阅读说明：本技术 一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器 (Internal interconnection seven-electrode low-offset vertical Hall magnetic sensor ) 是由 吕飞 张金 刘飞 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器,包括作为电子运动空间,结合霍尔效应产生霍尔电压,从而实现对磁场的探测的有源区；将有源区与外部金属层相连,用于恒流激励的施加,以及霍尔电压的输出的电极；以及采用芯片内部互联方式的互联线；所述电极为7个,分别为C1～C7,采用对称式分布；7个电极两两采用内部互联线相连,互联的两电极位于对称点两侧。通过两侧电流交换减小两侧非对称性带来的传感器失调。本发明内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器与传统的与电极垂直霍尔传感器相比失调电压降低到原来的9.8％,失调磁场降低到原来的11.7％。(The invention discloses an internal interconnection seven-electrode low-offset vertical Hall magnetic sensor, which comprises an active region, a Hall effect circuit and a control circuit, wherein the active region is used as an electronic motion space and generates Hall voltage by combining the Hall effect so as to realize detection of a magnetic field; an electrode connecting the active region with an external metal layer for application of constant current excitation and output of Hall voltage; and an interconnection line adopting a chip internal interconnection mode; the number of the electrodes is 7, the electrodes are respectively C1-C7 and are distributed symmetrically; the 7 electrodes are connected pairwise by adopting internal interconnection lines, and the two interconnected electrodes are positioned at two sides of the symmetrical point. Sensor offset due to bilateral asymmetry is reduced by bilateral current exchange. Compared with the traditional low-offset vertical Hall sensor with electrodes, the inter-interconnected seven-electrode low-offset vertical Hall sensor has the advantages that the offset voltage is reduced to 9.8% of the original offset voltage, and the offset magnetic field is reduced to 11.7% of the original offset voltage.)

一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器

技术领域

本发明涉及垂直霍尔磁传感器，尤其涉及一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器。

背景技术

CMOS集成霍尔磁场传感器已广泛地应用在工业控制、智能仪器仪表和消费类电子等领域，三维霍尔磁传感器作为单轴霍尔磁传感器的延伸，有更广阔的应用场景，更高的精度，垂直霍尔磁传感器可用于探测平行于传感器表面的磁场，是三维霍尔传感器不可或缺的一部分。然而，失调电压作为在没有磁场的情况下的输出电压严重影响着CMOS垂直霍尔器件的性能以及长期的稳定性。

传统的垂直霍尔器件采用五电极的结构，如图1所示。有源区采用N型掺杂区，通过5个电极与外部电路相互连接，其中C1、C3、C5之间施加恒流偏置，在C2与C4之间感应霍尔电压从而得到磁场。在理想情况下，当磁场为0时，由于结构的对称性C2与C4之间无电压差。但是由于掩膜未对准，封装压力等原因会引入非对称性，从而带来失调。所以，在有磁场的情况下，C2和C4之间的电压V_C2-C4包括两部分：霍尔电压V_Hall和失调电压V_off，可表示为：

V_C2-C4＝V_Hall+V_off (1)。

通过霍尔电压可以获得霍尔传感器的电流相关灵敏度S_I：

其中，I_in和B分别表示施加的偏置电流和磁场。通过失调电压和电流相关灵敏度可以得到失调磁场B_off：

小的失调磁场能够有效提高磁传感器的分辨率和精度。而现有的五电极垂直霍尔磁传感器有较大的失调电压和失调磁场，达不到工程应用的要求，很大程度上阻碍了CMOS三维霍尔磁传感器的研发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种低失调垂直霍尔磁传感器。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器，包括：

有源区，作为电子运动空间，结合霍尔效应产生霍尔电压，从而实现对磁场的探测；

电极：将有源区与外部电路相连，用于恒流激励的施加，以及霍尔电压的输出；其中，所述电极为7个，分别为C1～C7，采用对称式分布；

互联线：采用M1和M2两层金属层实现芯片内部互联；其中，电极C2与C6通过金属层M1互联，并通过金属层M1管脚PAD0接地；电极C1与C5通过金属层M1互联，并通过金属层M1管脚PAD1实现霍尔电压输出；

电极C4通过金属层M2管脚PAD3实现偏置电流输入；电极C3与C7通过金属层M2互联，并通过金属层M2管脚PAD2实现霍尔电压输出。

其中，电极电极C1与C5，以及C3与C7互联，以平衡左右两端的非对称性达到减小失调的目的。

具体地，所述有源区采用窄条设计，长度和宽度分为90μm和3μm，能够在保证工艺精度的同时，尽可能提高磁传感器的电流相关灵敏度。

优选地，所述电极的宽度为1μm，在保证工艺精度的同时，降低短路效应对电流相关灵敏度的影响。

优选地，电极C1和C2的距离为13μm，电极C2和C3的距离为11μm，电极C3和C4的距离为13μm，电极C4和C5的距离为13μm，电极C5和C6的距离为11μm，电极C6和C7的距离为13μm，以降低初始失调。

优选地，所述有源区采用掺杂浓度不高于E18cm^-3，深度不小于1μm的N型掺杂区域。

优选地，所述互联线采用双层金属层的设计，探测电极之间的互联存在交叉的现象，采用双层设计可将设计分开以减小线长降低外部干扰，金属层M1和M2与电极之间采用通孔的方式连接。

有益效果：

本发明内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器与传统的与电极垂直霍尔传感器相比失调电压降低到原来的9.8％，失调磁场降低到原来的11.7％。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是传统的五电极垂直霍尔磁传感器三维图。

图2是本发明内互联七电极的垂直霍尔磁传感器坡面图以及互联方式。

图3是通过COMSOL中的二维仿真图，其中灰度颜色表示器件表面的电压分布。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

传统的垂直霍尔器件采用五电极的结构，如图1所示。在无磁场的情况下，电极C2和C4间的电压称之为失调电压，而C2和C4之间的电压差是由于电极C3两侧的非对称性引起的，于是考虑在C3两侧多加两个电极，然后通过电极间的互联从而平衡C3两侧的非对称性，从而减小C2和C4间的失调电压。鉴于上述思路，得到如图2的内互联七电极的垂直霍尔磁传感器，本发明基于GLOBALFOUNDRIES的0.18μm BCDlite^TM工艺参数进行验证研究，结构的优势对于其他工艺参数具有普适性。

如图2所示，有源区采用N型掺杂，对于垂直霍尔传感器，有源区的掺杂浓度越低、深度越深对传感器的性能越有利，对于GLOBALFOUNDRIES的0.18μm BCDlite^TM工艺，选取掺杂浓度为1.84 E17cm^-3，深度为1.018μm的区域。

电极采用重掺杂N区实现，以减小互联线与有源区之间的接触电阻。7个电极的连接如图2a所示，采用对称式分布。图2b和图2c给出了采用M1和M2两层金属层实现芯片内部互联方式。其中，电极C2与C6通过金属层M1互联，并通过金属层M1管脚PAD0接地；电极C1与C5通过金属层M1互联，并通过金属层M1管脚PAD1实现霍尔电压输出；电极C4通过金属层M2管脚PAD3实现偏置电流输入；电极C3与C7通过金属层M2互联，并通过金属层M2管脚PAD2实现霍尔电压输出；金属层M1和M2与电极之间采用通孔的方式连接。

偏置电流I_in经过C4后分为两路，分别左右两侧流去经过C3和C5时，有一部分电流通过内部互联线流向C7和C1，为I_l1和I_r1，这两部分电流可以用于平衡电极C4两侧的非对称性从而减小失调，当然电流I_l1和I_r1的引入也会减小探测电极处的有效电流，造成电流相关灵敏度S_I的减小，但总体对于失调磁场B_off来说，该结构对垂直霍尔传感器的精度和分别率都有很大的提升。

为了验证本发明的优势，验证采用COMSOL有限元分析软件，在软件中建立器件的二维模型和电路连接，COMSOL中的模型如图3所示，灰度颜色表示传感器表面的电压分布，从中可以看出电极C4两侧电压的非对称性，这是由于器件置于1T的磁场B中，而磁场的存在会有带来霍尔效应，霍尔效应会带来C4两侧电压的非对称性，也就是会形成电极C3和C5之间的电压差，也就是霍尔电压V_Hall。仿真中偏置电流I_in为1mA。根据霍尔电压V_Hall、偏置电流I_in以及磁场B通过式(2)可计算得到电流相关灵敏度S_I。为了引入失调我们在仿真模型中将电极C6的尺寸减小0.01μm，当无磁场存在时，电极C3和C5之间的电压差即为失调电压V_off，通过式(3)可得到失调磁场B_off。为了比较七电极垂直霍尔传感器的优势，本发明中同种尺寸的五电极垂直霍尔器件与之对比，只需将图2中的电极C1和C7不连入电路即可得到对应尺寸的五电极垂直霍尔磁传感器。

表1：同尺寸的内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器与传统的五电极霍尔传感器性能对比。

从上表可以看得出，内互联7电极低失调垂直霍尔磁传感器与传统的5电极霍尔传感器相比，虽然电流相关灵敏度S_I虽然有16.2％的降低，但是将失调电压和失调磁场分别降到了传统五电极传感器的9.8％和11.7％，这一提升能够有效的提高传感器的精度和分别率。

本发明提供了一种内互联七电极低失调垂直霍尔磁传感器，的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。