阅读说明：本技术 集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法 (High-temperature Hall sensor integrating back vertical type and front horizontal type three-dimensional magnetic field detection functions and manufacturing method thereof ) 是由 黄火林 张卉 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法,属于半导体传感器领域。技术要点：包括衬底、缓冲层、异质结结构层,所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层,所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器,所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器。有益效果：本发明采用适应高温环境的完全宽禁带材料,所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器既可以在高温下稳定的工作,又测量空间任意方向磁场,同时在测量X,Y,Z三个方向的磁场时具有较大的灵敏度。(A high-temperature Hall sensor integrating back vertical and front horizontal three-dimensional magnetic field detection functions and a manufacturing method thereof belong to the field of semiconductor sensors. The technical points are as follows: the heterojunction structure layer is grown on the substrate in sequence, and two-dimensional electron gas exists in the heterojunction structure layer; the lower surface of the substrate is provided with a vertical Hall sensor used for sensing a magnetic field parallel to the surface of the device, and the upper surface of the heterojunction structure layer is provided with a cross-shaped horizontal Hall sensor used for sensing a magnetic field vertical to the surface of the device. Has the advantages that: the high-temperature Hall sensor integrating the back vertical type and front horizontal type three-dimensional magnetic field detection functions can stably work at high temperature, measure magnetic fields in any direction of a space, and has higher sensitivity when measuring the magnetic fields in the X, Y and Z directions.)

集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔 传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体传感器领域，尤其涉及一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法。

背景技术

从19世纪70年代霍尔效应发现以来，以霍尔效应原理为基础的霍尔传感器由于其具有线性度良好、动态特性佳、精确度高等优点，被广泛应用于航空航天、生物医学、工业生产等各个领域。传统的霍尔传感器主要由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)等材料制作，尽管其可以满足低温或者环境温度下使用需要，但目前市场仍然需要能在室温至高于400℃的环境下稳定工作的霍尔传感器产品。例如，对太空探索飞行器中电路系统和铁磁材料的居里温度的局部测量等。三维霍尔传感器可以探测空间任意方向的磁场，目前已有的三维霍尔传感器往往基于Si材料制作。将测量垂直磁场的水平型霍尔传感器和测量水平磁场的垂直型霍尔传感器集成在一起得到的三维霍尔传感器，尺寸较大，同时由于传感器之间的相互干扰其交叉灵敏度也较大。将测量单一磁场的霍尔传感器集成到一起也可以得到三维霍尔传感器，但因其尺寸较大，在一些微型霍尔传感器的新应用受到限制。

与传统的Si、GaAs等材料相比，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高等特点，在制备高温霍尔传感器方面具有良好的材料优势和广阔的应用前景。其中：与Si材料相比，SiC材料具有宽禁带(约3.25eV)，高热导率(3～5W/(cm K))，且不存在由异质结材料界面高密度极化电荷产生的纵向电场，霍尔传感器在工作时，电子在纵向偏移过程不会被束缚在横向电流沟道中，因此，SiC材料适合制作高温下的垂直型霍尔传感器；GaN材料的异质结(典型如AlGaN/GaN)界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气(2DEG)，无需故意掺杂就可在沟道内保持很高的电子迁移率(典型值为2000cm²/V·s，高于体材料电子迁移率)，因此，GaN基材料适合制作高温下的水平型霍尔传感器，传统的三维霍尔传感器是将测量单一方向磁场的霍尔传感器集成得到的，尺寸较大。

现有的霍尔传感器主要有两种，一种是以Si材料为代表的单一材料的霍尔传感器，另一种是基于异质结结构的霍尔传感器。硅基材料的霍尔传感器工艺较为成熟，且可以和集成电路工艺相兼容，易于生产。基于InAs和InSb等异质结结构的霍尔传感器由于其异质结界面处具有高迁移率的二维电子气，可以获得较高的灵敏度。但由于这些传统材料本身禁带宽度较窄，在高于150℃的环境下其物理特性会发生明显变化，无法在高温下稳定的工作，因此限制了霍尔传感器的应用范围。

目前市场上主要以单一磁场测量的水平型霍尔传感器和垂直型霍尔传感器为主，为探测空间任意方向的磁场设计出了一种将测量垂直器件表面磁场的水平型霍尔传感器和测量平行器件表面磁场的垂直型霍尔传感器集成在同一平面的三维霍尔传感器，由于集成了两种霍尔传感器，最终得到的三维霍尔传感器器件尺寸较大，同时由于传感器之间的相互干扰，其交叉灵敏度也相对较大。除此之外，将三个测量单一方向磁场的霍尔传感器在X、Y、Z方向放置集成也可得到三维霍尔传感器。目前市场上已有的较为成熟的产品，例如，TLV493D三维霍尔传感器，将垂直型霍尔传感器旋转放置在X、Y、Z方向即可测量空间任意方向磁场。但其尺寸相对较大，且只能在低于125℃的情况下稳定工作。无论哪一种集成方式，最终得到的器件尺寸都较大，限制了其在微型和纳米霍尔传感器的新应用。

GaN异质结(典型如AlGaN/GaN)界面处的势阱中存在高密度由极化电荷诱导产生的二维电子气(2DEG)，在垂直沟道的方向存在纵向电场，沟道中的电子被束缚其中，虽然对水平型霍尔传感器没有影响，但使得垂直型霍尔传感器感测到的电流和电压减小，传感器灵敏度降低。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法，该霍尔传感器既可以在高温下稳定的工作，又测量空间任意方向磁场，同时在测量X，Y，Z三个方向的磁场时具有较大的灵敏度。

技术方案如下：

一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器，包括：衬底、缓冲层、异质结结构层，所述衬底上依次生长缓冲层和异质结结构层，所述异质结结构层中存在二维电子气；所述衬底下表面设有用于感测平行于器件表面磁场的垂直型霍尔传感器，所述异质结结构层上表面设有用于感测垂直于器件表面磁场的“十”字水平型霍尔传感器；所述垂直型霍尔传感器整体为“十”字形，“十”字横向依次设置公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1，“十”字纵向依次设置公共端电极C1’、感测电极S1’、所述信号输入端C0、感测电极S2’、公共端电极C2’，“十”字横向与纵向交接处为所述信号输入端C0；所述“十”字水平型霍尔传感器的“十”字四端分别设置信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4，所述信号输入电极C3与信号输入电极C4相对设置，所述感测电极S3与感测电极S4相对设置。

进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述异质结结构层包括外延层和势垒层，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN。

进一步的，所述缓冲层的厚度为10nm～100nm，所述外延层的厚度为0.1μm～50μm，所述势垒层的厚度为5nm～100nm。

进一步的，所述公共端电极C2、感测电极S2、信号输入端C0、感测电极S1、公共端电极C1、公共端电极C1’、感测电极S1’、感测电极S2’、公共端电极C2’、信号输入电极C3、信号输入电极C4、感测电极S3、感测电极S4的形状是矩形、梯形或者圆形。

进一步的，所述公共端电极C1和公共端电极C2关于信号输入端C0中心对称，所述感测电极S1和感测电极S2关于信号输入端C0中心对称。

本发明还包括一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器制作方法，步骤如下：

S1、清洗衬底材料，除去衬底表面的污染物；

S2、利用金属有机化合物化学气相淀积法、分子束外延法、氢化物气相外延法中任一种方式外延生长缓冲层和异质结结构层；

S3、外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀法进行刻蚀；

S4、采用电子束蒸发系统沉积复合金属，之后利用快速热退火工艺形成欧姆接触；

S5、采用等离子体增强化学气相淀积法、磁控溅射法、原子层沉积法、电子束蒸发法其中任一种方式淀积介质层进行器件钝化；

S6、对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法其中任一方法在电极处沉积金属制作焊盘并进行引线。

进一步的，所述衬底是SiC，所述缓冲层是AlN、GaN、超晶格结构中的任意一种，所述异质结结构层包括外延层和势垒层，所述外延层是GaN，所述势垒层是AlGaN。

有益效果：

本发明所述的集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法具有以下技术优势：1)SiC和GaN材料带隙大，具有高的击穿电场，是制备高温霍尔传感器的优质材料，其制备的垂直型和水平型霍尔传感器在高温下(高于400℃)稳定工作；2)SiC衬底材料上外延生长GaN异质结结构具有较低的晶格失配。与常用的衬底材料Si和蓝宝石相比，SiC与GaN的晶格失配要小得多(典型值为3.5％～3.8％)，同时热导率也比蓝宝石衬底高得多(典型值为4.9W/(cm K))，所以宜采用SiC材料作为衬底；3)GaN异质结用于制作测量垂直磁场的水平型霍尔传感器，由于其存在高浓度的二维电子气，电子迁移率较大，传感器灵敏度较高；SiC材料的衬底用于制作测量水平磁场的垂直型霍尔传感器，与GaN异质结相比，体材料的SiC不存在二维电子气沟道，同样也不存在垂直于沟道方向的纵向电场，沟道电子束缚较小，有利于提高垂直型霍尔传感器的灵敏度；4)该类型霍尔传感器既可以在高温下稳定的工作，测量空间任意方向磁场，尺寸较小，同时在测量X，Y，Z三个方向的磁场时具有较大的灵敏度。

本发明技术方案带来的有益效果，一方面与传统的Si、GaAs、InAs和InSb材料相比，利用了SiC和GaN材料禁带宽度大的特点，可以满足霍尔传感器在高温环境下的使用。另一方面提出了一种新的小尺寸三维霍尔传感器结构，利用各自材料优势集成正面AlGaN/GaN水平型和背面SiC垂直型霍尔传感器，可以实现三维磁场探测，节省体积，功耗小，空间位置探测灵敏度高，且有利于制造阵列霍尔传感器。由于外延生长的GaN异质结和SiC衬底晶格失配小，且SiC材料制作的垂直型霍尔传感器因为不存在纵向电场，传感器灵敏度提高；GaN异质结的水平型霍尔传感器因为高浓度二维电子气具有高电子迁移率的特点，同样提高器件性能。本方案制作的高温三维霍尔传感器未来有望广泛应用于各种军事、航空航天、医学、微型和纳米型传感器中。

附图说明

图1为本发明申请提出的一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器正面、背面结构示意图；

图2为本发明申请提出的一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器截面示意图；

图3本发明AlGaN/GaN异质结水平型霍尔传感器工作原理图；

图4本发明SiC衬底垂直型霍尔传感器工作原理图；

图5本发明申请

具体实施方式

工艺流程图；

图6本发明申请提出的AlGaN/GaN异质结水平型霍尔传感器的电流灵敏度与温度关系的实验验证结果图；

图7本发明申请提出的SiC垂直型霍尔传感器的电流灵敏度与温度关系的实验验证结果图。

具体实施方式

下面结合附图1-7对集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器及其制作方法做进一步说明。

实施例1

本发明申请提出了一种集成背面SiC垂直型霍尔传感器和正面GaN异质结水平型霍尔传感器的适用于高温工作环境的完全宽禁带材料三维霍尔传感器的技术方案。如图1上图所示，为器件结构的正面结构示意图。GaN异质结结构用于制作十字水平型霍尔传感器，用于感测垂直于器件表面的磁场。电极C3、C4为信号输入端，可以输入电流或电压，电极S3和S4之间测量电势差。也可以将电极S3、S4作为信号输入端输入电流或电压，在电极C3、C4之间测量电势差。GaN异质结结构有效的扩大了传感器稳定工作的温度范围，增大了传感器的灵敏度。如图1下图所示，为器件结构的背面结构示意图。SiC材料的衬底用于制作垂直型霍尔传感器，用于感测平行于器件表面的磁场。电极C0为信号输入端，输入电流或电压，电极C1、C2和C1’、C2’作为公共端接地。若存在平行于y方向的磁场，电极C0→C1，C0→C2的电流与磁场方向垂直，运动的载流子受到洛伦兹力的作用发生偏转，在电极S1和S2两侧感受到电势差，即为霍尔电压，达到测量磁场的目的。同理，若存在平行于x方向的磁场，电极C0→C1’，C0→C2’的电流与磁场方向垂直，在电极S1’和S2’两侧感受到电势差，即可测量x方向磁场大小。也可以将电极C0接地，电极C1、C2和C1’、C2’输入电流或电压，在S1、S2和S1’、S2’测量电势差。SiC材料由于不存在二维电子气，体材料中的电子受到纵向电场的束缚较小，从而提高了垂直型霍尔传感器的灵敏度；同时SiC材料禁带宽度大，具有高温下稳定工作的特性。

本发明申请技术方案结构示意图如图2，图2为以图1中AA’为切线的器件截面示意图。衬底为SiC材料，上面外延生长缓冲层和AlGaN/GaN异质结结构，其中缓冲层可为AlN或GaN(厚度为10～100nm)，GaN为外延层(厚度为0.1～50μm)，外延层上为AlGaN势垒层(5～100nm)，势垒层中的材料组分不做限定。电极C1，C2关于C0中心对称，感测电极S1，S2关于C0中心对称，电极C3，C4对称，电极形状不做特殊限定，可为矩形梯形等。电极与半导体材料需形成良好的欧姆接触。图3为正面AlGaN/GaN异质结水平型霍尔传感器工作原理图，图4为背面SiC衬底垂直型霍尔传感器工作原理图。

本发明申请目标器件的实现过程说明如下：

(1)衬底准备：准备SiC材料衬底，清洗衬底材料，除去SiC衬底表面的污染物。

(2)外延生长：利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)其中任一种方式外延生长缓冲层和AlGaN/GaN异质结结构，缓冲层可以是AlN、GaN或者超晶格结构，厚度为10～100nm；生成的GaN外延层厚度为0.1～50μm，外延层上AlGaN势垒层厚度为5～100nm。

(3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过光刻显影后，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)进行刻蚀，台面刻蚀深度为50～800nm。

(4)电极欧姆接触制作：光刻显影后用电子束蒸发系统沉积复合金属，之后利用快速热退火(RTA)工艺形成良好的欧姆接触。

(5)表面钝化：采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、磁控溅射、原子层沉积(ALD)、电子束蒸发(EB)其中任一种方式淀积介质层进行器件钝化。

(6)窗口开启：对电极处钝化层进行光刻并腐蚀形成窗口，采用磁控溅射、电子束蒸发(EB)、热蒸发其中任一方法在电极处沉积金属制作焊盘并进行引线。

本发明申请提出的一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器。SiC衬底制作垂直型霍尔传感器，外延生长的GaN异质结制作水平型霍尔传感器，既可以减小三维霍尔传感器尺寸，又由于GaN和SiC材料晶格失配小以及其本身的材料优势也可以提高器件灵敏度，同时可以满足传感器在高温下稳定工作。

本发明申请对一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器进行结构创新和制作。

本发明申请提出的一种集成背面垂直型和正面水平型三维磁场探测功能的高温霍尔传感器技术方案，其特点是：1)SiC和GaN材料带隙大，是制备高温霍尔传感器的优质材料，其制备的垂直型和水平型霍尔传感器可以在高温下(高于400℃)稳定工作；2)SiC衬底材料上外延生长GaN异质结结构具有较低的晶格失配。与常用的衬底材料Si和蓝宝石相比，SiC与GaN的晶格失配要小得多(典型值为3.5％～3.8％)，同时热导率也比蓝宝石衬底高得多(典型值为4.9W/(cm K))；3)GaN异质结用于制作测量垂直磁场的水平型霍尔传感器，由于具有高浓度的二维电子气，电子迁移率较大，器件灵敏度高；SiC材料的衬底用于制作测量水平磁场的垂直型霍尔传感器，与GaN异质结相比，体材料的SiC不存在二维电子气沟道，同样也不存在垂直于沟道方向的纵向电场，沟道电子束缚较小，有利于提高垂直型霍尔传感器的灵敏度。

实施例2

本发明申请目标器件的具体实施例制作流程说明如下：

1)衬底准备：准备SiC材料衬底，清洗衬底材料，除去SiC衬底表面的污染物。

2)外延生长：利用金属有机化合物化学气相淀积方式外延生长AlGaN/GaN异质结结构以及缓冲层AlN，生成的GaN外延层非故意掺杂，厚度为10μm，背景电子浓度小于3×10¹⁶cm^-3，外延层上AlGaN势垒层厚度为25nm，其中Al组分为0.25。缓冲层为AlN，厚度为50nm。

3)台面刻蚀：外延生长好的样品经过涂胶(使用AZ6130正光刻胶)、匀胶(前转600rpm-3s，后转1000rmp-20s，最终光刻胶厚度为2um)、光刻、显影(90秒)后，利用感应耦合等离子体刻蚀对异质结和SiC衬底进行刻蚀，刻蚀功率200W，通入150sccm的Cl基气体刻蚀250s，最终形成约400nm的刻蚀深度。

4)电极欧姆接触制作：首先是背电极制作，光刻显影后，用电子束蒸发系统在背面SiC表面沉积Ni(80nm)/Ti(30nm)/Al(80nm)三层金属，之后在930℃的氮气环境下退火6min形成欧姆接触。其次是正面电极制作，利用电子束蒸发系统在AlGaN/GaN表面沉积Ti(20nm)/Al(100nm)/Ni(45nm)/Au(55nm)四层金属，用RTA设备在860℃的氮气环境下退火30s形成欧姆接触。。

5)表面钝化：采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在300℃的环境下淀积300nm厚的SiO₂钝化层，削弱环境气氛对器件特性的影响。

6)窗口开启：对电极处钝化层腐蚀并开窗口引线。样品经过涂胶(使用AZ6130正光刻胶)，匀胶(前转600rpm-3s，后转1000rmp-20s，最终光刻胶厚度为2um)、光刻、显影(90秒)后，利用ICP刻蚀在表面钝化后的电极处刻蚀，形成窗口，之后采用磁控溅射的方法在电极处沉积500nm的Al，之后再进行引线，将电极引出。

图6和图7给出了本发明申请设计传感器的电流相关灵敏度与温度之间的关系。从图6中看出，GaN异质结的水平型霍尔传感器随着温度的升高，电流灵敏度虽有下降，但下降范围很小，其温漂系数约为98.89ppm/K。如图7所示为SiC衬底材料的垂直型霍尔传感器，虽然随着温度的升高，灵敏度降低，但依旧保持较大的电流灵敏度，其电流相关灵敏度的温漂系数为808.6ppm/K。综合图6图7的结果可以证实本发明申请实施例提供的传感器能获得较大的灵敏度，同样可以在高温下保持稳定工作。

本发明的技术关键点在于三维霍尔传感器结构的创新，将传统的单一方向磁场测量的霍尔传感器集成的方式转变成集成背面SiC垂直型霍尔传感器和正面GaN异质结水平型霍尔传感器的适用于高温工作环境的完全宽禁带材料三维霍尔传感器。在保证探测X，Y，Z方向磁场的同时，本方案大大减小了三维霍尔传感器的尺寸，同时可以满足在高温环境下的使用，并在保证稳定工作的前提下提高了传感器的灵敏度。器件的制作工艺既减小了晶格匹配的程度，又保证电极具有良好的欧姆接触，大大提高器件产品的性能。本发明申请主要保护提出的器件结构设计和器件制作工艺。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明技术方案对现有的磁敏传感器制作是个重要的技术补充。本发明所述的实施例，并非对本发明内容进行限定，其他具有同一外延结构上实现双面三维磁场探测功能的器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他外延结构组合、叠层结构、钝化层生长(包括不同的生长技术、不同的钝化层组合或者也可直接省略钝化工艺步骤)、欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)或者台面刻蚀工艺，在基于实现本发明所述基本功能目的下，都适用于本发明提案涉及范围。衬底材料可以是SiC或者金刚石或者其他耐高温材料，外延结构也可以包含其他能产生高载流子迁移率的材料或者材料组合。