TWI851345B - 三軸磁場感測器 - Google Patents

Abstract

一種三軸磁場感測器，包含一半導體基材、一成矩形結構且沿一第一方向延伸的第一電晶體感測單元、一成矩形結構且沿一正交於該第一方向的第二方向延伸的第二電晶體感測單元、至少一成扇形結構的第三電晶體感測單元、多個框圍該第一、第二、第三電晶體感測單元周緣的隔離單元，及多個位於該等隔離單元外側的凹槽。本案利用該第一、第二電晶體感測單元測量平面磁場的磁場變化，利用該至少一第三電晶體感測單元測量垂直磁場的磁場變化，且利用扇形結構的結構設計以限制載子於磁場中的移動方向，以提升感測靈敏度。

Description

三軸磁場感測器

本發明是有關於一種感測元件，特別是指一種三軸磁場感測器。

磁場感測器被廣泛地應用於各種電子設備之中，用以監測磁場變化，並將監測結果轉化為電訊號對外輸出。其中，以霍爾效應感測器(Hall sensor)為例，該霍爾效應感測器主要是用於量測在基於霍爾效應所產生的勞倫茲力(Lorentz force)的影響下，而產生的載子偏移情形，以此量測取得磁場的變化量，除了能用以量測磁場強度的變化外，還能感測得知磁場方向的變化。

然而，現有的霍爾效應感測器通常是用於測量平面磁場之單一軸向(例如X軸或Y軸)的磁場變化，以避免感測結果受到不同軸向之磁場的干擾(例如軸間耦合)影響檢測結果。隨著現有的電子設備之結構的複雜化與精細化，對於磁場感測器的感測靈敏度和微型化的要求也越高，因此，如何發展出具有良好感測性的多軸磁場感測器，為相關領域的重點之一。

因此，本發明的目的，即在提供一種三軸磁場感測器。

於是，本發明三軸磁場感測器，包含一半導體基材、一第一電晶體感測單元、一第二電晶體感測單元、至少一第三電晶體感測單元、多個隔離單元，及多個凹槽。

該半導體基材具有一第一導電型摻雜。

該第一電晶體感測單元設置於該半導體基材，沿一第一方向延伸成矩形結構，用以量測一正交於該第一方向的第二方向的磁場變化。

該第二電晶體感測單元設置於該半導體基材，沿該第二方向延伸成矩形結構，用以量測該第一方向的磁場變化。

該至少一第三電晶體感測單元設置於該半導體基材且成扇形結構，用以量測一正交於該第一方向與第二方向的第三方向的磁場變化，該扇形結構具有一頂角，及一相對該頂角的弧狀區，每一第三電晶體感測單元包括一位於該頂角的射極、二分別位於該弧狀區的相對兩側並遠離該射極的集極、二分別位於該等集極反向於該射極的一側的基極，及一介於該射極與該等集極之間的閘極。

該等隔離單元自該半導體基材的表面向下形成，該等隔離單元具有各自框圍該第一電晶體感測單元、該第二電晶體感測單 元和該至少一第三電晶體感測單元周緣的隔離槽，及填置於該等隔離槽內的氧化物。

該等凹槽自該半導體基材的表面向下形成，且位於該等隔離單元外側。

本發明的功效在於：藉由該等第三電晶體感測單元的扇形結構設計能有效地限制載子於磁場作用下的遷移路徑，以提升對於該等第三電晶體感測單元的感測靈敏度，此外，將分別用以測量平面磁場以及垂直磁場之磁場變化的該第一電晶體感測單元、該第二電晶體感測單元和該至少一第三電晶體感測單元整合為一體，有助於該三軸磁場感測器的輕量化與微型化。

200:平面磁場感測模組

300:垂直磁場感測模組

2:半導體基材

3:第一電晶體感測單元

31、41:基極

32、42:集極

33、43:射極

34、44:隔離區

341、441:凹部

342、442:氧化物

4:第二電晶體感測單元

5:第三電晶體感測單元

51:射極

52:集極

521:感測端

53:基極

54:閘極

55:第二集極

6:隔離單元

61:隔離槽

62:氧化物

7:凹槽

8:電極單元

81:連接墊

82:延伸電極

9:覆蓋單元

91:氧化層

92:連通孔

93:鈍化層

T:溫度感測件

X:第一方向

Y:第二方向

Z:第三方向

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明本發明三軸磁場感測器的一實施例；圖2是一剖視示意圖，沿圖1的II-II割面線說明該三軸磁場感測器的第一電晶體感測單元的剖視結構；圖3是一剖視示意圖，沿圖1的III-III割面線說明該三軸磁場感測器的第二電晶體感測單元的剖視結構；圖4是一剖視示意圖，沿圖1的IV-IV割面線說明該三軸磁場 感測器的第三電晶體感測單元的剖視結構；及圖5是一剖視示意圖，沿圖1的V-V割面線說明該三軸磁場感測器的第三電晶體感測單元的剖視結構。

有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。

參閱圖1、圖2和圖3，本發明三軸磁場感測器的一實施例，包含一半導體基材2、一設置於該半導體基材2的平面磁場感測模組200、一設置於該半導體基材2的垂直磁場感測模組300、多個隔離單元6、多個凹槽7、一溫度感測件T、一電極單元8，及一覆蓋單元9。其中，圖1未繪製形成於該半導體基材2最頂面的該電極單元8及該覆蓋單元9，以顯示該平面磁場感測模組200、該垂直磁場感測模組300、該等隔離單元6、該等凹槽7，以及該溫度感測件T於俯視結構的相對位置，圖2和圖3則是分別沿圖1的II-II、III-III割面線的剖視結構，且顯示該電極單元8，及該覆蓋單元9。

該半導體基材2由半導體材料構成，選自元素半導體(例如：矽)、三五(III-V)族半導體(例如砷化鎵)或四四(IV-IV)族半導 體(例如碳化矽)，並具有一第一導電型摻雜。

該平面磁場感測模組200包括一用以量測一第二方向Y之磁場變化的第一電晶體感測單元3，及一用以量測一正交於該第二方向Y的第一方向X之磁場變化的第二電晶體感測單元4。於本實施例中，是以該第一電晶體感測單元3和該第二電晶體感測單元4為一雙極接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)，該第一方向X及該第二方向Y分別為沿該半導體基材2表面之平面方向的X軸方向以及Y軸方向為例作說明。

該第一電晶體感測單元3如圖2所示設置於該半導體基材2，沿該第一方向X延伸成矩形結構，包括沿該第一方向X間隔排列的一基極(base)31、二分別位於該基極31相對兩側的集極(collector)32、二分別位於各集極32反向於該基極31一側的隔離區34，及二分別位於該等隔離區34反向於該集極32一側的射極(emitter)33。

該基極31為自該半導體基材2表面向下形成的第一導電型摻雜區域，且其摻雜濃度高於該半導體基材2的摻雜濃度，該等集極32和該等射極33為自該半導體基材2表面向下形成的第二導電型摻雜區域。該等隔離區34設置於該等集極32和該等射極33之間，且每一隔離區34是由自該半導體基材2的表面向下形成的一凹部341，及填置於該凹部341內的一氧化物342所構成，供用以限制 多個載子於該半導體基材2的遷移路徑，避免該等載子直接沿該半導體基材2的表面移動，而有漏電流(leakage current)產生。在本實施例中，是以該第一導電型摻雜為P型摻雜，該第二導電型摻雜為N型摻雜，且該氧化物342選自二氧化矽(SiO₂)為例，然實際實施時不以此為限。

當將該第一電晶體感測單元3置於一平面磁場並施加一偏壓以進行檢測，於該半導體基材2內部會產生一感應電流，使多個載子自該等射極33朝該等集極32的方向移動，且在該平面磁場的作用下，該等載子會基於霍爾效應(Hall effect)產生的勞倫茲力(Lorentz force)而偏移，使該等集極32接收到的載子濃度產生差異，而各自取得不同的電流訊號，即可依據該兩個電流訊號取得該平面磁場沿該第二方向Y(即Y軸方向)的磁場變化。

該第二電晶體感測單元4如圖3所示設置於該半導體基材2，且與該第一電晶體感測單元3的結構相似，該第二電晶體感測單元4與該第一電晶體感測單元3的差異在於，該第二電晶體感測單元4是沿該第二方向Y延伸成矩形結構，且該第二電晶體感測單元4的基極41、集極42、隔離區44，及射極43是沿該第二方向Y間隔排列設置。因此，將該第二電晶體感測單元4置於一平面磁場並施加一偏壓以進行檢測，可依據該兩個集極42各自所測得的電流訊號評估於該平面磁場於該第一方向X(即X軸方向)的磁場變化。

參閱圖1、圖4和圖5，該垂直磁場感測模組300與該平面磁場感測模組200之間的間隔距離不小於200μm，以避免彼此之間發生干擾，而影響檢測結果。且於本實施例中，該垂直磁場感測模組300包括多個第三電晶體感測單元5，且是以該等第三電晶體感測單元5為一雙極接面電晶體為例作說明，該等第三電晶體感測單元5用以量測一正交於該第一方向X與第二方向Y的第三方向Z的磁場變化，且該第三方向Z為一垂直於該半導體基材2表面的Z軸方向。

該等第三電晶體感測單元5設置於該半導體基材2，且成扇形結構，該扇形結構具有一頂角，及一相對該頂角的弧狀區，且該頂角角度介於30度至150度。

每一第三電晶體感測單元5包括一位於該頂角的射極51、二分別位於弧狀區的相對兩側並遠離該射極51的集極52、二分別位於該等集極52反向於該射極51的一側的基極53、一介於該射極51與該等集極52之間的閘極54，以及二分別位於該等基極53反向於該等閘極54的一側的第二集極55。

其中，該閘極54設置於該半導體基材2表面，且令多個載子自該射極51移動至該等集極52的遷移路徑範圍位於該閘極54的投影範圍內。於在本實施例中，該閘極54由多晶矽材料構成，該基極53為自該半導體基材2表面向下形成的第一導電型摻雜區域，且 其摻雜濃度高於該半導體基材2的摻雜濃度，該等集極52和該等射極51為自該半導體基材2表面向下形成的第二導電型摻雜區域，且該第一導電型摻雜為P型摻雜，該第二導電型摻雜為N型摻雜。

較佳地，該等第三電晶體感測單元5成對稱分布，因此當該等第三電晶體感測單元5受到其它平面磁場影響時，成對稱設置的該等第三電晶體感測單元5能相配合地抵銷來自該平面磁場的干擾，進而降低該垂直磁場感測模組300的交叉靈敏度(cross sensitivity)，提升其對於感測該垂直磁場之磁場變化的準確性。

在本實施例中，是以該垂直磁場感測模組300具有四個成十字型對稱排列的第三電晶體感測單元5，且該等第三電晶體感測單元5是以其扇型結構的頂角彼此相對為例，而能將有效地降低該垂直磁場感測模組300的交叉靈敏度，此外，該等第三電晶體感測單元5是以並聯的電性連接方式彼此連接，以增強自該等集極52量測取得的電流訊號，提升該垂直磁場感測模組300的感測靈敏度。

當將該等第三電晶體感測單元5置於一垂直磁場下進行檢測時，該半導體基材2內部在該垂直磁場的作用下產生一感應電流，使多個載子自位於該頂角的該射極51朝向該等集極52移動，且該等載子在遷移過程中會基於霍爾效應發生偏移，故位於該弧狀區相對兩側的該等集極52所接收到的載子濃度會產生差異，進而取得不同的電流訊號，依據該等電流訊號即可評估該垂直磁場於該第三 方向Z(即Z軸方向)的磁場變化。其中，該扇形結構的結構設計用以限制該等載子的遷移路徑，有利於使該等載子更為集中地朝該等集極52的方向移動，提升該等第三電晶體感測單元5的感測靈敏度。

要說明的是，如圖1所示，於本實施例中，各第三電晶體感測單元5的集極52成類L型結構而具有分別沿該第一方向X和該第二方向Y延伸的感測端521，而可有利於感測取得不同遷移路徑的載子，然實際實施時，該等集極52的形狀態樣與設置位置可以有不同變化，只要設置於各自所相應的弧狀區的相對兩側，而可感測取得該弧狀區兩側之載子濃度的差異即可，並不以此為限。

在一些實施例中，該等第三電晶體感測單元5依元件設計需求也可不設置該等第二集極55。

在其它實施例中，該等第三電晶體感測單元5的數量和設置位置，以及該平面磁場感測模組200與該垂直磁場感測模組300之間的相對位置關係依元件設計需求可以有不同變化，只要該等第三電晶體感測單元5與該第一電晶體感測單元3和該第二電晶體感測單元4之間的間隔距離不小於200μm，且該第一電晶體感測單元3和該第二電晶體感測單元4之矩形結構的延伸方向彼此垂直即可，並不以圖式之舉例為限，例如，該垂直磁場感測模組300也可僅具有單一個第三電晶體感測單元5，或是具有兩個成對稱分布，且以頂角彼此相對的第三電晶體感測單元5。

在其它實施例中，該第一電晶體感測單元3、第二電晶體感測單元4及該等第三電晶體感測單元5也可為場效電晶體(field-effect transistor，FET)，則該等射極33、43、51作為源極(source)，該等集極32、42、52作為汲極(drain)，該基極31、41、53作為基體(body)，且該第一電晶體感測單元3和第二電晶體感測單元4還各自具有二設置於該半導體基材2表面且分別設置該等源極與該等汲極之間的閘極(gate，圖未示)。

再參閱圖1至圖5，該等隔離單元6為淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)結構，用以減低該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4，及該等第三電晶體感測單元5於檢測過程中發生漏電流的情形，該等隔離單元6具有多個自該半導體基材2的表面向下形成，且各自框圍該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4和該等第三電晶體感測單元5周緣的隔離槽61，以及填置於該等隔離槽61內的氧化物62，且該氧化物62選自二氧化矽。

該等凹槽7自該半導體基材2的表面向下形成，且位於該等隔離單元6外側，除了能進一步降低該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4和該等第三電晶體感測單元5產生漏電流的可能性，還有利於元件整體的輕量化。

該溫度感測件T設置於該半導體基材2上，由於該等載子 的遷移速率會受到該半導體基材2本身的溫度影響，進而影響該等集極32、42、52所測得的電流訊號，故該溫度感測件T供用以量測該半導體基材2於檢測時的溫度訊號，以作為檢測結果的校正依據。

該電極單元8由導電材料構成，具有多個分別設置於該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4，及該等第三電晶體感測單元5的該等射極33、43、51、該等集極32、42、52和該等基極31、41、53上且成歐姆接觸(ohmic contact)的連接墊81，用以對外電連接。

該覆蓋單元9遮蓋於該電極單元8、該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4，及該等第三電晶體感測單元5上，具有一披覆於該半導體基材2表面的氧化層91、多個形成於該氧化層91內部且延伸至該等連接墊81的連通孔92，及一形成於該氧化層91表面的鈍化層93。且該電極單元8還具有多個填置於該等連通孔92內而與該等連接墊81電連接的延伸電極82，該等延伸電極82經由該等連通孔92對外，或者延伸至該氧化層91表面，以對外電連接。

在本實施例中，該氧化層91由二氧化矽構成，遮覆於該第一電晶體感測單元3、該第二電晶體感測單元4、該等第三電晶體感測單元5，及該電極單元8，該鈍化層93由氮化矽材料構成，該等凹槽7是自該鈍化層93表面向下形成至該半導體基材2內部。

綜上所述，本發明三軸磁場感測器利用該等第三電晶體感測單元5的扇形結構設計而有利於限制載子的遷移路徑，以提升對於該等第三電晶體感測單元5的感測靈敏度，且成對稱分布的該等第三電晶體感測單元5能降低交叉靈敏度，並提升感測該垂直磁場之磁場變化的準確性，此外，藉由將該平面磁場感測模組200及該垂直磁場感測模組300整合為一單一感測元件，有利於該三軸磁場感測器的輕量化與微型化，故確實可達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

200:平面磁場感測模組

300:垂直磁場感測模組

2:半導體基材

3:第一電晶體感測單元

31、41:基極

32、42:集極

33、43:射極

34、44:隔離區

4:第二電晶體感測單元

5:第三電晶體感測單元

51:射極

52:集極

521:感測端

53:基極

54:閘極

55:第二集極

6:隔離單元

7:凹槽

T:溫度感測件

X:第一方向

Y:第二方向

Claims (9)

1. 一種三軸磁場感測器，包含：一半導體基材，具有一第一導電型摻雜；一第一電晶體感測單元，設置於該半導體基材，沿一第一方向延伸成矩形結構，用以量測一正交於該第一方向的第二方向的磁場變化；一第二電晶體感測單元，設置於該半導體基材，沿該第二方向延伸成矩形結構，用以量測該第一方向的磁場變化；至少一第三電晶體感測單元，設置於該半導體基材且成扇形結構，用以量測一正交於該第一方向與第二方向的第三方向的磁場變化，該扇形結構具有一頂角，及一相對該頂角的弧狀區，該第三電晶體感測單元包括一位於該頂角的射極、二分別位於該弧狀區的相對兩側並遠離該射極的集極、二分別位於該等集極反向於該射極的一側的基極，及一介於該射極與該等集極之間的閘極；多個隔離單元，自該半導體基材的表面向下形成，該等隔離單元具有各自框圍該第一電晶體感測單元、該第二電晶體感測單元和該至少一第三電晶體感測單元周緣的隔離槽，及填置於該等隔離槽內的氧化物；及多個凹槽，自該半導體基材的表面向下形成，且位於該等隔離單元外側。
2. 如請求項1所述的三軸磁場感測器，包含多個成對稱排列的該第三電晶體感測單元。
3. 如請求項2所述的三軸磁場感測器，包含四個成十字型對稱排列的該第三電晶體感測單元，且該等第三電晶體感測單元是以其扇型結構的頂角彼此相對。
4. 如請求項1所述的三軸磁場感測器，其中，該第一電晶體感測單元包括沿該第一方向間隔排列的一基極、二分別位於該基極相對兩側的集極，及二分別位於各集極反向於該基極一側的射極，該第二電晶體感測單元包括沿該第二方向間隔排列的一基極、二分別位於該基極相對兩側的集極，及二分別位於各集極反向於該基極一側的射極。
5. 如請求項1所述的三軸磁場感測器，其中，該至少一第三電晶體感測單元還具有二分別位於該等基極反向於該等集極的一側的第二集極。
6. 如請求項4所述的三軸磁場感測器，還包含一由導電材料構成的電極單元，具有多個分別設置於該第一電晶體感測單元、該第二電晶體感測單元，及該至少一第三電晶體感測單元的該等射極、該等集極和該等基極的連接墊。
7. 如請求項6所述的三軸磁場感測器，還包含一覆蓋單元，具有一披覆於該半導體基材表面，且遮覆該第一電晶體感測單元、該第二電晶體感測單元、該至少一第三電晶體感測單元和該電極單元的氧化層、多個形成於該氧化層內且延伸至該等連接墊的連通孔，及一形成於該氧化層表面的鈍化層，該電極單元還具有多個與該等連接墊電連接並經由該等連通孔對外延伸的延伸電極，該等凹槽是自該鈍化層表面向下形成至該半導體基材內部。
8. 如請求項1所述的三軸磁場感測器，還包含一設置於該半導體基材上的溫度感測件。
9. 如請求項1所述的三軸磁場感測器，其中，該至少一第三電晶體感測單元之扇形結構的頂角角度介於30度至150度，該第三電晶體感測單元與該第一電晶體感測單元和該第二電晶體感測單元間的間隔距離不小於200μm。