阅读说明：本技术 非易失霍尔传感器及其制造方法、测试方法 (Nonvolatile Hall sensor and manufacturing method and testing method thereof ) 是由 范林杰 毕津顺 徐彦楠 习凯 刘明 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非易失霍尔传感器及其制造方法、测试方法,所述非易失霍尔传感器包括：半导体衬底,所述半导体衬底包括源区、漏区以及设置在所述源区和所述漏区之间的沟道区；设置在所述沟道区上的第一绝缘层；设置在所述第一绝缘层上的阻变材料层,所述阻变材料层的材料和所述第一绝缘层的材料不同；设置在所述阻变材料层上的第二绝缘层,所述第二绝缘层的材料和所述阻变材料层的材料不同；设置在所述第二绝缘层上的栅极。本发明提供的非易失霍尔传感器,可以存储霍尔电压信号,不需要额外的电路检测、分析和存储霍尔电压信号。(The invention discloses a nonvolatile Hall sensor and a manufacturing method and a testing method thereof, wherein the nonvolatile Hall sensor comprises the following components: the semiconductor device comprises a semiconductor substrate, a first electrode and a second electrode, wherein the semiconductor substrate comprises a source region, a drain region and a channel region arranged between the source region and the drain region; a first insulating layer disposed on the channel region; a resistive material layer disposed on the first insulating layer, the resistive material layer being made of a different material than the first insulating layer; the second insulating layer is arranged on the resistance change material layer, and the material of the second insulating layer is different from that of the resistance change material layer; a gate electrode disposed on the second insulating layer. The nonvolatile Hall sensor provided by the invention can store Hall voltage signals without additional circuits for detecting, analyzing and storing the Hall voltage signals.)

非易失霍尔传感器及其制造方法、测试方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种非易失霍尔传感器及其制造方法、测试方法。

背景技术

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。1879年，霍尔在研究金属的导电机构时发现了霍尔效应。经过不断地研究发现，由于金属材料电子浓度高、绝缘体材料迁移率很低导致霍尔传感器的特性不高而被排除在外。半导体材料因为电阻率较大，载流子(电子和空穴)迁移率适中成为霍尔式传感器的首选。霍尔传感器能够采用标准的半导体工艺制作，具有成本低廉、集成度高、技术成熟以及功耗较低等优点，被广泛应用于地磁检测、移动通讯、导航系统以及GPS通讯等方面。

目前，霍尔传感器工作时，磁场的感知和电压信号的存储是分离的。霍尔传感器感知出的磁场转化为霍尔电压信号后，需要额外的电路进行分析和存储电压信号，这不仅可能导致信号在传输过程中失真，也会增加霍尔传感器结构的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的是现有的霍尔传感器需要额外的电路对霍尔电压信号进行分析和存储的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种非易失霍尔传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底包括源区、漏区以及设置在所述源区和所述漏区之间的沟道区；

设置在所述沟道区上的第一绝缘层；

设置在所述第一绝缘层上的阻变材料层，所述阻变材料层的材料和所述第一绝缘层的材料不同；

设置在所述阻变材料层上的第二绝缘层，所述第二绝缘层的材料和所述阻变材料层的材料不同；

设置在所述第二绝缘层上的栅极。

可选的，所述第一绝缘层的材料为SiO₂和高K材料中的至少一种，所述第一绝缘层的厚度为10纳米至15纳米。

可选的，所述第二绝缘层的材料为SiO₂和高K材料中的至少一种，所述第二绝缘层的厚度为10纳米至15纳米。

可选的，所述阻变材料层的材料为TiO_x、HfO_x以及TaO_x材料中的至少一种，所述阻变材料层的厚度为20纳米至30纳米。

可选的，所述栅极的材料为多晶硅，所述栅极的厚度为40纳米至60纳米。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种非易失霍尔传感器的制造方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括源区、漏区以及设置在所述源区和所述漏区之间的沟道区；

在所述沟道区上形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上形成阻变材料层，所述阻变材料层的材料和所述第一绝缘层的材料不同；

在所述阻变材料层上形成第二绝缘层，所述第二绝缘层的材料和所述阻变材料层的材料不同；

在所述第二绝缘层上形成栅极。

可选的，所述在所述第一绝缘层上形成阻变材料层包括：

采用原子层沉积工艺在所述第一绝缘层上形成所述阻变材料层。

可选的，所述在所述阻变材料层上形成第二绝缘层包括：

采用热氧化工艺在所述阻变材料层上形成所述第二绝缘层。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种非易失霍尔传感器的测试方法，所述非易失霍尔传感器为上述非易失霍尔传感器，或者为采用上述制造方法获得的非易失霍尔传感器，所述测试方法包括：

进行第一施压操作，以在所述阻变材料层中形成电流，所述第一施压操作包括：将所述源区、所述漏区以及所述半导体衬底接地，并对所述阻变材料层的两个端面施加电压，以在所述两个端面之间形成电压差，所述两个端面垂直于所述沟道区的长度方向；

维持所述第一施压操作，对所述阻变材料层施加第一磁场，以形成霍尔效应，所述第一磁场垂直于所述电流方向；

撤销所述第一施压操作和所述第一磁场，进行第二施压操作，所述第二施压操作包括：将所述源区和所述半导体衬底接地，并对所述栅极和所述漏区施加电压，以形成漏源电流；

维持所述第二施压操作，检测所述漏源电流。

可选的，在所述检测所述漏源电流之后，还包括：

撤销所述第二施压操作，并进行所述第一施压操作；

维持所述第一施压操作，对所述阻变材料层施加第二磁场，所述第二磁场的方向与所述第一磁场的方向相反。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的非易失霍尔传感器或者采用本发明提供的制造方法获得的非易失霍尔传感器，包括半导体衬底、第一绝缘层、阻变材料层、第二绝缘层以及栅极。由于所述阻变材料层中的电荷在外加电压和磁场的作用下，能够被其上下表面的陷阱捕获，因而可以存储霍尔电压信号，不需要额外的电路检测、分析和存储霍尔电压信号。本发明提供的非易失霍尔传感器或者采用本发明提供的制造方法获得的非易失霍尔传感器，将磁场感知和霍尔电压信号的存储集为一体，精简了器件结构；所述非易失霍尔传感器具有存储电荷非易失的性质，且存储电荷可擦除，具有可重复使用的优势；所述非易失霍尔传感器的制备工艺与传统CMOS工艺完全兼容，具有成本优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的非易失霍尔传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的非易失霍尔传感器的测试流程图；

图3和图4为对本发明实施例的非易失霍尔传感器进行测试时对阻变材料层施加电压和磁场的示意图；

图5至图7为对本发明实施例的非易失霍尔传感器进行测试时阻变材料层中的电荷运动变化示意图；

图8为本发明实施例的非易失霍尔传感器在磁场检测前后的I_d-V_g转移特性曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本实施例提供一种非易失霍尔传感器，图1为所述非易失霍尔传感器的剖面结构示意图，所述非易失霍尔传感器包括半导体衬底11、第一绝缘层12、阻变材料层13、第二绝缘层14以及栅极15。

具体地，所述半导体衬底11可以为硅衬底，包括源区111、漏区112以及设置在所述源区111和所述漏区112之间的沟道区113。

所述第一绝缘层12设置在所述沟道区113上，所述第一绝缘层12的材料可以为SiO₂和高K材料中的至少一种。进一步，所述第一绝缘层12的厚度可以为10纳米至15纳米。

所述阻变材料层13设置在所述第一绝缘层12上，所述阻变材料层13的材料可以为TiO_x、HfO_x以及TaO_x材料中的至少一种。进一步，所述阻变材料层13的厚度可以为20纳米至30纳米。

所述第二绝缘层14设置在所述阻变材料层13上，所述第二绝缘层14的材料可以为SiO₂和高K材料中的至少一种。进一步，所述第二绝缘层14的厚度可以为10纳米至15纳米。

所述栅极15设置在所述第二绝缘层14上，所述栅极15的材料可以为多晶硅。进一步，所述栅极15的厚度可以为40纳米至60纳米。

所述阻变材料层13的材料和所述第一绝缘层12的材料不同，和所述第二绝缘层14的材料也不同。在工艺过程中，所述第一绝缘层12的上表面会和所述阻变材料层13形成界面陷阱，所述第二绝缘层14的下表面会和所述阻变材料层13形成界面陷阱，形成的界面陷阱可以捕获所述阻变材料层13中的电荷。需要说明的是，所述第一绝缘层12、所述阻变材料层13、所述第二绝缘层14以及所述栅极15的材料和厚度，并不限于本实施的描述。

本实施例提供的非易失霍尔传感器，由于所述阻变材料层13中的电荷在外加电压和磁场的作用下，能够被其上下表面的陷阱捕获，因而可以存储霍尔电压信号，不需要额外的电路检测、分析和存储霍尔电压信号。因此，所述非易失霍尔传感器将磁场感知和霍尔电压信号的存储集为一体，精简了器件结构；所述非易失霍尔传感器具有存储电荷非易失的性质，且存储电荷可擦除，具有可重复使用的优势；所述非易失霍尔传感器的制备工艺与传统CMOS工艺完全兼容，具有成本优势。

基于同样的发明构思，本实施例还提供一种非易失霍尔传感器的制造方法，所述制造方法包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括源区、漏区以及设置在所述源区和所述漏区之间的沟道区；

在所述沟道区上形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上形成阻变材料层，所述阻变材料层的材料和所述第一绝缘层的材料不同；

在所述阻变材料层上形成第二绝缘层，所述第二绝缘层的材料和所述阻变材料层的材料不同；

在所述第二绝缘层上形成栅极。

具体地，所述半导体衬底可以为硅衬底。通过对所述硅衬底进行掺杂处理，可以形成所述源区、所述漏区以及所述沟道区。

可以采用等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)或低压化学气相沉积工艺(LPCVD，low Pressure Chemical VaporDeposition)在所述沟道区上形成所述第一绝缘层。所述第一绝缘层的材料可以为SiO₂和高K材料中的至少一种，所述第一绝缘层的厚度可以为10纳米至15纳米。

可以采用原子层沉积工艺在所述第一绝缘层上形成所述阻变材料层。所述阻变材料层的材料可以为TiO_x、HfO_x以及TaO_x材料中的至少一种，所述阻变材料层的厚度可以为20纳米至30纳米。

可以采用热氧化工艺在所述阻变材料层上形成所述第二绝缘层。所述第二绝缘层的材料可以为SiO₂和高K材料中的至少一种，所述第二绝缘层的厚度可以为10纳米至15纳米。

可以采用自对准工艺在所述第二绝缘层上形成所述栅极。所述栅极的材料可以为多晶硅，所述栅极的厚度可以为40纳米至60纳米。

所述阻变材料层的材料和所述第一绝缘层的材料不同，和所述第二绝缘层的材料也不同。在工艺过程中，所述第一绝缘层的上表面会和所述阻变材料层形成界面陷阱，所述第二绝缘层的下表面会和所述阻变材料层形成界面陷阱，形成的界面陷阱可以捕获所述阻变材料层中的电荷。

采用本实施例提供的制造方法获得的非易失霍尔传感器，由于所述阻变材料层中的电荷在外加电压和磁场的作用下，能够被其上下表面的陷阱捕获，因而可以存储霍尔电压信号，不需要额外的电路检测、分析和存储霍尔电压信号。因此，所述非易失霍尔传感器将磁场感知和霍尔电压信号的存储集为一体，精简了器件结构；所述非易失霍尔传感器具有存储电荷非易失的性质，且存储电荷可擦除，具有可重复使用的优势；所述非易失霍尔传感器的制备工艺与传统CMOS工艺完全兼容，具有成本优势。

基于同样的发明构思，本实施例提供一种非易失霍尔传感器的测试方法，所述非易失霍尔传感器为前述实施例提供的非易失霍尔传感器，或者为采用前述实施例的制造方法获得的非易失霍尔传感器。

图2是所述测试方法的流程图，所述测试方法包括：

步骤S21，进行第一施压操作，以在所述阻变材料层中形成电流；

步骤S22，维持所述第一施压操作，对所述阻变材料层施加第一磁场，以形成霍尔效应；

步骤S23，撤销所述第一施压操作和所述第一磁场，进行第二施压操作；

步骤S24，维持所述第二施压操作，检测所述漏源电流。

以所述非易失霍尔传感器为前述实施例提供的非易失霍尔传感器为例，以下对所述测试方法进行详细说明。

具体地，所述第一施压操作包括：将所述源区111、所述漏区112以及所述半导体衬底11接地，并对所述阻变材料层13的两个端面施加电压，以在所述两个端面之间形成电压差，所述两个端面垂直于所述沟道区113的长度方向。在所述两个端面之间形成电压差，可以是左边端面的电压高于右边端面的电压，如图3所示；也可以是右边端面的电压高于左边端面的电压，如图4所示。在所述电压差的作用下，所述阻变材料层13由高阻态转化为低阻态，所述阻变材料层13中形成所述电流。根据形成所述电压差的方式不同，所述电流的方向也不相同。若是形成图3所示的电压差，所述电流的方向是自左向右，如图5所示；若是形成图4所示的电压差，所述电流的方向是自右向左。需要说明的是，所述电压差的大小根据所述阻变材料层13的材料特性确定，只要能够使得所述阻变材料层13由高阻态转化为低阻态即可。

维持所述第一施压操作，对所述阻变材料层13施加所述第一磁场，所述第一磁场垂直于所述电流方向。若是形成图3所示的电压差，所述电流的方向是自左向右，所述第一磁场的方向是垂直于纸面向外；若是形成图4所示的电压差，所述电流的方向是自右向左，所述第一磁场的方向是垂直于纸面向里。若是形成图3所示的电压差，由于霍尔效应，正电荷向下移动，负电荷向上移动，如图6所示。当正负电荷被所述阻变材料层13和两个绝缘层界面陷阱捕获后，所述阻变材料层13中形成由其下界面指向上界面的内部电场，如图7所示。需要说明的是，所述第一磁场的大小可所述阻变材料层13的材料特性确定，只要能够使得所述阻变材料层13中的电荷发生偏转即可。

撤销所述第一施压操作和所述第一磁场，进行所述第二施压操作。所述第二施压操作包括：将所述源区111和所述半导体衬底11接地，并对所述栅极15和所述漏区112施加电压，以形成漏源电流。对所述栅极15和所述漏区112施加的电压大小可根据实际情况确定，只要能够从所述非易失霍尔传感器检测出正常的转移特性曲线即可。

维持所述第二施压操作，检测所述漏源电流。如图8所示，由于所述阻变材料层13内部电场的存在，所述非易失霍尔传感器的阈值电压会由低阈值变化为高阈值，从而可以根据不同的高阈值电压值检测出磁场大小。

本实施例提供的非易失霍尔传感器的测试方法，可以检测出所述非易失霍尔传感器的工作特性。进一步，在所述检测所述漏源电流之后，还可以包括：

撤销所述第二施压操作，并进行所述第一施压操作；

维持所述第一施压操作，对所述阻变材料层施加第二磁场，所述第二磁场的方向与所述第一磁场的方向相反。

通过施加所述第二磁场，被捕获的正负电荷被复合，所述非易失霍尔传感器可被重复使用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。