（微电子学与固体电子学专业论文）悬臂梁mosfet霍尔磁传感器研究.pdf

中文摘要 中文摘要 霍尔传感器是目前使用最广泛的磁传感器之一。它不仅可以用来测量磁场， 还可用来测量电流、速度、位置、角度和转速等物理量，在精密测量、工业自动 化控制、汽车电子、家用电器等领域获得广泛应用。本课题的主要研究内容是在 悬臂梁根部制作m o s f e t 霍尔磁传感器，m o s f e t 的源、漏两端相当于霍尔传感 器的电流控制极，在栅区两旁稍靠近漏极的部分加有两个霍尔电压输出极，这样 在垂直磁场的作用下，霍尔输出极上将产生霍尔输出电压，当改变磁感应强度 时，霍尔输出电压也会发生变化。 本文在了解国内外霍尔磁传感器发展现状的基础上，介绍了霍尔效应的基本 原理，阐述了m o s f e t 霍尔磁传感器的工作原理，设计了悬臂梁m o s f e t 霍尔磁 传感器的结构及制作工艺过程，并进行工艺模拟，为器件的实际工艺流程提供可 靠的技术保证。采用m u l t i s i m 软件对放大电路进行仿真并成功调试实际电路。对 实验研制的传感器样品进行特性测试和分析，完成了线性度、迟滞、重复性、灵 敏度和精度的计算，计算后得到的线性度为o 0 3 8 4 f s ，迟滞为0 0 0 9 2 f s ， 重复性为0 0 7 2 ，s ，灵敏度为1 2 1 2 肌w r ，精度为o 0 8 2 1 f s 。 实验证明，本文研制的悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器的设计方案符合要求， 测试装置简单，信号处理方便，制作工艺可与集成电路工艺兼容，可实现霍尔传 感器的集成化。 关键词：悬臂梁：霍尔磁传感器；霍尔效应；m o s f e t 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h a l ls e n s o ri so n eo ft h em o s tm a t u r ea j l d 埘d e l yu s e dm a g n e t i cs e n s o r s i tc a nb e u s e dt 0m e a s u r en o to n l ym a g n e t i cf i e l d ，b u tc u 玎e n t ，v e l o c i 吼p o s i t i o n ，a n g l ea n dr o t a t e s p e e d ，p l a y s 锄i m p o n a n tr o l ei np r e c i s e l ym e a s u r e ，i n d u s t r i a lc o n 仃o l ，a u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s ，h o m ee l e c t r i c a lp r o d u c t sa n ds oo n i nm i sp a p e r am o s f e th a l lm a 盟e t j c 9 e n s o rh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e do nt h ec a n _ ! t i l e v e r b e 锄t h es o u r c ea n dd r a i no f m o s f e ti s t 1 1 ec u 玎e n tc o n 仃o lp o l e ，m ec l 埘e n tb e 眦e ns o u r c ea n dd r a i ni d si s c o n t r o l l i n gc u r r e m ，m oh a np o l e sa r ep l a c e db yt 1 1 et w os i d e so fg a t ea n dn e a r b ym e d r a i n ，w i t hm ea c t i o no fv e r t i c a lm a 铲l e t i cf i e l d ，h a l lo u t p u tv o l t a g ev hi sp r o d u c e do n t h eh a l lo u t p u tp o l e s w h e nt i l ei n t e n s i t ) ro fm a g n e t i cf i e l di sc h a l l g e d ，t h eo u t p u t v o l t a g ei sa l s oc h a n g e d b a s e do nt h er e l a t e dr e s e a r c ho fh a l lm a g n e t i cs e n s o ra th o m ea n da b m a d ，m i s p a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fh a l l e f f e c t 、o r kp r i n c i p l eo fm o s f e th a l l d e v i c e ，t l l es t r u c t u r ea n dt h ef - a b r i c a t i o np r o c e s so fm o s f e th a l lm a g n e t i cs e n s o ro n t l l em i c r oc a n t i l e v e rb e 锄a r em s od e s i g n e d w ea l s os i m u l a t e dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s t 0 柏o r dc r e d i b l et e c i l i l i q u ep l e d g e 氨时t t l ea c t u 甜p r o c e s so fd e v i c e u s i n g 吐l em l l l t i s i i n s o 觚r a r e ，m e 锄p l i f i e dc i r c 疵i ss i i i l u l a t e da n dd e b u g g e dp r a c t i c a l l y - d u 血gm e e x p e 血1 e 鸲m ec h 撒c t e r i s t i co fs e n s o ri st e s t e da n d 锄a l y z e d ，a 胁m a t l el i n e a r i 瓤l a g ， r e p e a t ：a b i l i 瓢s e n s i t i v 时a n dp r e c i s i o n a r ec a l c u l a t e d t h e l i n e a r i t ) r o fs e i l s 0 l r i s o 0 3 8 4 f s ，t 1 1 el a gi s o 0 0 9 2 ，s ，n 他r e p e a 讪i l i 哆i s 0 0 7 2 ，s ，订伦 s e n s i t i v i 够i s l 2 1 2 小吖7 ，t h e p r e c i s i o ni s o 0 8 2 1 f s i t i sp r o v e dt h a tn l ed e s i 班s c h e m ei sf e a s i b l et om a i l u 坨t u r em o s f e th a l l m a g n e t i cs e n s o rw i t i lt i l es 仃u c t u r eo fm i c r oc a n t i l e v e rb e 锄i t st e s t i n ge q u i p m e n ti s s i m p l e ，s i 印a ld i s p o s a li sc o n v e i l i e n t ，m ep r o c e s sc a nb ec o m p a t i b l et oi ct e c h n o l o g y a n dc a nb er e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no fh a l ls e n s o r k e yw o r d s ：c a m i l e v e rb e a m ；h a j lm a g n e t i cs e n s o r ；h a l le f r e c t ；m o s f e t i l 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确地说明并表示谢意 学位文作者签名： 降签字日期：擀f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉适太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅本人授权墨蕉选态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用于本授权书) 学位论文作者签名：秀如调 签字日期：潲年6 月i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：砌名年月日 电话： 邮编： p 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磁传感器 1 1 1 磁传惑器的概念及应用 磁传感器是把磁学量信号转换为电信号的装置，并且根据一定的参考量在一 定范围内能够准确地读出被测磁学量的大小，获取有用的信息。磁传感器主要由 磁敏元器件构成，利用磁学量同其他物理量的变换关系，磁传感器也可以把其他 物理量转换成电信号。 磁传感器可以直接应用于包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁场的测量， 各种磁记录信息的读出、写入、无损探伤等；也可以把磁场作为媒介用来探测和 控制非磁信号，如无接触开关、无触点电位器、电流计、功率计、线位移和角位 移的测量等，广泛应用于工业控制领域l l 】。 1 1 2 磁传感器的种类和发展方向 目前，磁敏元器件的材料有半导体、金属( 包括强磁性合金、超导金属和非 晶金属等) 和其他材料。因此，磁传感器的种类繁多，其中最主要的是半导体磁 敏传感器，如霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三极管等；其他材料 制成的磁敏传感器有强磁性金属磁阻传感器、韦根德磁敏传感器、约瑟夫逊超导 量子干涉仪等。 ( 1 ) 霍尔元件 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，目前己发展成一个庞大的磁传感 器产品族。霍尔元件具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装 方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀， 可在地面、海上、天空、空间和科学研究各种严酷的环境中工作。 霍尔效应是霍尔首先发现的，在通有电流的长方形金属片受磁场的作用时， 金属片两侧产生一定的电位差1 2 1 。由于金属材料中的电子浓度很大，霍尔效应十分 微弱，实用价值不大，所以没有引起人们的重视。1 9 1 0 年，有人用金属铋制成霍 黑龙江大学硕士学位论文 尔元件来检测磁场，但是霍尔输出电压非常小，磁场检测没有成功。由于当时未 找到更合适的材料，研究处于停滞状态。 2 0 世纪4 0 年代中期以来，随着半导体材料、制造工艺和技术的发展，出现了 各种半导体霍尔元件，特别是锗的研究推动了霍尔元件的发展，而后相继出现了 采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器，使霍尔元件作为一种磁传感器进入了 实用阶段，应用十分广泛。2 0 世纪5 0 年代后半期，i i i v 族化合物半导体材料的 研究为开发霍尔元件提供了高迁移率的半导体材料。 自2 0 世纪6 0 年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔元件和相 关的信号处理电路集成在同一个芯片上的霍尔传感器。进入2 0 世纪8 0 年代以后， 随着大规模、超大规模集成电路和微机械加工技术的发展，霍尔元件从平面向三 维方向发展，出现了三端口和四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加 工的批量化、体积的微型化。 除了硅霍尔集成传感器以外，还有基于其他半导体材料的霍尔元件，例如 i n s b 、i n a s 霍尔器件都已经实现了薄膜化大生产，i n s b 的实验室样品可测到l o 。o t 的弱磁场；用无掩模离子注入工艺制作的g a a s 霍尔器件的敏感区宽度可以小到 0 2 5 呻。 近年来，随着c m o s 工艺的不断成熟，i t t 等公司相继利用c m o s 工艺研制 并生产霍尔元件。 ( 2 )磁阻元件 磁阻元件是利用当磁场加在半导体上时电阻就增加的磁阻效应做成的敏感元 件。2 0 世纪5 0 年代末，国外利用磁阻效应研制出了磁阻元件。近年来磁阻元件发 展很快，在日本、西德等一些技术先进的国家，许多类型的磁阻元件都达到了商 品化的程度，并以这些敏感元件为核心制造了磁敏电阻传感器，广泛地应用在自 动控制和自动探测领域3 卅。 由于磁敏电阻的输出与外加磁场强度有关，所以具有灵敏度高、体积小、反 应迅速、可靠性强、对使用环境要求低、频率特性好、使用寿命长等优点。目前， 实用化的磁敏电阻有两种类型：半导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。 第1 章绪论 半导体磁敏电阻的作用机理是磁场中半导体内的载流子在洛仑兹力的作用下 发生偏转，载流子漂移路径增长，从而使电阻增加。它对垂直于器件表面的磁场 敏感。目前已有i n s b 薄膜和i n s b n i s b 共晶制成的半导体磁敏电阻。对于i n s b - n i s b 本征材料而言，在o 3 t 以上的磁场下，有很高的电阻相对变化率，r 艘口可达3 以 上，其中如为磁场作用下的电阻值，奶为未加磁场的电阻值。i n s b 薄膜磁阻的初 始电阻选为5 0 0 q ，用它来制作无触点电位器可以获得相当高的精度，而且具有无 动噪声、旋转力矩小、分辨率高、高频性能好等特点。半导体磁敏电阻可用来做 旋转传感器，精密小角度及角位移传感器、压力传感器、图形识别传感器等。 强磁性金属薄膜磁敏电阻是用f e 、n i 、c o 合金( 也称坡莫合金) 制成的，其灵 敏度高，可测1 0 j 1 t 的弱磁场，已有可测到1 0 j 2 t 的实验室样品报道【5 j 。与其他半 导体磁敏元件相比，该元件输出信号饱和，适用于测量磁场方向的变化。该元件 的总内阻不随磁场变化，并且倍频输出，对于速度控制、旋转控制是非常有利的， 在要求高灵敏度以及高可靠性的领域内将是最有前途的一种传感器。 ( 3 )磁敏二极管 磁敏二极管是七十年代迅速发展起来的一种新型磁敏器件。采用常规的合金 烧结工艺或硅平面工艺，可以制造锗或硅材料的磁敏二极管。目前实用的锗或硅 磁敏二极管都是p + i _ n + 型二极管结构，i 区是近本征区域。由于p + i 耵结构是双 注入形式的，因此这种磁敏二极管也称为双注入磁敏二极管。 国内磁敏二极管有锗2 a c m 型和硅2 d c m 型两种，日本索尼公司生产的同类 产品是锗和硅的s m d 型磁敏二极管。这些磁敏二极管采用的材料和制作方法虽然 不同，但基本结构大致相同，其结构特点是在板型结构的一个侧面采用喷砂或扩 散一层深能级杂质的方法设置具有高复合中心浓度的复合区r ，而相对表面是一个 载流子复合速率极小的理想化光滑表面。 目前在应用霍尔元件、磁阻元件的领域内均可用磁敏二极管来代替，而在霍 尔元件、磁阻元件无法应用的某些领域，例如电机方面，磁敏二极管也可获得广 泛应用。由于磁敏二极管存在温漂、非线性、噪声等缺点，在精密测量方面不如 霍尔元件，但在磁控开关方面，磁敏二极管是一种比较理想的磁电转换器件。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 4 )磁敏三极管 磁敏三极管是具有晶体管结构和特性的高磁灵敏度电流型磁电转换器件。据 相关文献报导，许多国家都非常重视磁敏三极管的研制。黑龙江大学研制的磁敏 三极管有3 b c m 型锗磁敏三极管和3 c c m 型硅磁敏三极管以及采用m e m s 技术研 制的3 d c m 型硅磁敏三极管三种。 3 b c m 锗磁敏三极管具有板条型结构，发射极和集电极设置在板条一端的上 下表面，基极设置在板条另一端的侧面，在锗磁敏三极管的发射极一侧设置了载 流子复合速率很大的复合区r 。3 c c m 型硅磁敏三极管为平面结构，发射极、集电 极和基极均设置在硅片表面，集电区设置在发射极和基极中间，在这种硅磁敏三 极管上未设置复合区。锗磁敏三极管和硅磁敏三极管的共同特点是基区宽度大于 载流子扩散长度。另外，发射区e 基区i 基极b 是p + i 耵型二极管，它们的共发 射极电流放大系数口都小于1 ，其中锗为n + p n + 型，而硅为p n p 十型。 磁敏三极管可广泛应用于各种无触点开关、接近开关、磁场检测等磁电转换 方面，如无刷电机、无触点磁敏电键、遥测风速仪、转速计、磁场强度测量仪器、 磁探伤等，还可以制成磁敏线性传感器，广泛地应用于电流、压力、流量、压差、 液位、移位、加速度、方位、磁场强度等物理量的测量。 ( 5 )韦根德元件 韦根德元件是用强磁性合金丝制成的【6 j 。十九世纪人们发现，金属经多次扭拧 后在它的周围方向上发生翘棱或各向异性的现象。韦根德在对强磁性合金丝施加 适当的张力拉紧的同时，又对其左右扭拧十多次再经过适当的热处理和表面腐蚀， 使得金属丝内层和外层具有不同矫顽力，形成具有两重磁化特性的结构，这种金 属丝称为韦根德金属丝。在这种金属丝的外围绕一组线圈，就形成了韦根德元件。 韦根德元件具有两种磁稳定状态，两种磁化状态相互转变时伴随着磁通量的迅速 减小或增加，这样绕组线圈上就感应出电动势，输出脉冲信号。 韦根德元件是无源元件，具有结构简单、温度特性好、使用温度范围宽等特 点，可广泛用于位移、角度、速度、角速度的测量及用作汽车电子点火装置的脉 冲发生器、旋转编码器、磁卡读出器等，是磁敏传感器产业中又一支重要力量。 第1 罩绪论 ( 6 )约瑟夫逊超导量子干涉元件( s q u l d ) 约瑟夫逊超导量子干涉元件是探测或测量非常微弱磁场的一种敏感元件，其 结构是在具有超导特性的金属中间夹一层1 0 a 左右绝缘层的层状结构，在超低温 下发生的超导电子流量子隧道效应和干涉效应基础上制成的磁敏元件。目前， s q u i d 对测量磁感应强度微小变化的分辨率可达1 0 j 3 t 左右。s q u i d 具有灵敏度 非常高、噪声非常低、响应速度非常快、功耗非常小等特点。这种高灵敏度的磁 敏元件可用来测量磁场、磁场的稳定度、研究弱磁物质、月球岩磁性等。 当医学上掌握了人体心脏和脑活动产生的微小磁场变化规律后，就可以利用 s q u i d 能够测量磁感应强度的微小变化的特点获得心磁图、脑磁图，同心电图一 样，成为一种新的诊断手段。 磁传感器的发展，在2 0 世纪7 0 - 8 0 年代形成高潮，9 0 年代是已发展起来的这 些磁传感器的成熟和完善时期。总之，磁传感器的发展非常迅速，在稳定性、可 靠性和磁灵敏度方面都有很大的提高，在各种检测磁场和自动控制、自动化领域 都获得了广泛的应用。 1 2 霍尔传感器的研究现状与发展趋势 目前，霍尔元件已成为使用最广泛的磁敏感元件之一，由于它具有在静止状 态下感受磁场的能力，而且具有结构简单，形小体轻，频带宽( 可从直流到微波) ， 动态特性好，动态范围大，寿命长和可进行非接触测量等优点，因此不仅可用来 测量磁场，还可用于测量电流、速度、位置、角度和转速等物理量，在精密测量、 工业自动化控制、检测技术、汽车电子、家用电器和信息处理等方面得到日益广 泛的应用i7 1 。 国内外越来越多的公司正在不断研究霍尔元件相关产品的技术，并且生产了 种类繁多的新产品。除了发展品种外，霍尔元件的性能改进也取得了极大的进展。 1 2 1 矩形霍尔元件 矩形霍尔元件的基本结构如图1 1 所示，其中c c l 和c c 2 为电流控制电极，s i 和s 2 为霍尔电极，在c c l 和c c 2 间通入工作电流，在与芯片表面垂直的方向加上 黑龙江大学硕士学位论文 磁感应强度为艿的磁场，则在s l 和s 2 间可得到霍尔电压。采用矩形结构的霍尔 元件作为磁敏电路中敏感部分的硅霍尔磁敏器件已相当成熟，但磁灵敏度不大， 仅约1 0 2 v a t 。 图1 1 矩形霍尔片【8 j f 嘻l - lr e c t a n g u l a r h a l ld e v i c e 图1 2 双极型霍尔元件【8 】 f i g 1 2b i p o l a rt y p eh a | ld e v i c e 1 2 2 双极型霍尔元件 图1 2 是采用标准平面工艺制成的霍尔元件，利用一部分外延层( 晶体管集电 区) 制作集成霍尔板，n 型霍尔板利用反向偏置的p n 结与周围的p 型区实现电隔 离，c c 是电流供给接触点，s c 是敏感信号输出接触点，它们是与发射区n + 扩散 同时制成的。这种霍尔元件的特点是灵敏度较高，一般为3 0 0 v a t 且与集成电路 兼容。 1 2 3m o s 型霍尔元件 1 9 6 6 年，r c 。g a l l a g h e r 提出了m o s 型霍尔元件的概念，利用薄m o s 沟道作 为霍尔元件的激励区【9 1 ，结构如图1 3 所示。由于沟道厚度非常薄，利用硅制作的 图1 3m o s 型霍尔元件1 9 l f i g 1 - 3m o s h a l ld e v i c e 图l 一4 双漏m o s 型霍尔元件【1 0 1 f i g 1 - 4m o s h a l ld e v i c ew 油m 0d r a i n s 耗尽型m o s 霍尔元件的灵敏度可达1 0 3 v a t ，这比普通硅m o s 霍尔元件的灵敏 r。 第1 章绪论 度要大得多，但由于耗尽型m o s 霍尔元件的制造工艺较复杂，这种器件很少获得 实际应用。而后f r y 等提出用双漏m o s 场效应管制作磁敏元件1 1 0 1 ，将m o s 场效 应管的漏极做成对称分离的d l 和d 2 。未加磁场时，漏极电流，d ，= 锄= b 2 ，加上 垂直于芯片表面的磁场后，由于洛仑兹力的偏转作用，使如，锄，易，增大多少， 锄就减小多少，易广锄和外加磁场成比例，可作为磁场的量度。结构如图1 4 所 示，其磁灵敏度达1 0 a t ，但其负载电阻大，稳定性较差。 1 2 4c m o s 垂直霍尔元件 图1 5 是采用c m o s 工艺制成的体型垂直霍尔元件，它将霍尔元件熔融到n 型硅芯片表面，包括p 型隔离环、2 个n 型电流电极和2 个n 型霍尔电压电极， 磁场b 垂直于芯片表面。这种传感器服从“长 霍尔元件规律，几何效应可忽略， 电流从芯片表面流入芯片内部，灵敏度可达4 5 0 v a t 。 电流藏向 n 墓宸 图l 一5c m o s 垂直霍尔元件f 8 】 f i g 1 5c m o sv e n i c mh a nd e v i c e n 激励霍尔区( n 沟道) 图l 石结型场效应管霍尔元件1 8 l f i g 1 6j u n c t i o n 哆p eh a l ld “i c e 1 2 5 结型场效应管霍尔元件 结型场效应管霍尔元件的结构如图1 击所示，该霍尔元件的灵敏度与沟道电流 相关，取决于沟道的宽度。实验发现，该霍尔元件的绝对灵敏度在阈值电流下保 持恒定，当电流达到阈值时，切断p + 扩散与盯阻挡层结，超过阈值的剩余电流通 过p + 扩散区，流出n 沟道，这种霍尔元件灵敏度可达1 2 4 3 v a t 。 此外，还有很多研制成功的霍尔器件。1 9 8 0 年，冯克利青和他的同事们利用 霍尔效应的基本原理，在1 5 k 的低温和1 8 t 的强磁场条件下，以m o s 场效应晶 体管的反型层为霍尔片，测量由m o s 场效应晶体管的反型层构成的二维电子气的 黑龙江大学硕士学位论文 霍尔电阻和纵向电阻，荣获1 9 8 5 年的诺贝尔物理学奖。 1 9 8 4 年，r s p o p o v i c 提出一种垂直霍尔元件，用于测量平行于元件表面的磁 场1 1 1 l 。图1 7 是垂直霍尔元件的截面图，元件的n 型有源区依靠周边的深p 注入 图1 7 垂直霍尔片截面图1 f i g 1 - 7t h ec l o s s - s e c t i o n0 f v e r t i c a lh a l ld e v i c e 而实现隔离，有源区看似平面结构，实际上是三维结构，且有一个垂直于元件表 面的对称面，因此称为垂直霍尔元件，主要用于电能测量和高精度磁场测量。图 中的箭头表示电流方向，呈放射状分布且与垂直于器件表面的磁场平行，这使得 其平面霍尔效应非常小【1 2 1 。如果在磁场测量中使用两个这种霍尔元件，实际上就 已不考虑平面霍尔效应的影响【1 3 】，因此磁场测量的精度很高。目前成熟产品其电 流相对灵敏度可达4 0 0 v a t ，噪声低，而且具有很优异的长期稳定性：使用一年 以上，其灵敏度变化不超过o 0 1 。 1 9 8 7 年，南京工学院微电子中心的魏同立、何野、沈克强用标准硅栅c m o s 工艺研制的c m o s 磁敏器件，在电源电压1 0 v ，电流7 4 衅的条件下，其灵敏度 为2 2 5 10 4 v a t 。 1 9 9 0 年，上海科技大学分部的汪东旭研制的采用三漏m o s f e t 构成的c m o s 磁敏器件，三漏m o s 场效应晶体管的结构由一个源、一个栅和三个相等电极宽度 的漏组成。当三个漏加以恒定电压时，一定磁场下由于洛仑兹力造成栅下沟道内 的电势和电流分布发生变化，两侧的两个漏电极有不同的电流，在这两端若加以 一定负载便可得到电压差。由于对称性，中间漏电极的电流保持不变。实验证实， 这种采用三漏m o s f e t 构成的c m o s 磁敏器件单端输出有达4 v 厂r 的磁灵敏度， 且结构简单，有可能成为实用的硅磁敏器件f 1 引。 第1 章绪论 1 9 9 6 年，中国科学院半导体所成功研制利用i i i 族化合物半导体超晶格异质 结结构中的二维电子气来做霍尔器件的作用区，由于这类材料的相对高的电子迁 移率、低的表面电子浓度以及相对宽的禁带宽度，可以获得较高的灵敏度、低温 度系数和低噪声的器件。 1 9 9 6 年1 2 月，毛赣如、姚素英、曲宏伟提出一种新颖的集成磁敏传感器【1 5 】， 三漏m o s 晶体管是磁敏传感器的核心部件。它由一个源极，一个栅极和三个相等 电极宽度的漏极组成，三个漏加以相等电压。在没有磁场作用时，在栅极电压 的调控下，三个漏电流相等。当垂直于器件表面的方向上存在磁场时，沟道中 载流子受洛仑兹力的作用而发生偏转，使三漏m o s 晶体管两侧的漏电流发生变化， 一个漏电流增加，一个漏电流减小，中间的漏电流保持不变，两侧漏电流的变化 可以反映磁场的强度，传感器的磁敏特性如图1 8 所示。传感器采用c m o s 电路 vi v i 口 一厂一 j l 2。b i mr t 嘧2 01 2 0 03 躬 二 图1 8 传感器的磁敏特性【1 5 】 f i g 1 - 8t h em a g n e t i c f i e l ds e n s i t i v ec h a r 乏虻t e r i s t i co fs e n s o r 结构，电路处于静态时，每个单元电路中的互补m o s 晶体管( p 沟或n 沟) 总有一 个处于截止状态，工作电流很小。当电源电压旷1 2 v 时，其静态电流只有 0 8 5 m a 。因此，传感器的电流相对灵敏度可达3x1 0 4 v a t ，高于同类磁敏传感器。 1 9 9 9 年，夏先齐、茅保华采用非对称十字形结构，较小的传感面积，以及全 平面离子注入技术制作g a a s 霍尔传感器，获得了在8 0 0 q 内阻上大于 2 5 m v n 认k g 的高灵敏度。 1 9 9 9 年，s c h 傩提出一种三维霍尔磁传感器，如图1 9 所示。这种传感器在每 黑龙江大学硕士学位论文 图1 9 三维霍尔传感器l i 叫 f j g 1 93 一dh a l | s e n s o r s 个轴j ：各放一个霍尔元件，就可以同时测量磁场在三个轴e 的分量。目自仃该器件 已有相应产品，用作三维特斯拉计。 2 0 0 1 年r a l f g o t t 衔e d g o t t f r i e d 提出了一种c m o s 霍尔传感器的新成果，研究 了在恒流状态和恒压状态卜与温度相关的灵敏度，恒压状态下电流相对灵敏度的 变化非常小，仅为0 0 3 【1 7 j 。 2 0 0 1 年，r s p o p o v i c ，z r a n d j e l o v i c 等人提出1 r 一种结构，四个霍尔片与两 个磁集中器结合，集中器可以改变磁场方向，聚集通过霍尔元件的磁通量。霍尔 片并联放置可以抵消部分失调电压，如图1 1 0 所示。 c 1 0 0 八 图l 一1 0 霍尔传感器结构图驯 f 嘻1 1 0t h es t r u c t u r eo f h a l ls e n s o r 3 2 0 0 4 年，e s c h u r i g 等人提出了一一种c m o s 集成唾直霍尔微系统，其失调电压 小fo 2 m t 。2 0 ( ) 4 年m i c h e ld e m i e r r 等人义提出了一种二维垂直霍尔传感器，可 以实现3 6 0 。无接触角度测量的c m o s 微系统。这种微系统包括两组垂直霍尔传 静茹 第1 章绪论 感器，相互垂直放置，旋转电流被用来提取传感器的信号，如图1 1 1 所示。角度 测量的原理是利用一个旋转的永久磁铁和二维垂直霍尔传感器来检测，其中二维 s h a f t0 ，三 图1 - 1 】基于二维垂直霍尔传感器的c m o s 微系统1 1 9 1 f i g 1 一】1c m o sm i c r o s y s t e mb a s e do nv e n i c a lh a l ls e n s o r s 垂直霍尔传感器通过检测x 轴和y 轴的磁场来得到旋转角的正弦和余弦函数。文 中指出利用旋转电流的原理增大霍尔信号来减小霍尔传感器的不等位电势2 0 。2 1 】， 但不等位电势仍然存在，室温时霍尔传感器不等位电势得到补偿的情况下，角度 可以精确到士o 5 。以下；利用增益失调补偿和相位补偿，角度可以精确到土o 1 7 0 。 2 0 0 5 年，l o u i s ee j s i n g 等人利用平面霍尔效应制成了一种磁传感器，如图1 1 2 所示，十字型部分是由磁层制成的，中间虚线框的区域是1 0 斗m x l o 岫的传感器敏 图1 1 2 磁传感器的实物照片1 2 2 】 f i g 1 12t h ep h o t o g r a p ho fs e n s o r 感作用区，利用适当的生物化学材料覆盖在传感器表面，平面霍尔传感器就可以 通过磁层的存在探测到d n a 或蛋白质的存在。由于制作原理简单，这种平面霍尔 传感器很容易实现集成。 2 0 0 5 年，浙江大学刘同、朱大中提出在磁敏线阵列传感器集成电路芯片中采 黑龙江大学硕士学位论文 用扇形m a g f e t 器件，利用无锡上华o 6 f m 两层金属两层多晶硅n 阱c m o s 标 准工艺制造，理论分析灵敏度为3 8 1 吲t ，实验测试：醛片中器件的最大灵敏度为 3 7 7 t ，其实物照片如图1 1 3 所示，图1 1 4 为m a g f e t 的输出特性曲线，可以 得到m a g f e t 最大跨导为4 0 0 “a 。 图1 - 1 3 实物照片1 2 3 】图】一1 4 输出特性曲线【2 3 】 f i g 1 13t h ep h o t o g r a p ho fs e n s o rf j g 1 14t h ec u eo fo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c 2 0 0 7 年c h s r o u m e n i n 等人提出了一科，新型的利用c m o s 双霍尔器件制成的 线性位移传感器【2 4 】，c m o s 双霍尔器件的截面图如图1 15 所示。c m o s 双霍尔器 件引出的两个霍尔输出电压端邻近放置，因此得到的磁灵敏度大小相等，方向相 图1 一1 5c m o s 双霍尔器件的截面图| 2 4 j f i g1 15t h e c r o s s s e c t i o no fc m o sd o u b l e h a 】ld e v i c e 反，而且在电流t 1 3 = j 。：。的条件下它们的不等位电势也是近似相等的，与之前的 结果一致2 5 之6 1 。实验得到的相对灵敏度是6 1 v a t ，在频率1 厂1 0 2h z 的范围内 可探测到的最小的磁感应强度大约是1 2 “t 。 一1 一 第1 章绪论 从最早的i n s b 、g a a s 和g e 等分立霍尔元件，到多层结构和超晶格结构的高 性能霍尔元件，以及基于硅集成电路工艺的霍尔集成电路，在它们出现、成长和 日臻完善的这几十年中，质量、品种、产量都急速地上升。总的来说，霍尔元件 的发展有如下特点： ( 1 ) 为了提高灵敏度，减小失调电压，还将出现新的测量原理与方法。 ( 2 ) 几乎所有集成电路和微机械加工工艺都已用于制造霍尔元件及其传感器， 还将在新材料、新工艺以及提高材料的抗噪声能力和长期稳定性等方面取得进展。 ( 3 ) 将具有优良接口的霍尔元件和信号处理电子电路集成在一起，还将产生 性价比更高的新型磁场敏感微型系统。 可以说，每次半导体技术的重要发展，都引起霍尔传感器的发展和革新。目 前，越来越多的研究者开始研究m o s f e t 霍尔传感器，希望传感器微型化、系统 化、智能化，不断地为改进m o s f e t 霍尔传感器的性能进行大量的研究f 2 7 。o 】，新 的霍尔器件的设计构想也在不断的产生，因此，m o s f e t 霍尔传感器是具有广阔 发展前景的产品。 1 3 主要研究内容 本课题研究的是悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器，在悬臂梁根部制作一个 m o s f e t 霍尔元件，其工艺可以与i c 工艺相兼容，信号处理电路可以与传感器集 成在一块芯片上。本文的主要工作如下：( 1 ) 搜集课题相关资料，了解国内外磁传 感器以及霍尔传感器的发展概况及趋势。( 2 ) 研究悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器的 工作原理，设计悬臂梁m o s f e t 霍尔元件的基本结构。( 3 ) 探讨工艺过程，研究与 实际工艺相结合的实验方法，制定工艺流程并进行实验研究，对工艺方案中存在 的实际问题进行改进，确定优化方案，完成芯片测试。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器的工作原理 2 1 霍尔元件 将载流导体板放在磁场中，使磁场方向垂直于电流方向，在导体板横向两侧 就会产生电势差，这种现象是霍尔在1 8 9 7 年首先发现的，因此称为霍尔效应，导 体板两侧产生的电势差称为霍尔电势。 霍尔元件是以霍尔效应为工作机理，可以将磁信号线性地转变成电压信号。 在半导体单晶薄片的长度方向上通以电流，在薄片平面的垂直方向上施加磁感应 强度为召的磁场，半导体内的载流子由于受洛仑兹力的作用将向垂直于电流和磁 场的某一侧面偏转，使两侧分别积累正负电荷形成电场，称为霍尔电场，用西来 表示。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到两 力相等时，电荷积累达到动态平衡。相应的电势称为霍尔电势或霍尔电压，用 来表示。 z x 图2 1 霍尔效应原理图 f i g 2 1t h es c h e m a t i c so fh a l le 毹c t 如图2 1 为霍尔效应原理图，假设霍尔片的长度为三、宽度为肌厚度为d ， 且霍尔元件为n 型半导体，如果电子都以均匀的速度v 运动，当它通以电流，时， 半导体中的载流子( 电子) 在磁感应强度艿的作用下所受的洛仑兹力五的大小为 = g 似( 2 - 1 ) 其中g 为电子电量。 第2 覃悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器的工作原理 电场对电子的作用力可表示为 厶叫= 9 告 ( 2 - 2 ) 当电子积累达到动态平衡时，无= 厶，即 g 诏= g 告 ( 2 3 ) 这样 = 沾沙( 2 - 4 ) 流过霍尔元件的电流为 ，= ，d = 一g 删d ( 2 5 ) 式中_ ，为电流密度，w d 为与电流方向垂直的截面积，刀为电子浓度，负号表示速 度和电流方向相反。 从式( 2 5 ) 可以得出 y = 嘉 ( 2 - 6 ) g 朋口 将( 2 6 ) 式代入到( 2 4 ) 式得 一品 ( 2 7 ) 若霍尔元件为p 型半导体，则 = 与 ( 2 8 ) 妒d 由此可见，霍尔电压的大小与仍的乘积成正比，与霍尔片的厚度d 及载 流子浓度，z ( 或p ) 成反比，霍尔电压的极性和载流子电荷的极性有关。 式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 还可以写成 ：如等 ( 2 9 ) 式中r 月称为霍尔系数。 p 型和n 型半导体的霍尔系数可分别表示为 郎：上( p 型)( 2 1 0 ) 黑龙江大学硕士学位论文 1 如= 一二( n 型)( 2 - 11 ) g 刀 显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它的大小决定霍尔效应的强弱。 由于半导体的电阻率与载流子浓度和迁移率有关，即 1 p = 二( 2 一1 2 ) p q l p 1 p = 二( 2 1 3 ) n q p n 式中踟和脚分别为电子迁移率和空穴迁移率，式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 又可写为 如= 倒口( p 型) ( 2 - 1 4 ) 欠h = 一。( n 型)( 2 - 1 5 ) 霍尔电场的建立过程可表明，在有垂直磁场时，霍尔元件内的漂移电场和漂 移电流不在同一个方向。只有达到动态平衡时电子才恢复到原方向而无偏转运动， 但合成电场的方向偏向某一侧面，如图2 2 所示。漂移电场历和合成电场e 两者 的夹角9 称为霍尔角。 一 十 图2 2 霍尔角示意图 f i 9 2 2t h ep i c t u r eo fh a l la n 西e 像霍尔系数一样，霍尔角也有正负之分，由图2 2 可见 唧一鼍 将式( 2 3 ) 代入式( 2 16 ) ，并利用1 ，= 局得 t 9 9 = 一p b 式中的为霍尔迁移率。 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) 第2 章悬臂梁m o s n 汀霍尔磁传感器的工作原理 由此可见，霍尔角的大小同样反映了霍尔效应的强弱，p 越大，霍尔电场越强， 霍尔效应也就越强。 2 2p 沟道m o s f e t 的工作原理 m o s 场效应晶体管的基本结构一般是四端器件，中间是由金属一绝缘体半导 体组成的m o s 电容结构。绝缘层上的金属电极称为栅极g ，在栅极上施加电压， 可以改变绝缘层中的电场强度，控制半导体表面电场，从而改变半导体表面沟道 的导电能力1 3 1 】。m o s 电容两侧的电极分别是源极s 和漏极d ，在正常状态下，载 流子将从源极流入沟道，从漏极流出。m o s f e t 还有一个衬底电极b ，通常将源 极与衬底相连成为三端器件。 p 沟道m o s f e t 是在n 型半导体层上，通过扩散或离子注入形成p + 的源区和 漏区，传输电流的载流子是空穴，其结构如图2 3 所示，二y 特性如图2 4 所示。 对于p 沟道器件，开启电压为负。对p 沟道增强型器件而言，当栅上不加电压 i：ii：l n 型衬底 衬底( b ) ，_ 、 时，在栅下的氧化层中将产 生电场。这样，随着栅极电压的减小，半导体表面将逐渐形成耗尽层，但耗尽层 电阻很大，因而流过源一漏端的电流很小，流过的也只是p n 结的反向饱和电流， 这种工作状态称为截止状态。 ( 2 ) 线性区 随着外加栅电压的进一步减小，当且一 时，n 型硅衬底表 面形成强反型导电沟道，此时若在源漏之间加上负偏压，空穴就会通过反型层 导电沟道从源端向漏端漂移，由漏极收集形成漏源电流k ，外加栅电压减小， 反型层厚度增加，因而漏源电流线性增加，这种工作状态称为线性工作状态。漏 源电流可表示为 厶s = k p 7 警【( 一) 一丢y 2 傩】 ( 2 - 1 8 ) 其中、及嘞均为负值，k 为器件的跨导系数。 跨导系数k 由式( 2 - 1 9 ) 表示 其中坳为空穴迁移率； 电常数。 ( 3 ) 饱和区 ( 2 一1 9 ) po 为真空介电常数；f ，为相对介 当嘞且所定时，导电沟道的厚度及其漂移场基本上都不随 变化，因而漏源电流也基本上不随变化，漏源电流近似为常数，但由于沟道长 度调制效应，饱和区的漏源电流变成 k = 孚警( 一) 2 q + a 瞄 ( 2 2 。) 第2 章悬臂粱m o s f e t 霍尔磁传感器的工作原理 其中、嘞及五均为负值，五为沟道长度调制系数。 2 3 悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器的结构和工作原理 悬臂梁m o s f e t 霍尔磁传感器是在n 型 晶向双面抛光的单晶硅衬底上 通过离子注入形成p + 区作为源极s 和漏极d ，在源极和漏极之间的硅表面生长一 层高质量的s i 0 2 膜，并在其上覆盖一层多晶硅作为栅极g ，栅区的长度和宽度基 本上确定了沟道的长度和宽度形，在衬底上引出个电极b ，霍尔电压输出端 放置在栅区两旁稍靠近漏极的n 型衬底上。将p m o s 霍尔磁传感