随着对检测三维（3D）磁场分量的需求越来越大，仅仅采用集成的水平霍尔板作为传感器件的CMOS霍尔传感器已经无法达到多种应用要求，因此需要研究检测平行于器件表面的磁场的垂直霍尔器件（VHDs），为实现二维或三维霍尔传感器提供了一个成本优化的片上系统（SoC）解决方案。然而由于受到固有的器件结构和CMOS制造工艺的限制，N阱的浅扩散层和高掺杂浓度使输入偏置电流很容易流过器件表面接触区域，导致VHDs的磁场灵敏度极低。为了缓解这种短路效应，通常采用具有特殊的低掺杂深n扩散层（NTUB）的高压（HV）CMOS技术来制造VHD。但是这将不可避免地增加额外的制造成本。此外，由于传统VHDs缺乏电气性能上的对称性，它的失调电压通常比霍尔电压大得多，使得VHDs很难检测到低磁场，因此必须采用全对称垂直霍尔器件（FSVHD）来减少器件的失调。其中，四阱三孔结构的VHD是一个很好的解决方案，尽管如此，其灵敏度仍然需要改进。

近日，南京邮电大学徐跃教授课题组针对以上问题深入研究了基于低压标准CMOS技术的集成VHD的磁传感器微系统，采用0.18μm低压CMOS工艺成功研制了一款垂直霍尔磁场传感器芯片。他们在该工作中研究了FSVHD结构中N+接触孔之间距离，N+接触孔宽度等参数对灵敏度的影响，显著提高了VHDs的灵敏度。此外，还提出了一个新颖的四相开关电容(SC)电路及其相应的调制电路，有效消除了霍尔失调并线性放大霍尔信号。测试结果表明，该传感器的系统灵敏度为1.22 V/T，残余失调小于60 μT，在-200 mT至200 mT的磁场范围内，输出霍尔电压的线性度高达99.9%，可以用于低成本的全集成二维或三维磁传感器微系统，进行位移、角度、电流、转速等方面的测量。

图1. CMOS垂直霍尔磁场传感器结构框图。

图2. 测试的输出霍尔电压随磁场的线性变化。

An integrated front-end vertical hall magnetic sensor fabricated in 0.18 μm low-voltage CMOS technology

Zhengwu Shu, Lei Jiang, Xingxing Hu, Yue Xu

J. Semicond. 2022, 43(3): 032402

doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032402

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/3/032402%20?pageType=en

来源：半导体学报2022年第3期中文导读