扩散区(未示出)和/或硅化物区(未示出)的方式而进行接触。在该示例中，为了确保n型区344n和p型层306p之间的p-n结的反向偏置，将正电压v (例如，电源电压vs)施加在金属导体346上。该正反向偏置电压可替代地在其他位置或以其他方式施加到n型区344n。在图3a的实例中，该相同的正电压还将有效地偏置掩埋n型层304n，从而反向偏置其与p型层306p之间的p-n结。接地偏置或另一低电势也施加到基底302以确保基底302和掩埋n型层304n之间的p-n结的反向偏置。
46.在替代实施方式中，沟槽隔离结构342包括多晶硅。例如，沟槽隔离结构342可以最初用二氧化硅或另一种绝缘材料填充，然后将其蚀刻通过并用多晶硅重新填充，在该示例中为掺杂p型，延伸到足以在沟槽的底部与p型基底302接触的深度。在蚀刻之后，一些氧化物可能残留在沟槽侧壁上。可以对多晶硅沟槽隔离结构342的表面进行额外的接触，以接收接地或其他偏置电压以反向偏置基底302和掩埋n型层304n之间的p-n结。在任何情况下，无论是填充有绝缘材料还是填充有偏置到接地或低电压的p型硅，例如，沟槽隔离结构342隔离集成电路本体内的p型层306p，使端子bn处的p型层306p的电势耦合到霍尔元件300的最低电势端子，即该示例中的端子t3。
47.图3b以平面图图示了霍尔元件300，在绝缘层322沉积之前其制造中的一个时刻，并且为了清楚起见绝缘层320不可见。从图3b可以明显看出，该示例中的霍尔元件300具有正方形形状，其中导体332设置在其四个角附近。这四个导体332中的每一个都通过设置在导体332的位置处的浅n阱312n的对应实例与n型阱310n接触，如图3a所示。图3a的截面是沿穿过两个金属导体332的对角线截取的，即对应于端子t1和t3的金属导体，这些导体位于霍尔元件300的对角处。对应于端子t2和t4的金属导体332位于霍尔元件300的另外两个角处，因此与端子t1和t3不共线。本示例中的霍尔元件300的端子t1至t4因此被布置为检测定向在与霍尔元件300和实现霍尔元件300的集成电路的表面法向的方向上的磁场。
48.虽然该示例中的霍尔元件300具有如图3b所示的正方形形状，霍尔元件300可以根据其他形状来构造。例如，如上文并入的美国专利号9,013,167中所描述的，霍尔元件300可以构造成十字形。也可以设想其他形状的霍尔元件。
49.在图3b的示例中，金属导体336和浅p型阱316p环绕n型阱310n。p 层314p，在图3b中由虚线图示，在n型阱210n的大部分表面上延伸并且与浅p型阱316p重叠。在金属导体336下方和在接触下方区(包括p 层314p和浅p型阱316p)中的多个接触件333也可以存在于选定位置但在图3b中不可见。根据该示例实施例，沟槽隔离结构342和n型区344n围绕霍尔元件300的周边，将霍尔元件300内的p型层306p的部分与相邻霍尔元件300中或集成电路中的其他地方的相同p型层306p的部分隔离。此外，施加到n型区344n和掩埋n型层304n的正电压v (例如，电源电压vs)反向偏置这些n型区和p型层306p之间的p-n结。
50.图4是图示根据本示例性实施例的具有包括霍尔元件300的共模反馈的霍尔效应
传感器400的电气布置的示意图，其中可以获得沟槽隔离结构342对p型层306p的隔离效果。图3a和图3b的霍尔元件300在图4中由具有布置在四个端子t1至t4之间的四个电阻器的惠斯登电桥的等效电路表示，每个端子对应于图3b的四个金属导体332之一。电流源420耦合到端子t1并且在端子t1处将偏置电流i_bias传导到霍尔元件300中。电流源420可以实现为晶体管(例如，p沟道或n沟道金属氧化物半导体晶体管(分别为pmos或nmos)、双极结晶体管、jfet等)、电流镜等。在该示例中，电流源420从参考电压发生器422产生的参考电压偏置，参考电压发生器422可以构造为带隙参考电路或其他稳压电压发生器电路，并且在该示例中从外部电源电压vs偏置。因此，偏置电流i_bias旨在作为施加到霍尔元件300的固定偏置电流。电流源426被耦合以在调节放大器450的控制下在霍尔元件300的最低电势端子(在该布置中为端子t3)与电路接地节点之间传导返回电流i_ret，调节放大器450具有耦合到电流源426的控制端子的输出。电流源426可以实现为晶体管(例如，pmos或nmos晶体管、双极结型晶体管、jfet等)、实现为电流镜，或实现为适于在放大器450的控制下提供调节返回电流i_ret的另一个电路。
51.由法向于霍尔元件300的表面的外部磁场的撞击产生的洛伦兹力在与图3a的截面正交的方向上感应出霍尔效应电流(即，流入或流出该页面的电流)。该电流反映在跨霍尔元件300的端子t2和t4的电压差中，并且该电压差作为电压vh 和vh-耦合到霍尔效应传感器400的输出电路系统430。在该示例实施例中，输出电路系统430包括差分放大器440，放大器440具有耦合以分别从端子t2和t4接收电压vh 和vh-的差分输入。差分放大器440的输出耦合到输出驱动器442的输入，输出驱动器442可以实现为施密特触发器等。放大器440和输出驱动器442可以从参考电压发生器422偏置，如图4所示。在该示例实施例中，尽管mos晶体管或jfet可替代地用作输出晶体管460，输出晶体管460实现为布置为集电极开路放大器的双极晶体管，其发射极接地并且其基极耦合到输出驱动器442。在操作中，输出晶体管460响应于霍尔传感器300中感应的霍尔效应电流在其输出节点out处呈现二进制信号。例如，二进制输出信号可以指示霍尔元件300是否处于法向于集成电路表面的方向磁场中，其强度大于某个阈值水平。
52.如上所述，霍尔效应传感器400中的电流源426由调节放大器450控制。在该示例实施例中，放大器450在其负输入处从参考电路452接收共模参考电压vcm，并在其正输入处分别从端子t2、t4接收电压vh 、vh-。放大器450的输出耦合到电流源426的控制端子。对于电流源426实现为mos晶体管的示例，放大器450的输出可以耦合到该mos晶体管的栅极。
53.霍尔效应传感器400的电特性可以随着集成电路的工作温度而变化。如上所述，霍尔元件300本身的电阻率随温度增加。此外，虽然本示例中的电流源420旨在提供固定的偏置电流i_bias，但因为电流源420和参考电压发生器422的电特性(例如，参考多晶硅电阻器的电阻率)随温度变化，所以偏置电流i_bias可能会随温度变化。制造的缺陷和变化也会导致偏置电流i_bias偏离其预期水平。即使偏置电流i_bias可能随温度或制造变化而变化，但在操作中，放大器450调节由电流源426传导的返回电流i_ret以匹配偏置电流i_bias并满足基尔霍夫电流定律(kcl)。在该示例中，放大器450调节返回电流i_ret以便将分别在端子t2和t4处的电压vh 和vh-之间的共模电压(例如，平均电压或中值电压)维持在共模参考电压vcm。放大器450对返回电流i_ret的这种调节有效“浮动”端子t1和t3，使得这些端子处的电压随着返回电流i_ret被共模反馈调制以匹配偏置电流i_bias而调整。例如，如果电流
i_ret在电流源426处通过放大器450的作用增加以匹配偏置电流i_bias，则端子t3处的电压将被拉近于地以满足kcl；相反，如果电流i_ret通过放大器450减小，则端子t3处的电压将增加。
54.在如上所描述的返回电流i_ret的共模反馈调节的替代方案中，可以在根据该示例实施例的霍尔效应传感器400中替代地实施其他共模反馈调节技术。例如，共模反馈调节可以以上文并入的美国专利号9,013,167中描述的方式在霍尔效应传感器400中实现，这种方式直接调节较低电势偏置端子电压(例如，端子t3)。设想到了这些和其他共模反馈调节方法可以结合到根据本说明书中描述的示例实施例构造和操作的霍尔效应传感器中。
55.由深沟槽隔离结构342提供的p型层306p的隔离使得p型层306p能够耦合到除了地之外的电势或施加到同一集成电路中其他地方的该层的此类其他电压。通过使对应于p型层306p和二极管370阳极处的端子bn能够耦合到霍尔元件300的最低电势端子，在该示例中为端子t3，该隔离用于在根据该示例实施例的霍尔效应传感器400中有利。这种连接在图3a和图3b的结构中通过金属导体349示出，金属导体349从与浅p型阱316p电接触并因此与p型层306p电接触的金属导体334到与浅n型阱313n和n型阱310n电接触的金属导体339和332形成顶侧连接。另外，由于p 层314p耦合到金属导体336并因此耦合到端子bn，如图3b所示，端子t3也耦合到p 层314p。在该示例中，端子bn到霍尔效应传感器400中的端子t3的耦合是直接连接，使得端子bn处于与端子t3相同的电势。在跨n型阱310n和p型层306p、314p之间的p-n结的0v差低于二极管370的二极管阈值电压，因此不将该结正向偏置。
56.通过将端子bn耦合到霍尔元件300的最低电势端子，即图4示例中的端子t3，随着放大器450调节返回电流i_ret，p型层306p、314p的电势在端子t3处随n型层310n的电势浮动。在这种反向偏置的情况下，在某种程度上，n型阱310n中的耗尽区存在于耦合到端子t3的浅n阱313n附近，即使端子t3的电势通过放大器450施加的共模反馈调节进行调制，这些耗尽区进入n型阱310n的深度也将基本保持不变。因为返回电流i_ret随着温度和制造参数的变化而受到调制，根据该示例实施例的端子t3到端子bn的耦合因此消除了jfet效应引起的霍尔元件的电阻变化。由于此导致的霍尔效应传感器400的磁增益和偏移的可变性因此即使不被消除也会减少。
57.设想到的是，根据该示例实施例的霍尔元件300和霍尔效应传感器400可以以各种替代布置来实施。在这种替代方案的一个示例中，霍尔效应传感器可以并入霍尔元件阵列，例如四个霍尔元件300，其中端子互相连接(例如，所有端子t1连接在一起，所有端子t2连接在一起等)，但端子t1到t4的定位在阵列内相对于彼此在空间上旋转。这种空间旋转用于减少由于机械应力和图案化和其他制造参数的可变性而导致的偏移。在一些实施方式中，元件的输出和偏置端子在一系列测量中互换，例如以“自旋电流”方式(指通过传感器的偏置电流的方向)或斩波稳定序列，其中结果取平均值，从而抵消了偏移。在该替代示例实施例中，沟槽隔离结构可以以上述方式围绕阵列中的每个霍尔元件，其中在每次测量时，n型霍尔层下方的隔离p型层耦合到霍尔元件的最低电势端子。例如，隔离p型层可以耦合到电流源的端子，使得隔离p型层始终耦合到最低电势端子，不论端子之间如何切换。
58.在另一替代示例实施例中，上述霍尔元件300中的各个层和区的导电类型可以颠倒，使得图3b所示的p型区相反是n型，反之亦然。在该替代具体实施中，测量霍尔效应的有源层将是p型阱而不是所示的n型阱310n。然而，设想到了n型材料，比如n型阱310n，将表现
出比该替代布置中的p型材料更高的载流子迁移率，因此对于给定的磁场强度可能具有更大的可测量电压。
59.虽然上述霍尔元件300被定向为检测和测量法向于集成电路表面的磁场，但所描述的示例实施例的方面也可以结合到能够检测和测量方向与集成电路表面共面的磁场的集成“竖直”霍尔元件中。在共同转让的美国专利号10,553,784中描述了常规竖直霍尔元件和并入竖直霍尔元件的霍尔效应传感器的构造和操作，该专利通过引用并入本文。
60.现在参考图5，将描述根据替代示例实施例的竖直霍尔元件500的构造。在该示例中，霍尔元件500可以构造在与上述霍尔元件300相同的集成电路中，并且因此许多与上文结合图3a描述的相同结构可以用类似的方式并入到竖直霍尔元件500中。这些相同的结构将在本说明书和图5中使用与图3a中相同的附图标记指出。
61.该示例实施例中的竖直霍尔元件500的结构也存在于图3a和图3图3b的霍尔元件300中，霍尔元件500可以以与上文结合霍尔元件300所描述的相同方式形成。然而，在一些具体实施中，对于竖直霍尔元件500而言，可能需要形成和布置的一个或多个变化。如上所述，p型层306p形成在掺杂成p型导电性的单晶外延硅的基底302的表面上。如上文相对于图3a所述，p型层306p可以注入p型掺杂剂(例如，硼)以根据预期的掺杂分布形成一个或多个掩埋p型层或阱。如果是这样，这些深硼离子注入中的一些或全部可以从竖直霍尔元件500的位置得到掩蔽，使得在这个竖直霍尔元件500区中的p型层306p可以比霍尔元件300中的p型掺杂得更均匀并且更轻微。n型阱310n设置在p型层306p表面的选定位置，使得p型层306p邻接n型阱310n并形成p-n冶金结。在该示例中，n型阱310n在其测量外部磁场时用作霍尔元件300的有源层。虽然图5没有示出(为了清楚起见)上覆绝缘体层322以及在绝缘体层322的表面处和穿过绝缘体层322的各种金属导体和通孔，如图3a所示，但设想到了此类上覆绝缘层和导体层也将并入霍尔元件500，如上所述，以将互相连接布置在霍尔效应传感器和其他电路系统中。
62.根据该示例性实施例的竖直霍尔元件500可以实施到霍尔效应传感器400中，如上文相对于图4所述，以用于检测和测量与集成电路共面方向的磁场。因此，竖直霍尔元件500类似地具有四个端子t1、t2、t3、t4。图5的截面示出了所有端子t1、t2、t3、t4，通过金属导体332实现，如图所示，金属导体332通过绝缘层320的对应接触件333的方式耦合到n型阱310n，绝缘层320在n型阱310n处电接触对应的n 区313n。虽然在图5所示的示例中，在端子接触位置处不存在浅n型阱313n，但如果需要，可以在端子t1到t4与n型阱310n接触的位置处将这种n型阱设置到n型阱310n中。在该示例实施例中，端子t1与n型阱310n的接触件靠近竖直霍尔元件500内的n型阱310n的中心，并且端子t3的两个接触件在端子t1的相对侧上并靠近霍尔元件500内的n型阱310n的周围。端子t2在一侧接触端子t1和端子t3的接触件之间的n型阱310n，并且端子t4在另一侧接触端子t1和端子t3的接触件之间n型阱310n。因此，端子t2和t4通常与端子t1和t3共线，使得竖直霍尔元件500被定向以检测与竖直霍尔元件500的表面共面并且垂直于端子t1、t2、t3、t4的线的方向上的磁场。上文并入的美国专利号10,553,784提供了对竖直霍尔元件中端子布置的进一步描述，可用于根据本示例实施例的霍尔元件500的具体实施。
63.图4的霍尔效应传感器400在包括竖直霍尔元件500时以类似的方式电操作，其中偏置电流i_bias被提供到端子t1中并且返回电流i_ret从两个端子t3传导。如图5所示，电
流从位于中心的端子t1到位于任一侧的端子t3的两个方向上通过n型阱310n传导，其中大约一半的电流导向端子t3的左侧实例(电流i_left)，并且另外大约一半的电流导向端子t3的右侧实例(电流i_right)。在与霍尔元件500的表面共面的方向上存在磁场b的情况下，与磁场正交传导的电流上的洛伦兹力将在这种情况下根据电流的方向，使电子向上朝向表面移动或向下移动远离表面。对于图5的示例，其中在页面外方向上的磁场b撞击霍尔元件500，洛伦兹力导致电流分量i_left中的电子向上朝向表面移动，朝向端子t4并在端子t4处感应负电压vh-。相反，洛伦兹力使电流分量i_right中的电子移动远离表面，在该端子t2处感应出正电压vh 。因此，在存在该磁场的情况下，如上所述，差分电压将跨端子t2和t4出现，并且可以通过输出电路系统430放大。
64.根据该示例实施例，并且与上述霍尔元件300类似，沟槽隔离结构342设置在集成电路的表面中，以将霍尔元件500内的p型层306p与集成电路其他部分中的周围p型材料隔离。如上所述，沟槽隔离结构342包括绝缘材料，比如沉积的二氧化硅、沉积的氮化硅、另一种绝缘材料或绝缘材料类型的组合。沟槽隔离结构342可以以上文并入的美国专利中描述的方式形成，延伸到表面中达到至少掩埋n型层304n的深度，并且可以完全延伸穿过掩埋n型层304n进入基底302(如图5所示)。在该示例中，n型区344n围绕每个沟槽隔离结构342，延伸到至少达到掩埋n型层304n的深度(如图所示)。浅沟槽隔离结构318可以根据需要设置在沟槽隔离结构342的表面和n型区344n的部分，并且正电压v (例如，电源电压vs)可以施加到n型区344n以将其p-n结(以及掩埋n型层304n的p-n结)与p型层306p反向偏置。
65.与上文类似，例如通过如上所述的顶部连接，根据该示例实施例的霍尔元件500中的p型层306p的这种隔离使得p型层306p(经由端子bn)能够耦合到霍尔元件500的最低电势端子，这在该示例中为端子t3。也可以如上所述的方式实现端子t3和端子bn与p 层314p的每个实例的类似耦合。在该示例中，端子bn与霍尔元件500中端子t3的直接连接将端子bn置于与端子t3相同的电势。跨p型层306p和n型阱310n之间的p-n结的电压因此保持在二极管阈值电压以下。
66.如前所述，随着霍尔效应传感器400的放大器450调节返回电流i_ret，端子bn与霍尔元件500的最低电势端子(即端子t3)、p型层306p、314p的电势的这种耦合与端子t3处的n型层310n的电势浮动。由于返回电流i_ret随着温度和制造参数的变化而受到调节，因此避免了霍尔元件500的电阻因jfet效应而发生变化，从而减少了磁增益和偏移的相应变化。
67.如上所述，竖直霍尔元件500可以制造到与霍尔元件300相同的集成电路中。将竖直霍尔元件500的两个此类实例定向成相对于彼此垂直的以及如上所述的水平霍尔元件300的实例制造在相同的集成电路中，因此，可以提供磁增益和偏移随温度和制造变化的变化性降低的三维磁场传感器。
68.如本文所用，术语“端子”、“节点”、“互相连接”和“引脚”可互换使用。除另行特别说明外，这些术语通常用于意指设备元件、电路元件、集成电路、设备或其他电子或半导体部件的端子之间的互相连接。
69.除另行表述外，值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述值的 /-10％。可以对所描述的示例进行修改，并且可以实现在权利要求的范围内其他示例。
[0070]“被配置为”执行任务或功能的设备可以在制造商制造时被配置(例如，被编程和/或硬连线)为执行该功能和/或可以是可由用在制造后户配置(或可重新配置)为执行该功
能和/或其他附加或替代功能。配置可以通过设备的固件和/或软件编程，通过硬件部件的构造和/或布局以及设备的互相连接或它们的组合完成。
[0071]
在本文中描述为包括某些部件的电路或设备可以相反是适于耦合到这些部件以形成所描述的电路系统或设备。例如，描述为包括一个或多个半导体元件(比如晶体管)、一个或多个无源元件(比如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(比如电压源和/或电流源)的结构可以相反仅包括单个物理设备(例如，半导体芯片和/或集成电路(ic)封装)内的半导体元件，并且可以适合于耦合到至少一些无源元件和/或例如由最终用户和/或第三方在制造时或制造后形成所描述结构的源。
[0072]
本文所描述的电路可重新配置以包括被替换的部件以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。除另行说明外，示出为电阻器的部件通常代表串联和/或并联耦合以提供由所示电阻器表示的阻抗量的任何一个或多个元件。例如，本文作为单个部件示出和描述的电阻器或电容器可以相反是分别在相同节点之间并联耦合的多个电阻器或电容器。
[0073]
在前文描述中使用的短语“接地”包括机箱接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书的教导任何形式的接地连接。
[0074]
虽然在本说明书中已经描述了一个或多个实施例，但当然设想到了这些实施例的修改和替代，能够获得这些实施例的一个或多个技术效果的此类修改和替代，通过参考本说明书及其附图，对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。设想到了此类修改和替代在本文提出的权利要求的范围内。